袁克立 袁 輝 宋宏冰

（山東華聚能源股份有限公司）

0 引言

分布式能源主要是指分布于各個(gè)用戶端的綜合型能源支配平臺(tái)，因分布式能源擁有能效高、低污染以及經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，且在現(xiàn)代能源互聯(lián)網(wǎng)中占據(jù)著重要地位，所以其發(fā)展為一次能源也將成為必然趨勢(shì)［1］。當(dāng)前，能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)發(fā)展，使得風(fēng)能、太陽(yáng)能、儲(chǔ)能電池等具備低污染、高轉(zhuǎn)化率、設(shè)備輕巧便攜等特性的分布式能源迅速實(shí)施并網(wǎng)，如此便顯著促進(jìn)了分布式能源交易模式的多樣性建設(shè)［2］。隨之而來(lái)的交易管理問(wèn)題也逐漸顯現(xiàn)，因此，相關(guān)人員務(wù)必對(duì)分布式能源交易問(wèn)題予以重視，基于區(qū)塊鏈技術(shù)對(duì)交易平臺(tái)予以優(yōu)化完善，提升平臺(tái)管理效率，以此有效助力分布式能源交易平臺(tái)充分體現(xiàn)自身價(jià)值［3］。

1 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式能源交易模式研究

分布式能源交易模式主要為集中出清交易模式，該模式通過(guò)區(qū)塊鏈的去中心化特點(diǎn)，把交易市場(chǎng)全部用戶的報(bào)價(jià)和需求進(jìn)行整合匹配，并于生成供需區(qū)先后實(shí)施出清，依照差異性報(bào)價(jià)方式進(jìn)行交易［4］。例如，假設(shè)用戶節(jié)點(diǎn)是交易中的買方，定義向量H=代表的是用戶a于時(shí)間ti提交的交易報(bào)價(jià)；而身為分布式能源服務(wù)商節(jié)點(diǎn)的賣方，定期向量為代表的是分布式能源服務(wù)商b在時(shí)間ti提交的交易報(bào)價(jià)，此時(shí)假設(shè)t1

表1 交易買賣雙方的報(bào)價(jià)信息表

表2 交易報(bào)價(jià)排序和交易匹配信息表

2 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式能源交易與管理模型構(gòu)建

2.1 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能合約模型

智能合約的觸發(fā)機(jī)制可以通過(guò)邏輯條件表達(dá)式來(lái)定義。例如，可以設(shè)定一個(gè)能源交易的智能合約觸發(fā)條件為：

式中，Ci是客戶i的當(dāng)前能源需求量，Cthreshold是合約激活的能源需求閾值，Ti是當(dāng)前時(shí)間，Tdeadline是合約截止時(shí)間，Pi是提議的交易價(jià)格，Pagreed是雙方同意的價(jià)格。

智能合約的支付邏輯可以通過(guò)數(shù)學(xué)函數(shù)來(lái)定義，能源交易的支付金額Pаymеnt可以表示為：

式中，Paymentij是客戶i向供應(yīng)商j支付的金額，由客戶的能源需求量Ci與每單位能源的價(jià)格Pi的乘積決定。智能合約中的懲罰機(jī)制用公式（3）表示，如果違約發(fā)生，即客戶未能在截止時(shí)間前滿足合約條件，可施加的懲罰Penalty為：

其中，λ是單位時(shí)間違約的罰金，Tdeadline和Ti分別是合約截止時(shí)間和實(shí)際交易時(shí)間。

2.2 分布式能源交易與管理模型

（1）綜合能源交易條件：智能合約的激活條件可以通過(guò)集成之前定義的觸發(fā)機(jī)制、支付邏輯和懲罰機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先，定義一個(gè)綜合條件函數(shù)Fij（C，T，P），該函數(shù)考慮了能源需求、時(shí)間和價(jià)格：

式中，ContractTriggerij決定合約是否被觸發(fā)，Paymentij和Penaltyi分別代表了支付金額和違約懲罰。

（2）總體能源交易效益公式：總體交易效益Bеnеfit可以通過(guò)累加所有成功交易的支付減去所有違約懲罰來(lái)計(jì)算：

式中，n是參與交易的客戶數(shù)量，m是供應(yīng)商數(shù)量。

（3）交易成功率公式：交易成功率SuccessRate可以通過(guò)計(jì)算滿足合約條件的交易數(shù)量與總交易數(shù)量的比例來(lái)確定：

式中，分子表示成功的交易數(shù)量，分母是總交易數(shù)量。以上模型可量化基于區(qū)塊鏈的智能合約模型在分布式能源交易和管理平臺(tái)中的效能。

2.3 分布式能源交易與管理平臺(tái)中的F-DPoS算法設(shè)計(jì)

F-DPoS機(jī)制是DPoS的升級(jí)優(yōu)化版本，主要執(zhí)行原理是把簡(jiǎn)單且公開的投票決定節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)化成具備綜合性能的評(píng)分模型，實(shí)現(xiàn)全部候選節(jié)點(diǎn)的公平競(jìng)爭(zhēng)，助力更具價(jià)值以及能力的節(jié)點(diǎn)擔(dān)任區(qū)塊鏈生產(chǎn)者，以此有效規(guī)避DPoS機(jī)制節(jié)點(diǎn)選舉出現(xiàn)的舞弊現(xiàn)象。

F-DPoS共識(shí)機(jī)制下的超級(jí)節(jié)點(diǎn)選舉步驟，需要先對(duì)全部節(jié)點(diǎn)的算力予以評(píng)估，僅有評(píng)估結(jié)果有效滿足制定標(biāo)準(zhǔn)的算力節(jié)點(diǎn)才可成功擔(dān)任區(qū)塊生產(chǎn)者。接著，對(duì)全部節(jié)點(diǎn)予以量化處理，使其為整體區(qū)塊鏈充分提供價(jià)值，再根據(jù)原有的投票選舉結(jié)果，利用動(dòng)態(tài)權(quán)重的模式對(duì)變量予以科學(xué)分配，以此生成模型的核心變量。算力評(píng)估的公式可以表示為：

式中，Ci代表節(jié)點(diǎn)i的算力，Ii代表節(jié)點(diǎn)i的通證增長(zhǎng)率，Vi代表節(jié)點(diǎn)i獲得的投票數(shù)。系數(shù)α，β，γ分別代表這三個(gè)變量的權(quán)重，且α+β+γ=1。為保證模型的平衡性和約束性，引入平衡系數(shù)δ和約束系數(shù)η，使δ≥0，η≥1。

因邊際收益遞減，利用VES（VаriаblеElаsticityofSubstitution）生產(chǎn)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)的綜合評(píng)估。VES函數(shù)可表示為：

在這個(gè)函數(shù)中，δ和η分別表示平衡系數(shù)和約束系數(shù)，決定算力Ci和通證增長(zhǎng)率Ii對(duì)整體評(píng)分的影響程度。結(jié)合式（7）和式（8），可得節(jié)點(diǎn)的總體評(píng)分模型：

式中，λ是一個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)整的權(quán)重系數(shù)，用于平衡直接算力評(píng)分和VES函數(shù)評(píng)估結(jié)果。

3 系統(tǒng)性能測(cè)試

為測(cè)試基于區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式能源交易與管理平臺(tái)性能。選擇5臺(tái)Dеll PowеrEdgе R740服務(wù)器用于模擬區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)行智能合約，處理和存儲(chǔ)交易數(shù)據(jù)，50個(gè)模擬節(jié)點(diǎn)代表不同的能源交易參與者，模擬交易行為。交易行為中的交易數(shù)據(jù)包括能源需求量、交易價(jià)格、投票數(shù)等數(shù)據(jù)。測(cè)試交易成功率、系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、網(wǎng)絡(luò)吞吐量、算力分配公平性、能耗與資源使用等指標(biāo)。其中，交易成功率是成功執(zhí)行的交易與總交易的比率；系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間表示從交易發(fā)起到確認(rèn)的平均時(shí)間；網(wǎng)絡(luò)吞吐量表示單位時(shí)間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)處理的交易數(shù)量；算力分配公平性表示評(píng)估節(jié)點(diǎn)算力與獲得的交易機(jī)會(huì)之間的關(guān)系；能耗與資源使用用于評(píng)估系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的能耗和資源消耗。交易分為3個(gè)批次，記為Bаtch 1，Bаtch 2，Bаtch 3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3和表4所示。

表3 交易成功率及平均響應(yīng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果

表4 網(wǎng)絡(luò)吞吐量測(cè)試結(jié)果

由上表可知，平臺(tái)在不同的批次中保持了較高的交易成功率，顯示了系統(tǒng)在處理交易方面的高效性和可靠性。某些批次的交易成功率甚至接近了99%，表明在特定條件下系統(tǒng)能以極高的效率順利完成交易。然而，Bаtch的成功率略低于平均水平，表明在面對(duì)極端情況時(shí)，系統(tǒng)可能需要進(jìn)一步優(yōu)化以保持穩(wěn)定性。系統(tǒng)平均響應(yīng)時(shí)間保持在較短的范圍內(nèi)，表明系統(tǒng)能夠快速處理并確認(rèn)交易，符合實(shí)時(shí)交易處理的要求。網(wǎng)絡(luò)吞吐量數(shù)據(jù)顯示了系統(tǒng)在不同時(shí)間段處理交易的能力。單位時(shí)間內(nèi)處理的交易數(shù)量保持在較高水平，說(shuō)明系統(tǒng)具備處理高交易量的能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，為有效緩解基于區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式能源交易與管理問(wèn)題，研究設(shè)計(jì)了一套基于F-DPoS算法的分布式能源交易與管理平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了平臺(tái)的高效性、可靠性和彈性，證明了F-DPoS算法在提高能源交易效率和確保系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的潛力。未來(lái)業(yè)內(nèi)人員應(yīng)探索更多應(yīng)用場(chǎng)景，以充分利用區(qū)塊鏈技術(shù)在能源管理領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的深入發(fā)展，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能能源管理系統(tǒng)將在未來(lái)的能源產(chǎn)業(yè)中扮演越來(lái)越關(guān)鍵的角色，為構(gòu)建更加高效、可持續(xù)的能源生態(tài)系統(tǒng)做出重要貢獻(xiàn)。