基于分布式区块链的能源共享网络处理模型设计

何 德，徐 千，沈 祥，张 磊，万 彪

（1.国网绍兴供电公司，浙江绍兴 312000；2.国网绍兴供电公司发展策划部，浙江绍兴 312000；3.绍兴建元电力集团有限公司，浙江绍兴 312000；4.国网绍兴供电公司互联网办公室，浙江绍兴 312000）

随着新型电力系统建设的推进，电力系统中的光伏、风电等清洁能源渗透率逐步升高，发电、用电主体间的能源交易需求也日渐紧迫[1-2]。分布式能源交易参与主体除了传统发电厂和用户外，还包括分布式能源供应商、负荷聚合商与虚拟电厂运营商。随着交易主体的日益多元化，交易数据的规模也逐渐庞大，且分布较为分散[3-5]。现有的能源交易系统为集中式部署，其尚未满足支撑未来海量能源用户参与分布式能源交易的需求。

近年来，在经济、金融及能源等领域，区块链技术应用较为广泛，其具有去中心化、公正与透明等诸多优点[6-9]，故能够适用于分布式能源交易场景的需求。因此，该文采用分布式区块链深入研究了其在能源共享网络中的应用技术，以期通过改进的能源交易认证算法，提高分布式能源交易系统的处理效率，并保障能源交易的安全性及可靠性。

1 基于分布式区块链的能源共享网络

1.1 能源共享网络架构

基于分布式区块链的能源共享网络架构如图1所示[10-11]。而参与能源共享交易的对象包括用户侧与发电侧的主体。其中，发电侧主要为传统发电厂、光伏电站和风力发电站等；用户侧则主要为用户聚合商、虚拟电厂等。

图1 能源共享网络架构

能源共享交易过程主要包括以下几个阶段：

1）信息发布：购售电双方通过能源共享交易平台发布自身的购售电需求。

2）撮合阶段：购售电双方通过能源共享交易平台进行协商，并达成相应的交易约定。

3）交易上链：根据购售电双方协商的交易约定，将交易电价、交易电量与保证金额等信息，写入分布式区块链中。

4）交易结算：根据购售电双方履约情况，触发智能合约进行自动结算，进而完成金额转账等操作。

1.2 能源交易平台设计

能源共享交易平台架构如图2 所示[12-13]，各层实现功能如下：

图2 分布式能源交易平台架构

1）基础层：由智能电表、智能用电设备等硬件设施与通信设备组成，其通过物联网技术获取用户的用能数据，并通过通信网络将该数据向上级传输。

2）区块链层：包括区块链管理、高效共识认证算法及区块分布式存储三部分，其通过高效的共识认证算法保证区块记录信息的一致性与可信度，且通过分布式区块储存实现交易数据的便捷储存。

3）合约层：该层可实现对智能合约的管理，具备合约部署、查询和交易等功能，还为不同形式的能源交易服务提供了相应的智能合约接口。

4）数据层：其通过可视化界面实现与用户的信息交互，并对区块链上存储的数据进行分析，且为应用层提供相应的数据服务。

5）应用层：分布式能源共享平台的应用功能包括电能交易、支付管理及账户管理等。

2 能源交易安全认证算法

2.1 信用评价体系

针对分布式区块链中不同节点的功能，可将其划分为记账节点、验证节点和轻节点。三类节点的功能如下[14-16]：

1）记账节点：负责收集并记录所有用户的能源共享交易数据。

2）验证节点：对能源共享交易的安全性进行验证，包括交易主体的身份合法性、交易的合法性等，通常验证节点为能源交易的监管主体。

3）轻节点：位于用户终端，负责单个用户能源交易数据的采集与上传，并为记账节点查询数据提供索引。

根据三种类型区块链节点的特性，并考虑到验证节点和记账节点处于整个分布式区块链节点的关键位置，故其信用程度关乎电力系统及区块链系统的安全性与稳定性，因此该文分别采用验证信用与记账信用来评价这两个节点的信用程度，从而保障能源共享交易的安全可信。而轻节点仅负责少量数据的采集、上传与支持相关数据的查询申请，所以文中并未考虑对其信用程度进行评价。基于上述分析，该文构建的分布式区块链信用评价体系如图3所示。

图3 分布式区块链的信用评价体系

2.2 评估方法

1）验证信用

验证节点的验证信用值计算方法如下：

分布式区块链节点对于每笔能源交易，需满足一定数量验证节点的验证后才能发起该笔交易，满足的条件如下：

式中，B为已通过验证节点的累积信用程度，M为已通过验证节点的总数，此时N也等于分布式区块链系统验证节点总数；λ为比例系数。

由式（2）可知，当已通过验证节点的累计信用程度大于一定比例所有验证节点的总信用程度时，验证信用值越高的节点，其对验证结果的影响程度也越大。传统方法需通过一定比例验证节点的个数才能通过验证，而该文所提方法根据固定的验证节点，便能够区分不同验证节点的信用程度，进而减小验证过程的工作量。

2）记账信用

记账节点的记账信用程度可用六个方面的指标进行衡量，具体如表1 所示。

表1 记账信用评估指标定义

对于每笔能源交易，其记账信用评估指标的取值如下：

式中，as为记账节点信用评估指标的取值。由此每笔能源交易的合理性如下：

式中，Tk为第k笔能源交易合理性，当Tk=1时，表示该笔能源交易记录准确，而当Tk=0 时，则表示该笔能源交易记录有误，存在交易数据被篡改的可能为第k笔能源交易第s个信用评估指标的取值。

记账节点的记账信用值计算方法如下：

记账过程中，记账节点不断计算以下公式，以获得满足条件的随机数，然后才能对能源交易数据进行记录：

式中，Hash(·)为哈希函数；ci为第i个记账节点需记录的新生成数据对应区块Hash 根值；αi为正向计算随机数；β为分布式区块链系统默认的难度常数。

记账节点需重复尝试不同的随机数αi，直至满足式（6）的条件为止。考虑不同记账节点的记账信用程度，该文通过引入其记账信用评估值至记账计算过程中，可将式（6）改写为：

由于Hash 计算将随机数投射到[0,2256-1]的区间范围内，因此单次求解成功的概率为：

在分布式区块链系统中所有记账节点计算能力相同的情况下，单次运算的Hash 计算耗费时间相同。则同一时刻下，第i个记账节点在与所有记账节点竞争下获得记账权的概率为：

其中，H为Hash 计算的次数，由式（9）可知，记账信用评估值越高的记账节点，获得记账权的概率越大。因此，上述方法能够有效防止恶意节点获得记账权。

3 算例分析

为验证所提方法对恶意攻击的防范能力，该文在Ubuntu 16.04 操作系统的PC 上搭建了基于分布式区块链的能源共享交易仿真平台。

3.1 记账信用对能源交易处理的影响

在所搭建的仿真平台下，设置分布式区块链系统中记账节点的信用值，不同平均记账信用值对区块生成时间的影响如图4 所示。由图可知，随着平均记账信用值的降低，分布式区块链系统区块的平均生成时间逐渐增加。采用该文所提的基于信用评价的能源交易数据记账处理方法，节点记账成功率与其信用值成正相关。由于恶意节点的信用值较低，从而有效抑制了分布式区块链系统中恶意攻击行为的发生。

图4 信用值对区块生成时间的影响

3.2 验证信用对能源交易处理的影响

将仿真平台中验证节点总数设置为60，分析不同平均验证信用对能源交易验证过程的影响，结果如图5 所示。从图中可知，当平均验证信用值为80时，需要55 个节点才能通过验证。而当平均验证信用值为100 时，仅需32 个节点便能通过验证。由此可见，验证信用程度越高的节点，对验证过程的影响越大，且其具有更高的话语权，从而降低了验证信用值较低恶意节点的影响力。同时，当整个分布式区块链系统中验证节点的信用程度均较高时，需要验证的节点数更少，因此能大幅提高系统的验证速率。

图5 信用值对区块验证过程的影响

4 结束语

该文将分布式区块链技术应用于能源共享交易网络数据处理中[17-18]，提出了基于信用评价的能源交易处理方法。通过仿真分析表明，所提方法能够遏制分布式区块链节点中的恶意篡改行为，并提高验证效率，保障系统的安全性与稳定性。但影响区块链共识效率的因素还包括节点计算能力、储存能力及通信能力等，故在后续研究中将进一步分析多维因素对共识效率的影响，并提出一种更适用于海量分布式能源交易的共识算法。