區塊鏈技術下的電力智能交易研究

趙文婷，沈 蒙，金智新,3，王盈森，李 懿

(1.太原理工大學 經濟管理學院，太原 030024；2.北京理工大學 計算機學院，北京 100081；3.山西焦煤集團有限公司，太原 030024；4.太原理工大學 信息與計算機學院，太原 030024)

隨著全球電力市場的快速成長，參與電力交易的市場主體變得越來越多元化，尤其是儲能技術的發展，推動著交易主體開始從生產者或消費者向產消者轉變[1-2]。多元化的市場主體增加了電力交易的復雜性，增加了運營和維護成本。電力市場能源交易的去中心化交易模式可以有效降低能源市場的管理運營成本，因此受到廣泛關注，并開始應用于電力市場研究中[3]。然而，脫離中間運營商監管和運行的去中心化交易模式，也存在著用戶信息和交易數據容易被篡改等安全隱患，以致于交易過程的透明性和安全性得不到有力保障。因此推動電力交易的去中心化運行模式，降低電力市場的運作成本，保證電力交易信息的安全性和可靠性，是研究電力交易市場的新方向。

區塊鏈不僅是一個分布式的記賬系統，也是一種后端的基礎架構。其本質是一種全局共享的分布式賬本，即不需要任何第三方組織，通過自證清白的方式建立分布式信任機制，維護不斷增長的數據記錄列表。在區塊鏈中完成的每筆交易的信息都是共享的，并且可供所有節點使用，其具有去中心化、高公信力、數據不可篡改等特點[4]。該技術最初應用于比特幣，并作為加密貨幣系統[5]。隨著算法和應用程序的不斷發展，區塊鏈正在廣泛應用于金融服務、信用調查、供應鏈和物聯網[6]。該技術增強了這些行業中各個主體間的信任，降低了運作成本，提高了數據和信息的安全性。將區塊鏈技術用于能源領域是一個新的研究熱點，目前，在美國紐約和澳大利亞巴瑟爾頓，已將區塊鏈技術用于電能交易系統研究中，并將基于區塊鏈技術的電能交易系統投入運行。MENGELKAMP et al[7]基于區塊鏈技術推出了七個組件，并構建了高效微電網能源市場框架。XU et al[8]基于區塊鏈構建了微電網群信息流交易模型。同時，通過改善信息素濃度和調整參數來改進蟻群優化算法，求解所提出的微電網群信息流交易模型。目前，這些研究更側重于市場框架或市場競爭策略優化的問題，而基于區塊鏈技術的電力市場交易系統研究才剛剛起步。

基于上述分析，本文提出一種基于Hyperledger Fabric去中心化交易模型，并將其引入電力交易系統研究中，然后選擇Kafka共識機制并基于Fabric 1.1構架進行鏈碼部署及系統性能測試。采用聯盟區塊鏈技術構建的電力市場交易系統，可以降低市場運營和管理成本，并確保交易過程的透明性和安全性。

1 區塊鏈概述

1.1 區塊鏈基本原理

“區塊鏈”這一概念[5]由中本聰于2008年提出。該技術使用對等(peer to peer；P2P)網絡自動執行智能合約，使區塊鏈的分布式數據庫進行自我管理。本節將對研究中所涉及到的區塊鏈的相關原理和技術進行簡要闡述。

區塊鏈通常被視為分布式公共分類賬，按時間順序和公開記錄交易。區塊鏈技術的核心功能是獨立保護數據的真實性，不依賴于任何中央或第三方代理機構，打破信任障礙，大大降低了業務運營的信任成本，提高了業務效率。該技術確保了區塊鏈數據庫的完整性、連續性和一致性，使交易透明化，保證數據信息不能被篡改[9]。

袁勇等[10]通過對區塊鏈技術的深入研究，提出區塊鏈六層架構：應用層、合約層、激勵層、共識層、網絡層、數據層，如圖1所示。其中，數據層主要解決區塊中的數據以怎樣的方式組合在一起的問題，封裝了包括時間戳、哈希函數、非對稱加密技術、數據區塊的鏈式結構[11]等在內的底層技術。網絡層封裝了P2P連網機制、數據信息傳送機制和數據信息校驗機制。共識層主要包括共識算法和共識機制，是整個區塊鏈網絡中的分布式節點對同一區塊進行有效性判斷的依據。在激勵層中，每一個區塊鏈系統都有其獨有的經濟激勵和Token分配制度，以鼓勵區塊鏈網絡中的節點來共同維護區塊鏈網絡[12]。在合約層中，由于區塊鏈具有可編程的特性，使得每一個區塊中都可以包含腳本、算法以及智能合約。智能合約可以使區塊鏈系統在達到約束條件下自動觸發執行合約內容，而不需額外的人工干預。該層極大限度地擴充了區塊鏈的應用場景，使得區塊鏈成為降低信用成本的技術之一[13]。應用層主要指區塊鏈的具體應用場景。

圖1 區塊鏈的6層基礎架構Fig.1 Six-layer structure of blockchain

從區塊鏈的數據結構來看，區塊鏈是由密碼學算法產生帶有時間戳數據的區塊組成的鏈條。區塊頭的內容是用于連接下一數據區塊的外部信息。區塊數據用于數據分析和處理，為節點用戶提供決策方案，如圖2所示。

圖2 區塊鏈區塊結構Fig.2 Block structure

1.2 聯盟區塊鏈

目前根據去中心化程度區塊鏈技術可分為3類，包括公有區塊鏈、聯盟區塊鏈、私有區塊鏈。在公有鏈中，鏈上的每一個參與者都可以發送交易，每個個體均能夠介入整個共識過程。但是，運用公有鏈交易的能耗較大，且不可控。私有鏈僅僅使用區塊鏈的總賬技術進行記賬，一般只在一個企業或機構內使用。

由多個組織構建的聯盟區塊鏈只有部分節點參與其共識過程，其余節點只參與交易過程，因此聯盟區塊鏈具有部分去中心化特點。它既有私有鏈的隱私性，也有公有鏈的去中心化思維，因此聯盟鏈具有以下特點[14]：

1) 交易成本低、速度快。聯盟鏈交易只需部分節點參與驗證與記賬，少量的聯盟節點具有較高的可信度，從而簡化了認證過程，使其比公有鏈有更快的交易速度。

2) 數據信息安全性高。不同于公有鏈，聯盟鏈的數據只限于聯盟里的主體才有訪問權限。訪問權限受到限制，從而可以提供更好的隱私保護。

3) 可調控性。聯盟鏈在短期內具有可擴展的優勢，具有一定程度的調控性。

電力交易市場的參與主體并不止是一個企業，故私有鏈不適用于微電網。另一方面，電力市場屬于一個行業，對區域和市場主體有一定的劃分。同時，參與電力交易的主體需要符合一定的資質才能進行交易，因此聯盟鏈更適用于電力交易市場的研究。

1.2.1Hyperledger Fabric

Hyperledger Fabric是由IBM公司牽頭發起的一個聯盟鏈項目，2015年底移交給Linux基金會后成為開源項目。該項目旨在通過成員共同合作，針對不同行業各種用戶案例，建立一個可以使共識和會員服務等組件即插即用的基礎區塊鏈服務平臺。目前Hyperledger Fabric已經推出到1.0以上的版本，自1.0版本以來，Fabric將區塊鏈的數據維護和共識服務進行了分離。共識服務從節點(peer)中完全分離出來，獨立為共識節點(orderer)；數據維護服務通過通道(channel)結構的建立予以實現，新的結構使得業務隔離性能和數據安全性能得到大幅度的提升[15]。

Fabric在架構上采用了模塊化設計，主要由三個服務模塊組成：成員服務、共識服務和鏈碼服務，如圖3所示。成員服務提供注冊登錄、身份管理以及交易審計功能，用來限制訪問權限以確保系統登錄的安全性。共識服務負責節點的分布式賬本計算、訂單排序、P2P協議的實施以及背書驗證。鏈碼服務提供一個智能合約的執行引擎，為Fabric的合約代碼程序提供部署運行環境。鏈碼可以通過多種編程語言來開發，包括Go、Java和Node.js等。目前，支持最完善的是Go語言版本的鏈碼。

圖3 Fabric整體架構圖Fig.3 Overall architecture of fabric

1.2.2共識機制

Hyperledger Fabric的共識算法是由經過許可的節點組成的分布式系統，只能由構成聯盟的給定業務環境中的部分獲準成員進行操作。許可的區塊鏈將識別節點如何控制和更新共享分類帳，并且通常還具有控制誰可以發出交易的方法。同時，排序服務(order service)用來對Hyperledger Fabric的每個節點的訂單進行統一處理，以確保每個節點上的訂單順序統一，從而防止產生分叉問題。目前，Fabric1.1支持3種共識算法，包括：分布式隊列(Kafka)、簡單的拜占庭容錯(SBFT)、單節點共識(Solo)。SBFT處理事務的速度更快，具有更好的擴容性。Solo只有一個訂購服務節點，如果該節點崩潰，Fabric將無法生成阻止，因此僅在實驗室測試環境中使用該共識算法[15]。Kafka是一種高吞吐量的分布式發布消息系統，其多排序節點可以避免單點故障而導致整個網絡崩潰的問題。下面重點介紹Kafka算法。

Kafka結構如圖4所示，由以下幾類角色構成：1) Broker，消息處理節點，主要任務是接收消息生產者(Producer)發送的消息，并將排序后的消息發送給訂閱該主題(Topic)消息的消費者(Consumer)；2) Topic，主題，Kafka通過對Topic進行分區來提高吞吐量；3) Zookeeper，分布式協調服務，用于集群管理和元數據存儲，以實現Kafka動態水平擴展；4) Producer，消息生產者，程序會將所產生和公布的消息傳送至Brokers；5) Consumer，消息消費者，通過應用程序接口(Application Programming Interface，API)訂閱Topic，從而對所收到的信息進行處理。

圖4 分布式隊列(Kafka)架構圖Fig.4 The structure of kafka consensus algorithm

1.3 使用區塊鏈技術的電力交易市場理論分析

分布式能源的發展大力推動了電力交易市場的建設。目前，電力交易市場的傳統運營方式需要中間機構的監管和運作，存在著運營成本較高、交易自由度較低等缺點。此外，由于中間機構的運作使得交易不夠透明，交易數據可篡改且用戶信息的安全得不到保障。區塊鏈技術可以作為一種去中心化的技術解決方案，所有當前參與的節點去共同維護一個交易賬本，以確保交易過程具有較高的安全性和透明性。因此，本文從以下3個方面來對區塊鏈技術用于電力市場交易研究進行分析：

1) 首先，區塊鏈技術可以保障數據不可篡改，促進電力交易過程透明化。

2) 其次，區塊鏈技術能夠解決市場主體間的信任問題，進而免除中間運營商的監管環節，從而實現電力市場去中心化交易。去中心化的點對點交易可以減少電力交易過程中信息流和能量流的流通環節，提高信息的時效性，增加交易的自由度。基于區塊鏈技術的電力市場交易模式可以實現主體間的點對點交易，提高交易效率，降低運營成本。

3) 最后，區塊鏈技術可以提高電力交易市場的主體信息和交易數據的安全性。當去中心化這種新型的交易模式應用于電力交易市場中時，交易過程的安全性則成為了所有市場主體所擔心的問題。非對稱加密算法是保證區塊鏈安全的核心技術，該算法包含2個秘鑰：公開密鑰(public key)和私有秘鑰(private key)。這種加密算法使得節點數據為全網用于認證的節點共同認證和鑒定，能夠有力保障電力交易全部過程的安全性。

2 基于Hyperledger Fabric電力交易系統研究

基于Hyperledger Fabric電力市場交易系統模型整體框架如圖5所示，電力交易的市場主體分別為：售電單元(power unit，PU)和購電單元(buyer unit，BU)。其中，PU是一筆電力交易的售電方，它可能是一個小型分布式電源，也有可能是一個擁有光伏發電板的普通家庭。BU是一筆電力交易的購電方，它可能是一家小型電力公司也可能是一個普通的用電家庭。每一筆交易都必須由所有的參與方共同認證方可生效，我們將每個加入交易網絡的用戶單元都抽象成為一個成員組織，每一個組織在區塊鏈網絡中至少擁有兩個節點。每一個參與方，無論是用電單元還是售電單元，都至少擁有一個智能電表。當有新的電力交易請求時，請求將會傳入區塊鏈交易系統的證書頒發機構(certificate authority；CA)申請身份，該接口會根據預設的邏輯來判斷該能源請求是否符合要求，若符合，發放許可并將該請求提交給交易系統。然后，交易系統會將請求的內容發送到區塊鏈交易匹配中心(matchmaking trading center；MTC)完成交易過程。當交易完成后，通過排序服務(order service)，將交易記錄記入賬本。

基于Hyperledger Fabric電力交易系統執行的具體流程如圖6所示，可分為3個階段，包括交易認證階段、交易執行階段和交易結算階段。

2.1 交易認證階段

在交易認證階段，PU和BU分別向CA申請以獲得入網許可，具體流程如下[16]。

步驟1：根據安全參數，CA生成自己的主私鑰(master private key，MPK).

步驟2： PU和BU向CA提出入網申請，獲取在交易網絡中相應的相關屬性集(attribute set，AS)，包括身份標識、用戶類型、用戶權限、用戶征信報告以及用戶的錢包地址等。

步驟3：CA根據各單元屬性集，利用自己的主私鑰為各單元頒發私鑰，并通過安全信道發送給各用戶單元。

圖5 基于Hyperledger Fabric電力交易模型Fig.5 Power trading model based on Hyperledger Fabric

圖6 基于Hyperledger Fabric電力交易系統執行的具體流程圖Fig.6 Flow chart of execution of power trading system based on Hyperledger Fabric

KeyGen(MPK,AS)→PKr.

(1)

式中：MPK為主私鑰，PKr為各單元頒發私鑰，AS為相應的屬性集。

2.2 交易執行階段

售電單元和購電單元發布交易信息，然后在MTC中進行交易匹配，用戶根據內部電價和交易量簽訂相關交易的智能合約，具體步驟如下。

步驟1：BU向MTC提交需求信息，并使用自身私鑰對最終的需求信息進行身份標識，生成簽名，通過MTC進行發布。

Intb(IDb,Addr,Td,Ed,Pb,Sigb)→Demand .

(2)

式中：IDb為身份標識、Addr為錢包地址、Ed為需求量、Td為交貨時間、Pb為價格，Sigb為需求信息生成簽名。

步驟2：PU向MTC提交售電信息，并使用自身私鑰對最終的售電信息進行身份標識，生成簽名，通過MTC進行發布。

Intp(IDp,Ep,Pp,Sigp)→Supply .

(3)

式中：IDp為身份標識，Ep為預計售電量，Pp為售電價格，Sigp為售電信息生成簽名。

步驟3：PU與BU通過MTC進行匹配，并加上交易匹配成功的時間戳Ts，生成交易訂單Ord.

Match(Demand,Supply,Ts)→Ord .

(4)

式中：Ts為時間戳，Demand和Supply分別為所發布的需求信息和供電信息，Ord為所生成的交易訂單。

訂單一旦形成，參與該交易的PU與BU便選擇一個合適的MTC節點，形成一條能源調度通路，伴隨交易通路的形成，MTC會生成一個隨機數。

Hash(PUid,BUid,MTCid)→Rand .

(5)

式中：PUid為PU的身份信息，BUid為BU的身份信息，MTCid為交易匹配信息，Rand為隨機數。

2.3 交易結算階段

當交易完成時，提交至排序服務進行事務排序，排序結束后記入賬本中。然后調用調度系統，按照請求的具體內容完成能源調度。

步驟1：在交易系統中，隨機數與已達成的交易訂單一并整合為一條交易記錄，根據鏈碼中的背書策略，然后發向各組織中的節點1.

Intr=(Ord,Rand)→Record .

(6)

Rand為MTC中所生成的隨機數，Ord為所達成的交易訂單。

步驟2：節點1會檢查交易的合法性，檢查結束后會使用自身的私鑰PKr對執行結果進行簽名，并發還給交易系統。

步驟3：當交易系統收集到足夠數量的結果后會把交易事務發向排序服務。

步驟4：排序服務將收到的每一筆事務按順序打包至一個區塊中，直到區塊的大小達到系統預設的閾值。

步驟5：當一個區塊達到指定閾值后，排序服務會將該區塊提交給節點1以及節點2，節點2此時會校驗結果并將區塊寫入賬本中。這時，電力交易系統收到交易達成通知，并發送至調度系統，根據交易請求完成能源調度。

3 基于Hyperledger Fabric電力交易系統研究性能測試

本節性能測試主要為了評估文章中所提電力交易模型在高負載、高并發交易請求下的執行狀況。在實驗過程中使用四臺搭載有Intel Core i5-4590S CPU 3.00 GHz處理器，16 GB內存，Ubuntu18.04操作系統的主機。其中，一臺主機安裝有區塊鏈性能測評工具Hyperledger Caliper，作為高頻率發送交易請求的客戶端；其余三臺主機搭建了Hyperledger Fabric v1.1的運行環境，分別充當參與電力交易的三方實體：PU，BU和MTC，它們一同構成了分布式的聯盟鏈服務端，來處理客戶端發送過來的交易請求。

一個區塊鏈網絡的事務處理能力可以從以下兩個參考指標進行評價：吞吐量(throughput)和延遲(latency).Throughput是衡量一個區塊鏈解決方案的重要參考指標，該指標用來表征區塊鏈網絡在一定時間內能夠處理事務的數量，一般使用tps(transaction per second)來表示每秒鐘能夠處理的事務數量。Latency指區塊鏈系統處理一筆事務所需要花費的時間，在性能測試中請求的延時包括一個事務從客戶端到區塊鏈網絡并得到網絡響應的時間，一般使用ms(毫秒)來作為該指標的單位。

Caliper通過預設的http端口向區塊鏈網絡發送事務請求，通過不斷增加事務的發送速率(Send Rate)來觀察所提模型Throughput和Latency的變化趨勢。測試結果如表1所示。

表1 Caliper的加壓測試結果Table 1 Caliper’s pressure test results

為了更直觀地觀察所提模型的事務處理能力，從表格中抽取所關注的Throughput以及Average latency兩項指標的數據，繪制成圖7.

我們分別對Throughput和Average latency進行分析。Average latency的情況在圖7中以柱狀圖的形式展示。通過觀察可得，隨著Send Rate的增加，所提模型的Average latency整體呈現上升趨勢，但在300 tps以前，Average latency增長比較平緩，基本維持在1 000 ms左右，而當Send Rate超過300 tps時，呈大幅增長趨勢。

圖7 模型測試結果Fig.7 Test results of the trading model

Throughput測試結果以折線圖的形式在圖中展示。通過觀察可得，隨著Send Rate的增加，所提模型的Throughput整體呈上升趨勢，但到達飽和點280 tps時，Throughput增長緩慢，基本維持在一個穩定的狀態。

4 結語

區塊鏈技術最初應用于比特幣，旨在解決在沒有第三方權威介入的情況下進行點對點交易過程中所存在的信任問題。隨著分布式電源和儲能的發展，傳統的電力交易市場參與主體變得多樣化和復雜化，進而增加了第三方中間運營商的管理和運營成本，也降低了交易市場主體的收益。本文通過將區塊鏈技術應用于電力交易市場，以密碼學的方式來保證用戶的交易信息和數據的安全性、透明性及不可被篡改性，解決了交易市場中去中心化交易模式的安全問題。同時，通過引入聯盟鏈中公私鑰管理的方式，將準入與公私鑰的管理權限賦予給了區塊鏈網絡中交易匹配節點，在一定程度上改善了公有鏈中節點無法監管的現象，使得新型的去中心化的電力交易模式得以實現。