基于博弈策略的能源區塊鏈安全交易機制

李剛, 趙琳穎, 關雪, 魯斌，2，辛銳, 程凱

(1.華北電力大學計算機系，河北省保定市 071003；2. 復雜能源系統智能計算教育部工程研究中心，河北省保定市 071003；3.國網河北省電力有限公司信息通信分公司，石家莊市 050021；4.河北省電力物聯網信息通信技術創新中心，石家莊市 050021)

0 引 言

新一代信息技術給能源互聯網的發展帶來了重大契機，能源系統正在由封閉模式過渡轉變到開放模式。以能源電力科學和信息科學為基礎的能源互聯網，旨在建立一種多種能源形式(節點)共同參與的共享互聯網絡[1]，進而達到信息流和能量流的雙向流通與互動。然而，當前參與主體的多樣性、能源數據的安全性以及交易信息的保密性等諸多實際問題制約著能源互聯網的發展，迫切需要找到新的解決途徑[2]。

區塊鏈(blockchain，BC)技術的分布式、不可篡改、匿名性等特性與能源互聯網的業務需求極為貼合，為其安全問題提供了一種新的解決方案[3]。目前，區塊鏈技術在金融[4]、物聯網[5-6]、數據存儲[7]等方面已有較多應用，現已逐漸擴展到能源交易領域。例如，文獻[8]提出了基于聯盟鏈技術的電力交易方法；文獻[9]提出了基于雙向拍賣定價機制的智能合約算法；文獻[10]提出了融合雷電網絡與區塊鏈生態系統的電動汽車充電交易機制等。

由于能源互聯網中存在多方參與主體，交易雙方的利益目標不同，僅從整體角度考量交易過程并不能切實反映真實狀態，因此可引入博弈理論對交易雙方的協商過程進行闡述，進而為交易市場提供合理的能源供需策略參考。文獻[11]借助主從博弈優化了區域綜合能源系統的運行方案；文獻[12]通過主多從博弈模型探究了售電商與用戶之間的策略互動行為；文獻[13]針對微電網能源管理場景提出了基于Stackelberg的最優定價模型。然而，上述研究依舊在傳統的中心化模式背景下進行探索，難以保證用戶隱私安全以及交易處理性能。

因此，本文結合能源互聯網交易市場的應用特性和安全需求，擬將博弈策略引入能源區塊鏈的安全交易機制中，保障交易雙方的利益需求。首先，運用博弈理論求解買賣雙方定價策略的唯一納什均衡解，為交易的撮合提供價格參考；然后，設計基于聯盟鏈的弱中心化多主體能源交易機制，通過對區塊結構及實用拜占庭容錯(practical byzantine fault tolerance，PBFT)共識機制的優化，提升能源交易效率；最后，依據算例分析證明本文所提安全交易機制的可行性、有效性。

1 能源區塊鏈

能源互聯網可分為能源網絡層和信息管理層2個層面，其基本架構如圖1所示。

能源網絡層是由儲能裝置、天然氣網、供熱網、電氣化交通網、智慧電網和能源輸送配置網等互聯共享、相互耦合形成的復雜網絡體系[14]；信息管理層包含信息互聯網絡、綜合能源管控平臺、能源市場交易平臺等。

圖1 能源互聯網基本架構Fig.1 Basic architecture of an energy Internet

通過能源網絡層實現能量輸配、信息傳遞等功能，并將匯總信息通過能源輸送配置網絡傳輸至信息管理層。用戶可通過信息互聯網實時準確地獲取能源流動狀況，利用綜合信息管控平臺實現源-網-荷-儲的靈活協調，借助能源交易平臺形成開放、平等、自由的多元主體市場體系，發展高效、循環、綠色的新型商業模式[15]。

由于區塊鏈技術的去中心化、自治協同、多元化市場、智能合約的特征極為貼合能源互聯網的業務需求，因此，區塊鏈技術可與能源互聯網形成天然互補優勢，極大降低第三方信任機制的保障成本，保障能源互聯網業務的高效性[16]。

本文從特征融合以及技術需求兩方面闡述區塊鏈技術與能源互聯網交叉融合的可行性。

1)特征融合：能源互聯網與區塊鏈技術同樣具備分布式、協同合作、公平共享、智能運行的優勢。能源互聯網中主要包括分布式能源服務商、用戶側節點、微電網3部分，它們之間各自決策、公平合作、能源共享、平等交易，并根據控制系統智能運行；區塊鏈技術各節點間分布運行，平等運用數據資源，根據智能合約自動化運行，通過共識機制達成一致，因此，能源互聯網與區塊鏈技術能夠在特征上完美融合。

2)技術需求：能源互聯網面臨節點眾多、交易數據冗雜的難題，可以通過區塊鏈P2P網絡進行交易信息傳輸以及存儲，極大增加了數據安全性；分布式能源節點之間存在的信任風險可以通過共識機制和密碼學原理來保證能源交易的一致性和隱私性；能源服務商以及電力用戶側雙方的信息可以通過智能合約技術進行自動化匹配處理，有效提高交易效率。

因此，區塊鏈技術能夠在能源互聯網的應用場景中實現新的價值，能源互聯網也可通過區塊鏈實現更優的交易性能，兩者之間可以實現互補。

2 能源交易主體策略博弈模型

2.1 博弈論基本概念

博弈論是現代經濟學的基礎理論組成部分[17]，其基礎定義包含參與者、行動、信息、策略、支付、結果和均衡。其中，參與者、行動、結果合稱“博弈規則”，可以用來求解多方博弈主體的最優均衡解[18]。

納什均衡是一種非合作的多方互利博弈，包括所有參與者的最優策略組合[19]。本文提出的多能源交易策略的博弈模型標準定義如下：

(1)

2.2 交易策略模型構建

本文依托博弈理論，構建了一個多能源交易策略的博弈模型，如圖2所示。本模型符合能源交易市場中“先能源競價后用能調整”的循環博弈規律，通過求解貼合雙方利益需求的最優策略，為交易機制提供合理參考。模型中包含如工業用戶、產消者、分布式能源、商業用戶、居民用戶等n個能源用戶和如電網、天然氣網等m個能源商戶，分別用集合T={T1,T2,…,Tn}和U={U1,U2,…,Um}表示，其中Ti代表各能源用戶，Uj代表各能源商戶。將最大化能源互聯網平臺的總利益作為目標函數，如式(2)所示。

(2)

式中：Wtotal為系統的總利益。

1)能源用戶模型。

以能源用戶的收益最大化為目標，需考量自身消費需求、預期交易成本等因素。

依據能源用戶Ti對電能和天然氣能的偏好系數計算需求總和，如式(3)所示。

(3)

(4)

圖2 能源交易主體策略博弈模型Fig.2 Strategy game model between energy transaction entities

收益函數定義如式(5)所示。

(5)

2)能源商戶模型。

(6)

式中：ηe和ηg表示電能、天然氣傳輸途中的消耗參數。

因能源商戶在其日常生產運行、器械購入維護等方面的成本無法精準計量，因而，本文通過一個可微函數對其進行描述。能源商戶Uj成本函數如式(7)所示。

(7)

能源商戶Uj的售能效用函數如式(8)所示：

(8)

能源商戶Uj的收益函數如式(9)所示：

(9)

2.3 模型求解

以博弈理論為基礎，結合能源互聯網交易場景，本文所構建的博弈模型中的必要元素如下。

參與者：所有能源用戶Ti∈T和所有的能源商戶Uj∈U，均具有個體理性。

支付：收益函數如式(5)、(9)所示，能源商戶與能源用戶之間通過策略博弈實現雙方最優均衡。

能源用戶Ti的最優策略應滿足：

(10)

(11)

能源商戶Uj的最優策略應滿足：

(12)

(13)

(14)

當式(14)值為0時，即為最優均衡解。求解可得：

(15)

(16)

根據納什均衡定義，若全部參與主體均滿足利益函數最大化，則不需再進行策略博弈，組合全部參與主體策略，得到該問題的納什均衡解。設X為所有能源用戶的策略集合，P是所有能源商戶的策略集合，則(X*,P*)為納什均衡的充分必要條件如式(17)所示。

(17)

對式(12)在滿足式(13)約束條件下，構造的拉格朗日方程如式(18)所示。

(18)

式(18)的互補松弛條件如式(19)所示。

(19)

綜上，可將目標函數式(2)轉換為：

(20)

在本文所構建的交易博弈模型中，能源用戶根據價格策略合理分配使用能源，能源公司通過用能策略制定電價，求唯一納什均衡解，實現最大利益目標函數式(2)。

3 基于能源區塊鏈的安全交易機制

3.1 基于聯盟鏈的弱中心化多主體能源交易機制

電力系統與國民經濟和信息安全息息相關，因此不宜實現交易數據完全公開透明，確保督查機構具有足夠的權限便可[20]。而私有鏈無法適應能源互聯網體系結構的萬物互聯，因此，本文基于聯盟鏈提出了具備弱中心化管理機構的能源交易機制，如圖3所示，圖4為適應本文所提交易機制的區塊結構。

圖3 弱中心化多主體能源交易機制Fig.3 Weakly centralized multi-agent energy trading mechanism

能源用戶和能源商戶向能源交易平臺發送加入申請，弱中心化管理機構對其進行身份驗證和用戶注冊，形成交易資源池F={FT1,FT2,…,FTn}。管理機構對交易雙方的服務請求進行安全及交易量等物理約束審核，如式(1)，對接收到的買賣意向進行調節反饋；將滿足約束條件的交易申請發送至能源交易區塊鏈中，并對買賣雙方進行身份核對；能源用戶按照降序排列，能源商戶按照升序排列，依據價格優先、時間優先原則自主觸發智能合約完成交易；把生成的交易數據封裝入區塊，通過共識機制實現全網廣播，并同步更新資源訊息。其中，弱中心化管理機構僅負責買賣意向收集、交易監管協調等輔助功能，并不直接干涉用戶與商戶之間的交易協定，在保障能源互聯網安全的同時實現交易的去中心化。

為更好提升上述基于聯盟鏈的弱中心化多主體能源交易機制的性能，本文設計了一種適用于能源互聯網的共識機制及智能合約算法。

3.2 PBFT算法改進

共識機制的選擇是能源區塊鏈安全中極為重要的一環，它可以大大提高能源交易的共識效率和穩定性，從而提高整個框架的可靠性。本文從節點管理、拜占庭容錯、中心化、性能、惡意節點、拓展性等方面[21-23]對常見的Raft、工作量證明(proof of work, PoW)、權益證明(proof of stake, PoS)、委托股權證明(delegated proof of stake, DPoS)等共識算法進行比較，如表1所示。

圖4 能源區塊鏈結構Fig.4 Energy blockchain structure

表1 共識算法比較Table 1 Comparison of consensus algorithms

由表1可以看出，PBFT具備節點管理權限、共識效率高、安全系數高、性能優越，更加符合能源互聯網對于數據安全方面的實際應用要求。

常規的PBFT對于網絡傳輸速度與穩定性有較高要求，且采用C/S架構不符合區塊鏈P2P架構特點。本文基于聯盟鏈節點大多可信這一特點，對PBFT算法進行改進，主節點無需接收客戶端服務請求后再廣播給其他節點，而是客戶端直接進行廣播，從而減少網絡通信代價。通過循環方式進行主節點選取，保障區塊鏈數據一致性的同時，又能提升共識效率。

能源區塊鏈接收到交易信息后將其打包入區塊并向全網進行廣播。假設共有M個節點，在完成每一輪共識后，通過式(21)從中選取一個主節點Nmaster。在區塊生成t時間后客戶端對全部共識節點廣播pre-prepare消息，共識節點進行消息驗證并將驗證信息返回主節點Nmaster。

Nmaster=(LmodM)+1

(21)

式中：L為區塊鏈長度；LmodM表示L對M取余。

Nmaster收到來自超過2f+1個不同共識節點的驗證消息后向全網廣播commit消息，其中f表示區塊鏈中允許出錯的最多節點數，滿足f

智能合約根據節點交易數據進行交易匹配，匹配成功后交給驗證節點驗證，確認能源流與信息流雙向流通。

驗證成功后的數據上鏈永久存儲在區塊鏈網絡中，實現交易信息的可追溯，否則該區塊將被丟棄并重新開始共識過程。

3.3 智能合約

智能合約是一種多方用戶通過計算機語句制定交易協議，并實現與真實世界價值流通的合同形式。考慮到能源互聯網交易中的實際物理約束，本文設計的智能合約在上述多能源交易策略博弈的基礎上，采用基于連續雙邊拍賣機制的交易算法。

將能源用戶的報價按由大至小的降序形成集合pTi={pTi,1,pTi,2,…,pTi,n}，能源商戶的報價按由小至大的升序形成集合pUj={pUj,1,pUj,2,…,pUj,m}。雙方參考博弈出的最優策略，按照價格優先、時間優先的準則，得到交易流程p={m,n,pU,pT,最優策略}。會出現以下幾種情況：

1)當pTi,1

2)當pTi,n≥pUj,m時，表示當前所有買方報價高于所有賣方售價，拍賣集合可以執行完全，直到任意一方集合為空；

3)當pUj,m≥pTi,1≥pUj,1≥pTi,n時，表示買方報價與賣方售價集合有部分重合,設重合元素為pTi,r,則1≤r≤n，拍賣集合可以執行部分，直到pT集合移到r處，停止匹配，等待新的報價出現。

因此，為保障交易的有效進行，雙方報價應符合pTi,n>pUj,1且pUj,m

將該算法部署在本文交易機制中的能源區塊鏈上，為交易平臺中的多方參與主體之間達成的協議自動生成智能合約，在保障平臺運行生態化的條件下實現公平有效的利益分配，提升能源交易的運行效率。

4 算例分析

圖5 能源交易參考價格Fig.5 Reference price of energy trading

設定兩條獨立的交易鏈分別對電、氣兩種能源交易場景進行處理，其交易機制相同，因此本文僅對電能交易進行分析。能源交易主體根據自身狀態和能源交易參考價格進行報價，其交易信息如表2所示，左側為能源用戶交易信息，右側為能源商戶交易信息。

表2 能源交易主體交易信息Table 2 Transaction information of energy transaction entities

參考電能的交易博弈策略，遵循時間優先及價格優先原則，在市場條件處于供大于求的情況下，本次實驗共產生了10個能源交易，交易結果如圖6所示。

圖6 能源交易結果Fig.6 Energy trading results

對比各能源用戶的預期成本及實際交易成本，如圖7所示，圖中上方柱形為通過本文所提交易機制進行交易后能源用戶的總交易成本，下方柱形為能源用戶的總預期成本，依據上下兩柱形的差額部分可以較明顯看出各能源用戶都不同程度節省了成本，基本證明了交易機制的可靠性。

圖7 能源用戶交易成本對比Fig.7 Comparison of transaction costs of energy users

PBFT算法的容錯能力為1/3節點，結合算例設計，實驗中的錯誤節點最多不超過3個。因此本文通過JAVA編程對常規PBFT及本文設計的改進PBFT進行1～3個失效節點、1～3個惡意節點條件下的共識完成時間測試，測試結果如圖8所示。

圖8 共識時間對比Fig.8 Consensus time comparison

從圖8的分析結果來看，改進PBFT算法由于優化了P2P網絡，減少了網絡傳播開銷，在節點失效和惡意節點兩種條件下與原始PBFT算法相比，時間間隔縮短了約50%，共識速度更快。

5 結 論

本文以我國能源互聯網建設為背景，從能源商戶和能源用戶之間存在的策略互動及利益依存行為出發進行了分析研究。構建了一種考慮能源儲存量及安全約束的能源交易主體策略博弈模型，求解能源交易利益最大化的唯一納什均衡解，為能源交易提供價格參考；然后結合區塊鏈技術在能源交易中的優勢，構建了基于聯盟鏈的弱中心化多主體能源交易機制，保障交易的安全性，通過對區塊結構及PBFT共識機制的改進，提高了交易效率；最后通過20個參與節點的算例分析證明了本文所提交易機制的可用性。

本文工作表明，基于區塊鏈的能源交易機制通過博弈策略的優化，能夠為解決當前多能源交易市場中存在的利益分配不均、信息不對稱、交易過程不夠公平可信等問題提供參考；提出的改進PBFT算法能夠有效提升區塊鏈的共識速度。

后續將進一步分析綜合能源系統中各能源耦合下的交易形態，助推“新基建”背景下能源區塊鏈的建設發展。