基于分布式區塊鏈的能源共享網絡處理模型設計

何 德，徐 千，沈 祥，張 磊，萬 彪

（1.國網紹興供電公司，浙江紹興 312000；2.國網紹興供電公司發展策劃部，浙江紹興 312000；3.紹興建元電力集團有限公司，浙江紹興 312000；4.國網紹興供電公司互聯網辦公室，浙江紹興 312000）

隨著新型電力系統建設的推進，電力系統中的光伏、風電等清潔能源滲透率逐步升高，發電、用電主體間的能源交易需求也日漸緊迫[1-2]。分布式能源交易參與主體除了傳統發電廠和用戶外，還包括分布式能源供應商、負荷聚合商與虛擬電廠運營商。隨著交易主體的日益多元化，交易數據的規模也逐漸龐大，且分布較為分散[3-5]?，F有的能源交易系統為集中式部署，其尚未滿足支撐未來海量能源用戶參與分布式能源交易的需求。

近年來，在經濟、金融及能源等領域，區塊鏈技術應用較為廣泛，其具有去中心化、公正與透明等諸多優點[6-9]，故能夠適用于分布式能源交易場景的需求。因此，該文采用分布式區塊鏈深入研究了其在能源共享網絡中的應用技術，以期通過改進的能源交易認證算法，提高分布式能源交易系統的處理效率，并保障能源交易的安全性及可靠性。

1 基于分布式區塊鏈的能源共享網絡

1.1 能源共享網絡架構

基于分布式區塊鏈的能源共享網絡架構如圖1所示[10-11]。而參與能源共享交易的對象包括用戶側與發電側的主體。其中，發電側主要為傳統發電廠、光伏電站和風力發電站等；用戶側則主要為用戶聚合商、虛擬電廠等。

圖1 能源共享網絡架構

能源共享交易過程主要包括以下幾個階段：

1）信息發布：購售電雙方通過能源共享交易平臺發布自身的購售電需求。

2）撮合階段：購售電雙方通過能源共享交易平臺進行協商，并達成相應的交易約定。

3）交易上鏈：根據購售電雙方協商的交易約定，將交易電價、交易電量與保證金額等信息，寫入分布式區塊鏈中。

4）交易結算：根據購售電雙方履約情況，觸發智能合約進行自動結算，進而完成金額轉賬等操作。

1.2 能源交易平臺設計

能源共享交易平臺架構如圖2 所示[12-13]，各層實現功能如下：

圖2 分布式能源交易平臺架構

1）基礎層：由智能電表、智能用電設備等硬件設施與通信設備組成，其通過物聯網技術獲取用戶的用能數據，并通過通信網絡將該數據向上級傳輸。

2）區塊鏈層：包括區塊鏈管理、高效共識認證算法及區塊分布式存儲三部分，其通過高效的共識認證算法保證區塊記錄信息的一致性與可信度，且通過分布式區塊儲存實現交易數據的便捷儲存。

3）合約層：該層可實現對智能合約的管理，具備合約部署、查詢和交易等功能，還為不同形式的能源交易服務提供了相應的智能合約接口。

4）數據層：其通過可視化界面實現與用戶的信息交互，并對區塊鏈上存儲的數據進行分析，且為應用層提供相應的數據服務。

5）應用層：分布式能源共享平臺的應用功能包括電能交易、支付管理及賬戶管理等。

2 能源交易安全認證算法

2.1 信用評價體系

針對分布式區塊鏈中不同節點的功能，可將其劃分為記賬節點、驗證節點和輕節點。三類節點的功能如下[14-16]：

1）記賬節點：負責收集并記錄所有用戶的能源共享交易數據。

2）驗證節點：對能源共享交易的安全性進行驗證，包括交易主體的身份合法性、交易的合法性等，通常驗證節點為能源交易的監管主體。

3）輕節點：位于用戶終端，負責單個用戶能源交易數據的采集與上傳，并為記賬節點查詢數據提供索引。

根據三種類型區塊鏈節點的特性，并考慮到驗證節點和記賬節點處于整個分布式區塊鏈節點的關鍵位置，故其信用程度關乎電力系統及區塊鏈系統的安全性與穩定性，因此該文分別采用驗證信用與記賬信用來評價這兩個節點的信用程度，從而保障能源共享交易的安全可信。而輕節點僅負責少量數據的采集、上傳與支持相關數據的查詢申請，所以文中并未考慮對其信用程度進行評價?；谏鲜龇治?，該文構建的分布式區塊鏈信用評價體系如圖3所示。

圖3 分布式區塊鏈的信用評價體系

2.2 評估方法

1）驗證信用

驗證節點的驗證信用值計算方法如下：

分布式區塊鏈節點對于每筆能源交易，需滿足一定數量驗證節點的驗證后才能發起該筆交易，滿足的條件如下：

式中，B為已通過驗證節點的累積信用程度，M為已通過驗證節點的總數，此時N也等于分布式區塊鏈系統驗證節點總數；λ為比例系數。

由式（2）可知，當已通過驗證節點的累計信用程度大于一定比例所有驗證節點的總信用程度時，驗證信用值越高的節點，其對驗證結果的影響程度也越大。傳統方法需通過一定比例驗證節點的個數才能通過驗證，而該文所提方法根據固定的驗證節點，便能夠區分不同驗證節點的信用程度，進而減小驗證過程的工作量。

2）記賬信用

記賬節點的記賬信用程度可用六個方面的指標進行衡量，具體如表1 所示。

表1 記賬信用評估指標定義

對于每筆能源交易，其記賬信用評估指標的取值如下：

式中，as為記賬節點信用評估指標的取值。由此每筆能源交易的合理性如下：

式中，Tk為第k筆能源交易合理性，當Tk=1時，表示該筆能源交易記錄準確，而當Tk=0 時，則表示該筆能源交易記錄有誤，存在交易數據被篡改的可能為第k筆能源交易第s個信用評估指標的取值。

記賬節點的記賬信用值計算方法如下：

記賬過程中，記賬節點不斷計算以下公式，以獲得滿足條件的隨機數，然后才能對能源交易數據進行記錄：

式中，Hash(·)為哈希函數；ci為第i個記賬節點需記錄的新生成數據對應區塊Hash 根值；αi為正向計算隨機數；β為分布式區塊鏈系統默認的難度常數。

記賬節點需重復嘗試不同的隨機數αi，直至滿足式（6）的條件為止?？紤]不同記賬節點的記賬信用程度，該文通過引入其記賬信用評估值至記賬計算過程中，可將式（6）改寫為：

由于Hash 計算將隨機數投射到[0,2256-1]的區間范圍內，因此單次求解成功的概率為：

在分布式區塊鏈系統中所有記賬節點計算能力相同的情況下，單次運算的Hash 計算耗費時間相同。則同一時刻下，第i個記賬節點在與所有記賬節點競爭下獲得記賬權的概率為：

其中，H為Hash 計算的次數，由式（9）可知，記賬信用評估值越高的記賬節點，獲得記賬權的概率越大。因此，上述方法能夠有效防止惡意節點獲得記賬權。

3 算例分析

為驗證所提方法對惡意攻擊的防范能力，該文在Ubuntu 16.04 操作系統的PC 上搭建了基于分布式區塊鏈的能源共享交易仿真平臺。

3.1 記賬信用對能源交易處理的影響

在所搭建的仿真平臺下，設置分布式區塊鏈系統中記賬節點的信用值，不同平均記賬信用值對區塊生成時間的影響如圖4 所示。由圖可知，隨著平均記賬信用值的降低，分布式區塊鏈系統區塊的平均生成時間逐漸增加。采用該文所提的基于信用評價的能源交易數據記賬處理方法，節點記賬成功率與其信用值成正相關。由于惡意節點的信用值較低，從而有效抑制了分布式區塊鏈系統中惡意攻擊行為的發生。

圖4 信用值對區塊生成時間的影響

3.2 驗證信用對能源交易處理的影響

將仿真平臺中驗證節點總數設置為60，分析不同平均驗證信用對能源交易驗證過程的影響，結果如圖5 所示。從圖中可知，當平均驗證信用值為80時，需要55 個節點才能通過驗證。而當平均驗證信用值為100 時，僅需32 個節點便能通過驗證。由此可見，驗證信用程度越高的節點，對驗證過程的影響越大，且其具有更高的話語權，從而降低了驗證信用值較低惡意節點的影響力。同時，當整個分布式區塊鏈系統中驗證節點的信用程度均較高時，需要驗證的節點數更少，因此能大幅提高系統的驗證速率。

圖5 信用值對區塊驗證過程的影響

4 結束語

該文將分布式區塊鏈技術應用于能源共享交易網絡數據處理中[17-18]，提出了基于信用評價的能源交易處理方法。通過仿真分析表明，所提方法能夠遏制分布式區塊鏈節點中的惡意篡改行為，并提高驗證效率，保障系統的安全性與穩定性。但影響區塊鏈共識效率的因素還包括節點計算能力、儲存能力及通信能力等，故在后續研究中將進一步分析多維因素對共識效率的影響，并提出一種更適用于海量分布式能源交易的共識算法。