基于权威证明的微电网分层交易策略

　　摘要：随着电力体制改革的不断深入，分布式发电市场化交易进入了全新的时代。针对传统中心化交易模式存在的诸多问题，区块链因其去中心化、公开透明、不可篡改等特点被广泛地运用到电力市场交易中。鉴于此，提出了一种基于权威证明的微电网分层交易策略，选择权威证明算法构建区块链网络，以用户需求为依据对用户进行分层，结合信用机制对权威证明算法验证人选举制定了参考依据，设计了“价格为主，信用为辅”的双向拍卖机制，运用智能合约编写了交易策略并部署在区块链网络中。实验模拟了13个节点的交易网络，并对比了不同共识算法区块链网络的差异。实验结果证明了本文交易策略的可行性与高效性。

　　关键词：区块链;权威证明;分层交易;智能合约

　　引言长期以来，分布式发电因其清洁、环保、可持续等优点广受关注，在国家政策的积极推动下，我国的分布式发电得到了快速发展。针对分布式发电，我国一直采取“自发自用，余电上网”、“全额上网”等传统模式。017年月，国家能源局印发了《关于开展分布式发电市场化交易试点的通知》1]。此后，分布式发电的“直接交易”模式开始兴起，在这种模式下，传统的单一用电用户向购售电一体用户转变，具有分布式电源的用户可直接将多余的电能出售给邻居，邻居可以相对低廉的价格获得电能，从而实现分布式电能的就近消纳。

　　然而，分布式发电市场若仍采用传统的集中交易模式，则存在以下问题2]：(1交易中心运行成本颇高，会将不必要的成本转嫁给交易网络中的用户;(2)交易中心与用户存在信息不对称的问题，造成两方互不信任，难以保证交易的公开、透明与有效性;(3)中心化机构交易数据极易受到攻击，风险系数较大。为有效应对上述集中交易模式存在的问题，亟需将新技术运用到分布式电力市场交易中。区块链技术为解决分布式电力市场交易的问题提供了可行的思路，其去中心化、点对点传输、公开透明、不可篡改等特点与分布式电力交易网络有着天然的契合度3]。

　　近年来，国内外学者针对区块链技术在电力交易领域的应用开展了广泛研究，已有部分基于区块链的电力交易项目落地运行7]。学术研究方面，文献8]分析了现阶段能源领域区块链的应用现状，并展望了区块链在能源互联网领域的前景;文献9]总结了基于区块链的分布式能源交易方案，并针对区块链技术在实际应用过程中的挑战提出了建议方案;文献10]提出了基于区块链和连续双向拍卖机制的微电网直接交易模式;文献11]研究了基于智能合约的配电网去中心化交易机制;文献12]提出了计及安全校验与阻塞管理的区块链弱中心化电力交易机制;文献13]提出了基于区块链的分布式能源交易方案，并设计了考虑过网费差异的挂牌交易机制及可再生能源认证机制;文献14]提出了基于信用的共识机制，并以此为基础设计了微电网电能匹配方法和消费者出价策略。

　　文献15]提出了去中心化的微电网电能交易系统框架，并设计了多阶段的混合拍卖机制，以实现资源的最优配置。然而，上述研究大多围绕基于工作量证明的区块链进行，忽视了工作量证明算法会造成巨大的资源浪费，其过高的交易延迟也不符合实际生产环境的要求。此外，多数研究并未考虑交易网络中用户需求的差异，而是将所有用户统一匹配，极有可能造成匹配效率低下与匹配结果不合理等问题。

　　因此，本文提出了基于权威证明的微电网分层交易策略。选择权威证明算法构建了区块链网络，并根据用户需求差异提出了交易网络分层策略，设计了用户信用机制，结合信用机制对权威证明算法中管理者的动态调整进行了规范化处理，同时将信用机制贯穿到交易匹配中，设计了“价格为主、信用为辅”的双向拍卖机制。在此基础上，编写了分层交易的智能合约，部署在区块链网络中，通过实验模拟了个节点的微电网交易网络，并比较了不同共识算法的差异，验证了本文交易策略的可行性与高效性。

　　1区块链技术

　　1.1区块链概述自比特币16]问世以来，其底层技术——区块链便逐渐进入人们的视野。区块链本质上是一个分布式的共享数据库17]，是对分布式存储、点对点传输、共识算法、非对称加密等多种技术的综合运用18]，具有去中心化、不可篡改、公开透明等特性。区块链的基本结构如图所示，区块是一个个单独的存储单元，记录了一段时间内区块链网络中节点的交流信息，各区块通过哈希算法实现单向首尾链接，后一区块中包括了前一区块的哈希值，而区块中任意数据的微小改动都会造成当前区块的哈希值与后一区块中记录的哈希值无法匹配，以此实现区块链的不可篡改19]。

　　1.2智能合约智能合约更多的被定义为在区块链上运行的应用或者程序。通常情况下，智能合约为一组具有特定规则的数字化协议，且该协议能够被强制执行20]。这些规则由计算机源代码预先设定，区块链网络中的所有节点会复制并执行该计算机源码。智能合约支持创建无需信任的协议，执行合约的双方可以通过区块链做出承诺，而无需相互了解或信任。合约经双方确认后，若达到触发条件，将被自动执行，以此消除对中介的需求，显著降低运行成本21]。

　　1.3共识算法共识算法的核心目的即要使得分布式网络中的所有节点在无中心机构参与的系统中满足一致性与有效性22]。目前区块链网络中常用的共识算法为工作量证明(ProofofWork，PoW)、权益证明(ProofofStake，Po、授权股份证明DelegatedProofofStake，DPoS)以及实用拜占庭容错PracticalByzantineFaultTolerance，PBFT)等23]。本文的微电网交易策略采用了权威证明(ProofofAuthority，PoA)共识算法24]，该算法基于以太坊协议的区块链提出，主要运用于私有链与联盟链中，具有速度快、能耗低、扩展性强等特点。

　　2基于PoA共识算法的微电网交易网络

　　2.1总体架构

　　微电网交易网络中，参与者可划分为四类27]：(1)生产者，主要是分布式电站等能源供应商;(2)生产消费者，主要是家庭光伏用户以及含有屋顶光伏的商业用户等;一般消费者，主要是普通家庭用户以及商业用户等;(4)公共设施维护者，包括国家电网、南方电网等。四类用户在交易网络中各有侧重，生产者所生产的电能除部分用于满足自身用电需求外，其余大部分电能都用于向网络中的其他用户出售，以谋取利润。生产消费者兼具发电与用电两种需求，在发电量大于自身用电需求时，向一般消费者售电，获取利润;在发电量小于自身用电需求时，则向生产者购电。

　　一般消费者不具备发电能力，为降低用电成本，可向网络中的生产者以及生产消费者购电。公共设施维护者主要用于维护系统正常运行。 考虑到不同用户之间的需求差异，若不将用户加以区分而直接进行统一匹配，很有可能出现匹配效率低下与匹配结果不合理等问题。为此，提出用户分层策略，以用户需求为依据，将大需求用户分为上层用户，一般需求用户分为下层用户，公共设施维护者为系统管理机构。

　　上层用户包括分布式电站、含有屋顶光伏的商业用户及普通商业用户等;下层用户包括家庭光伏用户与普通家庭用户等。交易分两个阶段进行，第一阶段由同层级内用户进行电能交易，禁止用户跨层交易。第一阶段交易完成后，若仍有用户未满足需求，则进入第二阶段交易。考虑上层消费者的需求量较大，下层生产者难以满足此类用户的需求，只有当第一阶段上层生产者与下层消费者同时有未满足需求的用户，交易才会进入第二阶段，第二阶段无用户层级限制，交易原则与第一阶段一致。

　　2.2交易流程

　　在电力市场参与者较多的情况下，要使有限的电能交易到切实需要的用户中，亟需引入竞价机制，用户可根据自身购售电需求提交电能报价。为提高交易网络的效率，本文采用双向拍卖机制，并对传统双向拍卖机制“价格至上”的原则做了相应调整，将用户信用引入到双向拍卖机制中，系统匹配原则由传统的“价格至上”转变为“价格为主、信用为辅”。买卖双方在能源交易周期规定时间内分别提交各自的报价，系统会结合用户提交的价格及其信用值计算综合报价，并对买卖双方分别进行排序，再按照卖家综合报价从低到高、买家综合报价从高到低进行匹配，完成匹配的用户将被清除出交易队列，直至买家最高综合报价低于卖家最低综合报价。

　　此时系统会给予未完成匹配的用户修改报价的机会，之后再进行交易匹配。若此阶段结束后仍有用户未满足需求，则根据情况进行第二阶段交易或向电网寻求购售电。传统双向拍卖机制中，系统依照价格将买方队列从高到低排序，卖方队列从低到高排序。将用户信用值引入到双向拍卖机制后，报价相当、信用值高的用户理应获得更高的优先匹配权。

　　3基于智能合约的微电网交易策略

　　基于设计的区块链微电网分层交易架构，本文的智能合约主要包括用户注册函数、购售电报价函数、报价排序函数、交易匹配函数、交易清算函数及信息查询函数。

　　交易匹配函数。待综合报价排序阶段结束，进入交易匹配环节，由管理机构调用Tranatch函数，分别对上层、下层交易网络中的报价进行匹配。匹配结果为Name[s]，Addr[s]，Name[b]，Addr[b]，Amount，Price>，其中包括购售电双方信息、成交电价及成交电量。完成匹配的用户将会清除出匹配队列中，直至所有用户匹配完成或最高买家综合报价低于最低卖家综合报价。

　　本时段交易匹配完成后，系统开始对上一时段的交易进行清算，结合智能电表中记录下的购售电双方实际交易电量与匹配电量，由管理机构调用TranClearing函数，对购售电双方进行交易评价，并更新用户购售电总量信息。区块链网络中任意节点任意时刻均可调用GetInfo函数，用户的交易信息公开透明地呈现在区块链网络中，只需知道对应用户的地址，便可查询该用户的相关信息，包括用户层级、信用值、购售电总量等。

　　4算例分析

　　PoW算法的出块速度及PS均远低于PoA及BFT算法，而同样以高效率著称的BFT算法在系统节点数量不断增多的情况下，因其巨大的通信量使得算法的PS大幅下降，节点超过00个时，BFT算法的PS已经低于了PoA算法。因此PoA算法从出块时间、可扩展性及PS等方面综合考虑更加适合微电网交易网络的实际生产环境。

　　5结语

　　本文提出了一种基于PoA共识算法的微电网分层交易策略，以用户需求为依据，将电能交易网络中的用户进行层次划分，并结合用户信用机制，为PoA共识算法signers的选举制定了参考依据。同时，对传统的双向拍卖机制做了相应调整，将用户信用贯穿于交易始终，可有效减少节点的恶意交易行为，规避交易风险。以此为基础设计了相应的智能合约，部署在区块链系统中，模拟了个节点的交易网络，验证了策略的有效性。并对不同共识算法的性能进行了测试，结果表明，本文选取的oA共识算法更加符合实际生产要求。

　　区块链技术： 基于区块链架构的电力业务交易数据隐私保护

　　然而，区块链技术存在着著名的不可能三角定律，即无法同时达到去中心化、高效及安全三个要求。Po算法在兼具低能耗、高效率的同时，也削弱了区块链网络的去中心化特性，带来了一定的安全隐患。未来将区块链技术推广至更大范围的交易网络时，如何权衡系统的去中心化、高效及安全将会成为分布式能源交易的重点研究方向。

　　参考文献：

　　[1]国家发展改革委，国家能源局.关于开展分布式发电市场化交易试点的通知EB/OL].http://zfxxgk.nea.gov.cn/auto87/201711/t20171113_3055.htm，[20171031/20200811].

　　[2]徐健，温蜜，张凯，等.基于区块链的分布式电能竞价交易平台设计[J].智慧电力，2019，47(10)：5662.XUJian，WENMi，ZHANGKai，etal.BiddingtransactionPlatformforDistributedElectricalEnergyBasedonBlockchain[J].SmartPower，2019，47(10)：5662.

　　[3]王蓓蓓，李雅超，赵盛楠，等.基于区块链的分布式能源交易关键技术[J].电力系统自动化，2019，43(14)：5364.WANGBeibei，LIYachao，ZHAOShengnan，etal.Keytechnologiesonblockchainbaseddistributedenergytransaction[J].AutomationofElectricPowerSystems，2019，43(14)：5364.

　　[4]Nguyen.Anindie，offthegrid，blockchaintradedsolarpowermarketcomestoBrooklyn[EB/OL].https://www.vice.com/en/article/yp3pvm/theplantopowerbrooklynwithblockchainbasedmicrogridtransactivesolar，[20160318/20200824].

　　作者：祝垒1，陈中1，颜云松2，陈妍希1，徐晓3