基于区块链的微电网电力交易机制研究

廖会敏，张 敏，陈 煜，张 程，王建文

（1.国网电子商务有限公司，北京 100053；2.国家电网有限公司电力金融与电子商务实验室，北京 100053；3.国网山东省电力公司，山东 济南 250001）

0 引言

传统的微电网电力交易体系往往采用中心化交易模式的资源集中配置方式，具有交易成本高、用户隐私难以保障等缺点，且中心化交易模式导致微电网电力交易需要大量的第三方管理机构来集中构建和维护交易信用，产生了高昂运维成本，难以快速有效推广［1-3］。为了避免这种问题，目前的微电网电力交易都会建设一个控制管理中心来统一对交易进行决策，虽然该方式可以有效地处理现阶段实际应用中的交易需求，但人力物力的成本较高，对数据的隐私保护性较差，而且容易存在单个节点故障问题。

针对这些问题，探索一种去中心化的微电网电力交易方式与模型显得尤为重要，区块链具有去中心化的特性，可以提高微电网电力交易过程中的可靠性、管理性和安全性［4-8］。在微电网电力交易中，交易主体的数量较为庞大，如果采用传统的公有链方式，必然会导致交易速度慢、效率低，并且节点需要存储海量的交易数据，这对节点的存储能力也是一个巨大的考验。所以，采用联盟链［9］方式成为最优选择，电力联盟区块链的中心思想在于将节点分为全节点和轻节点，全节点存储全部信息，轻节点只存储自身相关信息，可以通过相关协议完成数据的交互。

区块链的去中心化、开放透明等特点与分布式新能源交易的需求高度吻合［10-12］，但区块链在微电网电力交易中存在数据安全问题，账本的完全公开导致任何一个非法入侵者都可以很容易地获取账本资源，从而得到交易信息。例如，攻击者通过大数据技术处理收集到的交易信息，从而可以分析出交易者的关系［13-14］。目前，已存在一些区块链交易中数据保护的方法能够对部分公开数据进行隐藏，增加攻击者获取数据的难度。文献［15］借助区块链的分布式存储方式，降低隐私保护过程中的通信量；文献［16］提出了基于拉格朗日乘法的能源区块链交易数据保护；文献［17］提出了基于访问控制的能源数据保护方案。上述方法可以在某种程度上对数据的隐私进行保护，但其对交易的效率有较大的影响。

提出一种联盟区块链的微电网电力交易模型，设计了基于区块链的安全高效的微电网电力交易方案，通过分布式一对多的方式，选用不活跃用户进行微电网电力交易，有效地防护账户数据被恶意窃取，采用区块链共识机制使得节点聚合商之间进行共识，极大地提高了微电网电力交易中数据交互的效率。

1 区块链技术

区块链是分布式数据存储，点对点传输，共识机制，加密算法等计算机技术在互联网时代的创新应用模式。区块链使用分布式核算和存储，不存在中心化的硬件或管理机构，任意节点的权利和义务都是均等的，系统中的数据块由整个系统中具有维护功能的节点来共同维护，具有去中心化的特点；区块链上的数据经过密码算法、链式结构的保护，使得对数据的改动可以通过数学算法迅速甄别，能有效防止对数据信息的篡改，同时分布式存储和共识算法保证对单点的修改无效。区块链智能合约是在区块链数据库上运行的计算机程序，可以在满足其源代码中写入的条件时自行执行。

根据分类原则的不同，区块链分为公有链、私有链和联盟链。公有链中的所有节点权限和等级平等，任何人或团体都可以参与该链进行交易，系统全面开发，完全去中心化，不受机构控制；私有链强调私密，也就是写入权限在一个组织机构和单位手中，主要用于大型机构的内部，由机构进行中心化的控制，但不同分布和分支机构之间是去中心化、协同协作的；联盟链是介于公有链和私有链之间的一种系统形态，它往往由多个中心控制，联盟链中的成员各自运行着一个或多个节点，节点之间的数据指允许系统内不同的机构进行读取和交易，并且共同记录交易数据。

2 联盟区块链的微电网电力交易模型

微电网电力交易系统采用联盟链方式，其交易模型主要包括交易中心、节点聚合商［18］、交易者三个部分，模型如图1所示。

图1 交易网络模型

在实施微电网电力交易时，交易者可以根据自己的实际需求确定自己的状态，如买入能源或卖出能源［19］。节点聚合商作为一种中间媒介而存在，它可以存储完整的交易数据，并且为其包含的节点提供网络通信和电力的支持。在交易过程中，任何一个需要买入或卖出的交易者都需要向其对应的节点发出能源买入或卖出请求，而节点聚合商会对这些请求进行验证，验证完成后向网络内的所有节点聚合商广播交易数据，以便在全网内进行交易需求的匹配。交易中心则是对买入和卖出的主体进行授权，以及对买入卖出的全过程进行监督。

在交易过程中，所有的交易数据都具有节点聚合商的数字签名［20］。如果有非法入侵者对这些数据进行恶意修改，交易中心可以发现并精确定位，同时该次交易会被整个网络认定为非法交易，从而有效地保证交易数据的安全性。

一个完整的交易可以分为如下过程。

1）用户注册。以联盟区块链为基础的交易系统，节点聚合商主要由交易服务器组成，所有的交易进行之前，交易者都需要在交易中心进行注册，只有注册完成后，交易者才能在节点聚合商中进行交易。

2）用户交易。交易者根据自身的情况来选择是卖出能源还是买入能源，节点聚合商根据交易者的买卖需求，在全网范围内根据智能合约进行智能匹配。

3）交易验证。交易验证也可以被认为是一个“共识”的实现过程。即每笔交易都需要在全网内的所有节点聚合商中进行广播。

3 基于区块链的微电网电力交易设计

将节点聚合商分为两个部分，即交易服务器和存储服务器。交易服务器主要用于交易用户的匹配、交易的进行和完成，并且其还需要支持代币业务（类似于比特币）和代币兑换业务，存储服务器用来记录每一笔交易的完整信息，详细的交易过程如图2所示。

图2 交易过程

基于区块链的安全高效微电网电力交易体系可以分为用户注册、数据隐私保护设计和共识机制设计三个部分。

3.1 用户注册

用户注册时，用户需要向监管中心提供自己的身份信息，监管中心根据用户的信息生成公钥和私钥，用户在监管中心注册完成以后，该用户就是网络中的一个合法用户。合法用户交易之前，还需要将自己的账户上传到节点聚合商中，并且从节点聚合商中下载最新的用户以及数据，由于节点聚合商已经保存了网络中所有的区块信息，所以在微电网电力交易时，只需要验证区块的头部数据，便可以完成交易，这大大减少了用户需要存储的信息，节约了大量的存储资源，提高了数据存储的效率。

3.2 数据隐私保护设计

通过一对多的方式来对微电网电力交易数据进行隐私保护。具体过程如图3所示。

图3 账户的一对多

通过账户一对多的方式，可以在每一次交易时创建新的账户，以此来保护能源买家和能源卖家的信息。用一个动态随机数B来确定是否需要重新建立用户，当卖家所需的代币数量小于B时，则不需要创建新账户，反之则需要。如果采用传统的单一随机数控制模式，虽然可以在一定程度上对攻击进行防御，但对数据挖掘算法的攻击却无能为力，攻击者可以根据售电量、交易量等信息，推测出账户与随机数的关系，从而窃取数据，所以采用函数T进行预测，公式为

式中：vi为卖家si的第i笔交易的交易量；e1为交易vi的交易量所占的比重；e2为前i-1 笔交易的交易量所占的比重。

可以定义两种模式，即新建账户交易模式(Mt)和原账户交易模式（Mf），用函数f（si，vi，Mt）来表示卖家si的第i笔微电网电力交易选取的交易模式为Mt。在Mt模式选取时，攻击者可以根据用户所持账户的关系图谱，来窃取账户信息，但是如果可以根据账户的活跃优先级来确定交易账户，就可以避免这个问题。

3.3 共识机制设计

在微电网电力交易前，节点聚合商的交易服务器会为卖家选定交易账户和钱包，然后向全网广播交易信息，以寻求能源买家。待交易的能源买家和能源卖家匹配完成后，节点聚合商出具合约，能源买家向钱包支付代币，并将交易信息发送给能源卖家，卖方验证完成后上传交易信息至节点聚合商存储。

一个交易信息的共识机制可以分为三部分。

1）节点聚合商对微电网电力交易信息进行加密，然后创建一个新的区块，并将微电网电力交易信息记录在该区块中，该区块的哈希值由随机数、时间戳、交易信息、前一区块哈希值共同确定。

2）记账节点将区块数据、随机数、时间戳、打包后在全网内进行广播，其他节点聚合商在收到交易信息后进行验证。

3）记账节点对反馈的数据进行统计确认，并将统计确认结果下发给各个节点聚合商。

以上过程完成了一个微电网电力交易信息的共识机制，这种方式只需要在节点聚合商之间进行共识，极大地提高了微电网电力交易中数据交互的效率。

4 实验与分析

采用智能电表和光伏发电机的数据作为样本数据来源，采用Fabric超级账本来建立仿真平台。

4.1 交易分析

在一个模型仿真中，在买方和卖方选取50 组相邻用户，为卖家创建14个账户，其中10个为新账户，4个为老账户，如图4所示。

在另一个模型仿真中，在买方和卖方选取100组相邻用户，为卖家创建45 个账户，其中38 个为新账户，7个为老账户，如图5所示。

根据上述分析可以看出，使用新账户进行交易，可以有效地对相邻的账户分布进行隐藏，并且某一些新创建的账户交易量为0，这也为非法入侵者的数据窃取设置了障碍，总的来说，该种方式可以对账户的分布信息进行隐藏，有效地提高了数据的安全性。

图4 50组相邻用户的买卖分布

图5 100组相邻用户的买卖分布

4.2 效率分析

以比特币的交易为例，其完成一次交易的时间约为60 min。在一个模型仿真中，设定每小时的交易次数分别为1、2、3、4、5 次，选取40 个节点聚合商，统计4 h 内交易所花费时间的情况，结果如图6所示。

与比特币交易相比，所提出模型的交易时间明显缩短，交易效率大大提高，这是由于共识过程均由节点聚合商完成。

图6 交易效率统计

5 结语

区块链作为一种新兴的技术方案，已经被应用到了很多的场景当中。其被应用在微电网电力交易中，虽然可以实时获得交易数据，但是其交易数据的安全性以及交易效率还有很高的提高空间。提出了一种安全高效的能源区块链交易模型，通过试验分析，与传统的交易方式相比，该模型具有较好的数据隐私保护性和较高的交易效率。