一种基于区块链技术的用户间能量交易管理系统及方法与流程

本发明涉及区块链技术领域，尤其涉及一种基于区块链技术的用户间能量交易管理系统及方法。

背景技术

面对全球能量危机和气候变化的双重压力，对太阳能、风能等可再生能量的高效利用成为世界各国的共同需求。近年来，我国出台了相关激励和补贴政策，来鼓励包括屋顶光伏电池和小型风电机组在内的户用可再生能量发电设备的生产和使用，将可再生能量充分的就地消纳，在获取经济效益的同时减少环境负担，致力于以绿色和清洁的方式解决能量问题。

尤其是对于可再生能源发电的情况，由于可再生能源发电具有间歇性和不稳定性的特点，用户的本地电力消耗也会在一天之内实时变化，加上用户自身配有的储能装置容量有限，因此，产生多余电力的用户需要及时转移剩余能量，使发电装置能够连续的工作，电力不足的用户需要及时获得能量补充，以维持微电网中各种电力设备的正常运行，这就需要在用户间开展实时和稳定的能量交易，解决不同用户的能量平衡问题。然而，在现有条件下，用户间的能量交易管理面临着缺乏信任和中心化的问题。

一种能够在多个主体之间建立平等可信的去中心化交易网络，实现用户之间公平、点对点、实时、去信任的能量调度和交易的能量交易管理系统及方法，对于实现户用可再生能源发电设备的安全平稳运行，提高可再生能源利用效率，最大化各方利益，保障我国的能量战略的顺利实施，具有重要的现实意义。

技术实现要素：

针对现有技术中，用户间的能量交易管理的中心化交易网络存在的权益集中、缺乏信任、不利于隐私保护等缺陷，本发明提供了一种基于超级账本技术(hyperledgerfabric)的联盟链开发平台的用户间能量交易管理系统及方法。通过采用该系统及该方法，能够将各种能量生产、消费用户公平地接入当地的可信去中心化交易网络，并利用区块链技术及智能合约技术实现能量生产、消费、交易的记录。同时，利用区块链技术的密码学特点，实现存储的记录信息的不可篡改，保护各参与用户的隐私，最终实现能量用户间交易的实时、安全、高效进行，最大化参与各方收益。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于区块链技术的用户间能量交易管理系统，包括：

(1)用户侧能量信息采集、处理及通信模块：包括安装于各个用户侧的信息采集设备、本地信息处理设备及通信设备，用于获取用户侧能量信息，进行处理后发送给交易网络；

(2)去中心化交易网络能量信息处理模块：包括安装于信息处理机构侧的计算设备、信息处理设备、存储设备，用于将所述的用户侧信息采集、处理及通信模块发送的能量信息通过管理算法进行价格博弈，获得能量交易方案并进行整理和记录；

(3)区块链内的能量交易结算模块：包括安装于交易网络侧的、具有区块链平台接口的交易处理结算设备，通过所述的区块链平台向交易节点发送确认请求，并在各参与方确认交易信息后进行自动交易结算；

(4)区块链平台的能量交易记录模块：包括安装于交易网络侧的、具有区块链平台接口的交易记录和存储设备，用于对整个去中心化交易网络中的信息进行区块链层面的记录；

(5)能量交易执行模块：包括用户侧的能量路由器和能量传输线路，用于接收能量交易管理信息，并自动执行物理的能量交易过程；

(6)交易网络的安全保障模块：包括安装于整个交易网络用户侧、信息处理机构、网络侧的对比效验设备，用于在一个完整的交易流程结束前，对整个交易管理系统的所有交易信息进行检查。

一种基于区块链技术的用户间能量交易管理方法，包括以下步骤：

(1)用户侧能量物理信息采集及处理：获取实时的用户侧能量物理信息，进行用户标记并将标记信息发送给去中心化交易网络；

(2)去中心化交易网络能量信息处理：首先，所有参与用户共同授权给去中心化交易网络，其次，在收到所述的步骤(1)中发送的用户标记信息后，去中心化交易网络根据不同的用户标记发送相应合同，参与用户将价格信息上传至去中心化交易网络，根据预先设定的基于博弈论的价格需求响应模型进行价格博弈，获得交易方案；

(3)区块链内的能量交易结算：所述的去中心化交易网络将在步骤(2)中得到的所述的交易方案上传到区块链的智能合约中，智能合约自动向交易节点发送确认请求，交易节点进行共识后，各参与用户确认交易信息，在区块链内进行自动交易结算；

(4)区块链平台的能量交易记录：对所述的去中心化交易网络中的交易信息，进行区块链内的记录并进行区块链内的加密；

(5)能量交易的物理执行：去中心化交易网络将步骤(3)中的交易管理信息统一发送给各交易方，驱动电力系统中的智能执行设备，自动执行能量物理交易过程；

(6)交易网络的安全检查：在一个完整的交易流程结束前，对整个交易管理系统的所有交易信息进行检查：

若检测结果为交易信息记录、交易需求满足、交易执行顺利完成，则对交易网络发出命令信号，重复以上的步骤，开始新一轮的交易；

若检测结果为交易信息记录不完整，则安全保障模块将发送信号给交易记录模块进行二次记录；

若检测结果为交易需求未被满足，则各方将重新提交新的购买合同信息，进行二次价格博弈和交易；

若检测结果为能量转移行为未在约定的时间内发生，交易系统将按照合约的内容自动扣除违约金，并监督违约方违约金的缴纳。

进一步地，所述的步骤(1)中的用户侧能量物理信息包括：实时的能量产生量、本地耗能设备能量消耗量、本地储能设备能量存储量；所述的用户标记为比较所述的用户侧能量信息，根据以下原则进行用户标记：

(本地用户能量发生量+本地储能设备能量存储量)<本地耗能设备能量消耗量)的：标记为能量购买方；

(本地用户能量发生量+本地储能设备能量存储量)＝本地耗能设备能量消耗量)的：标记为平衡方；

(本地用户能量发生量+本地储能设备能量存储量)>本地耗能设备能量消耗量)的：标记为能量销售方；

标记完成后，所述的步骤(2)中发送相应合同为：对所述的标记为能量购买方的用户，通过智能合约，发出能量购买合同，对标记为能量销售方的用户，通过智能合约，发出能量销售合同。

进一步地，所述的步骤(2)进行价格博弈的准则为：用户中的能量销售方优先将能量出售给需求最多、购买合同中预算购买能量价格最高的用户，能量购买方优先采购剩余能量最多、销售合同中预算销售能量价格最低的用户，直到整个网络达到纳什均衡状态，得到交易方案。

进一步地，所述的步骤(3)交易节点共识是基于拜占庭容错共识算法进行。

进一步地，所述的步骤(4)中进行记录和加密的信息包括的交易方，交易能量量，交易时间。

进一步地，所述的步骤(5)中的所述的自动执行过程为：当交易的能量为电力时，交易信息驱动电力系统将其所控制的区域连接到配电网干线上的能量路由器，进行电力分配：交易方案中的能量卖出方通过能量路由器，向交易线路提供电能，交易方案中的能量买入方通过能量路由器从交易线路索取电能，完成能量转移。

进一步地，所述的自动执行过程的交易线路为电网提供的交流输电线路，在同一变压器下进行。

进一步地，所述的一种基于区块链技术的用户间能量交易管理方法，采用的是基于超级账本技术(hyperledgerfabric)的联盟链开发平台。

本发明将区块链技术应用于用户之间的能量交易管理之中，由于区块链作为一种基于密码学原理的分布式账本技术，具有中心化、透明化、隐私性和不可篡改的特点，本发明提供的用户间能量交易管理系统及方法，能够在多个主体之间建立平等可信的去中心化交易网络，实现用户之间公平、点对点、实时、去信任的能量调度和交易，最终实现能量用户间交易的实时、安全、高效进行，最大化参与各方收益。尤其是对于可再生能源发电而言，可以实现户用可再生能源发电设备的安全平稳运行，提高可再生能源利用效率，最大化各方利益，保障我国的能量战略的顺利实施。

附图说明

图1为基于区块链技术的用户间能量交易管理系统工作流程图。

具体实施方式

本发明提供的基于区块链技术的用户间能量交易管理系统与方法适用于包括各种形式的能量的交易管理，在本部分，以可再生能源产生的电力为例，结合附图对本发明的技术方案作进一步的解释和说明：

如图1所示，一种基于区块链技术的用户间能量交易管理系统，包括：

(1)用户侧能量信息采集、处理及通信模块：该模块包含安装于各个可再生能源用户侧的信息采集设备、本地信息处理设备、通信设备，用于获取用户侧能量信息，进行处理后发送给交易网络。

(2)去中心化交易网络能量信息处理模块：包括安装于信息处理机构侧的计算设备、信息处理设备、存储设备，用于将所述的用户侧信息采集、处理及通信模块发送的能量信息通过管理算法进行价格博弈，获得能量交易方案并进行整理和记录。

(3)区块链内的能量交易结算模块：包括安装于交易网络侧的、具有区块链平台接口的交易处理结算设备，通过所述的区块链的平台上设置的智能合约，用于向交易节点发送确认请求，并在各参与方确认交易信息后进行自动交易结算。

(4)区块链平台的能量交易记录模块：包括安装于交易网络侧的、具有区块链平台接口的交易记录和存储设备，用于对整个可信去中心化交易网络中的信息进行区块链层面的记录。具体为：传统电力交易需要一个强力的中心机构，收集所有售电方的能量，出售给购电方。基于联盟链技术的能量交易过程直接在用户之间发生，售电方直接将多余电量出售给购电方，每笔交易在区块链的分布式节点中进行计算和存储，交易后的信息，广播至整个网络，所有参与的用户共同维护交易网络的正常运行，整个系统可以在没有中心机构的情况下正常运行；在交易过程中，任何的用户都可以对网络中的电量交易情况进行查询，如通过各种交易信息判断对方的信用情况，违约情况和合约执行情况，决定是否发起交易，整个过程公开透明；在设计的去中心化交易网络中，节点之间的信息流、能量流、价值流交换遵循固定的算法。电量的交易发起是由智能合约自动执行的，售电方和购电方只需向整个网络提供自己的运行状态和电量需求，交易网络即可自动进行能量分配和交易的发起；一旦各方的信息上传至交易网络，系统就会根据合约自动执行电量交易并记录整个交易过程，并由所有参与方共同存储共识信息，除非能对半数以上的电量交易方进行控制，否则交易信息是无法修改的，数据稳定性和可靠性极高。

(5)能量交易执行模块：包括用户侧的能量路由器和电力系统中的交流输电线路，用于接收能量交易管理信息，并自动执行物理的能量交易过程。用户侧获取交易指令，驱动电力系统中的能量路由器，进行电力的分配。交易方案中的能量卖出方通过能量路由器，向交易线路提供电能，交易方案中的能量买入方通过能量路由器从交易线路索取电能，以此方式自动执行物理交易过程。从而完成能量的转移，保证参与方发、用电系统的正常运行。

整个交易过程通过电网提供的交流输电线路，在同一变压器下进行。

(6)交易网络的安全保障模块：用于在一个完整的交易流程结束前，对整个交易管理系统的所有交易信息进行检查，首先确保当前时刻，发生的每笔交易信息，都得到了区块链层面的完整记录；其次确保整个交易网络中，所有发出交易需求的可再生能源发电用户的合理需求得到满足。最后确保物理层面的真实能量转移，在规定时间内得到交易双方的能量路由器和输电线路的响应。

一种基于区块链技术的用户间能量交易管理方法，采用的是基于超级账本技术(hyperledgerfabric)的联盟链开发平台，包括以下步骤：

(1)用户侧能量物理信息采集、处理：获取当前时刻的用户侧能量物理信息，并进行筛选、分类和处理，将得到的能量物理信息发送给交易网络。具体为：

通过信息采集设备，在获得交易安全保障系统发送的新一轮交易信号后，运行并获取当前时刻的可再生能源发电量、本地用电设备能量消耗量、本地储能设备能量存储量等物理信息；本地信息处理设备对收集的各类物理信息进行筛选、分类、处理，并将其信息转化成对应的标准格式数字信息，打包汇总，并通过通信设备向下发送所述的数字信息。

所述的筛选、分类和处理通过本地信息处理设备完成，具体为：

对采集到的电能发、用、储信息进行量化。其中，根据可再生能源发电量与本地储能设备能量存储量的和与本地用电设备能量消耗量的大小关系，按小于，等于，大于对本地用户的运行状态标记为售电方，平衡方和购电方。

(本地用户可再生能源发电量+本地储能设备能量存储量)<本地用电设备能量消耗量)的：标记为购电方；

(本地用户可再生能源发电量+本地储能设备能量存储量)＝本地耗能设备能量消耗量)的：标记为平衡方；

(本地用户可再生能源发电量+本地储能设备能量存储量)>本地耗能设备能量消耗量)的：标记为售电方；

(2)去中心化交易网络能量信息处理：

由所有参与用户共同授权的处理机构进行交易方案的设计：首先，所有参与用户共同授权给去中心化交易网络，其次，在收到所述的步骤(1)中发送的用户标记信息后，去中心化交易网络根据不同的用户标记发送相应合同：对于状态为售电方的用户，发出售电合同，对于状态为购电方的用户，发出购电合同，用于智能合约中的共识确认。参与用户将价格信息上传至去中心化交易网络，根据预先设定的基于博弈论的价格需求响应模型，根据参与各方的交易需求，交易价格，优先在各用户间进行能量交易，即用户中的售电方优先将电量出售给电量需求最多，预算购电价格最高的用户，购电方优先采购剩余电量最多，预算售电价格最低的用户。在交易过程中各方根据实际的购电和售电需求以上述准则进行博弈，调整出价方案，使整个网络达到纳什均衡状态，此时，参与各方的交易需求都能尽可能得到满足，售电方能出售更多电能，获取更大收益，购电方在满足自身用电设备正常工作的前提下，以尽可能低的价格获得稳定的电能供应。

(3)区块链内的能量交易结算：区块链层面的交易结算为所述的用户间能量交易管理系统的关键部分，所述的去中心化交易网络将在步骤(2)中得到的所述的交易方案上传到区块链的智能合约中，可信去中心化交易网络将得到的交易方案上传到区块链平台的智能合约中，利用智能合约自动向交易节点发送确认请求，交易节点基于拜占庭容错共识算法进行共识。经过各参与方确认的交易信息，将在区块链层面进行自动交易结算，能量卖出方发送售电合约，经过交易获得售电收益，能量买入方发送购电合约，经交易支出能量费用，获得卖出方电能。参与各方在基于区块链技术的用户能量交易管理系统中达成共识，各方的需求得到满足，并完成对应的结算流程。

(4)区块链平台的能量交易记录：对所述的去中心化交易网络中的交易方，交易电量，交易时间，进行区块链层面的加密记录。

利用基于超级账本技术(hyperledgerfabric)的联盟链开发平台，对整个可信去中心化交易网络中的交易方，交易电量，交易时间，进行区块链层面的记录，提高了整个交易网络的信息安全等级，防止外部干扰对整个交易记录过程的攻击。具体有以下要点：

1)去中心化：传统电力交易需要一个强力的中心机构，收集所有售电方的能量，出售给购电方。基于联盟链技术的能量交易过程直接在用户之间发生，售电方直接将多余电量出售给购电方，每笔交易在区块链的分布式节点中进行计算和存储，交易后的信息，广播至整个网络，所有参与的用户共同维护交易网络的正常运行，整个系统可以在没有中心机构的情况下正常运行。

2)公开透明：在交易过程中，任何的用户都可以对网络中的电量交易情况进行查询，如通过各种交易信息判断对方的信用情况，违约情况和合约执行情况来决定是否发起交易，整个过程公开透明。

3)去信任：在设计的去中心化交易网络中，节点之间的信息流、能量流、价值流交换遵循固定的算法。电量的交易发起是由智能合约自动执行的，售电方和购电方只需向整个网络提供自己的运行状态和电量需求，交易网络即可自动进行能量分配和交易的发起。

4)不可篡改：一旦当前时刻各方的信息上传至交易网络，系统就会根据合约自动执行电量交易并记录整个交易过程，并由所有参与方共同存储共识信息，除非能对半数以上的电量交易方进行控制，否则交易信息是无法修改的，数据稳定性和可靠性极高。

(5)能量交易的物理执行：交易网络将交易管理信息统一发送给各交易方，驱动电力系统中的智能执行设备，自动的执行能量的物理交易过程。

可信的去中心化交易网络中，交易方案一旦得到各方的确认，相应的交易信息和结算信息就会记录到区块链层面。物理层执行包括：

(1)交易网络将这些交易管理信息统一发送给各交易方。

(2)交易信息驱动电力系统中，将其所控制的区域连接到配电网干线上的能量路由器，进行电力的分配。交易方案中的能量卖出方通过能量路由器，向交易线路提供电能，交易方案中的能量买入方通过能量路由器从交易线路索取电能，以此方式自动执行物理交易过程。从而完成能量的转移，保证参与方发、用电系统的正常运行。

整个交易过程的交易线路为电网提供的交流输电线路，在同一变压器下进行。

(6)交易网络的安全检查：在一个完整的交易流程结束前，对整个交易管理系统的所有交易信息进行检查，在确保以下部分的顺利完成后，对整个交易网络发出命令信号，开始新一轮的交易。

若检测结果为交易信息记录、交易需求满足、交易执行顺利完成，则对交易网络发出命令信号，重复以上的步骤，开始新一轮的交易；

若检测结果为交易信息记录不完整，则安全保障模块将发送信号给交易记录模块进行二次记录；

若检测结果为交易需求未被满足，则各方将重新提交新的购买合同信息，进行二次价格博弈和交易；

若检测结果为能量转移行为未在约定的时间内发生，交易系统将按照合约的内容自动扣除违约金，并监督违约方违约金的缴纳，即如果未缴纳违约金，安全保障模块将直接在交易网络中对违约方进行交易阻断，直至其缴纳违约费用。

安全检查步骤能够实现：

1)确保当前时刻，发生的每笔交易信息，都得到了区块链层面的完整记录。

2)确保整个交易网络中，所有发出交易需求的可再生能源发电用户的合理需求得到满足。

3)确保物理层面的真实能量转移，在规定时间内得到交易双方的智能设备的响应。