基于联盟区块链的PHEV能量交易系统及其交易方法与流程

本发明属于城市交通技术领域，具体涉及基于联盟区块链的phev能量交易系统及其交易方法。

背景技术

能源互联网是一个服务于能量生产、运输、存储和分配管理的创新网络，它综合运用先进的电子技术、信息技术和智能管理技术，将分布式能源节点互联起来，以实现能量的双向流动、对等交换与均衡共享。作为分布式能量的移动存储设施，插电式混合动力汽车(plug-inhybridelectricvehicle，phev)是能源互联网的一个重要组成部分，它凭借灵活的移动性使车辆到电网(vehicle-to-grid，v2g)的能量交易成为可能，以应对不断增长的能量需求和极不均衡的能量分布。相较传统电动车，phev更节能环保，许多国家都在积极发展部署，密集而庞大的充电基础设施也不断建成落地，这对绿色交通和智慧城市建设产生了重大影响。

随着phev数量的不断增加，它们的日常充电行为将不可避免地影响能源互联网，且合理的充放电管理有助于提高智能电网的稳定性，以及维护能量市场的供需平衡。所以，phev的智能能量管理正吸引着工业界和学术界的广泛关注。

目前，大部分发明工作重点关注phev充放电的调度策略和定价机制以减少充电时间和损耗成本；还有许多发明工作旨在探究phev充电站的部署优化；只有少量研究关注到了充电用户的安全问题，而且已有的安全方案都依赖于权威的密钥机构，一旦可信第三方出现故障或沦陷，phev用户的隐私将受到巨大威胁，这严重打击了phev参与能量均衡管理的积极性，发明一种去中心、分布式信任、可追溯不可篡改、用户隐私安全受保护的phev能量交易方案具有重大意义。

综上所述，现有技术存在以下问题：

(1)现有技术容易发生单点故障，一旦中心化机构出现故障或遭受灾害，交易认证和支付活动将受到干扰或控制，从而威胁系统的可用性和可靠性；

(2)现有技术缺乏隐私和匿名性，中心化机构存在妥协的隐患，用户隐私存在威胁，富余能量的车辆缺乏作为供应者参与能量交易的积极性；

(3)效率低，对于数量庞大、地理分布式的phev，现有技术的远端电网中心调控效率低，尤其是在远离电网的社会热点区域，伸缩性差，许多停滞车辆富余大量能量，同时又有许多车辆急需充电以完成出行计划，绕道很远充电将造成额外的时间成本和能量消耗；

(4)现有技术中，在进行phev用户验证时，延时大，用时长以及效率低，增加了能源消耗。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的系统安全性高、用户隐私性高、能量交易效率低和伸缩性好以及用户验证用时短和效率高的基于联盟区块链的phev能量交易系统及其交易方法，保证了系统的可用性和可靠性，避免了额外的时间成本和能量消耗，解决了现有技术存在的系统安全性低、用户隐私性低、能量交易效率低和伸缩性差，以及用户验证延时大、用时长以及效率低的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于联盟区块链的phev能量交易系统，包括：

插电式混合动力汽车phev，用于参与能量交易，包括消费能量的充电phev和供应能量的供电phev；

能量雾节点，用于为覆盖区域内的phev提供通信支持和能量交易平台，管理能量交易，进行分布式账本的共识管理，以及完成交易审计和数据共享；

智能电表，位于phev的电极上，用于实时计算和记录能量交易量，为双方交易支付提供有力的数据依据。

进一步地，分布式能量雾节点通过共识网络互相通信连接，并且按照线性时间顺序备份有效区块形成能量区块链。

进一步地，能量雾节点包括互相通信连接的交易服务器、账户池以及内存池；

交易服务器，用于负责控制phev能量交易过程，收集充电phev的能量需求和供电phev的能量供应，并匹配充放电phev；并且用于实时监控智能电表的反馈，根据调度决策智能控制充电点击的开关；分布式的交易服务器互相通信连接，共同维护能量区块链；

账户池，包括所有phev用户的系统账户，用于管理能量币的交易以及进行存储相关交易记录，还包括与系统账户对应的钱包，用于管理系统账户里的能量币，并将钱包与系统账户的映射关系存储在账户池中，所述钱包使用哈希算法生成随机匿名来代替真实地址；

内存池，用于存储与系统账户对应的客户端钱包的相关区块数据以及所有的交易记录。

一种基于phev能量交易系统的交易方法，包括如下步骤：

s1：进行系统初始化：在能量区块链中，进行系统初始化，并使用非对称加密的椭圆曲线加密算法发布系统中数据加密、数字签名以及登录认证的密钥材料；

s2：进行phev分类：根据初始化后的系统中的phev的能量状态和出行计划，将能量状态无法满足出行计划的phev设置为充电phev，将同时满足出行计划后仍富余能量且愿意参与能量交易的phev设置为供电phev；

s3：进行能量交易：根据充电phev、供电phev和能量雾节点，进行能量交易；

s4：划转能量币：根据参与能量交易的充电phev和供电phev，通过能量雾节点使充电phev向贡献富余能量的供电phev支付相应的能量币，产生交易记录，并存储在内存池,使供电phev验证并签名该笔交易记录，并将交易记录提交给能量雾节点进行验证审计；

s5：使用pdpos算法进行共识：使用pdpos算法对区块进行共识，将共识通过的区块写入区块链。

进一步地，步骤s3中，进行能量交易的方法，包括如下步骤：

s3-1：使充电phev向能量雾节点的交易服务器提交能量需求和可提供买价；

s3-2：使交易服务器统计所有充电phev的能量总需求和可提供买价，并广播给本地的供电phev；

s3-3：使供电phev向交易服务器发送可销售能量和可接受卖价；

s3-4：根据充电phev的能量总需求和可提供买价，与供电phev的可销售能量和可接受卖价，采用能量迭代双向拍卖eida算法使交易服务器执行充供电phev之间的能量竞标、谈判和交易，匹配充供电phev，得到最优能量分配和最优能量竞价组成的决策；

s3-5：将决策分别回馈给充供电phev，并使充供电phev按决策完成能量传输，实现能量交易。

进一步地，步骤s3-4中，eida算法，包括如下步骤：

s3-4-1：将充电phev与供电phev的能量状态和能量竞价输入能量雾节点；

s3-4-2：初始化迭代参数，并根据初始能量竞价，初始化最优能量竞价；

s3-4-3：根据当前最优能量竞价，计算最优能量分配，匹配充电phev和供电phev能量需求和供应；

s3-4-4：根据当前最优能量分配，更新充电phev与供电phev的最优能量竞价，并更新迭代次数t＝t+1；

s3-4-5：判断更新后的当前最优能量竞价收敛性是否满足要求，若是则进入步骤s3-4-7，否则进入步骤s3-4-6；

s3-4-6：判断当前迭代次数是否大于最大迭代次数，若是则进入步骤s3-4-7，否则进入步骤s3-4-3；

s3-4-7：将当前最优能量分配和当前最优能量竞价组成决策并输出。

进一步地，步骤s3-4-5中，收敛性判断准则公式为：

式中，cb,cs为收敛性判断准则；为充电phev的能量竞价；为供电phev的能量竞价；ε为收敛条件常数；t为迭代次数。

进一步地，步骤s5中，将拥有能量币股份的能量雾节点作为选民，pdpos算法，包括如下步骤：

a-1：根据选民进行投票，将排名靠前的m名能量雾节点作为股东并组成权益股东大会，并对m个股东进行随机排序；

a-2：根据区块生成周期，对股东个数m取余，确定当前共识时间片的锻造者；

a-3：将当前时间片的锻造者作为新区块的创建者，根据创建者将股东收集到的交易记录进行加密和数字签名，并将加密后的交易记录进行结构化，生成区块并广播到能量区块链共识网络中；

a-4：使股东对接收到的新区块进行验证，验证合格后生成并广播一个准备消息；

a-5：判断是否达到定时器的规定时间，若是则结束共识，否则进入步骤a-6；

a-6：直到每个股东累计接收到超过f+1个准备消息，生成并广播一个确认消息；

a-7：判断是否达到定时器的规定时间，若是则结束共识，否则进入步骤a-8；

a-8：直到每个股东累计接收到超过2f+1个确认消息，共识通过，并将该区块写入区块链。

本方案的有益效果为：

(1)本发明提出基于雾计算和联盟区块链的v2v能量交易架构，以分布式账本记录phev的本地能量交易，保证交易记录的安全性和不可篡改，避免了发生故障威胁系统的可用性和可靠性；

(2)本发明中区块链中交易信息和区块数据都是加密存储，避免暴露用户隐私；利用椭圆曲线加密算法维护客户端地址，避免泄露账户信息，提高了富余能量的车辆作为供应者参与能量交易的积极性；

(3)本发明在社会热点部署能量雾节点，为能量交易市场提供通信覆盖和交易控制，拉近了电网和phev的距离，提高了本地能量交易的效率和伸缩性，避免了造成额外的时间成本和能量消耗；

(4)本发明采用新的共识算法即pdpos算法，提升了系统的共识效率和容错性，以减少用户验证的延时和挖矿能耗，支持快速的交易支付，节约了能源消耗。

附图说明

图1为基于联盟区块链的phev能量交易系统结构框图；

图2为基于phev能量交易系统的交易方法流程图；

图3为进行能量交易的方法流程图；

图4为eida算法流程图；

图5为pdpos算法流程图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

一种基于联盟区块链的phev能量交易系统，如图1所示，包括：

插电式混合动力汽车phev，用于参与能量交易，包括消费能量的充电phev和供应能量的供电phev；

能量雾节点，用于为覆盖区域内的phev提供通信支持和能量交易平台，管理能量交易，进行分布式账本的共识管理，以及完成交易审计和数据共享；

智能电表，位于phev的电极上，用于实时计算和记录能量交易量，为双方交易支付提供有力的数据依据。

本实施例中，分布式能量雾节点通过共识网络互相通信连接，并且按照线性时间顺序备份有效区块形成能量区块链。

本实施例中，能量雾节点的数量仅为实施例，并不限定于该数量。

本实施例中，能量雾节点包括互相通信连接的交易服务器、账户池以及内存池；

交易服务器，用于负责控制phev能量交易过程，收集充电phev的能量需求和供电phev的能量供应，并匹配充放电phev；并且用于实时监控智能电表的反馈，根据调度决策智能控制充电点击的开关；分布式的交易服务器互相通信连接，共同维护能量区块链；

账户池，包括所有phev用户的系统账户，用于管理能量币的交易以及进行存储相关交易记录，还包括与系统账户对应的钱包，用于管理系统账户里的能量币，并将钱包与系统账户的映射关系存储在账户池中，所述钱包使用哈希算法生成随机匿名来代替真实地址；

内存池，用于存储与系统账户对应的客户端钱包的相关区块数据以及所有的交易记录。

一种基于phev能量交易系统的交易方法，如图2所示，包括如下步骤：

s1：进行系统初始化：在能量区块链中，进行系统初始化，并使用非对称加密的椭圆曲线加密算法发布系统中数据加密、数字签名以及登录认证的密钥材料；

s2：进行phev分类：根据初始化后的系统中的phev的能量状态和出行计划，将能量状态无法满足出行计划的phev设置为充电phev，将同时满足出行计划后仍富余能量且愿意参与能量交易的phev设置为供电phev；

s3：进行能量交易：根据充电phev、供电phev和能量雾节点，进行能量交易的方法，如图3所示，包括如下步骤：

s3-1：使充电phev向能量雾节点的交易服务器提交能量需求和可提供买价；

s3-2：使交易服务器统计所有充电phev的能量总需求和可提供买价，并广播给本地的供电phev；

s3-3：使供电phev向交易服务器发送可销售能量和可接受卖价；

s3-4：根据充电phev的能量总需求和可提供买价，与供电phev的可销售能量和可接受卖价，采用能量迭代双向拍卖eida算法使交易服务器执行充供电phev之间的能量竞标、谈判和交易，匹配充供电phev，得到最优能量分配和最优能量竞价组成的决策，eida算法，如图4所示，包括如下步骤：

s3-4-1：将充电phev与供电phev的能量状态和能量竞价输入能量雾节点；

s3-4-2：初始化迭代参数，并根据初始能量竞价，初始化最优能量竞价；

s3-4-3：根据当前最优能量竞价，计算最优能量分配，匹配充电phev和供电phev能量需求和供应；

s3-4-4：根据当前最优能量分配，更新充电phev与供电phev的最优能量竞价，并更新迭代次数；

s3-4-5：判断更新后的当前最优能量竞价收敛性是否满足要求，若是则进入步骤s3-4-7，否则进入步骤s3-4-6，收敛性判断准则公式为：

式中，cb,cs为收敛性判断准则；为充电phev的能量竞价；为供电phev的能量竞价；ε为收敛条件常数；t为迭代次数；

s3-4-6：判断当前迭代次数是否大于最大迭代次数，若是则进入步骤s3-4-7，否则进入步骤s3-4-3；

s3-4-7：将当前最优能量分配和当前最优能量竞价组成决策并输出；

s3-5：将决策分别回馈给充供电phev，并使充供电phev按决策完成能量传输，实现能量交易。

s4：划转能量币：根据参与能量交易的充电phev和供电phev，通过能量雾节点使充电phev向贡献富余能量的供电phev支付相应的能量币，产生交易记录，并存储在内存池,使供电phev验证并签名该笔交易记录，并将交易记录提交给能量雾节点进行验证审计；

s5：使用pdpos算法进行共识：使用pdpos算法对区块进行共识，将共识通过的区块写入区块链，将拥有能量币股份的能量雾节点作为选民，pdpos算法，如图5所示，包括如下步骤：

a-1：根据选民进行投票，将排名靠前的m名能量雾节点作为股东并组成权益股东大会，并对m个股东进行随机排序；

a-2：根据区块生成周期，对股东个数m取余，确定当前共识时间片的锻造者；

a-3：将当前时间片的锻造者作为新区块的创建者，根据创建者将股东收集到的交易记录进行加密和数字签名，并将加密后的交易记录进行结构化，生成区块并广播到能量区块链共识网络中；

a-4：使股东对接收到的新区块进行验证，验证合格后生成并广播一个准备消息；

a-5：判断是否达到定时器的规定时间，若是则结束共识，否则进入步骤a-6；

a-6：直到每个股东累计接收到超过f+1个准备消息，生成并广播一个确认消息；

a-7：判断是否达到定时器的规定时间，若是则结束共识，否则进入步骤a-8；

a-8：直到每个股东累计接收到超过2f+1个确认消息，共识通过，并将该区块写入区块链。

本实施例中，为了激励更多的供电phev参与本地能量均衡管理，供电phev除了获得交易差的利润之外，还将获得额外的能量币奖励。

本发明提供的系统安全性高、用户隐私性高、能量交易效率低和伸缩性好以及用户验证用时短和效率高的基于联盟区块链的phev能量交易系统及其交易方法，保证了系统的可用性和可靠性，避免了额外的时间成本和能量消耗，解决了现有技术存在的系统安全性低、用户隐私性低、能量交易效率低和伸缩性差，以及用户验证延时大、用时长以及效率低的问题。