一种基于能源区块链的分布式电力交易合约共识方法与流程
本发明涉及区块链技术领域，特别是一种基于能源区块链的分布式电力交易合约共识方法。
背景技术：
能源互联网是综合运用先进的电力电子技术、信息技术和智能管理技术，将大量由分布式能量采集装置、分布式能量储存装置和各种类型负载构成的新型电力网络节点互联起来，以实现能量双向流动的能量对等交换与共享网络。传统发电站，如火力发电站、核电站、水电站和大型风力发电，都是集中式的大型发电站，主要考虑到环保与成本，这些电站往往建设在远离城市地区，长距离输电给用户导致能源耗散非常大，且系统容错性较低，灵活性小。基于“互联网+”的分布式电力能源系统，利用自然、地理等特点可以实现当地小规模发电以及就地供电。在日常用电过程中，用户有了多种能源选择，他可以选择购买运输较远但价格较低的火电等非清洁能源，或选择购买就近传输但价格偏高的光伏、风电等清洁能源。
然而，由于分布式发电源类型繁多、地理分散、设备安装与维护成本高、发电量依仗自然条件、不可准确预测等因素，一方面导致分布式电力能源资源有限，无法在供给侧上实时响应，另一方面很难保证网内电能交易公平、公正与公开，同时如何合理分配电能与制定价格，在环保效益最大与能源配置最优化的前提下，使用户的需求都得到满足，也成为重要问题。
与此同时，目前我国的电网企业在整个电力交易过程中占有绝对强势的地位，分布式售电商与边缘电力供给方具有较少的话语权，也就无法去构建完整体系的分布式电力交易系统。当前的分布式电力交易过程中，各边缘节点将采集到电力数据汇聚到数据中心来进行统一处理，信息来源分散、信息不透明、规则不公开、补贴不及时等问题，导致信任隔阂愈加严重，交易信任成本居高不下。
区块链是基于时间戳的“区块+链式”数据结构，具有不可篡改、可追溯、自治、按照合约执行等特点，分布式能源系统中的各用户采用同一个代码化协议共同协作完成电力的自动调度匹配，实现了交易的公平、公正、公开；同时每个节点存储的交易依照一定的共识规则被全网一致性验证，解决了各主体间的信任问题。区块链的分布式、自治化记账模式与能源互联网的拓扑状信息交互模式天然匹配，两种技术的融合，形成了“能源区块链”。能源区块链为我国能源互联网安全共享与分布式电力交易模式提供了创新性解决方案。
电网企业、发电企业(包括火电厂、核电厂、水电厂和大型风电厂，以及分布式光伏、风力用户等)、售电企业、国家能源等监督机构、用户(包括分布式电力产消者)等主体组成能源区块链联盟，发电企业、售电企业、用户双方之间签订电力交易智能合约来完成购售电。然而在众多的能源区块链各个项目中，包括著名的lo3energy搭建居民p2p电力交易微网、powerledger构建太阳能发电余电上网交易系统，都没有展开大范围运行与推广，其主要原因之一是共识问题。电力交易本质上是一种共识机制，区块链技术由于正在发展中，存在“不可破三角”，即性能、安全、扩展三者之间或多或少难以完全兼顾，灵活、与业务逻辑相匹配的共识机制直接决定了电力交易处理效率。因此，设计出合理、有效的共识方法使发电、用电及设备能力之间达成高效、低成本的一致性共识至关重要。
技术实现要素：
本发明需要解决的技术问题是提供一种基于能源区块链的分布式电力交易合约共识方法，在保证交易公平、公正的基础上，实现能源资源最优化配置以及资源的高效合理地利用。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
一种基于能源区块链的分布式电力交易合约共识方法，具体包括以下步骤：
a.构建联盟能源区块链，并指定主节点；
b.制定分布式电力交易智能合约；
c.制定分布式电力交易智能合约共识的约束条件，确定有效的电力合约交易；
d.将步骤c得出的有效的电力合约交易经历请求、预准备、准备、提交、应答这五个阶段完成区块共识，并记录于区块链；
e.执行分布式电力交易智能合约。
上述一种基于能源区块链的分布式电力交易合约共识方法，步骤a在构建联盟能源区块链时，以联盟链连接电力供给方、电力需求方以及电力交易监督方，不同用户通过各自客户端代理完成电力交易。
上述一种基于能源区块链的分布式电力交易合约共识方法，所述电力供给方包括火电厂、核电厂、水电厂、大型风电厂、分布式光伏以及风力用户，电力需求方包括售电企业、居民以及工厂用户，电力监督者包括电网企业和/或国家能源局，客户端包括智能电表、移动设备、光伏设备以及充电桩。
上述一种基于能源区块链的分布式电力交易合约共识方法，步骤b中的电力交易智能合约包括以下两个方面：
b1.电力供给方当月发布下月合约，合约对所有用户公开可见；
b2.用户根据自身用电量需求签订电力交易合约，每份电力交易合约的区块链存证信息确保合约唯一性。
上述一种基于能源区块链的分布式电力交易合约共识方法，，步骤c中所述共识约束条件包括能源种类、购电量、电价以及运输距离。
上述一种基于能源区块链的分布式电力交易合约共识方法，步骤c中确定有效电力合约交易的方法为：首先根据约束条件计算出各电力交易合约的综合效益，然后将所有电力交易合约的综合效益从大到小进行排序，确定排序最前的电力交易合约为有效的电力交易合约。
由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。
本发明在分布式多电力能源环境下，用户可以自主选择购买一定量的火电、水电、风电、太阳能等多种电力能源，能源区块链系统以综合效益最大化为前提，通过共识机制自动自发地共同维护，合约化执行实现电力自适应调度的需求，来完成对签订交易合约的执行与上链，从而实现能源资源最优化配置以及资源的高效合理地利用。在区块链上的电力交易前，对交易合约进行排序，根据效益的高低依次提交区块上链，保障海量交易有序性与稳定性；交易过程中，用户之间采用智能合约进行点对点交易，无需第三方参与，每笔电力交易会记账于区块链上，不可篡改、固化交易可靠性；能够在保证交易公平、公正、安全可靠的基础上，实现能源资源最优化配置以及资源的高效合理地利用。
本发明应用后的有益效果主要体现在以下几点。
(1)通过在能源互联网中引入区块链技术，实现安全、可信、对等的点对点能源交易，允许用户通过代理节点自主参与电力交易，增强能源互联网的灵活性与可控性，有效降低电力交易成本，促进分布式电力交易大规模落地。
(2)用户可以按照自身购电需求签订电力交易合约，合约结果上链后，系统自动执行能源供需侧匹配，完成能源调度，实现能源配置最优化，降低运营成本。
(3)在充分考虑能源存储与运输的距离、时效及能演损耗等因素，引入环保效益、节能效益、能耗效益，业务层上达成共识，签订的电力交易合约中综合效益最高的交易将优先验证与记账，符合中国能源发展的基本国策。
(4)本发明的共识机制允许一定程度的部分节点因离线或网速拥堵而造成对交易共识验证滞后，即具有容错性，能够在保证足够活动前提下，使要失效节点不超过总节点数量的三分之一，最终交易结果可以确认记账，充分保证了各种额度交易的实现，不会出现分叉与数据的丢失现象，为拥有海量边缘终端节点的能源区块链网络提供一定的扩展性与灵活性。
(5)本发明以联盟链为基础架构设计，节点仅有被验证身份可信后才能参与共识，每阶段区块链消息的发送与接收都需要验证发送方的数字签名，保障整个共识流程的安全与可靠。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明步骤d的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
能源互联网采用先进的传感器、控制和软件应用程序，将能源生产端、能源传输端、能源消费端的数以亿计的设备、机器、系统连接起来，形成了能源互联网的物联基础。能源互联网的物联网拓扑网络架构与区块链的数据不可篡改、分布式账本、合约执行、可追溯等技术特性相互融合，成为新一代能源区块链，为电力市场提供了可信、安全、智能化的分布式电力交易环境。
本发明在分布式多电力能源环境下，用户可以自主选择购买一定量的火电、水电、风电、太阳能等多种电力能源，能源区块链系统以综合效益最大化为前提，来完成对签订交易合约的执行与上链，从而实现能源资源最优化配置。
本发明中，参与电力交易的主体包括电网企业、发电企业(包括火电厂、核电厂、水电厂和大型风电厂，以及分布式光伏、风力用户等)、售电企业、国家能源局、用户(包括分布式电力产消者)等。电力交易参与者根据共识方法完成电力交易，其中所述的共识方法具体包括以下步骤。
a.构建联盟能源区块链，并指定主节点。
在构建联盟能源区块链时，以联盟链连接电力供给方、电力需求方以及电力交易监督方，不同用户通过各自客户端代理完成电力交易。
其中，电力供给方包括火电厂、核电厂、水电厂、大型风电厂、分布式光伏以及风力用户；电力需求方包括售电企业、居民以及工厂用户；电力监督者包括电网企业和/或国家能源局；客户端包括智能电表、移动设备、光伏设备以及充电桩。
联盟里可以预先指定节点为记账人，主节点共同参与交易一致性确认，在区块链上具有数据写入与读取权限，能够查询链上所有交易。其他普通节点可以参与交易，但不能记账，它们仅能通过api去区块链上查询与其自身利益的相关电力交易，从而保障能源互联网的安全。
b.制定分布式电力交易智能合约。
本步骤主要包括两方面的内容：b1.电力供给方当月发布下月合约，合约对所有用户公开可见；合约主要内容包括：合约签订方、拟售\购电量、合约单价、生效日期、适用区域等。b2.用户根据自身用电量需求选择合适的电力交易合约进行签订，每份电力交易合约的区块链存证信息确保合约唯一性；区块链存证信息包括：时间戳、区块哈希、合约哈希、合约存证信息。
c.制定分布式电力交易智能合约共识的约束条件，确定有效的电力合约交易。
联盟微网里不同用户如何快速、点对点完成电力交易，其本质就是如何对交易的有效性达成一致，本发明以用户自主购买清洁能源或非清洁能源时产生的社会效益与经济效益作为电力交易合约的执行标准设定合约共识的约束条件。所述的约束条件包括能源种类、购电量、电价以及运输距离。
电力交易合约需要在满足约束条件的基础上，综合考虑环保效益、节能效益、能耗效益，选择综合效益最大的电力交易合约才能优先执行，从而实现能源的最优化配置。
本发明所述的环保效益主要是为了衡量使用水电、风电、光伏等清洁能源代替火电等非清洁能源，减少环境污染而带来的效益。环保效益具体采用下式计算获得。
式中，ed，i：微网中第i个用户的清洁购电量，根据电力交易合约里的购电量取值。
m：每千瓦时所消耗的标煤量。
c：标煤含碳百分比。
44/12：一个碳原子充分燃烧后会生成一个二氧化碳分子，碳原子的原子量为12二氧化碳的分子量为44；因此，煤炭燃烧到二氧化碳生成，物质重量从12增加到44。
当微网中用户通过签订电力交易合约，不同用户的购买电量不同，ed，i可以看作自变量，对于同一微电网内的用户，m、c、
通过环保效益公式，可将清洁购电量换算成火电发电所消耗的标煤量，再将标煤量换算成相应的二氧化碳量，再乘以碳交易市场中二氧化碳的价格，最终得到能使用清洁能源相对于非清洁能源能节省的二氧化碳市场价格。
节能效益主要是为了衡量使用水力、风力、光伏发电后，能够节省多少煤炭损耗。节能效益具体采用下式计算获得。
式中，ed，i：微网中第i个用户的清洁购电量，根据电力交易合约里的购电量取值。
m：每千瓦时所消耗的标煤量。
11/14：火电企业发电采用的是动力煤，在诸多类型动力煤中，发热量5500千卡动力煤在动力煤市场占比高，因此，本公式主要跟踪发热量5500千卡动力煤价格。由于标煤的发热量为7000千卡，因此将标煤折算动力煤的系数为：5500/7000，即11/14。
pm：动力煤的市场价格。
当微网中用户通过签订电力交易合约，不同用户的购买电量不同，ed，i可以看作自变量，对于同一微电网内的用户，m、pm都相同，可以看作相对常量，r节能效益为因变量，即ed，i直接影响节能效益，两者之间呈正相关。也就是说，用户购买清洁能源越多，每千瓦时减少使用动力煤的量就越大，对节能效益越大。
通过节能效益公式，可以将清洁购电量换算成火电发电所消耗的标煤量，再将标煤量换算成动力煤，再乘以动力煤的价格，最终得到使用清洁能源相对于非清洁能源能节省的煤炭损耗。
能耗效益，主要是为了计算用户购电过程中因电网距离运输产生的的损耗。能耗效益根据下式计算获得。
式中，ei：微网中第i个用户的购电量(清洁能源与非清洁能源均可)；
η：额外损率(输电网损/用户购电量)；采用下式计算获得
pbuy：微网中第i个用户购电的价格(不包括线损价格)。
其中，η计算公式如下：
式中，t：购买电量输送至用户需求侧的时间(单位：h)。
α：电缆的电阻(单位：ω/km)。
li：输电距离(单位：km)。
当微网中用户通过签订电力交易合约，不同用户的购买电量不同，ei可以看作自变量，对于同一微电网内的用户，输送ei千瓦时需要的时间t都相同与电缆电阻α，都可以看作常量，r能耗效益为因变量，即用户购电量ei、微网内电力生产者与电力需求者之间的输电距离li、用户购电价格
最后，根据环保效益、节能效益及能耗效益，采用下式计算电力交易合约的综合效益。
r综合效益＝r环保效益+r节能效益-r能耗效益
在当月，用户根据自身需求签订电力交易合约来购买下月用电量，到当月最后一日中午12:00，能源区块链平台会根据用户的购买电量(清洁能源与非清洁能源均可)来计算出r环保效益，r节能效益、r能耗效益，从而获得r综合效益，并将r综合效益值根据其大小，由高至低排序。
排序在前电力交易合约，说明用户购买的电能大概率为清洁能源，且其购买电量、电价、及电能传输距离都能够使能源配置最优化；选择该电力交易合约为有效的电力交易合约，将优先执行，直至微网里居民自产的太阳能、及发电企业生产的清洁能源依次售罄，余下电力交易合约将无效。
d.将步骤c得出的有效的电力合约交易经历请求、预准备、准备、提交、应答这五个阶段完成区块共识，并记录于区块链。
区块公示的流程如图2所示，具体如下。
d1.请求：客户端通过点对点消息向主节点发送对电力合约交易结果执行记账的请求。
请求内容为<request，o，t，c>。其中，request包含电力合约的交易结果m，以及交易结果摘要d(m)；o为请求的具体操作；t为请求时客户端追加的时间戳，用来保证客户端请求只会执行一次；c为客户端标识。客户端采用自己私钥对请求进行数字签名。
d2.预准备：主节点通过广播将基于验证后请求生成预备消息发送给副本节点。
主节点接收到客户端发来的请求后，采用客户端公钥对请求进行解密。同时，主节点向所有副本节点发送预准备消息，消息内容为<pre-prepare，v，n，m，d(m)>。其中，v是视图编号、n是主节点对接收到的请求分配的序列号、m是交易结果、d(m)是交易结果m的摘要。主节点采用自己私钥对预备消息进行数字签名。
d3.准备：副本节点通过广播将基于验证后预备消息生成的准备消息发送给其他副本节点。
副本节点接收到主节点发来的预备消息后，首先会对以下条件进行验证，包括：请求和与预备消息的签名正确，并且d(m)与m的摘要一致；当前视图编号是v；副本节点从未在视图v中收到过序号为n且摘要d(m)不同的交易结果m。
只有验证满足以上条件后，副本节点才会真正接收一个预准备消息。
如果某一副本节点i真正接受了某个预准备<pre-prepare，v，n，m，d(m)>，则进入准备阶段，即该副本节点向所有其他副本节点发送准备消息<prepare，v，n，d(m)，i>。其中，v是视图编号、n是主节点对接收到的请求分配的序列号、d(m)是交易结果摘要、i是该副本节点编号。
同样，要使其他副本节点都真正接受认可这一准备消息，也必须验证：签名正确、消息的视图编号与节点当前视图的编号一致。
d4.提交：所有副本节点在验证接收到的准备效益后，都执行请求要求的调用服务操作，并将结果发回客户端。
所有副本节点根据验证、有效后的准备消息<prepare，v，n，d(m)，i>，副本发给客户端的响应为<commit，v，n，m，d(m)，i，t，c，r>。其中，v是视图编号、n是主节点对接收到的请求分配的序列号、m是交易结果、d(m)是交易结果m摘要、i是副本节点的编号、t是时间戳、c是客户端标识、r是请求执行的结果。
需注意的是，每个由副本节点发送给客户端的消息都包含了当前的视图编号，使得客户端能够跟踪视图编号，从而进一步推算出当前主节点的编号。
d5.应答：客户端积累足够多的相同结果，完成上链确认。
客户端需要等待f+1个不同副本节点发回相同的结果r，来作为整个操作的最终结果，即合约结果最终记账上链，电力交易合约可以被有效执行。
需注意的是，响应需要保证签名正确，并且具有同样的时间戳t和执行结果r。这样客户端才能把r作为正确的执行结果，因为失效的副本节点不超过f个，所以f+1个副本的一致响应必定能够保证结果是正确有效的。
e.执行分布式电力交易智能合约。
一旦合约交易结果记入区块链，将会驱动微网里电力系统自动执行能源分配与调度。当有余下的能源时，将会存储至储能设备，并在下次合约执行时，优先调度；考虑储能周期、成本的基础上，合理调度储能资源，避免资源浪费。
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