一种基于区块链的综合能源市场化交易架构及方法与流程

本发明属于综合能源技术领域，尤其涉及一种基于区块链的综合能源市场化交易架构及方法。

背景技术：

综合能源系统的开发与应用，有助于可再生能源规模化开发，有助于提高能源利用效率，有助于实现能源工业可持续发展，建设综合能源系统已成为能源领域未来重要的发展方向。

但是在现有的综合能源系统中，进行电、热、冷等能源的调度与交易时，仅依靠一个中心化平台实现，这种集中式的系统架构灵活性与安全性受到制约。尤其当综合能源系统内能源供、需方为不同利益主体时，集中式的能源调度与交易方式，存在无法实现平等可信、信息共享的市场化交易的技术问题。

针对现有技术中的上述问题，本发明提出一种基于区块链的综合能源市场化交易架构及方法，基于区块链去中心化、公开透明、安全可信、信息可追溯和不可篡改等技术优势，在综合能源系统内建立平等可信、信息共享的市场化交易架构，实现各参与主体的点对点能源转移与交易结算，有助于综合能源系统的安全平稳运行，提高能源利用效率，最大化各方利益，保障我国能源行业的长远发展。

技术实现要素：

为实现上述目的，本发明第一方面提供了一种基于区块链的综合能源市场化交易架构，包括物理层、区块链数据层、网络层、共识层、交易层、执行层、应用层，其中各层由下而上依次为：

物理层，包括综合能源系统中各能源的生产设备、能源的转换设备、计量设备及节能设备；

区块链数据层，包括加盖时间戳的块链式数据库，备份全部历史交易数据，所有历史信息均可被追溯且不可被篡改；

网络层，用于系统内各主体的身份验证与识别，提供p2p网络协议及数据传输；

共识层，用于封装区块链的共识机制和共识算法，并向交易层提供api接口；

交易层，用于能源供需主体间的功率匹配与达成协议，形成智能合约；

执行层，用于执行交易层的达成智能合约，进行能源转移和计量；

应用层，用于向各参与主体与管理者提供交易入口，提供交易结算、历史信息查询、数据分析等应用程序；

所述的物理层、区块链数据层、网络层、共识层、交易层、执行层、应用层七个交易系统架构层级中，下层对上层提供接口。

进一步地，所述的交易架构综合管理电力、热力、冷力等能源的交易，实现整个综合能源系统的能量平衡与稳定。

进一步地，所述的交易架构采用联盟区块链网络平台进行开发，各能源供需主体需经身份注册和验证后才可加入联盟区块链网络平台，网络平台内的数据信息分布式存储在各能源供需主体中，并且不对系统外部开放。

基于同样的发明构思，本发明第二方面提供了一种基于第一方面所述的交易架构的交易方法，该方法以连续双向拍卖机制为基础，包括以下步骤：

(1)上传能源供给信息：各能源供给主体通过所在网络节点发布指定时间段的能源供给信息，并将信息上传至区块链网络，能源供给信息包括能源供给类型、功率上下限、期望成交价等；

(2)上传能源需求信息：各能源需求主体通过所在网络节点发布指定时间段的能源需求信息，并将信息上传至区块链网络，能源需求信息包括能源需求类型、功率上下限、期望成交价等；

(3)撮合交易：在电力、热力、冷力三种不同属性的能源交易平台进行交易撮合，匹配同属性能源供需主体，撮合成功后的交易信息利用哈希函数，转换为加盖时间戳的数据区块储存在网络中；

(4)广播交易结果：区块链网络向各能源交易主体广播撮合交易结果，并在交易结束后广播综合能源电力、热力、冷力未达成交易的能源供需负荷；

(5)调整和上传能源信息：未达成撮合交易的能源供需主体，根据市场信息与自身需要，可调整能源供需功率和期望成交价，并将调整后的信息重新上传至区块链网络；

(6)区块链网络的交易层重复步骤(3)；

(7)执行能源转移：综合能源系统内各能源供需主体撮合交易完成后，在相应时隙内执行已达成的交易协议，进行电力、热力、冷力的能源转移和计量；

(8)计量认证与资金结算：根据交易协议达成的成交价与计量设备的数据，执行资金结算。

撮合交易分为n个时隙，某一时隙系统内各参与主体上传下一时隙的能源供需信息，系统进行撮合交易，并在下一个时隙执行已达成的交易协议，进行能源转移和计量。

进一步地，所述的步骤(3)采取连续双向拍卖机制进行能源撮合交易，步骤为：

3.1能源属性分类：将系统内上传的能源供需信息按能源属性分类，分为电力、热力、冷力三个并行的能源交易平台；电力能源的各供需主体在电力交易平台进行撮合交易，热力能源的各供需主体在热力交易平台进行撮合交易，冷力能源的各供需主体在冷力交易平台进行撮合交易；各参与方根据实际情况，既可以同时供给或需求不同属性的能源，也可以作为某种能源的供给主体并同时作为其他能源的需求主体；对于自带电制热与电制冷等能源转换设备的热力、冷力需求主体，可根据自带设备的转换效率，同时上传两种能源需求信息，当一种能源交易达成协议后，另一种自动退出；

3.2确定协议价格：各能源交易平台将能源供需信息按期望价格排序，选取能源供给报价最低的si和能源需求报价最高的bj，若能源供给报价低于需求报价，及si,1≤bj,1，将si,1与bi,1进行匹配，最终交易协议价格为p＝(si,1+bj,1)/2，；若si,1＞bj,1，跳转至步骤(5)；

3.3确定协议负荷：在各能源交易平台中，对于能源供给主体si可提供的负荷pi和能源需求主体bj所需的负荷pj，若pi＞pj，令双方交易负荷为pj，将能源需求主体bj清除待撮合队列，能源供给主体可供给的能源负荷更新为pi－pj，重新执行3.2；若pi＜pj，令双方交易负荷为pi，将能源供给主体pi清除待撮合队列，能源需求主体所需能源负荷更新为pj－pi，重新执行3.2；若pi＝pj，令双方交易协调负荷为pi，将双方同时清除待撮合队列，重新执行3.2；

3.4能源供需平衡：若能源需求侧的各主体最先撮合交易完毕，则未达成交易的供给主体可将剩余负荷以低价卖给配电网、供热公司等系统外能源接收方；若能源供给侧的各主体最先撮合交易完毕，则未达成交易的需求主体所需负荷可由配电网、供热公司等系统外能源供给方提供。

进一步地，所述的步骤(8)的能源统计量认证，通过区块链网络读取各供需主体配套的计量设备，确定各时隙能源转移量；给每笔交易对应的能源转移量分配一个专有id，加盖时间戳形成数据区块并作为结算依据。

进一步地，所述的步骤(8)的资金结算，某时隙结束后系统自动进行该时隙的能源费用结算，每笔交易的结算金额为最终交易协议价格与计量认证数据的乘积；结算金额从需求主体的账户中自动扣除，并向该笔交易供给主体的账户转账；如果能源需求主体账户中的剩余资金不足以支付结算金额，系统将发送充值请求，逾期未充值的能源需求主体将被自动清除出综合能源交易网络，并扣除该主体账户中预存的保证金。

本发明将区块链技术应用于综合能源各能源供需主体的市场化交易之中，由于区块链作为一种基于密码学的分布式账本技术，具有去中心化、公开透明、安全可信、信息可追溯和不可篡改等优势，基于区块链的综合能源市场化交易架构及方法，能够在多个主体之间建立平等可信、信息共享的去中心化交易网络，实现各能源供需主体的点对点能源转移与交易结算。对于能源需求主体而言，可根据区块链网络实时信息调整用能需求与期望价格，也可根据自带的能源转换设备自主选择能量来源，积极主动参与能源市场化交易；对于能源供给主体而言，尤其是可再生能源发电主体，可主动向系统内热力与冷力需求主体供给清洁能源，提高可再生能源利用效率；对于整个综合系统而言，基于区块链的市场化交易架构与方法，可形成自下而上的能源管理模式，各参与主体间的能源交易与调度实时、安全、高效进行，最大化各方利益，保障我国能源工业长远发展。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中交易架构示意图；

图2为本发明实施例中交易方法框架图；

图3为本发明实施例中交易方法流程图；

图4为本发明实施例中能源属性分类的示意图。

具体实施方式

本发明的目的在于提供一种基于区块链的综合能源市场化交易架构及方法，用以改善现有技术中存在的无法实现平等可信、信息共享的综合能源市场化交易的技术问题。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例提供了一种基于区块链的综合能源市场化交易架构，如图1所示，交易架构包括物理层、区块链数据层、网络层、共识层、交易层、执行层、应用层，其中各层由下而上依次为：

物理层，包括综合能源系统中各能源的生产设备、能源的转换设备、计量设备及节能设备；能源的生产设备包括火电厂、核电厂、水电厂、风力发电、太阳能发电、电热冷联供机组、热水锅炉等；能源的转换设备包括空调、电锅炉、电暖器等；能源计量设备包括智能电表、流量计、热量计等；节能设备包括吸收式热泵、地源热泵、相变储能等；

区块链数据层，包括加盖时间戳的块链式数据库，备份全部历史交易数据并存储在系统各参与节点中，形成分布式账本结构，所有历史信息均可被追溯且不可被篡改；

网络层，用于系统内各主体的身份验证与识别，提供p2p网络协议及数据传输，整个网络基于联盟区块链构建，没有中心节点，个别节点出现故障不会对整个网络产生影响，具有较高的安全性与容错性；

共识层，用于封装区块链的共识机制和共识算法，并向交易层提供api(applicationprogramminginterface，应用程序编程接口)接口；

交易层，用于能源供需主体间的功率匹配与达成协议，按照能源属性进行分类，并采用连续双向拍卖机制撮合能源交易，形成智能合约；

执行层，用于执行交易层的达成智能合约，进行能源转移和计量；

应用层，用于向各参与主体与管理者提供交易入口，提供交易结算、历史信息查询、数据分析等应用程序；

所述的物理层、区块链数据层、网络层、共识层、交易层、执行层、应用层七个交易系统架构层级中，下层对上层提供接口。

所述的交易架构综合管理电力、热力、冷力等能源的交易，实现整个综合能源系统的能量平衡与稳定。

所述的交易架构采用联盟区块链网络平台进行开发，各能源供需主体需经身份注册和验证后才可加入联盟区块链网络平台，网络平台内的数据信息分布式存储在各能源供需主体中，并且不对系统外部开放。

基于同一发明构思，本申请还提供了基于实施例一中交易架构的交易方法，详见实施例二。

实施例二

本实施例提供了一种基于实施例一所述的交易架构的交易方法，如图2和图3所示，该方法以连续双向拍卖机制为基础，包括以下步骤：

(1)上传能源供给信息：各能源供给主体通过所在网络节点发布指定时间段的能源供给信息，并将信息上传至区块链网络，能源供给信息包括能源供给类型、功率上下限、期望成交价等；

(2)上传能源需求信息：各能源需求主体通过所在网络节点发布指定时间段的能源需求信息，并将信息上传至区块链网络，能源需求信息包括能源需求类型、功率上下限、期望成交价等；

(3)撮合交易：在电力、热力、冷力三种不同属性的能源交易平台进行交易撮合，匹配同属性能源供需主体，撮合成功后的交易信息利用哈希函数，转换为加盖时间戳的数据区块储存在网络中；

(4)广播交易结果：区块链网络向各能源交易主体广播撮合交易结果，并在交易结束后广播综合能源电力、热力、冷力未达成交易的能源供需负荷；

(5)调整和上传能源信息：未达成撮合交易的能源供需主体，根据市场信息与自身需要，可调整能源供需功率和期望成交价，并将调整后的信息重新上传至区块链网络；

(6)区块链网络的交易层重复步骤(3)；

(7)执行能源转移：综合能源系统内各能源供需主体撮合交易完成后，在相应时隙内执行已达成的交易协议，进行电力、热力、冷力的能源转移和计量；

(8)计量认证与资金结算：根据交易协议达成的成交价与计量设备的数据，执行资金结算。

在具体的实施过程中，撮合交易分为n个时隙，某一时隙系统内各参与主体上传下一时隙的能源供需信息，系统进行撮合交易，并在下一个时隙执行已达成的交易协议，进行能源转移和计量。

在所述的步骤(3)采取连续双向拍卖机制进行能源撮合交易，步骤为：

3.1能源属性分类：如图4所示，将系统内上传的能源供需信息按能源属性分类，分为电力、热力、冷力三个并行的能源交易平台；电力能源的各供需主体在电力交易平台进行撮合交易，热力能源的各供需主体在热力交易平台进行撮合交易，冷力能源的各供需主体在冷力交易平台进行撮合交易；各参与方根据实际情况，既可以同时供给或需求不同属性的能源，也可以作为某种能源的供给主体并同时作为其他能源的需求主体；对于自带电制热与电制冷等能源转换设备的热力、冷力需求主体，可根据自带设备的转换效率，同时上传两种能源需求信息，当一种能源交易达成协议后，另一种自动退出，例如具有电制热设备的热力需求主体，同时发布电力与热力需求信息，如果电力交易先达成协议并形成为加盖时间戳的数据区块，则热力需求自动退出热力交易平台，该主体通过购买电力并通过电制热设备满足自身的热力需求；

3.2确定协议价格：各能源交易平台将能源供需信息按期望价格排序，选取能源供给报价最低的si和能源需求报价最高的bj，若能源供给报价低于需求报价，及si,1≤bj,1，将si,1与bi,1进行匹配，最终交易协议价格为p＝(si,1+bj,1)/2；若si,1＞bj,1，跳转至步骤(5)；

3.3确定协议负荷：在各能源交易平台中，对于能源供给主体si可提供的负荷pi和能源需求主体bj所需的负荷pj，若pi＞pj，令双方交易负荷为pj，将能源需求主体bj清除待撮合队列，能源供给主体可供给的能源负荷更新为pi－pj，重新执行3.2；若pi＜pj，令双方交易负荷为pi，将能源供给主体pi清除待撮合队列，能源需求主体所需能源负荷更新为pj－pi，重新执行3.2；若pi＝pj，令双方交易协调负荷为pi，将双方同时清除待撮合队列，重新执行3.2；

3.4能源供需平衡：若能源需求侧的各主体最先撮合交易完毕，则未达成交易的供给主体可将剩余负荷以低价卖给配电网、供热公司等系统外能源接收方；若能源供给侧的各主体最先撮合交易完毕，则未达成交易的需求主体所需负荷可由配电网、供热公司等系统外能源供给方提供。

所述的步骤(8)的能源统计量认证，通过区块链网络读取各供需主体配套的计量设备，确定各时隙能源转移量；给每笔交易对应的能源转移量分配一个专有id，加盖时间戳形成数据区块并作为结算依据。

所述的步骤(8)的资金结算，某时隙结束后系统自动进行该时隙的能源费用结算，每笔交易的结算金额为最终交易协议价格与计量认证数据的乘积；结算金额从需求主体的账户中自动扣除，并向该笔交易供给主体的账户转账；如果能源需求主体账户中的剩余资金不足以支付结算金额，系统将发送充值请求，逾期未充值的能源需求主体将被自动清除出综合能源交易网络，并扣除该主体账户中预存的保证金。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的构思与技术方案，做出其他相应的改变及变形，而所有的这些改变及变形都应属于本发明权利要求的保护范围之中。