一种基于虚拟电厂区块链的信息安全和数据互操作方法与流程

1.本发明属于虚拟电厂区块链技术领域，具体涉及一种基于虚拟电厂区块链的信息安全和数据互操作方法。


背景技术：

2.虚拟电厂是一种通过先进信息通信技术和软件系统，实现分布式能源 (distributed generation，dg)、储能系统、可控负荷、电动汽车等异构能力分布式能源(distributed energyresources，der)的聚合和协调优化，以作为一个特殊电厂参与电力市场和电网运行的电源协调管理系统；虚拟电厂概念的核心可以总结为“通信”和“聚合”，虚拟电厂的关键技术主要包括协调控制技术、智能计量技术以及信息通信技术；虚拟电厂最具吸引力的功能在于能够聚合der参与电力市场和辅助服务市场运行，为配电网和输电网提供管理和辅助服务；“虚拟电厂”的解决思路在我国有着非常大的市场潜力，对于面临“电力紧张和能效偏低矛盾”的中国来说，无疑是一种好的选择。
3.目前，以负荷聚合商为中心主导的虚拟电厂存在以下共性问题：
4.(1)虚拟电厂中的利益分配机制不对外界公开，客户和负荷聚合商之间无法形成信息对称的双向选择，使得电力交易过程中信用成本增加，交易成本较高；
5.(2)虚拟电厂的运营过程、结果对用户不透明，难以快速建立潜在用户对负荷聚合商的信任，增加了吸引用户、开拓增量市场的难度；
6.(3)现有体系中，虚拟电厂通过双向通信技术来实现发电侧、需求侧、电力交易市场等各个部分的信息与数据的调度，但是缺乏一套针对虚拟电厂信息安全的保障体系，存在关键数据的非授权获取和恶意篡改风险；
7.因此，需要设计一种基于虚拟电厂区块链的信息安全和数据互操作方法。


技术实现要素：

8.为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种基于虚拟电厂区块链的信息安全和数据互操作方法，形成不可篡改的需求响应凭证和确保需求响应补贴按合同分配。
9.本发明采用如下的技术方案。
10.一种基于虚拟电厂区块链的信息安全和数据互操作方法，其中，虚拟电厂以负荷聚合商为中心，虚拟电厂区块链利用联盟链构建而成，联盟链框架基于开源区块链项目而设计，所述方法包括：
11.步骤1，以负荷聚合商，电网，客户作为联盟链的共识节点；
12.步骤2，构建虚拟电厂区块链的数据层、网络层、共识层和合约层；
13.步骤3，在需求响应过程中，基于虚拟电厂区块链，由所有共识节点对负荷集成商和客户签订的代理电子合同、电网为客户生成的需求响应凭证进行多点备份，实现信息安全保护和数据互操作。
14.优选地，步骤2中，采用虚拟电厂区块链的数据层定义数据内容的结构，其中，数据内容包括：代理电子合同存证的数据结构与参数，需求响应报单存证的数据结构与参数，需求响应凭证的数据结构与参数；
15.数据层的构建过程包括：
16.步骤2.1.1，建立数据内容的链式结构；链式结构中数据内容以链式数据区块的形式存储；
17.步骤2.1.2，建立数据内容的默尔克树结构；默克尔树的最底层为存储数据的叶子节点，每上一层的父节点中存储了两个叶子节点的哈希值。
18.优选地，步骤2.1.1包括：
19.步骤2.1.1.1，在当前数据区块的生成时刻，由当前数据区块记录设定时间段内的全部数据内容；其中，设定时间段根据代理电子合同的操作时长来确定；
20.步骤2.1.1.2，在完成数据内容记录的当前数据区块头中，存储前一数据区块头的哈希值；
21.步骤2.1.1.3，当前数据区块与前一数据区块，通过前一数据区块头的哈希值实现连接，构成链式数据区块。
22.优选地，步骤2中，采用虚拟电厂区块链的网络层，以创世区块配置相同、相互处于数据可达状态和网络id标识相同为指标，定义联盟链中共识节点的通信方式。
23.优选地，网络层的构建过程包括：
24.步骤2.2.1，创世配置文件预设；
25.创世配置文件预设包括：网络id标识、签名算法使用标识、eip155签名算法使用标识、eip158签名算法使用标识、账户地址、创世块的时间戳、上一个区块的哈希值和单笔交易的gas消耗量限制；
26.步骤2.2.2，在同时满足下列条件时，进行联盟节点终端互联：
27.1)创世区块配置相同；2)相互处于数据可达状态；3)网络id标识相同为指标；
28.联盟节点终端互联时，同步数据区块，直至所有节点的数据区块的高度均相同。
29.优选地，步骤2中，在虚拟电厂区块链的共识层内规定所采用的共识算法，该过程包括：
30.步骤2.3.1，共识算法的选取与预设；
31.步骤2.3.2，共识节点动态增减机制的设计与预设。
32.优选地，步骤2.3.1中，所选取的共识算法，在保证在无绝对领导节点的情况下，去中心网络内所有节点数据记录同步一致；共识算法包括：权威证明算法和委托权益证明算法。
33.优选地，步骤2.3.2中，以权威证明算法为基础的投票机制，作为共识节点动态增减机制，包括：
34.步骤2.3.2.1，由系统创建者逐个筛选出可信共识节点，作为领导节点；并在创世区块中预设节点，使其成为初始授权节点；
35.步骤2.3.2.2，全部节点按照节点高度依次下降的顺序轮流对生成的数据区块进行签名并广播；在每一个节点层高度中，都有一个节点处于轮值状态，且其他节点处于非轮值状态；其中轮值状态下的节点签名的数据区块会立刻广播，而非轮值状态下的各节点签
名的数据区块则会延时广播；
36.步骤2.3.2.3，当添加新的节点时，新的节点通过api接口发起加入提案，并将加入提案广播给其他节点；所有已授权的节点对新的节点进行“加入”投票，若赞成票超过节总数的50％，则表示新的节成功加入，反之，则表示新的节点未成功加入；
37.步骤2.3.2.4，当删除恶意节点时，恶意节点通过api接口发起删除提案，并将删除提案广播给其他节点；所有已授权的节点对恶意节点进行“删除”投票，若赞成票超过节点总数的50％，则表示恶意节点成功删除，反之，则表示恶意节点未被成功删除；
38.步骤2.3.2.5，在添加或删除节点后，更新当前节点层高度中已授权的全部节点的地址。
39.优选地，步骤2中，在虚拟电厂区块链的合约层内，以智能合约的形式实现各项应用功能；其中，智能合约是一段在计算机系统上当特殊限定条件被满足时被自动执行的脚本。
40.优选地，特殊限定条件包括：上传需求响应凭证，查询需求响应凭证，上传需求响应代理电子合同，查询需求响应代理电子合同，计算客户实际削减负荷量，按预设规则分配各客户的负荷削减量，按需求响应代理电子合同内容分配补贴金额。
41.优选地，步骤3包括：
42.步骤3.1，用户在平台上注册，其中用户包括：电网、负荷聚合商和客户；
43.步骤3.2，负荷集成商和客户线下商定代理电子合同内容；其中，电子合同包括：合同编号、甲方姓名、乙方姓名、证书信息、合同要素信息、时间戳；由负荷聚合商将电子合同上传并保存在虚拟电厂区块链的数据层上；
44.步骤3.3，电网发布需求响应的负荷削减量；
45.步骤3.4，负荷聚合商按照规则为各客户分配负荷削减量；
46.步骤3.5，由电网计算客户实际负荷削减量，且生成对应的需求响应凭证，并上传并保存在虚拟电厂区块链的数据层上；其中，需求响应凭证包括：客户id，时间戳、实际负荷削减量、实际补贴金额；
47.步骤3.6，电网根据客户实际负荷削减量与代理电子合同内容，为客户与负荷聚合商发放对应比例的负荷削减补贴金额；
48.步骤3.7，当电子合同更新时，重复步骤3.2，保证电子合同在各共识节点的数据一致性。
49.优选地，步骤3.2中，电子合同在各共识节点上进行多点备份。
50.优选地，步骤3.4中，规则可以链下执行，也可以写入区块链合约层内，由智能合约自动执行。
51.本发明的有益效果在于，与现有技术相比：
52.1、充分利用区块链的去中心化、集体维护性、智能合约和安全可信等诸多特性，为虚拟电厂中的数据互操作和信息安全问题提供了新的解决方案：
53.(1)去中心化使得区块链系统不同于传统的中央控制，所有节点都可以部分或全部地备份区块链中的信息，任意节点的数据丢失不会影响到系统的正常运行，在数据存储上有很强的鲁棒性和可靠性，且随着客户增多，虚拟电厂以及相关需求响应资源的交易会更加频繁，自适应、去中心化的能源调度将成为主流，与之同构的区块链也将提供强鲁棒性
的数据交互基础；
54.(2)集体维护性使得区块链系统由网络中所有的节点共同运行和维护，并使用特定的激励机制来保证分布式系统中所有节点均参与信息交换过程，且这种运作模式为同样由众多分散客户构成的虚拟电厂的运行调度提供了有益参考；
55.(3)智能合约保障了区块链系统中交易双方的权利义务和合约执行的判定，一旦条件满足则交易将自动执行，且无需人为推动及第三方的监督，既提升了执行效率，同时智能合约的可编程特点使得交易双方可以约定各种交易条款，适用于各种程序化规则情境，而在虚拟电厂的运行中，通过智能合约可以保障需求响应流程自动、安全执行；
56.(4)信息安全实现区块链基于密码学中的非对称加密算法进行数据加密，并由全网所有节点共同认证，且这种特点可以为虚拟电厂各主体的信息安全提供强有力的保障，解决了现有虚拟电厂中的利益分配机制不对外界公开，且由于客户和负荷聚合商之间无法形成信息对称的双向选择，从而使得电力交易过程中信用成本增加和交易成本较高的问题。
57.2、确保了需求响应补贴按合同分配，负荷聚合商与客户事先制定有关需求响应代理的电子合同，且电子合同包含合同编号、甲方姓名、乙方姓名、证书信息、合同要素信息、时间戳等参数，由负荷聚合商将电子合同上传至区块链上，同时电子合同数据多点备份在国家电网、负荷聚合商、客户多方，确保了合同数据信息的一致性，而在实际需求响应过程中，智能合约将自动按照电子合同为负荷聚合商与客户分配补贴金额，避免负荷聚合商上报国家电网补贴分配时的利己行为，增强客户对负荷聚合商的信任，扩大负荷聚合商的市场竞争力，解决了由于现有虚拟电厂的运营过程和结果对用户不透明，从而导致难以快速建立潜在用户对负荷聚合商的信任，并且增加了吸引用户和开拓增量市场难度的问题。
58.3、形成了不可篡改的需求响应凭证，在每一次需求响应过程中，负荷聚合商作为客户代理为客户分配负荷削减量，而客户实际完成负荷削减后，国家电网生成一份需求响应凭证，且需求响应凭证包含客户id，时间戳、实际负荷削减量、实际补贴金额等参数，并上传至区块链上，该凭证一旦上链，不可篡改，能够避免后续有关该次需求响应的责任推诿，解决了现有体系中虚拟电厂由于通过双向通信技术来实现发电侧、需求侧和电力交易市场等各个部分的信息与数据的调度，导致缺乏一套针对虚拟电厂信息安全的保障体系，并且存在关键数据的非授权获取和恶意篡改风险的问题。
附图说明
59.图1是本发明一种基于虚拟电厂区块链的信息安全和数据互操作方法的步骤框图。
60.图2是本发明一实施例中的区块链结构示意图；
61.图3是本发明一实施例中的链式结构示意图；
62.图4是本发明一实施例中的默克尔树结构示意图。
具体实施方式
63.下面结合附图对本技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本技术的保护范围。
64.如图1，一种基于虚拟电厂区块链的信息安全和数据互操作方法，其中，虚拟电厂以负荷聚合商为中心，虚拟电厂区块链利用联盟链构建而成，联盟链框架基于开源区块链项目而设计。
65.基于虚拟电厂区块链的信息安全和数据互操作方法包括步骤1至3。
66.步骤1，以负荷聚合商，电网，客户作为联盟链的共识节点。
67.本发明优选实施例中，对以负荷聚合商为中心主导的虚拟电厂进行分析，并产生分析结果，其中客户包括但不限于钢体生产厂商、水泥生产厂商和电解铝生产厂商，且分析结果中包括但不限于电网、负荷聚合商以及客户之间的数据互操作和信息安全问题。
68.针对数据互操作和信息安全问题的分析结果，并基于开源区块链项目设计联盟链框架，其中开源区块链项目包括但不限于以太坊、hyperledger和substrate，且联盟链框架包含数据层、网络层、共识层和合约层四个层级，而联盟链中的共识节点包括但不限于国家电网、负荷聚合商和客户。
69.步骤2，如图2，构建虚拟电厂区块链的数据层、网络层、共识层和合约层。
70.步骤2中，采用虚拟电厂区块链的数据层定义数据内容的结构，其中，数据内容包括：代理电子合同存证的数据结构与参数，需求响应报单存证的数据结构与参数，需求响应凭证的数据结构与参数。
71.本发明优选实施例中，代理电子合同存证的数据结构与参数包括：合同编号、甲方姓名、乙方姓名、证书信息、合同要素信息和时间戳等；需求响应报单存证的数据结构与参数包括：客户id、可削减负荷量，负荷削减价格和时间戳等；需求响应凭证的数据结构与参数包括客户id、时间戳、实际负荷削减量和实际补贴金额等。
72.数据层的链式结构和默克尔树结构共同保障了区块链系统的不可篡改、可溯源等特性，且在虚拟电厂场景中，代理电子合同、需求响应凭证等存证一旦上链就无法篡改，能够有效避免各方的利益扯皮与责任推诿。
73.数据层的构建过程包括：
74.步骤2.1.1，建立数据内容的链式结构；如图3，链式结构中数据内容以链式数据区块的形式存储；
75.步骤2.1.2，建立数据内容的默尔克树结构；如图4，默克尔树的最底层为存储数据的叶子节点，每上一层的父节点中存储了两个叶子节点的哈希值。
76.步骤2.1.1包括：
77.步骤2.1.1.1，在当前数据区块的生成时刻，由当前数据区块记录设定时间段内的全部数据内容；其中，设定时间段根据代理电子合同的操作时长来确定；
78.步骤2.1.1.2，在完成数据内容记录的当前数据区块头中，存储前一数据区块头的哈希值，即父块哈希；
79.步骤2.1.1.3，当前数据区块与前一数据区块，通过前一数据区块头的哈希值实现连接，构成链式数据区块。
80.链式结构中，一旦前面某个区块的内容被更改，后面区块的父块哈希就不能对应，无法受到节点认可。
81.默尔克树结构中，若叶子节点数据被恶意篡改，将导致上一级节点的哈希值与之不匹配，不得不依次篡改上一级节点。
82.步骤2中，采用虚拟电厂区块链的网络层，以创世区块配置相同、相互处于数据可达状态和网络id标识相同为指标，定义联盟链中共识节点的通信方式。
83.网络层的构建过程包括：
84.步骤2.2.1，创世配置文件预设；
85.创世配置文件预设包括网络id标识、签名算法使用标识、eip155签名算法使用标识、eip158签名算法使用标识、账户地址、创世块的时间戳、上一个区块的哈希值和单笔交易的gas消耗量限制等参数。
86.步骤2.2.2，在同时满足下列条件时，进行联盟节点终端互联：
87.1)创世区块配置相同；2)相互处于数据可达状态；3)网络id标识相同为指标；
88.联盟节点终端互联时，同步数据区块，直至所有节点的数据区块的高度均相同。
89.步骤2中，在虚拟电厂区块链的共识层内规定所采用的共识算法，该过程包括：
90.步骤2.3.1，共识算法的选取与预设；
91.优选地，步骤2.3.1中，所选取的共识算法，在保证在无绝对领导节点的情况下，去中心网络内所有节点数据记录同步一致；共识算法包括但不限于：权威证明算法(proof of authority，poa)和委托权益证明算法(delegated proof of stake， dpos)。
92.本发明优选实施例中，为兼顾较大的共识节点规模与运行效率，采用权威证明算法和委托权益证明算法，是一种非限制性的较优选择，本领域技术人员可以根据共识节点规模与运行效率权衡考量选择不同的共识算法。
93.本发明优选实施例中，共识算法既保证在无绝对领导节点的情况下，去中心网络内所有节点数据记录同步一致；共识算法的选取与预设是基于poa、dpos 等共识算法，在初始阶段设定一组授权节点(signers)负责生成新区块，避免较大共识节点规模下的算力竞争，采用轮流作主或选取代理等方式决定生成区块的权利，降低资源消耗，提升联盟链的运行效率。
94.步骤2.3.2，共识节点动态增减机制的设计与预设。
95.同时，共识节点增减机制的设计与预设是设计api接口并通过投票机制动态增添或剔除共识节点；动态增减机制即当超过50％的共识节点投票通过时，可以改变区块头中的许可列表并加入新的共识节点或剔除恶意的共识节点。
96.具体地，步骤2.3.2中，以权威证明算法为基础的投票机制，作为共识节点动态增减机制，如图4所示，包括：
97.步骤2.3.2.1，由系统创建者逐个筛选出可信共识节点，作为领导节点；并在创世区块中预设节点，使其成为初始授权节点；
98.步骤2.3.2.2，全部节点按照节点高度依次下降的顺序轮流对生成的数据区块进行签名并广播；在每一个节点层高度中，都有一个节点处于轮值状态，且其他节点处于非轮值状态；其中轮值状态下的节点签名的数据区块会立刻广播，而非轮值状态下的各节点签名的数据区块则会延时广播；
99.步骤2.3.2.3，当添加新的节点时，新的节点通过api接口发起加入提案，并将加入提案广播给其他节点；所有已授权的节点对新的节点进行“加入”投票，若赞成票超过节总数的50％，则表示新的节成功加入，反之，则表示新的节点未成功加入；
100.步骤2.3.2.4，当删除恶意节点时，恶意节点通过api接口发起删除提案，并将删除
提案广播给其他节点；所有已授权的节点对恶意节点进行“删除”投票，若赞成票超过节点总数的50％，则表示恶意节点成功删除，反之，则表示恶意节点未被成功删除；
101.步骤2.3.2.5，在添加或删除节点后，更新当前节点层高度中已授权的全部节点的地址。
102.以共识算法为核心的共识层保障了区块链系统的社区共治特性，且在区块链平台上，没有任何节点可以对整个社区具有绝对的治理权、运行权、话语权，而负责记账的节点仍需要受到其他节点的认可，这赋予了国家电网、负荷聚合商和客户等各方间具备平等的话语权和监督权，并能够实现主体之间的相互监督与权力制衡，且降低了客户对负荷聚合商的信任成本。
103.步骤2中，在虚拟电厂区块链的合约层内，以智能合约的形式实现各项应用功能；其中，智能合约是一段在计算机系统上当特殊限定条件被满足时被自动执行的脚本。
104.特殊限定条件包括：上传需求响应凭证(限国家电网调用)，查询需求响应凭证(全部主体可调用)，上传需求响应代理电子合同(限负荷聚合商调用)，查询需求响应代理电子合同(限负荷聚合商及有关客户调用)，计算客户实际削减负荷量(自动执行)，按预设规则分配各客户的负荷削减量(自动执行)，按需求响应代理电子合同内容分配补贴金额(自动执行)。
105.智能合约使得区块链应用更具便捷性和拓展性，其具体优势如下：智能将合约以数字化的形式写入区块链中，因区块链的特性，数据将无法删除、修改，只能新增，整个过程透明可跟踪，保证了历史的可追溯性；因行为将被永久记录，可极大程度避免恶意行为对合约正常执行的干扰；避免了中心化因素的影响，提高了智能合约在成本效率方面的优势；当满足合约内容时，将自动启动智能合约的代码，保障了发行者无法违约；由区块链自带的共识算法构建出一套状态机系统，使得智能合约能够高效地运行。
106.步骤3，在需求响应过程中，基于虚拟电厂区块链，由所有共识节点对负荷集成商和客户签订的代理电子合同、电网为客户生成的需求响应凭证进行多点备份，实现信息安全保护和数据互操作。
107.步骤3包括：
108.步骤3.1，用户在平台上注册，其中用户包括：电网、负荷聚合商和客户；
109.步骤3.2，负荷集成商和客户线下商定代理电子合同内容；其中，电子合同包括：合同编号、甲方姓名、乙方姓名、证书信息、合同要素信息、时间戳；由负荷聚合商将电子合同上传并保存在虚拟电厂区块链的数据层上；
110.步骤3.3，电网发布需求响应的负荷削减量；
111.步骤3.4，负荷聚合商按照规则为各客户分配负荷削减量；
112.步骤3.5，由电网计算客户实际负荷削减量，且生成对应的需求响应凭证，并上传并保存在虚拟电厂区块链的数据层上；其中，需求响应凭证包括：客户id，时间戳、实际负荷削减量、实际补贴金额；
113.该计算可以链下执行，也可以写入区块链中由智能合约自动执行；
114.步骤3.6，电网根据客户实际负荷削减量与代理电子合同内容，为客户与负荷聚合商发放对应比例的负荷削减补贴金额；
115.步骤3.7，当电子合同更新时，重复步骤3.2，保证电子合同在各共识节点的数据一
致性。
116.步骤3.2中，电子合同在各共识节点上进行多点备份。
117.步骤3.4中，规则可以链下执行，也可以写入区块链合约层内，由智能合约自动执行。
118.本发明的一种基于虚拟电厂区块链的信息安全和数据互操作方法，确保了需求响应补贴按合同分配，负荷聚合商与客户事先制定有关需求响应代理的电子合同，且电子合同包含合同编号、甲方姓名、乙方姓名、证书信息、合同要素信息、时间戳等参数，由负荷聚合商将电子合同上传至区块链上，同时电子合同数据多点备份在国家电网、负荷聚合商、客户多方，确保了合同数据信息的一致性，而在实际需求响应过程中，智能合约将自动按照电子合同为负荷聚合商与客户分配补贴金额，避免负荷聚合商上报国家电网补贴分配时的利己行为，增强客户对负荷聚合商的信任，扩大负荷聚合商的市场竞争力；形成了不可篡改的需求响应凭证，在每一次需求响应过程中，负荷聚合商作为客户代理为客户分配负荷削减量，而客户实际完成负荷削减后，国家电网生成一份需求响应凭证，且需求响应凭证包含客户id，时间戳、实际负荷削减量、实际补贴金额等参数，并上传至区块链上，该凭证一旦上链，不可篡改，能够避免后续有关该次需求响应的责任推诿；且区块链呈现出的诸多特性，如去中心化、集体维护性、智能合约和安全可信等，为虚拟电厂中的数据互操作和信息安全问题提供了新的解决方案；具有方法科学合理、适用性强和效果佳等优点。
119.本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。