一种适应电力业务特点的区块链多主体均衡共识方法与流程

【】本发明涉及区块链多主体均衡共识、基于raft算法进行共识设计的多中心协作共识机制领域的数据形式化处理模型及方法，特别是一种适应电力业务特点的区块链多主体均衡共识方法。

背景技术

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背景技术：

1、目前我省调控中心已建设有基于区块链的阳光调度服务平台，将并网发电厂“两个细则”考核补偿及免考核数据通过区块链技术面向各电厂进行公开，有力的提高了调度发布数据的公信力保障。然而，现有的区块链共识机制在应用于电力业务等多主体参与的领域时，仍然面临一些挑战。例如，传统的区块链共识算法(如proofofwork和proofofstake)存在交易速度慢、能源消耗大等问题，且在多主体参与的场景中，难以保证各个主体的利益得到平衡，容易导致中心化问题。

2、区块链多主体均衡共识技术：区块链是一种去中心化的分布式账本技术，其独特的特点在于数据存储在不同节点的区块中，并且每个区块包含前一个区块的哈希值，形成了不可篡改的链式结构。区块链技术的出现为电力业务等领域带来了新的解决方案，解决了传统中心化交易模式中存在的数据可信性和安全性问题。

3、基于raft算法进行共识设计的多中心协作共识机制：raft算法是一种解决一致性问题的共识算法，其主要目标是确保多个节点在分布式系统中达成一致。raft算法通过引入领导者、追随者和候选者的概念，通过选举领导者来协调节点之间的操作。raft算法将一致性问题分解为选举、日志复制和安全性三个子问题，并分别处理，简化了共识过程的复杂性。

4、在电力业务等多中心协作场景中，采用raft算法进行共识设计的多中心协作共识机制能够解决传统区块链共识机制的问题。借助raft算法的选举过程，该共识机制能够高效选出领导者，确保系统中各个节点的角色清晰，减少了选举时间。同时，raft算法的日志复制过程可以确保数据的一致性，减少了数据冲突和不一致的可能性。此外，通过区分角色和引入均衡共识机制，该共识机制可以平衡各个主体的利益，避免了中心化问题，增加了系统的安全性和可信度。

5、目前区块链的存储空间有限，不能满足所有链外数据存储在链上的要求。于是一种适应电力业务特点的区块链多主体均衡共识方法的发明研究，显得尤为重要。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、本发明的目的在于提供一种适应电力业务特点的区块链多主体均衡共识方法，能够解决解决传统电力业务中存在的数据可信性、交易效率和安全性等问题。通过引入多主体参与的均衡共识机制，实现电力业务中各主体之间的高效合作与信任。本方法能够有效提高电力行业的数据共享和交易效率，降低运营成本，并确保交易数据的不可篡改性和安全性。

2、本发明的技术方案：

3、一种适应电力业务特点的区块链多主体均衡共识方法，其特征在于它包括以下步骤：

4、s1、结合电力业务系统设计多主体的均衡共识方法，提高区块链在电力业务系统中的共识效率，设计电力业务数据的形式化处理模型，实现电力业务数据上链，实现阳光调度服务平台智能合约的形式化校验和安全部署；

5、s2、基于区块链结构考虑，采用raft算法进行共识设计一个多中心协作共识机制框架。

6、(其中，考虑到分布式能源波动情况，提出对于各个分块电力数据上传要求。加入考虑保证金机制。)

7、所述s1步骤中，对数据的形式化处理包括：

8、根据厂网协调业务系统特点的总结和归纳，从数据格式统一化、数据记录上链和上链数据共享三个方面进行考虑，其中：

9、(1)数据格式统一化

10、针对不同的业务系统设定原始数据的形态，定义数据格式转换规则。当节点接收到某类电力业务数据后，依据规则对该类数据进行形式化模式构造，统一化数据模型，在一段时间内将其打包为区块并生成摘要。数据结构主要包括以下几部分：标识、类型、签名者、时间戳。分别定义其数据格式如下表1所示：

11、表1数据结构主要标识

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13、具体获取电力数据见表2。

14、(2)数据记录上链

15、在区块中，每一条数据记录包含3个元素：公钥、数据摘要和区块体数据。其中公钥用于确认数据生产设备的身份以及访问权限；数据摘要是将数据进行哈希计算，用于校验数据的完整性，并作为数据索引；区块体数据存储描述性信息，例如数据种类及生成时间戳等，便于在链中按照类别查询数据，提高数据搜索速度。

16、(3)块数据同步

17、基于块数据同步的特性，支持节点与节点间数据的快速同步，优化通信协议，并支持跨域的数据共享；

18、所述s2步骤中，将s1形式化模块处理的数据输入，进入s2的多中心协作共识机制框架包括：

19、借鉴联盟链技术平衡效率和可信间的关系，设计适应链式分层多主体均衡共识机制，通过raft共识算法实现分层共识，优化通信协议，降低共识过程的交互信息量，实现面向电力业务数据共识的快速达成，其中：

20、盟链技术旨在平衡效率和可信性，这是因为在区块链领域中，效率和可信性是两个重要而又相互关联的因素。盟链(consortium blockchain)是一种私有区块链，仅由特定的参与者组成，这些参与者通常是预先信任的实体，这使得盟链在效率和可信性方面具有一些优势。

21、可信性：

22、盟链作为私有区块链，其参与者是经过授权且互相信任的实体。这些实体通常是企业、机构、政府部门等，彼此之间具有一定的信任基础。因此，在盟链中，参与者之间的交易和数据共享更加可信，可以更容易地实现对数据的验证和审计，从而确保数据的真实性和合法性。

23、盟链中的共识机制通常采用拜占庭容错(bft)算法或raft算法等快速共识算法，这些算法在保证高效共识的同时，也能够确保数据的安全性和一致性。参与者之间共同维护着整个盟链网络，对交易的验证和确认具有高度的可信性，从而避免了数据被篡改或伪造的可能性。

24、效率：

25、与公有区块链相比，盟链的参与者数量相对较少，网络拓扑结构相对简单，因此，盟链的共识机制更容易达成共识，交易速度相对更快。在盟链中，参与者之间可以更快速地交换信息和共享数据，从而提高了整体的交易效率。

26、另外，由于盟链的参与者是预先信任的实体，所以可以省略公有区块链中复杂的工作量证明(proofofwork)或权益证明(proofofstake)等共识算法，减少了能源和计算资源的浪费，进一步提高了效率。

27、主体步骤如下：

28、(1)角色定义设置：

29、leader(领导者)：一个中心节点被选举为领导者，负责处理客户端请求和提交事务。领导者定期向其他中心节点发送心跳以维持其领导地位。

30、follower(追随者)：其他中心节点处于从属状态，跟随领导者的指导进行操作。

31、candidate(候选者)：当领导者失效或网络故障导致选举超时时，中心节点可成为候选者并参与新一轮领导者选举。

32、(2)选举过程设置：

33、在初始状态或者当领导者失效时，所有中心节点都成为候选者。

34、候选者发送选举请求，请求其他节点投票支持自己成为领导者。

35、其他节点收到选举请求后，检查自己是否已经投票给了其他候选者，如果没有，则投票支持该候选者，并重置选举超时计时器。

36、选举超时时间随机设置，用于控制候选者选举过程的时间范围:

37、tmin≤tout≤tmax

38、式中，tmax、tmin分别为选举时长设定上下限；tout为实际输出选举结果时长。

39、如果候选者获得大多数节点的投票支持(超过半数)，则成为新的领导者，开始处理客户端请求。

40、majority＝(total number of nodes/2)+1

41、式中，majority为领导者节点地址名称；total number of nodes为所有候选者队列。

42、如果选举超时计时器到期，但候选者未能获得大多数节点的投票支持，则重新发起新一轮选举。

43、(3)日志复制过程：

44、当领导者接收到客户端的请求时，将该请求添加到自己的日志中，并并行地将该日志条目复制到其他中心节点上。领导者在复制日志条目时，需要确保大多数节点都成功复制了该条目，即：

45、tcommit index＝max(replicated indexes from majority)

46、式中，tcommit index为提交复制时长；replicated indexes from majority为所有分节点日志复制时长。

47、当大多数节点都成功地复制了该日志条目后，领导者向客户端返回成功响应。

48、如果领导者崩溃或无法完成复制，其他中心节点中的新领导者将接替，并继续从上一领导者处复制缺失的日志。

49、其中为了保证效率，对于每个节点，都以临近节点复制为最优选择，临近的原则为欧式时长。

50、临近节点欧式时长距离数值设置如下：

51、

52、式中，q1为临近欧氏距离标准设置数值；q为网络区域转化的面积；x为区域内所有参与节点的数量。

53、每个新加入节点都要向领导者汇报自己的位置q(x,y)，并上传自己的临近有效节点时长需求信息。

54、后领导者设置一个整体时长以过滤和限制无效的节点，提高效率。

55、t＝max(t1,t2,t3,...,tn)

56、其中tn为每个节点上报的领导者发布的时间范围内的时长。

57、(4)raft算法的多轮交互：

58、在多主体验证阶段，验证节点根据电力数据和预测数据进行多轮交互。raft算法通过领导者选举、心跳机制和日志复制等步骤，协调各个节点的共识过程。在每一轮交互中，节点会根据其他节点的反馈信息进行调整，直到达成均衡共识。

59、(5)达成均衡共识：

60、经过多轮交互，所有验证节点达成均衡共识，确认电力交易提议的合法性和可行性。确保交易所涉及的电力数据准确无误，并且参与主体的利益得到平衡。同时，保证金机制也起到了确保交易安全性的作用，增加了交易的公平性和参与主体的信心。

61、(6)交易执行和保证金退还：

62、一旦均衡共识达成，电力交易被确认执行。电力用户支付相应的电费，而发电厂则交付相应的电力。交易成功后，保证金将被退还给电力用户，作为交易的担保解除。这样，交易顺利完成，并保障了各个主体的利益。

63、保证金设置金额规则如下：

64、

65、式中，fz为综合保证金设置金额；pn为历史该节点前第n月的负荷数据；pn'为前一月网络范围内所有节点负荷平均值。

66、(7)安全性保证：

67、基于权利要求1部分，数据格式统一化及密文设置，可以保证每个日志条目都包含一个序列号，领导者通过比较序列号来保证日志的一致性。

68、当新的领导者接替后，它会通知其他节点丢弃其序列号小于新领导者的最大序列号的日志条目，以确保日志的一致性。

69、本发明的优越性：