一种多元参与主体间的分布式能源交易方法及系统与流程

1.本发明涉及能源互联网的能源交易和多能协调技术领域，特别是涉及一种多元参与主体间的分布式能源交易方法及系统。


背景技术：

2.随着新一代信息技术的不断发展，多元参与主体的大规模接入使得能源互联网正在进行由封闭模式到开放模式的转变。以能源电力技术和互联网技术为基础的能源互联网，旨在建立一种多种能源形式共同参与的共享互联网络，进而达到信息流和能量流的双向流通。因此，研究能源互联网中多元参与主体间的分布式能源交易方法具有现实意义。
3.传统的能源交易模式主要通过第三方信任机构进行中心化的决策管理，需要大量的人力资源进行信息核对和数据维护，具有运行成本高的问题；从安全角度来讲，第三方信任机构易受攻击，无法保障用户的隐私安全及利益安全。区块链的分布式、数据不可篡改、匿名性等特性与能源互联网的业务需求极为贴合，为其交易模式的发展提供了新的思路。然而现有研究大多针对电力交易的某一具体应用场景进行分析，例如大用户直购交易、微电网交易、绿色证书交易等，虽然探究了区块链技术与传统能源过程融通发展的优势，但并未考虑多元参与主体之间存在的博弈行为且交易效率仍未达到理想效果。
4.传统的交易模式通过雇佣大量人力资源对海量信息进行处理及维护，带来运行成本较高、信息处理效率低等问题。且第三方信任机构容易受到恶意恭喜，造成信息损失和篡改，易引发交易用户的信任危机，造成严重的利益损失。针对能源交易的中心化缺陷，出现了许多引入区块链技术的研究方法，比如构建可交互的分布式售电平台，将交易双方事先将达成的协议存储在区块链的智能合约中，不依赖第三方电力公司实现直接交易，该方法的每一笔交易都存储在区块链中使其可追溯且难以篡改保障了数据安全性，智能合约的自动执行也解决了交易双方的信任问题。实验表明与传统的集中式交易模式相比，现有的分布式能源交易模式具有决策分散化、信息透明化、交易及时化等优点。但现有的基于区块链的能源交易大多未考虑交易过程中的物理约束和安全约束，以及多元参与主体之间因为利益而存在的价格博弈行为，且常规的共识机制如pbft算法存在着可扩展性较低、共识时间不能满足业务需求等问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种多元参与主体间的分布式能源交易方法及系统，以解决现有基于区块链的能源交易大多未考虑交易过程中的物理约束和安全约束，以及多元参与主体之间因为利益而存在的价格博弈行为，且常规的共识机制如pbft算法存在着可扩展性较低、共识时间不能满足业务需求等问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种多元参与主体间的分布式能源交易方法，所述方法包括：
7.收集各能源用户和能源商户的交易申请，对其进行物理约束条件审核；所述物理
约束条件包括信息安全及交易量；所述能源用户和能源商户为在能源区块链中注册和身份验证通过的用户；
8.在能源区块链中对满足所述物理约束条件的交易申请对应的能源用户和能源商户进行身份核对；
9.对身份核对通过的能源用户与能源商户之间的价格通过博弈理论进行博弈，得出最优定价策略；
10.通过连续拍卖算法撮合能源用户和能源商户之间的交易；
11.将生成的交易信息打包入区块，通过共识机制进行全网广播，并对资源信息进行同步更新。
12.可选的，所述能源用户t
i
和能源商户u
j
通过能源互联网交易平台进行用户注册，能源互联网中的弱中心化管理机构通过身份审核后将能源用户和能源商户的唯一身份id、密钥等信息注册到能源区块链中，形成集合t{t1,t2,
…
,t
n
}和u{u1,u2,
…
,u
m
}，并根据各能源商户拥有的能源量形成能源资源池
13.可选的，所述物理约束条件为
[0014][0015]
式中，x
sum
为资源池总能源量，为成交能源量，δλ为能源交易平台中各参与节点的安全约束。
[0016]
可选的，所述对身份核对通过的能源用户与能源商户之间的价格通过博弈理论进行博弈，得出最优定价策略，具体包括：
[0017]
确定电能和天然气在传输过程中的损耗参数η
e
、η
g
，能源商户在企业运营、设备购买维修与保养方面投入的可变化成本系数和固定成本系数的值；
[0018]
随机初始化电能价格和天然气价格t代表迭代次数，初始值为0；
[0019]
按照需求公式计算能源用户的电需求和天然气需求，所述需求公式为：式中，表示用户t
i
对电能和天然气的偏好系数，表示用户t
i
电能和天然气的历史平均需求量；
[0020]
按照价格计算公式计算新的电能价格和天然气价格所述价格计算公式为
[0021][0022][0023]
式中，λ
e
、λ
g
表示能源价格的调整系数，计算公式为
[0024][0025][0026]
判断能源用户及能源商户的收益是否变动到一个足够小范围ζ内，如果是则停止迭代得出最优定价策略；如果否，则跳转至“按照价格计算公式计算新的电能价格和天然气价格”继续求解新的能源价格。
[0027]
可选的，所述方法还包括：确定能源用户和能源商户根据所述最优定价策略给出的报价，再通过连续拍卖算法触发智能合约完成交易，其具体方法包括：
[0028]
将能源用户报价按照降序排列，能源商户报价按照升序排列；
[0029]
按照价格优先原则和时间优先原则从第一位开始逐个往后进行交易匹配，直到能源用户的需求量为0或者能源商户的资源量为0。
[0030]
可选的，所述将生成的交易信息打包入区块，通过共识机制进行全网广播，并对资源信息进行同步更新，具体包括：
[0031]
确定能源用户和能源商户的节点数之和为num，在完成每一轮共识后按照选取公式选取一个主节点n
master
，选取公式为
[0032]
n
master
＝(l mod num) 1
[0033]
式中，l为区块链长度；
[0034]
在区块生成的t时间后主节点n
master
向所有共识节点广播pre
‑
prepare消息，共识节点对接受到的数字签名和交易内容进行验证；
[0035]
在主节点n
master
收到来自超过2f 1个不同共识节点的验证消息后向全网广播commit消息，其中f表示区块链中允许出错的最多节点数，满足f<1/3num的限制；
[0036]
当同步节点收到超过f 1个共识节点的验证消息，发起同步消息；
[0037]
智能合约根据检测节点交易数据包括报价和能源类型进行交易匹配，匹配成功后交给验证节点验证，验证成功后数据上链永久存在区块链网络中。
[0038]
一种多元参与主体间的分布式能源交易系统，所述系统包括：
[0039]
交易审核单元，用于收集各能源用户和能源商户的交易申请，对其进行物理约束条件审核；所述物理约束条件包括信息安全及交易量；所述能源用户和能源商户为在能源区块链中注册和身份验证通过的用户；
[0040]
身份核对单元，用于在能源区块链中对满足所述物理约束条件的交易申请对应的能源用户和能源商户进行身份核对；
[0041]
博弈单元，用于对身份核对通过的能源用户与能源商户之间的价格通过博弈理论进行博弈，得出最优定价策略；
[0042]
撮合单元，用于通过连续拍卖算法撮合能源用户和能源商户之间的交易；
[0043]
入链单元，用于将生成的交易信息打包入区块，通过共识机制进行全网广播，并对资源信息进行同步更新。
[0044]
可选的，所述所述物理约束条件为
[0045][0046]
式中，x
sum
为资源池总能源量，为成交能源量，δλ为能源交易平台中各参与节点的安全约束。
[0047]
可选的，所述博弈单元具体包括：
[0048]
参数确定模块，用于确定电能和天然气在传输过程中的损耗参数η
e
、η
g
，能源商户在企业运营、设备购买维修与保养方面投入的可变化成本系数和固定成本系数的值；
[0049]
初始化模块，用于随机初始化电能价格和天然气价格t代表迭代次数，初始值为0；
[0050]
需求计算模块，用于按照需求公式计算能源用户的电需求和天然气需求，所述需求公式为：式中，表示用户t
i
对电能和天然气的偏好系数，表示用户t
i
电能和天然气的历史平均需求量；
[0051]
价格计算模块，用于按照价格计算公式计算新的电能价格和天然气价格所述价格计算公式为
[0052][0053][0054]
式中，λ
e
、λ
g
表示能源价格的调整系数，计算公式为
[0055][0056][0057]
定价策略优化模块，用于判断能源用户及能源商户的收益是否变动到一个足够小范围ζ内，如果是则停止迭代得出最优定价策略；如果否，则跳转至“按照价格计算公式计算新的电能价格和天然气价格”继续求解新的能源价格。
[0058]
可选的，所述入链单元具体包括：
[0059]
主节点选取模块，用于确定能源用户和能源商户的节点数之和为num，在完成每一轮共识后按照选取公式选取一个主节点n
master
，选取公式为
[0060]
n
master
＝(l mod num) 1
[0061]
式中，l为区块链长度；
[0062]
验证模块，用于在区块生成的t时间后主节点n
master
向所有共识节点广播pre
‑
prepare消息，共识节点对接受到的数字签名和交易内容进行验证；
[0063]
广播模块，用于在主节点n
master
收到来自超过2f 1个不同共识节点的验证消息后向全网广播commit消息，其中f表示区块链中允许出错的最多节点数，满足f<1/3num的限制；
[0064]
同步模块，用于当同步节点收到超过f 1个共识节点的验证消息，发起同步消息；
[0065]
交易匹配模块，用于智能合约根据检测节点交易数据包括报价和能源类型进行交易匹配，匹配成功后交给验证节点验证，验证成功后数据上链永久存在区块链网络中。
[0066]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0067]
本发明提供的多元参与主体间的分布式能源交易方法及系统将博弈理论和能源区块链相结合，通过区块链技术与能源互联网互补优化，无需第三方信任机制的优势能有效降低安全保障成本，促进业务的高效进行，考虑到了能源用户和能源商户之间因为利益产生的博弈行为以及能源量、安全等物理约束，使得交易过程更为安全可靠，通过改进pbft算法减少了网络传播开销，缩短了区块共识时间，更能满足能源互联网对于交易效率的业务需求。
附图说明
[0068]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0069]
图1为本发明实施例提供的多元参与主体间的分布式能源交易方法的流程图；
[0070]
图2为本发明中能源用户和能源商户通过博弈理论进行策略博弈的流程图；
[0071]
图3为本发明中以博弈理论为定价策略的用于能源交易的能源区块结构；
[0072]
图4为能源用户交易成本对比；
[0073]
图5为共识时间对比。
具体实施方式
[0074]
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，所描述的实施例仅仅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没有做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。
[0075]
本发明的目的是提供一种多元参与主体间的分布式能源交易方法及系统，通过区块链与能源互联网互补优化，无需第三方信任机制的优势能有效降低安全保障成本，促进业务的高效进行，结合博弈理论给出了一种新的适合能源互联网多方参与主体的交易方法。该方法首先采用基于nash均衡的博弈方法进行能源用户和能源商户之间的价格博弈行为，给出最优定价策略；然后能源互联网交易平台上的能源用户和能源商户基于最优定价策略和自身需求进行报价，交易平台采用连续拍卖机制对具有买卖意向的能源用户和能源商户进行交易撮合，最后将交易结果打包入区块，通过改进pbft共识机制进行全网广播，永
久保存在区块链上。本发明所构建的以博弈理论为定价策略的用于能源交易的能源区块结构详见附图3。
[0076]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0077]
如图1所示，本实施例提供的多元参与主体间的分布式能源交易方法具体包括：
[0078]
步骤1、收集各能源用户和能源商户的交易申请，对其进行物理约束条件审核；
[0079]
能源用户t
i
和能源商户u
j
通过能源互联网交易平台进行用户注册，能源互联网中的弱中心化管理机构通过身份审核后将能源用户和能源商户的唯一身份id、密钥等信息注册到能源区块链中，形成集合t{t1,t2,
…
,t
n
}和u{u1,u2,
…
,u
m
}，并根据各能源商户拥有的能源量形成能源资源池
[0080]
物理约束条件包括信息安全及交易量，本实施例中的物理约束条件为
[0081][0082]
式中，x
sum
为资源池总能源量，为成交能源量，δλ为能源交易平台中各参与节点的安全约束。将符合约束条件的交易申请发送至能源区块链中。
[0083]
步骤2、在能源区块链中对满足所述物理约束条件的交易申请对应的能源用户和能源商户进行身份核对；
[0084]
步骤3、对身份核对通过的能源用户与能源商户之间的价格通过博弈理论进行博弈，得出最优定价策略；具体方法参见图2。
[0085]
确定电能和天然气在传输过程中的损耗参数η
e
、η
g
，能源商户在企业运营、设备购买维修与保养方面投入的可变化成本系数和固定成本系数的值；
[0086]
随机初始化电能价格和天然气价格t代表迭代次数，初始值为0；
[0087]
按照需求公式计算能源用户的电需求和天然气需求，所述需求公式为：式中，表示用户t
i
对电能和天然气的偏好系数，表示用户t
i
电能和天然气的历史平均需求量；
[0088]
按照价格计算公式计算新的电能价格和天然气价格所述价格计算公式为
[0089][0090][0091]
式中，λ
e
、λ
g
表示能源价格的调整系数，计算公式为
[0092][0093][0094]
判断能源用户及能源商户的收益是否变动到一个足够小范围ζ内，如果是则停止迭代得出最优定价策略；如果否，则跳转至“按照价格计算公式计算新的电能价格和天然气价格”继续求解新的能源价格。
[0095]
步骤4、通过连续拍卖算法撮合能源用户和能源商户之间的交易；具体包括：
[0096]
确定能源用户和能源商户根据所述最优定价策略给出的报价；
[0097]
将能源用户报价按照降序排列，能源商户报价按照升序排列；
[0098]
如果市场供大于求，则按照能源用户的报价为判断标准；如果市场求大于供，则按照能源商户的报价为判断标准；
[0099]
按照价格优先原则和时间优先原则从第一位开始逐个往后进行交易匹配，直到能源用户的需求量为0或者能源商户的资源量为0，生成交易。
[0100]
步骤5、将生成的交易信息打包入区块，通过共识机制进行全网广播，并对资源信息进行同步更新，其具体方法如下：
[0101]
确定能源用户和能源商户的节点数之和为num，在完成每一轮共识后按照选取公式选取一个主节点n
master
，选取公式为
[0102]
n
master
＝(l mod num) 1
[0103]
式中，l为区块链长度；
[0104]
在区块生成的t时间后主节点n
master
向所有共识节点广播pre
‑
prepare消息，共识节点对接受到的数字签名和交易内容进行验证；
[0105]
在主节点n
master
收到来自超过2f 1个不同共识节点的验证消息后向全网广播commit消息，其中f表示区块链中允许出错的最多节点数，满足f<1/3num的限制；
[0106]
当同步节点收到超过f 1个共识节点的验证消息，发起同步消息；
[0107]
智能合约根据检测节点交易数据包括报价和能源类型进行交易匹配，匹配成功后交给验证节点验证，验证成功后数据上链永久存在区块链网络中。
[0108]
区块链去中心化、自治协同、多元化市场、智能合约的特质与能源互联网的业务需求具有较高程度的贴合，无需第三方信任机制的优势能有效降低安全保障成本，促进业务的高效进行，能源互联网能够通过区块链技术更好的完成交易。但现有的基于能源区块链的交易机制大多未考虑交易过程中的物理约束和安全约束，以及多元参与主体之间因为利益而存在的价格博弈行为，且使用的共识机制如pbft算法存在着可扩展性较低、共识时间不能满足业务需求等问题。
[0109]
一种多元参与主体间的分布式能源交易系统，所述系统包括：
[0110]
交易审核单元，用于收集各能源用户和能源商户的交易申请，对其进行物理约束条件审核；所述物理约束条件包括信息安全及交易量；所述能源用户和能源商户为在能源区块链中注册和身份验证通过的用户；
[0111]
身份核对单元，用于在能源区块链中对满足所述物理约束条件的交易申请对应的能源用户和能源商户进行身份核对；
[0112]
博弈单元，用于对身份核对通过的能源用户与能源商户之间的价格通过博弈理论进行博弈，得出最优定价策略；
[0113]
撮合单元，用于通过连续拍卖算法撮合能源用户和能源商户之间的交易；
[0114]
入链单元，用于将生成的交易信息打包入区块，通过共识机制进行全网广播，并对资源信息进行同步更新。
[0115]
可选的，所述所述物理约束条件为
[0116][0117]
式中，x
sum
为资源池总能源量，为成交能源量，δλ为能源交易平台中各参与节点的安全约束。
[0118]
所述博弈单元具体包括：
[0119]
参数确定模块，用于确定电能和天然气在传输过程中的损耗参数η
e
、η
g
，能源商户在企业运营、设备购买维修与保养方面投入的可变化成本系数和固定成本系数的值；
[0120]
初始化模块，用于随机初始化电能价格和天然气价格t代表迭代次数，初始值为0；
[0121]
需求计算模块，用于按照需求公式计算能源用户的电需求和天然气需求，所述需求公式为：式中，表示用户t
i
对电能和天然气的偏好系数，表示用户t
i
电能和天然气的历史平均需求量；
[0122]
价格计算模块，用于按照价格计算公式计算新的电能价格和天然气价格所述价格计算公式为
[0123][0124][0125]
式中，λ
e
、λ
g
表示能源价格的调整系数，计算公式为
[0126][0127][0128]
定价策略优化模块，用于判断能源用户及能源商户的收益是否变动到一个足够小范围ζ内，如果是则停止迭代得出最优定价策略；如果否，则跳转至“按照价格计算公式计算新的电能价格和天然气价格”继续求解新的能源价格。
[0129]
所述入链单元具体包括：
[0130]
主节点选取模块，用于确定能源用户和能源商户的节点数之和为num，在完成每一轮共识后按照选取公式选取一个主节点n
master
，选取公式为
[0131]
n
master
＝(l mod num) 1
[0132]
式中，l为区块链长度；
[0133]
验证模块，用于在区块生成的t时间后主节点n
master
向所有共识节点广播pre
‑
prepare消息，共识节点对接受到的数字签名和交易内容进行验证；
[0134]
广播模块，用于在主节点n
master
收到来自超过2f 1个不同共识节点的验证消息后向全网广播commit消息，其中f表示区块链中允许出错的最多节点数，满足f<1/3num的限制；
[0135]
同步模块，用于当同步节点收到超过f 1个共识节点的验证消息，发起同步消息；
[0136]
交易匹配模块，用于智能合约根据检测节点交易数据包括报价和能源类型进行交易匹配，匹配成功后交给验证节点验证，验证成功后数据上链永久存在区块链网络中。
[0137]
对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0138]
本发明的应用案例如下：
[0139]
本文案例中包含10名能源用户、10名能源商户共20个参与节点，其中损耗参数η
e
为0.04、η
g
为0.06，能源商户可变化成本系数为18.5，固定成本系数为10。令初始条件以及的情况下进行迭代。能源用户和能源商户依据最佳策略及自身需求进行提出交易信息，能源交易信息如表1所示，包含能源用户的需求量、能源商户的出售量以及各自的能源报价。
[0140]
表1能源交易参与主体交易信息
[0141][0142]
能源用户交易成本对比如图4所示，共识时间对比如图5所示。由结果看出，各能源
用户都节省了不同程度资本，证明了交易机制的可靠性。改进pbft算法减少了网络传播开销，时间间隔明显小于原始pbft算法，在节点失效和恶意节点两种情况下，共识速度都更快。
[0143]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0144]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。