一种基于智能合约的分布式电源端对端交易方法及系统

技术领域

本发明涉及分布式电源交易领域，具体为一种基于智能合约的分布式电源端对端交易方法及系统。

背景技术

随着电力系统的不断发展，电动汽车、光伏、风电等越来越多的分布式电源投入到了电力系统当中。电动汽车的大规模使用会导致城市电网峰值负荷的增幅在10％～11％左右，该增幅在极端情况下可能使部分地区的电源装机容量、输电线路容量出现缺口。所以如何使分布式电源合理上网，参与到配电网交易中是亟需解决的问题。

分布式电源具有随机性、波动性特征，易受到环境的影响，中心化的交易模式无法有效解决清洁能源供需侧不平衡问题。同时，传统的能源交易方案不同能源系统缺乏信息沟通，易形成能源孤岛，忽略能源之间的互补能力、导致电力系统损耗大，存在能源利用效率低的问题。

现有技术中对于分布式电源交易技术有如下几种研究应用，例如将用户间电力交易数据以智能合约的形式存储于区块链中，并自动执行交易，基于Merkle tree以及链式数据结构保证了数据的不可篡改，实现了交易双方去信任化；LO3 Energy和西门子运营的基于区块链技术的微电网项目搭建了一个虚拟社区能源市场平台，基于使用Tendermint协议的私有链，通过智能仪表将数据记录上链，当用户有电力交易意愿时，可以通过能源管理交易系统(EMTS)向市场提交买卖订单；J.Kang，R.Yu基于local aggregators(LAG)建立联盟区块链，实现电动汽车电力交易，并提出了一种迭代双重拍卖机制，保护用户的隐私；平键等人基于以太坊的去中心化配网交易机制，在报价阶段采用VCG(Vickrey-Clarke-Groves)拍卖规则，利用智能合约技术实现自动化交易。

但是现有技术中都是针对的具体情况和需求的具体方案解决，无法适应需求多样和供需多变的电力交易需求。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于智能合约的分布式电源端对端交易方法及系统，结构简单，设计合理，准确方便，能够满足分布式电源随机性和波动性的特点需求，保证交易的灵活性和安全性。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于智能合约的分布式电源端对端交易方法，包括，

通过P2P能源交易网络，收集分布式电源端对端的交易信息；

根据交易信息中的供需关系，得到分布式电源交易需求数据；

通过预设的负荷校验智能合约和经济性约束智能合约中的至少一个，对分布式电源交易需求数据进行对应的电网负荷的安全性或经济性进行校验，得到校验后的电源交易需求数据；

根据校验后的电源交易需求数据，通过预设的交易结算智能合约进行电力交易的市场结算和价值转移，得到电力交易数据，并将电力交易数据记录至区块链中。

优选的，所述的P2P能源交易网络中设置有布隆过滤器，用于过来无效交易信息。

优选的，所述预设的负荷校验智能合约对分布式电源交易需求数据进行电网负荷的安全性校验时，包括，基于负荷校验智能合约中预置的算法对分布式电源进行潮流越限校核与阻塞管理。

优选的，所述预设的经济性约束智能合约对分布式电源交易需求数据进行经济性校验时，包括，依据预置算法，根据输配电网当时的负荷状态与当地用能情况对产消用户进行经济性约束，得到满足经济性约束的用户参加交易，确定交易电价。

优选的，通过预设的交易结算智能合约进行电力交易的市场结算和价值转移时，具体包括，将交易数据记录到预设的数据结构中，得到在区块链中的记录，完成产消者之间的市场结算和价值转移。

进一步，所述预设的数据结构采用Merkle tree数据结构；所述的Merkle tree数据结构包括依次记录的交易节点ID、能源种类C、供应电量E和交易电价P。

优选的，所述通过P2P能源交易网络，收集分布式电源端对端的交易信息包括：配电网信息，有功、无功功率、支路阻抗信息，产消者的购售电请求信息，发电时间、电价、电量信息。

优选的，依次通过预设的负荷校验智能合约和经济性约束智能合约进行校验时，若经济性约束智能合约校验未通过，则重新进行负荷校验智能合约校验，直至满足经济性约束智能合约校验。

一种基于智能合约的分布式电源端对端交易系统，包括，

采集模块，用于通过P2P能源交易网络，收集分布式电源端对端的交易信息；

筛选模块，用于根据交易信息中的供需关系，得到分布式电源交易需求数据；

校验模块，用于通过预设的负荷校验智能合约和经济性约束智能合约中的至少一个，对分布式电源交易需求数据进行对应的电网负荷的安全性或经济性进行校验，得到校验后的电源交易需求数据；

结算模块，用于根据校验后的电源交易需求数据，通过预设的交易结算智能合约进行电力交易的市场结算和价值转移，得到电力交易数据，并将电力交易数据记录至区块链中。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一项所述的基于智能合约的分布式电源端对端交易方法。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过P2P能源交易网络对交易信息的收集，从前端保证了交易的点对点特性，基于智能合约技术，使分布式电源交易流程自动化执行，并将交易数据实时写入区块链，实现交易数据的全流程跟踪；利用设置的多个独立的智能合约，实现了智能合约模板化、组件化，使得不具有编程能力的用户也可以方便使用；负荷校验智能合约能够保证交易时光伏、电动汽车等分布式电源的安全性，经济性约束智能合约保证了只有满足经济性约束的用户可以参加交易，从而能够确定交易电价，并利用交易结算智能合约对交易数据进行记录和上链；最终实现区块链技术与电力交易的有机结合，提高电力交易的安全性与便捷性，推动能源清洁生产和就近消纳。

附图说明

图1为本发明实例中所述方法的流程示意图。

图2为本发明实例中所述的分布式电源交易流程图。

图3为本发明实例中所述的Merkle tree数据结构示意图。

图4为本发明实例中所述的基于智能合约功能的交易流程示意图。

图5为本发明实例中所述的电力交易仿真测试中配电网结构图。

图6为本发明实例中所述的基于node.js搭建的分布式电源端对端交易系统框架图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

由于分布式电源具有随机性、波动性的特点，且交易过程中会引入大量的产消者，传统的集中式交易需要花费巨大的成本在不同的用户间建立信任，同时交易数据被中心化机构把持，也存在交易数据的安全性问题。区块链技术凭借其去中心化、数据不可篡改的特点，能够打破信任壁垒，实现安全高效的P2P(Point to Point)能源交易；本发明基于区块链的通证激励机制，为参与度高的用户发放通证奖励，提高用户的积极性；基于智能合约技术，使分布式电源交易流程自动化执行，并将交易数据实时写入Merkle tree，实现交易数据的全流程跟踪；最终实现区块链技术与电力交易的有机结合，提高电力交易的安全性与便捷性，推动能源清洁生产和就近消纳。从而能够利用区块链的去中心化、通证机制、智能合约等特性，弥补中心化交易机制中，用户数据容易泄露，交易环节成本高，用户互信困难等缺陷，实现安全、便捷的分布式电源交易。

本发明一种基于智能合约的分布式电源端对端交易方法，如图1所示，包括，

通过P2P能源交易网络，收集分布式电源端对端的交易信息；

根据交易信息中的供需关系，得到分布式电源交易需求数据；

通过预设的负荷校验智能合约和经济性约束智能合约中的至少一个，对分布式电源交易需求数据进行对应的电网负荷的安全性或经济性进行校验，得到校验后的电源交易需求数据；

根据校验后的电源交易需求数据，通过预设的交易结算智能合约进行电力交易的市场结算和价值转移，得到电力交易数据，并将电力交易数据记录至区块链中。

具体的，如图2所示，通过所述的方法优化了交易结算机制，整个方法流程对应的分为物理层和网络层两部分；

首先在物理层，用户通过P2P能源交易网络，将交易信息发布到区块链交易系统，P2P能源交易网络能够采集到发布的交易信息；

然后在网络层，通过负荷校验智能合约、经济性约束智能合约对经济性与电网负荷安全性进行校验，经过校验后，确定交易意向的用户通过交易结算智能合约将交易数据自动记录到区块链中，完成电力交易。

从而实现了电力交易数据的全流程跟踪，保证了数据的安全性，交易过程中，基于智能合约实现了自动化执行，降低了交易成本。

本优选实例中，对P2P能源交易网络进行如下优化。

传统的P2P能源交易网络存在性能瓶颈，当节点数增多时，会产生大量重复冗余数据，数据传输延迟会增大，所以若节点数过多会导致通信效率急剧降低，而分布式电源交易必定会涉及大量用户参与。

所以，针对上述问题，本发明通过构建基于布隆滤波的P2P能源交易网络，连接各个区块节点，允许用户实时提交自己的用能需求或剩余电力，构建用户之间的信息流网络，实现产消者信息的有效互通，以适用多能源网络终端节点。根据分布式电源交易数据的数据结构，根据需求选取需要的参数，设计了一种数据类型感知机制，构造分布式能源交易布隆过滤器，过滤无效交易信息，提升P2P能源信息网络的数据查询、插入效率，减少磁盘IO和网络请求，降低数据传输压力，实现能源区块链网络节点对交易数据的自适应辨识。

本优选实例中，在网络层采用基于智能合约的分布式电源交易机制。

通过优化的P2P能源交易网络，交易信息发布到基于区块链的分布式电源交易系统，进入到电力交易阶段。传统的集中化电力交易市场需要耗费巨大的成本为用户之间建立信任，并且单一机构存储交易数据也容易成为黑客攻击的目标，不利于数据的安全。

所以，针对上述问题，本发明设计了一种基于智能合约的分布式电源交易方法，利用智能合约的自动化执行，并凭借Merkle tree数据结构，如图3所示，将数据通过智能合约自动记录到区块链中，实现交易的去信任化以及数据的安全性。所述的Merkle tree数据结构包括依次记录的交易节点ID、能源种类C、供应电量E和交易电价P，具体数据通过对应的hash值包含在对应的Merkle根中。

本发明中的智能合约分为三部分，分别为负荷校验智能合约、经济性约束智能合约以及交易结算智能合约，实现了智能合约模板化、组件化，使得不具有编程能力的用户也可以方便使用，各部分功能如图4所示。

首先，负荷校验智能合约从P2P能源交易网络中收集到配电网信息，有功、无功功率、支路阻抗信息，产消者的购售电请求信息、发电时间、电价、电量等信息，信息收集完毕后，在安全校核智能合约中首先进行校核，基于智能合约中预置的算法对光伏、电动汽车等分布式电源进行潮流越限校核与阻塞管理。

然后，经济性约束智能合约依据预置算法，根据输配电网当时的负荷状态与当地用能情况对产消用户进行经济性约束，只有满足经济性约束的用户可以参加交易，确定交易电价。

最后，交易结算智能合约将交易数据自动记录到Merkle tree数据结构中，完成产消者之间的市场结算和价值转移，操作从需求侧进行能源供需调整，具有可验证、可追溯性，至此完成电力交易。

本发明还提供一种基于智能合约的分布式电源端对端交易系统，包括，

采集模块，用于通过P2P能源交易网络，收集分布式电源端对端的交易信息；

筛选模块，用于根据交易信息中的供需关系，得到分布式电源交易需求数据；

校验模块，用于通过预设的负荷校验智能合约和经济性约束智能合约中的至少一个，对分布式电源交易需求数据进行对应的电网负荷的安全性或经济性进行校验，得到校验后的电源交易需求数据；

结算模块，用于根据校验后的电源交易需求数据，通过预设的交易结算智能合约进行电力交易的市场结算和价值转移，得到电力交易数据，并将电力交易数据记录至区块链中。

为了进一步的验证本发明所述方法和系统的正确性，以及其可信性和便捷性，采用如下的仿真模拟进行验证。

所述仿真模拟，模拟了大量分布式电源接入的微型配电网交易场景中进行电力交易仿真测试。配电网结构如图5，分布式电源节点信息即参与主体信息如表1，其余节点均为用电节点。仿真场景为12:30—13:00时段内的电力交易。

表1参与主体信息表

基于Ubuntu 19.04系统搭建ETH测试环境，采用Truffle框架实现前端界面到底层逻辑的调用，配置Go语言环境变量,安装Geth客户端，使用Solidity语言编写智能合约，基于Json-RPC，web3.js接口获取链上的信息并进行交易处理，通过设计网页的MVC(Model-View-Controller)模型，前端界面通过HTML调整样式，提供用户交互功能，使用私有链模拟上述微型配电网交易场景进行仿真测试。

仿真测试过程如下：各分布式电源节点在交易时刻到来前，先发布该时段包含电量及时段报价的交易请求信息，交易请求信息如表2。

表2交易请求信息

通过优化后的P2P能源交易网络，分布式电源的交易请求信息发布到区块链系统中，进行电力交易，由安全校核智能合约对进行校核，达成的交易记录和出清结果会在第二次共识时写入区块链，最后，利用费用结算智能合约进行市场结算，结果如表3所示：

表3市场结算信息

为验证分布式电源端对端交易方法解决大量分布式电源接入的配电网中产消者之间实时的电力交易问题的可行性，基于搭建的ETH环境进行了以上算例仿真。仿真算例得到的结算结果信息，验证了基于上述交易模型设计的智能合约的正确性，表明了基于区块链的分布式电源交易模型能一定程度上提高分布式电源交易的可信性与便捷性。

同时，本发明所述的一种基于智能合约的分布式电源端对端交易系统，通过现有的模拟运行环境，对系统的可行性进行验证，基于node.js搭建的分布式电源端对端交易系统，其框架如图6所示，主要验证分布式电价模型、智能合约模型和区块链模型的结合及可行性；其平台地址为localhost:3000，交易平台的主页显示包含账号和余额显示，除了矿工账号其他账号初始值为0。设置一个矿工账号，不仅是为了维护区块链生态，还为了确认交易从而为区块链形成交易区块。在平台中，通过交易的实现模块实现基于区块链节点用户之间的交易转账，在矿工确认交易后，2笔交易成功，完成交易后显示在主页。