廖會敏，張 敏，陳 煜，張 程，王建文

（1.國網(wǎng)電子商務(wù)有限公司，北京 100053；2.國家電網(wǎng)有限公司電力金融與電子商務(wù)實驗室，北京 100053；3.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟南 250001）

0 引言

傳統(tǒng)的微電網(wǎng)電力交易體系往往采用中心化交易模式的資源集中配置方式，具有交易成本高、用戶隱私難以保障等缺點，且中心化交易模式導(dǎo)致微電網(wǎng)電力交易需要大量的第三方管理機構(gòu)來集中構(gòu)建和維護交易信用，產(chǎn)生了高昂運維成本，難以快速有效推廣［1-3］。為了避免這種問題，目前的微電網(wǎng)電力交易都會建設(shè)一個控制管理中心來統(tǒng)一對交易進(jìn)行決策，雖然該方式可以有效地處理現(xiàn)階段實際應(yīng)用中的交易需求，但人力物力的成本較高，對數(shù)據(jù)的隱私保護性較差，而且容易存在單個節(jié)點故障問題。

針對這些問題，探索一種去中心化的微電網(wǎng)電力交易方式與模型顯得尤為重要，區(qū)塊鏈具有去中心化的特性，可以提高微電網(wǎng)電力交易過程中的可靠性、管理性和安全性［4-8］。在微電網(wǎng)電力交易中，交易主體的數(shù)量較為龐大，如果采用傳統(tǒng)的公有鏈方式，必然會導(dǎo)致交易速度慢、效率低，并且節(jié)點需要存儲海量的交易數(shù)據(jù)，這對節(jié)點的存儲能力也是一個巨大的考驗。所以，采用聯(lián)盟鏈［9］方式成為最優(yōu)選擇，電力聯(lián)盟區(qū)塊鏈的中心思想在于將節(jié)點分為全節(jié)點和輕節(jié)點，全節(jié)點存儲全部信息，輕節(jié)點只存儲自身相關(guān)信息，可以通過相關(guān)協(xié)議完成數(shù)據(jù)的交互。

區(qū)塊鏈的去中心化、開放透明等特點與分布式新能源交易的需求高度吻合［10-12］，但區(qū)塊鏈在微電網(wǎng)電力交易中存在數(shù)據(jù)安全問題，賬本的完全公開導(dǎo)致任何一個非法入侵者都可以很容易地獲取賬本資源，從而得到交易信息。例如，攻擊者通過大數(shù)據(jù)技術(shù)處理收集到的交易信息，從而可以分析出交易者的關(guān)系［13-14］。目前，已存在一些區(qū)塊鏈交易中數(shù)據(jù)保護的方法能夠?qū)Σ糠止_數(shù)據(jù)進(jìn)行隱藏，增加攻擊者獲取數(shù)據(jù)的難度。文獻(xiàn)［15］借助區(qū)塊鏈的分布式存儲方式，降低隱私保護過程中的通信量；文獻(xiàn)［16］提出了基于拉格朗日乘法的能源區(qū)塊鏈交易數(shù)據(jù)保護；文獻(xiàn)［17］提出了基于訪問控制的能源數(shù)據(jù)保護方案。上述方法可以在某種程度上對數(shù)據(jù)的隱私進(jìn)行保護，但其對交易的效率有較大的影響。

提出一種聯(lián)盟區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)電力交易模型，設(shè)計了基于區(qū)塊鏈的安全高效的微電網(wǎng)電力交易方案，通過分布式一對多的方式，選用不活躍用戶進(jìn)行微電網(wǎng)電力交易，有效地防護賬戶數(shù)據(jù)被惡意竊取，采用區(qū)塊鏈共識機制使得節(jié)點聚合商之間進(jìn)行共識，極大地提高了微電網(wǎng)電力交易中數(shù)據(jù)交互的效率。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈?zhǔn)欠植际綌?shù)據(jù)存儲，點對點傳輸，共識機制，加密算法等計算機技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)時代的創(chuàng)新應(yīng)用模式。區(qū)塊鏈?zhǔn)褂梅植际胶怂愫痛鎯?，不存在中心化的硬件或管理機構(gòu)，任意節(jié)點的權(quán)利和義務(wù)都是均等的，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)塊由整個系統(tǒng)中具有維護功能的節(jié)點來共同維護，具有去中心化的特點；區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)經(jīng)過密碼算法、鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的保護，使得對數(shù)據(jù)的改動可以通過數(shù)學(xué)算法迅速甄別，能有效防止對數(shù)據(jù)信息的篡改，同時分布式存儲和共識算法保證對單點的修改無效。區(qū)塊鏈智能合約是在區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫上運行的計算機程序，可以在滿足其源代碼中寫入的條件時自行執(zhí)行。

根據(jù)分類原則的不同，區(qū)塊鏈分為公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈。公有鏈中的所有節(jié)點權(quán)限和等級平等，任何人或團體都可以參與該鏈進(jìn)行交易，系統(tǒng)全面開發(fā)，完全去中心化，不受機構(gòu)控制；私有鏈強調(diào)私密，也就是寫入權(quán)限在一個組織機構(gòu)和單位手中，主要用于大型機構(gòu)的內(nèi)部，由機構(gòu)進(jìn)行中心化的控制，但不同分布和分支機構(gòu)之間是去中心化、協(xié)同協(xié)作的；聯(lián)盟鏈?zhǔn)墙橛诠墟満退接墟溨g的一種系統(tǒng)形態(tài)，它往往由多個中心控制，聯(lián)盟鏈中的成員各自運行著一個或多個節(jié)點，節(jié)點之間的數(shù)據(jù)指允許系統(tǒng)內(nèi)不同的機構(gòu)進(jìn)行讀取和交易，并且共同記錄交易數(shù)據(jù)。

2 聯(lián)盟區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)電力交易模型

微電網(wǎng)電力交易系統(tǒng)采用聯(lián)盟鏈方式，其交易模型主要包括交易中心、節(jié)點聚合商［18］、交易者三個部分，模型如圖1所示。

圖1 交易網(wǎng)絡(luò)模型

在實施微電網(wǎng)電力交易時，交易者可以根據(jù)自己的實際需求確定自己的狀態(tài)，如買入能源或賣出能源［19］。節(jié)點聚合商作為一種中間媒介而存在，它可以存儲完整的交易數(shù)據(jù)，并且為其包含的節(jié)點提供網(wǎng)絡(luò)通信和電力的支持。在交易過程中，任何一個需要買入或賣出的交易者都需要向其對應(yīng)的節(jié)點發(fā)出能源買入或賣出請求，而節(jié)點聚合商會對這些請求進(jìn)行驗證，驗證完成后向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有節(jié)點聚合商廣播交易數(shù)據(jù)，以便在全網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行交易需求的匹配。交易中心則是對買入和賣出的主體進(jìn)行授權(quán)，以及對買入賣出的全過程進(jìn)行監(jiān)督。

在交易過程中，所有的交易數(shù)據(jù)都具有節(jié)點聚合商的數(shù)字簽名［20］。如果有非法入侵者對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行惡意修改，交易中心可以發(fā)現(xiàn)并精確定位，同時該次交易會被整個網(wǎng)絡(luò)認(rèn)定為非法交易，從而有效地保證交易數(shù)據(jù)的安全性。

一個完整的交易可以分為如下過程。

1）用戶注冊。以聯(lián)盟區(qū)塊鏈為基礎(chǔ)的交易系統(tǒng)，節(jié)點聚合商主要由交易服務(wù)器組成，所有的交易進(jìn)行之前，交易者都需要在交易中心進(jìn)行注冊，只有注冊完成后，交易者才能在節(jié)點聚合商中進(jìn)行交易。

2）用戶交易。交易者根據(jù)自身的情況來選擇是賣出能源還是買入能源，節(jié)點聚合商根據(jù)交易者的買賣需求，在全網(wǎng)范圍內(nèi)根據(jù)智能合約進(jìn)行智能匹配。

3）交易驗證。交易驗證也可以被認(rèn)為是一個“共識”的實現(xiàn)過程。即每筆交易都需要在全網(wǎng)內(nèi)的所有節(jié)點聚合商中進(jìn)行廣播。

3 基于區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)電力交易設(shè)計

將節(jié)點聚合商分為兩個部分，即交易服務(wù)器和存儲服務(wù)器。交易服務(wù)器主要用于交易用戶的匹配、交易的進(jìn)行和完成，并且其還需要支持代幣業(yè)務(wù)（類似于比特幣）和代幣兌換業(yè)務(wù)，存儲服務(wù)器用來記錄每一筆交易的完整信息，詳細(xì)的交易過程如圖2所示。

圖2 交易過程

基于區(qū)塊鏈的安全高效微電網(wǎng)電力交易體系可以分為用戶注冊、數(shù)據(jù)隱私保護設(shè)計和共識機制設(shè)計三個部分。

3.1 用戶注冊

用戶注冊時，用戶需要向監(jiān)管中心提供自己的身份信息，監(jiān)管中心根據(jù)用戶的信息生成公鑰和私鑰，用戶在監(jiān)管中心注冊完成以后，該用戶就是網(wǎng)絡(luò)中的一個合法用戶。合法用戶交易之前，還需要將自己的賬戶上傳到節(jié)點聚合商中，并且從節(jié)點聚合商中下載最新的用戶以及數(shù)據(jù)，由于節(jié)點聚合商已經(jīng)保存了網(wǎng)絡(luò)中所有的區(qū)塊信息，所以在微電網(wǎng)電力交易時，只需要驗證區(qū)塊的頭部數(shù)據(jù)，便可以完成交易，這大大減少了用戶需要存儲的信息，節(jié)約了大量的存儲資源，提高了數(shù)據(jù)存儲的效率。

3.2 數(shù)據(jù)隱私保護設(shè)計

通過一對多的方式來對微電網(wǎng)電力交易數(shù)據(jù)進(jìn)行隱私保護。具體過程如圖3所示。

圖3 賬戶的一對多

通過賬戶一對多的方式，可以在每一次交易時創(chuàng)建新的賬戶，以此來保護能源買家和能源賣家的信息。用一個動態(tài)隨機數(shù)B來確定是否需要重新建立用戶，當(dāng)賣家所需的代幣數(shù)量小于B時，則不需要創(chuàng)建新賬戶，反之則需要。如果采用傳統(tǒng)的單一隨機數(shù)控制模式，雖然可以在一定程度上對攻擊進(jìn)行防御，但對數(shù)據(jù)挖掘算法的攻擊卻無能為力，攻擊者可以根據(jù)售電量、交易量等信息，推測出賬戶與隨機數(shù)的關(guān)系，從而竊取數(shù)據(jù)，所以采用函數(shù)T進(jìn)行預(yù)測，公式為

式中：vi為賣家si的第i筆交易的交易量；e1為交易vi的交易量所占的比重；e2為前i-1 筆交易的交易量所占的比重。

可以定義兩種模式，即新建賬戶交易模式(Mt)和原賬戶交易模式（Mf），用函數(shù)f（si，vi，Mt）來表示賣家si的第i筆微電網(wǎng)電力交易選取的交易模式為Mt。在Mt模式選取時，攻擊者可以根據(jù)用戶所持賬戶的關(guān)系圖譜，來竊取賬戶信息，但是如果可以根據(jù)賬戶的活躍優(yōu)先級來確定交易賬戶，就可以避免這個問題。

3.3 共識機制設(shè)計

在微電網(wǎng)電力交易前，節(jié)點聚合商的交易服務(wù)器會為賣家選定交易賬戶和錢包，然后向全網(wǎng)廣播交易信息，以尋求能源買家。待交易的能源買家和能源賣家匹配完成后，節(jié)點聚合商出具合約，能源買家向錢包支付代幣，并將交易信息發(fā)送給能源賣家，賣方驗證完成后上傳交易信息至節(jié)點聚合商存儲。

一個交易信息的共識機制可以分為三部分。

1）節(jié)點聚合商對微電網(wǎng)電力交易信息進(jìn)行加密，然后創(chuàng)建一個新的區(qū)塊，并將微電網(wǎng)電力交易信息記錄在該區(qū)塊中，該區(qū)塊的哈希值由隨機數(shù)、時間戳、交易信息、前一區(qū)塊哈希值共同確定。

2）記賬節(jié)點將區(qū)塊數(shù)據(jù)、隨機數(shù)、時間戳、打包后在全網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行廣播，其他節(jié)點聚合商在收到交易信息后進(jìn)行驗證。

3）記賬節(jié)點對反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計確認(rèn)，并將統(tǒng)計確認(rèn)結(jié)果下發(fā)給各個節(jié)點聚合商。

以上過程完成了一個微電網(wǎng)電力交易信息的共識機制，這種方式只需要在節(jié)點聚合商之間進(jìn)行共識，極大地提高了微電網(wǎng)電力交易中數(shù)據(jù)交互的效率。

4 實驗與分析

采用智能電表和光伏發(fā)電機的數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù)來源，采用Fabric超級賬本來建立仿真平臺。

4.1 交易分析

在一個模型仿真中，在買方和賣方選取50 組相鄰用戶，為賣家創(chuàng)建14個賬戶，其中10個為新賬戶，4個為老賬戶，如圖4所示。

在另一個模型仿真中，在買方和賣方選取100組相鄰用戶，為賣家創(chuàng)建45 個賬戶，其中38 個為新賬戶，7個為老賬戶，如圖5所示。

根據(jù)上述分析可以看出，使用新賬戶進(jìn)行交易，可以有效地對相鄰的賬戶分布進(jìn)行隱藏，并且某一些新創(chuàng)建的賬戶交易量為0，這也為非法入侵者的數(shù)據(jù)竊取設(shè)置了障礙，總的來說，該種方式可以對賬戶的分布信息進(jìn)行隱藏，有效地提高了數(shù)據(jù)的安全性。

圖4 50組相鄰用戶的買賣分布

圖5 100組相鄰用戶的買賣分布

4.2 效率分析

以比特幣的交易為例，其完成一次交易的時間約為60 min。在一個模型仿真中，設(shè)定每小時的交易次數(shù)分別為1、2、3、4、5 次，選取40 個節(jié)點聚合商，統(tǒng)計4 h 內(nèi)交易所花費時間的情況，結(jié)果如圖6所示。

與比特幣交易相比，所提出模型的交易時間明顯縮短，交易效率大大提高，這是由于共識過程均由節(jié)點聚合商完成。

圖6 交易效率統(tǒng)計

5 結(jié)語

區(qū)塊鏈作為一種新興的技術(shù)方案，已經(jīng)被應(yīng)用到了很多的場景當(dāng)中。其被應(yīng)用在微電網(wǎng)電力交易中，雖然可以實時獲得交易數(shù)據(jù)，但是其交易數(shù)據(jù)的安全性以及交易效率還有很高的提高空間。提出了一種安全高效的能源區(qū)塊鏈交易模型，通過試驗分析，與傳統(tǒng)的交易方式相比，該模型具有較好的數(shù)據(jù)隱私保護性和較高的交易效率。