基于區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式能源交易與管理平臺研究

0引言分布式能源主要是指分布于各個用戶端的綜合型能源支配平臺，因分布式能源擁有能效高、低污染以及經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)等優(yōu)勢，且在現(xiàn)代能源互聯(lián)網(wǎng)中占據(jù)著重要地位，所以其發(fā)展為一次能源也將成為必然趨勢［1］。當(dāng)前，能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)發(fā)展，使得風(fēng)能、太陽能、儲能電池等具備低污染、高轉(zhuǎn)化率、設(shè)備輕巧便攜等特性的分布式能源迅速實(shí)施并網(wǎng)，如此便顯著促進(jìn)了分布式能源交易模式的多樣性建設(shè)［2］。隨之而來的交易管理問題也逐漸顯現(xiàn)，因此，相關(guān)人員務(wù)必對分布式能源交易問題予以重視，基于區(qū)塊鏈技術(shù)對交易平臺予以優(yōu)化完善，提升平臺管理效率，以此有效助力分布式能源交易平臺充分體現(xiàn)自身價值［3］。1基于區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式能源交易模式研究分布式能源交易模式主要為集中出清交易模式，該模式通過區(qū)塊鏈的去中心化特點(diǎn)，把交易市場全部用戶的報(bào)價和需求進(jìn)行整合匹配，并于生成供需區(qū)先后實(shí)施出清，依照差異性報(bào)價方式進(jìn)行交易［4］。例如，假設(shè)用戶節(jié)點(diǎn)是交易中的買方，定義向量H=代表的是用戶a于時間ti提交的交易報(bào)價；而身為分布式能源服務(wù)商節(jié)點(diǎn)的賣方，定期向量為代表的是分布式能源服務(wù)商b在時間ti提交的交易報(bào)價，此時假設(shè)t1<t2<t3<t4。交易買賣雙方的詳細(xì)報(bào)價信息見表1內(nèi)容，報(bào)價排序和交易匹配見表2內(nèi)容。交易買方依照出價進(jìn)行由高至低的排序，交易賣方則依照售價進(jìn)行由低至高的排序。若出現(xiàn)出價低于售價便可進(jìn)行匹配，實(shí)際售價是雙方價格的均值［5］。<p="">表1交易買賣雙方的報(bào)價信息表表2交易報(bào)價排序和交易匹配信息表2基于區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式能源交易與管理模型構(gòu)建2.1基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能合約模型智能合約的觸發(fā)機(jī)制可以通過邏輯條件表達(dá)式來定義。例如，可以設(shè)定一個能源交易的智能合約觸發(fā)條件為：式中，Ci是客戶i的當(dāng)前能源需求量，Cthreshold是合約激活的能源需求閾值，Ti是當(dāng)前時間，Tdeadline是合約截止時間，Pi是提議的交易價格，Pagreed是雙方同意的價格。智能合約的支付邏輯可以通過數(shù)學(xué)函數(shù)來定義，能源交易的支付金額Pаymеnt可以表示為：式中，Paymentij是客戶i向供應(yīng)商j支付的金額，由客戶的能源需求量Ci與每單位能源的價格Pi的乘積決定。智能合約中的懲罰機(jī)制用公式（3）表示，如果違約發(fā)生，即客戶未能在截止時間前滿足合約條件，可施加的懲罰Penalty為：其中，λ是單位時間違約的罰金，Tdeadline和Ti分別是合約截止時間和實(shí)際交易時間。2.2分布式能源交易與管理模型（1）綜合能源交易條件：智能合約的激活條件可以通過集成之前定義的觸發(fā)機(jī)制、支付邏輯和懲罰機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。首先，定義一個綜合條件函數(shù)Fij（C，T，P），該函數(shù)考慮了能源需求、時間和價格：式中，ContractTriggerij決定合約是否被觸發(fā)，Paymentij和Penaltyi分別代表了支付金額和違約懲罰。（2）總體能源交易效益公式：總體交易效益Bеnеfit可以通過累加所有成功交易的支付減去所有違約懲罰來計(jì)算：式中，n是參與交易的客戶數(shù)量，m是供應(yīng)商數(shù)量。（3）交易成功率公式：交易成功率SuccessRate可以通過計(jì)算滿足合約條件的交易數(shù)量與總交易數(shù)量的比例來確定：式中，分子表示成功的交易數(shù)量，分母是總交易數(shù)量。以上模型可量化基于區(qū)塊鏈的智能合約模型在分布式能源交易和管理平臺中的效能。2.3分布式能源交易與管理平臺中的F-DPoS算法設(shè)計(jì)F-DPoS機(jī)制是DPoS的升級優(yōu)化版本，主要執(zhí)行原理是把簡單且公開的投票決定節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)化成具備綜合性能的評分模型，實(shí)現(xiàn)全部候選節(jié)點(diǎn)的公平競爭，助力更具價值以及能力的節(jié)點(diǎn)擔(dān)任區(qū)塊鏈生產(chǎn)者，以此有效規(guī)避DPoS機(jī)制節(jié)點(diǎn)選舉出現(xiàn)的舞弊現(xiàn)象。F-DPoS共識機(jī)制下的超級節(jié)點(diǎn)選舉步驟，需要先對全部節(jié)點(diǎn)的算力予以評估，僅有評估結(jié)果有效滿足制定標(biāo)準(zhǔn)的算力節(jié)點(diǎn)才可成功擔(dān)任區(qū)塊生產(chǎn)者。接著，對全部節(jié)點(diǎn)予以量化處理，使其為整體區(qū)塊鏈充分提供價值，再根據(jù)原有的投票選舉結(jié)果，利用動態(tài)權(quán)重的模式對變量予以科學(xué)分配，以此生成模型的核心變量。算力評估的公式可以表示為：式中，Ci代表節(jié)點(diǎn)i的算力，Ii代表節(jié)點(diǎn)i的通證增長率，Vi代表節(jié)點(diǎn)i獲得的投票數(shù)。系數(shù)α，β，γ分別代表這三個變量的權(quán)重，且α+β+γ=1。為保證模型的平衡性和約束性，引入平衡系數(shù)δ和約束系數(shù)η，使δ≥0，η≥1。因邊際收益遞減，利用VES（VаriаblеElаsticityofSubstitution）生產(chǎn)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)對節(jié)點(diǎn)的綜合評估。VES函數(shù)可表示為：在這個函數(shù)中，δ和η分別表示平衡系數(shù)和約束系數(shù)，決定算力Ci和通證增長率Ii對整體評分的影響程度。結(jié)合式（7）和式（8），可得節(jié)點(diǎn)的總體評分模型：式中，λ是一個動態(tài)調(diào)整的權(quán)重系數(shù)，用于平衡直接算力評分和VES函數(shù)評估結(jié)果。3系統(tǒng)性能測試為測試基于區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式能源交易與管理平臺性能。選擇5臺DеllPowеrEdgеR740服務(wù)器用于模擬區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)行智能合約，處理和存儲交易數(shù)據(jù)，50個模擬節(jié)點(diǎn)代表不同的能源交易參與者，模擬交易行為。交易行為中的交易數(shù)據(jù)包括能源需求量、交易價格、投票數(shù)等數(shù)據(jù)。測試交易成功率、系統(tǒng)響應(yīng)時間、網(wǎng)絡(luò)吞吐量、算力分配公平性、能耗與資源使用等指標(biāo)。其中，交易成功率是成功執(zhí)行的交易與總交易的比率；系統(tǒng)響應(yīng)時間表示從交易發(fā)起到確認(rèn)的平均時間；網(wǎng)絡(luò)吞吐量表示單位時間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)處理的交易數(shù)量；算力分配公平性表示評估節(jié)點(diǎn)算力與獲得的交易機(jī)會之間的關(guān)系；能耗與資源使用用于評估系統(tǒng)運(yùn)行時的能耗和資源消耗。交易分為3個批次，記為Bаtch1，Bаtch2，Bаtch3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3和表4所示。表3交易成功率及平均響應(yīng)時間測試結(jié)果表4網(wǎng)絡(luò)吞吐量測試結(jié)果由上表可知，平臺在不同的批次中保持了較高的交易成功率，顯示了系統(tǒng)在處理交易方面的高效性和可靠性。某些批次的交易成功率甚至接近了99%，表明在特定條件下系統(tǒng)能以極高的效率順利完成交易。然而，Bаtch的成功率略低于平均水平，表明在面對極端情況時，系統(tǒng)可能需要進(jìn)一步優(yōu)化以保持穩(wěn)定性。系統(tǒng)平均響應(yīng)時間保持在較短的范圍內(nèi)，表明系統(tǒng)能夠快速處理并確認(rèn)交易，符合實(shí)時交易處理的要求。網(wǎng)絡(luò)吞吐量數(shù)據(jù)顯示了系統(tǒng)在不同時間段處理交易的能力。單位時間內(nèi)處理的交易數(shù)量保持在較高水平，說明系統(tǒng)具備處理高交易量的能力。4結(jié)束語綜上所述，為有效緩解基于區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式能源交易與管理問題，研究設(shè)計(jì)了一套基于F-DPoS算法的分布式能源交易與管理平臺。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了平臺的高效性、可靠性和彈性，證明了F-DPoS