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清华大学周鑫,王彬等:基于联盟链的去中心化能源交易系统

该文受国家自然科学基金(51537006)资助。


原文发表在《全球能源互联网》2019年第6期,欢迎品读。


作者周鑫1,邓莉荣2,王彬1,潘昭光1

单位:1. 清华大学电机系;2. 清华大学清华-伯克利深圳学院



文章导读

随着能源互联网的发展,光伏、风电这类能源利用率高、污染排放低的分布式能源已在世界各国受到广泛关注。区块链作为一种去中心化的分布式账本技术,天然契合分布式能源交易的理念。目前,国内外主要研究的是将区块链中的公有链技术应用于分布式能源交易中,但是公有链在政府监管、隐私保护和共识速度方面存在缺陷。本文采用区块链中的联盟链技术,设计了一种基于联盟链的去中心化能源交易系统,验证了联盟链应用于分布式能源交易的可行性。

文章亮点

(1)分析了传统中心化能源交易系统在分布式能源交易场景下的局限性,指出了联盟链比公有链更适合应用于能源交易领域;

(2)探索了联盟链在分布式能源交易中的应用,设计了一个基于联盟链的去中心化能源交易系统;

(3)利用链上链下数据协同架构将区块链和分布式交易算法结合起来。

摘要

随着分布式能源的快速发展,传统的中心化能源交易系统遇到了建造和维护中心化数据库的成本较高、数据被篡改后会酿成严重后果和难以保障用户隐私这三大问题。针对这些问题,设计了一种基于联盟链的去中心化能源交易系统。首先,分析了该系统的组成部分,利用联盟链的准入机制对用户进行监管。介绍了该系统的交易流程,包括网络节点的配置,使用数字证书注册管理员和用户,借鉴链上链下协同架构实现分布式交易撮合等。接着,介绍了该系统使用的分布式交易撮合算法。然后,利用Hyperledger Fabric平台研发了该系统,介绍了相关的软件架构。最后,分析了使用联盟链的优点,从系统总成本、园区内分布式光伏发电自销占比两个方面将设计的系统与中心化的点对网交易系统进行比较,验证了该系统用于分布式能源交易的可行性。

图1 系统架构

基于联盟链的去中心化能源交易系统包括生产者、消费者、产消者、电网和支付机构五类组织机构,wallet是各个组织机构用来管理用户数字证书的身份管理系统。用户需要将报价信息传递给联盟链,联盟链再通过智能合约对报价进行撮合,将报价和和交易信息写入到联盟链数据库中。得到交易结果后,电网执行相关的物理操作,支付机构对交易进行支付。

图2 智能合约架构

智能合约定义了用户与联盟链账本的交互方式,负责对联盟链存储的报价和交易数据执行读写操作。在智能合约中定义了Transaction(交易)和Offer(报价)两种数据类型,提供了初始化、创建交易、交易付款、查询数据和写入报价五大功能。

图3 中间件层架构

中间件层利用gateway连接到联盟链网络中,再调用API中的getcontract函数就能够间接调用智能合约中定义的函数。采用链上链下协同架构,链下交易撮合的流程为:wallet中的电网管理员利用gateway执行智能合约中的查询数据功能,得到用户提交的报价信息,然后利用链下撮合代码进行分布式的交易撮合,并得到交易结果。而为了将交易结果写回到链上,链下撮合代码通过wallet中的电网管理员利用gateway调用智能合约中的创建函数,将撮合结果写入到联盟链账本中。

图4 区块信息

每个区块的头部包括上一个区块的哈希值和当前区块的哈希值,各个区块通过哈希值相连。每个区块记录的数据比较复杂,图中只显示了调用的智能合约及其参数。将这些智能合约记录下来相当于记录了对交易数据的所有操作,必要时可以回溯各个区块的内容对每一个操作进行验证。



本文引文信息

周鑫,邓莉荣,王彬,等. 基于联盟链的去中心化能源交易系统[J]. 全球能源互联网,2019,2(6):556-565.


Zhou Xin, Deng Lirong, Wang Bin, et al. Decentralized energy trading system based on consortium blockchain [J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2019, 2(6): 556-565 (in Chinese).


作者简介

周鑫


博士研究生


研究方向为综合能源系统和区块链在能源领域中的应用,

E-mail:

zx-scott@foxmail.com


邓莉荣


博士研究生


研究方向为电力市场和综合能源系统,

E-mail:

denglirong_1993@163.com


王彬


博士,高级工程师


研究方向为智能电网和能源互联网能量管理和运行调控,

E-mail: wb1984@tsinghua.edu.cn


潘昭光


博士后


研究方向为综合能源系统、能量管理关键技术和系统研发、应用,

E-mail:

panzhaoguang@tsinghua.edu.cn


研究团队

清华大学电机系调度自动化课题组从事电网调度自动化的理论研究、开发和工程实践方面已有三十余年历史。1990年在当时中国最大的电网—东北电网投运了我国第一套具有自主知识产权的EMS应用软件,获1991年国家教委科技进步一等奖,1992年国家科技进步二等奖。研发的“能量管理与培训仿真一体化系统” 在全国60多个地区级以上的调度中心得到应用,获得2004年北京科学技术进步一等奖。“三维协调的新一代电网能量管理系统关键技术及应用”获2007年度“中国高等学校十大科技进展”称号,2008年国家科技发明二等奖。团队在电网调度自动化方面具有深厚的理论积累和技术实践,已累计获得国家科技进步一等奖1项、国家技术发明二等奖1项、国家科技进步二等奖1项、“中国高等学校十大科技进展”1项、省部级科技进步一等奖2项、二等奖5项,其他省部级奖8项。本课题组在电网自动电压无功控制领域,获得了国内外学术界和工业界的高度认可,科研成果在国际上具有公认的最强竞争力,在清华大学电机系2010年国际学科评估中该成果被评估为两项“World Leading”成果之一。

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编辑:张宇

审核:白恺


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