【论文推荐】清华大学周鑫、孙宏斌等：基于 Paillier 加密和共识机制的分解协调式算法
发布时间:2023-08-10
【论文推荐】清华大学周鑫、孙宏斌等：基于 Paillier 加密和共识机制的分解协调式算法
基于 Paillier 加密和共识机制的分解协调式算法
周鑫1，贺欢2，王彬1*，祝湘博2，孙宏斌1
（1. 清华大学电机工程与应用电子技术系；2. 国网辽宁省电力有限公司鞍山供电公司）
本文发表在《全球能源互联网》2023年第4期“促进新型电力系统建设的市场机制创新”专题上，受国家电网有限公司科技项目（5700-202272179A-1-1-ZN）资助。
文章导读
分解协调式算法是一种分布式优化算法，天然适应去中心化的能源系统。但是，分解协调式算法往往需要各个子优化问题向协调层上传协调变量，这些协调变量可能会涉及隐私问题。此外，分解协调式算法还依赖于协调层的可信度，如果协调层执行协调任务时恶意修改数据，将导致分解协调式算法无法得到最优解，甚至无法收敛。已有文献大多关注于解决隐私保护问题或使用共识机制构建信任，但如何同时解决分解协调式算法中的隐私与信任问题尚未得到充分研究。本文以多个发电商的经济调度模型为例，提出了基于Paillier加密和共识机制的分解协调式算法，能够同时解决其隐私与信任问题。
文章亮点
（1）分析了单时间段经济调度模型中分解协调式算法的隐私与信任问题；
（2）将Paillier 加密和共识机制引入分解协调式算法中，既能防止发电商隐私泄露，又能够防止协调层恶意修改数据。
主要内容
本文设计的共识机制整体架构如图 1所示，所有发电商都会作为节点参与到共识机制中。分解协调式算法的每次迭代都会从各个发电商中选取一个领导节点。各个发电商将当次迭代的出力的密文
广播给其他发电商，当领导节点收集到所有发电商的密文后，就可以解密得到总出力
。领导节点将所有密文以及解密后的总出力打包为一个区块，广播给其他发电商。其他发电商会验证区块所含内容的正确性，当区块通过验证后，各个发电商将区块加入到区块链账本中，并进入分解协调式算法的下一次迭代。
⬆图1 共识机制整体架构
图 2展示了共识机制的详细流程，包括初始化、密文广播、区块生成、区块验证、账本更新等步骤。
⬆图2 共识机制流程图
1）初始化：所有发电商需要通过协商生成一个初始区块，该初始区块包括所有发电商的数字身份，以及分解协调算法和Paillier加密的相关参数，例如步长参数a、公钥
、私钥
和加密时使用的随机数r。
2）密文广播：初始化完成后，各个发电商开始进入分解协调式算法的迭代中，将通过Paillier加密后的出力
广播给其他发电商。
3）区块生成：领导节点需要收集各个发电商广播的密文
，并计算得到解密后的总出力
。然后，领导节点生成第
个区块，该区块中包括所有发电商的密文
以及解密后的总出力
。
4）区块验证：各个发电商收到第
个区块后，需要检查区块内容的正确性。每个发电商都会收集到其他发电商广播的密文，如果自身收集的密文与区块中的密文不一致，则说明领导节点恶意篡改了某个发电商的密文。此外，还需要验证第
个区块中的解密后的总出力
是否正确。具体方法是验证
是否成立，如果不成立，则说明领导节点恶意篡改了总出力值。当超过一半的发电商认为区块内容错误时，当前领导节点的信用值降低。此时，需要从剩下的发电商中重新选取一个领导节点，再次执行区块生成和区块验证的步骤。
下表将本文提出的共识机制与PoW和PoOPF共识机制进行了比较。PoW和PoOPF共识机制中区块包含的内容都是明文记录的，所有区块链节点都可以接触到；该共识机制中区块内容只包含加密后的发电商出力，以降低通用程度为代价防止各个发电商隐私被泄露。
表4 与其他共识机制的比较
本文引文信息
周鑫，贺欢，王彬，祝湘博，孙宏斌. 基于Paillier加密和共识机制的分解协调式算法[J]. 全球能源互联网，2023，6(4)：362-369.
ZHOU Xin, HE Huan, WANG Bin, ZHU Xiangbo, Sun Hongbin. Coordination-decomposition Algorithm Based on Paillier Encryption and Consensus Mechanism[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2023，6(4)：362-369 (in Chinese).
作者简介
周 鑫
博士研究生
研究方向为保护隐私的能源系统多主体可信协同优化，
E-mail：zx-scott@foxmail.com。
王 彬
副研究员
研究方向为智能电网和能源互联网能量管理与运行调控，
E-mail：wb1984@tsinghua.edu.cn。
孙宏斌
教授
研究方向为电力系统调度与控制、智能电网，
E-mail：shb@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。
编辑：张 宇
审核：周 舟
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