基于私有区块链的去中心化点对点多能源交易系统研制

穆程刚，丁 涛，董江彬，宁可儿，董晓博，贺元康，王永庆，陈天恩，刘 健，Mohammad Shahidehpour

（西安交通大学）

DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.200392

随着我国能源市场的深化改革，推进能源分布式交易、建立自由竞争、公开透明的市场为可再生能源消纳提供有效手段。然而传统可再生能源交易通过中心化机构对交易进行管理的模式存在成本高，信任缺失和数据风险高等问题。区块链作为一种分布式、去中心化的网络数据库系统，为解决传统问题提供有效途径。

当前，上述研究投入实际应用还有一定挑战：交易与调度的匹配问题，即交易合同与安全调度不匹配，未计及调度下达的约束条件；区块链技术的二次应用仍处于起步阶段，将底层算法变为应用产品的工具不完善，技术实现非常困难；区块链技术的去中心化思想与分布式交易相辅相成，但是却造成政府管理权缺失，市场秩序成为新的问题。为使区块链技术在能源分布式交易中得到真正应用，这些问题亟需解决。

本文设计并研制一种去中心化的多能源交易系统，首先基于区块链分布式防篡改的去中心化技术，在以太坊私有链平台将配售能源交易机制编写成智能合约，设计一种根据市场供需关系与能源网互动的多次背包交易撮合模型；其次，将区块私有链部署在阿里云服务器上，发布至公网，登录地址为https://ebc.ddltech.top/#/ (或https://ebc.xjtu.edu.cn)，填补现有技术尚未在能源区块链交易领域有开放平台的空缺；此套系统将物理流与交易数据流分开，用户之间通过多能源交易系统撮合交易，同时交易平台与配电网交互，校核物理流传输的安全性，双层迭代，得到最终交易结果，并发布以太坊智能合约；特别地，本文提出“管理员”节点的概念，充当市场监管角色，但同时该节点隶属区块链，也具有分布式特点——无法干涉合约交易，因此巧妙地解决中心化监管与去中心化区块链之间的矛盾；最终搭建出一套功能完善、便于管理的去中心化能源交易平台，实现用户侧的交易过程，信息查询等功能，同时添加有管理员角色，可实现用户管理，以及管理多种能源类型等，提高了系统的可扩展性，使得区块链技术在多能源分布式交易领域能发挥更充分的作用。以电能为例的应用场景如图1所示。

图 1 去中心化能源交易系统结构

1. 分布式交易智能合约架构

智能合约层的代码由Solidity语言编写，使用基于浏览器的编译器Remix编译，该编译器还提供合约调试功能。对于适用于分布式多边能源交易的智能合约而言，应当满足能源交易的基本条件，即用户可自愿发布及参与交易、撮合结果自动结算。本节按照交易系统功能划分，介绍智能合约中主要的4个函数，示意如图2所示。

图 2 智能合约结构

2. 能源交易系统架构

能源交易系统主要由区块链层，智能合约层，前端交互层，数据库层四大部分构成。整体架构如图3所示，为了将本文所述能源交易系统发布至公网，首先基于阿里云服务器系统，将整个系统部署在云服务器实例上，该服务器实例的配置为双核CPU，4GB内存，CentOS 7.6 64位操作系统，目前可以通过浏览器直接访问，实现所述功能。

图 3 能源交易系统整体结构

3. 基于网络约束和多次背包问题的交易撮合模型与智能合约

图4为本文设计的多次背包模型中的一次“背包”过程。多次背包模型解释为：以供大于求为例，设N_d种商品装入先后摆放的N_g个容量为的箱子里，每种商品j的重量为P_j，单位重量的价值为λ_j，合理装载商品使得总价值达到最大。该算法的求解思路为：将商品的价值进行从大到小的排序，优先装价值大的商品，直到重量达到要求。

图4 交易撮合过程

本文从区块链底层技术出发，基于以太坊智能合约技术，设计出一套包括能源管理，用户注册，发布交易，撮合匹配，用户查询等模块的多能源交易与管理智能合约系统，实现了在以区块链技术为基础的能源交易系统中对能源类型可灵活配置的功能，同时设计了考虑多能源网安全约束与市场供需关系撮合的分布式交易模型。基于以太坊Geth客户端，将合约部署在以太坊私有链中，基于ether.js接口将合约与客户端交互，再搭建管理员数据库对注册账户进行信息存储，最终设计出包含区块链层，合约层，数据库层，前端交互层四大模块的多能源交易与管理系统。通过仿真可以看到系统按照智能合约的交易机制高效准确执行，对用户利益做充分保障。后续研究将把实际的物理调度与区块链数据层的交易对接，同时进一步研究区块链技术底层，改善系统的性能，完善此能源交易系统功能，趋于实际能源领域落地应用。

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