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专利名称：基于链上链下协同的多元分布式储能交易方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202310685571.2

专利申请（专利权）人：三峡大学
权利人地址：湖北省宜昌市西陵区大学路8号

专利发明（设计）人：王灿,张晓佳,王帆,马辉,张佳恒,王振

专利摘要：基于链上链下协同的多元分布式储能交易方法，包括以下步骤：步骤一：基于分布式储能交易中的违约行为，建立节点信誉值评估模型；步骤二：在交易周期重叠的条件下，基于步骤一建立的节点信誉值评估模型，提出链上链下协同的多元储能交易机制，交易用户验证链上签订的智能合约有效后进行链下储能传输；步骤三：将联盟链和云服务器结合，建立数据索引，从联盟链节点索引信息获取云服务器中的历史储能交易数据。本发明方法能够在保证储能交易的安全性和可靠性的同时，提高交易效率，满足多元分布式储能交易场景对交易可靠、数据灵活和储能多元等的要求。

主权利要求：
1.基于链上链下协同的多元分布式储能交易方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一：基于分布式储能交易中的违约行为，建立节点信誉值评估模型；
步骤二：基于步骤一建立的节点信誉值评估模型，提出链上链下协同的多元储能交易机制，交易用户验证链上签订的智能合约有效后进行链下储能传输；
步骤三：将联盟链和云服务器结合，建立数据索引，从联盟链节点索引信息获取云服务器中的历史储能交易数据；
所述步骤一中，节点信誉值评估模型的建立，包括以下步骤：S1.1：设定各交易用户 的初始信誉值均为1，基于联盟链的多元分布式储能交易平台根据用户在交易结束时实际储能交割情况更新信誉值；
S1.2：当用户的实际储能交割与智能合约签订的储能不符时，根据其合约完成度，计算信誉值，具体计算方法如下：；
；
式中， 为用户 在第 周期交易的信誉值； 为用户第 周期交易的合约储能量； 为用户 在第 周期实际交易的储能交割量； 为用户 在第 周期交易的偏差储能量；为允许偏差储能量；
S1.3：参与储能交易的用户需要在交易开始前向基于联盟链的多元分布式储能交易平台缴纳一定的保证金，需缴纳的保证金计算方法如下：；
式中， 为主体 在第 周期交易开始时需缴纳的保证金； 为信誉值的最大值；
为主体 在第 周期交易过后的信誉值； 为第 周期内的市场购能价格；
所述步骤三中，储能交易数据存储过程分为三个部分：用户申请注册部分、访问历史交易数据部分和交易数据共享部分；
1）用户申请注册：
用户使用ID向属性权威机构(AttributeAuthority，AA)节点进行注册申请，经其他节点确认身份信息后在数据存储平台中进行注册，属性权威机构(AttributeAuthority，AA)节点接收来自各节点打包生成的用户属性集合 ：；
式中， 为联盟机构标识符； 为集合的属性；
经过验证，身份有效的用户所注册的 将被发送至属性授权链(AttributeAuthorizationChain，AAC)；AA使用用户全部属性和 生成相应的私钥，随机选择 ，对应属性集合 中的属性 ，计算得到用户最终私钥 ：；
式中， 为椭圆曲线基点； 、 为算法推算后生成的数；为线性变换； 为轮密钥；
为随机数； 为属于 的一个随机数， 为 经过算法推算后生成的数； 表示任意属性 都属于属性集合 ；
2）访问历史交易数据：
交易用户访问数据时身份为DU，DU向联盟链中的节点申请数据访问，用户身份被验证有效后，通过数据信息链(DataInformationChain,DIC)查询DU拟访问的交易数据地址和密钥 ；
DU能够通过联盟链与云服务器间所建立的数据通道，获得密文数据 ；最后，用户使用私钥解密密钥得到 ，再根据 解密密文数据，得到相应的历史交易数据；
3）交易数据共享：
交易用户共享数据时身份为DO，并在共享历史交易数据时选择SM4加密算法将交易数据加密后得到 ；将加密数据上传至云服务器，获得其返回的数据地址；
DO设计数据访问策略 , 为生成LSSS矩阵 ， 为 访问结构矩阵， 为矩阵所随影的属性映射函数；使用 对密钥 进行加密得到 ，选择随机向量，其中，为主秘密， 表示密钥子份额；
随机选取 个 ， ， 为秘密共享的密钥份额，为上述随机向量；
为访问结构矩阵；最终计算得到 ：
式中， 、 和 均为算法生成的秘密值； 为双线性映射函数； 为双线性映射函数推算后生成的数； 、 为算法推算后生成的数； 为属性公开值； 为子秘密值； 为算法推理过程；
生成的数据密文和文件相关信息被打包发送至Fabric节点Peer，节点验证背书以后，将交易信息送至DIC，上链结果和相关信息返回至DO。
2.根据权利要求1所述基于链上链下协同的多元分布式储能交易方法，其特征在于：所述步骤一中，将用户交易和用户的信誉值联系在一起，买卖双方签订智能合约后，当任意一方实际储能交易量与签订的智能合约有出入，将视情况扣除用户的信誉值。
3.根据权利要求1所述基于链上链下协同的多元分布式储能交易方法，其特征在于：所述步骤二中，链上链下协同的多元储能交易机制，包括以下步骤：S2.1：用户进入基于联盟链的多元分布式储能交易平台后，根据用户自身实际储能余量制定交易电量和实际报价的储能交易计划，并随机生成加密字符串与真实报价相连，进行哈希加密后密封到智能合约中，同时，用户需根据节点信誉值评估模型提前向智能合约存入保证金；
；
式中， 为用户发布的交易信息； 为交易储能类别，分别为电储、氢储和热储；
为 周期用户 求购的储能量； 为 周期用户求购储能的价格； 为用户收购储能发布的智能合约的地址； 为参与用户验证电子凭证的智能合约的地址； 为交易用户的私钥签名；
S2.2：当报价时间截止后，由用户主动将加密字符串与自身实际报价公开，智能合约将执行哈希运算，确认密封报价是否与运算结果一致，若一致，则进行下一步交易撮合；若不一致，则该用户的报价将被认定为无效，且认定该用户为恶意参与者，该用户将失去本次交易的资格并被扣除一定的信誉值和罚金，需要售卖储能的用户上报出售量及出售价格，智能合约收到有效报价后将根据报价和用户需求撮合交易；用户签名后，生成交易订单，基于联盟链的多元分布式储能交易平台验证交易订单有效后为买家发放电子凭证；
S2.3：链下物理传输交易在上述步骤S2.2的链上交易智能合约签订完成后进行；基于联盟链的多元分布式储能交易平台将签订好的订单送至链下储能传输服务方进行储能传输，储能传输完成后，由储能计量表将买家实际提取的储能量上报至基于联盟链的多元分布式储能交易平台，并由基于联盟链的多元分布式储能交易平台向买家收回电子凭证 ；
；
式中， 为 周期卖家实际的储能交割量；
在链下物理层进行储能传输时，卖家开启新一轮交易周期，向市场继续发布售能信息，即：；
式中， 为 周期卖家可出售的储能量； 为 周期卖家出售储能的价格； 为卖家出售储能电能发布的智能合约的地址；
S2.4：完成交易后，对比链上交易订单信息和链下实际传输量，若用户实际储能交割与智能合约交易量不符，基于联盟链的多元分布式储能交易平台将根据节点信誉值评估模型对其信誉值进行扣分。
4.根据权利要求1所述基于链上链下协同的多元分布式储能交易方法，其特征在于：所述步骤三中，在基于联盟链的多元分布式储能交易平台中设计智能合约，并和云服务器结合，建立数据索引，即从联盟链节点索引信息获取云服务器中完整的历史储能交易数据；
在数据存储过程前由授权监督机构(SupervisoryAuthority，SA)对系统进行初始化操作，授权监督机构SA生成双线性群 和双线性映射 ： ，选取安全随机数计算得到主密钥 和公钥 ，其中， 为素数乘法循环群， 为有限域，表达式如下：；
；
式中， 为生成元特性； 为安全随机数； 、 为算法推算后生成的数； 为双线性映射函数； 为双线性映射函数推算后生成的数。 说明书 : 基于链上链下协同的多元分布式储能交易方法技术领域[0001] 本发明涉及属于储能资源交易领域，具体涉及一种基于链上链下协同的多元分布式储能交易方法。背景技术[0002] 分布式储能技术的发展让电网用户从单方面的能源消费者变为兼具供给能力的产消者。这不仅改变了电力市场传统消费关系，也使得多分布式储能安全可靠地交易成为电力系统所面临的新挑战。[0003] 文献[1]:基于区块链的分布式能源交易关键技术，王蓓蓓,李雅超,赵盛楠,等.基于区块链的分布式能源交易关键技术[J].电力系统自动化,2019,43(14):53?64.针对分布式能源消纳问题，提出了区块链与分布式能源交易结合的交易模式。该模式分析了点对点交易、集中出清模式和共识机制的优缺点，但未明确与交易模式相对应的智能合约。也并未考虑因新能源出力波动性大和用户趋利性强等问题所导致的交易违约行为。[0004] 文献[2]:基于区块链的分布式能源交易技术，沈泽宇,陈思捷,严正,等.基于区块链的分布式能源交易技术[J].中国电机工程学报,2021,41(11):3841?3851.提出了基于智能合约的分布式能源交易方案。该交易方案在进行交易结算时将用户过网费的差异与信誉管理相关联，以此激励用户保持良好的交易记录。但是，该文献并未考虑到交易历史数据增多导致交易速率变慢这一问题。[0005] 文献[3]:基于区块链存储扩展的结构化数据管理方法，余斌,李晓风,赵赫.基于区块链存储扩展的结构化数据管理方法[J].北京理工大学学报,2019,39(11):1160?1166.针对目前区块链数据存储方面容量结构扩展等问题提出了结构化数据管理方法。该方法缓解了节点数据存储压力，进一步促进区块链的开发，但未提及如何验证上传数据的真实性。[0006] 文献[4]:考虑EV换电站调度和区块链数据存储的电网分布式优化，王冠男,杨镜非,王硕,等.考虑EV换电站调度和区块链数据存储的电网分布式优化[J].电力系统自动化,2019,43(08):110?116+182.,提出电力系统区块链模型。其记载的模型将所有历史数据存储至区块链，但未详细设计相关智能合约。[0007] 故结合分布式储能交易的特点，改进现有区块链数据存储方式，提高交易效率并完善用户储能交易机制，是一个亟待解决的问题。发明内容[0008] 针对以上不足，本发明提出了一种基于链上链下协同的多元分布式储能交易方法，首先，建立基于联盟链的多元分布式储能交易平台架构，为了将用户交易的经济性与用户信誉值联系在一起，设计节点信誉值评估模型；其次，提出链上链下协同的多元分布式储能交易机制；最后，结合联盟链与云服务器，建立数据索引。本发明方法能够在保证储能交易的安全性和可靠性的同时，提高交易效率。[0009] 本发明采取的技术方案为：[0010] 基于链上链下协同的多元分布式储能交易方法，包括以下步骤：[0011] 步骤一：基于分布式储能交易中的违约行为，建立节点信誉值评估模型；[0012] 步骤二：在交易周期重叠的条件下，基于步骤一建立的节点信誉值评估模型，提出链上链下协同的多元储能交易机制，交易用户验证链上签订的智能合约有效后进行链下储能传输；[0013] 步骤三：将联盟链和云服务器结合，建立数据索引，从联盟链节点索引信息获取云服务器中的历史储能交易数据。[0014] 所述步骤一中，将用户交易和用户的信誉值联系在一起，买卖双方签订智能合约后，当任意一方实际储能交易量与签订的智能合约有出入，将视情况扣除用户的信誉值。[0015] 所述步骤一中，节点信誉值评估模型的建立，包括以下步骤：[0016] S1.1：设定各交易用户i的初始信誉值均为1，基于联盟链的多元分布式储能交易平台根据用户在交易结束时实际储能交割情况更新信誉值；[0017] S1.2：当用户的实际储能交割与智能合约签订的储能不符时，根据其合约完成度，计算信誉值，具体计算方法如下：[0018][0019] 式中， 为用户i在第TN周期交易的信誉值； 为用户第TN周期交易的合约储能量； 为用户i在第TN周期实际交易的储能交割量； 为用户i在第TN周期交易的偏差储能量；ξ为允许偏差储能量。[0020] S1.3：参与储能交易的用户需要在交易开始前向基于联盟链的多元分布式储能交易平台缴纳一定的保证金，需缴纳的保证金计算方法如下：[0021][0022] 式中， 为主体i在第TN周期交易开始时需缴纳的保证金；Rmax为信誉值的最大值； 为主体i在第TN?1周期交易过后的信誉值； 为第TN周期内的市场购能价格。[0023] 所述步骤二中，链上链下协同的多元储能交易机制，包括以下步骤：[0024] S2.1：用户进入基于联盟链的多元分布式储能交易平台后，根据用户自身实际储能余量制定交易电量和实际报价的储能交易计划，并随机生成加密字符串与真实报价相连，进行哈希加密后密封到智能合约中，同时，用户需根据节点信誉值评估模型提前向智能合约存入保证金；[0025][0026] 式中， 为用户发布的交易信息；k为交易储能类别，分别为电储、氢储和热储；为TN周期用户i求购的储能量； 为TN周期用户求购储能的价格； 为用户收购储能发布的智能合约的地址； 为参与用户验证电子凭证的智能合约的地址； 为交易用户的私钥签名。[0027] S2.2：当报价时间截止后，由用户主动将加密字符串与自身实际报价公开，智能合约将执行哈希运算，确认密封报价是否与运算结果一致，若一致，则进行下一步交易撮合；若不一致，则该用户的报价将被认定为无效，且认定该用户为恶意参与者，该用户将失去本次交易的资格并被扣除一定的信誉值和罚金，需要售卖储能的用户上报出售量及出售价格，智能合约收到有效报价后将根据报价和用户需求撮合交易。用户签名后，生成交易订单，基于联盟链的多元分布式储能交易平台验证交易订单有效后为买家发放电子凭证；[0028] S2.3：链下物理传输交易在上述步骤S2.2的链上交易智能合约签订完成后进行。基于联盟链的多元分布式储能交易平台将签订好的订单送至链下储能传输服务方进行储能传输，储能传输完成后，由储能计量表将买家实际提取的储能量上报至基于联盟链的多元分布式储能交易平台，并由基于联盟链的多元分布式储能交易平台向买家收回电子凭证[0029][0030] 式中， 为TN周期卖家实际的储能交割量。[0031] 多元分布式储能交易平台以联盟链作为网络支撑架构，分为物理层和网络层两部分。在物理层中，各交易用户在签订智能合约后，通过物理网络架构进行分布式储能交割。[0032] 在链下物理层进行储能传输时，卖家开启新一轮交易周期，向市场继续发布售能信息，即：[0033][0034] 式中， 为TN周期卖家可出售的储能量； 为TN周期卖家出售储能的价格；为卖家出售储能电能发布的智能合约的地址。[0035] S2.4：完成交易后，对比链上交易订单信息和链下实际传输量，若用户实际储能交割与智能合约交易量不符，基于联盟链的多元分布式储能交易平台将根据节点信誉值评估模型对其信誉值进行扣分。[0036] 所述步骤三中，在基于联盟链的多元分布式储能交易平台中设计智能合约，并和云服务器结合，建立数据索引，即从联盟链节点索引信息获取云服务器中完整的历史储能交易数据；[0037] 在数据存储过程前由授权监督机构(SupervisoryAuthority，SA)对系统进行初始化操作，授权监督机构SA生成双线性群G0和双线性映射e：G0×G0→G1，选取安全随机数计算得到主密钥MK和公钥PK，其中，G1为素数乘法循环群，为有限域，表达式如下：[0038] MK＝(β,gα)；[0039] PK＝(G0,g,gβ,e(g,g)α)；[0040] 式中，g为生成元特性；β为安全随机数；gα、gβ为算法推算后生成的数；e(x)为双线α性映射函数；e(g,g) 为双线性映射函数推算后生成的数。[0041] 所述步骤三中，储能交易数据存储过程大致分为三个部分：用户申请注册部分、访问历史交易数据部分和交易数据共享部分；[0042] 1)用户申请注册：[0043] 用户使用ID向属性权威机构(AttributeAuthority，AA)节点申请注册其他节点确认用户身份信息并在数据存储平台中注册，AA节点将接收来自其他节点将打包成的用户属性集合AttrSet：[0044] AttrSet＝；[0045] 式中，Org为联盟机构标识符；Attr为集合的属性。[0046] 经过验证，身份有效的用户所注册的AttrSet将被发送至属性授权链(AttributeAuthorizationChain，AAC)。AA使用用户全部属性和MK生成相应的私钥，随机选择t，hx∈G0对应属性集合S中的属性x，计算得到用户最终私钥SK：[0047][0048] 式中，K为椭圆曲线基点；gα、gβt为算法推算后生成的数；L为线性变换；Kx为轮密钥；t为随机数；hx为属于G0的一个随机数， 为hx经过算法推算后生成的数； 表示任意属性x都属于属性集合S。[0049] 2)访问历史交易数据：[0050] 交易用户访问数据时身份为DU，DU向联盟链中的节点申请数据访问，用户身份被验证有效后，通过数据信息链(DataInformationChain,DIC)查询DU拟访问的交易数据地址AddrData和密钥CTkey。[0051] DU能够通过联盟链与云服务器间所建立的数据通道，获得密文数据CTData；最后，用户使用私钥解密密钥得到key，再根据key解密密文数据，得到相应的历史交易数据。[0052] 3)交易数据共享：[0053] 交易用户共享数据时身份为DO，并在共享历史交易数据时选择SM4加密算法将交易数据加密后得到CTData。将加密数据上传至云服务器，获得其返回的数据地址。[0054] DO设计数据访问策略P,P为生成LSSS矩阵(M,ρ)，M为l×n访问结构矩阵，ρ为矩阵所随影的属性映射函数；使用
对密钥key进行加密得到CTkey，选择随机向量v＝(s,y2,y3,…yn)，其中，s为主秘密，y2,y3,…yn表示密钥子份额。[0055] 随机选取l个 λi＝vMi为秘密共享的密钥份额，v为上述随机向量；Mi为访问结构矩阵。最终计算得到CTkey：[0056][0057] 式中，C*、C′和Ci均为算法生成的秘密值；e(x)为双线性映射函数；e(g,g)αs为双线s性映射函数推算后生成的数；g 、 为算法推算后生成的数； 为属性公开值；Di为子秘密值；gi为算法推理过程。[0058] 生成的数据密文和文件相关信息被打包发送至Fabric节点Peer，节点验证背书以后，将交易信息送至DIC，上链结果和相关信息返回至DO。[0059] 本发明一种基于链上链下协同的多元分布式储能交易方法，技术效果如下：[0060] 1)本发明步骤一中，在传统的储能交易区块链中，参与用户之间存在以下潜在违约行为：卖方/买方完成智能合约签订，但在实际储能交割时，有一方未履行合约签订内容，造成另一方经济受损。针对以上问题，本发明建立节点信誉值评估模型，提高了储能交易的安全性，避免恶意节点攻击。[0061] 2)本发明步骤二中，不同于需要上一次交易周期结束后才能进行下一次交易的传统区块链交易模式，本发明所提交易机制设置用户在上一交易周期资金结算时段的同时可以进行下一轮交易报价。因此，本发明所提的链上链下协同的多元储能交易机制，能够提高用户交易效率，保证用户经济效益；同时，有效对多元分布式储能进行调控，调整后的储能系统能保持良好储释状态，有助于储能的协调运行。[0062] 3)本发明步骤三中，与传统区块链存储数据的方式不同，本发明所提数据存储方法将联盟链和云服务器结合，将数据索引存储在链上，而完整的数据存储到云服务器中，因此交易越多，数据越大，本发明所提数据存储方式较传统区块链存储数据方式越具有优势。[0063] 4)本发明方法能够在保证储能交易的安全性和可靠性的同时，提高交易效率，满足多元分布式储能交易场景对交易可靠、数据灵活和储能多元等的要求。附图说明[0064] 图1是本发明储能交易方法流程图。[0065] 图2是储热系统功率变化对比图。[0066] 图3是储电系统功率变化对比图。[0067] 图4是储氢系统功率变化对比图。[0068] 图5是不同交易模式的出块数量对比图。[0069] 图6是节点信誉值评估模型流程图。[0070] 图7为数据索引结构图。[0071] 图8为传统集中式储能交易机制流程图。[0072] 图9为场景2为链上链下协同储能交易机制流程图。[0073] 图10为场景3为链上链下协同储能交易机制流程图。具体实施方式[0074] 下面结合实施例及附图，对本发明做进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。[0075] 基于链上链下协同的多元分布式储能交易方法。[0076] 首先，针对分布式储能交易中的违约行为，建立节点信誉值评估模型；[0077] 然后，构建基于链上链下协同的多元分布式储能交易机制；[0078] 最后，将联盟链和云服务器结合建立数据索引，将历史储能交易数据存放至云服务器。[0079] 数据索引是对数据表内历史数据的有序排列，其包含数据的排序方法以及使用该方法后的数据指针，该数据指针指向的是云服务器中数据表中的历史数据。通过数据索引，可以从联盟链节点索引信息获取云服务器中完整的历史储能交易数据。其结构图如下图7所示。[0080] 图2～图4是分别是3种场景下储热、储电、储氢系统功率变化对比图。本发明基于fabric?chaincode?java编写链码实现构建的智能合约，实现链码安装及实例化和向Fabric网络提交用户储能交易。系统共包含6个Peer节点，分别对应6个多元分布式储能交易用户节点，将其互相连接形成局域网络用于交易机制实例仿真。[0081] 本发明设置储能用户根据需求在储能市场进行交易，设置3种仿真场景：[0082] 场景1为传统集中式储能交易机制，流程图如图8所示：[0083] 场景2为基于传统区块链储能交易机制，流程图如图9所示；[0084] 场景2为基于传统区块链储能交易机制，流程图如图10所示。[0085] 场景1、场景2中用户的储能系统较为无序，场景3中基于本发明所提链上链下协同储能交易模式中，储电、储热和储氢系统储能功率都有明显变平稳的趋势，其中，储电系统变化最为明显。这是因为传统集中式储能交易时需要将数据上报储能聚合商，买卖双方匹配过程用时较久，从而导致储能系统中的储能量累积。场景2中基于传统区块链实现去中心化储能交易，但由于交易周期并未重叠，且交易次数变多导致交易变慢，储能不能及时出售。场景3模式下用户在交易时可以根据市场报价自由选择买家或卖家，链上交易签订和链下物理储能传输同时进行，在保证储能交易可靠性的同时，提高交易次数，减少储能累积。[0086] 图5是不同交易模式的出块数量对比图。场景2采用传统区块链储能交易模式，用户交易数据存储在区块链上，交易次数越多，区块链中出块速度越慢。场景3中采用本发明所提的数据存储方式，即数据存储平台将原始数据加密上传至云服务器存储且将联盟链和云服务器相结合。当数据小于15MB时，场景2、场景3的出块数量差别不大。当数据大于15MB时，场景3的出块数量多于场景2。随着数据逐渐增大，场景3的出块数量逐渐增多，与场景2的出块数量逐渐形成明显差距。这是由于交易越多，数据越大，传统区块链存储数据的方式越慢。场景3将完整的数据储存在云服务器中，链上只需要存储数据索引，因此交易数据越多，本发明数据存储方式越具有优势。[0087] 图6为节点信誉值评估模型流程图。在交易开始之前，参与储能交易的用户需要向平台缴纳保证金。交易开始时，设定各交易用户的初始信誉值为1。签订智能合约后，如果用户的实际储能交割与智能合约规定的储能量不一致，则需要根据用户的合约完成度计算信誉值，并扣除一定的保证金作为违约惩罚。最后，交易平台根据用户在交易结束时的实际储能交割情况更新信誉值。[0088] 表1为用户不同信誉值的影响[0089][0090] 表1为用户不同信誉值的影响。由表可得，用户在不同信誉值下的支出和收益不同。其中，信誉值最高的是用户3，因此其作为买家时，只需缴纳保证金437.6元，金额最少，且购买储能支出最小。而作为卖家时，用户3获得收益最高。而信誉值最低的用户4，需缴纳的保护金最多，作为买家时，支出最高，作为卖家时，收益最低。这是因为在相同价格下，有着越高信誉值的用户越容易被选择。

专利地区：湖北

专利申请日期：2023-06-08

专利公开日期：2024-11-19

专利公告号：CN116894730B