基于能源区块链的分布式电能交易系统设计

摘要

区块链技术的去中心化特性将产生许多新的经济形式和商业模式，被认为是一种可以应用于能源互联网中分布式电能就地消纳的解决方案。目前对能源区块链的应用还处于概念验证阶段，大多停留在商业模式的探讨，对于区块链和能源互联网本身性质的结合缺乏深入研究。基于此，本文结合能源互联网与区块链技术，提出了能源区块链的底层架构模型，并应用其设计了基于能源区块链技术的分布式电能交易系统。本文首先将能源区块链架构拆解为七层结构，结合能源互联网的特性对底层架构进行改进，并对各层的改进进行系统阐述。对于共识层，筛选出更适于能源场景的PoS共识机制，并在Ouroboros技术的基础上，设计了适用于能源互联网的发用电量权益证明共识机制，该机制实现了记账人选择以及全网共识的达成。本文以泊松分布验证了该机制的安全性。算例结果表明，当恶意节点占有权益数少于50％时，能源区块链网络无法被篡改。
　　在共识层设计的基础上，本文考虑了能源区块链的可扩展性、去中心化和安全性三个指标，对于网络层进行改进，基于跨链机制提出了局域区块链群的运行模式，将整个网络按照电力交易的频度进行网络层分区。设计了基于非支配排序遗传算法的动态分区方法，在满足去中心化指标的前提下，通过调整网络中节点的分区情况，最优化能源区块链的可扩展性指标。同时动态分区算法弥补了共识层中出现节点占有超过50％权益威胁网络安全的问题。
　　算例表明，能源区块链能够实现多方高并发、低时延的电力交易，引导需求侧资源及分布式能源灵活平衡供求关系，确保配电网的经济、安全运行。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究的目的和意义

1．2 研究现状与存在的问题

1．2．1 能源区块链框架设计

1．2．2 能源区块链的应用场景探索

1．2．3 能源区块链性能提升的研究成果

1．2．4 区块链的共识机制研究

1．3 本文的主要工作

第2章 能源区块链的基本框架及共识机制设计

2．1 区块链概述

2．2 能源区块链与能源互联网异同点分析

2．3 应用于分布式电能交易的能源区块链框架设计

2．4 拜占庭将军问题的数学表述

2．5 基于PoS机制的发用电量证明机制PoEOL

2．5．1 基本定义

2．5．2 运行机制

2．5．3 运行风险分析

2．6 本章小结

第3章 能源区块链评价机制及动态分区算法

3．1 局域区块链技术概述

3．1．1 定义与基本概念

3．1．2 支撑局域区块链群的跨链技术

3．2 局域区块链性能评价机制

3．2．1 局域区块链性能的影响因素分析

3．2．2 局域区块链的去中心化指标

3．2．3 局域区块链的可扩展性指标

3．3 基于性能评价机制的动态分区算法

3．3．1 局域区块链群的动态分区优化模型

3．3．2 局域区块链群的动态分区优化模型求解方法

3．4 算例

3．4．1 区块传播时间与节点数量的关系

3．4．2 初始分区后区块链性能对比

3．4．3 按交易频度调整的区块链性能对比

3．4．4 按去中心化指标调整的区块链性能对比

3．5 本章小结

第4章 结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

攻读硕士学位期间参加的科研工作

致谢