一种基于双重区块链技术的虚拟电厂安全调度与交易方法

摘要

一种基于双重区块链技术的虚拟电厂安全调度与交易方法，包含用于调度的调度私有链和用于交易的交易联盟链，采用基于密文策略的混合代理重加密算法，由基于身份的加密算法和基于密文策略的属性代理重加密算法组合而成，代理商将基于属性加密的密文转换成基于身份加密的密文，降低了数据访问者解密成本，保证了生产信息的不可否认性和可靠性。在交易过程中，采用基于声誉的连续双边拍卖机制，参与者可根据当前电量成交价不断的调整自身报价，实现利益最大化，交易信息与信誉值记录在联盟链中，保证了信息的不可篡改性和透明性。为虚拟电厂提供了一个成本低廉、公开透明的信息与交易平台，并保障了数据的安全性、防篡改、不可否认性和完整性等。

说明书

技术领域

本发明属于虚拟电厂(Virtual Power Plant，VPP)能源的安全调度与交易，涉及到信息安全领域中的区块链技术，以及基于身份的加密和代理重加密技术。

背景技术

据2010年全球温室气体排放数据可知，由电力和工业等能源生产产生的排放量约占该年全球排放总量的76％。考虑到温室气体排放对气候变化的影响以及化石燃料的成本和供应问题，传统单一的火力发电形式已经不再能满足人民的生活需求。随着能源互联网的发展，未来的供电模型可能慢慢转变为以分布式能源(Distributed Energy Resources，DER)作为主要的一次能源。

DER主要由分布式电源、分布式储能、可控负荷和电动汽车几部分组成，它存在独立运行和并网运行两种运行方式。当以风能、水能和光能为代表的具有清洁、高效优点的分布式电源并入电网时，可以有效缓解温室气体排放问题。统计显示，截至2016年年底，全球约有25％的电力来自于DER，而2022年的DER发电占比率可达到30％左右，2050年占比率甚至可能超过60％。尽管DER被广泛看好，但目前仍存在诸多的问题。首先，分布式电源容量小、分布不均，并且产生的能源具有间歇性和随机性，降低了能源可靠性；其次，对于电力系统来说，当DER产生的电力的直接接入电网，即并网，这些电力是不可见且不可控的，如果并网数量过大，容易造成用电端负荷波动，出现短暂性断电情况发生，进而导致电力系统失去安全性和可靠性；最后，电力市场的供需关系也会限制和阻碍DER的进一步发展。

为了解决DER并网所带来的问题，业内提出了微电网(Micro Grid，MG)和虚拟电厂(VPP)两种不同的DER并网技术。VPP不受地理位置的约束，并且可以在不改变DER原本并网方式的条件下，通过先进的协调控制技术、智能计量技术和信息通信技术来协调管理集中式能源和分布式能源的市场运行。当前，虚拟电厂的研究和使用主要集中在欧洲和北美等发达国家。为了解决VPP的投标策略，E.Mashhour等人在《IEEE Transactions on PowerSystems》2010,26(2)“Bidding Strategy of Virtual Power Plant for Participatingin Energy and Spinning Reserve Markets—Part I:Problem Formulation”中使用了一种名为基于确定性价格的机组组合型模型，该模型考虑了VPP自身的约束条件，并采用遗传算法对投标结果进行求解，提供了一种可行的DER整合方法。M.Shabanzadeh等人在《IetGeneration Transmission&Distribution》2017,11(2)“Risk-based medium-termtrading strategy for a virtual power plant with first-order stochasticdominance constraints”中为相邻VPP间的交易策略提供了一种新思路，通过为VPP建立一个中期自调度决策层来解决不同交易层的利益问题，决策的正确性由一种基于一阶随机优势约束的有效风险管理方法确保。A.Baringo等人在《IEEE Transactions on PowerSystems》2017,32(5)“A Stochastic Adaptive Robust Optimization Approach for theOffering Strategy of a Virtual Power Plant”中提出了一种新的参与日前和实时能源市场的虚拟电厂报价策略，供应问题在这里被描述为一种随机自适应鲁棒优化模型，优化模型的案例研究结果证明了该策略的适用性。上述所说的方法显示出VPP在能源市场交易和调度中的潜力，并对于未来进一步的研究具有借鉴意义，但同样不可忽视的是现有的VPP并网技术仍存在一些共性问题。DER并网行为高度自由，随着电网中DER数量的增加，VPP难以满足实时电价驱动下海量DER的电力市场逐利需求和并网行为，这增大了其协调控制技术的设计和实现难度。VPP缺乏公开透明的交易平台和信息平台，VPP之间的交易及其与其他用户的交易通常具有高昂的成本。同时，VPP与DER之间的信息不对称，致使DER参与电力交易的积极性不高。现有VPP体制中，缺乏一套保障数据信息安全的方法或系统。调度所需的信息直接通过双向通信技术进行传递，若调度信息在传递途中遭遇恶意篡改，将严重影响当前电力市场的安全性和稳定性。

2008年，中本聪提出了一种去中心化的数字货币—比特币，而区块链正是支撑比特币运行的核心技术，在渡过数字货币的狂热期后，区块链因其去中心化、去信任以及公开透明等特点成为学术界的研究热点之一。随着不断的研究，区块链的应用范围越来越广泛，已经不在局限于金融界，将区块链融合进能源行业可为上述问题提供新的解决思路。不同于传统的中心化系统，区块链上的每个节点都赋予了相同的权力，即使出现单点故障，也不会对整个区块链系统产生影响。何奇琳等人在《电器与能效管理技术》2017，3“区块链技术在虚拟电厂中的应用场景”中分析了区块链技术在VPP中的可行性以及两者融合产生的互补性，最后得出区块链技术应用到VPP中可以有效提高其运行效率。M.Galici等人在IEEEMilan PowerTech,2019国际会议中介绍了一个模拟本地电力市场的物理平台，该平台主要由扮演VPP角色的集成商管理，集成商需要收集和发布交易参与者的报价信息，然后利用区块链技术完成用户的商业交易。陆建武等人在《Computational Intelligence》2020，“Smart contract for distributed energy trading in virtual power plants basedon blockchain”中针对由电价实时驱动的能源互联网，建立了一个基于区块链的VPP交易模型。为简化目前存在的复杂的电力交易和结算流程，提出了基于区块链技术的VPP分布式能源交易智能合约。上述文献大多集中在VPP能源调度和交易流程上，对区块链技术的具体使用分析较少，未能很好的凸显区块链技术的功能。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于双重区块链技术的虚拟电厂安全调度与交易方法。以实现区块链技术在虚拟电厂能源的安全调度与交易的作用。

本发明所述的一种基于双重区块链技术的虚拟电厂安全调度与交易方法，主要包含两类区块链，分别为用于调度的调度私有链和用于交易的交易联盟链。由于VPP按其功能区别可划分为两个模块——技术型VPP(Technical VPP，TVPP)和商业型VPP(CommercialVPP，CVPP)，本发明定义TVPP为调度私有链中的专属VPP，而CVPP为交易联盟链中的专属VPP。调度私有链主要由TVPP、电力调度控制中心、电力交易中心、验证机构以及该TVPP所管辖的DER所组成。在安全调度过程中，DER向所属私有区块链实时上传加密过的生产信息，当VPP需要生产信息进行生产调度时，所属权相同的DER推选出一个代理商，并由该DER代理商对加密过的信息进行重加密，并将重加密后的信息发送给VPP。该代理重加密算法是一种基于密文策略的混合代理重加密算法，由基于身份的加密算法和基于密文策略的属性代理重加密算法组合而成，代理商可以将基于属性加密的密文转换成基于身份加密的密文，降低了数据访问者的解密成本，保证了生产信息的不可否认性和可靠性。私有链的性质使得其中心节点有篡改数据的风险，因此我们将私有链的哈希摘要存储在更为安全的联盟链中。交易联盟链主要由CVPP、电力交易中心以及该CVPP所辖的DER和用电单元(住宅、工厂等)所组成。在交易过程中，采用基于声誉的连续双边拍卖机制，交易参与者可以根据当前电量成交价不断的调整自身报价，从而实现利益最大化。融合基于声誉的市场分割机制，依据声誉值对参者进行划分，声誉值越高的参与者，竞拍过程中可获得的优势越大，最终营造出良好的电力市场交易氛围。交易参与者的交易信息与相应的信誉值都被记录在联盟链中，以保证信息的不可篡改性和透明性。另外，为了方便电力市场的交易，采用自定义的能源币作为系统交易的唯一货币。

本发明所述的一种基于双重区块链技术的虚拟电厂安全调度与交易方法，按以下步骤：

(S01)：能源调度或交易参与者在加入虚拟电厂(Virtual Power Plant，VPP)安全调度和交易系统前需要到验证机构注册登记信息，验证机构对申请加入的节点信息进行验证，验证通过的节点则使用基于身份的加密算法为其生成专属公私钥对。所有通过的节点共同组成一个商业联盟链，而各VPP在联盟链的基础上各自构建了自己的调度私有链区块链；

(S02)：内嵌防篡改智能计量设备的分布式能源(Distributed EnergyResources，DER)实时收集生产信息，并通过基于属性的加密算法对生产数据进行加密并将其上传至所属的调度私有链。等到调度私有链中的TVPP需要开始新一轮调度时，其需要向各所属权一致的DER推出的DER代理商发出数据访问申请；

(S03)：接收到来自TVPP的访问申请后，各DER代理商需从调度私有链中聚合出自上一次调度结束至今这一段时间内由所辖DER加密上传的信息。然后，DER代理商利用基于密文策略的混合代理重加密算法生成重加密密钥，并通过该密钥对聚合的加密信息进行重加密。重加密后的信息将被DER代理发送给TVPP，以供TVPP进行调度方案的优化计算。此外，DER代理商还需要不断的为处于交易联盟链上的CVPP提供其所辖的DER报价信息，以便CVPP执行所辖范围内的能源交易；

(S04)：CVPP除了需要收集来自DER的报价信息，还需要收集来自诸如住宅、工厂等用电单元的报价信息。收集到相应的报价信息后，CVPP将根据基于声誉的市场分割机制对参与者进行划分，然后通过连续双边拍卖机制进行交易匹配，并不断的将匹配信息反馈给各参与实体，以便各参与实体进行及时的报价修改。一旦交易匹配成功，CVPP将会在交易联盟链中广播交易信息。拍卖结束后，未匹配成功的信息将发送给电力交易中心，并由电力交易中心负责相关的交易。CVPP和TVPP均为VPP的组成部分，所以TVPP可通过内部通信知道CVPP发布的全部交易信息；

(S05)：集齐来自DER的生产信息和来自CVPP的经济参数信息，TVPP开始计算最优的全局调度方案，在计算过程中，DER代理商可以为TVPP分担计算压力。全局最优方案只有通过电力调度控制中心的安全性校验，才会被TVPP分发给下属的DER代理商。此外，TVPP会根据CVPP中成交的交易记录来督促各DER进行供电，用电单位在接收到确定的电量后，按事先决定的拍卖价格支付能源币；

(S06)：调度私有链上的记账节点将各DER上传的加密的生产信息记录到区块中，验证节点对该区块进行验证，验证通过的区块将连接到调度私有链上。此外，验证节点还需要将调度私有链的哈希摘要存储到交易联盟链上。类似于调度私有链，交易联盟链中也是由预选节点将交易信息、信誉值和调度私有链哈希摘要存储到区块中，而只有通过验证的区块才可以最终被连接到交易联盟链上；

(S07)：当数据被打包成区块存储在区块链当中时，位于该链上的其他节点可通过合法身份对账本进行查阅。与此同时，记录在区块链当中的数据将会被永久存储在上面，且几乎没有可能对该数据进行篡改，这对数据的存储和溯源均具有重大意义。

本发明步骤(S01)所述的基于身份的加密算法(Identity-based Encryption，IBE)，包括以下具体内容：

(1)系统设置。

(2)密钥生成。

KGen

(3)加密。

Enc

(4)解密。

Dec

本发明步骤(S02)所述的基于属性的加密算法，包括以下具体内容：

基于属性的加密算法可分为基于密文策略(Ciphertext Policy，CP)的加密算法以及基于密钥策略(Key Policy，KP)的加密算法，本发明主要使用基于密文属性的加密算法。

(1)系统设置。

(2)密钥生成。

KGen

(3)加密。

Enc

(4)解密。

Dec

本发明步骤(S03)所述的基于密文策略的混合代理重加密算法，包括以下具体内容：

(1)系统设置。

(2)密钥生成。

1)IBE密钥生成。

KGen

2)CP密钥生成。

KGen

(3)加密。

Enc

(4)重加密密钥生成。

RKGen(GP,SK

(5)重加密。

ReEnc(GP,RK

(6)数字签名。

Sig(GP,CT'

(7)密文解密。

Dec(GP,CT

(8)重加密密文解密。

ReDec(GP,CT

本发明步骤(S04)所述的基于声誉的市场分割机制，如下：

基于声誉的市场分割机制按照声誉等级对相应列表进行分割，其目的是令具有高声誉值的买方或卖方可以获得更多更好的报价，本发明所采用的市场分割机制将声誉划分为3个等级，处于等级1的买(卖)方其声誉值范围是[0,2]，处于等级2的买(卖)方其声誉值范围是(2,4]，处于等级3的买(卖)方其声誉值范围是(4,6]。不同的声誉等级可匹配范围也各不相同，处于等级3的买(卖)方可以与所有等级的卖(买)方进行匹配交易，处于等级2的买(卖)方可以与处于等级2/3的卖(买)方进行匹配交易，而处于等级1的买(卖)方只能与处于等级3的卖(买)方进行匹配交易。

本发明步骤(S04)所述的连续双边拍卖机制，如下：

连续双边拍卖机制是一种解决分散资源分配问题的有效市场机制。分散资源分配通常涉及多个参与者，每个参与者都想最大化自己的收益，连续双边拍卖机制通过不断匹配交易参与者的报价来提高整体效益。连续双边拍卖机制根据提交报价的参与者身份，将接收的报价分别存储到买方的竞标列表和卖方的报价列表。竞标列表中，排序规则为价格从高到低排序(降序)；相反，报价列表中的排序规则为价格从低到高排序(升序)。买方的最高报价称为最优买价，卖方的最低报价称为最优卖价，只有最优买价大于等于最优卖价，买卖双方才可能匹配成功，为实现各参与者的利益最大化，成交价为最优买价与最优卖价的平均值。需注意，连续双边拍卖机制按照“价格优先，时间优先”的匹配规则进行匹配，价格相同时，先与报价提交时间早的参与者匹配。

本发明对于所采用的区块链类型的选择，从虚拟电厂的网络节点的分布情况和数据传输效率角度来看，只采用单一的区块链显得不太适合。公有链又被称为非许可链，它允许世界范围内任何拥有联网计算机的用户自由加入、任意读取区块信息，是真正意义上的完全去中心化的区块链，但是网络节点数量太多，数据验证和节点共识时间较长，网络延时大；私有链是指各节点的写入权限完全由某一机构控制，而读取权限则由机构选择性地对外开放的区块链。尽管私有链的共识、验证等过程均被私有机构严格限制在特定范围内，但仍具有多节点运行的区块链通用结构，常将私有链当作一个小范围系统内部的公有链；联盟链是指由多个组织或机构组成的具有共同维护和准入机制等特点的多中心化区块链，只有经过联盟认证的机构才可以加入联盟链。联盟链中的共识节点较少，数据验证和共识时间更短，加快了区块的生成，且联盟链的安全等级足够日常使用；对于虚拟电厂的交易来说，因为涉及到数字财产的转移，所以需要安全等级较高的区块链，而公有链耗时太多，私有链存在中心节点篡改数据的风险，联盟区块链自然而然的成为最优的选择。对于虚拟电厂的调度来说，DER实时上传大量的数据，为满足大量数据的快速存储问题，私有链无疑是最好的选择，但私有链存储的数据存在安全风险。为解决该问题，我们将私有链的哈希摘要存储到交易联盟链中，依靠联盟链的安全性来保障私有链数据的安全性。在调度私有链中，本发明采用强领导式的Raft共识机制，该机制可以保证数据区块的快速生成。在交易联盟链中，本发明采用了拜占庭容错算法共识机制，该算法使系统即便有一些异常节点，也不会影响最终结果。

本发明通过双重区块链技术来保障虚拟电厂安全调度和交易中信息的存储和通信问题，为虚拟电厂提供了一个成本低廉、公开透明的信息与交易平台。利用基于密文策略的混合代理重加密技术，保障了生产信息的真实性和机密性，而其中采用的基于身份的签名算法，保障了数据的安全性、防篡改、不可否认性和完整性等。利用智能合约实现了基于声誉的连续双边拍卖机制，虚拟电厂收集到报价信息后即可通过调用智能合约来实现交易的匹配。最后，一种新型的电子货币——能源币被提出并作为本系统的唯一交易货币，在用户首次注册时，系统会赠送一定量的能源币给用户。当用户能源币不足时可以从电力交易中心或DER代理商处购买能源币。此外，信誉好的用户有机会参与系统共识过程，从而得到系统奖励的能源币，这促进了参与者提高自身声誉的热情，有助于形成良好的市场行为，同时也可以提高系统的稳定性和活跃性。

附图说明

图1为三种区块链模型图，其中(a)为公有链模型，(b)为联盟链模型，(c)为私有链模型。

图2为虚拟电厂信息交互与运行流程图。

图3为基于双重区块链的虚拟电厂数据存储与共享模型图，其中PV为光伏发电，WE为风能发电，HE为水能发电，EV为电动汽车，DES为分布式能源存储设备。

图4为调度私有链数据存储区域模型图。

图5为交易联盟链数据存储区域模型图。

图6为基于双重区块链的虚拟电厂安全调度模型图。

图7为基于双重区块链和声誉的虚拟电厂市场交易模型图。

图8为简化的PBFT算法共识流程图。

具体实施方式

以下将结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明采用双重区块链来实现虚拟电厂的安全调度和交易，区块链模型如图1所示。区块链技术根据其节点参与方式，可分为公有链、联盟链和私有链三种。公有链虽然安全度最高，但是其消耗的资源也十分强大，因而本发明未采用公有链。相比于公有链，联盟链的安全度虽然有所降低，但其交易速率快、读写权限可设定以及资源消耗小的优点深受市场欢迎。此外，尽管私有链的共识、验证等过程均被私有机构严格限制在特定范围内，但它在存储大规模数据方面有着巨大优势。综上所述，采用联盟链+私有链的双重区块链技术可以实现虚拟电厂的运行效益最大化。为了更好的凸显不同类型区块链上的工作流程，本发明根据虚拟电厂的功能将其划分为商业性虚拟电厂(CVPP)和技术型虚拟电厂(TVPP)，如图2。

1.本发明的模型设计。

如图3为本发明的整体结构，具体参数定义如下：

发电单元节点：发电单元节点是指由分布式电源、分布式储能、可控负荷和电动汽车几部分组成的DER节点，DER节点既存在于调度私有链中，也存在于交易联盟链中。当DER节点扮演私有链节点的角色时，它们会实时的上传自身生产信息到私有链中，以便虚拟电厂节点可以使用真实可靠的生产信息进行调度优化方案的计算。当DER节点扮演联盟链节点的角色时，它们要做的就是不断发送能源报价、信誉值等交易信息给虚拟电产，目标是实现自身利益最大化。

用电单元节点：用电单元节点是指住宅、工厂等需求侧节点，不同于发电单元节点，用电单元节点只扮演联盟链节点的角色即可，其主要工作是发送同上述类似的交易信息给虚拟电厂节点，通过虚拟电厂进行交易匹配。当交易匹配成功且能源运输完毕，用电单元节点将支付发电单元节点能源币作为报酬。能源币除了从其他用户处购买外，还可以通过参与联盟链的共识过程来获得，但只有声誉好的节点才有可能加入共识过程。

虚拟电厂(VPP)节点：虚拟电厂节点按照其功能区别可划分为技术型虚拟电厂(TVPP)节点和商业型虚拟电厂(CVPP)节点两个模块。TVPP节点主要作用于私有链，主要作用是通过采用数学算法或者智能启发式算法计算来自DER节点和CVPP节点的信息，从而得到最优的全局调度方案。CVPP节点主要作用于联盟链，主要作用是调用基于声誉的连续双边拍卖算法，进行用电单元节点与发电单元节点的交易匹配。

可信机构节点：该节点是被认为最安全可信的。在本发明中，它指的是电力调度控制中心、电力交易中心和验证机构，由于验证机构只是在初始注册阶段起作用，而图3表示的是已经通过验证的节点总体框架，所以这里并未画出验证机构。电力控制中心存在于所有由虚拟电厂节点构建的私有链中，它的存在是为了校验虚拟电厂节点生成的最优方案是否安全。电力交易中心，存在于联盟链中，主要是为匹配失败的用电单位节点和发电单位节点提供服务。

本发明所用符号如表1所示：

表1本发明所用符号

2.本发明的区块链结构。

在本发明的所提的双重区块链结构中，私有链存储的信息具有大规模的特点，而联盟链存储的信息具有高价值的特点。针对存储信息各自的特点，我们在私有链和联盟链中分别采取不同的区块结构。步骤(S06)中的私有链区块结构如图4所示，联盟链区块结构则如图5所示。

图4为调度私有链数据存储区域模型，该数据存储模型类似与比特币，当一个新的区块被允许加入到区块链中，分布式节点将其链接到最长合法区块链中。区块链记录的信息便存在于这些区块中，区块分为区块头和区块体两部分。区块头主要用来存储版本号，前一区块哈希，时间戳，默克尔根和当前区块哈希等信息，其中默克尔根表示的是区块中包含的全体交易组合的的总哈希值。交易的具体信息则存储在区块体中，交易数据通过默克尔树两两配对哈希，最后指向区块头中的默克尔根。

图5为交易联盟链数据存储区域模型，该模型采用以太坊的数据存储模式，以太坊在比特币的存储方式上做了改进，提出了基于账户的数据存储模式。基于以太坊的存储方式，区块头中多了一个布隆过滤器，该过滤器主要用来判断某区块的交易是否产生了日志，从而避免区块中存储日志信息，达到节省空间的作用。此外，其区块头存储的不再是默克尔根，而是默克尔帕特里夏树(Merkel Patricia Tree，MPT)根。MPT是由默克尔树和帕特里夏树(Patricia Tree，PT)组成的，MPT与PT的区别就是连接节点的指针是哈希指针，最后会保存一个默克尔根。PT是前缀树的变种，工作原理与前缀树类似，但是对前缀树的字符进行了压缩，从而达到节约存储空间的作用。以太坊区中存在三种类型的MPT：状态树、交易树和收据树。状态树，整个系统只有一颗，记录整个区块链网络的账户状态，例如账户余额。每个区块中都会存在一棵交易树和一棵收据树，前者记录该区块的交易信息，后者记录该区块的交易收据。为确保私有链中数据的安全性，联盟链的交易树中除了存储交易信息外，还应存储私有链哈希摘要。

3.本发明的安全调度流程。

本发明提出的安全调度模型是基于虚拟电厂信息通信这一技术模块提出的，由于虚拟电厂是以数据驱动的，破坏数据的真实性将对整个调度系统的稳定性造成严重影响。不同于传统的虚拟电厂信息交互，本发明采用区块链技术来进行信息的共享。智能计量设备的数据是实时更新上传的，如果直接通过区块链技术传递给VPP将会造成巨大的通信负担。虚拟电厂通常是5分钟或15分钟聚合一次数据，为确保这段时间内数据的真实性和机密性，智能计量设备将数据加密存储至区块链中。当数据被加密时，很难与其他想要访问该数据的用户进行共享。代理重加密可以在不泄露加密者私钥的前提下，通过半信任的代理将加密文件转换成数据请求者可以用自己私钥解密的密文。本发明具体的实现方法是利用所提的一种基于密文策略的混合代理重加密算法，如(S03)。

图6为本发明的安全调度模型，其中调度过程中的详细内容如下：

(1)步骤1：

验证机构对申请加入的节点进行验证，验证通过的节点则使用基于身份的加密算法为其生成专属公私钥对(PK

(2)步骤2：

内嵌防篡改智能计量设备的DER利用加密密钥SK

(3)步骤3：

混合控制模型下，存在DER代理商分担TVPP的运行压力，而DER代理商负责的DER所属权一致，所以我们令DER代理商兼顾代理重加密中代理人一职。私有链中的TVPP需要进行新一轮调度时，需要向DER代理商发出数据访问申请。

(4)步骤4：

接收到来自TVPP的数据访问申请之后，DER代理商从私有链中聚合出自上一次调度结束至今这一段时间内由DER加密上传的数据CT

(5)步骤5：

由于DER代理商拥有所管辖DER的所属权，所以本系统的代理重加密密钥

(6)步骤6：

重加密密文

(7)步骤7：

基于联盟链的CVPP收集所辖范围内的报价信息，然后通过基于声誉的连续双边拍卖机制促成电能交易。对于未成功交易的参与者，则交由电力交易中心处理。交易过程中，DER的声誉值和交易成交量等相关经济信息将在虚拟电厂的内部通信中实现信息传递。需注意，虚拟电厂内部通信是双向的，这意味着CVPP同样可在此阶段获得来自TVPP传递的消息。

(8)步骤8：

集齐来自DER的生产信息和来自CVPP的经济参数信息，TVPP通过采用数学算法或者智能启发式算法计算出最优的全局调度方案，在计算过程中，DER代理商可以为TVPP分担计算压力。此外，DER的声誉值可在一定程度上影响最终的结果，声誉值高的会适当考虑分配更多的生产额度。

(9)步骤9：

TVPP首先将计算出的调度方案发送给PDCC进行安全性校验，若校验通过，TVPP将该计划发送给同一私有链中的所有DER代理商，若校验失败，TVPP需重新计算新的最优调度计划。

(10)步骤10：

DER代理商将接收到的调度方案发送至所管辖的DER，然后督促DER响应调度优化方案，响应速率和方案完成程度将影响信誉值的评定。

4.本发明的交易流程。

本发明中采用基于声誉的连续双边拍卖机制进行能源的交易，如(S04)。连续双边拍卖机制是集中出清方式的一种，是在中介优化调度下的统一交易，其允许交易双方在每一次的拍卖过程中都可以对自己的报价进行修改。为确保交易双方拥有良好的市场行为，我们在连续双边拍卖机制中引入了声誉这一概念，每个用户都拥有自己的声誉分，每过一段特定的时间都会对交易双方的声誉进行重新评估，声誉分的高低直接与用户的经济利益挂钩，声誉分越高的用户，越能够实现自身利益最大化的目标。基于声誉的连续双边拍卖流程如图7，详细内容如下：

(1)初始化：

类似于调度过程中的步骤1，初始化的作用是验证交易者身份，并为验证通过者提供公私钥对(PK

(2)基于声誉的CDA拍卖阶段：

发电单元和用电单元将自身的报价、需求量及声誉发送给CVPP，CVPP根据基于声誉的连续双边拍卖机制进行交易匹配，并不断的将匹配信息反馈给各参与实体，以便进行及时的报价修改。一旦交易匹配成功，CVPP将会在联盟链中广播交易信息，此时并未记录到区块中，只有全部阶段都完成了，交易信息才会存储进区块中。拍卖结束后，未匹配成功的信息将发送给电力交易中心，并由电力交易中心负责相关的交易。

(3)交易与清算阶段：

成功匹配的发电单位检查交易信息，确认无误后，按确定的交易电量向对应的用电单位供电。该用电单位在接收到确定的电量后，按照事先谈判好的价格支付能源币。在此过程中，任何一方未按规定完成交易都将受到系统的经济惩罚，且扣除一定量的声誉值。未成功匹配的发电单位可以选择将多余的电能卖给电力交易中心，从而获得一定量的能源币回馈。同时，该发电单位也可以选择将电能存储在自身所拥有的储能设备中，并等待下一轮拍卖。未匹配成功的用电单位则直接从电力交易中心购买电能。

5.本发明的共识流程。

由于本发明中使用了私有链和联盟链两种不同的区块链，为了更好的实现两种链的优点，我们在不同的链上采取了不同的共识机制。在调度私有链上，我们统一采用强领导式的Raft共识算法。Raft共识算法中存在领导者、候选者和追随者三种身份，在正常工作情况下，只存在一个领导者，其它所有节点都是追随者。候选者和追随者的区别在于，领导者无法正常运行时，新的领导者将从候选者中选出。在这里，我们对调度私有链运用Raft共识算法生成新区块的工作流程进行简单的说明。首先，领导节点对来自DER的数据进行审核，审核通过则发送给DER代理商进行复验。其次，DER代理商对领导节点发来的数据进行复验，并将复验结果返还给领导节点。最后，领导节点将审验和复验都通过的数据打包成区块上传至私有链，并将其哈希摘要发送给交易联盟链。

PoW通常是公有链采用的共识算法，拥有着最高的安全性，但其工作效率低、资源损耗大，无法满足用户实时性需求。PoS虽然在一定程度上减少了PoW的资源损耗问题，但其存在过度集中的问题。因而，联盟链通常使用PBFT共识算法来完成新区块的生成。本发明在交易联盟链上采用的正是PBFT共识算法，不同的是，本发明中的共识节点是不断变化的。根据参与节点声誉值，系统随机选取一定数量的节点组成共识委员会。系统中每一个交易周期开始前，都会生成一个新的共识委员会，该共识委员会的工作时间为交易周期时间。交易周期结束后，系统会依据当前节点声誉值重新配置新的共识委员会。需注意，共识委员会内的节点总数不变，除了第一次配置委员会共识节点全部都是新节点，之后的重配置只是随机置换一定数量的旧节点。共识委员会生成后，开始运行PBFT共识算法。PBFT算法中的共识节点分为两种，领导者节点和备份节点，共识过程中的领导节点只存在一个，其它均为备份节点。简化的PBFT算法共识过程如图8所示，其详细内容如下：

(1)请求(request)：客户端向任何节点发送请求，首先激活节点服务操作的共识节点被称为领导者。

(2)预准备(pre-prepare)：领导节点收到来自客户端的信息请求之后，将事务的执行顺序广播给各备份节点。

(3)准备(prepare)：当各备份节点收到来自领导节点的消息后，可以有两种不同的选择，第一种为接受并再次传播消息，第二种为不接受并拒绝做出任何反应。图8中的备份节点1和备份节点2选择了第一种选择，备份节点3则选择了第二种。此时，备份节点3可能处于宕机状态或被恶意挟持。

(4)承诺(commit)：若各共识节点在“准备”阶段接收到(n-f)个相同的请求，那么将进入“承诺”阶段，并全网广播承诺信息。n为共识节点总数，f为共识节点中最多可容纳的拜占庭节点数量。

(5)答复(reply)：如果共识节点收集到足够多的相同承诺信息，则节点将其反馈给客户端。当且仅当f≤(n-1)/3时，共识结果才值得信赖。

经过验证的信息将被构造成新的区块，然后链接到当前交易联盟链的尾端，区块高度+1。为了激励节点更积极的参与进共识过程，所有被选中的共识节点都可以在区块生成过程中获得系统发放的能源币作为奖励。

6.本发明安全性分析。

本发明的数据安全性对整个虚拟电厂系统来说至关重要，且满足数据交易和数据存储所需的安全需求。相关安全性如下：

(1)真实性：虚拟电厂是一种数据驱动的技术，如果虚拟电厂无法得到真实的数据，那么之后所有的操作都是没有意义的。虚拟电厂当前的诸多操作，大多是建立在区块链上的数据具有真实性这一理论基础上。实际上，区块链技术只能保证链上数据的真实性，而无法保证输入数据的真实性。为了保证输入数据的真实性，本发明提出在数据端采用防篡改的智能计量设备进行数据采集工作，采集的数据实时上传至本地区块链中。至此，链上于链下的数据均具有真实性，虚拟电厂可放心的对数据进行处理。

(2)机密性：防篡改的智能计量设备会实时上传DER的各种数据信息，如果不在上传前给这些信息进行加密，则容易造成DER拥有者隐私的泄露。如果DER拥有者要与虚拟电厂共享加密数据，他需要下载密文CT

(3)透明性和可追溯性：区块链上存储的数据对所有加入的节点都是公开透明的，尽管为了保证数据的机密性，这里存储的可能是密文CT

(4)不可篡改性和不可否认性：区块链上的不可篡改性与所采用的共识机制有关。本发明采用的双重区块链架构，私有链上采用的是强领导Raft共识算法，联盟链采用PBFT共识算法。在私有链上，领导者可能对数据进行篡改，为了避免这一情况，我们将私有链的哈希存储在联盟链中，依靠联盟链的不可篡改性来保证私有链的不可篡改性。由于联盟链的的共识节点是基于信誉选取的，而信誉越高的节点能收获的利益越多，超过三分之一的高信誉共识节点同时攻击联盟链违背了自身利益，不太可能发生。因而，可以同时保证联盟链和私有链的不可篡改性。不可否认性则依靠数字签名来实现，每一笔交易的产生都需要用户对该交易签名，一旦用户抵赖，我们可以使用其公钥来验证签名的正确性，从而实现追责的目的。

7.本发明将通过以下两个实施例作进一步说明。

实施例1：发电单元发送生产相关信息供虚拟电厂进行安全调度。即图6中相应的步骤如下：

(1)系统设置：

GP＝(p,g,g

需注意的是，IBE的系统公共参数和主密钥已经被式1所包含，具体的IBE系统公共参数GP

GP

由主密钥MSK

(2)密钥生成：

IBE密钥生成KGen

CP密钥生成KGen

验证中心将属性集S的密钥输出为

(3)加密：

Enc

CP-HAPRE为DER提供了两种加密选择：当DER只想与DER代理商共享数据而不想对数据进行重加密时，那么输出的密文为

当DER需要对数据进行重加密时，必须计算

由于只有式8所指的密文支持重加密，所以我们将重点放在该密文上。

(4)重加密密钥生成

最终，完整的重加密密钥如式10所示

(5)重加密：

式11中的j是S中属性ρ(i)的索引。求出V之后，DER代理商对密文进行设置

W'＝W/V,W'

DER代理商最后输出的重加密密文为

(6)数字签名：

DER代理商最后输出的数字签名为σ＝(U,q)。

(7)密文解密：

Dec(GP,CT

式15中的j是S中属性ρ(i)的索引。明文消息为M＝W/M'。

(8)重加密密文解密：

和

W'

最后，VPP恢复出经过DER加密的明文信息M＝W'e(g

实施例2：虚拟电厂获取交易信息并实施拍卖的具体实现过程。即图7中相应的步骤如下：

基于声誉的CDA机制中包含三个实体：买家、卖家和拍卖商。在本发明中，住宅、工厂等用电单元代表着买家，光伏发电厂、水力发电厂等发电单元代表着卖家，而CVPP则承担起拍卖商的责任。在交易周期开始时，用电单元和发电单元分别向CVPP提交初始的

式中，

在收到来自用电单元和发电单元提交的

可以看出，BL和OL均被划分成三个列表，其中t表示交易的轮数，RL

交易周期开始时，用电单元和发电单元都想获得更多的利益，因而用电单元最初的购买价会是最低的，发电单元最初的出售价会是最高的。在这种情况下，第1轮的交易匹配成功数量会相对较少。为了增加后续交易中的匹配成功次数，每轮交易结束后，CVPP需要做两件事。第一件事，撮合匹配成功的用电单元i和发电单元j进行交易，并将交易信息Tx

ID

第二件事，计算竞争均衡价格E

其中A表示估算的起始交易编号，B表示结束交易编号，s表示A到B之间递增的整数，p

下一轮交易开始前，用电单元和发电单元根据E

η的取值范围为[0,1]，从上式不难看出

计算出下一轮交易的出价后，两者提交新一轮的交易信息，具体如下所示：

CVPP接收到交易信息，查看当前每轮交易匹配时间之和T

如果能源交易过程中发生某些意料之外事件发生，这将激活触发器。然后，CVPP重启算法1(Algorithm1)并重新初始化参数。算法1给出了基于声誉的CDA机制的整体流程。