适用于多虚拟电厂交易的改进拜占庭容错算法共识机制

doi:10.11930/j.issn.1004-9649.202304046

中国电力 ›› 2024, Vol. 57 ›› Issue (1): 71-81, 157.DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202304046

适用于多虚拟电厂交易的改进拜占庭容错算法共识机制

张书涵¹(), 艾芊²(), 李晓露¹(), 王帝²()

1. 上海电力大学电气工程学院，上海　200090
2. 上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海　200240

收稿日期:2023-04-13 接受日期:2023-07-24 出版日期:2024-01-28 发布日期:2024-01-23
作者简介:张书涵（1998—），男，硕士研究生，从事区块链技术与虚拟电厂研究，E-mail：zsh18338461186@163.com
艾芊（1969—），男，通信作者，博士，教授，从事虚拟电厂调度及市场运行、能源互联网、区块链技术研究，E-mail：aiqian@sjtu.edu.cn
李晓露（1971—），女，博士，教授，从事电力企业信息集成、电力调度自动化、配电自动化、综合能源系统研究，E-mail：lixiaolu_sh@163.com
王帝（1998—），男，博士研究生，从事虚拟电厂可信交易研究，E-mail：929779082@qq.com
基金资助:
国家重点研发计划资助项目（2021YFB2401203）。

Improved PBFT Consensus Mechanism for Multi-virtual Power Plant Transactions

Shuhan ZHANG¹(), Qian AI²(), Xiaolu LI¹(), Di WANG²()

1. College of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090
2. School of Electric Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200040

Received:2023-04-13 Accepted:2023-07-24 Online:2024-01-28 Published:2024-01-23
Supported by:
This work is supported by the National Key R&D Program of China (No.2021YFB2401203).

摘要/Abstract

摘要：

分布式能源投资主体的多样性，使各资源在互动过程中的信任构建更加困难，因此需要探究多虚拟电厂交互模式并构建相应信任体系。基于主侧区块链技术构建了多虚拟电厂交易模型总体架构，明确了多虚拟电厂交易流程。通过主侧锚定技术构建跨链通道，实现多虚拟电厂链上协同运行模式。针对节点维护区块链网络环境积极性不高导致的信任环境缺失和区块链性能下降的问题，基于节点功能不同提出了一种差异化信用评价指标来规范节点行为，同时利用该指标对拜占庭容错算法（practical byzantine fault tolerance，PBFT）进行改进。实验结果表明使用差异化信用评价指标改进的共识算法在所提多虚拟电厂架构下能构建信任环境并提升共识效率。

关键词: 跨链, 多链协同, 差异化信用值评价, 多虚拟电厂, 改进共识

Abstract:

The diversity of distributed energy investment entities makes it more difficult to build trust in the process of interaction between resources, so it is necessary to explore the interaction mode of multi-virtual power plants and build a corresponding trust system. Based on the main and side blockchain technology, this paper constructs an overall architecture for the multi-virtual power plant transaction model and clarifies the transaction process of multi-virtual power plant. A cross-chain channel is constructed through the main side anchoring technology to realize the on-chain collaborative operation mode of multi-virtual power plants. To solve the problems of the lack of trust environment and the decline of blockchain performance caused by the low enthusiasm of nodes to maintain the blockchain network environment, a differentiated credit evaluation index is proposed to standardize node behavior based on different node functions, and the practical byzantine fault tolerance (PBFT) algorithm is improved using this index. Experimental results show that the consensus algorithm improved by the differentiated credit evaluation indicators can build a trust environment and improve the consensus efficiency under the proposed multi-virtual power plant architecture.

Key words: cross-chain technology, multi-chain synergy, differentiated credit value evaluation, multi-virtual power plant, improved consensus

张书涵, 艾芊, 李晓露, 王帝. 适用于多虚拟电厂交易的改进拜占庭容错算法共识机制[J]. 中国电力, 2024, 57(1): 71-81, 157.

Shuhan ZHANG, Qian AI, Xiaolu LI, Di WANG. Improved PBFT Consensus Mechanism for Multi-virtual Power Plant Transactions[J]. Electric Power, 2024, 57(1): 71-81, 157.

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图/表 11

参考文献 24

1	殷爽睿, 艾芊, 宋平, 等. 虚拟电厂分层互动模式与可信交易框架研究与展望[J]. 电力系统自动化, 2022, 46 (18): 118- 128.
	YIN Shuangrui, AI Qian, SONG Ping, et al. Research and prospect of hierarchical interaction mode and trusted transaction framework for virtual power plant[J]. Automation of Electric Power Systems, 2022, 46 (18): 118- 128.
2	刘起兴, 胡亚平, 许丹莉, 等. 计及综合能源服务商调节域的综合需求响应市场机制[J]. 电网技术, 2021, 45 (5): 1932- 1943.
	LIU Qixing, HU Yaping, XU Danli, et al. Integrated demand response market mechanism considering adjustable region of integrated energy service providers[J]. Power System Technology, 2021, 45 (5): 1932- 1943.
3	郭威, 杨鹏, 张凯, 等. 基于区块链的微电网群电力交易方法[J]. 高电压技术, 2021, 47 (11): 3810- 3818.
	GUO Wei, YANG Peng, ZHANG Kai, et al. Power transaction method of microgrid group based on blockchain[J]. High Voltage Engineering, 2021, 47 (11): 3810- 3818.
4	佘维, 顾志豪, 杨晓宇, 等. 异构能源区块链的多能互补安全交易模型[J]. 电网技术, 2019, 43 (9): 3193- 3201.
	SHE Wei, GU Zhihao, YANG Xiaoyu, et al. A model of multi-energy complementation and safety transaction on heterogeneous energy blockchain[J]. Power System Technology, 2019, 43 (9): 3193- 3201.
5	CUI S C, WANG Y W, XIAO J W, et al. A two-stage robust energy sharing management for prosumer microgrid[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2019, 15 (5): 2741- 2752. DOI
6	YANG Q, WANG H, WANG T T, et al. Blockchain-based decentralized energy management platform for residential distributed energy resources in a virtual power plant[J]. Applied Energy, 2021, 294, 117026. DOI
7	周洪益, 钱苇航, 柏晶晶, 等. 能源区块链的典型应用场景分析及项目实践[J]. 电力建设, 2020, 41 (2): 11- 20.
	ZHOU Hongyi, QIAN Weihang, BAI Jingjing, et al. Typical application scenarios and project review of energy blockchain[J]. Electric Power Construction, 2020, 41 (2): 11- 20.
8	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. DOI
	WANG Beibei, LI Yachao, ZHAO Shengnan, et al. Key technologies on blockchain based distributed energy transaction[J]. Automation of Electric Power Systems, 2019, 43 (14): 53- 64. DOI
9	刘威, 孙艺新, 陈睿欣, 等. 基于区块链的电力数据交易方案设计[J]. 中国电力, 2021, 54 (5): 17- 27.
	LIU Wei, SUN Yixin, CHEN Ruixin, et al. Design of power data trading scheme based on blockchain[J]. Electric Power, 2021, 54 (5): 17- 27.
10	蔡金棋, 李淑贤, 樊冰, 等. 能源互联网中基于区块链的能源交易[J]. 电力建设, 2017, 38 (9): 24- 31. DOI
	CAI Jinqi, LI Shuxian, FAN Bing, et al. Blockchain based energy trading in energy Internet[J]. Electric Power Construction, 2017, 38 (9): 24- 31. DOI
11	李彬, 曹望璋, 张洁, 等. 基于异构区块链的多能系统交易体系及关键技术[J]. 电力系统自动化, 2018, 42 (4): 183- 193. DOI
	LI Bin, CAO Wangzhang, ZHANG Jie, et al. Transaction system and key technologies of multi-energy system based on heterogeneous blockchain[J]. Automation of Electric Power Systems, 2018, 42 (4): 183- 193. DOI
12	邵炜晖, 许维胜, 徐志宇, 等. 基于区块链的虚拟电厂模型研究[J]. 计算机科学, 2018, 45 (2): 25- 31. DOI
	SHAO Weihui, XU Weisheng, XU Zhiyu, et al. Study on virtual power plant model based on blockchain[J]. Computer Science, 2018, 45 (2): 25- 31. DOI
13	邰雪, 孙宏斌, 郭庆来. 能源互联网中基于区块链的电力交易和阻塞管理方法[J]. 电网技术, 2016, 40 (12): 3630- 3638.
	TAI Xue, SUN Hongbin, GUO Qinglai. Electricity transactions and congestion management based on blockchain in energy Internet[J]. Power System Technology, 2016, 40 (12): 3630- 3638.
14	李飞, 徐弢, 林济铿, 等. 计及分布式电源出力和负荷不确定性的配电网孤岛划分[J]. 电力系统自动化, 2015, 39 (14): 105- 113, 132. DOI
	LI Fei, XU Tao, LIN Jikeng, et al. Island partition of distribution network considering uncertainty of distributed generators and loads[J]. Automation of Electric Power Systems, 2015, 39 (14): 105- 113, 132. DOI
15	周洪益, 余爽, 柏晶晶, 等. 基于区块链技术的虚拟电厂交易管理模式研究[J]. 电力需求侧管理, 2021, 23 (1): 72- 76.
	ZHOU Hongyi, YU Shuang, BAI Jingjing, et al. Research on trading pattern of virtual power plant based on blockchain technology[J]. Power Demand Side Management, 2021, 23 (1): 72- 76.
16	王栋, 李达, 冯景丽, 等. 考虑绿色属性的多微网间电能可信自治交易方法[J]. 电力系统自动化, 2022, 46 (23): 1- 10.
	WANG Dong, LI Da, FENG Jingli, et al. Trustworthy and autonomous electricity trading method among multiple microgrids considering green property[J]. Automation of Electric Power Systems, 2022, 46 (23): 1- 10.
17	伊书鑫, 胡健, 路尧, 等. 电力现货市场中多虚拟电厂交易策略[J]. 控制工程, 2022, 29 (9): 1587- 1592.
	YI Shuxin, HU Jian, LU Yao, et al. Trading strategy of multiple virtual power plants in the electricity spot market[J]. Control Engineering of China, 2022, 29 (9): 1587- 1592.
18	邱革非, 余欣蓉, 金乐婷, 等. 多虚拟电厂博弈的区域电网经济调度[J]. 电力系统及其自动化学报, 2021, 33 (6): 75- 83.
	QIU Gefei, YU Xinrong, JIN Yueting, et al. Economic dispatching of regional power grid based on multi-virtual power plant game[J]. Proceedings of the CSU-EPSA, 2021, 33 (6): 75- 83.
19	宋嘉启, 杨永标, 徐青山, 等. 多虚拟电厂参与日前电力市场的鲁棒竞标博弈方法[J]. 电力自动化设备, 2023, 43 (5): 77- 85.
	SONG Jiaqi, YANG Yongbiao, XU Qingshan, et al. Robust bidding game approach for multiple virtual power plants participating in day-ahead electricity market[J]. Electric Power Automation Equipment, 2023, 43 (5): 77- 85.
20	周步祥, 张越, 臧天磊, 等. 基于区块链的多虚拟电厂主从博弈优化运行[J]. 电力系统自动化, 2022, 46 (1): 155- 163.
	ZHOU Buxiang, ZHANG Yue, ZANG Tianlei, et al. Blockchain-based stackelberg game optimal operation of multiple virtual power plants[J]. Automation of Electric Power Systems, 2022, 46 (1): 155- 163.
21	戴鹏. 基于实用拜占庭共识算法(PBFT)的区块链模型的评估与改进[D]. 北京: 北京邮电大学, 2019.
	DAI Peng. Evalution and research of blockchain model based on practical byzantine consensus algorithm(PBFT)[D]. Beijing: Beijing University of Posts and Telecommunications, 2019.
22	林洁瑜, 崔维平. 基于双链区块链的电力数据资产交易系统架构[J]. 中国电力, 2021, 54 (11): 164- 170, 180.
	LIN Jieyu, CUI Weiping. Power-data-asset trading platform architecture based on double-chained blockchain[J]. Electric Power, 2021, 54 (11): 164- 170, 180.
23	李涛. 基于区块链的主从多链及其共识算法研究[D]. 成都: 电子科技大学, 2021.
	LI Tao. Research on blockchain-based master-slave multichain and its consensus algorithm[D]. Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China, 2021.
24	邹贤, 沈力, 张伟等. 基于信用评分的电力交易区块链改进RAFT共识机制[J]. 南方电网技术, 2022, 16 (6): 132- 139.
	ZOU Xian, SHEN Li, ZHANG Wei, et al. Improved RAFT consensus mechanism for power transaction blockchain based on credit scoring[J]. Southern Power System Technology, 2022, 16 (6): 132- 139.

类型	数据名称	存储内容
主链区块头数据结构	TimeStamp	交易时间戳
	Pre_Hash	上一区块哈希值
	Merkel_Root	默克尔根
	TranEvaluation	交易评价
	Index	区块高度
主链区块体数据结构	From	请求发起者
	To	请求接收者
	OBC_Type	从链协同区块标识
	OBC_Index	从链协同区块高度
	OBC_Hash	从链协同区块哈希值
协同区块数据结构	TimeStamp	交易时间戳
	Pre_Hash	上一区块哈希值
	TranEvaluation	交易评价
	MBC_Type	主链区块标识
	Index	区块高度

类型	数据名称	存储内容
主链区块头数据结构	TimeStamp	交易时间戳
	Pre_Hash	上一区块哈希值
	Merkel_Root	默克尔根
	TranEvaluation	交易评价
	Index	区块高度
主链区块体数据结构	From	请求发起者
	To	请求接收者
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协同区块数据结构	TimeStamp	交易时间戳
	Pre_Hash	上一区块哈希值
	TranEvaluation	交易评价
	MBC_Type	主链区块标识
	Index	区块高度

节点类型	侧链节点	主链节点	备注
主节点	VMC	电网交易中心	考虑到VMC和电网交易中心在系统中的层级优势和管控能力，故分别选取二者为侧链、主链主节点
共识节点	大型分布式发电商及工业用户等	各VMC	主侧链共识节点的选取要考虑节点信誉值
监督节点	MLTS系统节点		所有节点交互均发生在MLTS系统中，此特性决定其适合担任监督节点
普通节点	其他分布式资源	分布式资源	无

节点类型	侧链节点	主链节点	备注
主节点	VMC	电网交易中心	考虑到VMC和电网交易中心在系统中的层级优势和管控能力，故分别选取二者为侧链、主链主节点
共识节点	大型分布式发电商及工业用户等	各VMC	主侧链共识节点的选取要考虑节点信誉值
监督节点	MLTS系统节点		所有节点交互均发生在MLTS系统中，此特性决定其适合担任监督节点
普通节点	其他分布式资源	分布式资源	无

虚拟电厂	风电/ 光伏	火电机组	热电联产	居民负荷	工业负荷	不确定性负荷	大型储能
VPP1	√	×	×	√	×	√	×
VPP2	√	×	×	×	√	√	×
VPP3	×	√	×	√	√	×	×
VPP4	×	√	√	√	√	×	√

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节点特性	P1—P5	P6—P89	P90—P99	P100
初始信用值	0.50	0.50	0.50	0.50
作为主节点正确动作概率	0.98
作为主节点误打包区块概率	0.01
作为主节点篡改区块链概率	0.01
作为普通节点正确动作概率		0.95
作为普通节点恶意动作概率		0.05
作为共识节点正确动作概率			0.97
作为共识节点离线概率			0.01
作为共识节点共识超时概率			0.02
作为监督节点正确动作概率				0.99
作为监督节点恶意问责概率				0.01

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