施泉生， 黃曉輝， 胡偉， 郝一旭， 張小彪

(上海電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，上海 200090)

0 引言

當(dāng)前電力市場(chǎng)交易模式具有維護(hù)成本高、數(shù)據(jù)被篡改風(fēng)險(xiǎn)大和用戶隱私安全性低等缺點(diǎn)[1—4]。隨著電力市場(chǎng)交易主體越來(lái)越多，交易數(shù)據(jù)越來(lái)越龐大，電力交易安全性以及交易效率難以得到保證。區(qū)塊鏈憑借其去中心化和高安全性等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)。進(jìn)行電力交易時(shí)，將區(qū)塊鏈技術(shù)和智能合約相結(jié)合并加以改進(jìn)，可使電力交易過(guò)程更加安全高效，降低第三方管理機(jī)構(gòu)的運(yùn)行和維護(hù)成本，進(jìn)一步激發(fā)電力市場(chǎng)活躍性。

文獻(xiàn)[5—6]將區(qū)塊鏈技術(shù)與電力交易相結(jié)合，構(gòu)建電力交易框架并在區(qū)塊鏈中存儲(chǔ)和驗(yàn)證電力交易信息。文獻(xiàn)[7—8]研究如何在區(qū)塊鏈中對(duì)電力交易進(jìn)行認(rèn)證、執(zhí)行和結(jié)算。但上述文獻(xiàn)僅在電力交易中引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)并加以應(yīng)用，未考慮購(gòu)電方影響，買方無(wú)法選擇合適的購(gòu)電對(duì)象；文獻(xiàn)[9]通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)提高電力交易效率；文獻(xiàn)[10]提出基于區(qū)塊鏈技術(shù)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)架構(gòu)電力交易模式，直接通過(guò)區(qū)塊鏈錢包進(jìn)行交易；文獻(xiàn)[11]提出基于區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)電力交易博弈模型，達(dá)到降低交易費(fèi)用、提高交易速度的目標(biāo)。但上述文獻(xiàn)僅通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)提高電力交易效率，未考慮交易過(guò)程中可能存在第三方惡意攻擊的安全問(wèn)題。文獻(xiàn)[12]利用區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化和可追溯性，解決工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的電力交易信任問(wèn)題，但未考慮交易過(guò)程中繁瑣交易和驗(yàn)證機(jī)制導(dǎo)致交易效率降低的問(wèn)題；文獻(xiàn)[13—14]研究區(qū)塊鏈技術(shù)的高安全性特點(diǎn)并將其應(yīng)用到電力交易中，提高了電力交易的安全性。但上述文獻(xiàn)均基于區(qū)塊鏈的高安全性特點(diǎn)進(jìn)行研究，未對(duì)電力交易行為進(jìn)行有序合理的設(shè)計(jì)，降低了交易效率。

綜上所述，現(xiàn)有研究提出將可靠性系數(shù)引入基于區(qū)塊鏈的智能合約電力交易模型中，其最重要的目的是進(jìn)一步提高電力交易效率，減少交易時(shí)間，極大程度保證交易過(guò)程的安全，為電力交易提供便捷高效、安全可行的交易平臺(tái)[15]。因此，文中基于區(qū)塊鏈技術(shù)和智能合約的特點(diǎn)，對(duì)將可靠性系數(shù)引入智能合約的合理性、優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析，并對(duì)交易過(guò)程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，構(gòu)建高效安全的電力交易模型，為解決傳統(tǒng)電力交易機(jī)制存在的效率低、安全性低等問(wèn)題提供了解決思路。同時(shí)，在一定程度上維護(hù)電力市場(chǎng)交易秩序，分擔(dān)電力市場(chǎng)交易壓力，為制定電力市場(chǎng)交易模式提供新思路。

1 基于區(qū)塊鏈的電力交易

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈技術(shù)利用塊鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證與存儲(chǔ)，采用密碼學(xué)方法保證數(shù)據(jù)傳輸和訪問(wèn)的安全，利用自動(dòng)化腳本代碼組成的智能合約進(jìn)行數(shù)據(jù)編程和操作[16—17]。

區(qū)塊鏈的每個(gè)區(qū)塊由區(qū)塊頭和區(qū)塊主體組成。各個(gè)區(qū)塊主體在時(shí)間維度上形成了區(qū)塊鏈，行間鏈路則表示區(qū)塊主體之間的互聯(lián)，而在時(shí)間維度上形成的塊網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)了信息的可追蹤性和安全可靠性[18—20]。

基于區(qū)塊鏈的電力交易模式具有去中心化的特點(diǎn)，采用時(shí)間戳和算法加密等技術(shù)，在區(qū)塊鏈上部署智能合約[21]，如圖1所示。因此，該模式可以為電力交易的參與者提供安全、可靠、透明、開放的解決方案[22]。

圖1 區(qū)塊鏈交易平臺(tái)的基本特點(diǎn)Fig.1 Basic features of the blockchain transaction platform

與傳統(tǒng)的集中式電力交易模式相比，基于區(qū)塊鏈的電力交易模式極大降低了系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)成本，同時(shí)結(jié)合智能合約特點(diǎn)，可進(jìn)一步提高電力交易和系統(tǒng)運(yùn)行效率。

1.2 電力交易場(chǎng)景

傳統(tǒng)電力交易模型主要采用中心化交易模式，信息和交易記錄等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在特定的第三方管理機(jī)構(gòu)，并且由第三方管理機(jī)構(gòu)主導(dǎo)整個(gè)交易并維護(hù)交易信任。區(qū)塊鏈技術(shù)對(duì)于電力交易并非不可或缺，在電力交易主體數(shù)量不龐大的情況下，傳統(tǒng)電力交易模型能夠較好地進(jìn)行電力交易，如圖2所示。隨著交易用戶和交易量的不斷增加，交易過(guò)程中的數(shù)據(jù)信息量也越來(lái)越龐大，交易環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜。這將導(dǎo)致第三方管理機(jī)構(gòu)的運(yùn)行和維護(hù)成本越來(lái)越高，若管理機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障或遭受攻擊，易導(dǎo)致交易信息缺失或被篡改，最終造成巨大損失[23]。因此，在電力交易模式中引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)尤為重要。

圖2 傳統(tǒng)電力交易模型Fig.2 Traditional electricity transaction model

區(qū)塊鏈采用總賬分散式的記賬方式，以鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)記錄各個(gè)交易參與方的互動(dòng)信息，并以區(qū)塊方式妥善保存交易信息[24]，很好地解決了上述問(wèn)題。為了解決電力交易過(guò)程中運(yùn)行和維護(hù)成本高的問(wèn)題，確保電力交易的安全性和高效性，在區(qū)塊鏈中部署智能合約，針對(duì)電力交易場(chǎng)景構(gòu)建改進(jìn)智能合約電力交易模型，如圖3所示。

由圖2、圖3可知，改進(jìn)智能合約電力交易模型的交易業(yè)務(wù)相對(duì)傳統(tǒng)電力交易模型的交易業(yè)務(wù)有一定變化。傳統(tǒng)電力交易模型采用中心化交易模式，其中交易決策和構(gòu)建、維護(hù)交易信任由第三方管理機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。電力交易雙方的交易請(qǐng)求通過(guò)第三方管理機(jī)構(gòu)的處理決策后，由第三方管理機(jī)構(gòu)將請(qǐng)求發(fā)送至交易平臺(tái)，同時(shí)對(duì)交易雙方的信任問(wèn)題采用支付違約金或列入黑名單等方式進(jìn)行約束。因此傳統(tǒng)電力交易模型無(wú)法實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交互且需要花費(fèi)一定的成本管理和維護(hù)第三方管理機(jī)構(gòu)。同時(shí)由于交易信息、數(shù)據(jù)等都保存在第三方管理機(jī)構(gòu)中，數(shù)據(jù)的安全性無(wú)法得到充分保障。而改進(jìn)智能合約電力交易模型采用去中心化交易模式，剔除了第三方管理機(jī)構(gòu)，利用分布式賬本存儲(chǔ)交易信息和數(shù)據(jù)，所存儲(chǔ)的信息和數(shù)據(jù)由全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)共同維護(hù)。當(dāng)數(shù)據(jù)遭到攻擊時(shí)，需要全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)達(dá)成共識(shí)才能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更改，保證了系統(tǒng)的安全性。該模型還采用智能合約形式實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)聯(lián)系，交易雙方可通過(guò)智能合約與交易平臺(tái)直接達(dá)成交易請(qǐng)求。同時(shí)，由于區(qū)塊鏈不可篡改和全網(wǎng)廣播的特性，交易雙方的信任問(wèn)題也能得到有效解決。

改進(jìn)智能合約電力交易模型和傳統(tǒng)電力交易模型相比，主要發(fā)生的變化有以下3個(gè)方面：

(1) 采用去中心化交易模式，不需要第三方管理機(jī)構(gòu)管理維護(hù)交易數(shù)據(jù)和交易信任，節(jié)省了不必要的成本，保證了系統(tǒng)的安全性和高效性；

(2) 在市場(chǎng)交易主體各交易環(huán)節(jié)部署智能合約，簡(jiǎn)化了交易流程，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易，保證了交易安全和履約；

(3) 各發(fā)電企業(yè)之間建立了區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電量等關(guān)鍵信息實(shí)時(shí)互聯(lián)以及資源合理配置。

1.3 電力交易過(guò)程中被攻擊的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

基于區(qū)塊鏈的電力交易過(guò)程中，由于區(qū)塊鏈上的交易信息公開透明，區(qū)塊鏈上的所有用戶均能看到基于區(qū)塊鏈的信息數(shù)據(jù)，包括智能合約等，導(dǎo)致包括安全漏洞在內(nèi)的所有漏洞均可見(jiàn)，并且無(wú)法迅速修復(fù)[25]。區(qū)塊鏈上參與算力競(jìng)爭(zhēng)的節(jié)點(diǎn)中，可能出現(xiàn)惡意攻擊節(jié)點(diǎn)與誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行算力競(jìng)爭(zhēng)[26]。若攻擊節(jié)點(diǎn)想要成功篡改數(shù)據(jù)，則攻擊節(jié)點(diǎn)需要比誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)更快地制造出替代性攻擊鏈，使得攻擊鏈被成功認(rèn)證。假設(shè)在電力交易過(guò)程中，有攻擊節(jié)點(diǎn)試圖篡改交易數(shù)據(jù)，此時(shí)攻擊鏈和誠(chéng)實(shí)鏈之間存在z個(gè)區(qū)塊差距，則攻擊節(jié)點(diǎn)制造攻擊鏈用于消除z個(gè)區(qū)塊差距的概率為：

(1)

式中：p，q分別為誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)、攻擊節(jié)點(diǎn)制造下一個(gè)區(qū)塊的概率。

攻擊節(jié)點(diǎn)在制造一條攻擊鏈時(shí)，其鏈條增長(zhǎng)符合泊松分布，則攻擊鏈條增長(zhǎng)的期望值為：

(2)

因此，攻擊鏈制造出的x個(gè)區(qū)塊成功取代誠(chéng)實(shí)鏈的概率Pξ可以表示為攻擊鏈增長(zhǎng)密度與剩余區(qū)塊差距被消除概率的乘積。

(3)

由式(3)可知，Pξ受z的影響。z越大時(shí)，Pξ越小。只有交易完成時(shí)區(qū)塊鏈才出塊，因此，交易時(shí)間越短，則區(qū)塊鏈出塊速度越快。誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)制造誠(chéng)實(shí)鏈的速度越快，即z越大，則Pξ越小?？梢?jiàn)，通過(guò)減少交易時(shí)間可以降低交易過(guò)程中被攻擊的風(fēng)險(xiǎn)。

2 改進(jìn)智能合約電力交易模型

2.1 智能合約電力交易流程

在傳統(tǒng)智能合約電力交易模型中，參與交易的主體在區(qū)塊鏈上進(jìn)行注冊(cè)并登陸后，根據(jù)自身的需求進(jìn)行電力交易。交易雙方對(duì)交易的合約意見(jiàn)達(dá)成一致后，系統(tǒng)會(huì)對(duì)交易的內(nèi)容以及交易記錄等信息進(jìn)行驗(yàn)證。區(qū)塊鏈上的所有授權(quán)節(jié)點(diǎn)均需要花費(fèi)一定的時(shí)間審查和驗(yàn)證新生成的交易記錄[27]。只有當(dāng)所有的驗(yàn)證均通過(guò)之后，才會(huì)進(jìn)入到資金交易階段。而在資金交易過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)的錢包地址以及余額會(huì)被凍結(jié)，直至當(dāng)前交易完全結(jié)束，此時(shí)買家無(wú)法進(jìn)行下一筆交易。

傳統(tǒng)智能合約電力交易模型比傳統(tǒng)電力交易模型更加安全、高效，但在授權(quán)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證以及資金交易階段的錢包凍結(jié)過(guò)程中，均需要花費(fèi)一定的時(shí)間，且無(wú)法同時(shí)進(jìn)行多次交易，一定程度上降低了傳統(tǒng)智能合約交易模型的交易效率。

為了解決傳統(tǒng)智能合約電力交易模型效率低下的問(wèn)題，文中提出基于區(qū)塊鏈的改進(jìn)智能合約電力交易模型。模型引入可靠性系數(shù)R(Nk,Mi,k)，其中，Nk為用戶k的交易次數(shù)，Mi,k為用戶k第i次交易的交易量。改進(jìn)智能合約電力交易模型的執(zhí)行步驟如下:

(1) 用戶注冊(cè)登錄。用戶注冊(cè)并登陸后從系統(tǒng)獲得公鑰PK和私鑰SK，系統(tǒng)返回一組地址h=ARIPEMD(ASHA(PK))用于存放信息以及進(jìn)行錢包服務(wù)。其中，ARIPEMD(·)與ASHA(·)為加密算法。

(2) 交易申報(bào)。用戶在區(qū)塊鏈上發(fā)布消息并進(jìn)行交易申報(bào)，區(qū)塊鏈將消息進(jìn)行全網(wǎng)廣播。

(3) 創(chuàng)建智能合約。滿足交易條件的用戶雙方根據(jù)自己的需求量、價(jià)格等進(jìn)行合約商定。當(dāng)合約商定后，創(chuàng)建并部署在區(qū)塊鏈上。此時(shí)創(chuàng)建的智能合約中包含交易信息、合約狀態(tài)、合約值等信息。

(4) 交易驗(yàn)證。當(dāng)合約商定完成后系統(tǒng)根據(jù)用戶的交易記錄，包括交易次數(shù)以及交易總量,進(jìn)行可靠性系數(shù)R(Nk,Mi,k)的驗(yàn)證。若R(Nk,Mi,k)有效，則系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行安全驗(yàn)證，并且授權(quán)節(jié)點(diǎn)無(wú)須驗(yàn)證；若R(Nk,Mi,k)無(wú)效，則需要用戶重新輸入私鑰，授權(quán)節(jié)點(diǎn)也需要重新進(jìn)行安全驗(yàn)證。進(jìn)入安全驗(yàn)證環(huán)節(jié)之后，若私鑰安全驗(yàn)證不通過(guò)，則立即終止交易；若私鑰安全驗(yàn)證通過(guò)，則進(jìn)入步驟(5)。

(5) 簽訂合約。當(dāng)所有驗(yàn)證通過(guò)之后，交易雙方正式簽訂合約、進(jìn)行資金交易，并在區(qū)塊鏈上運(yùn)行。

(6) 交易結(jié)果上鏈保存。當(dāng)交易雙方正式簽訂合約之后，系統(tǒng)將交易內(nèi)容、交易結(jié)果上鏈保存在區(qū)塊鏈上，同時(shí)進(jìn)行全網(wǎng)廣播。

改進(jìn)智能合約電力交易模型的執(zhí)行流程如圖4所示。

圖4 改進(jìn)智能合約電力交易執(zhí)行流程Fig.4 Execution process of improved smart contract electricity transaction

綜上，在文中所提改進(jìn)智能合約電力交易模型中，參與交易的用戶首次在區(qū)塊鏈上注冊(cè)并登陸成功后，系統(tǒng)將自動(dòng)記錄參與主體的全部授權(quán)信息。在交易過(guò)程中，系統(tǒng)對(duì)可靠性系數(shù)的判別通過(guò)后，自動(dòng)調(diào)用用戶的授權(quán)信息進(jìn)行交易驗(yàn)證，不需要逐步進(jìn)行授權(quán)驗(yàn)證，減少了交易時(shí)間。同時(shí)，授權(quán)信息還將通過(guò)錢包地址映射關(guān)系聯(lián)系信任機(jī)構(gòu)(如受信任的銀行)，不需要凍結(jié)節(jié)點(diǎn)錢包，可直接進(jìn)行資金交易，滿足部分買家同時(shí)進(jìn)行多筆交易的需求。因此，文中所提模型與傳統(tǒng)智能合約電力交易模型相比，交易時(shí)間更短，支持快速、頻繁的電力交易，具有更高的效率。

2.2 目標(biāo)函數(shù)

區(qū)塊鏈在網(wǎng)絡(luò)中的傳播過(guò)程為具備記賬權(quán)限的節(jié)點(diǎn)對(duì)其他區(qū)塊進(jìn)行廣播并生成新的區(qū)塊，各個(gè)節(jié)點(diǎn)不斷校驗(yàn)內(nèi)容并完成轉(zhuǎn)發(fā)[28]。區(qū)塊鏈廣播模型如圖5所示。

圖5 區(qū)塊鏈廣播模型Fig.5 Blockchain broadcast model

文中所提模型的目標(biāo)為交易總時(shí)長(zhǎng)Tsum最短。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，初始交易過(guò)程完成交易的時(shí)間T為：

T=tMi,k(1+r)

(4)

式中：t為進(jìn)行交易所花費(fèi)時(shí)間的比例參數(shù)；r為交易所處網(wǎng)絡(luò)對(duì)交易時(shí)間造成影響的時(shí)間比例參數(shù)。

在改進(jìn)智能合約電力交易模型中引進(jìn)可靠性系數(shù)，此時(shí)最短交易驗(yàn)證時(shí)間Tr1為：

Tr1=TcminR(Nk,Mi,k)

(5)

式中：Tc為交易驗(yàn)證時(shí)間。

(6)

式中：Tr2為記賬節(jié)點(diǎn)S向周邊節(jié)點(diǎn)傳播區(qū)塊所需要的時(shí)間；n為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目；V為區(qū)塊容量；W為網(wǎng)絡(luò)帶寬。

S通過(guò)節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證后，區(qū)塊進(jìn)行二次轉(zhuǎn)發(fā)。此時(shí)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證所需要的時(shí)間Tr3為：

Tr3=gV

(7)

式中：g為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證所花費(fèi)時(shí)間的比例參數(shù)。

綜上，從交易完成到S向網(wǎng)絡(luò)中的周邊節(jié)點(diǎn)傳播一個(gè)區(qū)塊所花費(fèi)的最短時(shí)間Tr為：

Tr=T+Tr1+Tr2+Tr3

(8)

則最短交易總時(shí)長(zhǎng)minTsum為：

minTsum=minTr+Tn+1

(9)

式中：Tn+1為S向網(wǎng)絡(luò)周邊n+1個(gè)節(jié)點(diǎn)傳送單獨(dú)區(qū)塊所花費(fèi)的時(shí)間。

2.3 約束條件

2.3.1 交易量和交易次數(shù)約束

在改進(jìn)智能合約電力交易模型中，用戶在注冊(cè)并登陸之后，系統(tǒng)自動(dòng)給用戶k分配的最大交易次數(shù)為N，最大交易量為M,則滿足：

Nk≤N

(10)

(11)

2.3.2 算力概率約束

在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，攻擊節(jié)點(diǎn)與誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行算力競(jìng)爭(zhēng)，爭(zhēng)奪對(duì)S的控制權(quán)。因此，想要保證不受攻擊節(jié)點(diǎn)影響，誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)H制造區(qū)塊的算力概率P(H)應(yīng)大于攻擊節(jié)點(diǎn)A制造區(qū)塊的算力概率P(A)，即滿足：

(12)

3 算例分析

文中在配置為2.3 GHz CPU、16.0 GB 運(yùn)行內(nèi)存、64位操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)上，采用Matlab R2018a調(diào)用Python程序模擬區(qū)塊鏈驗(yàn)證和記賬節(jié)點(diǎn)傳播過(guò)程。采用隨機(jī)函數(shù)生成電能交易數(shù)據(jù)，且約定交易次數(shù)均在允許范圍內(nèi)。

3.1 不同電力交易模型的交易效率分析

仿真中，設(shè)定網(wǎng)絡(luò)帶寬為100 MB/s，區(qū)塊大小為1 MB，擬額定交易總電量為10 000 kW·h。為體現(xiàn)2種不同智能合約電力交易模型下的交易時(shí)間以及節(jié)點(diǎn)數(shù)量對(duì)交易時(shí)間的影響，設(shè)置交易場(chǎng)景如下：

場(chǎng)景一。設(shè)定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為1 000，分別對(duì)傳統(tǒng)智能合約電力交易模型和改進(jìn)智能合約電力交易模型進(jìn)行20次模擬交易。交易時(shí)間對(duì)比結(jié)果如圖6所示。

圖6 2種電力交易模型的交易時(shí)間對(duì)比Fig.6 Transaction time comparison of two electricity transaction models

場(chǎng)景二。設(shè)定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)從300以300為步長(zhǎng)遞增至9 000，對(duì)傳統(tǒng)智能合約電力交易模型進(jìn)行交易模擬，傳統(tǒng)智能合約電力交易模型下節(jié)點(diǎn)數(shù)量與交易時(shí)間的關(guān)系如圖7所示。

圖7 傳統(tǒng)智能合約電力交易模型下節(jié)點(diǎn)數(shù)量與交易時(shí)間的關(guān)系Fig.7 The relationship between the number of nodesand transaction time under the traditional smart contract electricity transaction model

場(chǎng)景三。設(shè)定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)從300以300為步長(zhǎng)遞增至9 000，對(duì)改進(jìn)智能合約電力交易模型進(jìn)行交易模擬，改進(jìn)智能合約電力交易模型下節(jié)點(diǎn)數(shù)量與交易時(shí)間的關(guān)系如圖8所示。

圖8 改進(jìn)智能合約電力交易模型下節(jié)點(diǎn)數(shù)量與交易時(shí)間的關(guān)系Fig.8 The relationship between the number of nodesand transaction time under the improved smart contract electricity transaction model

由仿真結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

(1) 由圖6可知，在固定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量下，改進(jìn)智能合約電力交易模型相較傳統(tǒng)智能合約電力交易模型，完成交易所花費(fèi)的時(shí)間普遍更少。這是因?yàn)楦倪M(jìn)智能合約電力交易模型引入了可靠性系數(shù)，極大減少了交易驗(yàn)證時(shí)間，從而提高了交易效率。而在第4,9,12,16,19次交易時(shí)，2種模型的交易時(shí)間一致。這是因?yàn)楫?dāng)交易總電量達(dá)到系統(tǒng)擬定的額定交易總電量時(shí)，需要重新進(jìn)行交易驗(yàn)證，此時(shí)2種模型花費(fèi)的交易時(shí)間一致。

(2) 由圖7、圖8可知，隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，曲線整體趨勢(shì)上升，說(shuō)明當(dāng)交易網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加時(shí)，交易時(shí)間隨之增加，即交易效率下降。而改進(jìn)智能合約電力交易模型相較傳統(tǒng)智能合約電力交易模型的平均交易時(shí)間更短，交易效率更高。

在傳統(tǒng)比特幣電力交易模型中，設(shè)定每完成一筆交易所需要的驗(yàn)證時(shí)間為60 min。在參與交易的1 000個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中，分別通過(guò)比特幣、傳統(tǒng)智能合約、改進(jìn)智能合約電力交易模型完成交易。設(shè)定每小時(shí)的交易次數(shù)為1～10。在Matlab中進(jìn)行仿真分析，3種交易模型完成1～10次交易的驗(yàn)證時(shí)間變化情況如圖9所示。

圖9 3種電力交易模型驗(yàn)證時(shí)間比較Fig.9 Verification time comparison of three electricity transaction models

由圖9可知，傳統(tǒng)智能合約電力交易模型的交易驗(yàn)證時(shí)間比比特幣電力交易模型的交易驗(yàn)證時(shí)間少很多，而改進(jìn)智能合約電力交易模型的交易驗(yàn)證時(shí)間比傳統(tǒng)智能合約電力交易模型的交易驗(yàn)證時(shí)間更少。且隨著交易次數(shù)的增加，3種交易模式所需要的交易驗(yàn)證時(shí)間差越來(lái)越大。因此，基于區(qū)塊鏈的改進(jìn)智能合約電力交易模型交易效率更高，在交易主體數(shù)量龐大且交易數(shù)據(jù)復(fù)雜的市場(chǎng)中能夠更好地進(jìn)行交易。

3.2 改進(jìn)智能合約電力交易模型安全性分析

假設(shè)在交易過(guò)程中有第三方惡意用戶對(duì)交易進(jìn)行攻擊。通過(guò)Matlab仿真分析Pξ與z，q之間的關(guān)系，其中，Pξ反映了攻擊鏈攻擊成功的概率。仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 Pξ與z，q的關(guān)系Fig.10 The relationship between Pξ and z，q

由圖10可知，當(dāng)z相同時(shí)，Pξ隨著q的增大而上升。當(dāng)q固定不變，如q=0.3，此時(shí)若z=1，則Pξ為62.775%，而若z=20，則Pξ為0.248%。說(shuō)明Pξ隨著z的增大而迅速下降。當(dāng)q=0.5時(shí)，Pξ則為100%。當(dāng)q≥0.5時(shí)，Pξ均為100%，即Pξ與z的取值無(wú)關(guān)。因此，要保證不被攻擊節(jié)點(diǎn)攻擊，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)中攻擊節(jié)點(diǎn)和誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)的算力概率進(jìn)行約束。

在改進(jìn)智能合約電力交易模型中，引入可靠性系數(shù)極大提高了交易驗(yàn)證效率，從而加快了誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生區(qū)塊的速率。假設(shè)q=0.4，通過(guò)Matlab仿真分析傳統(tǒng)智能合約和改進(jìn)智能合約電力交易模型的Pξ，如圖11所示。

圖11 2種電力交易模型的Pξ對(duì)比Fig.11 Pξ comparison of two electricity transaction models

由圖11可知，在相同環(huán)境下，改進(jìn)智能合約電力交易模型由于引入了可靠性系數(shù)，交易驗(yàn)證時(shí)間減少，從而使區(qū)塊鏈出塊速度增加，即區(qū)塊鏈中誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)制造誠(chéng)實(shí)鏈的速度提升且大于攻擊節(jié)點(diǎn)制造攻擊鏈的速度，進(jìn)而擴(kuò)大了攻擊鏈與誠(chéng)實(shí)鏈之間的區(qū)塊差距，降低了Pξ，縮減了攻擊鏈進(jìn)行攻擊的空間，進(jìn)一步提升了交易過(guò)程的安全性。

3.3 改進(jìn)智能合約電力交易模型智能合約執(zhí)行情況分析

假設(shè)一電力交易市場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)擁有4 000個(gè)節(jié)點(diǎn)，約定：(1) 若買方一年內(nèi)購(gòu)買電量高于簽訂合同電量的110%，則交易結(jié)算電量是買方簽訂合同電量的110%，超過(guò)部分的電量另外按照所規(guī)定超過(guò)部分的單價(jià)乘以超過(guò)電量進(jìn)行結(jié)算；(2) 若買方一年內(nèi)購(gòu)買的電量低于簽訂合同電量的90%，則交易結(jié)算即為買方實(shí)際購(gòu)電量，其中10%的差額電量按照所規(guī)定的違約金單價(jià)乘以差額電量進(jìn)行結(jié)算。

在該交易網(wǎng)絡(luò)中，將以上合約內(nèi)容部署到區(qū)塊鏈上并執(zhí)行。則5 d內(nèi)的智能合約執(zhí)行情況如表1所示。由表1可知，采用改進(jìn)智能合約電力交易模型的平均交易成功率為99.51%，能很好地保證電力市場(chǎng)的交易秩序和交易效率，其中部分合約失效的原因主要是買方保證金不足或賣方在區(qū)塊鏈平臺(tái)上成功交易所需支付的費(fèi)用不足。

表1 智能合約執(zhí)行情況Table 1 Smart contract execution situation

4 結(jié)論

文中對(duì)傳統(tǒng)智能合約電力交易模型進(jìn)行完善，提出改進(jìn)智能合約電力交易模型，減少了交易所需要的時(shí)間，降低了被攻擊者攻擊的風(fēng)險(xiǎn)，從而提高了交易效率和安全性。具體結(jié)論如下：

(1) 文中在傳統(tǒng)智能合約電力交易模型中引入了可靠性系數(shù)，提出了基于區(qū)塊鏈的改進(jìn)智能合約電力交易模型，極大提高了電力交易的靈活性，降低了參與主體在交易過(guò)程中的交易驗(yàn)證時(shí)間，所提模型可以支持快速、頻繁的電力交易。

(2) 與傳統(tǒng)智能合約電力交易模型相比，文中所提交易模型無(wú)論在固定數(shù)量節(jié)點(diǎn)下進(jìn)行多次交易還是在不同數(shù)量節(jié)點(diǎn)下進(jìn)行交易，都保持著較高的效率。

(3) 文中所提交易模型提高了交易效率，加快了區(qū)塊鏈出塊的速度，從而加大了攻擊鏈與誠(chéng)實(shí)鏈之間的區(qū)塊差距。因此，文中所提交易模型降低了被攻擊鏈攻擊成功的風(fēng)險(xiǎn)，保證了交易的安全性。

(4) 文中所提交易模型在交易過(guò)程中擁有較高的交易成功率，能夠很好地保證電力市場(chǎng)的交易秩序和交易效率。

由于市場(chǎng)交易的復(fù)雜性，在進(jìn)行交易的同時(shí)還可能遇到用戶的惡意毀約、被第三方參與者追蹤到賬戶地址等問(wèn)題。因此，未來(lái)將嘗試在文中所提交易模型的基礎(chǔ)上完善交易信用評(píng)分和激勵(lì)機(jī)制，進(jìn)一步完善和維護(hù)市場(chǎng)交易信用體系，為各種交易場(chǎng)景提供安全可靠的環(huán)境。