基于区块链的电力交易处理方法研究与应用

杨成, 卢峰, 韩少勤

(1.国网区块链科技(北京)有限公司，北京 100191; 2.国网电子商务有限公司，北京 100191;3.国网雄安金融科技集团有限公司, 河北, 雄安 071700; 4.国网区块链技术实验室, 北京 100191)

0 引言

随着计算机等信息化技术的普及，区块链技术得到了发展，区块链技术逐渐被称作人类信用进化史上第四个里程碑。区块链技术有着公开透明、每人参与等优点，可以实现多方的信任性，也实现了传输过程较快的数据共享方法[1]。2016年，在“十三五”国家信息化规划中，区块链技术被大众熟知，区块链技术也被正式应用到国家战略层面上。文件也强调了区块链技术的重要地位，对科技的创新和试验的应用具有重要的影响[2-3]。区块链技术在电力交易方面的应用较广，部分专家学者对区块链的整体流程进行分析探讨，明确区块链技术对电力交易行业的促进作用[4]。也有部分学者将区块链技术和大数据手段进行融合，对电力交易行业的风险进行分析[5]。还有部分专家学者结合区块链技术建立模型，改良区块链技术存在的安全问题，提高区块链技术在电力交易方面的安全性能[6]。

综上所述，区块链技术在电力交易方面的应用也较为普遍，但是现有文献对于区块链的电力交易系统安全性的分析较少，主要是分析区块链整体的应用，而对于区块链自身在电力系统中的应用存在的问题并没有深入地分析，没有进行有效的实验验证。因此，本研究针对电力交易过程中存在的区块链技术进行分析，调整共识层和网络层的网络参数，分析不同的参数对区块链技术的影响，同时以区块链技术为基础建立了整体安全分析模型，利用区块链的仿真器，从而可知区块的间隔时间与区块大小对电力交易分析中区块链的影响及其安全风险的分析。

1 电力交易的区块链模式

电力交易的区块链模式主要包括创建新交易、P2P网络传输、验证和记入账本等4部分。整体流程是：首先，将电能和价格相关的信息做成交易单，即为创建新交易，在生成新区块前将交易传输至全网，将交易信息在另一个储存空间中显示；其次，在区块链节点中进行交易验证，通过节点的碰撞获得新的区块，将验证后的信息储存到新生成的区块中；最后，将交易写入账本，验证整个区块链在新生成区块中的正确性，由此根据新生成的区块链再持续的更新整体的区块链，延伸区块链的长度。

2 区块链

(1)区块链共识层

区块链的共识机制是通过让交易过程中各个节点的贡献率进行计算的，利用哈西函数作为交易过程中共识算法的基础。首先，寻找随机数，将当前区块中的参数结合哈希运算，生成的固定哈希值小于当前设定的某一值；其次，用网络中的部分节点验证各个区块的有效性来保证整个区块链的有效性。区块链存在的时间间隔指的是将传输的内容放入区块链系统的延迟。区块链中各区块的间隔时间越短，代表交易确认的速度越快。共识算法和区块间的间隔时间关系较为密切。

(2)区块链网络层

网络层主要包括网络参数和各节点，有区块大小、信息传播、区块头、中继网络和推送等5部分。区块大小是网络层的基础，区块中的最大值可以代表区块的存储能力，即交易的数量；信息传播是将信息利用区块的各个节点实现传递的过程；区块头是直接发送信息的过程，可以有效地降低信息的延迟；中继网络是区块链的传输媒介，可以增强区块的共享性；信息推送是将信息直接推送到不同的区块中，便于信息的有效传输。

3 基于区块链的安全分析模型

针对电力交易过程中运用的区块链建模并做分析，分析电力交易过程中存在的不同节点状态，分析相应的网络参数，建立基于区块链的安全分析模型。

首先，假设在电力交易过程中存在攻击方，且攻击方在网络中的计算力为B，且0

如图1所示，区块链的侧链攻击模式包括接受新区块、覆盖行为、交易竞争、等待行为等。接受新区块主要指攻击者接受电力交易的网络新区块，舍掉旧的区块，并将信息在新的区块上覆盖，图1中的D-E代表该过程；覆盖行为表示当新区块产生时，攻击者侧链上区块会将忠实节点网络侧链覆盖，并将主链的信息覆盖，图1中的C-D代表该过程；交易竞争是指在电力交易过程中攻击者和其他区块节点争取相同的区块，如图1中的B；等待行为表示新的区块不断产生，侧链不断得到延长，图1中的状态C代表该过程。

图1 攻击模式图

通过深入分析电力交易过程可知，攻击方的目标不是在整体区块链节点中选取最大的节点进行攻击，而是对节点中的相对收益进行获利分析的。模型的相对收益函数为

(1)

式中，rai、rhi可以看做为第i步骤所得到的回报值。

4 实验结果分析

根据实验的目的设计了电力交易过程的模拟仿真器，包括区块链节点和区块链网络等部分。根据模拟仿真器，可以对网络中的各个节点进行定义，明确所包含的参数。如图2所示。

图2 模拟仿真器

在电力交易过程的网络层中，各个节点都建立了网络连接，将带宽的最大数值设定为100 Mibit/s，数量为7 000。针对电力交易区块链，将每次交易生成的数据大小为300 Bytes，计算力为35%。在实验过程中，不断地改变区块间隔时间和区块大小对区块进行仿真，区块的传输时间设为tm、旧区块率为ts，对电力交易过程的区块链进行判定。整个实验过程中，可以通过改变区块的间隔时间、区块大小判断对整个区块链的安全性影响程度，从而判断区块链的整体情况。

如表1所示，根据实验结果可知，随着区块间隔时间的变化，tm随之变化，且成正比变化，可以得到结论：在电力交易过程中，区块生成的速度越快，区块的传输速度也越快。但是，由于在区块链中攻击的难度下降，容易导致区块链中的主链增大分叉的可能性，这表示着有较高的安全风险性。

表1 区块间隔时间对区块的影响

如表2所示，根据实验结果可知，区块间隔时间在一定程度上不变时，若区块大小增多，tm逐渐增大，ts也逐渐增大。由此可知，区块链中区块越大，受到不同带宽以及延时的影响越大，也会造成更高的区块链分叉的可能，具有一定的安全风险性。

表2 区块大小对区块传输的影响

5 总结

通过对在电力行业交易过程中区块链的潜在的特点及区块链各节点网络进行详细的分析，构建了基于区块链的安全分析模型，分析区块链在电力行业交易中的风险性。可得结论如下。

(1)分析区块间隔时间对区块链整体的影响可知，在电力交易过程中，区块生成的速度越快，区块的传输速度也越快。但是在区块链中攻击难度的下降容易导致区块链中主链分叉的可能性变强，具有一定的风险性。

(2)分析区块大小对区块传输的影响可知，区块链中区块越大，受到不同带宽以及延时的影响越大，这种情况也会增大区块链主链分叉的可能，具有一定的安全风险性。