基于信用評分的電力交易區塊鏈改進RAFT共識機制

鄒賢，沈力，張偉，曹武，楊銘

(1. 昆明電力交易中心有限責任公司，昆明650011；2. 南京南瑞繼保工程技術有限公司，南京211102；3. 東南大學，南京210096)

0 引言

當前電力市場建設已經取得了一定進展，首批8個試點電力現貨市場完成了結算試運行；國家發展改革委辦公廳、國家能源局在2019年印發了《關于深化電力現貨市場建設試點工作的意見》、2020年印發了《關于做好電力現貨市場試點連續試結算相關工作的通知》[1]，均提出了對電力市場的機制設計、運營能力、電力市場運營平臺、配套機制等進一步發展的要求[2 - 6]。隨著“碳中和、碳達峰”要求的提出，電網的新能源比例越來越高，分布式風電場/光伏電站、儲能系統、微單元發電系統、可控負荷等作為分布式交易主體也越來越多地參與到電力市場交易中，交易主體的激增使得電力市場交易的管理復雜度快速增加，電力市場交易頻繁，其清算過程需與銀行等第三方金融機構進行頻繁且慢速的信息校對，海量的交易信息數據存在丟失或篡改的可能性，且當前的電力交易平臺已無法應對大規模數據處理，同時各省級電力市場復雜的管理構成也制約了各類分布式資源的統一優化配置[7 - 10]。

區塊鏈是一種分布式數據庫或共享賬本，數據按區塊組織并加密，具有可追溯性、防篡改、去中心化等特點和優勢，其特點與大規模電力市場交易的需求相契合[11 - 15]。基于區塊鏈的電力市場交易平臺已有了一定的研究成果，既有對平臺建設的研究，也有對其中關鍵技術的研究。文獻[16]分析了能源互聯網對區塊鏈的技術需求和引入區塊鏈的適用性。文獻[17]提出了一種大用戶直購電鏈路框架，結合直購電交易特點對分布式共識機制進行改進。文獻[18]提出了基于區塊鏈技術的分布式電力市場交易平臺，利用區塊鏈技術去中心化、開放性、匿名性及安全有效性等優勢，建立基于電力交易智能合約的分布式電力交易機制。文獻[19]提出了基于有向無環圖(direct acyclic graph，DAG)拓撲的公平委托權益證明(fair delegated proof of stake，F-DPoS)共識機制的分布式能源交易區塊鏈技術。文獻[20]提出了基于區塊鏈的智能合約應用。

共識機制作為區塊鏈技術中的核心[21]，是保證節點在分布式網絡中達成共識，保障數據安全的基礎，也是提高區塊鏈處理速度、運行性能的關鍵。共識機制隨著區塊鏈應用場景的擴展不斷發展，在電力系統中已有實際應用[22]。當前主要的共識機制種類有：工作量證明機制(proof of work，PoW)、股權證明機制(proof of stake，PoS)、股權授權證明機制(delegated proof of stake，DPoS)、拜占庭容錯機制(practical Byzanine fault tolerant，PBFT)、Paxos和RAFT機制。其中PoW和PoS都存在計算量大，功耗高的缺點；PBFT及其進化機制對含有動態變化節點的區塊鏈適應性較差。Paxos和RAFT機制則更適合沒有拜占庭容錯的分布式交易系統[23 - 25]。

當前的電力市場交易平臺共識機制設計主要以PoS為主，隨著大規模分布式交易節點的加入，節省系統功耗是必須的工作，為此本文提出了電力交易區塊鏈的RAFT共識機制。分析了電力市場多動態變化節點、備份充足、交易主體職責明確等特點與RAFT應用的適應性，在此基礎上設計了多層次RAFT結構，并設計了信用評分機制對RAFT選主機制進行改進，在保證有效性的前提下提高共識過程的速度，節省能耗。

1 RAFT適應性分析

區塊鏈基本架構可以分為數據層、網絡層、共識層和應用層，如圖1所示。數據層包括數據存儲區塊和鏈式結構，哈希指針為每個節點進行統一鏈接，通過加密保證數據的安全性；網絡層用來通過組網方式和網絡傳輸協議連接并組織各分布節點，最早的區塊鏈網絡架構基于P2P網絡；共識層通過設定的共識機制達成各個區塊間的一致共識，是區塊鏈系統分布式和去中心化的核心；應用層是系統開發和應用部署的接口，包括各種加密貨幣、應用軟件等。

圖1 區塊鏈基本架構Fig.1 Basic architecture of blockchain

各個電力交易主體經過預定的撮合交易策略達成交易，交易完成后通過網絡擴散到電力市場的各個節點，進而全系統各個節點對達成的交易形成共識。電力交易的分布式共識要求各個服務器節點存儲的交易信息保持一致，以便于進行交易記錄溯源、競價策略撤回等相關操作。每個服務器節點可以建模為一個復制狀態機，采用日志復制的機制實現復制狀態機的狀態日志，每個服務器建有日志，日志由按順序編號。RAFT是用來管理復制日志的一種一致性協議。一致性算法允許多個節點作為一個集群協同工作，并且當其中的某些節點退出或故障時集群仍具備快速達成一致性共識的能力。因此RAFT算法可以用來建立可靠的大規模軟件系統。RAFT算法設置領導人(Leader)、跟隨者(Follower)和候選人(Candidate)3種角色，任意節點都可以寫日志。RAFT算法更便于選舉出一個強領導人角色，領導人選取之后其日志必須進行補全。RAFT算法中所有跟隨者的日志都是領導人的子集。

RAFT算法易于理解，其重要工作流程如下。

1)選主，即Leader選舉。現任Leader有可能因故障或任期結束等原因，RAFT集群需要重新選主，Leader周期性地向所有Follower發送心跳以確認在集群中作用的存在，如果一個Follower在設定時間內沒有接收到心跳信息，即可認為此時需要進行選主工作。

2)強制日志復制。Leader從某個節點接收日志后，必須將該日志復制到系統其他節點，強制要求其他節點的日志與自己保持一致，Leader選舉完成后，響應應用層的請求。Leader把應用層的每請求中包含的復制狀態機執行的指令追加到日志中去，并發給給其他的服務器，讓該條目得以復制。執行的結果通過Leader返回給應用層。如果Follower運行緩慢或網絡丟包，Leader會不斷地重試直到所有的Follower最終都存儲了所有的日志條目。

3)安全性。在存在Leader的集群中新加入的節點將分配為Follower角色，新加入的節點可以再參與接下來的選主過程；如果系統中沒有Leader，所有節點變成Candidate，Candidate會向其他節點請求投票，最先獲得最多票數的Candidate節點將成為新一任Leader，新一任Leader選出后，剩余的Candidate節點即變為Follower節點；同時RAFT有一套機制保證Leader選舉過程中仍能保證所有日志的復制和保存。

RAFT算法中節點3種狀態的變化可用圖2表示。

圖2 狀態變化示意圖Fig.2 Diagram of state changing

電力市場交易系統與RAFT算法的適應性主要體現在以下幾個方面。

1)因電力系統的高有效性要求，大多數參與交易的節點都具備備份服務器，備份服務器也要求與實際的交易情況保持一致，RAFT的強制復制日志可以保證備份服務器信息的隨時更新；

2)電力市場交易節點是動態變化的，因檢修或故障等原因其退出交易的時間是不固定的，其加入交易的時間也具有隨機性，RAFT算法適合于節點動態變化的應用場景；

3)電力市場準入門檻較高，屬于私有鏈，交易節點的行為在可約束的范圍內，出現拜占庭錯誤的概率可控。

4)電力市場參與節點易于分類，職責清晰，參與電力交易的節點主要包含售電企業、發電企業、負荷用戶、電網企業、金融機構以及政府機構，各類節點參與交易的職責不同以及投入交易的成本不同，天然有利于Leader的選取。

2 基于信用評分的RAFT選主策略

RAFT算法在選主過程中可能產生投票分歧問題，尤其在集群中節點數量較多的情況下，當多個節點獲得了相同數量的選票時無法選取唯一的節點作為領導人，解決方法是重新進行選主，這樣的過程會增加系統運行的時間和復雜度。同時對于電力系統相關的交易，各個服務器通信時間處于異步狀態，當交易節點過多時，原有的RAFT算法的缺點就會放大，影響正常交易的進行，需要對RAFT算法的領導人選舉過程進行改進。

電力交易包含碳交易、綠證配額交易、中長期交易、現貨交易等多種交易形式[26]。在各種電力交易系統中，各參與節點的職責分工是明確的：電源生產電力，負荷消耗電力，電網公司負責線路輸送。電力公司和運營商可以對交易起到監督的作用，監管部門、交易中心和市場主體可以共同對交易的最終結果進行校核以保證市場的公平和高信用[27]。在電力市場的交易過程中，電力公司、運營商、電力負荷大戶、電廠大戶在交易過程中會形成天然的主導地位。本文設計采用信用評分的方式來表征交易的主導地位，以改進RAFT投票選取領導人的過程，提高選主的有效性和快速性。對節點的信用評分基于節點的行為記錄，根據交易記錄日志中所接收到的節點交易行為信息，若節點反饋了正確的交易信息，則此節點可以增加信用積分，若節點反饋了錯誤的交易信息，則認為此節點需要減少信用積分。交易的電量、交易是否成功都可以用來進行信用評分。其中節點交易行為信息的公正性由主要監管部門進行最終校核。

基于節點的成功交易的歷史交易量、節點穩定程度形成正常信用積分，而基于節點的錯誤反饋、懲罰因子等形成積分扣除制度，對正常信用積分進行修正，從而綜合完成對節點的信用評分。信用評分的計算公式如式(1)所示。

(1)

式中：Ri為第i個節點的信用積分；Vs為累計的成功交易量；Vw為因錯誤信息涉及的累計交易量；α為節點穩定因子；N為電力市場交易天數；Ni為節點i參與電力市場交易沒有出現因故障等退出現象的天數；β為節點懲罰因子，為當前信用值的函數；β1, …,βj為各信用值區間對應的分段函數值，一般有β1<…<βj；R1, …,Rj為對應的區間邊界值。

采用交易量作為信用評分的主要依據能夠包含跨區域的電力交易場景。實際應用中節點的穩定程度也是需要考慮的因素，相比較而言，電網公司因大量備用服務器的存在，其穩定性比負荷和電源節點的穩定度要高，同時對于同一地區來說，所有的電力交易都會通過電力公司或者運營商，基于交易量和穩定程度的信用積分方式有利于區域中的大電網企業主導電力交易區塊鏈共識。

懲罰因子的設計是為避免出現利用優勢地位進行錯誤校核的問題，當前信用值高的節點產生錯誤行為時，將大幅降低其信用積分作為懲罰措施，即對應的懲罰因子也較大。本文中懲罰因子采用基于信用值的分段函數形式，即每個區間段對應一個懲罰因子。

改進后的基于信用評分的選舉過程如下所述，并由圖3表示。

圖3 選舉關鍵流程Fig.3 Election critical process

1)跟隨者在設定的超時時間內沒有收到來自領導人的心跳，則認為此時的服務器集群網絡發生了某種變化，可能情況包括領導人服務器宕機、網絡故障、領導人節點任期結束而新的領導人尚未確定，此時主動發起選舉，增加當前任期(term)并將節點的身份改為候選人；

2)候選人并行向其他節點發送投票請求和當前的信用文檔，接收到投票請求的節點比較自身和請求發送方的信用值，若發送節點信用值比自身節點的信用值高，節點將退出選舉并變成跟隨者節點；在接受到的所有其他節點信用值比自身節點的信用值低的情況下，節點為自身進行投票；最后通過得票數確定領導人；對于兩個或多個節點擁有相同的信用值的情況，則以最先確定給自己投票的節點為領導人；

3)領導人一經確定，即向其他節點發送確認信息，選主過程結束，其他節點會切換到跟隨者狀態。

通過信用積分的方式，利用電力交易自身的交易特點和交易主體各自的身份區別，避免了RAFT算法中的交易分歧問題，并簡化了RAFT選主過程，總體上提高了RAFT選主過程的效率和有效性。

3 基于改進RAFT的共識機制

當選主過程結束后，共識系統可以正常工作。電力交易的共識機制主要為了完成分布式交易結果的確認，本文提出的RAFT共識機制也主要是為了記錄電力交易智能合約的執行結果。領導人節點將統一對交易結果的確認及記錄請求進行處理，并對這些并發請求的順序進行調度。當電力市場中按照智能合約完成一次交易后，參加交易的主體首先對交易的過程和結果進行確認，確認后的交易結果會經監管部門審核，完成后發往領導人節點進行記賬操作。

根據規約任何節點的任期和同步號是單調遞增的；單節點只會對任期與同步號相同的日志執行修改，而不會對任期小于同步號的日志執行修改操作。領導人節點首先將當前任期與請求內容組成一條條目添加到日志中，隨后將新條目發送給其他跟隨者節點，當該新條目被過半數的節點收到并添加到自己的本地日志后，領導人節點可以確認提交這一新條目，這些新條目可以應用到狀態機。RAFT算法中已經確認的條目需要保證永遠存在。跟隨者節點完全處于被動狀態，收到領導人節點發送來的新條目時需要比較其日志條目目錄是否與自己的一致，如果比領導人節點的目錄小，說明自己沒有補全所有的日志，此時需要向領導人節點發送更新存儲請求，讓領導人節點調整發送，保證跟隨節點的日志記錄與領導人保持一致，為適應電網交易主體的動態環境，領導人節點只對尚且有心跳的跟隨者節點補全日志信息，通過提高動態更新效率的方式更好地適應動態環境；當出現新加入的節點時，領導人節點對新加入的節點進行當前日志補全，并適當考慮軟件平臺實施部署過程中的多線程并行操作。

RAFT算法保證系統節點信息一致性的前提是沒有惡意節點，傳統RAFT算法抵抗惡意節點的能力較弱，極大限制了RAFT算法的應用范圍和安全性，同時本文的選主過程基于信用評分，信用評分不能被惡意節點所篡改，否則會極大降低整體共識機制的安全性[27]。作為電力交易市場交易的各個主體，其存在惡意節點的可能性較低，但仍不可避免受到網絡攻擊的可能，因此本文的RAFT共識算法在惡意節點方面也做了一定的改進。

若某個跟隨者節點受到網絡攻擊轉變為惡意節點，該惡意節點可能會刪除自身節點日志項或者篡改日志，也會將接收領導人節點的信息私自篡改后保存到日志目錄，同時這種行為不會被其他節點包括領導人節點所察覺；若領導人節點受到網絡攻擊轉變為惡意節點，該惡意領導人節點可能會刪除或者篡改客戶端、跟隨者節點發來的日志，并向其他的跟隨者節點發送有錯誤的數據信息并提交。為彌補這一缺點，在共識機制中加入了審核者的角色，審核者是固定的，不隨選舉過程發生變化，一般由監管機構、政府部門擔任，審核者節點負責日志信息的完整性和準確性，對領導人節點的日志信息進行校對，維護信用值及其計算的可靠性。審核者節點的工作包括以下幾點。

1)當電力市場交易完成后，交易信息先由審核者節點進行審核，核對完成后發往領導人節點；

2)領導人節點發往跟隨者節點的補全日志信息和當前提交的新日志信息，要經審核者節點根據時間戳進行校核，若信息與前次校核的信息一致，則將該新日志條目提交至審核節點日志目錄；若信息不一致，該條目日志的交易過程和結果需要進一步進行核實處理，同時對惡意節點進行信用評分，惡意節點也須退出選舉，并發起新一輪選主過程；

3)當選領導人節點的存儲日志內容需要審核者節點的核對，按照時間戳、任期和交易結果進行核對，存在不一致的條目則當前領導人選舉失效，惡意節點退出選舉，并對該節點進行信用評分，并發起新一輪選主過程。

綜上，基于改進RAFT的共識機制可用圖4表示。

圖4 改進RAFT共識機制Fig.4 Improved RAFT consensus mechanism

4 應用實例

本文實驗環境為Windows10操作系統，系統內存為8 GB，CPU為Intel Core-i5 2.5 GHz處理器。從選主過程用時、完成共識日志用時和吞吐量3個方面分析本文提出的用于電力市場交易的改進RAFT共識機制在快速性和有效性方面的優勢，在沒有惡意節點情況下與傳統RAFT算法比較選主過程用時、完成共識日志用時，在含有惡意節點情況下與已提出的R-RAFT算法[28]比較吞吐量。為模擬電力市場的交易場景，在測試中的每個節點都主動分配不同的信用值以便選主過程的實施；信用評分中的節點穩定因子通過實際交易數據根據式(1)進行計算，懲罰因子采用倍數懲罰的方式，即依據因錯誤信息涉及的累計交易量進行倍數罰分，本仿真中將信用段分為5段，懲罰因子為[10, 9, 8.5, 8, 7]。

1) 場景一：選主用時的比較

分別對電力市場交易節點數為50，選主次數由10遞增至300次，以及選主次數為300次，節點數由20個遞增至200個兩種條件進行模擬測試，比較這兩種情況下傳統RAFT和本文改進RAFT算法在選主方面的用時區別，每組進行5次重復測試，取平均值作為測試結果，結果如圖5—6所示。

圖5 共識次數遞增下選主用時Fig.5 Election time under increasing consensus numbers

圖6 節點數遞增下選主用時Fig.6 Election time under increasing node numbers

由圖5—6可知，傳統RAFT和本文改進RAFT算法的選主用時都是波動上升，本文改進算法的選主用時要小于傳統RAFT算法。在不存在惡意節點攻擊時，傳統RAFT和本文改進共識算法需要一輪交互，節點間進行投票的通信時間是用時的主要因素，改進算法在交互時通過信用值比較減小了通信節點的規模，因此取得了選主時間上的優勢。

2)場景二：完成共識日志用時的比較

比較以上兩種情況下傳統RAFT和本文改進RAFT算法在完成共識日志用時方面的區別，每組進行5次重復測試，取平均值作為測試結果，結果如圖7—8所示。

圖7 共識次數遞增下完成共識日志用時Fig.7 Consensus log time under increasing consensus numbers

圖8 節點數遞增下完成共識日志用時Fig.8 Consensus log time under increasing node numbers

本文的改進算法在選主結束后的日志復制過程與傳統RAFT算法是一致的，本文改進算法在復制開始增加了一個對領導人節點發出日志的審核過程，但這個時間較短，同時由于選主過程用時的優勢，使得本文改進算法在完成日志復制的用時結果上仍具有一定的優勢。

3)場景三：吞吐量的比較

共識算法的一個關鍵指標是吞吐量(throughput，TPS)，其表征了系統節點集群單位時間內處理請求的能力。吞吐量的計算公式如式(2)所示。

(2)

式中：QTPS為吞吐量；Δtrans為共識過程的交易總量；Δt為總的共識時間。

由于傳統RAFT算法中無法對惡意節點進行安全性容錯，吞吐量測試選取R-RAFT作為對比對象，R-RAFT采用的是多輪核對的方法。在節點數為50，包含10%，15%惡意節點的情況下對兩種算法下共識次數由100增至300時的系統吞吐量進行對比。對比結果如圖9—10所示。

通過對比可以看出本文的改進算法吞吐量有一定的優勢，本文改進RAFT算法的審核環節在日志復制開始和選主結束時刻，因此當惡意節點增多時有概率會發起多次選主過程，由于選主過程的快速性，使得改進RAFT共識算法在提高容錯性的同時仍有一定快速優勢。

圖9 10%惡意節點下吞吐量Fig.9 TPS under 10% malicious nodes

圖10 15%惡意節點下吞吐量Fig.10 TPS under 15% malicious nodes

綜合以上模擬電力市場相關區塊鏈的測試結果可以看出，本文提出的改進RAFT算法相比傳統RAFT算法具有更快的選主速度和更好的容錯性，可以很好地解決電力系統中多備份節點的一致性問題，也滿足了電力市場交易區塊鏈分布式共識的快速性和有效性的要求。

5 結語

本文根據電力市場交易區塊鏈分布式共識對一致性及快速性的要求，結合電力市場交易主體的特點，針對傳統RAFT易產生選舉糾紛和無法適用于惡意節點的缺點，改進了傳統RAFT算法。改進后的RAFT算法采用信用值評估節點的穩定性和交易地位，基于信用值進行領導人選舉，替代原有RAFT算法中的投票方式，加快了選主過程，避免了選舉糾紛；同時為提高RAFT算法對惡意節點的抵抗能力，提出了采用審核者節點對復制日志和領導人選舉審核的方法，提高了共識的有效性，并通過實例對比了不同算法的結果。結果顯示本文所提的改進RAFT算法實現了提高分布式共識算法快速性和有效性的目標。