一种基于数据安全传输的住宅能源系统最优控制方法

1.本发明涉及住宅能源系统控制技术领域，更具体地，涉及一种基于数据安全传输的住宅能源系统最优控制方法。


背景技术：

2.城市能源系统自学习管控是节能减排、优化新能源配置、推动智慧城市建设的重要载体。抢抓新一代人工智能发展，建设符合本国城市发展能源智能管控需求的自学习系统，对于落实中国智慧城市建设具有重要作用。而随着智能电网的发展，对住宅能源管理系统的设计提出了越来越高的智能化要求。智能住宅能源管理系统通过强大的通信能力、智能计量和先进的优化技术，为终端用户提供最佳的能源使用管理。
3.传统的住宅能源管理系统的研究仅考虑电池存储、充放电功率受限问题，但在实际中，电网的输出功率也有其上限值，因此在实际应用中需要进一步考虑此问题；另一方面，能源系统在进行能源调配的时候，网络极易受到恶意节点的信息干扰或数据攻击，使得数据交互共享存在不安全、效率低且成本高的问题。
4.现有技术中公开了一种基于需求响应控制的分布式能源系统优化调度方法，首先，基于用电数据和仿真数据训练智能负荷神经网络模型，得到住宅可控有功功率需求关于需求响应控制信号的函数；然后，将该函数代入分布式能源管理系统模型中，以系统运行成本最小为目标，优化得到当前需求响应控制信号；进而，将当前需求响应控制信号代入该函数，计算得到住宅可控有功功率需求；最后，将住宅可控有功功率需求、固定有功功率需求、商业有功功率需求、风机光伏出力、分布式发电机运行成本、储能系统成本代入分布式能源管理系统模型中，优化得到分布式能源系统的调度策略；尽管现有技术中的方案能够在降低系统运行成本的同时，提高分布式能源系统的负载能力和利用效率，但其仍然是基于中心化的能源管理系统进行调度，依然存在数据交互共享不安全、效率低且成本高的问题；另外，该现有技术也并未考虑实际调度过程中电网的输出功率存在上限值的问题。


技术实现要素：

5.本发明为克服上述现有技术存在的未考虑电网输出功率受限，以及调度数据传输时安全性低、效率低和成本高的缺陷，提供一种基于数据安全传输的住宅能源系统最优控制方法，在调度过程中考虑电网输出功率受限的问题；同时结合区块链技术，能够实现去中心化、防篡改、可管控和可追溯的物联网数据安全加密采集及传输。
6.为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
7.本发明提供一种住宅能源系统最优控制方法，包括以下步骤：
8.s101：建立住宅能源系统模型；
9.所述住宅能源系统模型包括：电网子模型、电池子模型和住宅能源控制子模型；
10.s102：获取每个时刻的电价和住宅负荷，根据建立的住宅能源系统模型获取总成本函数；
11.s103：以最小化总成本函数的值为目标，对住宅能源控制子模型进行迭代优化，获取最优的住宅能源控制策略；
12.s104：根据最优的住宅能源控制策略对住宅能源进行控制和调度。
13.优选地，所述步骤s101中的住宅能源系统具体为：
14.所述住宅能源系统包括：电网、电池、逆变器、住宅能源控制模块和住宅负荷；所述电池通过逆变器与住宅能源控制模块的输入端连接，住宅能源控制模块的输入端还与电网连接，住宅能源控制模块的输出端与住宅负荷连接；
15.所述住宅能源系统包括3种供电模式，具体为：仅由电网为住宅负荷供电，同时电池充电、电网和电池错峰为住宅负荷供电，以及仅由电池为住宅负荷供电。
16.优选地，所述步骤s101中建立的住宅能源系统模型具体为：
17.所述电网子模型具体为：
18.第t时刻所述电网的输出功率p
gt
满足以下约束：
[0019][0020]
p
gt
≥0
[0021]
其中，和分别为电网的最小和最大输出功率；
[0022]
所述电池子模型具体为：
[0023]eb(t+1)
＝e
bt-p
bt
×
η(p
bt
)
[0024][0025][0026]
其中，e
bt
为第t时刻电池的电量；p
bt
为第t时刻电池的输出功率，p
bt
＞0时表示电池放电，p
bt
＜0时表示电池放电，p
bt
＝0时表示电池空闲；和分别为电池的最小和最大电量；和分别为电池的最小和最大输出功率；η(p
bt
)为电池的充放电效率，满足：
[0027]
η(p
bt
)＝0.898-0.173|p
bt
|/p
rate
[0028]
其中，p
rate
为电池的额定输出功率，满足p
rate
＞0；
[0029]
所述住宅能源控制子模型具体为：
[0030][0031]
其中，λ＝24，表示一天24小时；γ表示折扣因子，满足0＜γ＜1；
[0032][0033][0034][0035]ut
＝p
bt
[0036]vt
＝u
t+1-u
t
[0037][0038]
其中，m1、m2和m3分别为第一、第二和第三常数；∈为第四常数，满足∈＞0；ra为对称正定矩阵；c
t
为第t时刻的单位电价；为电池的电量中值，满足a
t
为第一中间变量；v
t
为第二中间变量；θ为第三中间变量；
[0039]
所述住宅能源系统模型还满足以下约束：
[0040]
p
l(t-1
)＝p
b(t-1)
η(p
b(t-1)
)+p
gt
[0041]
其中，p
l(t-1)
表示住宅用户的用电需求，满足p
l(t-1)
＝p
tt
，其中，p
tt
为第t时刻的住宅负荷大小。
[0042]
优选地，所述步骤s102中获取的总成本函数具体为：
[0043][0044]
其中，c
t
为t个时刻的住宅用户的用电总成本。
[0045]
优选地，所述步骤s103中，以最小化总成本函数的值为目标，对住宅能源控制子模型进行迭代优化，获取最优的住宅能源控制策略的具体方法为：
[0046]
以最小化总成本函数的值为目标，根据住宅能源控制子模型获取以下hjb方程：
[0047][0048]
根据获取到的hjb方程建立住宅能源控制子模型对应的迭代方程，具体为：
[0049][0050]
其中，i为迭代次数，满足i＝1，2，3...；
[0051]
根据住宅能源控制子模型对应的迭代方程获取迭代控制策略，具体为：
[0052][0053]
对获取到的迭代控制策略进行迭代优化，当满足预设条件时获取最优的住宅能源控制策略。
[0054]
优选地，所述电池为铅酸电池，所述逆变器为基于功率mosfet和脉宽调制的正弦波逆变器。
[0055]
本发明还提供一种基于区块链的住宅能源最优控制数据安全交互方法，应用上述的一种住宅能源系统最优控制方法所产生的数据，包括以下步骤：
[0056]
s201：数据获取和分类：实时获取住宅能源系统最优控制所产生的数据并分类；
[0057]
所述数据具体为所述分类类别包括用电信息、电价信息、用户信息和参数信息；
[0058]
s202：数据存储：将分类后的数据分别以密文形式存储至区块链中的对应数据库
中；
[0059]
所述区块链中还设置有包括若干个共识节点的共识层，并通过改进的拜占庭容错算法来增强容错；
[0060]
s203：数据交互：包括数据查询和数据应用，具体为：
[0061]
数据查询：查询者通过代理重加密机制查询区块链中各个数据库的数据，完成数据查询；
[0062]
数据应用：每个查询者在区块链中分别对应一个共识节点，每个查询者采用安全多方计算的方式，根据区块链中各个数据库中的数据和其他查询者的数据进行联合共享计算，完成数据应用。
[0063]
优选地，所述改进的拜占庭容错算法具体为：
[0064]
所述共识层包括n个共识节点，容错能力为f＝(n-1)/3；
[0065]
s202.1：当区块链收到信息访问申请后，访问者用私钥完成身份认证并向全网广播；
[0066]
s202.2：当共识节点收到验证信息时，判断是否为主节点，若不是，则转入下一个节点再次判断是否为主节点；若是主节点，则判断访问申请是否合法，若合法，则根据访问申请形成共识提案，执行步骤s202.3，若不合法，则执行步骤s202.6；
[0067]
s202.3：主节点经预设时间后，发送共识提案至全网；
[0068]
s202.4：其他共识节点收到共识提案后分别判断是否为真，若提案非真，则主节点被其他共识节点怀疑；若提案为真，则该共识节点向所有共识节点发送确定消息；
[0069]
s202.5：当任意一个共识节点收到2f条确定消息时，达成共识；
[0070]
s202.6：重复步骤s202.1～s202.5，循环进行共识判断。
[0071]
优选地，所述步骤s203中的联合共享计算过程采用mapreduce进行同态加密运算。
[0072]
优选地，所述步骤s203中的代理重加密机制具体为：
[0073]
所述代理重加密机制包括：密钥生成算法keygen、代理重加密密钥生成算法rekey、加密算法encrypt、代理重加密算法reencrypt和解密算法decrypt；
[0074]
采用somewhat同态方案，构造一个整数w
′
i，j，k
＝w
i，0
·wj，1
·wk，2
mod w0，且i，j，k满足1≤i，j，k≤β，其中，β为预设常数，mod表示模运算；
[0075]
用于加密的w
′
i，j，k
的数量τ为β3个，在公钥存储3β个w
i，b
，公钥尺寸将从τ下降为可一次加密k bit；
[0076]
keygen(1k)
→
(pki，ski)：输入安全参数密钥生产算法keygen为用户i输出一对公/私钥(pki，ski)；
[0077]
rekey(pka，ska，pkb，skb)
→
(rka→b)：输入alice的公/私钥(pka，ska)和bob的公/私钥(pkb，skb)，代理重加密密钥生成算法rekey输出一个代理重加密密钥rka→b，其中，alice为委托者，bob为被委托者；
[0078]
encrypt(pki，m)
→ci
：输入用户i的公钥pki和消息加密算法encrypt输出消息m的密文
[0079]
reencrypt(rka→b，ca)
→
cb：输入一个代理重加密密钥rka→b和alice的密文ca，代理重加密算法reencrypt输出针对bob的重加密密文
[0080]
decrypt(ski，ci)
→
m：输入用户i的私钥ski和密文ci，解密算法decrypt输出消息m或错误符号
⊥
表明密文ci不合法。
[0081]
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
[0082]
本发明提供一种基于数据安全传输的住宅能源系统最优控制方法，首先建立住宅能源系统模型；获取每个时刻的电价和住宅负荷，根据建立的住宅能源系统模型获取总成本函数；以最小化总成本函数的值为目标，对住宅能源控制子模型进行迭代优化，获取最优的住宅能源控制策略；根据最优的住宅能源控制策略对住宅能源进行控制和调度；在调度过程中，实时获取住宅能源最优控制所产生的数据并分类；将分类后的数据分别以密文形式存储至区块链中的对应数据库中；查询者通过代理重加密机制查询区块链中各个数据库的数据，完成数据查询；每个查询者在区块链中分别对应一个共识节点，每个查询者采用安全多方计算的方式，根据区块链中各个数据库中的数据和其他查询者的数据进行联合共享计算，完成数据应用；
[0083]
本发明在住宅能源的调度过程中，不仅考虑电池存储、充放电功率受限问题，还考虑了电网的输出功率受限的问题，能够有效地对住宅能源进行最优控制；另外，本发明还引入区块链技术，实现了去中心化、防篡改、可管控、可追溯的住宅能源最优控制数据的安全加密采集、传输和交互。
附图说明
[0084]
图1为实施例1所提供的一种住宅能源系统最优控制方法流程图。
[0085]
图2为实施例1所提供的住宅能源系统示意图。
[0086]
图3为实施例2所提供的区块链数据存储和查询流程图。
[0087]
图4为实施例2所提供的区块链数据应用和安全多方计算示意图。
具体实施方式
[0088]
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
[0089]
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
[0090]
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0091]
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
[0092]
实施例1
[0093]
如图1所示，本实施例提供一种住宅能源系统最优控制方法，包括以下步骤：
[0094]
s101：建立住宅能源系统模型；
[0095]
所述住宅能源系统模型包括：电网子模型、电池子模型和住宅能源控制子模型；
[0096]
s102：获取每个时刻的电价和住宅负荷，根据建立的住宅能源系统模型获取总成本函数；
[0097]
s103：以最小化总成本函数的值为目标，对住宅能源控制子模型进行迭代优化，获取最优的住宅能源控制策略；
[0098]
s104：根据最优的住宅能源控制策略对住宅能源进行控制和调度；
[0099]
如图2所示，所述步骤s101中的住宅能源系统具体为：
[0100]
所述住宅能源系统包括：电网、电池、逆变器、住宅能源控制模块和住宅负荷；所述电池通过逆变器与住宅能源控制模块的输入端连接，住宅能源控制模块的输入端还与电网连接，住宅能源控制模块的输出端与住宅负荷连接；
[0101]
所述住宅能源系统包括3种供电模式，具体为：仅由电网为住宅负荷供电，同时电池充电、电网和电池错峰为住宅负荷供电，以及仅由电池为住宅负荷供电；
[0102]
所述步骤s101中建立的住宅能源系统模型具体为：
[0103]
所述电网子模型具体为：
[0104]
第t时刻所述电网的输出功率p
gt
满足以下约束：
[0105][0106]
p
gt
≥0
[0107]
其中，和分别为电网的最小和最大输出功率；
[0108]
所述电池子模型具体为：
[0109]eb(t+1)
＝e
bt-p
bt
×
η(p
bt
)
[0110][0111][0112]
其中，e
bt
为第t时刻电池的电量；p
bt
为第t时刻电池的输出功率，p
bt
＞0时表示电池放电，p
bt
＜0时表示电池放电；和分别为电池的最小和最大电量；和分别为电池的最小和最大输出功率；η(p
bt
)为电池的充放电效率，满足：
[0113]
η(p
bt
)＝0.898-0.173|p
bt
|/p
rate
[0114]
其中，p
rate
为电池的额定输出功率，满足p
rate
＞0；
[0115]
所述住宅能源控制子模型具体为：
[0116][0117]
其中，λ＝24，表示一天24小时；γ表示折扣因子，满足0＜γ＜1；
[0118][0119][0120][0121]ut
＝p
bt
[0122]vt
＝u
t+1-u
t
[0123]
[0124]
其中，m1、m2和m3分别为第一、第二和第三常数；∈为第四常数，满足∈＞0；ra为对称正定矩阵；c
t
为第t时刻的单位电价；为电池的电量中值，满足a
t
为第一中间变量；v
t
为第二中间变量；θ为第三中间变量；
[0125]
所述住宅能源系统模型还满足以下约束：
[0126]
p
l(t-1)
＝p
b(t-1)
η(p
b(t-1)
)+p
gt
[0127]
其中，p
l(t-1)
表示住宅用户的用电需求，满足p
l(t-1)
＝p
tt
，其中，p
tt
为第t时刻的住宅负荷大小；
[0128]
所述步骤s102中获取的总成本函数具体为：
[0129][0130]
其中，c
t
为t个时刻的住宅用户的用电总成本；
[0131]
所述步骤s103中，以最小化总成本函数的值为目标，对住宅能源控制子模型进行迭代优化，获取最优的住宅能源控制策略的具体方法为：
[0132]
以最小化总成本函数的值为目标，根据住宅能源控制子模型获取以下hjb方程：
[0133][0134]
根据获取到的hjb方程建立住宅能源控制子模型对应的迭代方程，具体为：
[0135][0136]
其中，i为迭代次数，满足i＝1，2，3...；
[0137]
根据住宅能源控制子模型对应的迭代方程获取迭代控制策略，具体为：
[0138][0139]
对获取到的迭代控制策略进行迭代优化，当满足预设条件时获取最优的住宅能源控制策略；
[0140]
所述电池为铅酸电池，所述逆变器为基于功率mosfet和脉宽调制的正弦波逆变器。
[0141]
在具体实施过程中，首先建立住宅能源系统模型；
[0142]
在本实施例中，住宅能源系统使用交流公用电网作为主要电力来源，并与电池存储系统并行运行；该系统由电网、正弦波逆变器、电池和住宅能源控制模块组成；该逆变器为电池充电和放电，逆变器的结构基于功率mosfet技术和脉宽调制技术，逆变器输出的电能质量可与电网提供的质量相媲美；电池由铅酸电池组成，铅酸电池是最常用的可充电电池类型，一般来说，电池的大小使其能够为住宅负载供电12小时；
[0143]
住宅能源系统有三种运行模式：1)充电方式：在系统负荷低、电价便宜的情况下，由电网直接向用户供电，同时对电池进行充电；2)闲置模式：电网在一定时段直接向用户供电，从经济角度考虑，在晚高峰时段使用充满电的电池更具成本效益；3)放电方式：考虑后续负荷需求和时变电费，在电网用电成本较高的时段，由电池单独供电住宅负荷；
[0144]
住宅能源系统模型包括：电网子模型、电池子模型和住宅能源控制子模型；
[0145]
所述电网子模型具体为：
[0146]
第t时刻所述电网的输出功率p
gt
满足以下约束：
[0147][0148]
p
gt
≥0
[0149]
其中，和分别为电网的最小和最大输出功率；p
gt
≥0表示不允许从电池流向电网的功率流，以保证电网的电能质量；
[0150]
为了延长电池的寿命，考虑存储限制和充放电功率限制，建立的电池子模型具体为：
[0151]eb(t+1)
＝e
bt-p
bt
×
η(p
bt
)
[0152][0153][0154]
其中，e
bt
为第t时刻电池的电量；p
bt
为第t时刻电池的输出功率，p
bt
＞0时表示电池放电，p
bt
＜0时表示电池放电，p
bt
＝0时表示电池空闲；和分别为电池的最小和最大电量；和分别为电池的最小和最大输出功率；η(p
bt
)为电池的充放电效率，满足：
[0155]
η(p
bt
)＝0.898-0.173|p
bt
|/p
rate
[0156]
其中，p
rate
为电池的额定输出功率，满足p
rate
＞0；
[0157]
所述住宅能源控制子模型具体为：
[0158][0159]
其中，λ＝24，表示一天24小时；γ表示折扣因子，满足0＜γ＜1；
[0160][0161][0162][0163]ut
＝p
bt
[0164]vt
＝u
t+1-u
t
[0165][0166]
其中，m1、m2和m3分别为第一、第二和第三常数；∈为第四常数，满足∈＞0；ra为对称正定矩阵；c
t
为第t时刻的单位电价；为电池的电量中值，满足a
t
为第一中间变量；v
t
为第二中间变量；θ为第三中间变量；
用来解决状态受限问题，当a
nt
→cn
或a
nt
→dn
时，j(a
t
)
→
∞，最小化这一项可以防止系统状态接近其边界；
[0167]
在给定家庭负荷和实时电量的情况下，最优控制的目标是在考虑电池的限制条件下，在每个时间步求出最优的电池充电/放电/空闲控制律，使电网供电的总费用最小，为了找到最优控制律，需要考虑负载平衡，因此，所述住宅能源系统模型还满足以下约束：
[0168]
p
l(t-1)
＝p
b(t-1)
η(p
b(t-1)
)+p
gt
[0169]
其中，p
l(t-1)
表示住宅用户的用电需求，满足p
l(t-1)
＝p
tt
，其中，p
tt
为第t时刻的住宅负荷大小；该约束表示在任何时候，来自电网和电池的电量之和必须等于住宅用户的用电需求；
[0170]
之后获取每个时刻的电价和住宅负荷，根据建立的住宅能源系统模型获取总成本函数，具体为：
[0171][0172]
其中，c
t
为t个时刻的住宅用户的用电总成本，m1(c
t
p
gt
)2的目标是最小化来自电网的总成本，是避免电池完全充放电，m3(p
bt
)2是尽量减少电池的充放电功率；
[0173]
之后以最小化总成本函数的值为目标，对住宅能源控制子模型进行迭代优化，获取最优的住宅能源控制策略；
[0174]
令u
t
＝p
bt
，则家庭能源系统方程为
[0175][0176]
其中，其中，因此，家庭能源系统是一个状态和控制受限系统；
[0177]
引入虚拟控制输入：v
t
＝u
t+1-u
t
，令，令得到如下增广系统：
[0178]at+1
＝f(a
t
)+gv
t
[0179]
其中，因此，问题转化为了状态受限增广系统的控制问题；
[0180]
以最小化总成本函数的值为目标，根据住宅能源控制子模型获取以下hjb方程：
[0181][0182]
根据获取到的hjb方程建立住宅能源控制子模型对应的迭代方程，具体为：
[0183][0184]
其中，i为迭代次数，满足i＝1，2，3...；
[0185]
根据住宅能源控制子模型对应的迭代方程获取迭代控制策略，具体为：
[0186][0187]
对获取到的迭代控制策略进行迭代优化，当满足预设条件时获取最优的住宅能源控制策略；
[0188]
最后根据最优的住宅能源控制策略对住宅能源进行控制和调度；
[0189]
本方法在住宅能源的调度过程中，不仅考虑电池存储、充放电功率受限问题，还考虑了电网的输出功率受限的问题，能够有效地对住宅能源进行最优控制。
[0190]
实施例2
[0191]
本实施例提供一种基于区块链的住宅能源最优控制数据安全交互方法，应用实施例1中的一种住宅能源系统最优控制方法所产生的数据，包括以下步骤：
[0192]
s201：数据获取和分类：实时获取住宅能源系统最优控制所产生的数据并分类；
[0193]
所述数据具体为所述分类类别包括用电信息、电价信息、用户信息和参数信息；
[0194]
s202：数据存储：将分类后的数据分别以密文形式存储至区块链中的对应数据库中；
[0195]
所述区块链中还设置有包括若干个共识节点的共识层，并通过改进的拜占庭容错算法来增强容错；
[0196]
s203：数据交互：包括数据查询和数据应用，具体为：
[0197]
数据查询：查询者通过代理重加密机制查询区块链中各个数据库的数据，完成数据查询；
[0198]
数据应用：每个查询者在区块链中分别对应一个共识节点，每个查询者采用安全多方计算的方式，根据区块链中各个数据库中的数据和其他查询者的数据进行联合共享计算，完成数据应用；
[0199]
所述改进的拜占庭容错算法具体为：
[0200]
所述共识层包括n个共识节点，容错能力为f＝(n-1)/3；
[0201]
s202.1：当区块链收到信息访问申请后，访问者用私钥完成身份认证并向全网广播；
[0202]
s202.2：当共识节点收到验证信息时，判断是否为主节点，若不是，则转入下一个节点再次判断是否为主节点；若是主节点，则判断访问申请是否合法，若合法，则根据访问申请形成共识提案，执行步骤s202.3，若不合法，则执行步骤s202.6；
[0203]
s202.3：主节点经预设时间后，发送共识提案至全网；
[0204]
s202.4：其他共识节点收到共识提案后分别判断是否为真，若提案非真，则主节点被其他共识节点怀疑；若提案为真，则该共识节点向所有共识节点发送确定消息；
[0205]
s202.5：当任意一个共识节点收到2f条确定消息时，达成共识；
[0206]
s202.6：重复步骤s202.1～s202.5，循环进行共识判断；
[0207]
所述联合共享计算过程采用mapreduce进行同态加密运算；
[0208]
所述代理重加密机制具体为：
[0209]
所述代理重加密机制包括：密钥生成算法keygen、代理重加密密钥生成算法rekey、加密算法encrypt、代理重加密算法reencrypt和解密算法decrypt；
[0210]
采用somewhat同态方案，构造一个整数w
′
i，j，k
＝w
i，0
·wj，1
·wk，2
mod w0，且i，j，k满足1≤i，j，k≤β，其中，β为预设常数，mod表示模运算；
[0211]
用于加密的w
′
i，j，k
的数量τ为β3个，在公钥存储3β个w
i，b
，公钥尺寸将从τ下降为可一次加密k bit；
[0212]
keygen(1k)
→
(pki，ski)：输入安全参数密钥生产算法keygen为用户i输出一对公/私钥(pki，ski)；
[0213]
rekey(pka，ska，pkb，skb)
→
(rka→b)：输入alice的公/私钥(pka，ska)和bob的公/私钥(pkb，skb)，代理重加密密钥生成算法rekey输出一个代理重加密密钥rka→b，其中，alice为委托者，bob为被委托者；
[0214]
encrypt(pki，m)
→ci
：输入用户i的公钥pki和消息加密算法encrypt输出消息m的密文
[0215]
reencrypt(rka→b，ca)
→
cb：输入一个代理重加密密钥rka→b和alice的密文ca，代理重加密算法reencrypt输出针对bob的重加密密文
[0216]
decrypt(ski，ci)
→
m：输入用户i的私钥ski和密文ci，解密算法decrypt输出消息m或错误符号
⊥
表明密文ci不合法。
[0217]
在具体实施过程中，首先实时获取住宅能源最优控制所产生的数据并分类；获取的数据具体为分类类别包括用电信息、电价信息、用户信息和参数信息；
[0218]
数据在区块链上存储会占用过多空间，导致资源浪费，因此本实施例采用密文形式将敏感且数据量大的信息储存在链下，用户和查询者无法随意更改，进而保证了数据的安全性；在进行信息安全存储时，用户对上传信息分类，如电价信息、用电信息等，且对外共享分类；对应分类中的数据采用公钥加密并储存在指定数据库中，并将相关地址存储至索引表；当有查询者需要获取信息时，即信息共享阶段，采用代理重加密机制，避免将用户私钥直接暴露出去的前提下共享数据，需要查询者使用各自私钥对数据解密而获得所需数据，具体过程如图3所示；
[0219]
在区块链中，去中心化的特点决定了系统中任何一个参与者均不被信任，因此，共识算法用来解决恶意节点和各方利益不一致的问题；传统的共识机制只针对某些特定问题，并不能解决所有区块链系统的容错问题，因此，本实施例还设置有包括若干个共识节点的共识层，并通过改进的拜占庭容错算法来增强容错，具体为：
[0220]
所述共识层包括n个共识节点，容错能力为f＝(n-1)/3；
[0221]
当区块链收到信息访问申请后，访问者用私钥完成身份认证并向全网广播；当共识节点收到验证信息时，判断是否为主节点，若不是，则转入下一个节点再次判断是否为主节点；若是主节点，则判断访问申请是否合法，若合法，则根据访问申请形成共识提案，若不
合法，则进行下一轮共识；主节点经预设时间后，发送共识提案至全网；其他共识节点收到共识提案后分别判断是否为真，若提案非真，则主节点被其他共识节点怀疑；若提案为真，则该共识节点向所有共识节点发送确定消息；当任意一个共识节点收到2f条确定消息时，达成共识；重复上述步骤，循环进行共识判断；
[0222]
在数据交互时，查询者通过代理重加密机制查询区块链中各个数据库的数据，完成数据查询；
[0223]
每个查询者在区块链中分别对应一个共识节点，每个查询者采用安全多方计算的方式，根据区块链中各个数据库中的数据和其他查询者的数据进行联合共享计算，完成数据应用；
[0224]
计算请求方生成计算请求后，请求方将自已的证书签名和加密公钥提交到区块链上，利用共识层的共识节点进行共识来确保节点间的相互信任，之后根据请求的内容查询原始数据，并将不同机构的数据合并在一起进行计算，利用请求方的公钥将计算的结果加密返回；在此过程中，每一个机构均不知道其他请求方的信息，请求方收到返回的结果后，利用自己的私钥进行解密得到最终的结果；这种方式在信息隐私保护的前提下实现数据联合共享计算功能；
[0225]
所述联合共享计算过程采用mapreduce进行同态加密运算，在处理大数据问题时，可以提高数据计算的效率，其分为map和reduce两个阶段，加密过程中，若是主节点则分配map任务和reduce任务，否则判断该节点是map节点和reduce节点；map节点负责采用同态加密算法对数据进行并行加密，reduce节点则对加密后的数据汇总处理并输出数据；最后将加密后的密文存在链下，由用户自己控制数据，只有用户授权者才能获得真实的数据，进而避免了第三方数据管理机构；
[0226]
传统的公钥加密方案需要大量的空间来存储所需要的公钥，加密时间长，运算效率低，因此本实施例采用代理重加密技术进行加密，所述代理重加密机制具体为：
[0227]
所述代理重加密机制包括：密钥生成算法keygen、代理重加密密钥生成算法rekey、加密算法encrypt、代理重加密算法reencrypt和解密算法decrypt；
[0228]
采用somewhat同态方案，构造一个整数w
′
i，j，k
＝w
i，0
·wj，1
·wk，2
mod w0，且i，j，k满足1≤i，j，k≤β，其中，β为预设常数，mod表示模运算；
[0229]
用于加密的w
′
i，j，k
的数量τ为β3个，在公钥存储3β个w
i，b
，公钥尺寸将从τ下降为可一次加密k bit；
[0230]
keygen(1k)
→
(pki，ski)：输入安全参数密钥生产算法keygen为用户i输出一对公/私钥(pki，ski)；
[0231]
rekey(pka，ska，pkb，skb)
→
(rka→b)：输入alice的公/私钥(pka，ska)和bob的公/私钥(pkb，skb)，代理重加密密钥生成算法rekey输出一个代理重加密密钥rka→b，其中，alice为委托者，bob为被委托者；
[0232]
encrypt(pki，m)
→ci
：输入用户i的公钥pki和消息加密算法encrypt输出消息m的密文
[0233]
reencrypt(rka→b，ca)
→
cb：输入一个代理重加密密钥rka→b和alice的密文ca，代理重加密算法reencrypt输出针对bob的重加密密文
[0234]
decrypt(ski，ci)
→
m：输入用户i的私钥ski和密文ci，解密算法decrypt输出消息m或错误符号
⊥
表明密文ci不合法；
[0235]
本实施例所采用的加密算法，加密明文比特数为k，且公钥中每个分量的形式采用三次方形式，相比于dghv等算法，得到了更小的密文长度和公钥尺寸，更适合大数据的处理，可完成分钟级的多方加密处理，且实现不依赖第三方的隐私保护，支持tcp/ip、profibus-dp、rs485等通讯方式，完整的共享及安全多方计算模型如图4所示；
[0236]
本方法针对住宅能源最优控制数据的安全防护、可管控、快速传输、信息可追溯等需求，通过引入区块链技术，实现了去中心化、防篡改、可管控、可追溯的住宅能源最优控制数据的安全加密采集、传输和交互。
[0237]
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
[0238]
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
[0239]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

技术特征：
1.一种住宅能源系统最优控制方法，其特征在于，包括以下步骤：s101：建立住宅能源系统模型；所述住宅能源系统模型包括：电网子模型、电池子模型和住宅能源控制子模型；s102：获取每个时刻的电价和住宅负荷，根据建立的住宅能源系统模型获取总成本函数；s103：以最小化总成本函数的值为目标，对住宅能源控制子模型进行迭代优化，获取最优的住宅能源控制策略；s104：根据最优的住宅能源控制策略对住宅能源进行控制和调度。2.根据权利要求1所述的一种住宅能源系统最优控制方法，其特征在于，所述步骤s101中的住宅能源系统具体为：所述住宅能源系统包括：电网、电池、逆变器、住宅能源控制模块和住宅负荷；所述电池通过逆变器与住宅能源控制模块的输入端连接，住宅能源控制模块的输入端还与电网连接，住宅能源控制模块的输出端与住宅负荷连接；所述住宅能源系统包括3种供电模式，具体为：仅由电网为住宅负荷供电，同时电池充电、电网和电池错峰为住宅负荷供电，以及仅由电池为住宅负荷供电。3.根据权利要求2所述的一种住宅能源系统最优控制方法，其特征在于，所述步骤s101中建立的住宅能源系统模型具体为：所述电网子模型具体为：第t时刻所述电网的输出功率p
gt
满足以下约束：p
gt
≥0其中，和分别为电网的最小和最大输出功率；所述电池子模型具体为：e
b(t+1)
＝e
bt-p
bt
×
η(p
bt
))其中，e
bt
为第t时刻电池的电量；p
bt
为第t时刻电池的输出功率，p
bt
>0时表示电池放电，p
bt
<0时表示电池放电，p
bt
＝0时表示电池空闲；和分别为电池的最小和最大电量；和分别为电池的最小和最大输出功率；η(p
bt
)为电池的充放电效率，满足：η(p
bt
)＝0.898-0.173|p
bt
|/p
rate
其中，p
rate
为电池的额定输出功率，满足p
rate
>0；所述住宅能源控制子模型具体为：其中，λ＝24，表示一天24小时；γ表示折扣因子，满足0<γ<1；
u
t
＝p
bt
v
t
＝u
t+1-u
t
其中，m1、m2和m3分别为第一、第二和第三常数；∈为第四常数，满足∈>0；r
a
为对称正定矩阵；c
t
为第t时刻的单位电价；为电池的电量中值，满足a
t
为第一中间变量；v
t
为第二中间变量；θ为第三中间变量；所述住宅能源系统模型还满足以下约束：p
l(t-1)
＝p
b(t-1)
η(p
b(t-1)
)+p
gt
其中，p
l(t-1)
表示住宅用户的用电需求，满足p
l(t-1)
＝p
tt
，其中，p
tt
为第t时刻的住宅负荷大小。4.根据权利要求3所述的一种住宅能源系统最优控制方法，其特征在于，所述步骤s102中获取的总成本函数具体为：其中，c
t
为t个时刻的住宅用户的用电总成本。5.根据权利要求4所述的一种住宅能源系统最优控制方法，其特征在于，所述步骤s103中，以最小化总成本函数的值为目标，对住宅能源控制子模型进行迭代优化，获取最优的住宅能源控制策略的具体方法为：以最小化总成本函数的值为目标，根据住宅能源控制子模型获取以下hjb方程：根据获取到的hjb方程建立住宅能源控制子模型对应的迭代方程，具体为：其中，i为迭代次数，满足i＝1,2,3
…
；根据住宅能源控制子模型对应的迭代方程获取迭代控制策略，具体为：对获取到的迭代控制策略进行迭代优化，当满足预设条件时获取最优的住宅能源控制策略。6.根据权利要求2～5任意一项中所述的一种住宅能源系统最优控制方法，其特征在于，所述电池为铅酸电池，所述逆变器为基于功率mosfet和脉宽调制的正弦波逆变器。
7.一种基于区块链的住宅能源最优控制数据安全交互方法，应用权利要求1～6任意一项中所述的一种住宅能源系统最优控制方法所产生的数据，其特征在于，包括以下步骤：s201：数据获取和分类：实时获取住宅能源系统最优控制所产生的数据并分类；所述数据具体为所述分类类别包括用电信息、电价信息、用户信息和参数信息；s202：数据存储：将分类后的数据分别以密文形式存储至区块链中的对应数据库中；所述区块链中还设置有包括若干个共识节点的共识层，并通过改进的拜占庭容错算法来增强容错；s203：数据交互：包括数据查询和数据应用，具体为：数据查询：查询者通过代理重加密机制查询区块链中各个数据库的数据，完成数据查询；数据应用：每个查询者在区块链中分别对应一个共识节点，每个查询者采用安全多方计算的方式，根据区块链中各个数据库中的数据和其他查询者的数据进行联合共享计算，完成数据应用。8.根据权利要求7所述的一种基于区块链的住宅能源最优控制数据安全交互方法，其特征在于，所述改进的拜占庭容错算法具体为：所述共识层包括n个共识节点，容错能力为f＝(n-1)/3；s202.1：当区块链收到信息访问申请后，访问者用私钥完成身份认证并向全网广播；s202.2：当共识节点收到验证信息时，判断是否为主节点，若不是，则转入下一个节点再次判断是否为主节点；若是主节点，则判断访问申请是否合法，若合法，则根据访问申请形成共识提案，执行步骤s202.3，若不合法，则执行步骤s202.6；s202.3：主节点经预设时间后，发送共识提案至全网；s202.4：其他共识节点收到共识提案后分别判断是否为真，若提案非真，则主节点被其他共识节点怀疑；若提案为真，则该共识节点向所有共识节点发送确定消息；s202.5：当任意一个共识节点收到2f条确定消息时，达成共识；s202.6：重复步骤s202.1～s202.5，循环进行共识判断。9.根据权利要求8所述的一种基于区块链的住宅能源最优控制数据安全交互方法，其特征在于，所述步骤s203中的联合共享计算过程采用mapreduce进行同态加密运算。10.根据权利要求9所述的一种基于区块链的住宅能源最优控制数据安全交互方法，其特征在于，所述步骤s203中的代理重加密机制具体为：所述代理重加密机制包括：密钥生成算法keygen、代理重加密密钥生成算法rekey、加密算法encrypt、代理重加密算法reencrypt和解密算法decrypt；采用somewhat同态方案，构造一个整数w
′
i,j,k
＝w
i,0
·
w
j,1
·
w
k,2
mod w0，且i,j,k满足1≤i,j,k≤β，其中，β为预设常数，mod表示模运算；用于加密的w
′
i,j,k
的数量τ为β3个，在公钥存储3β个w
i,b
，公钥尺寸将从τ下降为可一次加密k bit；keygen(1
k
)
→
(pk
i
,sk
i
)：输入安全参数密钥生产算法keygen为用户i输出一对公/私钥(pk
i
,sk
i
)；
rekey(pk
a
,sk
a
,pk
b
,sk
b
)
→
(rk
a
→
b
)：输入alice的公/私钥(pk
a
,sk
a
)和bob的公/私钥(pk
b
,sk
b
)，代理重加密密钥生成算法rekey输出一个代理重加密密钥rk
a
→
b
，其中，alice为委托者，bob为被委托者；encrypt(pk
i
,m)
→
c
i
：输入用户i的公钥pk
i
和消息加密算法encrypt输出消息m的密文reencrypt(rk
a
→
b
,c
a
)
→
c
b
：输入一个代理重加密密钥rk
a
→
b
和alice的密文c
a
，代理重加密算法reencrypt输出针对bob的重加密密文decrypt(sk
i
,c
i
)
→
m：输入用户i的私钥sk
i
和密文c
i
，解密算法decrypt输出消息m或错误符号
⊥
表明密文c
i
不合法。

技术总结
本发明提供一种基于数据安全传输的住宅能源系统最优控制方法，包括：建立住宅能源系统模型；获取每个时刻的电价和住宅负荷和总成本函数；以最小化总成本函数的值为目标，对住宅能源控制子模型进行迭代优化，获取最优的住宅能源控制策略；根据最优的住宅能源控制策略对住宅能源进行控制和调度；在调度过程中，将最优控制数据加密后存储至区块链中的对应数据库中；查询者通过代理重加密机制查询区块链中各个数据库的数据，并采用安全多方计算的方式进行计算；本发明能够有效地对住宅能源进行最优控制；另外，本发明还引入区块链技术，实现了去中心化、防篡改、可管控、可追溯的住宅能源最优控制数据的安全加密采集、传输和交互。传输和交互。传输和交互。


技术研发人员：林锦全 王永华 刘德荣 翁焕杰 赵博
受保护的技术使用者：广东工业大学
技术研发日：2023.08.02
技术公布日：2023/10/20