李 彬, 曹望璋, 張 潔, 陳宋宋, 楊 斌, 孫 毅, 祁 兵

(1. 華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院, 北京市 102206;2. 中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司, 北京市 100192; 3. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司, 江蘇省南京市 210024)

0 引言

區(qū)塊鏈作為“互聯(lián)網(wǎng)+”新業(yè)態(tài)的一種新型應(yīng)用技術(shù),能通過(guò)調(diào)動(dòng)全網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)參與積極性,實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)無(wú)差別記錄,保證數(shù)據(jù)安全性的同時(shí),提高數(shù)據(jù)的透明度[1]。2016年10月18日,工業(yè)和信息化部與多個(gè)參編單位聯(lián)合發(fā)布了關(guān)于開展中國(guó)區(qū)塊鏈的技術(shù)路線規(guī)劃文件——《中國(guó)區(qū)塊鏈技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展白皮書(2016)》[2]。同年12月27日,在國(guó)務(wù)院所印發(fā)的《“十三五”國(guó)家信息化規(guī)劃》文件中也明確指出了區(qū)塊鏈技術(shù)支撐中國(guó)核心產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向,并將其與物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、機(jī)器深度學(xué)習(xí)等列入高新技術(shù)應(yīng)用框架體系,以支撐重要行業(yè)的發(fā)展需求[3]。國(guó)家電網(wǎng)公司在城市能源協(xié)調(diào)發(fā)展轉(zhuǎn)型過(guò)程中提出了“再電氣化戰(zhàn)略”,明確了電力與冷、熱、氣的系統(tǒng)優(yōu)化及多品種能源的深度融合及協(xié)調(diào)發(fā)展,其中區(qū)塊鏈也被列入多元化城市能源互聯(lián)、信息互聯(lián)的關(guān)鍵技術(shù),以保障城市能源共享中無(wú)差別能源利用、公平化市場(chǎng)交易的目標(biāo)。

2016年8月召開的中國(guó)能源互聯(lián)網(wǎng)暨智慧能源產(chǎn)業(yè)博覽大會(huì)上[4],多名專家就關(guān)于如何利用區(qū)塊鏈開展電力市場(chǎng)能源交易問(wèn)題進(jìn)行了深入探討。隨后文獻(xiàn)[5]就具體能源互聯(lián)網(wǎng)中的區(qū)塊鏈技術(shù)框架和典型應(yīng)用展開了探討及論證。文獻(xiàn)[6]也針對(duì)了售電側(cè)放開后基于完全競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)條件下的多實(shí)體參與電力市場(chǎng)輔助服務(wù)交易結(jié)算的解決技術(shù)方案,提出了利用區(qū)塊鏈解決輔助服務(wù)安全信任問(wèn)題的方法。文獻(xiàn)[7]則分析了需求側(cè)響應(yīng)資源交易應(yīng)用模式在區(qū)塊鏈下聯(lián)合開展的必要性。區(qū)塊鏈中衍生的智能合約理念在文獻(xiàn)[8]中也被提及。區(qū)塊鏈在能源領(lǐng)域可用于構(gòu)筑包含能源微網(wǎng)、金融輸電權(quán)、線損公證、調(diào)度決策、智能售電、儲(chǔ)電分享授權(quán)的業(yè)務(wù)體系[9]。未來(lái)區(qū)塊鏈及其鏈上數(shù)據(jù)能夠?qū)邆鋽?shù)字化能力的業(yè)務(wù)系統(tǒng)交易提供重要支撐[10]。

區(qū)塊鏈技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域相繼提出了不同的應(yīng)用及擴(kuò)展方式,多能源協(xié)作優(yōu)化作為目前熱點(diǎn)研究方向,未來(lái)可促進(jìn)多種能源有機(jī)整合,集成互補(bǔ),其中還包括清潔能源生產(chǎn)和就近消納,減少棄風(fēng)、棄光、棄水限電等。因此,需要通過(guò)技術(shù)手段導(dǎo)向多能源協(xié)同發(fā)展,結(jié)合多能互補(bǔ)控制增強(qiáng)能源供給側(cè)和需求側(cè)關(guān)聯(lián)[11]。在多能系統(tǒng)業(yè)務(wù)模式方面,文獻(xiàn)[12]在分布式算法的基礎(chǔ)上,以分布式發(fā)電投資、運(yùn)行成本等參數(shù)最小化為目標(biāo),設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)優(yōu)化模型,設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)風(fēng)/光/柴多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行策略。文獻(xiàn)[13]以工業(yè)用戶園區(qū)綜合能源系統(tǒng)為研究基礎(chǔ),設(shè)計(jì)了考慮價(jià)格、用能、需求特性的電網(wǎng)、用戶與冷熱電三聯(lián)供(CCHP)機(jī)組多能互補(bǔ)優(yōu)化調(diào)度方法。目前可明顯預(yù)見的是,多能互補(bǔ)研究領(lǐng)域未來(lái)將更多集中于不同場(chǎng)景下的控制系統(tǒng)和平臺(tái)相配合的控制策略設(shè)計(jì)及驗(yàn)證上[14-18]。目前,涉及多能系統(tǒng)交易結(jié)算的相關(guān)應(yīng)用較少,造成該現(xiàn)象的原因在于,不同于常規(guī)的單一能源管理,多能系統(tǒng)是一個(gè)宏觀的跨領(lǐng)域跨層級(jí)抽象實(shí)體,需要更多地考慮多種能量流與信息流的緊密結(jié)合[19]。

因此,考慮到多能系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中涉及眾多的交互對(duì)象實(shí)體及不同的區(qū)塊鏈類型,從能量流和信息流高頻度無(wú)障礙的交互需求角度出發(fā),本文設(shè)計(jì)了適用于多能系統(tǒng)的異構(gòu)區(qū)塊鏈交易體系。在此基礎(chǔ)上,提出了用于支撐多能系統(tǒng)下異構(gòu)區(qū)塊鏈交易開展的側(cè)鏈管理、數(shù)據(jù)檢索和自治管理應(yīng)用設(shè)想,給出了目前異構(gòu)區(qū)塊鏈交易數(shù)據(jù)互聯(lián)互通問(wèn)題的解決方法。

1 多能系統(tǒng)互聯(lián)交易需求分析

1.1 多能系統(tǒng)核心交易需求

多能系統(tǒng)是一個(gè)高精度的自律控制體系,可配合區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)多能系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和計(jì)量數(shù)據(jù)在多個(gè)運(yùn)行主體間的泛在信息交互。根據(jù)交互的實(shí)際需求制定合理的優(yōu)化決策目標(biāo),有向地引導(dǎo)能源生產(chǎn)、傳輸和控制,完成多種組合業(yè)務(wù)的開展。根據(jù)當(dāng)前多能系統(tǒng)功能,電網(wǎng)實(shí)際可以依托實(shí)現(xiàn)的業(yè)務(wù)包括:有序用電、需求響應(yīng)、容量/調(diào)頻輔助服務(wù)、微網(wǎng)優(yōu)化控制、新能源消納、電動(dòng)汽車有序充放電以及風(fēng)火打捆發(fā)電等。每個(gè)服務(wù)按照其實(shí)現(xiàn)過(guò)程可歸納成以下5個(gè)階段。

1)計(jì)量認(rèn)證階段:計(jì)量認(rèn)證需要的是對(duì)全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的實(shí)時(shí)感知,依據(jù)業(yè)務(wù)需求有選擇性地獲取歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

2)數(shù)據(jù)透?jìng)麟A段:數(shù)據(jù)透?jìng)麟A段旨在特定實(shí)體之間信息無(wú)阻礙的互通,在基于信任的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高頻度信息交互。利用特定技術(shù)完成多主體設(shè)備和系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)調(diào)用,提升異構(gòu)系統(tǒng)互操作架構(gòu)的兼容性。

3)信息發(fā)布階段:信息發(fā)布階段主要是根據(jù)數(shù)據(jù)透?jìng)麟A段的內(nèi)容,智能地完成可信任數(shù)據(jù)的分析,生成可執(zhí)行的優(yōu)化決策。在有限的群體內(nèi)部明確決策執(zhí)行主體,去中心化地將執(zhí)行決定權(quán)利賦予參與多能交易的單個(gè)或者多個(gè)實(shí)體。

4)指令執(zhí)行階段:在指令執(zhí)行階段,多個(gè)參與調(diào)配優(yōu)化的主體,在數(shù)據(jù)發(fā)布階段后,自主識(shí)別其生成的可執(zhí)行優(yōu)化決策。參與主體自動(dòng)移交執(zhí)行權(quán),并確定是否參與執(zhí)行優(yōu)化決策指令。

5)交易結(jié)算階段:在指令執(zhí)行完成時(shí),每個(gè)參與決策指令執(zhí)行的主體可自動(dòng)結(jié)算獲取單次激勵(lì),該階段的操作必須保障多能系統(tǒng)所有交易的不重復(fù)性和無(wú)爭(zhēng)議性。

1.2 區(qū)塊鏈技術(shù)在多能系統(tǒng)中的適用性分析

按照區(qū)塊鏈目前的普適范圍,電網(wǎng)內(nèi)未來(lái)發(fā)展的區(qū)塊鏈類型由面向的受眾客戶不同,分成公有鏈、聯(lián)盟鏈以及私有鏈[20]3類。3種區(qū)塊鏈的應(yīng)用模式分別如圖1所示。每個(gè)模式所包含的客戶類型有完全開放用戶節(jié)點(diǎn)、半開放用戶節(jié)點(diǎn)和不開放用戶節(jié)點(diǎn)。

圖1 適用于電網(wǎng)不同業(yè)務(wù)的區(qū)塊鏈類型Fig.1 Different blockchains for different grid businesses

公有鏈的應(yīng)用模式(模式a)里,全開放用戶節(jié)點(diǎn)(礦工)在公有鏈中對(duì)每個(gè)區(qū)塊記錄數(shù)據(jù)具有可讀寫權(quán)限,能夠根據(jù)計(jì)算力,采用挖礦方式獲取每個(gè)區(qū)塊交易記錄的權(quán)利。其數(shù)據(jù)對(duì)于所有公有鏈內(nèi)的用戶節(jié)點(diǎn)可見,也是最接近于公眾服務(wù)的形式,目前該方式在能源領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用還存在難度。主要原因在于公有鏈的特點(diǎn)是對(duì)所有參與實(shí)體開放,任何實(shí)體都可以參與,比特幣是公有鏈應(yīng)用的代表案例。雖然此類區(qū)塊鏈不可逆且穩(wěn)定性最高,不容易偽造,但是維護(hù)的成本相對(duì)較大,對(duì)于多能系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用并不適應(yīng)。

模式b中的聯(lián)盟鏈則與模式a稍有不同。首先是聯(lián)盟鏈中參與的用戶主要是特定的機(jī)構(gòu)組織,用戶節(jié)點(diǎn)都進(jìn)行了權(quán)限設(shè)定的確認(rèn)。權(quán)限的大小決定用戶節(jié)點(diǎn)是否能夠?qū)^(qū)塊鏈數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和記錄。不開放用戶節(jié)點(diǎn)對(duì)聯(lián)盟鏈具有可讀及寫入權(quán)限,半開放節(jié)點(diǎn)則需經(jīng)由聯(lián)盟鏈內(nèi)部的授權(quán)后才能參與讀取和寫入,而且讀寫權(quán)限也并非完全授予,其開放度有所限制。通常聯(lián)盟鏈可為特定類型的能源服務(wù)商提供限制級(jí)服務(wù)。不同能源服務(wù)商參與多能系統(tǒng)互動(dòng)時(shí),能源的協(xié)調(diào)優(yōu)化會(huì)涉及利益的分配,而聯(lián)盟鏈可支持多個(gè)能源互補(bǔ)系統(tǒng)中完成不同能源服務(wù)商的利益分配、交易核算、跨服務(wù)商資金轉(zhuǎn)移等應(yīng)用。

最后就是模式c中的私有鏈,私有鏈內(nèi)只有不開放用戶節(jié)點(diǎn)擁有區(qū)塊鏈的讀寫權(quán)限,其他節(jié)點(diǎn)則無(wú)法參與。由于私有鏈的權(quán)限可以完全控制,通常其處理速度較快、成本較低,因此非常適合于某一種特定類型的能源交易服務(wù),另外私有鏈可用于統(tǒng)計(jì)和同步數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)多能系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)檢索功能。

區(qū)塊鏈的劃分方式有效地將多能系統(tǒng)可能存在的多種交易模式按照信息開放程度、交易規(guī)模以及實(shí)際交易量大小進(jìn)行了分類,具體如表1所示。

表1 多能系統(tǒng)下不同類型區(qū)塊鏈的典型特征Table 1 Typical characteristics of different blockchains in a multi-energy system

1.3 區(qū)塊鏈在多能系統(tǒng)中應(yīng)用的問(wèn)題分析

在多能系統(tǒng)中,區(qū)塊鏈面向的行業(yè)存在著不同的特性,需要結(jié)合私有鏈、公有鏈、聯(lián)盟鏈以及網(wǎng)絡(luò)等特點(diǎn)去進(jìn)行區(qū)塊鏈與不同領(lǐng)域的業(yè)務(wù)特征匹配。如多能系統(tǒng)下的電力行業(yè)輔助服務(wù)實(shí)施可能僅僅適用于私有鏈的內(nèi)部結(jié)算,而類似于多能系統(tǒng)支撐下的政府公共服務(wù)、綜合能源服務(wù)與分布式能源交易等大多會(huì)采用聯(lián)盟鏈和公有鏈兩者相結(jié)合的方式。在多能系統(tǒng)互補(bǔ)實(shí)施過(guò)程中,必然涉及多種形式能源的互動(dòng)以及行業(yè)內(nèi)部各個(gè)部門各個(gè)層級(jí)之間不同類型區(qū)塊鏈的配合。能源交易記錄過(guò)程中也必然有部分的數(shù)據(jù)是電網(wǎng)和其他形式能源所有者不希望在內(nèi)部共享和外部公開的,涉及具體的數(shù)據(jù)隱私及安全問(wèn)題。例如,僅針對(duì)多能系統(tǒng)中電能或者天然氣資源費(fèi)用之類的計(jì)量認(rèn)證,這類交易記錄數(shù)據(jù)不會(huì)輕易對(duì)外開放,電能數(shù)據(jù)一般僅僅會(huì)掌握在電能服務(wù)商的自組織礦池中,不會(huì)隨意開放給其他能源服務(wù)商。同樣,正常情況下,天然氣公司在未來(lái)組建了區(qū)塊鏈記賬的礦池后,即便多能系統(tǒng)存在互動(dòng)需求,亦不會(huì)隨意將天然氣數(shù)據(jù)開放給電能或者其他第三方能源服務(wù)商。而位于多能系統(tǒng)上的多個(gè)電能服務(wù)商之間也不可能真正意義上做到完全實(shí)時(shí)的信息互聯(lián)共享。

考慮到未來(lái)多能系統(tǒng)是建立在多種能源服務(wù)商的合作下開展實(shí)施的,每個(gè)服務(wù)商未來(lái)建立了區(qū)塊鏈后,內(nèi)部本身就有多種類型區(qū)塊鏈,外部組織之間也存在多種不同的區(qū)塊鏈。區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)的物理架構(gòu)或者基礎(chǔ)和技術(shù)差異化巨大。這不僅僅是未來(lái)服務(wù)商內(nèi)部多種業(yè)務(wù)類型的區(qū)塊鏈之間數(shù)據(jù)互聯(lián)互通問(wèn)題,更是未來(lái)服務(wù)商與服務(wù)商之間開展多能互補(bǔ)交易結(jié)算的區(qū)塊鏈之間數(shù)據(jù)互聯(lián)互通、共享同步的問(wèn)題。在設(shè)計(jì)適應(yīng)多能互補(bǔ)交易需求的區(qū)塊鏈交易模式時(shí)必然會(huì)涉及信息共享調(diào)用同步等。支撐多能系統(tǒng)的底層區(qū)塊鏈技術(shù)要建立數(shù)據(jù)交互共享渠道,確保多能系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的區(qū)塊鏈交易模式能夠協(xié)同完成不同業(yè)務(wù),保障不同能源服務(wù)商所持有的區(qū)塊鏈主鏈之間同步數(shù)據(jù)讀出寫入以及對(duì)應(yīng)虛擬幣資金轉(zhuǎn)移對(duì)賬。

2 異構(gòu)區(qū)塊鏈交易模式設(shè)計(jì)

2.1 跨領(lǐng)域主體聯(lián)合開展

基于多能系統(tǒng)開展異構(gòu)區(qū)塊鏈的必然趨勢(shì),本節(jié)在傳統(tǒng)多能系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)上,分別從智能合約以及交易結(jié)算兩個(gè)角度開展異構(gòu)區(qū)塊鏈的交易模式設(shè)計(jì)。其中考慮到多能系統(tǒng)下異構(gòu)區(qū)塊鏈執(zhí)行過(guò)程中數(shù)據(jù)同步等問(wèn)題,智能合約執(zhí)行結(jié)算后不具備直接自動(dòng)結(jié)算功能,因此本處將智能合約以及交易結(jié)算分開說(shuō)明,分別對(duì)應(yīng)到上文中的信息發(fā)布以及交易結(jié)算兩個(gè)重要階段。此處的智能合約與交易結(jié)算屬于并列關(guān)系,需要說(shuō)明的是這里的智能合約與信息發(fā)布階段并非一一對(duì)應(yīng),信息發(fā)布階段可能還包括區(qū)塊鏈的其他延伸應(yīng)用。

1)基于智能合約的業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)方式

在正常情況下,多能系統(tǒng)需要?jiǎng)討B(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控所有參與實(shí)體的狀態(tài),同時(shí)結(jié)合供需間的平衡關(guān)系,判斷是否集成多種類型能源,協(xié)調(diào)配合電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)削峰填谷、新能源消納、節(jié)能等目標(biāo)。而智能合約作為輔助性應(yīng)用,可結(jié)合特定業(yè)務(wù)需求,制定成為某種支撐業(yè)務(wù)開展的嵌入式腳本[21]。圖2給出了以智能合約為中心化管理的多能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。多能系統(tǒng)中任意實(shí)體發(fā)起業(yè)務(wù)需求時(shí),智能合約可作為一種可編程的邏輯代碼嵌入,多能系統(tǒng)可選擇性地將與合約相關(guān)的交易信息寫入?yún)^(qū)塊。當(dāng)交易結(jié)束且區(qū)塊記錄成功時(shí),自動(dòng)觸發(fā)智能合約的執(zhí)行代碼,從而完成多能互補(bǔ)控制的規(guī)定行為(如發(fā)送指向性控制指令等)。

根據(jù)圖2所示的多能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)互補(bǔ)優(yōu)化需求以及1.1節(jié)所提出的多能系統(tǒng)業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)基本流程,本文提出了多能系統(tǒng)下的業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)流程框圖(如圖3所示),并在實(shí)現(xiàn)流程框圖中以虛線框的方式標(biāo)注出了智能合約寫入、執(zhí)行后結(jié)果導(dǎo)出結(jié)算的對(duì)應(yīng)部分。其中多能系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)優(yōu)化目標(biāo)及約束條件設(shè)計(jì),并完成計(jì)量認(rèn)證階段的數(shù)據(jù)采集,完成優(yōu)化決策設(shè)計(jì)及對(duì)應(yīng)最優(yōu)值求解。然后,將執(zhí)行指令及對(duì)應(yīng)閾值寫入?yún)^(qū)塊鏈智能合約,在多能系統(tǒng)對(duì)參與交易的實(shí)體執(zhí)行響應(yīng)完成后,在交易結(jié)算階段由多能系統(tǒng)上區(qū)塊鏈的智能合約自動(dòng)結(jié)算。整個(gè)流程中智能合約涉及了數(shù)據(jù)發(fā)布階段的錄入和交易結(jié)算階段的自動(dòng)結(jié)算,因?yàn)橹悄芎霞s的特性決定了其基本實(shí)現(xiàn)方式為布爾邏輯條件形式,可以通過(guò)將特定的結(jié)算規(guī)則固化在軟件程序邏輯中實(shí)現(xiàn),從而可避免不同參與實(shí)體間的違約風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 承載智能合約的多能系統(tǒng)Fig.2 Multi-energy system with smart contract

圖3 多能系統(tǒng)下基于智能合約的業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)流程Fig.3 Flow chart of service implementation process based on smart contract in a multi-energy system

2)業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)實(shí)例分析

多能系統(tǒng)的優(yōu)化配置在前文提到,跨層級(jí)跨領(lǐng)域的信息流以及能量流是必不可少的。要實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈智能合約技術(shù)在多能系統(tǒng)上的承載,需要多方參與實(shí)體的配合。其前提就是明確最終每個(gè)實(shí)體的需求目標(biāo)。必須開放與合約相關(guān)的數(shù)據(jù)表項(xiàng),將其對(duì)應(yīng)的需求作為單筆交易的記錄,發(fā)布給區(qū)塊鏈中的礦工并記錄成區(qū)塊,在滿足合約觸發(fā)條件時(shí)才能夠自動(dòng)執(zhí)行該智能合約對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。

不失一般性,本文以文獻(xiàn)[22]中的不同時(shí)間尺度下虛擬微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度場(chǎng)景模式為例,結(jié)合多能系統(tǒng)圖的業(yè)務(wù)流程進(jìn)行說(shuō)明。

首先,確定優(yōu)化目標(biāo),如整體收益C最大化,其相關(guān)因素包括向主網(wǎng)的購(gòu)售電費(fèi)用CSN、微網(wǎng)向自身用戶售電收益CSM、可控和非可控分布式電源運(yùn)行成本CDG和CUDG以及儲(chǔ)能裝置運(yùn)營(yíng)成本CESS。具體表達(dá)式如下:

maxC=CSN+CSM-CESS-CDG-CUDG

(1)

式(1)將作為多能系統(tǒng)確認(rèn)優(yōu)化目標(biāo)的主體。其次是設(shè)計(jì)環(huán)境成本函數(shù)約束條件Cac(見式(2))，該函數(shù)包含5類參數(shù)Sr,Qi,r,PDG,i,n,L。其中：n為可控分布式電源的個(gè)數(shù);L為廢氣種類數(shù);Sr指的是第r種氣體造成的環(huán)境成本;Qi,r為第i類可控分布式電源在排放r類氣體的容量大小;PDG,i指的是第i類可控分布式電源發(fā)出功率。

(2)

最后是微電網(wǎng)的電壓fv控制約束條件:文獻(xiàn)[22]中設(shè)定a和b兩個(gè)權(quán)重系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié),以維持虛擬微網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行為主要目的,如式(3)所示。在多能系統(tǒng)中也可以根據(jù)業(yè)務(wù)的需要對(duì)其優(yōu)化目標(biāo)及約束條件進(jìn)行相應(yīng)的替換。

(3)

式中:H為總時(shí)長(zhǎng);N為節(jié)點(diǎn)數(shù);Vi,t與VPCC,t分別為t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)i電壓標(biāo)幺值和虛擬微網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓。

式(2)和式(3)作為多能系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)約束條件。多能系統(tǒng)在確認(rèn)優(yōu)化目標(biāo)及約束條件后,進(jìn)行計(jì)量認(rèn)證獲取異構(gòu)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù),在優(yōu)化決策階段利用相關(guān)優(yōu)化算法求解最優(yōu)解,本處示例采用整數(shù)線性規(guī)劃(ILP)模型,也可以采用對(duì)應(yīng)的啟發(fā)式算法進(jìn)行替代。求解相關(guān)結(jié)果后在數(shù)據(jù)發(fā)布階段將其轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的合約標(biāo)準(zhǔn)形式寫入?yún)^(qū)塊鏈,指令執(zhí)行階段根據(jù)執(zhí)行狀態(tài)的偏離程度不斷更新后續(xù)智能合約的規(guī)則,最后在執(zhí)行結(jié)束后可將智能合約結(jié)果進(jìn)行導(dǎo)出對(duì)比,在交易結(jié)算階段自動(dòng)結(jié)算。其中區(qū)塊鏈的交易結(jié)算核心功能體現(xiàn)主要位于交易結(jié)算階段。區(qū)塊鏈的延伸應(yīng)用,即智能合約主要涉及數(shù)據(jù)發(fā)布階段和交易結(jié)算階段。

多能系統(tǒng)智能合約中的需求構(gòu)建依賴于對(duì)應(yīng)的服務(wù)映射,每筆交易所包含的智能合約均需將需求映射成對(duì)應(yīng)能源系統(tǒng)的具體業(yè)務(wù)操作。多種支撐業(yè)務(wù)明確的同時(shí)才能確定具體數(shù)據(jù)透?jìng)骱椭噶顖?zhí)行方式。圖4給出了交易結(jié)算階段時(shí)理想情況下的電網(wǎng)與多能互補(bǔ)控制協(xié)作實(shí)現(xiàn)多能源應(yīng)用集成的交易及服務(wù)映射關(guān)系。

圖4 基于區(qū)塊鏈的多能系統(tǒng)協(xié)作交易Fig.4 Collaborative transaction of multi-energy system based on blockchain

如圖4所示,電網(wǎng)經(jīng)由智能監(jiān)管機(jī)構(gòu)獲取微網(wǎng)內(nèi)部發(fā)布的實(shí)時(shí)可再生能源等出力情況,發(fā)送300單位虛擬代幣交托給智能監(jiān)管機(jī)構(gòu),并利用透?jìng)餍盘?hào)向多能系統(tǒng)發(fā)送控制請(qǐng)求。智能監(jiān)管機(jī)構(gòu)將300單位的虛擬幣分成兩部分。一部分用于多能系統(tǒng)對(duì)下級(jí)分布式電源、柔性負(fù)荷、儲(chǔ)能、冷熱氣能源以及公共耦合控制器類統(tǒng)一規(guī)劃調(diào)配的激勵(lì)結(jié)算,相應(yīng)的虛擬幣Q2=180。另外一部分則用于智能監(jiān)管機(jī)構(gòu)與這些能源類運(yùn)行狀態(tài)和負(fù)荷的數(shù)據(jù)交易結(jié)算,相應(yīng)的虛擬幣Q1=120,即計(jì)量認(rèn)證。多能系統(tǒng)計(jì)算出參與交易的實(shí)體相關(guān)執(zhí)行動(dòng)作指令要求和閾值,反饋給智能監(jiān)管機(jī)構(gòu)將其數(shù)據(jù)作為輸入,寫入智能合約規(guī)定的模板中并嵌入多能系統(tǒng),形成一個(gè)智能監(jiān)管(監(jiān)督)—多能系統(tǒng)(統(tǒng)籌調(diào)配)—微網(wǎng)(協(xié)調(diào)配合)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。多能系統(tǒng)對(duì)其他能源統(tǒng)一調(diào)配規(guī)劃的激勵(lì)指令發(fā)布的同時(shí),在每筆激勵(lì)交易中嵌入智能合約,當(dāng)交易完成時(shí),自動(dòng)觸發(fā)每筆激勵(lì)交易當(dāng)中對(duì)應(yīng)區(qū)塊的智能合約動(dòng)作。其中用于多能互補(bǔ)控制的激勵(lì)和其他數(shù)據(jù)交易結(jié)算分別轉(zhuǎn)移120單位和180單位虛擬代幣。

然而,智能監(jiān)管機(jī)構(gòu)與多種能源類實(shí)體結(jié)算Q1虛擬幣是電網(wǎng)內(nèi)部統(tǒng)一的,而多能系統(tǒng)Q2虛擬幣則不一樣。主要在于智能監(jiān)管機(jī)構(gòu)與多種能源類實(shí)體之間結(jié)算記錄的僅僅是單個(gè)交易實(shí)體的負(fù)荷運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)等,最多再包含單筆交易的金額大小。區(qū)塊記錄交易的內(nèi)部不需要太過(guò)翔實(shí),因?yàn)殡娋W(wǎng)對(duì)該類數(shù)據(jù)的應(yīng)用就是作為輸入寫入智能合約中。但是對(duì)于多能系統(tǒng)及各個(gè)實(shí)體之間,由于最終是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能合約,所需要記錄和確認(rèn)的數(shù)據(jù)包括單次控制負(fù)荷設(shè)備類型、所屬關(guān)系、功率大小、數(shù)量以及運(yùn)行等多種隱私數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)原先只記錄在對(duì)應(yīng)類群體內(nèi)部區(qū)塊鏈,并不會(huì)對(duì)外開放,此時(shí)為了保障交易順利進(jìn)行,需要通過(guò)多能系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理。

2.2 多能互補(bǔ)交易體系設(shè)計(jì)

多能互補(bǔ)交易體系設(shè)計(jì)過(guò)程中,按照自上而下的原則共分為4個(gè)層次,分別為能源層、服務(wù)映射層、業(yè)務(wù)層、交易支撐層(如圖5所示)。其中,能源層包括了多能系統(tǒng)實(shí)際控制的能源類,如火電、水電、分布式電源、混合儲(chǔ)能、天然氣等。這些能源類由多個(gè)參與交易主體組成。能源層配合多能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能源集成及統(tǒng)一資源規(guī)劃調(diào)配。服務(wù)映射層則承載在多能系統(tǒng)中,將來(lái)自于電網(wǎng)或者其他第三方實(shí)體的需求作為輸入D_i,由多能系統(tǒng)進(jìn)行服務(wù)映射轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的業(yè)務(wù)組合D_o。多能系統(tǒng)將組合業(yè)務(wù)所需數(shù)據(jù)類型和格式回饋至電網(wǎng),由云服務(wù)平臺(tái)計(jì)量認(rèn)證底層的多個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)狀態(tài)及運(yùn)行數(shù)據(jù),并將其數(shù)據(jù)移交多能系統(tǒng)。多能系統(tǒng)的業(yè)務(wù)層在接收到數(shù)據(jù)后將其按照兩種類型數(shù)據(jù)分開處理,一個(gè)是s_i非異構(gòu)數(shù)據(jù),另一個(gè)是異構(gòu)數(shù)據(jù)s_in。寫成智能合約可讀取的數(shù)據(jù)格式類型s_o和s_out。交易支撐層是保障業(yè)務(wù)順暢進(jìn)行的核心,可將服務(wù)的所需智能合約集成至多能系統(tǒng),多能系統(tǒng)將決策指令以智能合約的方式一同發(fā)布到區(qū)塊上。在交易開始或者交易結(jié)算時(shí)自動(dòng)執(zhí)行智能合約動(dòng)作,完成區(qū)塊記錄。交易支撐層同時(shí)需要完成跨異構(gòu)區(qū)塊鏈交易以及數(shù)據(jù)獲取,為下一次執(zhí)行多能互補(bǔ)控制提供參考數(shù)據(jù)支撐。

圖5 多能互補(bǔ)分層交易體系Fig.5 Hierarchy transaction architecture for multi-energy complementarity

2.3 關(guān)鍵技術(shù)支撐

基于區(qū)塊鏈的業(yè)務(wù)系統(tǒng)涉及非對(duì)稱數(shù)據(jù)加密處理、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(P2P)數(shù)據(jù)流管理、智能合約管理、工作量證明、共識(shí)機(jī)制等多項(xiàng)核心技術(shù)。上述技術(shù)大多屬于成熟度較高的通用技術(shù),本節(jié)重點(diǎn)針對(duì)一些未來(lái)在短期內(nèi)可能在多能系統(tǒng)中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)開展研究。結(jié)合區(qū)塊鏈的現(xiàn)有跨鏈技術(shù),針對(duì)多能系統(tǒng)側(cè)鏈管理技術(shù)、異構(gòu)區(qū)塊檢索技術(shù)以及自治管理技術(shù),分析多能系統(tǒng)中異構(gòu)區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)交互關(guān)鍵技術(shù),并剖析異構(gòu)區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)跨鏈數(shù)據(jù)互通的可行性。

2.3.1多能系統(tǒng)側(cè)鏈管理技術(shù)

電網(wǎng)企業(yè)可以利用已經(jīng)構(gòu)建的已建區(qū)塊鏈主鏈進(jìn)行延伸并逐步擴(kuò)展多能系統(tǒng)的側(cè)鏈[23],側(cè)鏈作為一種新型的區(qū)塊鏈,主要用于錨定已有的主鏈,可以有效解決現(xiàn)階段多能系統(tǒng)異構(gòu)區(qū)塊鏈間的資金轉(zhuǎn)移和信息互通問(wèn)題。通過(guò)側(cè)鏈技術(shù)規(guī)避主鏈功能及表現(xiàn)形式單一化的局限性,解決主鏈短時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)易膨脹、同步成本高的問(wèn)題。

具體實(shí)現(xiàn)思想如下,假定多能系統(tǒng)接收到了來(lái)自電網(wǎng)的備用容量輔助服務(wù)請(qǐng)求,經(jīng)智能決策優(yōu)化后,確定能源協(xié)調(diào)方式和參與調(diào)配優(yōu)化的主體后,需要將補(bǔ)償激勵(lì)資金發(fā)放給參與的個(gè)體。此時(shí)多能系統(tǒng)與多個(gè)參與實(shí)體之間產(chǎn)生交易,由于不同實(shí)體所處的系統(tǒng)和所在區(qū)塊鏈不同,因此結(jié)算的區(qū)塊鏈主鏈也不一致。此時(shí)不可能再為多能系統(tǒng)與其他參與實(shí)體間單獨(dú)建立一套費(fèi)用結(jié)算體系,應(yīng)當(dāng)依賴費(fèi)用結(jié)算數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)其他參與主體執(zhí)行資源配置。多能系統(tǒng)側(cè)的區(qū)塊鏈主鏈單獨(dú)針對(duì)某個(gè)應(yīng)用新建特定功能并不經(jīng)濟(jì),因此借助側(cè)鏈技術(shù)進(jìn)行主鏈功能擴(kuò)展。而轉(zhuǎn)移的資產(chǎn)在側(cè)鏈上或者轉(zhuǎn)移的目的主鏈上可作為觸發(fā)智能合約的輸入,啟動(dòng)相關(guān)資源調(diào)配的程序。

該過(guò)程實(shí)現(xiàn)的思想主要利用到了簡(jiǎn)單支付驗(yàn)證(SPV)證明。SPV證明是一種動(dòng)態(tài)成員多方簽名(DMMS)的技術(shù)。該技術(shù)目前在區(qū)塊鏈上的主要功能是使得驗(yàn)證者檢查區(qū)塊鏈上某個(gè)輸出能夠被一定的工作量證明[24],從而確保主鏈上轉(zhuǎn)移資產(chǎn)的行為和記錄是合理的。側(cè)鏈與多能系統(tǒng)側(cè)的主鏈相連后,需要經(jīng)過(guò)如下步驟處理。首先,主鏈內(nèi)部的虛擬代幣需要等待一定的轉(zhuǎn)移確認(rèn)期。這是由于主鏈生成了資金轉(zhuǎn)移輸出序列后,需要在側(cè)鏈上作為輸入,才能形成一個(gè)以該資金轉(zhuǎn)移的輸出序列為輸入的區(qū)塊工作量證明,也即SPV證明。隨后所有側(cè)鏈上的相鄰用戶都會(huì)啟動(dòng)工作量證明。競(jìng)賽期間側(cè)鏈的工作量證明確認(rèn)后,形成新的區(qū)塊,主鏈的原先鎖定的虛擬代幣將會(huì)被解鎖,并可轉(zhuǎn)移至側(cè)鏈,而側(cè)鏈和主鏈之間資金轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)將會(huì)實(shí)時(shí)同步。而側(cè)鏈上的資金需要轉(zhuǎn)移回主鏈時(shí),與之前主鏈的資金轉(zhuǎn)移至側(cè)鏈上的步驟同理,側(cè)鏈生成一條資金轉(zhuǎn)移的輸出序列,此時(shí)資金仍然鎖定在側(cè)鏈上。當(dāng)其他主鏈上的用戶節(jié)點(diǎn)完成以該輸出序列為輸入的區(qū)塊工作量證明之后,由側(cè)鏈將資金轉(zhuǎn)移至主鏈中的對(duì)應(yīng)地址。

2.3.2異構(gòu)區(qū)塊數(shù)據(jù)檢索技術(shù)

為了高效地整合全網(wǎng)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn),提高未來(lái)多能系統(tǒng)的集成和協(xié)調(diào)優(yōu)化能力,現(xiàn)有的數(shù)據(jù)記錄、共享及存儲(chǔ)技術(shù)亟待革新。需要考慮采用針對(duì)異構(gòu)區(qū)塊鏈的新型數(shù)據(jù)檢索方式[25],支撐異構(gòu)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)記錄的快速匹配查詢,使用戶有選擇性地獲取所關(guān)注的數(shù)據(jù)[26]。參與多能系統(tǒng)調(diào)配的實(shí)體可將個(gè)人用戶資產(chǎn)認(rèn)證、可調(diào)配資源容量大小、調(diào)配時(shí)間段或者所屬管轄區(qū)等私人信息記錄到對(duì)應(yīng)的索引表。在將其信息數(shù)據(jù)映射到對(duì)應(yīng)的處理進(jìn)程列表后,生成多能系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的信息條目(entries)。交易條目根據(jù)特別的規(guī)則生成Hash值,Hash值及其所處列表的索引(index)將會(huì)記錄到區(qū)塊鏈中對(duì)應(yīng)的特定位置并生成條目區(qū)塊(entry blocks),這些條目區(qū)塊按照系統(tǒng)分配的ID(chain ID)存儲(chǔ)到目錄區(qū)塊中(directory blocks),并錨定到區(qū)塊鏈中對(duì)應(yīng)位置。

當(dāng)多能系統(tǒng)需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索時(shí),只需要通過(guò)特定規(guī)則有目的地遴選出當(dāng)初按照特定Hash函數(shù)生成的條目對(duì)應(yīng)的目錄區(qū)塊ID,查詢相關(guān)Hash值以及對(duì)應(yīng)所處列表等信息,即可反向獲取系統(tǒng)內(nèi)部的條目數(shù)據(jù)。查詢用戶的主要獲取方式是根據(jù)多能系統(tǒng)內(nèi)嵌的可編程邏輯,通過(guò)程序識(shí)別特定規(guī)則的條目,該規(guī)則是在雙方協(xié)商過(guò)程中所確定的(如參與互動(dòng)的補(bǔ)貼結(jié)算、懲罰金額等)。若多能系統(tǒng)查詢對(duì)應(yīng)某個(gè)特定的用戶數(shù)據(jù),則需要按照當(dāng)初協(xié)商的解析方式檢索篩選數(shù)據(jù),而不按照規(guī)則記錄的條目則不會(huì)被檢索到。既保證數(shù)據(jù)的安全性,又提高了用戶節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的透明度,同時(shí)還可為其他平臺(tái)所用。

記錄到區(qū)塊鏈中的最終僅僅是多能系統(tǒng)交易數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)條目的Hash值以及對(duì)應(yīng)服務(wù)器所處列表的索引。最終將電網(wǎng)內(nèi)部參與多能系統(tǒng)調(diào)配的實(shí)體所需記錄的數(shù)據(jù)行為作為單次區(qū)塊記錄的內(nèi)容,并不將實(shí)體用戶的數(shù)據(jù)直接放到區(qū)塊鏈中,僅僅維護(hù)某個(gè)實(shí)體是否發(fā)生過(guò)數(shù)據(jù)記錄的動(dòng)作。該技術(shù)可支撐未來(lái)多能系統(tǒng)可能面臨的高并發(fā)業(yè)務(wù)的快速讀寫操作,服務(wù)器在數(shù)據(jù)記錄的同時(shí)也對(duì)數(shù)據(jù)記錄條目的索引進(jìn)行更新。

2.3.3多能區(qū)塊鏈自治管理技術(shù)

在多能系統(tǒng)中,由于不同類型的設(shè)備資產(chǎn)歸屬權(quán)不同,因此在多能系統(tǒng)中非常適合采用無(wú)需任何第三方授權(quán)且具備自治管理能力的區(qū)塊鏈技術(shù)[27]。自治管理方案的起初設(shè)計(jì)思想理念和目前以太坊的實(shí)現(xiàn)方案有類似之處。同樣是構(gòu)建主鏈以外的另外一條區(qū)塊鏈,由另外一條區(qū)塊鏈來(lái)實(shí)現(xiàn)與外界系統(tǒng)對(duì)接。

該技術(shù)的主要核心思想是將傳統(tǒng)的多個(gè)區(qū)塊鏈一致性與有效性進(jìn)行剝離分立。這里的一致性是指區(qū)塊中的記賬唯一性,在工作量證明和分布式記錄之后不會(huì)再次出現(xiàn)另外一條虛假的區(qū)塊,該區(qū)塊鏈在全網(wǎng)中的記錄是相同且一致的。而有效性則指的是每個(gè)區(qū)塊交易的數(shù)值大小是確定且合理的。二者進(jìn)行獨(dú)立分離后,不同能源系統(tǒng)的賬本所處的區(qū)塊鏈分別被視為主鏈,并繼續(xù)保留其原有的一致性,主要記錄其是否發(fā)生過(guò)交易。而對(duì)應(yīng)這些主鏈配套的其他區(qū)塊鏈則繼承其有效性,主要記錄其交易發(fā)生的金額或者虛擬幣轉(zhuǎn)移情況。各業(yè)務(wù)系統(tǒng)主鏈主要負(fù)責(zé)原有的工作量證明機(jī)制,用于確認(rèn)其全網(wǎng)分布式記賬的一致性,而數(shù)據(jù)記錄則交由配套的鏈條進(jìn)行管理和維護(hù)。既保證了數(shù)據(jù)和證據(jù)隔離,也保證了多能系統(tǒng)交易鏈之間的統(tǒng)一管理,在深化了多種業(yè)務(wù)融合的同時(shí)還可進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)的共享性。其具體實(shí)現(xiàn)架構(gòu)如圖6所示。

通過(guò)自治化管理,可以達(dá)成3個(gè)目標(biāo):①減輕了不同區(qū)塊鏈搭建新的工作量證明(PoW)挖礦體系所帶來(lái)的開支,避免過(guò)多地為了維護(hù)其他交易記錄和數(shù)據(jù)交互而產(chǎn)生新的交易鏈條。每構(gòu)建一個(gè)新的PoW挖礦體系,都意味著需要大量的用戶節(jié)點(diǎn)去維護(hù),最終可能造成的后果就是降低對(duì)應(yīng)區(qū)塊鏈所含代幣的價(jià)值,真正參與維護(hù)該代幣的用戶節(jié)點(diǎn)偏少,沒有被大眾所認(rèn)同。②其他已有和新建的區(qū)塊鏈間的功能優(yōu)化,如上文所提及的有效性功能。這里的有效性不僅僅指單筆交易數(shù)額大小,亦可指區(qū)塊鏈中某些特定數(shù)據(jù)集。③完成了多能系統(tǒng)交易鏈的資源整合,并將數(shù)據(jù)與交易證據(jù)進(jìn)行了有效分離。

圖6 異構(gòu)區(qū)塊鏈自治管理技術(shù)示意圖Fig.6 Schematic diagram of autonomous management technology of heterogeneous blockchain

3 實(shí)踐難題和技術(shù)瓶頸

隨著電力9號(hào)文件《關(guān)于進(jìn)一步深化電力體制改革的若干意見》(中發(fā)〔2015〕9號(hào)文)的發(fā)布[28],可以預(yù)料的是未來(lái)電網(wǎng)更多的盈利點(diǎn)依賴于新型服務(wù)方式及增值業(yè)務(wù)拓展[29]。不同類型參與實(shí)體間高頻度的市場(chǎng)化交易[30],對(duì)多能系統(tǒng)的統(tǒng)籌調(diào)配將會(huì)是一個(gè)巨大的沖擊與挑戰(zhàn)。構(gòu)建高效的電網(wǎng)區(qū)塊鏈生態(tài)圈,將異構(gòu)區(qū)塊鏈與多能互補(bǔ)業(yè)務(wù)相關(guān)聯(lián),靈活支撐多種業(yè)務(wù)的靈活開展,是目前電網(wǎng)構(gòu)建區(qū)塊鏈所需重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。在構(gòu)建適應(yīng)多能互補(bǔ)控制區(qū)塊鏈生態(tài)圈的同時(shí),還需要防范跨鏈連接管理過(guò)程中可能帶來(lái)的額外問(wèn)題,具體如下。

3.1 風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題規(guī)避

在構(gòu)建適應(yīng)多能互補(bǔ)區(qū)塊鏈高連通度的生態(tài)圈時(shí),需要正視跨鏈連接技術(shù)所帶來(lái)的數(shù)據(jù)開放安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。該安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題來(lái)自兩方面。其一是單條區(qū)塊鏈的自身安全風(fēng)險(xiǎn),其二是多個(gè)區(qū)塊鏈互聯(lián)后的安全問(wèn)題[31]。

首先是單條區(qū)塊鏈自身可能帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題,該問(wèn)題并非完全是由區(qū)塊鏈所引發(fā)。眾所周知,區(qū)塊鏈PoW共識(shí)算法和非對(duì)稱加密機(jī)制在一定程度上保證了區(qū)塊鏈的不可篡改性和數(shù)據(jù)有效一致性。以現(xiàn)有計(jì)算能力而言,其本身的安全問(wèn)題不大。但真正帶來(lái)的威脅是在其基礎(chǔ)上衍生的其他應(yīng)用如智能合約、數(shù)字貨幣、資產(chǎn)管理等。此前就曾發(fā)生過(guò)利用了智能合約漏洞進(jìn)行攻擊的DAO事件[32]。目前現(xiàn)有的基于區(qū)塊鏈的延伸應(yīng)用技術(shù)相對(duì)不穩(wěn)定,且具有一定風(fēng)險(xiǎn)。整合后的異構(gòu)區(qū)塊鏈延伸應(yīng)用如智能合約的部署實(shí)施主體權(quán)責(zé)是在電能服務(wù)商還是其他形式能源服務(wù)商,衍生應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)的責(zé)任主體和籌劃規(guī)避難以確認(rèn),未來(lái)需要相關(guān)的法律法規(guī)保障。

其次,為了適應(yīng)多能系統(tǒng)下的多個(gè)異構(gòu)區(qū)塊鏈之間交易和數(shù)據(jù)互聯(lián)互通需求,增加了側(cè)鏈,這意味著新增了配套區(qū)塊鏈的挖礦體系。此時(shí)需要更多的挖礦用戶節(jié)點(diǎn)去維護(hù)該新增的區(qū)塊鏈。配套區(qū)塊鏈的增加必然要求主鏈將部分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)外開放,這無(wú)疑會(huì)引入新的風(fēng)險(xiǎn)成本。而且在出現(xiàn)安全性問(wèn)題后,事故責(zé)任歸屬難以界定。但是,無(wú)論是主區(qū)塊鏈還是配套區(qū)塊鏈帶來(lái)的額外風(fēng)險(xiǎn),最終仍然是主區(qū)塊鏈承擔(dān)。目前普遍認(rèn)為,一條區(qū)塊鏈愈加封閉和獨(dú)立,與其他系統(tǒng)互通次數(shù)越少則愈加安全。舉個(gè)簡(jiǎn)單的樣例,側(cè)鏈技術(shù)可能存在欺騙性的轉(zhuǎn)賬,上文提及由區(qū)塊工作量SPV證明來(lái)保障基本的區(qū)塊鏈資金轉(zhuǎn)移的記錄有效性。在競(jìng)賽期間,雖然其他節(jié)點(diǎn)的工作量能夠稀釋攻擊者的工作量證明所帶來(lái)的收益,但是對(duì)于攻擊者而言還是有可能制造出工作量證明遠(yuǎn)大于其他挖礦用戶節(jié)點(diǎn)工作量的情況。此時(shí),攻擊者可將綁定在主鏈的資金轉(zhuǎn)移至側(cè)鏈,而該結(jié)果必將導(dǎo)致最終的損失由其他側(cè)鏈或者主鏈上的用戶來(lái)承擔(dān)。因此,在多區(qū)塊鏈互聯(lián)場(chǎng)景下,可以引入第三方監(jiān)管機(jī)構(gòu),對(duì)接入多能系統(tǒng)的側(cè)鏈進(jìn)行安全認(rèn)證。

3.2 參與主體協(xié)作

前面提到了構(gòu)建電網(wǎng)內(nèi)部的區(qū)塊鏈生態(tài)圈,促進(jìn)多能互補(bǔ)業(yè)務(wù)的發(fā)展,由區(qū)塊鏈推動(dòng)用戶的消費(fèi),形成新的業(yè)務(wù)增長(zhǎng)點(diǎn)。但由于多能系統(tǒng)參與交易主體多元化,許多業(yè)務(wù)并非完全依托于電網(wǎng)所搭建的主區(qū)塊鏈,不同的參與主體固然會(huì)根據(jù)自身的需求選擇區(qū)塊鏈體系,而不同結(jié)算方式則會(huì)由多個(gè)不同的“志向相投”的主體聚集在一起,組成新的挖礦群體。假定要使某個(gè)群體中的參與主體為了實(shí)現(xiàn)與多能系統(tǒng)的業(yè)務(wù)對(duì)接,而采用其他區(qū)塊鏈的結(jié)算方式,則其公平性亦難以保障。甚至多能系統(tǒng)還要對(duì)其他區(qū)塊鏈結(jié)算的用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行核驗(yàn)。唯有數(shù)據(jù)調(diào)用成功的情況下,才能保證多能系統(tǒng)跨領(lǐng)域、跨層級(jí)的業(yè)務(wù)開展。但即便是基于跨鏈連接技術(shù)的電網(wǎng)區(qū)塊鏈生態(tài)圈,也未必能一定保證這些用戶會(huì)完全響應(yīng)該數(shù)據(jù)調(diào)用請(qǐng)求。該過(guò)程需要多個(gè)參與主體用戶的配合,還需要通過(guò)管理制度來(lái)保障。多能系統(tǒng)下的單筆交易可能涉及多個(gè)能源服務(wù)商,需要多個(gè)能源服務(wù)商相互配合。一方面,各個(gè)能源服務(wù)商所持有的異構(gòu)區(qū)塊鏈之間信息交互的協(xié)議、接口的兼容、計(jì)量認(rèn)證的合理性,參與交易與否并開放其區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)管理權(quán)都能決定交易是否能順利完成。另一方面,異構(gòu)區(qū)塊鏈的開放時(shí)限、程度是否滿足快速完成多能系統(tǒng)的交易結(jié)算需求,交易數(shù)據(jù)是采用推送還是自行提取的方式獲取都是目前無(wú)法商榷和定論的。

協(xié)作過(guò)程中的多領(lǐng)域參與主體對(duì)其中部分權(quán)益需要進(jìn)行割舍,例如將部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)和交易內(nèi)容開放給其他群體或者電網(wǎng)。過(guò)渡的權(quán)益受體可以是電網(wǎng)或者社會(huì)公信水準(zhǔn)高的第三方機(jī)構(gòu),區(qū)塊鏈關(guān)鍵交易數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)讓、系統(tǒng)對(duì)外接口適配許可等均需要利益相關(guān)方協(xié)商。在多能系統(tǒng)不同交易鏈間的互通過(guò)程中,最終參與交易的多方主體協(xié)作是跨鏈管理的重點(diǎn)。

3.3 操作性能取舍

將區(qū)塊鏈應(yīng)用到多能系統(tǒng)中參與能源交互的主體較多,且種類繁雜。在進(jìn)行能源交易過(guò)程中,某些主體交易次數(shù)少、面向的用戶不多,交易金額數(shù)偏大,要求的數(shù)據(jù)信息安全等級(jí)偏高,此時(shí)可采用私有鏈或者聯(lián)盟鏈實(shí)現(xiàn);有些主體則交易次數(shù)多、面向用戶廣、交易金額偏少,這些用戶可采用公有鏈實(shí)現(xiàn)。對(duì)于不同類型的業(yè)務(wù)、群體及場(chǎng)合,可采用不同類型的區(qū)塊鏈技術(shù)。但無(wú)論是何種區(qū)塊鏈類型,都不應(yīng)該忽視現(xiàn)在區(qū)塊鏈記錄效率低的問(wèn)題。以典型比特幣的交易效率為例,單筆交易記錄需要記錄到區(qū)塊中的時(shí)間約為10 min左右,而提供該區(qū)塊記錄的工作量證明確認(rèn)時(shí)間最長(zhǎng)需要等待5～6 h[33]。這種分布記賬和競(jìng)爭(zhēng)挖礦行為方式,對(duì)應(yīng)地需要一定的競(jìng)爭(zhēng)周期去保障挖礦的正確性,需要一定數(shù)量的用戶節(jié)點(diǎn)對(duì)該區(qū)塊鏈的記賬進(jìn)行維護(hù)。對(duì)于單個(gè)區(qū)塊鏈而言,固然可以在降低數(shù)據(jù)有效性驗(yàn)證性能的前提下,提高交易記錄快速寫入時(shí)間和縮小證明工作量周期,2017年3月發(fā)布的新一代清算系統(tǒng)實(shí)測(cè)平均交易速度已能夠支持4 000筆/s,最新的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已經(jīng)具備33.34億次/s的交易能力。但并非所有的區(qū)塊鏈都需如此,具體區(qū)塊鏈性能取舍應(yīng)視具體情況而定。

未來(lái)多能系統(tǒng)大規(guī)模推廣應(yīng)用后,其交易頻率、交易數(shù)量將會(huì)十分龐大,單位時(shí)間內(nèi)可能會(huì)達(dá)到成千上萬(wàn)級(jí)的交易量。交易過(guò)程服務(wù)商與服務(wù)商、服務(wù)商與用戶之間不同業(yè)務(wù)類型對(duì)交易的處理需求不同。交易類型種類繁多、系統(tǒng)對(duì)接時(shí)限要求不一、交易數(shù)據(jù)類型不一致都是開展多能系統(tǒng)區(qū)塊鏈交易時(shí)存在的潛在問(wèn)題。針對(duì)多能系統(tǒng)需要考慮如何根據(jù)不同類型參與主體之間的需求,確定最終所搭建的區(qū)塊鏈和配套區(qū)塊鏈的框架。在保障多能系統(tǒng)效率的前提下,還應(yīng)當(dāng)考慮主區(qū)塊鏈和配套區(qū)塊鏈之間的同步交易速率、數(shù)據(jù)讀寫、交易透明傳遞等問(wèn)題。

3.4 智能合約規(guī)范

多能系統(tǒng)區(qū)塊鏈跨鏈連接技術(shù)和區(qū)塊鏈生態(tài)圈的建設(shè)目的,都是為了實(shí)現(xiàn)多方數(shù)據(jù)資源整合,以達(dá)到全網(wǎng)共識(shí)和多業(yè)務(wù)聯(lián)合開展的目標(biāo)。通過(guò)全網(wǎng)數(shù)據(jù)整合,多能系統(tǒng)才能夠根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化決策分析。在多能系統(tǒng)交易體系中確定智能合約的統(tǒng)一形式,可將對(duì)應(yīng)的執(zhí)行邏輯嵌入多能系統(tǒng),通過(guò)多方參與資源調(diào)配主體實(shí)現(xiàn)交易。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中,可將智能合約寫入每個(gè)交易的區(qū)塊中,由區(qū)塊鏈在交易過(guò)程中自動(dòng)觸發(fā)完成交易。

但是智能合約目前并沒有統(tǒng)一的規(guī)范[34],就其本質(zhì)上而言,智能合約是個(gè)由某種代碼或者可編程的腳本組成。其本身不具備任何的自我約束和自檢的能力,只能用于執(zhí)行某個(gè)特定的動(dòng)作。看似其在制定成功并發(fā)布錨定到區(qū)塊鏈后,具有不可篡改的特性,但合約本身仍具有潛在的安全性問(wèn)題,在業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)時(shí)需要考慮。而且,隨著多能系統(tǒng)業(yè)務(wù)的逐步深化,智能合約規(guī)則的設(shè)定將更為復(fù)雜,需要具備遠(yuǎn)端配置和更新維護(hù)的能力,支撐未來(lái)多能系統(tǒng)的復(fù)雜業(yè)務(wù)應(yīng)用。

智能合約通常是一個(gè)0-1邏輯或者程序代碼組成的用例,用于指導(dǎo)參與用戶主體如何執(zhí)行動(dòng)作,而且智能合約的參與雙方需要事先約定好信息的寫入方式,作為輸入,這些信息必須應(yīng)該被雙方所認(rèn)可。但是對(duì)于多能互補(bǔ)控制的一些強(qiáng)制性決策而言,智能合約本身可能無(wú)法達(dá)成。同時(shí),發(fā)布智能合約的用戶或主體應(yīng)確保合約內(nèi)容的正確性和可信性。智能合約制定期間,編寫者的主觀因素、智能合約制定過(guò)程中的邏輯錯(cuò)誤都是無(wú)法完全避免的。多能互補(bǔ)控制在管理多種參與多能交易的主體時(shí),需要構(gòu)建完善的管理體系,以保障智能合約交易編碼的公平性,而且還需要通過(guò)法規(guī)或者管理制度約束,以保障智能合約的規(guī)范性及有效性,防止類似“邏輯炸彈”的事故發(fā)生。因此,負(fù)責(zé)多能互補(bǔ)的智能合約編寫以及審核主體必須被智能合約參與方和各種能源服務(wù)商認(rèn)同,共同組織編寫和實(shí)施規(guī)范,保障其公信力。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了多能系統(tǒng)互聯(lián)交易的典型需求,提出了基于異構(gòu)區(qū)塊鏈的多能系統(tǒng)交易體系。通過(guò)多能系統(tǒng)跨鏈資源整合,實(shí)現(xiàn)不同層級(jí)和應(yīng)用領(lǐng)域的信息交換,提高多能源交易的信息透明度,最終促進(jìn)多種能源協(xié)調(diào)發(fā)展。通過(guò)可編程的智能合約邏輯設(shè)定,可以保障多能系統(tǒng)中復(fù)雜交易的實(shí)現(xiàn),從技術(shù)角度解決了未來(lái)可能發(fā)生的潛在爭(zhēng)議問(wèn)題。同時(shí)本文還分別從單鏈以及多鏈角度出發(fā),論述了區(qū)塊鏈開展的實(shí)際難題和技術(shù)瓶頸,并提出了對(duì)應(yīng)的解決方案,為未來(lái)發(fā)展多能互補(bǔ)領(lǐng)域下的區(qū)塊鏈生態(tài)圈發(fā)展設(shè)想提供理論支撐。需要指出的是,本文雖然提及了多能系統(tǒng)在異構(gòu)區(qū)塊鏈下數(shù)據(jù)互通問(wèn)題及解決方案,但未來(lái)多能系統(tǒng)下的異構(gòu)區(qū)塊鏈的運(yùn)營(yíng)管理機(jī)制、數(shù)據(jù)開放程度、關(guān)鍵數(shù)據(jù)脫敏性、安全問(wèn)責(zé)方式等問(wèn)題仍有待進(jìn)一步結(jié)合實(shí)際情況深入探討。

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