王灑灑，李 超，沈躍棟

(1.上海計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)開發(fā)中心，上海 201112； 2.上?？茖W(xué)院，上海 201203)

近年來，隨著我國鄉(xiāng)村特色農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，以及農(nóng)村經(jīng)濟(jì)水平的提高，用戶對(duì)電力能源資源的需求也在不斷提升，對(duì)電力能源系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量提出了新的需求。2021年，中央一號(hào)文件發(fā)布，強(qiáng)調(diào)要把“三農(nóng)”問題列為全黨工作的重中之重，加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化建設(shè)。電力能源作為鄉(xiāng)村振興重要的基礎(chǔ)保障之一，全國各地全面鞏固和提升農(nóng)村電力保障水平，加快農(nóng)村電網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，構(gòu)建農(nóng)村能源互聯(lián)網(wǎng)成為必然選擇。

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的加速發(fā)展，諸多問題也逐漸暴露，能源行業(yè)之間的信任壁壘仍未打通，源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)等多環(huán)節(jié)之間也難以實(shí)現(xiàn)有效協(xié)調(diào)互動(dòng)。究其原因，主要是各主體、各層級(jí)之間的數(shù)據(jù)信任機(jī)制尚不完善。能源行業(yè)具有產(chǎn)業(yè)鏈條長、敏感數(shù)據(jù)多、參與主體多元化等特點(diǎn)，與區(qū)塊鏈技術(shù)多方共識(shí)、難以篡改等特性高度契合，是區(qū)塊鏈的天然應(yīng)用土壤[1]。 文獻(xiàn)[2]提出一種多鏈?zhǔn)侥茉磪^(qū)塊鏈架構(gòu)，保證電能交易過程的可信、可追溯和可監(jiān)管。文獻(xiàn)[3]基于區(qū)塊鏈公證人機(jī)制，提出一種面向碳排放權(quán)與綠證交易的系統(tǒng)架構(gòu)。文獻(xiàn)[4]在電力用戶需求側(cè)結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)提出一種交易新模式。文獻(xiàn)[5]將多重簽名技術(shù)和區(qū)塊鏈結(jié)合，提出了一種去中心化支持匿名能源交易的系統(tǒng)架構(gòu)。文獻(xiàn)[6]將區(qū)塊鏈技術(shù)用作交替方向乘子法(ADMM)的協(xié)調(diào)器，用于在配電網(wǎng)絡(luò)上調(diào)度電池，可調(diào)整負(fù)載和可延遲負(fù)載的混合，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)間可信的分布式優(yōu)化計(jì)算。

綜上，已有研究主要是將區(qū)塊鏈技術(shù)與能源場景進(jìn)行結(jié)合，提出了區(qū)塊鏈技術(shù)在能源交易市場應(yīng)用的構(gòu)想，但大多文獻(xiàn)目前還停留在場景應(yīng)用的理論研究上，對(duì)分布式電力用戶側(cè)交易與電力市場設(shè)計(jì)方面還缺乏應(yīng)用研究，對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微網(wǎng)交易落地應(yīng)用的指導(dǎo)建議不足。

本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)電力用戶側(cè)交易模型進(jìn)行研究，在鄉(xiāng)村級(jí)的微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)開展電力能源交易，建立鄉(xiāng)村級(jí)的電力能源集貿(mào)市場。其目標(biāo)是減少交易系統(tǒng)的分級(jí)層面和中間環(huán)節(jié)，直接面向電力能源產(chǎn)消/銷者，使農(nóng)戶直接受益，做到簡單化、直接化。主要研究內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)特性進(jìn)行分析，闡述區(qū)塊鏈在電力行業(yè)的應(yīng)用價(jià)值；建立一種基于智能合約實(shí)現(xiàn)“自主、自助、自治”的電力交易模型；設(shè)計(jì)基于區(qū)塊鏈的電力用戶側(cè)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)可信電力交易及管理。

1 區(qū)域鏈技術(shù)路線選擇

當(dāng)前，在電力體制改革穩(wěn)步推進(jìn)的新形勢下，分布式發(fā)電、售電發(fā)展迅速，電力市場中涌現(xiàn)出大量的具有自主決策能力、智能化的分布式售購電主體，形成市場主體地理位置分散化、小額交易信息海量化的局面[7]。傳統(tǒng)的集中式交易方式具備高成本、低效率和不安全問題，分布式的市場化交易方式應(yīng)運(yùn)而生。區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易特征和信任機(jī)制與電力市場的經(jīng)濟(jì)性本質(zhì)具有天然可匹配性，能夠在電力市場的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易、交易數(shù)據(jù)授權(quán)共享、多主體業(yè)務(wù)協(xié)同、記賬結(jié)算等環(huán)節(jié)發(fā)揮重要作用。

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)

2008年，區(qū)塊鏈技術(shù)的概念首次被提出，是實(shí)現(xiàn)比特幣數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和交易加密傳輸?shù)幕A(chǔ)?，F(xiàn)在區(qū)塊鏈技術(shù)更多的定義是指在對(duì)等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，通過預(yù)先設(shè)定好的公開透明的規(guī)則，構(gòu)建難以篡改且可追溯的塊鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從而完成事務(wù)的處理[8-10]。塊鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單來說就是將多個(gè)交易信息存儲(chǔ)到一個(gè)區(qū)塊中，并將加密和蓋好時(shí)間戳區(qū)塊與上一個(gè)區(qū)塊“鏈接”起來，形成塊鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，基于區(qū)塊鏈的電力交易區(qū)塊如圖1所示。

圖1 電力交易區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 密碼學(xué)

在區(qū)塊鏈技術(shù)中常用的兩種密碼學(xué)算法是非對(duì)稱加密和哈希函數(shù)(即散列函數(shù)，Hash Function)[11-12]。這兩種加密算法是區(qū)塊鏈密碼學(xué)的基礎(chǔ)，為區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)安全性保障提供技術(shù)支持，非對(duì)稱加密算法常用于消息的傳輸和驗(yàn)證，應(yīng)用于數(shù)據(jù)的加解密過程中，哈希算法常用于對(duì)冗雜的數(shù)據(jù)和區(qū)塊的封裝，該類封裝后的數(shù)據(jù)不可復(fù)原，可提高數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)效率和降低占用空間。

1.3 智能合約

智能合約(Smart Contract)[13]最早由NickSzabo提出，其被定義為實(shí)現(xiàn)合同條款的計(jì)算機(jī)程序[14]。通俗來說，智能合約就是一段內(nèi)嵌到系統(tǒng)中的代碼，將既定的業(yè)務(wù)邏輯以代碼的形式實(shí)現(xiàn)，由合約的參與者共同制定和維護(hù)[15]，一旦部署成功，將會(huì)根據(jù)設(shè)置的觸發(fā)條件自動(dòng)執(zhí)行。這種自動(dòng)執(zhí)行的特性一方面降低了人工成本，另一方面降低了執(zhí)行出錯(cuò)的概率，智能合約可為區(qū)塊鏈應(yīng)用于復(fù)雜的業(yè)務(wù)場景提供業(yè)務(wù)支撐。

2 基于區(qū)塊鏈的鄉(xiāng)村分布式電力交易系統(tǒng)機(jī)制設(shè)計(jì)

2.1 交易模型設(shè)計(jì)

在新型電力交易系統(tǒng)的發(fā)展過程中，電力市場交易機(jī)制已逐漸由傳統(tǒng)的中心化的交易方式轉(zhuǎn)化為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的分布式交易。傳統(tǒng)的電力交易市場和區(qū)塊鏈交易市場對(duì)比如表1所示。

表1 傳統(tǒng)電力交易市場和區(qū)塊鏈交易市場對(duì)比

分布式電力交易帶來一定便利性的同時(shí)也出現(xiàn)了眾多問題，其中包括交易不透明、權(quán)屬不明確、利益不對(duì)等和過程不易監(jiān)管等。本文提出的電力交易集貿(mào)市場交易模型是當(dāng)前分布式電力交易下的一種新型的交易思路，如圖2所示。通過預(yù)先設(shè)定好的電力交易合約和交易共識(shí)實(shí)現(xiàn)交易的透明，通過簽名技術(shù)實(shí)現(xiàn)權(quán)屬的確權(quán)和監(jiān)管，從電能基礎(chǔ)設(shè)施的電力采集開始到最終的電力應(yīng)用，期間的每一步數(shù)據(jù)都基于區(qū)塊鏈技術(shù)做存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)完整數(shù)據(jù)閉環(huán)和可追溯，最終實(shí)現(xiàn)“自主、自治、自助”的電力交易平臺(tái)。

圖2 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式電力交易模型

2.2 交易流程實(shí)現(xiàn)

本文圍繞鄉(xiāng)村能源專業(yè)合作社建設(shè)，根據(jù)“自主、自治、自助”特色優(yōu)勢和要求，由鄉(xiāng)村能源專業(yè)合作社負(fù)責(zé)在以行政村(或自然村落)為邊界的微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)試點(diǎn)應(yīng)用，可不受現(xiàn)有電力交易結(jié)算等相關(guān)制度規(guī)定的約束限制，探索形成交易結(jié)算新機(jī)制。

基于區(qū)塊鏈的電力交易如圖3所示，主要包括上鏈前處理、鏈上處理和合約處理3個(gè)方面。上鏈前處理即是電力交易的一個(gè)過程，從交易信息發(fā)布到交易撮合再到交易確認(rèn)，然后將簽名后的交易放到區(qū)塊鏈上，進(jìn)行鏈上處理；鏈上處理主要是對(duì)交易的打包和共識(shí)，形成新的交易區(qū)塊；最后是合約處理，根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的電力交易合約進(jìn)行交易。在交易模型中本文提出了電能幣的概念，電能幣可作為電力交易模型中交易支付的一種方式，通過智能合約自主支付。同時(shí)，電能幣還可作為區(qū)塊鏈能源交易的一種激勵(lì)機(jī)制，用戶可通過電力平臺(tái)的活躍度以及電力交易次數(shù)、數(shù)量等不同方式獲取電能幣。

圖3 基于區(qū)塊鏈的電力交易流程

按照區(qū)塊鏈的電力交易流程，可將基于區(qū)塊鏈的電力交易執(zhí)行過程分為交易發(fā)布、交易撮合、交易認(rèn)證、交易執(zhí)行和交易結(jié)算5個(gè)階段。執(zhí)行過程中的一些標(biāo)識(shí)符定義如表2所示。

表2 分布式電力交易標(biāo)識(shí)符

(1)交易發(fā)布。該階段由售/用電的用戶根據(jù)自身需求發(fā)布電力交易請(qǐng)求，交易請(qǐng)求通過用戶簽名后，在區(qū)塊鏈電力交易系統(tǒng)中發(fā)起全網(wǎng)廣播。廣播業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包括：用戶身份標(biāo)識(shí)(Identity Document，簡稱ID)、交易時(shí)間、電量和電價(jià)。

Uinfo{ID,Qi,A,Pi,A,Ti,A}

(1)

Binfo{version.timestamp,nonce,Sign (Uinfo)}

(2)

式中Uinfo——用戶交易請(qǐng)求信息，其中ID為用戶身份標(biāo)識(shí)；Binfo——廣播信息，其version、timestamp、nonce為區(qū)塊頭信息，分別表示區(qū)塊版本號(hào)、時(shí)間戳和隨機(jī)數(shù)；Sign (Uinfo)——用戶簽名后交易請(qǐng)求信息。

(2)交易撮合。該階段根據(jù)預(yù)先設(shè)定的交易匹配機(jī)制對(duì)一定時(shí)間內(nèi)日交易平臺(tái)接受的交易請(qǐng)求進(jìn)行集中匹配，并通過交易智能合約的調(diào)用實(shí)現(xiàn)交易撮合。撮合成功的交易將在交易平臺(tái)上進(jìn)行全網(wǎng)廣播，撮合失敗的交易，可對(duì)交易請(qǐng)求進(jìn)行修改然后再次進(jìn)行交易撮合，直至撮合成功，若在本輪交易撮合時(shí)間截止時(shí)，本次交易仍舊沒有撮合成功，則本次撮合失敗。

若想電力交易成立，必須存在可匹配訂單，即Pmin滿足式(3)：

(3)

其中，Pmin值越小，交易成功效率越高。

(3)交易認(rèn)證。該階段針對(duì)交易撮合進(jìn)行分布式認(rèn)證，廣播的交易撮合信息需要通過共識(shí)投票和簽名認(rèn)證。對(duì)匹配信息的認(rèn)證，由交易發(fā)起方用戶A發(fā)起并廣播交易請(qǐng)求：Binfo{version，timestamp,nonce,H(A-ID,Qi,A,Pi,A,Ti,A)}，與售電方用戶B的售電信息進(jìn)行匹配Sinfo{Qi,B,Pi,B,Ti,B}，匹配成功的信息根據(jù)共識(shí)機(jī)制約束，須有一半節(jié)點(diǎn)同意交易才算成功，因此需要滿足Npass>Nfail。

(4)交易執(zhí)行。該階段對(duì)已經(jīng)通過調(diào)用執(zhí)行合約，對(duì)交易認(rèn)證后的交易請(qǐng)求按照交易撮合結(jié)果執(zhí)行電力交易。

(5)交易結(jié)算。該階段根據(jù)區(qū)塊鏈交易平臺(tái)中預(yù)先設(shè)置的根據(jù)階段市場機(jī)制制定的智能合約進(jìn)行交易結(jié)算，交易結(jié)算過程中，根據(jù)結(jié)算合約先進(jìn)行交易雙方的賬戶余額的鎖定，付款方通過自身私鑰簽名并用收款方的公鑰進(jìn)行加密，發(fā)送至收款方，收款方利用自身私鑰對(duì)支付方憑證進(jìn)行解密，完成交易結(jié)算，雙方賬戶解除鎖定，交易結(jié)算亦可采用電能幣。

(4)

式中 AccountA——用戶A的賬戶；L[PriSign(A)]——鎖定買方A市場主體的賬戶余額，Baddress——用戶B的賬戶地址；AccountA→B——節(jié)點(diǎn)用戶A向節(jié)點(diǎn)用戶B轉(zhuǎn)移資金；AccountB——用戶B的賬戶；Pri(AccountA→B)——利用自身私鑰解密，獲得擁有權(quán)。

3 基于區(qū)塊鏈的鄉(xiāng)村分布式電力交易系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

通過區(qū)塊鏈技術(shù)分析和交易模型的設(shè)計(jì)，本文基于區(qū)塊鏈技術(shù)建立一種鄉(xiāng)村分布式電力交易系統(tǒng)，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖4所示，該系統(tǒng)能夠有效、安全地支持微電網(wǎng)運(yùn)行，提供電力的發(fā)行、交易、管理和服務(wù)。

圖4 基于區(qū)塊鏈的電力用戶側(cè)管理系統(tǒng)架構(gòu)

如圖4所示系統(tǒng)主要由設(shè)備層、通信層、平臺(tái)層、應(yīng)用層、服務(wù)層5個(gè)層級(jí)組成。

(1)設(shè)備層。以智能電表、電力采集裝置作為底層設(shè)備，采集用戶側(cè)電能的生產(chǎn)、消耗數(shù)據(jù)，為平臺(tái)層提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；應(yīng)用非侵入式負(fù)荷識(shí)別技術(shù)，精準(zhǔn)獲取每件負(fù)荷運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)，這也是實(shí)現(xiàn)P2P(Piece to Piece)精準(zhǔn)電力交易的基礎(chǔ)。

(2)通信層。支持以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)以及專用網(wǎng)等進(jìn)行信息數(shù)據(jù)傳輸，在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)模式下，每個(gè)電力用戶作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，加入到整個(gè)能源互聯(lián)網(wǎng)中，進(jìn)行電力的生產(chǎn)、消納等活動(dòng)。

(3)平臺(tái)層。主要包括區(qū)塊鏈系統(tǒng)和電能數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)兩部分內(nèi)容，是整個(gè)基于區(qū)塊鏈的電力用戶側(cè)管理系統(tǒng)的核心層級(jí)，對(duì)電力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和管理。

(4)應(yīng)用層。在平臺(tái)層之上，實(shí)現(xiàn)電能數(shù)據(jù)的可信存證、綠電溯源、可信數(shù)據(jù)分析以及電力交易的調(diào)度管理等。

(5)服務(wù)層。為應(yīng)用層提供相應(yīng)的應(yīng)用程序界面(API)接口支持，設(shè)計(jì)訪問與管理區(qū)塊鏈資源的軟件開發(fā)工具包(SDK)。

3.2 平臺(tái)部署架構(gòu)

在場景的建設(shè)中，軟件開發(fā)層面涉及區(qū)塊鏈底層平臺(tái)構(gòu)建、系統(tǒng)各功能模塊的開發(fā)以及相關(guān)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等；硬件層面需要用于部署區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)的算力服務(wù)器、存儲(chǔ)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)服務(wù)器以及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。智慧能源場景區(qū)塊鏈應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)如圖5所示。

圖5 智慧能源場景區(qū)塊鏈應(yīng)用部署架構(gòu)

根據(jù)參與機(jī)構(gòu)的不同，區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)可部署在公共服務(wù)云、電子政務(wù)云以及私有數(shù)據(jù)中心，通過SDK服務(wù)器與智慧能源場景應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行交互。

4 結(jié)語和建議

本文以電力市場為基礎(chǔ)，對(duì)分布式電力交易現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研及分析，根據(jù)“三自”特征要求，基于區(qū)塊鏈技術(shù)提出一種面向鄉(xiāng)村級(jí)的分布式電力交易系統(tǒng)方案，為實(shí)現(xiàn)真正意義上的“隔墻售電”提供一種實(shí)踐方案；應(yīng)用非侵入式負(fù)荷識(shí)別技術(shù)，提升交易主體的細(xì)分顆粒度，首次提出最小顆粒度的P2P精準(zhǔn)電力能源交易類型，可為商業(yè)模式創(chuàng)新提供一種全新的實(shí)施路徑。

基于區(qū)塊鏈的分布式電力交易系統(tǒng)作為電力交易市場平臺(tái)的技術(shù)支撐點(diǎn)，能夠有效地打破傳統(tǒng)電力市場交易壁壘，可首先在鄉(xiāng)村微能網(wǎng)中試點(diǎn)應(yīng)用。同時(shí)，要考慮二個(gè)問題：一是政策層面，是否存在與現(xiàn)有的鄉(xiāng)村電力系統(tǒng)架構(gòu)的矛盾沖突，兩者之間如何平衡還需要政府盡快明確相關(guān)規(guī)則；二是物理層面，如何與現(xiàn)有的鄉(xiāng)村能源管理系統(tǒng)相銜接，成為鄉(xiāng)村能源管理系統(tǒng)平臺(tái)中的一個(gè)重要功能點(diǎn)還需具體考慮與部署。綜上，本文從以下三個(gè)方面提出建設(shè)建議。

(1)政府應(yīng)盡快針對(duì)能源區(qū)塊鏈的實(shí)施制定相關(guān)準(zhǔn)則。雖然現(xiàn)有政策暫不支持分布式“隔墻供電”，但“隔墻售電”是近幾年政策一直鼓勵(lì)的模式，然而目前“隔墻售電”效果甚微，需建立一套科學(xué)合理的輸配電價(jià)和交叉補(bǔ)貼機(jī)制去適應(yīng)現(xiàn)貨市場、增量配電網(wǎng)、“隔墻售電”等新型電力交易模式。其次，還需加強(qiáng)對(duì)數(shù)據(jù)和電力幣的安全管理以及監(jiān)管力度。

(2)鼓勵(lì)和推廣能源企業(yè)開展技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用。能源區(qū)塊鏈試點(diǎn)應(yīng)用過程中需要充分考慮技術(shù)融合和場景融合，保障區(qū)塊鏈技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)可落地可應(yīng)用。能源區(qū)塊鏈規(guī)模化推廣過程中，面對(duì)技術(shù)在場景應(yīng)用中存在的融合深度不足、覆蓋領(lǐng)域較窄等問題，需要加快各方力量的統(tǒng)籌合作，加速創(chuàng)新應(yīng)用突破，形成可復(fù)制推廣的典型應(yīng)用案例。

(3)企業(yè)在開展能源區(qū)塊鏈應(yīng)用時(shí)應(yīng)充分發(fā)揮技術(shù)特性。根據(jù)實(shí)際電力交易情況來進(jìn)行綜合的分析和研究，實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈技術(shù)系統(tǒng)科學(xué)的應(yīng)用，最主要的就是其系統(tǒng)化的交易算法，采用不同類型的算法以確保電力交易流程的規(guī)范化、科學(xué)化以及系統(tǒng)化。其次，能源安全作為國家安全的重要組成部分，企業(yè)在開展技術(shù)選型時(shí)應(yīng)盡可能選擇自主可控的底層區(qū)塊鏈技術(shù)，避免因外部因素導(dǎo)致的技術(shù)供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)。