能源互聯(lián)網(wǎng)中基于區(qū)塊鏈的能源交易

1、能源互聯(lián)網(wǎng)中基于區(qū)塊鏈的能源交易 蔡金棋，李淑賢，樊冰，唐良瑞 (新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學(xué))，北京市 102206) 摘 要：區(qū)塊鏈技術(shù)是比特幣的底層技術(shù)，具有公平、透明及去中心化的特點。能源互聯(lián)網(wǎng)具有開放互聯(lián)、以用戶為中心和分布式對等共享的特點，且其能源交易模式也將由集中式向分布式發(fā)展。區(qū)塊鏈技術(shù)的特點使得其天然地適用于能源互聯(lián)網(wǎng)中的能源交易。首先對現(xiàn)有能源系統(tǒng)下的能源交易特點及在能源互聯(lián)網(wǎng)下實施新型能源交易模式需要解決的難點進(jìn)行了分析；然后，基于現(xiàn)有研究和分析設(shè)計了一種基于區(qū)塊鏈的3層能源交易架構(gòu)，并引入弱中心化的管理方式，以應(yīng)對去中心化帶來的問題；最后，對區(qū)塊鏈在能源交

2、易中應(yīng)用需要解決的問題和面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了分析。 關(guān)鍵詞：能源互聯(lián)網(wǎng)；區(qū)塊鏈；綜合能源交易；智能合約；弱中心化管理 0 引 言 傳統(tǒng)能源交易主要是一種集中式優(yōu)化決策的資源配置方式，具有成本高、易受攻擊且用戶隱私難以保障的缺點。能源互聯(lián)網(wǎng)是一種泛能源系統(tǒng)，在開放互聯(lián)、以用戶為中心和分布式對等共享等新內(nèi)涵的引導(dǎo)下，其能源交易將趨向主體多元化，商品多樣化，決策分散化，信息透明化，交易即時化，同時也將呈現(xiàn)能量流、信息流與價值流“三流”大融合的趨勢。在現(xiàn)有集中式交易模式下，能源交易需要大量的第三方管理機(jī)構(gòu)來構(gòu)建和維護(hù)交易信用，產(chǎn)生了不必要的高額成本。因此，為促進(jìn)能源互聯(lián)網(wǎng)下能源系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展，需對現(xiàn)有能

3、源交易模式進(jìn)行變革，實現(xiàn)分布式市場模式取代集中式管理模式的變革。在分布式能源交易模式下，能源交易市場的參與者是對等的、分散的，且多種能源協(xié)同自治，無需第三方信任機(jī)構(gòu)。區(qū)塊鏈技術(shù)由于其公平、透明及去中心化的特點，在分布式能源交易中將會有十分廣闊的應(yīng)用前景。 目前，區(qū)塊鏈的應(yīng)用場景已從最初的金融領(lǐng)域1-3向醫(yī)療4-5、物聯(lián)網(wǎng)6-8、物流9等領(lǐng)域延拓,在能源領(lǐng)域也開始嶄露頭角。然而，目前對于區(qū)塊鏈在能源交易領(lǐng)域的應(yīng)用研究較少。文獻(xiàn)10將多簽名技術(shù)、區(qū)塊鏈以及匿名信息流應(yīng)用在分布式能源交易中，提出了在分布式智能電網(wǎng)中，第三方不受信賴時保證交易安全的解決方案；文獻(xiàn)11研究在住房社會環(huán)境(housing

4、society environment)下，作為區(qū)塊鏈節(jié)點的智能設(shè)備(smart device)充當(dāng)電力交易者，通過智能合約等技術(shù)自動完成設(shè)備到設(shè)備(device-to-device)的電力交易。這些研究都探討了區(qū)塊鏈技術(shù)在能源交易中的應(yīng)用，但僅僅是通過區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)了電力交易，且將電力看作一般商品，并未考慮到能源商品的特殊性。此外,大多文獻(xiàn)僅對交易流程進(jìn)行探索,對能源交易系統(tǒng)的研究卻很少，不足以解決能源交易的實際應(yīng)用問題。 因此，本文基于現(xiàn)有研究提出一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的3層能源交易架構(gòu)，并對區(qū)塊鏈、智能合約等關(guān)鍵技術(shù)在架構(gòu)中的應(yīng)用進(jìn)行分析。同時，能源的特殊性決定能源交易離不開一定的監(jiān)管。因此

5、，本文在分布式交易的基礎(chǔ)上，引入弱中心化的管理方式，將弱中心機(jī)構(gòu)作為區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的一個特殊節(jié)點，對參與能源交易的主體、交易活動等進(jìn)行必要的監(jiān)管，保證交易的順利進(jìn)行。最后，分析基于區(qū)塊鏈的能源交易應(yīng)用面臨的問題及挑戰(zhàn)。 1 能源交易的特點 1.1 傳統(tǒng)能源交易 能源是推進(jìn)社會發(fā)展的動力，關(guān)乎國計民生，能源問題一直以來也都是關(guān)注的焦點。目前來說，我國傳統(tǒng)的能源交易模式以交易所交易為主，同時發(fā)展場外交易(over the counter，OTC)模式。 交易所模式下的能源交易一般由交易中心進(jìn)行規(guī)劃和管理，負(fù)責(zé)能源系統(tǒng)的整體平衡，同時需要大量的第三方機(jī)構(gòu)來保障交易的安全可信，諸如評級、保險、信托和融資

6、租賃公司等，產(chǎn)生了昂貴的第三方成本。而且中心機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)庫需要時刻進(jìn)行維護(hù)，存在較大的人力和物力資源消耗。其次，在交易清算的過程中，中心機(jī)構(gòu)要與銀行等第三方金融機(jī)構(gòu)進(jìn)行頻繁的信息校對，時間成本也較高，不利于能源互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行高效的實時交易。并且，從信息安全角度上來說，掌握市場的所有交易信息的中心機(jī)構(gòu)一方面容易受到內(nèi)、外部攻擊，造成數(shù)據(jù)丟失或被篡改的可能性較高；另一方面，中心機(jī)構(gòu)掌握了全局信息，用戶隱私難以保障，且交易信息的不對稱也使得損害參與者利益的情況時有發(fā)生。 場外交易，又稱雙邊交易，是指在交易所以外通過電話和計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聯(lián)系，由買賣雙方協(xié)商議價完成交易。當(dāng)前，國內(nèi)外有影響的OTC市場有中國

7、天交所、美國的納斯達(dá)克(national association of securities deal automated quotations，NASDAQ)、英國的替代投資市場(alternative investment market，AIM)、法國店頭市場和韓國店頭市場等。 通常來說，OTC市場交易沒有固定的交易場所，特別是在現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下，交易方利用網(wǎng)絡(luò)終端即可完成交易，為用戶廣泛參與市場提供了機(jī)會。其次，現(xiàn)代OTC交易方式較靈活，交易基本上是投資者與做市商之間、做市商與做市商之間的直接交易，價格中不包含交易傭金。交易也沒有數(shù)量和單位限制，既可以進(jìn)行零星交易也可以進(jìn)行大額交

8、易。除此而外，場外交易的市場參與者也沒有限制，可以是機(jī)構(gòu)，也可以是個人，各種不同的參與者形成一種廣泛的綜合交易關(guān)系。 然而，OTC模式也存在著缺陷，其中最主要的就是信用風(fēng)險和額外成本。在OTC下，考慮到存在大量中小型交易方，引入了做市商制，由做市商代理賣方與買方進(jìn)行交易，為改善市場流動性提供了解決辦法，然而由做市商制度產(chǎn)生的問題同樣不容忽視。首先，由于做市商獨特的市場組織者身份，其在提供流動性的同時，也需要從其設(shè)定的買賣報價價差中得到一定的補償，以彌補交易成本和損失，使得交易增加了額外的市場成本。同時，買賣報價價差來源于信息不對稱，那么當(dāng)信息的不對稱程度加大時就可能使得市場失效，交易雙方需要承

9、擔(dān)較大的風(fēng)險，1994年美國“價差門”丑聞便是一個實例。 綜上，在傳統(tǒng)的集中式交易中交易所對能源交易進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃、協(xié)調(diào)和管理，起到了極其重要的作用，但是構(gòu)建和維護(hù)中心機(jī)構(gòu)的信任所造成的高額運行成本以及安全泄密等問題也阻礙著能源行業(yè)的變革，不利于我國經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，而OTC交易縱然靈活方便，卻存在較大的信用風(fēng)險和額外成本。 1.2 能源互聯(lián)網(wǎng)中的新型能源交易模式 未來能源互聯(lián)網(wǎng)將覆蓋海量用戶，用戶既是生產(chǎn)者也是消費者，即所謂的“產(chǎn)消者”。同時，能源交易將會呈現(xiàn)主體多元化、商品多樣化、決策分散化、信息透明化、時間即時化、管理市場化和約束層次化的特點12。此外，能源互聯(lián)網(wǎng)在傳統(tǒng)能源網(wǎng)的基礎(chǔ)上引入了

10、互聯(lián)網(wǎng)理念，將使得能源系統(tǒng)的面貌煥然一新，具有開放互聯(lián)、以用戶為中心和分布式對等共享等新內(nèi)涵13。再結(jié)合里夫金提出的能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)當(dāng)包含的五大主要內(nèi)涵14，有理由相信分布式能源的大規(guī)模接入和居民用戶的廣泛參與將會強(qiáng)力重塑原有的能源市場。 在傳統(tǒng)能源系統(tǒng)中，不同能源行業(yè)相對封閉，互聯(lián)程度有限，同時不同能源系統(tǒng)也大都孤立規(guī)劃和運行，造成了能效不高和可再生能源的消納程度難以提升的困境。而能源互聯(lián)網(wǎng)將打破不同能源系統(tǒng)間的壁壘，同時大量接入風(fēng)能、太陽能、潮汐能、地?zé)崮?、生物能等多種分布式可再生能源，利用包括新型發(fā)電技術(shù)和儲能技術(shù)等在內(nèi)的多種先進(jìn)技術(shù)，實現(xiàn)電、熱、冷、氣、油、交通等多個系統(tǒng)的互聯(lián)交匯，實現(xiàn)多

11、能源綜合利用，形成開放互聯(lián)的綜合能源系統(tǒng)。但能源系統(tǒng)離不開頻繁的能源交易，而要在能源互聯(lián)網(wǎng)這樣龐大系統(tǒng)中實現(xiàn)多方主體自動、可信、準(zhǔn)確、平衡、實時的交易，推動大范圍的資源動態(tài)平衡，滿足供需雙方快速、高效、安全的能源交易是重要挑戰(zhàn)。為此期望出現(xiàn)一種新的模式，使得供需雙方能夠直接溝通并確定交易意向，進(jìn)行靈活的能源交易，且無需中心機(jī)構(gòu)。 在新的能源交易模式下，不同于傳統(tǒng)能源系統(tǒng)中大多數(shù)用戶僅為生產(chǎn)、生活而進(jìn)行購電，每一位用戶都有同等的機(jī)會來廣泛參與到能源市場當(dāng)中。在參與的過程中，居民用戶不僅僅扮演著能源消費者的角色，也通過管理各自擁有的分布式發(fā)電機(jī)組(以光伏發(fā)電為主)、分布式能源儲備設(shè)施和分布式負(fù)載等

12、智能設(shè)備來充當(dāng)能源供給者，將過剩的電力直接出售給其他居民用戶和電力公司，或通過能源轉(zhuǎn)換裝置將電能轉(zhuǎn)換為天然氣中的化學(xué)能，而后再利用、存儲或出售。同時，用戶還可以通過“眾籌”的方式參與能源投資，在實現(xiàn)自身盈利的同時又能擴(kuò)大能源產(chǎn)業(yè)的資金來源。 當(dāng)然，這種直接的點對點新能源交易模式也面臨著一些問題，是實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)新型能源交易落地的挑戰(zhàn)之一。這些問題與挑戰(zhàn)如下：(1)新能源交易模式需要解決或減輕構(gòu)建數(shù)據(jù)中心帶來的成本和信任問題，并實現(xiàn)交易記錄、賬戶身份等機(jī)密數(shù)據(jù)信息的安全存儲，同時，能源交易過程中的數(shù)據(jù)真?zhèn)巍碓打炞C以及身份安全也是需要解決的難點；(2)傳統(tǒng)的中心化決策往往無法杜絕中心主體從自身利

13、益出發(fā)，濫用決策權(quán)限，損害其他主體的利益，而分布式?jīng)Q策又會因為大量能源互聯(lián)網(wǎng)主體之間直接進(jìn)行點對點交互，從而造成共識效率低下、死循環(huán)無共識，在新模式中難以實現(xiàn)優(yōu)化決策等后果；(3)在缺乏中心機(jī)構(gòu)監(jiān)管的情況下，需要解決相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的確定問題，如分布式能源發(fā)電和儲能設(shè)備的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)和安全要求等。 目前，針對能源互聯(lián)網(wǎng)中新能源交易模式提出了能源路由器15和虛擬電廠(virtual power plant,VPP)16等方案，解決了部分問題，但其缺陷也十分明顯。其中，前者是以能源路由器為基本節(jié)點，連接分布式能源和負(fù)荷，在一定的協(xié)調(diào)控制下構(gòu)建能源局域網(wǎng)，然后通過大電網(wǎng)與其他能源路由器或能源局域網(wǎng)連接。因此，在

14、能源互聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模分布式電源接入和能源共享的情況下，這種方式需要部署大量的路由器節(jié)點，以滿足海量的數(shù)據(jù)信息交流和即時交易，存在較大的成本，同時約定交易的執(zhí)行由能源路由器的購、售電交易模塊來負(fù)責(zé)，可信賴程度難以保障。而后者提出了通過虛擬電廠廣泛聚合分布式能源、需求響應(yīng)、分布式儲能等，進(jìn)行集中管理和統(tǒng)一調(diào)度。然而缺乏公平可信、成本低廉的交易平臺，導(dǎo)致VPP之間和VPP與用戶之間的交易成本高昂，且在缺乏透明的信息平臺下，分布式電源需要承擔(dān)額外的信用成本來選擇合適的VPP17。與這兩者相比，區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心化的低成本信任、公開透明和信息不可篡改等特點，能為能源交易提供一個無中心定價，交易執(zhí)行受一定

15、程度的監(jiān)督，又保證用戶信息隱私的自由交易系統(tǒng)。 2 基于區(qū)塊鏈的能源交易系統(tǒng)架構(gòu) 2.1 能源交易系統(tǒng)架構(gòu) 能源互聯(lián)網(wǎng)力圖促進(jìn)電、熱、氣以及電氣化交通等多種能源系統(tǒng)的高效融合和開放互聯(lián)，因此需要一個能實現(xiàn)各種能源自由交易的綜合能源交易平臺。結(jié)合前文的分析，本文提出一個基于區(qū)塊鏈并結(jié)合智能合約的能源交易系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示。能源交易系統(tǒng)由交易層、擴(kuò)展層和區(qū)塊鏈層組成，其中區(qū)塊鏈層是架構(gòu)的底層基礎(chǔ)，同時交易層在擴(kuò)展層的技術(shù)支持下完成多系統(tǒng)間的能源交易。 交易層包含電力系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)、燃?xì)庀到y(tǒng)和交通系統(tǒng)等在內(nèi)的多個系統(tǒng)，各系統(tǒng)耦合互聯(lián)，形成混合能源系統(tǒng)。在能源互聯(lián)網(wǎng)下，交易主體包括發(fā)電廠、電力公司、

16、分布式能源生產(chǎn)者、智能家庭(產(chǎn)消者)以及其他能源(煤炭、天然氣、石油等)持有者。各主體在該層發(fā)起和完成能源交易，將達(dá)成的交易數(shù)據(jù)送到擴(kuò)展層，形成智能合約，并經(jīng)過弱中心化管理形成可行的交易，最后將相關(guān)數(shù)據(jù)存入?yún)^(qū)塊鏈層。 擴(kuò)展層有2項功能，即智能合約和弱中心化管理。交易主體通過協(xié)商，達(dá)成交易意向，并形成智能合約，合約經(jīng)過對等網(wǎng)絡(luò)(peer to peer，P2P)廣播到區(qū)塊鏈的每個節(jié)點。當(dāng)合約的執(zhí)行條件達(dá)到時，合約自動執(zhí)行，提高交易效率。同時，能源不同于一般的商品，在交易時離不開必要的管理，如為了保證電網(wǎng)的安全運行，一些全局信息必須由中心機(jī)構(gòu)掌握并作出判斷，并對電力交易進(jìn)行協(xié)調(diào)；當(dāng)交易出現(xiàn)糾紛時僅

17、靠系統(tǒng)自身和智能合約的強(qiáng)制執(zhí)行很難完全解決問題；相關(guān)交易準(zhǔn)則以及設(shè)備安全標(biāo)準(zhǔn)需要由監(jiān)管者制定等。因此，對能源交易進(jìn)行管理是必不可少的，為此本文引入了“弱中心化”的概念。 區(qū)塊鏈層是交易架構(gòu)的底層技術(shù)基礎(chǔ)，由P2P網(wǎng)絡(luò)和區(qū)塊鏈存儲設(shè)備組成。區(qū)塊鏈層擁有大量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，每個節(jié)點都是區(qū)塊鏈的存儲點，擁有各自的存儲設(shè)備，節(jié)點地位均對等且以扁平式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相互連通和交互，組成P2P網(wǎng)絡(luò)。每個節(jié)點均承擔(dān)了網(wǎng)絡(luò)路由，驗證和傳播區(qū)塊數(shù)據(jù)，存儲數(shù)據(jù)記錄，發(fā)現(xiàn)新節(jié)點等功能，且節(jié)點可以根據(jù)自身情況決定加入或退出網(wǎng)絡(luò)18。 圖1 基于區(qū)塊鏈的能源交易系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Energy trading system arc

18、hitecture based on blockchain 區(qū)塊鏈層的加入將區(qū)塊鏈技術(shù)引入能源互聯(lián)網(wǎng)的能源交易當(dāng)中，建立了以P2P網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的去中心化的全新體系。當(dāng)然，在一個P2P形式的網(wǎng)絡(luò)中完成陌生人之間的交易，其最大問題就是如何達(dá)成互信。傳統(tǒng)的中心化體系通常需要信用中介來集中解決信任問題，而區(qū)塊鏈技術(shù)本質(zhì)上是交易各方建立信任機(jī)制的一個數(shù)字解決方案，通過分布式的數(shù)據(jù)區(qū)塊存儲形成分布式記賬系統(tǒng)，取代對信用中介的依賴，將所有數(shù)據(jù)記錄在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的每個節(jié)點上，數(shù)據(jù)的變更需要所有節(jié)點同時確認(rèn)。在此數(shù)學(xué)方案建立的信任機(jī)制下，任何人都可以加入一個公開透明的網(wǎng)絡(luò)，成為該網(wǎng)絡(luò)上交易的見證者，而網(wǎng)絡(luò)中任何節(jié)點

19、間都可以直接進(jìn)行交易，由全體節(jié)點進(jìn)行共識檢驗，而不需要中間方的信用積累。同時所有的交易記錄、歷史數(shù)據(jù)等都以分布式進(jìn)行冗余存儲，并通過密碼學(xué)協(xié)議進(jìn)一步保證其難以被篡改。 交易過程中，參與者經(jīng)過博弈達(dá)成雙邊或多邊交易后，自動生成智能合約。智能合約應(yīng)具有交易各方身份、能源額度、價格、交易時間、違約金額等屬性。同時，交易雙方分別用私鑰進(jìn)行簽名，以確保合約的有效性。交易智能合約締結(jié)完成后，將向區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)公布，而后節(jié)點將一段時間內(nèi)收到的交易智能合約打包成區(qū)塊，并繼續(xù)向全網(wǎng)廣播，最終所有節(jié)點競爭記賬權(quán)，獲得記賬權(quán)的節(jié)點負(fù)責(zé)將區(qū)塊放進(jìn)區(qū)塊鏈存儲，并繼續(xù)接受后來的區(qū)塊。在此過程中，弱中心化機(jī)構(gòu)對每一筆交易進(jìn)行校

20、核，并時刻準(zhǔn)備終止非法交易。 2.2 能源互聯(lián)網(wǎng)下的綜合能源交易服務(wù)類型 本文所提及的能源交易是一個相對完備的綜合交易，包括電力交易、一次能源交易和電力輔助服務(wù)交易，如圖2所示。在進(jìn)行綜合能源交易時，區(qū)塊鏈能夠記錄各能源系統(tǒng)之間的交易價格信息并在各節(jié)點共享，并在此基礎(chǔ)上實時生成各地區(qū)各類能源的邊際價格；不同能源系統(tǒng)可以通過區(qū)塊鏈中的邊際價格信息對自身系統(tǒng)的運行進(jìn)行優(yōu)化，或通過簽署智能合約，根據(jù)邊際價格信息執(zhí)行自動調(diào)度指令，并且根據(jù)邊際價格信息進(jìn)行能量費用結(jié)算17。 電力作為能源的組成部分，是現(xiàn)代化生活的重要體現(xiàn)，對生產(chǎn)和居民生活的影響越來越大。在我國能源消費總量控制，能源安全與生態(tài)環(huán)境問題日益

21、突出的形勢下，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)和實現(xiàn)低碳生活，都離不開電力行業(yè)的參與?？梢哉f，以電力為中心，是轉(zhuǎn)變能源發(fā)展方式，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的一個重要支點，有利于加快構(gòu)建安全、集約、清潔、高效、多元的能源供應(yīng)保障體系。此外，伴隨著“電轉(zhuǎn)氣”等技術(shù)的出現(xiàn)，使得電能作為能源轉(zhuǎn)換的樞紐，將電能轉(zhuǎn)換為天然氣中的化學(xué)能成為可能，且能極大地提高能源互聯(lián)網(wǎng)中各能源系統(tǒng)的聯(lián)系。因此，在新能源技術(shù)、儲能技術(shù)和輸電技術(shù)等極其先進(jìn)的能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的引領(lǐng)下，以可再生能源發(fā)電為主的分布式新能源發(fā)電成為未來電力的一大來源，電力交易也將成為能源交易的主力，并呈現(xiàn)分布式與集中式發(fā)電并存的局面。 圖2 綜合能源交易Fig.2 Comprehens

22、ive energy trading 此外，能源交易不可能獨有電力的參與，而且可再生能源短期內(nèi)難以完全取代傳統(tǒng)能源，再加上“電轉(zhuǎn)氣”等技術(shù)的出現(xiàn)以及天然氣的優(yōu)良特性，發(fā)電企業(yè)和家庭用戶可將剩余電力經(jīng)轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為方便儲存和運輸?shù)奶烊粴猓⑥D(zhuǎn)售給其他交易方，在實現(xiàn)收益的同時減輕電源儲電負(fù)擔(dān)，因此以煤炭、石油和天然氣為主的一次能源交易也是不可或缺的一部分。 電力輔助服務(wù)是保障電能安全傳輸以及電力交易順利完成的基礎(chǔ)，在綜合能源交易中電力輔助服務(wù)交易也是交易的重點。任何電力輔助服務(wù)的調(diào)用都將作用于整個電網(wǎng)，而不僅僅作用于某個節(jié)點。所以，獨立調(diào)度員或電網(wǎng)公司所購入的輔助服務(wù)不可能恰好滿足各個用戶對電網(wǎng)可

23、靠性的要求。為了滿足高可靠性要求用戶的需求，電網(wǎng)公司必須購入相對較多的輔助服務(wù)，而對于低可靠性要求的用戶而言，購買這些輔助服務(wù)將會導(dǎo)致相對過高的可靠性，產(chǎn)生不必要的浪費。此外，由于大量分布式發(fā)電資源的接入以及用戶家庭電源的廣泛參與，能源互聯(lián)網(wǎng)的電力輔助服務(wù)不同于傳統(tǒng)電網(wǎng)，將出現(xiàn)分布式發(fā)電輔助服務(wù)。區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)恰好能為電力輔助服務(wù)提供個性化的解決方案，能按照受益與擔(dān)責(zé)平衡的原則，充分利用區(qū)塊鏈能源交易網(wǎng)絡(luò)的市場化功能，發(fā)揮各類型發(fā)電企業(yè)和電力用戶的調(diào)節(jié)性能(電動汽車和家庭儲能電源的充放電等)，由用戶結(jié)合自身負(fù)荷特性，自愿選擇與發(fā)電企業(yè)或電網(wǎng)企業(yè)簽訂協(xié)議，約定各自的輔助服務(wù)權(quán)利與義務(wù)，構(gòu)建電力

24、用戶參與的輔助服務(wù)分擔(dān)共享機(jī)制，實現(xiàn)電力輔助服務(wù)的市場化交易。同時，區(qū)塊鏈技術(shù)通過保證信息的可靠性、透明性和共享性，使各節(jié)點共享電力的價格和供需信息，交易參與者能夠根據(jù)這些信息自主確定發(fā)出電力或購買電力，也可實現(xiàn)電力的自動調(diào)度。 2.3 基于區(qū)塊鏈的智能合約執(zhí)行機(jī)制 智能合約(smart contract)于1994年首次提出19。該概念提出后，因缺乏完全獨立的平臺來執(zhí)行合約而處于被埋沒的狀態(tài)。區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)為智能合約運行提供了理想的平臺，而基于區(qū)塊鏈的智能合約賦予了智能合約新的定義，使得智能合約具有區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的一般特征，如分布式記錄、存儲和驗證以及不可篡改和偽造等18。 通常來說，基于區(qū)塊

25、鏈的智能合約構(gòu)建及執(zhí)行步驟如圖3所示。首先，雙方或者多方根據(jù)需要，共同制定一份能源交易合約；之后，簽署合約的各方就合約內(nèi)容、違約條件、違約責(zé)任和外部核查數(shù)據(jù)源達(dá)成一致，必要時檢查和測試合約代碼無誤后，通過P2P網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)散至全網(wǎng)節(jié)點并存儲；最后，當(dāng)各方按約定好的條件完成任務(wù)時，存儲于區(qū)塊鏈的智能合約自動執(zhí)行。 同時，能源互聯(lián)網(wǎng)中能源交易涉及大量的能源主體，包括了大量內(nèi)置先進(jìn)傳感器的智能設(shè)備，因此開發(fā)一種運用于能源交易的智能合約客戶端，且客戶端可根據(jù)需求嵌入任何交易系統(tǒng)以及參與交易的智能設(shè)備，對于提高交易效率，管理大量智能合約以及提升交易自動化水平有著極大作用。交易雙方通過客戶端建立智能合約并發(fā)送至

26、區(qū)塊鏈存儲并執(zhí)行，同時存入一定保證金。智能合約客戶端會定期檢查合約執(zhí)行狀態(tài)，逐條遍歷每個合約內(nèi)包含的狀態(tài)、事務(wù)以及觸發(fā)條件，并將條件滿足的事務(wù)推送到待驗證的隊列中，等待節(jié)點共識。如果合約未能履行，違約者將不能拿回保證金，使得交易違約的成本遠(yuǎn)高于執(zhí)行合約的成本，以達(dá)到強(qiáng)制信任的目的。 圖3 構(gòu)建智能合約Fig.3 Building smart contracts 在能源交易過程中，參與者經(jīng)過博弈達(dá)成雙邊和多邊交易后，平臺自動生成智能合約，寫入交易者身份、能源額度、價格、交易時間、違約金額等屬性，最后分別用私鑰進(jìn)行多重簽名，保證合約不可篡改。交易生成的智能合約不僅由代碼定義，還由代碼強(qiáng)制執(zhí)行，智能

27、合約雙方無須彼此信任，也不需要信任中介的監(jiān)督，完全自動且無法干預(yù)，降低了交易的額外成本。同時，智能合約一旦確定，其資金就按合約條款進(jìn)行分配，只有合約預(yù)先設(shè)定的條件滿足以后才可以使用這筆資金，在合約訂立期間及生效后，合約任意一方都不能控制或挪用資金，確保了其交易的安全性。此外，存儲于區(qū)塊鏈的智能合約由全網(wǎng)節(jié)點保證其不可隨意被篡改，只有取得所有合約簽署方的同意后才可變更合約內(nèi)容。智能合約的加入使得交易具有分布式信任自治、公平公正、成本更低、效率高、不可篡改等優(yōu)勢。 2.4 弱中心化管理 在分布式能源交易中，能源市場的參與者可以自行達(dá)成交易，交易的博弈過程及信息管理和記錄也可以由交易的參與者完成。然

28、而，能源交易與普通的商品交易不同。首先，能源具有不同的物理特性。舉例來說，電能在電網(wǎng)上的流動必須符合電學(xué)物理規(guī)律，不能簡單地從一端到另一端任意支配，需要進(jìn)行阻塞管理，而缺乏中心化機(jī)構(gòu)的情況下各個節(jié)點難以自發(fā)進(jìn)行電力交易20，這與其他商品的物流通道有很大的不同；其次，能源是國家戰(zhàn)略資源，關(guān)系著國計民生，因此對能源市場參與者的準(zhǔn)入、退出及交易過程等采取一定的監(jiān)管措施是必不可少的；此外，當(dāng)交易出現(xiàn)糾紛時僅靠系統(tǒng)自身和智能合約的強(qiáng)制執(zhí)行很難完全解決問題。因此，完全去中心化的交易體系并不適合能源系統(tǒng)，基于區(qū)塊鏈的能源交易進(jìn)行管理仍需要一定的監(jiān)管。 基于以上分析，本文引入了弱中心化機(jī)構(gòu)進(jìn)行必要管理。弱中心

29、化是指能源交易博弈過程、能源價格的確定及交易記錄等都由參與節(jié)點自主完成，而弱中心機(jī)構(gòu)是區(qū)塊鏈交易網(wǎng)絡(luò)中的一個特殊節(jié)點，與其他節(jié)點相比，弱中心機(jī)構(gòu)擁有賬戶管理和交易監(jiān)督的權(quán)利，諸如交易資質(zhì)確認(rèn)及合約審查，但沒有修改權(quán)限，相關(guān)修改需取得節(jié)點共識。在這種模式下“中心機(jī)構(gòu)”雖然存在，但與傳統(tǒng)相比，其權(quán)力得到了限制。 交易系統(tǒng)的所有交易都要由弱中心機(jī)構(gòu)進(jìn)行校核，合法交易才能繼續(xù)廣播記錄，并由區(qū)塊鏈存儲交易合約。弱中心化的交易流程如圖4所示。以電力交易為例，電力交易中必須面對阻塞管理問題。首先，電力交易參與者經(jīng)過多邊博弈達(dá)成交易，交易信息以智能合約的方式記錄，通過P2P網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)散至全網(wǎng)，由節(jié)點打包成區(qū)塊，并

30、達(dá)成共識。然而達(dá)成的交易未必符合阻塞要求。因此，弱中心機(jī)構(gòu)對交易進(jìn)行校核，若校核不通過，則對交易進(jìn)行阻塞管理。阻塞管理的方法有多種，如果采用制定阻塞價格的方法，則交易的參與方重新進(jìn)行交易博弈，并校核交易，最后達(dá)成滿足線路潮流約束的交易，并將交易記錄在區(qū)塊鏈上；如果由弱中心機(jī)構(gòu)以交易調(diào)整量最小作為目標(biāo)函數(shù)，線路潮流為約束條件，對交易進(jìn)行調(diào)整，則調(diào)整后交易可直接記錄在區(qū)塊鏈上20。 圖4 弱中心化交易流程Fig.4 Procedure of less-centralized trading 同時，為確保能源市場的有序性，弱中心機(jī)構(gòu)需對用戶資質(zhì)進(jìn)行審核，包括持有能源種類、信用情況等，審核通過的用戶予

31、以注冊，只有通過注冊的用戶才能參與能源交易，從而降低因匿名而導(dǎo)致違法犯罪行為發(fā)生的幾率。用戶通過審核后，中心機(jī)構(gòu)將注冊信息向全網(wǎng)節(jié)點廣播，所有節(jié)點達(dá)成共識，賬戶注冊成功。當(dāng)用戶退出能源市場時，廣播退出通知，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點達(dá)成共識后，中心機(jī)構(gòu)及時注銷注冊信息。 在交易監(jiān)督方面，弱中心機(jī)構(gòu)的功能包括合法性監(jiān)督、爭端協(xié)調(diào)及處理用戶投訴等。合法性監(jiān)督包括對交易物理可行性和智能合約合法性的監(jiān)督，即交易的能源是否物理可達(dá)，交易本身是否合法。例如在電力交易中，監(jiān)督達(dá)成交易的電能傳輸是否符合物理要求，電力交易中是否存在違法行為等。用戶經(jīng)過多方博弈達(dá)成能源交易意向，交易信息以智能合約的方式記錄，通過P2P網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)散

32、至全網(wǎng)，由節(jié)點打包成區(qū)塊，并達(dá)成共識。弱中心機(jī)構(gòu)可以審查各方達(dá)成的合約，當(dāng)合約不合法時，有權(quán)提請中止交易，并進(jìn)行信息備案來說明相關(guān)原因，同時向其他節(jié)點公布。若交易合法，則由區(qū)塊鏈記錄交易信息，到達(dá)交易時間后，智能合約自動執(zhí)行，完成能源交易。再者，弱中心機(jī)構(gòu)可以協(xié)調(diào)處理爭端，即當(dāng)交易出現(xiàn)爭端而智能合約無法解決時，充當(dāng)調(diào)停機(jī)構(gòu)，對爭端進(jìn)行仲裁。 3 問題與挑戰(zhàn) 當(dāng)前，我國正在大力推行能源改革，提高可再生新能源的利用比例，逐步擺脫對以煤炭為主的傳統(tǒng)能源的依賴，促進(jìn)節(jié)能減排。本文在能源互聯(lián)網(wǎng)的框架下，提出基于區(qū)塊鏈的能源交易架構(gòu)，構(gòu)建一個自由的分布式交易市場，是對去中心化能源交易模式的一次大膽嘗試。然

33、而，除去區(qū)塊鏈的技術(shù)缺陷17以及智能合約本身的一些問題21，目前仍然存在一些需要解決的問題。 (1)本文的能源交易模式下，必然涉及能源交易和電力輔助服務(wù)交易的市場化問題，而我國的能源體制改革進(jìn)展緩慢，需要更多的緩沖期。其次，分布式能源的大規(guī)模接入對電網(wǎng)會產(chǎn)生較大的影響，因此需要分布式電力輔助服務(wù)進(jìn)行平穩(wěn)，而當(dāng)前我國開發(fā)分布式新能源的力度仍不夠，入網(wǎng)率也比較低，且針對分布式電力輔助服務(wù)的相關(guān)研究較少，缺乏足夠的理論和實踐依據(jù)。 (2)當(dāng)前，我國能源交易仍由國有企業(yè)管理和經(jīng)營，而基于區(qū)塊鏈的分布式能源交易系統(tǒng)允許私人用戶直接進(jìn)行以電力為主的能源交易，不符合我國的國情，因此還需要政府深入討論可行的實

34、施辦法，并頒布一系列的改革措施。 (3)區(qū)塊鏈與智能合約的結(jié)合一定程度上保證了能源交易的安全性，但能源需要經(jīng)過物理網(wǎng)絡(luò)從一端傳輸?shù)搅硪欢?，如電力通過電網(wǎng)傳輸，天然氣經(jīng)過管道傳送等。在此過程中仍然存在一系列的人為操作，如何進(jìn)行信息的精確采集和上傳，保證人為操作過程中的能源交易的可靠性還需要深入探討。 (4)基于區(qū)塊鏈的能源交易平臺一旦進(jìn)行實際的市場運作，分布式市場交易模式將極大增加系統(tǒng)調(diào)度的復(fù)雜性，同時能源系統(tǒng)將時刻進(jìn)行大量的能源交易，而能源隨著交易的達(dá)成經(jīng)傳輸網(wǎng)流通，對物理和信息通信傳輸網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力、穩(wěn)定能力和抗壓能力提出了很大的要求。 4 結(jié) 論 能源互聯(lián)網(wǎng)是多能源融合、信息物理融合和多市

35、場融合的產(chǎn)物，將深刻影響未來的能源生產(chǎn)、傳輸、存儲和消費各個環(huán)節(jié)，促進(jìn)產(chǎn)能、用能的高效化和清潔化。在這種龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)中，如何使豐富的分布式能源得到最優(yōu)化的資源配置，構(gòu)建以電力為主的包含多種能源的能源交易機(jī)制是一個值得深入分析的問題。 區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)為能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和應(yīng)用提供了良好契機(jī)，其去中心化、開放、自治和信息不可篡改等特性，成為構(gòu)建“價值能源互聯(lián)網(wǎng)”的基礎(chǔ)。本文通過引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)并結(jié)合智能合約，實現(xiàn)安全、可信和對等的點對點能源交易，有效降低了成本，同時針對能源交易的特殊性，引入弱中心化的管理方式，確保能源市場的秩序以及交易的合法性。 然而就現(xiàn)狀來說，能源互聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈和智能合約屬于

36、技術(shù)研究的前沿，都存在一定的局限性，需要突破。因此，要實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)中“區(qū)塊鏈+智能合約”應(yīng)用的真正落地，還需要多方的共同努力。一方面，政府需要加快出臺扶持性政策方針，規(guī)范和鼓勵相關(guān)理論和技術(shù)的探索，培養(yǎng)相關(guān)人才，緊跟世界先進(jìn)水平。另一方面，專家學(xué)者要在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上加快步伐，努力攻克難關(guān)，力爭在相關(guān)領(lǐng)域占據(jù)更多的話語權(quán)。 5 參考文獻(xiàn) 1WEI-TEK T, ROBERT B, YAN Z, et al. A system view of financial blockchainsC/2016 IEEE Symposium on Service-Oriented System Engi

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