摘要
以綠色新能源為主體的分布式能源成為能源交易市場中的重要組成部分,為了提高能源利用率、多渠道擴展分布式能源本地消納,分布式能源獲得合法就近售電資質,其能源生產和消費結構呈無中心、多節點狀。現有能源運營模式由于具有集中式管理的特點,難以簡單套用于分布式能源。區塊鏈技術具有可追溯性、交易公開、數據透明的優勢,其分散化特性與分布式能源無中心特點相符合,故提出一種基于區塊鏈的分布式能源交易方案。分析現有分布式能源交易的方式及其弊端,研究區塊鏈技術對于分布式能源P2P交易的適用性,在連續雙邊拍賣(continuous double auction,CDA)、競爭均衡價格(competitive equilibrium price,CEP)、節點信譽值等基礎上確立支撐分布式能源P2P交易的分布式能源結算機制,制定符合中國政策的分布式能源區塊鏈支付模式,提出包括系統架構、交易流程在內的基于區塊鏈技術的分布式能源交易方案,對比傳統電力交易系統和基于區塊鏈的分布式能源交易系統的性能,思考如何改進目前區塊鏈的不足之處并展望能源市場未來,實現傳統電力交易市場向分布式能源交易的延伸性發展。最后,針對區塊鏈技術在實體應用過程中的挑戰分析目前電力市場與區塊鏈技術結合所存在的沖突及問題,并提出相應的建議方案。
（來源：電網技術 作者：李彬1, 覃秋悅1, 祁兵1, 孫毅1, 李德智2, 石坤2, 楊斌3, 奚培鋒4）
關鍵詞 :區塊鏈;分布式能源交易;能源P2P交易;結算機制;電力交易市場;
0 引言
2017年是區塊鏈行業的“問道”之年,2018年將成為區塊鏈應用落地之年,區塊鏈技術逐漸獲得人們正視和認可,“區塊鏈+”將成為熱潮。截止到2017年5月,國外IT巨頭如IBM、谷歌、微軟、亞馬遜等都明確提供區塊鏈即時服務功能。2017年12月23日,中國支付清算協會在北京舉辦的“區塊鏈發展應用業務研討會”提出,區塊鏈構建了一種新型的經濟互信機制,傳統市場的基礎架構可通過重構以大幅提高交易及清算效率。
2017年10月31日,國家發改委、能源局正式下發關于《關于開展分布式發電市場化交易試點的通知》,分布式能源在被動接受調度指令管理多年之后,可以主動參與市場交易,在滿足相關技術條件下,在110 kV電壓等級之內可以選擇就近銷售電量,并獲得合法的售電資質,集發電售電于一體。在我國電力市場逐步開放的政策條件下,電網企業、分布式售電商、服務公司、第三方機構等電力交易實體在購銷電力流程中發揮著重要作用,未來的能源交易方式將發生巨大變化[1]。
2018年5月工信部發布的《2018中國區塊鏈產業白皮書》表明目前我國區塊鏈產業鏈條已經形成,區塊鏈有望成為實現能源互聯網基礎設施的重要手段。區塊鏈3.0作為應用落地時代,其理念已超越了數字貨幣、智能合約領域,可作為復雜能源交易合同的重要支撐技術。文獻[2]中研究了在能源互聯網的大環境中,區塊鏈節點作為第三方機構的能源交易;文獻[3]研究了以智能合約的形式存儲電力交易信息且自動執行資金轉移的電力交易方案;文獻[4]構建了基于區塊鏈的能源互聯網安全共享網絡體系;文獻[5]研究了能源互聯網中基于區塊鏈的電力交易和阻塞管理方法。目前來說,能源在中國是特殊商品,電力交易并不是普通商品交易。故本文在已有的研究基礎上,設想了將分布式能源接入與區塊鏈技術記賬加以結合,致力于實現每個用戶都可以投資購買能源、實時管理已購能源、自行直接出售多余已購能源,進而實現從能源消費者到能源供應者的轉變。
1 區塊鏈技術在分布式能源P2P交易領域的應用
1.1 區塊鏈技術在分布式能源P2P交易領域的適用性分析
區塊鏈作為一種去中心化的分布式共享賬本,通過鄰區塊首尾哈希值單向連接實現鏈式存儲[6]。區塊鏈各節點都擁有完整賬本的副本,任何節點均可實時查看和校對交易數據,分布式存儲的優勢不僅在于交易公開化以有效維護數據安全[7],而且也降低了用于購買服務器的成本。所有分布式能源交易數據都將存儲在區塊體上,哈希算法自動生成存儲交易數據哈希值的默爾克樹(Merkle tree)[8]。包含默爾克樹的區塊鏈結構如圖1所示,由圖可知若交易數據被惡意篡改,相應默爾克樹根哈希值將改變[9]。分布式能源交易信息利用區塊鏈的默爾克樹存儲,使每一筆交易都可被追溯,防止交易過程出現“賴賬”、“假賬”等問題[10]。
運用區塊鏈技術,對分布式能源交易過程中各節點進行身份脫敏處理,匿名交易和數據無緩存特征為P2P交易和雙向互動提供重要保障。非中心化的驗證交易過程脫離如政府機構、銀行組織等的中央權利系統[11],因此基于區塊鏈的分布式能源交易系統能實現利益即時結算、補貼即時發放,同時P2P直接交易也大大減少了所需的中間手續費[12]。
1.2 目前分布式能源交易方式規則分析
分布式能源作為一種綜合能源利用系統,將以天然氣為主的一次能源與以冷熱電聯產為主的二次能源相結合,并得到公用能源供應系統的支持和補充,實現能源梯形利用[13]。分布式能源的資源、環境效益最高,我國電力系統需要利用分布式能源,逐步逐地進行能源替換[14]。
目前分布式能源交易過程中由于信息不透明、規則不公開、補貼不及時造成的信任問題愈加得到重視[15]。例如,部分能源服務商或負荷聚合商在預先掌握國家補貼發放政策信息之后,偽造信息騙取補貼;用戶偽造自身的交易和用電數據騙取高額補貼;電力市場交易中由于電力損耗造成的成交量與實際接收量不符等[16]。具有分權化、可追溯、交易透明、不可篡改等特性的區塊鏈技術可解決上述信任問題[17],故本文研究基于區塊鏈的分布式能源交易方案,為優化分布式能源交易系統提供新的思路。
1.3 對國內外能源區塊鏈項目的分析
Yuso和Priogen Trading公司借助第三方通訊軟件Enerchain作為交易工具,支持買賣雙方匿名發送和查看訂單信息,交易過程無第三方介入[18]。該項目通過集中所有交易數據,使任意參與方均可獲得統一的信息并使用記錄中的價格數據。但若考慮引入中國能源區塊鏈市場,該項目由于沒有解決批發能源交易中的擴容性問題,故可能無法支撐現有市場的交易量。
美國能源公司LO3和比特幣開發公司Consensus Systems合作建立的分布式光伏售電區塊鏈平臺Transactive Grid開發了全球第一個能源區塊鏈市場[19],通過將區塊鏈技術與微網結合,使用戶有權將過剩光伏發電回饋至電網。Energo項目通過打造分布式能源自主社區(decentralized autonomous energy community,DAE)的去中心化系統、建立基于Qtum量子鏈的自動能源交易平臺、借助數字貨幣TSL實現微網的清潔能源計量、登記、管理、交易與結算[20]。Energo項目雖然由中國本土企業Energolabs創辦,但是由于現在中國的能源行業基本上被巨頭壟斷,而且整個能源市場非常飽和,因此該企業的布局重心在東南亞市場。
2017年國內分布式能源的代表性應用是遠景能源項目。遠景能源的阿波羅光伏云平臺主要提供氣象資源評估、設備采購、在線運行監測、光伏運維以及大數據分析等服務,但整體看,平臺產品的功能較為單一、智能化水平不高、產業鏈協同性不強,同時存在4點發展痛點,即融資難、選型難、結算難、運維難。分布式能源交易系統應針對以上項目缺陷4個難點,充分利用區塊鏈平臺透明管理和數據的可溯源優勢提出解決方案。
2 基于區塊鏈的分布式能源交易方案技術機制設計
2.1 互聯共識機制
互聯共識是區塊鏈技術在去中心化的環境下最核心的問題。在目前的研究內容中,共識算法主要有工作量證明(proof of work,PoW)、股權證明(proof of stake,PoS)、委任權益證明(delegated proof of stake,DPoS)、實用拜占庭算法(practical byzantine fault tolerance,PBFT)、授權拜占庭容錯算法(delegated byzantine fault tolerance,DBFT)和高性能共識算法(robust byzantine fault tolerance,RBFT[21]。表1是對5種常見共識算法的性能對比。
目前的電力區塊鏈交易市場設想大多數是搭建公有鏈和運用PoW工作量證明共識機制的運營模式。在基于PoW的公有鏈中,區塊鏈已被證明了算力不足50%時,其上的交易信息不可偽造和修改。鑒于電力市場在我國為壟斷市場,系統保密性高,51%非法算力出現的可能性小,故此方案在應用中的實施在現有文獻中被考慮和運用的次數較多[22]。但區塊鏈技術系統設計中存在著“不可能三角”悖論,即系統無法兼顧去中心化、高效、安全這3個性能[23]。文獻[24]研究并改進了共識機制,提出了及時剔除DPoS共識機制中異常節點的解決辦法,即對匿名節點進行公開投票,將節點狀態進行標識。由此,本文設計運用DPoS機制,將分布式能源交易系統中的股權定義為碳排放量證明或者綠證,并標識節點狀態。系統設定本季度的區塊打包記賬權由碳排放量最少的節點獲得,那么為了爭奪記賬權和對應獎勵,絕大多數節點都將減少自身的碳排放量,這種股權設定的目的是激勵清潔能源的使用和節能減排。當然在不同的形勢條件下,系統可以根據國家政策改變股權的形式。
2.2 能源交易賬戶
目前區塊鏈的交易模式分為兩類,一類是基于比特幣系統的未花費輸出(unspent transaction out,UTXO)模型,另一類是以太坊的賬戶交易。比特幣的交易模式區別于依賴第三方機構的傳統交易,只依靠UTXO模型完成交易[25]。圖2(a)是UTXO模型,由圖可知在UTXO模型中只關注輸入值和輸出值,即節點對于分布式能源交易的買入量、賣出量和余額。以太坊則摒棄比特幣UTXO模型,轉而設計賬戶模型,如圖2(b)所示,用戶可直接看到交易前后賬戶的狀態變化。兩者各有利弊,如UTXO具有匿名性,任何用戶的未花費交易信息均為保密狀態,實現隱私保護,而賬戶模型無法實現匿名;UTXO可并行運行,而以太坊難以擴展;UTXO模型只能實現賬戶狀態簡單轉換、缺少循環語句,而以太坊通過智能合約的幾行代碼實現復雜狀態轉換;UTXO腳本語言缺少圖靈完備性、無法與智能合約相結合,而以太坊可與智能合約結合[26]。
參照以太坊的賬戶模型概念,本文設計的分布式能源交易賬戶分為外部賬戶和合約賬戶兩個部分。分布式能源交易系統的任何狀態變動都由外部賬戶的交易觸發,圖3為交易過程中外部賬戶與合約賬戶的信息傳輸,其中外部賬戶之間傳輸的“交易信息”只是實現了簡單的價值轉移,外部賬戶與合約賬戶傳輸的“交易信息”可調動合約賬戶中的程序代碼執行,合約賬戶與外部賬戶傳輸的“狀態信息”觸發外部賬戶的狀態改變,從而完成分布式能源交易過程中的節點賬戶付款、收款等交易操作。
1）外部賬戶。
外部賬戶用于存放用戶的余額、發送接收交易信息、檢測當前交易是否只被處理過一次、通過私鑰控制是否進行交易、存儲所有的賬戶信息和交易記錄。外部賬戶可獨立發起和響應交易,交易信息為經私鑰簽名后的數據包。
2）合約賬戶。
合約賬戶存放不同的智能合約代碼,通過交易觸發代碼執行,交易信息參數將作為代碼的參數輸入值。合約賬戶無法單獨發起交易,只能響應外部賬戶的交易信息,或者由此響應觸發生成狀態信息并發送給外部賬戶。
智能合約作為分布式能源交易區塊鏈上的一個小程序,包含交易時間、金額、買賣雙方、能源種類等一系列分布式能源交易信息[27],智能合約的生成過程如圖4所示。節點可以根據交易業務需求自行制定智能合約內容,也可以選擇系統自適應于不同服務業務的智能合約[28]。此處的智能合約自適應機制是指,智能合約能根據分布式能源交易市場的各種因素及時更新內容,如根據分布式能源發電商所在地選擇能源種類,西北地區首選風力發電,而南方沿海地區首選水力發電等[29]。
2.3 支付問題
2017年9月4日中國人民銀行等七部委發布的《關于防范代幣發行融資風險的公告》指出,代幣發行融資活動應立即停止。傳統法律認為ICO可能會助長非法眾籌、募集資本的發展,故中國境內全面禁止ICO,防范不法分子利用龐氏騙局損害民眾權益。ICO的風險大于價值,權威監管部門更注重于運用區塊鏈技術推動實體經濟發展[30]。為了避免金融監管的限制、響應國家嚴禁使用ICO的政策法規,本文設想在基于區塊鏈的分布式能源交易平臺中運用電力積分代替法定貨幣或者代幣進行資金流的傳輸。系統根據以下情況向節點發放積分：
1）新節點首次注冊登入系統。一定量的初始積分可鼓勵用戶嘗試使用該系統,有利于系統建立誠信發展環境。
2）在交易完成時,節點出售、購買并使用了清潔能源。系統給每1kW·h清潔電力打上標簽,節點在購買得到清潔電力時也將會得到綠證,憑證上注明了所購買的特定1000kW·h電量的來源,方便溯源追查。
3）節點為系統貢獻計算量。例如,節點幫助系統計算默克爾樹根、驗證交易信息等。
4）節點獲得區塊的記賬權,打包并管理區塊。節點通過股權證明加上投票的DPoS機制獲得記賬權,系統可將碳排量證明或者綠證設置為股權。
在本文設想的區塊鏈交易系統中,節點間只能用錢包賬戶中的電力積分進行交易,用戶使用積分可兌換電費、支付結算,同時這種電力積分可識別和追蹤、有效防止惡意篡改、保證只能支付一次。用戶可以使用、轉讓、兌換電力積分,若節點賬戶內無足夠可購買能源的積分,可向其他節點購買。即基于區塊鏈的分布式能源交易平臺將電力積分視為一種價值載體以支撐資產流通、一種權利證明以支持用戶消費、一種社會共識以發展市場互信。這種做法的好處有兩個：一是打破了區塊鏈應用無法離開代幣流通的固定思維,使區塊鏈應用在中國盡早落地;二是增強節點對區塊鏈管理的責任感,鼓勵實現區塊鏈的分權管理。
為了保證市場交易正常進行,基于區塊鏈的分布式能源交易系統平臺將會對每個節點都設置活躍值賬戶。平臺在一個交易周期結束后立即統計節點活躍值,根據活躍值判斷節點對交易持積極、中立或者消極的態度。系統根據節點的總信譽值排名立即發放激勵或補貼,保證操作結束后補貼即刻入賬,這樣做的目的是增強互信、明晰獎懲、提升效率[31]。
3 基于區塊鏈的分布式能源交易結算機制設計
3.1 CDA拍賣機制
連續雙邊拍賣(continuous double auction,CDA)作為一種拍賣機制,通過買賣雙方報價匹配達成交易,適用于本文的分布式能源P2P交易[32]。
本文采用此機制時,需要考慮利益最大化問題。由于電網、用戶、分布式能源服務商作為獨立的市場主體,其在分布式能源交易市場中的利益具有不對等性,需建立一個非合作靜態博弈模型[33]。交易過程中選取電網為博弈主體,兩個博弈從體分別為用戶和分布式能源服務商。為了體現區塊鏈去共同對手方、降低交易成本的優勢,所建立的博弈模型將考慮分布式能源服務商出售電能的利益最大化和用戶購買電能的成本最小化[34]。基于區塊鏈的分布式能源交易方案一主二從博弈模型如圖5所示。
博弈策略：電網企業決定補貼發放的最大化以激勵市場交易,每個分布式能源服務商決定自己的出售向量以最大化收益,每個用戶決定自身的購買向量以最小化成本[34]。
約束條件：電網需保證電力市場有序活躍運行,用戶出價需高于上一周期成交最低價,分布式能源服務商的售價需低于用戶的出價。
根據以上博弈策略的定義,博弈主體將會選擇最有益于市場的補貼發放策略,博弈從體將會選擇最有利于自身的方式進行交易,即用戶選擇報價較低的分布式能源服務商,而服務商則選擇報價較高的用戶。但這種雙邊拍賣報價的約束條件是,若售價大于出價,則平臺判斷這筆交易無法進行,關閉該條交易路徑。基于利益最大化的納什均衡使每一個博弈參與者都能接受該雙邊拍賣博弈策略[36]。
為了使市場交易效率最大化,方案設計的拍賣方式為第一價格密封拍賣(the first price sealed auction,FPSA)[37],在這種方式下,用戶和分布式能源服務商的報價在交易周期開始前同時封存在信封中,呈保密狀態提交給區塊鏈平臺。當報價信息被公開后,用戶出價高者與能源商售價低者將有很大幾率被選擇,第一價格密封拍賣報價值與成交值的關系如下：
3.2 競爭均衡價格估計
競爭均衡價格(competitive equilibrium price,CEP)是經濟學中衡量市場競爭程度的指數,數值接近估算范圍內的高頻率成交價格。分布式能源交易市場競爭均衡意為維持市場供需平衡,保證市場主體維持良性競爭。分布式能源交易市場中有許多節點參與競爭交易,基于區塊鏈的分布式能源交易網絡中每個節點處于平等地位,即任何節點都不能成為市場的支配者、控制者。當市場價格劇烈波動時,有關監管部門可通過相同或不同交易周期內的CEP數據變化,制定相關宏觀調控政策,保證市場良性競爭。
CEP對同一交易期間最近n筆交易的交易價格進行加權平均數估算,實際上CEP數值約等于估算范圍內出現頻率最高的成交價格,也即該交易周期的成交價格逐漸接近CEP值。由此,未交易節點可根據CEP值調整估價,重新進行匹配;所有節點也可根據上一交易周期的CEP值確定本周期的估價,縮短交易所需時間。本文中關于競爭均衡價格(Ep)的計算方法如下：
其中：N是估算起始交易編號;M是估算結束交易編號;i是從N遞增到M的一個整數值;pipi是第i筆交易的成交價格;Wi是該成交價格的權重。Wi在估算范圍內的總和為1,目的是保證區域估算的特殊性。決定價格權重的因素有3點,分別為分布式能源交易的市場活躍度、節點的最高報價和上一周期成交價格,這些因素共同決定了權重系數β的數值。
3.3 阻塞管理問題
電網企業作為一個獨立的市場參與者,為電能交易的各個主體提供傳輸服務,在考慮電力市場P2P交易時,必須對阻塞管理問題進行討論。而且把區塊鏈技術引入到分布式能源交易系統中,將對配電系統產生較大的影響,如配電網中的參與主體將變成分布式能源服務商、居民用戶、商業企業、負荷集成商等[39]。區塊鏈技術便于各參與節點進行實時P2P交互,但隨著系統參與節點的增多,交易高峰期時系統中大量的交互性操作有可能會導致潮流越限[40],產生阻塞問題。文獻[5]還專門分析了不同阻塞管理方法,并提出了分布式安全校核的改進算法。
根據電改9號文配套文件《關于推進電力市場建設的實施意見》,目前我國電力市場主要成交方法為簽訂中長期合同交易電量,電力調度機構進行阻塞管理并將阻塞費用及盈余按責任分擔[41]。而本文設定的基于區塊鏈的雙邊拍賣方式由于是短期交易方式,故可參考國外日前市場交易電力的方法和節點電價機制[42],通過考慮線路安全約束的最優潮流,采用調整成交價格的方式緩解阻塞,使阻塞管理成本最小化。設定將阻塞費用計入節點成交電價中,將可能會出現阻塞的線路進行標記。阻塞管理的環節如下：
交易合同經買賣雙方及電網企業三方簽名后被視為生效,買方所支付的費用將被存在區塊鏈平臺上。當買方確定收貨后,區塊鏈平臺將貨款和輸電費用分別發放到賣方和電網企業的賬戶。
4 基于區塊鏈的分布式能源交易方案架構
4.1 基于區塊鏈的分布式能源P2P架構以及交易流程
區塊鏈是支撐能源P2P交易的技術,將政府、電網企業、監管部門、金融機構、新能源發電商、負荷集成商、綠色能源服務商、電力用戶作為節點接入區塊鏈網絡實現點對點交易,通過數字簽名、共識機制、智能合約、非對稱加密算法等關鍵技術保證交易的安全性、公開透明性和數據可靠性[44]。圖6是基于區塊鏈的分布式能源交易總體架構,區塊鏈技術保證任何節點都可以實現互聯和P2P交易[45]。
區塊鏈交易平臺根據之前的交易時間估算本次的交易周期,交易周期開始。區塊鏈平臺確認各節點的信譽值并降序排列,劃分信譽值等級。平臺收集買方報價信息并降序排列、收集賣方售價信息并升序排列,根據信譽值等級劃分各節點的可匹配范圍。電網企業在區塊鏈平臺后根據以上數據,推測可能產生阻塞的線路,并制定阻塞費用。之后平臺廣播排序名單、各節點可匹配范圍及對應阻塞費用。節點選擇是否進行交易：1）節點確認進行交易,系統對該輸電線路進行安全校核。若校核通過,則生成合適的智能合約,買賣雙方通過多重簽名最終確認合約執行,交易完成后錢款立即入賬。若校核不通過,則判定此匹配不成功,節點進入下一輪報價。2）節點不同意交易,系統再次提示節點是否調整報價或交易量。若節點調整報價或交易量,則重復之前的交易步驟直到交易完成;若節點不調整報價或交易量,則直接結束交易。基于區塊鏈的分布式能源P2P交易流程如圖7所示。
4.2 信息通信技術支撐分析
基于區塊鏈的分布式能源交易方案設計過程
中,參照分布式光伏接入電網的模式,按照自下而上的原則共分為4層,即數據采集層、數據傳輸層、數據處理層、業務應用支撐層。
1）數據采集層。通過智能電表、智能家居收集用戶在平臺上購電和售電的交易信息數據,各項數據通過各種途徑和渠道實時傳輸發送至區塊鏈平臺[46],平臺對這些數據進行整理,分類并儲存。目前電表設置的時間為15 min采集一次數據,之后可考慮改成更高頻率的數據采集儀器,確保決策更精準。
2）數據傳輸層。區塊鏈技術可以為智能電表、產能設備以及耗能設備提供跨越各種網絡的無縫訪問[47],協助部署5G無線接入技術。智能終端用戶通過5G網絡快速獲取并下載區塊鏈上的數據,使平臺的推廣成為可能[48]。在下行通信方向,區塊鏈網絡可利用PLC、RS485、Wifi等低成本通信技術進行信息交互[49]。
3）數據處理層。區塊鏈的數據量龐大,為了降低實體經濟成本,可采用信息上云、交易上鏈的模式[50]。云計算服務由于具備成本低、可靠性高、調整速度快、資源彈性伸縮等優勢,能解決區塊鏈開發部署中的多系統、成本高的問題[51]。將云計算與區塊鏈相結合,可有效降低區塊鏈的開發門檻,推動區塊鏈向更多領域發展[52],同時也可以有效分析和處理區塊鏈中的海量數據[53]。
4）業務應用支撐層。本層涉及到區塊鏈的關鍵技術,如能判斷交易自動進行的智能合約、保證各節點協同的共識機制等。未來有許多區塊鏈平臺,各平臺可能有不同標準,涉及到接口不兼容問題。在區塊鏈網絡中運用人工智能AI技術可協助各設備在不同的系統中擁有統一的注冊授權、管理完善的生命周期管理機制,可解決以上不兼容問題。
基于區塊鏈的交易機制仍存在以下問題：
1）區塊鏈節點成本問題。基于區塊鏈的電力交易體系需要大量的信息化設備的投資和建設[54],若將區塊鏈技術應用到電力交易市場,必須考慮區塊鏈技術在電網中的簡化應用方式。
2）區塊鏈數據的存儲方式[55]。區塊鏈技術對于底層的數據存儲具有一定的要求,為了降低開銷,可以將業務數據與記錄數據進行分離,將與信息交互有關的數據上鏈使用,其余數據放在鏈下存儲。
3）底層通信速率低[56]。通道的效率及性能較差,是否應該考慮簡化區塊鏈的驗證機制,是否規定全部節點都進行記賬。可以在區域配置區塊鏈節點,降低系統的部署成本。
4.3 兩種交易模式的比較
傳統的電力市場交易依賴于銀行等第三方機構[57],交易流程多、效率低、時間長。電力需要從中心發電廠運輸到個人用戶處,電力損耗大,交易成本增加。集中式管理將數據存儲在中心機構的數據庫中,中心機構管理所有用戶賬目信息和交易歷史記錄,數據安全系數低,且數據庫一旦受到攻擊,數據難以恢復[58]。用戶只掌握自己的記錄,無法知曉其他用戶的交易記錄,故影響互信市場的建立[59]。黑客如果掌握所有交易記錄,可借此推測出賬戶信息,對用戶的交易安全及隱私保護產生巨大威脅[60]。
基于區塊鏈的分布式能源交易系統中,各節點成為獨立的產消者,各主體平等分散決策,采用P2P形式進行直接能源交易,減少了不必要的電力損耗,使資源成本和交易成本降到最低。在不同的區域之間各節點也可進行能源交易[61],跨區域的分布式能源P2P交易如圖8所示。所有交易公開,交易節點可以匿名,保證節點賬戶的安全性[62]。分散化管理無需中心服務器,規避昂貴的運維費用,降低成本。安全的數據共享,擁有更多的數據、優化的模型和更好的結果[63]。數據溯源跟蹤,增加市場主體之間的互信任。
綜上所述,表4從交易方式、資源消耗、交易成本、數據存儲、數據安全5個方面對比了傳統電力市場交易和基于區塊鏈的分布式能源交易性能。
4.4 局限性分析
目前,由于區塊鏈應用正處于初步探索階段,關于區塊鏈應用落地的標準還未得到制定,故不同領域關于此方面各有不同的看法。以下是常見的區塊鏈應用落地三大誤區：1）區塊鏈一定要發幣,一定要挖礦;2）區塊鏈是萬能的;3）公有鏈能用
表4 傳統電力市場交易和基于區塊鏈的 分布式能源交易性能對比Tab. 4 Comparison of performance between traditional electricity market transactions and blockchain-based distributed energy trading
于商業部署。對應上述三大誤區,本文針對分布式能源交易系統提出3點解決辦法：1）公有鏈的各節點平等[64],需要用幣作為激勵,但聯盟鏈由于節點結成共同利益聯盟,故無需用幣作為激勵。分布式能源交易系統采用聯盟鏈,可以根據業務或利益驅動,節點之間通過投票達成共識,不一定要發幣和挖礦。2）區塊鏈技術不是萬能的,并不能提高系統性能,只是改變了集中管理的方式。研究分布式能源市場區塊鏈應用時應注意結合中國能源市場政策和業務需求。3）我國《信息系統安全等級保護基本要求》和《金融行業信息系統信息安全等級保護實施指引》都規定了信息系統應在網絡邊界部署訪問控制設備、啟用訪問控制功能,且在網絡區域邊界對網絡最大流量數及網絡并發連接數進行監控,限制網絡最大流量數及網絡連接數。這些規章都與公有鏈的特性相悖,故公有鏈的技術架構并不符合國家的相關規定,無法用于商業部署。
5 結論
基于區塊鏈的分布式能源交易的優勢在于,一方面使分布式能源P2P交易透明便捷,另一方面又同時保證了中心化有效監管。系統的不足之處為電網上分布式節點數量有一定的上限值,這會給交易市場運行帶來更高的風險。目前可靠且可實現的區塊鏈實體應用用例較少,且后續的區塊鏈吞吐量增大問題、安全性防護問題、數據處理優化問題等還未得到解決,區塊鏈技術落實到分布式能源交易市場難度大。未來的分布式能源交易區塊鏈市場可能是多鏈協同、跨鏈流通形式,將源網荷儲、物聯網、微電網、電力交易、碳排放、多能互補、能源項目資產化和其他領域通過不同的區塊鏈互聯,運用多鏈形式解決接口擴展適配的問題、跨鏈形式加速分布式能源流通。在區塊鏈技術發展的早期,進行分布式能源交易市場區塊鏈實體應用白盒測試還為時尚早,但研究應用落地標準、解決存在問題卻是刻不容緩。
參考文獻
[1]周海明,劉超群,劉敦楠,等.能源互聯網選擇權放開交易研究[J].中國電機工程學報,
2015,35(21):5412-5417.ZhouHaiming,LiuChaoqun,LiuDunnan,et al.Internet option open energy trading research[J].Proceedings of the CSEE,2015,35(21):5412-5417(in Chinese).
[2]張弛,陳曉科,徐曉剛,等.基于電力市場改革的微電網經營模式[J].電力建設,
2015,36(11):154-159.ZhangChi,ChenXiaoke,XuXiaogang,et al.Microgrid operation mode based on electricity market reform[J].Electric Power Construction,2015,36(11):154-159(in Chinese).
[3]蔡金棋,李淑賢,樊冰,等.能源互聯網中基于區塊鏈的能源交易[J].電力建設,2017,38(9):24-31.CaiJinqi,LiShuxian,FanBing,et al.Blockchain based energy trading in energy internet[J].Electric Power Construction,2017,38(9):24-31(in Chinese).
[4]王繼業,高靈超,董愛強,等.基于區塊鏈的數據安全共享網絡體系研究[J].計算機研究與發展
,2017,54(4):742-749.WangJiye,GaoLingchao,DongAiqiang,et al.Block chain based data security sharing network architecture research[J].Journal of Computer Research and Development,2017,54(4):742-749(in Chinese).
[5]邰雪,孫宏斌,郭慶來.能源互聯網中基于區塊鏈的電力交易和阻塞管理方法[J].電網技術
,2016,40(12):3630-3638.TaiXue,SunHongbin,GuoQinglai.Electricity transactions and congestion management based on blockchain in energy internet[J].Power System Technology,2016,40(12):3630-3638(in Chinese).
[6]張寧,王毅,康重慶,等.能源互聯網中的區塊鏈技術:研究框架與典型應用初探[J].中國電機工程學報,2016,36(15):4011-4023.ZhangNing,WangYi,KangChongqing,et al.Blockchain technique in the energy internet:preliminary research framework and typical applications[J].Proceedings of the CSEE,2016,36(15):4011-4022(in Chinese).
[7]吳振銓,梁宇輝,康嘉文,等.基于聯盟區塊鏈的智能電網數據安全存儲與共享系統[J].計算機應用,2017,37(10):2742-2747.WuZhenquan,LiangYuhui,KangJiawen,et al.Secure data storage and sharing system based on consortium blockchain in smart grid[J].Journal of Computer Applications,2017,37(10):2742-2747(in Chinese).
[8]LeeB,Lee JH.Blockchain-based secure firmware for embedded devices in an Internet of Things environment[J].Journal of Supercomputing,2017,73(3):1-16.
[9]趙赫,李曉風,占禮葵.基于區塊鏈技術的采樣機器人數據保護方法[J].華中科技大學學報(自然科學版),2015,43(1):216-219.ZhaoHe,LiXiaofeng,ZhanLikui.Data integrity protection method for microorganism sampling robots based on blockchain technology[J].J.Huazhong Univ.of Sci. Tech.(Natural Science Edition),2015,43(1):216-219(in Chinese).
[10]李彬,張潔,祁兵,等.區塊鏈:需求側資源參與電網互動的支撐技術[J].電力建設,2017,38(3):1-8.LiBin,ZhangJie,QiBing,et al.Block chain:supporting technology of demand side resources participating in grid interaction[J].Electric Power Construction,2017,38(3):1-8(in Chinese).
[11]曾鳴,舒彤,李冉,等.能源互聯網背景下可交易能源實施的關鍵問題及展望[J].電力建設,2018,39(2):1-9.ZengMing,ShuTong,LiRan,et al.Key problems and prospects of transactive energy implementation under energy internet[J].Electric Power Construction,2018,39(2):1-9(in Chinese).
[12]LuQ,XuX.Adaptable blockchain-based systems:a case study for product traceability[J].IEEE Software,2017,34(6):21-27.
[13]鄧建玲.能源互聯網的概念及發展模式[J].電力自動化設備,2016,36(3):1-5.DengJianling.Concept of energy internet and its development modes[J].Electric Power Automation Equipment,2016,36(3):1-5(in Chinese).
[14]曾鳴,彭麗霖,孫靜惠,等.兼容需求側可調控資源的分布式能源系統經濟優化運行及其求解算法[J].電網技術,2016,40(6):1650-1656.ZengMing,PengLilin,SunJinghui,et al.Economic optimization and corresponding algorithm for distributed energy system compatible with demand-side resources[J].Power System Technology,2016,40(6):1650-1656(in Chinese).
[15]王雁凌,李蓓,崔航.天然氣分布式能源站綜合價值分析[J].電力系統自動化,2016,40(1):136-142.WangYanling,LiBei,CuiHang.Comprehensive value analysis for gas distributed energy station[J].Automation of Electric Power Systems,2016,40(1):136-142(in Chinese).
[16]李彬,曹望璋,祁兵,等.區塊鏈技術在電力輔助服務領域的應用綜述[J].電網技術,2017,41(3):736-744.LiBin,CaoWangzhang,QiBing,et al.Overview of application of block chain technology in ancillary service market[J].Power System Technology,2017,41(3):736-744(in Chinese).
[17]張俊,高文忠,張應晨,等運行于區塊鏈上的智能分布式電力能源系統:需求、概念、方法以及展望[J].自動化學報,2017,43(9):1544-1554.ZhangJun,GaoWenzhong,ZhangYingchen,et al.Blockchain based intelligent distributed electrical energy systems:needs,concepts,approches and vision[J].Acta Automatica Sinica,2017,43(9):1544-1554(in Chinese).
[18]PopC,CioaraT,AntalM,et al.Blockchain based decentralized management of demand response programs in smart energy grids[J].Sensors,2018,18(1):162-182.
[19]MengelkampE,NotheisenB,BeerC,et al.A blockchain-based smart grid:towards sustainable local energy markets[J].Computer Science, Research and Development,2018,33(1-2):207-214.
[20]ChengS,ZengB,Huang YZ.Research on application model of blockchain technology in distributed electricity market[C]//IOP Conference Series:Earth andEnvironmental Science.2017:012065.
[21]袁勇,王飛躍.區塊鏈技術發展現狀與展望[J].自動化學報,2016,42(4):481-494.YuanYong,WangFeiyue.Blockchain:the state of the art and future trends[J].Acta Automatica Sinica,2016,42(4):481-494(in Chinese).
[22]魯靜,宋斌,向萬紅,等.基于區塊鏈的電力市場交易結算智能合約[J].計算機系統應用,2017,26(12):43-50.LuJing,SongBin,XiangWanhong,et al.Smart contract for electricity transaction and ge settlement based on blockchain[J].Computer Systems Applications,2017,26(12):43-50(in Chinese).
[23]ChenS,Liu CC.From demand response to transactive energy:state of the art[J].Journal of Modern Power Systems Clean Energy,2017,5(1):1-10.
[24]張永,李曉輝.一種改進的區塊鏈共識機制的研究與實現[J].電子設計工程,2018,26(1):38-42.ZhangYong,LiXiaohui.The research and implementation of an improved blockchain’s consensus mechanism[J].Electronic Design Engineering,2018,26(1):38-42(in Chinese).
[25]TeixeiraB,PintoT,SilvaF,et al.Multi-agent decision support tool to enable interoperability among heterogeneous energy systems[J].Applied Sciences,2018,8(3):328.
[26]Sharma PK,Chen MY,Park JH.A software defined fog node based distributed blockchain cloud architecture for IoT[J].IEEE Access,2018(6):115-124.
[27]李彬,曹望璋,張潔,等.基于異構區塊鏈的多能系統交易體系及關鍵技術[J].電力系統自動化,2018,42(4):183-193.LiBin,CaoWangzhang,ZhangJie,et al.Multi-energy system trading system and key technologies based on heterogeneous blockchain[J].Automation of Electric Power Systems,2018,42(4):183-193(in Chinese).
[28]ChristidisK,DevetsikiotisM.Blockchains and smart contracts for the internet of things[J].IEEE Access,2016(4):2292-2303.
[29]LuQ,XuX.Adaptable blockchain-based systems:a case study for product traceability[J].IEEE Software,2017,34(6):21-27.
[30]GaoJ,Asamoah KO,Sifah EB,et al.Grid monitoring:secured sovereign blockchain based monitoring on smart grid[J].IEEE Access,2018(6):9917-9925.
[31]PopC,CioaraT,AntalM,et al.Blockchain based decentralized management of demand response programs in smart energy grids[J].Sensors,2018,18(1):162-182.
[32]WangJ,WangQ,ZhouN,et al.A novel electricity transaction mode of microgrids based on blockchain and continuous double auction[J].Energies,2017,10(12):1971-1992.
[33]朱茳,王海潮,趙振宇,等.大規模分布式能源博弈競爭模型及其求解算法[J].電力建設,2017,38(4):135-143.ZhuJiang,WangHaichao,ZhaoZhenyu,et al.Game competition model of large-scale distributed energy system and its solution algorithm[J].Electric Power Construction,2017,38(4):135-143(in Chinese).
[34]李剛,孟歡,周國亮,等.基于區塊鏈技術的微網能量管理探析與方案設計[J].電力建設,2018,39(2):43-49.LiGang,MengHuan,ZhouGuoliang,et al.Energy management analysis and scheme design of microgrid based on blockchain[J].Electric Power Construction,2018,39(2):43-49(in Chinese).
[35]左坤雨,劉友波,向月,等.基于信息互動的分布式可再生能源多代理交易競價模型[J].電網技術,2017,41(8):2477-2484.ZuoKunyu,LiuYoubo,XiangYue,et al.Multi-agent transaction bidding model for distributed renewable energy based on information interact[J].Power System Technology,2017,41(8):2477-2484(in Chinese).
[36]劉敦楠,曾鳴,黃仁樂,等.能源互聯網的商業模式與市場機制(二)[J].電網技術,2015,39(11):3050-3056.LiuDunnan,ZengMing,HuangRenle,et al.Business models and market mechanisms of E-Net(2)[J].Power System Technology,2015,39(11):3050-3056(in Chinese).
[37]平健,陳思捷,張寧,等.基于智能合約的配電網去中心化交易機制[J].中國電機工程學報,2017,37(13):3682-3690.PingJian,ChenSijie,ZhangNing,et al.Decentralized transactive mechanism in distribution network based on smart contract[J].Proceedings of the CSEE,2017,37(13):3682-3690(in Chinese).
[38]Khaqqi KN,Sikorski JJ,HadinotoK,et al.Incorporating seller/buyer reputation-based system in blockchain-enabled emission trading application[J].Applied Energy,2017(209):8-19.
[39]邰雪,孫宏斌,郭慶來.能源互聯網區塊鏈應用的交易效率分析[J].電網技術,2017,41(10):3400-3406.TaiXue,SunHongbin,GuoQinglai.Transaction efficiency analysis of blockchain applied to energy internet[J].Power System Technology,2017,41(10):3400-3406(in Chinese).
[40]賴清平,吳志力,崔凱,等.微電網規劃設計關鍵技術分析與展望[J].電力建設,2018,39(2):18-29.LaiQingping,WuZhili,CuiKai,et al.Key technology analysis and prospect of microgrid planning and design[J].Electric Power Construction,2018,39(2):18-29(in Chinese).
[41]國務院辦公廳.關于進一步深化電力體制改革的若干意見[EB/OL].(2015-03-23)[2018-01-12].
[42]包銘磊,丁一,邵常政,等.北歐電力市場評述及對我國的經驗借鑒[J].中國電機工程學報,2017,37(17):4881-4892.BaoMinglei,DingYi,ShaoChangzheng,et al.Review of Nordic electricity market and its suggestions for China[J].Proceedings of the CSEE,2017,37(17):4881-4892(in Chinese).
[43]汪朝忠.雙邊交易模式下的電力定價研究[D].成都:西南交通大學,2016.
[44]張?,劉德.區塊鏈中的安全問題研究[J].數字技術與應用,2017(8):199-200.ZhangYan,LiuDe.Research on security problem in block chain[J].Digital Technology and Application,2017(8):199-200(in Chinese).
[45]ZhangN,WangY,KangC,et al.Blockchain technique in the energy internet:preliminary research framework and typical applications[J].Proceedings of the CSEE,2016,36(15):4011-4022.
[46]曾鳴,程俊,王雨晴,等.區塊鏈框架下能源互聯網多模塊協同自治模式初探[J].中國電機工程學報,2017,37(13):3672-3681.ZengMing,ChengJun,WangYuqing,et al.Primarily research for multi module cooperative autonomous mode of energy internet under blockchain framework[J].Proceedings of the CSEE,2017,37(13):3672-3681(in Chinese).
[47]Sharma PK,SinghS,Jeong YS,et al.DistBlockNet:a distributed blockchains-based secure SDN architecture for IoT networks[J].IEEE Communications Magazine,2017,55(9):78-85.
[48]FanK,RenY,WangY,et al.Blockchain-based efficient privacy preserving and data sharing scheme of content-centric network in 5G[J].IET Communications,2018,12(5):527-532.
[49]KogureJ,KamakuraK,ShimaT,et al.Blockchain technology for next generation ICT[J].Fujitsu Scientific Technical Journal,2017,53(5):56-61.
[50]YangC,ChenX,XiangY.Blockchain-based publicly verifiable data deletion scheme for cloud storage[J].Journal of Network Computer Applications,2018,103.
[51]顏擁,趙俊華,文福拴,等.能源系統中的區塊鏈:概念、應用與展望[J].電力建設,2017,38(2):12-20.YanYong,ZhaoJunhua,WenFushuan,et al.Blockchain in energy systems:concept,application and prospect[J].Electric Power Construction,2017,38(2):12-20(in Chinese).
[52]Sharma PK,Chen MY,Park JH.A software defined fog node based distributed blockchain cloud architecture for IoT[J].IEEE Access,2018(6):115-124.
[53]李彬,盧超,曹望璋,等.基于區塊鏈技術的自動需求響應系統應用初探[J].中國電機工程學報,2017,37(13):3691-3702.LiBin,LuChao,CaoWangzhang,et al.A preliminary study of block chain based automated demand response system[J].Proceedings of the CSEE,2017,37(13):3691-3702(in Chinese).
[54]嚴太山,程浩忠,曾平良,等.能源互聯網體系架構及關鍵技術[J].電網技術,2016,40(1):105-113.YanTaishan,ChengHaozhong,ZengPingliang,et al.System architecture and key technologies of energy internet[J].Power System Technology,2016,40(1):105-113(in Chinese).
[55]朱巖,甘國華,鄧迪,等.區塊鏈關鍵技術中的安全性研究[J].信息安全研究,2016,2(12):1090-1097.ZhuYan,GanGuohua,DengDi,et al.Security architecture and key technologies of blockchain[J].Journal of Information Security Research,2016,2(12):1090-1097(in Chinese).
[56]楊德昌,趙肖余,徐梓瀟,等.區塊鏈在能源互聯網中應用現狀分析和前景展望[J].中國電機工程學報,2017,37(13):3664-3671.YangDechang,ZhaoXiaoyu,XuZixiao,et al.Developing status and prospect analysis of blockchain in energy internet[J].Proceedings of the CSEE,2017,37(13):3664-3671(in Chinese).
[57]李彬,肖惠,文亞鳳,等.基于區塊鏈的智能用電云服務模式分析[J].電力建設,2017,38(9):8-14.LiBin,XiaoHui,WenYafeng,et al.Cloud service mode analysis of smart electricity based on block chain[J].Electric Power Construction,2017,38(9):8-14(in Chinese).
[58]LeiA,CruickshankH,CaoY,et al.Blockchain-based dynamic key management for heterogeneous intelligent transportation systems[J].IEEE Internet of Things Journal,2017,4(6):1832-1843.
[59]TeixeiraB,PintoT,SilvaF,et al.Multi-agent decision support tool to enable interoperability among heterogeneous energy systems[J].Applied Sciences,2018,8(3):328.
[60]Aitzhan NZ,SvetinovicD.Security and privacy in decentralized energy trading through multi-signatures,blockchain and anonymous messaging streams[J].IEEE Transactions on Dependable Secure Computing,2016,15(5):840-852.
[61]施泉生,劉坤,溫蜜.基于區塊鏈技術的跨省發電權交易模型[J].電力建設,2017,38(9):15-23.ShiQuansheng,LiuKun,WenMi.Interprovincial generation rights trading model based on blockchain technology[J].Electric Power Construction,2017,38(9):15-23(in Chinese).
[62]齊林海,李雪,祁兵,等.基于區塊鏈生態系統的充電樁共享經濟模式[J].電力建設,2017,38(9):1-7.QiLinhai,LiXue,QiBing,et al.Shared economy model of ging pile based on block chain ecosystem[J].Electric Power Construction,2017,38(9):1-7(in Chinese).
[63]Sharma PK,RathoreS,Park JH.DistArch-SCNet:blockchain-based distributed architecture with Li-Fi Communication for a scalable smart city network[J].IEEE Consumer Electronics Magazine,2018,7(4):55-64.
[64]田兵,雷金勇,許愛東,等.基于能源路由器的能源互聯網結構及能源交易模式[J].南方電網技術,2016,10(8):11-16.TianBing,LeiJinyong,XuAidong,et al.Structure and energy trading mode of energy internet based on energy router[J].Southern Power System Technology,2016,10(8):11-16(in Chinese).(來源:北極星售電網)
