區塊鏈技術在電力交易系統中的應用

王沐雪，陳語柔，王紫葉，楊博俊

（三峽大學 電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002）

0 引 言

區塊鏈作為一種新興的交易方式，采用分布式存儲技術，以鏈式結構記錄全部參與方的互動信息，并將其以區塊方式妥善保存。為保證交易信息的完整性、不可篡改性和不可抵賴性，區塊鏈應用密碼學原理處理交易過程的所有權確認問題[1]。此外，區塊鏈記載的信息一旦生成，將永久保存。

電力交易一般包括電能交易、輸電權交易及輔助服務交易。我國現有的電力交易主要利用集中式交易中心完成，即通過特定的機構主導整個交易過程。這不僅使得電力交易的全部參與者淪為數據孤島，數據流通不暢，而且忽略了電力市場主體的自主性和選擇性，無法避免在電力市場主體與交易主導機構之間產生矛盾[2]。同時，電力交易難以追蹤溯源，缺乏安全可信的支持，一直被人詬病不公平、不透明。可見，由中心化調度方式所引起的信任問題，會給交易帶來很高的附加成本[3]。

在遵循電力市場“統一、開放、競爭、有序”原則的基礎上[4]，將區塊鏈技術應用于電力交易，達成了利用智能合約存儲電力交易信息，通過計算機自動執行的電力交易方案，使結算過程變得更加簡單并呈現出結構化[5]。利用密碼學方式保證不可篡改性和不可偽造性的分布式賬本“記賬”，保證了電力交易系統的安全性和高透明度[3]。此外，區塊鏈準確記錄了所有歷史交易，保證了交易的可追溯性。

目前，電力交易有別于普通商品交易。隨著電力市場的不斷開放，參與電力交易的交易實體逐漸增多，電力服務的交易方式和定價機制日趨復雜。因此，需采用有效的電力交易技術，確保電力交易系統的安全性和高透明度，盡可能降低信用成本和交易成本。在此背景下，本文對區塊鏈進行概述，詳細解釋了區塊鏈的定義和特點，闡述了區塊鏈在電力交易系統中的應用，并對電力交易系統中區塊鏈技術所面臨的挑戰進行了總結，以期為相關研究人員提供一定幫助。

1 區塊鏈技術

區塊鏈技術源于比特幣，系其底層支撐技術，而比特幣是區塊鏈最初的應用對象。2015年10月31日，《經濟學人》期刊的封面文章就區塊鏈技術進行了分析，提出區塊鏈技術是“創造信任”的技術，在未來有可能給現有的商業合作模式帶來改變[6]。至此，許多學者開始對區塊鏈技術的應用進行研究和探索（如圖1所示），區塊鏈技術逐步演化成復雜交易提供交互安全的技術。

圖1 “區塊鏈”CNKI學術趨勢

1.1 區塊鏈技術的定義

目前，關于區塊鏈技術的定義尚未形成公認。《區塊鏈：新經濟藍圖及導讀》一書中將其定義為一種公開透明的、去中心化的數據庫[7]。該定義闡明了區塊鏈最主要的兩個特點，但不夠清楚明晰。文獻[8]認為，區塊鏈是一種由加密算法、共識機制等重要技術有機組合而成的去中心化基礎架構和分布式計算范式。在文獻[8]的基礎上，文獻[3]從數據結構、關鍵技術方面，進一步對區塊鏈技術的定義做出如圖2所示的闡述。該定義完整表達了區塊鏈技術身為一種全新的去中心化基礎架構和計算范式的獨特性和創新性。

圖2 “區塊鏈”定義

1.2 區塊鏈技術的特點

區塊鏈采用密碼學方法、“區塊+鏈式”結構、共識算法、智能合約等一系列技術組合，使其擁有去中心化、透明化、可追溯性、系統自治性等特征。

（1）去中心化。區塊鏈技術并不是通過中心節點來建立多個節點間的信任關系，而是利用純數學方法，在多節點備份數據，大大提高了數據存儲的準確性與可靠性。

（2）透明化。區塊鏈系統的運行規則和數據在所有節點皆可查詢，信息高度透明，成為區塊鏈系統贏得信任的必要條件。

（3）可追溯性。區塊鏈利用時間戳和鏈式結構，不僅交易信息通過時間標記來表明先后順序，其傳遞路徑還會經由完整的鏈式結構記錄并追蹤，因此區塊鏈的交易信息難以被篡改。

（4）系統自治性。區塊鏈系統利用共識算法、智能合約等技術手段，確保系統可以在無第三方信任擔保的情況下實現自動運行、運轉。

2 電力交易系統的區塊鏈應用

傳統的電力交易系統一般采用中心機構管理與市場成員自我管理的方案管理交易。第一種方案在我國應用廣泛，但具有較多缺陷。首先，由于需要第三方金融機構的參與和大量工作人員來維護中心數據庫，該方案極大地提高了交易成本。其次，過度中心化意味著信息高度不對稱，掌握所有交易信息的中心機構有可能對參與者的利益造成損害。最后，僅由中心機構儲存交易信息，增加了數據丟失和被篡改的概率，可靠性較低。

不同于傳統電力交易系統，將區塊鏈應用于電力交易系統，能夠提高電力資產發行、交易、服務和管理的有效性與安全性。基于區塊鏈的電力交易系統具有去中心化、時間戳、加密技術與智能合約等特征，它為電力交易的參與者提供了一種安全、可靠且透明、開放的解決方案系統。電力交易的參與者主要分為四類：①生產者（傳統發電廠、新能源電站等）；②生產消費者（家庭光伏用戶、含UPS的商業樓宇等）；③一般消費者（普通家庭用戶、普通商業樓宇等）；④公共設施維護者（國家電網、南方電網等）。

2.1 電力交易系統區塊鏈的具體應用

對于以區塊鏈為技術基礎的電力交易系統，區塊鏈技術作為一項底層技術，可應用于交易過程的如下數個環節。

（1）電力交易計費介質。交易介質是區塊鏈系統的核心部件，與比特幣和以太幣類似，在將電力虛擬為數字資產時，選用“電力幣”作為交易介質，可以促進電力交易系統區塊鏈的發展。

（2）電力的登記發行。電力的登記發行用來表示在任意某時間發電廠能夠生產電量的多少。在電力交易系統區塊鏈中，將電力虛擬化為數字資產“電力幣”，并在區塊鏈上登記發行，用戶可以以購買實際商品的方式購買電力。

（3）電力買賣交易。電力生產商將電能發行到區塊鏈上，用戶（個人或者企業）通過電力交易平臺或者線下點對點的方式即可進行電力買賣交易。該過程的交易信息包含買家和賣家信息、電價信息和交易電量等。

（4）電費收繳與補貼發放。作為傳統電力交易系統的一項重要工作，電費收繳往往會耗費較多人力?；趨^塊鏈的電力交易系統可以較輕松完成電費收繳的任務。利用區塊鏈技術，既可以在使用過程中實時收繳電費，還可以記錄并分辨電能是否為環保能源，配合政府的補貼政策對環保電力能源的生產和消費予以鼓勵。

（5）電力支付清算。采用“電力幣”記錄電力交易信息有助于緩解電力支付清算結算壓力。利用區塊鏈技術，在節點上運行分布式交易程序和智能合約技術，無需經由銀行即可實現電力支付實時清算結算。

2.2 電力交易系統的區塊鏈交易過程

電力交易系統的區塊鏈交易過程，重視利用區塊鏈交易記錄的不可篡改性和不可否認性，可準確記錄電力交易的全過程。核心步驟如圖3所示。

圖3 基于區塊鏈的電力交易過程

3 電力交易系統中區塊鏈應用面臨的挑戰

當前，盡管基于區塊鏈的電力交易系統的研究已取得一定進展，但作為剛剛興起的新技術，區塊鏈仍面臨著問題和挑戰。在電力交易系統中，區塊鏈面臨的挑戰主要體現在技術與政策兩個層面。

3.1 技術層面

區塊鏈技術是新興技術，仍處于發展階段，本身仍有可完善、改進的余地。區塊鏈技術在能源領域的應用案例數量少、規模小，技術層面的潛在問題無法得到完全突顯。目前，區塊鏈技術在應用中的關鍵技術問題大體可總結為如下三個方面。

（1）信息安全問題。區塊鏈技術使用的加密機制、智能合約和隱私保護機制，均存在安全隱患。隨著密碼學的發展，區塊鏈采用的加密機制會日趨脆弱，分布式節點被侵入的概率逐漸提高，會引起節點賬本信息泄露問題。區塊鏈技術的智能合約尚為實現規范統一，且本身具有安全威脅問題，因此需要定期更新維護智能合約。區塊鏈系統的各節點無法完全匿名，數據完全公開透明，極不利于用戶的隱私保護。

（2）效率及響應速度問題。區塊鏈系統要求每一個節點存有一份完整的數據，而區塊鏈長度的增長將導致數據存儲成本的提高。此外，交易過程中，由于區塊鏈最優結果牽涉到大量節點間的數據傳輸與驗算，故區塊鏈每秒處理的交易量與成熟的銀行交易平臺相比不夠大。電力交易系統區塊鏈的交易延時問題會限制其應用項目的規模。

（3）數據維護問題。每個人都有電力交易需求，使得基于區塊鏈技術的電力交易系統包含海量的節點。此外，每一節點自身存儲的數據量極大，所以對項目的總體數據進行信息篩選、管理和維護極其困難。

3.2 政策層面

能源安全關乎國家命脈。在能源行業應用區塊鏈技術，必定會對傳統業務模式造成沖擊，故國內外對區塊鏈在能源行業的應用都十分謹慎。相關項目要落到實處，必須有相關政策和法律的支持。目前，這項新技術在法律使用方面具有不確定性。隨著區塊鏈技術的不斷發展，極可能與法律規則存在一定程度的不兼容，這將會限制區塊鏈的發展。此外，區塊鏈技術的信任機制全然不同于傳統交易，與之對應的法律尚未制定，一旦產生糾紛，立法、執法機構與企業管理者要如何利用法律手段加以處理，有待商榷。

4 結 論

電力交易系統的參與者眾多，一直都存在由信任問題導致的交易摩擦。區塊鏈技術憑借其去中心化、公開、透明的特點，可以較高程度地解決該問題。本文針對電力交易過程的具體環節，分析了區塊鏈技術在各個環節的應用，并在此基礎上給出了基于區塊鏈的電力交易方法和具體交易過程。雖然區塊鏈技術在電力交易中顯示了良好的前景，但區塊鏈技術并非萬能，它的核心優勢是將集中管理變更為分布式，并沒有提高系統性能。鑒于此，本文最后從技術和政策兩方面論述了區塊鏈技術應用于電力交易系統面臨的挑戰，這有助于建立符合中國國情的基于區塊鏈技術的電力交易系統。