基于主從區塊鏈技術的區域能源交易架構

楊 亭，雷 霆

(國網四川省電力公司綿陽供電公司，四川 綿陽 621000)

0 引 言

隨著能源結構和電力體制的改革步伐越來越快以及信息技術的快速進步，能源產業改革迫在眉睫[1-3]，而市場化的能源交易是產業改革的前哨，急需轉變傳統交易模式和交易方法來應對能源產業的變革。

現階段的能源交易主要以交易方法和模式為主，能源企業通過第三方服務平臺進行售電交易并管理交易過程[4]。在目前的區域能源交易中存在交易主體少、平臺維護成本高、交易效率低、安全性低等問題[5-6]。因此，需要因地制宜、以多元化主體的區域能源交易平臺解決傳統交易存在的效率低、安全性低等問題，擴大交易邊界，提升區域能源交易效率。

目前區塊鏈技術在能源交易中的研究已經取得了一定進展。在相關研究中，以分布式能源的點對點交易為主。文獻[7-10]主要從區塊鏈的去中心化的特點出發，提出了點對點交易的能源結算模式。文獻[11]主要分析了區塊鏈在電力交易中的應用，給出了區塊鏈未來的發展趨勢。文獻[12-16]給出了區塊鏈技術在傳統電網調度中的應用，如通過用區塊鏈技術對電網中出力不穩定的新能源進行優化調度，通過區塊鏈的去中心化架構建立虛擬電廠更好地對電能資源進行配置。文獻[17-20]給出了區塊鏈技術在分布式能源交易中的應用，如通過博弈論模型解決分布式能源問題、通過聯盟鏈技術解決分布式能源交易中的信任問題等。

以上文獻運用的區塊鏈技術多數是在分布式交易中進行，并且運用單一類型的區塊鏈技術，而隨著市場上不同主體及各種能源類型的不斷加入，單一的點對點交易模式已經無法滿足現有多方交易的現實。因此，下面從區域能源交易的實際出發，建立主從區塊鏈模型滿足多方交易的需求，同時滿足了交易安全性的問題；接著構建適合區域能源交易的基于主從區塊鏈技術的區域能源交易架構解決多方交易的問題，并通過仿真測試證明了該交易架構和模型的可行性。

1 區塊鏈在區域能源交易中的可行性分析

1.1 區域能源交易主體

在區域能源交易中，主要涉及到以下4類主體：1)源端主體，包含各類傳統電廠、新能源發電廠以及部分擁有分布式能源點大用戶；2)電網端主體，包含國家電網、南方電網等大的電網公司以及地方電網公司；3)能源聚合商主體，主要由民營售電公司和綜合能源公司組成；4)用戶端主體，主要由區域內的工業、商業大用戶、一般用戶和擁有微網系統的新能源用戶組成。

1.2 主從區塊鏈在區域能源交易中的可行性分析

目前區塊鏈的類型主要有3種：公有鏈、聯盟鏈和私有鏈。它們的主要區別在于節點的開放程度上。公有鏈完全開放用戶節點，這就導致參與主體多的時候，運行處理速度較慢；由于挖礦機制耗能高，但完全開放程度使得其安全性最高，同時由于完全開放的用戶節點，使得所有參與主體都有通過挖礦方式獲取區塊讀寫的權限。聯盟鏈半開放用戶節點，與公有鏈相比速度較快，能耗低，但安全性比公有鏈稍低；由于對用戶節點進行了權限設定，僅有權限的節點可以獲取區塊讀寫的權限。私有鏈是不開放用戶節點，與公有鏈、聯盟鏈相比，運行處理數據速度快，反應及時，但安全性低；同時僅不開放節點擁有區塊讀寫權限，其他節點則無法參與。區塊鏈的主要類型和特點如表1所示。

表1 區塊鏈類型和特點

公有鏈由于任何人都可通過挖礦方式獲取權限，因此此類區塊鏈不可逆且穩定性高，但維護成本較大，不適合大規模的區域能源多主體交易。聯盟鏈半開放的特點適合區域電網中多主體需要權限控制的情況，不同主體互動時，交易的協調優化會涉及到利益的分配，因此聯盟鏈由于其特點可支持多用戶節點間的利益分配、資金轉移、交易結算等應用。私有鏈的特點適用與某一特定類型的交易服務，把交易數據存儲在其區塊里，可供其他節點檢索提取數據。

根據對3種區塊鏈特點的分析，考慮到區域能源交易主體的構成，選擇聯盟鏈+私有鏈的模式進行交易平臺的構建，以聯盟鏈為主鏈網絡、私有鏈為從鏈網絡的結構建立主從區塊鏈模型。

2 基于主從區塊鏈的區域能源交易架構

下面采用多鏈形式實現區域電網內各主體內部的可信及協同自治，確保各主體間信息公開、可信互聯，進一步保障區域能源電網交易應用的可追溯性和安全高效性，深入研究區域電網多方交易場景與區塊鏈技術的匹配性。

基于主從區塊鏈技術的區域能源交易系統具有匿名性、安全性、公開性的特點，即可以實現匿名的交易雙方互信、交易安全以及信息公開。圖1所示的區域能源交易架構以區塊鏈網絡連接。該架構有能源端、電網端、能源聚合商和用戶端4類主節點，節點之間通過區塊鏈網絡互相連接，形成多方點對點交易模式，多方協同，用能優化互補，進而提高區域能源交易的效率和效益。

圖1 基于主從區塊鏈的區域能源交易總體架構

分屬4類主節點的從鏈網絡具有如下功能：1)源端節點和能源聚合商節點下的從鏈網絡包括風、火、光、儲等分節點，分節點間能源優化互補，形成分節點間協同效果；2)電網節點下的從鏈網絡以能源調度為基礎，同時開展能效分析、綜合監測和用能服務等增值業務；3)用戶端節點下的從鏈網絡包括工業、商業、一般用戶、電動汽車等分節點。

上述各主節點和其擁有的分鏈網絡構成了交易公開、可信、安全的主從區塊鏈交易架構。主鏈網絡通過聯盟鏈進行鏈上交易，信息公開互享，主節點下的從鏈網絡通過私有鏈進行鏈上交易。同時可以賦予政府監管權限，即政府擁有對各主節點交易數據查看的權限，可以隨時查看并溯源。主鏈網絡上的各主節點擁有主鏈和從鏈網絡的管理員權限，如對主鏈和從鏈區塊的設定、發布交易需求、交易資產以及與交易網絡中的其他節點(主、從節點)進行交互等功能。各主節點下的從鏈網絡節點僅有在本從鏈網絡中的相關權限和向主鏈上傳從鏈內容的權限。

3 主從區塊鏈模型

3.1 模型建立

由前面分析可知區域電網下的交易涉及到多方交易，并不是傳統意義上區塊鏈點對點的單一交易模式，目前所研究的基于區塊鏈的分布式能源交易模型并不適合所述的多方交易。因此，在研究聯盟鏈的基礎上，加入私有鏈，建立了采用多鏈形式的主從區塊鏈模型。這樣既能保證區塊鏈的安全互信和去中心化，也能進行多方交易，提升區塊鏈模型的高效和信任問題，同時也提高了區域能源交易的開放程度。

如圖2所示的主從區塊鏈模型由兩部分組成：主鏈網絡和從鏈網絡。主鏈部分主要由源端、電網、用戶、能源聚合商等主節點以及交易過程中形成的關鍵數據節點組成。主鏈節點主要記錄著用戶ID、交易設置、交易需求、交易資產和節點間的交互功能等關鍵信息。每個主鏈節點和關鍵數據節點構成了主鏈網絡。

圖2 主從區塊鏈模型

從鏈部分主要由功能節點和加密節點組成。功能節點是具有相應功能的從鏈節點，如電網端的能效分析、綜合監測等節點，加密節點主要為主從網絡的數據交換提供安全保障。從鏈節點主要記錄用戶ID、能源額度、能源類型、地理位置、能源價格、加密數據等交易參數和加密參數。主鏈節點下的所有功能節點和加密節點構成了從鏈網絡。

3.2 安全性分析

由于所采用的主從區塊鏈模型與單一類型的區塊鏈模型不同，單一類型的區塊鏈模型所具有的不可篡改性質，主從區塊鏈模型仍需具有。因此下面對所建模型進行安全性分析證明。

假定在主從區塊鏈模型下，構建主鏈區塊和從鏈區塊的共識算法中，拜占庭容錯節點不超過總節點一半，即

i<(j+1)/2

(1)

式中：i為拜占庭容錯節點；j為節點總個數。

由上述假設知，在區塊形成過程中，區塊總結點個數大于拜占庭節點數，則某一時刻由拜占庭節點構成的區塊可能性X為

X=i/j

(2)

由式(1)可知，拜占庭節點產生無效區塊的可能性小于0.5，依據區塊生效原則，若要使得區塊生效，則該區塊需要成為前驅區塊并且高度增加。因此，無效區塊轉化為有效區塊的概率以0.5為底的指數增加，隨著數據的增加和鏈的增長，該概率趨向于0。

由上述結論可知，任意時間內由拜占庭節點產生的無效區塊轉化為有效區塊的概率趨向于0，同時，由于所述的主從多鏈模型具有哈希鏈接方法，改變一個區塊則需改變鏈接的所有區塊，由于區塊相互連接，需全網更改才會生效。因此可得如下結論：任意時間內，區塊具有不變性。

綜上可知，所采用的主從區塊鏈模型，其任一區塊在任意時間內具有不變性，即不可更改性，所以該模型具有安全性。

3.3 交易流程

產消者是生產者與消費者的一體化，在區域電網中，各方主體都是產消者。如電網公司不僅可以作為售電方，也可以在負荷過載的時候向源端電廠、能源聚合商以及用戶(擁有電動汽車、微網等電源的用戶)購電；水電廠不僅可以作為賣方，在枯水期也可以作為買方向電網公司、能源聚合商以及用戶購電。因此，各主體間都有可能作為買賣雙方并且存在互相交互的關系。基于主從區塊鏈的區域能源交易流程如圖3所示。

圖3 基于主從區塊鏈的區域能源交易流程

當能源聚合商發出購電請求時，區域內產消者通過查看智能計量裝置獲取內部電量信息，若存在剩余電量會發出售電信息，此時能源聚合商會與此產消者進行交互，發出交易請求觸發智能合約程序，并投放到區塊鏈網絡中，交易方根據得出的清算價格進行交易，并執行合約內容。交易完成后信息廣播到主鏈網絡和從鏈網絡中，最后詳細交易信息寫入各產消者對應的從鏈網絡區塊鏈中，同時關鍵信息記入各產消者對應的主鏈網絡區塊鏈中。

3.4 智能合約設計

使用Solidity語言設計和實現智能合約，對于適用多方交易的智能合約而言，應當滿足市場交易的基本條件，即用戶可自愿發布及參與交易、匹配交易對象并自動結算與儲存交易信息。圖4所示為區域能源交易下的智能合約設計流程圖。

圖4 區域能源交易下的智能合約設計流程

1)選擇交易身份和申請交易。根據該區域電網內不同的交易主體選擇買賣方身份，確定本次交易的交易身份，然后選擇所需交易的能源類型，給出交易數量和期望的交易價格，發出交易請求。

2)尋找可供交易合約。通過確認交易身份、交易能源類型和期望交易價格，尋找滿足上述條件的交易合約。在尋找可供交易合約時，會調用相關函數，根據交易主體提供的基本信息進行排序，綜合分析各方能源類型、交易數量、交易價格等因素，完成匹配，確定可供交易合約。若不能完成匹配則返回交易價格和交易數量步驟，調整交易目標。

3)檢測合約合法性。在尋找到可供交易的合約后，啟動區塊節點激活合約并檢查合約是否合法；若不合法，返回尋找可供交易合約步驟。

4)達成交易意向。根據交易合約內容，達成交易意向。

5)確認意向和存儲交易信息。在完成交易之前給交易各方一個猶豫階段，是否確認交易，若確認交易，則完成轉賬；若放棄交易，則直接結束智能合約流程。最后，交易過程形成記錄存儲在從鏈網絡區塊鏈中，供用戶調用查看。

4 仿真測試

為正確評估所設計的區域能源交易架構、主從區塊鏈模型的高效性，以以太坊為智能合約發布平臺對交易進行仿真分析，同時運用文獻[16]的單一鏈模型與所采用的主從鏈模型進行對比分析。該交易平臺包括源端、電網端、用戶和能源聚合商4種類型的產消者，本次測試共有10名用戶，電網交易供需情況如表2所示。

表2 電網交易市場供需初始情況

從上述交易信息可以看到，在整個過程中，依次完成了6筆交易，成交最終結果如表3所示。成交量和成交價格按交易順序如圖5所示。

表3 平臺交易結束后供需情況

圖5 交易成交數量和成交價格

隨著買方進入市場，低價的能源相繼售空，成交價逐漸升高。而成交量則根據買賣雙方的需求決定，逐次出清。同時，在這樣的供大于求的市場中，買方更擁有主動權，買方進入市場后，系統會對當前賣方所有報價由低到高排序，依次與買方進行撮合，例如用戶1，以0.37元的價格求購，發布量為600 kWh，最終以0.36元成交300 kWh，以0.37元的價格成交300 kWh，即買方均以低于等于自身發布價的價格成交，當然，賣方成交價也不會低于自己的發布價，符合合約規則預期。同時，部分用戶報價過于偏離，沒能完全完成交易，例如用戶4在進入市場后，市場上滿足自身發布價的能源數量少于自身需求，故未能成交，其需求會繼續保存在市場，等待條件滿足后匹配交易。對于賣方用戶7來說，由于報價高于當前市場所有報價，故未能達成交易。

在驗證了模型的可行性后，對使用單一鏈模型和主從鏈模型進行對比分析。由圖6可知，在進行的6次交易中，采用主從區塊鏈模型時，每次的交易時間都比單一鏈模型使用的時間短。同時，采用單一鏈模型下的總交易時間為0.28 ms，而所采用的主從區塊鏈下總交易時間為0.22 ms，交易效率提升了21.43%。由此說明了采用主從區塊鏈模型能有效提升區域能源交易的效率。

圖6 兩種模型交易時間對比

通過以上分析可知，整個交易過程按照設計的智能合約規則進行，根據市場供需關系，依次匹配，最終完成交易。由對比分析可知，主從鏈模型相比單一鏈模型能更快地完成交易，提高了區域交易的效率。在該區域能源交易平臺中，每次交易詳細信息計入各從鏈網絡中的區塊中，區塊數據公開、安全，可供有權限用戶隨時調用，與單一鏈模型相比，使數據更安全且取用靈活。同時在保障各方利益的前提下，提高了交易效率和流程。

5 結 語

從區域電網多方交易的現實出發，克服了區塊鏈P2P的單一交易模型，在聯盟鏈的基礎上，運用聯盟鏈+私有鏈的主從多鏈模型實現多方交易，得到如下成果：

1)分析主從區塊鏈在區域能源交易中的可行性，得到了主從區塊鏈模型初步方案。

2)從區域能源交易主體出發，分析了主從區塊鏈在區域電網中的運用方法，考慮了各方主體的需求和交互作用，建立了基于主從區塊鏈的區域能源交易架構。

3)在交易架構的基礎上，從交易流程、智能合約設計以及模型安全性分析3個方面，對主從區塊鏈模型進行詳細建模，得到了主從區塊鏈模型。同時通過仿真測試證明了所提架構和模型的可行性。

由于平臺計算性能的限制，所提的交易次數較少，不能很好地顯示出主從鏈模型的顯著優勢，后面將優化平臺性能進一步驗證分析主從鏈模型的高效性。