基于區塊鏈技術在分布式電源電費結算中的應用研究

羅世剛，楊鵬飛，何炅軒

（國網甘肅省電力公司營銷服務中心，甘肅 蘭州 730050）

0 引 言

光伏發電，是利用光電半導體材料將太陽光能轉換為電能，因太陽能是取之不盡的清潔能源，所以光伏發電是一種具有廣泛發展前景的發電和能源綜合利用方式。與集中式光伏發電的建設方法不同，分布式光伏發電主要應用在工業廠房、公共建筑以及居民屋頂上，具有容量小、電壓等級低，接近負荷、建設靈活的特點。本文基于分布式電源電費結算業務的應用場景，通過區塊鏈和智能合約技術搭建了一種分布式電源電費結算系統，通過智能合約和事件驅動實現電費結算在保證參與主體間結算過程安全、可靠的同時，按照約定的規則自動執行，精簡執行流程，提高效率。

1 區塊鏈概述

區塊鏈通過去中心化、去信任的方式集體維護一個可靠數據庫，它實際上是一個分布式賬本。區塊鏈加密算法、分布式數據存儲、共識機制等各類安全信息機密與存儲技術實現實現不同節點之間建立信任、獲取權益的新型應用模式

區塊鏈從數據視角可以認為是一種被篡改可能性極小的分布式數據庫。所謂的“分布式”不僅體現為在數據存儲上具有分布于不同參與方的特點，同事也體現為數據的分布式記錄（即由系統參與者共同維護）。

區塊鏈從技術視角看是由多項技術整合的結果而非一項單一的技術。這些技術以新的數據記錄、存儲和表達的方式組合在一起，形成了一種新的結構即區塊鏈的形式。

1.1 區塊鏈技術的特征

區塊鏈技術具有如下特征。

（1）加密技術。區塊鏈技術的基礎為密碼學原理而非社會信用體系，其中的加密技術是構建網絡中交易信息加密傳輸的基礎技術，一旦交易雙方達成某種一致的交換意向便可以直接支付而無需第三方的介入。

（2）開放、共識。每一臺設備、每個節點、每個人都可以完整拷貝整個數據庫從而參與到區塊鏈的網絡中。這一過程是通過競爭計算的方式來維護整個區塊鏈，其本質是一種基于共識機制的強聯系。因此，即使其中一個環節失效，其他節點仍然能夠在保存完整數據的情況下繼續工作。

（3）去中心、去信任。區塊鏈不存在統一授信的中心設備或者機構，它是由端到端的眾多節點共同組成的網絡。因為單一節點無法欺騙統一記賬的所有區塊鏈節點，因此節點間無需通過各類加密技術進行驗證與數據傳遞，無需確認雙方是否授信，只需要按照區塊鏈既定的機制與程序進行。

（4）交易透明，雙方匿名。區塊鏈的運行信息是公開透明的，每一個節點交易都是對所有計奠開放。因為節點間無需明確是否授信，所以節點無需公開身份信息。每個參與點在區塊鏈網絡中都是匿名的。

（5）不可篡改、可追溯。局部節點無法通過單一或多個節點信息修改的方式對整個數據庫中的節點產生影響，因為只有當超過50%的節點在同一時間修改信息才可能導致數據信息的篡改，而這種情況發生的可能性微乎其微。另外，哈希算法等密碼學方法幫助區塊之間串聯成彼此加密又互相聯系的塊鏈，因此任何一筆交易信息都是可以溯源的。

1.2 區塊鏈技術的應用

1.2.1 美 國

通過區塊鏈技術，LO3 Energy在紐約市布魯克林區部署了微電網交易平臺，其中電力可以在點對點網絡中直接購買或銷售，從而消除了對中間商的需求。這不僅可以降低電力公司和用戶的成本，還可以提高網絡透明度。

洛杉磯汽車公司和EVShare Foundation發明了一種零碳、可再生能源驅動的共享乘車服務。該服務利用區塊鏈技術和智能合約來運送乘客，同時從當地微電網收集和存儲能量以平衡洛杉磯水電局的主電網。電力也在整個社區運輸，并在非工作時間存儲，有助于平衡每天24小時和整個社區的電網負荷。這解決了向可再生能源和太陽能發電過渡的社區面臨的重大挑戰。

1.2.2 澳 洲

立陶宛公司WePower一直與愛沙尼亞的傳輸系統運營商Elering合作，將愛沙尼亞智能電表的26 000 h的數據和24 TW·h的能源生產和消耗數據上傳到Ethereum區塊鏈，從而創造了可交易的390億智能能源代幣。

利用區塊鏈的潛力，P2P能源網絡能夠創建一個分布式市場，將電動汽車用戶和充電站所有者連接起來以實現互惠互利。德國公司Motionwerk推出了基于區塊鏈的P2P能源共享項目Share＆Charge，項目中的用戶可以分享他們的私人充電站。

西班牙跨國電力公司Iberdrola部署了一項利用區塊鏈技術跟蹤能源供應和消耗的項目，以確認用戶的消費模式是100%可再生的。區塊鏈技術允許將提供能源的資產分配到消費點甚至在原產地建立優先等級。這不僅降低了成本和碳排放，還消除了對中間商的需求。

1.2.3 亞 洲

韓國最大的電力公司KEPCO正計劃推行區塊鏈技術。KEPCO將開發一種基于區塊鏈的微電網，命名為“未來微電網”。利用電力 - 燃氣（P2G）技術，電能被轉化為氫氣儲存起來，需要時再使用燃料電池將其轉換回來。KEPCO的區塊鏈微電網項目可實現輕松連接以提高運營效率，還可在不同的微電網上進行電力交易，以消除現有系統連接瓶頸。

1.2.4 澳 洲

澳大利亞公司Power Ledger因在美國開發并部署首個商業分布式能源交易平臺而聞名。其分布式P2P區塊鏈網絡允許用戶和企業在沒有中間商的情況下在他們的鄰居中出售多余的太陽能。

2 基于區塊鏈和智能合約的分布式電源電費結算

2.1 基于區塊鏈和智能合約的分布式電源結算技術框架

基于區塊鏈的底層技術，通過數據、網絡層、共識層以及合約層的設計，搭建了分布式電源結算技術框架，如圖1所示。

2.1.1 數據層

給每一個用戶配一個用戶私有地址。使用隨機數發生器生成一個“私鑰”，通過SECP256K1算法處理生成了“公鑰”。作為一種橢圓曲線算法，SECP256K1是基于一個已知“私鑰”計算得到“公鑰” 。相反地，“私鑰”無法通過“公鑰”反向計算得出。RIPEMD160也能由“公鑰”計算得到“公鑰哈希” ，同SHA256一樣也是一種Hash算法。“公鑰哈希”頭部通過一個字節的地址版本號形成連接，經過兩次SHA256運算，“公鑰哈希”的校驗值（這里是結果的前4字節）連接在其尾部。使用BASE58將上述結果進行編碼，最終得到“錢包地址”，并通過數據區塊和鏈式結構對數據進行加密。

2.1.2 網絡層

采用點對點（Point to Point，P2P）的組網機制、數據傳播和數據驗證機制。分布式電源、采集設備和電力用戶節點構成了一個基本的分布式電源用戶單元。當采集設備采集成功數據的時候，以日為單位自動進行P2P數據傳播，將數據發送給電力用戶節點、營銷部節點和財務部節點。其中，用戶節點僅保留與用戶相關的數據流。

許飛哪里信，第二天就和寡婦媽抓著我一起去了扒鍋街，那里早就變了模樣，記憶里的輪廓已經面目全非，我在新街上漫無目的地打轉，許飛這才信了，我是真的不知道。

2.1.3 共識層

采用PBET共識機制。該共識機制是依據“少數服從多數”原則，分布式網絡中節點間互相交換后各節點會列出所有得到的信息，一個節點代表一票，大多數節點選擇的結果將作為共識機制最終確定的解決辦法。PBET將容錯量控制在全部節點數的1/3，即當超過2/3的節點處于正常工作狀態，整個系統便可正常運作。

拜占庭容錯共識步驟分為請求、預準備、準備、提交以及反饋5個階段，每一階段只有收到超過一定數量的請求才會進入下一階段的工作。

基于這一工作流程，只有在總計算機數大于3倍的有問題的計算機總數時，才能獲得解決問題的一致性結論。

2.1.4 合約層

根據不同批次分布式電源費用結算規則制定智能合約模板，生成與分布式網絡中各分布式節點相關的能量智能合約和費用智能合約，并區塊鏈中分別存儲生成的能量智能合約和費用智能合約分。

2.2 基于區塊鏈和智能合約的分布式電源電費結算流程及方法

基于區塊鏈和智能合約的分布式電源電費結算流程如圖 3 所示。

（1）概念化電費結算智能合約。制定電費結算智能合約模板。以電費結算規則為基礎，并將其存儲于集中式平臺。分布式電源的電費結算規則大體包含以下兩點內容。

一是圍繞標準參數（如地址、價格、電量等）以及一系列結算規則定義參數。明確主體節點、結算電量、計算價格以及應收應付金額數目。

二是按照觸發條件、支撐條件、控制條件、輸出結果、異常處理來構建邏輯定義模塊。厘清計算邏輯與計算結果。當電量變化時，觸發光伏發電電費結算規則，電費計算自動執行；作為控制條件，光伏發電的類型能夠控制具體的結算邏輯；電費和支付方式是輸出智能合約計算執行的結果物。

（2）生成電費結算智能合約。在初始化時，按照智能合約模板生成與某個節點相關的電費結算智能合約。該合約基于一些列主體共有的電費結算規則，具備獨立完備的自動執行能力，并且可以根據不同的業務個性化地修改結算的主體和類型。

（3）分發電費結算智能合約。電費結算智能合約中不同的節點根據屬性的不同，由電費結算服務機構初始化生成。通過傳遞機制，區塊鏈與合約的信息完成同步的上鏈，并從鏈上獲取與本節點有關的智能合約。區塊鏈每一節點都具有了不可被篡改的屬性，這一屬性確保了邏輯執行能夠確保了以分布式的方式進行，按照約定節點獲得的智能合約能夠與初始發布的智能合約完全匹配。

2.2.2 電費結算智能合約的自動執行方法

（1）智能合約能夠執行偵聽功能，掌握電量采集設備對應的分布式節點上的發電、用電情況。偵聽程序運行在以電費結算智能合約為基礎的電量節點上，按約定頻率偵聽電量采集設備發出的電量變化信號。

（2）各節點智能合約執行在電量發生變化時自動觸發。所有節點運行智能合約的容器環境是統一的，一旦偵聽到發電或用電的電量發生變化時即會觸發電費結算智能合約自動執行。

（3）參與主體之間在智能合約的自動執行中相互傳遞著能量的同時，也傳遞著電費信息。能量流、信息流受智能合約控制，隨電量變化信號觸發，能夠將各類電能交易信息通過區塊鏈的分布式對等網絡同步機制上鏈，并在節點之間（即交易主體，例如：光伏發電戶、用電戶、交易機構）傳遞，該傳遞的全過程通過各節點相互協同記錄。

3 結論及展望

國家發展和改革委員會、國家能源局在2019年發布《關于積極推進風電、光伏發電無補貼平價上網有關工作的通知》（發改能源〔2019〕19 號），再次推出鼓勵可再生能源發展政策，明確通過綠證交易的方式，不同的上網項目都能獲得合理的補償收益、保障發電及收購的權益以及較低的輸配電價及相關收費。電力數字化轉型和區塊鏈等高新技術的應用將在相關政策的協同下在電力行業發揮更大的應用價值。本文在區塊鏈和智能合約技術的基礎上，以創新、共享的理念提出了分布式電源模式下的區塊鏈應用研究。未來應該基于監督政策加強分析在實際工作生產環境下的項目落地性以及應用成效，著力研究區塊鏈技術的落地部署工作。