基于區(qū)塊鏈的大用戶直購交易模式研究

馬偉，郭連奎，賀楠，田雨揚，盧錦玲，任惠

(1.河北電力交易中心有限公司，石家莊 050011; 2.華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定 071003)

0 引 言

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)概念的提出和電力市場改革的推動，市場參與主體正趨于多元化發(fā)展，逐步邁向“監(jiān)管中間，放開兩端”的新體系。到目前，國內(nèi)電力市場已基本上建立了發(fā)電端的競爭體系。作為售電側放開的重要一環(huán)，大用戶直購可以有效增強市場活力，促進市場競爭，形成多售購電主體競爭的格局。

大用戶直購是指符合一定用電條件的企業(yè)或個體向發(fā)電商直接購電的一種交易形式，這種交易模式是有助于更新電力交易格局，建立新型的買用電市場結構。而目前，國內(nèi)大用戶直購電模式均存在相應的中心管理機構。這種存在中心機構的購電模式存在著公平性差、交易維護成本高、交易信息不對稱等弊端。

區(qū)塊鏈作為一種新技術，目前在能源交易領域已有廣泛應用。文獻[1]討論了區(qū)塊鏈在微電網(wǎng)交易中的應用，建立了區(qū)塊鏈下微電網(wǎng)的售電模型。文獻[2]提出依托區(qū)塊鏈改善電能輔助領域的管理，實現(xiàn)輔助服務系統(tǒng)不同主體、系統(tǒng)之間的可信管理。文獻[3]應用以太坊智能合約，建立含新能源的配電網(wǎng)交易模型，有力促進了配電網(wǎng)中新能源的消納。文獻[4]討論了智能合約在電動汽車充電的應用，引入智能合約可以有效提高充電樁的應用效率。文獻[5]討論了區(qū)塊鏈在綠色證書交易上的應用，結合實地項目驗證了所設計平臺的完備性。文獻[6]提出將智能合約引入的跨省交易權的建模中，為解決交易摩擦提供了一種途徑。文獻[7]比較了兩種基于區(qū)塊鏈的阻塞管理方法，改進了分布式下安全校核方法。文獻[8]提出基于區(qū)塊鏈的多微網(wǎng)智能交易策略。文獻[9]在光伏微網(wǎng)的應用場景下，考慮區(qū)塊鏈對交易效率和交易成本的影響。文獻[10]在區(qū)塊鏈中引入雙鏈模型，結合智能電能表和智能合約建立能源點對點交易模型。文獻[11]則在安全方面對電力系統(tǒng)引入?yún)^(qū)塊鏈進行了分析，通過建立電力系統(tǒng)交易網(wǎng)絡模擬器，分析了區(qū)塊傳播時間和區(qū)塊大小對安全性的影響。

而針對區(qū)塊鏈在大用戶直購電上的應用，已有文獻[12]提出了一種基于區(qū)塊鏈的大用戶直購電框架，從市場準入到交易結算介紹了引入?yún)^(qū)塊鏈的可行性。文獻[13]著重研究區(qū)塊鏈在大用戶直購電中弱化中心的實現(xiàn)方法。文獻[14]分析了大用戶直購中促進新能源消納的不同交易模式，但未考慮使用區(qū)塊鏈平臺進行交易建模。文章將在介紹區(qū)塊鏈原理的基礎上，分析大用戶直購的典型環(huán)節(jié)和政策，從鏈式結構、綠證交易到智能合約構建，提出一種基于跨鏈技術的大用戶直購系統(tǒng)，結合實際仿真模擬具體交易，探索出一種公開透明、高便捷度的新型直購交易體系。

1 區(qū)塊鏈技術原理

1.1 區(qū)塊鏈與鏈路類型

區(qū)塊鏈技術作為一種新型的分部式數(shù)據(jù)庫技術，自提出以來備受關注。在區(qū)塊鏈的概念下，網(wǎng)絡中的所有節(jié)點都共享數(shù)據(jù)的存儲，使其成為可信任的安全的系統(tǒng)。

區(qū)塊作為區(qū)塊鏈的基本結構單元，是使用加密算法得到的一系列數(shù)據(jù)塊。其連接模型如圖1所示，其每個塊中包含交易信息、默克爾根、時間戳和前一區(qū)塊的哈希值等基本數(shù)據(jù)。所有區(qū)塊首尾相連成為完整的區(qū)塊鏈，篡改區(qū)塊中的值會使得其之后的所有區(qū)塊也被改變，這種結構從根本上保證了數(shù)據(jù)的安全性。

區(qū)塊鏈根據(jù)其開放程度主要分為三種鏈路，分別為公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈。其中公有鏈是具有完全去中心化特點的區(qū)塊鏈，其核心特點在于所有節(jié)點具有的權限平等，典型應用為比特幣。私有鏈僅限擁有權限的節(jié)點參與區(qū)塊的讀寫，系統(tǒng)完全封閉，外部成員無法進入。聯(lián)盟鏈作為一種介于私有鏈和公有鏈的第三種鏈，是一種部分去中心化的區(qū)塊鏈。適用場景為多個身份互相已知的組織內(nèi)，內(nèi)部成員擁有記賬的權限，而外部成員僅能查詢與自身有關的信息。

而根據(jù)鏈與鏈的關系又可以分為主鏈和側鏈。主鏈側鏈可以依靠跨鏈技術實現(xiàn)信息交換和資產(chǎn)互通。側鏈可以提高交易速度。側鏈的出現(xiàn)使得主鏈可以把部分交易轉移到側鏈上，在小范圍內(nèi)達成共識，加快交易速度，降低交易成本，提升交易效率。

圖1 區(qū)塊基本結構

1.2 區(qū)塊鏈與密碼學

從區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)結構可以看出，區(qū)塊一旦安全性得不到保障，其不可篡改性也將不復存在。區(qū)塊鏈保障數(shù)據(jù)安全主要采用兩種加密算法：哈希算法和非對稱加密技術[15]。在區(qū)塊中應用哈希算法計算當前區(qū)塊的Hash值，并計算默克爾樹中每筆交易的Hash值。在轉賬交易中應用非對稱加密算法，其運作原理如圖2所示，每個用戶被分配公鑰和私鑰，用戶寫數(shù)據(jù)時，使用私鑰進行數(shù)字簽名，基于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡，將簽名和交易內(nèi)容發(fā)送到接受用戶。接受用戶通過對數(shù)字簽名和傳輸內(nèi)容進行解密對比摘要內(nèi)容確認數(shù)據(jù)。

1.3 共識機制

共識機制是區(qū)塊鏈中各個節(jié)點對事務進行確認并達成共識的一種算法。對于區(qū)塊鏈這種分布式的賬本系統(tǒng)，共識機制可以完成所有節(jié)點的數(shù)據(jù)同步，且能保證交易數(shù)據(jù)不被篡改，是各個節(jié)點安全穩(wěn)定運行的保障。目前主要的共識機制主要有POW(Proof of Work，工作量證明)、POS(Proof of Stake，權益證明)、DPOS(Delegated Proof of Stake，股份授權證明)、分布一致性算法等。

圖2 區(qū)塊鏈加密原理

1.4 智能合約

智能合約是由尼克·薩博在1994年提出的，并被定義為“執(zhí)行合約條款的計算機化交易協(xié)議”，但由于在當時缺少可行的執(zhí)行環(huán)境并沒有得到應用。而以太坊與比特幣最大的區(qū)別在于智能合約的出現(xiàn)，將區(qū)塊鏈由1.0時代帶入2.0時代。原有的比特幣在提出時就被限制為僅具有貨幣功能，用來支撐智能合約還非常有限，而以太坊的出現(xiàn)將智能合約由理論轉為了實際應用。

1.5 區(qū)塊鏈技術在電能交易中的作用

區(qū)塊鏈共享、可信、可追溯的特點使得其在電力交易等領域具有顯著的優(yōu)勢，基于以太坊的智能合約可以將合同具體內(nèi)容用編程語言的形式表達，并且可以構造一個去中心化的互相信任的環(huán)境，其應用于電力市場中的優(yōu)勢在于：

(1)區(qū)塊鏈是一種基于共享理念的賬本，可以不受系統(tǒng)壁壘的限制進行分享數(shù)據(jù)，降低溝通成本，提交數(shù)據(jù)交換效率；

(2)區(qū)塊鏈在實現(xiàn)交易時，基于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡的共識機制實際上可以同時實現(xiàn)清算與結算，可以有效提高系統(tǒng)效率；

(3)區(qū)塊鏈的鏈式結構可以完整記錄每一筆交易，具有可追溯的特點，能夠可靠的登記各種信息，具有高審計性；

(4)利用基于以太坊的智能合約可以有效將原有的繁瑣、耗時長、交易步驟冗長的清算利用編程語言的方式保存在區(qū)塊鏈上，當達成觸發(fā)條件后自動執(zhí)行。

綜上，在區(qū)塊鏈技術支撐下建立的去中心化電力交易平臺，既可以有效實現(xiàn)電力信息的透明公開和時代交互，又可以保障數(shù)據(jù)記錄的準確性，給電力系統(tǒng)提供公開透明且數(shù)據(jù)可靠的環(huán)境。

2 大用戶直購電模式及鏈路設計

2.1 大用戶直購傳統(tǒng)交易模式

傳統(tǒng)的大用戶直購電參與方主要包括大用戶、發(fā)電企業(yè)和交易機構。符合準入機制的大用戶和發(fā)電商直接簽訂購電合同。這一方式打破了原有的壟斷格局，可以有效降低企業(yè)的購電成本。這種交易模式按照區(qū)域可以分為省內(nèi)大用戶直購和跨省直購。按照交易方式又可分為集中撮合交易、集中競價交易及集中掛牌交易。交易中心負責發(fā)布交易內(nèi)容，參與直購的企業(yè)和發(fā)電商在規(guī)定時間內(nèi)提交交易需求。交易中心按照一定的撮合方法確定交易雙方，調(diào)度中心對匹配后的交易進行安全校核及阻塞管理，得到有約束的交易結果，最終調(diào)度機構按照簽訂的合同進行電能輸送。其結構如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)直購電模型

近年來，為了應對新能源消納問題和減輕“棄風棄光”現(xiàn)象，提出了配額制和綠色電力證書政策。對于發(fā)電企業(yè)，其發(fā)出一定量的綠色電能后，變會獲得一定數(shù)量的綠色證書；對于大用戶也是相同道理。交易部門根據(jù)實際的情況和需要，為交易參與方分配合適的可再生能源配額，并要求雙方利用上交綠色證書的方法來完成配額。而這其中的綠色證書具有商品屬性，可以被自由交易，參與直購的交易主體可以選擇到綠證市場中購買綠色證書來完成配額指標。

2.2 大用戶直購電鏈路模型

文章建立的大用戶直購電系統(tǒng)的參與者主要包括交易主體的大用戶和發(fā)電商以及負責管理的電網(wǎng)公司三部分。在整個電力系統(tǒng)進行電力交易實現(xiàn)電力和資金流動的同時進行節(jié)點信息的交互。為了結合配額制的背景促進直購電模式下的新能源消納，采用主側鏈兩條鏈的框架結構[16-17]。主鏈負責進行交易量較大的直購交易，側鏈負責完成綠色證書的交易，兩條鏈的鏈接可以采用雙向錨定技術完成，系統(tǒng)鏈路結構如圖4所示。

圖4 直購電鏈路模型

對于系統(tǒng)所采用的區(qū)塊鏈類型，由于電能交易涉及到阻塞管理這一環(huán)節(jié)，私有鏈在處理時只能采用回滾或分叉的方式，而公有鏈的公開性會使得系統(tǒng)安全得不到保障。具有部分去中心化的聯(lián)盟鏈參與主體比較固定，且交易系統(tǒng)不會默認公開，交易可控性強，最適合大用戶直購這一交易模式。

3 基于區(qū)塊鏈的大用戶直購電架構

3.1 基于區(qū)塊鏈的跨鏈綠證管理

從當前國內(nèi)已開展的綠證交易來看，交易主要為小范圍、點對點的形式。將綠證交易與區(qū)塊鏈平臺結合，一方面與實際應用環(huán)境相匹配，另一方面可以提供高透明度的交易體系。建立與直購主鏈相交互的綠證鏈，可以將傳統(tǒng)直購模式與當下“雙碳”目標契合，促進直購交易發(fā)展。

綠證管理系統(tǒng)如圖5所示，火電作為配額制的承擔者需要向綠色發(fā)電商購買一定的憑證，對于綠色發(fā)電商，出售綠證帶來的效益有助于推動其發(fā)展，同時可以起到環(huán)境改善的效應。綠證鏈可以對綠色證書進行公開透明的記載，對綠證交易足跡進行記錄，同時其鏈上資金又與直購鏈互通，發(fā)電商可以使用跨鏈技術在兩條鏈上進行資金流轉。

3.2 智能合約設計

基于智能合約的直購電交易流程如圖6所示，交易開始時，參與交易的各方需提交準入申請，待準入審核后進行雙邊交易匹配階段。交易達成后，數(shù)據(jù)會被記錄到智能合約中，經(jīng)全網(wǎng)節(jié)點共識后加入到區(qū)塊中。中心機構會對達成的交易進行安全校核，通過的會直接進入?yún)^(qū)塊鏈進行交易結算，不通過的則將進行阻塞管理后再次校核直到通過為止。

圖5 綠證交易模型

圖6 交易流程

智能合約的編寫是在Remix的EVM虛擬機上進行的，智能合約在Remix模擬測試成功后，將其部署在本地創(chuàng)建的以太坊測試鏈上，并結合端口發(fā)布Dapp(Decentralized App，去中心化應用)，發(fā)電商和大用戶可以憑自己的賬戶參與合約。雙方的每次交易都會被記錄并根據(jù)共識協(xié)議同步在區(qū)塊互動鏈的所有節(jié)點中。每筆交易都記錄著本次交易雙方賬戶、交易的內(nèi)容等。基于大用戶直購的智能合約按照順序可以分為注冊準入、交易掛牌、交易結算幾個步驟。

3.2.1 注冊準入階段

用戶和發(fā)電商通過調(diào)用注冊函數(shù)(Regis)，將自己錢包內(nèi)的余額轉為交易所用的代幣(Token)，設定代幣與人民幣之間的匯率為1Token等于0.1元，以便確認交易的實際金額，同時，確認自己的交易地址與代號。

3.2.2 交易掛牌階段

根據(jù)大用戶交易中的掛牌交易模式，交易雙方需要調(diào)用掛牌函數(shù)(Payment)提交交易需求，登記信息包括；申報電量，申報電價。登記結束后相應信息會記錄到區(qū)塊中。在掛牌截止時間前，雙方還可通過交易撤回函數(shù)(Withdraw)撤回該掛單。

3.2.3 交易結算階段

掛牌時間截止后，智能合約自動計算各發(fā)電商的折算電價，按照優(yōu)先級將發(fā)電商和大用戶進行排序，最終根據(jù)高低匹配原則進行撮合交易。交易方調(diào)用查詢函數(shù)(Call)查詢本節(jié)點所匹配到的對象，對匹配結果有異議者將調(diào)用中止函數(shù)(Break)結束本輪匹配。交易完成后，買賣雙方根據(jù)合約撮合結果調(diào)用結算函數(shù)(Trans)進行轉賬，轉賬完成后開啟下一階段交易。

售購雙方通過匹配矩陣確定每輪交易的個體。其中含m個買家和n個賣家的匹配矩陣可以表示為：

[qij]m×n

(1)

qij=qA,i-qB,j-XB,j-Zij

(2)

XB,j=Tb·Pg

(3)

其中，社會福利折算公式如式(2)～式(3)所示，撮合方法按照折算后的qij按照從大到小依次確定交易雙方。確認交易雙方后，在矩陣中移除該行或該列并更新矩陣進行下一輪匹配。每輪交易的結算費用確定方法如式(4)～式(6)：

Li=FB,i-0.5Δfij

(4)

Lj=FS,j+0.5Δfij(1-ε)+XB,j

(5)

(6)

式中Li為跨省交易的大用戶結算價格；Lj為跨省交易發(fā)電商結算價格；FB,i為大用戶i向區(qū)塊鏈弱中心化節(jié)點提交的購電價格，F(xiàn)S,j為發(fā)電廠商j向區(qū)塊鏈弱中心化節(jié)點提交的售電價格；ε*為省間輸電損耗；S*為省間輸電價格；W為環(huán)保價格及交叉補貼費用。

3.3 共識機制設計

由于大用戶直購的特點，各個節(jié)點之間可信度較高，可以不考慮拜占庭容錯問題，因此選擇基于改進型的分布式一致性算法作為該系統(tǒng)的共識機制，各個區(qū)塊的記賬權可以按共識機制規(guī)則確定[18]。分布式一致性算法應用比較廣泛的有PAXOS和RAFT。考慮到直購電交易對計算能力和算法復雜度有一定的標準和要求，文章提出了一種基于RAFT共識機制的大用戶直購電共識機制。

傳統(tǒng)RAFT機制的節(jié)點選舉流程如圖7所示，核心節(jié)點被分為領導者、跟隨者和候選者[19]。其中領導者節(jié)點負責處理系統(tǒng)客戶端的服務請求； 跟隨者節(jié)點負責被動地接收和回復領導者節(jié)點發(fā)送的信息；當領導節(jié)點處于故障和停機狀態(tài)并重新選擇該節(jié)點時，候選節(jié)點為過渡狀態(tài)。系統(tǒng)啟動時，所有節(jié)點都是跟隨者的身份，隨機產(chǎn)生一個領導者節(jié)點。領導者節(jié)點會周期性的向所有跟隨者發(fā)送響應。當跟隨者在一定時間內(nèi)未接收到領導者的響應，便會發(fā)起選舉。候選者根據(jù)投票決定領導者，選舉失敗的成為跟隨者并等候發(fā)起下次選舉。

圖7 RAFT節(jié)點選舉過程

傳統(tǒng)的基礎RAFT共識機制具有的問題是在選舉階段需要所有節(jié)點共同參與，所有節(jié)點都可以成為領導者節(jié)點。這種機制在實際應用中效率會隨著節(jié)點數(shù)增加而降低，不合適目前正在快速發(fā)展中的大用戶直購電模式。基于大用戶直購電交易模式的結構特征，交易中心作為調(diào)度和管理機構，能夠提供穩(wěn)定的運行環(huán)境及可靠的安全保證，因此考慮將交易中心內(nèi)部節(jié)點作為領導者候選節(jié)點。此方法可以有效減少領導者節(jié)點選舉階段的溝通量,且符合弱中心化的結構思想。改進型共識機制原理如圖8所示，具體過程為：

(1)初始階段(Starts Up)：初始階段將大用戶、發(fā)電商定義為非候選跟隨者節(jié)點，交易中心內(nèi)部節(jié)點定義為候選者節(jié)點；

(2)選舉階段(Election)：當領導者節(jié)點任期結束或跟隨者在指定時間內(nèi)未收到領導者節(jié)點響應，開啟一輪選舉。所有跟隨者節(jié)點投票給候選節(jié)點，得票最多的當選新的領導者節(jié)點；

(3)客戶端請求階段(Request)：直購電系統(tǒng)收到新的交易請求并發(fā)送給領導者節(jié)點；

(4)交易確認階段(Commit)：領導者節(jié)點向跟隨者節(jié)點復制日志，所有跟隨者節(jié)點即直購交易主體向主節(jié)點發(fā)送確認響應；

(5)同步完成(Synchronous Completion)：待領導者節(jié)點收到所有交易主體的復制完成響應后，該筆交易隨著日志更新得到確認。并反饋信息給客戶端。

圖8 改進型RAFT共識機制

3.4 系統(tǒng)總體架構

完整系統(tǒng)架構如圖9所示，包含應用層、信息層和管理層。

圖9中應用層包含直購電交易的客戶端，分布式應用以及API接口服務，為參與系統(tǒng)交易的大用戶、售電商及管理機構提供可拓展且方便靈活的交易渠道。交易主體之間可以通過HTTP(Hyper Text Transfer Protocol，超文本傳輸協(xié)議)訪問節(jié)點并進行節(jié)點通信。信息層存放有智能合約及虛擬節(jié)點，交易雙方通過web3.js庫可以調(diào)用智能合約，交易達成后通過改進式RAFT協(xié)議進行節(jié)點共識，并將交易結果寫入到區(qū)塊中。負責綠證交易的側鏈可以通過雙向錨定的方式與主鏈進行交互，兩條鏈各自完成信息驗證及區(qū)塊存儲，有效降低風險；管理層主要為交易提供大用戶及發(fā)電商的準入服務、交易中心的交易管理服務、主側鏈交互的管理。

4 算例測試

4.1 參數(shù)設計

為了驗證所提出的直購交易模式有效性，本章在多臺計算機模擬各電力市場交易方，搭建起大用戶直購區(qū)塊鏈，將合約部署到服務器中，各參與者通過調(diào)用合約實現(xiàn)相應功能。此外，在這些計算機上又模擬了傳統(tǒng)直購交易，即交易雙方與扮演交易機構的計算機進行掛牌交易流程，分析兩種模式下的工作效率與經(jīng)濟效益。仿真場景如圖10所示。

圖10 仿真場景示意圖

假設A地區(qū)有4家風力發(fā)電企業(yè)W1-W4，4家火力發(fā)電企業(yè)H1-H4。大用戶為B地區(qū)B1-B2，C地區(qū)C和D地區(qū)的D。各省間網(wǎng)損率和輸電價格如表1所示。

4.2 交易過程與結果分析

為了分析基于區(qū)塊鏈模式下大用戶直購系統(tǒng)的交易優(yōu)勢，文章考慮了有無區(qū)塊鏈參與下兩種交易方案。

方案1：不包含綠色證書交易的傳統(tǒng)大用戶直購模式, 風火打捆比例為1:3，匹配按照傳統(tǒng)高低匹配法確認。確認交易對象后，通過仿真平臺模擬發(fā)起電子合約，由交易中心核對后完成撮合交易，交易資金由交易中心進行管理；

方案2：基于區(qū)塊鏈技術的大用戶直購模式。為研究不同價格的綠證對交易的影響，設綠色證書價格P分別為300 Token/本、400 Token/本、500 Token/本。按照標準，每生產(chǎn)1 MW綠電會獲得一本證書，每生產(chǎn)1 MW火電需交納0.2本證書。按照圖6所示的流程，當大用戶配額指標滿足后，綠電商可以將多余綠色能源在綠證市場上出售，以獲取額外收益。各發(fā)電商之間通過綠證鏈的交易，滿足配額需求。

大用戶提交購電掛單如表2所示，掛單表包含四個用戶節(jié)點B1-B2、C、D所申報的電價與電量，以及各節(jié)點需求的綠電配額。風電和火電的售電掛單分別如表3、表4所示，包括申報電價、申報電量以及補貼價格。

表1 網(wǎng)損率及輸電費用

表2 大用戶報價

表3 風電企業(yè)報價

表4 火力發(fā)電企業(yè)報價

兩種方案的交易結果，如表5所示。由于方案1不考慮綠證交易，綠色能源收益較少，發(fā)電聯(lián)盟總利潤較低。方案2引入綠證價格進行市場激勵，既能夠幫助風電消納多余電量，壓低競爭成本，又可以為風電商帶來額外收益。從各組數(shù)據(jù)來看，當綠證價格提高時，市場總體收益也隨之增加，說明綠證市場引入對直購模式起到一定激勵作用。

表5 交易結果

以上仿真表明，區(qū)塊鏈平臺下的智能合約可以實現(xiàn)工業(yè)大用戶基本直購交易，綠色證書管理等功能。實際仿真可以達到預期交易效果，結果說明了該模式相較于傳統(tǒng)直購模式具有經(jīng)濟效益、監(jiān)管效率及管理效率提升的作用。

5 結束語

文章研究了區(qū)塊鏈支持下的大用戶直購電力市場運行模型，在傳統(tǒng)共識機制基礎上設計了適用于大用戶直購的共識機制及市場總體架構，對直購電框架內(nèi)電力交易的具體流程進行了介紹，并將電力交易區(qū)塊鏈與綠證管理相結合，通過調(diào)用合約函數(shù)實現(xiàn)模擬交易，提高了直購交易的公開性和便利性。區(qū)塊鏈這一類分布式存儲與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，可以為直購交易帶來豐富的輔助效益，有利于為直購模式帶來高質(zhì)量發(fā)展的激勵效應。

最后，文章在合約功能的設計上還有待進一步豐富，不同共識機制下的性能對比也有待研究。期待未來對基于區(qū)塊鏈技術的直購交易體系做出更深入的研究。