基于区块链的园区能源互联网弱中心化电力交易机制

张力菠，童立敏，周德群，丁铸

(1.能源软科学研究中心(南京航空航天大学经济与管理学院)，江苏 南京 211106；2. 中国国际核聚变能源计划执行中心，北京100080)

我国传统能源系统中的“源、网、荷、储”界限清晰[1]，以电力交易为核心的能源交易主要由电力调度部门和大型国有企业主导并集中决策，以实现资源优化配置[2]。这种基于“单一卖方”的传统电力交易机制虽然具有一定的全局性，但随着能源互联网的快速发展，可再生能源逐步介入，使得电力市场呈现电力交易小规模且分散、发电随机、用电主观等新的特点。而由于市场化程度偏低、有效价值流通渠道不完善造成了交易的灵活性不足，无法进行直接的点对点交易[3]，这将影响分布式可再生能源的发展。此外，可再生能源大比例接入背景下，大量产消型用户主体间的分布电力交易对交易的效率、公平及隐私等具有较高要求，而采用集中优化配置资源方式及基于单一交易中心集中竞价的传统电力交易，往往由于相关机制不匹配、信息不对称等导致交易效率低下，难以保障交易的公平及用户隐私安全性[4]。再者，能源互联网环境下的电力交易要求交易及时化、主体多元化、决策分散化、信息透明化，使得能量流、信息流与价值流逐渐融合，传统机制要管理、维护海量交易及其信息，往往需要大量第三方管理服务，不仅降低效率，而且会产生不必要的高额成本[5]。之所以产生上述问题，根源在于传统电力交易机制不够完善，交易流程和管理技术落后，监管与信用保障建设不到位，不能适应能源互联网及可再生能源快速发展背景下的电力交易。

能源互联网基于“互联网+智慧能源”，通过可再生能源高比例接入、电力市场化交易促进能源系统的扁平化发展，推进能源生产与消费模式革命，提高能源利用效率，推动节能减排，从而实现资源的统筹管理[6-7]，因而得到了多国政府的重视。我国近年来也给予了大力支持，立项资助了一大批能源互联网示范项目，其中园区能源互联网(park energy internet，PEI)是我国能源互联网试点落地的主要形式[8]，具有典型的由小及大的示范意义，但其建设推广过程中也面临不少挑战，比如为了处理和应对能源互联网大量主体用户信息与电力交易数据，目前亟需一种高效、安全、经济的电力交易机制。

区块链融合了点对点传输、共识机制、加密算法、智能合约和分布式数据库，实现了创新性的分布式记账模式[9]，有利于推动能源行业改革、促进能源智能化发展，与能源互联网背景下的电力交易需求相吻合。事实上早在2016年，我国《“十三五”国家信息化规划》就将区块链列为战略性前沿技术；2019年10月，中央政治局就区块链技术发展现状和趋势专门召开会议，提出“推动区块链底层技术服务和新型智慧城市建设相结合，探索在能源电力等领域的应用”。可见，区块链技术与能源互联网的结合是区块链技术发展应用的重要方向之一，有助于实现交易数据的分布式共享，有效保障交易用户个人隐私，是一项促进能源行业智能化发展的颠覆性技术[10-11]。目前已有学者展开了相关研究：Li等提出了一种基于联盟区块链的工业物联网中的安全能源交易机制[12]；蔡金棋等设计了一种基于区块链的三层能源交易架构，并引入弱中心化管理以应对去中心化带来的问题[5]；吉斌等提出了一种基于区块链弱中心化技术的分层网络通信架构，完善并验证了产消型用户之间电力互济交易通信的可靠性[13]；徐健等提出了一种基于区块链的分布式电能竞价交易平台设计方案，提供了价格层面的设想与理论依据[14]；于韶源等研究了基于区块链智能合约技术的去中心化分布式发电市场化交易机制，提出构建与能源互联网概念吻合的智能化合约体系[15]；窦晓波等基于综合成员利益与系统网损的电能优化模型提出了新型的弱中心化市场机制，并给出了该机制的框架结构[16]。

已有研究成果可为本文提供有益的参考，如文献[5，12-13]利用区块链技术构建相应电力交易机制，采用弱中心化管理来适应电力交易市场化发展，为解决现有电力交易相关不足提供了思路。但也还存在一些亟待深入研究的方面，如：文献[14]提出的完全去中心化交易在能源领域的适用性还有待进一步分析；文献[15]着重描述了智能合约技术，而对交易流程的设计还有待细化；文献[16]提出了弱中心化市场机制，但其落实到PEI中的交易细节还有待进一步研究。

综上，能源互联网的快速发展给电力交易提出了新的要求，区块链技术的进步为能源互联网电力交易机制的市场化创新提供了技术保障，可提升交易透明度与用户隐私性，并满足参与交易双方的信息对称。而对于能源互联网背景下能源市场主体的准入、退出、交易等，需制订有效的管理流程及监管措施，尤其当交易出现纠纷时仅靠系统自身和智能合约的强制执行尚不能解决所有问题，彻底去中心化的交易体系并不完全适合能源系统的市场化进程，基于区块链的能源交易仍需一定的监管保障。

对此，在借鉴已有研究的基础上，尝试构建基于区块链的PEI弱中心化电力交易机制，在现有背景下引入区块链、弱中心化交易、智能合约技术，并结合相应的可靠性保障技术以完善能源互联网背景下的电力市场交易，解决传统机制与当前发展要求不匹配的重点问题。具体来说，针对PEI的特点，对能源互联网电力交易与区块链技术相结合的新交易机制展开进一步的细节研究，强化弱中心化管理，提出可行的交易运作流程及交易过程的隐私保障措施，以促进能源互联网的发展。

1 基于区块链的PEI弱中心化电力交易框架

能源互联网一般以大电网为“主干网”，微网为“局域网”。在作为典型微网的PEI环境中，随着多类型分布式电源、负荷及储能、信息流系统等的集成，“源、网、荷、储”的界限变得日益模糊，各主体的角色也呈现多样化，比如用户作为参与交易的主体，既可是购买电力的纯消费者，也可是销售分布式电力的生产者[17]。那么，要实现可再生能源电力的高比例接入及交易，传统电力交易机制显然不能满足面向多主体的多样化分布式电力交易及大量数据处理的经济、高效、安全等要求。因此，首先需构建专门的公共交易平台与机构开展园区电力交易并提供相关服务，在相关主体发起交易后，供电方参考外部电网电价并基于博弈分析确定售电价格，双方进一步通过协商形成交易智能合约，再经由弱中心化管理机构审核通过并达成可行交易，最后将交易数据存入区块链层。基于区块链的PEI弱中心化电力交易框架如图1所示。

1.1 交易主体

基于区块链的PEI弱中心化电力交易由用电方和供电方等交易主体发起并完成。前者既有纯电力消费用户，也有产消型用户等；后者包括园区内的可再生能源电力供应商、产消型用户和其他能源持有者。供电方和用电方可通过售电公司代理等方式，积极参与到电力交易与辅助服务市场中[18]。由于短期内传统电力仍占较大比重，园区内可再生能源电力可能尚不足以满足园区用电需求，参与交易的供电主体需要满足月最低供电量要求，而且PEI还应包含外部电网，可发挥对电力资源的统一调配作用，为园区内供电方主体提供电价参考，还能通过双主线配置实现对园区用电方主体的电力不间断供应。

1.2 弱中心化管理机构

在能源互联网和电力体制改革的双重推动下，电网公司亟需转型提供综合能源服务，突破现有发展瓶颈[19]，因此未来电网公司的角色定位将逐步变化，更多的是承担电力传输运行、电网维护、输配电系统的升级与扩容工作，并收取适当的过网费，以确保用户侧能量管理系统与调度机构间拥有足够的通信能力[20]。而在区块链背景下，作为微网典型代表的PEI，其电力交易主体的交易资格准入、收取违规罚款、主要的交易信息区块打包等辅助服务工作及管理职能一般由专门成立的弱中心化管理机构来承担，相关的审核罚款收入和区块信息打包收入即为该机构的主要收入来源。存储园区电力交易信息的创世区块由弱中心化管理机构编写打包后，其他节点也可参与之后的交易信息打包工作，并在打包成功后获得相应收益，但在其他节点的打包意愿不强烈时，仍由弱中心化管理机构承担该职责。

弱中心化管理机构还是智能合约执行的监督者，在双方交易正式达成时，用电方以月度为单位付给供电方的费用将由其临时管理，在该机构主导完成交易反馈环节后，再把相关费用按智能合约自动转给供电方。这一程序发挥了弱中心化管理机构重要的监管作用，保障了整个交易环节的安全与可控。

图1 基于区块链的PEI弱中心化电力交易框架Fig.1 Less-centralized electricity trading framework of PEI based on blockchain

1.3 区块链层

区块链层构成了整个交易机制的底层核心技术。一般的区块链网络设计中每个区块链节点是完全对等的，都承担着网络路由、验证与传播交易信息、发现新节点、打包交易数据等全部工作，因此不存在任何中心化的特殊节点和层级结构。但在PEI电力交易的实际运行过程中，物理设备性能差异明显，存储空间也不尽相同，将每个节点都作为全节点并不现实，于是将园区的区块链节点划分为全节点和轻型节点。前者是传统意义上的区块链节点，包含完整的区块链数据，支持区块链节点的全部功能，需要性能足够强大的设备才能满足；而大多数用户的区块链存储设备都是轻型节点，主要具备数据的验证、上传与查询等功能。各用户节点间通过对等的拓扑结构相互连接，组成P2P网络，建立智能合约构成交易事实，实现信息互联互通。

1.4 智能合约

智能合约是由事件驱动、具有状态的、运行在可复制共享区块链数据账本上的计算机程序，是区块链的核心构成要素(合约层)，能够实现主动或被动的处理数据，接受、储存和发送价值。其作为一种嵌入式程序化合约，可内置在任何区块链数据、交易、有形或无形资产上，形成可编程控制的软件定义的系统、市场和资产[21]。PEI电力交易中，交易双方通过协商达成意向后形成智能合约，如图2所示，其中确认信息内的第三方签名用于交易隐私保护系统，能更好地保障用户隐私安全。

图2 PEI电力交易智能合约模块Fig.2 Smart contract module in PEI power trading

智能合约和具体交易过程通过智能电表将能量信息转化为相关数据，智能合约通过P2P网络将交易信息广播到基于区块链创建的每一个节点，待数据区块链打包完成后，交易正式达成，数据通过密码学协议存储到每一个分布式区块链全节点。交易完成后，双方账户会依据智能合约内容自动完成电费转移。

2 交易流程

交易流程是PEI电力交易机制的核心内容，是电力交易有效运行的基本保障。根据图1的交易框架，给出了交易资格准入条件下，基于交易协商、信息记录和交易执行3个阶段的交易流程。

2.1 交易资格准入

交易资格准入是PEI开展电力交易的前提，只有通过审核后具备交易资格的主体才能够参与电力交易活动，如图3所示。

相关主体包括用电方和供电方，其中：用电方不需要审核，只需在公共交易平台申请账户，并安装智能电表即可完成资格准入；供电方在交易资格准入阶段首先要报备次月最低发电量，并由弱中心化管理机构审核发电能力，只有通过审核的供电方，才能在公共交易平台获得账户。为保证电力稳定供给，弱中心化管理机构将对最低发电量进行限制，鼓励供电量小的主体将交易权委托给供电中介，由其联合较小的分布式发电主体，形成一个较大的供电方主体参与电力交易。供电主体和用电主体拥有公共交易平台账户后，就成为了能源区块链的一个节点，并拥有了独一无二的电子签名，如果是全节点还可以参与区块信息的打包工作；在公共交易平台拟定并签署PEI通用的智能合约后，就获得了交易资质，即可正式开展电力交易。

2.2 不同交易阶段的运作流程

PEI电力交易流程分为交易协商、信息记录、交易执行3个主要阶段。

2.2.1 交易协商阶段

此阶段主要包含制定价格和形成合约2个交易流程，如图4所示。用电方和供电方分别发布用电和供电信息，客户可以在公共交易平台寻找适合的交易对象，并与之进行协商。一般由供电方首先依据外部电网电价和园区内可再生能源电价，并结合相关补贴或惩罚政策，在综合博弈后制定一个符合自身利益的电价，拟定智能合约并提供数字签名。

对于用电方主体，PEI电力交易机制基于园区内用电成本最低、费用最小的目标，综合各类发电形式进行多电能分配转化，以满足每位用户的需求[22]；进一步通过智能合约的方式，让用户产生对区块链结构和算法的信任，充分降低电网运营成本，从而提升PEI电力交易的可信度和公平性。用电方优化模型为

图3 PEI电力交易资格准入Fig.3 Power trading qualification access of PEI

图4 交易协商阶段的运作流程Fig.4 Operation process in transaction negotiation stage

(1)

式中：f为用电方用能的目标成本；I为单位时间内用电方从各供电方处接收的不同时段、不同类型电力的输入量、分配额度等情况，Imin、Imax为其下限和上限；fA(I)为用户的用电总成本；fB(I)为电力传输过程中的过网总成本；D为用户的单位用电需求；R为不同时段、不同类型电力的输入与输出关系；k为边际系数；t为单位购电周期内的循环次数。供电周期数越多，所产生边际收益使单位平均成本越低。

对于供电方主体，由于PEI采用的是集中式电力与分布式电力相结合的方式，在保证用户用电需求的前提下，还要考虑充分调动发电主体提高电能产量的积极性，并降低电力在传输过程的损耗，全面提升能源利用率，其优化模型为

(2)

式中：M为不同时段、不同类型电力的输出量，Mmin、Mmax为其下限和上限；fC(M)为电力的输出总量；fD(M)为电力设备的发电成本；fE(M)为电力供应设备的电损量；S为电力在传输转换过程中的损耗，即供电方发电量与用户入户电量之差，电力入户前的损耗应由供电方承担。

2.2.2 信息记录阶段

信息记录阶段主要包括交易达成和交易信息存储2个流程，如图5所示。

用户在浏览公共交易平台中的报价后，综合考虑供电方价格与用电方自身电量需求，评估交易价值和各项成本，选择符合自身需求的供电方。用电方在拟定好的智能合约上也提供数字签名，双方将获取的唯一密钥相互确认后，达成智能合约。交易双方达成的智能合约将会第一时间送至弱中心化管理机构进行审核，不符合交易要求的交易主体会被拦截。审核通过后，该交易信息会在公共交易平台进行广播，使信息在每个区块链节点公开。当某一区块链全节点将交易数据打包记录在区块链主链中，并存储至各区块链全节点时，交易正式达成。

2.2.3 交易执行阶段

交易执行阶段的流程主要包含执行合约和交易反馈，如图6所示。

交易正式达成后，供电方开始按合约提供电力，用电方则按合约消纳电力，此时弱中心化管理机构对交易过程进行自动监督，智能电表会记录下用户某时间内流通的电能。该交易机制是以月度为单位的中长期市场交易，当双方交易达到约定的额度或时间节点时，智能合约依据电能数据流通情况，自动实现交易资金的转移。判定交易双方无违约情况后，公共交易平台公开交易完成信息，并提升交易双方的信用分，交易正式结束。

若供电方在交易期限内未能按合约发出相应的电能，即判定其违约，其账户内相应的违约金会被自动扣除，弱中心化管理机构依据智能合约进行交易追溯，并在区块链节点中反馈交易信息。一旦确定存在非不可抗力导致的交易违约时，公共交易平台将对违约信息进行公开，对违约的供电方扣除一定的信用分。同样，用电方在合约规定的年限内未能消耗完电力时，可按合约对剩余电量进行清零处理，用电方自行承担损失。

图5 信息记录阶段的运作流程Fig.5 Operation process in information recording stage

图6 交易执行阶段的运作流程Fig.6 Operation process in power transaction execution stage

整个交易过程均由事先编好的程序自动执行，且交易双方都无法篡改已经记录在区块链上的数据，所以整个交易清算过程并无第三方参与，保证交易双方能按事先达成的智能合约协定顺利执行，解决了交易双方的信任问题[23]。

3 隐私保障

为使PEI电力交易顺利实行，除合理交易流程外，还应具备相应保障机制，以确保整个交易过程顺畅运行。虽然PEI区块链上的存储数据公开透明，但该属性不能满足某些用户的隐私保护需求。对此，每个智能合约可设定一个共享密钥，实现对合约内容的部分加密，只有拥有共享密钥的用户才有权读取原始合约信息。

PEI电力交易的隐私保障如图7所示。用户在提交智能合约时，可使用共享密钥对合约内容对称加密，再对此加密数据提供数字签名，证明是用户本人的真实操作。而每个需要加密的智能合约至少需要拥有一个第三方管理端账户，该第三方可以是需要介入合约的用户或弱中心化管理机构，也可以是其他中介机构。共享密钥由用户各自的私钥加密保存在区块链中，因此并不需要牢记共享密钥的信息，只需提供用户私钥即可打开共享密钥，查看合约内容。第三方管理端账户虽拥有共享密钥，但并无用户私钥，故无权替用户完成签名，智能合约签约的真实性得以确保。因此，对于选择执行隐私保护机制的合约来说，只有交易双方、第三方管理端账户和其他拥有共享密钥的更高级监管机构账户才有权查看合约的原始数据；对于没有共享密钥的用户来说，只能在区块链节点上看到加密数据，并没有读取原始合约数据的权限，满足了用户对交易内容的隐私保障需求。

图7 PEI电力交易的隐私保障Fig.7 Privacy guarantee system for PEI power transaction

4 结束语

针对传统电力交易不能适应能源互联网快速发展要求的不足，以我国主要试点落地形式的PEI为对象，提出了一种基于区块链的PEI弱中心化电力交易机制。首先明确了弱中心化电力交易的主体框架；然后分析了交易资格准入条件，细化了交易协商、信息记录、交易执行等主要阶段的运作流程；最后给出了PEI电力交易的隐私保障措施。该交易机制可满足能源互联网快速发展背景下可再生能源电力大比例接入、多主体互联及电力交易下大量信息和数据的经济、高效、安全等处理要求，可为我国电力交易机制改革提供参考，也有利于促进能源互联网的发展。后续可进一步深入研究该机制中交易定价机制、用户用电优化策略、弱中心化管理机制、隐私保障等相关的具体问题。