基于区块链的乡村分布式电力交易系统设计与应用

王洒洒，李 超，沈跃栋

(1.上海计算机软件技术开发中心，上海 201112； 2.上海科学院，上海 201203)

近年来，随着我国乡村特色农业的快速发展，以及农村经济水平的提高，用户对电力能源资源的需求也在不断提升，对电力能源系统的服务质量提出了新的需求。2021年，中央一号文件发布，强调要把“三农”问题列为全党工作的重中之重，加快农业农村现代化建设。电力能源作为乡村振兴重要的基础保障之一，全国各地全面巩固和提升农村电力保障水平，加快农村电网等基础设施建设，构建农村能源互联网成为必然选择。

随着能源互联网的加速发展，诸多问题也逐渐暴露，能源行业之间的信任壁垒仍未打通，源、网、荷、储等多环节之间也难以实现有效协调互动。究其原因，主要是各主体、各层级之间的数据信任机制尚不完善。能源行业具有产业链条长、敏感数据多、参与主体多元化等特点，与区块链技术多方共识、难以篡改等特性高度契合，是区块链的天然应用土壤[1]。 文献[2]提出一种多链式能源区块链架构，保证电能交易过程的可信、可追溯和可监管。文献[3]基于区块链公证人机制，提出一种面向碳排放权与绿证交易的系统架构。文献[4]在电力用户需求侧结合区块链技术提出一种交易新模式。文献[5]将多重签名技术和区块链结合，提出了一种去中心化支持匿名能源交易的系统架构。文献[6]将区块链技术用作交替方向乘子法(ADMM)的协调器，用于在配电网络上调度电池，可调整负载和可延迟负载的混合，实现微电网间可信的分布式优化计算。

综上，已有研究主要是将区块链技术与能源场景进行结合，提出了区块链技术在能源交易市场应用的构想，但大多文献目前还停留在场景应用的理论研究上，对分布式电力用户侧交易与电力市场设计方面还缺乏应用研究，对于点对点微网交易落地应用的指导建议不足。

本文在现有研究基础上，进一步对电力用户侧交易模型进行研究，在乡村级的微网系统内开展电力能源交易，建立乡村级的电力能源集贸市场。其目标是减少交易系统的分级层面和中间环节，直接面向电力能源产消/销者，使农户直接受益，做到简单化、直接化。主要研究内容包括以下几个方面：对区块链技术特性进行分析，阐述区块链在电力行业的应用价值；建立一种基于智能合约实现“自主、自助、自治”的电力交易模型；设计基于区块链的电力用户侧管理系统，实现可信电力交易及管理。

1 区域链技术路线选择

当前，在电力体制改革稳步推进的新形势下，分布式发电、售电发展迅速，电力市场中涌现出大量的具有自主决策能力、智能化的分布式售购电主体，形成市场主体地理位置分散化、小额交易信息海量化的局面[7]。传统的集中式交易方式具备高成本、低效率和不安全问题，分布式的市场化交易方式应运而生。区块链技术的去中心化点对点交易特征和信任机制与电力市场的经济性本质具有天然可匹配性，能够在电力市场的点对点交易、交易数据授权共享、多主体业务协同、记账结算等环节发挥重要作用。

1.1 区块链技术

2008年，区块链技术的概念首次被提出，是实现比特币数据结构和交易加密传输的基础。现在区块链技术更多的定义是指在对等网络环境下，通过预先设定好的公开透明的规则，构建难以篡改且可追溯的块链式数据结构，从而完成事务的处理[8-10]。块链式数据结构简单来说就是将多个交易信息存储到一个区块中，并将加密和盖好时间戳区块与上一个区块“链接”起来，形成块链式结构，基于区块链的电力交易区块如图1所示。

图1 电力交易区块链结构示意图

1.2 密码学

在区块链技术中常用的两种密码学算法是非对称加密和哈希函数(即散列函数，Hash Function)[11-12]。这两种加密算法是区块链密码学的基础，为区块链数据安全性保障提供技术支持，非对称加密算法常用于消息的传输和验证，应用于数据的加解密过程中，哈希算法常用于对冗杂的数据和区块的封装，该类封装后的数据不可复原，可提高数据的存储效率和降低占用空间。

1.3 智能合约

智能合约(Smart Contract)[13]最早由NickSzabo提出，其被定义为实现合同条款的计算机程序[14]。通俗来说，智能合约就是一段内嵌到系统中的代码，将既定的业务逻辑以代码的形式实现，由合约的参与者共同制定和维护[15]，一旦部署成功，将会根据设置的触发条件自动执行。这种自动执行的特性一方面降低了人工成本，另一方面降低了执行出错的概率，智能合约可为区块链应用于复杂的业务场景提供业务支撑。

2 基于区块链的乡村分布式电力交易系统机制设计

2.1 交易模型设计

在新型电力交易系统的发展过程中，电力市场交易机制已逐渐由传统的中心化的交易方式转化为点对点的分布式交易。传统的电力交易市场和区块链交易市场对比如表1所示。

表1 传统电力交易市场和区块链交易市场对比

分布式电力交易带来一定便利性的同时也出现了众多问题，其中包括交易不透明、权属不明确、利益不对等和过程不易监管等。本文提出的电力交易集贸市场交易模型是当前分布式电力交易下的一种新型的交易思路，如图2所示。通过预先设定好的电力交易合约和交易共识实现交易的透明，通过签名技术实现权属的确权和监管，从电能基础设施的电力采集开始到最终的电力应用，期间的每一步数据都基于区块链技术做存储，实现完整数据闭环和可追溯，最终实现“自主、自治、自助”的电力交易平台。

图2 基于区块链技术的分布式电力交易模型

2.2 交易流程实现

本文围绕乡村能源专业合作社建设，根据“自主、自治、自助”特色优势和要求，由乡村能源专业合作社负责在以行政村(或自然村落)为边界的微电网系统内试点应用，可不受现有电力交易结算等相关制度规定的约束限制，探索形成交易结算新机制。

基于区块链的电力交易如图3所示，主要包括上链前处理、链上处理和合约处理3个方面。上链前处理即是电力交易的一个过程，从交易信息发布到交易撮合再到交易确认，然后将签名后的交易放到区块链上，进行链上处理；链上处理主要是对交易的打包和共识，形成新的交易区块；最后是合约处理，根据预先设定好的电力交易合约进行交易。在交易模型中本文提出了电能币的概念，电能币可作为电力交易模型中交易支付的一种方式，通过智能合约自主支付。同时，电能币还可作为区块链能源交易的一种激励机制，用户可通过电力平台的活跃度以及电力交易次数、数量等不同方式获取电能币。

图3 基于区块链的电力交易流程

按照区块链的电力交易流程，可将基于区块链的电力交易执行过程分为交易发布、交易撮合、交易认证、交易执行和交易结算5个阶段。执行过程中的一些标识符定义如表2所示。

表2 分布式电力交易标识符

(1)交易发布。该阶段由售/用电的用户根据自身需求发布电力交易请求，交易请求通过用户签名后，在区块链电力交易系统中发起全网广播。广播业务数据包括：用户身份标识(Identity Document，简称ID)、交易时间、电量和电价。

Uinfo{ID,Qi,A,Pi,A,Ti,A}

(1)

Binfo{version.timestamp,nonce,Sign (Uinfo)}

(2)

式中Uinfo——用户交易请求信息，其中ID为用户身份标识；Binfo——广播信息，其version、timestamp、nonce为区块头信息，分别表示区块版本号、时间戳和随机数；Sign (Uinfo)——用户签名后交易请求信息。

(2)交易撮合。该阶段根据预先设定的交易匹配机制对一定时间内日交易平台接受的交易请求进行集中匹配，并通过交易智能合约的调用实现交易撮合。撮合成功的交易将在交易平台上进行全网广播，撮合失败的交易，可对交易请求进行修改然后再次进行交易撮合，直至撮合成功，若在本轮交易撮合时间截止时，本次交易仍旧没有撮合成功，则本次撮合失败。

若想电力交易成立，必须存在可匹配订单，即Pmin满足式(3)：

(3)

其中，Pmin值越小，交易成功效率越高。

(3)交易认证。该阶段针对交易撮合进行分布式认证，广播的交易撮合信息需要通过共识投票和签名认证。对匹配信息的认证，由交易发起方用户A发起并广播交易请求：Binfo{version，timestamp,nonce,H(A-ID,Qi,A,Pi,A,Ti,A)}，与售电方用户B的售电信息进行匹配Sinfo{Qi,B,Pi,B,Ti,B}，匹配成功的信息根据共识机制约束，须有一半节点同意交易才算成功，因此需要满足Npass>Nfail。

(4)交易执行。该阶段对已经通过调用执行合约，对交易认证后的交易请求按照交易撮合结果执行电力交易。

(5)交易结算。该阶段根据区块链交易平台中预先设置的根据阶段市场机制制定的智能合约进行交易结算，交易结算过程中，根据结算合约先进行交易双方的账户余额的锁定，付款方通过自身私钥签名并用收款方的公钥进行加密，发送至收款方，收款方利用自身私钥对支付方凭证进行解密，完成交易结算，双方账户解除锁定，交易结算亦可采用电能币。

(4)

式中 AccountA——用户A的账户；L[PriSign(A)]——锁定买方A市场主体的账户余额，Baddress——用户B的账户地址；AccountA→B——节点用户A向节点用户B转移资金；AccountB——用户B的账户；Pri(AccountA→B)——利用自身私钥解密，获得拥有权。

3 基于区块链的乡村分布式电力交易系统设计方案

3.1 系统总体架构

通过区块链技术分析和交易模型的设计，本文基于区块链技术建立一种乡村分布式电力交易系统，系统总体架构如图4所示，该系统能够有效、安全地支持微电网运行，提供电力的发行、交易、管理和服务。

图4 基于区块链的电力用户侧管理系统架构

如图4所示系统主要由设备层、通信层、平台层、应用层、服务层5个层级组成。

(1)设备层。以智能电表、电力采集装置作为底层设备，采集用户侧电能的生产、消耗数据，为平台层提供基础数据；应用非侵入式负荷识别技术，精准获取每件负荷运行状况数据，这也是实现P2P(Piece to Piece)精准电力交易的基础。

(2)通信层。支持以点对点网络、移动互联网以及专用网等进行信息数据传输，在点对点网络模式下，每个电力用户作为一个节点，加入到整个能源互联网中，进行电力的生产、消纳等活动。

(3)平台层。主要包括区块链系统和电能数据管理系统两部分内容，是整个基于区块链的电力用户侧管理系统的核心层级，对电力数据进行处理和管理。

(4)应用层。在平台层之上，实现电能数据的可信存证、绿电溯源、可信数据分析以及电力交易的调度管理等。

(5)服务层。为应用层提供相应的应用程序界面(API)接口支持，设计访问与管理区块链资源的软件开发工具包(SDK)。

3.2 平台部署架构

在场景的建设中，软件开发层面涉及区块链底层平台构建、系统各功能模块的开发以及相关数据库系统等；硬件层面需要用于部署区块链节点的算力服务器、存储业务数据的存储服务器以及相关网络设备等。智慧能源场景区块链应用网络部署架构如图5所示。

图5 智慧能源场景区块链应用部署架构

根据参与机构的不同，区块链节点可部署在公共服务云、电子政务云以及私有数据中心，通过SDK服务器与智慧能源场景应用系统进行交互。

4 结语和建议

本文以电力市场为基础，对分布式电力交易现状进行调研及分析，根据“三自”特征要求，基于区块链技术提出一种面向乡村级的分布式电力交易系统方案，为实现真正意义上的“隔墙售电”提供一种实践方案；应用非侵入式负荷识别技术，提升交易主体的细分颗粒度，首次提出最小颗粒度的P2P精准电力能源交易类型，可为商业模式创新提供一种全新的实施路径。

基于区块链的分布式电力交易系统作为电力交易市场平台的技术支撑点，能够有效地打破传统电力市场交易壁垒，可首先在乡村微能网中试点应用。同时，要考虑二个问题：一是政策层面，是否存在与现有的乡村电力系统架构的矛盾冲突，两者之间如何平衡还需要政府尽快明确相关规则；二是物理层面，如何与现有的乡村能源管理系统相衔接，成为乡村能源管理系统平台中的一个重要功能点还需具体考虑与部署。综上，本文从以下三个方面提出建设建议。

(1)政府应尽快针对能源区块链的实施制定相关准则。虽然现有政策暂不支持分布式“隔墙供电”，但“隔墙售电”是近几年政策一直鼓励的模式，然而目前“隔墙售电”效果甚微，需建立一套科学合理的输配电价和交叉补贴机制去适应现货市场、增量配电网、“隔墙售电”等新型电力交易模式。其次，还需加强对数据和电力币的安全管理以及监管力度。

(2)鼓励和推广能源企业开展技术创新应用。能源区块链试点应用过程中需要充分考虑技术融合和场景融合，保障区块链技术真正实现可落地可应用。能源区块链规模化推广过程中，面对技术在场景应用中存在的融合深度不足、覆盖领域较窄等问题，需要加快各方力量的统筹合作，加速创新应用突破，形成可复制推广的典型应用案例。

(3)企业在开展能源区块链应用时应充分发挥技术特性。根据实际电力交易情况来进行综合的分析和研究，实现区块链技术系统科学的应用，最主要的就是其系统化的交易算法，采用不同类型的算法以确保电力交易流程的规范化、科学化以及系统化。其次，能源安全作为国家安全的重要组成部分，企业在开展技术选型时应尽可能选择自主可控的底层区块链技术，避免因外部因素导致的技术供应风险。