不同区块链架构对分布式能源交易适用性分析

符安文

摘要：传统的电力市场交易模式主要由电力调度部门根据市场实际需求和供需计划，并以集中的方式将发电厂内的电量调度给用电方。当下，随着我国分布式的快速发展，并网需求与日俱增，集中调度方式逐渐退出历史舞台，而区块链架构下分布式能源交易便有效解决了这一问题，这是因为区块链中具备的节点对等、去中心化及数据公开透明等的特点与分布式能源交易的方式基本相似。文章主要针对分布式能源交易过程中的可靠性低、速度慢的问题提出了不同区块链架构对分布式能源交易模式。

关键词：区块链架构 分布式能源 交易模式 适用性

中图分类号：TM73   文献标识码：A

Analysis of the Applicability of Different Blockchain Architectures to Distributed Energy Transactions

FU Anwen

（Chengdou Xcener Blockchain Co.， Ltd.， Chengdu，Sichuan Province，610041 China）

Abstract： The transaction mode of the traditional power market is that the power dispatching department dispatches the electricity in the power plant to the electricity consumer in a centralized manner according to the actual market demand and supply and demand plan. At present， with the rapid development of distribution in China， the demand for grid-connection is increasing day by day， and the centralized scheduling method is gradually withdrawing from the historical stage. Distributed energy transactions under the blockchain architecture can effectively solve this problem， and this is because the characteristics of node peering， decentralization and data openness and transparency in the blockchain are basically similar to the way of distributed energy transactions. This article mainly aims at the problems of low reliability and slow speed in the process of distributed energy transactions， and proposes the model of   different blockchain architectures to distributed energy transactions.

Key Words：Blockchain architecture;Distributed energy;Transaction mode;Applicability

2016年，自“十三五”規划实施以来，我国相关部门不断出台文件引导企业进行能源供给侧结构性改革，并正在努力地从过去的集中能源供给向着分布式能源的方向转变，特别是在相关政策的正确引导和资本市场的大力推动下，分布式能源在我国各个城市地区实现了迅速的推广和应用。在这样的背景之下，发改委与能源局联合出台了《关于开展分布式发电市场交易试点的通知》（以下简称《通知》），这就为分布式能源的改革与发展提供了源源不竭的动力。2019年，江苏省、广东省开始全面贯彻与实施《通知》，并根据《通知》中的具体要求制定了符合自身实际情况的分布式能源交易政策和文件。

1区块链与分布式交易能源概述

1.1区块链

近两年来，不同区块链架构在分布式能源教育中发挥出了十分重要的作用，例如在工业方面，相关部门尝试在知名企业的项目中开展分布式交易能源模式，相关学者也提出了借助余量上网的配电网新型交易模式，优化和完善了不同区块链在用户用电、购电方面的应用机制，编制了区块链弱中心化电力交易方案和管理机制，分析了不同区块链架构与分布式能源交易的适用性，介绍了一种基于区块链分布式能源交易系统；设计了不同区块链下分布式能源交易监管模型，建立了一种不同区块链架构下的分布式能源交易新理念。尽管如此，由于上述研究和应用未能根据我国当前最新出台的政策进行紧密结合，如《通知》中就过往机制与可再生能源消纳考核机制的制定办法。因此，如何更好地促进不同区块链架构在分布式交易能源中的价值和作用，制定与我国国情相符合的分布式能源交易方案，还需要进行不断的探索和研究。

1.2分布式能源交易

分布式能源交易自出现以来就具有参与主体多、位置不集中、数量交易额度小等的特点，这就在无形之中增加了分布式能源交易的难度，提升了分布式交易能源的交易成本。在分布式能源交易过程中，双方除了应当尽到自己的责任和义务，还应当与相关部门发布的政策性文件建立紧密的联系性。同时，又由于分布式交易能源的交易中心是以信息孤岛的形式存在的，具有信息共享难度大、协同效率低下等问题，因此建立分布式交易能源中心可能并不现实，所以提出一种既可以降低交易成本，又可以共享各个部门数据信息的方案显得尤为重要^[1]。

2基于区块链的分布式能源交易方案设计

2.1分布式能源交易机制

《通知》中明确指出要注重和加强分布式能源与电力用户之间的交易，借助市场优势，激发分布式能源发电房与用户交易的积极性和主动性。同时，通过设定的电网费标准可以帮助用户明确自身所处的电压等级、配送电价与交易过程中对应的输出和配电之差。

分布式能源与电力用户之间的交易方式主要有双边协商、集中竞价和挂牌交易3种类型，在实际的交易过程中由于交易双方考虑到了分布式能源当前的市场情况，所以文章主要以挂牌交易去中心化能源交易所（decentralized energy exchange，DEEX）为主要研究对象对全文进行统筹分析。DEEX在不同区块链架构下既是参与者也是组织者，参与者指的是在分布式能源交易过程中的发布方、电力用户、电网公司及负责可再生能源的信息管理中心；组织者和维护者指的是用来验证分布式交易能源节点的人员，也就是说当该节点为参与者时，便可以向DEEX平台发送交易请求，当该节点为矿工的情况下，就可以自动生成新的区块链并添加至相应的链条上，进而实现自监督的根本目的。在DEEX中，一个完整的分布式能源交易过程可以划分为交易和交割两个过程，交易作为交割的前提条件，主要包括自由报价交易、预付费交易；交割主要包括正常的电量交易和结算交易两种类型。

2.1.1 自由报价交易

自由报价交易是分布式能源交易最常见的一种交易模式，与挂牌交易模式有着很多的相似之处，且在不同区块链架构下支持市价和限价两种交易模式。其中，市价交易模式指的是分布式能源的发布者在当前的市场环境中期望选择一个或者多个理想的交易对象进行交易，且该笔交易可以立即达成；限价交易指的是分布式能演的发布者不满足当前的市场价格而提出的自己期望的交易价格、交易方式和交易时间，并等待用户可以响应这一交易过程，但无法控制有关的交易事项。

由于分布式交易能源方、电力用户很有可能是处在不同的拓扑位置和电压等级上的，因此在具体的交易过程中应综合考虑过网费对分布式能源交易可能带来的影响，对于不同区块链架构下的分布式能源发布方在当前的市场中最理想的交易对象是以不确定的形式存在的，此时，DEEX便可以以参与者的角色向被交易的一方提供准确的电压等级和所在的拓扑位置，帮助和引导参与主体查询分布式能源交易情况，再确定以何种交易模式进行交易^[3]。

2.1.2 预付费交易

在分布式能源的预付费交易环节，电力用户应当根据自己在某一个周期内已经使用的电量向DEEX平台中预先存入一些费用，发布方也应当在该平台中存入一定的保证金，便于分布式能源交易实现自动结算目的。

2.1.3 费用结算

在分布式能源的费用结算阶段，不同的参与主体可以通过安装可以自动运行的智能电表，准确反映用电和发电情况，但需要电网公司将电量在规定的时间内送入电力使用方即可。例如，分布式交易能源的发布方与电力用户二者之间不论哪一方出现了交易偏差问题时，应当在查明原因的同时立即追究过错方的责任，为避免这一问题的出现，增加不必要的工作任务量。基于此，文章提出如下实施方案：分布式能源发电方输出的协议约定范围内的用电量，电价部门有权按照当前的市场价格提醒其尽快缴费，而少于协议内容的电量则可以按照电力用户当前使用的目录单价先向电网公司购买一定数量的电量后再输送至电力用户。在这样的情况下，如果电力用户所使用的电量超过了协议范围内的电量，电网公司同样有权按照当前的市场价格提醒其进行缴费，而低于协议内容的电量则可以当作协议之外的标准销售给电网公司。

2.2可再生能源消纳认证机制

2019年，国家能源局首次发布了《可再生能源消纳保障机制》，在该机制中明确提出了分布式能源交易双方都具有可再生能源消纳责任，消纳量不足的一方可以向另一方购买超额的消纳量进而在电网公司平台上获得绿证。绿证的核发单位为国家能源局在各个城市地区设立的可再生能源信息管理中心，但绿证的核发时间较长，且流程较为复杂。可再生能源作为分布式能源中的一个重要组成部分，在具体的分布式能源交易过程中，需要以记录代核发的身份对分布式交易能源双方进行审核，即当双方之间达成一笔分布式能源交易时，便可以认定为其中的一方已经具备了能源局核发的绿证，此时分布式能源发布方可以将绿证经过交易流转至电力用户名下，转化成消纳量，这一代核发的方法可以省去分布式能源发布方的申报和国家可再生能源信息管理中心进行核发，减少了双方工作人员繁重的工作任务量。诚然，由于不同区块链架构下的分布式能源发布方与国家可再生能源信息管理中心并不属于同一个同一部门，也不属于一个同时管理二者的上级部门，即使是设立了专门的部门，又由于费用较高的问题也只能被搁浅下来。所以，传统的记录代核发方式早已难以满足不同区块链架构下分布式能源交易模式了。此时，就可以将可再生能源信息管理中心看作成一个独立的节点，通过全部交易主体的一致确认的基础上核发绿证，实现分布式能源的流转^[4]。

文中所述分布式能源發布方与电力用户交易过程就涵盖了绿证的流转，而在具体的远期扩展工作中，DEEX应当综合考虑挂单交易模式下是否可以实现绿证的流转，并为绿证需求的所有参与者提供交易平台，绿证交易平台的现有方案全部为挂牌交易模式。

2.3信用管理机制

信用管理机制下的分布式能源交易模式指的是先预付一部分费用再进行交易的一种模式，综合考虑到交易双方的发电量和用电量的不确定性，交易违约的情况值得深入研究。在国家大力提倡分布式能源的背景下，如果分布式能源交易的现象只增不减，对于电网来说是一种严峻的挑战，不仅会使得交易过程变得更加艰难，还违背了分布式交易能源的初衷，因此很有必要对不同区块链架构下的分布式能源进行详细的分析与研究。基于此，文章提出了基于分布式交易能源完成情况的计算方法，然后将计算的结果与分布式交易能源在交易环节存入的保证金、市场准入机制结合在了一起，即不同交易方在分布式能源交易过程中的信用程度越低，保证金的比例就会越低，如果交易主体的信用保证金低于了下限，电网公司有权禁止交易双方进入DEEX中^[5]。

分布式能源发布方在n个交易周期后的信用平均值计算公式如式（3）所示：

式中，代表第i个周期内分布式交易能源双方已经消耗的电量，如果实际使用的电量大于双方协议范围内的电量，本周期内的电量使用情况用I表示，如果实际发电量小于协议发电量，本周期信用代表已经完成的电量，电力用户在未来n个周期内的电量交易计算方法同上，但下限应控制在0.5之内。

分布式能源交易发电方在第n个交易需要提供的保证金计算公式如下：

式中，代表电力用户已经确定的目录电价，并在目录单价下设置交易主体信用初值为1，式（4）中表明：某一个特定周期内分布式能源交易双方存入的电力保证金与电力用户当前的电量使用情况成反比，但是与本期内分布式交易能源双方协议范围内的总价则成正比，也就是说当分布式能源一方的电力信用等级为1时，保证金数额处于下限时，总电费按照5%计算，当下限超过0.5%时，保证金数额就超过了上限，总电费为55%。

电力用户事先预存的费用可以起到重要的保证作用，即当用户的用电量不足时，便可以从预付费中扣除保证金使自身的信用不因此而受到影响；同时，所有的分布式能源交易主体，交易主体要能在保证自身经济利益不受损害的情况下，才能获得参与DEEX的交易资格。

3基于不同区块链分布式能源交易的实现方案

3.1正确选择区块链平台

在对不同区块链架构下分布式交易能源不断研究的背景下，很多独具特色和优势的区块链平台，每一个平台都可以作为一个矿工，都在竭尽全力地求解一道Ethash的数学难题，最先得出结果的主体可以获得记账的权利，主要职责是负责以太网环境下产生的新的分布式能源交易事项，然后将交易结果统一打包至一个区块链中，并将此共享给其他的矿工使用。需要特别说明的是，该交易过程仅仅指的是形式上的交易，除了要进行及时的转账之外，不论是协议还是协议之外的其他部署均应列入这一范畴。此外，以太网作为分布式能源交易的主要技术支撑，从目前情况来看，其技术已经相当的成熟，该平台的应运而生可以有效降低交易难度。

私有链作为区块链下的另一个节点，在使用之前需要进行身份确认、审查，数据信息仅供区块链读取，而与私有链可以相提并论的就是公有链，公有链下所有的阶段均可以随意进入，链上的数据信息也可以供所有的交易主体随时享用。

在分布式能源交易过程中，所有的参与主体均需要以真实的身份进入，禁止被DEEX之外的参与主体获取，因此，可选择私有链作为主要方案实现途径。

3.2方案的实现

以太网为技术支撑的分布式能源交易需要借助软硬件两个层面来实现。其中，硬件环境下的分布式能源交易需要借助智能电表，用来计算电力用户的电量使用情况和其他的数据信息，在交易完成后，智能电表就可以通过Socket的形式向电力用户真实地反馈所需要的数据信息，确保分布式交易工作的顺利进行。

软件层主要有交互界面、客户端、智能合约及多主体区块链共同组成，但需要每一个交易主体设置以太网为主的虚拟机EVM客户端，借助信息技术的优势将二者联系在一起，进而建立起一种多主体的私有链。同时，每一个阶段中还对交易流程进行了个性化的部署，借助truffie开发工具实现。各个交易主体在交易页面中自由访问合约，并进行自由交易。

3.3智能合约编写

3.3.1自由报价成交阶段

1. 获得绿证函数。该绿证函数可以作为所有的分布式能源交易主体将资金转化至DEEX通道中提供重要的保证，在进入DEEX之前所有的参与主体都需要在所在区域内的金融机构开设一个账户，专门用来存放参与分布式能源交易所需要的资金。当参与主体账户余额不足的情况下，可以继续向该账户转入相应数量的金额。而金融机构也有权定期查看分布式能源交易主体的交易记录，并能根据正在运行的轻节点调整相应的函数，在参与分布式能源交易的账户总增加Token，综合考虑到该节点需要花费大量的成本，金融机构可以向各个参与主体收取相应的手续费。
2. 限价交易函数。如果市场上对分布式能源没有公开的报价，又或者是參与分布式交易能源的各个主体对当前市场中设定的价格标准并不满意，而参与主体又有充足的权利可以调整该价格，并向对方出示自己认为理想的价格，用电数量、所在的拓扑位置及重要的身份信息。其中，协议中明确规定的参与主体所提交的期望价格并不是可以随意设定的，而是根据自己愿意支出的部分，并根据参与主体的拓扑位置和指定的配网系统所对应的电压等级进行编号^[6]。

3.3.2预付费阶段

1. 预付费用查询。当分布式能源交易进入预付费这一环节后，各参与主体同样可以进入DEEX平台中，深入在该平台上已经注册的账号和密码，查询自己应当支付的交易费用。但是，由于每一个参与主体都有多笔不同的或者是已经成交的订单，订单中又包括不同的交易对象、交易时间和交易价格等。因此，该函数的实现为当前周期的数组内容。
2. 撤单函数。撤单函数指的是参与者的订单未能在既定的时间内得到其他参与主体的积极回应，或者是正处于交易过程中的分布式能源未能完成，就可以通过这一函数，测回订单。

3.3.3结算阶段

（1）发电量反馈函数。分布式能源进入结算阶段，各主体方的智能电表可以使用该函数向对方反馈发电数量；合约方为每一个参与主体分别设置了电网额外的电量，主要用来记录电网公司可以完成收购的电量，作为后续结算的凭证，当交易的电量超过协议范围时，该函数中的Grid Buy值就会自动得到更新。

（2）用电量反馈函数。当电网公司检测到分布式交易能源的主体已经使用的电量时，智能电表就会自动调整该函数，并向对方反馈自己的用电量。

4结语

综上所述，文章主要论述了不同区块链下分布式能源交易的相关事项，期望能为我国分布式能源交易的实施带来些许有益帮助。另外，运用分布式交易能源的可再生能源认证条件、绿证核发及信息管理方式，有效克服了传统交易模式下各个分布式能源发布方各自为政的缺点和弊端，验证了方案的有效性。

参考文献[1] 沈翔宇，陳思捷，严正，等.区块链在能源领域的价值、应用场景与适用性分析[J].电力系统自动化，2021（5）：18-29.