區(qū)塊鏈技術(shù)在電力交易系統(tǒng)中的應(yīng)用

王沐雪，陳語柔，王紫葉，楊博俊

（三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

0 引 言

區(qū)塊鏈作為一種新興的交易方式，采用分布式存儲(chǔ)技術(shù)，以鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)記錄全部參與方的互動(dòng)信息，并將其以區(qū)塊方式妥善保存。為保證交易信息的完整性、不可篡改性和不可抵賴性，區(qū)塊鏈應(yīng)用密碼學(xué)原理處理交易過程的所有權(quán)確認(rèn)問題[1]。此外，區(qū)塊鏈記載的信息一旦生成，將永久保存。

電力交易一般包括電能交易、輸電權(quán)交易及輔助服務(wù)交易。我國現(xiàn)有的電力交易主要利用集中式交易中心完成，即通過特定的機(jī)構(gòu)主導(dǎo)整個(gè)交易過程。這不僅使得電力交易的全部參與者淪為數(shù)據(jù)孤島，數(shù)據(jù)流通不暢，而且忽略了電力市場(chǎng)主體的自主性和選擇性，無法避免在電力市場(chǎng)主體與交易主導(dǎo)機(jī)構(gòu)之間產(chǎn)生矛盾[2]。同時(shí)，電力交易難以追蹤溯源，缺乏安全可信的支持，一直被人詬病不公平、不透明?？梢?，由中心化調(diào)度方式所引起的信任問題，會(huì)給交易帶來很高的附加成本[3]。

在遵循電力市場(chǎng)“統(tǒng)一、開放、競(jìng)爭(zhēng)、有序”原則的基礎(chǔ)上[4]，將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于電力交易，達(dá)成了利用智能合約存儲(chǔ)電力交易信息，通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)執(zhí)行的電力交易方案，使結(jié)算過程變得更加簡(jiǎn)單并呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)化[5]。利用密碼學(xué)方式保證不可篡改性和不可偽造性的分布式賬本“記賬”，保證了電力交易系統(tǒng)的安全性和高透明度[3]。此外，區(qū)塊鏈準(zhǔn)確記錄了所有歷史交易，保證了交易的可追溯性。

目前，電力交易有別于普通商品交易。隨著電力市場(chǎng)的不斷開放，參與電力交易的交易實(shí)體逐漸增多，電力服務(wù)的交易方式和定價(jià)機(jī)制日趨復(fù)雜。因此，需采用有效的電力交易技術(shù)，確保電力交易系統(tǒng)的安全性和高透明度，盡可能降低信用成本和交易成本。在此背景下，本文對(duì)區(qū)塊鏈進(jìn)行概述，詳細(xì)解釋了區(qū)塊鏈的定義和特點(diǎn)，闡述了區(qū)塊鏈在電力交易系統(tǒng)中的應(yīng)用，并對(duì)電力交易系統(tǒng)中區(qū)塊鏈技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了總結(jié)，以期為相關(guān)研究人員提供一定幫助。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈技術(shù)源于比特幣，系其底層支撐技術(shù)，而比特幣是區(qū)塊鏈最初的應(yīng)用對(duì)象。2015年10月31日，《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》期刊的封面文章就區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行了分析，提出區(qū)塊鏈技術(shù)是“創(chuàng)造信任”的技術(shù)，在未來有可能給現(xiàn)有的商業(yè)合作模式帶來改變[6]。至此，許多學(xué)者開始對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行研究和探索（如圖1所示），區(qū)塊鏈技術(shù)逐步演化成復(fù)雜交易提供交互安全的技術(shù)。

圖1 “區(qū)塊鏈”CNKI學(xué)術(shù)趨勢(shì)

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)的定義

目前，關(guān)于區(qū)塊鏈技術(shù)的定義尚未形成公認(rèn)?！秴^(qū)塊鏈：新經(jīng)濟(jì)藍(lán)圖及導(dǎo)讀》一書中將其定義為一種公開透明的、去中心化的數(shù)據(jù)庫[7]。該定義闡明了區(qū)塊鏈最主要的兩個(gè)特點(diǎn)，但不夠清楚明晰。文獻(xiàn)[8]認(rèn)為，區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N由加密算法、共識(shí)機(jī)制等重要技術(shù)有機(jī)組合而成的去中心化基礎(chǔ)架構(gòu)和分布式計(jì)算范式。在文獻(xiàn)[8]的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[3]從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)方面，進(jìn)一步對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)的定義做出如圖2所示的闡述。該定義完整表達(dá)了區(qū)塊鏈技術(shù)身為一種全新的去中心化基礎(chǔ)架構(gòu)和計(jì)算范式的獨(dú)特性和創(chuàng)新性。

圖2 “區(qū)塊鏈”定義

1.2 區(qū)塊鏈技術(shù)的特點(diǎn)

區(qū)塊鏈采用密碼學(xué)方法、“區(qū)塊+鏈?zhǔn)健苯Y(jié)構(gòu)、共識(shí)算法、智能合約等一系列技術(shù)組合，使其擁有去中心化、透明化、可追溯性、系統(tǒng)自治性等特征。

（1）去中心化。區(qū)塊鏈技術(shù)并不是通過中心節(jié)點(diǎn)來建立多個(gè)節(jié)點(diǎn)間的信任關(guān)系，而是利用純數(shù)學(xué)方法，在多節(jié)點(diǎn)備份數(shù)據(jù)，大大提高了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的準(zhǔn)確性與可靠性。

（2）透明化。區(qū)塊鏈系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)則和數(shù)據(jù)在所有節(jié)點(diǎn)皆可查詢，信息高度透明，成為區(qū)塊鏈系統(tǒng)贏得信任的必要條件。

（3）可追溯性。區(qū)塊鏈利用時(shí)間戳和鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，不僅交易信息通過時(shí)間標(biāo)記來表明先后順序，其傳遞路徑還會(huì)經(jīng)由完整的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)記錄并追蹤，因此區(qū)塊鏈的交易信息難以被篡改。

（4）系統(tǒng)自治性。區(qū)塊鏈系統(tǒng)利用共識(shí)算法、智能合約等技術(shù)手段，確保系統(tǒng)可以在無第三方信任擔(dān)保的情況下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行、運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 電力交易系統(tǒng)的區(qū)塊鏈應(yīng)用

傳統(tǒng)的電力交易系統(tǒng)一般采用中心機(jī)構(gòu)管理與市場(chǎng)成員自我管理的方案管理交易。第一種方案在我國應(yīng)用廣泛，但具有較多缺陷。首先，由于需要第三方金融機(jī)構(gòu)的參與和大量工作人員來維護(hù)中心數(shù)據(jù)庫，該方案極大地提高了交易成本。其次，過度中心化意味著信息高度不對(duì)稱，掌握所有交易信息的中心機(jī)構(gòu)有可能對(duì)參與者的利益造成損害。最后，僅由中心機(jī)構(gòu)儲(chǔ)存交易信息，增加了數(shù)據(jù)丟失和被篡改的概率，可靠性較低。

不同于傳統(tǒng)電力交易系統(tǒng)，將區(qū)塊鏈應(yīng)用于電力交易系統(tǒng)，能夠提高電力資產(chǎn)發(fā)行、交易、服務(wù)和管理的有效性與安全性。基于區(qū)塊鏈的電力交易系統(tǒng)具有去中心化、時(shí)間戳、加密技術(shù)與智能合約等特征，它為電力交易的參與者提供了一種安全、可靠且透明、開放的解決方案系統(tǒng)。電力交易的參與者主要分為四類：①生產(chǎn)者（傳統(tǒng)發(fā)電廠、新能源電站等）；②生產(chǎn)消費(fèi)者（家庭光伏用戶、含UPS的商業(yè)樓宇等）；③一般消費(fèi)者（普通家庭用戶、普通商業(yè)樓宇等）；④公共設(shè)施維護(hù)者（國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)等）。

2.1 電力交易系統(tǒng)區(qū)塊鏈的具體應(yīng)用

對(duì)于以區(qū)塊鏈為技術(shù)基礎(chǔ)的電力交易系統(tǒng)，區(qū)塊鏈技術(shù)作為一項(xiàng)底層技術(shù)，可應(yīng)用于交易過程的如下數(shù)個(gè)環(huán)節(jié)。

（1）電力交易計(jì)費(fèi)介質(zhì)。交易介質(zhì)是區(qū)塊鏈系統(tǒng)的核心部件，與比特幣和以太幣類似，在將電力虛擬為數(shù)字資產(chǎn)時(shí)，選用“電力幣”作為交易介質(zhì)，可以促進(jìn)電力交易系統(tǒng)區(qū)塊鏈的發(fā)展。

（2）電力的登記發(fā)行。電力的登記發(fā)行用來表示在任意某時(shí)間發(fā)電廠能夠生產(chǎn)電量的多少。在電力交易系統(tǒng)區(qū)塊鏈中，將電力虛擬化為數(shù)字資產(chǎn)“電力幣”，并在區(qū)塊鏈上登記發(fā)行，用戶可以以購買實(shí)際商品的方式購買電力。

（3）電力買賣交易。電力生產(chǎn)商將電能發(fā)行到區(qū)塊鏈上，用戶（個(gè)人或者企業(yè)）通過電力交易平臺(tái)或者線下點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式即可進(jìn)行電力買賣交易。該過程的交易信息包含買家和賣家信息、電價(jià)信息和交易電量等。

（4）電費(fèi)收繳與補(bǔ)貼發(fā)放。作為傳統(tǒng)電力交易系統(tǒng)的一項(xiàng)重要工作，電費(fèi)收繳往往會(huì)耗費(fèi)較多人力?；趨^(qū)塊鏈的電力交易系統(tǒng)可以較輕松完成電費(fèi)收繳的任務(wù)。利用區(qū)塊鏈技術(shù)，既可以在使用過程中實(shí)時(shí)收繳電費(fèi)，還可以記錄并分辨電能是否為環(huán)保能源，配合政府的補(bǔ)貼政策對(duì)環(huán)保電力能源的生產(chǎn)和消費(fèi)予以鼓勵(lì)。

（5）電力支付清算。采用“電力幣”記錄電力交易信息有助于緩解電力支付清算結(jié)算壓力。利用區(qū)塊鏈技術(shù)，在節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行分布式交易程序和智能合約技術(shù)，無需經(jīng)由銀行即可實(shí)現(xiàn)電力支付實(shí)時(shí)清算結(jié)算。

2.2 電力交易系統(tǒng)的區(qū)塊鏈交易過程

電力交易系統(tǒng)的區(qū)塊鏈交易過程，重視利用區(qū)塊鏈交易記錄的不可篡改性和不可否認(rèn)性，可準(zhǔn)確記錄電力交易的全過程。核心步驟如圖3所示。

圖3 基于區(qū)塊鏈的電力交易過程

3 電力交易系統(tǒng)中區(qū)塊鏈應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)

當(dāng)前，盡管基于區(qū)塊鏈的電力交易系統(tǒng)的研究已取得一定進(jìn)展，但作為剛剛興起的新技術(shù)，區(qū)塊鏈仍面臨著問題和挑戰(zhàn)。在電力交易系統(tǒng)中，區(qū)塊鏈面臨的挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在技術(shù)與政策兩個(gè)層面。

3.1 技術(shù)層面

區(qū)塊鏈技術(shù)是新興技術(shù)，仍處于發(fā)展階段，本身仍有可完善、改進(jìn)的余地。區(qū)塊鏈技術(shù)在能源領(lǐng)域的應(yīng)用案例數(shù)量少、規(guī)模小，技術(shù)層面的潛在問題無法得到完全突顯。目前，區(qū)塊鏈技術(shù)在應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)問題大體可總結(jié)為如下三個(gè)方面。

（1）信息安全問題。區(qū)塊鏈技術(shù)使用的加密機(jī)制、智能合約和隱私保護(hù)機(jī)制，均存在安全隱患。隨著密碼學(xué)的發(fā)展，區(qū)塊鏈采用的加密機(jī)制會(huì)日趨脆弱，分布式節(jié)點(diǎn)被侵入的概率逐漸提高，會(huì)引起節(jié)點(diǎn)賬本信息泄露問題。區(qū)塊鏈技術(shù)的智能合約尚為實(shí)現(xiàn)規(guī)范統(tǒng)一，且本身具有安全威脅問題，因此需要定期更新維護(hù)智能合約。區(qū)塊鏈系統(tǒng)的各節(jié)點(diǎn)無法完全匿名，數(shù)據(jù)完全公開透明，極不利于用戶的隱私保護(hù)。

（2）效率及響應(yīng)速度問題。區(qū)塊鏈系統(tǒng)要求每一個(gè)節(jié)點(diǎn)存有一份完整的數(shù)據(jù)，而區(qū)塊鏈長度的增長將導(dǎo)致數(shù)據(jù)存儲(chǔ)成本的提高。此外，交易過程中，由于區(qū)塊鏈最優(yōu)結(jié)果牽涉到大量節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸與驗(yàn)算，故區(qū)塊鏈每秒處理的交易量與成熟的銀行交易平臺(tái)相比不夠大。電力交易系統(tǒng)區(qū)塊鏈的交易延時(shí)問題會(huì)限制其應(yīng)用項(xiàng)目的規(guī)模。

（3）數(shù)據(jù)維護(hù)問題。每個(gè)人都有電力交易需求，使得基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電力交易系統(tǒng)包含海量的節(jié)點(diǎn)。此外，每一節(jié)點(diǎn)自身存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量極大，所以對(duì)項(xiàng)目的總體數(shù)據(jù)進(jìn)行信息篩選、管理和維護(hù)極其困難。

3.2 政策層面

能源安全關(guān)乎國家命脈。在能源行業(yè)應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)，必定會(huì)對(duì)傳統(tǒng)業(yè)務(wù)模式造成沖擊，故國內(nèi)外對(duì)區(qū)塊鏈在能源行業(yè)的應(yīng)用都十分謹(jǐn)慎。相關(guān)項(xiàng)目要落到實(shí)處，必須有相關(guān)政策和法律的支持。目前，這項(xiàng)新技術(shù)在法律使用方面具有不確定性。隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的不斷發(fā)展，極可能與法律規(guī)則存在一定程度的不兼容，這將會(huì)限制區(qū)塊鏈的發(fā)展。此外，區(qū)塊鏈技術(shù)的信任機(jī)制全然不同于傳統(tǒng)交易，與之對(duì)應(yīng)的法律尚未制定，一旦產(chǎn)生糾紛，立法、執(zhí)法機(jī)構(gòu)與企業(yè)管理者要如何利用法律手段加以處理，有待商榷。

4 結(jié) 論

電力交易系統(tǒng)的參與者眾多，一直都存在由信任問題導(dǎo)致的交易摩擦。區(qū)塊鏈技術(shù)憑借其去中心化、公開、透明的特點(diǎn)，可以較高程度地解決該問題。本文針對(duì)電力交易過程的具體環(huán)節(jié)，分析了區(qū)塊鏈技術(shù)在各個(gè)環(huán)節(jié)的應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上給出了基于區(qū)塊鏈的電力交易方法和具體交易過程。雖然區(qū)塊鏈技術(shù)在電力交易中顯示了良好的前景，但區(qū)塊鏈技術(shù)并非萬能，它的核心優(yōu)勢(shì)是將集中管理變更為分布式，并沒有提高系統(tǒng)性能。鑒于此，本文最后從技術(shù)和政策兩方面論述了區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于電力交易系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)，這有助于建立符合中國國情的基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電力交易系統(tǒng)。