基于主從區(qū)塊鏈技術(shù)的區(qū)域能源交易架構(gòu)

楊 亭，雷 霆

(國網(wǎng)四川省電力公司綿陽供電公司，四川 綿陽 621000)

0 引 言

隨著能源結(jié)構(gòu)和電力體制的改革步伐越來越快以及信息技術(shù)的快速進(jìn)步，能源產(chǎn)業(yè)改革迫在眉睫[1-3]，而市場化的能源交易是產(chǎn)業(yè)改革的前哨，急需轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)交易模式和交易方法來應(yīng)對能源產(chǎn)業(yè)的變革。

現(xiàn)階段的能源交易主要以交易方法和模式為主，能源企業(yè)通過第三方服務(wù)平臺進(jìn)行售電交易并管理交易過程[4]。在目前的區(qū)域能源交易中存在交易主體少、平臺維護(hù)成本高、交易效率低、安全性低等問題[5-6]。因此，需要因地制宜、以多元化主體的區(qū)域能源交易平臺解決傳統(tǒng)交易存在的效率低、安全性低等問題，擴(kuò)大交易邊界，提升區(qū)域能源交易效率。

目前區(qū)塊鏈技術(shù)在能源交易中的研究已經(jīng)取得了一定進(jìn)展。在相關(guān)研究中，以分布式能源的點(diǎn)對點(diǎn)交易為主。文獻(xiàn)[7-10]主要從區(qū)塊鏈的去中心化的特點(diǎn)出發(fā)，提出了點(diǎn)對點(diǎn)交易的能源結(jié)算模式。文獻(xiàn)[11]主要分析了區(qū)塊鏈在電力交易中的應(yīng)用，給出了區(qū)塊鏈未來的發(fā)展趨勢。文獻(xiàn)[12-16]給出了區(qū)塊鏈技術(shù)在傳統(tǒng)電網(wǎng)調(diào)度中的應(yīng)用，如通過用區(qū)塊鏈技術(shù)對電網(wǎng)中出力不穩(wěn)定的新能源進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，通過區(qū)塊鏈的去中心化架構(gòu)建立虛擬電廠更好地對電能資源進(jìn)行配置。文獻(xiàn)[17-20]給出了區(qū)塊鏈技術(shù)在分布式能源交易中的應(yīng)用，如通過博弈論模型解決分布式能源問題、通過聯(lián)盟鏈技術(shù)解決分布式能源交易中的信任問題等。

以上文獻(xiàn)運(yùn)用的區(qū)塊鏈技術(shù)多數(shù)是在分布式交易中進(jìn)行，并且運(yùn)用單一類型的區(qū)塊鏈技術(shù)，而隨著市場上不同主體及各種能源類型的不斷加入，單一的點(diǎn)對點(diǎn)交易模式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)有多方交易的現(xiàn)實。因此，下面從區(qū)域能源交易的實際出發(fā)，建立主從區(qū)塊鏈模型滿足多方交易的需求，同時滿足了交易安全性的問題；接著構(gòu)建適合區(qū)域能源交易的基于主從區(qū)塊鏈技術(shù)的區(qū)域能源交易架構(gòu)解決多方交易的問題，并通過仿真測試證明了該交易架構(gòu)和模型的可行性。

1 區(qū)塊鏈在區(qū)域能源交易中的可行性分析

1.1 區(qū)域能源交易主體

在區(qū)域能源交易中，主要涉及到以下4類主體：1)源端主體，包含各類傳統(tǒng)電廠、新能源發(fā)電廠以及部分擁有分布式能源點(diǎn)大用戶；2)電網(wǎng)端主體，包含國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)等大的電網(wǎng)公司以及地方電網(wǎng)公司；3)能源聚合商主體，主要由民營售電公司和綜合能源公司組成；4)用戶端主體，主要由區(qū)域內(nèi)的工業(yè)、商業(yè)大用戶、一般用戶和擁有微網(wǎng)系統(tǒng)的新能源用戶組成。

1.2 主從區(qū)塊鏈在區(qū)域能源交易中的可行性分析

目前區(qū)塊鏈的類型主要有3種：公有鏈、聯(lián)盟鏈和私有鏈。它們的主要區(qū)別在于節(jié)點(diǎn)的開放程度上。公有鏈完全開放用戶節(jié)點(diǎn)，這就導(dǎo)致參與主體多的時候，運(yùn)行處理速度較慢；由于挖礦機(jī)制耗能高，但完全開放程度使得其安全性最高，同時由于完全開放的用戶節(jié)點(diǎn)，使得所有參與主體都有通過挖礦方式獲取區(qū)塊讀寫的權(quán)限。聯(lián)盟鏈半開放用戶節(jié)點(diǎn)，與公有鏈相比速度較快，能耗低，但安全性比公有鏈稍低；由于對用戶節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了權(quán)限設(shè)定，僅有權(quán)限的節(jié)點(diǎn)可以獲取區(qū)塊讀寫的權(quán)限。私有鏈?zhǔn)遣婚_放用戶節(jié)點(diǎn)，與公有鏈、聯(lián)盟鏈相比，運(yùn)行處理數(shù)據(jù)速度快，反應(yīng)及時，但安全性低；同時僅不開放節(jié)點(diǎn)擁有區(qū)塊讀寫權(quán)限，其他節(jié)點(diǎn)則無法參與。區(qū)塊鏈的主要類型和特點(diǎn)如表1所示。

表1 區(qū)塊鏈類型和特點(diǎn)

公有鏈由于任何人都可通過挖礦方式獲取權(quán)限，因此此類區(qū)塊鏈不可逆且穩(wěn)定性高，但維護(hù)成本較大，不適合大規(guī)模的區(qū)域能源多主體交易。聯(lián)盟鏈半開放的特點(diǎn)適合區(qū)域電網(wǎng)中多主體需要權(quán)限控制的情況，不同主體互動時，交易的協(xié)調(diào)優(yōu)化會涉及到利益的分配，因此聯(lián)盟鏈由于其特點(diǎn)可支持多用戶節(jié)點(diǎn)間的利益分配、資金轉(zhuǎn)移、交易結(jié)算等應(yīng)用。私有鏈的特點(diǎn)適用與某一特定類型的交易服務(wù)，把交易數(shù)據(jù)存儲在其區(qū)塊里，可供其他節(jié)點(diǎn)檢索提取數(shù)據(jù)。

根據(jù)對3種區(qū)塊鏈特點(diǎn)的分析，考慮到區(qū)域能源交易主體的構(gòu)成，選擇聯(lián)盟鏈+私有鏈的模式進(jìn)行交易平臺的構(gòu)建，以聯(lián)盟鏈為主鏈網(wǎng)絡(luò)、私有鏈為從鏈網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)建立主從區(qū)塊鏈模型。

2 基于主從區(qū)塊鏈的區(qū)域能源交易架構(gòu)

下面采用多鏈形式實現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)各主體內(nèi)部的可信及協(xié)同自治，確保各主體間信息公開、可信互聯(lián)，進(jìn)一步保障區(qū)域能源電網(wǎng)交易應(yīng)用的可追溯性和安全高效性，深入研究區(qū)域電網(wǎng)多方交易場景與區(qū)塊鏈技術(shù)的匹配性。

基于主從區(qū)塊鏈技術(shù)的區(qū)域能源交易系統(tǒng)具有匿名性、安全性、公開性的特點(diǎn)，即可以實現(xiàn)匿名的交易雙方互信、交易安全以及信息公開。圖1所示的區(qū)域能源交易架構(gòu)以區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)連接。該架構(gòu)有能源端、電網(wǎng)端、能源聚合商和用戶端4類主節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間通過區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)互相連接，形成多方點(diǎn)對點(diǎn)交易模式，多方協(xié)同，用能優(yōu)化互補(bǔ)，進(jìn)而提高區(qū)域能源交易的效率和效益。

圖1 基于主從區(qū)塊鏈的區(qū)域能源交易總體架構(gòu)

分屬4類主節(jié)點(diǎn)的從鏈網(wǎng)絡(luò)具有如下功能：1)源端節(jié)點(diǎn)和能源聚合商節(jié)點(diǎn)下的從鏈網(wǎng)絡(luò)包括風(fēng)、火、光、儲等分節(jié)點(diǎn)，分節(jié)點(diǎn)間能源優(yōu)化互補(bǔ)，形成分節(jié)點(diǎn)間協(xié)同效果；2)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)下的從鏈網(wǎng)絡(luò)以能源調(diào)度為基礎(chǔ)，同時開展能效分析、綜合監(jiān)測和用能服務(wù)等增值業(yè)務(wù)；3)用戶端節(jié)點(diǎn)下的從鏈網(wǎng)絡(luò)包括工業(yè)、商業(yè)、一般用戶、電動汽車等分節(jié)點(diǎn)。

上述各主節(jié)點(diǎn)和其擁有的分鏈網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了交易公開、可信、安全的主從區(qū)塊鏈交易架構(gòu)。主鏈網(wǎng)絡(luò)通過聯(lián)盟鏈進(jìn)行鏈上交易，信息公開互享，主節(jié)點(diǎn)下的從鏈網(wǎng)絡(luò)通過私有鏈進(jìn)行鏈上交易。同時可以賦予政府監(jiān)管權(quán)限，即政府擁有對各主節(jié)點(diǎn)交易數(shù)據(jù)查看的權(quán)限，可以隨時查看并溯源。主鏈網(wǎng)絡(luò)上的各主節(jié)點(diǎn)擁有主鏈和從鏈網(wǎng)絡(luò)的管理員權(quán)限，如對主鏈和從鏈區(qū)塊的設(shè)定、發(fā)布交易需求、交易資產(chǎn)以及與交易網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)(主、從節(jié)點(diǎn))進(jìn)行交互等功能。各主節(jié)點(diǎn)下的從鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)僅有在本從鏈網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)權(quán)限和向主鏈上傳從鏈內(nèi)容的權(quán)限。

3 主從區(qū)塊鏈模型

3.1 模型建立

由前面分析可知區(qū)域電網(wǎng)下的交易涉及到多方交易，并不是傳統(tǒng)意義上區(qū)塊鏈點(diǎn)對點(diǎn)的單一交易模式，目前所研究的基于區(qū)塊鏈的分布式能源交易模型并不適合所述的多方交易。因此，在研究聯(lián)盟鏈的基礎(chǔ)上，加入私有鏈，建立了采用多鏈形式的主從區(qū)塊鏈模型。這樣既能保證區(qū)塊鏈的安全互信和去中心化，也能進(jìn)行多方交易，提升區(qū)塊鏈模型的高效和信任問題，同時也提高了區(qū)域能源交易的開放程度。

如圖2所示的主從區(qū)塊鏈模型由兩部分組成：主鏈網(wǎng)絡(luò)和從鏈網(wǎng)絡(luò)。主鏈部分主要由源端、電網(wǎng)、用戶、能源聚合商等主節(jié)點(diǎn)以及交易過程中形成的關(guān)鍵數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)組成。主鏈節(jié)點(diǎn)主要記錄著用戶ID、交易設(shè)置、交易需求、交易資產(chǎn)和節(jié)點(diǎn)間的交互功能等關(guān)鍵信息。每個主鏈節(jié)點(diǎn)和關(guān)鍵數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了主鏈網(wǎng)絡(luò)。

圖2 主從區(qū)塊鏈模型

從鏈部分主要由功能節(jié)點(diǎn)和加密節(jié)點(diǎn)組成。功能節(jié)點(diǎn)是具有相應(yīng)功能的從鏈節(jié)點(diǎn)，如電網(wǎng)端的能效分析、綜合監(jiān)測等節(jié)點(diǎn)，加密節(jié)點(diǎn)主要為主從網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換提供安全保障。從鏈節(jié)點(diǎn)主要記錄用戶ID、能源額度、能源類型、地理位置、能源價格、加密數(shù)據(jù)等交易參數(shù)和加密參數(shù)。主鏈節(jié)點(diǎn)下的所有功能節(jié)點(diǎn)和加密節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了從鏈網(wǎng)絡(luò)。

3.2 安全性分析

由于所采用的主從區(qū)塊鏈模型與單一類型的區(qū)塊鏈模型不同，單一類型的區(qū)塊鏈模型所具有的不可篡改性質(zhì)，主從區(qū)塊鏈模型仍需具有。因此下面對所建模型進(jìn)行安全性分析證明。

假定在主從區(qū)塊鏈模型下，構(gòu)建主鏈區(qū)塊和從鏈區(qū)塊的共識算法中，拜占庭容錯節(jié)點(diǎn)不超過總節(jié)點(diǎn)一半，即

i<(j+1)/2

(1)

式中：i為拜占庭容錯節(jié)點(diǎn)；j為節(jié)點(diǎn)總個數(shù)。

由上述假設(shè)知，在區(qū)塊形成過程中，區(qū)塊總結(jié)點(diǎn)個數(shù)大于拜占庭節(jié)點(diǎn)數(shù)，則某一時刻由拜占庭節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的區(qū)塊可能性X為

X=i/j

(2)

由式(1)可知，拜占庭節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生無效區(qū)塊的可能性小于0.5，依據(jù)區(qū)塊生效原則，若要使得區(qū)塊生效，則該區(qū)塊需要成為前驅(qū)區(qū)塊并且高度增加。因此，無效區(qū)塊轉(zhuǎn)化為有效區(qū)塊的概率以0.5為底的指數(shù)增加，隨著數(shù)據(jù)的增加和鏈的增長，該概率趨向于0。

由上述結(jié)論可知，任意時間內(nèi)由拜占庭節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的無效區(qū)塊轉(zhuǎn)化為有效區(qū)塊的概率趨向于0，同時，由于所述的主從多鏈模型具有哈希鏈接方法，改變一個區(qū)塊則需改變鏈接的所有區(qū)塊，由于區(qū)塊相互連接，需全網(wǎng)更改才會生效。因此可得如下結(jié)論：任意時間內(nèi)，區(qū)塊具有不變性。

綜上可知，所采用的主從區(qū)塊鏈模型，其任一區(qū)塊在任意時間內(nèi)具有不變性，即不可更改性，所以該模型具有安全性。

3.3 交易流程

產(chǎn)消者是生產(chǎn)者與消費(fèi)者的一體化，在區(qū)域電網(wǎng)中，各方主體都是產(chǎn)消者。如電網(wǎng)公司不僅可以作為售電方，也可以在負(fù)荷過載的時候向源端電廠、能源聚合商以及用戶(擁有電動汽車、微網(wǎng)等電源的用戶)購電；水電廠不僅可以作為賣方，在枯水期也可以作為買方向電網(wǎng)公司、能源聚合商以及用戶購電。因此，各主體間都有可能作為買賣雙方并且存在互相交互的關(guān)系?；谥鲝膮^(qū)塊鏈的區(qū)域能源交易流程如圖3所示。

圖3 基于主從區(qū)塊鏈的區(qū)域能源交易流程

當(dāng)能源聚合商發(fā)出購電請求時，區(qū)域內(nèi)產(chǎn)消者通過查看智能計量裝置獲取內(nèi)部電量信息，若存在剩余電量會發(fā)出售電信息，此時能源聚合商會與此產(chǎn)消者進(jìn)行交互，發(fā)出交易請求觸發(fā)智能合約程序，并投放到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，交易方根據(jù)得出的清算價格進(jìn)行交易，并執(zhí)行合約內(nèi)容。交易完成后信息廣播到主鏈網(wǎng)絡(luò)和從鏈網(wǎng)絡(luò)中，最后詳細(xì)交易信息寫入各產(chǎn)消者對應(yīng)的從鏈網(wǎng)絡(luò)區(qū)塊鏈中，同時關(guān)鍵信息記入各產(chǎn)消者對應(yīng)的主鏈網(wǎng)絡(luò)區(qū)塊鏈中。

3.4 智能合約設(shè)計

使用Solidity語言設(shè)計和實現(xiàn)智能合約，對于適用多方交易的智能合約而言，應(yīng)當(dāng)滿足市場交易的基本條件，即用戶可自愿發(fā)布及參與交易、匹配交易對象并自動結(jié)算與儲存交易信息。圖4所示為區(qū)域能源交易下的智能合約設(shè)計流程圖。

圖4 區(qū)域能源交易下的智能合約設(shè)計流程

1)選擇交易身份和申請交易。根據(jù)該區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)不同的交易主體選擇買賣方身份，確定本次交易的交易身份，然后選擇所需交易的能源類型，給出交易數(shù)量和期望的交易價格，發(fā)出交易請求。

2)尋找可供交易合約。通過確認(rèn)交易身份、交易能源類型和期望交易價格，尋找滿足上述條件的交易合約。在尋找可供交易合約時，會調(diào)用相關(guān)函數(shù)，根據(jù)交易主體提供的基本信息進(jìn)行排序，綜合分析各方能源類型、交易數(shù)量、交易價格等因素，完成匹配，確定可供交易合約。若不能完成匹配則返回交易價格和交易數(shù)量步驟，調(diào)整交易目標(biāo)。

3)檢測合約合法性。在尋找到可供交易的合約后，啟動區(qū)塊節(jié)點(diǎn)激活合約并檢查合約是否合法；若不合法，返回尋找可供交易合約步驟。

4)達(dá)成交易意向。根據(jù)交易合約內(nèi)容，達(dá)成交易意向。

5)確認(rèn)意向和存儲交易信息。在完成交易之前給交易各方一個猶豫階段，是否確認(rèn)交易，若確認(rèn)交易，則完成轉(zhuǎn)賬；若放棄交易，則直接結(jié)束智能合約流程。最后，交易過程形成記錄存儲在從鏈網(wǎng)絡(luò)區(qū)塊鏈中，供用戶調(diào)用查看。

4 仿真測試

為正確評估所設(shè)計的區(qū)域能源交易架構(gòu)、主從區(qū)塊鏈模型的高效性，以以太坊為智能合約發(fā)布平臺對交易進(jìn)行仿真分析，同時運(yùn)用文獻(xiàn)[16]的單一鏈模型與所采用的主從鏈模型進(jìn)行對比分析。該交易平臺包括源端、電網(wǎng)端、用戶和能源聚合商4種類型的產(chǎn)消者，本次測試共有10名用戶，電網(wǎng)交易供需情況如表2所示。

表2 電網(wǎng)交易市場供需初始情況

從上述交易信息可以看到，在整個過程中，依次完成了6筆交易，成交最終結(jié)果如表3所示。成交量和成交價格按交易順序如圖5所示。

表3 平臺交易結(jié)束后供需情況

圖5 交易成交數(shù)量和成交價格

隨著買方進(jìn)入市場，低價的能源相繼售空，成交價逐漸升高。而成交量則根據(jù)買賣雙方的需求決定，逐次出清。同時，在這樣的供大于求的市場中，買方更擁有主動權(quán)，買方進(jìn)入市場后，系統(tǒng)會對當(dāng)前賣方所有報價由低到高排序，依次與買方進(jìn)行撮合，例如用戶1，以0.37元的價格求購，發(fā)布量為600 kWh，最終以0.36元成交300 kWh，以0.37元的價格成交300 kWh，即買方均以低于等于自身發(fā)布價的價格成交，當(dāng)然，賣方成交價也不會低于自己的發(fā)布價，符合合約規(guī)則預(yù)期。同時，部分用戶報價過于偏離，沒能完全完成交易，例如用戶4在進(jìn)入市場后，市場上滿足自身發(fā)布價的能源數(shù)量少于自身需求，故未能成交，其需求會繼續(xù)保存在市場，等待條件滿足后匹配交易。對于賣方用戶7來說，由于報價高于當(dāng)前市場所有報價，故未能達(dá)成交易。

在驗證了模型的可行性后，對使用單一鏈模型和主從鏈模型進(jìn)行對比分析。由圖6可知，在進(jìn)行的6次交易中，采用主從區(qū)塊鏈模型時，每次的交易時間都比單一鏈模型使用的時間短。同時，采用單一鏈模型下的總交易時間為0.28 ms，而所采用的主從區(qū)塊鏈下總交易時間為0.22 ms，交易效率提升了21.43%。由此說明了采用主從區(qū)塊鏈模型能有效提升區(qū)域能源交易的效率。

圖6 兩種模型交易時間對比

通過以上分析可知，整個交易過程按照設(shè)計的智能合約規(guī)則進(jìn)行，根據(jù)市場供需關(guān)系，依次匹配，最終完成交易。由對比分析可知，主從鏈模型相比單一鏈模型能更快地完成交易，提高了區(qū)域交易的效率。在該區(qū)域能源交易平臺中，每次交易詳細(xì)信息計入各從鏈網(wǎng)絡(luò)中的區(qū)塊中，區(qū)塊數(shù)據(jù)公開、安全，可供有權(quán)限用戶隨時調(diào)用，與單一鏈模型相比，使數(shù)據(jù)更安全且取用靈活。同時在保障各方利益的前提下，提高了交易效率和流程。

5 結(jié) 語

從區(qū)域電網(wǎng)多方交易的現(xiàn)實出發(fā)，克服了區(qū)塊鏈P2P的單一交易模型，在聯(lián)盟鏈的基礎(chǔ)上，運(yùn)用聯(lián)盟鏈+私有鏈的主從多鏈模型實現(xiàn)多方交易，得到如下成果：

1)分析主從區(qū)塊鏈在區(qū)域能源交易中的可行性，得到了主從區(qū)塊鏈模型初步方案。

2)從區(qū)域能源交易主體出發(fā)，分析了主從區(qū)塊鏈在區(qū)域電網(wǎng)中的運(yùn)用方法，考慮了各方主體的需求和交互作用，建立了基于主從區(qū)塊鏈的區(qū)域能源交易架構(gòu)。

3)在交易架構(gòu)的基礎(chǔ)上，從交易流程、智能合約設(shè)計以及模型安全性分析3個方面，對主從區(qū)塊鏈模型進(jìn)行詳細(xì)建模，得到了主從區(qū)塊鏈模型。同時通過仿真測試證明了所提架構(gòu)和模型的可行性。

由于平臺計算性能的限制，所提的交易次數(shù)較少，不能很好地顯示出主從鏈模型的顯著優(yōu)勢，后面將優(yōu)化平臺性能進(jìn)一步驗證分析主從鏈模型的高效性。