基于區(qū)塊鏈技術(shù)在分布式電源電費結(jié)算中的應(yīng)用研究

羅世剛，楊鵬飛，何炅軒

（國網(wǎng)甘肅省電力公司營銷服務(wù)中心，甘肅 蘭州 730050）

0 引 言

光伏發(fā)電，是利用光電半導(dǎo)體材料將太陽光能轉(zhuǎn)換為電能，因太陽能是取之不盡的清潔能源，所以光伏發(fā)電是一種具有廣泛發(fā)展前景的發(fā)電和能源綜合利用方式。與集中式光伏發(fā)電的建設(shè)方法不同，分布式光伏發(fā)電主要應(yīng)用在工業(yè)廠房、公共建筑以及居民屋頂上，具有容量小、電壓等級低，接近負(fù)荷、建設(shè)靈活的特點。本文基于分布式電源電費結(jié)算業(yè)務(wù)的應(yīng)用場景，通過區(qū)塊鏈和智能合約技術(shù)搭建了一種分布式電源電費結(jié)算系統(tǒng)，通過智能合約和事件驅(qū)動實現(xiàn)電費結(jié)算在保證參與主體間結(jié)算過程安全、可靠的同時，按照約定的規(guī)則自動執(zhí)行，精簡執(zhí)行流程，提高效率。

1 區(qū)塊鏈概述

區(qū)塊鏈通過去中心化、去信任的方式集體維護一個可靠數(shù)據(jù)庫，它實際上是一個分布式賬本。區(qū)塊鏈加密算法、分布式數(shù)據(jù)存儲、共識機制等各類安全信息機密與存儲技術(shù)實現(xiàn)實現(xiàn)不同節(jié)點之間建立信任、獲取權(quán)益的新型應(yīng)用模式

區(qū)塊鏈從數(shù)據(jù)視角可以認(rèn)為是一種被篡改可能性極小的分布式數(shù)據(jù)庫。所謂的“分布式”不僅體現(xiàn)為在數(shù)據(jù)存儲上具有分布于不同參與方的特點，同事也體現(xiàn)為數(shù)據(jù)的分布式記錄（即由系統(tǒng)參與者共同維護）。

區(qū)塊鏈從技術(shù)視角看是由多項技術(shù)整合的結(jié)果而非一項單一的技術(shù)。這些技術(shù)以新的數(shù)據(jù)記錄、存儲和表達的方式組合在一起，形成了一種新的結(jié)構(gòu)即區(qū)塊鏈的形式。

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)的特征

區(qū)塊鏈技術(shù)具有如下特征。

（1）加密技術(shù)。區(qū)塊鏈技術(shù)的基礎(chǔ)為密碼學(xué)原理而非社會信用體系，其中的加密技術(shù)是構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)中交易信息加密傳輸?shù)幕A(chǔ)技術(shù)，一旦交易雙方達成某種一致的交換意向便可以直接支付而無需第三方的介入。

（2）開放、共識。每一臺設(shè)備、每個節(jié)點、每個人都可以完整拷貝整個數(shù)據(jù)庫從而參與到區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)中。這一過程是通過競爭計算的方式來維護整個區(qū)塊鏈，其本質(zhì)是一種基于共識機制的強聯(lián)系。因此，即使其中一個環(huán)節(jié)失效，其他節(jié)點仍然能夠在保存完整數(shù)據(jù)的情況下繼續(xù)工作。

（3）去中心、去信任。區(qū)塊鏈不存在統(tǒng)一授信的中心設(shè)備或者機構(gòu)，它是由端到端的眾多節(jié)點共同組成的網(wǎng)絡(luò)。因為單一節(jié)點無法欺騙統(tǒng)一記賬的所有區(qū)塊鏈節(jié)點，因此節(jié)點間無需通過各類加密技術(shù)進行驗證與數(shù)據(jù)傳遞，無需確認(rèn)雙方是否授信，只需要按照區(qū)塊鏈既定的機制與程序進行。

（4）交易透明，雙方匿名。區(qū)塊鏈的運行信息是公開透明的，每一個節(jié)點交易都是對所有計奠開放。因為節(jié)點間無需明確是否授信，所以節(jié)點無需公開身份信息。每個參與點在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中都是匿名的。

（5）不可篡改、可追溯。局部節(jié)點無法通過單一或多個節(jié)點信息修改的方式對整個數(shù)據(jù)庫中的節(jié)點產(chǎn)生影響，因為只有當(dāng)超過50%的節(jié)點在同一時間修改信息才可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)信息的篡改，而這種情況發(fā)生的可能性微乎其微。另外，哈希算法等密碼學(xué)方法幫助區(qū)塊之間串聯(lián)成彼此加密又互相聯(lián)系的塊鏈，因此任何一筆交易信息都是可以溯源的。

1.2 區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用

1.2.1 美 國

通過區(qū)塊鏈技術(shù)，LO3 Energy在紐約市布魯克林區(qū)部署了微電網(wǎng)交易平臺，其中電力可以在點對點網(wǎng)絡(luò)中直接購買或銷售，從而消除了對中間商的需求。這不僅可以降低電力公司和用戶的成本，還可以提高網(wǎng)絡(luò)透明度。

洛杉磯汽車公司和EVShare Foundation發(fā)明了一種零碳、可再生能源驅(qū)動的共享乘車服務(wù)。該服務(wù)利用區(qū)塊鏈技術(shù)和智能合約來運送乘客，同時從當(dāng)?shù)匚㈦娋W(wǎng)收集和存儲能量以平衡洛杉磯水電局的主電網(wǎng)。電力也在整個社區(qū)運輸，并在非工作時間存儲，有助于平衡每天24小時和整個社區(qū)的電網(wǎng)負(fù)荷。這解決了向可再生能源和太陽能發(fā)電過渡的社區(qū)面臨的重大挑戰(zhàn)。

1.2.2 澳 洲

立陶宛公司W(wǎng)ePower一直與愛沙尼亞的傳輸系統(tǒng)運營商Elering合作，將愛沙尼亞智能電表的26 000 h的數(shù)據(jù)和24 TW·h的能源生產(chǎn)和消耗數(shù)據(jù)上傳到Ethereum區(qū)塊鏈，從而創(chuàng)造了可交易的390億智能能源代幣。

利用區(qū)塊鏈的潛力，P2P能源網(wǎng)絡(luò)能夠創(chuàng)建一個分布式市場，將電動汽車用戶和充電站所有者連接起來以實現(xiàn)互惠互利。德國公司Motionwerk推出了基于區(qū)塊鏈的P2P能源共享項目Share＆Charge，項目中的用戶可以分享他們的私人充電站。

西班牙跨國電力公司Iberdrola部署了一項利用區(qū)塊鏈技術(shù)跟蹤能源供應(yīng)和消耗的項目，以確認(rèn)用戶的消費模式是100%可再生的。區(qū)塊鏈技術(shù)允許將提供能源的資產(chǎn)分配到消費點甚至在原產(chǎn)地建立優(yōu)先等級。這不僅降低了成本和碳排放，還消除了對中間商的需求。

1.2.3 亞 洲

韓國最大的電力公司KEPCO正計劃推行區(qū)塊鏈技術(shù)。KEPCO將開發(fā)一種基于區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)，命名為“未來微電網(wǎng)”。利用電力 - 燃?xì)猓≒2G）技術(shù)，電能被轉(zhuǎn)化為氫氣儲存起來，需要時再使用燃料電池將其轉(zhuǎn)換回來。KEPCO的區(qū)塊鏈微電網(wǎng)項目可實現(xiàn)輕松連接以提高運營效率，還可在不同的微電網(wǎng)上進行電力交易，以消除現(xiàn)有系統(tǒng)連接瓶頸。

1.2.4 澳 洲

澳大利亞公司Power Ledger因在美國開發(fā)并部署首個商業(yè)分布式能源交易平臺而聞名。其分布式P2P區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)允許用戶和企業(yè)在沒有中間商的情況下在他們的鄰居中出售多余的太陽能。

2 基于區(qū)塊鏈和智能合約的分布式電源電費結(jié)算

2.1 基于區(qū)塊鏈和智能合約的分布式電源結(jié)算技術(shù)框架

基于區(qū)塊鏈的底層技術(shù)，通過數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)層、共識層以及合約層的設(shè)計，搭建了分布式電源結(jié)算技術(shù)框架，如圖1所示。

2.1.1 數(shù)據(jù)層

給每一個用戶配一個用戶私有地址。使用隨機數(shù)發(fā)生器生成一個“私鑰”，通過SECP256K1算法處理生成了“公鑰”。作為一種橢圓曲線算法，SECP256K1是基于一個已知“私鑰”計算得到“公鑰” 。相反地，“私鑰”無法通過“公鑰”反向計算得出。RIPEMD160也能由“公鑰”計算得到“公鑰哈?！?，同SHA256一樣也是一種Hash算法?！肮€哈?！鳖^部通過一個字節(jié)的地址版本號形成連接，經(jīng)過兩次SHA256運算，“公鑰哈?！钡男ｒ炛担ㄟ@里是結(jié)果的前4字節(jié)）連接在其尾部。使用BASE58將上述結(jié)果進行編碼，最終得到“錢包地址”，并通過數(shù)據(jù)區(qū)塊和鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)對數(shù)據(jù)進行加密。

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)層

采用點對點（Point to Point，P2P）的組網(wǎng)機制、數(shù)據(jù)傳播和數(shù)據(jù)驗證機制。分布式電源、采集設(shè)備和電力用戶節(jié)點構(gòu)成了一個基本的分布式電源用戶單元。當(dāng)采集設(shè)備采集成功數(shù)據(jù)的時候，以日為單位自動進行P2P數(shù)據(jù)傳播，將數(shù)據(jù)發(fā)送給電力用戶節(jié)點、營銷部節(jié)點和財務(wù)部節(jié)點。其中，用戶節(jié)點僅保留與用戶相關(guān)的數(shù)據(jù)流。

許飛哪里信，第二天就和寡婦媽抓著我一起去了扒鍋街，那里早就變了模樣，記憶里的輪廓已經(jīng)面目全非，我在新街上漫無目的地打轉(zhuǎn)，許飛這才信了，我是真的不知道。

2.1.3 共識層

采用PBET共識機制。該共識機制是依據(jù)“少數(shù)服從多數(shù)”原則，分布式網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點間互相交換后各節(jié)點會列出所有得到的信息，一個節(jié)點代表一票，大多數(shù)節(jié)點選擇的結(jié)果將作為共識機制最終確定的解決辦法。PBET將容錯量控制在全部節(jié)點數(shù)的1/3，即當(dāng)超過2/3的節(jié)點處于正常工作狀態(tài)，整個系統(tǒng)便可正常運作。

拜占庭容錯共識步驟分為請求、預(yù)準(zhǔn)備、準(zhǔn)備、提交以及反饋5個階段，每一階段只有收到超過一定數(shù)量的請求才會進入下一階段的工作。

基于這一工作流程，只有在總計算機數(shù)大于3倍的有問題的計算機總數(shù)時，才能獲得解決問題的一致性結(jié)論。

2.1.4 合約層

根據(jù)不同批次分布式電源費用結(jié)算規(guī)則制定智能合約模板，生成與分布式網(wǎng)絡(luò)中各分布式節(jié)點相關(guān)的能量智能合約和費用智能合約，并區(qū)塊鏈中分別存儲生成的能量智能合約和費用智能合約分。

2.2 基于區(qū)塊鏈和智能合約的分布式電源電費結(jié)算流程及方法

基于區(qū)塊鏈和智能合約的分布式電源電費結(jié)算流程如圖 3 所示。

（1）概念化電費結(jié)算智能合約。制定電費結(jié)算智能合約模板。以電費結(jié)算規(guī)則為基礎(chǔ)，并將其存儲于集中式平臺。分布式電源的電費結(jié)算規(guī)則大體包含以下兩點內(nèi)容。

一是圍繞標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)（如地址、價格、電量等）以及一系列結(jié)算規(guī)則定義參數(shù)。明確主體節(jié)點、結(jié)算電量、計算價格以及應(yīng)收應(yīng)付金額數(shù)目。

二是按照觸發(fā)條件、支撐條件、控制條件、輸出結(jié)果、異常處理來構(gòu)建邏輯定義模塊。厘清計算邏輯與計算結(jié)果。當(dāng)電量變化時，觸發(fā)光伏發(fā)電電費結(jié)算規(guī)則，電費計算自動執(zhí)行；作為控制條件，光伏發(fā)電的類型能夠控制具體的結(jié)算邏輯；電費和支付方式是輸出智能合約計算執(zhí)行的結(jié)果物。

（2）生成電費結(jié)算智能合約。在初始化時，按照智能合約模板生成與某個節(jié)點相關(guān)的電費結(jié)算智能合約。該合約基于一些列主體共有的電費結(jié)算規(guī)則，具備獨立完備的自動執(zhí)行能力，并且可以根據(jù)不同的業(yè)務(wù)個性化地修改結(jié)算的主體和類型。

（3）分發(fā)電費結(jié)算智能合約。電費結(jié)算智能合約中不同的節(jié)點根據(jù)屬性的不同，由電費結(jié)算服務(wù)機構(gòu)初始化生成。通過傳遞機制，區(qū)塊鏈與合約的信息完成同步的上鏈，并從鏈上獲取與本節(jié)點有關(guān)的智能合約。區(qū)塊鏈每一節(jié)點都具有了不可被篡改的屬性，這一屬性確保了邏輯執(zhí)行能夠確保了以分布式的方式進行，按照約定節(jié)點獲得的智能合約能夠與初始發(fā)布的智能合約完全匹配。

2.2.2 電費結(jié)算智能合約的自動執(zhí)行方法

（1）智能合約能夠執(zhí)行偵聽功能，掌握電量采集設(shè)備對應(yīng)的分布式節(jié)點上的發(fā)電、用電情況。偵聽程序運行在以電費結(jié)算智能合約為基礎(chǔ)的電量節(jié)點上，按約定頻率偵聽電量采集設(shè)備發(fā)出的電量變化信號。

（2）各節(jié)點智能合約執(zhí)行在電量發(fā)生變化時自動觸發(fā)。所有節(jié)點運行智能合約的容器環(huán)境是統(tǒng)一的，一旦偵聽到發(fā)電或用電的電量發(fā)生變化時即會觸發(fā)電費結(jié)算智能合約自動執(zhí)行。

（3）參與主體之間在智能合約的自動執(zhí)行中相互傳遞著能量的同時，也傳遞著電費信息。能量流、信息流受智能合約控制，隨電量變化信號觸發(fā)，能夠?qū)⒏黝愲娔芙灰仔畔⑼ㄟ^區(qū)塊鏈的分布式對等網(wǎng)絡(luò)同步機制上鏈，并在節(jié)點之間（即交易主體，例如：光伏發(fā)電戶、用電戶、交易機構(gòu)）傳遞，該傳遞的全過程通過各節(jié)點相互協(xié)同記錄。

3 結(jié)論及展望

國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局在2019年發(fā)布《關(guān)于積極推進風(fēng)電、光伏發(fā)電無補貼平價上網(wǎng)有關(guān)工作的通知》（發(fā)改能源〔2019〕19 號），再次推出鼓勵可再生能源發(fā)展政策，明確通過綠證交易的方式，不同的上網(wǎng)項目都能獲得合理的補償收益、保障發(fā)電及收購的權(quán)益以及較低的輸配電價及相關(guān)收費。電力數(shù)字化轉(zhuǎn)型和區(qū)塊鏈等高新技術(shù)的應(yīng)用將在相關(guān)政策的協(xié)同下在電力行業(yè)發(fā)揮更大的應(yīng)用價值。本文在區(qū)塊鏈和智能合約技術(shù)的基礎(chǔ)上，以創(chuàng)新、共享的理念提出了分布式電源模式下的區(qū)塊鏈應(yīng)用研究。未來應(yīng)該基于監(jiān)督政策加強分析在實際工作生產(chǎn)環(huán)境下的項目落地性以及應(yīng)用成效，著力研究區(qū)塊鏈技術(shù)的落地部署工作。