基于區(qū)塊鏈的電力零售業(yè)務平臺設計與實現(xiàn)

陳愛林，許楊子，王海超，肖春，耿建，于韶源，韋濤*

（1. 中國電力科學研究院有限公司，江蘇省 南京市 210003；2. 陜西電力交易中心有限公司，陜西省 西安市 710000；3. 安徽電力交易中心有限公司，安徽省 合肥市 230000；4. 國網(wǎng)山西省電力公司營銷服務中心，山西省 太原市 030000）

0 引言

全面放開經(jīng)營性電力用戶發(fā)用電計劃，支持中小用戶參與市場化交易，加強電力直接交易的履約監(jiān)管，積極推動線上交易支撐信息化系統(tǒng)建設，是電力體制改革的重要發(fā)展趨勢[1]。未來，電力零售市場將包含多元、海量、分散的新興主體，中小用戶參與市場化交易頻繁，售電公司的零售業(yè)務將更加活躍，當前電力零售市場以線下交易為主的交易方式很難實現(xiàn)交易過程的有效管控和規(guī)范有序[2]。同時，面向成型的大規(guī)模零售市場，傳統(tǒng)完全中心化的管控手段將難以高效且低成本地支撐市場化零售交易[3]。因此，亟需通過建設線上系統(tǒng)，構(gòu)建安全、可信、規(guī)范、高效、靈活的分布式零售電力交易業(yè)務體系，保證交易數(shù)據(jù)安全、交易過程可追溯，確保市場行為的可控、能控、在控[4]。

區(qū)塊鏈作為一種分布式安全計算范式，具有群體協(xié)作、安全互信、防篡改、可追溯等特性[5]，與電力零售市場分散式、高自主、無集中決策的業(yè)務特點具有天然的契合性，可為深度發(fā)展的零售市場提供技術(shù)支撐手段[6]。目前區(qū)塊鏈技術(shù)在能源交易中的研究及應用已較為深入[7]，應用場景包括電力批發(fā)市場、電力零售市場、分布式發(fā)電交易市場、消納憑證交易等[8-10]。針對電力零售市場的研究大致可分為三類[11]：第一類為可行性分析，側(cè)重于區(qū)塊鏈技術(shù)應用于電力交易的應用可能性及其能力，例如文獻[1]分析了區(qū)塊鏈的天然技術(shù)優(yōu)勢與零售市場業(yè)務痛點的契合度；第二類涉及交易流程設計和交易憑證智能合約設計的研究，例如文獻[12]提出了基于聯(lián)盟鏈的零售交易框架，設計了交易流程和交易結(jié)算的智能合約，但文中交易流程中僅涉及成員信息、套餐內(nèi)容和零售合同上鏈，對于雙方洽談、交易審核等流程缺乏可控性，文獻[13]利用區(qū)塊鏈技術(shù)提出了一種電力零售交易的量化模型，建立了去中心化電力零售交易的均衡出清模式；第三類涉及區(qū)塊鏈在分布式電力交易的廣泛應用對電力市場的影響[14]，即分析區(qū)塊鏈技術(shù)與各電力交易場景的結(jié)合給電力定價、交易模型、電力大數(shù)據(jù)等方面帶來的相關(guān)影響。

在此研究背景下，運用區(qū)塊鏈技術(shù)支持電力零售市場，還需包括以下兩個研究要點：第一，區(qū)塊鏈作為輔助技術(shù)手段提供可信執(zhí)行環(huán)境和多方認同的交易憑證，解決線下零售交易業(yè)務不可觀、不可控的業(yè)務痛點，因此雙方訂單洽談、合同執(zhí)行等流程需全程上鏈，實現(xiàn)有效市場監(jiān)管和高粒度的交易憑證；第二，區(qū)塊鏈所固有多方共識的技術(shù)優(yōu)勢，建立在交易信息共享披露基礎上，這將導致過多地披露交易運營信息[15]，因此需要研究針對市場主體信息、交易運營信息、監(jiān)控管控信息這三類信息的披露和隱私權(quán)衡策略。

基于以上分析，本文針對電力零售交易區(qū)塊鏈平臺設計展開研究，提出基于區(qū)塊鏈的電力零售業(yè)務平臺架構(gòu)以及基于智能合約的零售業(yè)務鏈上留痕流轉(zhuǎn)方法；針對市場主體身份信息和交易運營信息的敏感性，設計區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)訪問控制策略。實現(xiàn)零售市場多元主體的高效管理和主體間互信協(xié)作，支撐高效、規(guī)范、靈活的分布式電力零售業(yè)務體系，保障零售交易核心數(shù)據(jù)的安全可靠和市場行為的高效監(jiān)管。

1 電力零售市場交易模式及流程概述

電力市場化改革的深入，實質(zhì)是為了建立具有競爭和可選擇的電力交易環(huán)境。發(fā)電側(cè)開放批發(fā)市場，供電公司的壟斷批發(fā)購電被打破，售電側(cè)降低市場主體準入標準，更多符合條件的售電公司和大用戶可以直接參與售電交易，售電側(cè)開放電力銷售，電力零售競爭交易模式全面展開[16]。同時電力零售市場主體身份的雙重性和零售業(yè)務服務的多元化，使傳統(tǒng)線下電力零售業(yè)務流程不再適用[17]，需結(jié)合交易規(guī)則和新市場特性優(yōu)化電力零售業(yè)務流程，實現(xiàn)線上自主零售交易的合法合規(guī)和透明有效的市場監(jiān)管。

1.1 電力零售交易競爭模式

圖1為電力零售交易競爭模式，參與售電側(cè)電力零售的市場主體可以是零售公司、供電公司、購電代理、經(jīng)營性用戶、普通用戶和大用戶等。零售用戶均可以自由選擇售電公司，根據(jù)自身需要與對方在交易平臺簽訂電力交易零售合同，兩者之間交易方式主要為雙邊形式。交易中心和監(jiān)管部門主要職責為交易審核、計劃管理、信息發(fā)布和處理交易糾紛等。

圖1 電力零售交易競爭模式Fig. 1 Competitive model of electricity retail trade

電力零售市場交易本質(zhì)為多中心的分布式交易體系，這會使傳統(tǒng)規(guī)?；娏π袠I(yè)進行拆分，加上沒有完善的電力零售交易的商業(yè)模式以及可信安全的分布式計算執(zhí)行環(huán)境作為保障，將會產(chǎn)生較高的交易費用和交易安全問題[18]。區(qū)塊鏈在多利益體的分布式架構(gòu)中有天然技術(shù)優(yōu)勢，可以有效解決零售市場分布式自主交易模式下用戶隱私、數(shù)據(jù)傳輸、協(xié)同效率等問題[19]。

1.2 電力零售業(yè)務流程設計

當前電力零售市場交易主要通過線下方式，市場機制在零售業(yè)務實際操作過程中，產(chǎn)生數(shù)據(jù)交互更新不同步、信息變更滯后和數(shù)據(jù)丟失等問題，增加了市場監(jiān)管難度[20]?；趨^(qū)塊鏈零售電力交易業(yè)務平臺，可提供分布式交易主體可信的計算環(huán)境，結(jié)合智能合約將多方參與的交易業(yè)務流程操作狀態(tài)通過區(qū)塊鏈網(wǎng)絡進行共識、判定和入賬，實現(xiàn)零售合同數(shù)據(jù)和合同操作環(huán)節(jié)信息上鏈存儲，提供可信的交易、結(jié)算依據(jù)，以鏈上數(shù)字化職能取代面對面解決糾紛的方式，將交易中心從繁雜的零售市場中解放出來。

電力零售業(yè)務流程設計通過市場調(diào)研并貼合互聯(lián)網(wǎng)服務模式，流程簡潔易操。正常的零售交易流程包括零售用戶發(fā)起交易、提交訂單，售電公司確認訂單，零售用戶確認訂單，交易中心審核訂單，然后零售用戶、售電公司簽訂合同，最后交易中心監(jiān)管雙方執(zhí)行合同。需要指出的是，實際的流程比較復雜，可以駁回、取消、刪除訂單，業(yè)務流程可以定制，例如交易中心審核訂單步驟可以省略，審核工作在提交訂單時執(zhí)行。電力零售業(yè)務整體流程如圖2所示。

圖2 電力零售業(yè)務流程圖Fig. 2 Electricity retail business flow chart

2 基于區(qū)塊鏈的零售業(yè)務平臺設計

開展經(jīng)營性用戶間電力零售，通過電價引導經(jīng)營性用戶進行電力需求響應的電量交易，可降低用戶隨機性發(fā)用電對大電網(wǎng)的安全性和經(jīng)濟性影響[21]。平臺基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈構(gòu)建以市場主體為通信節(jié)點的分布式網(wǎng)絡架構(gòu)，不同角色市場主體的權(quán)責均衡，實時交互電力零售交易的數(shù)據(jù)信息、共享業(yè)務流程操作憑證。針對市場化主體競爭屬性和零售業(yè)務數(shù)據(jù)隱私安全需求設計訪問控制規(guī)則和智能合約，平臺整體功能視圖如圖3所示。

圖3 電力零售平臺功能視圖Fig. 3 Functional view of electricity retail trading platform

2.1 區(qū)塊鏈系統(tǒng)架構(gòu)

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的經(jīng)營性用戶間電力零售交易需要校驗配網(wǎng)系統(tǒng)的安全性和分布式交易數(shù)據(jù)的有效性，校驗過程主要是將電力零售交易匹配的數(shù)據(jù)與部署在共識節(jié)點的智能合約進行共識核驗。電力零售交易業(yè)務流程鏈上執(zhí)行每一步均會調(diào)用智能合約并記錄至賬本數(shù)據(jù)庫。市場主體信息和Hash憑證保存至應用數(shù)據(jù)庫，考慮到高并發(fā)場景和數(shù)據(jù)庫穩(wěn)定的需要，SG-RDB（綜合庫）采用Master-Slave主從復制的模式進行部署，同時進行讀寫分離。零售區(qū)塊鏈平臺留有國網(wǎng)鏈數(shù)據(jù)交互接口，實現(xiàn)零售區(qū)塊鏈與國網(wǎng)鏈數(shù)據(jù)互通。平臺的客戶端組件為了適應高并發(fā)應用場景的需求，首先在用戶接入層應用了Nginx中間件，實現(xiàn)了對應用服務器的負載均衡；其次，采用了Redis技術(shù)，作為緩存服務和消息隊列服務。區(qū)塊鏈系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示，其中實線表示數(shù)據(jù)流。

圖4 區(qū)塊鏈系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig. 4 Blockchain system architecture diagram

2.2 區(qū)塊鏈訪問控制規(guī)則設計

隨著電力直接交易準入門檻的進一步降低，電網(wǎng)公司成為電力零售交易的參與主體之一?！皡^(qū)塊鏈+電力零售”模式下的電力零售交易將包含普通電力用戶、經(jīng)營性用戶、售電公司、金融機構(gòu)、通信商、監(jiān)管部門和其他輔助主體[22]。多利益體共同經(jīng)營的分布式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問控制的規(guī)則尤其重要，以確保數(shù)據(jù)訪問安全[23]。本文的權(quán)限控制手段包括用戶身份控制、私有數(shù)據(jù)集設定、智能合約層面等。

在用戶身份控制方面，利用統(tǒng)一權(quán)限管理（ISC）和區(qū)塊鏈實現(xiàn)兼容現(xiàn)有信息化系統(tǒng)的分布式身份認證，減少系統(tǒng)集成成本。ISC中定義了明確角色所能控制的菜單/資源業(yè)務角色和明確可以控制多個業(yè)務角色的組織角色 ，同時一個用戶可以擁有多個組織角色。不同身份用戶登入時，通過外網(wǎng)與內(nèi)外隔離防護，調(diào)用ISC權(quán)限控制對用戶身份（業(yè)務角色和組織角色）進行審核，同時將授權(quán)用戶身份信息寫入?yún)^(qū)塊鏈，在后續(xù)ISC權(quán)限控制中用戶身份信息修改也會同步更新至區(qū)塊鏈賬本。ISC權(quán)限控制配合身份角色驗證合約，可在零售業(yè)務流程中的每個操作環(huán)節(jié)對操作人的身份進行核實，保證每個操作環(huán)節(jié)對應到人、業(yè)務操作全環(huán)節(jié)鏈上留痕。

在數(shù)據(jù)訪問權(quán)控制方面，將零售合同、用戶信息、市場主體信息等分為不同數(shù)據(jù)實體，并根據(jù)《國家電網(wǎng)公司信息安全等級保護定級表》定義不同參與主體視圖下數(shù)據(jù)實體的安全隱私級別，根據(jù)業(yè)務數(shù)據(jù)特性細分隱私粒度，結(jié)合私有數(shù)據(jù)集合來實現(xiàn)不同市場主體私有數(shù)據(jù)的隔離。在基于區(qū)塊鏈的電力零售競爭交易模式下，交易雙方在洽談的過程中，既需要其他市場主體共識留痕，同時需要確保業(yè)務數(shù)據(jù)不可見。私有數(shù)據(jù)集合機制通過控制數(shù)據(jù)可查看的市場主體集合，結(jié)合智能合約實現(xiàn)對私有數(shù)據(jù)集合的訪問控制。同時在私有數(shù)據(jù)進行交易確認和日后糾紛核驗時，所有主體都可以參與私有數(shù)據(jù)的合法性和完整性核驗，而不僅僅為私有數(shù)據(jù)策略定義的主體集合。例如在合同生成之前的訂單確認階段，交易中心允許交易雙方以某價格（私有數(shù)據(jù)）進行購電交易，鏈碼會在交易雙方的私有數(shù)據(jù)集合中寫入某價格的訂單，但不能僅由交易雙方共識，需要交易中心和其他市場主體共識確認，帶有私有數(shù)據(jù)Hash的交易會被包括在區(qū)塊中分發(fā)給所有節(jié)點，這樣就可以在不泄露私有數(shù)據(jù)的情況下，用同樣的方式來驗證交易。該私有數(shù)據(jù)共享特性可以有效避免多業(yè)務主體細粒度隱私需求而產(chǎn)生的多組多邊的私有數(shù)據(jù)集合。

2.3 零售業(yè)務流程上鏈合約設計

線下進行電力零售交易時，雙方在洽談、溝通和簽訂合同過程中，交易中心和監(jiān)管部門很難參與其中，當交易雙方產(chǎn)生糾紛后，交易中心很難提供雙方認可的依據(jù)，快速解決糾紛[24]。平臺通過映射線下交易流程，設計智能合約實現(xiàn)零售合同鏈上流轉(zhuǎn)、簽訂、存儲，保證線上交易全流程的可觀、可測、可控。將疲于解決糾紛的交易中心從零售市場解放出來，有效降低能源市場的管理運營成本，提高監(jiān)督效率。零售業(yè)務相關(guān)智能合約設計包括了零售套餐管理、零售交易管理和零售合同管理。

2.3.1 零售套餐管理智能合約

零售套餐模板會根據(jù)地區(qū)、市場發(fā)展階段和所針對用戶的不同進行設計和更新。零售套餐管理智能合約主要提供套餐模板上鏈、更新功能。

1）套餐模板上鏈是將結(jié)構(gòu)化的套餐模板數(shù)據(jù)通過智能合約寫入?yún)^(qū)塊鏈賬本中。售電公司和用戶之間進行交易時，選擇套餐，填入約定價格和電量以自動生成合同。

2）套餐模板更新主要通過調(diào)用合約對售電套餐進行更新。

2.3.2 零售交易管理智能合約

在零售合同生成之前，購電方首先需要發(fā)起交易，零售交易管理智能合約提供了交易申報和查看交易結(jié)果功能。

1）交易申報是用戶在客戶端進行申報交易，包括選擇套餐，填寫套餐內(nèi)容、交易電量、交易價格、結(jié)算價格。

2）查看交易結(jié)果功能是將交易結(jié)果導出，交易雙方套餐各項內(nèi)容達成一致后，轉(zhuǎn)為變?yōu)楹贤瑺顟B(tài) 。交易結(jié)果的導出，可以明確購方、售方、購電方類型（電力用戶或售電公司）、成交電量、成交電價明細等信息。不同市場主體導出信息并不相同，如交易中心用于交易審核時并不能查看到成交電量和成交電價。

2.3.3 零售合同管理智能合約

在交易雙方確認零售套餐交易信息，初步達成共識并生成零售合同后，還要經(jīng)過交易審核、簽訂合同、執(zhí)行合同等階段。零售合同管理智能合約提供了合同存儲管理、合同流程化操作和合同上鏈管理等功能。

1）合同存儲管理主要將零售交易合同存儲在區(qū)塊鏈賬本上，交易合同包含交易主體、零售套餐、交易時間等信息，交易合同可以寫入省公司外網(wǎng)存儲賬本。

2）合同流程化操作主要將零售交易合同從生成至到期每個狀態(tài)、該狀態(tài)操作人、操作時間等信息提交至區(qū)塊鏈上用于存證。表1為零售合同管理智能合約中零售合同狀態(tài)字段。在每個操作環(huán)節(jié)會對操作人角色進行核驗，對操作狀態(tài)、流程的邏輯合理性進行判斷，例如當零售合同操作狀態(tài)為“執(zhí)行中”時，下個階段不能為“駁回”等狀態(tài)。

表1 零售合同狀態(tài)字段Table 1 Retail contract status field

3）合同上鏈管理主要為交易中心對零售合同進行上鏈存證，交易合同由售電公司和零售用戶共同提交，零售區(qū)塊鏈網(wǎng)絡節(jié)點收到請求時，智能合約先對合同電子文本進行Hash運算，并判斷節(jié)點角色，隨后交易中心則對電子文本進行加密并存入賬本，其他節(jié)點無權(quán)執(zhí)行合同文本的上鏈操作。

3 電力零售區(qū)塊鏈平臺驗證案例

3.1 案例部署概況

電力零售區(qū)塊鏈平臺定位作為新零售模塊集成于省級統(tǒng)一電力交易平臺，服務全省零售市場主體。電力交易中心完成市場成員的注冊導入、指導，規(guī)范零售用戶和售電公司間開展互動交易、簽訂交易合同，同時提供結(jié)算依據(jù)；監(jiān)管部門目前不參加共識，只部署只讀的公共賬本來負責市場違規(guī)監(jiān)管；零售用戶受到用戶規(guī)模和算力資源等限制，可根據(jù)自身情況選擇是否參與區(qū)塊鏈網(wǎng)絡共識。本案例不設置共識節(jié)點在零售用戶節(jié)點。

本案例電力零售交易平臺組織設為energysale.com，其中參與區(qū)塊鏈網(wǎng)絡主體組織分為交易中心（ExchangeOrg）、零售用戶（ConsumerOrg）、售電公司（RetailerOrg）。平臺利用4臺虛擬機搭建了系統(tǒng)集群，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡節(jié)點按節(jié)點功能分為7個peer節(jié)點，3個排序節(jié)點，配置7個公有賬本數(shù)據(jù)庫，4個平臺服務支撐功能節(jié)點，節(jié)點類別及用途如表2所示。

表2 零售交易區(qū)塊鏈部署環(huán)境的節(jié)點配置示例Table 2 Example of node configuration for retail transaction blockchain deployment environment

3.2 案例性能測試

本案例測試環(huán)境為4臺虛擬機，分別為Web服務器、數(shù)據(jù)庫服務器、區(qū)塊鏈服務器和應用服務器，1臺物理機的客戶端，性能效率測試工具為HP Performance Center 11.0，表3為測試環(huán)境詳細配置參數(shù)。

表3 測試環(huán)境配置參數(shù)Table 3 Test environment configuration parameters

目前，案例已經(jīng)作為新零售模塊集成至統(tǒng)一電力交易平臺，其代碼安全測試、應用安全測試、應用功能完整性測試均符合國家電網(wǎng)公司信息化項目實施規(guī)范。本章主要對零售交易區(qū)塊鏈模塊進行性能測試說明。區(qū)塊鏈系統(tǒng)性能測試主要分為兩大類：添加訂單和訂單查詢。添加訂單主要指業(yè)務流程環(huán)節(jié)涉及到添加、更新、刪除區(qū)塊鏈賬本數(shù)據(jù)的操作，測試通過30個并發(fā)測試用戶進程持續(xù)10 min進行事務添加操作；訂單查詢是指不涉及區(qū)塊鏈共識操作事務，測試方法同添加訂單。表4為性能測試結(jié)果。

表4 性能測試結(jié)果Table 4 Performance test results

案例測試中區(qū)塊鏈網(wǎng)絡共識算法采用了Raft算法[25]，添加訂單類業(yè)務吞吐量216.12筆/min并不高，主要受限于不同服務器之間網(wǎng)絡交互環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的時延，可以通過優(yōu)化交互流程、增強服務器性能、提高網(wǎng)絡帶寬來解決，此類工程化應用問題將在后期逐步完善。

目前基于區(qū)塊鏈電力零售交易研究案例相對較少，本案例在性能方面滿足當前省級零售市場主體要求。在功能性方面，相較于文獻[12]，本案例實現(xiàn)了業(yè)務全流程的可觀、可控和高粒度的數(shù)據(jù)隱私保護策略，同時在系統(tǒng)架構(gòu)方面更加兼容現(xiàn)有信息化系統(tǒng)，大大減少了系統(tǒng)集成/遷移成本。

4 結(jié)語

本文通過研究電力零售市場交易模式的發(fā)展與趨勢，分析零售市場未來發(fā)展可能出現(xiàn)的業(yè)務痛點，提出了基于區(qū)塊鏈的電力零售業(yè)務平臺的組織架構(gòu)。針對多利益體的電力零售業(yè)務，設計了區(qū)塊鏈網(wǎng)絡環(huán)境下的多層次數(shù)據(jù)訪問控制機制和私有數(shù)據(jù)集合設定，使業(yè)務數(shù)據(jù)互信互通、安全高效地多方流轉(zhuǎn)。針對線下交易流程不可觀，設計了鏈上交易流程，實現(xiàn)交易流程全環(huán)節(jié)上鏈存證，高效解決交易糾紛。平臺案例通過了安全和性能測試，可與省級統(tǒng)一交易平臺實現(xiàn)集成，服務現(xiàn)階段零售市場。

作為工程落地初探，本文主要針對現(xiàn)有的省級市場規(guī)模，隨著市場準入標準降低和新能源比例不斷增加，未來零售市場主體呈現(xiàn)屬性多元、規(guī)模不斷擴大等趨勢，需要設計適合電力零售交易的專用共識算法，以適應電力零售業(yè)務量的增長并滿足高實時性的要求。