发布时间：2020-02-04所属分类：电工职称论文浏览：1次
摘 要： 摘 要: 电力体制改革背景下，电力行业将更加市场化，由此引发的电价剧烈波动问题会给市场参与者带来巨大的风险。电力期货市场发现价格以及套期保值的功能，能够很好地解决这一问题。区块链技术作为去中心化、去信任化的集体维护数据库技术，与电力期货市场有
摘 要: 电力体制改革背景下，电力行业将更加市场化，由此引发的电价剧烈波动问题会给市场参与者带来巨大的风险。电力期货市场发现价格以及套期保值的功能，能够很好地解决这一问题。区块链技术作为去中心化、去信任化的集体维护数据库技术，与电力期货市场有很高的契合度，区块链技术如何应用于电力期货市场进行研究具有很高的实用价值。文章首先分析了开展电力期货交易的必要性与可行性，简要介绍了区块链的相关概念及其特性。然后搭建了基于区块链技术的电力期货市场交易框架，并制定了相应的智能合约，最后介绍了基于区块链技术的电力期货市场的交易流程。区块链技术在电力期货市场中的研究应用不仅可以加快电力体制改革的进程，还能推动整个电力行业的稳定发展。
关键词: 区块链; 电力期货市场; 智能合约; 电力市场改革
《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》拉开了新一轮电力体制改革的序幕[1]，电力行业的市场化改革势在必行，但市场化的电价是由市场竞价决定的，电价的波动将不可避免[2]。事实证明，剧烈的电价波动将给市场带来巨大的风险[3]，而且对电力投资也将造成恶性影响[4 - 5]。因此，澳大利亚、新加坡、挪威、美国等多国在电力体制改革不久后，就开放了电力期货市场，目的就是充分利用期货市场能够发现价格以及套期保值的功能，实现资源的优化配置、减少市场风险[6]。开展电力期货交易不仅可以削弱现货市场主体的市场操纵力，还可以增加市场透明度，增强电力商品的流动性[7]。但是不能忽视的是，因寡头垄断的局面得不到改善的关系，市场信息仍存在不够透明的问题，而且电力期货的波动性较其他期货商品更大，交易过程中会存在大量的市场投机行为。电力期货价格往往与现货价格相关性不高，所以电力期货市场一定程度上存在流动性差的问题[8]。美国学者梅兰妮·斯万在《区块链: 新经济蓝图及导读》[9 - 10]一书中指出区块链是一种公开透明的、去中心化的数据库技术。区块链技术因其分布式去中心化、不可伪造、可全程查询的特性可以很好地解决电力期货市场存在的垄断、投机以及流动性差的问题。
区块链技术因其优越的普适性受到了人们的高度关注，适用于大部分类型的金融交易，但是如何将该技术应用于电力期货市场还鲜有研究。同时，区块链技术赋予了智能合约新的意义[11]，区块链技术除了公开透明的、去中心化的特性，还拥有可编程和不可篡改的特点，适用于智能合约。基于区块链技术的智能合约不仅能够发挥其在成本效率方面的优势，还能够避免合约正常执行过程中被恶意干扰的可能。
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摘要：为了实现高效、公平、透明的配电网电力交易，提出了基于区块链的配电网电力交易方法。针对当前含新能源的配电网电力交易的难点，结合区块链的技术特点，提出了配电网电力交易的区块链结构。介绍了基于区块链的配电网电力交易的具体实现步骤和交易过程，深入研究基于 XML 组织区块链主体内容，并将国产安全算法 SM2 和 SM3 引入到区块链应用中。最后设计了基于区块链的配电网电力交易情景，证明了基于区块链的配电网电力交易方法的有效性。
文章首先简要介绍了区块链技术的相关概念，并对其典型特征进行了分析。对适合电力期货市场的区块链技术进行了研究，搭建了基于区块链技术的电力期货市场的整体框架，设计了适用于电力期货市场的智能合约。
1 基本工具
1. 1 电力期货市场
1. 1. 1 电力期货市场建立的必要性
电力是一种不能够存储的商品，通过存货来改变供需关系，达到限制电价波动的方法是不可行的。期货市场具有发现价格以及套期保值的功能，而且电力期货合约价格有信号导向功能，有助于平衡电能供求关系，可以实现稳定电价的目的[12]。所以，建立电力期货市场是非常有必要的。
1. 1. 2 电力期货市场建立的可行性
电力商品天然具备期货属性。
( 1) 根据电力的使用场景以及电能自身的品质不同，可以对电能以及电价进行科学的划分，这为电力的期货交易提供了先足条件;
( 2) 随着经济的高速发展，电网网架结构不断完善，而且电网的调度和运行机制日趋健全，这使得电能的转运和交付都变得越来越方便;
( 3) 一旦电力市场化改革的进程加快，电价不再由国家统一制定而由市场竞价决定，这将使得电价容易出现较大的变化幅度;
( 4) 人们对电力的需求仍然呈现不断增长的趋势，所以电力商品会有更多的交易者而且其交易规模会不断扩大。以上都是一个优秀的期货品种必备的属性，因此建立电力期货市场是可行性的。
1. 2 区块链技术
1. 2. 1 区块链技术的概念
2008 年，化名为“中本聪”( Satoshi nakamoto) 的学者在《比特币: 一种点对点电子现金系统》一文中首次提出了区块链这一概念。区块链的本质是分布式记账系统，它具有去中心化、安全可靠和可编程的特点[13]，区块链系统包含了数据层、网络层、共识层、激励层、合约层以及应用层，如图 1 所示。针对不同的应用对象，也会存在细节上的差异[14]。
( 1) 数据层。在数据区块上标记时间戳，形成链式结构，利用哈希函数( Hash function) 将原始数据进行编码，除此之外，采用 Merkle 树对数据的完整性进行验证。同时，为了使得数字签名和登录认证更具保密性，应用非对称加密技术。
2) 网络层。点对点传输技术( P2P) 、数据传播机制以及数据验证机制共同组成了网络层。现已开发的区块链应用项目几乎都是采用 P2P 技术，P2P 技术使得资源分享不再受中央服务器的限制，每个节点都可成为资源的分享者与下载者，从而大大的提高了数据的下载速度。
( 3) 共识层。因为区块链是一个去中心化的系统，所以为了达成数据的有效共识性，需要强大的共识机制，区块链技术的共识机制包括 POW 共识机制、POS 共识机制、DPOS 共识机制、Pool 验证池等。
( 4) 激励层。区块链系统的安全稳定需要大量的算力作为支持，为了确保拥有足够的算力，区块链系统引入了相应的激励机制来提升参与者的积极性。
( 5) 合约层。合约层封装了以智能合约为代表的各类脚本代码以及算法，智能合约这一概念是 Nick Szabo 于 1994 年提出的，它的理念就是将智能合约内嵌在物理实体中，以便灵活的控制资产。随着区块链技术的快速发展，广大学者对智能合约有了新的认识。简单来说，智能合约就是情景对应型逻辑规则，它具有分布式验证、存储，不可伪造的特点。智能合约封装了合约内容，触发条件、响应规则，其工作原理如图 2 所示，区块链系统对智能合约进行实时监控，当符合特定的触发条件时，智能合约就能自主执行，实现了不依靠中心机构既能完成交易。智能合约最突出的优势就是可编程性，这一特性允许签署方可以添加任意数量的条款。
6) 应用层。应用层封装了区块链各种可能的应用场景和案例。
1. 2. 2 区块链技术的特点
( 1) 去中心化。区块链数据的处理过程都是在分布式网络中进行的，它依靠纯数学方法建立了一个去中心化的可信任系统，实现了 P2P 交易，无需第三方机构参与即可完成交易，从而解决了因第三方机构参与带来的成本居高不下、效率不高和无法保障数据安全的问题。
( 2) 开放透明。区块链系统是一个开放的系统，除了系统参与者或者说交易方的账户信息是加密的，其他数据都是公开透明的，任何人都可以通过公开的接口查询到除了账户信息外的任何信息，因此整个系统具有高度的透明性。
( 3) 安全可靠。区块链系统采用经济激励机制来鼓励各节点都参与到数据区块的验证过程中，并通过共识算法确定在哪个节点添加新区块，只有在全网大多数节点同意其接入主链时，新区块才能被计入区块链，所以新区块数据的真实性是有保障的。而且区块链中的每个区块都是带有时间戳的，时间戳的存在使得数据可以追本溯源，增强了数据的可验证性。除此之外，区块链数据极难篡改，以比特币系统为例，只有控制了全系统 51% 的算力才能够篡改数据，而这几乎是做不到的。区块链系统通过分布式网络中的众多节点验证并记录所有的交易，采用非对称密码学原理，生成两个密钥，即公钥和私钥。当使用一个密钥对信息进行加密后，只有对应的密钥才能实现解密，这样就确保了交易的私密性和安全性。而且区块数据是拷贝在网络各节点中，所以只要有一个节点在正常工作，就不用担心数据的丢失，主链数据完全可以通过这个节点实现完整恢复。
2 基于区块链技术的电力期货市场
2. 1 基本框架
常规的区块链应用只有一条区块链，但随着业务的扩展，节点数量会越来越多，就会带来信息传播延迟的问题，应用的整体性能也将变得越来越差，而且单链结构扩展性不高、吞吐量低。为了解决这一问题，本文采用双链结构搭建电力期货市场的基本框架，主要包含了 TBC 交易区块链和 ABC 账户区块链，如图 3 所示。图 3 ABC 和 TBC 架构图 Fig. 3 ABC and TBC architecture
TBC 交易区块链的任务是执行期货交易，它并不存储期货市场参与者的账户信息。ABC 账户区块链的主要任务是查询、保存期货交易各方交易前后的账户信息，并不执行交易，这样做的好处是保证了账户信息不易被伪造篡改。除此之外，ABC 账户区块链还具有良好的扩展性，当其处理的数据量十分庞大超过限制时，ABC 链可以分裂成多个子区块链，如图 4 所示。这些子区块链拥有独立性，它们之间存在着相互监督的关系，而且这些子链都标记有时间戳，可以在不同的设备或服务器上运作[15]。
采用 ABC /TBC 双链架构模式，使得每个机构都拥有独立的账户区块链，只有在参与交易时，有关交易的信息才会被共享到交易链上。双链的架构模式不仅提升了交易速度，降低了成本，还保护了电力期货交易双方的隐私。
2. 2 共识问题
共识机制( Consensus) 让区块链系统具备了很高的自信任性，它不仅保障了区块数据的可靠性，还保证了区块链系统的稳定运行。常见的区块链共识机制有 POW 共识机制、POS 共识机制、DPOS 共识机制、Pool 验证池等。常规的区块链系统通过智能合约从外部调取数据，由网络延迟、节点处理速度等原因，各节点很有可能出现无法达成共识的情况，区块链的自信任性也将面临崩溃。就电力期货市场而言，当电力期货买入方在现时价格买入一手期货时，智能合约调用期货公司的 API 接口，实现买入功能。但由于网络延迟，各节点并不能在同一时刻获取这笔订单信息，包括买入时间以及该时刻的期货价格，加之各节点的处理速度不一和期货价格的实时波动等因素，各节点智能合约的输入和输出结果都将存在差异，因此很难达成共识，就会导致该笔电力期货交易无法成交，对买卖双方都会造成不同程度的经济损失。
POW 共识机制会造成巨大的算力资源以及电力资源浪费，而且其共识时间长达 10 分钟，并不适合电力期货交易。POS 共识机制有效地缩短了系统共识的达成时间，但是其本质上仍是通过挖矿运算来达成共识，因此 POS 共识机制也很难应用于电力期货市场。DPOS 共识机制虽然极大程度上减少了验证和记账节点的数量，实现了秒级共识，但是仍无法脱离代币机制。相较于以上三种共识机制，Pool 验证池共识机制与基于区块链的电力期货市场有很好的契合性，Pool 验证池不仅能够实现秒级共识验证，而且非常适用于有多方参与的金融交易模式，该机制的应用不仅能够很好地解决网络传输延迟这一问题，还可以优化电力期货的交易流程与模式。
如果调用外部数据不是通过智能合约，而是由第三方将数据传输到区块链，就能保证数据的一致性，从而解决期货交易过程中存在的共识验证难题。为了更好地解决电力期货交易过程中存在的共识问题，本文引入了预言机( Oracle) 。预言机作为一个可信任实体，可以通过签名获取外部信息，它拥有不可篡改和可审计的优点，同时有效地经济激励机制也保障了预言机可以提供稳定的服务。预 言 机 ( Oracle) 作为一种可信实体，可以完美的充当第三方，它为区块链系统和互联网搭建了一座桥梁，突破了智能合约调用数据的限制，使得区块链系统能够在完全可信的条件下访问互联网数据。
2. 3 智能合约的设计
采用以太坊专用语言 Solidity 设计的电力期货市场智能合约如图 5 所示，当符合特定的触发条件时，智能合约就能自主执行，实现了不依靠中心机构就能完成交易[16]。
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