发布时间：2020-02-12所属分类：电工职称论文浏览：1次
摘 要： 摘要：作为一种去中心化的分布式记账模式，区块链可以通过数据加密、时间戳、智能合约等技术手段，实现节点间无需信任、去中心化的点对点交易。合理利用区块链技术的相关特性，可以为分布式发电市场化交易提供有效的技术支撑。首先，从区块链技术的基本概念
摘要：作为一种去中心化的分布式记账模式，区块链可以通过数据加密、时间戳、智能合约等技术手段，实现节点间无需信任、去中心化的点对点交易。合理利用区块链技术的相关特性，可以为分布式发电市场化交易提供有效的技术支撑。首先，从区块链技术的基本概念入手，分析区块链与分布式发电市场化交易特点的对照关系。针对市场准入、交易模式、成员博弈、安全校核、阻塞管理与交易结算等分布式发电市场化交易的关键环节，分析区块链技术在弱中心化与去中心化交易管理中的异同。最后，分析了区块链技术在分布式发电市场化交易的应用中亟需解决的问题，并提出了未来的研究方向。
关键词：区块链;智能合约;分布式发电市场化交易;弱中心化管理;去中心化管理
随着分布式发电渗透率的不断提高以及售电侧改革的稳步发展，配电网中的用户将不仅作为能源消费者，也可以通过管理各自拥有的分布式发电机组、分布式储能设施和分布式负载等来充当能源供应者。在大量独立决策的能源产消者参与电力市场竞争的背景下，设计灵活有效的分布式发电市场化交易机制、构建面向分布式主体的可交易能源系统、实现配网内资源的优化配置是售电侧改革的关键[1—2]。
2017年10月31日，国家发改委、能源局联合发布《关于开展分布式发电市场化交易试点的通知》[3]指出，分布式发电市场化交易的机制是：分布式发电项目单位(含个人)与配电网就近电力用户进行电力交易。现有研究认为配电网交易可以借鉴输电侧市场交易的经验[4—5]，基于集中式的交易中心，构建由代理运营商统一管理的分布式发电上网交易模式[6]。
考虑到配电网特性与输电网特性存在较大差异，同时，传统的集中式交易中心存在成本高、效率低、透明度低、信息安全风险高等问题，导致分布式发电交易不适合采用集中式交易的方式进行[7]。区块链技术具有分布式账本和智能化的合约体系，已成为记录电力系统能源交易的分布式解决方案，且不会使交易信息遭到篡改[8—9]。因此，利用区块链技术在交易和计量方面的独特优势，可以实现配电网中分布式发电的去中心化交易。
1 区块链技术
区块链可被类比为一种分布式数据库技术，通过维护数据块的链式结构，可以维持持续增长的、不可篡改的数据记录，具有去中心化、集体维护、智能合约、安全可信等特性[10]。智能合约作为典型的可编程技术，能够将交易的执行过程写入自动化的可编程语言，通过代码强制运行预先植入的命令，保证交易执行的自动性和完整性。根据参与者的不同，可以将区块链分为3种类型：公有链、联盟链和私有链。
目前区块链技术在能源领域已经有了初步的应用，文献[11]提出一种通过向电网注入能量而产生的能源货币 NRGcoin。布鲁克林的 TransActive Grid项目以区块链连接光伏交易，几乎不需要人员参与就可以管理记录交易[12]。Grid Singularity 探索用区块链技术实现能源的交易验证，其终极目标是为能源系统创建一个区块链平台，拥有电网上所有类型的交易[13]。文献[14]提出了运行在以太坊区块链上受智能合约控制的太阳能配电系统 Helios，使微电网消费者能够生产、消费和交易能源。
2 区块链与分布式发电市场化交易特点的对照关系
基于区块链灵活、开放、去中心化的特点，通过设定交易机制可以将各利益相关方联系起来，实现自动信任的能源交易，包括拍卖、出价和支付过程[11]。作为自动化能源交易应用的基础，区块链技术为分布式能源的交易执行和信息安全问题提供了新的解决方案[15]，也使其在分布式发电市场化交易中的应用成为了可能。区块链技术的特点与分布式发电市场化交易的特点在以下4个方面[16—17]存在相似性，如表1所示。
(1)去中心化：区块链系统中的所有节点都具有同等的权利与义务，数据的存储、传输、验证等过程均基于分布式的系统结构，任意节点的数据丢失不会影响到系统的正常运行，有助于解决确保分布式能源交易中数据交换的完整性与可信度等问题。
(2)集体维护：区块链系统由网络中所有的节点共同运行和维护，并使用特定的激励机制来保证分布式系统中所有节点均参与信息交换过程。区块链技术将为分布式能源提供公开透明、公平可靠且成本低廉的交易平台。
(3)智能合约：智能合约通过代码强制运行预先植入的命令，自动完成且无法干预。随着分布式电源的增加，能源交易将向智能化、自动化方向发展，智能合约的可编程特点使得交易双方可以约定各种交易条款，保证交易执行的自动性和完整性。
(4)安全可信：区块链采用非对称密码学原理对交易进行签名，使得交易不能被伪造，利用哈希算法[8]保证交易数据不能被轻易篡改，同时，借助分布式系统各节点的共识算法形成强大的算力来抵御攻击。这种特点可以为各分布式主体的信息安全提供强有力的保障。
3 弱中心化与去中心化交易管理的异同
弱中心化指电力交易的博弈过程及交易信息管理和记录由电力市场的参与者完成[18]，中心机构只对交易的安全性进行管理，如：能源互联网中的能源交易[18—19]、跨省发电权交易[20]等。去中心化指电力交易的博弈过程、交易信息管理和记录、交易的安全校核与阻塞管理都由电力市场的参与者完成，如：大用户直购电交易[21]、配电网去中心化交易[7]等。针对市场准入、交易模式、成员博弈、安全校核、阻塞管理与交易结算等分布式发电市场化交易的关键环节，分析区块链技术在弱中心化与去中心化交易管理中的异同。
3.1 不同点
3.1.1 市场准入
(1)弱中心化的市场准入方式：由弱中心机构对用户资质进行审核[19]，包括接网电压等级、单体项目容量等。用户进入与退出市场都需要审核，并向全网节点广播，所有节点达成共识后，方可完成注册或注销。
(2)去中心化的市场准入方式：利用区块链快速查询准入的相关指标，如：接网电压等级、单体项目容量等，判断是否符合准入条件;利用区块链技术签署共同声明，规定成员的基本权利与义务[21]。
3.1.2 安全校核
(1)弱中心化的传统安全校核方法：中央管理机构根据交易以及线路参数，运用潮流方程计算出交易达成后每条线路的潮流，并与线路最大潮流进行比较，判断交易是否满足安全校核[18]。
(2)去中心化的分布式安全校核方法：①市场参与者根据自身达成的临时交易以及本地局部的线路参数通过迭代的方式分布式地算出与自身相连的线路的潮流，并与线路最大潮流进行比较，判断交易是否满足安全校核[18]。②根据区块链上记录的功率转移分布因子，计算其对各支路潮流的影响量，智能合约对各产消者提交的影响量线性求和，判断各支路的潮流越限情况[7]。③利用一种潮流跟踪算法，证明用户购买能量的来源，以提供与能量流相关的功率损失的明确归因[22]。
3.1.3 阻塞管理
(1)弱中心化的阻塞管理方式：中心机构仅对阻塞进行管理，在设定阻塞价格的过程中，只需了解线路越限信息，并不需要了解具体的交易信息[18]。
(2)去中心化的阻塞管理方式：①通过互联链在另一条区块链上进行阻塞管理，并不涉及对已经达成共识的交易进行修改。②利用分布式系统各个节点间的配合来消除阻塞，基于区块链技术在导致阻塞和消除阻塞的节点间形成多方合约，实现对参与消除阻塞的节点的奖励。③如果系统发生严重阻塞，利用上述任何方法也不能恢复正常运行，则应该通过联盟各成员投票，对区块链进行强制回滚和分叉，以确保电网的安全[21]。
3.2 相同点
3.2.1 交易模式
从交易的发起者与接受者的数量关系，将交易模式分为单个发起者+多个接受者/多个发起者+单个接受者“一对多”与多个发起者+多个接受者“多对多”2种。
(1)单个发起者+多个接受者/多个发起者+单个接受者
交易发起者编写智能合约，规定交易的电量、价格、交割时间、违约金额等，并将合约地址和接口等发布至交易池，响应交易者查看交易池，选择满足自身需求的合约，将公钥地址作为电量或者资金流向的账户，用私钥进行签名，并将签署好的智能合约同步至区块链中[21]。
(2)多个发起者+多个接受者
买方和卖方将各自的报价和参与交易的电量等信息通过区块链向全网发布，根据市场的报价规则判断报价是否合理，不合理则重新报价，根据交易规则匹配卖方和买方，将交易的电量、价格、交割时间、违约金额等写入智能合约，将公钥地址作为电量或者资金流向的账户，用私钥进行签名，并将签署好的智能合约同步至区块链中。
3.2.2 成员博弈
区块链技术可以促进分布式发电市场化交易竞争博弈的去中心化、信息的公开透明化、信息安全性的提高、奖惩机制的完善[23]。根据博弈者的理性，从合作博弈与非合作博弈2个方面介绍区块链在市场成员博弈中的应用。
(1)非合作博弈
文献[23]在综合分析微电网运营商、大用户以及分布式聚合商市场主体需求及收益等因素的基础上，构建了基于区块链技术的多微电网系统非合作竞争博弈模型。文献[24]提出了一个P2P交互微电网的模型，产消者可以通过智能管理系统相互交易本地发电量。买方完全不了解彼此的决策，在每次迭代中参与对可用资源的多阶段非合作拍卖。文献[25]构建市场交易2层优化模型，基于博弈论，以最大市场统一出清价原则构建辅助目标函数，通过纳什均衡来求取唯一纳什均衡解，以获得分布式发电最佳调度策略和利益分配。
(2)合作博弈
文献[26]将小型电力供应商和终端用户之间的实时直接交易作为一个联盟博弈，导出直接交易的电价，根据渐近的 Shapley 值分配直接交易的收入，实现公平的利润分配。文献[27]将能源交易问题作为一个集中式优化问题，将能源传输成本纳入交易机制，提出了基于博弈论的集中式和分布式能源交易算法。文献[28]基于合作博弈理论，设计了由联盟、电网和集成售电商三方组成的区域配电市场，提出了联盟交易模式的定价机制与参与方收益计算方法，并建立了集成售电商日前联盟撮合和报价的优化决策模型。文献[24]通过整合智能合约提出能源交易的拍卖模式，所有想要出售电量的普通消费者组成一个联盟，每个卖家的利润分配与其为联盟贡献的发电量成正比。
3.2.3 交易结算
区块链支付可以帮助交易参与者解决互信问题，不涉及中介机构，极大地降低了中心化支付方式的系统风险，使系统中所有节点能够在去信任的环境下自动安全地交换数据。在节点上运行分布式交易程序，智能合约记录交易相关信息，智能电表记录用户在一定时间内发出或使用的电能数据，当交易时间到达，智能合约将自动进行结算，完成资金的转移[7]，具体步骤如下：
(1)返还所有未达成交易市场成员的保证金。
(2)根据交易执行情况分为以下 3 类：①若交易的全部参与者均按交易结果执行，维持供需平衡，则按各自约定价格结算。②若全部参与者实际消耗电量低于生产电量，那么需要向电网出售多余的电量，则参与者首先按约定电量及成交价格结算，然后电网按照上网电价支付给多余电量的生产者。③若全部参与者实际消耗电量高于生产电量，导致必须向电网购买电量以维持供需平衡，则参与者首先按约定电量及成交价格结算，同时按照目录电价向电网购买缺少的电量。
(3)全部参与者结算完成后，返还各自剩余保证金。
4 存在的问题与未来的研究方向
4.1 适用于分布式交易的共识算法
现有的 POW、POS、DPOS、Paxos、PBFT 等共识算法的提出大多基于金融交易的应用场景，也有一些改写自上述共识算法并用于能源交易应用场景的供电共识算法、交易共识算法[29]等，但都不特别适合电力网络的运行环境。因此，需要根据电力网络的运行结构与物理特征，提出适用与分布式交易的共识算法，推动区块链在分布式发电交易中的应用。
4.2 基于区块链的分布式发电交易模式
虽然已有TransActive Grid、Grid Singularity等将区块链成功应用于能源领域的尝试，但这些应用很大程度上还处于理论研究与概念验证阶段，缺乏明确的交易模型与市场规则。未来应当结合分布式发电交易在实际应用中的需求，借鉴国内外已有的基于区块链的能源交易模式，提出适用于分布式发电市场化交易的交易模式与交易流程。
4.3 区块链应用于分布式交易的效率评价
目前的研究大多只提出了区块链在能源交易中的简单应用方案，仅通过测量和仿真对区块链的交易速度进行定性研究，没有提出具体的数学模型对交易效率的影响因素进行定量分析。因此，亟需分析市场规则、定价机制、商业模式等对区块链网络的具体影响，研究基于区块链的分布式发电市场化交易的效率评价体系。
相关期刊推荐：《电力需求侧管理》Power Demand Side Management(双月刊)1999年创刊，是国内首家电力需求侧管理方面的专业杂志，国家电网公司、国家计委、国家经贸委有关部门负责人和全国各网、省电力公司市场营销部负责人等为本刊编委会成员。
5 结束语
分布式新能源的渗透使传统的用户实现从消费者到产消者的转变，设计面向分布式主体的市场化交易机制，使分布式能源达到优化配置，是售电侧改革的关键。根据分析可知，区块链技术能够应用于分布式发电市场化交易的市场准入、交易结算、安全校核等关键环节，根据预定义规则编写智能合约，保证交易自动化执行，通过连接本地的能源生产者与消费者，可以减少能源长距离传输需求，消除中心化模型的固有缺陷，有效促进经济社会运行效率的提升。然而，目前区块链技术与分布式发电市场化交易在国内仍是理论研究较多，未来在应用中需要结合分布式发电市场化交易的需求，进一步探索适用于分布式交易的共识算法、基于区块链的分布式发电交易模式和区块链应用于分布式交易的效率评价等。
SCISSCIAHCI
