基于區塊鏈的配電網電力交易方法

發布時間：2020-01-15所屬分類：科技論文瀏覽：1次

摘 要： 摘要：為了實現高效、公平、透明的配電網電力交易，提出了基于區塊鏈的配電網電力交易方法。針對當前含新能源的配電網電力交易的難點，結合區塊鏈的技術特點，提出了配電網電力交易的區塊鏈結構。介紹了基于區塊鏈的配電網電力交易的具體實現步驟和交易過程

　　摘要：為了實現高效、公平、透明的配電網電力交易，提出了基于區塊鏈的配電網電力交易方法。針對當前含新能源的配電網電力交易的難點，結合區塊鏈的技術特點，提出了配電網電力交易的區塊鏈結構。介紹了基于區塊鏈的配電網電力交易的具體實現步驟和交易過程，深入研究基于 XML 組織區塊鏈主體內容，并將國產安全算法 SM2 和 SM3 引入到區塊鏈應用中。最后設計了基于區塊鏈的配電網電力交易情景，證明了基于區塊鏈的配電網電力交易方法的有效性。

　　關鍵詞：區塊鏈;配電網;新能源;電力交易;交易安全

　　0 引言隨著新能源廣泛生產與應用，光伏、風電、生物質能等新能源以微電網形式高滲透率地接入配電網中，配電網的能源結構發生了深刻變化。配電網可能向微電網的負荷提供電能，也可能從微電網的新能源中接收電能，配電網由原先的單向潮流變為雙向潮流，能源結構更加復雜。同時，風能和光伏受地理、氣候等客觀因素影響，發電具有隨機性、間歇性和不穩定性的特點，配電網的能源分布具有更大的不確定性[1]。

　　配電網能源供應側接入大量分散的新能源，從能源利用的角度，希望新能源能最大程度發電，避免當前困擾新能源發展的棄風、棄光等現象，這有基金項目：國家自然科學基金資助項目(51807116) 賴于良好的新能源交易和管理機制，以充分實現分布式能源的有效消納[2]。

　　當前已從政策層面陸續出臺了鼓勵新能源發電和消納的政策，但促進新能源發電和消納的政策在具體落實上還存在諸多亟需解決的問題，如何建立有效的新能源交易機制便成為了關鍵[3]。

　　含新能源的配電網電力交易過程中，在遵循電力市場“統一、開放、競爭、有序”基礎上[4]，應尊重各個電力市場主體的自主性和選擇性，避免電力市場主體之間、電力市場主體與電力調度交易機構之間因電力市場交易發生矛盾。

　　我國現有的電力交易主要通過集中式交易中心完成，并通常由特定的機構主導整個交易，這雖然有利于保障電力交易的安全性，但集中式電力交易中心在市場機制、交易清算、阻塞管理等諸多領域還有待進一步發展成熟。另外，集中式電力交易中心，當前主要開展年度、季度、月度等中長期電力交易，幾乎并不承擔分時電力交易;而新能源由于自身發電的不確定性，更關注于短期電力交易，這在當前集中式電力交易中心難以實現[5]。

　　隨著配電網電力市場的開放步伐加快，更多的交易實體參與電力交易，電力服務的利益分配機制、交易方式和定價機制更加復雜，采用有效的配電網電力交易技術，確保交易安全、降低信用成本和交易成本，促進配電網新能源中的消納，具有重要意義。

　　區塊鏈作為一種新興的交易技術，采用總賬分散式的記賬方式，以鏈式結構記錄各個交易參與方的互動信息，并以區塊方式妥善保存交易信息。整個交易信息采用現代密碼學算法，保障交易信息的完整性、不可篡改性和不可抵賴性[6]，區塊鏈有望解決配電網電力交易主體多、交易安全等難題。

　　1 區塊鏈技術

　　區塊鏈來源于比特幣，作為比特幣的底層支撐技術，于 2010 年左右開始興起，并逐步演化成一種為各種復雜交易提供安全可靠交互的技術。

　　盡管當前比特幣等貨幣形式存在合理性爭議和法律風險，但區塊鏈作為一種解決交易公平性和安全性的有效手段，受到了包括配電網新能源交易在內的電力市場關注[7]。區塊鏈借助密碼學算法，采用去中心化方式，由所有的參與方共同維護一個開放、透明的區塊鏈數據庫，有助于實現交易的公開性和公平性。

　　具體實現上，區塊鏈由多個包含交易信息的區塊按序逐級連接成為數據鏈，如圖 1 所示。隨著交易信息的增加，區塊數量不斷增加，各個區塊起著 “承上啟下”的功能，既承接上一個區塊的信息，又將本次交易的內容添加到本區塊，而且以密碼技術保障所添加內容的完整性。

　　每個區塊由區塊頭和區塊主體兩部分組成：1) 區塊頭包含整個區塊鏈的簡易信息，主要包含前一區塊哈希值、時間戳、Merkle 根植、版本號、隨機數和目標哈希值等內容。2) 區塊主體包含本區塊詳細的交易信息，這些信息和前一區塊的哈希值以及隨機數通過哈希算法獲得本區塊的哈希散列值。

　　2 配電網電力交易的區塊鏈應用

　　2.1 配電網信息結構

　　含分布式能源的配電網中，新能源通常因地制宜地分散于整個配電網，各種類型的新能源接入到配電網，并與配電網原有的電源和負荷連接一起實現電能供需平衡。同時，配電網各個組成單元通過通信網絡實現信息交互，從而獲知其他單元的發電和用電情況，也將自身的電能情況實時地告知配電網其他組成單元，如圖 2 所示。

　　由于配電網分布廣泛，現場情況復雜多樣，配電網的通信網絡可以因地制宜，采用當前電力通信領域普遍采用的通信方式：1) RS485/422 等串行網絡;2) CAN、Profibus 等現場總線;3) GPRS、 2G/3G/4G 等無線網絡;4) 光纖以太網等高效能網絡。配電網通信可以選擇上述一種或是多種網絡混合組成靈活的配電網通信網絡。

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　　依托配電網通信網絡，配電網將原先處于“信息孤島狀態”的電力發電容量和用電需求等分散信息匯集起來。配電網電力供求信息通過通信網絡，以區塊鏈的形式知會配電網各個組成單元。發電方很容易便通過區塊鏈這種公開渠道獲知其他發電方以及用電需求量，或以區塊鏈方式公布自身的發電情況和尋求電量接收方。用電方也可以通過區塊鏈方式公布自身的用電需求，并獲取發電方的發電容量和價格。

　　2.2 配電網電力交易區塊鏈結構

　　參照通信協議 ISO 七層結構的特點，區塊鏈結構也建立了數據層、網絡層、共識層、激勵層、合約層和應用層的分層結構。當區塊鏈應用于不同場合時，區塊鏈的層次結構會根據具體應用場合的不同有所微調，但區塊鏈的應用結構基本穩定，配電網電力交易的區塊鏈結構圖如 3 所示。

　　1) 區塊鏈結構的底層是數據層。數據層作為區塊鏈的基礎，包含了區塊數據、鏈式結構和密碼學算法等具體數據內容。區塊數據承載了配電網電力交易的詳細信息，并采用鏈式結構組成完整的配電網電力交易鏈，通過非對稱加密等密碼學算法保障信息安全性，并采用數字簽名方式實現電力交易信息的不可否認性。 2) 數據層的上一層是網絡層，網絡層主要實現區塊鏈數據的網絡傳輸和驗證功能。配電網的通信網絡雖然較為復雜多樣，但普遍都能滿足單點向多點發送的類多播傳播方式，而且不同網絡通常采用網關轉換等方式實現異構網絡的互通互連。

　　配電網電力交易涉及發電和用電的多個參與方，有交易需求的參與方，經通信網絡向其他參與方廣播交易信息，有交易信息意向的參與方接收到信息后，也經網絡層向其他參與方廣播回應信息。

　　需要注意的是，上述的配電網電力交易過程，并不采用交易雙方私下進行的方式，而是采用交易信息可以在配電網通信網絡上公開獲得的方式，這也是區塊鏈技術的開放性和公開性特點。

　　3) 共識層表征了配電網電力交易的權益和股權證明等內容，同時采用拜占庭容錯等措施，使得整個區塊鏈能夠容忍少于三分之一的參與方惡意作弊或被黑客攻擊，確保電力交易順利完成。

　　4) 激勵層主要用于鼓勵參與方積極地參與區塊鏈的發展，在比特幣等應用場合通常采用獎勵比特幣的方式給積極“挖礦”的參與方。而配電網電力交易參與方則具有天然的參與意向，都希望能夠達成自身利益最大化的電力交易。

　　5) 合約層包括智能合約和合約約束等內容。對于基于區塊鏈的配電網電力交易，由于區塊鏈包含的交易信息不可撤銷和不可篡改，交易信息可為違約的交易合同提供法律證據，另外，配電網電力交易內容由交易雙方協商訂立，交易雙方可補充違約責任以保障交易完成。

　　進一步，配電網的所有參與方，可以從區塊鏈內容獲悉整個配電網電力交易過程，很容易便可認定電力交易違約方，同時還可以從區塊鏈的歷史交易內容查找交易方的信用記錄，這將對違約起到很大的約束作用。

　　6) 應用層作為區塊鏈的最高層，提供針對各種應用場景的程序和接口，直接體現了具體的應用場合�；�于配電網的電力交易，參與方只需通過應用層接口，直接調用區塊鏈對應的應用程序，而無需關心區塊鏈底層的技術細節。

　　3 具體實現

　　3.1 區塊鏈實現步驟

　　配電網的各個發電和用電參與方，構成電力交易的主體，參與方首先準備好自己的身份信息、公鑰和對應的私鑰，身份信息包括參與方的工商和營業賬號、稅號、對公銀行賬號和公司地址、電話等公司的公開信息，公司的公開信息表征了公司的身份，其真實性可以通過政府相關部門等權威渠道確認。同時采用加入審查制度和保證金機制，由配電網電力交易聯盟對新加入的成員進行身份認證，防止假冒身份者進入配電網電力交易中。

　　參與方同時產生配對的公鑰和私鑰，公鑰跟隨參與者身份發送給其他參與方，其他參與方可以采用該公鑰來確認信息的真實性及其來源真實性;私鑰只由密鑰擁有者管理，私鑰表征了電力交易區塊鏈的真實來源，因為其他參與者不能推算出該密鑰，無法偽造其他參與方的電力交易區塊鏈。

　　參與方加入配電網電力交易時，如圖 4 所示，參與方首先將身份信息和公鑰作為參與電力交易的初始化區塊鏈，發送到配電網通信總線供其他參與方使用。一方面，參與方發送的身份信息和公鑰以區塊鏈的方式記錄下來，由于區塊鏈的不可更改特性，該信息將為后續的交易作“背書”功能;另一方面，其他參與方以安全、可靠的方式獲得了新加入的參與方的公鑰等信息，實質上完成了密碼技術中的密鑰分配難題。

　　其他參與方通過新加入參與方的初始化區塊鏈，獲得對應的身份和公鑰，便能與包括新加入參與方在內的所有參與方進行配電網電力交易。而新加入的參與者，也可以查閱之前區塊鏈的內容，從而找到其他參與方的身份信息和公鑰，甚至可以查閱以前配電網電力交易的記錄。也就是說，基于區塊鏈的電力交易方式，具有向前追溯的功能。

　　3.2 交易過程

　　與比特幣交易過程側重于比特幣挖掘和計算不同，配電網電力交易的區塊鏈交易過程，側重于利用區塊鏈包含的內容具有不可篡改和不可否認的特性，以區塊鏈的方式促成并完整地記錄下電力交易過程，主要包括“提出電力交易需求、達成交易意向、完成交易合同并最終履行合同”等內容，如圖 5 所示，核心步驟有：

　　1) 所有配電網電力交易參與方，時刻監聽配電網通信網絡的區塊鏈信息。有電力交易需求的參與方，用自己的私鑰加密經哈希算法產生的電力交易需求信息摘要后，將加密的摘要跟隨電力交易需求信息加入到區塊鏈，并通過配電網通信網絡，向全配電網的所有參與方廣播包含該電力交易需求的區塊鏈信息。

　　2) 每個參與方接收包含最新交易意向的區塊鏈信息，根據發布電力交易需求信息的參與方公鑰，解密發布方的哈希摘要，并與收到的電力交易需求信息的哈希計算值做比較。當兩個信息摘要的數值一致時，則可判斷該區塊鏈信息沒有被偽造或被篡改，該區塊鏈內容是發布方發出的真實電力交易請求。

　　3) 參與方根據自身的發電或用電情況，判斷是否接受該電力交易，如不接受則忽略該交易;否則接受該電力交易意向或在該電力交易意向基礎上與發布方協商，提出新的電力交易意向，并用自身的私鑰加密所發布有交易意向的區塊鏈信息，區塊鏈的實現過程與步驟1)和2)所述的發布方完成區塊鏈內容一樣。

　　4) 發起此次電力交易需求的發布方，接收有交易意向參與方的電力要價或談判信息;并從所有的回復的交易意向信息中，篩選出最可能達成電力交易的參與方，達成電力交易協議或繼續就該電力交易談判。若對所有的電力交易返回信息不滿意或是根本沒有收到對該次交易的返回信息，則終止該次所發起的電力交易。

　　5) 初步達成電力交易意向的電力交易供需雙方，以區塊鏈的方式記錄整個電力交易完成過程，包括：可以根據電力交易需要進行多次談判協商;達成配電網電力交易意向、簽訂合同、繳納保證金和電力交易過程中的完成步驟及其證明等。需要注意的是，在雙方約定好的交易信息保密范圍內，電力交易雙方可以將己方完成交易的證明，盡可能地記錄到區塊鏈中，這樣一旦出現交易糾紛，以往區塊鏈所記錄的內容，將為己方盡力履行電力交易提供證據。

　　3.3 區塊鏈內容

　　區塊鏈的主體內容包含了配電網電力交易信息，交易信息需以統一、高效的方法組織起來，各個參與方能方便地理解交易信息，而且不產生交易信息理解的歧義�？紤]基于區塊鏈的電力交易信息，本質上是區塊鏈內容以通信報文的形式在配電網通信網絡上傳送。因此，本文將可擴展的標識語言(eXtensible Markup Language, XML)應用于區塊鏈主體內容的組織。