基于区块链的大用户直购交易模式研究
发布时间：2021-05-23
摘要：大用户直购电是电力市场改革的重要一环，但随着可再生能源的发展导致供给端呈现出去中心化趋势。区块链作为新兴的分布式数据库技术，在当前能源互联网的建设背景下有着很好的应用前景。文章详细介绍了区块链的技术原理，分析了其在电力交易上的应用价值。从传统直购交易模式特点出发，提出了一种大用户直购电链路框架，结合直购电交易特点对分布式共识机制进行研究改进，完善了交易流程对智能合约进行的功能定义，并从整体系统架构上分析了各个层级的通信协议及交互关系。在实验室环境下分析了该系统在实际应用中的表现，为后续研究提供了思路。
关键词：区块链;大用户;新能源消纳;电力市场
0引言
随着能源互联网概念的提出和电力市场改革的推动，市场参与主体正趋于多元化发展，逐步迈向“监管中间，放开两端”的新体系。到目前，国内电力市场已基本上建立了发电端的竞争体系。作为售电侧放开的重要一环，大用户直购可以有效增强市场活力，促进市场竞争，形成多售购电主体竞争的格局。1
大用户直购是指符合一定用电条件的企业或个体向发电商直接购电的一种交易形式，这种交易模式是有助于更新电力交易格局，建立新型的买用电市场结构。而目前，国内大用户直购电模式均存在相应的中心管理机构。这种存在中心机构的购电模式存在着公平性差、交易维护成本高、交易信息不对称等弊端。
区块链作为一种新技术，目前在能源交易领域已有广泛应用。文献[1]讨论了区块链在微电网交易中的应用，建立了区块链下微电网的售电模型。文献[2]提出依托区块链改善电能辅助领域的管理，实现辅助服务系统不同主体、系统之间的可信管理。文献[3]应用以太坊智能合约，建立含新能源的配电网交易模型，有力促进了配电网中新能源的消纳。文献[4]讨论了智能合约在电动汽车充电的应用，引入智能合约可以有效提高充电桩的应用效率。文献[5]讨论了区块链在绿色证书交易上的应用，结合实地项目验证了所设计平台的完备性。文献[6]提出将智能合约引入的跨省交易权的建模中，为解决交易摩擦提供了一种途径。文献[7]比较了两种基于区块链的阻塞管理方法，改进了分布式下安全校核方法。文献[8]提出一种基于区块链的光伏微电网博弈模型。文献[9]在光伏微网的应用场景下，考虑区块链对交易效率和交易成本的影响。文献[10]在区块链中引入双链模型，结合智能电表和智能合约建立能源点对点交易模型。文献[11]则在安全方面对电力系统引入区块链进行了分析，通过建立电力系统交易网络模拟器，分析了区块传播时间和区块大小对安全性的影响。
而针对区块链在大用户直购电上的应用，已有文献[12]提出了一种基于区块链的大用户直购电框架，从市场准入到交易结算介绍了引入区块链的可行性。文献[13]着重研究区块链在大用户直购电中弱化中心的实现方法。文献[14]分析了大用户直购中促进新能源消纳的不同交易模式，但未考虑使用区块链平台进行交易建模。文章将在介绍区块链原理的基础上，分析大用户直购的典型环节和政策，从链式结构、绿证交易到智能合约构建，提出一种基于跨链技术的大用户直购系统，结合实际仿真模拟具体交易，探索出一种公开透明、高便捷度的新型直购交易体系。
1区块链技术原理
1.1区块链与链路类型
区块链技术作为一种新型的分部式数据库技术，自提出以来备受关注。在区块链的概念下，网络中的所有节点都共享数据的存储，使其成为可信任的安全的系统。
区块作为区块链的基本结构单元，是使用加密算法得到的一系列数据块。其连接模型如图1所示，其每个块中包含交易信息、默克尔根、时间戳和前一区块的哈希值等基本数据。所有区块首尾相连成为完整的区块链，篡改区块中的值会使得其之后的所有区块也被改变，这种结构从根本上保证了数据的安全性。
区块链根据其开放程度主要分为三种链路，分别为公有链、私有链和联盟链。其中公有链是具有完全去中心化特点的区块链，其核心特点在于所有节点具有的权限平等，典型应用为比特币。私有链仅限拥有权限的节点参与区块的读写，系统完全封闭，外部成员无法进入。联盟链作为一种介于私有链和公有链的第三种链，是一种部分去中心化的区块链。适用场景为多个身份互相已知的组织内，内部成员拥有记账的权限，而外部成员仅能查询与自身有关的信息。
而根据链与链的关系又可以分为主链和侧链。主链侧链可以依靠跨链技术实现信息交换和资产互通。侧链可以提高交易速度。侧链的出现使得主链可以把部分交易转移到侧链上，在小范围内达成共识，加快交易速度，降低交易成本，提升交易效率。
1.2区块链与密码学
从区块链的数据结构可以看出，区块一旦安全性得不到保障，其不可篡改性也将不复存在。区块链保障数据安全主要采用两种加密算法：哈希算法和非对称加密技术[15]。在区块中应用哈希算法计算当前区块的Hash值，并计算默克尔树中每笔交易的Hash值。在转账交易中应用非对称加密算法，其运作原理如图2所示，每个用户被分配公钥和私钥，用户写数据时，使用私钥进行数字签名，基于区块链网络，将签名和交易内容发送到接受用户。接受用户通过对数字签名和传输内容进行解密对比摘要内容确认数据。
1.3共识机制
共识机制是区块链中各个节点对事务进行确认并达成共识的一种算法。对于区块链这种分布式的账本系统，共识机制可以完成所有节点的数据同步，且能保证交易数据不被篡改，是各个节点安全稳定运行的保障。目前主要的共识机制主要有POW(ProofofWork，工作量证明)、POS(ProofofStake，权益证明)、DPOS(DelegatedProofofStake，股份授权证明)、分布一致性算法等。
1.4智能合约
智能合约是由尼克·萨博在1994年提出的，并被定义为“执行合约条款的计算机化交易协议”，但由于在当时缺少可行的执行环境并没有得到应用。而以太坊与比特币最大的区别在于智能合约的出现，将区块链由1.0时代带入2.0时代。原有的比特币在提出时就被限制为仅具有货币功能，用来支撑智能合约还非常有限，而以太坊的出现将智能合约由理论转为了实际应用。
1.5区块链技术在电能交易中的作用
区块链共享、可信、可追溯的特点使得其在电力交易等领域具有显著的优势，基于以太坊的智能合约可以将合同具体内容用编程语言的形式表达，并且可以构造一个去中心化的互相信任的环境，其应用于电力市场中的优势在于：
(1)区块链是一种基于共享理念的账本，可以不受系统壁垒的限制进行分享数据，降低沟通成本，提交数据交换效率;
(2)区块链在实现交易时，基于区块链网络的共识机制实际上可以同时实现清算与结算，可以有效提高系统效率;
(3)区块链的链式结构可以完整记录每一笔交易，具有可追溯的特点，能够可靠的登记各种信息，具有高审计性;
(4)利用基于以太坊的智能合约可以有效将原有的繁琐、耗时长、交易步骤冗长的清算利用编程语言的方式保存在区块链上，当达成触发条件后自动执行。综上，在区块链技术支撑下建立的去中心化电力交易平台既可以有效实现电力信息的透明公开和时代交互，又可以保障数据记录的准确性，给电力系统提供公开透明且数据可靠的环境。
2大用户直购电模式及链路设计
2.1大用户直购传统交易模式
传统的大用户直购电参与方主要包括大用户、发电企业和交易机构。符合准入机制的大用户和发电商直接签订购电合同。这一方式打破了原有的垄断格局，可以有效降低企业的购电成本。这种交易模式按照区域可以分为省内大用户直购和跨省直购。按照交易方式又可分为集中撮合交易、集中竞价交易及集中挂牌交易。交易中心负责发布交易内容，参与直购的企业和发电商在规定时间内提交交易需求。交易中心按照一定的撮合方法确定交易双方，调度中心对匹配后的交易进行安全校核及阻塞管理，得到有约束的交易结果，最终调度机构按照签订的合同进行电能输送。其结构如图3所示。
相关期刊推荐：《电测与仪表》(月刊)创刊于1964年，主要报道电磁参数的测量方法，测量仪器、仪表、测试系统以及非电量测量的电测技术。数字化的测量方法、模块化的仪表结构、高速的数据采集与传输及测量的自动化、智能化、虚拟化、网络化，使测量方式有了革命性的突破，仪器、仪表的功能、性能、测量速度、可靠性、使用性都有了提高与改进。本刊愿为这技术领域提供一个推进、传递与交流的园地。
近年来，为了应对新能源消纳问题和减轻“弃风弃光”现象，提出了配额制和绿色电力证书政策。对于发电企业，其发出一定量的绿色电能后，变会获得一定数量的绿色证书;对于大用户也是相同道理。交易部门根据实际的情况和需要，为交易参与方分配合适的可再生能源配额，并要求双方利用上交绿色证书的方法来完成配额。而这其中的绿色证书具有商品属性，可以被自由交易，参与直购的交易主体可以选择到绿证市场中购买绿色证书来完成配额指标。
2.2大用户直购电链路模型
文章建立的大用户直购电系统的参与者主要包括交易主体的大用户和发电商以及负责管理的电网公司三部分。在整个电力系统进行电力交易实现电力和资金流动的同时进行节点信息的交互。为了结合配额制的背景促进直购电模式下的新能源消纳，采用主侧链两条链的框架结构[16-17]。主链负责进行交易量较大的直购交易，侧链负责完成绿色证书的交易，两条链的链接可以采用双向锚定技术完成，系统链路结构如图4所示。
对于系统所采用的区块链类型，由于电能交易涉及到阻塞管理这一环节，私有链在处理时只能采用回滚或分叉的方式，而公有链的公开性会使得系统安全得不到保障。具有部分去中心化的联盟链参与主体比较固定，且交易系统不会默认公开，交易可控性强，最适合大用户直购这一交易模式。
3基于区块链的大用户直购电架构
3.1基于区块链的跨链绿证管理
从当前国内已开展的绿证交易来看，交易主要为小范围、点对点的形式。将绿证交易与区块链平台结合，一方面与实际应用环境相匹配，另一方面可以提供高透明度的交易体系。建立与直购主链相交互的绿证链，可以将传统直购模式与当下“双碳”目标契合，促进直购交易发展。
绿证管理系统如图5所示，火电作为配额制的承担者需要向绿色发电商购买一定的凭证，对于绿色发电商，出售绿证带来的效益有助于推动其发展，同时可以起到环境改善的效应。绿证链可以对绿色证书进行公开透明的记载，对绿证交易足迹进行记录，同时其链上资金又与直购链互通，发电商可以使用跨链技术在两条链上进行资金流转。
3.2智能合约设计
基于智能合约的直购电交易流程如图6所示，交易开始时，参与交易的各方需提交准入申请，待准入审核后进行双边交易匹配阶段。交易达成后，数据会被记录到智能合约中，经全网节点共识后加入到区块中。中心机构会对达成的交易进行安全校核，通过的会直接进入区块链进行交易结算，不通过的则将进行阻塞管理后再次校核直到通过为止。
智能合约的编写是在Remix的EVM虚拟机上进行的，智能合约在Remix模拟测试成功后，将其部署在本地创建的以太坊测试链上，并结合端口发布Dapp(DecentralizedApp，去中心化应用)，发电商和大用户可以凭自己的账户参与合约。双方的每次交易都会被记录并根据共识协议同步在区块互动链的所有节点中。每笔交易都记录着本次交易双方账户、交易的内容等。基于大用户直购的智能合约按照顺序可以分为注册准入、交易挂牌、交易结算几个步骤。
3.2.1注册准入阶段
用户和发电商通过调用注册函数(Regis)，将自己钱包内的余额转为交易所用的代币(Token)，设定代币与人民币之间的汇率为1Token等于0.1元，以便确认交易的实际金额，同时，确认自己的交易地址与代号。
3.2.2交易挂牌阶段
根据大用户交易中的挂牌交易模式，交易双方需要调用挂牌函数(Payment)提交交易需求，登记信息包括;申报电量，申报电价。登记结束后相应信息会记录到区块中。在挂牌截止时间前，双方还可通过交易撤回函数(Withdraw)撤回该挂单。
3.2.3交易结算阶段
挂牌时间截止后，智能合约自动计算各发电商的折算电价，按照优先级将发电商和大用户进行排序，最终根据高低匹配原则进行撮合交易。交易方调用查询函数(Call)查询本节点所匹配到的对象，对匹配结果有异议者将调用中止函数(Break)结束本轮匹配。交易完成后，买卖双方根据合约撮合结果调用结算函数(Trans)进行转账，转账完成后开启下一阶段交易。——论文作者：马伟1，郭连奎1，贺楠1，田雨扬2，卢锦玲2，任惠2
