深度｜基于区块链的分布式能源交易方案设计综述

摘要

以绿色新能源为主体的分布式能源成为能源交易市场中的重要组成部分,为了提高能源利用率、多渠道扩展分布式能源本地消纳,分布式能源获得合法就近售电资质,其能源生产和消费结构呈无中心、多节点状。现有能源运营模式由于具有集中式管理的特点,难以简单套用于分布式能源。区块链技术具有可追溯性、交易公开、数据透明的优势,其分散化特性与分布式能源无中心特点相符合,故提出一种基于区块链的分布式能源交易方案。分析现有分布式能源交易的方式及其弊端,研究区块链技术对于分布式能源P2P交易的适用性,在连续双边拍卖(continuous double auction,CDA)、竞争均衡价格(competitive equilibrium price,CEP)、节点信誉值等基础上确立支撑分布式能源P2P交易的分布式能源结算机制,制定符合中国政策的分布式能源区块链支付模式,提出包括系统架构、交易流程在内的基于区块链技术的分布式能源交易方案,对比传统电力交易系统和基于区块链的分布式能源交易系统的性能,思考如何改进目前区块链的不足之处并展望能源市场未来,实现传统电力交易市场向分布式能源交易的延伸性发展。最后,针对区块链技术在实体应用过程中的挑战分析目前电力市场与区块链技术结合所存在的冲突及问题,并提出相应的建议方案。

（来源：电网技术 作者：李彬1, 覃秋悦1, 祁兵1, 孙毅1, 李德智2, 石坤2, 杨斌3, 奚培锋4）

关键词 :区块链;分布式能源交易;能源P2P交易;结算机制;电力交易市场;

0 引言

2017年是区块链行业的“问道”之年,2018年将成为区块链应用落地之年,区块链技术逐渐获得人们正视和认可,“区块链+”将成为热潮。截止到2017年5月,国外IT巨头如IBM、谷歌、微软、亚马逊等都明确提供区块链即时服务功能。2017年12月23日,中国支付清算协会在北京举办的“区块链发展应用业务研讨会”提出,区块链构建了一种新型的经济互信机制,传统市场的基础架构可通过重构以大幅提高交易及清算效率。

2017年10月31日,国家发改委、能源局正式下发关于《关于开展分布式发电市场化交易试点的通知》,分布式能源在被动接受调度指令管理多年之后,可以主动参与市场交易,在满足相关技术条件下,在110 kV电压等级之内可以选择就近销售电量,并获得合法的售电资质,集发电售电于一体。在我国电力市场逐步开放的政策条件下,电网企业、分布式售电商、服务公司、第三方机构等电力交易实体在购销电力流程中发挥着重要作用,未来的能源交易方式将发生巨大变化[1]。

2018年5月工信部发布的《2018中国区块链产业白皮书》表明目前我国区块链产业链条已经形成,区块链有望成为实现能源互联网基础设施的重要手段。区块链3.0作为应用落地时代,其理念已超越了数字货币、智能合约领域,可作为复杂能源交易合同的重要支撑技术。文献[2]中研究了在能源互联网的大环境中,区块链节点作为第三方机构的能源交易;文献[3]研究了以智能合约的形式存储电力交易信息且自动执行资金转移的电力交易方案;文献[4]构建了基于区块链的能源互联网安全共享网络体系;文献[5]研究了能源互联网中基于区块链的电力交易和阻塞管理方法。目前来说,能源在中国是特殊商品,电力交易并不是普通商品交易。故本文在已有的研究基础上,设想了将分布式能源接入与区块链技术记账加以结合,致力于实现每个用户都可以投资购买能源、实时管理已购能源、自行直接出售多余已购能源,进而实现从能源消费者到能源供应者的转变。

1 区块链技术在分布式能源P2P交易领域的应用

1.1 区块链技术在分布式能源P2P交易领域的适用性分析

区块链作为一种去中心化的分布式共享账本,通过邻区块首尾哈希值单向连接实现链式存储[6]。区块链各节点都拥有完整账本的副本,任何节点均可实时查看和校对交易数据,分布式存储的优势不仅在于交易公开化以有效维护数据安全[7],而且也降低了用于购买服务器的成本。所有分布式能源交易数据都将存储在区块体上,哈希算法自动生成存储交易数据哈希值的默尔克树(Merkle tree)[8]。包含默尔克树的区块链结构如图1所示,由图可知若交易数据被恶意篡改,相应默尔克树根哈希值将改变[9]。分布式能源交易信息利用区块链的默尔克树存储,使每一笔交易都可被追溯,防止交易过程出现“赖账”、“假账”等问题[10]。

运用区块链技术,对分布式能源交易过程中各节点进行身份脱敏处理,匿名交易和数据无缓存特征为P2P交易和双向互动提供重要保障。非中心化的验证交易过程脱离如政府机构、银行组织等的中央权利系统[11],因此基于区块链的分布式能源交易系统能实现利益即时结算、补贴即时发放,同时P2P直接交易也大大减少了所需的中间手续费[12]。

1.2 目前分布式能源交易方式规则分析

分布式能源作为一种综合能源利用系统,将以天然气为主的一次能源与以冷热电联产为主的二次能源相结合,并得到公用能源供应系统的支持和补充,实现能源梯形利用[13]。分布式能源的资源、环境效益最高,我国电力系统需要利用分布式能源,逐步逐地进行能源替换[14]。

目前分布式能源交易过程中由于信息不透明、规则不公开、补贴不及时造成的信任问题愈加得到重视[15]。例如,部分能源服务商或负荷聚合商在预先掌握国家补贴发放政策信息之后,伪造信息骗取补贴;用户伪造自身的交易和用电数据骗取高额补贴;电力市场交易中由于电力损耗造成的成交量与实际接收量不符等[16]。具有分权化、可追溯、交易透明、不可篡改等特性的区块链技术可解决上述信任问题[17],故本文研究基于区块链的分布式能源交易方案,为优化分布式能源交易系统提供新的思路。

1.3 对国内外能源区块链项目的分析

Yuso和Priogen Trading公司借助第三方通讯软件Enerchain作为交易工具,支持买卖双方匿名发送和查看订单信息,交易过程无第三方介入[18]。该项目通过集中所有交易数据,使任意参与方均可获得统一的信息并使用记录中的价格数据。但若考虑引入中国能源区块链市场,该项目由于没有解决批发能源交易中的扩容性问题,故可能无法支撑现有市场的交易量。

美国能源公司LO3和比特币开发公司Consensus Systems合作建立的分布式光伏售电区块链平台Transactive Grid开发了全球第一个能源区块链市场[19],通过将区块链技术与微网结合,使用户有权将过剩光伏发电回馈至电网。Energo项目通过打造分布式能源自主社区(decentralized autonomous energy community,DAE)的去中心化系统、建立基于Qtum量子链的自动能源交易平台、借助数字货币TSL实现微网的清洁能源计量、登记、管理、交易与结算[20]。Energo项目虽然由中国本土企业Energolabs创办,但是由于现在中国的能源行业基本上被巨头垄断,而且整个能源市场非常饱和,因此该企业的布局重心在东南亚市场。

2017年国内分布式能源的代表性应用是远景能源项目。远景能源的阿波罗光伏云平台主要提供气象资源评估、设备采购、在线运行监测、光伏运维以及大数据分析等服务,但整体看,平台产品的功能较为单一、智能化水平不高、产业链协同性不强,同时存在4点发展痛点,即融资难、选型难、结算难、运维难。分布式能源交易系统应针对以上项目缺陷4个难点,充分利用区块链平台透明管理和数据的可溯源优势提出解决方案。

2 基于区块链的分布式能源交易方案技术机制设计

2.1 互联共识机制

互联共识是区块链技术在去中心化的环境下最核心的问题。在目前的研究内容中,共识算法主要有工作量证明(proof of work,PoW)、股权证明(proof of stake,PoS)、委任权益证明(delegated proof of stake,DPoS)、实用拜占庭算法(practical byzantine fault tolerance,PBFT)、授权拜占庭容错算法(delegated byzantine fault tolerance,DBFT)和高性能共识算法(robust byzantine fault tolerance,RBFT[21]。表1是对5种常见共识算法的性能对比。

目前的电力区块链交易市场设想大多数是搭建公有链和运用PoW工作量证明共识机制的运营模式。在基于PoW的公有链中,区块链已被证明了算力不足50%时,其上的交易信息不可伪造和修改。鉴于电力市场在我国为垄断市场,系统保密性高,51%非法算力出现的可能性小,故此方案在应用中的实施在现有文献中被考虑和运用的次数较多[22]。但区块链技术系统设计中存在着“不可能三角”悖论,即系统无法兼顾去中心化、高效、安全这3个性能[23]。文献[24]研究并改进了共识机制,提出了及时剔除DPoS共识机制中异常节点的解决办法,即对匿名节点进行公开投票,将节点状态进行标识。由此,本文设计运用DPoS机制,将分布式能源交易系统中的股权定义为碳排放量证明或者绿证,并标识节点状态。系统设定本季度的区块打包记账权由碳排放量最少的节点获得,那么为了争夺记账权和对应奖励,绝大多数节点都将减少自身的碳排放量,这种股权设定的目的是激励清洁能源的使用和节能减排。当然在不同的形势条件下,系统可以根据国家政策改变股权的形式。