發(fā)布時(shí)間：2020-01-15所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：為了實(shí)現(xiàn)高效、公平、透明的配電網(wǎng)電力交易，提出了基于區(qū)塊鏈的配電網(wǎng)電力交易方法。針對(duì)當(dāng)前含新能源的配電網(wǎng)電力交易的難點(diǎn)，結(jié)合區(qū)塊鏈的技術(shù)特點(diǎn)，提出了配電網(wǎng)電力交易的區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)。介紹了基于區(qū)塊鏈的配電網(wǎng)電力交易的具體實(shí)現(xiàn)步驟和交易過(guò)程
摘要：為了實(shí)現(xiàn)高效、公平、透明的配電網(wǎng)電力交易，提出了基于區(qū)塊鏈的配電網(wǎng)電力交易方法。針對(duì)當(dāng)前含新能源的配電網(wǎng)電力交易的難點(diǎn)，結(jié)合區(qū)塊鏈的技術(shù)特點(diǎn)，提出了配電網(wǎng)電力交易的區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)。介紹了基于區(qū)塊鏈的配電網(wǎng)電力交易的具體實(shí)現(xiàn)步驟和交易過(guò)程，深入研究基于 XML 組織區(qū)塊鏈主體內(nèi)容，并將國(guó)產(chǎn)安全算法 SM2 和 SM3 引入到區(qū)塊鏈應(yīng)用中。最后設(shè)計(jì)了基于區(qū)塊鏈的配電網(wǎng)電力交易情景，證明了基于區(qū)塊鏈的配電網(wǎng)電力交易方法的有效性。
關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈;配電網(wǎng);新能源;電力交易;交易安全
0 引言隨著新能源廣泛生產(chǎn)與應(yīng)用，光伏、風(fēng)電、生物質(zhì)能等新能源以微電網(wǎng)形式高滲透率地接入配電網(wǎng)中，配電網(wǎng)的能源結(jié)構(gòu)發(fā)生了深刻變化。配電網(wǎng)可能向微電網(wǎng)的負(fù)荷提供電能，也可能從微電網(wǎng)的新能源中接收電能，配電網(wǎng)由原先的單向潮流變?yōu)殡p向潮流，能源結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。同時(shí)，風(fēng)能和光伏受地理、氣候等客觀因素影響，發(fā)電具有隨機(jī)性、間歇性和不穩(wěn)定性的特點(diǎn)，配電網(wǎng)的能源分布具有更大的不確定性[1]。
配電網(wǎng)能源供應(yīng)側(cè)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(fā)電，避免當(dāng)前困擾新能源發(fā)展的棄風(fēng)、棄光等現(xiàn)象，這有基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51807116) 賴于良好的新能源交易和管理機(jī)制，以充分實(shí)現(xiàn)分布式能源的有效消納[2]。
當(dāng)前已從政策層面陸續(xù)出臺(tái)了鼓勵(lì)新能源發(fā)電和消納的政策，但促進(jìn)新能源發(fā)電和消納的政策在具體落實(shí)上還存在諸多亟需解決的問(wèn)題，如何建立有效的新能源交易機(jī)制便成為了關(guān)鍵[3]。
含新能源的配電網(wǎng)電力交易過(guò)程中，在遵循電力市場(chǎng)“統(tǒng)一、開放、競(jìng)爭(zhēng)、有序”基礎(chǔ)上[4]，應(yīng)尊重各個(gè)電力市場(chǎng)主體的自主性和選擇性，避免電力市場(chǎng)主體之間、電力市場(chǎng)主體與電力調(diào)度交易機(jī)構(gòu)之間因電力市場(chǎng)交易發(fā)生矛盾。
我國(guó)現(xiàn)有的電力交易主要通過(guò)集中式交易中心完成，并通常由特定的機(jī)構(gòu)主導(dǎo)整個(gè)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(chǎng)機(jī)制、交易清算、阻塞管理等諸多領(lǐng)域還有待進(jìn)一步發(fā)展成熟。另外，集中式電力交易中心，當(dāng)前主要開展年度、季度、月度等中長(zhǎng)期電力交易，幾乎并不承擔(dān)分時(shí)電力交易;而新能源由于自身發(fā)電的不確定性，更關(guān)注于短期電力交易，這在當(dāng)前集中式電力交易中心難以實(shí)現(xiàn)[5]。
隨著配電網(wǎng)電力市場(chǎng)的開放步伐加快，更多的交易實(shí)體參與電力交易，電力服務(wù)的利益分配機(jī)制、交易方式和定價(jià)機(jī)制更加復(fù)雜，采用有效的配電網(wǎng)電力交易技術(shù)，確保交易安全、降低信用成本和交易成本，促進(jìn)配電網(wǎng)新能源中的消納，具有重要意義。
區(qū)塊鏈作為一種新興的交易技術(shù)，采用總賬分散式的記賬方式，以鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)記錄各個(gè)交易參與方的互動(dòng)信息，并以區(qū)塊方式妥善保存交易信息。整個(gè)交易信息采用現(xiàn)代密碼學(xué)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(qū)塊鏈有望解決配電網(wǎng)電力交易主體多、交易安全等難題。
1 區(qū)塊鏈技術(shù)
區(qū)塊鏈來(lái)源于比特幣，作為比特幣的底層支撐技術(shù)，于 2010 年左右開始興起，并逐步演化成一種為各種復(fù)雜交易提供安全可靠交互的技術(shù)。
盡管當(dāng)前比特幣等貨幣形式存在合理性爭(zhēng)議和法律風(fēng)險(xiǎn)，但區(qū)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(wǎng)新能源交易在內(nèi)的電力市場(chǎng)關(guān)注[7]。區(qū)塊鏈借助密碼學(xué)算法，采用去中心化方式，由所有的參與方共同維護(hù)一個(gè)開放、透明的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫(kù)，有助于實(shí)現(xiàn)交易的公開性和公平性。
具體實(shí)現(xiàn)上，區(qū)塊鏈由多個(gè)包含交易信息的區(qū)塊按序逐級(jí)連接成為數(shù)據(jù)鏈，如圖 1 所示。隨著交易信息的增加，區(qū)塊數(shù)量不斷增加，各個(gè)區(qū)塊起著 “承上啟下”的功能，既承接上一個(gè)區(qū)塊的信息，又將本次交易的內(nèi)容添加到本區(qū)塊，而且以密碼技術(shù)保障所添加內(nèi)容的完整性。
每個(gè)區(qū)塊由區(qū)塊頭和區(qū)塊主體兩部分組成：1) 區(qū)塊頭包含整個(gè)區(qū)塊鏈的簡(jiǎn)易信息，主要包含前一區(qū)塊哈希值、時(shí)間戳、Merkle 根植、版本號(hào)、隨機(jī)數(shù)和目標(biāo)哈希值等內(nèi)容。2) 區(qū)塊主體包含本區(qū)塊詳細(xì)的交易信息，這些信息和前一區(qū)塊的哈希值以及隨機(jī)數(shù)通過(guò)哈希算法獲得本區(qū)塊的哈希散列值。
2 配電網(wǎng)電力交易的區(qū)塊鏈應(yīng)用
2.1 配電網(wǎng)信息結(jié)構(gòu)
含分布式能源的配電網(wǎng)中，新能源通常因地制宜地分散于整個(gè)配電網(wǎng)，各種類型的新能源接入到配電網(wǎng)，并與配電網(wǎng)原有的電源和負(fù)荷連接一起實(shí)現(xiàn)電能供需平衡。同時(shí)，配電網(wǎng)各個(gè)組成單元通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息交互，從而獲知其他單元的發(fā)電和用電情況，也將自身的電能情況實(shí)時(shí)地告知配電網(wǎng)其他組成單元，如圖 2 所示。
由于配電網(wǎng)分布廣泛，現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜多樣，配電網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)可以因地制宜，采用當(dāng)前電力通信領(lǐng)域普遍采用的通信方式：1) RS485/422 等串行網(wǎng)絡(luò);2) CAN、Profibus 等現(xiàn)場(chǎng)總線;3) GPRS、 2G/3G/4G 等無(wú)線網(wǎng)絡(luò);4) 光纖以太網(wǎng)等高效能網(wǎng)絡(luò)。配電網(wǎng)通信可以選擇上述一種或是多種網(wǎng)絡(luò)混合組成靈活的配電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)。
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依托配電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，配電網(wǎng)將原先處于“信息孤島狀態(tài)”的電力發(fā)電容量和用電需求等分散信息匯集起來(lái)。配電網(wǎng)電力供求信息通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)，以區(qū)塊鏈的形式知會(huì)配電網(wǎng)各個(gè)組成單元。發(fā)電方很容易便通過(guò)區(qū)塊鏈這種公開渠道獲知其他發(fā)電方以及用電需求量，或以區(qū)塊鏈方式公布自身的發(fā)電情況和尋求電量接收方。用電方也可以通過(guò)區(qū)塊鏈方式公布自身的用電需求，并獲取發(fā)電方的發(fā)電容量和價(jià)格。
2.2 配電網(wǎng)電力交易區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)
參照通信協(xié)議 ISO 七層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)也建立了數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識(shí)層、激勵(lì)層、合約層和應(yīng)用層的分層結(jié)構(gòu)。當(dāng)區(qū)塊鏈應(yīng)用于不同場(chǎng)合時(shí)，區(qū)塊鏈的層次結(jié)構(gòu)會(huì)根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)合的不同有所微調(diào)，但區(qū)塊鏈的應(yīng)用結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定，配電網(wǎng)電力交易的區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)圖如 3 所示。
1) 區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)的底層是數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層作為區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)，包含了區(qū)塊數(shù)據(jù)、鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)和密碼學(xué)算法等具體數(shù)據(jù)內(nèi)容。區(qū)塊數(shù)據(jù)承載了配電網(wǎng)電力交易的詳細(xì)信息，并采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)組成完整的配電網(wǎng)電力交易鏈，通過(guò)非對(duì)稱加密等密碼學(xué)算法保障信息安全性，并采用數(shù)字簽名方式實(shí)現(xiàn)電力交易信息的不可否認(rèn)性。 2) 數(shù)據(jù)層的上一層是網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸和驗(yàn)證功能。配電網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)雖然較為復(fù)雜多樣，但普遍都能滿足單點(diǎn)向多點(diǎn)發(fā)送的類多播傳播方式，而且不同網(wǎng)絡(luò)通常采用網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換等方式實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互通互連。
配電網(wǎng)電力交易涉及發(fā)電和用電的多個(gè)參與方，有交易需求的參與方，經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)層向其他參與方廣播回應(yīng)信息。
需要注意的是，上述的配電網(wǎng)電力交易過(guò)程，并不采用交易雙方私下進(jìn)行的方式，而是采用交易信息可以在配電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)上公開獲得的方式，這也是區(qū)塊鏈技術(shù)的開放性和公開性特點(diǎn)。
3) 共識(shí)層表征了配電網(wǎng)電力交易的權(quán)益和股權(quán)證明等內(nèi)容，同時(shí)采用拜占庭容錯(cuò)等措施，使得整個(gè)區(qū)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(lì)層主要用于鼓勵(lì)參與方積極地參與區(qū)塊鏈的發(fā)展，在比特幣等應(yīng)用場(chǎng)合通常采用獎(jiǎng)勵(lì)比特幣的方式給積極“挖礦”的參與方。而配電網(wǎng)電力交易參與方則具有天然的參與意向，都希望能夠達(dá)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(nèi)容。對(duì)于基于區(qū)塊鏈的配電網(wǎng)電力交易，由于區(qū)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(jù)，另外，配電網(wǎng)電力交易內(nèi)容由交易雙方協(xié)商訂立，交易雙方可補(bǔ)充違約責(zé)任以保障交易完成。
進(jìn)一步，配電網(wǎng)的所有參與方，可以從區(qū)塊鏈內(nèi)容獲悉整個(gè)配電網(wǎng)電力交易過(guò)程，很容易便可認(rèn)定電力交易違約方，同時(shí)還可以從區(qū)塊鏈的歷史交易內(nèi)容查找交易方的信用記錄，這將對(duì)違約起到很大的約束作用。
6) 應(yīng)用層作為區(qū)塊鏈的最高層，提供針對(duì)各種應(yīng)用場(chǎng)景的程序和接口，直接體現(xiàn)了具體的應(yīng)用場(chǎng)合。基于配電網(wǎng)的電力交易，參與方只需通過(guò)應(yīng)用層接口，直接調(diào)用區(qū)塊鏈對(duì)應(yīng)的應(yīng)用程序，而無(wú)需關(guān)心區(qū)塊鏈底層的技術(shù)細(xì)節(jié)。
3 具體實(shí)現(xiàn)
3.1 區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)步驟
配電網(wǎng)的各個(gè)發(fā)電和用電參與方，構(gòu)成電力交易的主體，參與方首先準(zhǔn)備好自己的身份信息、公鑰和對(duì)應(yīng)的私鑰，身份信息包括參與方的工商和營(yíng)業(yè)賬號(hào)、稅號(hào)、對(duì)公銀行賬號(hào)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(shí)性可以通過(guò)政府相關(guān)部門等權(quán)威渠道確認(rèn)。同時(shí)采用加入審查制度和保證金機(jī)制，由配電網(wǎng)電力交易聯(lián)盟對(duì)新加入的成員進(jìn)行身份認(rèn)證，防止假冒身份者進(jìn)入配電網(wǎng)電力交易中。
參與方同時(shí)產(chǎn)生配對(duì)的公鑰和私鑰，公鑰跟隨參與者身份發(fā)送給其他參與方，其他參與方可以采用該公鑰來(lái)確認(rèn)信息的真實(shí)性及其來(lái)源真實(shí)性;私鑰只由密鑰擁有者管理，私鑰表征了電力交易區(qū)塊鏈的真實(shí)來(lái)源，因?yàn)槠渌麉⑴c者不能推算出該密鑰，無(wú)法偽造其他參與方的電力交易區(qū)塊鏈。
參與方加入配電網(wǎng)電力交易時(shí)，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(qū)塊鏈，發(fā)送到配電網(wǎng)通信總線供其他參與方使用。一方面，參與方發(fā)送的身份信息和公鑰以區(qū)塊鏈的方式記錄下來(lái)，由于區(qū)塊鏈的不可更改特性，該信息將為后續(xù)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(shí)質(zhì)上完成了密碼技術(shù)中的密鑰分配難題。
其他參與方通過(guò)新加入?yún)⑴c方的初始化區(qū)塊鏈，獲得對(duì)應(yīng)的身份和公鑰，便能與包括新加入?yún)⑴c方在內(nèi)的所有參與方進(jìn)行配電網(wǎng)電力交易。而新加入的參與者，也可以查閱之前區(qū)塊鏈的內(nèi)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(wǎng)電力交易的記錄。也就是說(shuō)，基于區(qū)塊鏈的電力交易方式，具有向前追溯的功能。
3.2 交易過(guò)程
與比特幣交易過(guò)程側(cè)重于比特幣挖掘和計(jì)算不同，配電網(wǎng)電力交易的區(qū)塊鏈交易過(guò)程，側(cè)重于利用區(qū)塊鏈包含的內(nèi)容具有不可篡改和不可否認(rèn)的特性，以區(qū)塊鏈的方式促成并完整地記錄下電力交易過(guò)程，主要包括“提出電力交易需求、達(dá)成交易意向、完成交易合同并最終履行合同”等內(nèi)容，如圖 5 所示，核心步驟有：
1) 所有配電網(wǎng)電力交易參與方，時(shí)刻監(jiān)聽(tīng)配電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的區(qū)塊鏈信息。有電力交易需求的參與方，用自己的私鑰加密經(jīng)哈希算法產(chǎn)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(qū)塊鏈，并通過(guò)配電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，向全配電網(wǎng)的所有參與方廣播包含該電力交易需求的區(qū)塊鏈信息。
2) 每個(gè)參與方接收包含最新交易意向的區(qū)塊鏈信息，根據(jù)發(fā)布電力交易需求信息的參與方公鑰，解密發(fā)布方的哈希摘要，并與收到的電力交易需求信息的哈希計(jì)算值做比較。當(dāng)兩個(gè)信息摘要的數(shù)值一致時(shí)，則可判斷該區(qū)塊鏈信息沒(méi)有被偽造或被篡改，該區(qū)塊鏈內(nèi)容是發(fā)布方發(fā)出的真實(shí)電力交易請(qǐng)求。
3) 參與方根據(jù)自身的發(fā)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(chǔ)上與發(fā)布方協(xié)商，提出新的電力交易意向，并用自身的私鑰加密所發(fā)布有交易意向的區(qū)塊鏈信息，區(qū)塊鏈的實(shí)現(xiàn)過(guò)程與步驟1)和2)所述的發(fā)布方完成區(qū)塊鏈內(nèi)容一樣。
4) 發(fā)起此次電力交易需求的發(fā)布方，接收有交易意向參與方的電力要價(jià)或談判信息;并從所有的回復(fù)的交易意向信息中，篩選出最可能達(dá)成電力交易的參與方，達(dá)成電力交易協(xié)議或繼續(xù)就該電力交易談判。若對(duì)所有的電力交易返回信息不滿意或是根本沒(méi)有收到對(duì)該次交易的返回信息，則終止該次所發(fā)起的電力交易。
5) 初步達(dá)成電力交易意向的電力交易供需雙方，以區(qū)塊鏈的方式記錄整個(gè)電力交易完成過(guò)程，包括：可以根據(jù)電力交易需要進(jìn)行多次談判協(xié)商;達(dá)成配電網(wǎng)電力交易意向、簽訂合同、繳納保證金和電力交易過(guò)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(nèi)，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(qū)塊鏈中，這樣一旦出現(xiàn)交易糾紛，以往區(qū)塊鏈所記錄的內(nèi)容，將為己方盡力履行電力交易提供證據(jù)。
3.3 區(qū)塊鏈內(nèi)容
區(qū)塊鏈的主體內(nèi)容包含了配電網(wǎng)電力交易信息，交易信息需以統(tǒng)一、高效的方法組織起來(lái)，各個(gè)參與方能方便地理解交易信息，而且不產(chǎn)生交易信息理解的歧義。考慮基于區(qū)塊鏈的電力交易信息，本質(zhì)上是區(qū)塊鏈內(nèi)容以通信報(bào)文的形式在配電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)上傳送。因此，本文將可擴(kuò)展的標(biāo)識(shí)語(yǔ)言(eXtensible Markup Language, XML)應(yīng)用于區(qū)塊鏈主體內(nèi)容的組織。
