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摘 要： 摘要：作為一種去中心化的分布式記賬模式，區塊鏈可以通過數據加密、時間戳、智能合約等技術手段，實現節點間無需信任、去中心化的點對點交易。合理利用區塊鏈技術的相關特性，可以為分布式發電市場化交易提供有效的技術支撐。首先，從區塊鏈技術的基本概念
摘要：作為一種去中心化的分布式記賬模式，區塊鏈可以通過數據加密、時間戳、智能合約等技術手段，實現節點間無需信任、去中心化的點對點交易。合理利用區塊鏈技術的相關特性，可以為分布式發電市場化交易提供有效的技術支撐。首先，從區塊鏈技術的基本概念入手，分析區塊鏈與分布式發電市場化交易特點的對照關系。針對市場準入、交易模式、成員博弈、安全校核、阻塞管理與交易結算等分布式發電市場化交易的關鍵環節，分析區塊鏈技術在弱中心化與去中心化交易管理中的異同。最后，分析了區塊鏈技術在分布式發電市場化交易的應用中亟需解決的問題，并提出了未來的研究方向。
關鍵詞：區塊鏈;智能合約;分布式發電市場化交易;弱中心化管理;去中心化管理
隨著分布式發電滲透率的不斷提高以及售電側改革的穩步發展，配電網中的用戶將不僅作為能源消費者，也可以通過管理各自擁有的分布式發電機組、分布式儲能設施和分布式負載等來充當能源供應者。在大量獨立決策的能源產消者參與電力市場競爭的背景下，設計靈活有效的分布式發電市場化交易機制、構建面向分布式主體的可交易能源系統、實現配網內資源的優化配置是售電側改革的關鍵[1—2]。
2017年10月31日，國家發改委、能源局聯合發布《關于開展分布式發電市場化交易試點的通知》[3]指出，分布式發電市場化交易的機制是：分布式發電項目單位(含個人)與配電網就近電力用戶進行電力交易。現有研究認為配電網交易可以借鑒輸電側市場交易的經驗[4—5]，基于集中式的交易中心，構建由代理運營商統一管理的分布式發電上網交易模式[6]。
考慮到配電網特性與輸電網特性存在較大差異，同時，傳統的集中式交易中心存在成本高、效率低、透明度低、信息安全風險高等問題，導致分布式發電交易不適合采用集中式交易的方式進行[7]。區塊鏈技術具有分布式賬本和智能化的合約體系，已成為記錄電力系統能源交易的分布式解決方案，且不會使交易信息遭到篡改[8—9]。因此，利用區塊鏈技術在交易和計量方面的獨特優勢，可以實現配電網中分布式發電的去中心化交易。
1 區塊鏈技術
區塊鏈可被類比為一種分布式數據庫技術，通過維護數據塊的鏈式結構，可以維持持續增長的、不可篡改的數據記錄，具有去中心化、集體維護、智能合約、安全可信等特性[10]。智能合約作為典型的可編程技術，能夠將交易的執行過程寫入自動化的可編程語言，通過代碼強制運行預先植入的命令，保證交易執行的自動性和完整性。根據參與者的不同，可以將區塊鏈分為3種類型：公有鏈、聯盟鏈和私有鏈。
目前區塊鏈技術在能源領域已經有了初步的應用，文獻[11]提出一種通過向電網注入能量而產生的能源貨幣 NRGcoin。布魯克林的 TransActive Grid項目以區塊鏈連接光伏交易，幾乎不需要人員參與就可以管理記錄交易[12]。Grid Singularity 探索用區塊鏈技術實現能源的交易驗證，其終極目標是為能源系統創建一個區塊鏈平臺，擁有電網上所有類型的交易[13]。文獻[14]提出了運行在以太坊區塊鏈上受智能合約控制的太陽能配電系統 Helios，使微電網消費者能夠生產、消費和交易能源。
2 區塊鏈與分布式發電市場化交易特點的對照關系
基于區塊鏈靈活、開放、去中心化的特點，通過設定交易機制可以將各利益相關方聯系起來，實現自動信任的能源交易，包括拍賣、出價和支付過程[11]。作為自動化能源交易應用的基礎，區塊鏈技術為分布式能源的交易執行和信息安全問題提供了新的解決方案[15]，也使其在分布式發電市場化交易中的應用成為了可能。區塊鏈技術的特點與分布式發電市場化交易的特點在以下4個方面[16—17]存在相似性，如表1所示。
(1)去中心化：區塊鏈系統中的所有節點都具有同等的權利與義務，數據的存儲、傳輸、驗證等過程均基于分布式的系統結構，任意節點的數據丟失不會影響到系統的正常運行，有助于解決確保分布式能源交易中數據交換的完整性與可信度等問題。
(2)集體維護：區塊鏈系統由網絡中所有的節點共同運行和維護，并使用特定的激勵機制來保證分布式系統中所有節點均參與信息交換過程。區塊鏈技術將為分布式能源提供公開透明、公平可靠且成本低廉的交易平臺。
(3)智能合約：智能合約通過代碼強制運行預先植入的命令，自動完成且無法干預。隨著分布式電源的增加，能源交易將向智能化、自動化方向發展，智能合約的可編程特點使得交易雙方可以約定各種交易條款，保證交易執行的自動性和完整性。
(4)安全可信：區塊鏈采用非對稱密碼學原理對交易進行簽名，使得交易不能被偽造，利用哈希算法[8]保證交易數據不能被輕易篡改，同時，借助分布式系統各節點的共識算法形成強大的算力來抵御攻擊。這種特點可以為各分布式主體的信息安全提供強有力的保障。
3 弱中心化與去中心化交易管理的異同
弱中心化指電力交易的博弈過程及交易信息管理和記錄由電力市場的參與者完成[18]，中心機構只對交易的安全性進行管理，如：能源互聯網中的能源交易[18—19]、跨省發電權交易[20]等。去中心化指電力交易的博弈過程、交易信息管理和記錄、交易的安全校核與阻塞管理都由電力市場的參與者完成，如：大用戶直購電交易[21]、配電網去中心化交易[7]等。針對市場準入、交易模式、成員博弈、安全校核、阻塞管理與交易結算等分布式發電市場化交易的關鍵環節，分析區塊鏈技術在弱中心化與去中心化交易管理中的異同。
3.1 不同點
3.1.1 市場準入
(1)弱中心化的市場準入方式：由弱中心機構對用戶資質進行審核[19]，包括接網電壓等級、單體項目容量等。用戶進入與退出市場都需要審核，并向全網節點廣播，所有節點達成共識后，方可完成注冊或注銷。
(2)去中心化的市場準入方式：利用區塊鏈快速查詢準入的相關指標，如：接網電壓等級、單體項目容量等，判斷是否符合準入條件;利用區塊鏈技術簽署共同聲明，規定成員的基本權利與義務[21]。
3.1.2 安全校核
(1)弱中心化的傳統安全校核方法：中央管理機構根據交易以及線路參數，運用潮流方程計算出交易達成后每條線路的潮流，并與線路最大潮流進行比較，判斷交易是否滿足安全校核[18]。
(2)去中心化的分布式安全校核方法：①市場參與者根據自身達成的臨時交易以及本地局部的線路參數通過迭代的方式分布式地算出與自身相連的線路的潮流，并與線路最大潮流進行比較，判斷交易是否滿足安全校核[18]。②根據區塊鏈上記錄的功率轉移分布因子，計算其對各支路潮流的影響量，智能合約對各產消者提交的影響量線性求和，判斷各支路的潮流越限情況[7]。③利用一種潮流跟蹤算法，證明用戶購買能量的來源，以提供與能量流相關的功率損失的明確歸因[22]。
3.1.3 阻塞管理
(1)弱中心化的阻塞管理方式：中心機構僅對阻塞進行管理，在設定阻塞價格的過程中，只需了解線路越限信息，并不需要了解具體的交易信息[18]。
(2)去中心化的阻塞管理方式：①通過互聯鏈在另一條區塊鏈上進行阻塞管理，并不涉及對已經達成共識的交易進行修改。②利用分布式系統各個節點間的配合來消除阻塞，基于區塊鏈技術在導致阻塞和消除阻塞的節點間形成多方合約，實現對參與消除阻塞的節點的獎勵。③如果系統發生嚴重阻塞，利用上述任何方法也不能恢復正常運行，則應該通過聯盟各成員投票，對區塊鏈進行強制回滾和分叉，以確保電網的安全[21]。
3.2 相同點
3.2.1 交易模式
從交易的發起者與接受者的數量關系，將交易模式分為單個發起者+多個接受者/多個發起者+單個接受者“一對多”與多個發起者+多個接受者“多對多”2種。
(1)單個發起者+多個接受者/多個發起者+單個接受者
交易發起者編寫智能合約，規定交易的電量、價格、交割時間、違約金額等，并將合約地址和接口等發布至交易池，響應交易者查看交易池，選擇滿足自身需求的合約，將公鑰地址作為電量或者資金流向的賬戶，用私鑰進行簽名，并將簽署好的智能合約同步至區塊鏈中[21]。
(2)多個發起者+多個接受者
買方和賣方將各自的報價和參與交易的電量等信息通過區塊鏈向全網發布，根據市場的報價規則判斷報價是否合理，不合理則重新報價，根據交易規則匹配賣方和買方，將交易的電量、價格、交割時間、違約金額等寫入智能合約，將公鑰地址作為電量或者資金流向的賬戶，用私鑰進行簽名，并將簽署好的智能合約同步至區塊鏈中。
3.2.2 成員博弈
區塊鏈技術可以促進分布式發電市場化交易競爭博弈的去中心化、信息的公開透明化、信息安全性的提高、獎懲機制的完善[23]。根據博弈者的理性，從合作博弈與非合作博弈2個方面介紹區塊鏈在市場成員博弈中的應用。
(1)非合作博弈
文獻[23]在綜合分析微電網運營商、大用戶以及分布式聚合商市場主體需求及收益等因素的基礎上，構建了基于區塊鏈技術的多微電網系統非合作競爭博弈模型。文獻[24]提出了一個P2P交互微電網的模型，產消者可以通過智能管理系統相互交易本地發電量。買方完全不了解彼此的決策，在每次迭代中參與對可用資源的多階段非合作拍賣。文獻[25]構建市場交易2層優化模型，基于博弈論，以最大市場統一出清價原則構建輔助目標函數，通過納什均衡來求取唯一納什均衡解，以獲得分布式發電最佳調度策略和利益分配。
(2)合作博弈
文獻[26]將小型電力供應商和終端用戶之間的實時直接交易作為一個聯盟博弈，導出直接交易的電價，根據漸近的 Shapley 值分配直接交易的收入，實現公平的利潤分配。文獻[27]將能源交易問題作為一個集中式優化問題，將能源傳輸成本納入交易機制，提出了基于博弈論的集中式和分布式能源交易算法。文獻[28]基于合作博弈理論，設計了由聯盟、電網和集成售電商三方組成的區域配電市場，提出了聯盟交易模式的定價機制與參與方收益計算方法，并建立了集成售電商日前聯盟撮合和報價的優化決策模型。文獻[24]通過整合智能合約提出能源交易的拍賣模式，所有想要出售電量的普通消費者組成一個聯盟，每個賣家的利潤分配與其為聯盟貢獻的發電量成正比。
3.2.3 交易結算
區塊鏈支付可以幫助交易參與者解決互信問題，不涉及中介機構，極大地降低了中心化支付方式的系統風險，使系統中所有節點能夠在去信任的環境下自動安全地交換數據。在節點上運行分布式交易程序，智能合約記錄交易相關信息，智能電表記錄用戶在一定時間內發出或使用的電能數據，當交易時間到達，智能合約將自動進行結算，完成資金的轉移[7]，具體步驟如下：
(1)返還所有未達成交易市場成員的保證金。
(2)根據交易執行情況分為以下 3 類：①若交易的全部參與者均按交易結果執行，維持供需平衡，則按各自約定價格結算。②若全部參與者實際消耗電量低于生產電量，那么需要向電網出售多余的電量，則參與者首先按約定電量及成交價格結算，然后電網按照上網電價支付給多余電量的生產者。③若全部參與者實際消耗電量高于生產電量，導致必須向電網購買電量以維持供需平衡，則參與者首先按約定電量及成交價格結算，同時按照目錄電價向電網購買缺少的電量。
(3)全部參與者結算完成后，返還各自剩余保證金。
4 存在的問題與未來的研究方向
4.1 適用于分布式交易的共識算法
現有的 POW、POS、DPOS、Paxos、PBFT 等共識算法的提出大多基于金融交易的應用場景，也有一些改寫自上述共識算法并用于能源交易應用場景的供電共識算法、交易共識算法[29]等，但都不特別適合電力網絡的運行環境。因此，需要根據電力網絡的運行結構與物理特征，提出適用與分布式交易的共識算法，推動區塊鏈在分布式發電交易中的應用。
4.2 基于區塊鏈的分布式發電交易模式
雖然已有TransActive Grid、Grid Singularity等將區塊鏈成功應用于能源領域的嘗試，但這些應用很大程度上還處于理論研究與概念驗證階段，缺乏明確的交易模型與市場規則。未來應當結合分布式發電交易在實際應用中的需求，借鑒國內外已有的基于區塊鏈的能源交易模式，提出適用于分布式發電市場化交易的交易模式與交易流程。
4.3 區塊鏈應用于分布式交易的效率評價
目前的研究大多只提出了區塊鏈在能源交易中的簡單應用方案，僅通過測量和仿真對區塊鏈的交易速度進行定性研究，沒有提出具體的數學模型對交易效率的影響因素進行定量分析。因此，亟需分析市場規則、定價機制、商業模式等對區塊鏈網絡的具體影響，研究基于區塊鏈的分布式發電市場化交易的效率評價體系。
相關期刊推薦：《電力需求側管理》Power Demand Side Management(雙月刊)1999年創刊，是國內首家電力需求側管理方面的專業雜志，國家電網公司、國家計委、國家經貿委有關部門負責人和全國各網、省電力公司市場營銷部負責人等為本刊編委會成員。
5 結束語
分布式新能源的滲透使傳統的用戶實現從消費者到產消者的轉變，設計面向分布式主體的市場化交易機制，使分布式能源達到優化配置，是售電側改革的關鍵。根據分析可知，區塊鏈技術能夠應用于分布式發電市場化交易的市場準入、交易結算、安全校核等關鍵環節，根據預定義規則編寫智能合約，保證交易自動化執行，通過連接本地的能源生產者與消費者，可以減少能源長距離傳輸需求，消除中心化模型的固有缺陷，有效促進經濟社會運行效率的提升。然而，目前區塊鏈技術與分布式發電市場化交易在國內仍是理論研究較多，未來在應用中需要結合分布式發電市場化交易的需求，進一步探索適用于分布式交易的共識算法、基于區塊鏈的分布式發電交易模式和區塊鏈應用于分布式交易的效率評價等。
