魯 靜,宋 斌,向萬紅,周志明

1(遠光軟件股份有限公司,珠海 519085)

2(湖北第二師范學院,武漢 430205)

基于區(qū)塊鏈的電力市場交易結(jié)算智能合約①

魯 靜1,2,宋 斌1,向萬紅1,周志明1

1(遠光軟件股份有限公司,珠海 519085)

2(湖北第二師范學院,武漢 430205)

本文針對未來“放開兩端”的電力交易市場多主體、多模式、多規(guī)則的特點,設(shè)計了電力市場交易結(jié)算智能合約,同時分析了關(guān)鍵技術(shù)難點,并有針對性的給出了解決方案. 利用運行在區(qū)塊鏈上的智能合約降低電力市場交易的信任成本,提高清結(jié)算效率,同時推動能源零售市場的智能化. 通過在由4000個節(jié)點構(gòu)成的P2P網(wǎng)絡(luò)中運行一個購售電合同的智能合約實例,驗證了本文方法的成功率約為99.38%,每筆交易的平均確認時間約為16秒. 如果本文方法得到應用,將幫助能源交易雙方共同制定因需求而動態(tài)變化的能源價格,保證不同能源市場的互聯(lián)互通,促進智慧能源價值互聯(lián).

區(qū)塊鏈; 智能合約; 電力交易; 電費結(jié)算; 電力市場

電力體制改革背景下,國家電改配套文件《關(guān)于推進售電側(cè)改革的實施意見》[1]第四條“電網(wǎng)企業(yè)負責收費、結(jié)算,負責歸集交叉補貼,代收政府性基金,并按規(guī)定及時向有關(guān)發(fā)電公司和售電公司支付電費”; 第八條“電網(wǎng)企業(yè)按照交易中心出具的結(jié)算依據(jù),承擔市場主體的電費結(jié)算責任,保障交易電費資金安全”,明確了電網(wǎng)公司承擔電力市場結(jié)算職能. 為適應電力體制改革、支撐及促進電力市場建設(shè),電網(wǎng)公司需要建設(shè)高效便捷的市場電費結(jié)算系統(tǒng),建立與之相適的業(yè)財結(jié)算業(yè)務(wù)處理規(guī)則與工作流程,為電力市場主體提供安全、快捷、高效的電費清分和資金結(jié)算服務(wù),做好電費結(jié)算信息的披露工作,進一步鞏固公司統(tǒng)一電費結(jié)算核心優(yōu)勢.

然而,相比電改前的傳統(tǒng)電費結(jié)算,電改后的市場化結(jié)算在市場成員、交易合同和交易品種等方面對應用和系統(tǒng)提了新的要求. 成員增多、交易品種多樣化,合同規(guī)則復雜化,要求結(jié)算系統(tǒng)能靈活拓展,按照市場價結(jié)算; 同時允許購、售電端自主協(xié)商、集中競價,導致最終市場價格、電量都不統(tǒng)一,這些都對交易結(jié)算管理及風險防范都提出了更高要求.

區(qū)塊鏈(Blockchain)[2]是一種目前受到各國戰(zhàn)略性關(guān)注的革命性技術(shù),被《經(jīng)濟學人》雜志譽為“信任的機器”,是繼蒸汽機、電力、信息和互聯(lián)網(wǎng)科技之后最有潛力觸發(fā)第五輪顛覆性革命浪潮的核心技術(shù). 區(qū)塊鏈綜合采用分布式安全存儲、一致性驗證和密碼技術(shù),提供了一種新型的分布式資源存儲、數(shù)據(jù)保護和歷史追溯的解決方案. 這種基于區(qū)塊鏈的分布式管理架構(gòu)所解決的正是交易信用與安全問題,具有廣闊的應用領(lǐng)域和重要的應用價值,將區(qū)塊鏈技術(shù)應用于交易結(jié)算業(yè)務(wù)領(lǐng)域中,可以有效解決財務(wù)數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)篡改、歷史追溯、有效監(jiān)管、交易信任等方面存在的問題.

在國外,區(qū)塊鏈技術(shù)已在清算結(jié)算領(lǐng)域嶄露頭角.2015年,美國證券交易巨頭聯(lián)手區(qū)塊鏈初創(chuàng)公司Chain.com正式上線了用于私有股權(quán)交易的Linq平臺[3]. Linq基于區(qū)塊鏈技術(shù),將股權(quán)交易市場3天的標準結(jié)算時間直接縮短到10分鐘,幾乎就在交易完成的瞬間進行完成結(jié)算工作,同時讓結(jié)算風險降低了99%. 2015年7月,Overstock創(chuàng)建了T0區(qū)塊鏈交易平臺[4]銷售首個加密債券,使得結(jié)算和交易發(fā)生在同一時間,被評述為“交易即結(jié)算”. 2015 年底,高盛以比特幣區(qū)塊鏈為藍本,開發(fā)了通過加密貨幣進行交易結(jié)算的系統(tǒng)SETLcoin[5],保證了幾乎瞬時的執(zhí)行和結(jié)算. Ripple專注于跨境支付領(lǐng)域,基于區(qū)塊鏈開發(fā)的InterLedger協(xié)議項目[6]在保持銀行等金融機構(gòu)的各自不同的記賬系統(tǒng)基礎(chǔ)上建立了一個全球分布式清算結(jié)算體系. 2015年,金融領(lǐng)域代表性組織R3CEV和巴克啥萊銀行,蒙特利爾銀行(BMO),瑞信銀行,匯豐銀行等11 家銀行組成了金融科技創(chuàng)新公司來研究區(qū)塊鏈技術(shù)應用[7],目前已經(jīng)有四十多家世界著名的銀行成為 R3 CEV 的會員; 此外,西班牙的Santander銀行認為,到2022年,區(qū)塊鏈技術(shù)幫助金融行業(yè)降低200 億美元的記賬成本,因為支付系統(tǒng)目前仍然是中心化的,貨幣的轉(zhuǎn)移要通過中央銀行,當金融公司彼此生意往來時,同步內(nèi)部的賬簿是個耗時幾天的繁重任務(wù),桎梏住了資本并帶來了風險.

在國內(nèi),區(qū)塊鏈的應用開發(fā)實踐在以金融科技為代表的領(lǐng)域逐漸展開,金融企業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)、IT企業(yè)和制造企業(yè)積極投入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)研發(fā)和應用推廣,發(fā)展勢頭迅猛. 區(qū)塊鏈的應用已延伸到物聯(lián)網(wǎng)、智能制造、供應鏈管理、數(shù)字資產(chǎn)交易等多個領(lǐng)域. 2016年國務(wù)院印發(fā)《“十三五”國家信息化規(guī)劃》[8],區(qū)塊鏈與量子通信、類腦計算、虛擬現(xiàn)實等被并列為新技術(shù)基礎(chǔ)研發(fā)和前沿布局. 2016年工信部發(fā)布《中國區(qū)塊鏈技術(shù)和應用發(fā)展白皮書》[9],為各級產(chǎn)業(yè)主管部門、從業(yè)機構(gòu)提供指導和參考. 2017年初,中國人民銀行推動的基于區(qū)塊鏈的數(shù)字票據(jù)交易平臺[10]已測試成功,央行旗下的數(shù)字貨幣研究所也正式掛牌. 區(qū)塊鏈技術(shù)的意義在于它將成為互聯(lián)網(wǎng)金融的基礎(chǔ)設(shè)施,如果說TCP/IP建立了機器之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目蛇_、可信和可靠,那么區(qū)塊鏈技術(shù)則首次在機器之間建立了“信任”.互聯(lián)網(wǎng)被區(qū)塊鏈劃分出一個“信任”的連接層,可以記載、驗證和轉(zhuǎn)移經(jīng)濟價值.

本文針對未來“放開兩端”的電力交易市場多主體、多模式、多規(guī)則的特點,開展基于區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式賬本、共識機制、以及購售電智能合約的研究. 利用區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建的分布式賬本,對電力市場的前端交易、營銷數(shù)據(jù)實現(xiàn)分布式的記賬存儲,將交易中心提供的結(jié)算依據(jù)數(shù)據(jù)、營銷部門提供的用戶用電數(shù)據(jù)保存在區(qū)塊鏈共享賬本上,從而打通從支付計劃、記賬、付款、結(jié)算、清分到核算、紕漏、分析、預測的各個財務(wù)業(yè)務(wù)處理環(huán)節(jié),實現(xiàn)購電費、售電公司服務(wù)費的安全、高效結(jié)算,提高財務(wù)數(shù)據(jù)的透明度和可審計性; 利用區(qū)塊鏈自動共享、不可篡改的記錄保管方式,簡化數(shù)據(jù)記錄、存儲環(huán)節(jié),規(guī)避因人為操作造成的錯誤; 通過智能合約將清算業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)化,減少清算過程中的摩擦,同時實現(xiàn)“交易即結(jié)算”,提高清算、結(jié)算的效率.

1 區(qū)塊鏈與電力交易結(jié)算的匹配度分析

從電改9號文[11]相關(guān)內(nèi)容以及國外的改革經(jīng)驗來看,市場的開放不可能一步到位,必然要經(jīng)過一個過渡期才會進入全面推廣. 因此,未來電力交易市場化改革將是一個逐步推進的過程,很長一段時間內(nèi)會存在多種業(yè)務(wù)模式并存的局面,包含輸配售一體、輸配一體售電分開、輸配分離等模式,如圖1. 輸配售一體的業(yè)務(wù)模式相對傳統(tǒng); 輸配一體售電分開模式中,允許電源與售電公司協(xié)商定價,結(jié)算主體為電網(wǎng)公司,需要根據(jù)市場用戶的銷售收入和電源結(jié)算購電費,與售電公司結(jié)算服務(wù)費,與政府結(jié)算政府基金,與管制用戶結(jié)算交叉補貼等等; 輸配分離模式的結(jié)算主體為配售電公司,通過與市場用戶協(xié)商定價結(jié)算銷售收入,通過與電源協(xié)商定價結(jié)算購電費,與電網(wǎng)公司結(jié)算輸配電服務(wù)費,與政府結(jié)算政府基金等等. 由此可見,市場化結(jié)算模式在市場成員、交易合同和交易品種等方面對應用和系統(tǒng)提了新的要求: 市場成員增多、交易品種逐步發(fā)展,要求結(jié)算系統(tǒng)能夠靈活拓展,要能根據(jù)電能計量系統(tǒng)提供的有效電能數(shù)據(jù)、現(xiàn)貨交易和實時交易中的電價數(shù)據(jù)、運行考核系統(tǒng)中記錄的考核數(shù)據(jù)、交易合同中簽定的相關(guān)數(shù)據(jù)(包括電價、電量、計量點等)及電力市場運行相關(guān)規(guī)則進行電能量結(jié)算和電費結(jié)算.

圖1 電改進程中的三種核心結(jié)算業(yè)務(wù)模式

區(qū)塊鏈共享、可信、可追溯的特點,使其在清、結(jié)算等領(lǐng)域具備顯著的優(yōu)勢. 運行在區(qū)塊鏈上的智能合約能將合同規(guī)則代碼化,并構(gòu)造一個去中心化的可信履約環(huán)境. 區(qū)塊鏈與電力市場交易結(jié)算的匹配度分析如下:

(1) 區(qū)塊鏈是一個共享式的公共賬本,可打通不同的系統(tǒng),從而提升溝通效率,降低成本;

(2) 區(qū)塊鏈實現(xiàn)交易的時候,基于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的共識機制實際上可以同時實現(xiàn)清算和結(jié)算,提高清算、結(jié)算的效率;

(3) 區(qū)塊鏈能完整記錄每一筆歷史交易記錄,并且可追溯,更能可靠地登記各種信息,具有高審計性[12];

(4) 利用區(qū)塊鏈的智能合約[13],能將原有的繁瑣、耗時長、業(yè)務(wù)手續(xù)繁雜的清算用計算機代碼的方式保存在區(qū)塊鏈上,自動觸發(fā)執(zhí)行,使得結(jié)算過程變得簡單、結(jié)構(gòu)化,能減少清算過程中的摩擦; 同時將原有的電子表格存儲方式以及手動記錄的操作方式變?yōu)榉植际?、不對稱加密的賬本,通過自動共享不可篡改的交易記錄提高透明度和可審計性.

區(qū)塊鏈技術(shù)對現(xiàn)有的電力交易結(jié)算系統(tǒng)帶來的改變?nèi)鐖D2.

圖2 區(qū)塊鏈對現(xiàn)有結(jié)算系統(tǒng)的革新

2 電力市場交易結(jié)算智能合約的方案設(shè)計

由圖1可見,未來的電力市場包括電廠、售電公司、電網(wǎng)、用戶、交易中心等交易主體,在區(qū)塊鏈上這些交易主體之間可以自由地定制交易智能合約,在合約中寫入購售電交易的清算、結(jié)算規(guī)則; 利用會員制身份管理判斷交易雙方的市場身份,并匹配對應的智能合約; 用戶通過區(qū)塊鏈平臺自定義智能合約,實現(xiàn)高效率的電費清算、結(jié)算.

如圖3,將購售電交易電費結(jié)算模型用計算機代碼表示為智能合約,并事先寫入到區(qū)塊鏈的分布式網(wǎng)絡(luò)體系中; 當合約中的某一事項發(fā)生時,智能合約就會被觸發(fā)并自動執(zhí)行相應的合約條款; 會員制服務(wù)負責管理網(wǎng)絡(luò)上的身份識別、隱私與機密. 在合約發(fā)生前,會員制身份管理首先識別交易雙方的市場身份,并匹配對應的智能合約; 同時,會員機制也保證未授權(quán)的第三方不能獲悉有關(guān)身份、交易模式、交易內(nèi)容等機密信息.

圖3 基于智能合約的電力市場交易模型

2.1 以電網(wǎng)為結(jié)算主體的電力市場私有鏈

由于電能并不是一個普通的數(shù)字化商品,其發(fā)電、輸電、用電過程需要在平衡供需關(guān)系的前提下由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配. 因此在電網(wǎng)的智能化水平尚未達到一定程度之前,區(qū)塊鏈在電力市場中的應用不可能做到完全的去中心化. 未來隨著電網(wǎng)智能化水平的不斷提升,以用戶為代表的市場主體去中心化訴求逐步凸顯,區(qū)塊鏈的去中心化程度才會逐步提高. 因此筆者認為在輸配售一體、輸配一體售電分開兩種業(yè)務(wù)模式下,區(qū)塊鏈應用于電力市場首先是電網(wǎng)財務(wù)部門內(nèi)的私有鏈[14],逐步向各市場主體滲透形成聯(lián)盟鏈,最終形成分布于各用電終端的公有鏈[15].

在私有鏈階段,應用區(qū)塊鏈對前端交易、營銷數(shù)據(jù)實現(xiàn)分布式的記賬存儲,打通財務(wù)業(yè)務(wù)處理各個環(huán)節(jié),實現(xiàn)透明、高效、高審計性的電費清結(jié)算. 如圖4,將交易中心提供的結(jié)算依據(jù)數(shù)據(jù)保存在購電費結(jié)算區(qū)塊鏈,營銷部門提供的用戶用電數(shù)據(jù)保存在售電公司服務(wù)費結(jié)算區(qū)塊鏈,它們之間通過側(cè)鏈技術(shù)[16]錨定,從而打通財務(wù)業(yè)務(wù)處理的計劃、記賬、結(jié)算、清分、支付、審計、披露、預測等各個環(huán)節(jié),提高財務(wù)數(shù)據(jù)的透明度和可審計性; 利用區(qū)塊鏈自動共享、不可篡改的記錄保管方式,簡化數(shù)據(jù)記錄、存儲環(huán)節(jié),規(guī)避因人為操作造成的錯誤; 通過智能合約將清算業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)化,減少清算過程中的摩擦,同時實現(xiàn)清算即結(jié)算,提高清算、結(jié)算的效率.

2.2 以電網(wǎng)為結(jié)算主體的電力市場聯(lián)盟鏈

隨著市場對區(qū)塊鏈的接受程度、區(qū)塊鏈價值的認可程度的提高,區(qū)塊鏈逐步向電力市場的各個主體滲透,形成電力市場聯(lián)盟鏈. 如圖5,區(qū)塊鏈以分布式點對點對等網(wǎng)的方式將電力市場的交易主體(電廠、售電公司、電網(wǎng)、用戶)連接起來; 用數(shù)字化編碼將清算結(jié)算規(guī)則寫入?yún)^(qū)塊鏈,交易雙方可在區(qū)塊鏈平臺的基礎(chǔ)上自定義智能合約; 從達成合約協(xié)議開始,合約中約定的條件事項的發(fā)生將自動觸發(fā)合約的執(zhí)行程序; 點對點對等網(wǎng)上大部分都是輕量級節(jié)點,保存與合約相關(guān)的交易哈希以及簡要支付驗證所必須的時間戳鄰近的交易數(shù)據(jù). 這樣做的好處是為了保留賬本存儲容量,提高處理性能; 全節(jié)點類似于一個中心化的數(shù)據(jù)庫,它保存從第一個區(qū)塊開始的所有結(jié)構(gòu)化的合約基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與交易數(shù)據(jù),同時通過hash映射保護用戶隱私與交易的機密信息,保證了數(shù)據(jù)的不可篡改性. 需要注意的是,這樣的設(shè)計保留了中心化數(shù)據(jù)庫,并沒有做到完全的去中心化,但帶來的好處有兩個: (1) 提高鏈上的共識效率; (2) 便于查詢、統(tǒng)計、審計等中心化的操作.

2.3 售電平臺上的零售智能合約

在新電改配售分離模式下,以配售電公司為電費結(jié)算主體的電力交易將更加靈活、自由. 如圖1所示的輸配分離結(jié)算業(yè)務(wù)模式,配售電公司通過客戶負荷預測制定售電計劃,與發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)公司簽訂三方購電合同. 由于現(xiàn)貨交易、實時交易的存在,很多情況下難以以紙質(zhì)形式簽約,而多以電子合同存在. 然而,電子合同的法律效應、公信力的缺失容易引起分歧.區(qū)塊鏈上的智能合約以代碼方式撰寫、執(zhí)行,一旦簽約必然履行,且區(qū)塊鏈的可溯源、不可篡改性可以避免合約紛爭,是配售電公司購電合同的一個良好解決方案.

在售電側(cè),配售電公司在區(qū)塊鏈售電平臺上發(fā)布零售智能合約(如圖6),電力用戶與售電公司在區(qū)塊鏈上簽署智能合約,明確電量、協(xié)議電價、違約責任等要素. 建立在區(qū)塊鏈基礎(chǔ)上的智能電表直接把電量記錄在分布式賬本上,自動抄表、自動計量、自動計費,自動履行智能合約,便于市場交換. 區(qū)塊鏈可以使零售電合同透明化、去信度化,幫助配售電公司提升售電平臺的公信力,提升智能電表抄表的公信力; 同時由于售電平臺屬于售電公司自己搭建、管理,因此落地的可能性很大.

圖6 配售電公司的零售智能合約

3 關(guān)鍵技術(shù)難點與實現(xiàn)

智能合約是由尼克薩博早在1994年提出的,但由于缺少可信的執(zhí)行環(huán)境并沒有得到應用. 直到2009年比特幣[2]誕生后,人們意識到其底層區(qū)塊鏈技術(shù)可以為智能合約提供可信的執(zhí)行環(huán)境. 然而,比特幣的區(qū)塊鏈架構(gòu)主要圍繞去中心化的數(shù)字貨幣,用來支撐智能合約還非常局限. 例如比特幣的區(qū)塊鏈平臺使用工作量證明共識算法 (Proof of Work,PoW),在執(zhí)行時需要每個曠工計算隨機數(shù)以爭奪記賬權(quán),這需要消耗大量的算力,并且一筆交易的確認至少需要10分鐘,達不到商用要求.

近年來,以以太坊[17]、hyperledger[18]為代表的區(qū)塊鏈2.0技術(shù)的長足發(fā)展,保證了智能合約的高效運行. 本文提出的電費結(jié)算智能合約就是基于以太坊開源平臺開發(fā)的,與比特幣系統(tǒng)比較起來,在節(jié)點的準入機制、傳輸協(xié)議、hash算法、加密方法、共識機制等方面上有諸多不同,表1給出了主要技術(shù)實現(xiàn)上的改進.

3.1 權(quán)益證明共識算法(Proof of Stake,PoS)

比特幣采用PoW,不僅耗費大量算力,而且每秒最多只支持7筆交易,效率低下. 本智能合約系統(tǒng)采用PoW+PoS的共識機制,將區(qū)塊分為PoW區(qū)塊和PoS區(qū)塊兩種. 權(quán)益(Stake)體現(xiàn)為區(qū)塊鏈節(jié)點對特定數(shù)量貨幣的所有權(quán),稱為幣齡或幣天數(shù) (Coin age). 在 PoS區(qū)塊中,曠工通過向自己支付并消耗掉特定數(shù)量的幣齡來獲取區(qū)塊記賬權(quán). 整個過程如圖7,左邊第一個輸入稱為內(nèi)核(Kernel),本質(zhì)上是一條達成哈希目標的協(xié)議,要求幣齡>哈希目標,其中哈希目標由區(qū)塊平均權(quán)益、未被花費的輸出 (Unspent transaction output,UTXO)和當前時刻共同決定,而幣齡=當前擁有的幣數(shù)量×最后一次交易的時間.

表1 技術(shù)實現(xiàn)上的改進

由此可見,在生成內(nèi)核的過程中消耗的幣齡越多,越容易滿足哈希目標. PoS共識過程僅依靠內(nèi)部幣齡和權(quán)益而不需要消耗外部算力和資源,從根本上解決了PoW共識算力浪費的問題,并且能夠在一定程度上縮短達成共識的時間.

圖7 PoS 的交易結(jié)構(gòu)

3.2 圖靈完備計算環(huán)境

比特幣系統(tǒng)從安全角度出發(fā),其腳本引擎非圖靈完備,因此目前能通行的比特幣腳本指令不多,應用場景僅限于數(shù)字貨幣. 本文的智能合約系統(tǒng)基于圖靈完備的256位計算環(huán)境-以太坊虛擬機(EVM),可以進行任何種類的計算,從而支持智能合約的運行.

在大多數(shù)情況下,ψ被定義為不斷迭代系統(tǒng)臨時狀態(tài)和虛擬機臨時狀態(tài)的過程,迭代的終止由以下兩個條件決定:

(1) 系統(tǒng)狀態(tài)出現(xiàn)異常使得EVM停止工作,例如Gas不足、指令無效、虛擬機堆棧不足等情況;

(2) EVM執(zhí)行完所有指令并返回結(jié)果,正常停止.

在每一次迭代過程中,智能合約的指令被壓入堆棧,EVM按堆棧索引執(zhí)行指令. 每執(zhí)行一條指令就支付相應的的Gas,直到所有指令執(zhí)行完畢,堆棧被清空;若遇到異常,EVM則停止工作并逐層向上返回.

3.3 P2P網(wǎng)絡(luò)上的Whisper協(xié)議

智能合約運行在一個點對點對等(P2P)網(wǎng)絡(luò)上,DApp間采用Whisper通信協(xié)議. Whisper結(jié)合了DHT和數(shù)據(jù)包消息系統(tǒng),是一個純標志消息系統(tǒng),提供低層次但易用的API,不需要記憶底層硬件屬性[19]. 另外,有一個每條可配置的生存時間以及簽名/加密規(guī)則,提供多索引、非單一的記錄.

Whisper不是一個典型的通信系統(tǒng),其主要目標是給新型的應用開發(fā)模式提供一個新的通信協(xié)議,而非簡單地在兩個節(jié)點間傳輸數(shù)據(jù). Whisper使用多播和和廣播場景協(xié)議,采用低層次部分異步通信,降低低價值流量與延遲,從而支持大規(guī)模多對多數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)和完全的隱私保護. Whisper的運行機理如下:

(1) DApp 發(fā)布合約內(nèi)容,廣播至 P2P 網(wǎng)絡(luò);

(2) DApp發(fā)信號給其他DApp,希望它們參與對某個交易的協(xié)同(如簽署智能合約);

(3) DApp提供非實時的通信內(nèi)容;

(4) 除了交易雙方的哈希地址,Whisper協(xié)議隱藏其他交易信息.

3.4 并行存儲策略與數(shù)據(jù)上鏈方法

電力市場交易結(jié)算智能合約的設(shè)計思路是在不改變原有業(yè)務(wù)架構(gòu)的前提下并行一個區(qū)塊鏈賬本,因此需要解決數(shù)據(jù)庫到區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)同步問題. 從交易中心數(shù)據(jù)庫到購電費結(jié)算區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)同步有兩種,一種是采用ETL方式連接交易中心數(shù)據(jù)庫與區(qū)塊鏈,在ETL工具上實現(xiàn)交易數(shù)據(jù)采集腳本,由ETL工具定時從交易中心數(shù)據(jù)庫抽取購電費結(jié)算數(shù)據(jù),完成數(shù)據(jù)抽取之后,將抽取數(shù)據(jù)進行一定的清洗,通過區(qū)塊鏈RPC接口以交易的方式實時提交到區(qū)塊鏈上; 另一種方式是,通過ETL工具對接交易中心數(shù)據(jù)庫的日志系統(tǒng),實現(xiàn)實時日志分析,根據(jù)ETL上預設(shè)的采集規(guī)則對需要采集的數(shù)據(jù)進行實時抽取,將抽取數(shù)據(jù)進行一定的清洗之后,組裝成區(qū)塊鏈交易單,放入?yún)^(qū)塊鏈前端消息隊列,通過區(qū)塊鏈RPC接口提交到區(qū)塊鏈上.

基于ETL工具的數(shù)據(jù)同步流程如圖8.

4 實驗與結(jié)論

本部分通過在區(qū)塊鏈上發(fā)布一個購售電合同的智能合約實例,分析區(qū)塊鏈系統(tǒng)運行的正確性、穩(wěn)定性和效率. 該合同根據(jù)約定的購售電量和實際實施的購、發(fā)電量之間的關(guān)系,做出如下約定:

約定1. 甲方年度實際購電量高于年度合同約定電量的105%時,直接交易結(jié)算電量為甲方年度合同約定電量×105%,超出部分按照對應電壓等級的大工業(yè) 目錄電價×110%結(jié)算.

圖8 數(shù)據(jù)寫入與同步方法

約定2. 甲方年度實際購電量低于年度合同約定電量的95%時,直接交易結(jié)算電量為甲方年度實際購電量. 對低于年度約定購電量×95%的差額電量,甲方按電量差額乘以2分/千瓦時(含稅,下同)的標準向乙方支付違約金,違約金計算式為: (月度約定購電量×95%-當月實際購電量)×2分/千瓦時.

約定3. 如果乙方因設(shè)備故障等原因?qū)е庐斣氯可暇W(wǎng)電量低于約定直接交易電量的95%,低于部分電量由乙方按甲方相應的目錄電價與直接交易到戶電度電價的差價向丙方支付補償金. 補償金計算式為: (甲方月度約定購電量×95%-乙方當月實際上網(wǎng)電量)×(甲方目錄電價-甲方直接交易到戶電度電價).

圖9是用solidity語言編寫的智能合約實例,其中圖9(a)是約定1、約定2的智能合約實例,圖9(b) 是約定3的智能合約實例. 由圖可見對于售電方發(fā)電充足、售電方發(fā)電不足、購電方的購電量上下浮動等多種情況都用計算機編碼寫成了規(guī)則,并存放在區(qū)塊鏈上. 購售雙方一旦在區(qū)塊鏈上簽名,該合約就會根據(jù)智能電表的抄表情況自動履行.

表2是在一個由4000個結(jié)點構(gòu)成的P2P網(wǎng)絡(luò)中執(zhí)行該智能合約的結(jié)果. 在一周時間內(nèi),共簽署了7129個智能合約,其中順利履約的由7085個,失效的合約有44個,成功率約為99.38%. 合約失效的原因主要是購電方的保證金不足或合約發(fā)布方的Gas耗盡. 同時,合約履行時每筆支付的平均交易確認時間約為16秒.

與原來的雙邊合同相比,由分布式記賬本管理的能源零售市場增加了配售電公司和用電用戶的選擇權(quán),合約內(nèi)的多余電量不僅可以存于電池備用,或返回給電網(wǎng),還可以出售給網(wǎng)絡(luò)里出價最高的買家,甚至異地贖回(如給在行駛的電動車充電)等. 通過建立在區(qū)塊鏈上的智能合約,可以數(shù)字化、智能化地完成售電公司的切換,用電用戶只需在電腦或手機上點擊幾次,就可以便捷地完成供應商的更換. 由此可見,區(qū)塊鏈技術(shù)能推動能源零售市場的智能化,使得公民在能源零售市場中發(fā)揮更大的作用. 利用區(qū)塊鏈技術(shù),用電成本和需求數(shù)據(jù)能及時地反映在一體化的能源市場上,幫助公民做出正確的決策,鼓勵公民積極參與能源市場,簡化能源供應合同的切換. 區(qū)塊鏈技術(shù)幫助能源生產(chǎn)者和能源消費者共同制定因需求而動態(tài)變化的能源價格,保證不同市場的互聯(lián)互通性,使電網(wǎng)中的能源用戶真正獲得收益. 通過分布式發(fā)電、智能電網(wǎng)和儲能技術(shù),居民可以通過區(qū)塊鏈參與能源的生產(chǎn)和銷售,降低電費開支.

5 結(jié)束語

本文研究了區(qū)塊鏈技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)尤其是電力行業(yè)的應用,包括市場電費結(jié)算與區(qū)塊鏈技術(shù)的匹配度分析、區(qū)塊鏈技術(shù)應用于電力市場電費結(jié)算、購售電智能合約的解決方案以及關(guān)鍵技術(shù)難點與實現(xiàn). 通過在由4000個節(jié)點構(gòu)成的P2P網(wǎng)絡(luò)中運行一個購售電合同的智能合約實例,驗證了本文方法的成功率約為99.38%,每筆交易的平均確認時間約為16秒. 利用運行在區(qū)塊鏈上的智能合約降低電力市場交易的信任成本,提高清結(jié)算效率,同時推動能源零售市場的智能化. 如果本文方法得到應用,將幫助能源交易雙方共同制定因需求而動態(tài)變化的能源價格,保證不同能源市場的互聯(lián)互通,促進智慧能源價值互聯(lián).

今后的工作應聚焦于如何改善共識算法的效率、如何建立一套邏輯嚴密、可定制的智能合約,以適應電網(wǎng)結(jié)算業(yè)務(wù)流程規(guī)則復雜,結(jié)算合同類型多的特點,以及當區(qū)塊鏈上有異常行為發(fā)生時如何快速、有效地熔斷,以保護用戶利益不被侵犯. 只有在解決了高冗余數(shù)據(jù)的資源占用、共識的算力與時間耗費、政策與法律等問題之后,區(qū)塊鏈技術(shù)才能得到大規(guī)模的應用.

圖9 一個購售電合同的智能合約

表2 智能合約執(zhí)行情況

1國家發(fā)改委,國家能源局. 《關(guān)于推進售電側(cè)改革的實施意見》節(jié)錄. 大眾用電,2016,(4): 5–6.

2Nakamoto S. Bitcoin: A Peer-to-peer Electronic Cash System. Satoshi Nakamoto Institute,2008.

3龔鳴. 詳解納斯達克區(qū)塊鏈私人股權(quán)市場Linq. http://mt.sohu.com/20151122/n427544175.shtml. [2015-11-22/2015-11-25].

4Mattke S. Overstock.com macht Ernst: Erste Blockchain-Anleihe Emittiert,Weitere Sollen Folgen. Preisvergleich,2015.

5Marinelli G. Goldman sachs moves to Blockchain: SETLcoin.http://themarketmogul.com/goldman-sachs-moves-toblockchain-setlcoin/. [2016-09-06/2016-12-30].

6Ripple. Consensus whitepaper: A novel consensus algorithm|Ripple. https://ripple.com/consensus-whitepaper/. [2017-08-29].

7龔鳴. 從R3區(qū)塊鏈聯(lián)盟看歐美金融巨頭的區(qū)塊鏈探索之路. 當代金融家,2016,(6): 101–105.

8國務(wù)院. 國務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十三五”國家信息化規(guī)劃的通知.http://www.gov.cn/zhengce/content/2016-12/27/content_5153411.htm. [2016-12-27].

9工業(yè)和信息化部. 中國區(qū)塊鏈技術(shù)和應用發(fā)展白皮書(2016 版). https://img2.btc123.com/file/0/chinabolckchaindev whitepage2016.pdf. [2016-10-18].

10任安軍. 運用區(qū)塊鏈改造我國票據(jù)市場的思考. 南方金融,2016,1(3): 39–42.

11國務(wù)院辦公廳. 關(guān)于進一步深化電力體制改革的若干意見.https://wenku.baidu.com/view/7a04cf8cf61fb7360a4c6538.ht ml. [2015-03-23].

12Zyskind G,Nathan O,Pentland AS. Decentralizing privacy:using blockchain to protect personal data. 2015 IEEE Security and Privacy Workshops. San Jose,CA,USA. 2015.180–184.

13Watanabe H,Fujimura S,Nakadaira A,et al. Blockchain contract: Securing a blockchain applied to smart contracts.2016 IEEE International Conference on Consumer Electronics. Las Vegas,NV,USA. 2016. 467–468.

14Morrison A. Blockchain and smart contract automation:Private blockchains,public,or both? http://www.pwc.com/us/en/technology-forecast/2016/blockchain/pwc-smartcontract-automation-private-public.pdf. [2016-12-01/2016-12-30].

15Walch A. Open source operational risk: should public blockchains serve as financial market infrastructures. Handbook of Digital Banking &Internet Finance,http://works.bepress.com/angela-walch/3/,2016.

16Back A,Corallo M,Dashjr L,et al. Enabling blockchain innovations with pegged sidechains. https://www.blockstream.com/sidechains.pdf. [2014-10-22].

17Buterin V. Ethereum White Paper. https://ethereum.org/pdfs/EthereumWhitePaper.pdf. [2013].

18Hull R,Batra VS,Chen YM,et al. Towards a shared ledger business collaboration language based on data-aware processes. International Conference on Service-Oriented Computing 2016: Service-Oriented Computing. Cham. 2016.18–36.

19鄒均,張海寧,唐屹,等. 區(qū)塊鏈技術(shù)指南. 北京: 機械工業(yè)出版社,2016: 102–103.

Smart Contract for Electricity Transaction and Charge Settlement Based on Blockchain

LU Jing1,2,SONG Bin1,XIANG Wan-Hong1,ZHOU Zhi-Ming1

1(YGSoft Inc.,Zhuhai 519085,China)
2(University of Education,Wuhan 420205,China)

In this paper,aimed at the complicated characteristics,patterns and rules of the future“l(fā)et go” electricity market,smart contracts of electricity transaction based on the blockchain platform are proposed. Then the key technological difficulties are analyzed and solutions are given. By running a smart contract instance in a peer-to-peer network composed of 4000 nodes,the success rate is 99.38% and the average time consumption for each transaction is proven to be 16s. If our method is applied,we can in the field of electric power market transaction settlement through different systems,reduce the trust of the electric power market transaction cost,reduce the friction in the process of liquidation,improve the efficiency of the clearing and settlement.

blockchain; smart contract; electricity transaction; electricity charge settlement; electricity market

魯靜,宋斌,向萬紅,周志明.基于區(qū)塊鏈的電力市場交易結(jié)算智能合約.計算機系統(tǒng)應用,2017,26(12):43–50. http://www.c-sa.org.cn/1003-3254/6109.html

廣東省科技計劃項目(2014B010117006); 湖北省教育廳科學研究計劃重點項目(D20163002)

2017-03-09; 采用時間: 2017-04-07