張震宇，陳剛，林勇，王思涵

基于區(qū)塊鏈的電力資源管理

張震宇，陳剛，林勇，王思涵

（江蘇電力信息技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210000）

區(qū)塊鏈技術(shù)由于其公平、透明及去中心化的特點(diǎn)，有望成為能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要助力。介紹了電力系統(tǒng)中區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用形式，闡述了區(qū)塊鏈技術(shù)在其中發(fā)揮的作用或解決的問題，并結(jié)合能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，提出了一套基于區(qū)塊鏈的綜合性電力資源管理平臺(tái)的建設(shè)方案。方案包括平臺(tái)的組成及對(duì)電力業(yè)務(wù)應(yīng)用的支撐方式、鏈上區(qū)塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和在不同系統(tǒng)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的差異，詳細(xì)分析了系統(tǒng)架構(gòu)與各部分的技術(shù)要點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)估。最后基于現(xiàn)有研究對(duì)電力領(lǐng)域中區(qū)塊鏈應(yīng)用的前景進(jìn)行了展望，并提出電力行業(yè)區(qū)塊鏈應(yīng)用的發(fā)展思路與建議。

區(qū)塊鏈技術(shù)；智能合約；分布式電力交易；去中心化

1 引言

電力系統(tǒng)作為社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施，是由發(fā)電廠、送變電線路、供配電所和用電等環(huán)節(jié)組成的電能生產(chǎn)與消費(fèi)系統(tǒng)。電力系統(tǒng)的信息與控制系統(tǒng)由各種檢測(cè)設(shè)備、通信設(shè)備、安全保護(hù)裝置、自動(dòng)控制裝置以及監(jiān)控自動(dòng)化、調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)組成，對(duì)電能的生產(chǎn)進(jìn)行測(cè)量、調(diào)節(jié)、控制、保護(hù)、通信和調(diào)度，滿足用戶的用電需求。

傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)是一個(gè)中心化的能源管理網(wǎng)絡(luò)，輸配電、調(diào)度、電力交易等各個(gè)環(huán)節(jié)都由中心化系統(tǒng)進(jìn)行管理。中心化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)存在一些問題，例如發(fā)生大面積事故時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致大面積斷電，在多種經(jīng)營主體參與的區(qū)域能源交易中存在數(shù)據(jù)和交易模式互信的問題，電力交易方式和途徑比較單一。

近年來，隨著社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)的變革，電力行業(yè)開始改革，電網(wǎng)的源、網(wǎng)、荷界線越來越模糊，各種分布式電源、儲(chǔ)能設(shè)備、電動(dòng)汽車等分布式能源的應(yīng)用以及其可靠并網(wǎng)問題的出現(xiàn)，為電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行帶來了挑戰(zhàn)[1-2]。虛擬電廠、分布式能源、新能源汽車補(bǔ)貼稽核、光伏并網(wǎng)簽約、泛在電力物聯(lián)網(wǎng)等概念和技術(shù)逐漸成熟并被應(yīng)用在電力系統(tǒng)中[3-4]。區(qū)塊鏈技術(shù)作為一種革命性的去中心化技術(shù)，可加深能源互聯(lián)網(wǎng)中多利益主體間的信任，正成為當(dāng)今能源領(lǐng)域的一個(gè)重要的新方向[5-7]。

可以利用區(qū)塊鏈技術(shù)建立一套針對(duì)電力系統(tǒng)的綜合性資源管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)電力調(diào)度、能源交易等功能，保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)的授權(quán)獲取，降低惡意篡改風(fēng)險(xiǎn)，降低各方利益風(fēng)險(xiǎn)與交易成本。

電力網(wǎng)絡(luò)的未來發(fā)展趨勢(shì)可能會(huì)與區(qū)塊鏈一樣，具有去中心化、協(xié)同管理自治的特征，電力資源管理系統(tǒng)具有自調(diào)度和生態(tài)化運(yùn)行、智能化和合約化的趨勢(shì)，智能合約是實(shí)現(xiàn)能源交易和能源合同自動(dòng)化的一種可行之策。在分布式電力調(diào)度和能源交易模式下，能源交易市場(chǎng)的參與者處于分散的狀態(tài)，并且地位基本對(duì)等，多種能源交易協(xié)同自治。區(qū)塊鏈技術(shù)由于其公平、透明及去中心化的特點(diǎn)，在分布式能源交易中將會(huì)有十分廣闊的應(yīng)用前景[8]。區(qū)塊鏈技術(shù)與電力網(wǎng)絡(luò)具有分布式的特點(diǎn)和協(xié)同自治的發(fā)展趨勢(shì)，因此區(qū)塊鏈技術(shù)具有重構(gòu)能源體系的天然優(yōu)勢(shì)。

2 電力系統(tǒng)中區(qū)塊鏈應(yīng)用分析

2.1 虛擬電廠關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

虛擬電廠技術(shù)指通過虛擬控制中心將可控負(fù)荷、分布式電源（distributed electric resource，DER）和儲(chǔ)能系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來，讓它們?cè)陔娋W(wǎng)中以特殊電廠的身份參與運(yùn)行[9-10]。與傳統(tǒng)電廠相比，虛擬電廠的生產(chǎn)手段多樣，成本相對(duì)較低，構(gòu)成資源更多樣化，更具有環(huán)保性，在電力市場(chǎng)中也更具競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)了電力行業(yè)的轉(zhuǎn)型以及整個(gè)電力系統(tǒng)的發(fā)展[11]。區(qū)塊鏈技術(shù)的特點(diǎn)和虛擬電廠的特點(diǎn)及發(fā)展理念存在相似之處[12]，其具有去中心化、協(xié)同互補(bǔ)的特點(diǎn)，這與虛擬電廠在地域上的分散性和運(yùn)行調(diào)度上的協(xié)調(diào)性有一定相似之處。同時(shí)，區(qū)塊鏈內(nèi)部各區(qū)塊具有相同的權(quán)利與義務(wù)，共同協(xié)作維護(hù)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，這與虛擬電廠內(nèi)部各分布式能源分布分散、個(gè)體之間協(xié)調(diào)互補(bǔ)、平等參與電網(wǎng)調(diào)度的特性相適應(yīng)。

2.2 分布式能源交易

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，具有污染生成物少、能源轉(zhuǎn)化率高、運(yùn)行可靠性高、設(shè)備規(guī)模小、安裝方便靈活等優(yōu)點(diǎn)的分布式能源，逐漸成為發(fā)電的重要來源[13]，分布式能源參與市場(chǎng)化交易促使電力交易類型和管理模式呈現(xiàn)多元化的趨勢(shì)[14]。作為一種去中心化的分布式記賬系統(tǒng)，區(qū)塊鏈技術(shù)可以借助密碼學(xué)原理解決交易過程中所有權(quán)的歸屬問題，有效解決交易過程中的信息不對(duì)稱問題，還可以通過智能合約設(shè)定交易機(jī)制，實(shí)現(xiàn)多樣化的售電方案、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易和自動(dòng)結(jié)算，將其應(yīng)用至分布式能源交易成為一種研究趨勢(shì)[15]。

2.3 可信身份認(rèn)證研究

電力行業(yè)是支撐國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，電力系統(tǒng)涉及大量關(guān)系國家安全的機(jī)密信息，安全性不容忽視。在新能源汽車的補(bǔ)貼稽核、光伏并網(wǎng)簽約、泛在電力物聯(lián)網(wǎng)等多個(gè)電力領(lǐng)域的系統(tǒng)中，可信身份認(rèn)證是保證系統(tǒng)安全的重要舉措，基于區(qū)塊鏈的可信身份認(rèn)證研究對(duì)于保障系統(tǒng)安全、數(shù)據(jù)安全有著重要作用。

在新能源汽車的補(bǔ)貼稽核領(lǐng)域，政府不僅需要對(duì)不同運(yùn)營商的充電設(shè)施進(jìn)行監(jiān)管，也需要對(duì)充電交易記錄進(jìn)行精準(zhǔn)采集、可靠存儲(chǔ)和安全共享。區(qū)塊鏈技術(shù)去中心化、不可篡改的特點(diǎn)可以全過程記錄補(bǔ)貼的發(fā)放情況，保證數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)和傳輸過程中的真實(shí)性，構(gòu)建運(yùn)行生態(tài)化、認(rèn)證公平化、合約智能化、信息透明化的應(yīng)用系統(tǒng)[16]。

在光伏并網(wǎng)簽約的推進(jìn)過程中存在用戶信息真實(shí)性、在線簽約可靠性無法保證等問題[17]?；趨^(qū)塊鏈的可靠云端電子簽名技術(shù)，可以解決現(xiàn)有的CA認(rèn)證方式流程復(fù)雜、成本高昂的問題，通過區(qū)塊鏈云端簽名技術(shù)，簡(jiǎn)化復(fù)雜的認(rèn)證流程，降低認(rèn)證成本。

電力物聯(lián)網(wǎng)可促進(jìn)電網(wǎng)運(yùn)行及企業(yè)運(yùn)營全過程的全場(chǎng)景感知、信息融合及智能輔助決策，提高電力系統(tǒng)現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施利用效率，為電網(wǎng)全鏈條管理提供重要技術(shù)支撐[18]。區(qū)塊鏈技術(shù)可以在不涉及任何第三方機(jī)構(gòu)的情況下建立信任和共識(shí)，因此在物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中展現(xiàn)了巨大的潛力[19]，如開發(fā)面向泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的可信身份認(rèn)證模塊，實(shí)現(xiàn)各類終端身份的安全認(rèn)證與權(quán)限控制。

2.4 區(qū)域能源綜合服務(wù)平臺(tái)

綜合能源服務(wù)核心是分布式能源以及圍繞它進(jìn)行的區(qū)域能源供應(yīng)，使區(qū)域內(nèi)能源產(chǎn)消者之間建立靈活便利的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)區(qū)域能源產(chǎn)銷一體化[20]。

在基于區(qū)塊鏈的區(qū)域能源綜合平臺(tái)中，區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)了可信的身份認(rèn)證、低成本的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)分布式交易、可信的數(shù)據(jù)傳輸，為政府、能源消費(fèi)者、能源運(yùn)營商、能源產(chǎn)品與服務(wù)商等能源領(lǐng)域四大類用戶提供綠色、安全、經(jīng)濟(jì)、高效、增值的區(qū)域綜合能源信息化服務(wù)[21]。

3 基于區(qū)塊鏈的電力資源管理平臺(tái)建設(shè)方案

3.1 區(qū)塊鏈應(yīng)用于電力系統(tǒng)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

當(dāng)前中國電力行業(yè)正朝著智能電網(wǎng)方向發(fā)展，分布式電力逐漸成為電力存儲(chǔ)和交易的主要方式，各類分布式電源、儲(chǔ)能設(shè)備、可控負(fù)荷、電動(dòng)汽車等分布式能源投入應(yīng)用。此外，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的概念被大眾熟知，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)將電力用戶及其設(shè)備、電網(wǎng)企業(yè)及其設(shè)備、發(fā)電企業(yè)及其設(shè)備、供應(yīng)商及其設(shè)備、電力客戶及其設(shè)備以及人和物連接起來，產(chǎn)生共享數(shù)據(jù)，為用戶、電網(wǎng)、發(fā)電、供應(yīng)商和政府社會(huì)服務(wù)；以電網(wǎng)為樞紐，發(fā)揮平臺(tái)和共享作用，為全行業(yè)和更多市場(chǎng)主體發(fā)展創(chuàng)造更大機(jī)遇，提供價(jià)值服務(wù)。在此背景下，綜合能源服務(wù)應(yīng)運(yùn)而生，對(duì)電力資源管理系統(tǒng)的改革與創(chuàng)新提出要求。

3.1.1 機(jī)遇

作為去中心化的分布式數(shù)據(jù)庫，區(qū)塊鏈技術(shù)在電網(wǎng)中有著點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易、數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)安全、數(shù)據(jù)存證與不可篡改等天然的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

3.1.1.1 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的可信交易

由于區(qū)塊鏈中實(shí)現(xiàn)交易不需要第三方，可以不需要電力部門來參與就實(shí)現(xiàn)交易，這能夠有效提高消費(fèi)者的積極性。此外，當(dāng)前電力系統(tǒng)中的電價(jià)都是由電力公司提出方案，然后由政府相關(guān)部門來進(jìn)行核準(zhǔn)的，定價(jià)雖然已經(jīng)處于合理的價(jià)格范圍，但采用區(qū)塊鏈能實(shí)現(xiàn)電力資源交往，用戶與消費(fèi)者間可以通過區(qū)塊鏈中的等價(jià)交易虛擬貨幣實(shí)現(xiàn)交易，既能夠保證電力資源不浪費(fèi)，又能在一定程度上確保消費(fèi)者使用電力資源的費(fèi)用進(jìn)一步降低。

3.1.1.2 去中心化管理

傳統(tǒng)能源運(yùn)營模式采用中心化管理，不能簡(jiǎn)單將其套用于分布式能源交易。區(qū)塊鏈技術(shù)具有可追溯性、交易公開、數(shù)據(jù)透明的優(yōu)勢(shì)，其分散化特性與分布式能源無中心特點(diǎn)相適應(yīng)，適用于分布式能源交易，但需適配新的管理手段，需要提出一種基于區(qū)塊鏈的管理平臺(tái)方案。

大量高頻、小額交易將導(dǎo)致交易中心運(yùn)行成本提高、效率低下、決策緩慢。集中式交易中心需要保證交易系統(tǒng)的公平、透明、隱私，以及解決大量糾紛帶來的人力成本。集中式交易中心需要解決網(wǎng)絡(luò)所帶來的信息安全問題，一旦系統(tǒng)被黑客入侵將帶來巨大的損失，包括電力市場(chǎng)停擺和用戶隱私泄露等問題。

3.1.1.3 構(gòu)建價(jià)值能源網(wǎng)絡(luò)

建設(shè)基于區(qū)塊鏈的電力資源管理平臺(tái)，有利于提高交易和數(shù)據(jù)的安全可靠性，降低成本，吸引新型能源主體加入市場(chǎng)，豐富售電方案，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易，整合電力市場(chǎng)資源，構(gòu)建可信任的價(jià)值能源網(wǎng)絡(luò)，打造電力資源的綜合服務(wù)，進(jìn)一步提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

3.1.2 挑戰(zhàn)

3.1.2.1 效率與安全性的挑戰(zhàn)

區(qū)塊鏈的計(jì)算能力和響應(yīng)速度有限，電力管理與交易系統(tǒng)的用戶群體龐大，系統(tǒng)規(guī)模將隨著系統(tǒng)的推行逐漸增大，導(dǎo)致交易吞吐量低，交易速度受限。電力安全關(guān)系社會(huì)穩(wěn)定，安全和效率缺一不可。如何在保證安全的基礎(chǔ)上提高效率成為區(qū)塊鏈在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的重要問題。

3.1.2.2 管理運(yùn)營模式的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)能源運(yùn)營模式采用中心化管理，不能簡(jiǎn)單將其套用于分布式能源交易。區(qū)塊鏈技術(shù)具有可追溯性、交易公開、數(shù)據(jù)透明的優(yōu)勢(shì)，其分散化特性與分布式能源無中心特點(diǎn)相適應(yīng)，適用于分布式能源交易，但需適配新的管理手段，因此提出一種基于區(qū)塊鏈的管理平臺(tái)方案。

3.2 基于區(qū)塊鏈的電力資源管理方案

本文將區(qū)塊鏈技術(shù)的特點(diǎn)與電力資源管理相結(jié)合，提供基于區(qū)塊鏈的電子資源管理方案。推動(dòng)區(qū)塊鏈應(yīng)用于配電網(wǎng)絡(luò)的分布式電能交易環(huán)節(jié)，對(duì)于未來智能電網(wǎng)的建設(shè)、局域電力市場(chǎng)的可靠構(gòu)建以及可再生能源的消納利用都具有重大意義。

本文根據(jù)區(qū)塊鏈和電力資源管理的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于區(qū)塊鏈的電力資源管理平臺(tái)。

3.2.1 底層平臺(tái)ChainSQL

對(duì)區(qū)塊鏈底層技術(shù)與智能合約進(jìn)行研究，分析區(qū)塊鏈的核心技術(shù)如何在電力管理中進(jìn)行應(yīng)用，根據(jù)電力資源管理的需求和不同區(qū)塊鏈平臺(tái)的特點(diǎn)，以基于區(qū)塊鏈的分布式數(shù)據(jù)庫ChainSQL為底層平臺(tái)，結(jié)合沙盤保證數(shù)據(jù)安全。

ChainSQL區(qū)塊鏈平臺(tái)綜合了區(qū)塊鏈技術(shù)和傳統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫的特性，對(duì)數(shù)據(jù)表的所有操作以日志的形式記錄在區(qū)塊鏈上，提供不可篡改且能在任何時(shí)間點(diǎn)恢復(fù)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)。ChainSQL平臺(tái)將數(shù)據(jù)庫表的操作以交易的方式在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上達(dá)成共識(shí)，然后存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)和本地?cái)?shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)多個(gè)數(shù)據(jù)中心同時(shí)提供服務(wù)功能，廣泛應(yīng)用于金融、政務(wù)、公安等行業(yè)領(lǐng)域，為行業(yè)用戶提供可靠、穩(wěn)定、安全的區(qū)塊鏈底層平臺(tái)。

結(jié)合ChainSQL和沙盤，采用先進(jìn)的分布式存儲(chǔ)體系，形成針對(duì)大體量電力交易數(shù)據(jù)的安全管理。

ChainSQL區(qū)塊鏈層基于RPCA共識(shí)算法。RPCA共識(shí)算法使用了一種子網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部互相信任機(jī)制，由這些內(nèi)部信任的子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成大的網(wǎng)絡(luò)方案。這里的子網(wǎng)絡(luò)的信任成本非常低，可以被進(jìn)一步降低為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)于子網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部其他節(jié)點(diǎn)的原子性選擇。另外，為了維護(hù)全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的一致性，子網(wǎng)絡(luò)之間需要的連接度不能小于一個(gè)閾值。RPCA共識(shí)算法目前被瑞波（Ripple）區(qū)塊鏈所采用。

3.2.2 中心化和去中心化結(jié)合的管理模式

通過設(shè)計(jì)中心化和去中心化相結(jié)合的管理模式，解決區(qū)塊鏈引入電力資源平臺(tái)帶來的管理模式問題。針對(duì)電力資源管理中的問題，結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)基于智能合約的電力管理模型，以去中心化的方式進(jìn)行電力定價(jià)和交易，設(shè)計(jì)雙向拍賣機(jī)制作為合約中的定價(jià)方法，由中心化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)一定的規(guī)則驗(yàn)證其合理性，使報(bào)價(jià)合理的產(chǎn)消者可以快速達(dá)成交易，進(jìn)行余額和電量的轉(zhuǎn)移。此外，中心化機(jī)構(gòu)需要對(duì)電力交易進(jìn)行監(jiān)管和調(diào)控。

3.3 平臺(tái)組成

電力系統(tǒng)的概念比較廣泛，包含虛擬電廠、分布式能源交易、泛在電力物聯(lián)網(wǎng)等電力和能源管理系統(tǒng)，需要一個(gè)能實(shí)現(xiàn)資源調(diào)度、交易管理、科技創(chuàng)新的綜合電力資源管理平臺(tái)，如圖1所示。

圖1 區(qū)塊鏈電力資源管理平臺(tái)組成

區(qū)塊鏈電力資源管理平臺(tái)面向電力運(yùn)行中的各類系統(tǒng)提供安全、可靠的區(qū)塊鏈服務(wù)，尤其是分布式能源交易，幫助電力企業(yè)降低區(qū)塊鏈應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)難度。將鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，對(duì)上鏈數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠加密及權(quán)限控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的綜合治理，提升數(shù)據(jù)資源的真實(shí)性。

平臺(tái)不僅提供自助式智能合約體系，方便外部系統(tǒng)根據(jù)自身業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)、編寫、運(yùn)行、變更智能合約，而且提供完善的運(yùn)維監(jiān)控服務(wù)方案，讓使用者及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)服務(wù)器狀態(tài)、申請(qǐng)數(shù)量、節(jié)點(diǎn)狀況、區(qū)塊高度等進(jìn)行管理。

區(qū)塊是區(qū)塊鏈的核心單元，每個(gè)區(qū)塊都包含兩個(gè)部分：區(qū)塊頭和區(qū)塊體。區(qū)塊頭包含版本號(hào)、上一區(qū)塊的hash地址、時(shí)間戳、Merkle根等信息，確保了區(qū)塊鏈中交易數(shù)據(jù)時(shí)空上的唯一性和不可篡改性。區(qū)塊體主要記錄該區(qū)塊存儲(chǔ)的交易數(shù)據(jù)。在電力資源管理系統(tǒng)中，不同子系統(tǒng)記錄的信息有所區(qū)別，例如，能源交易子系統(tǒng)中的區(qū)塊體記錄交易記錄號(hào)、用電單元ID、發(fā)電單元ID、交易電量、交易金額等信息，如圖2所示。

3.4 系統(tǒng)架構(gòu)

基于區(qū)塊鏈的電力資源管理平臺(tái)方案由基礎(chǔ)設(shè)施層、區(qū)塊鏈層、業(yè)務(wù)服務(wù)層、應(yīng)用層組成，如圖3所示。其中基礎(chǔ)服務(wù)層是架構(gòu)的底層基礎(chǔ)，區(qū)塊鏈層提供區(qū)塊鏈服務(wù)，業(yè)務(wù)服務(wù)層可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯的功能模塊，應(yīng)用層面向發(fā)電廠、電力公司、分布式能源生產(chǎn)者、消費(fèi)者等各個(gè)交易主體，實(shí)現(xiàn)虛擬電廠、能源交易、補(bǔ)貼稽核、并網(wǎng)簽約、泛在電力物聯(lián)網(wǎng)等各個(gè)電力子系統(tǒng)。

圖2 區(qū)塊鏈電力資源交易中的區(qū)塊結(jié)構(gòu)

圖3 基于區(qū)塊鏈的電力資源管理平臺(tái)架構(gòu)

電力資源管理平臺(tái)的參與主體包括發(fā)電廠、電力公司、分布式能源生產(chǎn)者、消費(fèi)者、稽核部門等。應(yīng)用層為各參與主體發(fā)起和完成電力資源管理和交易等任務(wù)提供操作界面。業(yè)務(wù)服務(wù)層包含資源管理、可信交易、可信身份認(rèn)證、訂單管理、電量管控和電力輔助服務(wù)等服務(wù)，是支撐應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的功能模塊。

區(qū)塊鏈層包括智能合約、激勵(lì)機(jī)制和共識(shí)算法，主要實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈相關(guān)功能模塊，實(shí)現(xiàn)弱中心化管理。由于電網(wǎng)規(guī)模大、用戶多的特性，應(yīng)建立高效的共識(shí)機(jī)制和設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)募?lì)機(jī)制。系統(tǒng)參與主體通過協(xié)商，達(dá)成交易意向，并形成智能合約，合約在P2P網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行廣播，抵達(dá)各個(gè)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)去中心化交易。在達(dá)到特定條件的情況下，智能合約自動(dòng)執(zhí)行，提高交易效率。此外，能源是一種特殊的商品，在電力系統(tǒng)中應(yīng)當(dāng)實(shí)行弱中心化管理的方法。在交易的過程中需要中心化機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)度和監(jiān)管，確保電網(wǎng)安全運(yùn)行；當(dāng)出現(xiàn)交易糾紛等情況時(shí)，需要中心化機(jī)構(gòu)的參與，依據(jù)區(qū)塊鏈上的交易記錄和相關(guān)規(guī)章制度進(jìn)行協(xié)調(diào)。電力資源管理平臺(tái)通過區(qū)塊鏈層實(shí)現(xiàn)弱中心化管理。

基礎(chǔ)設(shè)施層是電力管理平臺(tái)架構(gòu)的底層基礎(chǔ)，由存儲(chǔ)設(shè)備和組網(wǎng)機(jī)制組成。在基于區(qū)塊鏈的平臺(tái)中，存儲(chǔ)設(shè)備是指各個(gè)分布式節(jié)點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)地位平等，以扁平式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)交互，組成P2P網(wǎng)絡(luò)，對(duì)等地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯。各個(gè)節(jié)點(diǎn)均承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)路由、驗(yàn)證數(shù)據(jù)、傳播區(qū)塊數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)新節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與記錄等功能，節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)自身情況加入或退出網(wǎng)絡(luò)。

3.5 業(yè)務(wù)管理

以能源交易子系統(tǒng)為例，在電力資源管理平臺(tái)上創(chuàng)建完整區(qū)塊鏈應(yīng)用的流程如圖4所示。

圖4 平臺(tái)創(chuàng)建區(qū)塊鏈應(yīng)用流程

設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)。需設(shè)計(jì)聯(lián)盟鏈參與成員及權(quán)限，平臺(tái)支持可插拔的區(qū)塊鏈底層環(huán)境，可根據(jù)業(yè)務(wù)需求選擇PBFT、Kafka等共識(shí)算法。

創(chuàng)建區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)需求創(chuàng)建區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，平臺(tái)通過基礎(chǔ)服務(wù)層對(duì)節(jié)點(diǎn)資源進(jìn)行管理，可結(jié)合云計(jì)算技術(shù)對(duì)物理服務(wù)器進(jìn)行管理。平臺(tái)硬件資源主要由運(yùn)行Linux的服務(wù)器構(gòu)成，在創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)時(shí)會(huì)將所需組件通過SSH傳輸?shù)礁鱾€(gè)節(jié)點(diǎn)上并通過自動(dòng)化腳本完成部署、啟動(dòng)。

編寫、發(fā)布智能合約。平臺(tái)支持以Java、Golang、NodeJs等多種主流開發(fā)語言編寫的智能合約，并提供界面化的發(fā)布、升級(jí)功能，并可根據(jù)業(yè)務(wù)需求限定智能合約的使用權(quán)限，保護(hù)隱私數(shù)據(jù)。智能合約開發(fā)過程要求參與者共同認(rèn)可的交易方式被寫入其中，應(yīng)具有交易各方身份識(shí)別號(hào)、電能額度、實(shí)時(shí)單價(jià)、交易時(shí)間、違約金額等屬性。

開發(fā)、對(duì)接業(yè)務(wù)系統(tǒng)。業(yè)務(wù)系統(tǒng)根據(jù)面向的用戶不同可靈活設(shè)計(jì)，調(diào)用區(qū)塊鏈需按照平臺(tái)以restful規(guī)則設(shè)計(jì)的調(diào)用規(guī)則開發(fā)調(diào)用接口。在交易中，交易雙方通過業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行操作，后臺(tái)向智能合約發(fā)送請(qǐng)求，并對(duì)合約以私鑰的形式進(jìn)行簽名。交易合約完成后，向區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳播，并由TLS加密技術(shù)保證內(nèi)容的安全；節(jié)點(diǎn)將一段時(shí)間內(nèi)收到的合約打包成區(qū)塊，并繼續(xù)向全網(wǎng)廣播，在各節(jié)點(diǎn)達(dá)成共識(shí)之后，獲得記賬權(quán)的節(jié)點(diǎn)將記錄有交易合約的區(qū)塊放進(jìn)區(qū)塊鏈存儲(chǔ)，并開始下一輪的區(qū)塊接收、傳播和確認(rèn)。在交易中，中心化機(jī)構(gòu)承擔(dān)調(diào)度和監(jiān)管的職責(zé)。

維護(hù)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。平臺(tái)提供靈活的成員管理手段，可通過許可證書的形式管理新成員的加入，并限制其權(quán)限。同時(shí)，平臺(tái)提供界面化的區(qū)塊鏈監(jiān)控手段，可及時(shí)預(yù)警異常。

4 系統(tǒng)評(píng)估

采用中心化的能源運(yùn)營模式存在因不同系統(tǒng)互相獨(dú)立而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)壁壘問題，因中心化數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)可信度低等問題。

建立基于區(qū)塊鏈的電力資源管理平臺(tái)，不僅實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存證和共享，提供發(fā)生爭(zhēng)議時(shí)的有效證據(jù)，還解決了P2P網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生交易時(shí)的互相信任問題。

在傳統(tǒng)的中心化系統(tǒng)中，陌生人之間開展交易的信任基礎(chǔ)通常由中介等第三方機(jī)構(gòu)來提供。而在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，通過分布式存儲(chǔ)的方式，各區(qū)塊共同持有賬本，各個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有完整數(shù)據(jù)的備份，可以有效防止數(shù)據(jù)篡改和數(shù)據(jù)丟失等現(xiàn)象的發(fā)生。

時(shí)間戳確保數(shù)據(jù)記錄在時(shí)間上的真實(shí)性，后一個(gè)區(qū)塊保存前一個(gè)區(qū)塊內(nèi)容哈希值的設(shè)計(jì)方式，保證數(shù)據(jù)無法被篡改，從而從技術(shù)角度建立交易各方之間的信任機(jī)制。區(qū)塊鏈模式較傳統(tǒng)模式的優(yōu)勢(shì)如表1所示。

表1 區(qū)塊鏈模式較傳統(tǒng)模式的優(yōu)勢(shì)

區(qū)塊鏈模式傳統(tǒng)模式 交易可靠性高，不需要第三方背書低，需要第三方背書 資源消耗低高 交易成本低高 數(shù)據(jù)透明度分布式存儲(chǔ)，對(duì)賬方便中心化數(shù)據(jù)庫，對(duì)賬困難 數(shù)據(jù)安全難以篡改，可用副本恢復(fù)易篡改，難以恢復(fù)

在開發(fā)區(qū)塊鏈應(yīng)用方面，不使用平臺(tái)的模式下搭建完整的區(qū)塊鏈應(yīng)用需開發(fā)區(qū)塊鏈層、業(yè)務(wù)服務(wù)層、應(yīng)用層等各個(gè)模塊的代碼；而文中提出的平臺(tái)方案已將常用的代碼事先寫好，模塊化成常用功能，開發(fā)者只需專注于應(yīng)用層智能合約的開發(fā)即可。

此外，平臺(tái)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在便于部署、運(yùn)行和監(jiān)控區(qū)塊鏈環(huán)境。

平臺(tái)模式較普通節(jié)點(diǎn)模式的優(yōu)勢(shì)如表2所示。

表2 平臺(tái)模式較普通節(jié)點(diǎn)模式的優(yōu)勢(shì)

使用平臺(tái)普通節(jié)點(diǎn)模式 開發(fā)技術(shù)難度低，不需了解區(qū)塊鏈底層技術(shù)，直接開發(fā)業(yè)務(wù)高，需要先熟悉區(qū)塊鏈技術(shù)，再開發(fā)業(yè)務(wù) 部署難度低，通過平臺(tái)統(tǒng)一部署高，需要在每一臺(tái)服務(wù)器上人工部署 監(jiān)控難度低，通過圖形化頁面查看高，需從服務(wù)器上取日志分析 拓展性高，新增成員節(jié)點(diǎn)、新增業(yè)務(wù)智能合約簡(jiǎn)單低，新增成員困難，新增智能合約困難

本文設(shè)計(jì)了基于區(qū)塊鏈的電力資源管理平臺(tái)，并對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，模擬區(qū)塊鏈電力交易，得到的結(jié)果如表3所示，平臺(tái)性能指標(biāo)較優(yōu)。

為了對(duì)比系統(tǒng)的效率，將本文設(shè)計(jì)的平臺(tái)與現(xiàn)有平臺(tái)進(jìn)行比較。現(xiàn)有平臺(tái)的交易市場(chǎng)來自2018年來自電子科技大學(xué)的碩士論文《基于區(qū)塊鏈的電能交易平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》中平臺(tái)的測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)比結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出，本文測(cè)試數(shù)據(jù)交易速度短于該現(xiàn)有平臺(tái)交易時(shí)長。

表3 平臺(tái)測(cè)試數(shù)據(jù)

指標(biāo)參數(shù) TPS>1 000 區(qū)塊生成時(shí)間2～8 s 容忍的無效節(jié)點(diǎn)數(shù)（總節(jié)點(diǎn)數(shù)／2）－1 系統(tǒng)可用度>99.99%

表4 平臺(tái)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

交易描述現(xiàn)有平臺(tái)交易時(shí)長/s本文平臺(tái)交易時(shí)長/s交易結(jié)果 賬戶a充值500元155正常 賬戶a充值200元165正常 賬戶b充值800元156正常 賬戶b向賬戶a購買200度電187正常 賬戶b向賬戶a購買100度電186正常 賬戶a向賬戶b購買50度電165正常 賬戶a向賬戶b購買100度電186正常

5 結(jié)語

本文提出基于區(qū)塊鏈的電力資源管理平臺(tái)，為虛擬電廠、分布式能源交易提供去中心化、公開透明、安全可信的運(yùn)行方式；為新能源汽車的補(bǔ)貼稽核、光伏并網(wǎng)簽約、凡在電力物聯(lián)網(wǎng)提供身份認(rèn)證；構(gòu)建網(wǎng)頁防篡改系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存證、安全存儲(chǔ)和智能恢復(fù)。

對(duì)比表明，通過文中構(gòu)建的基于區(qū)塊鏈的電力資源管理平臺(tái)對(duì)現(xiàn)有能源運(yùn)營模式進(jìn)行優(yōu)化，在交易可靠性、資源消耗、交易成本、數(shù)據(jù)透明度、數(shù)據(jù)安全方面都存在優(yōu)勢(shì)，相較于普通節(jié)點(diǎn)模式搭建區(qū)塊鏈應(yīng)用，在開發(fā)技術(shù)難度、部署難度、監(jiān)控難度上明顯降低，系統(tǒng)的拓展性和靈活性也體現(xiàn)出了優(yōu)勢(shì)，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。但區(qū)塊鏈技術(shù)本身在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用仍存在一些待解決的問題，例如，目前的區(qū)塊鏈技術(shù)難以處理復(fù)雜的物理邏輯；區(qū)塊鏈技術(shù)的安全性需要關(guān)注，一旦在區(qū)塊鏈上部署了交易的智能合約，如果出現(xiàn)編碼錯(cuò)誤時(shí)，通常很難執(zhí)行回滾或分叉；后續(xù)的區(qū)塊鏈吞吐量增大問題、安全性防護(hù)問題、數(shù)據(jù)處理優(yōu)化問題等還未得到解決等等。區(qū)塊鏈雖在數(shù)學(xué)上具有完備性，但也存在安全問題，未來還需要從工程和管理等層面提升安全性，也需要標(biāo)準(zhǔn)提升可信程度。

區(qū)塊鏈技術(shù)未來將逐步適應(yīng)監(jiān)管政策要求，逐步成為監(jiān)管科技的重要工具。在區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展的早期，進(jìn)行分布式能源交易市場(chǎng)區(qū)塊鏈實(shí)體應(yīng)用白盒測(cè)試還為時(shí)尚早，但研究應(yīng)用落地標(biāo)準(zhǔn)、解決存在問題卻是刻不容緩。

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TM769

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.01.001

2095－6835（2020）01－0001－06

張震宇（1972—），男，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槟茉椿ヂ?lián)網(wǎng)與電力系統(tǒng)自動(dòng)化等。陳剛（1979—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榛趨^(qū)塊鏈技術(shù)的能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等。林勇（1982—），男，本科，中級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榉植际侥茉唇灰着c管控等。王思涵（1992—），男，本科，主要研究方向?yàn)樾畔⒒瘧?yīng)用、區(qū)塊鏈技術(shù)等。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕