馬偉，郭連奎，賀楠，田雨揚(yáng)，盧錦玲，任惠

(1.河北電力交易中心有限公司，石家莊 050011; 2.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引 言

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)概念的提出和電力市場改革的推動，市場參與主體正趨于多元化發(fā)展，逐步邁向“監(jiān)管中間，放開兩端”的新體系。到目前，國內(nèi)電力市場已基本上建立了發(fā)電端的競爭體系。作為售電側(cè)放開的重要一環(huán)，大用戶直購可以有效增強(qiáng)市場活力，促進(jìn)市場競爭，形成多售購電主體競爭的格局。

大用戶直購是指符合一定用電條件的企業(yè)或個體向發(fā)電商直接購電的一種交易形式，這種交易模式是有助于更新電力交易格局，建立新型的買用電市場結(jié)構(gòu)。而目前，國內(nèi)大用戶直購電模式均存在相應(yīng)的中心管理機(jī)構(gòu)。這種存在中心機(jī)構(gòu)的購電模式存在著公平性差、交易維護(hù)成本高、交易信息不對稱等弊端。

區(qū)塊鏈作為一種新技術(shù)，目前在能源交易領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[1]討論了區(qū)塊鏈在微電網(wǎng)交易中的應(yīng)用，建立了區(qū)塊鏈下微電網(wǎng)的售電模型。文獻(xiàn)[2]提出依托區(qū)塊鏈改善電能輔助領(lǐng)域的管理，實(shí)現(xiàn)輔助服務(wù)系統(tǒng)不同主體、系統(tǒng)之間的可信管理。文獻(xiàn)[3]應(yīng)用以太坊智能合約，建立含新能源的配電網(wǎng)交易模型，有力促進(jìn)了配電網(wǎng)中新能源的消納。文獻(xiàn)[4]討論了智能合約在電動汽車充電的應(yīng)用，引入智能合約可以有效提高充電樁的應(yīng)用效率。文獻(xiàn)[5]討論了區(qū)塊鏈在綠色證書交易上的應(yīng)用，結(jié)合實(shí)地項(xiàng)目驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)平臺的完備性。文獻(xiàn)[6]提出將智能合約引入的跨省交易權(quán)的建模中，為解決交易摩擦提供了一種途徑。文獻(xiàn)[7]比較了兩種基于區(qū)塊鏈的阻塞管理方法，改進(jìn)了分布式下安全校核方法。文獻(xiàn)[8]提出基于區(qū)塊鏈的多微網(wǎng)智能交易策略。文獻(xiàn)[9]在光伏微網(wǎng)的應(yīng)用場景下，考慮區(qū)塊鏈對交易效率和交易成本的影響。文獻(xiàn)[10]在區(qū)塊鏈中引入雙鏈模型，結(jié)合智能電能表和智能合約建立能源點(diǎn)對點(diǎn)交易模型。文獻(xiàn)[11]則在安全方面對電力系統(tǒng)引入?yún)^(qū)塊鏈進(jìn)行了分析，通過建立電力系統(tǒng)交易網(wǎng)絡(luò)模擬器，分析了區(qū)塊傳播時間和區(qū)塊大小對安全性的影響。

而針對區(qū)塊鏈在大用戶直購電上的應(yīng)用，已有文獻(xiàn)[12]提出了一種基于區(qū)塊鏈的大用戶直購電框架，從市場準(zhǔn)入到交易結(jié)算介紹了引入?yún)^(qū)塊鏈的可行性。文獻(xiàn)[13]著重研究區(qū)塊鏈在大用戶直購電中弱化中心的實(shí)現(xiàn)方法。文獻(xiàn)[14]分析了大用戶直購中促進(jìn)新能源消納的不同交易模式，但未考慮使用區(qū)塊鏈平臺進(jìn)行交易建模。文章將在介紹區(qū)塊鏈原理的基礎(chǔ)上，分析大用戶直購的典型環(huán)節(jié)和政策，從鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)、綠證交易到智能合約構(gòu)建，提出一種基于跨鏈技術(shù)的大用戶直購系統(tǒng)，結(jié)合實(shí)際仿真模擬具體交易，探索出一種公開透明、高便捷度的新型直購交易體系。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)原理

1.1 區(qū)塊鏈與鏈路類型

區(qū)塊鏈技術(shù)作為一種新型的分部式數(shù)據(jù)庫技術(shù)，自提出以來備受關(guān)注。在區(qū)塊鏈的概念下，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都共享數(shù)據(jù)的存儲，使其成為可信任的安全的系統(tǒng)。

區(qū)塊作為區(qū)塊鏈的基本結(jié)構(gòu)單元，是使用加密算法得到的一系列數(shù)據(jù)塊。其連接模型如圖1所示，其每個塊中包含交易信息、默克爾根、時間戳和前一區(qū)塊的哈希值等基本數(shù)據(jù)。所有區(qū)塊首尾相連成為完整的區(qū)塊鏈，篡改區(qū)塊中的值會使得其之后的所有區(qū)塊也被改變，這種結(jié)構(gòu)從根本上保證了數(shù)據(jù)的安全性。

區(qū)塊鏈根據(jù)其開放程度主要分為三種鏈路，分別為公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈。其中公有鏈?zhǔn)蔷哂型耆ブ行幕攸c(diǎn)的區(qū)塊鏈，其核心特點(diǎn)在于所有節(jié)點(diǎn)具有的權(quán)限平等，典型應(yīng)用為比特幣。私有鏈僅限擁有權(quán)限的節(jié)點(diǎn)參與區(qū)塊的讀寫，系統(tǒng)完全封閉，外部成員無法進(jìn)入。聯(lián)盟鏈作為一種介于私有鏈和公有鏈的第三種鏈，是一種部分去中心化的區(qū)塊鏈。適用場景為多個身份互相已知的組織內(nèi)，內(nèi)部成員擁有記賬的權(quán)限，而外部成員僅能查詢與自身有關(guān)的信息。

而根據(jù)鏈與鏈的關(guān)系又可以分為主鏈和側(cè)鏈。主鏈側(cè)鏈可以依靠跨鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息交換和資產(chǎn)互通。側(cè)鏈可以提高交易速度。側(cè)鏈的出現(xiàn)使得主鏈可以把部分交易轉(zhuǎn)移到側(cè)鏈上，在小范圍內(nèi)達(dá)成共識，加快交易速度，降低交易成本，提升交易效率。

圖1 區(qū)塊基本結(jié)構(gòu)

1.2 區(qū)塊鏈與密碼學(xué)

從區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以看出，區(qū)塊一旦安全性得不到保障，其不可篡改性也將不復(fù)存在。區(qū)塊鏈保障數(shù)據(jù)安全主要采用兩種加密算法：哈希算法和非對稱加密技術(shù)[15]。在區(qū)塊中應(yīng)用哈希算法計(jì)算當(dāng)前區(qū)塊的Hash值，并計(jì)算默克爾樹中每筆交易的Hash值。在轉(zhuǎn)賬交易中應(yīng)用非對稱加密算法，其運(yùn)作原理如圖2所示，每個用戶被分配公鑰和私鑰，用戶寫數(shù)據(jù)時，使用私鑰進(jìn)行數(shù)字簽名，基于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，將簽名和交易內(nèi)容發(fā)送到接受用戶。接受用戶通過對數(shù)字簽名和傳輸內(nèi)容進(jìn)行解密對比摘要內(nèi)容確認(rèn)數(shù)據(jù)。

1.3 共識機(jī)制

共識機(jī)制是區(qū)塊鏈中各個節(jié)點(diǎn)對事務(wù)進(jìn)行確認(rèn)并達(dá)成共識的一種算法。對于區(qū)塊鏈這種分布式的賬本系統(tǒng)，共識機(jī)制可以完成所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)同步，且能保證交易數(shù)據(jù)不被篡改，是各個節(jié)點(diǎn)安全穩(wěn)定運(yùn)行的保障。目前主要的共識機(jī)制主要有POW(Proof of Work，工作量證明)、POS(Proof of Stake，權(quán)益證明)、DPOS(Delegated Proof of Stake，股份授權(quán)證明)、分布一致性算法等。

圖2 區(qū)塊鏈加密原理

1.4 智能合約

智能合約是由尼克·薩博在1994年提出的，并被定義為“執(zhí)行合約條款的計(jì)算機(jī)化交易協(xié)議”，但由于在當(dāng)時缺少可行的執(zhí)行環(huán)境并沒有得到應(yīng)用。而以太坊與比特幣最大的區(qū)別在于智能合約的出現(xiàn)，將區(qū)塊鏈由1.0時代帶入2.0時代。原有的比特幣在提出時就被限制為僅具有貨幣功能，用來支撐智能合約還非常有限，而以太坊的出現(xiàn)將智能合約由理論轉(zhuǎn)為了實(shí)際應(yīng)用。

1.5 區(qū)塊鏈技術(shù)在電能交易中的作用

區(qū)塊鏈共享、可信、可追溯的特點(diǎn)使得其在電力交易等領(lǐng)域具有顯著的優(yōu)勢，基于以太坊的智能合約可以將合同具體內(nèi)容用編程語言的形式表達(dá)，并且可以構(gòu)造一個去中心化的互相信任的環(huán)境，其應(yīng)用于電力市場中的優(yōu)勢在于：

(1)區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N基于共享理念的賬本，可以不受系統(tǒng)壁壘的限制進(jìn)行分享數(shù)據(jù)，降低溝通成本，提交數(shù)據(jù)交換效率；

(2)區(qū)塊鏈在實(shí)現(xiàn)交易時，基于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的共識機(jī)制實(shí)際上可以同時實(shí)現(xiàn)清算與結(jié)算，可以有效提高系統(tǒng)效率；

(3)區(qū)塊鏈的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)可以完整記錄每一筆交易，具有可追溯的特點(diǎn)，能夠可靠的登記各種信息，具有高審計(jì)性；

(4)利用基于以太坊的智能合約可以有效將原有的繁瑣、耗時長、交易步驟冗長的清算利用編程語言的方式保存在區(qū)塊鏈上，當(dāng)達(dá)成觸發(fā)條件后自動執(zhí)行。

綜上，在區(qū)塊鏈技術(shù)支撐下建立的去中心化電力交易平臺，既可以有效實(shí)現(xiàn)電力信息的透明公開和時代交互，又可以保障數(shù)據(jù)記錄的準(zhǔn)確性，給電力系統(tǒng)提供公開透明且數(shù)據(jù)可靠的環(huán)境。

2 大用戶直購電模式及鏈路設(shè)計(jì)

2.1 大用戶直購傳統(tǒng)交易模式

傳統(tǒng)的大用戶直購電參與方主要包括大用戶、發(fā)電企業(yè)和交易機(jī)構(gòu)。符合準(zhǔn)入機(jī)制的大用戶和發(fā)電商直接簽訂購電合同。這一方式打破了原有的壟斷格局，可以有效降低企業(yè)的購電成本。這種交易模式按照區(qū)域可以分為省內(nèi)大用戶直購和跨省直購。按照交易方式又可分為集中撮合交易、集中競價交易及集中掛牌交易。交易中心負(fù)責(zé)發(fā)布交易內(nèi)容，參與直購的企業(yè)和發(fā)電商在規(guī)定時間內(nèi)提交交易需求。交易中心按照一定的撮合方法確定交易雙方，調(diào)度中心對匹配后的交易進(jìn)行安全校核及阻塞管理，得到有約束的交易結(jié)果，最終調(diào)度機(jī)構(gòu)按照簽訂的合同進(jìn)行電能輸送。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)直購電模型

近年來，為了應(yīng)對新能源消納問題和減輕“棄風(fēng)棄光”現(xiàn)象，提出了配額制和綠色電力證書政策。對于發(fā)電企業(yè)，其發(fā)出一定量的綠色電能后，變會獲得一定數(shù)量的綠色證書；對于大用戶也是相同道理。交易部門根據(jù)實(shí)際的情況和需要，為交易參與方分配合適的可再生能源配額，并要求雙方利用上交綠色證書的方法來完成配額。而這其中的綠色證書具有商品屬性，可以被自由交易，參與直購的交易主體可以選擇到綠證市場中購買綠色證書來完成配額指標(biāo)。

2.2 大用戶直購電鏈路模型

文章建立的大用戶直購電系統(tǒng)的參與者主要包括交易主體的大用戶和發(fā)電商以及負(fù)責(zé)管理的電網(wǎng)公司三部分。在整個電力系統(tǒng)進(jìn)行電力交易實(shí)現(xiàn)電力和資金流動的同時進(jìn)行節(jié)點(diǎn)信息的交互。為了結(jié)合配額制的背景促進(jìn)直購電模式下的新能源消納，采用主側(cè)鏈兩條鏈的框架結(jié)構(gòu)[16-17]。主鏈負(fù)責(zé)進(jìn)行交易量較大的直購交易，側(cè)鏈負(fù)責(zé)完成綠色證書的交易，兩條鏈的鏈接可以采用雙向錨定技術(shù)完成，系統(tǒng)鏈路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 直購電鏈路模型

對于系統(tǒng)所采用的區(qū)塊鏈類型，由于電能交易涉及到阻塞管理這一環(huán)節(jié)，私有鏈在處理時只能采用回滾或分叉的方式，而公有鏈的公開性會使得系統(tǒng)安全得不到保障。具有部分去中心化的聯(lián)盟鏈參與主體比較固定，且交易系統(tǒng)不會默認(rèn)公開，交易可控性強(qiáng)，最適合大用戶直購這一交易模式。

3 基于區(qū)塊鏈的大用戶直購電架構(gòu)

3.1 基于區(qū)塊鏈的跨鏈綠證管理

從當(dāng)前國內(nèi)已開展的綠證交易來看，交易主要為小范圍、點(diǎn)對點(diǎn)的形式。將綠證交易與區(qū)塊鏈平臺結(jié)合，一方面與實(shí)際應(yīng)用環(huán)境相匹配，另一方面可以提供高透明度的交易體系。建立與直購主鏈相交互的綠證鏈，可以將傳統(tǒng)直購模式與當(dāng)下“雙碳”目標(biāo)契合，促進(jìn)直購交易發(fā)展。

綠證管理系統(tǒng)如圖5所示，火電作為配額制的承擔(dān)者需要向綠色發(fā)電商購買一定的憑證，對于綠色發(fā)電商，出售綠證帶來的效益有助于推動其發(fā)展，同時可以起到環(huán)境改善的效應(yīng)。綠證鏈可以對綠色證書進(jìn)行公開透明的記載，對綠證交易足跡進(jìn)行記錄，同時其鏈上資金又與直購鏈互通，發(fā)電商可以使用跨鏈技術(shù)在兩條鏈上進(jìn)行資金流轉(zhuǎn)。

3.2 智能合約設(shè)計(jì)

基于智能合約的直購電交易流程如圖6所示，交易開始時，參與交易的各方需提交準(zhǔn)入申請，待準(zhǔn)入審核后進(jìn)行雙邊交易匹配階段。交易達(dá)成后，數(shù)據(jù)會被記錄到智能合約中，經(jīng)全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)共識后加入到區(qū)塊中。中心機(jī)構(gòu)會對達(dá)成的交易進(jìn)行安全校核，通過的會直接進(jìn)入?yún)^(qū)塊鏈進(jìn)行交易結(jié)算，不通過的則將進(jìn)行阻塞管理后再次校核直到通過為止。

圖5 綠證交易模型

圖6 交易流程

智能合約的編寫是在Remix的EVM虛擬機(jī)上進(jìn)行的，智能合約在Remix模擬測試成功后，將其部署在本地創(chuàng)建的以太坊測試鏈上，并結(jié)合端口發(fā)布Dapp(Decentralized App，去中心化應(yīng)用)，發(fā)電商和大用戶可以憑自己的賬戶參與合約。雙方的每次交易都會被記錄并根據(jù)共識協(xié)議同步在區(qū)塊互動鏈的所有節(jié)點(diǎn)中。每筆交易都記錄著本次交易雙方賬戶、交易的內(nèi)容等?；诖笥脩糁辟彽闹悄芎霞s按照順序可以分為注冊準(zhǔn)入、交易掛牌、交易結(jié)算幾個步驟。

3.2.1 注冊準(zhǔn)入階段

用戶和發(fā)電商通過調(diào)用注冊函數(shù)(Regis)，將自己錢包內(nèi)的余額轉(zhuǎn)為交易所用的代幣(Token)，設(shè)定代幣與人民幣之間的匯率為1Token等于0.1元，以便確認(rèn)交易的實(shí)際金額，同時，確認(rèn)自己的交易地址與代號。

3.2.2 交易掛牌階段

根據(jù)大用戶交易中的掛牌交易模式，交易雙方需要調(diào)用掛牌函數(shù)(Payment)提交交易需求，登記信息包括；申報(bào)電量，申報(bào)電價。登記結(jié)束后相應(yīng)信息會記錄到區(qū)塊中。在掛牌截止時間前，雙方還可通過交易撤回函數(shù)(Withdraw)撤回該掛單。

3.2.3 交易結(jié)算階段

掛牌時間截止后，智能合約自動計(jì)算各發(fā)電商的折算電價，按照優(yōu)先級將發(fā)電商和大用戶進(jìn)行排序，最終根據(jù)高低匹配原則進(jìn)行撮合交易。交易方調(diào)用查詢函數(shù)(Call)查詢本節(jié)點(diǎn)所匹配到的對象，對匹配結(jié)果有異議者將調(diào)用中止函數(shù)(Break)結(jié)束本輪匹配。交易完成后，買賣雙方根據(jù)合約撮合結(jié)果調(diào)用結(jié)算函數(shù)(Trans)進(jìn)行轉(zhuǎn)賬，轉(zhuǎn)賬完成后開啟下一階段交易。

售購雙方通過匹配矩陣確定每輪交易的個體。其中含m個買家和n個賣家的匹配矩陣可以表示為：

[qij]m×n

(1)

qij=qA,i-qB,j-XB,j-Zij

(2)

XB,j=Tb·Pg

(3)

其中，社會福利折算公式如式(2)～式(3)所示，撮合方法按照折算后的qij按照從大到小依次確定交易雙方。確認(rèn)交易雙方后，在矩陣中移除該行或該列并更新矩陣進(jìn)行下一輪匹配。每輪交易的結(jié)算費(fèi)用確定方法如式(4)～式(6)：

Li=FB,i-0.5Δfij

(4)

Lj=FS,j+0.5Δfij(1-ε)+XB,j

(5)

(6)

式中Li為跨省交易的大用戶結(jié)算價格；Lj為跨省交易發(fā)電商結(jié)算價格；FB,i為大用戶i向區(qū)塊鏈弱中心化節(jié)點(diǎn)提交的購電價格，F(xiàn)S,j為發(fā)電廠商j向區(qū)塊鏈弱中心化節(jié)點(diǎn)提交的售電價格；ε*為省間輸電損耗；S*為省間輸電價格；W為環(huán)保價格及交叉補(bǔ)貼費(fèi)用。

3.3 共識機(jī)制設(shè)計(jì)

由于大用戶直購的特點(diǎn)，各個節(jié)點(diǎn)之間可信度較高，可以不考慮拜占庭容錯問題，因此選擇基于改進(jìn)型的分布式一致性算法作為該系統(tǒng)的共識機(jī)制，各個區(qū)塊的記賬權(quán)可以按共識機(jī)制規(guī)則確定[18]。分布式一致性算法應(yīng)用比較廣泛的有PAXOS和RAFT?？紤]到直購電交易對計(jì)算能力和算法復(fù)雜度有一定的標(biāo)準(zhǔn)和要求，文章提出了一種基于RAFT共識機(jī)制的大用戶直購電共識機(jī)制。

傳統(tǒng)RAFT機(jī)制的節(jié)點(diǎn)選舉流程如圖7所示，核心節(jié)點(diǎn)被分為領(lǐng)導(dǎo)者、跟隨者和候選者[19]。其中領(lǐng)導(dǎo)者節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)處理系統(tǒng)客戶端的服務(wù)請求； 跟隨者節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)被動地接收和回復(fù)領(lǐng)導(dǎo)者節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息；當(dāng)領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)處于故障和停機(jī)狀態(tài)并重新選擇該節(jié)點(diǎn)時，候選節(jié)點(diǎn)為過渡狀態(tài)。系統(tǒng)啟動時，所有節(jié)點(diǎn)都是跟隨者的身份，隨機(jī)產(chǎn)生一個領(lǐng)導(dǎo)者節(jié)點(diǎn)。領(lǐng)導(dǎo)者節(jié)點(diǎn)會周期性的向所有跟隨者發(fā)送響應(yīng)。當(dāng)跟隨者在一定時間內(nèi)未接收到領(lǐng)導(dǎo)者的響應(yīng)，便會發(fā)起選舉。候選者根據(jù)投票決定領(lǐng)導(dǎo)者，選舉失敗的成為跟隨者并等候發(fā)起下次選舉。

圖7 RAFT節(jié)點(diǎn)選舉過程

傳統(tǒng)的基礎(chǔ)RAFT共識機(jī)制具有的問題是在選舉階段需要所有節(jié)點(diǎn)共同參與，所有節(jié)點(diǎn)都可以成為領(lǐng)導(dǎo)者節(jié)點(diǎn)。這種機(jī)制在實(shí)際應(yīng)用中效率會隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)增加而降低，不合適目前正在快速發(fā)展中的大用戶直購電模式?；诖笥脩糁辟忞娊灰啄Ｊ降慕Y(jié)構(gòu)特征，交易中心作為調(diào)度和管理機(jī)構(gòu)，能夠提供穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境及可靠的安全保證，因此考慮將交易中心內(nèi)部節(jié)點(diǎn)作為領(lǐng)導(dǎo)者候選節(jié)點(diǎn)。此方法可以有效減少領(lǐng)導(dǎo)者節(jié)點(diǎn)選舉階段的溝通量,且符合弱中心化的結(jié)構(gòu)思想。改進(jìn)型共識機(jī)制原理如圖8所示，具體過程為：

(1)初始階段(Starts Up)：初始階段將大用戶、發(fā)電商定義為非候選跟隨者節(jié)點(diǎn)，交易中心內(nèi)部節(jié)點(diǎn)定義為候選者節(jié)點(diǎn)；

(2)選舉階段(Election)：當(dāng)領(lǐng)導(dǎo)者節(jié)點(diǎn)任期結(jié)束或跟隨者在指定時間內(nèi)未收到領(lǐng)導(dǎo)者節(jié)點(diǎn)響應(yīng)，開啟一輪選舉。所有跟隨者節(jié)點(diǎn)投票給候選節(jié)點(diǎn)，得票最多的當(dāng)選新的領(lǐng)導(dǎo)者節(jié)點(diǎn)；

(3)客戶端請求階段(Request)：直購電系統(tǒng)收到新的交易請求并發(fā)送給領(lǐng)導(dǎo)者節(jié)點(diǎn)；

(4)交易確認(rèn)階段(Commit)：領(lǐng)導(dǎo)者節(jié)點(diǎn)向跟隨者節(jié)點(diǎn)復(fù)制日志，所有跟隨者節(jié)點(diǎn)即直購交易主體向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)響應(yīng)；

(5)同步完成(Synchronous Completion)：待領(lǐng)導(dǎo)者節(jié)點(diǎn)收到所有交易主體的復(fù)制完成響應(yīng)后，該筆交易隨著日志更新得到確認(rèn)。并反饋信息給客戶端。

圖8 改進(jìn)型RAFT共識機(jī)制

3.4 系統(tǒng)總體架構(gòu)

完整系統(tǒng)架構(gòu)如圖9所示，包含應(yīng)用層、信息層和管理層。

圖9中應(yīng)用層包含直購電交易的客戶端，分布式應(yīng)用以及API接口服務(wù)，為參與系統(tǒng)交易的大用戶、售電商及管理機(jī)構(gòu)提供可拓展且方便靈活的交易渠道。交易主體之間可以通過HTTP(Hyper Text Transfer Protocol，超文本傳輸協(xié)議)訪問節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行節(jié)點(diǎn)通信。信息層存放有智能合約及虛擬節(jié)點(diǎn)，交易雙方通過web3.js庫可以調(diào)用智能合約，交易達(dá)成后通過改進(jìn)式RAFT協(xié)議進(jìn)行節(jié)點(diǎn)共識，并將交易結(jié)果寫入到區(qū)塊中。負(fù)責(zé)綠證交易的側(cè)鏈可以通過雙向錨定的方式與主鏈進(jìn)行交互，兩條鏈各自完成信息驗(yàn)證及區(qū)塊存儲，有效降低風(fēng)險(xiǎn)；管理層主要為交易提供大用戶及發(fā)電商的準(zhǔn)入服務(wù)、交易中心的交易管理服務(wù)、主側(cè)鏈交互的管理。

4 算例測試

4.1 參數(shù)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證所提出的直購交易模式有效性，本章在多臺計(jì)算機(jī)模擬各電力市場交易方，搭建起大用戶直購區(qū)塊鏈，將合約部署到服務(wù)器中，各參與者通過調(diào)用合約實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。此外，在這些計(jì)算機(jī)上又模擬了傳統(tǒng)直購交易，即交易雙方與扮演交易機(jī)構(gòu)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行掛牌交易流程，分析兩種模式下的工作效率與經(jīng)濟(jì)效益。仿真場景如圖10所示。

圖10 仿真場景示意圖

假設(shè)A地區(qū)有4家風(fēng)力發(fā)電企業(yè)W1-W4，4家火力發(fā)電企業(yè)H1-H4。大用戶為B地區(qū)B1-B2，C地區(qū)C和D地區(qū)的D。各省間網(wǎng)損率和輸電價格如表1所示。

4.2 交易過程與結(jié)果分析

為了分析基于區(qū)塊鏈模式下大用戶直購系統(tǒng)的交易優(yōu)勢，文章考慮了有無區(qū)塊鏈參與下兩種交易方案。

方案1：不包含綠色證書交易的傳統(tǒng)大用戶直購模式, 風(fēng)火打捆比例為1:3，匹配按照傳統(tǒng)高低匹配法確認(rèn)。確認(rèn)交易對象后，通過仿真平臺模擬發(fā)起電子合約，由交易中心核對后完成撮合交易，交易資金由交易中心進(jìn)行管理；

方案2：基于區(qū)塊鏈技術(shù)的大用戶直購模式。為研究不同價格的綠證對交易的影響，設(shè)綠色證書價格P分別為300 Token/本、400 Token/本、500 Token/本。按照標(biāo)準(zhǔn)，每生產(chǎn)1 MW綠電會獲得一本證書，每生產(chǎn)1 MW火電需交納0.2本證書。按照圖6所示的流程，當(dāng)大用戶配額指標(biāo)滿足后，綠電商可以將多余綠色能源在綠證市場上出售，以獲取額外收益。各發(fā)電商之間通過綠證鏈的交易，滿足配額需求。

大用戶提交購電掛單如表2所示，掛單表包含四個用戶節(jié)點(diǎn)B1-B2、C、D所申報(bào)的電價與電量，以及各節(jié)點(diǎn)需求的綠電配額。風(fēng)電和火電的售電掛單分別如表3、表4所示，包括申報(bào)電價、申報(bào)電量以及補(bǔ)貼價格。

表1 網(wǎng)損率及輸電費(fèi)用

表2 大用戶報(bào)價

表3 風(fēng)電企業(yè)報(bào)價

表4 火力發(fā)電企業(yè)報(bào)價

兩種方案的交易結(jié)果，如表5所示。由于方案1不考慮綠證交易，綠色能源收益較少，發(fā)電聯(lián)盟總利潤較低。方案2引入綠證價格進(jìn)行市場激勵，既能夠幫助風(fēng)電消納多余電量，壓低競爭成本，又可以為風(fēng)電商帶來額外收益。從各組數(shù)據(jù)來看，當(dāng)綠證價格提高時，市場總體收益也隨之增加，說明綠證市場引入對直購模式起到一定激勵作用。

表5 交易結(jié)果

以上仿真表明，區(qū)塊鏈平臺下的智能合約可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)大用戶基本直購交易，綠色證書管理等功能。實(shí)際仿真可以達(dá)到預(yù)期交易效果，結(jié)果說明了該模式相較于傳統(tǒng)直購模式具有經(jīng)濟(jì)效益、監(jiān)管效率及管理效率提升的作用。

5 結(jié)束語

文章研究了區(qū)塊鏈支持下的大用戶直購電力市場運(yùn)行模型，在傳統(tǒng)共識機(jī)制基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了適用于大用戶直購的共識機(jī)制及市場總體架構(gòu)，對直購電框架內(nèi)電力交易的具體流程進(jìn)行了介紹，并將電力交易區(qū)塊鏈與綠證管理相結(jié)合，通過調(diào)用合約函數(shù)實(shí)現(xiàn)模擬交易，提高了直購交易的公開性和便利性。區(qū)塊鏈這一類分布式存儲與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，可以為直購交易帶來豐富的輔助效益，有利于為直購模式帶來高質(zhì)量發(fā)展的激勵效應(yīng)。

最后，文章在合約功能的設(shè)計(jì)上還有待進(jìn)一步豐富，不同共識機(jī)制下的性能對比也有待研究。期待未來對基于區(qū)塊鏈技術(shù)的直購交易體系做出更深入的研究。