基于區(qū)塊鏈的戶用光伏多邊交易平臺設(shè)計與實現(xiàn)

薛文琦，李培強，王繼飛，穆 亮，高雅潔，孟玲梅

（1.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長沙 410082；2.國網(wǎng)冀北電力有限公司張家口供電公司，張家口 075000）

隨著傳統(tǒng)化石能源急劇枯竭，全球環(huán)境危機不斷加重，可持續(xù)發(fā)展成為當今主題。在具有清潔與可再生特點的新能源中，發(fā)電量最大的是太陽能[1]。光伏發(fā)電能夠有效緩解能源緊缺和環(huán)境污染[2]。在國家的提倡鼓勵[3]下，光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展迅猛[4-6]，但其發(fā)電出力有較強間歇性和波動性[7]，使電力系統(tǒng)受到巨大沖擊[8-9]。

與此同時“大云物移鏈”等新一代通信技術(shù)向各行業(yè)加速滲透[10]，傳統(tǒng)電力行業(yè)與之融合成為趨勢[11]，能源互聯(lián)網(wǎng)已成為轉(zhuǎn)型的重要方向[12]。其中，區(qū)塊鏈技術(shù)[13]作為價值互聯(lián)網(wǎng)新紀元的起點[14]，與能源互聯(lián)網(wǎng)有良好的兼容性，這使其成為推動能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵支撐技術(shù)[15]。

國外區(qū)塊鏈與傳統(tǒng)電力融合已進入應(yīng)用階段[16]，荷蘭的Vattenfall Energy公司推出Power Peers平臺來滿足電力消費者分布式應(yīng)用需求；美國的LO3Eenergy公司也推出了Trans Active Grid項目，建立了全球首個互動式分布式光伏銷售平臺；2018年上線的We Power區(qū)塊鏈發(fā)行了加密貨幣We Power，以便鄰居間將太陽能剩余電力進行交易。但國內(nèi)相關(guān)應(yīng)用還未落地實施。我國配電系統(tǒng)分布式電源滲透率日益提升[17]，光伏用戶群[18-19]隨之壯大，大量產(chǎn)消者產(chǎn)生和接入勢必形成電能的直接自由交易[20]。為鼓勵分布式電源的就地消納，國家能源局與發(fā)改委出臺了《關(guān)于開展分布式發(fā)電市場化交易試點的通知》。實時電力市場平臺是新一代電力系統(tǒng)實現(xiàn)源-網(wǎng)-荷互動平衡的重要途徑和方法[21]，電能共享可有效提高資源利用，加快經(jīng)濟發(fā)展[22]。但建立一個存在中間運營商的管理機制運行成本高、易受攻擊、用戶隱私難以保障[23]。故本文提出采用區(qū)塊鏈技術(shù)建立一種去中心化的信任管理機制，完成戶用光伏電能交易的線上平臺設(shè)計。該平臺具有去中心化、去信任、可溯源數(shù)據(jù)透明、難以修改、資源共享的特點，與“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”發(fā)展計劃中促進清潔能源消納、打造智慧能源綜合服務(wù)平臺的建設(shè)內(nèi)容相呼應(yīng)，也是解決電力物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全問題[24]的有效方案。相關(guān)研究將有力推動電網(wǎng)企業(yè)實現(xiàn)能源數(shù)字化轉(zhuǎn)型[25]和“兩型三網(wǎng)、世界一流”的戰(zhàn)略目標。

1 戶用多邊交易平臺總體框架

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈（blockchain），即共享數(shù)據(jù)庫，是一種基于密碼學(xué)原理的分布式點對點P2P（peer to peer）網(wǎng)絡(luò)共信智能賬本技術(shù)[26]，是集合分布式數(shù)據(jù)存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法等計算機技術(shù)的新型應(yīng)用模式[27]。其框架主要分為5個層面，如圖1所示。

圖1 區(qū)塊鏈基本框架Fig.1 Basic frame of blockchain

區(qū)塊鏈以時間軸遞增的鏈式作為存儲結(jié)構(gòu)，鏈上包含高度密集的區(qū)塊，區(qū)塊由區(qū)塊頭和區(qū)塊體組成如圖2所示。區(qū)塊頭鏈接上一區(qū)塊的哈希值，區(qū)塊體主要包括各節(jié)點之間交易的主體信息，其是以多份拷貝形式存在于P2P網(wǎng)絡(luò)上且只可以在總賬數(shù)據(jù)庫上追加，如圖3所示。

圖2 區(qū)塊結(jié)構(gòu)Fig.2 Block structure

圖3 區(qū)塊鏈示意Fig.3 Schematic of blockchain

起初區(qū)塊鏈是比特幣的底層技術(shù)[15]。區(qū)塊鏈分為3類：公有鏈、聯(lián)盟鏈和私有鏈，三者在開放程度上逐次遞減。目前，從以太網(wǎng)平臺應(yīng)用角度來看，比特幣應(yīng)用屬于區(qū)塊鏈1.0，以太網(wǎng)智能合約設(shè)計屬于區(qū)塊鏈2.0，行業(yè)應(yīng)用（金融、能源、版權(quán)管理等）屬于區(qū)塊鏈3.0[28]。區(qū)塊鏈技術(shù)可以說是“第2代互聯(lián)網(wǎng)”，其體現(xiàn)在4各方面：①在2009年誕生后，推動信息互聯(lián)網(wǎng)進入價值互聯(lián)網(wǎng)；②將人類社會從消費互聯(lián)網(wǎng)帶入產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；③從現(xiàn)有完全透明的公開互聯(lián)網(wǎng)走向加密互聯(lián)網(wǎng)階段；④使互聯(lián)網(wǎng)從中心式走向了分布式。區(qū)塊鏈的核心技術(shù)包括：①非對稱加密算法，即同時生成公開密鑰和專用密鑰，只有對應(yīng)的公鑰和私鑰才可解密信息；②以資產(chǎn)數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，能夠在不同節(jié)點、位置和平臺上共享和交互數(shù)據(jù)，每個節(jié)點都可以擁有完全相同的數(shù)據(jù)副本；③采用智能合約，降低成本的同時，還能防止單方毀約，保障整套系統(tǒng)代碼按規(guī)定運行[29]。因此，在開展分布式能源交易及交易主體信用管理上，區(qū)塊鏈具有先天優(yōu)勢[17]。

1.2 平臺運營模式設(shè)計

1.2.1 平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

該交易平臺基于3類用戶群構(gòu)成，如圖4所示。

圖4 交易平臺用戶群構(gòu)成圖Fig.4 Composition of user groups on the trading platform

為促進戶用光伏的普及和平臺推廣，提高新能源應(yīng)用比例，將其歸為一條特殊的公有鏈。平臺的所有用戶均各自對應(yīng)為一個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，相當于一個備份數(shù)據(jù)庫，擁有系統(tǒng)所有信息，所有數(shù)據(jù)公開透明，資源共享。而且用戶可以通過賬戶地址查看任何節(jié)點的信息，各個節(jié)點之間平等交易，無需擔心資產(chǎn)值被篡改。這些公有鏈特性將有效保障平臺用戶對于交易公平、可靠的信任度。而其特殊性在于電能并非一般商品，為了保證輸配電的統(tǒng)一規(guī)劃和有序運行，電力公司雖然與其他普通節(jié)點一樣無權(quán)干涉系統(tǒng)運行和平臺內(nèi)交易，但是所有用戶在使用該交易平臺前需先網(wǎng)上注冊，由電力公司進行開戶，設(shè)定賬戶類別和分配賬戶地址，然后用戶自行設(shè)置用戶名和密碼。故電力公司存有所有平臺用戶的賬戶地址，可實時查看分析用戶的賬戶情況，便于調(diào)度部門安全、經(jīng)濟、高效的工作，同時也為下一步系統(tǒng)的研究與升級提供有效數(shù)據(jù)。

1.2.2 平臺交易模式設(shè)計

由于光伏發(fā)電會受氣象等因素影響，波動性較大[30]，當產(chǎn)消者的光伏產(chǎn)能大于自身所需時，戶主可以選擇將用戶名和愿出售的電量值掛于平臺，供其他用戶購買。電力公司設(shè)置保證輸配電適當盈利的最低電價，產(chǎn)消者用戶可在常規(guī)電價和最低電價之間自行標定出售價格，根據(jù)情況決定是否適當降價以促進銷售。這樣的運營模式將為能源市場競價提供一種激勵機制，促進設(shè)備安裝的同時，提高新能源應(yīng)用比例。平臺僅掛出用戶名，不公布賬戶地址，保護了用戶的隱私。

交易分為主動交易和觸發(fā)交易兩種。主動交易即用戶發(fā)起的購電行為。觸發(fā)交易的啟動則由電能計量器N和時間M決定，當N或者M其一滿足條件時即觸發(fā)智能合約，執(zhí)行合約內(nèi)容，從而賬戶充入相應(yīng)數(shù)量的資產(chǎn)。整個網(wǎng)絡(luò)共用一個智能合約。

交易過程示意如圖5所示，粗箭頭代表輸配電，虛線和實線單箭頭表示用戶節(jié)點之間的信息交流（購買資產(chǎn)、轉(zhuǎn)移資產(chǎn)）。當賬戶內(nèi)資產(chǎn)消耗至零時，用戶將被停電，此時戶主需要從電力公司或其他產(chǎn)消者處購買電能，才可恢復(fù)供電。

圖5 交易過程示意Fig.5 Schematic of trading process

需要特別說明的是，電力傳輸與賬戶資產(chǎn)轉(zhuǎn)移互不影響、相互隔離，戶用光伏所產(chǎn)電能即時流入電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，受電網(wǎng)企業(yè)管理和調(diào)度。綜合考慮負荷和經(jīng)濟等各項因素后配送傳輸，本文不作詳細研究。電能計量器數(shù)值是持續(xù)累加的，當電能計量器N達到平臺設(shè)定值或其整數(shù)倍時，觸發(fā)合約執(zhí)行。計時器在每次智能合約觸發(fā)的同時清零，循環(huán)計時，當計時器M達到設(shè)定值時也會觸發(fā)合約執(zhí)行。主動交易則僅是賬戶資產(chǎn)轉(zhuǎn)移，當產(chǎn)能過剩時，用戶電費使用不完，等價轉(zhuǎn)讓或低價出售給其他用戶消費，以賺取現(xiàn)金。

1.2.3 平臺交易原理

交易由客戶端發(fā)起，經(jīng)數(shù)字簽名認證。該份交易被發(fā)送到區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的節(jié)點并等待交易信息校驗，確認完成后下一個區(qū)塊會記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，隨后所有節(jié)點使用共識算法對新區(qū)塊進行共識，共識完成后寫入?yún)^(qū)塊鏈，表示所有節(jié)點認同新區(qū)塊。戶用光伏多邊交易平臺的交易原理如圖6所示。

圖6 交易原理解析Fig.6 Analysis of trading principle

交易構(gòu)建過程共有3步校驗程序：①在存入交易池之前，進行數(shù)據(jù)檢驗（nonce是否合法、操作類型校驗參數(shù)和交易池是否已滿？），檢驗成功的數(shù)據(jù)才可以存入交易池；②在執(zhí)行共識之前，需要濾出異常和錯誤交易，共識交易數(shù)太大（32 M）與nonce太大屬于異常情況，而nonce太小屬于錯誤，只有正常才可繼續(xù)執(zhí)行；③在共識過程中將會再次對每筆交易進行校驗。交易構(gòu)建過程將有效保障交易的安全性、穩(wěn)定性、抗攻擊性。

2 平臺程序設(shè)計及實現(xiàn)

該平臺在主流操作系統(tǒng)Ubuntu中建立，程序組成如圖7所示。

圖7 平臺模塊架構(gòu)Fig.7 Architecture ofplatform module

2.1 CA合約用戶賬戶設(shè)計

賬戶分為創(chuàng)世賬戶、電網(wǎng)賬戶和普通用戶賬戶3種。電網(wǎng)賬戶創(chuàng)建用戶賬戶，而電網(wǎng)賬戶由創(chuàng)世賬戶創(chuàng)建。創(chuàng)世賬號即該區(qū)塊鏈平臺的首個賬戶，其信息在config文件中配置，可以通過API接口獲取查看。

在去中心化的區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，所有賬戶均內(nèi)嵌智能合約，每位用戶都是合約用戶。賬戶結(jié)構(gòu)組成如圖8所示。

圖8 賬戶結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure of account

電網(wǎng)與其他用戶的賬號屬性相同。創(chuàng)建用戶賬戶時需指定用戶賬戶權(quán)限，設(shè)置用戶賬戶不具備發(fā)行資產(chǎn)權(quán)限。|tx_threshold|optional，default 0，表示該賬號的最低權(quán)限，轉(zhuǎn)移資產(chǎn)類型為1，設(shè)置threshold小于閾值。電網(wǎng)賬戶創(chuàng)建普通用戶賬戶與創(chuàng)世賬戶創(chuàng)建電網(wǎng)賬戶的步驟相同。修改源地址及設(shè)置所創(chuàng)建的用戶賬戶權(quán)限。類型為2的交易為發(fā)行資產(chǎn)，threshold小于tx_threshold沒有執(zhí)行權(quán)限。

每個賬戶都被分配了1個賬戶地址，任一節(jié)點均可通過Account地址查看到該地址節(jié)點的交易信息。信息由4部分組成，包括地址前綴（1 byte）；加密類型（1 byte）；摘要算法（SHA-256）獲取公鑰hash除去前12位得到的值；再次hash得到新的hase；加Crc8或者Crc16對新的hash得到的校驗碼（1 byte）。注冊時使用者經(jīng)實名認證，賬戶名和密碼由戶主設(shè)置。

2.2 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

對于該多邊交易平臺中電力公司和所有用戶，不論是否安裝了光伏發(fā)電設(shè)備，均同為資源、服務(wù)和內(nèi)容的提供者和獲取者，共享所擁有的部分硬件資源。系統(tǒng)采用P2P作為運行依賴的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使共能被其他對等節(jié)點直接訪問。整個網(wǎng)絡(luò)不依賴專用的集中服務(wù)器，也沒有專用的工作站。節(jié)點通信網(wǎng)絡(luò)的原理如圖9所示。

圖9 P2P模塊原理Fig.9 Principle for P2P module

P2P是對分布式概念的成功拓展，其將傳統(tǒng)方式下的服務(wù)器負擔分配到網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點上，每個節(jié)點都將承擔有限的存儲與計算任務(wù)，加入到網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點越多，節(jié)點貢獻的資源也就越多，其服務(wù)質(zhì)量也就越高。P2P程序流程如圖10所示。

圖10 網(wǎng)絡(luò)模塊程序流程Fig.10 Flow chart of network module program

2.3 數(shù)據(jù)存儲模塊

數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)存儲主要基于Merkle樹，通過區(qū)塊的方式和鏈式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，大多數(shù)情況以KV（keyvalue）數(shù)據(jù)庫的方式實現(xiàn)持久化。賬號數(shù)據(jù)存儲于account.db；存儲共識數(shù)據(jù)存儲于keyvalue.db；區(qū)塊數(shù)據(jù)存儲于ledger.db。其數(shù)據(jù)存儲原理如圖11所示。

圖11 數(shù)據(jù)存儲原理Fig.11 Principle for data storage

Merkle Hash Tree即哈希樹或校驗樹。葉子節(jié)點為每個數(shù)據(jù)塊的hash值，父節(jié)點為葉子節(jié)點hash值串聯(lián)在hash得到。

2.4 智能合約

智能合約是用戶發(fā)起交易或者電能計量器達到設(shè)定值時觸發(fā)運行的一段代碼，其采用Javascript v8引擎實現(xiàn)，其執(zhí)行依賴于轉(zhuǎn)移資產(chǎn)操作，轉(zhuǎn)移資產(chǎn)流程如圖12所示。

圖12 轉(zhuǎn)移資產(chǎn)流程Fig.12 Flow chart of transfer assett

智能合約內(nèi)容如下：

2.5 加密機制

加密具有維護網(wǎng)絡(luò)安全、切實抵抗黑客攻擊的功能。每個賬戶發(fā)起一筆交易成功，則nonce的值加1。nonce可以防黑客攻擊和交易偽造。一個交易需經(jīng)過多重驗證，以及區(qū)塊鏈中2/3節(jié)點的認可才能生效。底層數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)為16叉Merkle樹，并且添加深度前綴，增強了加密力度。系統(tǒng)主要用到的加密算法如圖13所示。

圖13 加密模塊組成Fig.13 Composition of encryption module

2.6 共識算法

區(qū)塊鏈安全一部分基于加密算法，另一部分基于記賬式的共識。常用的共識算法有拜占庭共識PBFT（practical byzantine fault tolerance）算法、PoW（工作量證明機制）和PoS（權(quán)益證明機制）。本系統(tǒng)采用PBFT算法，共識的最大容錯率為33%。

PBFT算法具有絕對一致性，是一種狀態(tài)機副本復(fù)制算法，即服務(wù)作為狀態(tài)機進行建模，狀態(tài)機在分布式系統(tǒng)的不同節(jié)點進行副本復(fù)制。每個狀態(tài)機的副本都保存了服務(wù)的狀態(tài)，同時也實現(xiàn)了服務(wù)的操作，每個節(jié)點上的數(shù)據(jù)絕對一致，當有節(jié)點數(shù)據(jù)與其他節(jié)點數(shù)據(jù)不一致時，可通過PBFT算法使節(jié)點數(shù)據(jù)進行同步。而PoW和PoS都不是強一致性共識算法，且共識效率低。若要提高共識效率，則又會犧牲共識協(xié)議的安全性。PoS應(yīng)用于挖礦，簡單來說就是資本主義，按錢分配，包括DPoS在內(nèi)均存在“富豪統(tǒng)治”問題。而PoW機制的弊端在于：一是浪費大量的算力，只用來競爭挖礦權(quán)，并沒有更多實際或科學(xué)價值；二是類似于RAFT共識，當記賬節(jié)點為作惡節(jié)點時系統(tǒng)將檢測不出。故該系統(tǒng)選擇PBFT算法。

2.7 日志與配置模塊

圖14為日志與配置模塊構(gòu)成，配置文件分為6個部分貫穿整個系統(tǒng)，輸出對應(yīng)等級的日志信息。

圖14 日志與配置模塊構(gòu)成Fig.14 Composition of log and configuration module

3 Linux布比區(qū)塊鏈平臺的交易流程實現(xiàn)

電能交易是該區(qū)塊鏈平臺的主要部分與中心環(huán)節(jié)。每筆交易的上鏈在底層中包含3個步驟：創(chuàng)建交易、交易簽名和提交交易。圖15為平臺初始化流程。

圖15 平臺初始化流程Fig.15 Flow chart of platform initialization

電力公司接收火電廠、風電場、戶用光伏所發(fā)電能為其賬戶總資產(chǎn)，其資產(chǎn)量隨實際擁有電量值變化。

為了簡化實驗過程，在本實驗中僅啟動A、B、C、D、E、F、薛**、李**和電力公司9個節(jié)點。假設(shè)電網(wǎng)總電量保持為10 GW·h。各用戶在未購電或產(chǎn)電時電能資產(chǎn)為0。電能計量器N設(shè)為10的整數(shù)倍，計時器M為10 min。假設(shè)此時天氣為晴天，時間為12：00，A、B、C用戶每分鐘每戶光伏發(fā)電為1 kW·h，而李**、D、E、F因位置等原因每分鐘每戶發(fā)電0.35 kW·h。故電力公司初始界面顯示如圖16所示。灰色用戶名為產(chǎn)消者，黑色為普通消費者用戶。界面左上角由字母和數(shù)字組成的代碼a0020a52c701ebf5b7170 291b89cf0624b0c6c5681e659，即電力公司Account地址。

圖16 12：00電網(wǎng)賬戶界面Fig.16 Grid account’s interface at 12：00

隨著時間推移，戶用光伏持續(xù)產(chǎn)能。15：45時電力公司界面顯示如圖17所示。此時Account地址為a0029a42e5518bea59c200dab073bda4670b617 351cb55的李**查看賬戶余額后，認為77 kW·h不夠用。圖18為15：45時產(chǎn)消者李**界面。單擊“選擇賣方”按鈕，瀏覽平臺，確定意向賣家后，輸入小于賣方售電量的數(shù)值，購買支付即可。由于A最便宜，故選擇從A處購買200 kW·h。

圖17 15：45電網(wǎng)賬戶界面Fig.17 Grid account’s interface at 15：45

圖18 15：45時產(chǎn)消者李**界面Fig.18 Producer-consumer Li’s interface at 15：45

李**賬號成功充值200 kW·h。此時，哈希值為b0017d9c341ba14d0bb18518721c332c4ec1938b87 661af8cab4c0a172075e7a04b36b，公鑰為6eef7e43a 012e27ed3fd94fa87e851678b30fa0ea168ebd54432fb9 71a75a666。李**賬戶轉(zhuǎn)入資產(chǎn)200 kW·h，且成功上鏈。由于在該筆交易之前，光伏產(chǎn)能觸發(fā)交易22次，nonce為23。

在5 min后，由于薛**的賬戶資產(chǎn)為0，已被停電。故登錄賬戶，決定從電力公司購電1 000 kW·h，15：50時消費者薛**界面如圖19所示。此時，由于用戶A已經(jīng)售電200 kW·h，故平臺更新賣方列表清單，用戶A僅有10 kW·h可出售電量。電網(wǎng)賬戶界面如圖20所示。此時電網(wǎng)賬戶的資產(chǎn)余額為9 999 000 kW·h。

圖19 15：50時消費者薛**界面Fig.19 Consumer Xue’s interface at 15：50

圖20 15：50電網(wǎng)賬戶界面圖Fig.20 Grid account’s interface at 15：50

4 結(jié)論

本文采用區(qū)塊鏈技術(shù)搭建了光伏型電源安裝于用戶側(cè)的多邊交易平臺，雖然用戶界面友好性有待提高，但實驗表明該系統(tǒng)可行性較高、數(shù)據(jù)透明可溯源，對日后可能落地使用的戶用光伏交易平臺具有很大的借鑒意義，有力推動“大云物移鏈”等新一代通信技術(shù)與傳統(tǒng)電力行業(yè)的融合，加快其數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

區(qū)塊鏈技術(shù)能夠滿足光伏交易平臺未來規(guī)范發(fā)展、防范風險的需要，但要真正嵌入傳統(tǒng)電力行業(yè)，解決日后戶用光伏用戶群壯大而形成的電能直接自由交易問題，目前還面臨3方面挑戰(zhàn)[31]。

（1）區(qū)塊鏈本身。由于相關(guān)標準并不統(tǒng)一，不同區(qū)塊鏈目前難以連通互聯(lián)，這種割裂會在一定程度上削弱區(qū)塊鏈電力交易的優(yōu)勢。

（2）現(xiàn)實法律。各國對數(shù)字貨幣和區(qū)塊鏈的立法與監(jiān)管并不同步，但立法落后于實踐是一個整體特征。現(xiàn)階段，對于時間戳、區(qū)塊鏈等新技術(shù)在證據(jù)規(guī)則中的應(yīng)用問題，最高人民法院仍在調(diào)研的起步階段[31]。

（3）光伏產(chǎn)業(yè)還未成熟，需其他技術(shù)同步跟進。

未來區(qū)塊鏈技術(shù)的演進和新能源的進一步發(fā)展將使電力交易領(lǐng)域從本質(zhì)上有大的飛躍。基于區(qū)塊鏈技術(shù)所建立的多邊交易平臺，將會從本質(zhì)上顛覆電力交易的載體形式。