基于区块链的大用户直购交易模式研究

马伟，郭连奎，贺楠，田雨扬，卢锦玲，任惠

(1.河北电力交易中心有限公司，石家庄 050011; 2.华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003)

0 引 言

随着能源互联网概念的提出和电力市场改革的推动，市场参与主体正趋于多元化发展，逐步迈向“监管中间，放开两端”的新体系。到目前，国内电力市场已基本上建立了发电端的竞争体系。作为售电侧放开的重要一环，大用户直购可以有效增强市场活力，促进市场竞争，形成多售购电主体竞争的格局。

大用户直购是指符合一定用电条件的企业或个体向发电商直接购电的一种交易形式，这种交易模式是有助于更新电力交易格局，建立新型的买用电市场结构。而目前，国内大用户直购电模式均存在相应的中心管理机构。这种存在中心机构的购电模式存在着公平性差、交易维护成本高、交易信息不对称等弊端。

区块链作为一种新技术，目前在能源交易领域已有广泛应用。文献[1]讨论了区块链在微电网交易中的应用，建立了区块链下微电网的售电模型。文献[2]提出依托区块链改善电能辅助领域的管理，实现辅助服务系统不同主体、系统之间的可信管理。文献[3]应用以太坊智能合约，建立含新能源的配电网交易模型，有力促进了配电网中新能源的消纳。文献[4]讨论了智能合约在电动汽车充电的应用，引入智能合约可以有效提高充电桩的应用效率。文献[5]讨论了区块链在绿色证书交易上的应用，结合实地项目验证了所设计平台的完备性。文献[6]提出将智能合约引入的跨省交易权的建模中，为解决交易摩擦提供了一种途径。文献[7]比较了两种基于区块链的阻塞管理方法，改进了分布式下安全校核方法。文献[8]提出基于区块链的多微网智能交易策略。文献[9]在光伏微网的应用场景下，考虑区块链对交易效率和交易成本的影响。文献[10]在区块链中引入双链模型，结合智能电能表和智能合约建立能源点对点交易模型。文献[11]则在安全方面对电力系统引入区块链进行了分析，通过建立电力系统交易网络模拟器，分析了区块传播时间和区块大小对安全性的影响。

而针对区块链在大用户直购电上的应用，已有文献[12]提出了一种基于区块链的大用户直购电框架，从市场准入到交易结算介绍了引入区块链的可行性。文献[13]着重研究区块链在大用户直购电中弱化中心的实现方法。文献[14]分析了大用户直购中促进新能源消纳的不同交易模式，但未考虑使用区块链平台进行交易建模。文章将在介绍区块链原理的基础上，分析大用户直购的典型环节和政策，从链式结构、绿证交易到智能合约构建，提出一种基于跨链技术的大用户直购系统，结合实际仿真模拟具体交易，探索出一种公开透明、高便捷度的新型直购交易体系。

1 区块链技术原理

1.1 区块链与链路类型

区块链技术作为一种新型的分部式数据库技术，自提出以来备受关注。在区块链的概念下，网络中的所有节点都共享数据的存储，使其成为可信任的安全的系统。

区块作为区块链的基本结构单元，是使用加密算法得到的一系列数据块。其连接模型如图1所示，其每个块中包含交易信息、默克尔根、时间戳和前一区块的哈希值等基本数据。所有区块首尾相连成为完整的区块链，篡改区块中的值会使得其之后的所有区块也被改变，这种结构从根本上保证了数据的安全性。

区块链根据其开放程度主要分为三种链路，分别为公有链、私有链和联盟链。其中公有链是具有完全去中心化特点的区块链，其核心特点在于所有节点具有的权限平等，典型应用为比特币。私有链仅限拥有权限的节点参与区块的读写，系统完全封闭，外部成员无法进入。联盟链作为一种介于私有链和公有链的第三种链，是一种部分去中心化的区块链。适用场景为多个身份互相已知的组织内，内部成员拥有记账的权限，而外部成员仅能查询与自身有关的信息。

而根据链与链的关系又可以分为主链和侧链。主链侧链可以依靠跨链技术实现信息交换和资产互通。侧链可以提高交易速度。侧链的出现使得主链可以把部分交易转移到侧链上，在小范围内达成共识，加快交易速度，降低交易成本，提升交易效率。

图1 区块基本结构

1.2 区块链与密码学

从区块链的数据结构可以看出，区块一旦安全性得不到保障，其不可篡改性也将不复存在。区块链保障数据安全主要采用两种加密算法：哈希算法和非对称加密技术[15]。在区块中应用哈希算法计算当前区块的Hash值，并计算默克尔树中每笔交易的Hash值。在转账交易中应用非对称加密算法，其运作原理如图2所示，每个用户被分配公钥和私钥，用户写数据时，使用私钥进行数字签名，基于区块链网络，将签名和交易内容发送到接受用户。接受用户通过对数字签名和传输内容进行解密对比摘要内容确认数据。

1.3 共识机制

共识机制是区块链中各个节点对事务进行确认并达成共识的一种算法。对于区块链这种分布式的账本系统，共识机制可以完成所有节点的数据同步，且能保证交易数据不被篡改，是各个节点安全稳定运行的保障。目前主要的共识机制主要有POW(Proof of Work，工作量证明)、POS(Proof of Stake，权益证明)、DPOS(Delegated Proof of Stake，股份授权证明)、分布一致性算法等。

图2 区块链加密原理

1.4 智能合约

智能合约是由尼克·萨博在1994年提出的，并被定义为“执行合约条款的计算机化交易协议”，但由于在当时缺少可行的执行环境并没有得到应用。而以太坊与比特币最大的区别在于智能合约的出现，将区块链由1.0时代带入2.0时代。原有的比特币在提出时就被限制为仅具有货币功能，用来支撑智能合约还非常有限，而以太坊的出现将智能合约由理论转为了实际应用。

1.5 区块链技术在电能交易中的作用

区块链共享、可信、可追溯的特点使得其在电力交易等领域具有显著的优势，基于以太坊的智能合约可以将合同具体内容用编程语言的形式表达，并且可以构造一个去中心化的互相信任的环境，其应用于电力市场中的优势在于：

(1)区块链是一种基于共享理念的账本，可以不受系统壁垒的限制进行分享数据，降低沟通成本，提交数据交换效率；

(2)区块链在实现交易时，基于区块链网络的共识机制实际上可以同时实现清算与结算，可以有效提高系统效率；

(3)区块链的链式结构可以完整记录每一笔交易，具有可追溯的特点，能够可靠的登记各种信息，具有高审计性；

(4)利用基于以太坊的智能合约可以有效将原有的繁琐、耗时长、交易步骤冗长的清算利用编程语言的方式保存在区块链上，当达成触发条件后自动执行。

综上，在区块链技术支撑下建立的去中心化电力交易平台，既可以有效实现电力信息的透明公开和时代交互，又可以保障数据记录的准确性，给电力系统提供公开透明且数据可靠的环境。

2 大用户直购电模式及链路设计

2.1 大用户直购传统交易模式

传统的大用户直购电参与方主要包括大用户、发电企业和交易机构。符合准入机制的大用户和发电商直接签订购电合同。这一方式打破了原有的垄断格局，可以有效降低企业的购电成本。这种交易模式按照区域可以分为省内大用户直购和跨省直购。按照交易方式又可分为集中撮合交易、集中竞价交易及集中挂牌交易。交易中心负责发布交易内容，参与直购的企业和发电商在规定时间内提交交易需求。交易中心按照一定的撮合方法确定交易双方，调度中心对匹配后的交易进行安全校核及阻塞管理，得到有约束的交易结果，最终调度机构按照签订的合同进行电能输送。其结构如图3所示。

图3 传统直购电模型

近年来，为了应对新能源消纳问题和减轻“弃风弃光”现象，提出了配额制和绿色电力证书政策。对于发电企业，其发出一定量的绿色电能后，变会获得一定数量的绿色证书；对于大用户也是相同道理。交易部门根据实际的情况和需要，为交易参与方分配合适的可再生能源配额，并要求双方利用上交绿色证书的方法来完成配额。而这其中的绿色证书具有商品属性，可以被自由交易，参与直购的交易主体可以选择到绿证市场中购买绿色证书来完成配额指标。

2.2 大用户直购电链路模型

文章建立的大用户直购电系统的参与者主要包括交易主体的大用户和发电商以及负责管理的电网公司三部分。在整个电力系统进行电力交易实现电力和资金流动的同时进行节点信息的交互。为了结合配额制的背景促进直购电模式下的新能源消纳，采用主侧链两条链的框架结构[16-17]。主链负责进行交易量较大的直购交易，侧链负责完成绿色证书的交易，两条链的链接可以采用双向锚定技术完成，系统链路结构如图4所示。

图4 直购电链路模型

对于系统所采用的区块链类型，由于电能交易涉及到阻塞管理这一环节，私有链在处理时只能采用回滚或分叉的方式，而公有链的公开性会使得系统安全得不到保障。具有部分去中心化的联盟链参与主体比较固定，且交易系统不会默认公开，交易可控性强，最适合大用户直购这一交易模式。

3 基于区块链的大用户直购电架构

3.1 基于区块链的跨链绿证管理

从当前国内已开展的绿证交易来看，交易主要为小范围、点对点的形式。将绿证交易与区块链平台结合，一方面与实际应用环境相匹配，另一方面可以提供高透明度的交易体系。建立与直购主链相交互的绿证链，可以将传统直购模式与当下“双碳”目标契合，促进直购交易发展。

绿证管理系统如图5所示，火电作为配额制的承担者需要向绿色发电商购买一定的凭证，对于绿色发电商，出售绿证带来的效益有助于推动其发展，同时可以起到环境改善的效应。绿证链可以对绿色证书进行公开透明的记载，对绿证交易足迹进行记录，同时其链上资金又与直购链互通，发电商可以使用跨链技术在两条链上进行资金流转。

3.2 智能合约设计

基于智能合约的直购电交易流程如图6所示，交易开始时，参与交易的各方需提交准入申请，待准入审核后进行双边交易匹配阶段。交易达成后，数据会被记录到智能合约中，经全网节点共识后加入到区块中。中心机构会对达成的交易进行安全校核，通过的会直接进入区块链进行交易结算，不通过的则将进行阻塞管理后再次校核直到通过为止。

图5 绿证交易模型

图6 交易流程

智能合约的编写是在Remix的EVM虚拟机上进行的，智能合约在Remix模拟测试成功后，将其部署在本地创建的以太坊测试链上，并结合端口发布Dapp(Decentralized App，去中心化应用)，发电商和大用户可以凭自己的账户参与合约。双方的每次交易都会被记录并根据共识协议同步在区块互动链的所有节点中。每笔交易都记录着本次交易双方账户、交易的内容等。基于大用户直购的智能合约按照顺序可以分为注册准入、交易挂牌、交易结算几个步骤。

3.2.1 注册准入阶段

用户和发电商通过调用注册函数(Regis)，将自己钱包内的余额转为交易所用的代币(Token)，设定代币与人民币之间的汇率为1Token等于0.1元，以便确认交易的实际金额，同时，确认自己的交易地址与代号。

3.2.2 交易挂牌阶段

根据大用户交易中的挂牌交易模式，交易双方需要调用挂牌函数(Payment)提交交易需求，登记信息包括；申报电量，申报电价。登记结束后相应信息会记录到区块中。在挂牌截止时间前，双方还可通过交易撤回函数(Withdraw)撤回该挂单。

3.2.3 交易结算阶段

挂牌时间截止后，智能合约自动计算各发电商的折算电价，按照优先级将发电商和大用户进行排序，最终根据高低匹配原则进行撮合交易。交易方调用查询函数(Call)查询本节点所匹配到的对象，对匹配结果有异议者将调用中止函数(Break)结束本轮匹配。交易完成后，买卖双方根据合约撮合结果调用结算函数(Trans)进行转账，转账完成后开启下一阶段交易。

售购双方通过匹配矩阵确定每轮交易的个体。其中含m个买家和n个卖家的匹配矩阵可以表示为：

[qij]m×n

(1)

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

(2)

XB,j=Tb·Pg

(3)

其中，社会福利折算公式如式(2)～式(3)所示，撮合方法按照折算后的qij按照从大到小依次确定交易双方。确认交易双方后，在矩阵中移除该行或该列并更新矩阵进行下一轮匹配。每轮交易的结算费用确定方法如式(4)～式(6)：

Li=FB,i-0.5Δfij

(4)

Lj=FS,j+0.5Δfij(1-ε)+XB,j

(5)

(6)

式中Li为跨省交易的大用户结算价格；Lj为跨省交易发电商结算价格；FB,i为大用户i向区块链弱中心化节点提交的购电价格，FS,j为发电厂商j向区块链弱中心化节点提交的售电价格；ε*为省间输电损耗；S*为省间输电价格；W为环保价格及交叉补贴费用。

3.3 共识机制设计

由于大用户直购的特点，各个节点之间可信度较高，可以不考虑拜占庭容错问题，因此选择基于改进型的分布式一致性算法作为该系统的共识机制，各个区块的记账权可以按共识机制规则确定[18]。分布式一致性算法应用比较广泛的有PAXOS和RAFT。考虑到直购电交易对计算能力和算法复杂度有一定的标准和要求，文章提出了一种基于RAFT共识机制的大用户直购电共识机制。

传统RAFT机制的节点选举流程如图7所示，核心节点被分为领导者、跟随者和候选者[19]。其中领导者节点负责处理系统客户端的服务请求； 跟随者节点负责被动地接收和回复领导者节点发送的信息；当领导节点处于故障和停机状态并重新选择该节点时，候选节点为过渡状态。系统启动时，所有节点都是跟随者的身份，随机产生一个领导者节点。领导者节点会周期性的向所有跟随者发送响应。当跟随者在一定时间内未接收到领导者的响应，便会发起选举。候选者根据投票决定领导者，选举失败的成为跟随者并等候发起下次选举。

图7 RAFT节点选举过程

传统的基础RAFT共识机制具有的问题是在选举阶段需要所有节点共同参与，所有节点都可以成为领导者节点。这种机制在实际应用中效率会随着节点数增加而降低，不合适目前正在快速发展中的大用户直购电模式。基于大用户直购电交易模式的结构特征，交易中心作为调度和管理机构，能够提供稳定的运行环境及可靠的安全保证，因此考虑将交易中心内部节点作为领导者候选节点。此方法可以有效减少领导者节点选举阶段的沟通量,且符合弱中心化的结构思想。改进型共识机制原理如图8所示，具体过程为：

(1)初始阶段(Starts Up)：初始阶段将大用户、发电商定义为非候选跟随者节点，交易中心内部节点定义为候选者节点；

(2)选举阶段(Election)：当领导者节点任期结束或跟随者在指定时间内未收到领导者节点响应，开启一轮选举。所有跟随者节点投票给候选节点，得票最多的当选新的领导者节点；

(3)客户端请求阶段(Request)：直购电系统收到新的交易请求并发送给领导者节点；

(4)交易确认阶段(Commit)：领导者节点向跟随者节点复制日志，所有跟随者节点即直购交易主体向主节点发送确认响应；

(5)同步完成(Synchronous Completion)：待领导者节点收到所有交易主体的复制完成响应后，该笔交易随着日志更新得到确认。并反馈信息给客户端。

图8 改进型RAFT共识机制

3.4 系统总体架构

完整系统架构如图9所示，包含应用层、信息层和管理层。

图9中应用层包含直购电交易的客户端，分布式应用以及API接口服务，为参与系统交易的大用户、售电商及管理机构提供可拓展且方便灵活的交易渠道。交易主体之间可以通过HTTP(Hyper Text Transfer Protocol，超文本传输协议)访问节点并进行节点通信。信息层存放有智能合约及虚拟节点，交易双方通过web3.js库可以调用智能合约，交易达成后通过改进式RAFT协议进行节点共识，并将交易结果写入到区块中。负责绿证交易的侧链可以通过双向锚定的方式与主链进行交互，两条链各自完成信息验证及区块存储，有效降低风险；管理层主要为交易提供大用户及发电商的准入服务、交易中心的交易管理服务、主侧链交互的管理。

4 算例测试

4.1 参数设计

为了验证所提出的直购交易模式有效性，本章在多台计算机模拟各电力市场交易方，搭建起大用户直购区块链，将合约部署到服务器中，各参与者通过调用合约实现相应功能。此外，在这些计算机上又模拟了传统直购交易，即交易双方与扮演交易机构的计算机进行挂牌交易流程，分析两种模式下的工作效率与经济效益。仿真场景如图10所示。

图10 仿真场景示意图

假设A地区有4家风力发电企业W1-W4，4家火力发电企业H1-H4。大用户为B地区B1-B2，C地区C和D地区的D。各省间网损率和输电价格如表1所示。

4.2 交易过程与结果分析

为了分析基于区块链模式下大用户直购系统的交易优势，文章考虑了有无区块链参与下两种交易方案。

方案1：不包含绿色证书交易的传统大用户直购模式, 风火打捆比例为1:3，匹配按照传统高低匹配法确认。确认交易对象后，通过仿真平台模拟发起电子合约，由交易中心核对后完成撮合交易，交易资金由交易中心进行管理；

方案2：基于区块链技术的大用户直购模式。为研究不同价格的绿证对交易的影响，设绿色证书价格P分别为300 Token/本、400 Token/本、500 Token/本。按照标准，每生产1 MW绿电会获得一本证书，每生产1 MW火电需交纳0.2本证书。按照图6所示的流程，当大用户配额指标满足后，绿电商可以将多余绿色能源在绿证市场上出售，以获取额外收益。各发电商之间通过绿证链的交易，满足配额需求。

大用户提交购电挂单如表2所示，挂单表包含四个用户节点B1-B2、C、D所申报的电价与电量，以及各节点需求的绿电配额。风电和火电的售电挂单分别如表3、表4所示，包括申报电价、申报电量以及补贴价格。

表1 网损率及输电费用

表2 大用户报价

表3 风电企业报价

表4 火力发电企业报价

两种方案的交易结果，如表5所示。由于方案1不考虑绿证交易，绿色能源收益较少，发电联盟总利润较低。方案2引入绿证价格进行市场激励，既能够帮助风电消纳多余电量，压低竞争成本，又可以为风电商带来额外收益。从各组数据来看，当绿证价格提高时，市场总体收益也随之增加，说明绿证市场引入对直购模式起到一定激励作用。

表5 交易结果

以上仿真表明，区块链平台下的智能合约可以实现工业大用户基本直购交易，绿色证书管理等功能。实际仿真可以达到预期交易效果，结果说明了该模式相较于传统直购模式具有经济效益、监管效率及管理效率提升的作用。

5 结束语

文章研究了区块链支持下的大用户直购电力市场运行模型，在传统共识机制基础上设计了适用于大用户直购的共识机制及市场总体架构，对直购电框架内电力交易的具体流程进行了介绍，并将电力交易区块链与绿证管理相结合，通过调用合约函数实现模拟交易，提高了直购交易的公开性和便利性。区块链这一类分布式存储与数据管理系统，可以为直购交易带来丰富的辅助效益，有利于为直购模式带来高质量发展的激励效应。

最后，文章在合约功能的设计上还有待进一步丰富，不同共识机制下的性能对比也有待研究。期待未来对基于区块链技术的直购交易体系做出更深入的研究。