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1、能源互联网中基于区块链的能源交易 蔡金棋，李淑贤，樊冰，唐良瑞 (新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京市 ) 摘 要：区块链技术是比特币的底层技术，具有公平、透明及去中心化的特点。能源互联网具有开放互联、以用户为中心和分布式对等共享的特点，且其能源交易模式也将由集中式向分布式发展。区块链技术的特点使得其天然地适用于能源互联网中的能源交易。首先对现有能源系统下的能源交易特点及在能源互联网下实施新型能源交易模式需要解决的难点进行了分析；然后，基于现有研究和分析设计了一种基于区块链的3层能源交易架构，并引入弱中心化的管理方式，以应对去中心化带来的问题；最后，对区块链在能源交易中应用需要
2、解决的问题和面临的挑战进行了分析。 关键词：能源互联网；区块链；综合能源交易；智能合约；弱中心化管理 0 引 言 传统能源交易主要是一种集中式优化决策的资源配置方式，具有成本高、易受攻击且用户隐私难以保障的缺点。能源互联网是一种泛能源系统，在开放互联、以用户为中心和分布式对等共享等新内涵的引导下，其能源交易将趋向主体多元化，商品多样化，决策分散化，信息透明化，交易即时化，同时也将呈现能量流、信息流与价值流“三流”大融合的趋势。在现有集中式交易模式下，能源交易需要大量的第三方管理机构来构建和维护交易信用，产生了不必要的高额成本。因此，为促进能源互联网下能源系统的进一步发展，需对现有能源交易模式进
3、行变革，实现分布式市场模式取代集中式管理模式的变革。在分布式能源交易模式下，能源交易市场的参与者是对等的、分散的，且多种能源协同自治，无需第三方信任机构。区块链技术由于其公平、透明及去中心化的特点，在分布式能源交易中将会有十分广阔的应用前景。 目前，区块链的应用场景已从最初的金融领域1-3向医疗4-5、物联网6-8、物流9等领域延拓,在能源领域也开始崭露头角。然而，目前对于区块链在能源交易领域的应用研究较少。文献10将多签名技术、区块链以及匿名信息流应用在分布式能源交易中，提出了在分布式智能电网中，第三方不受信赖时保证交易安全的解决方案；文献11研究在住房社会环境(housing societ
4、y environment)下，作为区块链节点的智能设备(smart device)充当电力交易者，通过智能合约等技术自动完成设备到设备(device-to-device)的电力交易。这些研究都探讨了区块链技术在能源交易中的应用，但仅仅是通过区块链技术实现了电力交易，且将电力看作一般商品，并未考虑到能源商品的特殊性。此外,大多文献仅对交易流程进行探索,对能源交易系统的研究却很少，不足以解决能源交易的实际应用问题。 因此，本文基于现有研究提出一种基于区块链技术的3层能源交易架构，并对区块链、智能合约等关键技术在架构中的应用进行分析。同时，能源的特殊性决定能源交易离不开一定的监管。因此，本文在分布
5、式交易的基础上，引入弱中心化的管理方式，将弱中心机构作为区块链网络中的一个特殊节点，对参与能源交易的主体、交易活动等进行必要的监管，保证交易的顺利进行。最后，分析基于区块链的能源交易应用面临的问题及挑战。 1 能源交易的特点 1.1 传统能源交易 能源是推进社会发展的动力，关乎国计民生，能源问题一直以来也都是关注的焦点。目前来说，我国传统的能源交易模式以交易所交易为主，同时发展场外交易(over the counter，OTC)模式。 交易所模式下的能源交易一般由交易中心进行规划和管理，负责能源系统的整体平衡，同时需要大量的第三方机构来保障交易的安全可信，诸如评级、保险、信托和融资租赁公司等，
6、产生了昂贵的第三方成本。而且中心机构数据库需要时刻进行维护，存在较大的人力和物力资源消耗。其次，在交易清算的过程中，中心机构要与银行等第三方金融机构进行频繁的信息校对，时间成本也较高，不利于能源互联网进行高效的实时交易。并且，从信息安全角度上来说，掌握市场的所有交易信息的中心机构一方面容易受到内、外部攻击，造成数据丢失或被篡改的可能性较高；另一方面，中心机构掌握了全局信息，用户隐私难以保障，且交易信息的不对称也使得损害参与者利益的情况时有发生。 场外交易，又称双边交易，是指在交易所以外通过电话和计算机通信网络进行联系，由买卖双方协商议价完成交易。当前，国内外有影响的OTC市场有中国天交所、美国
7、的纳斯达克(national association of securities deal automated quotations，NASDAQ)、英国的替代投资市场(alternative investment market，AIM)、法国店头市场和韩国店头市场等。 通常来说，OTC市场交易没有固定的交易场所，特别是在现代信息网络技术的支持下，交易方利用网络终端即可完成交易，为用户广泛参与市场提供了机会。其次，现代OTC交易方式较灵活，交易基本上是投资者与做市商之间、做市商与做市商之间的直接交易，价格中不包含交易佣金。交易也没有数量和单位限制，既可以进行零星交易也可以进行大额交易。除此而外
8、，场外交易的市场参与者也没有限制，可以是机构，也可以是个人，各种不同的参与者形成一种广泛的综合交易关系。 然而，OTC模式也存在着缺陷，其中最主要的就是信用风险和额外成本。在OTC下，考虑到存在大量中小型交易方，引入了做市商制，由做市商代理卖方与买方进行交易，为改善市场流动性提供了解决办法，然而由做市商制度产生的问题同样不容忽视。首先，由于做市商独特的市场组织者身份，其在提供流动性的同时，也需要从其设定的买卖报价价差中得到一定的补偿，以弥补交易成本和损失，使得交易增加了额外的市场成本。同时，买卖报价价差来源于信息不对称，那么当信息的不对称程度加大时就可能使得市场失效，交易双方需要承担较大的风险
9、，1994年美国“价差门”丑闻便是一个实例。 综上，在传统的集中式交易中交易所对能源交易进行统一规划、协调和管理，起到了极其重要的作用，但是构建和维护中心机构的信任所造成的高额运行成本以及安全泄密等问题也阻碍着能源行业的变革，不利于我国经济的进一步发展，而OTC交易纵然灵活方便，却存在较大的信用风险和额外成本。 1.2 能源互联网中的新型能源交易模式 未来能源互联网将覆盖海量用户，用户既是生产者也是消费者，即所谓的“产消者”。同时，能源交易将会呈现主体多元化、商品多样化、决策分散化、信息透明化、时间即时化、管理市场化和约束层次化的特点12。此外，能源互联网在传统能源网的基础上引入了互联网理念，
10、将使得能源系统的面貌焕然一新，具有开放互联、以用户为中心和分布式对等共享等新内涵13。再结合里夫金提出的能源互联网应当包含的五大主要内涵14，有理由相信分布式能源的大规模接入和居民用户的广泛参与将会强力重塑原有的能源市场。 在传统能源系统中，不同能源行业相对封闭，互联程度有限，同时不同能源系统也大都孤立规划和运行，造成了能效不高和可再生能源的消纳程度难以提升的困境。而能源互联网将打破不同能源系统间的壁垒，同时大量接入风能、太阳能、潮汐能、地热能、生物能等多种分布式可再生能源，利用包括新型发电技术和储能技术等在内的多种先进技术，实现电、热、冷、气、油、交通等多个系统的互联交汇，实现多能源综合利用
11、，形成开放互联的综合能源系统。但能源系统离不开频繁的能源交易，而要在能源互联网这样庞大系统中实现多方主体自动、可信、准确、平衡、实时的交易，推动大范围的资源动态平衡，满足供需双方快速、高效、安全的能源交易是重要挑战。为此期望出现一种新的模式，使得供需双方能够直接沟通并确定交易意向，进行灵活的能源交易，且无需中心机构。 在新的能源交易模式下，不同于传统能源系统中大多数用户仅为生产、生活而进行购电，每一位用户都有同等的机会来广泛参与到能源市场当中。在参与的过程中，居民用户不仅仅扮演着能源消费者的角色，也通过管理各自拥有的分布式发电机组(以光伏发电为主)、分布式能源储备设施和分布式负载等智能设备来充
12、当能源供给者，将过剩的电力直接出售给其他居民用户和电力公司，或通过能源转换装置将电能转换为天然气中的化学能，而后再利用、存储或出售。同时，用户还可以通过“众筹”的方式参与能源投资，在实现自身盈利的同时又能扩大能源产业的资金来源。 当然，这种直接的点对点新能源交易模式也面临着一些问题，是实现能源互联网新型能源交易落地的挑战之一。这些问题与挑战如下：(1)新能源交易模式需要解决或减轻构建数据中心带来的成本和信任问题，并实现交易记录、账户身份等机密数据信息的安全存储，同时，能源交易过程中的数据真伪、来源验证以及身份安全也是需要解决的难点；(2)传统的中心化决策往往无法杜绝中心主体从自身利益出发，滥用
13、决策权限，损害其他主体的利益，而分布式决策又会因为大量能源互联网主体之间直接进行点对点交互，从而造成共识效率低下、死循环无共识，在新模式中难以实现优化决策等后果；(3)在缺乏中心机构监管的情况下，需要解决相关标准的确定问题，如分布式能源发电和储能设备的环保标准和安全要求等。 目前，针对能源互联网中新能源交易模式提出了能源路由器15和虚拟电厂(virtual power plant,VPP)16等方案，解决了部分问题，但其缺陷也十分明显。其中，前者是以能源路由器为基本节点，连接分布式能源和负荷，在一定的协调控制下构建能源局域网，然后通过大电网与其他能源路由器或能源局域网连接。因此，在能源互联网的
14、大规模分布式电源接入和能源共享的情况下，这种方式需要部署大量的路由器节点，以满足海量的数据信息交流和即时交易，存在较大的成本，同时约定交易的执行由能源路由器的购、售电交易模块来负责，可信赖程度难以保障。而后者提出了通过虚拟电厂广泛聚合分布式能源、需求响应、分布式储能等，进行集中管理和统一调度。然而缺乏公平可信、成本低廉的交易平台，导致VPP之间和VPP与用户之间的交易成本高昂，且在缺乏透明的信息平台下，分布式电源需要承担额外的信用成本来选择合适的VPP17。与这两者相比，区块链技术具有去中心化的低成本信任、公开透明和信息不可篡改等特点，能为能源交易提供一个无中心定价，交易执行受一定程度的监督，
15、又保证用户信息隐私的自由交易系统。 2 基于区块链的能源交易系统架构 2.1 能源交易系统架构 能源互联网力图促进电、热、气以及电气化交通等多种能源系统的高效融合和开放互联，因此需要一个能实现各种能源自由交易的综合能源交易平台。结合前文的分析，本文提出一个基于区块链并结合智能合约的能源交易系统架构，如图1所示。能源交易系统由交易层、扩展层和区块链层组成，其中区块链层是架构的底层基础，同时交易层在扩展层的技术支持下完成多系统间的能源交易。 交易层包含电力系统、热力系统、燃气系统和交通系统等在内的多个系统，各系统耦合互联，形成混合能源系统。在能源互联网下，交易主体包括发电厂、电力公司、分布式能源生
16、产者、智能家庭(产消者)以及其他能源(煤炭、天然气、石油等)持有者。各主体在该层发起和完成能源交易，将达成的交易数据送到扩展层，形成智能合约，并经过弱中心化管理形成可行的交易，最后将相关数据存入区块链层。 扩展层有2项功能，即智能合约和弱中心化管理。交易主体通过协商，达成交易意向，并形成智能合约，合约经过对等网络(peer to peer，P2P)广播到区块链的每个节点。当合约的执行条件达到时，合约自动执行，提高交易效率。同时，能源不同于一般的商品，在交易时离不开必要的管理，如为了保证电网的安全运行，一些全局信息必须由中心机构掌握并作出判断，并对电力交易进行协调；当交易出现纠纷时仅靠系统自身和智能合约的强制执行很难完全解决问题；相关交易准则以及设备安全标准需要由监管者制定等。因此，对能源交易进行管理是必不可少的，为此本文引入了“弱中心化”的概念。 区块链层是交易架构的底层技术基础，由P2P网络和区块链存储设备组成。区块链层拥有大量的网络节点，每个节点都是区块链的存储点，拥有各自的存储设备，节点地位均对等且以扁平式拓扑结构
