摘 要： 隨著電力體制改革的深化及分布式能源滲透率的提高，分布式能源在發電側售電側的有效配置面臨著機遇和挑戰，傳統的集中式電力交易模式存在維護成本高、處理效率低、資金結算不及時等缺點，無法適應高頻小額的分布式能源交易場景。首先，回顧區塊鏈技術發展歷程，深度探究區塊鏈技術相關理論，同時結合對分布式能源發展狀況的分析，總結了建設分布式能源交易市場的若干要求；然后，構建考慮安全約束的分布式電力交易的機制與模型；最后，提出基于區塊鏈的分布式電力交易方法，確保交易的公開透明、信息對稱，并設計分布式電力多邊交易的智能合約。通過以太坊區塊鏈的算例表明，所提出的分布式電力交易方法可實現潮流的越限修正、電力的多邊交易，便于電力能源的數字化管理。

0引言 隨著比特幣的發行普及，區塊鏈技術作為比特幣的底層基礎，逐漸為人們所熟知。學界對區塊鏈（ blockchain）概念具有普遍共識：區塊鏈技術是一種公開透明的、去中心化的分布式數據庫，數據庫中的信息由所有的網絡節點共享，而數據的管理方全權負責數據更新，同時數據更新過程也面向所有網絡節點公開，因此區塊鏈具有公開透明的特性；而去中心化體現在該數據庫沒有一個中央集權的負責人，所有網絡節點作為用戶均能訪問數據庫并更新數據，同時確保數據公開，供其他用戶確認新數據的安全可靠性[1-2]。 2016 年 2 月，國家發改委、能源局和工信部共同發布了《關于推進" 互聯網+" 智慧能源發展的指導意見》，試圖建立" 一種互聯網與能源生產、傳輸、存儲、消費以及能源市場深度融合的能源產業發展新形態"，實現" 設備智能、多能協同、信息對稱、供需分散、系統扁平、交易開放"，而在分布式能源迅猛發展的時代，區塊鏈技術作為去中心化的交易平臺，將促進各類能源、各交易方的協作，實現電力市場交易的多元化和可靠管理[3-5]。 目前國內的學術界對基于區塊鏈的電力交易研究尚處于起步階段。文獻 [6] 提出了產消者余量交易的配電網去中心化多邊交易模型，設計了可執行偏差電量多邊拍賣的智能合約。文獻 [7] 探討了區塊鏈技術在大用戶直購電方面的具體應用機制。文獻 [8] 提出了基于區塊鏈的弱中心化電力交易方案及阻塞管理機制，并具體分析了其交易效率。文獻 [9] 分析了區塊鏈與電力交易的匹配度，建立了基于智能合約的電力市場交易模型。 國內的工業界方面的相關應用均還處于試點階段。上海鏈昱科技能源有限公司（Energo Labs） 研發了基于區塊鏈技術的微電網內清潔能源計量、登記、管理、交易與結算的去中心化系統[10]。上海能鏈科技研發了綠色資產證券化云平臺，在實現電力資產生產過程公開透明的同時，也保證了信批的及時透明[10]。國外也有多家公司在探索并實踐基于區塊鏈的去中心化電力交易機制。美國能源公司 LO3 Energy 與西門子合作建立了基于 區塊鏈的電力交互平臺TransActive Grid，并在布魯克林試點， 可實現綠色能源的用戶間直接點對點交易[11]。美國 NAD Grid 公司基于聯盟鏈與以太鏈研發了可幫助用戶實現電力交易與優選購電的雙鏈單幣系統 NAD 平臺，目前該平臺已在加州、伊利諾伊州試點運行[12]。 以上研究著眼于區塊鏈在分布式電力交易中的應用機制，缺乏具體實現形式的探究，對電力交易中的電力潮流等物理約束限制未作出全面考慮。 本文在區塊鏈技術的基礎上，依托以太坊和智能合約系統，通過編程構建在電力交易方面的典型運用場景，為電力系統融合區塊鏈技術做充分的理論分析，為能源區塊鏈重構考慮安全約束下的分布式電力交易提供可行的方案，實現電力能源的數字化管理。 1區塊鏈技術與分布式能源
0.1區塊鏈技術探究 區塊鏈屬于互聯網時代新興的信息技術，通過信用、證據以及交易記錄跟蹤并分析參與方的行為，適用于任何去中心化的信任網絡[13]。區塊鏈的定義有狹義、廣義之分。狹義上，區塊鏈是一種將系統中產生的數據區塊按時間先后順序以鏈的形式組合成特定數據結構，并以密碼學原理保證其不可篡改、不可偽造的去中心化共享總賬，能夠安全存儲簡單的、有時間先后順序關系、能在系統內驗證的數據；廣義上，區塊鏈是利用加密鏈式區塊結構驗證和存儲數據，利用分布式節點共識算法來生成和更新數據，利用自動化腳本代碼（即智能合約）來編程和操作數據的一種全新的去中心化基礎架構和分布式計算范式[14]。 以太坊是可編程的區塊鏈，提供了一套圖靈完備的腳本語言，因此，開發者可以直接用 C 語言等高級語言編程，轉換成匯編語言，大大降低了區塊鏈應用的開發難度。智能合約是區塊鏈技術最重要的部分，極大地擴展了區塊鏈的功能。本質上，智能合約是寫在區塊鏈上的一段代碼， 當某個事件觸發了合約中的條款時，代碼將自動執行。因此，智能合約也稱為鏈上代碼[15]。 0.2分布式能源的新形勢 能源工業是中國經濟發展的重要基礎。目前中國持續推進能源的供給側改革，由傳統的大電源-大電網集中供能模式向著分布式能源、可持續能源、傳統集中供能融合的方向轉變。分布式能源相比傳統能源，有四大明顯的優勢。其一，分布式能源可以相互配合，實現能源的梯級利用， 利用效率相對較高；其二，分布式能源可實現就近消納，電力傳輸損耗相對較少；其三，目前的分布式能源主要包括天然氣、光伏、生物質能、潮汐能等，均為綠色可持續能源，對環境的影響遠小于煤炭等傳統能源；其四，分布式能源根據所在地區的特點可對能源實現因地制宜地利用， 從而能有效解決某些偏遠地區供能供電問題[16-17]。然而，盡管近年來中國的分布式能源有了一定的進步，但分布式能源市場化交易的發展還較為緩慢，受到電力市場主體積極性不高、相關政策不健全、公共服務落后等因素的制約。 0.3區塊鏈的解決方案 建設安全、高效的分布式電力交易市場有很多可能性。分布式電力交易系統具有如下 3 個特點。 （1））精確測量。計算測量是運行多種數字感知的各種能量系統，是控制的基礎和能量信息的來源。然而，雖然互聯網的計算測量能力是準確的，但仍不能解決數據信任的問題。 （2））自主控制。為了應對大量分布式本地能源的使用，設備和系統應根據本地指令實現動態響應，提高系統的運行效率和可靠性。但是， 在現有的自動化系統中，不可能確定外部數據是否應該受信任。如果信任外部數據，事故責任歸屬后的指令執行情況未知，則會影響系統的效率和可靠性。 （3））優化決策。在決策過程中，容易濫用決策權，損害其他主體利益，因為大量的能量直接在互聯網設備之間進行點對點的交互作用，導致共識效率低下，對死循環的后果尚無共識[18]。 針對以上特點，學界對分布式電力交易系統參與者的組成、系統架構以及交易模式提出了許多設想，大多認為可以借鑒輸電側市場交易經驗，建立交易中心，采用雙向拍賣等集中式交易出清方案。但配電系統內的分布式電力交易數量龐大而交易規模較小，同時電能產消者對交易的公平透明、自身隱私保護具有更高要求。因此， 集中式交易中心的發展面臨以下 3 個問題：一是大量交易數據的涌入給中心機構帶來了單點故障的風險，威脅分布式電力交易系統安全穩定運行；二是交易中心與產消者之間存在信任問題， 難以保證電力交易的公平性、透明性與信息有效性；三是大量產消者的存在導致交易中心運行效率低、決策耗時長，難以滿足實時運行的需求。 區塊鏈為分布式電力交易系統面臨的技術問題提供了行之有效的解決方案。 （1））從準確計量升級到可信計量。數據儲存在區塊鏈上，以確保非篡改公鑰和非對稱加密組合保護隱私，以此切實保護電能產消者的隱私。 （2））從自動控制升級到智能控制。通過以智能合約形式實現邏輯功能，生成可信的本地命令，完成控制過程以處理外部環境的變化，以此解決交易中心與產消者之間存在的信任問題， 防范中心機構的舞弊現象。 （3））從優化決策到民主決策。分布式電力設備之間的本地共識和區域間共識避免了大規模分布式設備的復雜迭代和死循環，以產生直接的共識，從而實現分布式決策，提高交易效率及速度。 （4））從單點控制到多點維護。電力產消者采用去中心化和去信任的方式集體維護一個可靠分布式數據庫，而不再依賴于中心機構的單點控制，共同維護分布式電力交易的安全穩定運行。 目前對區塊鏈在電力交易中應用的研究多數以簡單的集中撮合交易為主，不支持電力系統含安全約束的電力交易。本文的主要貢獻之一是如何在區塊鏈上實現含安全約束的分布式電力交易。另外，目前區塊鏈的計算及響應速度有限，基于區塊鏈的大量交易行為很容易造成擁堵。區塊鏈開發人員目前正在探索對策，如增加區塊大小、開發分片（ sharding）、側鏈（ sidechains）和支付通道（ payment channels）等技術，來保證交易的即時完成。此外本文所述交易機制只涉及少量節點，部署在挖礦難度可調的以太坊私有鏈上， 能有效提高區塊鏈交易速度。 2分布式電力交易模型及機制 分布式供電方和用戶之間存在動態平衡，采用配電網去中心化交易機制可以使各產消者間靈活交易，消除分布式供電方、用戶自身實際出力（或負荷）與發用電計劃的偏差值，最終實現配網內部的供用電平衡，為能源區塊鏈重構電力交易提供可行方案，實現電力能源的數字化管理。 在多邊交易中，分布式供電方和用電方需要發起買/賣偏差電量交易請求，以消除實際發用電量與計劃值的偏差。供電方賣出剩余電量，作為投標方。用電方收購投標方賣出的剩余電量。上述場景對于賣方市場而言，交易目標是售電方以最高價格出售電能，如果是買方市場，則要求購電價格達到最小，本文以賣方市場為例，表示為 如圖 1 所示，本文所設計的分布式電力交易平臺架構中，電力資源作為可交易的數字資產， 在 P2P（ peer-to-peer）交易市場中完成針對報價和數量的購售交易，同時通過區塊鏈完成在電力產消者之間的信息交互和價值轉移。由于無法及時獲取未來時段電力產消者的準確電力需求，本文將一天劃分為 48 個時段，在每個時段交易下一個時段的電力資源。考慮安全約束，基于區塊鏈的分布式電力交易流程如下。 （1））配電網中各用戶擬定自身用電量、發電量計劃，通過智能合約提交區塊鏈，由區塊鏈礦工將信息寫入區塊記錄。 （2））當某用戶實際用電量或發電量與既定計劃有偏差時，該用戶將通過智能合約發起交易， 如果供電過剩，則請求賣電；如果耗電過多， 則請求買電。請求周邊用戶改變供電量或耗電量計劃，協助消除偏差值。 （3））周邊用戶收到交易請求，計算配電網供求總偏差值，并根據總供/用電量偏差值，給出賣電或買電的報價。 （4））區塊鏈礦工收集所有產消者的報價并對報價集合排序，在買方市場中，將供電方的有效報價由低至高排序；在賣方市場，將用電方的有效報價由高至低排序。在出清隊列中按照報價排序結果，選擇供電量/用電量交易額度并且選擇輸送線路，直至滿足供電量/用電量平衡約束。 （5））此時所有產消者可開展 P2P交易，該階段可開展 3種交易行為。①限價交易：買/賣方指定成交價格及電能數量，出現等于或高于該價格的賣方/買方報價，則成交，成交價格為雙方報價的平均值；②市價交易：買/賣方不設定價格但指定數量，以當前市場最優賣/買方報價成交；③ 撤單：放棄出售/購買電能，清除自身報價信息。 所有產消者可查看公布在區塊鏈上的買賣雙方投標數量及價格。若 P2P 市場參與者放棄電力交易，則可選擇撤單，清除自身報價信息；若自身下一階段電力需求發生變化，則可發布限價訂單，修改報價及數量，在市場中等待響應；若購售需求非常急迫，則可發布市價訂單，指定成交數量而不限定價格，區塊鏈可為其選擇當前市場最優報價完成交易配對。 （5））考慮線路裕度對輸送的限制。首先根據功率轉移分布因子，計算配電網潮流。若不存在線路裕度越限情況，則通過安全校核，確定交易結果；若存在線路裕度越限情況，則未通過安全校核，調整潮流，結合各方報價、可供/求電量分析，重新計算配電網潮流。 （6））經過安全校核，若產消者無法通過內部交易維持平衡，則系統備用被調用，以彌補該產消者的偏差。 （7））交易主體之間完成多邊交易結算，費用結算在區塊鏈上完成。 （8））配電網中所有用戶按照電力 P2P交易的結果調整自身發用電，各個用戶安裝可運行區塊鏈節點的智能電表，由智能電表檢測產消者的發用電情況，并通過內置的通信模塊與區塊鏈上的智能合約產生數據交互，由礦工對數據打包并寫入區塊鏈，該過程由智能電表自主完成，無需電網公司的參與。若分布式發電方實際發電數量少于交易結果，則給予一定的經濟處罰，以此維護配電網的安全穩定運行。 對于一個 n 節點的配電網絡樹圖，其中包含n–1 條線路，可以利用如下方法計算線路潮流。 （ 1） 對 n– 1 條線路編號 1~n–1 ，另規定有n– 1 行 n 列的二維數組 A。每一行代表一條線路， n 列則表示 n 個節點。 （ 2）規定線路正方向，本文選定從根節點向葉節點延伸的方向為正方向，即潮流流向為從根節點到葉節點，靠近根節點的節點為上游；反之為下游。 （ 3）在二維數組 A 對應行列中填入 0 或 1， 第 i 行第 j 列填入 0 代表第 j 個節點處在第 i 條線路的上游， 第 i 行第 j 列填入 1 代表第 j 個節點處在第 i 條線路的下游。其中 1≤i≤n–1，1≤j≤n。 （ 4） 創建 n 行 1 列的一維數組 B， 第 n 行元素代表該節點計劃流入的電能，數值為正表示用電方流入電能，數值為負表示供電方供出電能。 （5）將二維數組 A與一維數組 B 相乘，得到一個 n– 1行 1列的一維數組 C，其中每 k（1≤k≤ n–1）行的元素代表第 k 條線路的潮流流向，若為正，則表示從上游到下游；若為負，表示從下游到上游；若為 0，則該條線路不存在潮流裕度越限隱患。 至此，可以得到無線路容量裕度下的潮流理論計算值，比對線路的安全裕度與潮流理論計算值，發現有越限的線路則修正潮流。設 Pαβ為線路 αβ的潮流數值，按如下方法描述為：（1）對于 一 條 正 向 越 限 ， 即 P ＞ 0 的 線 路 而 言 ， P＞ P移除上游的供電方，按照報價從低到高排序，選擇已加入供電范圍的最高價投標者， 降低其輸出電量，同時在越限線路下游增加最低價供電方的輸出電量（若最低價投標者已經達到最大輸出，則選取第二低價者）。如此往復循環，直至目標越限線路的潮流達到安全裕度范圍內。（2）對于一條負向越限， 即 P＜ 0的線路而言，– Pαβ＞ Pαβ，移除下游的供電方，按照報價從低到高排序，選擇已加入供電范圍的最高價投標者，降低其輸出電量，同時在越限線路上游增加最低價供電方的輸出電量（若最低價投標者已經達到最大輸出，則選取第二低價者）。如此往復循環，直至目標越限線路的潮流達到安全裕度范圍內。 對于一個正向越限的線路而言，上述方法將減小線路上游某一投標者（最高價為最優）的輸出電量，增大下游某一投標者（最低價為最優） 的輸出電量，以上步驟均需確保不增加更多的越限支路，否則考察優先級隊列中下一順位者。這樣的調整將降低上、下游這兩個節點之間的線路傳輸功率，最終達到安全裕度范圍內。

3分布式電力交易合約設計 基于區塊鏈的智能合約是實現區塊鏈技術應用的關鍵，通過智能合約中定義的狀態變量 （ state variables）、結構類型（ struct types）、函數（ functions）、事件（ event）等內容實現具體應用的開發。 本文設計的用于電力交易的智能合約按照時間 順 序 可 以 分 為 4 個 階 段 ： 交 易 信 息 投 標 、P2P 交易、安全校核、交易清算。 買賣雙方的信息在區塊鏈智能合約中定義為結構體類型，包含：用戶信息結構體（ struct buyer、struct seller）、地址（ address owner）、報價（ uint price）、電量（ int amount）、節點在網絡中的位置（uint position）。 結構體 Buyer/Seller 通過映射（ mapping）建立用戶地址與信息的關系。 本文針對分布式電力市場交易流程的 4 個階段設計了不同函數，具體函數如下。 3.1電力需求提交階段
3.1.1標準設定函數（Standard） 由區塊鏈上的成員（包括電網公司、充電站等）在新的交易周期開始前調用，用于設定/修改市場標準電價、以太幣和交易平臺支付貨幣Token 之間的匯率，市場電價具體數值一般以地方分時電價為準。以太幣市場價格波動較大，因此本文選擇基于以太坊的 ERC20 Token 作為支付貨幣，通過區塊鏈成員在每個交易周期初期根據以太幣與人民幣的匯率修正以太幣（單位為 eth， 以太幣與人民幣的匯率在 2018 年 10 月 15 日為1eth≈1 349 元）與 Token 的匯率，將充電站交易平臺內 Token 的價格錨定在 1 元=100 Token，平抑以太幣的價格波動。
3.1.2交易信息投標 本階段包含買方預報價函數（ BuyerAmount） 和賣方預報價函數（SellerAmount）。各個用戶通過預報價函數提交交易，將用戶欲購/售電量存入positionToamount[_position] 之中，與用戶在電力網絡中節點位置映射確定。在提交報價申請的同時需要提交一定的保證金。 用戶提交的保證金主要用途有： （ 1）用于P2P 交易市場中，產消者之間電費的支付結算； （ 2）用于交割時段，產消者發用電量的保證。若生產者產出電能不符合交易時段結果，則保證金扣除。 3.2電力 P2P交易階段 3.2.1報價排序 本階段包括報價投標函數（ blindBid）、報價排序函數（revealBid）和成交函數（bidSuccess）。 各個用戶若想購/售電能，為了保證投標過程的安全公平，用戶調用 blindBid 開展報價，該函數利用哈希函數將報價與自設字符串加密形成字符串。隨后用戶將調用 revealBid，提交 blindBid 中輸入的報價、字符串以及欲購數量，由區塊鏈核準，若和先前加密形成字符串一致，則投標成功并揭露報價，同時完成買/賣報價集合的排序；反之則用戶投標失敗并喪失保證金。
3.1.1P2P交易 本階段包括限價交易函數、市價交易函數以及撤單函數。 （1））限價交易函數（LimitOrder）。若購/售方決定修改自身報價或者數量，可調用該函數修改報價、數量并向區塊鏈發布限價訂單。限價訂單發布之后， 在 P2P交易結束之前，該訂單可被其他產消者響應，并以限價訂單設定的價格成交相應數量，直到成交數量達到限價訂單設定數量時交易終止。訂單響應后，礦工將通過智能合約函數運算完成交易結算轉賬，并修改交易雙方交割時段充電權。 （2））市價交易函數（MarketOrder）。若購/售方決定按照當前市場最優價成交，則調用該函數，輸入自身計劃成交數量，由礦工執行智能合約函數邏輯，按照市場最優價為其匹配交易， 直到滿足計劃成交數量或者匹配完全、報價隊列清空，交易終止。礦工同時完成結算轉賬并修改成交雙方充電權，最后將所有相關信息在區塊鏈上更新。 （3））撤單函數（DeleteOrder）。若購/售方決定退出交易市場，可調用該函數，清空自身報價隊列中的報價信息。 3.1安全校核及修正 本階段包括安全校核函數（ securityCheck）及潮流修正函數（modify）。 通過 security Check 函數，得到無線路容量裕度下的潮流理論計算值，將其與線路容量裕度對比，反饋是否越限。隨后調用 modify 函數對各條線路修正潮流，同時修正各中標用戶可購/ 售電量。 3.2交易清算 本階段包括交易結算函數（ transSettlement）， 用戶通過該函數完成交易轉賬，由區塊鏈確認結果，未支付的用戶將無法取回保證金。 實際上，目前以太坊智能合約還存在無法主動執行、安全性較差等問題。因此本文在智能合約中添加了區塊鏈行業開發中最常用的 safemath 庫，防止數值計算溢出等安全問題，并使用函數修飾符限制相關函數操作權限，防止惡意調用等安全問題。隨著智能合約技術的進一步完善和發展，基于以太坊智能合約的充電權多邊交易方法也會隨之完善和改進，實現安全性和高效性的協調統一。 4算例分析 為驗證本文所述機制的有效性，本節在實驗室環境下將考慮安全約束下的多邊電力交易智能合約發布在以太坊私有鏈，模擬配網環境進行測試。其中配電網結構采用改進的 IEEE 33 節點配電系統。該配電系統中包含 9 個電力產消者，如圖 2所示。 以買方市場為例，其中設定分布式供電（賣電）方為 1、2、10、22、24、28 號節點，用電（買電）方為 3、6、20 號節點，本文選擇基于以太坊的 ERC20 Toke n 作為結算貨幣，單位為token。由于以太坊區塊鏈本身計算性能有限，本算例只考慮電力系統有功功率平衡問題。報價與電量如表 1 所示，無線路容量約束條件下的結算如表 2、3所示。 由以上可知，在不考慮線路傳輸裕度的情況下，由報價低的售電投標節點優先供電，由報價最低的 1、24、10 向 3、6、20 節點售電，節點1 和 24 出售完全部的電量，節點 10 出售 0.71 kW·h 的電量滿足購電用戶的總需求，此時買賣雙方所購售下個周期的電量均為 13.27 kW·h，可滿足電量平衡，進而可滿足配電網功率平衡。成交單價按照式（4）計算為 195 token/(kW·h)。配電網各支路傳輸容量裕度如表 4所示。 由表 4 及表 2 可知，線路 1—2 、3—2 4 存在潮流越限情況，需要修正。按照文中第 2 節潮流修正機制及第 3節智能合約功能對線路潮流修正，智能合約計算結果及 Matpower計算結果如表 5 所示，潮流修正后電力交易結算情況如表 6 所示。 由以上可知，在考慮線路傳輸裕度的情況下，節點售電數量受到線路裕度限制，修正潮流越限情況后， 1節點及 24節點分別出售 4.2kW·h、1.27 kW·h 電能，未能完全出售投標數量；10 節點出售了更多的電量，達到 1.23 kW·h； 22 節點和28 節點作為新的出售方，分別出售 2.96 kW·h、 3.61 kW·h 電能。此時買賣雙方所購售下個周期的電量均為 13.27 kW·h，可滿足電量平衡，進而滿足配電網功率平衡。 通過在以太坊私有鏈上的仿真表明：（1）潮流越限情況下，成功實現了售電方的傳輸電能自調整；（ 2）用戶可在以太坊區塊鏈上使用以太坊代幣 Token 完成電力交易，該過程公開透明， 結算由智能合約自動完成，保證了安全性； （ 3）考慮安全約束下基于區塊鏈的分布式電力交易智能合約可順利完成交易投標、報價排序、安全校核及修正、交易清算等功能。 5結語 本文設計了" 多買多賣，分布式電能交易" 去中心化的交易模型與機制，在以太坊區塊鏈上，依托智能合約實現了配電網去中心化電能多邊交易流程，并引入配電網的潮流約束限制條件，將理論進一步貼合實際應用。 區塊鏈在分布式電力多邊交易中的運用值得深入研究，后續可能的方向包括：基于區塊鏈的分布式電力多邊交易最優規模研究，適用于分布式電力交易的區塊鏈共識機制設計等。