东南大学 王蓓蓓，李雅超等：基于区块链的分布式能源交易关键技术思考

研究背景

传统电力市场主体之间进行交易时，多采用集中式模式：发电商与用户将数据上传至中央处理系统，通过集中撮合或者优化等方法匹配发用电双方。但随着类型多、数量广的分布式能源的兴起，交易数量、规模以及信息数据随之增加，集中决策的方法会使得交易中心的运行成本变高同时耗时增长。如果交易中心内部暗箱操作或者遭受外部黑客攻击，交易的安全性和参与主体的隐私无法得到保证。在此背景下，分布式交易——具有参与者众多、单笔交易量小等特点的交易模式逐渐成为一种交易趋势。而分布式交易决策过程中缺少中心监管机制，如何对交易双方身份进行核实、校验信息来确保交易安全是亟待解决的问题。

作为一种去中心化的分布式记账系统，区块链技术凭借其分散化、匿名性、可靠性高等优点在分布式能源交易领域得到了广泛的研究。已有诸多学者探索分析了区块链技术应用至虚拟电厂、储能、电动汽车、辅助服务、大用户直购电等方面的可行性；设计了基于区块链技术的分布式能源交易架构及结算机制；借助区块链对电能进行监管与结算等。

中国的分布式发电市场化方兴未艾，因此全面总结区块链技术在分布式能源交易方面的应用，对消纳分布式能源、推动分布式交易模式的发展、降低交易成本、提高需求侧管理水平有着重要意义。

基于区块链的分布式能源交易模式及架构

现阶段基于区块链的电力交易模式的理论研究与设计，主要可以分为两类：一是研究个体间点对点交易，另一种是有中介优化处理的集中出清，如图1所示。基于区块链的点对点交易利用了区块链技术去中心化和去信任的特性：在进行此类交易时，只有发、用电两侧。交易前，双方约定好合约内容，无需第三方参加。基于区块链的集中出清需要借助区块链技术公开透明的特性：对于基于区块链的交易而言，需要有去中心化的交易平台将买卖双方的报价及需求聚集在一起进行撮合匹配，形成供需曲线后出清。

图1  点对点交易模式和集中出清模式

采用分布式交易模式的能源交易过程主要可以分为：信息发布、撮合、结算、存储等阶段。点对点与集中出清两种交易模式下，区块链等技术在各阶段实现的功能有所差异，如图2所示。

图2  基于区块链的分布式能源交易技术框架

基于区块链的分布式能源交易未来展望

3.1  基于区块链的交易工程实践现有瓶颈的解决途径

随着分布式能源交易规模逐渐增大，区块链有限的计算能力及响应速度，会使得交易吞吐量低，限制交易的速度。为解决这些问题，区块链开发人员主要从缩短交易达成共识时间、并行处理交易，或是将链上的计算任务转移到链下这几个方面来提高区块链的处理性能。

迄今为止，区块链技术在电力行业的工程实际应用仍集中于简单的买卖双方直接交易，考虑到现有区块链新技术的发展，如果要设计更复杂的实际交易，理论上可以从以下两点进行研究。

1）链下处理：在进行交易的最优化问题计算时，可将优化步骤放至链下，采用分布式优化算法进行求解。这这种情况下，链上只需判断交易是否可以达成以及记录达成交易后双方的能源及金额数量。

2）多链融合：分布式能源交易时，各主体可建立自己的私有链或者基于“第二层扩容”的子链，将撮合等交易过程放在子链中进行处理，结算时金融资产转移等安全级别较高的操作放在主链中。

3.2  区块链技术应用至分布式能源交易的挑战及可能的解决方法

结合现有的能源双边交易工程实践可知，基于区块链的分布式能源交易需要进一步考虑物理模型的构建、智能合约的安全可靠性等方面的问题。

1）区块链技术难以处理复杂的物理逻辑。现阶段由于技术壁垒，电力交易时潮流越限、线路阻塞、电压调整等因素尚未能充分考虑，其解决途径可以选择继续探索计及物理拓扑约束的分布式出清方法，也可以将链下物理约束校验与链上出清相结合。前者的优点在于保证了各交易参与方的信息安全性，但数据交互复杂度过高，处理效率取决于区块链技术的发展速度；后者的优点在于将部分交易过程移到链下可以极大地加快链上处理速度，但链上与链下的信息接口的设计，以及链下的数据存储安全问题也是需要进一步考虑。

2）区块链技术的安全性需要关注。保障交易的安全可靠是目前人们使用区块链中智能合约的主要需求之一，但如果在区块链上部署的交易智能合约出现编码错误，通常很难执行回滚或分叉。尽管人工审计在一定程度上减少了智能合约的漏洞，但所需的人力物力成本过高。考虑到新兴发展的人工智能可以跟踪学习，自动选择启发式策略。因此，在未来的发展中可以将区块链与人工智能相结合，采用各种人工智能技术来协助区块链中智能合约的编写与测试。

3.3   应用领域的扩展

1）赋能电力物联网：鉴于电力物联网的核心技术——分布式互联网+与区块链的特性相契合，借助区块链去中心化的架构可以改变电力物联网原有的中心结构，大大减小中心机构的计算压力。同时具有存储功能以及不可篡改特性的区块链，可以记录下电力物联网的终端设备，例如智能电表采集的发用电真实数据，在结算环节进行验证以保证交易公平性。

2）支撑泛在电力物联网：为了维持电网的稳定运行、改善服务质量，国网提出了承载电力系统数据信息流的泛在电力物联网。相较于电力物联网，其更侧重于为用户提供信息服务。考虑到用户希望获得更多的电网知情权，将区块链与泛在电力物联网相结合来，保障网络信息公开透明，使得参与泛在电力物联网建设的用户可以共享网络中的数据信息，进而调整自己的发用电方案。

3.4 推进区块链技术在中国分布式能源交易的应用建议

中国结合区块链技术的分布式能源交易项目尚处于初期建设阶段，结合现有的理论依据以及国内外的实践工程，可以从以下几方面进一步拓展应用。

1）亟需智能家庭、智能建筑等技术创新

推动以家庭为单位的基于区块链技术的分布式能源项目建设。采用与区块链相连的智能电能表记录家庭电器、光伏电池等之间的电力流动，对于生产出的多余电力，既可以出售给邻近电力用户，实现家庭用户之间进行电能互济，引导用户积极参与清洁电能的生产，进一步地减少分布式电力对电网的波动，也可以出售给电网。与区块链相连的电网获得多余的电力及数据后，在链下对订单进行撮合匹配，将电力卖给其他用户（如图3所示）。

图3  结合区块链的智能家庭用电

2）综合能源系统协调优化

构建一个基于区块链的综合能源系统交易平台，实现多系统之间的优化调度，如图4所示。电、热、气各系统将能源产量及价格等数据上传至区块链，使信息在所有系统之间进行传递。同时区块链平台替代调度机构统一协调管控三个系统的运行。为了加快调度速度，可以在链上采用分片技术来并行处理。各系统在进行自决策优化时，也可参考其他系统的信息进行决策调整。

图4  基于区块链的综合能源系统

结语

总的来说，随着大规模可再生能源、电动汽车、储能装置及柔性负荷的快速发展，分布式能源符合中国电力市场的发展需求与方向，逐渐成为主要的发电能源。区块链技术作为一种新兴的去中心化数据管理技术手段，其应用受到各行各业的关注，但目前国内对电力区块链的应用尚未成熟。因此，迫切需要开展基于区块链技术的分布式能源交易管理及规划关键技术研究，提出适应分布式能源高效、经济利用的优化规划和并网设计方法。在此基础上应用区块链技术提高电力交易和管理的效率，提升区域分布式能源运行管理的自治化水平，提高运营经济效益。