傳統(tǒng)能源交易主要是一種集中式優(yōu)化決策的資源配置方式，具有成本高、易受攻擊且用戶隱私難以保障的缺點(diǎn)。能源互聯(lián)網(wǎng)是一種泛能源系統(tǒng)，在開(kāi)放互聯(lián)、以用戶為中心和分布式對(duì)等共享等新內(nèi)涵的引導(dǎo)下，其能源交易將趨向主體多元化，商品多樣化，決策分散化，信息透明化，交易即時(shí)化，同時(shí)也將呈現(xiàn)能量流、信息流與價(jià)值流“三流”大融合的趨勢(shì)。在現(xiàn)有集中式交易模式下，能源交易需要大量的第三方管理機(jī)構(gòu)來(lái)構(gòu)建和維護(hù)交易信用，產(chǎn)生了不必要的高額成本。因此，為促進(jìn)能源互聯(lián)網(wǎng)下能源系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展，需對(duì)現(xiàn)有能源交易模式進(jìn)行變革，實(shí)現(xiàn)分布式市場(chǎng)模式取代集中式管理模式的變革。在分布式能源交易模式下，能源交易市場(chǎng)的參與者是對(duì)等的、分散的，且多種能源協(xié)同自治，無(wú)需第三方信任機(jī)構(gòu)。區(qū)塊鏈技術(shù)由于其公平、透明及去中心化的特點(diǎn)，在分布式能源交易中將會(huì)有十分廣闊的應(yīng)用前景。
目前，區(qū)塊鏈的應(yīng)用場(chǎng)景已從最初的金融領(lǐng)域[1-3]向醫(yī)療[4-5]、物聯(lián)網(wǎng)[6-8]、物流[9]等領(lǐng)域延拓,在能源領(lǐng)域也開(kāi)始嶄露頭角。然而，目前對(duì)于區(qū)塊鏈在能源交易領(lǐng)域的應(yīng)用研究較少。文獻(xiàn)[10]將多簽名技術(shù)、區(qū)塊鏈以及匿名信息流應(yīng)用在分布式能源交易中，提出了在分布式智能電網(wǎng)中，第三方不受信賴時(shí)保證交易安全的解決方案；文獻(xiàn)[11]研究在住房社會(huì)環(huán)境(housing society environment)下，作為區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)的智能設(shè)備(smart device)充當(dāng)電力交易者，通過(guò)智能合約等技術(shù)自動(dòng)完成設(shè)備到設(shè)備(device-to-device)的電力交易。這些研究都探討了區(qū)塊鏈技術(shù)在能源交易中的應(yīng)用，但僅僅是通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電力交易，且將電力看作一般商品，并未考慮到能源商品的特殊性。此外,大多文獻(xiàn)僅對(duì)交易流程進(jìn)行探索,對(duì)能源交易系統(tǒng)的研究卻很少，不足以解決能源交易的實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題。

因此，本文基于現(xiàn)有研究提出一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的3層能源交易架構(gòu)，并對(duì)區(qū)塊鏈、智能合約等關(guān)鍵技術(shù)在架構(gòu)中的應(yīng)用進(jìn)行分析。同時(shí)，能源的特殊性決定能源交易離不開(kāi)一定的監(jiān)管。因此，本文在分布式交易的基礎(chǔ)上，引入弱中心化的管理方式，將弱中心機(jī)構(gòu)作為區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)特殊節(jié)點(diǎn)，對(duì)參與能源交易的主體、交易活動(dòng)等進(jìn)行必要的監(jiān)管，保證交易的順利進(jìn)行。最后，分析基于區(qū)塊鏈的能源交易應(yīng)用面臨的問(wèn)題及挑戰(zhàn)。

1、能源交易的特點(diǎn)

1.1 傳統(tǒng)能源交易

能源是推進(jìn)社會(huì)發(fā)展的動(dòng)力，關(guān)乎國(guó)計(jì)民生，能源問(wèn)題一直以來(lái)也都是關(guān)注的焦點(diǎn)。目前來(lái)說(shuō)，我國(guó)傳統(tǒng)的能源交易模式以交易所交易為主，同時(shí)發(fā)展場(chǎng)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進(jìn)行規(guī)劃和管理，負(fù)責(zé)能源系統(tǒng)的整體平衡，同時(shí)需要大量的第三方機(jī)構(gòu)來(lái)保障交易的安全可信，諸如評(píng)級(jí)、保險(xiǎn)、信托和融資租賃公司等，產(chǎn)生了昂貴的第三方成本。而且中心機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)需要時(shí)刻進(jìn)行維護(hù)，存在較大的人力和物力資源消耗。其次，在交易清算的過(guò)程中，中心機(jī)構(gòu)要與銀行等第三方金融機(jī)構(gòu)進(jìn)行頻繁的信息校對(duì)，時(shí)間成本也較高，不利于能源互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行高效的實(shí)時(shí)交易。并且，從信息安全角度上來(lái)說(shuō)，掌握市場(chǎng)的所有交易信息的中心機(jī)構(gòu)一方面容易受到內(nèi)、外部攻擊，造成數(shù)據(jù)丟失或被篡改的可能性較高；另一方面，中心機(jī)構(gòu)掌握了全局信息，用戶隱私難以保障，且交易信息的不對(duì)稱也使得損害參與者利益的情況時(shí)有發(fā)生。

場(chǎng)外交易，又稱雙邊交易，是指在交易所以外通過(guò)電話和計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聯(lián)系，由買(mǎi)賣雙方協(xié)商議價(jià)完成交易。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外有影響的OTC市場(chǎng)有中國(guó)天交所、美國(guó)的納斯達(dá)克(national association of securities deal automated quotations，NASDAQ)、英國(guó)的替代投資市場(chǎng)(alternative investment market，AIM)、法國(guó)店頭市場(chǎng)和韓國(guó)店頭市場(chǎng)等。

通常來(lái)說(shuō)，OTC市場(chǎng)交易沒(méi)有固定的交易場(chǎng)所，特別是在現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下，交易方利用網(wǎng)絡(luò)終端即可完成交易，為用戶廣泛參與市場(chǎng)提供了機(jī)會(huì)。其次，現(xiàn)代OTC交易方式較靈活，交易基本上是投資者與做市商之間、做市商與做市商之間的直接交易，價(jià)格中不包含交易傭金。交易也沒(méi)有數(shù)量和單位限制，既可以進(jìn)行零星交易也可以進(jìn)行大額交易。除此而外，場(chǎng)外交易的市場(chǎng)參與者也沒(méi)有限制，可以是機(jī)構(gòu)，也可以是個(gè)人，各種不同的參與者形成一種廣泛的綜合交易關(guān)系。

然而，OTC模式也存在著缺陷，其中最主要的就是信用風(fēng)險(xiǎn)和額外成本。在OTC下，考慮到存在大量中小型交易方，引入了做市商制，由做市商代理賣方與買(mǎi)方進(jìn)行交易，為改善市場(chǎng)流動(dòng)性提供了解決辦法，然而由做市商制度產(chǎn)生的問(wèn)題同樣不容忽視。首先，由于做市商獨(dú)特的市場(chǎng)組織者身份，其在提供流動(dòng)性的同時(shí)，也需要從其設(shè)定的買(mǎi)賣報(bào)價(jià)價(jià)差中得到一定的補(bǔ)償，以彌補(bǔ)交易成本和損失，使得交易增加了額外的市場(chǎng)成本。同時(shí)，買(mǎi)賣報(bào)價(jià)價(jià)差來(lái)源于信息不對(duì)稱，那么當(dāng)信息的不對(duì)稱程度加大時(shí)就可能使得市場(chǎng)失效，交易雙方需要承擔(dān)較大的風(fēng)險(xiǎn)，1994年美國(guó)“價(jià)差門(mén)”丑聞便是一個(gè)實(shí)例。

綜上，在傳統(tǒng)的集中式交易中交易所對(duì)能源交易進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃、協(xié)調(diào)和管理，起到了極其重要的作用，但是構(gòu)建和維護(hù)中心機(jī)構(gòu)的信任所造成的高額運(yùn)行成本以及安全泄密等問(wèn)題也阻礙著能源行業(yè)的變革，不利于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，而OTC交易縱然靈活方便，卻存在較大的信用風(fēng)險(xiǎn)和額外成本。

1.2 能源互聯(lián)網(wǎng)中的新型能源交易模式

未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)將覆蓋海量用戶，用戶既是生產(chǎn)者也是消費(fèi)者，即所謂的“產(chǎn)消者”。同時(shí)，能源交易將會(huì)呈現(xiàn)主體多元化、商品多樣化、決策分散化、信息透明化、時(shí)間即時(shí)化、管理市場(chǎng)化和約束層次化的特點(diǎn)[12]。此外，能源互聯(lián)網(wǎng)在傳統(tǒng)能源網(wǎng)的基礎(chǔ)上引入了互聯(lián)網(wǎng)理念，將使得能源系統(tǒng)的面貌煥然一新，具有開(kāi)放互聯(lián)、以用戶為中心和分布式對(duì)等共享等新內(nèi)涵[13]。再結(jié)合里夫金提出的能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)當(dāng)包含的五大主要內(nèi)涵[14]，有理由相信分布式能源的大規(guī)模接入和居民用戶的廣泛參與將會(huì)強(qiáng)力重塑原有的能源市場(chǎng)。

在傳統(tǒng)能源系統(tǒng)中，不同能源行業(yè)相對(duì)封閉，互聯(lián)程度有限，同時(shí)不同能源系統(tǒng)也大都孤立規(guī)劃和運(yùn)行，造成了能效不高和可再生能源的消納程度難以提升的困境。而能源互聯(lián)網(wǎng)將打破不同能源系統(tǒng)間的壁壘，同時(shí)大量接入風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能、地?zé)崮堋⑸锬艿榷喾N分布式可再生能源，利用包括新型發(fā)電技術(shù)和儲(chǔ)能技術(shù)等在內(nèi)的多種先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電、熱、冷、氣、油、交通等多個(gè)系統(tǒng)的互聯(lián)交匯，實(shí)現(xiàn)多能源綜合利用，形成開(kāi)放互聯(lián)的綜合能源系統(tǒng)。但能源系統(tǒng)離不開(kāi)頻繁的能源交易，而要在能源互聯(lián)網(wǎng)這樣龐大系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多方主體自動(dòng)、可信、準(zhǔn)確、平衡、實(shí)時(shí)的交易，推動(dòng)大范圍的資源動(dòng)態(tài)平衡，滿足供需雙方快速、高效、安全的能源交易是重要挑戰(zhàn)。為此期望出現(xiàn)一種新的模式，使得供需雙方能夠直接溝通并確定交易意向，進(jìn)行靈活的能源交易，且無(wú)需中心機(jī)構(gòu)。

在新的能源交易模式下，不同于傳統(tǒng)能源系統(tǒng)中大多數(shù)用戶僅為生產(chǎn)、生活而進(jìn)行購(gòu)電，每一位用戶都有同等的機(jī)會(huì)來(lái)廣泛參與到能源市場(chǎng)當(dāng)中。在參與的過(guò)程中，居民用戶不僅僅扮演著能源消費(fèi)者的角色，也通過(guò)管理各自擁有的分布式發(fā)電機(jī)組(以光伏發(fā)電為主)、分布式能源儲(chǔ)備設(shè)施和分布式負(fù)載等智能設(shè)備來(lái)充當(dāng)能源供給者，將過(guò)剩的電力直接出售給其他居民用戶和電力公司，或通過(guò)能源轉(zhuǎn)換裝置將電能轉(zhuǎn)換為天然氣中的化學(xué)能，而后再利用、存儲(chǔ)或出售。同時(shí)，用戶還可以通過(guò)“眾籌”的方式參與能源投資，在實(shí)現(xiàn)自身盈利的同時(shí)又能擴(kuò)大能源產(chǎn)業(yè)的資金來(lái)源。

當(dāng)然，這種直接的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)新能源交易模式也面臨著一些問(wèn)題，是實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)新型能源交易落地的挑戰(zhàn)之一。這些問(wèn)題與挑戰(zhàn)如下：(1)新能源交易模式需要解決或減輕構(gòu)建數(shù)據(jù)中心帶來(lái)的成本和信任問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)交易記錄、賬戶身份等機(jī)密數(shù)據(jù)信息的安全存儲(chǔ)，同時(shí)，能源交易過(guò)程中的數(shù)據(jù)真?zhèn)巍?lái)源驗(yàn)證以及身份安全也是需要解決的難點(diǎn)；(2)傳統(tǒng)的中心化決策往往無(wú)法杜絕中心主體從自身利益出發(fā)，濫用決策權(quán)限，損害其他主體的利益，而分布式?jīng)Q策又會(huì)因?yàn)榇罅磕茉椿ヂ?lián)網(wǎng)主體之間直接進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交互，從而造成共識(shí)效率低下、死循環(huán)無(wú)共識(shí)，在新模式中難以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化決策等后果；(3)在缺乏中心機(jī)構(gòu)監(jiān)管的情況下，需要解決相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的確定問(wèn)題，如分布式能源發(fā)電和儲(chǔ)能設(shè)備的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)和安全要求等。

目前，針對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)中新能源交易模式提出了能源路由器[15]和虛擬電廠(virtual power plant,VPP)[16]等方案，解決了部分問(wèn)題，但其缺陷也十分明顯。其中，前者是以能源路由器為基本節(jié)點(diǎn)，連接分布式能源和負(fù)荷，在一定的協(xié)調(diào)控制下構(gòu)建能源局域網(wǎng)，然后通過(guò)大電網(wǎng)與其他能源路由器或能源局域網(wǎng)連接。因此，在能源互聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模分布式電源接入和能源共享的情況下，這種方式需要部署大量的路由器節(jié)點(diǎn)，以滿足海量的數(shù)據(jù)信息交流和即時(shí)交易，存在較大的成本，同時(shí)約定交易的執(zhí)行由能源路由器的購(gòu)、售電交易模塊來(lái)負(fù)責(zé)，可信賴程度難以保障。而后者提出了通過(guò)虛擬電廠廣泛聚合分布式能源、需求響應(yīng)、分布式儲(chǔ)能等，進(jìn)行集中管理和統(tǒng)一調(diào)度。然而缺乏公平可信、成本低廉的交易平臺(tái)，導(dǎo)致VPP之間和VPP與用戶之間的交易成本高昂，且在缺乏透明的信息平臺(tái)下，分布式電源需要承擔(dān)額外的信用成本來(lái)選擇合適的VPP[17]。與這兩者相比，區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心化的低成本信任、公開(kāi)透明和信息不可篡改等特點(diǎn)，能為能源交易提供一個(gè)無(wú)中心定價(jià)，交易執(zhí)行受一定程度的監(jiān)督，又保證用戶信息隱私的自由交易系統(tǒng)。

2、基于區(qū)塊鏈的能源交易系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 能源交易系統(tǒng)架構(gòu)

能源互聯(lián)網(wǎng)力圖促進(jìn)電、熱、氣以及電氣化交通等多種能源系統(tǒng)的高效融合和開(kāi)放互聯(lián)，因此需要一個(gè)能實(shí)現(xiàn)各種能源自由交易的綜合能源交易平臺(tái)。結(jié)合前文的分析，本文提出一個(gè)基于區(qū)塊鏈并結(jié)合智能合約的能源交易系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示。能源交易系統(tǒng)由交易層、擴(kuò)展層和區(qū)塊鏈層組成，其中區(qū)塊鏈層是架構(gòu)的底層基礎(chǔ)，同時(shí)交易層在擴(kuò)展層的技術(shù)支持下完成多系統(tǒng)間的能源交易。

交易層包含電力系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)、燃?xì)庀到y(tǒng)和交通系統(tǒng)等在內(nèi)的多個(gè)系統(tǒng)，各系統(tǒng)耦合互聯(lián)，形成混合能源系統(tǒng)。在能源互聯(lián)網(wǎng)下，交易主體包括發(fā)電廠、電力公司、分布式能源生產(chǎn)者、智能家庭(產(chǎn)消者)以及其他能源(煤炭、天然氣、石油等)持有者。各主體在該層發(fā)起和完成能源交易，將達(dá)成的交易數(shù)據(jù)送到擴(kuò)展層，形成智能合約，并經(jīng)過(guò)弱中心化管理形成可行的交易，最后將相關(guān)數(shù)據(jù)存入?yún)^(qū)塊鏈層。

擴(kuò)展層有2項(xiàng)功能，即智能合約和弱中心化管理。交易主體通過(guò)協(xié)商，達(dá)成交易意向，并形成智能合約，合約經(jīng)過(guò)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)(peer to peer，P2P)廣播到區(qū)塊鏈的每個(gè)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)合約的執(zhí)行條件達(dá)到時(shí)，合約自動(dòng)執(zhí)行，提高交易效率。同時(shí)，能源不同于一般的商品，在交易時(shí)離不開(kāi)必要的管理，如為了保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行，一些全局信息必須由中心機(jī)構(gòu)掌握并作出判斷，并對(duì)電力交易進(jìn)行協(xié)調(diào)；當(dāng)交易出現(xiàn)糾紛時(shí)僅靠系統(tǒng)自身和智能合約的強(qiáng)制執(zhí)行很難完全解決問(wèn)題；相關(guān)交易準(zhǔn)則以及設(shè)備安全標(biāo)準(zhǔn)需要由監(jiān)管者制定等。因此，對(duì)能源交易進(jìn)行管理是必不可少的，為此本文引入了“弱中心化”的概念。

區(qū)塊鏈層是交易架構(gòu)的底層技術(shù)基礎(chǔ)，由P2P網(wǎng)絡(luò)和區(qū)塊鏈存儲(chǔ)設(shè)備組成。區(qū)塊鏈層擁有大量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是區(qū)塊鏈的存儲(chǔ)點(diǎn)，擁有各自的存儲(chǔ)設(shè)備，節(jié)點(diǎn)地位均對(duì)等且以扁平式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相互連通和交互，組成P2P網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)均承擔(dān)了網(wǎng)絡(luò)路由，驗(yàn)證和傳播區(qū)塊數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)記錄，發(fā)現(xiàn)新節(jié)點(diǎn)等功能，且節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)自身情況決定加入或退出網(wǎng)絡(luò)。

區(qū)塊鏈層的加入將區(qū)塊鏈技術(shù)引入能源互聯(lián)網(wǎng)的能源交易當(dāng)中，建立了以P2P網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的去中心化的全新體系。當(dāng)然，在一個(gè)P2P形式的網(wǎng)絡(luò)中完成陌生人之間的交易，其最大問(wèn)題就是如何達(dá)成互信。傳統(tǒng)的中心化體系通常需要信用中介來(lái)集中解決信任問(wèn)題，而區(qū)塊鏈技術(shù)本質(zhì)上是交易各方建立信任機(jī)制的一個(gè)數(shù)字解決方案，通過(guò)分布式的數(shù)據(jù)區(qū)塊存儲(chǔ)形成分布式記賬系統(tǒng)，取代對(duì)信用中介的依賴，將所有數(shù)據(jù)記錄在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上，數(shù)據(jù)的變更需要所有節(jié)點(diǎn)同時(shí)確認(rèn)。在此數(shù)學(xué)方案建立的信任機(jī)制下，任何人都可以加入一個(gè)公開(kāi)透明的網(wǎng)絡(luò)，成為該網(wǎng)絡(luò)上交易的見(jiàn)證者，而網(wǎng)絡(luò)中任何節(jié)點(diǎn)間都可以直接進(jìn)行交易，由全體節(jié)點(diǎn)進(jìn)行共識(shí)檢驗(yàn)，而不需要中間方的信用積累。同時(shí)所有的交易記錄、歷史數(shù)據(jù)等都以分布式進(jìn)行冗余存儲(chǔ)，并通過(guò)密碼學(xué)協(xié)議進(jìn)一步保證其難以被篡改。

交易過(guò)程中，參與者經(jīng)過(guò)博弈達(dá)成雙邊或多邊交易后，自動(dòng)生成智能合約。智能合約應(yīng)具有交易各方身份、能源額度、價(jià)格、交易時(shí)間、違約金額等屬性。同時(shí)，交易雙方分別用私鑰進(jìn)行簽名，以確保合約的有效性。交易智能合約締結(jié)完成后，將向區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)公布，而后節(jié)點(diǎn)將一段時(shí)間內(nèi)收到的交易智能合約打包成區(qū)塊，并繼續(xù)向全網(wǎng)廣播，最終所有節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)記賬權(quán)，獲得記賬權(quán)的節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將區(qū)塊放進(jìn)區(qū)塊鏈存儲(chǔ)，并繼續(xù)接受后來(lái)的區(qū)塊。在此過(guò)程中，弱中心化機(jī)構(gòu)對(duì)每一筆交易進(jìn)行校核，并時(shí)刻準(zhǔn)備終止非法交易。

2.2 能源互聯(lián)網(wǎng)下的綜合能源交易服務(wù)類型

本文所提及的能源交易是一個(gè)相對(duì)完備的綜合交易，包括電力交易、一次能源交易和電力輔助服務(wù)交易，如圖2所示。在進(jìn)行綜合能源交易時(shí)，區(qū)塊鏈能夠記錄各能源系統(tǒng)之間的交易價(jià)格信息并在各節(jié)點(diǎn)共享，并在此基礎(chǔ)上實(shí)時(shí)生成各地區(qū)各類能源的邊際價(jià)格；不同能源系統(tǒng)可以通過(guò)區(qū)塊鏈中的邊際價(jià)格信息對(duì)自身系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化，或通過(guò)簽署智能合約，根據(jù)邊際價(jià)格信息執(zhí)行自動(dòng)調(diào)度指令，并且根據(jù)邊際價(jià)格信息進(jìn)行能量費(fèi)用結(jié)算。

電力作為能源的組成部分，是現(xiàn)代化生活的重要體現(xiàn)，對(duì)生產(chǎn)和居民生活的影響越來(lái)越大。在我國(guó)能源消費(fèi)總量控制，能源安全與生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益突出的形勢(shì)下，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)和實(shí)現(xiàn)低碳生活，都離不開(kāi)電力行業(yè)的參與。可以說(shuō)，以電力為中心，是轉(zhuǎn)變能源發(fā)展方式，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要支點(diǎn)，有利于加快構(gòu)建安全、集約、清潔、高效、多元的能源供應(yīng)保障體系。此外，伴隨著“電轉(zhuǎn)氣”等技術(shù)的出現(xiàn)，使得電能作為能源轉(zhuǎn)換的樞紐，將電能轉(zhuǎn)換為天然氣中的化學(xué)能成為可能，且能極大地提高能源互聯(lián)網(wǎng)中各能源系統(tǒng)的聯(lián)系。因此，在新能源技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)和輸電技術(shù)等極其先進(jìn)的能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的引領(lǐng)下，以可再生能源發(fā)電為主的分布式新能源發(fā)電成為未來(lái)電力的一大來(lái)源，電力交易也將成為能源交易的主力，并呈現(xiàn)分布式與集中式發(fā)電并存的局面。

此外，能源交易不可能獨(dú)有電力的參與，而且可再生能源短期內(nèi)難以完全取代傳統(tǒng)能源，再加上“電轉(zhuǎn)氣”等技術(shù)的出現(xiàn)以及天然氣的優(yōu)良特性，發(fā)電企業(yè)和家庭用戶可將剩余電力經(jīng)轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為方便儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)奶烊粴猓⑥D(zhuǎn)售給其他交易方，在實(shí)現(xiàn)收益的同時(shí)減輕電源儲(chǔ)電負(fù)擔(dān)，因此以煤炭、石油和天然氣為主的一次能源交易也是不可或缺的一部分。

電力輔助服務(wù)是保障電能安全傳輸以及電力交易順利完成的基礎(chǔ)，在綜合能源交易中電力輔助服務(wù)交易也是交易的重點(diǎn)。任何電力輔助服務(wù)的調(diào)用都將作用于整個(gè)電網(wǎng)，而不僅僅作用于某個(gè)節(jié)點(diǎn)。所以，獨(dú)立調(diào)度員或電網(wǎng)公司所購(gòu)入的輔助服務(wù)不可能恰好滿足各個(gè)用戶對(duì)電網(wǎng)可靠性的要求。為了滿足高可靠性要求用戶的需求，電網(wǎng)公司必須購(gòu)入相對(duì)較多的輔助服務(wù)，而對(duì)于低可靠性要求的用戶而言，購(gòu)買(mǎi)這些輔助服務(wù)將會(huì)導(dǎo)致相對(duì)過(guò)高的可靠性，產(chǎn)生不必要的浪費(fèi)。此外，由于大量分布式發(fā)電資源的接入以及用戶家庭電源的廣泛參與，能源互聯(lián)網(wǎng)的電力輔助服務(wù)不同于傳統(tǒng)電網(wǎng)，將出現(xiàn)分布式發(fā)電輔助服務(wù)。區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)恰好能為電力輔助服務(wù)提供個(gè)性化的解決方案，能按照受益與擔(dān)責(zé)平衡的原則，充分利用區(qū)塊鏈能源交易網(wǎng)絡(luò)的市場(chǎng)化功能，發(fā)揮各類型發(fā)電企業(yè)和電力用戶的調(diào)節(jié)性能(電動(dòng)汽車和家庭儲(chǔ)能電源的充放電等)，由用戶結(jié)合自身負(fù)荷特性，自愿選擇與發(fā)電企業(yè)或電網(wǎng)企業(yè)簽訂協(xié)議，約定各自的輔助服務(wù)權(quán)利與義務(wù)，構(gòu)建電力用戶參與的輔助服務(wù)分擔(dān)共享機(jī)制，實(shí)現(xiàn)電力輔助服務(wù)的市場(chǎng)化交易。同時(shí)，區(qū)塊鏈技術(shù)通過(guò)保證信息的可靠性、透明性和共享性，使各節(jié)點(diǎn)共享電力的價(jià)格和供需信息，交易參與者能夠根據(jù)這些信息自主確定發(fā)出電力或購(gòu)買(mǎi)電力，也可實(shí)現(xiàn)電力的自動(dòng)調(diào)度。

2.3 基于區(qū)塊鏈的智能合約執(zhí)行機(jī)制

智能合約(smart contract)于1994年首次提出[19]。該概念提出后，因缺乏完全獨(dú)立的平臺(tái)來(lái)執(zhí)行合約而處于被埋沒(méi)的狀態(tài)。區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)為智能合約運(yùn)行提供了理想的平臺(tái)，而基于區(qū)塊鏈的智能合約賦予了智能合約新的定義，使得智能合約具有區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的一般特征，如分布式記錄、存儲(chǔ)和驗(yàn)證以及不可篡改和偽造等[18]。

通常來(lái)說(shuō)，基于區(qū)塊鏈的智能合約構(gòu)建及執(zhí)行步驟如圖3所示。首先，雙方或者多方根據(jù)需要，共同制定一份能源交易合約；之后，簽署合約的各方就合約內(nèi)容、違約條件、違約責(zé)任和外部核查數(shù)據(jù)源達(dá)成一致，必要時(shí)檢查和測(cè)試合約代碼無(wú)誤后，通過(guò)P2P網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)散至全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)并存儲(chǔ)；最后，當(dāng)各方按約定好的條件完成任務(wù)時(shí)，存儲(chǔ)于區(qū)塊鏈的智能合約自動(dòng)執(zhí)行。

同時(shí)，能源互聯(lián)網(wǎng)中能源交易涉及大量的能源主體，包括了大量?jī)?nèi)置先進(jìn)傳感器的智能設(shè)備，因此開(kāi)發(fā)一種運(yùn)用于能源交易的智能合約客戶端，且客戶端可根據(jù)需求嵌入任何交易系統(tǒng)以及參與交易的智能設(shè)備，對(duì)于提高交易效率，管理大量智能合約以及提升交易自動(dòng)化水平有著極大作用。交易雙方通過(guò)客戶端建立智能合約并發(fā)送至區(qū)塊鏈存儲(chǔ)并執(zhí)行，同時(shí)存入一定保證金。智能合約客戶端會(huì)定期檢查合約執(zhí)行狀態(tài)，逐條遍歷每個(gè)合約內(nèi)包含的狀態(tài)、事務(wù)以及觸發(fā)條件，并將條件滿足的事務(wù)推送到待驗(yàn)證的隊(duì)列中，等待節(jié)點(diǎn)共識(shí)。如果合約未能履行，違約者將不能拿回保證金，使得交易違約的成本遠(yuǎn)高于執(zhí)行合約的成本，以達(dá)到強(qiáng)制信任的目的。

在能源交易過(guò)程中，參與者經(jīng)過(guò)博弈達(dá)成雙邊和多邊交易后，平臺(tái)自動(dòng)生成智能合約，寫(xiě)入交易者身份、能源額度、價(jià)格、交易時(shí)間、違約金額等屬性，最后分別用私鑰進(jìn)行多重簽名，保證合約不可篡改。交易生成的智能合約不僅由代碼定義，還由代碼強(qiáng)制執(zhí)行，智能合約雙方無(wú)須彼此信任，也不需要信任中介的監(jiān)督，完全自動(dòng)且無(wú)法干預(yù)，降低了交易的額外成本。同時(shí)，智能合約一旦確定，其資金就按合約條款進(jìn)行分配，只有合約預(yù)先設(shè)定的條件滿足以后才可以使用這筆資金，在合約訂立期間及生效后，合約任意一方都不能控制或挪用資金，確保了其交易的安全性。此外，存儲(chǔ)于區(qū)塊鏈的智能合約由全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)保證其不可隨意被篡改，只有取得所有合約簽署方的同意后才可變更合約內(nèi)容。智能合約的加入使得交易具有分布式信任自治、公平公正、成本更低、效率高、不可篡改等優(yōu)勢(shì)。

2.4 弱中心化管理

在分布式能源交易中，能源市場(chǎng)的參與者可以自行達(dá)成交易，交易的博弈過(guò)程及信息管理和記錄也可以由交易的參與者完成。然而，能源交易與普通的商品交易不同。首先，能源具有不同的物理特性。舉例來(lái)說(shuō)，電能在電網(wǎng)上的流動(dòng)必須符合電學(xué)物理規(guī)律，不能簡(jiǎn)單地從一端到另一端任意支配，需要進(jìn)行阻塞管理，而缺乏中心化機(jī)構(gòu)的情況下各個(gè)節(jié)點(diǎn)難以自發(fā)進(jìn)行電力交易[20]，這與其他商品的物流通道有很大的不同；其次，能源是國(guó)家戰(zhàn)略資源，關(guān)系著國(guó)計(jì)民生，因此對(duì)能源市場(chǎng)參與者的準(zhǔn)入、退出及交易過(guò)程等采取一定的監(jiān)管措施是必不可少的；此外，當(dāng)交易出現(xiàn)糾紛時(shí)僅靠系統(tǒng)自身和智能合約的強(qiáng)制執(zhí)行很難完全解決問(wèn)題。因此，完全去中心化的交易體系并不適合能源系統(tǒng)，基于區(qū)塊鏈的能源交易進(jìn)行管理仍需要一定的監(jiān)管。

基于以上分析，本文引入了弱中心化機(jī)構(gòu)進(jìn)行必要管理。弱中心化是指能源交易博弈過(guò)程、能源價(jià)格的確定及交易記錄等都由參與節(jié)點(diǎn)自主完成，而弱中心機(jī)構(gòu)是區(qū)塊鏈交易網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)特殊節(jié)點(diǎn)，與其他節(jié)點(diǎn)相比，弱中心機(jī)構(gòu)擁有賬戶管理和交易監(jiān)督的權(quán)利，諸如交易資質(zhì)確認(rèn)及合約審查，但沒(méi)有修改權(quán)限，相關(guān)修改需取得節(jié)點(diǎn)共識(shí)。在這種模式下“中心機(jī)構(gòu)”雖然存在，但與傳統(tǒng)相比，其權(quán)力得到了限制。

交易系統(tǒng)的所有交易都要由弱中心機(jī)構(gòu)進(jìn)行校核，合法交易才能繼續(xù)廣播記錄，并由區(qū)塊鏈存儲(chǔ)交易合約。弱中心化的交易流程如圖4所示。以電力交易為例，電力交易中必須面對(duì)阻塞管理問(wèn)題。首先，電力交易參與者經(jīng)過(guò)多邊博弈達(dá)成交易，交易信息以智能合約的方式記錄，通過(guò)P2P網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)散至全網(wǎng)，由節(jié)點(diǎn)打包成區(qū)塊，并達(dá)成共識(shí)。然而達(dá)成的交易未必符合阻塞要求。因此，弱中心機(jī)構(gòu)對(duì)交易進(jìn)行校核，若校核不通過(guò)，則對(duì)交易進(jìn)行阻塞管理。阻塞管理的方法有多種，如果采用制定阻塞價(jià)格的方法，則交易的參與方重新進(jìn)行交易博弈，并校核交易，最后達(dá)成滿足線路潮流約束的交易，并將交易記錄在區(qū)塊鏈上；如果由弱中心機(jī)構(gòu)以交易調(diào)整量最小作為目標(biāo)函數(shù)，線路潮流為約束條件，對(duì)交易進(jìn)行調(diào)整，則調(diào)整后交易可直接記錄在區(qū)塊鏈上[20]。

同時(shí)，為確保能源市場(chǎng)的有序性，弱中心機(jī)構(gòu)需對(duì)用戶資質(zhì)進(jìn)行審核，包括持有能源種類、信用情況等，審核通過(guò)的用戶予以注冊(cè)，只有通過(guò)注冊(cè)的用戶才能參與能源交易，從而降低因匿名而導(dǎo)致違法犯罪行為發(fā)生的幾率。用戶通過(guò)審核后，中心機(jī)構(gòu)將注冊(cè)信息向全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)廣播，所有節(jié)點(diǎn)達(dá)成共識(shí)，賬戶注冊(cè)成功。當(dāng)用戶退出能源市場(chǎng)時(shí)，廣播退出通知，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)達(dá)成共識(shí)后，中心機(jī)構(gòu)及時(shí)注銷注冊(cè)信息。

在交易監(jiān)督方面，弱中心機(jī)構(gòu)的功能包括合法性監(jiān)督、爭(zhēng)端協(xié)調(diào)及處理用戶投訴等。合法性監(jiān)督包括對(duì)交易物理可行性和智能合約合法性的監(jiān)督，即交易的能源是否物理可達(dá)，交易本身是否合法。例如在電力交易中，監(jiān)督達(dá)成交易的電能傳輸是否符合物理要求，電力交易中是否存在違法行為等。用戶經(jīng)過(guò)多方博弈達(dá)成能源交易意向，交易信息以智能合約的方式記錄，通過(guò)P2P網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)散至全網(wǎng)，由節(jié)點(diǎn)打包成區(qū)塊，并達(dá)成共識(shí)。弱中心機(jī)構(gòu)可以審查各方達(dá)成的合約，當(dāng)合約不合法時(shí)，有權(quán)提請(qǐng)中止交易，并進(jìn)行信息備案來(lái)說(shuō)明相關(guān)原因，同時(shí)向其他節(jié)點(diǎn)公布。若交易合法，則由區(qū)塊鏈記錄交易信息，到達(dá)交易時(shí)間后，智能合約自動(dòng)執(zhí)行，完成能源交易。再者，弱中心機(jī)構(gòu)可以協(xié)調(diào)處理爭(zhēng)端，即當(dāng)交易出現(xiàn)爭(zhēng)端而智能合約無(wú)法解決時(shí)，充當(dāng)調(diào)停機(jī)構(gòu)，對(duì)爭(zhēng)端進(jìn)行仲裁。

3、問(wèn)題與挑戰(zhàn)

當(dāng)前，我國(guó)正在大力推行能源改革，提高可再生新能源的利用比例，逐步擺脫對(duì)以煤炭為主的傳統(tǒng)能源的依賴，促進(jìn)節(jié)能減排。本文在能源互聯(lián)網(wǎng)的框架下，提出基于區(qū)塊鏈的能源交易架構(gòu)，構(gòu)建一個(gè)自由的分布式交易市場(chǎng)，是對(duì)去中心化能源交易模式的一次大膽嘗試。然而，除去區(qū)塊鏈的技術(shù)缺陷[17]以及智能合約本身的一些問(wèn)題[21]，目前仍然存在一些需要解決的問(wèn)題。

(1)本文的能源交易模式下，必然涉及能源交易和電力輔助服務(wù)交易的市場(chǎng)化問(wèn)題，而我國(guó)的能源體制改革進(jìn)展緩慢，需要更多的緩沖期。其次，分布式能源的大規(guī)模接入對(duì)電網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生較大的影響，因此需要分布式電力輔助服務(wù)進(jìn)行平穩(wěn)，而當(dāng)前我國(guó)開(kāi)發(fā)分布式新能源的力度仍不夠，入網(wǎng)率也比較低，且針對(duì)分布式電力輔助服務(wù)的相關(guān)研究較少，缺乏足夠的理論和實(shí)踐依據(jù)。

(2)當(dāng)前，我國(guó)能源交易仍由國(guó)有企業(yè)管理和經(jīng)營(yíng)，而基于區(qū)塊鏈的分布式能源交易系統(tǒng)允許私人用戶直接進(jìn)行以電力為主的能源交易，不符合我國(guó)的國(guó)情，因此還需要政府深入討論可行的實(shí)施辦法，并頒布一系列的改革措施。

(3)區(qū)塊鏈與智能合約的結(jié)合一定程度上保證了能源交易的安全性，但能源需要經(jīng)過(guò)物理網(wǎng)絡(luò)從一端傳輸?shù)搅硪欢耍珉娏νㄟ^(guò)電網(wǎng)傳輸，天然氣經(jīng)過(guò)管道傳送等。在此過(guò)程中仍然存在一系列的人為操作，如何進(jìn)行信息的精確采集和上傳，保證人為操作過(guò)程中的能源交易的可靠性還需要深入探討。

(4)基于區(qū)塊鏈的能源交易平臺(tái)一旦進(jìn)行實(shí)際的市場(chǎng)運(yùn)作，分布式市場(chǎng)交易模式將極大增加系統(tǒng)調(diào)度的復(fù)雜性，同時(shí)能源系統(tǒng)將時(shí)刻進(jìn)行大量的能源交易，而能源隨著交易的達(dá)成經(jīng)傳輸網(wǎng)流通，對(duì)物理和信息通信傳輸網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力、穩(wěn)定能力和抗壓能力提出了很大的要求。

4、結(jié) 論

能源互聯(lián)網(wǎng)是多能源融合、信息物理融合和多市場(chǎng)融合的產(chǎn)物，將深刻影響未來(lái)的能源生產(chǎn)、傳輸、存儲(chǔ)和消費(fèi)各個(gè)環(huán)節(jié)，促進(jìn)產(chǎn)能、用能的高效化和清潔化。在這種龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)中，如何使豐富的分布式能源得到最優(yōu)化的資源配置，構(gòu)建以電力為主的包含多種能源的能源交易機(jī)制是一個(gè)值得深入分析的問(wèn)題。

區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)為能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和應(yīng)用提供了良好契機(jī)，其去中心化、開(kāi)放、自治和信息不可篡改等特性，成為構(gòu)建“價(jià)值能源互聯(lián)網(wǎng)”的基礎(chǔ)。本文通過(guò)引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)并結(jié)合智能合約，實(shí)現(xiàn)安全、可信和對(duì)等的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)能源交易，有效降低了成本，同時(shí)針對(duì)能源交易的特殊性，引入弱中心化的管理方式，確保能源市場(chǎng)的秩序以及交易的合法性。

然而就現(xiàn)狀來(lái)說(shuō)，能源互聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈和智能合約屬于技術(shù)研究的前沿，都存在一定的局限性，需要突破。因此，要實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)中“區(qū)塊鏈+智能合約”應(yīng)用的真正落地，還需要多方的共同努力。一方面，政府需要加快出臺(tái)扶持性政策方針，規(guī)范和鼓勵(lì)相關(guān)理論和技術(shù)的探索，培養(yǎng)相關(guān)人才，緊跟世界先進(jìn)水平。另一方面，專家學(xué)者要在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上加快步伐，努力攻克難關(guān)，力爭(zhēng)在相關(guān)領(lǐng)域占據(jù)更多的話語(yǔ)權(quán)。