基于區塊鏈的產消用戶端對端電能交易方法

胡 鈺，李華強，李山山，劉凱奇，陳 纓

（1. 四川大學電氣工程學院，四川 成都 610065；2. 國網四川綜合能源服務有限公司，四川 成都 610021）

0 引言

隨著新能源技術的發展與應用，當前電力系統中的供需界限逐漸模糊［1］，傳統的終端電能消費者可通過配置分布式發電設備向產消者轉變［2］。2017年10 月，國家能源局發布了《關于開展分布式發電市場化交易試點的通知》［3］，允許分布式電能生產者與電力消費者進行直接交易，由此明確了產消者可作為用戶側售電主體參與電力交易的地位。分布式電能交易具有市場多元性、廣泛競爭性等特征，若仍延續傳統的集中交易模式將存在以下問題：①產消者之間的交易通常單筆訂單規模較小，但交易主體數量眾多，海量化的交易信息導致集中式交易中心的運行效率較低；②中心化的數據庫存在數據安全風險，交易信息隱私性較低。在此背景下，端對端電能交易以其獨有優勢成為新的研究熱點，而針對具體交易技術與流程等內容提出兼顧高效性、安全性和公平性的解決方法更是成為其核心所在。

區塊鏈被認為是當前最具變革力的技術之一［4］，其具有的去中心化、高可靠性、匿名性［5］等特點恰好與產消用戶之間的電力交易訴求相契合。同時，區塊鏈技術保證了產消用戶可以在不知道對方真實身份的情況下快速建立信任，免除了傳統交易模式中由第三方機構提供信任背書的環節［6］，大幅降低了交易中的信任成本，為在產消用戶間開展結算方便、公開公正、信任成本低的端對端電能交易提供了可行的途徑。

近年來，區塊鏈技術在電力系統中的應用研究已有初步成果。文獻［7-8］研究了區塊鏈技術與能源交易領域的契合度和應用可行性；文獻［9-10］提出了弱中心化的電力交易方法，并對區塊鏈網絡的交易速度進行建模分析，研究了交易速度與區塊大小、節點個數、共識機制間的關系，但未設計與交易方法配套的智能合約，在實際區塊鏈平臺中部署運行具有一定的難度；文獻［11］設計了一種基于信用的記賬權競爭算法，使用戶信用值直接與經濟收益相關聯，以此激勵用戶保持良好的發用電行為；文獻［12］設計了基于區塊鏈激勵的光伏交易系統的智能合約，并在交易匹配與結算過程中引入交易意愿度與信用指標來遏制各節點的自利行為；文獻［13］提出使用雙鏈結構開展微電網間的電能交易，并在設計的智能合約中考慮電能傳輸損耗的影響，引入了電氣傳輸距離指標；文獻［14］提出了一種基于雙向拍賣機制的分布式電能競價方法，并設計了相關的智能合約。但文獻［11-14］僅著重于對交易競價及匹配機制、共識認證算法等方面的研究，未考慮安全約束等問題，產消用戶通過智能合約匹配的訂單可能受限于潮流約束而無法進行實際交割。因此，如何將交易機制與實際的物理網絡相結合仍有待研究。

基于上述問題，本文首先提出了基于區塊鏈的產消用戶端對端電能交易平臺的總體架構，并在交易機制中考慮網絡潮流約束，建立了基于功率傳輸分布因子（PTDF）的安全校驗及阻塞管理模型，以保證交易匹配結果可在網絡中進行實際交割。在區塊鏈共識機制方面，本文所提端對端電能交易方法不再通過傳統的用戶節點爭奪記賬權來進行新區塊的驗證，而是由能源服務商ESP（Energy Service Provider）充當平臺管理員的角色，在權威證明PoA（Proof of Authority）機制下與信任節點共同進行區塊的有效性驗證，并基于Shapley 值理論向各用戶收取一定的服務費。與已有共識模式相比，該機制的創新性在于避免了大量算力的消耗，提升了交易效率，并可根據ESP在交易中所做邊際貢獻明確其合理收益。然后基于該交易機制設計了基于以太坊平臺的端對端電能交易智能合約，產消用戶在該平臺上進行注冊后，即可根據自身的發用電情況調取相關智能合約參與交易。最后對智能合約進行了仿真測試，仿真結果驗證了所提方法可以實現產消用戶的端對端電能交易，并能實現ESP與用戶的合理獲利。

1 端對端電能交易模型及機制

1.1 總體架構

端對端電能交易平臺是建立在以太坊上，供一定區域內的產消用戶開展電能交易的開放平臺。以太坊作為交易平臺載體，具有開放、安全、高效等特點，可依托智能合約開發去中心化應用［15］。交易平臺的管理員為ESP，其作為平臺維護者，負責交易訂單的安全校驗與阻塞管理，同時還作為“礦工”，與信任節點共同驗證產生的所有交易信息，生成新區塊并將其添加到區塊鏈上。交易平臺的總體架構如圖1所示。端對端電能交易的運作流程如圖2所示。

圖1 端對端電能交易平臺的總體架構Fig.1 Overall architecture of peer-to-peer power trading platform

圖2 端對端電能交易的運作流程Fig.2 Operation process of peer-to-peer power trading

可將每個交易周期分為以下5個具體階段。

1）用戶信息更新階段。在每個交易周期開始時，ESP 將進行用戶信息更新，包括上一輪交易結束后各用戶的信譽值等。若有新的用戶加入，則在該階段將該用戶的外部賬戶地址加入交易合約中，從而授權該用戶參與端對端電能交易。

2）交易競價階段。產消用戶可在該階段根據自身的發用電情況上報交易訂單，參與端對端電能交易。平臺對收集的所有交易信息進行匹配，生成臨時交易訂單。

3）安全校驗階段。ESP 結合實際電力網絡的參數信息，對臨時交易訂單進行安全校驗，對未能通過安全校驗的臨時交易訂單進行阻塞管理，并將該結果視為最終的電力交易合約。

4）電力交割階段。各產消用戶根據電力交易合約進行實際的電力交割。在該過程中，智能合約將時刻與各產消用戶的智能電表數據產生信息交互，自動記錄用戶的實際電力交割數據。

5）結算階段。根據產消用戶的實際電力交割情況，評估各用戶的信譽值并對違約用戶收取一定的違約金。ESP 將按照服務費收取機制計算在本輪交易中產生的服務費并對所有用戶進行資金結算與代幣轉移。

下文將從交易競價及匹配策略、安全校驗、信譽值評估與服務費收取機制等方面對交易機制進行詳細闡述。

1.2 交易競價及匹配策略

針對產消用戶的交易競價階段，首先設定如下市場運營參數：pbuy.w、psell.w分別為產消用戶直接向電網購電、售電的價格。假設產消用戶均采取理性報價，則各產消用戶的報價均應在區間［psell.w，pbuy.w］內。將價格區間［psell.w，pbuy.w］進行m等分，則產消用戶在訂單上報時可以有m+1個意愿價格，如式（1）所示。

式中：r為產消用戶選擇的競價等級，r∈{0，1，…，m}；B(r)、S(r)分別為購電、售電用戶的報價。

可以看出：售電用戶選取的r值越大，則其報價S(r)越低，表明該用戶具有更強的售電需求；購電用戶選取的r值越大，則其報價B(r)越高，表明該用戶具有更強的購電需求。因此，競價等級r可以反映用戶電能交易的意愿強烈程度。

產消用戶上報的訂單信息可表示為：

訂單匹配策略包括以下3個階段。

1）供需匹配階段：各用戶上報的訂單按照“意愿價格、信譽值、上報時間”的優先級形成供需匹配隊列，并依次將位于隊列最前方的買賣訂單進行匹配，直至購電訂單報價低于售電訂單報價為止。成交價格采用買賣雙方的平均報價，即：

在匹配過程中，當出現購電、售電用戶雙方的待匹配電量不相等時，將按照二者上報電量的較小值作為匹配電量。此時必然有一方的電量交易需求被完全滿足，因此將該用戶退出匹配隊列，而另一方將按照上一輪匹配中的電量差值作為其新的待匹配電量，參與下一輪匹配。

2）電價協調階段：ESP 聲明供需匹配階段的平均成交價格，以此作為指導價格。未能匹配成功的用戶可在該階段修改報價并再次參與訂單匹配，其中售電用戶的報價需低于指導價格，購電用戶的報價需高于指導價格。

3）電量協調階段：將上一階段仍未成功匹配的電量直接與配電網售電商進行交易。

交易匹配時段結束后，智能合約將匹配得到的臨時交易電量矩陣和成交價格矩陣作為合約輸出，并記錄于區塊鏈中，以便在后續安全校驗及交易結算中調取使用。

1.3 安全校驗

通過交易競價階段形成的臨時交易訂單不一定符合實際的物理網絡約束，因此需要進行安全校驗。本文基于PTDF 建立了端對端電能交易的安全校驗模型。定義PTDF 為節點對之間的傳輸功率變化時引起的支路潮流變化量，常用作衡量線路阻塞情況的指標［16］。由于PTDF 只與網絡拓撲結構以及線路參數有關，在進行端對端電能交易時，網絡的PTDF通常不會改變，可認為其是一常數矩陣。因此，可預先計算網絡的PTDF 矩陣并將其儲存于智能合約中，從而大幅減少了安全校驗時的計算量，提高了校驗效率，同時也降低了對區塊鏈網絡服務器運行性能的要求，體現出與智能合約相契合的特性。安全校驗的具體步驟如下。

首先根據臨時交易訂單得到臨時交易電量矩陣Ttemp，如式（4）所示。

式中：n為產消用戶的數量；Qij為產消用戶i向產消用戶j出售的電量，且有Qij=-Qji。

由臨時交易電量矩陣可計算得到支路潮流功率向量Pbranch，如式（5）所示。

阻塞管理優化會使交易訂單數據發生變化，因此需將優化后的電量交易矩陣Tcon更新至區塊鏈平臺，并將其視為最終的電力交易合約，在電力交割與結算階段按照該電力交易合約執行。

1.4 信譽值評估模型

分布式發電具有一定的不確定性，在電力交割階段可能會出現產消用戶未完全按照合約內容進行發用電的情況，因此需對違約用戶進行一定的懲罰。若交易雙方中的一方因為另一方違背合約而共同產生偏差電量，則只對違約方進行懲罰，扣除其信譽值并收取違約金。信譽值評估機制的具體說明如下。

1）新用戶在注冊成功并加入交易平臺時，由ESP將其初始信譽值設置為100，并在每輪交易開始時將其余用戶的信譽值更新為上一輪交易時段信譽值評估后所得數值。

2）若用戶的實際發用電量與合約規定電量的偏差在一定的范圍內，則不扣除用戶的信譽值；否則，扣除用戶的信譽值。信譽值的計算公式為：

由式（8）可知：只有當用戶在本輪交易中未被扣除信譽值，即Ht i=100時，才不會承擔違約金；而存在違規行為被扣除信譽值的用戶均會承擔一定的違約金損失（該損失為懲罰電價與用戶發用電偏差量的乘積）。

另外，用戶的信譽值被扣除還將使得其在下一輪交易中的收益率有所降低：根據1.2 節中“意愿價格、信譽值、上報時間”的交易匹配優先級，當下一輪交易匹配中出現相同報價時，信譽值較低的用戶的匹配優先級較低。此時購電用戶匹配到的售電訂單報價更高，售電用戶匹配到的購電訂單報價更低。因此，違約用戶在下一輪交易中的收益率將不如具有相同報價且信譽值較高的用戶。

因此，利用信譽值對用戶的交易行為進行評估，可監督用戶嚴格按照合約內容完成交易，對用戶違規行為可以起到一定的約束作用。

1.5 基于Shapley值法的服務費收取機制

在基于區塊鏈的端對端電能交易中，ESP 負責交易平臺的運營維護，同時還負責交易訂單的安全校驗。因此，在每輪交易的結算階段，ESP 應向所有用戶收取服務費以作為自身的運營收益。

當用戶通過端對端電能交易購電時，與直接向電網購電相比可以節省一筆用能成本；當用戶通過端對端電能交易售電時，與直接向電網售電相比可以獲得更高的收益。因此，可將此差值定義為產消用戶在扣除服務費前的初始相對收益，見式（9）。

ESP 將基于Shapley 值理論，以一定的比例在每位用戶的初始相對收益中抽取服務費。Shapley 值法是一種從數學角度解決多方合作聯盟收益分攤問題的方法，該方法可使成員分配的收益等于自身對聯盟收益的邊際貢獻［17］，從而使收益分配更為合理。

假設n個產消用戶與ESP 構成的全體成員聯盟為I={1，2，…，n，ESP}，根據Shapley 值法，ESP 收取的總服務費為：

由式（9）和式（11）可知，聯盟的合作收益僅取決于用戶間進行交易的電量（以下稱為用戶群體成交電量）。用戶群體成交電量越多，則聯盟合作收益越高，而用戶直接與電網交易的電量所產生的相對收益為0。因此可將式（11）改寫為：

2 私有鏈搭建及智能合約設計

2.1 私有鏈搭建

在區塊鏈類型選擇上，由于私有鏈相較于公有鏈具備響應速度快、成本低、隱私性高等優點［18］，本文選擇私有鏈作為端對端電能交易平臺的底層技術，并將其搭建在以太坊節點客戶端上。私有鏈的搭建流程如圖3所示。

圖3 私有鏈的搭建流程Fig.3 Building process of private chain

在進行創世區塊文件的初始化時，本文選擇將節點共識機制設置為PoA。在該共識機制下，ESP將信譽良好且有意參與共識認證的用戶節點添加為信任節點，共同記賬并相互監督。共同記賬模式將大幅增強系統的公平性與安全性：因為即使存在惡意記賬節點，其最多只能攻擊X（X=Xd/2+1，Xd為記賬節點個數）個連續區塊中的1 個，期間還可以由其他記賬節點投票踢出該惡意節點。

同時，由于可以在創世區塊預設PoA 機制中新區塊的生成時間，在進行共識認證時并不需要消耗大量的算力資源，而是按照預設時間穩定出塊，因此與傳統的工作量證明機制相比，PoA 機制具有認證效率高、交易時延短、運行成本低等優點。

2.2 智能合約設計

智能合約作為以太坊的核心功能，是端對端電能交易模式在區塊鏈平臺上得以實現的最關鍵技術。智能合約實質上是一段圖靈完備、不可篡改的代碼程序［19］，該程序在編寫完成后，事先以數字化的形式寫入區塊鏈中，實現交易發起、匹配、信譽值評估、結算等一系列功能。

本文設計的端對端電能交易智能合約遵從如下原則：①任何注冊成功的產消用戶均可調用相關合約并參與拍賣；②智能合約應自動進行交易的匹配與結算，且數據公開、可追溯；③除了公開輔助合約可供全部節點隨意調用外，一些特定的功能性合約只能在規定時段由擁有權限的節點調用，以保證交易平臺的安全有序運行。

本文基于第1 節所述端對端電能交易機制，設計了如附錄A 圖A2所示的智能合約運作流程，并使用Solidity語言編寫5個主要的功能合約以及一系列輔助合約。產消用戶或ESP可在該交易平臺上調用相關智能合約進行交易操作。

1）用戶信息更新合約（_Begin）。在本輪交易時段開始時，ESP 將調用該合約進行用戶信息的更新，檢查各用戶在上一輪交易中是否已完成交易清算。若用戶存在欠費問題，則ESP將關閉其交易接口，該用戶無法在本輪交易中調取相關合約開展交易，直至欠費清繳為止；若有新用戶注冊成功，則ESP會將該用戶的賬戶地址添加至合約，通過關鍵字mapping與用戶編號建立映射，并將其初始信譽值設置為100，以便用戶開展后續交易。

2）交易訂單發布合約（_Order）。在交易競價階段開始時，交易平臺上的注冊用戶可調用_Order 合約發布購電／售電訂單。用戶在調用合約時需向合約地址繳納一筆保證金，以供交易結算時使用。定義購電／售電訂單信息為結構體類型，需包含用戶編號PID、報價pprice和交易電量Wamount，若Wamount＞0，則表示該訂單為購電訂單；否則表示該訂單為售電訂單。智能合約還會根據用戶編號自動讀取該用戶在上一輪交易結束時的信譽值，并且利用Solidity 內置變量nnow獲取當前訂單的時間戳，以供訂單匹配合約使用。

3）交易訂單匹配合約（_Measure）。該合約包含3 個功能函數，分別為供需匹配、電價協調、電量協調函數，各函數的具體功能參照1.2節中的匹配策略所述。由此得到本輪交易的臨時交易電量矩陣Ttemp。在ESP進行安全校驗后，該臨時交易電量矩陣還將被更新替換為交易合約矩陣Tcon。

4）信譽值評估合約（_Creditvalue）。在實際電力交割階段結束后，ESP 通過調用該合約更新各用戶的偏差電量數據，并結合Tcon進行用戶信譽值評估，對違約用戶扣除其信譽值并設置違約金PPD_price。

5）交易結算合約（_Settlement）。在交易結算階段，ESP 調用該合約計算在本輪交易中產生的服務費，得到各用戶與ESP最終的收入或支出金額，并返還全部用戶的保證金。若用戶被設置違約金，則應先在保證金中扣除違約金，之后再將剩余金額退回到用戶賬戶。

除此之外，該交易平臺還部署了一系列的公開輔助合約，例如供用戶查詢賬戶余額的合約（Con_Balance）、查詢賬戶交易記錄的合約（Con_Bill）等。該類公開輔助合約可供交易平臺上的節點在任意時段調用，從而滿足用戶一系列的個性化需求。

3 算例分析

3.1 算例設置

本文利用IDE-Remix 平臺及以太坊資產管理錢包Metamask 對2.2 節所述智能合約進行部署與測試，并在合約中添加8個虛擬賬戶模擬ESP與7位用戶的地址，智能合約部署界面和部署詳情分別見附錄A圖A3和圖A4。

為了驗證參與端對端電能交易的產消用戶的經濟效益，采用6 節點系統進行交易模擬，6 節點系統的網絡拓撲如附錄A 圖A5 所示，圖中A—G 為網絡中擁有分布式發電設備的產消用戶，W 為配電網售電商。設產消用戶直接向電網售電的價格psell.w=0.4 元／（kW·h），產消用戶直接向售電商購電的價格pbuy.w=1.2元／（kW·h）。設將價格區間［psell.w，pbuy.w］分為21 等份，各產消用戶調用_Order 合約上報的交易信息見附錄A 表A1，若交易電量不小于0，則為購電訂單；否則，為售電訂單。

3.2 交易流程分析

交易上報時間截止后，ESP調用_Measure合約進行訂單匹配，匹配結果如表1 所示，其中產消用戶E未能成功匹配的部分電量視為從配電網售電商處購買。

表1 交易匹配結果Table 1 Matching results of trading

ESP 對匹配的臨時交易訂單進行安全校驗，安全校驗結果如表2所示。由表可知，線路2-5的實際傳輸功率超過了傳輸容量裕度，需進行阻塞管理以消除潮流越限。根據式（6）進行阻塞管理優化后的結果如圖4所示。圖中，交易訂單G-A 對應表1中購電方為G、售電方為A的訂單；其他依此類推。

表2 安全校驗結果Table 2 Safety verification results

由圖4 可知，阻塞管理優化后大部分交易訂單的交易電量均有所削減，其中E-B 和E-W 這2 個交易訂單的電量削減比例較大，分別為38.2%、51.7%。削減比例較大的原因在于：①產消用戶E 處于阻塞線路2-5 的末端節點處，對線路阻塞的貢獻更大，理應削減更多的交易電量；②產消用戶E 上報的訂單選取了較低的競價等級，其交易訂單權重更低，使得交易電量削減比例更大。

對阻塞管理優化后的交易訂單重新進行安全校驗可得：原越限線路2-5 的實際傳輸功率降為27.99 kW，且其余線路的實際傳輸功率均未超過傳輸容量裕度。因此，阻塞管理優化后的交易訂單符合安全校驗要求，能夠作為最終的電力交易合約進行實際交割。

在本文算例中，以太幣匯率以2021 年3 月10 日為基準設定為：1 Ether=1 000 Finney=11 400 元。設用戶B在電力交割階段的實際發電量為12.06 kW·h，進入結算階段時，ESP 更新偏差電量信息，并且基于Shapley 值法計算得到本輪交易中產生的服務費為17.24 元，由此得到的各產消用戶與ESP 的交易結算結果如表3所示。

表3 市場主體的交易結算結果Table 3 Settlement results of market entities in trading

完成交易結算后，智能合約將自動進行用戶賬戶的代幣余額增減（ESP 對用戶A 的代幣轉賬確認信息和歷史記錄分別見附錄A 圖A6 和圖A7），并將本輪交易信息儲存于對應階段生成的區塊體內，以供后續查閱與追溯。

3.3 端對端電能交易結果分析

產消用戶參與端對端電能交易前、后的收支金額如圖5所示。圖中，收支金額小于0表示該用戶的購電支出；收支金額大于0則表示售電收入。

圖5 產消用戶參與端對端電能交易前、后的收支金額Fig.5 Payment amount of proconsumers before and after participation in peer-to-peer power trading

由圖5 可以看出，在參與端對端電能交易后，購電用戶可以節省一筆購電支出，售電用戶也可獲得更高的售電收入。同時，為了體現不同交易行為對用戶自身收益情況的影響，分析圖5 中各用戶的收益提升率可得如下結論。

1）用戶B、D 選擇了相同的售電意愿價格，但最終用戶B 的收益提升率比用戶D 更低，這主要是因為：①用戶D的交易上報時間更短，在交易匹配隊列中位于用戶B 之前，能夠與報價更高的購電用戶進行匹配；②用戶B 存在違約行為，產生了一定的違約金，使得其收益提升率更低。

2）用戶A 在所有售電用戶中的售電報價最低，但最終的收益提升率卻較高，這主要是因為：雖然用戶A 的售電報價最低，但是按照“交易價格優先”的原則其將位于匹配隊列的最前面，從而與購電報價最高的用戶進行匹配，獲得了不太低的成交電價；同時用戶A 給出的最低售電價格具有最高的競價等級，在阻塞管理優化時，用戶A的訂單因具有更高的交易權重，故其削減量更小，這間接提升了用戶A的售電收入。

因此在端對端電能交易機制下，意愿價格低并不意味著用戶最終的收益提升率低，收益提升率還與交易匹配對象的意愿結果、自身信譽值等有關。這就要求產消用戶應提升交易競價的積極性，同時保持良好的發用電行為，避免發生違約情況，以爭取獲得更高的收益。

4 結論

本文提出了基于區塊鏈的產消用戶端對端電能交易機制，并根據交易平臺的運作流程設計了與之配套的一系列智能合約，最后將該智能合約部署在以太坊平臺上對所提方法進行驗證，算例仿真結果表明：

1）本文所提交易模型與機制能適用于產消用戶間的電能交易，用戶在交易平臺上開展端對端電能交易能夠降低自身的用能成本，提升經濟效益；

2）在本文設計的交易機制中，ESP 基于Shapley值法向用戶收取服務費，從而實現運營成本的回收并獲得額外的利潤，使得ESP 基于自身的邊際貢獻確定服務費用，明確了ESP的合理收益。

本文工作聚焦于基于區塊鏈開展靈活高效的端對端電能交易并設計相關智能合約，在后續研究中可結合清潔能源的消納補貼、過網費等政策完善端對端電能交易機制，并將其推廣至其他能源交易領域。

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