基于區(qū)塊鏈技術(shù)在分布式電源電費(fèi)結(jié)算中的應(yīng)用研究

羅世剛，楊鵬飛，何炅軒

（國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司營(yíng)銷(xiāo)服務(wù)中心，甘肅 蘭州 730050）

0 引 言

光伏發(fā)電，是利用光電半導(dǎo)體材料將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換為電能，因太陽(yáng)能是取之不盡的清潔能源，所以光伏發(fā)電是一種具有廣泛發(fā)展前景的發(fā)電和能源綜合利用方式。與集中式光伏發(fā)電的建設(shè)方法不同，分布式光伏發(fā)電主要應(yīng)用在工業(yè)廠(chǎng)房、公共建筑以及居民屋頂上，具有容量小、電壓等級(jí)低，接近負(fù)荷、建設(shè)靈活的特點(diǎn)。本文基于分布式電源電費(fèi)結(jié)算業(yè)務(wù)的應(yīng)用場(chǎng)景，通過(guò)區(qū)塊鏈和智能合約技術(shù)搭建了一種分布式電源電費(fèi)結(jié)算系統(tǒng)，通過(guò)智能合約和事件驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)電費(fèi)結(jié)算在保證參與主體間結(jié)算過(guò)程安全、可靠的同時(shí)，按照約定的規(guī)則自動(dòng)執(zhí)行，精簡(jiǎn)執(zhí)行流程，提高效率。

1 區(qū)塊鏈概述

區(qū)塊鏈通過(guò)去中心化、去信任的方式集體維護(hù)一個(gè)可靠數(shù)據(jù)庫(kù)，它實(shí)際上是一個(gè)分布式賬本。區(qū)塊鏈加密算法、分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、共識(shí)機(jī)制等各類(lèi)安全信息機(jī)密與存儲(chǔ)技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)之間建立信任、獲取權(quán)益的新型應(yīng)用模式

區(qū)塊鏈從數(shù)據(jù)視角可以認(rèn)為是一種被篡改可能性極小的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)。所謂的“分布式”不僅體現(xiàn)為在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)上具有分布于不同參與方的特點(diǎn)，同事也體現(xiàn)為數(shù)據(jù)的分布式記錄（即由系統(tǒng)參與者共同維護(hù)）。

區(qū)塊鏈從技術(shù)視角看是由多項(xiàng)技術(shù)整合的結(jié)果而非一項(xiàng)單一的技術(shù)。這些技術(shù)以新的數(shù)據(jù)記錄、存儲(chǔ)和表達(dá)的方式組合在一起，形成了一種新的結(jié)構(gòu)即區(qū)塊鏈的形式。

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)的特征

區(qū)塊鏈技術(shù)具有如下特征。

（1）加密技術(shù)。區(qū)塊鏈技術(shù)的基礎(chǔ)為密碼學(xué)原理而非社會(huì)信用體系，其中的加密技術(shù)是構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)中交易信息加密傳輸?shù)幕A(chǔ)技術(shù)，一旦交易雙方達(dá)成某種一致的交換意向便可以直接支付而無(wú)需第三方的介入。

（2）開(kāi)放、共識(shí)。每一臺(tái)設(shè)備、每個(gè)節(jié)點(diǎn)、每個(gè)人都可以完整拷貝整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)從而參與到區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)中。這一過(guò)程是通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)計(jì)算的方式來(lái)維護(hù)整個(gè)區(qū)塊鏈，其本質(zhì)是一種基于共識(shí)機(jī)制的強(qiáng)聯(lián)系。因此，即使其中一個(gè)環(huán)節(jié)失效，其他節(jié)點(diǎn)仍然能夠在保存完整數(shù)據(jù)的情況下繼續(xù)工作。

（3）去中心、去信任。區(qū)塊鏈不存在統(tǒng)一授信的中心設(shè)備或者機(jī)構(gòu)，它是由端到端的眾多節(jié)點(diǎn)共同組成的網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)閱我还?jié)點(diǎn)無(wú)法欺騙統(tǒng)一記賬的所有區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)，因此節(jié)點(diǎn)間無(wú)需通過(guò)各類(lèi)加密技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證與數(shù)據(jù)傳遞，無(wú)需確認(rèn)雙方是否授信，只需要按照區(qū)塊鏈既定的機(jī)制與程序進(jìn)行。

（4）交易透明，雙方匿名。區(qū)塊鏈的運(yùn)行信息是公開(kāi)透明的，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)交易都是對(duì)所有計(jì)奠開(kāi)放。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)間無(wú)需明確是否授信，所以節(jié)點(diǎn)無(wú)需公開(kāi)身份信息。每個(gè)參與點(diǎn)在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中都是匿名的。

（5）不可篡改、可追溯。局部節(jié)點(diǎn)無(wú)法通過(guò)單一或多個(gè)節(jié)點(diǎn)信息修改的方式對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生影響，因?yàn)橹挥挟?dāng)超過(guò)50%的節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)間修改信息才可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)信息的篡改，而這種情況發(fā)生的可能性微乎其微。另外，哈希算法等密碼學(xué)方法幫助區(qū)塊之間串聯(lián)成彼此加密又互相聯(lián)系的塊鏈，因此任何一筆交易信息都是可以溯源的。

1.2 區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用

1.2.1 美 國(guó)

通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)，LO3 Energy在紐約市布魯克林區(qū)部署了微電網(wǎng)交易平臺(tái)，其中電力可以在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中直接購(gòu)買(mǎi)或銷(xiāo)售，從而消除了對(duì)中間商的需求。這不僅可以降低電力公司和用戶(hù)的成本，還可以提高網(wǎng)絡(luò)透明度。

洛杉磯汽車(chē)公司和EVShare Foundation發(fā)明了一種零碳、可再生能源驅(qū)動(dòng)的共享乘車(chē)服務(wù)。該服務(wù)利用區(qū)塊鏈技術(shù)和智能合約來(lái)運(yùn)送乘客，同時(shí)從當(dāng)?shù)匚㈦娋W(wǎng)收集和存儲(chǔ)能量以平衡洛杉磯水電局的主電網(wǎng)。電力也在整個(gè)社區(qū)運(yùn)輸，并在非工作時(shí)間存儲(chǔ)，有助于平衡每天24小時(shí)和整個(gè)社區(qū)的電網(wǎng)負(fù)荷。這解決了向可再生能源和太陽(yáng)能發(fā)電過(guò)渡的社區(qū)面臨的重大挑戰(zhàn)。

1.2.2 澳 洲

立陶宛公司W(wǎng)ePower一直與愛(ài)沙尼亞的傳輸系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商Elering合作，將愛(ài)沙尼亞智能電表的26 000 h的數(shù)據(jù)和24 TW·h的能源生產(chǎn)和消耗數(shù)據(jù)上傳到Ethereum區(qū)塊鏈，從而創(chuàng)造了可交易的390億智能能源代幣。

利用區(qū)塊鏈的潛力，P2P能源網(wǎng)絡(luò)能夠創(chuàng)建一個(gè)分布式市場(chǎng)，將電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)和充電站所有者連接起來(lái)以實(shí)現(xiàn)互惠互利。德國(guó)公司Motionwerk推出了基于區(qū)塊鏈的P2P能源共享項(xiàng)目Share＆Charge，項(xiàng)目中的用戶(hù)可以分享他們的私人充電站。

西班牙跨國(guó)電力公司Iberdrola部署了一項(xiàng)利用區(qū)塊鏈技術(shù)跟蹤能源供應(yīng)和消耗的項(xiàng)目，以確認(rèn)用戶(hù)的消費(fèi)模式是100%可再生的。區(qū)塊鏈技術(shù)允許將提供能源的資產(chǎn)分配到消費(fèi)點(diǎn)甚至在原產(chǎn)地建立優(yōu)先等級(jí)。這不僅降低了成本和碳排放，還消除了對(duì)中間商的需求。

1.2.3 亞 洲

韓國(guó)最大的電力公司KEPCO正計(jì)劃推行區(qū)塊鏈技術(shù)。KEPCO將開(kāi)發(fā)一種基于區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)，命名為“未來(lái)微電網(wǎng)”。利用電力 - 燃?xì)猓≒2G）技術(shù)，電能被轉(zhuǎn)化為氫氣儲(chǔ)存起來(lái)，需要時(shí)再使用燃料電池將其轉(zhuǎn)換回來(lái)。KEPCO的區(qū)塊鏈微電網(wǎng)項(xiàng)目可實(shí)現(xiàn)輕松連接以提高運(yùn)營(yíng)效率，還可在不同的微電網(wǎng)上進(jìn)行電力交易，以消除現(xiàn)有系統(tǒng)連接瓶頸。

1.2.4 澳 洲

澳大利亞公司Power Ledger因在美國(guó)開(kāi)發(fā)并部署首個(gè)商業(yè)分布式能源交易平臺(tái)而聞名。其分布式P2P區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)允許用戶(hù)和企業(yè)在沒(méi)有中間商的情況下在他們的鄰居中出售多余的太陽(yáng)能。

2 基于區(qū)塊鏈和智能合約的分布式電源電費(fèi)結(jié)算

2.1 基于區(qū)塊鏈和智能合約的分布式電源結(jié)算技術(shù)框架

基于區(qū)塊鏈的底層技術(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)層、共識(shí)層以及合約層的設(shè)計(jì)，搭建了分布式電源結(jié)算技術(shù)框架，如圖1所示。

2.1.1 數(shù)據(jù)層

給每一個(gè)用戶(hù)配一個(gè)用戶(hù)私有地址。使用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器生成一個(gè)“私鑰”，通過(guò)SECP256K1算法處理生成了“公鑰”。作為一種橢圓曲線(xiàn)算法，SECP256K1是基于一個(gè)已知“私鑰”計(jì)算得到“公鑰” 。相反地，“私鑰”無(wú)法通過(guò)“公鑰”反向計(jì)算得出。RIPEMD160也能由“公鑰”計(jì)算得到“公鑰哈?！?，同SHA256一樣也是一種Hash算法?！肮€哈希”頭部通過(guò)一個(gè)字節(jié)的地址版本號(hào)形成連接，經(jīng)過(guò)兩次SHA256運(yùn)算，“公鑰哈?！钡男ｒ?yàn)值（這里是結(jié)果的前4字節(jié)）連接在其尾部。使用BASE58將上述結(jié)果進(jìn)行編碼，最終得到“錢(qián)包地址”，并通過(guò)數(shù)據(jù)區(qū)塊和鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)層

采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（Point to Point，P2P）的組網(wǎng)機(jī)制、數(shù)據(jù)傳播和數(shù)據(jù)驗(yàn)證機(jī)制。分布式電源、采集設(shè)備和電力用戶(hù)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了一個(gè)基本的分布式電源用戶(hù)單元。當(dāng)采集設(shè)備采集成功數(shù)據(jù)的時(shí)候，以日為單位自動(dòng)進(jìn)行P2P數(shù)據(jù)傳播，將數(shù)據(jù)發(fā)送給電力用戶(hù)節(jié)點(diǎn)、營(yíng)銷(xiāo)部節(jié)點(diǎn)和財(cái)務(wù)部節(jié)點(diǎn)。其中，用戶(hù)節(jié)點(diǎn)僅保留與用戶(hù)相關(guān)的數(shù)據(jù)流。

許飛哪里信，第二天就和寡婦媽抓著我一起去了扒鍋街，那里早就變了模樣，記憶里的輪廓已經(jīng)面目全非，我在新街上漫無(wú)目的地打轉(zhuǎn)，許飛這才信了，我是真的不知道。

2.1.3 共識(shí)層

采用PBET共識(shí)機(jī)制。該共識(shí)機(jī)制是依據(jù)“少數(shù)服從多數(shù)”原則，分布式網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間互相交換后各節(jié)點(diǎn)會(huì)列出所有得到的信息，一個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一票，大多數(shù)節(jié)點(diǎn)選擇的結(jié)果將作為共識(shí)機(jī)制最終確定的解決辦法。PBET將容錯(cuò)量控制在全部節(jié)點(diǎn)數(shù)的1/3，即當(dāng)超過(guò)2/3的節(jié)點(diǎn)處于正常工作狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)便可正常運(yùn)作。

拜占庭容錯(cuò)共識(shí)步驟分為請(qǐng)求、預(yù)準(zhǔn)備、準(zhǔn)備、提交以及反饋5個(gè)階段，每一階段只有收到超過(guò)一定數(shù)量的請(qǐng)求才會(huì)進(jìn)入下一階段的工作。

基于這一工作流程，只有在總計(jì)算機(jī)數(shù)大于3倍的有問(wèn)題的計(jì)算機(jī)總數(shù)時(shí)，才能獲得解決問(wèn)題的一致性結(jié)論。

2.1.4 合約層

根據(jù)不同批次分布式電源費(fèi)用結(jié)算規(guī)則制定智能合約模板，生成與分布式網(wǎng)絡(luò)中各分布式節(jié)點(diǎn)相關(guān)的能量智能合約和費(fèi)用智能合約，并區(qū)塊鏈中分別存儲(chǔ)生成的能量智能合約和費(fèi)用智能合約分。

2.2 基于區(qū)塊鏈和智能合約的分布式電源電費(fèi)結(jié)算流程及方法

基于區(qū)塊鏈和智能合約的分布式電源電費(fèi)結(jié)算流程如圖 3 所示。

（1）概念化電費(fèi)結(jié)算智能合約。制定電費(fèi)結(jié)算智能合約模板。以電費(fèi)結(jié)算規(guī)則為基礎(chǔ)，并將其存儲(chǔ)于集中式平臺(tái)。分布式電源的電費(fèi)結(jié)算規(guī)則大體包含以下兩點(diǎn)內(nèi)容。

一是圍繞標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)（如地址、價(jià)格、電量等）以及一系列結(jié)算規(guī)則定義參數(shù)。明確主體節(jié)點(diǎn)、結(jié)算電量、計(jì)算價(jià)格以及應(yīng)收應(yīng)付金額數(shù)目。

二是按照觸發(fā)條件、支撐條件、控制條件、輸出結(jié)果、異常處理來(lái)構(gòu)建邏輯定義模塊。厘清計(jì)算邏輯與計(jì)算結(jié)果。當(dāng)電量變化時(shí)，觸發(fā)光伏發(fā)電電費(fèi)結(jié)算規(guī)則，電費(fèi)計(jì)算自動(dòng)執(zhí)行；作為控制條件，光伏發(fā)電的類(lèi)型能夠控制具體的結(jié)算邏輯；電費(fèi)和支付方式是輸出智能合約計(jì)算執(zhí)行的結(jié)果物。

（2）生成電費(fèi)結(jié)算智能合約。在初始化時(shí)，按照智能合約模板生成與某個(gè)節(jié)點(diǎn)相關(guān)的電費(fèi)結(jié)算智能合約。該合約基于一些列主體共有的電費(fèi)結(jié)算規(guī)則，具備獨(dú)立完備的自動(dòng)執(zhí)行能力，并且可以根據(jù)不同的業(yè)務(wù)個(gè)性化地修改結(jié)算的主體和類(lèi)型。

（3）分發(fā)電費(fèi)結(jié)算智能合約。電費(fèi)結(jié)算智能合約中不同的節(jié)點(diǎn)根據(jù)屬性的不同，由電費(fèi)結(jié)算服務(wù)機(jī)構(gòu)初始化生成。通過(guò)傳遞機(jī)制，區(qū)塊鏈與合約的信息完成同步的上鏈，并從鏈上獲取與本節(jié)點(diǎn)有關(guān)的智能合約。區(qū)塊鏈每一節(jié)點(diǎn)都具有了不可被篡改的屬性，這一屬性確保了邏輯執(zhí)行能夠確保了以分布式的方式進(jìn)行，按照約定節(jié)點(diǎn)獲得的智能合約能夠與初始發(fā)布的智能合約完全匹配。

2.2.2 電費(fèi)結(jié)算智能合約的自動(dòng)執(zhí)行方法

（1）智能合約能夠執(zhí)行偵聽(tīng)功能，掌握電量采集設(shè)備對(duì)應(yīng)的分布式節(jié)點(diǎn)上的發(fā)電、用電情況。偵聽(tīng)程序運(yùn)行在以電費(fèi)結(jié)算智能合約為基礎(chǔ)的電量節(jié)點(diǎn)上，按約定頻率偵聽(tīng)電量采集設(shè)備發(fā)出的電量變化信號(hào)。

（2）各節(jié)點(diǎn)智能合約執(zhí)行在電量發(fā)生變化時(shí)自動(dòng)觸發(fā)。所有節(jié)點(diǎn)運(yùn)行智能合約的容器環(huán)境是統(tǒng)一的，一旦偵聽(tīng)到發(fā)電或用電的電量發(fā)生變化時(shí)即會(huì)觸發(fā)電費(fèi)結(jié)算智能合約自動(dòng)執(zhí)行。

（3）參與主體之間在智能合約的自動(dòng)執(zhí)行中相互傳遞著能量的同時(shí)，也傳遞著電費(fèi)信息。能量流、信息流受智能合約控制，隨電量變化信號(hào)觸發(fā)，能夠?qū)⒏黝?lèi)電能交易信息通過(guò)區(qū)塊鏈的分布式對(duì)等網(wǎng)絡(luò)同步機(jī)制上鏈，并在節(jié)點(diǎn)之間（即交易主體，例如：光伏發(fā)電戶(hù)、用電戶(hù)、交易機(jī)構(gòu)）傳遞，該傳遞的全過(guò)程通過(guò)各節(jié)點(diǎn)相互協(xié)同記錄。

3 結(jié)論及展望

國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、國(guó)家能源局在2019年發(fā)布《關(guān)于積極推進(jìn)風(fēng)電、光伏發(fā)電無(wú)補(bǔ)貼平價(jià)上網(wǎng)有關(guān)工作的通知》（發(fā)改能源〔2019〕19 號(hào)），再次推出鼓勵(lì)可再生能源發(fā)展政策，明確通過(guò)綠證交易的方式，不同的上網(wǎng)項(xiàng)目都能獲得合理的補(bǔ)償收益、保障發(fā)電及收購(gòu)的權(quán)益以及較低的輸配電價(jià)及相關(guān)收費(fèi)。電力數(shù)字化轉(zhuǎn)型和區(qū)塊鏈等高新技術(shù)的應(yīng)用將在相關(guān)政策的協(xié)同下在電力行業(yè)發(fā)揮更大的應(yīng)用價(jià)值。本文在區(qū)塊鏈和智能合約技術(shù)的基礎(chǔ)上，以創(chuàng)新、共享的理念提出了分布式電源模式下的區(qū)塊鏈應(yīng)用研究。未來(lái)應(yīng)該基于監(jiān)督政策加強(qiáng)分析在實(shí)際工作生產(chǎn)環(huán)境下的項(xiàng)目落地性以及應(yīng)用成效，著力研究區(qū)塊鏈技術(shù)的落地部署工作。