摘要：隨著電力體制改革的不斷深入，分布式發電市場化交易進入了全新的時代。針對傳統中心化交易模式存在的諸多問題，區塊鏈因其去中心化、公開透明、不可篡改等特點被廣泛地運用到電力市場交易中。鑒于此，提出了一種基于權威證明的微電網分層交易策略，選擇權威證明算法構建區塊鏈網絡，以用戶需求為依據對用戶進行分層，結合信用機制對權威證明算法驗證人選舉制定了參考依據，設計了“價格為主，信用為輔”的雙向拍賣機制，運用智能合約編寫了交易策略并部署在區塊鏈網絡中。實驗模擬了13個節點的交易網絡，并對比了不同共識算法區塊鏈網絡的差異。實驗結果證明了本文交易策略的可行性與高效性。

　　關鍵詞：區塊鏈;權威證明;分層交易;智能合約

　　引言長期以來，分布式發電因其清潔、環保、可持續等優點廣受關注，在國家政策的積極推動下，我國的分布式發電得到了快速發展。針對分布式發電，我國一直采取“自發自用，余電上網”、“全額上網”等傳統模式。017年月，國家能源局印發了《關于開展分布式發電市場化交易試點的通知》1]。此后，分布式發電的“直接交易”模式開始興起，在這種模式下，傳統的單一用電用戶向購售電一體用戶轉變，具有分布式電源的用戶可直接將多余的電能出售給鄰居，鄰居可以相對低廉的價格獲得電能，從而實現分布式電能的就近消納。

　　然而，分布式發電市場若仍采用傳統的集中交易模式，則存在以下問題2]：(1交易中心運行成本頗高，會將不必要的成本轉嫁給交易網絡中的用戶;(2)交易中心與用戶存在信息不對稱的問題，造成兩方互不信任，難以保證交易的公開、透明與有效性;(3)中心化機構交易數據極易受到攻擊，風險系數較大。為有效應對上述集中交易模式存在的問題，亟需將新技術運用到分布式電力市場交易中。區塊鏈技術為解決分布式電力市場交易的問題提供了可行的思路，其去中心化、點對點傳輸、公開透明、不可篡改等特點與分布式電力交易網絡有著天然的契合度3]。

　　近年來，國內外學者針對區塊鏈技術在電力交易領域的應用開展了廣泛研究，已有部分基于區塊鏈的電力交易項目落地運行7]。學術研究方面，文獻8]分析了現階段能源領域區塊鏈的應用現狀，并展望了區塊鏈在能源互聯網領域的前景;文獻9]總結了基于區塊鏈的分布式能源交易方案，并針對區塊鏈技術在實際應用過程中的挑戰提出了建議方案;文獻10]提出了基于區塊鏈和連續雙向拍賣機制的微電網直接交易模式;文獻11]研究了基于智能合約的配電網去中心化交易機制;文獻12]提出了計及安全校驗與阻塞管理的區塊鏈弱中心化電力交易機制;文獻13]提出了基于區塊鏈的分布式能源交易方案，并設計了考慮過網費差異的掛牌交易機制及可再生能源認證機制;文獻14]提出了基于信用的共識機制，并以此為基礎設計了微電網電能匹配方法和消費者出價策略。

　　文獻15]提出了去中心化的微電網電能交易系統框架，并設計了多階段的混合拍賣機制，以實現資源的最優配置。然而，上述研究大多圍繞基于工作量證明的區塊鏈進行，忽視了工作量證明算法會造成巨大的資源浪費，其過高的交易延遲也不符合實際生產環境的要求。此外，多數研究并未考慮交易網絡中用戶需求的差異，而是將所有用戶統一匹配，極有可能造成匹配效率低下與匹配結果不合理等問題。

　　因此，本文提出了基于權威證明的微電網分層交易策略。選擇權威證明算法構建了區塊鏈網絡，并根據用戶需求差異提出了交易網絡分層策略，設計了用戶信用機制，結合信用機制對權威證明算法中管理者的動態調整進行了規范化處理，同時將信用機制貫穿到交易匹配中，設計了“價格為主、信用為輔”的雙向拍賣機制。在此基礎上，編寫了分層交易的智能合約，部署在區塊鏈網絡中，通過實驗模擬了個節點的微電網交易網絡，并比較了不同共識算法的差異，驗證了本文交易策略的可行性與高效性。

　　1區塊鏈技術

　　1.1區塊鏈概述自比特幣16]問世以來，其底層技術——區塊鏈便逐漸進入人們的視野。區塊鏈本質上是一個分布式的共享數據庫17]，是對分布式存儲、點對點傳輸、共識算法、非對稱加密等多種技術的綜合運用18]，具有去中心化、不可篡改、公開透明等特性。區塊鏈的基本結構如圖所示，區塊是一個個單獨的存儲單元，記錄了一段時間內區塊鏈網絡中節點的交流信息，各區塊通過哈希算法實現單向首尾鏈接，后一區塊中包括了前一區塊的哈希值，而區塊中任意數據的微小改動都會造成當前區塊的哈希值與后一區塊中記錄的哈希值無法匹配，以此實現區塊鏈的不可篡改19]。

　　1.2智能合約智能合約更多的被定義為在區塊鏈上運行的應用或者程序。通常情況下，智能合約為一組具有特定規則的數字化協議，且該協議能夠被強制執行20]。這些規則由計算機源代碼預先設定，區塊鏈網絡中的所有節點會復制并執行該計算機源碼。智能合約支持創建無需信任的協議，執行合約的雙方可以通過區塊鏈做出承諾，而無需相互了解或信任。合約經雙方確認后，若達到觸發條件，將被自動執行，以此消除對中介的需求，顯著降低運行成本21]。

　　1.3共識算法共識算法的核心目的即要使得分布式網絡中的所有節點在無中心機構參與的系統中滿足一致性與有效性22]。目前區塊鏈網絡中常用的共識算法為工作量證明(ProofofWork，PoW)、權益證明(ProofofStake，Po、授權股份證明DelegatedProofofStake，DPoS)以及實用拜占庭容錯PracticalByzantineFaultTolerance，PBFT)等23]。本文的微電網交易策略采用了權威證明(ProofofAuthority，PoA)共識算法24]，該算法基于以太坊協議的區塊鏈提出，主要運用于私有鏈與聯盟鏈中，具有速度快、能耗低、擴展性強等特點。

　　2基于PoA共識算法的微電網交易網絡

　　2.1總體架構

　　微電網交易網絡中，參與者可劃分為四類27]：(1)生產者，主要是分布式電站等能源供應商;(2)生產消費者，主要是家庭光伏用戶以及含有屋頂光伏的商業用戶等;一般消費者，主要是普通家庭用戶以及商業用戶等;(4)公共設施維護者，包括國家電網、南方電網等。四類用戶在交易網絡中各有側重，生產者所生產的電能除部分用于滿足自身用電需求外，其余大部分電能都用于向網絡中的其他用戶出售，以謀取利潤。生產消費者兼具發電與用電兩種需求，在發電量大于自身用電需求時，向一般消費者售電，獲取利潤;在發電量小于自身用電需求時，則向生產者購電。

　　一般消費者不具備發電能力，為降低用電成本，可向網絡中的生產者以及生產消費者購電。公共設施維護者主要用于維護系統正常運行。 考慮到不同用戶之間的需求差異，若不將用戶加以區分而直接進行統一匹配，很有可能出現匹配效率低下與匹配結果不合理等問題。為此，提出用戶分層策略，以用戶需求為依據，將大需求用戶分為上層用戶，一般需求用戶分為下層用戶，公共設施維護者為系統管理機構。

　　上層用戶包括分布式電站、含有屋頂光伏的商業用戶及普通商業用戶等;下層用戶包括家庭光伏用戶與普通家庭用戶等。交易分兩個階段進行，第一階段由同層級內用戶進行電能交易，禁止用戶跨層交易。第一階段交易完成后，若仍有用戶未滿足需求，則進入第二階段交易�？紤]上層消費者的需求量較大，下層生產者難以滿足此類用戶的需求，只有當第一階段上層生產者與下層消費者同時有未滿足需求的用戶，交易才會進入第二階段，第二階段無用戶層級限制，交易原則與第一階段一致。

　　2.2交易流程

　　在電力市場參與者較多的情況下，要使有限的電能交易到切實需要的用戶中，亟需引入競價機制，用戶可根據自身購售電需求提交電能報價。為提高交易網絡的效率，本文采用雙向拍賣機制，并對傳統雙向拍賣機制“價格至上”的原則做了相應調整，將用戶信用引入到雙向拍賣機制中，系統匹配原則由傳統的“價格至上”轉變為“價格為主、信用為輔”。買賣雙方在能源交易周期規定時間內分別提交各自的報價，系統會結合用戶提交的價格及其信用值計算綜合報價，并對買賣雙方分別進行排序，再按照賣家綜合報價從低到高、買家綜合報價從高到低進行匹配，完成匹配的用戶將被清除出交易隊列，直至買家最高綜合報價低于賣家最低綜合報價。

　　此時系統會給予未完成匹配的用戶修改報價的機會，之后再進行交易匹配。若此階段結束后仍有用戶未滿足需求，則根據情況進行第二階段交易或向電網尋求購售電。傳統雙向拍賣機制中，系統依照價格將買方隊列從高到低排序，賣方隊列從低到高排序。將用戶信用值引入到雙向拍賣機制后，報價相當、信用值高的用戶理應獲得更高的優先匹配權。

　　3基于智能合約的微電網交易策略

　　基于設計的區塊鏈微電網分層交易架構，本文的智能合約主要包括用戶注冊函數、購售電報價函數、報價排序函數、交易匹配函數、交易清算函數及信息查詢函數。

　　交易匹配函數。待綜合報價排序階段結束，進入交易匹配環節，由管理機構調用Tranatch函數，分別對上層、下層交易網絡中的報價進行匹配。匹配結果為Name[s]，Addr[s]，Name[b]，Addr[b]，Amount，Price>，其中包括購售電雙方信息、成交電價及成交電量。完成匹配的用戶將會清除出匹配隊列中，直至所有用戶匹配完成或最高買家綜合報價低于最低賣家綜合報價。

　　本時段交易匹配完成后，系統開始對上一時段的交易進行清算，結合智能電表中記錄下的購售電雙方實際交易電量與匹配電量，由管理機構調用TranClearing函數，對購售電雙方進行交易評價，并更新用戶購售電總量信息。區塊鏈網絡中任意節點任意時刻均可調用GetInfo函數，用戶的交易信息公開透明地呈現在區塊鏈網絡中，只需知道對應用戶的地址，便可查詢該用戶的相關信息，包括用戶層級、信用值、購售電總量等。

　　4算例分析

　　PoW算法的出塊速度及PS均遠低于PoA及BFT算法，而同樣以高效率著稱的BFT算法在系統節點數量不斷增多的情況下，因其巨大的通信量使得算法的PS大幅下降，節點超過00個時，BFT算法的PS已經低于了PoA算法。因此PoA算法從出塊時間、可擴展性及PS等方面綜合考慮更加適合微電網交易網絡的實際生產環境。

　　5結語

　　本文提出了一種基于PoA共識算法的微電網分層交易策略，以用戶需求為依據，將電能交易網絡中的用戶進行層次劃分，并結合用戶信用機制，為PoA共識算法signers的選舉制定了參考依據。同時，對傳統的雙向拍賣機制做了相應調整，將用戶信用貫穿于交易始終，可有效減少節點的惡意交易行為，規避交易風險。以此為基礎設計了相應的智能合約，部署在區塊鏈系統中，模擬了個節點的交易網絡，驗證了策略的有效性。并對不同共識算法的性能進行了測試，結果表明，本文選取的oA共識算法更加符合實際生產要求。

　　區塊鏈技術： 基于區塊鏈架構的電力業務交易數據隱私保護

　　然而，區塊鏈技術存在著著名的不可能三角定律，即無法同時達到去中心化、高效及安全三個要求。Po算法在兼具低能耗、高效率的同時，也削弱了區塊鏈網絡的去中心化特性，帶來了一定的安全隱患。未來將區塊鏈技術推廣至更大范圍的交易網絡時，如何權衡系統的去中心化、高效及安全將會成為分布式能源交易的重點研究方向。

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　　作者：祝壘1，陳中1，顏云松2，陳妍希1，徐曉3