張 顯,馮景麗,常 新,王 棟,嵇士杰,謝 開(kāi)
(1. 北京電力交易中心有限公司,北京市 100031;2. 國(guó)網(wǎng)電子商務(wù)有限公司(國(guó)網(wǎng)雄安金融科技集團(tuán)有限公司),北京市 100053;3. 國(guó)網(wǎng)區(qū)塊鏈科技(北京)有限公司,北京市 100053;4. 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué)),北京市 100096)
在中國(guó)能源結(jié)構(gòu)低碳化轉(zhuǎn)型加速、可再生能源發(fā)電量大幅提高的新形勢(shì)下,綠色電力市場(chǎng)化交易為促進(jìn)可再生能源電力消納提供了新途徑。中國(guó)在2019 年及2020 年先后印發(fā)了《關(guān)于建立健全可再生能源電力消納保障機(jī)制的通知》《京津冀綠色電力市場(chǎng)化交易規(guī)則》,推動(dòng)了國(guó)內(nèi)綠色電力市場(chǎng)化交易的發(fā)展[1-3]。
目前,國(guó)內(nèi)外有關(guān)研究主要集中在可再生能源配額制和綠色電力證書(shū)(對(duì)新能源企業(yè)非水可再生能源上網(wǎng)1 MW·h 電量頒發(fā)的電子證書(shū),下文簡(jiǎn)稱綠證)2 個(gè)方面。國(guó)外相關(guān)研究側(cè)重于市場(chǎng)靈活運(yùn)行和證書(shū)設(shè)計(jì)方面。文獻(xiàn)[4]介紹了美國(guó)強(qiáng)制市場(chǎng)和自愿市場(chǎng)結(jié)合的靈活市場(chǎng)機(jī)制。文獻(xiàn)[5]研究了歐洲綠證中來(lái)源擔(dān)保證書(shū)(guarantees of origins)的機(jī)制設(shè)計(jì)和交易情況。文獻(xiàn)[6]分析了英國(guó)的可再生能源分層證書(shū),提出市場(chǎng)多元化發(fā)展的對(duì)策。文獻(xiàn)[7]以美國(guó)、英國(guó)和澳大利亞等發(fā)達(dá)國(guó)家為研究對(duì)象,詳細(xì)比較了各國(guó)可再生能源配額制、固定電價(jià)與電價(jià)補(bǔ)貼機(jī)制。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究側(cè)重于在配額制與綠證市場(chǎng)價(jià)格設(shè)計(jì)、機(jī)制設(shè)計(jì)與實(shí)施方式方面。文獻(xiàn)[8]提出了基于固定電價(jià)制與配額制并行的電力市場(chǎng)均衡模型。文獻(xiàn)[9]研究了配額指標(biāo)的分配方式、交易實(shí)施方式。文獻(xiàn)[10]通過(guò)博弈模型設(shè)計(jì)了發(fā)電側(cè)可再生能源配額制以及其配套的綠證交易機(jī)制。
受制于政策環(huán)境、替代補(bǔ)貼的定位等因素影響,目前中國(guó)綠證市場(chǎng)存在相對(duì)價(jià)格較高、市場(chǎng)認(rèn)購(gòu)積極性不足的問(wèn)題[11]。隨著可再生能源電力行業(yè)補(bǔ)貼退坡趨勢(shì)明顯,以及需求側(cè)用能理念的變化,綠色電力參與市場(chǎng)交易逐漸放開(kāi),需要進(jìn)一步優(yōu)化靈活機(jī)制設(shè)計(jì)。2021 年9 月,全國(guó)范圍的綠色電力試點(diǎn)交易啟動(dòng)(此處的綠色電力交易是指以綠色電力產(chǎn)品為標(biāo)的物的電力中長(zhǎng)期交易,用以滿足電力用戶購(gòu)買綠色電力需求),并提供相應(yīng)的綠色電力消費(fèi)認(rèn)證。由于綠色電力交易涉及多主體、跨區(qū)、跨省交易,交易系統(tǒng)將面臨信任和效率的雙重挑戰(zhàn)。區(qū)塊鏈技術(shù)具有多方共識(shí)、不可篡改、全程可追溯的技術(shù)特點(diǎn)[12-15],為此提供了可行的解決思路。
區(qū)塊鏈的相關(guān)研究主要集中在綠證方面,文獻(xiàn)[16]通過(guò)區(qū)塊鏈跨鏈技術(shù)提出了含綠證交易的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[17]設(shè)計(jì)了綠證全生命周期的流通機(jī)制,提出了基于Fabric 1.1 環(huán)境的綠證交易平臺(tái)。文獻(xiàn)[18-19]通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)建立了可再生能源超額消納量交易體系。文獻(xiàn)[20]將區(qū)塊鏈用于車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的綠證交易。文獻(xiàn)[21]提出基于區(qū)塊鏈的綠證交易撮合模型和架構(gòu)。文獻(xiàn)[22]設(shè)計(jì)了基于智能合約的綠證和碳雙邊聯(lián)合的去中心化市場(chǎng)交易模式。
綜上,已有研究主要聚焦于基于區(qū)塊鏈的綠證流通、交易模式與系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面,側(cè)重解決綠證交易數(shù)據(jù)賬本一致性、安全性及與其他平臺(tái)融合性等問(wèn)題。然而,大規(guī)模的綠色電力交易對(duì)交易系統(tǒng)的透明可信與效率有著較高要求,亟須定制化設(shè)計(jì)適用于大規(guī)模綠色電力交易需求的系統(tǒng)機(jī)制與架構(gòu)。
本文應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)為綠色電力交易中消納綠色電力的用戶提供綠色電力消納憑證(green power consumption certificate,GPCC),進(jìn)行用戶的綠色電力消費(fèi)證明;設(shè)計(jì)了用戶側(cè)GPCC 的生成、交易與溯源機(jī)制,以支撐用戶側(cè)所購(gòu)買綠色電力環(huán)境價(jià)值的體現(xiàn)、流轉(zhuǎn)與追溯;建成可信、高效的綠色電力交易平臺(tái),支撐多主體大規(guī)模參與市場(chǎng)交易;通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試及覆蓋全國(guó)多個(gè)省市的示范應(yīng)用,驗(yàn)證了系統(tǒng)的實(shí)用性,為以市場(chǎng)化手段促進(jìn)可再生能源電力消納提供有益支持和借鑒。
當(dāng)前,可再生能源發(fā)展正逐漸由政策扶持過(guò)渡到市場(chǎng)激勵(lì),綠色電力直接參與市場(chǎng)交易能夠有效激發(fā)市場(chǎng)活力。本文提出綠色電力交易下的基于區(qū)塊鏈的GPCC 生成、交易、溯源機(jī)制。
本文所提出的綠色電力交易是指以綠色電力產(chǎn)品為標(biāo)的物的電力中長(zhǎng)期交易,用以滿足電力用戶購(gòu)買、消費(fèi)綠色電力需求,并提供相應(yīng)的綠色電力消費(fèi)認(rèn)證,是在電力中長(zhǎng)期市場(chǎng)體系框架內(nèi)設(shè)立的一個(gè)全新交易品種。用電企業(yè)可直接對(duì)接光伏、風(fēng)電等發(fā)電企業(yè)購(gòu)買綠色電能,并獲得相應(yīng)的綠色電力消費(fèi)認(rèn)證。
GPCC 是在綠色電力交易過(guò)程中,基于區(qū)塊鏈技術(shù),為用戶消納利用可再生能源電量所提供的憑證,凸顯了綠色電力的環(huán)境價(jià)值。根據(jù)是否結(jié)算可以將GPCC 分為2 類:第1 類是已完成電量結(jié)算的,相當(dāng)于用戶的綠色電力消費(fèi)證明,不能進(jìn)行二次交易;第2 類是只簽署合同而并未結(jié)算的,用戶可根據(jù)自身消納情況將超額消納部分進(jìn)行流通轉(zhuǎn)移。
能源行業(yè)作為區(qū)塊鏈技術(shù)最具應(yīng)用前景的領(lǐng)域之一,基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電力交易融合研究已有一些嘗試[13-14,18]。基于區(qū)塊鏈技術(shù)的綠色電力交易模式可以分為以下2 類:一是市場(chǎng)主體間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(P2P)交易,二是市場(chǎng)主體間集中撮合交易。根據(jù)市場(chǎng)主體分布式特點(diǎn),本文采用P2P 交易模式,該交易模式基于區(qū)塊鏈的去中心化和去信任的特性,交易前發(fā)、用電雙方約定好合約內(nèi)容,進(jìn)行價(jià)格協(xié)商,無(wú)須第三方參加。在交易過(guò)程中,交易平臺(tái)僅起到記錄作用。2 個(gè)市場(chǎng)主體之間通過(guò)智能合約來(lái)達(dá)成交易共識(shí)。智能合約到期強(qiáng)制自動(dòng)執(zhí)行事前約定內(nèi)容,發(fā)電商即可將多余的電力直接出售給平臺(tái)中的其他用戶。在無(wú)須雙方互相信任的基礎(chǔ)上,保障買賣方的交易安全可信[14]。
GPCC 作為用戶消納可再生能源電力的證明,是綠色電力環(huán)境價(jià)值的載體,具有一定的資產(chǎn)及商品屬性。對(duì)GPCC 簽發(fā)、溯源可優(yōu)化交易環(huán)境,提升市場(chǎng)主體的參與度。區(qū)塊鏈的去中心化、多方共識(shí)、不可篡改等技術(shù)特性可以確保憑證核發(fā)的公開(kāi)可信,同時(shí)將GPCC 變成在鏈上登記的數(shù)字化資產(chǎn),通過(guò)價(jià)值流轉(zhuǎn)增加憑證資產(chǎn)的流動(dòng)性,實(shí)現(xiàn)全程溯源,解決憑證核發(fā)流程煩瑣的問(wèn)題,從而增加憑證對(duì)購(gòu)買者的吸引力。
1.4.1 GPCC 生成
在用戶購(gòu)買綠色電力后,將交易合同、結(jié)算關(guān)鍵信息上鏈存證,由經(jīng)授權(quán)的主管部門通過(guò)聯(lián)盟鏈的憑證生成智能合約向認(rèn)購(gòu)企業(yè)登記發(fā)行GPCC。GPCC 包含發(fā)電單位簽名、購(gòu)電單位簽名、交易時(shí)間、交易電量、電價(jià)等信息,具有唯一性。
1.4.2 GPCC 交易
GPCC 交易機(jī)制如圖1 所示。交易企業(yè)之間可通過(guò)聯(lián)盟鏈進(jìn)行P2P 的GPCC 交易和轉(zhuǎn)讓。交易發(fā)生后,購(gòu)入方的簽名會(huì)添加到憑證數(shù)據(jù)末端,之前所屬方的簽名失效,確保憑證不會(huì)被重復(fù)核發(fā)與計(jì)量。對(duì)于每個(gè)綠色消納憑證,交易企業(yè)都可在電力交易鏈上進(jìn)行驗(yàn)證,以確定其真?zhèn)巍?/p>
圖1 GPCC 交易機(jī)制Fig.1 Trading mechanism of GPCC
1.4.3 綠色電力消納溯源
綠色電力分布廣泛,電網(wǎng)傳輸?shù)挠质歉鞣N電能的混合。借助區(qū)塊鏈技術(shù)能夠可信辨別并記錄誰(shuí)購(gòu)買、誰(shuí)售出哪一類電能,保障市場(chǎng)主體公開(kāi)、公平、公正地交易和結(jié)算。本文所提出的綠色電力消納溯源是指通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù),以交易信息、GPCC 流轉(zhuǎn)信息為手段,完成綠色電力生產(chǎn)、交易、使用的信息數(shù)據(jù)查驗(yàn)與追溯管理。
1)溯源機(jī)制:對(duì)用戶與可再生能源發(fā)電企業(yè)在電力交易中心簽訂的交易合同、交易承諾書(shū)及GPCC 流轉(zhuǎn)信息等交易憑證分析,獲取可再生能源發(fā)電企業(yè)名單,掌握綠色電力生產(chǎn)信息,同時(shí)獲取交易主體、交易時(shí)間、交易方式、成交電量及成交電價(jià)等綠色電力交易及使用信息。結(jié)合調(diào)度系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)相關(guān)信息,獲取輸配電過(guò)程信息。應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)將綠色電力生產(chǎn)、交易、使用過(guò)程的關(guān)鍵信息上鏈,確保發(fā)電方、消納方、供電方、輸電方及電量、電價(jià)等信息的不可篡改、源頭可溯。
2)區(qū)塊鏈在溯源機(jī)制中的技術(shù)路線分析:首先,對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行哈希計(jì)算,得到摘要數(shù)據(jù),通過(guò)調(diào)用接口進(jìn)行數(shù)據(jù)上鏈;然后,通過(guò)共識(shí)機(jī)制在鏈上進(jìn)行一致性確認(rèn),多節(jié)點(diǎn)備份。根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不同,可分為如下2 種:
(1)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)哈希映射與查詢。交易過(guò)程中的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)主要包括電力、電量等,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用JavaScript 對(duì) 象 表 示 法(JavaScript object notation,JSON),通過(guò)編碼轉(zhuǎn)成字符串(Value),計(jì)算Value的數(shù)字簽名(Key),最后將(Key,Value)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。在查詢時(shí),通過(guò)Key 調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)獲得Value;隨后將Value 解碼,并使用JSON 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝,向用戶返回相應(yīng)結(jié)果。在實(shí)際交易中,首先,將交易相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,利用接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上鏈;然后,將數(shù)據(jù)進(jìn)行哈希運(yùn)算,將其哈希值通過(guò)Merkle 樹(shù)在鏈上存證;同時(shí),將數(shù)據(jù)塊的位置標(biāo)識(shí)存儲(chǔ)到區(qū)塊鏈中,利用區(qū)塊鏈進(jìn)行訪問(wèn)控制管理。
(2)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)哈希映射與查詢。對(duì)于實(shí)際業(yè)務(wù)中的交易合同、交易承諾書(shū)、交易公告等文件類非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),主要將區(qū)塊鏈用于上傳文件參與方的公鑰、文件名稱、文件存儲(chǔ)路徑、文件哈希值等元數(shù)據(jù)中。區(qū)塊里文件哈希值與文件存儲(chǔ)路徑映射,通過(guò)在哈希表中檢索所需文件的哈希值,映射到鏈下文件的存儲(chǔ)位置,從而找到實(shí)際非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)文件,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)溯源管理。
隨著政策激勵(lì)以及用能理念的變化,綠色電力交易規(guī)模和交易范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大,交易中監(jiān)管機(jī)構(gòu)、發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)企業(yè)、電力用戶、交易中心等多市場(chǎng)主體參涉其中。綠色電力交易平臺(tái)作為交易主體自主P2P 的交易樞紐,在多區(qū)域、多方主體參與的大規(guī)模交易下,需要靈活自主地為市場(chǎng)主體提供可信透明的交易環(huán)境和便捷高效的參與體驗(yàn)。具有多方共識(shí)、不可篡改、全程可追溯技術(shù)特點(diǎn)的區(qū)塊鏈技術(shù)為此提供了可行解決思路。
基于以上考慮,綠色電力交易平臺(tái)需要在技術(shù)上支撐以下功能:1)支持大規(guī)模市場(chǎng)主體參與交易的吞吐量(TPS)要求,具備快速處理交易事務(wù)的能力;2)交易過(guò)程能夠公開(kāi)透明地自動(dòng)執(zhí)行,不同主體能夠?qū)灰缀虶PCC 信息進(jìn)行查驗(yàn)追溯;3)交易主體的身份信息能夠可信驗(yàn)證且成本不宜過(guò)高;4)支持大量交易信息的高效存儲(chǔ),交易信息能夠在鏈上鏈下進(jìn)行索引查詢;5)支持對(duì)市場(chǎng)主體交易敏感信息的隱私保護(hù),提升用戶對(duì)交易平臺(tái)的信任;6)保證數(shù)據(jù)執(zhí)行的安全性,降低執(zhí)行錯(cuò)誤和系統(tǒng)攻擊造成的風(fēng)險(xiǎn)。
基于綠色電力交易需求,應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)設(shè)計(jì)了包括應(yīng)用層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層的整體架構(gòu),見(jiàn)圖2。
圖2 綠色電力交易平臺(tái)整體架構(gòu)Fig.2 Overall architecture of green power trading platform
1)應(yīng)用架構(gòu)。應(yīng)用層包括對(duì)外服務(wù)業(yè)務(wù)與平臺(tái)內(nèi)控管理業(yè)務(wù),其中,對(duì)外服務(wù)業(yè)務(wù)包括數(shù)據(jù)申報(bào)、信息查詢等功能;內(nèi)控管理業(yè)務(wù)包括交易主體管理、憑證交易管理、交易核算管理及信用評(píng)價(jià)等功能。業(yè)務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)基于遠(yuǎn)期業(yè)務(wù)發(fā)展,考慮市場(chǎng)注冊(cè)、物理電量結(jié)算清分等業(yè)務(wù)沿襲交易平臺(tái)功能。系統(tǒng)后期將向微服務(wù)架構(gòu)演進(jìn),與“e-交易”平臺(tái)、新一代電力交易平臺(tái)融合遷移。
2)服務(wù)架構(gòu)。服務(wù)層由區(qū)塊鏈服務(wù)、交易平臺(tái)共享服務(wù)及對(duì)外業(yè)務(wù)擴(kuò)容服務(wù)組成。其中,區(qū)塊鏈服務(wù)通過(guò)區(qū)塊鏈身份認(rèn)證、區(qū)塊鏈數(shù)字化憑證及區(qū)塊鏈智能合約等技術(shù)為交易平臺(tái)提供數(shù)據(jù)存證、憑證核發(fā)、交易撮合、結(jié)算、溯源等服務(wù)。交易平臺(tái)共享服務(wù)通過(guò)交易中心已有交易系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)綠色電力交易業(yè)務(wù)的具體應(yīng)用。對(duì)外業(yè)務(wù)擴(kuò)容服務(wù)通過(guò)區(qū)塊鏈為交易業(yè)務(wù)提供標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的接口服務(wù)。
3)數(shù)據(jù)架構(gòu)。數(shù)據(jù)層采用“業(yè)務(wù)需求驅(qū)動(dòng)自上而下”和“基于現(xiàn)狀驅(qū)動(dòng)自下而上”相結(jié)合模式,面向?qū)ο蠼?構(gòu)建數(shù)據(jù)模型。根據(jù)輸入、輸出的數(shù)據(jù)對(duì)象,進(jìn)行核心業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)抽象和概念建模,形成宏觀上以省級(jí)行政區(qū)域?yàn)樽钚》秶?、微觀上以責(zé)任主體企業(yè)法人為最小單元的底層數(shù)據(jù)模型,解決不同業(yè)務(wù)模型粒度不一致問(wèn)題,同時(shí)也滿足新業(yè)務(wù)擴(kuò)展模型的交互需求。
2.3.1 交易高效共識(shí)機(jī)制
在大規(guī)模高并發(fā)的綠色電力交易場(chǎng)景下,區(qū)塊鏈系統(tǒng)需要能夠容納數(shù)萬(wàn)個(gè)市場(chǎng)主體的交易TPS,同時(shí)需要加快執(zhí)行速度,滿足電力交易業(yè)務(wù)的事務(wù)處理能力。這對(duì)共識(shí)算法的擴(kuò)展性和共識(shí)效率提出了新要求。
針對(duì)綠色電力交易場(chǎng)景需求,從網(wǎng)絡(luò)分片[23]并行處理、共識(shí)機(jī)制和最終傳播確認(rèn)3 個(gè)方向?qū)崿F(xiàn)高性能異步共識(shí)機(jī)制?;诰W(wǎng)絡(luò)分片、交易并行處理的思路,結(jié)合混合共識(shí)算法和最終一致性廣播的方法支撐綠色電力交易,如圖3 所示。
圖3 高速異步共識(shí)算法實(shí)施方案Fig.3 Implementation scheme of high-speed asynchronous consensus algorithm
將區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過(guò)哈希運(yùn)算和取模運(yùn)算后劃分到不同的子鏈中。不同的子鏈獨(dú)立并行處理不同的數(shù)據(jù),多子鏈數(shù)據(jù)同時(shí)記錄與驗(yàn)證,這樣整體的區(qū)塊鏈交易系統(tǒng)的TPS 將大大提高。
式中:Hash(·)為哈希運(yùn)算;mod(·)為取模運(yùn)算;I為節(jié)點(diǎn)的地址;P為公鑰;n為節(jié)點(diǎn)數(shù)。
針對(duì)不同的子鏈系統(tǒng),應(yīng)用混合共識(shí)算法對(duì)交易進(jìn)行驗(yàn)證和確認(rèn)打包。目前,適用于聯(lián)盟鏈的共識(shí)算法主要有普通容錯(cuò)類共識(shí)Paxos 算法、Raft 算法、拜占庭容錯(cuò)類共識(shí)算法(例如實(shí)用拜占庭容錯(cuò)(practical Byzantine fault tolerance,PBFT)算法)以及其他算法(例如委托權(quán)益證明(delegated proof of stake,DPoS)算法[24-26])。拜占庭錯(cuò)誤不僅可能造成交易系統(tǒng)的混亂,造成的資源和資金損失也將無(wú)法預(yù)期。聯(lián)盟鏈一般要求共識(shí)算法具有拜占庭容錯(cuò)性,如PBFT 算法,但是該算法會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而減慢共識(shí)速度。DPoS 算法雖然沒(méi)有這個(gè)缺陷,但是其委托人列表中的惡意節(jié)點(diǎn)不能及時(shí)更新,進(jìn)而會(huì)影響交易執(zhí)行效率。因此,在綠色電力交易場(chǎng)景下,采用基于DPoS 和PBFT 算法的混合共識(shí)算法。
具體混合共識(shí)的機(jī)制設(shè)計(jì)為:1)電力交易的區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有自己的權(quán)重,節(jié)點(diǎn)通過(guò)聯(lián)盟鏈權(quán)限進(jìn)行初始化配置;2)節(jié)點(diǎn)根據(jù)權(quán)重和信譽(yù)進(jìn)行投票,依照DPoS 算法思想選出委托人列表;3)當(dāng)?shù)竭_(dá)一個(gè)檢查點(diǎn)時(shí),基于PBFT 算法的視圖更新協(xié)議將本階段宕機(jī)節(jié)點(diǎn)剔除出委托人列表,并進(jìn)行節(jié)點(diǎn)更新;4)委托人列表內(nèi)節(jié)點(diǎn)根據(jù)取模結(jié)果選擇主節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)區(qū)塊的打包和廣播;5)廣播階段不采用單一的簽名驗(yàn)證而是全節(jié)點(diǎn)投票,當(dāng)新區(qū)塊創(chuàng)造出來(lái)時(shí),誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)等待其他節(jié)點(diǎn)的投票結(jié)果;當(dāng)票數(shù)超過(guò)一定數(shù)量后,進(jìn)入持久化階段;6)經(jīng)過(guò)確認(rèn)的區(qū)塊會(huì)被持久化到交易區(qū)塊鏈系統(tǒng)中。
最后,需要保證整體區(qū)塊鏈系統(tǒng)的交易一致性。為了降低分片間達(dá)成共識(shí)在時(shí)間尺度上的耦合度,保證區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)間在不需要精確時(shí)間同步的前提下進(jìn)行共識(shí),采用異步共識(shí)機(jī)制。為規(guī)避FLP(Fischer-Lynch-Paterson)[27]不可能性,添加額外假設(shè),保證異步系統(tǒng)不會(huì)因節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤而停滯,使得分布式容錯(cuò)共識(shí)可解,為綠色電力交易系統(tǒng)提供可靠的區(qū)塊鏈底層平臺(tái)。
綜上,采用分片間的高速分級(jí)異步共識(shí)算法,提高綠色電力交易系統(tǒng)TPS 及交易共識(shí)效率,實(shí)現(xiàn)大規(guī)模綠色電力交易場(chǎng)景下的高效交易需求。
2.3.2 智能合約鏈上交易流程
基于智能合約的交易涉及手機(jī)盾系統(tǒng)(身份認(rèn)證密鑰存儲(chǔ)介質(zhì))、綠色電力交易系統(tǒng)和區(qū)塊鏈系統(tǒng)三方交互協(xié)同,交易申報(bào)、確認(rèn)、出清等環(huán)節(jié)均在鏈上執(zhí)行。以GPCC 鏈上交易為例,其具體流程如圖4 所示,包括以下步驟:1)出售方A 在綠色電力交易系統(tǒng)里創(chuàng)建交易訂單信息;2)通過(guò)手機(jī)盾系統(tǒng)掃一掃,對(duì)已創(chuàng)建的訂單信息進(jìn)行掃描簽名;3)交易系統(tǒng)將訂單信息和簽名信息提交給智能合約網(wǎng)關(guān),由智能合約網(wǎng)關(guān)調(diào)用身份憑證合約對(duì)出售方A 的簽名信息進(jìn)行校驗(yàn);4)簽名A 的校驗(yàn)通過(guò)后,調(diào)用GPCC校驗(yàn)合約對(duì)出售方A 的可用GPCC 數(shù)量進(jìn)行校驗(yàn);5)消納量校驗(yàn)通過(guò)后,調(diào)用創(chuàng)建雙邊交易或掛牌交易合約創(chuàng)建雙邊交易或者掛牌交易訂單,生成創(chuàng)建訂單區(qū)塊,并將信息記錄在鏈上;6)購(gòu)入方B 通過(guò)綠色電力交易系統(tǒng),查詢找到待自己確認(rèn)處理的訂單信息;7)使用手機(jī)盾系統(tǒng),對(duì)已創(chuàng)建的訂單信息進(jìn)行掃描簽名;8)交易系統(tǒng)將訂單信息和簽名信息提交給智能合約網(wǎng)關(guān),由智能合約網(wǎng)關(guān)調(diào)用身份憑證合約對(duì)購(gòu)入方B 的簽名信息進(jìn)行校驗(yàn);9)購(gòu)入方B 的簽名通過(guò)校驗(yàn)后,調(diào)用GPCC 派生合約進(jìn)行消納憑證校驗(yàn)、派生和交易(因?yàn)橐淮谓灰卓赡苌婕岸鄠€(gè)票的交易,也有可能涉及大票拆分成小票);10)調(diào)用確認(rèn)雙邊交易或掛牌交易合約確認(rèn)訂單交易,生成交易憑證、確認(rèn)訂單區(qū)塊信息,并更新雙邊賬戶信息,將所有信息記錄在鏈上,完成交易。
圖4 鏈上交易流程Fig.4 On-chain trading process
區(qū)塊鏈所有共識(shí)節(jié)點(diǎn)參與交易數(shù)據(jù)記錄,將GPCC 的發(fā)行信息、流通信息、派生信息等特征數(shù)據(jù)不可篡改地登記在區(qū)塊鏈上,進(jìn)行永久存儲(chǔ)。每筆交易記錄以時(shí)間戳形式連接生成數(shù)據(jù)區(qū)塊,完整追蹤記錄交易信息的流轉(zhuǎn)鏈條,實(shí)現(xiàn)對(duì)憑證全生命周期的追溯。
2.3.3 交易用戶身份認(rèn)證
交易主體在平臺(tái)發(fā)起交易、簽署合同等過(guò)程中需要進(jìn)行身份認(rèn)證和查驗(yàn),這是保障可信交易的基礎(chǔ)。目前,所采用的認(rèn)證方式是基于U 盾的第三方認(rèn)證,在大規(guī)模交易系統(tǒng)中存在成本較高、便捷性不足的問(wèn)題。
為了兼顧身份認(rèn)證的便捷性和安全性,本文利用區(qū)塊鏈的防篡改、多方共識(shí)特性,提出區(qū)塊鏈身份認(rèn)證解決方案。用戶首先在交易系統(tǒng)完成注冊(cè),系統(tǒng)通過(guò)實(shí)名認(rèn)證機(jī)制進(jìn)行驗(yàn)證,并生成公私密鑰對(duì)存儲(chǔ)在云端或手機(jī)盾系統(tǒng)。然后,系統(tǒng)將用戶信息及公鑰發(fā)送至區(qū)塊鏈身份管理平臺(tái),平臺(tái)將用戶信息哈希值及公鑰寫(xiě)入鏈上,獲得身份憑證存證編號(hào)。最后,區(qū)塊鏈身份管理平臺(tái)通過(guò)存證編號(hào)生成包含存證編號(hào)、用戶信息、公鑰的完整身份憑證信息。在用戶和交易系統(tǒng)的交互過(guò)程中,若發(fā)起交易申請(qǐng)或合同簽署等,交易系統(tǒng)將鏈上返回的用戶信息哈希值和公鑰與密鑰存儲(chǔ)介質(zhì)通過(guò)簽名運(yùn)算得到的簽名值和憑證編號(hào)進(jìn)行比對(duì),完成對(duì)身份的驗(yàn)證審核。
綜上,以云端或手機(jī)盾系統(tǒng)作為密鑰托管方式,通過(guò)背書(shū)用戶身份和公鑰的綁定關(guān)系,實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈身份認(rèn)證,替代目前第三方數(shù)字證書(shū)認(rèn)證方式,為綠色電力交易系統(tǒng)節(jié)約用戶管理認(rèn)證成本。
2.3.4 交易數(shù)據(jù)協(xié)同存儲(chǔ)
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是保障交易可信完成的重要基礎(chǔ)。在交易數(shù)目較大的業(yè)務(wù)場(chǎng)景下,鏈上存儲(chǔ)量的局限性妨礙了數(shù)據(jù)大規(guī)模的存儲(chǔ)及計(jì)算。同時(shí),鏈上數(shù)據(jù)的增加對(duì)區(qū)塊交易數(shù)據(jù)的檢索效率提出了更高的要求。
系統(tǒng)采用智能識(shí)別和數(shù)據(jù)壓縮[28]的方式解決鏈上交易數(shù)據(jù)冗余問(wèn)題。電力交易過(guò)程中,訂單數(shù)和交易并非一一對(duì)應(yīng)。一個(gè)交易里常包含若干訂單,對(duì)于這些訂單,用戶只需進(jìn)行統(tǒng)一的私鑰簽名,打包到單個(gè)交易中一起發(fā)送,而不必對(duì)每一筆交易進(jìn)行簽名。在交易驗(yàn)證過(guò)程中,節(jié)點(diǎn)會(huì)把交易進(jìn)行反序列化,按序執(zhí)行訂單內(nèi)容,經(jīng)過(guò)共識(shí)后的交易將存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中。針對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、檢測(cè)效率低的問(wèn)題,系統(tǒng)采用鏈上鏈下混合存儲(chǔ),結(jié)合高效檢索技術(shù)予以解決。具體而言,將部分?jǐn)?shù)據(jù)存在鏈下的分布式對(duì)等網(wǎng)絡(luò)中,提高區(qū)塊鏈系統(tǒng)擴(kuò)展性。同時(shí),對(duì)鏈下數(shù)據(jù)的語(yǔ)義信息進(jìn)行提取,根據(jù)關(guān)鍵詞的重要性構(gòu)建倒排索引,建立鏈下數(shù)據(jù)和鏈上數(shù)據(jù)的協(xié)同映射關(guān)系。構(gòu)建索引結(jié)構(gòu),支持語(yǔ)義關(guān)鍵字搜索、范圍搜索、模糊搜索,提供對(duì)搜索結(jié)果的驗(yàn)證證明。在綠色電力交易業(yè)務(wù)中,通過(guò)鏈上鏈下協(xié)同數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與檢索,為可信交易提供基礎(chǔ)保障。
2.3.5 交易執(zhí)行安全防護(hù)
綠色電力交易平臺(tái)中的交易中心、電網(wǎng)企業(yè)、監(jiān)管機(jī)構(gòu)等作為節(jié)點(diǎn)組網(wǎng),其安全性對(duì)整個(gè)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)安全至關(guān)重要。智能合約是鏈上交易業(yè)務(wù)邏輯的實(shí)現(xiàn)路徑,其安全性直接關(guān)乎整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)的應(yīng)用安全。因此,從節(jié)點(diǎn)和智能合約2 個(gè)方面進(jìn)行安全防護(hù)以確保交易執(zhí)行的安全。具體防護(hù)方式為:針對(duì)各節(jié)點(diǎn)不同的底層設(shè)施、服務(wù)架構(gòu)、內(nèi)核系統(tǒng)、應(yīng)用模式,通過(guò)節(jié)點(diǎn)認(rèn)證、用戶身份認(rèn)證及訪問(wèn)權(quán)限控制手段識(shí)別假冒用戶及有惡意攻擊行為的用戶并對(duì)其進(jìn)行權(quán)限調(diào)整。此外,對(duì)智能合約架構(gòu)、合約運(yùn)行方式、合約代碼層、合約中各函數(shù)調(diào)用量、實(shí)時(shí)交易量、代碼執(zhí)行狀態(tài)等過(guò)程進(jìn)行異常數(shù)據(jù)檢測(cè),確保鏈上合約的安全可信。通過(guò)節(jié)點(diǎn)及智能合約安全防護(hù)確保綠色電力交易執(zhí)行的安全,為可信交易提供安全保障。
2.3.6 交易信息隱私保護(hù)
傳統(tǒng)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中,為了保證信息可驗(yàn)證,要將上鏈數(shù)據(jù)全部公開(kāi),這無(wú)法滿足具有隱私需求的交易體系,有礙市場(chǎng)交易的積極性。綠色電力交易業(yè)務(wù)場(chǎng)景中市場(chǎng)主體私有數(shù)據(jù)、商業(yè)數(shù)據(jù)等敏感數(shù)據(jù)既需要安全共享,也需要進(jìn)行隱私保護(hù),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可用而不可見(jiàn)。
本文結(jié)合綠色電力交易業(yè)務(wù)隱私需求,采用密碼學(xué)手段,解決電網(wǎng)敏感數(shù)據(jù)隱私保護(hù)狀態(tài)下的可驗(yàn)證性及透明監(jiān)管。具體來(lái)說(shuō),將交易雙方的交易敏感商業(yè)數(shù)據(jù)(如競(jìng)價(jià)信息)采用基于同態(tài)密碼的密碼協(xié)議方式進(jìn)行隱匿計(jì)算后上鏈,同時(shí),結(jié)合非交互式零知識(shí)證明策略保障協(xié)議在惡意攻擊者模型下的安全性。在驗(yàn)證執(zhí)行階段,區(qū)塊鏈上其他節(jié)點(diǎn)只能看到加密后的交易數(shù)據(jù),并且能夠?qū)灰讛?shù)據(jù)密文進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)證,以滿足交易數(shù)據(jù)的隱私安全及監(jiān)管方的透明監(jiān)管需求??傮w來(lái)說(shuō),本文在綠色電力交易流程下,采用零知識(shí)證明、同態(tài)密碼等技術(shù)對(duì)交易隱私數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理,實(shí)現(xiàn)隱私保護(hù)。
綠色電力交易業(yè)務(wù)的區(qū)塊鏈架構(gòu)設(shè)計(jì)包含3 個(gè)主要層級(jí):數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識(shí)層。區(qū)塊鏈平臺(tái)部署架構(gòu)如圖5 所示。
圖5 綠色電力交易區(qū)塊鏈平臺(tái)部署架構(gòu)Fig.5 Deployment architecture of blockchain platform for green power trading
在數(shù)據(jù)層設(shè)計(jì)了電力交易區(qū)塊鏈的外部數(shù)據(jù)查詢接口,以及該接口的數(shù)據(jù)檢索方式、數(shù)據(jù)傳輸格式、接口應(yīng)答字段內(nèi)容。網(wǎng)絡(luò)層設(shè)置功能定位不同的區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)類型,確定了聯(lián)盟鏈節(jié)點(diǎn)規(guī)模與運(yùn)行性能間的映射關(guān)系,明確限定了運(yùn)行性能下不同類型節(jié)點(diǎn)的部署上限。不同類型區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)的部署上限兼顧了電力交易市場(chǎng)的特性和區(qū)塊鏈的特性。節(jié)點(diǎn)從數(shù)據(jù)維度可以分為全節(jié)點(diǎn)和輕節(jié)點(diǎn)。將北京電力交易中心、各省級(jí)電力交易中心、電網(wǎng)企業(yè)、配售電公司、大電力用戶、監(jiān)管機(jī)構(gòu)的物理主機(jī)作為全節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)。其中,北京電力交易中心主要負(fù)責(zé)組織跨區(qū)、跨省的省間交易,各省級(jí)電力交易中心組織省內(nèi)交易。其他小型電力用戶作為輕節(jié)點(diǎn)參與交易。共識(shí)層采用兩階段混合共識(shí)算法,共識(shí)節(jié)點(diǎn)的責(zé)任由監(jiān)管機(jī)構(gòu)、北京電力交易中心、調(diào)度機(jī)構(gòu)的安全校核節(jié)點(diǎn)共同承擔(dān)。
基于區(qū)塊鏈的綠色電力交易系統(tǒng)由北京電力交易中心運(yùn)營(yíng),依托電網(wǎng)企業(yè)、配售電公司、電力用戶等市場(chǎng)主體,通過(guò)綠色電力試點(diǎn)交易和GPCC 交易,開(kāi)展了實(shí)地應(yīng)用驗(yàn)證。
對(duì)基于區(qū)塊鏈的綠色電力交易平臺(tái)的測(cè)試包括區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試與平臺(tái)能力測(cè)試。進(jìn)行測(cè)試所用設(shè)備為共識(shí)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、跨鏈服務(wù)器及應(yīng)用程序接口(application programming interface,API)服務(wù)器,相關(guān)設(shè)備參數(shù)及測(cè)試網(wǎng)絡(luò)環(huán)境如附錄A 所示。
1)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試
針對(duì)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)共識(shí)效率評(píng)估,測(cè)試1 種算例在3 次共識(shí)算法執(zhí)行下的TPS,結(jié)果如表1 所示,TPS 平均值可達(dá)32 544.59 筆/s。對(duì)不同并發(fā)數(shù)下數(shù)據(jù)存證、數(shù)據(jù)取證及發(fā)送交易3 項(xiàng)操作下的平均響應(yīng)時(shí)間和TPS 進(jìn)行測(cè)試,具體測(cè)試數(shù)據(jù)如表2 所示。同時(shí),對(duì)現(xiàn)有典型的區(qū)塊鏈項(xiàng)目進(jìn)行比較[29],如表3 所示,結(jié)果表明,本文的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出了較為優(yōu)異的性能。
表3 典型的區(qū)塊鏈項(xiàng)目性能對(duì)比Table 3 Performance comparison of typical blockchain projects
2)平臺(tái)能力測(cè)試
在平臺(tái)功能性測(cè)試中,針對(duì)交易用戶身份認(rèn)證、交易數(shù)據(jù)協(xié)同存儲(chǔ)、交易數(shù)據(jù)隱私保護(hù)等平臺(tái)能力要求編寫(xiě)了能源交易身份憑證服務(wù)、秘鑰管理、交易數(shù)據(jù)保全、數(shù)據(jù)隱私服務(wù)等功能算例,測(cè)試通過(guò)率為100%。針對(duì)平臺(tái)交易執(zhí)行安全防護(hù)要求,編寫(xiě)了標(biāo)識(shí)與鑒別、訪問(wèn)控制測(cè)試算例。經(jīng)檢測(cè),平臺(tái)具有用戶鑒別信息防重放、多重鑒別及敏感操作二次鑒別能力,能夠依據(jù)安全策略控制主體對(duì)客體訪問(wèn),驗(yàn)證了平臺(tái)具備假冒用戶、惡意攻擊用戶檢測(cè)及對(duì)其進(jìn)行權(quán)限調(diào)整或封禁賬號(hào)的能力。同時(shí),平臺(tái)在容錯(cuò)性、易恢復(fù)性與可用性等方面的可靠性測(cè)試及兼容性測(cè)試均100%通過(guò),具體測(cè)試內(nèi)容見(jiàn)附錄A。
以上測(cè)試結(jié)果表明,基于區(qū)塊鏈的綠色電力交易平臺(tái)的平均響應(yīng)時(shí)間在0.06 s 以下,TPS 可達(dá)10 000 筆/s 以上,各項(xiàng)能力測(cè)試通過(guò)率為100%,具備優(yōu)良的支撐大規(guī)模交易的能力。
基于區(qū)塊鏈的綠色電力交易系統(tǒng)依托綠色電力試點(diǎn)交易和GPCC 交易,在全國(guó)多地開(kāi)展了試點(diǎn)應(yīng)用。
3.2.1 綠色電力試點(diǎn)交易
電力用戶通過(guò)基于區(qū)塊鏈的綠色電力交易系統(tǒng)購(gòu)買可再生能源發(fā)電量,參與電力市場(chǎng)化交易。有意向用戶通過(guò)手機(jī)盾系統(tǒng)端基于區(qū)塊鏈的身份驗(yàn)證后,即可登錄交易系統(tǒng)界面進(jìn)行綠色電力交易申報(bào)。交易雙方通過(guò)掛牌交易或雙邊協(xié)商達(dá)成交易后,交易公告、交易合同、結(jié)算信息數(shù)據(jù)全部上鏈存證,通過(guò)隱私保護(hù)技術(shù)確保金額、身份等敏感信息可用而不可見(jiàn)。通過(guò)區(qū)塊鏈智能合約驗(yàn)證結(jié)算以及關(guān)聯(lián)交易信息,完成GPCC 的核發(fā),為用戶提供綠色電力消費(fèi)證明。此外,用戶可在交易系統(tǒng)發(fā)起溯源信息查詢申請(qǐng),區(qū)塊鏈平臺(tái)返回包含發(fā)電企業(yè)、消納方、輸電方、消納電量、電量類型等溯源信息,確保綠色電力交易公開(kāi)透明且不可篡改。
目前,基于區(qū)塊鏈的綠色電力交易系統(tǒng),參與綠色電力試點(diǎn)交易省份達(dá)17 個(gè),參與市場(chǎng)主體達(dá)259 家,成交總電量達(dá)7.935 TW·h,生成鏈上合同119 份,綠色電力消費(fèi)證明113 份,區(qū)塊鏈身份證書(shū)達(dá)259 張。實(shí)現(xiàn)了用戶參與綠色電力交易的廣泛性和有序化,驗(yàn)證了基于區(qū)塊鏈的綠色電力交易系統(tǒng)的完備性和實(shí)用性,促進(jìn)綠色電力交易市場(chǎng)良性發(fā)展。
3.2.2 GPCC 試點(diǎn)交易
市場(chǎng)主體購(gòu)買并實(shí)際消納可再生能源電量后獲得GPCC,交易平臺(tái)每月按照發(fā)用電數(shù)據(jù)計(jì)算市場(chǎng)主體消納量,消納量不足的主體可購(gòu)買其他主體的超額消納量,GPCC 相應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)移。出售方和購(gòu)入方首先通過(guò)區(qū)塊鏈身份認(rèn)證完成身份信息核驗(yàn),校驗(yàn)完成后,調(diào)用GPCC 校驗(yàn)合約、交易合約、消納憑證派生合約在鏈上執(zhí)行交易申報(bào)、確認(rèn)、出清等環(huán)節(jié),更新雙邊賬戶信息,將所有信息記錄在鏈上,完成交易。每筆交易記錄以時(shí)間戳形式連接生成數(shù)據(jù)區(qū)塊,可追溯記錄交易信息的流轉(zhuǎn)鏈條。
目前,基于區(qū)塊鏈的綠色電力交易系統(tǒng)面向全國(guó)開(kāi)展首次綠色電力憑證交易,共10 個(gè)省參與省間交易,GPCC 轉(zhuǎn)移數(shù)量達(dá)245.5 萬(wàn)個(gè),相當(dāng)于可再生能源電量2.455 TW·h,支撐全國(guó)多個(gè)省份完成年度可再生能源消納責(zé)任權(quán)重,通過(guò)市場(chǎng)化交易手段促進(jìn)綠色電力的消納。
通過(guò)多場(chǎng)景實(shí)例驗(yàn)證,本文所設(shè)計(jì)的基于區(qū)塊鏈技術(shù)的綠色電力交易系統(tǒng),能夠?yàn)槭袌?chǎng)主體的實(shí)際綠色電力消納提供可信證明、價(jià)值流轉(zhuǎn)及過(guò)程追溯。此外,系統(tǒng)為發(fā)電方、用電方、監(jiān)管機(jī)構(gòu)、電網(wǎng)企業(yè)等不同市場(chǎng)主體提供可信高效的電力交易環(huán)境,支撐大規(guī)模市場(chǎng)容量,具有良好的完備性和實(shí)用性。
本文提出基于區(qū)塊鏈的GPCC 生成、交易、溯源機(jī)制;設(shè)計(jì)具有高效共識(shí)、鏈上交易、身份認(rèn)證等核心能力的綠色電力交易平臺(tái),構(gòu)建了可信高效的電力交易環(huán)境;通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試及綠色電力交易、消納憑證交易應(yīng)用示范,驗(yàn)證了綠色電力交易系統(tǒng)的完備性與實(shí)用性,為以市場(chǎng)化手段促進(jìn)綠色電力消納提供了有力支撐。
下一步,將研究基于區(qū)塊鏈的綠色電力交易系統(tǒng)示范應(yīng)用中涉及的關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化方案,針對(duì)業(yè)務(wù)應(yīng)用需求進(jìn)行微服務(wù)改造。同時(shí),在適用地區(qū)繼續(xù)擴(kuò)大典型模式應(yīng)用試點(diǎn),跟蹤分析試點(diǎn)工程運(yùn)行效果,進(jìn)一步完善平臺(tái)功能,提升基于區(qū)塊鏈的綠色電力交易系統(tǒng)服務(wù)能力。另外,綠色電力交易與現(xiàn)有市場(chǎng)機(jī)制的銜接也是后續(xù)要探討的問(wèn)題。
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