摘要：为了实现高效、公平、透明的配电网电力交易，提出了基于区块链的配电网电力交易方法。针对当前含新能源的配电网电力交易的难点，结合区块链的技术特点，提出了配电网电力交易的区块链结构。介绍了基于区块链的配电网电力交易的具体实现步骤和交易过程，深入研究基于 XML 组织区块链主体内容，并将国产安全算法 SM2 和 SM3 引入到区块链应用中。最后设计了基于区块链的配电网电力交易情景，证明了基于区块链的配电网电力交易方法的有效性。
关键词：区块链;配电网;新能源;电力交易;交易安全
0 引言随着新能源广泛生产与应用，光伏、风电、生物质能等新能源以微电网形式高渗透率地接入配电网中，配电网的能源结构发生了深刻变化。配电网可能向微电网的负荷提供电能，也可能从微电网的新能源中接收电能，配电网由原先的单向潮流变为双向潮流，能源结构更加复杂。同时，风能和光伏受地理、气候等客观因素影响，发电具有随机性、间歇性和不稳定性的特点，配电网的能源分布具有更大的不确定性[1]。
配电网能源供应侧接入大量分散的新能源，从能源利用的角度，希望新能源能最大程度发电，避免当前困扰新能源发展的弃风、弃光等现象，这有基金项目：国家自然科学基金资助项目(51807116) 赖于良好的新能源交易和管理机制，以充分实现分布式能源的有效消纳[2]。
当前已从政策层面陆续出台了鼓励新能源发电和消纳的政策，但促进新能源发电和消纳的政策在具体落实上还存在诸多亟需解决的问题，如何建立有效的新能源交易机制便成为了关键[3]。
含新能源的配电网电力交易过程中，在遵循电力市场“统一、开放、竞争、有序”基础上[4]，应尊重各个电力市场主体的自主性和选择性，避免电力市场主体之间、电力市场主体与电力调度交易机构之间因电力市场交易发生矛盾。
我国现有的电力交易主要通过集中式交易中心完成，并通常由特定的机构主导整个交易，这虽然有利于保障电力交易的安全性，但集中式电力交易中心在市场机制、交易清算、阻塞管理等诸多领域还有待进一步发展成熟。另外，集中式电力交易中心，当前主要开展年度、季度、月度等中长期电力交易，几乎并不承担分时电力交易;而新能源由于自身发电的不确定性，更关注于短期电力交易，这在当前集中式电力交易中心难以实现[5]。
随着配电网电力市场的开放步伐加快，更多的交易实体参与电力交易，电力服务的利益分配机制、交易方式和定价机制更加复杂，采用有效的配电网电力交易技术，确保交易安全、降低信用成本和交易成本，促进配电网新能源中的消纳，具有重要意义。
区块链作为一种新兴的交易技术，采用总账分散式的记账方式，以链式结构记录各个交易参与方的互动信息，并以区块方式妥善保存交易信息。整个交易信息采用现代密码学算法，保障交易信息的完整性、不可篡改性和不可抵赖性[6]，区块链有望解决配电网电力交易主体多、交易安全等难题。
1 区块链技术
区块链来源于比特币，作为比特币的底层支撑技术，于 2010 年左右开始兴起，并逐步演化成一种为各种复杂交易提供安全可靠交互的技术。
尽管当前比特币等货币形式存在合理性争议和法律风险，但区块链作为一种解决交易公平性和安全性的有效手段，受到了包括配电网新能源交易在内的电力市场关注[7]。区块链借助密码学算法，采用去中心化方式，由所有的参与方共同维护一个开放、透明的区块链数据库，有助于实现交易的公开性和公平性。
具体实现上，区块链由多个包含交易信息的区块按序逐级连接成为数据链，如图 1 所示。随着交易信息的增加，区块数量不断增加，各个区块起着 “承上启下”的功能，既承接上一个区块的信息，又将本次交易的内容添加到本区块，而且以密码技术保障所添加内容的完整性。
每个区块由区块头和区块主体两部分组成：1) 区块头包含整个区块链的简易信息，主要包含前一区块哈希值、时间戳、Merkle 根植、版本号、随机数和目标哈希值等内容。2) 区块主体包含本区块详细的交易信息，这些信息和前一区块的哈希值以及随机数通过哈希算法获得本区块的哈希散列值。
2 配电网电力交易的区块链应用
2.1 配电网信息结构
含分布式能源的配电网中，新能源通常因地制宜地分散于整个配电网，各种类型的新能源接入到配电网，并与配电网原有的电源和负荷连接一起实现电能供需平衡。同时，配电网各个组成单元通过通信网络实现信息交互，从而获知其他单元的发电和用电情况，也将自身的电能情况实时地告知配电网其他组成单元，如图 2 所示。
由于配电网分布广泛，现场情况复杂多样，配电网的通信网络可以因地制宜，采用当前电力通信领域普遍采用的通信方式：1) RS485/422 等串行网络;2) CAN、Profibus 等现场总线;3) GPRS、 2G/3G/4G 等无线网络;4) 光纤以太网等高效能网络。配电网通信可以选择上述一种或是多种网络混合组成灵活的配电网通信网络。
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依托配电网通信网络，配电网将原先处于“信息孤岛状态”的电力发电容量和用电需求等分散信息汇集起来。配电网电力供求信息通过通信网络，以区块链的形式知会配电网各个组成单元。发电方很容易便通过区块链这种公开渠道获知其他发电方以及用电需求量，或以区块链方式公布自身的发电情况和寻求电量接收方。用电方也可以通过区块链方式公布自身的用电需求，并获取发电方的发电容量和价格。
2.2 配电网电力交易区块链结构
参照通信协议 ISO 七层结构的特点，区块链结构也建立了数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层的分层结构。当区块链应用于不同场合时，区块链的层次结构会根据具体应用场合的不同有所微调，但区块链的应用结构基本稳定，配电网电力交易的区块链结构图如 3 所示。
1) 区块链结构的底层是数据层。数据层作为区块链的基础，包含了区块数据、链式结构和密码学算法等具体数据内容。区块数据承载了配电网电力交易的详细信息，并采用链式结构组成完整的配电网电力交易链，通过非对称加密等密码学算法保障信息安全性，并采用数字签名方式实现电力交易信息的不可否认性。 2) 数据层的上一层是网络层，网络层主要实现区块链数据的网络传输和验证功能。配电网的通信网络虽然较为复杂多样，但普遍都能满足单点向多点发送的类多播传播方式，而且不同网络通常采用网关转换等方式实现异构网络的互通互连。
配电网电力交易涉及发电和用电的多个参与方，有交易需求的参与方，经通信网络向其他参与方广播交易信息，有交易信息意向的参与方接收到信息后，也经网络层向其他参与方广播回应信息。
需要注意的是，上述的配电网电力交易过程，并不采用交易双方私下进行的方式，而是采用交易信息可以在配电网通信网络上公开获得的方式，这也是区块链技术的开放性和公开性特点。
3) 共识层表征了配电网电力交易的权益和股权证明等内容，同时采用拜占庭容错等措施，使得整个区块链能够容忍少于三分之一的参与方恶意作弊或被黑客攻击，确保电力交易顺利完成。
4) 激励层主要用于鼓励参与方积极地参与区块链的发展，在比特币等应用场合通常采用奖励比特币的方式给积极“挖矿”的参与方。而配电网电力交易参与方则具有天然的参与意向，都希望能够达成自身利益最大化的电力交易。
5) 合约层包括智能合约和合约约束等内容。对于基于区块链的配电网电力交易，由于区块链包含的交易信息不可撤销和不可篡改，交易信息可为违约的交易合同提供法律证据，另外，配电网电力交易内容由交易双方协商订立，交易双方可补充违约责任以保障交易完成。
进一步，配电网的所有参与方，可以从区块链内容获悉整个配电网电力交易过程，很容易便可认定电力交易违约方，同时还可以从区块链的历史交易内容查找交易方的信用记录，这将对违约起到很大的约束作用。
6) 应用层作为区块链的最高层，提供针对各种应用场景的程序和接口，直接体现了具体的应用场合。基于配电网的电力交易，参与方只需通过应用层接口，直接调用区块链对应的应用程序，而无需关心区块链底层的技术细节。
3 具体实现
3.1 区块链实现步骤
配电网的各个发电和用电参与方，构成电力交易的主体，参与方首先准备好自己的身份信息、公钥和对应的私钥，身份信息包括参与方的工商和营业账号、税号、对公银行账号和公司地址、电话等公司的公开信息，公司的公开信息表征了公司的身份，其真实性可以通过政府相关部门等权威渠道确认。同时采用加入审查制度和保证金机制，由配电网电力交易联盟对新加入的成员进行身份认证，防止假冒身份者进入配电网电力交易中。
参与方同时产生配对的公钥和私钥，公钥跟随参与者身份发送给其他参与方，其他参与方可以采用该公钥来确认信息的真实性及其来源真实性;私钥只由密钥拥有者管理，私钥表征了电力交易区块链的真实来源，因为其他参与者不能推算出该密钥，无法伪造其他参与方的电力交易区块链。
参与方加入配电网电力交易时，如图 4 所示，参与方首先将身份信息和公钥作为参与电力交易的初始化区块链，发送到配电网通信总线供其他参与方使用。一方面，参与方发送的身份信息和公钥以区块链的方式记录下来，由于区块链的不可更改特性，该信息将为后续的交易作“背书”功能;另一方面，其他参与方以安全、可靠的方式获得了新加入的参与方的公钥等信息，实质上完成了密码技术中的密钥分配难题。
其他参与方通过新加入参与方的初始化区块链，获得对应的身份和公钥，便能与包括新加入参与方在内的所有参与方进行配电网电力交易。而新加入的参与者，也可以查阅之前区块链的内容，从而找到其他参与方的身份信息和公钥，甚至可以查阅以前配电网电力交易的记录。也就是说，基于区块链的电力交易方式，具有向前追溯的功能。
3.2 交易过程
与比特币交易过程侧重于比特币挖掘和计算不同，配电网电力交易的区块链交易过程，侧重于利用区块链包含的内容具有不可篡改和不可否认的特性，以区块链的方式促成并完整地记录下电力交易过程，主要包括“提出电力交易需求、达成交易意向、完成交易合同并最终履行合同”等内容，如图 5 所示，核心步骤有：
1) 所有配电网电力交易参与方，时刻监听配电网通信网络的区块链信息。有电力交易需求的参与方，用自己的私钥加密经哈希算法产生的电力交易需求信息摘要后，将加密的摘要跟随电力交易需求信息加入到区块链，并通过配电网通信网络，向全配电网的所有参与方广播包含该电力交易需求的区块链信息。
2) 每个参与方接收包含最新交易意向的区块链信息，根据发布电力交易需求信息的参与方公钥，解密发布方的哈希摘要，并与收到的电力交易需求信息的哈希计算值做比较。当两个信息摘要的数值一致时，则可判断该区块链信息没有被伪造或被篡改，该区块链内容是发布方发出的真实电力交易请求。
3) 参与方根据自身的发电或用电情况，判断是否接受该电力交易，如不接受则忽略该交易;否则接受该电力交易意向或在该电力交易意向基础上与发布方协商，提出新的电力交易意向，并用自身的私钥加密所发布有交易意向的区块链信息，区块链的实现过程与步骤1)和2)所述的发布方完成区块链内容一样。
4) 发起此次电力交易需求的发布方，接收有交易意向参与方的电力要价或谈判信息;并从所有的回复的交易意向信息中，筛选出最可能达成电力交易的参与方，达成电力交易协议或继续就该电力交易谈判。若对所有的电力交易返回信息不满意或是根本没有收到对该次交易的返回信息，则终止该次所发起的电力交易。
5) 初步达成电力交易意向的电力交易供需双方，以区块链的方式记录整个电力交易完成过程，包括：可以根据电力交易需要进行多次谈判协商;达成配电网电力交易意向、签订合同、缴纳保证金和电力交易过程中的完成步骤及其证明等。需要注意的是，在双方约定好的交易信息保密范围内，电力交易双方可以将己方完成交易的证明，尽可能地记录到区块链中，这样一旦出现交易纠纷，以往区块链所记录的内容，将为己方尽力履行电力交易提供证据。
3.3 区块链内容
区块链的主体内容包含了配电网电力交易信息，交易信息需以统一、高效的方法组织起来，各个参与方能方便地理解交易信息，而且不产生交易信息理解的歧义。考虑基于区块链的电力交易信息，本质上是区块链内容以通信报文的形式在配电网通信网络上传送。因此，本文将可扩展的标识语言(eXtensible Markup Language, XML)应用于区块链主体内容的组织。
