区块链技术在分布式电源电费结算中的应用研究.pdf

区块链技术在分布式电源电费结算中的应用研究叶明1，王刚1，周振2，杨芳31. 国网能源研究院有限公司，北京 102209；2. 国家电网有限公司，北京 100086；3. 国家电网公司信息通信分公司，北京 100761摘 要分布式电源靠近用户侧向用户直接供电，有利于提高能源利用效率，扩大可再生能源利用规模。以分布式电源微电网电费结算业务为应用场景，引入区块链和智能合约技术构建了异构分布式电源电费结算系统，对其中智能合约抽象生成和分发方法、电费结算合约自动执行方法、电量数据交叉校核方法，以及交易记录收敛共识方法等进行了研究，并结合具体应用场景提出了系统部署与实施建议，为提高分布式电源微电网电费结算效率提供新的解决方案。关键词区块链；智能合约；分布式电源；可再生能源；结算系统中图分类号 F426.61;TM73;TM769 文献标志码 A DOI 10.11930/j.issn.1004-9649.2019022010 引言分布式电源是指在用户所在场地或附近建设安装，运行方式以用户端自发自用为主、多余电量上网，且在配电网系统平衡调节为特征的发电设施或有电力输出的能量综合梯级利用多联供设施[1]。分布式电源的基本特征为（1）直接向用户供电，潮流不穿越上一级公用变压器；（2）装机规模一般在10 MW以下；（3）通常接入中低压配电网；（4）发电类型主要为可再生能源等清洁高效能源[1]。分布式电源通过微电网接入大电网，便于实现多种能源形式互补，有利于提高能源利用效率，扩大可再生能源利用规模。近年来，随着相关领域技术进步、资本跟进以及鼓励可再生能源发展政策的积极支持，分布式电源得到了快速发展[2-3]。传统大电网集中式结算技术[4]应用模块化设计理念，通过计量采集模块处理电量采集业务、结算模块处理电费结算业务，存在能量流、信息流、控制流不统一[5]，交易流程长、响应不及时[6]、合同履约难掌控、信用体系难建立等问题，难以满足分布式电源迅猛发展的需要，亟须采用以事件驱动为特征的分布式电源电费结算技术，实现能量流、信息流、控制流三流合一，简化流程的同时提高结算效率。区块链是比特币的底层技术，根据应用场景和设计体系不同，分为公有链、私有链和联盟链3类[7]。作为分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术在互联网时代的创新应用，区块链具有开放共识、去中心、去信任、交易透明、不可篡改、可追溯的技术特性[8-9]。近年来，随着区块链技术研究与应用上的不断推进，逐渐形成了2种主流模式。第1种是“社区区块链虚拟币”模式，沿袭比特币的运转模式，虚拟币作为保证区块链持续增长的激励，在交易过程中发行。其主要特征有（1）参与节点拥有公平且不确定记账权；（2）记账成本均摊且可即时补偿；（3）记账收入可用于支付结算或可以某种形式实现与法币兑换。这种模式对存储和计算资源要求高，应用场景可以去中心化（或者说中心可漂移，即资本和技术占优势的节点，会成为新的中心），对既有中心化的运营模式会形成冲击。第2种是“社区区块链”模式，不发行虚拟币。这种模式下因缺乏内在激励，共识机制弱化，场景基本都是弱中心、多中心、类中心或单一功能点的应用，对既有运营模式并不形成颠覆性冲击。在中国，随着2017年9月4日七部委发布关于防范代币发行融资风险的公告、2018年收稿日期2019−03−19； 修回日期2019−04−23。基金项目国家电网有限公司科技项目基于区块链技术的新型财务管理模式关键技术研究，XM2017020164673。第 52 卷 第 6 期中国电力Vol. 52, No. 62019 年 6 月ELECTRIC POWER Jun. 20191409月18日中国人民银行上海总部发布常抓不懈，持续防范ICO和虚拟货币交易风险，对数字货币发行的监管趋严，第2种无币模式渐成主流。同时，由于安全、效率、去中心“不可能三角”的存在[10]，实际应用中多放弃了去中心化，转而谋求区块链在增信、共享、协同、效率提升等方面的价值。区块链技术在能源电力领域的应用主要是可再生能源电力交易[11]。国外代表性案例有美国布鲁克林TransActive Grid 微电网项目,每一个用户均可不依赖第三方自由进行绿色能源直接交易[12-13]；solarcoin绿证项目，参与者可以通过提供太阳能的方式获得光伏币[14]；奥地利Grid Singularity公司太阳能交易项目[15]。在中国，国家发展和改革委员会、国家能源局、工业和信息化部联合下发关于推进“互联网”智慧能源发展的指导意见（发改能源[2016]392号）后，如何利用区块链技术更好地服务能源互联网的建设成为学术领域的热门话题。专家学者从配电网自动化[16]、需求响应[17]、双边电力交易[18-20]等多个细分领域开展区块链应用研究，取得了大量的成果。其中，对于分布式能源交易中的应用，主要开展了应用场景、市场化交易机制、交易认证模型、交易出清模型等方面的研究，但成果主要集中在理论、模型和仿真方面，尚处于基于理想的状态，缺乏实际运行经验支撑[11]。本文以分布式电源电费结算业务为应用场景，引入区块链和智能合约构建了一种面向联盟链应用的异构分布式电源电费结算系统，以事件驱动和智能合约实现电费结算按照约定的规则不可篡改地自动执行，在确保参与主体间结算过程安全、可信的同时，有效简化执行环节，提高效率。文中对基于区块链的电费结算流程及所涉及的智能合约抽象、生成、分发方法，电费结算合约自动执行方法，电量数据交叉校核方法，以及交易记录收敛共识方法进行了设计，并结合某供电公司光伏发电应用场景提出了系统部署与实施建议，为提高分布式电源微电网电费结算效率提供新的解决方案。1 总体架构本文设计构建的异构分布式电源电费结算系统，基于区块链底层技术，面向联盟链应用，由集中式网络平台和分布式网络两大部分组成。系统总体架构如图1所示，其中合约分发体系之上是集中式网络平台，合约分发体系之下是分布式网络，分布式网络包括多个分布式节点。1.1 集中式网络平台集中式网络平台用于存储费用结算规则，制定智能合约模板，分别生成与分布式网络中各分布式节点相关的能量智能合约和费用智能合约，并将生成的各能量智能合约和费用智能合约分别作为区块存储在区块链上。联盟链应用场景下，集中式网络平台部署了参与主体维护、计量信息维护、组织结构信息维护、价格体系维护、电费结算合约管理等功能。其中参与主体维护是对分布式电源微电网电量交易各参与方，包括市场主体、服务机构和监管机构信息的维护。如发电企业的信息维护，包括发电企业名称、法人代表、营业号、银行账号、发电类型、结算类型维护等。这些信息决定了后续的结算价格、结算方式、结算周期和结算规则。计量信息维护主要是对计量点的信息维护，例如发电电表、关口电表、电量分摊规则等，包括电表类型、启用时间、计量的频率、计量表的时间和空间。这些信息会影响后续结算的电量。组织结构信息维护主要是维护参与主体之间或者参与主体内部的组织隶属和分工关系，用于参与主体内外部的权限管理和统计管理。价格体系维护是对分布式光伏交易结算价格参数进行维护，包括全量上网、余量上网模式下QQ Q Q QPP P P P P参与主体信息维护计量信息维护组织结构信息维护价格体系维护电费结算合约 智能合约合约分发体系互联网确保按合约执行能量控制确保费用信息真实确保能量信息真实信息S S SS全节点结算节点能量节点 图 1 系统总体架构Fig. 1 Architecture of System第 6 期 叶明等区块链技术在分布式电源电费结算中的应用研究141各类资源区执行的价格水平、国家补贴标准、地方补贴标准等。电费结算合约管理主要对电费结算相关智能合约进行维护和管理。如能量智能合约、费用智能合约的创建、配置、生成、发行、编辑、查询、删除等。1.2 分布式节点分布式节点包括能量节点、结算节点、全节点3类。能量节点是指完整记录电量信息，具备电量采集、校核、存储功能的节点。能量节点从区块链上获取与本能量节点相关的能量智能合约，执行本能量节点相关的能量智能合约，得到能量信息并存储在本能量节点，并将能量信息作为一个区块记录在区块链和全节点中。结算节点是指完整记录电费信息，具备电价计算、电费计算、存储功能的节点。结算节点从区块链上获取与本结算节点相关的费用智能合约，执行本结算节点相关的费用智能合约，得到费用信息并存储在本结算节点，并将费用信息作为一个区块记录在区块链和全节点中。全节点是指完整存储能量信息和费用信息的节点。2 结算流程及方法基于区块链和智能合约的分布式电源电费结算流程如图2所示。2.1 电费结算智能合约的抽象、生成、分发方法2.1.1 电费结算智能合约的抽象根据电费结算规则制定电费结算智能合约模板，存储于集中式平台。分布式电源的电费结算规则总体上包括2方面的内容。（1）明确哪个主体的哪个节点，在什么时间以什么价格结算多少电量，应收（应付）多少金额。结算规则定义参数包括节点地址、价格、电量、时间以及参与主体。（2）明确什么条件下触发什么计算逻辑，产生什么计算结果。逻辑定义模板包括触发条件、支撑条件、控制条件、输出结果、异常处理。例如光伏发电电费结算规则的触发条件以电量为主，当有电量发生变化的时候，触发结算规则进行电费的计算；支撑条件包括参与主体类型、地区等，决定了计算电费的时候采用的电价标准；控制条件包括光伏发电的类型，如全量上网和余量上网，控制具体的结算逻辑；输出结果包括电费和支付方式；异常处理包括电费异动处理、信息缺失异常处理等。2.1.2 电费结算智能合约的生成根据不同地区、不同时间、不同结算类型、不同参与主体的电费结算规则，在初始化时按照智能合约模板生成与某个节点相关的电费结算智能合约，并使智能合约具备独立完备的自动执行能力。结算类型和参与主体的类型根据具体业务可以灵活设置。2.1.3 电费结算智能合约的分发由电费结算服务机构初始化生成的电费结算智能合约，以区块链的信息同步和传递机制上链，不同的节点根据属性（区域、参与主体的类型、节点的类型）从链上获取与本节点有关的智能合约。继承区块链不可篡改的特性，使各节点获得的智能合约与初始发布的智能合约完全一致，从而确保了预先约定的逻辑以分布式的方式在各节点执行。2.2 电费结算合约的自动执行方法（1）智能合约在电量采集设备对应的分布式节点上侦听发电、用电情况。运行在电量节点上的电费结算智能合约的侦听程序，按约定频率侦听电量采集设备发出的电量变化信号。集中式网络平台根据费用结算规则制定智能合约模板集中式网络平台基于智能合约模板，分别生成与分布式网络中各分布式节点相关的能量智能合约和费用智能合约，并将生成的能量智能合约和费用智能合约分别存储在区块链中各分布式节点分别从区块链上获取与本分布式节点相关的能量智能合约和费用智能合约各能量节点分别执行与本节点相关的能量智能合约，得到能量信息并存储在本能量节点，以及将能量信息作为一个区块记录在区块链和全节点中各结算节点分别执行与本节点相关的费用智能合约，得到费用信息并存储在本结算节点，以及将费用信息作为一个区块记录在区块链和全节点中 图 2 基于区块链和智能合约的分布式电源电费结算流程Fig. 2 Flow chart of distributed power settlement basedon blockchain and smart contract中国电力第 52 卷142（2）在电量发生变化时，自动触发各节点智能合约执行。所有节点具有统一的运行智能合约的容器环境，侦听到发电或用电的电量发生变化，即触发电费结算智能合约自动执行。（3）智能合约自动执行的过程，既是能量在分布式节点之间流动的过程，也是电费信息在参与主体之间传递的过程。智能合约在电量变化时，按控制流的逻辑将能量流、信息流同步执行，电能交易记录（含发电户地址、用电户地址、节点坐标、电量、时间戳等信息）将在能量节点之间随区块链的分布式对等网络同步机制上链并进行流转，各节点相互协同，记录了全网电能交易流转的全过程。同样，电费交易记录也在结算节点之间流转，记录了交易主体（例如光伏发电户、用电户、交易机构）之间的信息流转全过程。2.3 电量数据交叉校核方法（1）通过智能合约中的电量异常检查功能，检查单个节点的电量异常情况。因为进入分布式电源电费结算系统的数据将被高效强制执行，所以确保电量数据的准确性非常重要。系统提供依托智能合约的节点层电量异常检查功能，通过设定电量波动许可阀值、异动行为特征，判断电量是否异常。例如光伏发电，目前采集的周期是天，在正常情况下，每天的光伏发电量会维持在一个合理范围，相对前一周的平均电量变化也会维持在一个合理的范围。超出这个变化范围的电量可以认为是异常电量。当认为是异常电量的时候，系统可以通过集中式平台触发对相应节点电量的重新采集。对于当时未识别，后续通过人工或者非人工的方式确认为异常的电量数据，因为原有的电量数据已经上链，无法更改，需要通过集中式平台产生调差类型的电量数据触发费用智能合约，产生调差数据并上链。（2）通过多节点之间的电量交叉检查功能，多重复核单个节点的电量异常情况。系统提供依托智能合约的节点间电量异常检查功能。能量节点存储了电量采集的节点时空坐标，通过比对相邻电网拓扑空间节点之间的电量关系或者通过比对事先存储在节点的节点间电量校核关系，多重复核单个节点的电量异常。这种校核通常在多个节点上同时发生，彼此校验。校核逻辑和相互校核的节点地址在集中式平台进行定义，以智能合约的形式分发到对应的节点上。例如一个小区的总表用电量应大于小区里各分表用电量之和，如果出现总表用电量小于小区里各分表用电量之和的情况，即为电量异常。（3）只有通过了电量异常检查的电量变化被分布式电费结算体系认同合法，才能触发智能合约的执行。2.4 交易记录收敛共识方法（1）电能流以区块链交易记录的形式记录在区块链上。有别于传统的交易记录存储方式，本文中电能流以区块链交易记录的形式记录在区块链上，并存储在能量节点上。（2）结算信息以区块链交易记录的形式记录在区块链上。有别于传统的交易记录存储方式，本文中结算信息以区块链交易记录的形式记录在区块链上，并存储在结算节点上。（3）只有合法的交易记录才能被分布式节点认同，才能被各参与主体认同。通过了电量异常检查的交易记录以及后续生成的电费交易记录，通过节点路由功能在不同节点之间同步，在有限时间里形成区块并上链。由于分布式环境下存在信息异步的特点，上链的区块在不同节点之间需要根据工作量证明机制（proof of work，POW）、权益证明机制（proof of stake，POS）等共识机制被认可或者抛弃。分布式节点上链末端的区块不断地被认可和抛弃，维持一种动态的共识。一般经过6个区块以前的区块在整个链式收敛为一致，被称为成熟的区块。只有被各分布式节点共识的记录才能被各参与主体认同。一旦交易以链的形式存储，电量交易记录和结算交易记录就具有了可信、不可篡改、可追溯的特性。3 系统部署与实施以某供电公司光伏应用场景为例结合某供电公司光伏应用场景实例，基于区块链的异构分布式电源电费结算系统实施包括硬件环境搭建、软件系统部署、系统初始化并激活运行。3.1 硬件环境系统部署拓扑如图3所示。第 6 期 叶明等区块链技术在分布式电源电费结算中的应用研究143根据部署拓扑以及容量需求，系统实施的硬件环境资源需求如表1所示。3.2 软件环境根据部署拓扑以及容量需求，系统实施的软件环境资源需求如表2所示。3.3 系统实施首次安装分布式电源电费结算系统，需在集中式网络平台中的应用服务中进行初始化配置（见表3）（1）配置组织结构和权限信息；（2）根据组织结构和权限信息，对运营用户进行授权，例如参与主体信息管理员、计量点管理员、价格体系管理员、智能合约管理员等；（3）管理员维护参与主体信息、计量电表信息、价格体系信息、节点信息。智能合约管理员根据交易规则编制智能合约。启动系统激活运行功能，集中式平台中初始化信息随参与主体在分布式网络节点中分布，智能合约通过区块链在分布式网络节点中传递。随着激活节点的不断增多和智能合约的启用，系统逐步进入运转状态。4 结论与展望本文提出的基于区块链的异构分布式电源电费结算系统和方法，以事件驱动和智能合约在电量变化的当前地点和当前时间即时一体化完成交易结算业务，与传统集中式电费结算系统和方法相比，强化了价格管控、结算管控，简化了业务流程，减少了人为干预，提高了结算效率，可有效解决因分布式电源迅猛发展带来的结算工作量剧增、结算频率显著提高和回款时间逐渐缩短等表 1 系统硬件资源需求Table 1 Hardware resources required序号类别设备类型及功能主要配置（根据业务量）数量1应用服务器虚拟机/集中式平台中部署服务应用2核/8 GB/200 GB 22数据库服务器实体机/集中式平台中部署应用数据库2核/8 GB/200 GB 23全节点物理节点/分布式环境中的核心全数据节点，作为种子节点进行管理1核/4 GB/40 GB 5Option4能量节点物理节点1核/4 GB/40 GB 15结算节点物理节点1核/200 MB/1 GB Option6防火墙防止外部网络用户未经授权访问 17负载均衡负载均衡 28交换机支持节点间信息交换 1表 2 系统软件资源需求Table 2 Software resources required序号类别软件名称版本1应用服务器操作系统CentOS 7中间件Tomcat 8.52数据库服务器操作系统CentOS 7数据库Mysql 5.73分布式节点操作系统CentOS 7表 3 系统初始化配置信息Table 3 Initialization configuration ination序号类别主要配置1维护参与主体信息ID、描述、所属组织结构、结算类型2维护计量信息ID、型号、空间位置、对应参与主体3维护组织结构信息结算的组织结构4维护电价体系对应交易类型的结算价格5全节点公私钥、地址6初始化智能合约模板配置电费结算智能合约参数QQ Q Q QPP P P P PS全节点结算节点能量节点防火墙负载均衡分布式网络集中式网络平台互联网S S S应用服务器数据库服务器图 3 系统部署拓扑Fig. 3 System deployment topology中国电力第 52 卷144突出问题。2019年，国家发展和改革委员会、国家能源局再次推出鼓励可再生能源发展政策，发布关于积极推进风电、光伏发电无补贴平价上网有关工作的通知（发改能源〔2019〕19号），明确了保障优先发电和全额保障性收购、鼓励平价上网项目和低价上网项目通过绿证交易获得合理收益补偿、降低就近直接交易的输配电价及收费等要求和措施。相关政策的施行将给分布式电源和微电网发展带来更大机遇。本文构建的基于区块链和智能合约的异构分布式电源电费结算系统，为创新开放、共享、自治的分布式电源商业模式提供了技术基础，但尚处于早期原型试验验证阶段，未来的应用仍需要结合监管政策和生产环境要求，在提高系统性能和安全性方面开展进一步研究和验证。参考文献蒋莉萍, 李琼慧, 黄碧斌, 等 中国分布式电源与微电网发展前景及实现路径[M]. 北京 中国电力出版社, 2017 2-27.[1]曹石亚, 李琼慧, 黄碧斌, 等. 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