张震宇，陈刚，林勇，王思涵

基于区块链的电力资源管理

张震宇，陈刚，林勇，王思涵

（江苏电力信息技术有限公司，江苏 南京 210000）

区块链技术由于其公平、透明及去中心化的特点，有望成为能源互联网发展的重要助力。介绍了电力系统中区块链技术的应用形式，阐述了区块链技术在其中发挥的作用或解决的问题，并结合能源互联网的发展趋势，提出了一套基于区块链的综合性电力资源管理平台的建设方案。方案包括平台的组成及对电力业务应用的支撑方式、链上区块结构的设计和在不同系统存储结构的差异，详细分析了系统架构与各部分的技术要点，对系统进行了评估。最后基于现有研究对电力领域中区块链应用的前景进行了展望，并提出电力行业区块链应用的发展思路与建议。

区块链技术；智能合约；分布式电力交易；去中心化

1 引言

电力系统作为社会基础设施，是由发电厂、送变电线路、供配电所和用电等环节组成的电能生产与消费系统。电力系统的信息与控制系统由各种检测设备、通信设备、安全保护装置、自动控制装置以及监控自动化、调度自动化系统组成，对电能的生产进行测量、调节、控制、保护、通信和调度，满足用户的用电需求。

传统的电力系统是一个中心化的能源管理网络，输配电、调度、电力交易等各个环节都由中心化系统进行管理。中心化系统网络系统存在一些问题，例如发生大面积事故时可能会导致大面积断电，在多种经营主体参与的区域能源交易中存在数据和交易模式互信的问题，电力交易方式和途径比较单一。

近年来，随着社会的发展和技术的变革，电力行业开始改革，电网的源、网、荷界线越来越模糊，各种分布式电源、储能设备、电动汽车等分布式能源的应用以及其可靠并网问题的出现，为电网安全、稳定运行带来了挑战[1-2]。虚拟电厂、分布式能源、新能源汽车补贴稽核、光伏并网签约、泛在电力物联网等概念和技术逐渐成熟并被应用在电力系统中[3-4]。区块链技术作为一种革命性的去中心化技术，可加深能源互联网中多利益主体间的信任，正成为当今能源领域的一个重要的新方向[5-7]。

可以利用区块链技术建立一套针对电力系统的综合性资源管理平台，实现电力调度、能源交易等功能，保证关键数据的授权获取，降低恶意篡改风险，降低各方利益风险与交易成本。

电力网络的未来发展趋势可能会与区块链一样，具有去中心化、协同管理自治的特征，电力资源管理系统具有自调度和生态化运行、智能化和合约化的趋势，智能合约是实现能源交易和能源合同自动化的一种可行之策。在分布式电力调度和能源交易模式下，能源交易市场的参与者处于分散的状态，并且地位基本对等，多种能源交易协同自治。区块链技术由于其公平、透明及去中心化的特点，在分布式能源交易中将会有十分广阔的应用前景[8]。区块链技术与电力网络具有分布式的特点和协同自治的发展趋势，因此区块链技术具有重构能源体系的天然优势。

2 电力系统中区块链应用分析

2.1 虚拟电厂关键技术研究与应用

虚拟电厂技术指通过虚拟控制中心将可控负荷、分布式电源（distributed electric resource，DER）和储能系统有机结合起来，让它们在电网中以特殊电厂的身份参与运行[9-10]。与传统电厂相比，虚拟电厂的生产手段多样，成本相对较低，构成资源更多样化，更具有环保性，在电力市场中也更具竞争力，促进了电力行业的转型以及整个电力系统的发展[11]。区块链技术的特点和虚拟电厂的特点及发展理念存在相似之处[12]，其具有去中心化、协同互补的特点，这与虚拟电厂在地域上的分散性和运行调度上的协调性有一定相似之处。同时，区块链内部各区块具有相同的权利与义务，共同协作维护整个系统的稳定运行，这与虚拟电厂内部各分布式能源分布分散、个体之间协调互补、平等参与电网调度的特性相适应。

2.2 分布式能源交易

随着能源互联网的发展，具有污染生成物少、能源转化率高、运行可靠性高、设备规模小、安装方便灵活等优点的分布式能源，逐渐成为发电的重要来源[13]，分布式能源参与市场化交易促使电力交易类型和管理模式呈现多元化的趋势[14]。作为一种去中心化的分布式记账系统，区块链技术可以借助密码学原理解决交易过程中所有权的归属问题，有效解决交易过程中的信息不对称问题，还可以通过智能合约设定交易机制，实现多样化的售电方案、点对点交易和自动结算，将其应用至分布式能源交易成为一种研究趋势[15]。

2.3 可信身份认证研究

电力行业是支撑国民经济和社会发展的基础性产业，电力系统涉及大量关系国家安全的机密信息，安全性不容忽视。在新能源汽车的补贴稽核、光伏并网签约、泛在电力物联网等多个电力领域的系统中，可信身份认证是保证系统安全的重要举措，基于区块链的可信身份认证研究对于保障系统安全、数据安全有着重要作用。

在新能源汽车的补贴稽核领域，政府不仅需要对不同运营商的充电设施进行监管，也需要对充电交易记录进行精准采集、可靠存储和安全共享。区块链技术去中心化、不可篡改的特点可以全过程记录补贴的发放情况，保证数据在存储和传输过程中的真实性，构建运行生态化、认证公平化、合约智能化、信息透明化的应用系统[16]。

在光伏并网签约的推进过程中存在用户信息真实性、在线签约可靠性无法保证等问题[17]。基于区块链的可靠云端电子签名技术，可以解决现有的CA认证方式流程复杂、成本高昂的问题，通过区块链云端签名技术，简化复杂的认证流程，降低认证成本。

电力物联网可促进电网运行及企业运营全过程的全场景感知、信息融合及智能辅助决策，提高电力系统现有基础设施利用效率，为电网全链条管理提供重要技术支撑[18]。区块链技术可以在不涉及任何第三方机构的情况下建立信任和共识，因此在物联网生态系统中展现了巨大的潜力[19]，如开发面向泛在电力物联网的可信身份认证模块，实现各类终端身份的安全认证与权限控制。

2.4 区域能源综合服务平台

综合能源服务核心是分布式能源以及围绕它进行的区域能源供应，使区域内能源产消者之间建立灵活便利的联系，实现区域能源产销一体化[20]。

在基于区块链的区域能源综合平台中，区块链实现了可信的身份认证、低成本的点对点分布式交易、可信的数据传输，为政府、能源消费者、能源运营商、能源产品与服务商等能源领域四大类用户提供绿色、安全、经济、高效、增值的区域综合能源信息化服务[21]。

3 基于区块链的电力资源管理平台建设方案

3.1 区块链应用于电力系统的机遇与挑战

当前中国电力行业正朝着智能电网方向发展，分布式电力逐渐成为电力存储和交易的主要方式，各类分布式电源、储能设备、可控负荷、电动汽车等分布式能源投入应用。此外，泛在电力物联网的概念被大众熟知，泛在电力物联网将电力用户及其设备、电网企业及其设备、发电企业及其设备、供应商及其设备、电力客户及其设备以及人和物连接起来，产生共享数据，为用户、电网、发电、供应商和政府社会服务；以电网为枢纽，发挥平台和共享作用，为全行业和更多市场主体发展创造更大机遇，提供价值服务。在此背景下，综合能源服务应运而生，对电力资源管理系统的改革与创新提出要求。

3.1.1 机遇

作为去中心化的分布式数据库，区块链技术在电网中有着点对点交易、数据传输和存储安全、数据存证与不可篡改等天然的应用优势。

3.1.1.1 点对点的可信交易

由于区块链中实现交易不需要第三方，可以不需要电力部门来参与就实现交易，这能够有效提高消费者的积极性。此外，当前电力系统中的电价都是由电力公司提出方案，然后由政府相关部门来进行核准的，定价虽然已经处于合理的价格范围，但采用区块链能实现电力资源交往，用户与消费者间可以通过区块链中的等价交易虚拟货币实现交易，既能够保证电力资源不浪费，又能在一定程度上确保消费者使用电力资源的费用进一步降低。

3.1.1.2 去中心化管理

传统能源运营模式采用中心化管理，不能简单将其套用于分布式能源交易。区块链技术具有可追溯性、交易公开、数据透明的优势，其分散化特性与分布式能源无中心特点相适应，适用于分布式能源交易，但需适配新的管理手段，需要提出一种基于区块链的管理平台方案。

大量高频、小额交易将导致交易中心运行成本提高、效率低下、决策缓慢。集中式交易中心需要保证交易系统的公平、透明、隐私，以及解决大量纠纷带来的人力成本。集中式交易中心需要解决网络所带来的信息安全问题，一旦系统被黑客入侵将带来巨大的损失，包括电力市场停摆和用户隐私泄露等问题。

3.1.1.3 构建价值能源网络

建设基于区块链的电力资源管理平台，有利于提高交易和数据的安全可靠性，降低成本，吸引新型能源主体加入市场，丰富售电方案，实现点对点交易，整合电力市场资源，构建可信任的价值能源网络，打造电力资源的综合服务，进一步提升市场竞争力。

3.1.2 挑战

3.1.2.1 效率与安全性的挑战

区块链的计算能力和响应速度有限，电力管理与交易系统的用户群体庞大，系统规模将随着系统的推行逐渐增大，导致交易吞吐量低，交易速度受限。电力安全关系社会稳定，安全和效率缺一不可。如何在保证安全的基础上提高效率成为区块链在电力系统中应用的重要问题。

3.1.2.2 管理运营模式的挑战

传统能源运营模式采用中心化管理，不能简单将其套用于分布式能源交易。区块链技术具有可追溯性、交易公开、数据透明的优势，其分散化特性与分布式能源无中心特点相适应，适用于分布式能源交易，但需适配新的管理手段，因此提出一种基于区块链的管理平台方案。

3.2 基于区块链的电力资源管理方案

本文将区块链技术的特点与电力资源管理相结合，提供基于区块链的电子资源管理方案。推动区块链应用于配电网络的分布式电能交易环节，对于未来智能电网的建设、局域电力市场的可靠构建以及可再生能源的消纳利用都具有重大意义。

本文根据区块链和电力资源管理的特点，设计了基于区块链的电力资源管理平台。

3.2.1 底层平台ChainSQL

对区块链底层技术与智能合约进行研究，分析区块链的核心技术如何在电力管理中进行应用，根据电力资源管理的需求和不同区块链平台的特点，以基于区块链的分布式数据库ChainSQL为底层平台，结合沙盘保证数据安全。

ChainSQL区块链平台综合了区块链技术和传统分布式数据库的特性，对数据表的所有操作以日志的形式记录在区块链上，提供不可篡改且能在任何时间点恢复的数据库服务。ChainSQL平台将数据库表的操作以交易的方式在区块链网络上达成共识，然后存储在区块链节点和本地数据库中，实现多个数据中心同时提供服务功能，广泛应用于金融、政务、公安等行业领域，为行业用户提供可靠、稳定、安全的区块链底层平台。

结合ChainSQL和沙盘，采用先进的分布式存储体系，形成针对大体量电力交易数据的安全管理。

ChainSQL区块链层基于RPCA共识算法。RPCA共识算法使用了一种子网络内部互相信任机制，由这些内部信任的子网络构成大的网络方案。这里的子网络的信任成本非常低，可以被进一步降低为网络节点对于子网络内部其他节点的原子性选择。另外，为了维护全网节点数据的一致性，子网络之间需要的连接度不能小于一个阈值。RPCA共识算法目前被瑞波（Ripple）区块链所采用。

3.2.2 中心化和去中心化结合的管理模式

通过设计中心化和去中心化相结合的管理模式，解决区块链引入电力资源平台带来的管理模式问题。针对电力资源管理中的问题，结合区块链技术构建了一个基于智能合约的电力管理模型，以去中心化的方式进行电力定价和交易，设计双向拍卖机制作为合约中的定价方法，由中心化机构设计一定的规则验证其合理性，使报价合理的产消者可以快速达成交易，进行余额和电量的转移。此外，中心化机构需要对电力交易进行监管和调控。

3.3 平台组成

电力系统的概念比较广泛，包含虚拟电厂、分布式能源交易、泛在电力物联网等电力和能源管理系统，需要一个能实现资源调度、交易管理、科技创新的综合电力资源管理平台，如图1所示。

图1 区块链电力资源管理平台组成

区块链电力资源管理平台面向电力运行中的各类系统提供安全、可靠的区块链服务，尤其是分布式能源交易，帮助电力企业降低区块链应用的实现难度。将链式数据结构与传统数据库相结合，对上链数据进行可靠加密及权限控制，实现数据资源的综合治理，提升数据资源的真实性。

平台不仅提供自助式智能合约体系，方便外部系统根据自身业务设计、编写、运行、变更智能合约，而且提供完善的运维监控服务方案，让使用者及时准确地对服务器状态、申请数量、节点状况、区块高度等进行管理。

区块是区块链的核心单元，每个区块都包含两个部分：区块头和区块体。区块头包含版本号、上一区块的hash地址、时间戳、Merkle根等信息，确保了区块链中交易数据时空上的唯一性和不可篡改性。区块体主要记录该区块存储的交易数据。在电力资源管理系统中，不同子系统记录的信息有所区别，例如，能源交易子系统中的区块体记录交易记录号、用电单元ID、发电单元ID、交易电量、交易金额等信息，如图2所示。

3.4 系统架构

基于区块链的电力资源管理平台方案由基础设施层、区块链层、业务服务层、应用层组成，如图3所示。其中基础服务层是架构的底层基础，区块链层提供区块链服务，业务服务层可实现系统业务逻辑的功能模块，应用层面向发电厂、电力公司、分布式能源生产者、消费者等各个交易主体，实现虚拟电厂、能源交易、补贴稽核、并网签约、泛在电力物联网等各个电力子系统。

图2 区块链电力资源交易中的区块结构

图3 基于区块链的电力资源管理平台架构

电力资源管理平台的参与主体包括发电厂、电力公司、分布式能源生产者、消费者、稽核部门等。应用层为各参与主体发起和完成电力资源管理和交易等任务提供操作界面。业务服务层包含资源管理、可信交易、可信身份认证、订单管理、电量管控和电力辅助服务等服务，是支撑应用层实现业务的功能模块。

区块链层包括智能合约、激励机制和共识算法，主要实现区块链相关功能模块，实现弱中心化管理。由于电网规模大、用户多的特性，应建立高效的共识机制和设计得当的激励机制。系统参与主体通过协商，达成交易意向，并形成智能合约，合约在P2P网络进行广播，抵达各个区块链节点，实现点对点去中心化交易。在达到特定条件的情况下，智能合约自动执行，提高交易效率。此外，能源是一种特殊的商品，在电力系统中应当实行弱中心化管理的方法。在交易的过程中需要中心化机构进行调度和监管，确保电网安全运行；当出现交易纠纷等情况时，需要中心化机构的参与，依据区块链上的交易记录和相关规章制度进行协调。电力资源管理平台通过区块链层实现弱中心化管理。

基础设施层是电力管理平台架构的底层基础，由存储设备和组网机制组成。在基于区块链的平台中，存储设备是指各个分布式节点，各个节点地位平等，以扁平式拓扑结构交互，组成P2P网络，对等地存储数据和执行业务逻辑。各个节点均承担网络路由、验证数据、传播区块数据、发现新节点、数据存储与记录等功能，节点可以根据自身情况加入或退出网络。

3.5 业务管理

以能源交易子系统为例，在电力资源管理平台上创建完整区块链应用的流程如图4所示。

图4 平台创建区块链应用流程

设计业务。需设计联盟链参与成员及权限，平台支持可插拔的区块链底层环境，可根据业务需求选择PBFT、Kafka等共识算法。

创建区块链网络。根据需求创建区块链网络，平台通过基础服务层对节点资源进行管理，可结合云计算技术对物理服务器进行管理。平台硬件资源主要由运行Linux的服务器构成，在创建网络时会将所需组件通过SSH传输到各个节点上并通过自动化脚本完成部署、启动。

编写、发布智能合约。平台支持以Java、Golang、NodeJs等多种主流开发语言编写的智能合约，并提供界面化的发布、升级功能，并可根据业务需求限定智能合约的使用权限，保护隐私数据。智能合约开发过程要求参与者共同认可的交易方式被写入其中，应具有交易各方身份识别号、电能额度、实时单价、交易时间、违约金额等属性。

开发、对接业务系统。业务系统根据面向的用户不同可灵活设计，调用区块链需按照平台以restful规则设计的调用规则开发调用接口。在交易中，交易双方通过业务系统进行操作，后台向智能合约发送请求，并对合约以私钥的形式进行签名。交易合约完成后，向区块链网络中的各个节点进行传播，并由TLS加密技术保证内容的安全；节点将一段时间内收到的合约打包成区块，并继续向全网广播，在各节点达成共识之后，获得记账权的节点将记录有交易合约的区块放进区块链存储，并开始下一轮的区块接收、传播和确认。在交易中，中心化机构承担调度和监管的职责。

维护区块链网络。平台提供灵活的成员管理手段，可通过许可证书的形式管理新成员的加入，并限制其权限。同时，平台提供界面化的区块链监控手段，可及时预警异常。

4 系统评估

采用中心化的能源运营模式存在因不同系统互相独立而导致的数据壁垒问题，因中心化数据库存储而导致的数据可信度低等问题。

建立基于区块链的电力资源管理平台，不仅实现数据存证和共享，提供发生争议时的有效证据，还解决了P2P网络中发生交易时的互相信任问题。

在传统的中心化系统中，陌生人之间开展交易的信任基础通常由中介等第三方机构来提供。而在区块链系统中，通过分布式存储的方式，各区块共同持有账本，各个节点拥有完整数据的备份，可以有效防止数据篡改和数据丢失等现象的发生。

时间戳确保数据记录在时间上的真实性，后一个区块保存前一个区块内容哈希值的设计方式，保证数据无法被篡改，从而从技术角度建立交易各方之间的信任机制。区块链模式较传统模式的优势如表1所示。

表1 区块链模式较传统模式的优势

区块链模式传统模式 交易可靠性高，不需要第三方背书低，需要第三方背书 资源消耗低高 交易成本低高 数据透明度分布式存储，对账方便中心化数据库，对账困难 数据安全难以篡改，可用副本恢复易篡改，难以恢复

在开发区块链应用方面，不使用平台的模式下搭建完整的区块链应用需开发区块链层、业务服务层、应用层等各个模块的代码；而文中提出的平台方案已将常用的代码事先写好，模块化成常用功能，开发者只需专注于应用层智能合约的开发即可。

此外，平台节点的优势体现在便于部署、运行和监控区块链环境。

平台模式较普通节点模式的优势如表2所示。

表2 平台模式较普通节点模式的优势

使用平台普通节点模式 开发技术难度低，不需了解区块链底层技术，直接开发业务高，需要先熟悉区块链技术，再开发业务 部署难度低，通过平台统一部署高，需要在每一台服务器上人工部署 监控难度低，通过图形化页面查看高，需从服务器上取日志分析 拓展性高，新增成员节点、新增业务智能合约简单低，新增成员困难，新增智能合约困难

本文设计了基于区块链的电力资源管理平台，并对其进行测试，模拟区块链电力交易，得到的结果如表3所示，平台性能指标较优。

为了对比系统的效率，将本文设计的平台与现有平台进行比较。现有平台的交易市场来自2018年来自电子科技大学的硕士论文《基于区块链的电能交易平台设计与实现》中平台的测试数据，对比结果如表4所示。

从表4可以看出，本文测试数据交易速度短于该现有平台交易时长。

表3 平台测试数据

指标参数 TPS>1 000 区块生成时间2～8 s 容忍的无效节点数（总节点数／2）－1 系统可用度>99.99%

表4 平台测试数据对比

交易描述现有平台交易时长/s本文平台交易时长/s交易结果 账户a充值500元155正常 账户a充值200元165正常 账户b充值800元156正常 账户b向账户a购买200度电187正常 账户b向账户a购买100度电186正常 账户a向账户b购买50度电165正常 账户a向账户b购买100度电186正常

5 结语

本文提出基于区块链的电力资源管理平台，为虚拟电厂、分布式能源交易提供去中心化、公开透明、安全可信的运行方式；为新能源汽车的补贴稽核、光伏并网签约、凡在电力物联网提供身份认证；构建网页防篡改系统，实现电力系统的数据存证、安全存储和智能恢复。

对比表明，通过文中构建的基于区块链的电力资源管理平台对现有能源运营模式进行优化，在交易可靠性、资源消耗、交易成本、数据透明度、数据安全方面都存在优势，相较于普通节点模式搭建区块链应用，在开发技术难度、部署难度、监控难度上明显降低，系统的拓展性和灵活性也体现出了优势，因此具有广阔的应用前景。但区块链技术本身在电力系统中的应用仍存在一些待解决的问题，例如，目前的区块链技术难以处理复杂的物理逻辑；区块链技术的安全性需要关注，一旦在区块链上部署了交易的智能合约，如果出现编码错误时，通常很难执行回滚或分叉；后续的区块链吞吐量增大问题、安全性防护问题、数据处理优化问题等还未得到解决等等。区块链虽在数学上具有完备性，但也存在安全问题，未来还需要从工程和管理等层面提升安全性，也需要标准提升可信程度。

区块链技术未来将逐步适应监管政策要求，逐步成为监管科技的重要工具。在区块链技术发展的早期，进行分布式能源交易市场区块链实体应用白盒测试还为时尚早，但研究应用落地标准、解决存在问题却是刻不容缓。

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TM769

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.01.001

2095－6835（2020）01－0001－06

张震宇（1972—），男，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向为能源互联网与电力系统自动化等。陈刚（1979—），男，硕士研究生，主要研究方向为基于区块链技术的能源互联网应用等。林勇（1982—），男，本科，中级工程师，主要研究方向为分布式能源交易与管控等。王思涵（1992—），男，本科，主要研究方向为信息化应用、区块链技术等。

〔编辑：严丽琴〕