基于区块链的分布式能源交易机制及平台设计文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：

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有十分广阔的应用前景。区块链作为一种将记录了交易数据的区块以时间顺序相连组合而成的链式结构，其本质上是一个去中心化的分布式数据库，借助于非对称加密、默克树等技术保证信息不会被外部攻击而篡改，从而保障数据的安全。分布式存储的优势不仅在于交易公开化以有效维护数据安全，而且也降低了用于购买服务器的成本。近年来，区块链技术凭借其分散化、匿名性、可靠性高等优点在能源交易领域得到了广泛的研究，这些特点也与分布式交易的诉求相契合。

近些年来，有大量相关研究工作者开展了能源与区块链交叉融合的工作，并不断推动区块链在能源领域的纵深发展。其中，针对基于区块链技术的多元用户电能交易问题，诸多专家学者结合当前能源互联网中的电力市场交易模式，多角度分析了区块链技术在实际不同场景下的交易方式以及结算出清方法。文献[1]综合分析现有分布式能源交易的方式及其弊端，提出了连续双边拍卖和竞争均衡价格两种交易方式下能源区块链交易结算机制。基于区块链的能源交易设计一方面使分布式能源 P2P 交易透明便捷，另一方面又同时保证了中心化有效监管。但是该设计的不足之处为电网上分布式节点数量有一定的上限值，这会给交易市场运行带来更高的风险。而文献[2]总结了对等模型、微电网交易模型和群体用户模型三种分布式交易机制，并进一步分析了位于英国、德国和美国典型的能源区块链项目。从国外投运项目看，将能源物联网技术应用于电网可以帮助解决快速需求响应问题。在微电网中，文献[3]、文献[4]分别从连续双向拍卖机制和多主体竞争博弈论两个不同角度通过区块链实现了能源市场交易匹配和策略优化。通过分析微电网运营商、大用户以及分布式聚合商等多个市场主体的需求，基于区块链技术建立了局域多微电网市场竞争博弈模型，并充分考虑了多方主体之间的竞争关系和各自的目标。文献[5]分别从虚拟电厂、电力辅助领域等不同场景提出了结合区块链的电力市场竞争模式，同时也提出目前的区块链共识算法如 POW 、 POS 、 DPOS 、 Paxos 、 PBFT等，大多用于金融交易，并不特别适合电力网络的运行环境。文献[8]提出了分布式能源信用评估指标，将信用与挖矿过程相结合提出了信用风险管理方法，并提出了对应的经济激励措施。文献[9]将电力市场交易机制写入区块链的智能合约中，并对审计，投标，清算和结算过程进行了分析。针对能源区块链中交易效率及交易安全性问题，相关学者结合区块链结构原理、密码学特点和不同电能交易场景，深入探讨了不可信环境下，保障用户交易公平性和安全性的方法。文献[10]则通过单次成功攻击的总体概率来评估不同能源交易框架的安全级别，分析了能源区块链的交易安全性。文献[6]在分析了分布式交易与区块链技术的兼容性后总结出传统区块链技术的不足以及目前提高交易处理效率的区块链关键技术，提出并行交易处理和链下处理的策略，适合我国能源互联网结构复杂和用户体量大的特点。

互联共识是区块链技术在去中心化的环境下面临的最核心问题。在目前的研究内容中，共识算法主要有工作量证明(proof of work，PoW)、股权证明(proof of stake，PoS)、委任权益证明(delegated proof of stake，DPoS)、实用拜占庭算法(practical byzantine fault tolerance，PBFT)、授权拜占庭容错算法(delegated byzantine fault tolerance，DBFT)和高性能共识算法(robust byzantine fault tolerance，RBFT。目前的电力区块链交易市场设想大多数是搭建公有链和运用 PoW 工作量证明共识机制的运营模式。在基于PoW 的公有链中，区块链已被证明了算力不足50%时，其上的交易信息不可伪造和修改。鉴于电力市场在我国为垄断市场，系统保密性高，51%非法算力出现的可能性小，故此方案在应用中的实施在现有文献中被考虑和运用的次数较多也更加符合我国能源互联网情况。

目前区块链的交易模式分为两类，一类是基于比特币系统的未花费输出(unspent transaction out，UTXO)模型，另一类是以太坊的账户交易。比特币的交易模式区别于依赖第三方机构的传统交易，只依靠 UTXO 模型完成交易。在UTXO 模型中只关注输入值和输出

值，即节点对于分布式能源交易的买入量、卖出量和余额。以太坊则摒弃比特币 UTXO 模型，转而设计账户模型，用户可直接看到交易前后账户的状态变化。两者各有利弊，如 UTXO 具

有匿名性，任何用户的未花费交易信息均为保密状态，实现隐私保护，而账户模型无法实现匿名；UTXO 可并行运行，而以太坊难以扩展；UTXO 模型只能实现账户状态简单转换、缺少循环语句，而以太坊通过智能合约的几行代码实现复杂状态转换；UTXO 脚本语言缺少图灵完备性、无法与智能合约相结合，而以太坊可与智能合约结合等等。

基于区块链设计的的集中出清交易模式需要借助区块链技术公开透明的特性，通过去中心化的交易平台将买卖双方的报价及需求聚集在一起进行撮合匹配，形成供需曲线后出清。这些撮合过程需要公开透明地展示给用户，以保证参与双方的利益。从报价方式来看，集中出清可以分为两种：集合竞价和连续双边拍卖。一般的集合竞价是双方给出报价后，中间商进行撮合，买卖双方依据报价和需求量进行匹配。文献[11]基于区块链提出了一个分散式的市场交易平台，允许买卖双方进行双边贸易以实时消纳批发市场中可再生能源。文献[12]对供需双方采用双边报价的原则进行出清，并在以太坊平台testrpc上进行了多线程模拟。这种情况下给出的报价不可修改，没有协调达到最优的交易方案。另一种则是多次报价协调双方，在保障交易安全隐私性的同时，达到目标最优（社会福利最大化、成本最低）的连续双边拍卖。文献[7]基于区块链和连续双边拍卖机制提出了微网内各主体的电量交易模式及策略，交易双方借助区块链能够及时获知市场信息，根据市场成交价和价格波动寻找最优报价。在此基础上，文献[13]进一步探索了连续双边拍卖在综合能源交易系统中的应用。此外，文献[14]提出了一种以社会福利最大化为目标的电力交易模型，通过连续的双向拍卖机制来确定电价和电量，每一次的拍卖过程中充放电汽车都可以调整出力及报价，这是对最优化问题的变形处理。在该模式下，交易双方借助区块链能够及时获知市场信息，根据市场成交价和价格波动寻找最优报价。在交易过程中，市场参与方可以查看最优买价、最优卖价以及成交价，然后根据市场信息运用报价策略不断调整自身报价进行下一轮交易，直到市场中的交易电量全部匹配完成或者交易时间截止。

在此基础上，本课题将对不同情况下的能源交易模式进行分析，对分布式能源交易方式展开建模，建立综合能源交易模型，并对规划方案进行效益评估。

参考文献