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带你读《区块链工程实践 行业解决方案与关键技术》之二:电力市场交易结算智能合约

简介: 本书是一部能全方位指导区块链项目落地的实操性著作。通过5个经典的行业案例,从总体设计、业务设计、功能接口设计、架构设计这4个维度详细讲解了如何构建一个完整的区块链行业解决方案,同时讲解了实现每个解决方案需要的关键技术和方法。

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第2章

电力市场交易结算智能合约

2.1 背景与现状

2.1.1 目前电力市场交易结算的痛点

2016年2月,国家发改委、能源局和工信部共同发布了《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》,试图建立“一种互联网与能源生产、传输、存储、消费以及能源市场深度融合的能源产业发展新形态”,实现“设备智能、多能协同、信息对称、供需分散、系统扁平、交易开放”。在电力体制改革的大背景下,国家电改配套文件《关于推进售电侧改革的实施意见》第四条“电网企业负责收费、结算,负责归集交叉补贴,代收政府性基金,并按规定及时向有关发电公司和售电公司支付电费”;第八条“电网企业按照交易中心出具的结算依据,承担市场主体的电费结算责任,保障交易电费资金安全”,明确了电网公司承担电力市场结算职能。为适应电力体制改革,支撑及促进电力市场建设,电网公司需要建设高效便捷的市场电费结算系统,建立与之相适的业财结算业务处理规则与工作流程,为电力市场主体提供安全、快捷、高效的电费清分和资金结算服务,做好电费结算信息的公示工作,进一步巩固公司统一电费结算核心优势。
然而,相比电改前的传统电费结算,电改后的市场化结算在市场成员、交易合同和交易品种等方面对应用和系统提出了新的要求。成员增多、交易品种多样化、合同规则复杂化,要求结算系统能灵活拓展,按照市场价结算;同时允许购、售电端自主协商、集中竞价,导致最终市场价格、电量都不统一,这些都对交易结算管理及风险防范提出了更高要求。目前电力市场交易结算的痛点主要有以下几个。
1. 中心化资源分配机制,导致交易成本较高
能源交易一般在交易所内进行统一规划和管理,除了需要支付一定费用给第三方(如评级、信托和融资公司等机构)来保障交易安全外,中心数据库的日常维护以及清算信息在跨部门间的反复校对也需要一定成本,高昂的成本大大降低了能源交易效率。此外,在我国能源交易也可以在交易所场外(如中国天交所)双方通过电话和计算机进行协商完成(即场外交易OTC),该交易方式灵活,不显示数量和单位,但会承担着信用风险和额外成本,做市商往往需要从其设定的买卖报价差中得到一定补偿,同时,信息不对称也加大了市场失效的可能性,使交易的达成存在较大风险。
2. 信息系统易遭受外部攻击,数据安全存在隐患
从信息安全的角度上来说,掌握市场的所有交易信息的中心机构一方面容易受到内、外部攻击,造成数据丢失或被篡改的可能性较高;另一方面,中心机构掌握了全局信息,用户隐私难以保障,且交易信息的不对称也使得损害参与者利益的情况时有发生。
3. 传统集中式发电,运输耗散大、系统容错率低且灵活性小
传统发电站都是集中式的大型发电站,电力通常经历长距离运输才能到达用户,输电配电过程中的能量损耗也非常大。电网一旦出现故障,影响将十分广泛,且修复难度大、损失大。而分布式电力能源系统利用自然、地理、能源分布的特点在当地小规模发电、就地供电,灵活性极高,且能积极响应用户需求,为偏远地区“供电难”的难题提供了解决方案。分布式电力能源系统是可以满足日常用电需求的小型电力能源与传统电力系统高度融合的产物,所以分布式能源增强了传统电网系统的可靠性并且为用电用户提供了多种选择。
4. 不同能源行业相对封闭,可再生能源的消纳程度难以提升
在传统能源系统中,不同能源行业相对封闭,互联程度有限,同时不同能源系统也大都孤立规划和运行,造成了能效不高和可再生能源的消纳程度难以提升的困境。而能源互联网将打破不同能源系统间的壁垒,同时大量接入风能、太阳能、潮汐能、地热能、生物能等多种分布式可再生能源,利用包括新型发电技术和储能技术等在内的多种先进技术,实现电、热、冷、气、油、交通等多个系统的互联交汇,实现多能源综合利用,形成开放互联的综合能源系统。但能源系统离不开频繁的能源交易,而要在能源互联网这样庞大的系统中实现多方主体自动、可信、准确、平衡、实时交易,推动大范围的资源动态平衡,满足供需双方快速、高效、安全的能源交易是一项巨大挑战,为此期望出现一种新的模式,使得供需双方能够直接沟通并确定交易意向,然后借此进行灵活的能源交易,且无须中心机构介入。

2.1.2 区块链在能源领域的应用现状

目前,已经有多个国家将区块链技术运用于能源系统(见图2-1),其中电动汽车快充和共享充电桩是区块链技术在能源方面应用最广、操作性较强的领域。美国清洁能源技术公司Oxygen Initiative联合德国能源公司Innogy SE加入“Share&Charge”区块链平台,司机可以在该平台上处理与清洁能源汽车相关的操作,包括允许司机共享他们的充电站、支付通行费和充电电动汽车。该平台依靠以太坊来运营,特别是以太坊所支持的智能合约和分布式账本技术,从而实现计费的透明化及信任化。具体就是在区块链上创建一个代币,并在该代币上分配以欧元计价的移动价值。“Share&Charge”创建了一个分布式市场,颠覆了传统的能源服务模式:来自合作伙伴的第三方服务是共享的,而无须询问权限或使用烦琐的应用程序编程接口。
另外,2016年,瑞士银行、德国电力公司莱茵集团(RWE) 与汽车技术公司采埃孚(ZF)合作,为电动汽车创造区块链电子钱包。如图2-2所示,电动汽车车主的电力收费、停车收费,甚至高速公路收费在身份验证和支付过程都能自动完成,不需要有第三方人工确认完成。RWE目前正在尝试在无人驾驶电动汽车领域应用区块链技术:用户身份信息得到认证,当车主不需用车时,将其租出,通过电子形式就车的使用达成协议,再将协议编码成智能条约,用车完成后,自动向用车人收取费用,用车人会向车主支付费用。无人驾驶电动汽车共享服务的车主和用户间的结算、交易信息将同时更新,这将最大限度地降低交易成本,而这一切操作都没有第三方参与。

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在分布式智能电网领域,Tennet公司与电池供应商Sonnen合作,使用IBM的区块链软件运营欧洲第一个由区块链控制的电力稳定计划。可再生能源可能是清洁、环保的,但因为受气候、天气的影响,在需要的时候并不总是可用的。该项目的核心思想就是采取一种新方法来更好地整合分散的可再生能源并实现安全供应,以鼓励公民积极参与能源转型。具体步骤是Sonnen为房主提供电池,当他们不用电的时候可以在家里储存电力。在Sonnen Community上这些电池是联网的,并连接到Tennet的传输系统,这样电力分配器就可以在需要时利用附近的存储电力,或者将多余的能量转移到电池中。这种方式让家庭设备真正成为电网基础设施的一部分,而不仅仅是一个用电终端,从而节省输电运营商用在网络管理上的昂贵费用。
此外,还有欧洲能源联盟推出的Scanergy项目,将NRGCoin作为可再生能源经济的润滑剂,旨在实现小用户绿色能源的直接交易。如图2-3所示,区块链一方面将产消两端直接对接,另一方面将这种市场上的新型交易规范化。系统每15分钟监测一次网络的生产消费状态,并向能源供应者提供NRGCoin作为奖励;当购电方期望购买绿色清洁能源时,需使用NRGCoin支付。由区块链智能合约锁定的NRGCoin不受外部政策和汇率波动的影响,消除了绿色能源生产者对市场政策变更的担心,为消费者提供更加优惠的绿色能源。


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与Tennet和Scanery项目应用场景类似的知名项目还有2015年美国能源公司LO3 Energ与区块链公司Consensus合作的TransActive Grid。该项目将以太坊用于能源支付,其核心思想是分布式光伏的电压等级比较低,电力经不起远距离运输消耗,只能用于本地消纳,基于本地的能源微网通过区块链实现这样点对点的用户和发电者之间的电力交易。TransActive Grid项目就是采用点对点的方式,将布鲁克林区的总统大道一侧5个家庭的剩余太阳能转为发电,然后出售给对面5个家庭,通过智能仪表进行连接和数据共享,用创建代币表示一定电量,通过仪表内的钱包进行交易。这是一个区块链网络连接交易,不需要依赖第三方电力公司的参与,每个家庭既是电力消费者,同时也是电力生产者,这种微电网点对点交易的模式(见图2-4)比传统自上而下的电力分配系统更有效率,且节省开支。TransActive Grid项目经过PoC后,LO3于2017年推出了升级版的Grid+,其加入智能代理设备帮助用户做出购买电力的决策,并提供个性化的能源服务,大规模运用区块链技术建立新的家庭能源供应商模式。

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2.1.3 区块链在清结算领域的应用现状

在国外,区块链技术已在清算结算领域崭露头角。2015年,美国证券交易巨头联手区块链初创公司Chain.com正式上线了用于私有股权交易的Linq平台。Linq平台基于区块链技术,将股权交易市场3天的标准结算时间直接缩短到10分钟,几乎就在交易完成的瞬间完成结算工作,同时让结算风险降低了99%。2015年7月,Overstock创建了T0区块链交易平台销售首个加密债券,使得结算和交易发生在同一时间,这被称为“交易即结算”。2015年年底,高盛以比特币区块链为蓝本,开发了通过加密货币进行交易结算的系统SETLcoin,保证了几乎瞬时的执行和结算。Ripple专注于跨境支付领域,基于区块链开发的InterLedger协议项目在保持银行等金融机构的各自不同的记账系统的基础上建立了一个全球分布式清算结算体系。2015年,金融领域代表性组织R3CEV 和巴克啥莱银行、蒙特利尔银行(BMO)、瑞信银行、汇丰银行等11 家银行组成了金融科技创新公司来研究区块链技术应用,目前已经有40多家世界著名的银行成为R3 CEV的会员;此外,西班牙的Santander 银行认为,到2022 年,区块链技术帮助金融行业降低200 亿美元的记账成本,因为支付系统目前仍然是中心化的,货币的转移要通过中央银行,当金融公司彼此有生意往来时,同步内部的账簿是个耗时几天的繁重任务,桎梏了资本并带来了风险。
在国内,区块链的应用开发实践在以金融科技为代表的领域逐渐展开,金融企业、互联网企业、IT企业和制造企业积极投入区块链技术研发和应用推广,发展势头迅猛。区块链的应用已延伸到物联网、智能制造、供应链管理、数字资产交易等多个领域。2016年国务院印发《“十三五”国家信息化规划》,区块链与量子通信、类脑计算、虚拟现实等被并列为新技术基础研发和前沿布局。2016年工信部发布《中国区块链技术和应用发展白皮书》,为各级产业主管部门、从业机构提供指导和参考。2017年年初,中国人民银行推动的基于区块链的数字票据交易平台已测试成功,央行旗下的数字货币研究所也正式挂牌。区块链技术的意义在于它将成为互联网金融的基础设施。如果说 TCP/IP 建立了机器之间数据传输的可达、可信和可靠,那么区块链技术则首次在机器之间建立了“信任”。互联网被区块链划分出一个“信任”的连接层,可以记载、验证和转移经济价值。
本章针对未来“放开两端”的电力交易市场多主体、多模式、多规则的特点,开展基于区块链技术的分布式账本、共识机制、可信智能电表及购售电智能合约的研究。利用区块链技术构建的分布式账本,对电力市场的前端交易、营销数据实现分布式的记账存储,将交易中心提供的结算依据数据、营销部门提供的用户用电数据保存在区块链共享账本上,从而打通从支付计划、记账、付款、结算、清分到核算、纰漏、分析、预测的各个财务业务处理环节,实现购电费、售电公司服务费的安全、高效结算,提高财务数据的透明度和可审计性;利用区块链自动共享、不可篡改的记录保管方式,简化数据记录、存储环节,规避因人为操作造成的错误;通过智能合约将清算业务结构化,减少清算过程中的摩擦,同时实现“交易即结算”,提高清算、结算的效率。

2.2 区块链与电力交易结算的匹配度分析

从电改9号文《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》相关内容以及国外的改革经验来看,市场的开放不可能一步到位,必然要经过一个过渡期才会进入全面推广期。因此,未来电力交易市场化改革将是一个逐步推进的过程,很长一段时间内会存在多种业务模式并存的局面,包含输配售一体、输配一体售电分开、输配分离等模式,如图2-5所示。
输配售一体的业务模式相对传统;输配一体售电分开模式中,允许电源与售电公司协商定价,结算主体为电网公司,需要根据市场用户的销售收入和电源结算购电费,与售电公司结算服务费,与政府结算政府基金,与管制用户结算交叉补贴等;输配分离模式的结算主体为配售电公司,通过与市场用户协商定价结算销售收入,通过与电源协商定价结算购电费,与电网公司结算输配电服务费,与政府结算政府基金等。由此可见,市场化结算模式在市场成员、交易合同和交易品种等方面对应用和系统提了新的要求:市场成员增多、交易品种逐步发展,要求结算系统能够灵活拓展,要能根据电能计量系统提供的有效电能数据,以及现货交易和实时交易中的电价数据、运行考核系统中记录的考核数据、交易合同中签订的相关数据(包括电价、电量、计量点等)及电力市场运行相关规则进行电能量结算和电费结算。

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区块链共享、可信、可追溯的特点,使其在清、结算等领域具备显著的优势。运行在区块链上的智能合约能将合同规则代码化,并构造一个去中心化的可信履约环境。区块链与电力市场交易结算的匹配度分析如下:
(1)区块链的去中心化可以增强能源市场交易的信任机制,降低交易成本、提高市场有效性。区块链中每一个节点都备份了系统中的全部数据,交易记录无法被篡改、公开监督,保证了交易系统的安全可靠,降低了信任成本。产消者通过签署智能合约达成电力交易意向,在条件达成后强制自动执行,保障了合约的执行力与可靠性,有利于交易市场的公平可靠。
(2)区块链能为能源辅助服务提供开放式记账平台,为结算与认定提供便利。采用基于区块链的调度系统能够实时共享电力系统各节点的电力供需信息以及实时价格,各机组根据区块链的共享信息自主确定发电量,能够实现生态化的调度运行。区块链能够为电力辅助服务提供开放公平的记账与交易平台,完成自动能源精准计量与按需结算。
(3)区块链利用分布式网络优化用户的电能资源配置,能为用户提供定制化的能源服务。随着区块链售电市场逐步建立,用户从接受电网单一垄断价格变为自主选择售电公司供电,另外用户还可以调节自身用电量,参与到不同的能源市场。区块链分布式储能能够自行决定不同时段提供多少服务,实现储能的自调度,促进分布式能源的协同工作。
(4)利用区块链的智能合约,能将原有的烦琐、耗时长、业务手续繁杂的清算用计算机代码的方式保存在区块链上,从而实现了自动触发执行,使得结算过程变得简单、结构化,能减少清算过程中的摩擦;同时将原有的电子表格存储方式以及手动记录的操作方式变为分布式、不对称加密的账本,通过自动共享不可篡改的交易记录提高透明度和可审计性。
区块链技术为现有的电力交易结算系统带来的改变如图2-6所示。

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2.3 电力市场交易结算区块链的方案设计

由图2-7所示可知,未来的电力市场包括电厂、售电公司、电网、用户、交易中心等交易主体,在区块链上这些交易主体之间可以自由地定制交易智能合约,在合约中写入购售电交易的清算、结算规则;利用会员制身份管理判断交易双方的市场身份,并匹配对应的智能合约;用户通过区块链平台自定义智能合约,实现高效率的电费清算、结算。
如图2-7所示,将购售电交易费用结算模型用计算机代码表示为智能合约,并事先写入到区块链的分布式网络体系中;当合约中的某一事项发生时,智能合约就会被触发并自动执行相应的合约条款;会员制服务负责管理网络上的身份识别、隐私与机密。在合约发生前,会员制身份管理首先识别交易双方的市场身份,并匹配对应的智能合约;同时,会员机制也保证未授权的第三方不能获悉有关身份、交易模式、交易内容等机密信息。

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2.3.1 以电网为结算主体的电力市场私有链

由于电能并不是一个普通的数字化商品,发电、输电、用电过程需要在平衡供需关系的前提下由电网统一调配。因此在电网的智能化水平尚未达到一定程度之前,区块链在电力市场中的应用不可能做到完全的去中心化。未来随着电网智能化水平的不断提升,以用户为代表的市场主体去中心化诉求逐步凸显,区块链的去中心化程度才会逐步提高。因此笔者认为,在输配售一体、输配一体售电分开两种业务模式下,区块链应用于电力市场首先是电网财务部门内的私有链,然后逐步向各市场主体渗透形成联盟链,最终形成分布于各用电终端的公有链。
在私有链阶段,应用区块链可在前端交易、营销数据实现分布式的记账存储,打通财务业务处理各个环节,实现透明、高效、高审计性的电费清结算。如图2-8所示,将交易中心提供的结算依据数据保存在购电费结算区块链,营销部门提供的用户用电数据保存在售电公司服务费结算区块链,它们之间通过侧链技术[10]锚定,从而打通财务业务处理的计划、记账、结算、清分、支付、审计、披露、预测等各个环节,提高财务数据的透明度和可审计性;利用区块链自动共享、不可篡改的记录保管方式,简化数据记录、存储环节,规避因人为操作造成的错误;通过智能合约将清算业务结构化,减少清算过程中的摩擦,同时实现清算即结算,提高清算、结算的效率。

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2.3.2 以电网为结算主体的电力市场联盟链

随着市场对区块链的接受程度和对区块链价值的认可程度的提高,区块链逐步向电力市场的各个主体渗透,形成电力市场联盟链。如图2-9所示,区块链以分布式点对点对等网的方式将电力市场的交易主体(电厂、售电公司、电网、用户)连接起来;用数字化编码将清算结算规则写入区块链,交易双方可在区块链平台的基础上自定义智能合约;从达成合约协议开始,合约中约定的条件事项的发生将自动触发合约的执行程序;点对点对等网上大部分都是轻量级节点,保存与合约相关的交易哈希以及简要支付验证所必需的时间戳邻近的交易数据。这样做的好处是保留账本存储容量,提高处理性能;全节点类似于一个中心化的数据库,它保存从第一个区块开始的所有结构化的合约基础数据与交易数据,同时通过Hash映射保护用户隐私与交易的机密信息,保证了数据的不可篡改性。需要注意的是,这样的设计保留了中心化数据库,并没有做到完全的去中心化,但带来的好处有两个:提高链上的共识效率;便于进行查询、统计、审计等中心化操作。

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2.3.3 售电平台上的零售智能合约

在新电改配售分离模式下,以配售电公司为电费结算主体的电力交易将更加灵活、自由。在图2-5中提到的输配分离结算业务模式中,配售电公司通过客户负荷预测制定售电计划,与发电企业、电网公司签订三方购电合同。由于现货交易、实时交易的存在,很多情况下难以以纸质形式签约,而多以电子合同存在。然而,电子合同的法律效应、公信力的缺失容易引起分歧。区块链上的智能合约以代码方式撰写、执行,一旦签约必然履行,且区块链的可溯源、不可篡改性可以避免合约纷争,是配售电公司购电合同的一个良好解决方案。
图2-10所示给出了一个配售电一体化售电公司的零售智能合约运作过程。在售电侧,配售电公司在区块链售电平台上发布零售智能合约,电力用户与售电公司在区块链上签署智能合约,明确电量、协议电价、违约责任等要素。建立在区块链基础上的智能电表直接把电量记录在分布式账本上,自动抄表,自动计量,自动计费,自动履行智能合约,便于市场交换。区块链可以使零售电合同透明化、去信度化,帮助配售电公司提升售电平台的公信力,提升智能电表抄表的公信力;同时,由于售电平台是由售电公司自己搭建和管理的,落地的可能性很大。

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