發布時間：2020-02-04所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要: 電力體制改革背景下，電力行業將更加市場化，由此引發的電價劇烈波動問題會給市場參與者帶來巨大的風險。電力期貨市場發現價格以及套期保值的功能，能夠很好地解決這一問題。區塊鏈技術作為去中心化、去信任化的集體維護數據庫技術，與電力期貨市場有
摘 要: 電力體制改革背景下，電力行業將更加市場化，由此引發的電價劇烈波動問題會給市場參與者帶來巨大的風險。電力期貨市場發現價格以及套期保值的功能，能夠很好地解決這一問題。區塊鏈技術作為去中心化、去信任化的集體維護數據庫技術，與電力期貨市場有很高的契合度，區塊鏈技術如何應用于電力期貨市場進行研究具有很高的實用價值。文章首先分析了開展電力期貨交易的必要性與可行性，簡要介紹了區塊鏈的相關概念及其特性。然后搭建了基于區塊鏈技術的電力期貨市場交易框架，并制定了相應的智能合約，最后介紹了基于區塊鏈技術的電力期貨市場的交易流程。區塊鏈技術在電力期貨市場中的研究應用不僅可以加快電力體制改革的進程，還能推動整個電力行業的穩定發展。
關鍵詞: 區塊鏈; 電力期貨市場; 智能合約; 電力市場改革
《關于進一步深化電力體制改革的若干意見》拉開了新一輪電力體制改革的序幕[1]，電力行業的市場化改革勢在必行，但市場化的電價是由市場競價決定的，電價的波動將不可避免[2]。事實證明，劇烈的電價波動將給市場帶來巨大的風險[3]，而且對電力投資也將造成惡性影響[4 - 5]。因此，澳大利亞、新加坡、挪威、美國等多國在電力體制改革不久后，就開放了電力期貨市場，目的就是充分利用期貨市場能夠發現價格以及套期保值的功能，實現資源的優化配置、減少市場風險[6]。開展電力期貨交易不僅可以削弱現貨市場主體的市場操縱力，還可以增加市場透明度，增強電力商品的流動性[7]。但是不能忽視的是，因寡頭壟斷的局面得不到改善的關系，市場信息仍存在不夠透明的問題，而且電力期貨的波動性較其他期貨商品更大，交易過程中會存在大量的市場投機行為。電力期貨價格往往與現貨價格相關性不高，所以電力期貨市場一定程度上存在流動性差的問題[8]。美國學者梅蘭妮·斯萬在《區塊鏈: 新經濟藍圖及導讀》[9 - 10]一書中指出區塊鏈是一種公開透明的、去中心化的數據庫技術。區塊鏈技術因其分布式去中心化、不可偽造、可全程查詢的特性可以很好地解決電力期貨市場存在的壟斷、投機以及流動性差的問題。
區塊鏈技術因其優越的普適性受到了人們的高度關注，適用于大部分類型的金融交易，但是如何將該技術應用于電力期貨市場還鮮有研究。同時，區塊鏈技術賦予了智能合約新的意義[11]，區塊鏈技術除了公開透明的、去中心化的特性，還擁有可編程和不可篡改的特點，適用于智能合約。基于區塊鏈技術的智能合約不僅能夠發揮其在成本效率方面的優勢，還能夠避免合約正常執行過程中被惡意干擾的可能。
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摘要：為了實現高效、公平、透明的配電網電力交易，提出了基于區塊鏈的配電網電力交易方法。針對當前含新能源的配電網電力交易的難點，結合區塊鏈的技術特點，提出了配電網電力交易的區塊鏈結構。介紹了基于區塊鏈的配電網電力交易的具體實現步驟和交易過程，深入研究基于 XML 組織區塊鏈主體內容，并將國產安全算法 SM2 和 SM3 引入到區塊鏈應用中。最后設計了基于區塊鏈的配電網電力交易情景，證明了基于區塊鏈的配電網電力交易方法的有效性。
文章首先簡要介紹了區塊鏈技術的相關概念，并對其典型特征進行了分析。對適合電力期貨市場的區塊鏈技術進行了研究，搭建了基于區塊鏈技術的電力期貨市場的整體框架，設計了適用于電力期貨市場的智能合約。
1 基本工具
1. 1 電力期貨市場
1. 1. 1 電力期貨市場建立的必要性
電力是一種不能夠存儲的商品，通過存貨來改變供需關系，達到限制電價波動的方法是不可行的。期貨市場具有發現價格以及套期保值的功能，而且電力期貨合約價格有信號導向功能，有助于平衡電能供求關系，可以實現穩定電價的目的[12]。所以，建立電力期貨市場是非常有必要的。
1. 1. 2 電力期貨市場建立的可行性
電力商品天然具備期貨屬性。
( 1) 根據電力的使用場景以及電能自身的品質不同，可以對電能以及電價進行科學的劃分，這為電力的期貨交易提供了先足條件;
( 2) 隨著經濟的高速發展，電網網架結構不斷完善，而且電網的調度和運行機制日趨健全，這使得電能的轉運和交付都變得越來越方便;
( 3) 一旦電力市場化改革的進程加快，電價不再由國家統一制定而由市場競價決定，這將使得電價容易出現較大的變化幅度;
( 4) 人們對電力的需求仍然呈現不斷增長的趨勢，所以電力商品會有更多的交易者而且其交易規模會不斷擴大。以上都是一個優秀的期貨品種必備的屬性，因此建立電力期貨市場是可行性的。
1. 2 區塊鏈技術
1. 2. 1 區塊鏈技術的概念
2008 年，化名為“中本聰”( Satoshi nakamoto) 的學者在《比特幣: 一種點對點電子現金系統》一文中首次提出了區塊鏈這一概念。區塊鏈的本質是分布式記賬系統，它具有去中心化、安全可靠和可編程的特點[13]，區塊鏈系統包含了數據層、網絡層、共識層、激勵層、合約層以及應用層，如圖 1 所示。針對不同的應用對象，也會存在細節上的差異[14]。
( 1) 數據層。在數據區塊上標記時間戳，形成鏈式結構，利用哈希函數( Hash function) 將原始數據進行編碼，除此之外，采用 Merkle 樹對數據的完整性進行驗證。同時，為了使得數字簽名和登錄認證更具保密性，應用非對稱加密技術。
2) 網絡層。點對點傳輸技術( P2P) 、數據傳播機制以及數據驗證機制共同組成了網絡層。現已開發的區塊鏈應用項目幾乎都是采用 P2P 技術，P2P 技術使得資源分享不再受中央服務器的限制，每個節點都可成為資源的分享者與下載者，從而大大的提高了數據的下載速度。
( 3) 共識層。因為區塊鏈是一個去中心化的系統，所以為了達成數據的有效共識性，需要強大的共識機制，區塊鏈技術的共識機制包括 POW 共識機制、POS 共識機制、DPOS 共識機制、Pool 驗證池等。
( 4) 激勵層。區塊鏈系統的安全穩定需要大量的算力作為支持，為了確保擁有足夠的算力，區塊鏈系統引入了相應的激勵機制來提升參與者的積極性。
( 5) 合約層。合約層封裝了以智能合約為代表的各類腳本代碼以及算法，智能合約這一概念是 Nick Szabo 于 1994 年提出的，它的理念就是將智能合約內嵌在物理實體中，以便靈活的控制資產。隨著區塊鏈技術的快速發展，廣大學者對智能合約有了新的認識。簡單來說，智能合約就是情景對應型邏輯規則，它具有分布式驗證、存儲，不可偽造的特點。智能合約封裝了合約內容，觸發條件、響應規則，其工作原理如圖 2 所示，區塊鏈系統對智能合約進行實時監控，當符合特定的觸發條件時，智能合約就能自主執行，實現了不依靠中心機構既能完成交易。智能合約最突出的優勢就是可編程性，這一特性允許簽署方可以添加任意數量的條款。
6) 應用層。應用層封裝了區塊鏈各種可能的應用場景和案例。
1. 2. 2 區塊鏈技術的特點
( 1) 去中心化。區塊鏈數據的處理過程都是在分布式網絡中進行的，它依靠純數學方法建立了一個去中心化的可信任系統，實現了 P2P 交易，無需第三方機構參與即可完成交易，從而解決了因第三方機構參與帶來的成本居高不下、效率不高和無法保障數據安全的問題。
( 2) 開放透明。區塊鏈系統是一個開放的系統，除了系統參與者或者說交易方的賬戶信息是加密的，其他數據都是公開透明的，任何人都可以通過公開的接口查詢到除了賬戶信息外的任何信息，因此整個系統具有高度的透明性。
( 3) 安全可靠。區塊鏈系統采用經濟激勵機制來鼓勵各節點都參與到數據區塊的驗證過程中，并通過共識算法確定在哪個節點添加新區塊，只有在全網大多數節點同意其接入主鏈時，新區塊才能被計入區塊鏈，所以新區塊數據的真實性是有保障的。而且區塊鏈中的每個區塊都是帶有時間戳的，時間戳的存在使得數據可以追本溯源，增強了數據的可驗證性。除此之外，區塊鏈數據極難篡改，以比特幣系統為例，只有控制了全系統 51% 的算力才能夠篡改數據，而這幾乎是做不到的。區塊鏈系統通過分布式網絡中的眾多節點驗證并記錄所有的交易，采用非對稱密碼學原理，生成兩個密鑰，即公鑰和私鑰。當使用一個密鑰對信息進行加密后，只有對應的密鑰才能實現解密，這樣就確保了交易的私密性和安全性。而且區塊數據是拷貝在網絡各節點中，所以只要有一個節點在正常工作，就不用擔心數據的丟失，主鏈數據完全可以通過這個節點實現完整恢復。
2 基于區塊鏈技術的電力期貨市場
2. 1 基本框架
常規的區塊鏈應用只有一條區塊鏈，但隨著業務的擴展，節點數量會越來越多，就會帶來信息傳播延遲的問題，應用的整體性能也將變得越來越差，而且單鏈結構擴展性不高、吞吐量低。為了解決這一問題，本文采用雙鏈結構搭建電力期貨市場的基本框架，主要包含了 TBC 交易區塊鏈和 ABC 賬戶區塊鏈，如圖 3 所示。圖 3 ABC 和 TBC 架構圖 Fig. 3 ABC and TBC architecture
TBC 交易區塊鏈的任務是執行期貨交易，它并不存儲期貨市場參與者的賬戶信息。ABC 賬戶區塊鏈的主要任務是查詢、保存期貨交易各方交易前后的賬戶信息，并不執行交易，這樣做的好處是保證了賬戶信息不易被偽造篡改。除此之外，ABC 賬戶區塊鏈還具有良好的擴展性，當其處理的數據量十分龐大超過限制時，ABC 鏈可以分裂成多個子區塊鏈，如圖 4 所示。這些子區塊鏈擁有獨立性，它們之間存在著相互監督的關系，而且這些子鏈都標記有時間戳，可以在不同的設備或服務器上運作[15]。
采用 ABC /TBC 雙鏈架構模式，使得每個機構都擁有獨立的賬戶區塊鏈，只有在參與交易時，有關交易的信息才會被共享到交易鏈上。雙鏈的架構模式不僅提升了交易速度，降低了成本，還保護了電力期貨交易雙方的隱私。
2. 2 共識問題
共識機制( Consensus) 讓區塊鏈系統具備了很高的自信任性，它不僅保障了區塊數據的可靠性，還保證了區塊鏈系統的穩定運行。常見的區塊鏈共識機制有 POW 共識機制、POS 共識機制、DPOS 共識機制、Pool 驗證池等。常規的區塊鏈系統通過智能合約從外部調取數據，由網絡延遲、節點處理速度等原因，各節點很有可能出現無法達成共識的情況，區塊鏈的自信任性也將面臨崩潰。就電力期貨市場而言，當電力期貨買入方在現時價格買入一手期貨時，智能合約調用期貨公司的 API 接口，實現買入功能。但由于網絡延遲，各節點并不能在同一時刻獲取這筆訂單信息，包括買入時間以及該時刻的期貨價格，加之各節點的處理速度不一和期貨價格的實時波動等因素，各節點智能合約的輸入和輸出結果都將存在差異，因此很難達成共識，就會導致該筆電力期貨交易無法成交，對買賣雙方都會造成不同程度的經濟損失。
POW 共識機制會造成巨大的算力資源以及電力資源浪費，而且其共識時間長達 10 分鐘，并不適合電力期貨交易。POS 共識機制有效地縮短了系統共識的達成時間，但是其本質上仍是通過挖礦運算來達成共識，因此 POS 共識機制也很難應用于電力期貨市場。DPOS 共識機制雖然極大程度上減少了驗證和記賬節點的數量，實現了秒級共識，但是仍無法脫離代幣機制。相較于以上三種共識機制，Pool 驗證池共識機制與基于區塊鏈的電力期貨市場有很好的契合性，Pool 驗證池不僅能夠實現秒級共識驗證，而且非常適用于有多方參與的金融交易模式，該機制的應用不僅能夠很好地解決網絡傳輸延遲這一問題，還可以優化電力期貨的交易流程與模式。
如果調用外部數據不是通過智能合約，而是由第三方將數據傳輸到區塊鏈，就能保證數據的一致性，從而解決期貨交易過程中存在的共識驗證難題。為了更好地解決電力期貨交易過程中存在的共識問題，本文引入了預言機( Oracle) 。預言機作為一個可信任實體，可以通過簽名獲取外部信息，它擁有不可篡改和可審計的優點，同時有效地經濟激勵機制也保障了預言機可以提供穩定的服務。預 言 機 ( Oracle) 作為一種可信實體，可以完美的充當第三方，它為區塊鏈系統和互聯網搭建了一座橋梁，突破了智能合約調用數據的限制，使得區塊鏈系統能夠在完全可信的條件下訪問互聯網數據。
2. 3 智能合約的設計
采用以太坊專用語言 Solidity 設計的電力期貨市場智能合約如圖 5 所示，當符合特定的觸發條件時，智能合約就能自主執行，實現了不依靠中心機構就能完成交易[16]。
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