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摘 要： 摘 要: 電力體制改革背景下，電力行業(yè)將更加市場化，由此引發(fā)的電價劇烈波動問題會給市場參與者帶來巨大的風(fēng)險。電力期貨市場發(fā)現(xiàn)價格以及套期保值的功能，能夠很好地解決這一問題。區(qū)塊鏈技術(shù)作為去中心化、去信任化的集體維護數(shù)據(jù)庫技術(shù)，與電力期貨市場有
摘 要: 電力體制改革背景下，電力行業(yè)將更加市場化，由此引發(fā)的電價劇烈波動問題會給市場參與者帶來巨大的風(fēng)險。電力期貨市場發(fā)現(xiàn)價格以及套期保值的功能，能夠很好地解決這一問題。區(qū)塊鏈技術(shù)作為去中心化、去信任化的集體維護數(shù)據(jù)庫技術(shù)，與電力期貨市場有很高的契合度，區(qū)塊鏈技術(shù)如何應(yīng)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(qū)塊鏈的相關(guān)概念及其特性。然后搭建了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電力期貨市場交易框架，并制定了相應(yīng)的智能合約，最后介紹了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電力期貨市場的交易流程。區(qū)塊鏈技術(shù)在電力期貨市場中的研究應(yīng)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(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。
關(guān)鍵詞: 區(qū)塊鏈; 電力期貨市場; 智能合約; 電力市場改革
《關(guān)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(yè)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(fēng)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(fā)現(xiàn)價格以及套期保值的功能，實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置、減少市場風(fēng)險[6]。開展電力期貨交易不僅可以削弱現(xiàn)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(guān)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(xiàn)貨價格相關(guān)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(xué)者梅蘭妮·斯萬在《區(qū)塊鏈: 新經(jīng)濟藍圖及導(dǎo)讀》[9 - 10]一書中指出區(qū)塊鏈是一種公開透明的、去中心化的數(shù)據(jù)庫技術(shù)。區(qū)塊鏈技術(shù)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(qū)塊鏈技術(shù)因其優(yōu)越的普適性受到了人們的高度關(guān)注，適用于大部分類型的金融交易，但是如何將該技術(shù)應(yīng)用于電力期貨市場還鮮有研究。同時，區(qū)塊鏈技術(shù)賦予了智能合約新的意義[11]，區(qū)塊鏈技術(shù)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(qū)塊鏈技術(shù)的智能合約不僅能夠發(fā)揮其在成本效率方面的優(yōu)勢，還能夠避免合約正常執(zhí)行過程中被惡意干擾的可能。
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摘要：為了實現(xiàn)高效、公平、透明的配電網(wǎng)電力交易，提出了基于區(qū)塊鏈的配電網(wǎng)電力交易方法。針對當前含新能源的配電網(wǎng)電力交易的難點，結(jié)合區(qū)塊鏈的技術(shù)特點，提出了配電網(wǎng)電力交易的區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)。介紹了基于區(qū)塊鏈的配電網(wǎng)電力交易的具體實現(xiàn)步驟和交易過程，深入研究基于 XML 組織區(qū)塊鏈主體內(nèi)容，并將國產(chǎn)安全算法 SM2 和 SM3 引入到區(qū)塊鏈應(yīng)用中。最后設(shè)計了基于區(qū)塊鏈的配電網(wǎng)電力交易情景，證明了基于區(qū)塊鏈的配電網(wǎng)電力交易方法的有效性。
文章首先簡要介紹了區(qū)塊鏈技術(shù)的相關(guān)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(qū)塊鏈技術(shù)進行了研究，搭建了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電力期貨市場的整體框架，設(shè)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(guān)系，達到限制電價波動的方法是不可行的。期貨市場具有發(fā)現(xiàn)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(dǎo)向功能，有助于平衡電能供求關(guān)系，可以實現(xiàn)穩(wěn)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(jù)電力的使用場景以及電能自身的品質(zhì)不同，可以對電能以及電價進行科學(xué)的劃分，這為電力的期貨交易提供了先足條件;
( 2) 隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不斷完善，而且電網(wǎng)的調(diào)度和運行機制日趨健全，這使得電能的轉(zhuǎn)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(tǒng)一制定而由市場競價決定，這將使得電價容易出現(xiàn)較大的變化幅度;
( 4) 人們對電力的需求仍然呈現(xiàn)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(guī)模會不斷擴大。以上都是一個優(yōu)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(qū)塊鏈技術(shù)
1. 2. 1 區(qū)塊鏈技術(shù)的概念
2008 年，化名為“中本聰”( Satoshi nakamoto) 的學(xué)者在《比特幣: 一種點對點電子現(xiàn)金系統(tǒng)》一文中首次提出了區(qū)塊鏈這一概念。區(qū)塊鏈的本質(zhì)是分布式記賬系統(tǒng)，它具有去中心化、安全可靠和可編程的特點[13]，區(qū)塊鏈系統(tǒng)包含了數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識層、激勵層、合約層以及應(yīng)用層，如圖 1 所示。針對不同的應(yīng)用對象，也會存在細節(jié)上的差異[14]。
( 1) 數(shù)據(jù)層。在數(shù)據(jù)區(qū)塊上標記時間戳，形成鏈式結(jié)構(gòu)，利用哈希函數(shù)( Hash function) 將原始數(shù)據(jù)進行編碼，除此之外，采用 Merkle 樹對數(shù)據(jù)的完整性進行驗證。同時，為了使得數(shù)字簽名和登錄認證更具保密性，應(yīng)用非對稱加密技術(shù)。
2) 網(wǎng)絡(luò)層。點對點傳輸技術(shù)( P2P) 、數(shù)據(jù)傳播機制以及數(shù)據(jù)驗證機制共同組成了網(wǎng)絡(luò)層。現(xiàn)已開發(fā)的區(qū)塊鏈應(yīng)用項目幾乎都是采用 P2P 技術(shù)，P2P 技術(shù)使得資源分享不再受中央服務(wù)器的限制，每個節(jié)點都可成為資源的分享者與下載者，從而大大的提高了數(shù)據(jù)的下載速度。
( 3) 共識層。因為區(qū)塊鏈是一個去中心化的系統(tǒng)，所以為了達成數(shù)據(jù)的有效共識性，需要強大的共識機制，區(qū)塊鏈技術(shù)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(qū)塊鏈系統(tǒng)的安全穩(wěn)定需要大量的算力作為支持，為了確保擁有足夠的算力，區(qū)塊鏈系統(tǒng)引入了相應(yīng)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(nèi)嵌在物理實體中，以便靈活的控制資產(chǎn)。隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的快速發(fā)展，廣大學(xué)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(yīng)型邏輯規(guī)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(nèi)容，觸發(fā)條件、響應(yīng)規(guī)則，其工作原理如圖 2 所示，區(qū)塊鏈系統(tǒng)對智能合約進行實時監(jiān)控，當符合特定的觸發(fā)條件時，智能合約就能自主執(zhí)行，實現(xiàn)了不依靠中心機構(gòu)既能完成交易。智能合約最突出的優(yōu)勢就是可編程性，這一特性允許簽署方可以添加任意數(shù)量的條款。
6) 應(yīng)用層。應(yīng)用層封裝了區(qū)塊鏈各種可能的應(yīng)用場景和案例。
1. 2. 2 區(qū)塊鏈技術(shù)的特點
( 1) 去中心化。區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的處理過程都是在分布式網(wǎng)絡(luò)中進行的，它依靠純數(shù)學(xué)方法建立了一個去中心化的可信任系統(tǒng)，實現(xiàn)了 P2P 交易，無需第三方機構(gòu)參與即可完成交易，從而解決了因第三方機構(gòu)參與帶來的成本居高不下、效率不高和無法保障數(shù)據(jù)安全的問題。
( 2) 開放透明。區(qū)塊鏈系統(tǒng)是一個開放的系統(tǒng)，除了系統(tǒng)參與者或者說交易方的賬戶信息是加密的，其他數(shù)據(jù)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(tǒng)具有高度的透明性。
( 3) 安全可靠。區(qū)塊鏈系統(tǒng)采用經(jīng)濟激勵機制來鼓勵各節(jié)點都參與到數(shù)據(jù)區(qū)塊的驗證過程中，并通過共識算法確定在哪個節(jié)點添加新區(qū)塊，只有在全網(wǎng)大多數(shù)節(jié)點同意其接入主鏈時，新區(qū)塊才能被計入?yún)^(qū)塊鏈，所以新區(qū)塊數(shù)據(jù)的真實性是有保障的。而且區(qū)塊鏈中的每個區(qū)塊都是帶有時間戳的，時間戳的存在使得數(shù)據(jù)可以追本溯源，增強了數(shù)據(jù)的可驗證性。除此之外，區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)極難篡改，以比特幣系統(tǒng)為例，只有控制了全系統(tǒng) 51% 的算力才能夠篡改數(shù)據(jù)，而這幾乎是做不到的。區(qū)塊鏈系統(tǒng)通過分布式網(wǎng)絡(luò)中的眾多節(jié)點驗證并記錄所有的交易，采用非對稱密碼學(xué)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(yīng)的密鑰才能實現(xiàn)解密，這樣就確保了交易的私密性和安全性。而且區(qū)塊數(shù)據(jù)是拷貝在網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點中，所以只要有一個節(jié)點在正常工作，就不用擔(dān)心數(shù)據(jù)的丟失，主鏈數(shù)據(jù)完全可以通過這個節(jié)點實現(xiàn)完整恢復(fù)。
2 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電力期貨市場
2. 1 基本框架
常規(guī)的區(qū)塊鏈應(yīng)用只有一條區(qū)塊鏈，但隨著業(yè)務(wù)的擴展，節(jié)點數(shù)量會越來越多，就會帶來信息傳播延遲的問題，應(yīng)用的整體性能也將變得越來越差，而且單鏈結(jié)構(gòu)擴展性不高、吞吐量低。為了解決這一問題，本文采用雙鏈結(jié)構(gòu)搭建電力期貨市場的基本框架，主要包含了 TBC 交易區(qū)塊鏈和 ABC 賬戶區(qū)塊鏈，如圖 3 所示。圖 3 ABC 和 TBC 架構(gòu)圖 Fig. 3 ABC and TBC architecture
TBC 交易區(qū)塊鏈的任務(wù)是執(zhí)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(qū)塊鏈的主要任務(wù)是查詢、保存期貨交易各方交易前后的賬戶信息，并不執(zhí)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(qū)塊鏈還具有良好的擴展性，當其處理的數(shù)據(jù)量十分龐大超過限制時，ABC 鏈可以分裂成多個子區(qū)塊鏈，如圖 4 所示。這些子區(qū)塊鏈擁有獨立性，它們之間存在著相互監(jiān)督的關(guān)系，而且這些子鏈都標記有時間戳，可以在不同的設(shè)備或服務(wù)器上運作[15]。
采用 ABC /TBC 雙鏈架構(gòu)模式，使得每個機構(gòu)都擁有獨立的賬戶區(qū)塊鏈，只有在參與交易時，有關(guān)交易的信息才會被共享到交易鏈上。雙鏈的架構(gòu)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(qū)塊鏈系統(tǒng)具備了很高的自信任性，它不僅保障了區(qū)塊數(shù)據(jù)的可靠性，還保證了區(qū)塊鏈系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。常見的區(qū)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(guī)的區(qū)塊鏈系統(tǒng)通過智能合約從外部調(diào)取數(shù)據(jù)，由網(wǎng)絡(luò)延遲、節(jié)點處理速度等原因，各節(jié)點很有可能出現(xiàn)無法達成共識的情況，區(qū)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(xiàn)時價格買入一手期貨時，智能合約調(diào)用期貨公司的 API 接口，實現(xiàn)買入功能。但由于網(wǎng)絡(luò)延遲，各節(jié)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(jié)點的處理速度不一和期貨價格的實時波動等因素，各節(jié)點智能合約的輸入和輸出結(jié)果都將存在差異，因此很難達成共識，就會導(dǎo)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(jīng)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(tǒng)共識的達成時間，但是其本質(zhì)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(yīng)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(jié)點的數(shù)量，實現(xiàn)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(qū)塊鏈的電力期貨市場有很好的契合性，Pool 驗證池不僅能夠?qū)崿F(xiàn)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(yīng)用不僅能夠很好地解決網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲這一問題，還可以優(yōu)化電力期貨的交易流程與模式。
如果調(diào)用外部數(shù)據(jù)不是通過智能合約，而是由第三方將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽^(qū)塊鏈，就能保證數(shù)據(jù)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(yù)言機( Oracle) 。預(yù)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(yōu)點，同時有效地經(jīng)濟激勵機制也保障了預(yù)言機可以提供穩(wěn)定的服務(wù)。預(yù) 言 機 ( Oracle) 作為一種可信實體，可以完美的充當?shù)谌剑鼮閰^(qū)塊鏈系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)搭建了一座橋梁，突破了智能合約調(diào)用數(shù)據(jù)的限制，使得區(qū)塊鏈系統(tǒng)能夠在完全可信的條件下訪問互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。
2. 3 智能合約的設(shè)計
采用以太坊專用語言 Solidity 設(shè)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(fā)條件時，智能合約就能自主執(zhí)行，實現(xiàn)了不依靠中心機構(gòu)就能完成交易[16]。