1 研究背景

區(qū)塊鏈技術(shù)在多個領(lǐng)域相繼提出了不同的應(yīng)用及擴(kuò)展方式，多能源協(xié)作優(yōu)化作為目前熱點研究方向，未來可促進(jìn)多種能源有機(jī)整合，集成互補(bǔ)，其中還包括清潔能源生產(chǎn)和就近消納，減少棄風(fēng)、棄光、棄水限電等。在單一系統(tǒng)中區(qū)塊鏈的應(yīng)用能夠很好地保障系統(tǒng)內(nèi)的交易合法性，但是對于未來多能系統(tǒng)中，多領(lǐng)域的參與主體存在多種區(qū)塊鏈交易類型是無法避免的。而且建立統(tǒng)一的主區(qū)塊鏈，即單一主鏈的實際可行度不高，主要存在以下幾點問題：①主鏈功能過于單一，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)容易膨脹；②不同受眾用戶的需求不同；③并發(fā)交易量大，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器負(fù)擔(dān)大。不同的實體根據(jù)業(yè)務(wù)交易需求所采用的最終結(jié)算代幣系統(tǒng)也有所不同，從而區(qū)塊鏈應(yīng)用也存在一定程度上的差別。多種能源系統(tǒng)所采用的異構(gòu)區(qū)塊鏈開發(fā)和應(yīng)用的架構(gòu)、技術(shù)制式均不相同。其次，不同區(qū)塊鏈條之間也很難達(dá)成共識性原則，每個獨立的區(qū)塊鏈系統(tǒng)都有單獨授權(quán)的虛擬代幣，非通用的虛擬代幣兌換存在障礙，導(dǎo)致交易結(jié)算效率低下。

2 多能系統(tǒng)互聯(lián)交易模式設(shè)計

在正常情況下，多能系統(tǒng)需要動態(tài)實時監(jiān)控所有參與實體的狀態(tài)，同時結(jié)合供需間的平衡關(guān)系，判斷是否集成多種類型能源，協(xié)調(diào)配合電網(wǎng)實現(xiàn)削峰填谷、新能源消納、節(jié)能等目標(biāo)。而智能合約作為輔助性應(yīng)用，可結(jié)合特定業(yè)務(wù)需求，制定成為某種支撐業(yè)務(wù)開展的嵌入式腳本。圖1給出了以智能合約為中心化管理的多能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 承載智能合約的多能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2為多能系統(tǒng)下的基于智能合約業(yè)務(wù)實現(xiàn)流程框圖，并在實現(xiàn)流程框圖中以虛線框的方式標(biāo)注出了智能合約寫入、執(zhí)行后結(jié)果導(dǎo)出結(jié)算的對應(yīng)部分。其中多能系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)優(yōu)化目標(biāo)及約束條件設(shè)計，并完成計量認(rèn)證階段的數(shù)據(jù)采集，完成優(yōu)化決策設(shè)計及對應(yīng)最優(yōu)值求解。然后將執(zhí)行指令及對應(yīng)閾值寫入?yún)^(qū)塊鏈智能合約，在多能系統(tǒng)對參與交易的實體執(zhí)行響應(yīng)完成后，在交易結(jié)算階段由多能系統(tǒng)上區(qū)塊鏈的智能合約自動結(jié)算。

圖2 多能系統(tǒng)下的基于智能合約的業(yè)務(wù)實現(xiàn)流程

多能互補(bǔ)交易體系設(shè)計過程中，按照自上而下的原則共分為4個層次，分別為能源層、服務(wù)映射層、業(yè)務(wù)層、交易支撐層，如圖3所示。

圖3 異構(gòu)區(qū)塊鏈交易體系

3 關(guān)鍵技術(shù)支撐

3.1 多能系統(tǒng)側(cè)鏈管理技術(shù)

電網(wǎng)企業(yè)可以利用已經(jīng)構(gòu)建的已建區(qū)塊鏈主鏈進(jìn)行延伸并逐步擴(kuò)展多能系統(tǒng)的側(cè)鏈，側(cè)鏈作為一種新型的區(qū)塊鏈，主要用于錨定已有的主鏈，可以有效解決現(xiàn)階段多能系統(tǒng)異構(gòu)區(qū)塊鏈間的資金轉(zhuǎn)移和信息互通問題。通過側(cè)鏈技術(shù)規(guī)避主鏈功能及表現(xiàn)形式單一化的局限性，解決主鏈短時間內(nèi)數(shù)據(jù)易膨脹、同步成本高的問題。

3.2 N異構(gòu)區(qū)塊數(shù)據(jù)檢索技術(shù)

參與多能系統(tǒng)調(diào)配的實體可將個人用戶資產(chǎn)認(rèn)證、可調(diào)配資源容量大小、調(diào)配時間段或者所屬管轄區(qū)等私人信息記錄到對應(yīng)的索引表。在將其信息數(shù)據(jù)映射到對應(yīng)的處理進(jìn)程列表后，生成多能系統(tǒng)對應(yīng)的信息條目(Entries)。交易條目根據(jù)特別的規(guī)則生成Hash值，Hash值及其所處列表的索引(index)將會記錄到區(qū)塊鏈中對應(yīng)的特定位置并生成條目區(qū)塊(Entry blocks)，這些條目區(qū)塊按照系統(tǒng)分配的ID(Chain ID)存儲到目錄區(qū)塊中(Directory blocks)，并錨定到區(qū)塊鏈中對應(yīng)位置。當(dāng)多能系統(tǒng)需要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索時，只需要通過特定規(guī)則有目的地遴選出當(dāng)初按照特定hash函數(shù)生成的條目對應(yīng)的目錄區(qū)塊ID，查詢相關(guān)hash值以及對應(yīng)所處列表等信息，即可反向獲取系統(tǒng)內(nèi)部的條目數(shù)據(jù)。

3.3 多能區(qū)塊鏈自治管理技術(shù)

該技術(shù)的主要核心思想是將傳統(tǒng)的多個區(qū)塊鏈一致性與有效性進(jìn)行剝離分立。這里的一致性是指區(qū)塊中的記賬唯一性，在工作量證明和分布式記錄之后不會再次出現(xiàn)另外一條虛假的區(qū)塊，該區(qū)塊鏈在全網(wǎng)中的記錄是相同且一致的。而有效性則指的是每個區(qū)塊交易的數(shù)值大小是確定且合理的。二者進(jìn)行獨立分離后，不同能源系統(tǒng)的賬本所處的區(qū)塊鏈分別被視為主鏈，并繼續(xù)保留其原有的一致性，主要記錄其是否發(fā)生過交易。而對應(yīng)這些主鏈配套的其他區(qū)塊鏈則繼承其有效性，主要記錄其交易發(fā)生的金額或者虛擬幣轉(zhuǎn)移情況。

4 實踐難題和技術(shù)瓶頸

4.1 風(fēng)險問題規(guī)避

在構(gòu)建適應(yīng)多能互補(bǔ)區(qū)塊鏈高連通度的生態(tài)圈時，需要正視跨鏈連接技術(shù)所帶來的數(shù)據(jù)開放安全風(fēng)險問題。該安全風(fēng)險問題來自兩方面。其一是單條區(qū)塊鏈的自身安全風(fēng)險，其二是多個區(qū)塊鏈互聯(lián)后的安全問題。一方面，各個能源服務(wù)商所持有的異構(gòu)區(qū)塊鏈之間信息交互的協(xié)議、接口的兼容、計量認(rèn)證的合理性，參與交易與否并開放其區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)管理權(quán)都能決定交易是否能順利完成。另一方面，異構(gòu)區(qū)塊鏈的開放時限、程度是否滿足快速完成多能系統(tǒng)的交易結(jié)算需求，交易數(shù)據(jù)是采用推送還是自行提取的方式獲取都是目前無法商榷和定論。

4.2 參與主體協(xié)作

協(xié)作過程中的多領(lǐng)域參與主體對其中部分權(quán)益需要進(jìn)行割舍，例如將部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)和交易內(nèi)容開放給其他群體或者電網(wǎng)。過渡的權(quán)益受體可以是電網(wǎng)或者社會公信水準(zhǔn)高的第三方機(jī)構(gòu)，區(qū)塊鏈關(guān)鍵交易數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)讓、系統(tǒng)對外接口適配許可等均需要利益相關(guān)方協(xié)商。在多能系統(tǒng)不同交易鏈間的互通過程中，最終參與交易的多方主體協(xié)作是跨鏈管理的重點。

4.3 操作性能取舍

未來多能系統(tǒng)大規(guī)模推廣應(yīng)用后，其交易頻率、交易數(shù)量將會十分龐大，單位時間內(nèi)可能會達(dá)到成千上萬級的交易量。交易過程服務(wù)商與服務(wù)商、服務(wù)商與用戶之間不同業(yè)務(wù)類型對交易的處理需求不同。交易類型種類繁多、系統(tǒng)對接時限要求不一、交易數(shù)據(jù)類型不一致都是開展多能系統(tǒng)區(qū)塊鏈交易時存在的潛在問題。針對多能系統(tǒng)需要考慮如何根據(jù)不同類型參與主體之間的需求，確定最終所搭建的區(qū)塊鏈和配套區(qū)塊鏈的框架。在保障多能系統(tǒng)效率的前提下，還應(yīng)當(dāng)考慮主區(qū)塊鏈和配套區(qū)塊鏈之間的同步交易速率、數(shù)據(jù)讀寫、交易透明傳遞等問題。

4.4 智能合約規(guī)范

智能合約目前并沒有統(tǒng)一的規(guī)范，就其本質(zhì)上而言，智能合約是個由某種代碼或者可編程的腳本組成。其本身不具備任何的自我約束和自檢的能力，只能用于執(zhí)行某個特定的動作。看似其在制定成功并發(fā)布錨定到區(qū)塊鏈后，具有不可篡改的特性，但合約本身仍具有潛在的安全性問題，在業(yè)務(wù)實現(xiàn)時需要考慮。而且，隨著多能系統(tǒng)業(yè)務(wù)的逐步深化，智能合約規(guī)則的設(shè)定將更為復(fù)雜，需要具備遠(yuǎn)端配置和更新維護(hù)的能力，支撐未來多能系統(tǒng)的復(fù)雜業(yè)務(wù)應(yīng)用。

5 展望

通過多能系統(tǒng)跨鏈資源整合，實現(xiàn)不同層級和應(yīng)用領(lǐng)域的信息交換，提高多能源交易的信息透明度，最終促進(jìn)多種能源協(xié)調(diào)發(fā)展。通過區(qū)塊鏈可編程的智能合約邏輯設(shè)定，可以保障多能系統(tǒng)中復(fù)雜交易的實現(xiàn)，并從技術(shù)角度解決未來可能發(fā)生的潛在爭議問題，為未來多能互補(bǔ)領(lǐng)域下的區(qū)塊鏈生態(tài)圈發(fā)展提供支撐。