区块链在综合能源服务的应用前景

3综合能源服务业务模式与共识机制

3.1 综合能源服务业务模式分析

基于区块链技术的综合能源服务模型实现了综合能源服务与区块链技术的高效融合，保障了综合能源横向多源互补，综合服务安全高效运行。但由于综合能源服务主体的多样性和服务业务的复杂性，需结合区块链技术深入探讨服务主体间信息交互的网络拓扑结构，以及交易达成所需的共识机制。为分析不同节点间业务的交互类型，构建了如图5所示的业务主体间能量与信息的交互关系。

其中，业务①为综合能源服务的基础业务，该业务的流向与能量流相对应，而且业务①的发生也伴随着业务⑤的产生，业务⑤由电能交易的各类主体提供，作为电能交易预测的参考。综合能源服务公司向各类用户提供②③④类扩展业务，向微网用户提供业务⑥等。

同时，按照主体功能的差异将源-网-售-荷主体间的信息与能量交互分以下几个方面：

1）“源-网”主体间的交互：能量从源端通过电网输配至用户侧，源-网间进行电量、负荷、输配路径的协商；

2）“源-售”主体间的交互：分担部分电网售电业务的民营的售电公司既可以选择从电网公司购电，也可以选择从源端直购电，由电网进行输配；

3）“源-荷”主体间的交互：工业用户(通常为 35kV及以上的大工业用户)可以选择从源端直购电；

4）“网-荷”主体间的交互：电网公司将电能输配到各类用户，同时微网用户可以将多余的电能出售给电网公司，而电网公司向各用户提供其他扩展业务；

5）“售-荷”主体间的交互：与“网-荷”主体间的交互过程类似；

6）“荷-荷”主体间的交互：为鼓励微网的发展，补充断电时段用户对电能的需求，减少微网售出电能远距离输配损耗，微网用户可将电能直接出售给周边用户。

3.2 综合能源服务共识机制(PoSS)

在综合能源服务系统中，首先在综合能源方面，多个源端应与电网公司的调度部门协商，确定电能调度供给的分配比例；售电公司或大型工业用户从源端处直接购电时，应协商确定其交易方案。其次，在综合服务方面，节点双方以点对点的交互模式协商达成方案。对于上述协商过程的实现，在基于区块链技术的底层架构中需要制定合适的主体间共识写入共识层中。目前，区块链技术主要应用PoW、PoS以及 DPoS等共识机制，其原理与综合能源服务中各个节点权限不同的特点相驳。因此，根据综合能源服务中各个节点的重要程度不同，基于 PoS 共识提出了适用于综合能源服务系统的改进共识机制PoSS(proof ofsharing-stake)。

在综合能源和综合服务中，二者对于共识机制的需求不同，相对而言综合服务虽然交互模式多，但基本上是点对点的协商与交易；而综合能源交互模式相对固定，主要是多主体协商与交易。因此，PoSS 共识根据综合服务与综合能源的不同特点分为 PoSS(a)—点对点共识机制与 PoSS(b)—多主体共识机制。

从综合服务方面考虑，采用 PoSS(a)共识旨在构建一个点对点的交互模式，交互双方在达成一致后便可以完成相应服务。节点之间的交互按照交互主体的不同可分为如图 6 中的 B2B、B2C、C2C三类：

1）B2B 间的共识机制：源、网、售主体间的服务共识主要采用 B2B 的方式，交易主体间达成共识的内容分为能量交易和数据交易两大类。a）对于能量交易，如售电公司的直购电交易，源端提供电能的供应，售电公司负责电能的消纳，二者达成双方许可的电能交易量后，即形成 B2B的交易许可初步共识；

b）对于数据交易，各从节点将某一时段T内的用电数据和节能数据进行整合，并分为可供交易的有价值数据和本地留存数据，然后将该周期内的所有数据进行哈希求得总哈希值；对于可供交易的有价值数据，进行哈希打包成区块后加入到该节点对应的私链并加密上传至其主链；将本地留存数据进行留底保存，打包存入各自私链。B2B 共识达成数据交易主要指源、网、售间对过去一段时间产生的可供交易的有价值数据进行交易共识的达成，点对点达成交易即可。

如调度从节点可向源端太阳能电厂等从节点购买其一年内的售电及发电量等有价值数据进行下一阶段该电厂调度方面的预测等，有助于电网调度调整之后的调度方案，该数据交易的达成通过主节点传送信息从而确认。

2）B2C 间的共识机制：B2C 共识主要指网-荷、售-荷以及源-荷(直购电的大工业用户)主体间服务交易。电网、售电公司作为提供综合服务的主体与用户达成服务交易共识，包括电能交易、能效检测与节能服务、数据交易服务等。B2C服务共识的实质是点对点服务。如小区级的居民用户从节点a需要提供全方位的节能协助服务，帮小区内住户改进用能设备，其提交服务请求由主节点广播至全网络，民营售电公司b的综合能源服务从节点下载并反馈接受服务请求的信息，由双方主节点确认协商达成交易。对于数据交易，同 B2B 采用相同的数据分类方法并将数据哈希后打包到从链，利用主节点之间的交互实现数据交易。

3）C2C 间的共识机制：C2C 共识机制主要指微网用户为周边的居民用户提供电能以及双方有价值数据的交易的点对点许可共识。在进行电能交易的同时希望获得周边居民用户的用电数据和节能数据，其中电能交易和数据交易方案都由交易双方自行拟定并通过主节点传递交易信息完成交易。

从综合能源方面考虑，PoSS(b)共识机制旨在解决源端处供能分配的问题。PoSS(b)共识的达成需综合考虑 n 个节点(n>2)在一个时段 T 内的电能交易量 W、提供的综合能源服务项数 N、在具体某项服务中的贡献程度 D、以及社会重要程度的系数 S，进而去确定各个节点的投票权重值 V，任何节点的投票权重值 V 不能超过50%。按照以上要求给出了这些考虑因素下的数学描述，用以计算各个节点的投票权重值 V，其中 Vi为 Vi′的修正值。数学描述如下：

对于源端、电网公司、售电公司间的能源交互，当多源端通过电网进行调度时，各源端节点对于某一时段 T 的供电量分配需达成共识，交易的源节点与电网公司调度节点进行协商后将方案广播至全网络，源端所有节点以及电网公司调度节点根据 PoSS(b)共识机制对时段 T 内的Wi、Ni、Si、Di进行统计，依据公式(1)和(2)计算参与投票的节点权重值 Vi，并对该方案进行投票，当得票率超过 50%时，该方案通过；当得票率未超过 50%时，重新拟定方案再进行上传。如民营售电公司选择从源端处直购电时，将两者协商的电能交易方案广播至全网络，源端所有节点、电网调度节点及民营售电公司节点根据 PoSS(b)共识计算参与投票的节点权重值 Vi，对该方案进行投票从而确定购电的方案。

4 模型可行性分析及验证

图2所示的综合能源服务区块链网络架构在运行场景上具有一定复杂度，因此验证基于“多链”的综合能源服务模型的可行性成为实践研究方案的重点。因而，本文基于 Multichain 技术的基础上构建了主-从多链模型架构，为简化模型验证所需的大量设备，选取电网主-从多链进行节点可行性分析及验证。

配置网络环境如下：

下载配置Multichan演示文档，基于xampp平台建立 PHP 的运行环境并进行软件配置以及区块链环境搭建。通过三台系统配置为64位4G运行内存的windows7电脑来实现电网主-从多链的运行、连接、权限配置以及以资产形式进行信息的传递的模式，验证模型单个主-从节点运行的可行性。

具体操作如下：

在xampp运行的条件下，分别配置三台电脑的区块链网络环境，通过命令窗口进行多链的创建及配置，配置的三条链分别命名为 TestChain、Chain01、Chain02。选取 TestChain 链作为电网主链，配置的电网主链的 IP 地址为 192.168.1.1，并自动配置主链的端口，设置 TestChain 为全节点链，权限包括区块发布、管理员、连接、发送、接收、资产发布、流管理。同时配置另外两台电脑为电网从节点，以调度从节点(链名为 Chain01，IP 为 192.168.1.2)和综合能源服务公司从节点(链名为Chain02，IP为192.168.1.3)为例。两条从链分别通过指令multichaindTestChain@192.169.1.1:6865发出与主链TestChain互联的申请，主链端接收指令完成互联并赋予从链连接、发送、接收、资产发布的权限。其中主链拥有节点的全部权限，并具有配置从链权限的功能。主要操作如图 7、图8、图9所示：

1）多链节点的建立(以电网主节点为例)

2）从节点向主节点发出连接申请(以 Chain01 为例)

3）主节点接受申请并设置从节点权限

其中，由 2.1节可知，电网主链作为传递转发交易信息的主体具有与其他主链之间进行信息互传的功能。当从链需要传递信息时将需要传递的数据发送给主链，由主链进行传递，从链具有从主链端下载、上传信息的功能。

以 B2B 中电网节点与源端购电交易为例，当电网公司与源端协商想要达成电能交易过程中，电网主链接收到从链 Chain02 的资产信息并下载，资产信息为电能交易时，与源端进行电能的交易，交易达成后，由从链 Chain01 进行调度计划的制定并提交调度方案资产至主链从而完成交易的完整制定。电网主-从多链内部的主要操作如图 10、图11、图 12 所示(以 Chain01 调度请求为例)：

1）主链 TestChain 与从链 Chain01 连接显示

2 ）从链 Chain01 发布调度交易方案， 主链TestChain 接收调度方案并下载

通过搭建主-从多链平台，并模拟电网主-从多链节点的连接及信息交互，能够验证基于“多链”的综合能源服务模型中单个主-从多链的可行性，即验证了区块链技术运用于售电+综合能源服务具有可行性，但本文基于区块链技术的完整综合能源服务平台的搭建由于设备硬件的需求暂时无法完成，接下来将进一步完善模型场景的搭建，探究将区块链技术运用于综合能源服务所存在的障碍。

5 总结与展望

本文研究了基于区块链技术的综合能源服务运行模式，通过分析区块链技术的特点，及综合能源服务场景的需求，参考Multichain和主从多链的概念，采用“多链”的方式，构建了基于区块链技术的综合能源服务网络架构以及综合能源服务链上交易模型，探讨综合能源服务区块链技术的匹配性，以“售电+综合服务”为主要研究点，从综合能源、综合服务两个方面深入研究，提出适用于综合能源服务场景的PoSS服务共识机制，进一步探讨基于区块链的综合能源服务机制。同时，搭建基于Multichain平台的电网主-从多链模型，对单个主-从多链的实现进行了验证。而随着区块链概念的不断普及，区块链技术将长久快速地发展，以此为基础将进一步研究基于区块链的综合能源服务，使搭建的区块链网络更为清晰，愈发高效地协调利用综合能源，使得提供的综合服务也趋向于多样化，并将链上的节点更为细化地分类，不断扩大研究的应用范围，为未来研究综合能源服务场景提供参考。

文/龚钢军 王慧娟 杨晟 孙跃 苏畅 文亚凤 杨海霞，北京市能源电力信息安全工程技术研究中心(华北电力大学)国网冀北电力有限公司电力科学研究院，中国电机工程学报