基于异构区块链的多能系统交易体系及关键技术

1 研究背景

区块链技术在多个领域相继提出了不同的应用及扩展方式，多能源协作优化作为目前热点研究方向，未来可促进多种能源有机整合，集成互补，其中还包括清洁能源生产和就近消纳，减少弃风、弃光、弃水限电等。在单一系统中区块链的应用能够很好地保障系统内的交易合法性，但是对于未来多能系统中，多领域的参与主体存在多种区块链交易类型是无法避免的。而且建立统一的主区块链，即单一主链的实际可行度不高，主要存在以下几点问题：①主链功能过于单一，数据结构容易膨胀；②不同受众用户的需求不同；③并发交易量大，网络服务器负担大。不同的实体根据业务交易需求所采用的最终结算代币系统也有所不同，从而区块链应用也存在一定程度上的差别。多种能源系统所采用的异构区块链开发和应用的架构、技术制式均不相同。其次，不同区块链条之间也很难达成共识性原则，每个独立的区块链系统都有单独授权的虚拟代币，非通用的虚拟代币兑换存在障碍，导致交易结算效率低下。

2 多能系统互联交易模式设计

在正常情况下，多能系统需要动态实时监控所有参与实体的状态，同时结合供需间的平衡关系，判断是否集成多种类型能源，协调配合电网实现削峰填谷、新能源消纳、节能等目标。而智能合约作为辅助性应用，可结合特定业务需求，制定成为某种支撑业务开展的嵌入式脚本。图1给出了以智能合约为中心化管理的多能系统结构示意图。

图1 承载智能合约的多能系统结构

图2为多能系统下的基于智能合约业务实现流程框图，并在实现流程框图中以虚线框的方式标注出了智能合约写入、执行后结果导出结算的对应部分。其中多能系统主要负责优化目标及约束条件设计，并完成计量认证阶段的数据采集，完成优化决策设计及对应最优值求解。然后将执行指令及对应阈值写入区块链智能合约，在多能系统对参与交易的实体执行响应完成后，在交易结算阶段由多能系统上区块链的智能合约自动结算。

图2 多能系统下的基于智能合约的业务实现流程

多能互补交易体系设计过程中，按照自上而下的原则共分为4个层次，分别为能源层、服务映射层、业务层、交易支撑层，如图3所示。

图3 异构区块链交易体系

3 关键技术支撑

3.1 多能系统侧链管理技术

电网企业可以利用已经构建的已建区块链主链进行延伸并逐步扩展多能系统的侧链，侧链作为一种新型的区块链，主要用于锚定已有的主链，可以有效解决现阶段多能系统异构区块链间的资金转移和信息互通问题。通过侧链技术规避主链功能及表现形式单一化的局限性，解决主链短时间内数据易膨胀、同步成本高的问题。

3.2 N异构区块数据检索技术

参与多能系统调配的实体可将个人用户资产认证、可调配资源容量大小、调配时间段或者所属管辖区等私人信息记录到对应的索引表。在将其信息数据映射到对应的处理进程列表后，生成多能系统对应的信息条目(Entries)。交易条目根据特别的规则生成Hash值，Hash值及其所处列表的索引(index)将会记录到区块链中对应的特定位置并生成条目区块(Entry blocks)，这些条目区块按照系统分配的ID(Chain ID)存储到目录区块中(Directory blocks)，并锚定到区块链中对应位置。当多能系统需要对这些数据进行检索时，只需要通过特定规则有目的地遴选出当初按照特定hash函数生成的条目对应的目录区块ID，查询相关hash值以及对应所处列表等信息，即可反向获取系统内部的条目数据。

3.3 多能区块链自治管理技术

该技术的主要核心思想是将传统的多个区块链一致性与有效性进行剥离分立。这里的一致性是指区块中的记账唯一性，在工作量证明和分布式记录之后不会再次出现另外一条虚假的区块，该区块链在全网中的记录是相同且一致的。而有效性则指的是每个区块交易的数值大小是确定且合理的。二者进行独立分离后，不同能源系统的账本所处的区块链分别被视为主链，并继续保留其原有的一致性，主要记录其是否发生过交易。而对应这些主链配套的其他区块链则继承其有效性，主要记录其交易发生的金额或者虚拟币转移情况。

4 实践难题和技术瓶颈

4.1 风险问题规避

在构建适应多能互补区块链高连通度的生态圈时，需要正视跨链连接技术所带来的数据开放安全风险问题。该安全风险问题来自两方面。其一是单条区块链的自身安全风险，其二是多个区块链互联后的安全问题。一方面，各个能源服务商所持有的异构区块链之间信息交互的协议、接口的兼容、计量认证的合理性，参与交易与否并开放其区块链的数据管理权都能决定交易是否能顺利完成。另一方面，异构区块链的开放时限、程度是否满足快速完成多能系统的交易结算需求，交易数据是采用推送还是自行提取的方式获取都是目前无法商榷和定论。

4.2 参与主体协作

协作过程中的多领域参与主体对其中部分权益需要进行割舍，例如将部分关键数据和交易内容开放给其他群体或者电网。过渡的权益受体可以是电网或者社会公信水准高的第三方机构，区块链关键交易数据转让、系统对外接口适配许可等均需要利益相关方协商。在多能系统不同交易链间的互通过程中，最终参与交易的多方主体协作是跨链管理的重点。

4.3 操作性能取舍

未来多能系统大规模推广应用后，其交易频率、交易数量将会十分庞大，单位时间内可能会达到成千上万级的交易量。交易过程服务商与服务商、服务商与用户之间不同业务类型对交易的处理需求不同。交易类型种类繁多、系统对接时限要求不一、交易数据类型不一致都是开展多能系统区块链交易时存在的潜在问题。针对多能系统需要考虑如何根据不同类型参与主体之间的需求，确定最终所搭建的区块链和配套区块链的框架。在保障多能系统效率的前提下，还应当考虑主区块链和配套区块链之间的同步交易速率、数据读写、交易透明传递等问题。

4.4 智能合约规范

智能合约目前并没有统一的规范，就其本质上而言，智能合约是个由某种代码或者可编程的脚本组成。其本身不具备任何的自我约束和自检的能力，只能用于执行某个特定的动作。看似其在制定成功并发布锚定到区块链后，具有不可篡改的特性，但合约本身仍具有潜在的安全性问题，在业务实现时需要考虑。而且，随着多能系统业务的逐步深化，智能合约规则的设定将更为复杂，需要具备远端配置和更新维护的能力，支撑未来多能系统的复杂业务应用。

5 展望

通过多能系统跨链资源整合，实现不同层级和应用领域的信息交换，提高多能源交易的信息透明度，最终促进多种能源协调发展。通过区块链可编程的智能合约逻辑设定，可以保障多能系统中复杂交易的实现，并从技术角度解决未来可能发生的潜在争议问题，为未来多能互补领域下的区块链生态圈发展提供支撑。