Innovative Application of Blockchain Technology in Field of Distributed Energy Trading

doi:10.16628/j.cnki.2095-8188.2020.11.001

Abstract

Abstract:

Distributed energy has the characteristics of high energy efficiency,low pollution and economics.It will become the main primary energy of the energy Internet in the future.As a new distributed infrastructure,blockchain has the characteristics of decentralization,transparency,unforgeability and traceability,which are consistent with the demand of distributed energy transaction.Firstly,the paper analyzes the application feasibility of blockchain technology in distributed energy transactions.Then,the theoretical exploration and engineering practice at home and abroad are analyzed and summarized;then from consensus mechanism and off-chain expansion it introduces the new development of blockchain technology in improving network throughtput performance,and the research on blockchain distributed energy transactions is analyzed according to the two transaction models.Finally,it points out the development challenges of blockchain distributed energy transactions and proposes its development prospects.

Key words: blockchain, distributed energy transaction, application scenario, transaction mode, network throughput

CLC Number:

TM73

ZHAO Sheng, XU Xiaoshu, WU Zhengtian. Innovative Application of Blockchain Technology in Field of Distributed Energy Trading[J]. LOW VOLTAGE APPARATUS, 2020, 0(11): 1-10.

Figures/Tables 5

项目名称	所属地区	核心技术
Power Ledger太阳能交易^[44]	澳大利亚	通过智能合约实现拥有分布式能源的产消者与其他用户的P2P交易,但是采用的是内部私有链,可扩展性差
TransActiveGrid 分布式光伏售电^[45]	美国	在布鲁克林社区提供一个分布式能源交易平台,智能电表采集用户的发用电量及交易数据并记录在区块链,但是项目应用规模相对较小
Share & Charge电动汽车充电平台^[46]	德国	平台使用者在客户端寻找充电桩,利用智能合约实现用户与充电桩运营商之间的交易结算,不过平台发行的代币没有推广性
BittWatt区块链项目^[47]	英国	建立一个基于以太坊的智能化需求响应平台,发电商和消费者可以通过智能合约进行交易匹配
Fortum能源系统^[48]	芬兰	搭建一个基于区块链的需求响应平台,借助智能合约使得主体自动响应系统提出的补偿需求
Scanergy区块链项目^[49]	欧盟	基于以太坊的智能合约实现P2P直接交易,智能合约生成相应的虚拟货币提供给绿色电能生产方,但该项目的经济模型、交易安全、数据隐私等方面有待完善
Sun Exchange光伏设备众筹项目^[50]	非洲	借助区块链平台募集外部资金,以帮助非洲国家建设光伏项目,但该项目与能源的分布式交易、优化运行等方面关联度相对较少
德拉萨大学项目^[51]	菲律宾	该项目以德拉萨大学内的校园微电网项目为基础,区块链的去中心化特点可以支持不同楼宇间的用户进行P2P电力直接交易,但项目的规模较小且处于试验阶段
WePower绿色能源交易平台^[52]	直布罗陀	构建区块链平台,发行能源代币以筹集资金,促进全球可再生能源的发展
智能微电网项目^[53]	以色列	已建成一个基于区块链技术和人工智能的微电网试点工程,以实现绿色电力认证、电力交易、区域能源优化管理和P2P功能
蛇口能源区块链项目^[54]	中国	用户可以通过交易平台选择电能类型,实现用户与电站之间可再生能源的P2P交易,不过奖励机制有待完善
浙江电力营销合同管理应用项目^[55,56]	中国	利用区块链技术确保电力市场各利益主体所存储的电子合同数据信息的一致性,但该项目对区块链的应用场景比较单一
TenneT家庭储能项目^[57]	欧洲	将家庭蓄电池与区块链相结合,进行实时充放电管理以缓解阻塞,但是去中心化的程度较低

买方	出价	卖方	售价
$A 1 t 1$	80.00	$B 1 t 1$	84.00
$A 2 t 2$	86.00	$B 2 t 2$	80.00
$A 3 t 3$	82.00	$B 3 t 3$	84.00
$A 4 t 4$	80.00	$B 4 t 4$	81.00

买方降序	出价	卖方升序	售价	是否匹配	成交价
$A 1 t 1$	80.00	$B 2 t 2$	80.00	是	80.00
$A 4 t 4$	80.00	$B 4 t 4$	81.00	是	80.50
$A 3 t 3$	82.00	$B 1 t 1$	84.00	是	83.00
$A 2 t 2$	86.00	$B 3 t 3$	84.00	否	—

References 80

[1]	单栋梁, 刘向立, 徐利凯. 用户侧光储充一体化智能微电网系统应用研究[J]. 电器与能效管理技术, 2020(2):41-46.
[2]	艾芊, 郝然. 多能互补、集成优化能源系统关键技术及挑战[J]. 电力系统自动化, 2018,42(4):1-10.
[3]	宋少群, 黄文英, 陈峰. 基于合作博弈的分布式能源优化运行策略研究[J]. 电器与能效管理技术, 2018(20):21-27,43.
[4]	陈启鑫, 刘敦楠, 林今. 能源互联网的商业模式与市场机制(一)[J]. 电网技术, 2015,39(11):3050-3056. doi: 10.13335/j.1000-3673.pst.2015.11.006
[5]	佘维, 杨晓宇, 胡跃. 基于联盟区块链的分布式能源交易认证模型[J]. 中国科学技术大学学报, 2018,48(4):307-313.
[6]	邵炜晖, 许维胜, 徐志宇. 基于区块链的虚拟电厂模型研究[J]. 计算机科学, 2018,45(2):25-31.
[7]	毛振华. 疫情之下区块链何为[J]. 瞭望, 2020(8):42-43.
[8]	SWAN M. Blockchain:blueprint for a new economy[M]. Sebastopol:O'Reilly, 2015.
[9]	中国区块链技术和应用发展白皮书(2016) [EB/OL]. [2020-07-01]. https://www.sohu.com/a/116680506_353595.
[10]	杨德昌, 赵肖余, 徐梓潇. 区块链在能源互联网中应用现状分析和前景展望[J]. 中国电机工程学报, 2017,37(13):3664-3671.
[11]	张宁, 王毅, 康重庆. 能源互联网中的区块链技术:研究框架与典型应用初探[J]. 中国电机工程学报, 2016,36(15):4011-4022.
[12]	张俊, 高文忠, 张应晨. 运行于区块链上的智能分布式电力能源系统:需求、概念、方法以及展望[J]. 自动化学报, 2017,43(9):1544-1554.
[13]	AITZHAN N Z, SVETINOVIC D. Security and privacy in decentralized energy trading through multi-signatures,blockchain and anonymous messaging streams[J]. IEEE Transactions on Dependable & Secure Computing, 2018,15(5):840-852.
[14]	李彬, 覃秋悦, 祁兵. 基于区块链的分布式能源交易方案设计综述[J]. 电网技术, 2019,43(3):961-972.
[15]	王蓓蓓, 李雅超, 赵盛楠. 基于区块链的分布式能源交易关键技术[J]. 电力系统自动化, 2019,43(14):53-64.
[16]	周洪益, 钱苇航, 柏晶晶. 能源区块链的典型应用场景分析及项目实践[J]. 电力建设, 2020,41(2):11-20.
[17]	陈启鑫, 王克道, 陈思捷. 面向分布式主体的可交易能源系统:体系架构、机制设计与关键技术[J]. 电力系统自动化, 2018,42(3):1-7.
[18]	何奇琳, 艾芊. 区块链技术在虚拟电厂中的应用前景[J]. 电器与能效管理技术, 2017(3):14-18.
[19]	卫志农, 余爽, 孙国强. 虚拟电厂的概念与发展[J]. 电力系统自动化, 2013,37(13):1-9. doi: 10.7500/AEPS201210156
[20]	卫志农, 余爽, 孙国强. 虚拟电厂欧洲研究项目述评[J]. 电力系统自动化, 2013,37(21):196-202. doi: 10.7500/AEPS20130513006
[21]	谢畅, 王蓓蓓, 李然. 基于信用等级的虚拟电厂需求响应效果后评估[J]. 电力建设, 2017,38(9):67-72.
[22]	方燕琼, 艾芊, 范松丽. 虚拟电厂研究综述[J]. 供用电, 2016,33(4):8-13.
[23]	佘维, 胡跃, 杨晓宇. 基于能源区块链网络的虚拟电厂运行与调度模型[J]. 中国电机工程学报, 2017,37(13):3729-3736.
[24]	沈沉, 吴翔宇, 王志文. 微电网实践与发展思考[J]. 电力系统保护与控制, 2014(5):1-11. doi: 10.7667/j.issn.1674-3415.2014.05.001
[25]	XUE L, TENG Y, ZHANG Z, et al. Blockchain technology for electricity market in microgrid[C]// IEEE 2017 2nd International Conference on Power and Renewable Energy (ICPRE), 2017: 704-708.
[26]	DANZI P, ANGJELICHINOSKI M, STEFANOVI Ć, et al. Distributed proportional-fairness control in micro grids via blockchain smart contracts:IEEE International Conference on Smart Grid Communications (SmartGridComm)[C]. 2017.
[27]	周步祥, 杨明通, 史述青. 基于区块链的微电网市场势博弈模型[J]. 电力系统自动化, 2020,44(7):15-22.
[28]	谢红玲, 郑雅男, 李燕青. 基于能源区块链网络的微电网经济调度模型[J]. 华北电力大学学报:自然科学版, 2019,46(3):17-25.
[29]	王健, 周念成, 王强钢. 基于区块链和连续双向拍卖机制的微电网直接交易模式及策略[J]. 中国电机工程学报, 2018,38(17):5072-5084.
[30]	WU X, DUAN B, YAN Y, et al. M2M Blockchain:the case of demand side management of smart grid[C]// IEEE 23rd International Conference on Parallel and Distributed Systems (ICPADS), 2017: 810-813.
[31]	王蓓蓓, 李扬, 高赐威. 智能电网框架下的需求侧管理展望与思考[J]. 电力系统自动化, 2009,33(20):17-22.
[32]	李彬, 卢超, 曹望璋. 基于区块链技术的自动需求响应系统应用初探[J]. 中国电机工程学报, 2017,37(13):3691-3702.
[33]	高赐威, 梁甜甜, 李扬. 自动需求响应的理论与实践综述[J]. 电网技术, 2014,38(2):352-359. doi: 10.13335/j.1000-3673.pst.2014.02.013
[34]	李彬, 张洁, 祁兵. 区块链:需求侧资源参与电网互动的支撑技术[J]. 电力建设, 2017,38(3):1-8.
[35]	武赓, 曾博, 李冉. 区块链技术在综合需求侧响应资源交易中的应用模式研究[J]. 中国电机工程学报, 2017,37(13):3717-3728.
[36]	ZHAO S N, LI Y, WANG B B, et al. Research on the blockchain-based integrated demand response resources transaction scheme:2018 International Power Electronics Conference (IPEC-Niigata 2018-ECCE Asia)[C]. 2018.
[37]	李彬, 曹望璋, 卢超. 非可信环境下基于区块链的多级DR投标安全管理及技术支撑[J]. 中国电机工程学报, 2018,38(8):2272-2283.
[38]	MASIELLO R, AGUERO J R. Sharing the ride of power[J]. IEEE Power & Energy Magazine, 2016,14(3):70-78.
[39]	王冠男, 杨镜非, 王硕. 考虑EV换电站调度和区块链数据存储的电网分布式优化[J]. 电力系统自动化, 2019,43(8):110-116.
[40]	AGGARWAL R. Bitcoin and blockchain:a peer to peer electronic cash system:3rd International Conference on Computing:Communication,Networks and Security (IC3NS-2018)[C]. 2018.
[41]	袁勇, 王飞跃. 区块链技术发展现状与展望[J]. 自动化学报, 2016,42(4):481-494. doi: 10.16383/j.aas.2016.c160158
[42]	富宝, 李国, 王滔滔. 基于区块链技术的电动汽车充电链[J]. 计算机技术与发展, 2020,30(4):161-166.
[43]	王浩然, 陈思捷, 严正. 基于区块链的电动汽车充电站充电权交易:机制、模型和方法[J]. 中国电机工程学报, 2020,40(2):425-435.
[44]	Home-power ledger [EB/OL]. [2020-07-02]. https://www.powerledger.io/.
[45]	布鲁克林微电网项目使用区块链技术共享太阳能发电[EB/OL]. [2020-07-02]. https://www.jinse.com/news/blockchain/38997.html.
[46]	Share & Charge [EB/OL]. [2020-07-02]. https://shareandcharge.com/.
[47]	Bittwatt (BWT)基于区块链的可持续能源系统[EB/OL]. [2020-07-02]. https://www.qukuaiwang.com.cn/news/9706.html.
[48]	郑磊, 蒋榕烽. 区块链+时代:从区块链1.0到3.0[M]. 北京: 化学工业出版社, 2018.
[49]	研究\|能源区块链技术概述与典型应用案例分析[EB/OL].[2020-07-02]. http://www.360doc.com/content/19/0325/08/16619343_823964904.shtml.
[50]	The sunexchange [EB/OL]. [2020-07-02]. https://www.thesunexchange.com/.
[51]	Energo Labs携菲律宾最大清洁能源生产商举办区块链+新能源工作坊[EB/OL].[2020-06-28]. http://www.ymcall.com/artinfo/166397842262228290.html.
[52]	WePower:智能合约下绿色能源交易平台[EB/OL]. [2020-06-28]. https://zhuanlan.zhihu.com/p/39163192.
[53]	GREENEUM global energy networks whitepaper [EB/OL]. [2020-06-28]. https://www.greeneum.net/greeneumwhitepaper/.
[54]	赵曰浩, 彭克, 徐丙垠. 能源区块链应用工程现状与展望[J]. 电力系统自动化, 2019,43(7):14-22.
[55]	陈丽莎, 颜拥. 能源互联网技术未来应用新方向,国网浙江电力探索建设区块链平台[EB/OL].[2020-06-28]. http://www.escn.com.cn/news/show-462016.html.
[56]	吕诗宁, 颜拥, 丁麒. 能源互联网中的区块链应用:优势、场景与案例[J]. 浙江电力, 2017,36(3):1-4,23.
[57]	Innovations at TenneT[EB/OL]. [2020-06-28]. https://www.tennet.eu/our-key-tasks/innovations/innovations-at-tennet/.
[58]	KOUNELIS I, STERI G, GIULIANI R, et al. Fostering consumers’ energy market through smart contracts:IEEE International Conference in Energy and Sustainability in Small Developing Economies (ES2DE)[C]. 2017.
[59]	TANAKA K, NAGAKUBO K, ABE R. Blockchain-based electricity trading with digitalgrid router:IEEE International Conference on Consumer Electronics[C]. 2017.
[60]	祁兵, 夏琰, 李彬. 基于区块链激励机制的光伏交易机制设计[J]. 电力系统自动化, 2019,43(9):132-139.
[61]	CUTSEM O V, DAC D H, BOUDOU P, et al. Cooperative energy management of a community of smart-buildings:A Blockchain approach[J]. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 2019,117.
[62]	马天男, 彭丽霖, 杜英. 区块链技术下局域多微电网市场竞争博弈模型及求解算法[J]. 电力自动化设备, 2018,289(5):198-210.
[63]	王毅, 赵辉辉, 侯兴哲, 等. 基于合约订单的微电网分布式电能交易模型[J]. 电网技术, 2020,44(10):3900-3907.
[64]	平健, 陈思捷, 张宁. 基于智能合约的配电网去中心化交易机制[J]. 中国电机工程学报, 2017,37(13):3682-3690.
[65]	THOMAS L, LONG C, BURNAP P, et al. Automation of the supplier role in the GB power system using blockchain-based smart contracts[J]. CIRED-Open Access Proceedings Journal, 2017(1):2619-2623.
[66]	CHEN S, LIU C C. From demand response to transactive energy:state of the art[J]. Journal of Modern Power Systems & Clean Energy, 2017,5(1):1-10.
[67]	韩璇, 袁勇, 王飞跃. 区块链安全问题:研究现状与展望[J]. 自动化学报, 2019,45(1):206-225.
[68]	DECKER C, WATTENHOFER R. Information propagation in the bitcoin network:13th IEEE International Conference on Peer-to-Peer Computing (P2P)[C]. 2013.
[69]	梁斌. 从“比特币挖矿”看区块链技术的共识机制[J]. 中国金融电脑, 2016(9):42-43.
[70]	KING S, NADAL S. PPcoin:Peer-to-peer crypto-currency with proof-of-stake[J]. self-published paper, 2012,19.
[71]	刘明熹, 甘国华, 程郁琨. 区块链共识机制的发展现状与展望[J]. 运筹学学报, 2020,24(1):23-39.
[72]	张永, 李晓辉. 一种改进的区块链共识机制的研究与实现[J]. 电子设计工程, 2018,26(1):38-42.
[73]	HIROSE S, KUWAKADO H. Redactable signature scheme for tree-structured data based on merkle tree[C]// International Conference on Security and Cryptography (SECRYPT), 2015: 1-8.
[74]	KOKORIS-KOGIAS E, JOVANOVIC P, GASSER L, et al. OmniLedger:A secure,scale-out,decentralized ledger via sharding[C]// IEEE Symposium on Security & Privacy, 2018: 583-598.
[75]	邵奇峰, 金澈清, 张召. 区块链技术:架构及进展[J]. 计算机学报, 2018,41(5):969-988.
[76]	REN L. Proof of stake velocity:building the social currency of the digital age;self-published white paper;2014[EB/OL]. [2019-05-28]. https://www.reddcoin.com/papers/PoSV.pdf.
[77]	曹傧, 林亮, 李云. 区块链研究综述[J]. 重庆邮电大学学报(自然科学版), 2020,32(1):1-14.
[78]	JOSEPH P, THADDEUS D. The bitcoin lightning network:scalable off-chain [EB/OL]. [2019-05-30]. https://lightning.network/lightning-network-paper.
[79]	SHALINI S, SANTHI H. A survey on various attacks in bitcoin and cryptocurrency[C]// IEEE International Conference on Communication and Signal Processing (ICCSP), 2019: 0220-0224.
[80]	WU L, MENG K, XU S, et al. Democratic centralism:A hybrid blockchain architecture and its applications in energy internet: IEEE International Conference on Energy Internet[C]. 2017.

交易模式	阶段1	阶段2	阶段3
P2P 交易	提出购售电请求买卖双方交易匹配	信息传递至区块链	交易清算存储交易信息
集中出清	提出购售电请求	信息传递至区块链	买卖双方交易匹配交易清算存储交易信息

特性	POW	POS	DPOS	PBFT	RBFT
能耗	高	低	低	低	低
节点管理	公开	公开	公开	准入机制	准入机制
出块速度	速度慢,不能满足高频小额交易的需求	速度较快	达到秒级的共识验证	速度较慢,适用于私有链或联盟链	速度快,TPS≥104
数据吞吐量	低	高	高	高	高
安全性	较高,只能承受小于50%的算力攻击	较高,只能承受小于50%的股权攻击	较高,只能承受小于50%的验证攻击	较低,只能承受不大于1/3的节点作恶	较低,只能承受不大于1/3的节点作恶
是否有专业记账人	否	否	是	是	是
扩展性	好	好	好	差	差