第2章
電力市場交易結算智能合約
2.1 背景與現狀
2.1.1 目前電力市場交易結算的痛點
2016年2月，國家發改委、能源局和工信部共同釋出了《關于推進“網際網路+”智慧能源發展的指導意見》，試圖建立“一種網際網路與能源生産、傳輸、存儲、消費以及能源市場深度融合的能源産業發展新形态”，實作“裝置智能、多能協同、資訊對稱、供需分散、系統扁平、交易開放”。在電力體制改革的大背景下，國家電改配套檔案《關于推進售電側改革的實施意見》第四條“電網企業負責收費、結算，負責歸集交叉補貼，代收政府性基金，并按規定及時向有關發電公司和售電公司支付電費”；第八條“電網企業按照交易中心出具的結算依據，承擔市場主體的電費結算責任，保障交易電費資金安全”，明确了電網公司承擔電力市場結算職能。為适應電力體制改革，支撐及促進電力市場建設，電網公司需要建設高效便捷的市場電費結算系統，建立與之相适的業财結算業務處理規則與工作流程，為電力市場主體提供安全、快捷、高效的電費清分和資金結算服務，做好電費結算資訊的公示工作，進一步鞏固公司統一電費結算核心優勢。
然而，相比電改前的傳統電費結算，電改後的市場化結算在市場成員、交易合同和交易品種等方面對應用和系統提出了新的要求。成員增多、交易品種多樣化、合同規則複雜化，要求結算系統能靈活拓展，按照市場價結算；同時允許購、售電端自主協商、集中競價，導緻最終市場價格、電量都不統一，這些都對交易結算管理及風險防範提出了更高要求。目前電力市場交易結算的痛點主要有以下幾個。
1. 中心化資源配置設定機制，導緻交易成本較高
能源交易一般在交易所内進行統一規劃和管理，除了需要支付一定費用給第三方（如評級、信托和融資公司等機構）來保障交易安全外，中心資料庫的日常維護以及清算資訊在跨部門間的反複校對也需要一定成本，高昂的成本大大降低了能源交易效率。此外，在我國能源交易也可以在交易所場外（如中國天交所）雙方通過電話和計算機進行協商完成（即場外交易OTC），該交易方式靈活，不顯示數量和機關，但會承擔着信用風險和額外成本，做市商往往需要從其設定的買賣報價差中得到一定補償，同時，資訊不對稱也加大了市場失效的可能性，使交易的達成存在較大風險。
2. 資訊系統易遭受外部攻擊，資料安全存在隐患
從資訊安全的角度上來說，掌握市場的所有交易資訊的中心機構一方面容易受到内、外部攻擊，造成資料丢失或被篡改的可能性較高；另一方面，中心機構掌握了全局資訊，使用者隐私難以保障，且交易資訊的不對稱也使得損害參與者利益的情況時有發生。
3. 傳統集中式發電，運輸耗散大、系統容錯率低且靈活性小
傳統發電站都是集中式的大型發電站，電力通常經曆長距離運輸才能到達使用者，輸電配電過程中的能量損耗也非常大。電網一旦出現故障，影響将十分廣泛，且修複難度大、損失大。而分布式電力能源系統利用自然、地理、能源分布的特點在當地小規模發電、就地供電，靈活性極高，且能積極響應使用者需求，為偏遠地區“供電難”的難題提供了解決方案。分布式電力能源系統是可以滿足日常用電需求的小型電力能源與傳統電力系統高度融合的産物，是以分布式能源增強了傳統電網系統的可靠性并且為用電使用者提供了多種選擇。
4. 不同能源行業相對封閉，可再生能源的消納程度難以提升
在傳統能源系統中，不同能源行業相對封閉，互聯程度有限，同時不同能源系統也大都孤立規劃和運作，造成了能效不高和可再生能源的消納程度難以提升的困境。而能源網際網路将打破不同能源系統間的壁壘，同時大量接入風能、太陽能、潮汐能、地熱能、生物能等多種分布式可再生能源，利用包括新型發電技術和儲能技術等在内的多種先進技術，實作電、熱、冷、氣、油、交通等多個系統的互聯交彙，實作多能源綜合利用，形成開放互聯的綜合能源系統。但能源系統離不開頻繁的能源交易，而要在能源網際網路這樣龐大的系統中實作多方主體自動、可信、準确、平衡、實時交易，推動大範圍的資源動态平衡，滿足供需雙方快速、高效、安全的能源交易是一項巨大挑戰，為此期望出現一種新的模式，使得供需雙方能夠直接溝通并确定交易意向，然後借此進行靈活的能源交易，且無須中心機構介入。
2.1.2 區塊鍊在能源領域的應用現狀
目前，已經有多個國家将區塊鍊技術運用于能源系統（見圖2-1），其中電動汽車快充和共享充電樁是區塊鍊技術在能源方面應用最廣、操作性較強的領域。美國清潔能源技術公司Oxygen Initiative聯合德國能源公司Innogy SE加入“Share＆Charge”區塊鍊平台，司機可以在該平台上處理與清潔能源汽車相關的操作，包括允許司機共享他們的充電站、支付通行費和充電電動汽車。該平台依靠以太坊來營運，特别是以太坊所支援的智能合約和分布式賬本技術，進而實作計費的透明化及信任化。具體就是在區塊鍊上建立一個代币，并在該代币上配置設定以歐元計價的移動價值。“Share＆Charge”建立了一個分布式市場，颠覆了傳統的能源服務模式：來自合作夥伴的第三方服務是共享的，而無須詢問權限或使用煩瑣的應用程式程式設計接口。
另外，2016年，瑞士銀行、德國電力公司萊茵集團（RWE） 與汽車技術公司采埃孚（ZF）合作，為電動汽車創造區塊鍊電子錢包。如圖2-2所示，電動汽車車主的電力收費、停車收費，甚至高速公路收費在身份驗證和支付過程都能自動完成，不需要有第三方人工确認完成。RWE目前正在嘗試在無人駕駛電動汽車領域應用區塊鍊技術：使用者身份資訊得到認證，當車主不需用車時，将其租出，通過電子形式就車的使用達成協定，再将協定編碼成智能條約，用車完成後，自動向用車人收取費用，用車人會向車主支付費用。無人駕駛電動汽車共享服務的車主和使用者間的結算、交易資訊将同時更新，這将最大限度地降低交易成本，而這一切操作都沒有第三方參與。
在分布式智能電網領域，Tennet公司與電池供應商Sonnen合作，使用IBM的區塊鍊軟體營運歐洲第一個由區塊鍊控制的電力穩定計劃。可再生能源可能是清潔、環保的，但因為受氣候、天氣的影響，在需要的時候并不總是可用的。該項目的核心思想就是采取一種新方法來更好地整合分散的可再生能源并實作安全供應，以鼓勵公民積極參與能源轉型。具體步驟是Sonnen為房主提供電池，當他們不用電的時候可以在家裡儲存電力。在Sonnen Community上這些電池是聯網的，并連接配接到Tennet的傳輸系統，這樣電力配置設定器就可以在需要時利用附近的存儲電力，或者将多餘的能量轉移到電池中。這種方式讓家庭裝置真正成為電網基礎設施的一部分，而不僅僅是一個用電終端，進而節省輸電營運商用在網絡管理上的昂貴費用。
此外，還有歐洲能源聯盟推出的Scanergy項目，将NRGCoin作為可再生能源經濟的潤滑劑，旨在實作小使用者綠色能源的直接交易。如圖2-3所示，區塊鍊一方面将産消兩端直接對接，另一方面将這種市場上的新型交易規範化。系統每15分鐘監測一次網絡的生産消費狀态，并向能源供應者提供NRGCoin作為獎勵；當購電方期望購買綠色清潔能源時，需使用NRGCoin支付。由區塊鍊智能合約鎖定的NRGCoin不受外部政策和匯率波動的影響，消除了綠色能源生産者對市場政策變更的擔心，為消費者提供更加優惠的綠色能源。
與Tennet和Scanery項目應用場景類似的知名項目還有2015年美國能源公司LO3 Energ與區塊鍊公司Consensus合作的TransActive Grid。該項目将以太坊用于能源支付，其核心思想是分布式光伏的電壓等級比較低，電力經不起遠距離運輸消耗，隻能用于本地消納，基于本地的能源微網通過區塊鍊實作這樣點對點的使用者和發電者之間的電力交易。TransActive Grid項目就是采用點對點的方式，将布魯克林區的總統大道一側5個家庭的剩餘太陽能轉為發電，然後出售給對面5個家庭，通過智能儀表進行連接配接和資料共享，用建立代币表示一定電量，通過儀表内的錢包進行交易。這是一個區塊鍊網絡連接配接交易，不需要依賴第三方電力公司的參與，每個家庭既是電力消費者，同時也是電力生産者，這種微電網點對點交易的模式（見圖2-4）比傳統自上而下的電力配置設定系統更有效率，且節省開支。TransActive Grid項目經過PoC後，LO3于2017年推出了更新版的Grid+，其加入智能代理裝置幫助使用者做出購買電力的決策，并提供個性化的能源服務，大規模運用區塊鍊技術建立新的家庭能源供應商模式。
2.1.3 區塊鍊在清結算領域的應用現狀
在國外，區塊鍊技術已在清算結算領域嶄露頭角。2015年，美國證券交易巨頭聯手區塊鍊初創公司Chain.com正式上線了用于私有股權交易的Linq平台。Linq平台基于區塊鍊技術，将股權交易市場3天的标準結算時間直接縮短到10分鐘，幾乎就在交易完成的瞬間完成結算工作，同時讓結算風險降低了99%。2015年7月，Overstock建立了T0區塊鍊交易平台銷售首個加密債券，使得結算和交易發生在同一時間，這被稱為“交易即結算”。2015年年底，高盛以比特币區塊鍊為藍本，開發了通過加密貨币進行交易結算的系統SETLcoin，保證了幾乎瞬時的執行和結算。Ripple專注于跨境支付領域，基于區塊鍊開發的InterLedger協定項目在保持銀行等金融機構的各自不同的記賬系統的基礎上建立了一個全球分布式清算結算體系。2015年，金融領域代表性組織R3CEV 和巴克啥萊銀行、蒙特利爾銀行（BMO）、瑞信銀行、彙豐銀行等11 家銀行組成了金融科技創新公司來研究區塊鍊技術應用，目前已經有40多家世界著名的銀行成為R3 CEV的會員；此外，西班牙的Santander 銀行認為，到2022 年，區塊鍊技術幫助金融行業降低200 億美元的記賬成本，因為支付系統目前仍然是中心化的，貨币的轉移要通過中央銀行，當金融公司彼此有生意往來時，同步内部的賬簿是個耗時幾天的繁重任務，桎梏了資本并帶來了風險。
在國内，區塊鍊的應用開發實踐在以金融科技為代表的領域逐漸展開，金融企業、網際網路企業、IT企業和制造企業積極投入區塊鍊技術研發和應用推廣，發展勢頭迅猛。區塊鍊的應用已延伸到物聯網、智能制造、供應鍊管理、數字資産交易等多個領域。2016年國務院印發《“十三五”國家資訊化規劃》，區塊鍊與量子通信、類腦計算、虛拟現實等被并列為新技術基礎研發和前沿布局。2016年工信部釋出《中國區塊鍊技術和應用發展白皮書》，為各級産業主管部門、從業機構提供指導和參考。2017年年初，中國人民銀行推動的基于區塊鍊的數字票據交易平台已測試成功，央行旗下的數字貨币研究所也正式挂牌。區塊鍊技術的意義在于它将成為網際網路金融的基礎設施。如果說 TCP/IP 建立了機器之間資料傳輸的可達、可信和可靠，那麼區塊鍊技術則首次在機器之間建立了“信任”。網際網路被區塊鍊劃分出一個“信任”的連接配接層，可以記載、驗證和轉移經濟價值。
本章針對未來“放開兩端”的電力交易市場多主體、多模式、多規則的特點，開展基于區塊鍊技術的分布式賬本、共識機制、可信智能電表及購售電智能合約的研究。利用區塊鍊技術建構的分布式賬本，對電力市場的前端交易、營銷資料實作分布式的記賬存儲，将交易中心提供的結算依據資料、營銷部門提供的使用者用電資料儲存在區塊鍊共享賬本上，進而打通從支付計劃、記賬、付款、結算、清分到核算、纰漏、分析、預測的各個财務業務處理環節，實作購電費、售電公司服務費的安全、高效結算，提高财務資料的透明度和可審計性；利用區塊鍊自動共享、不可篡改的記錄保管方式，簡化資料記錄、存儲環節，規避因人為操作造成的錯誤；通過智能合約将清算業務結構化，減少清算過程中的摩擦，同時實作“交易即結算”，提高清算、結算的效率。
2.2 區塊鍊與電力交易結算的比對度分析
從電改9号文《關于進一步深化電力體制改革的若幹意見》相關内容以及國外的改革經驗來看，市場的開放不可能一步到位，必然要經過一個過渡期才會進入全面推廣期。是以，未來電力交易市場化改革将是一個逐漸推進的過程，很長一段時間内會存在多種業務模式并存的局面，包含輸配售一體、輸配一體售電分開、輸配分離等模式，如圖2-5所示。
輸配售一體的業務模式相對傳統；輸配一體售電分開模式中，允許電源與售電公司協商定價，結算主體為電網公司，需要根據市場使用者的銷售收入和電源結算購電費，與售電公司結算服務費，與政府結算政府基金，與管制使用者結算交叉補貼等；輸配分離模式的結算主體為配售電公司，通過與市場使用者協商定價結算銷售收入，通過與電源協商定價結算購電費，與電網公司結算輸配電服務費，與政府結算政府基金等。由此可見，市場化結算模式在市場成員、交易合同和交易品種等方面對應用和系統提了新的要求：市場成員增多、交易品種逐漸發展，要求結算系統能夠靈活拓展，要能根據電能計量系統提供的有效電能資料，以及現貨交易和實時交易中的電價資料、運作考核系統中記錄的考核資料、交易合同中簽訂的相關資料（包括電價、電量、計量點等）及電力市場運作相關規則進行電能量結算和電費結算。
區塊鍊共享、可信、可追溯的特點，使其在清、結算等領域具備顯著的優勢。運作在區塊鍊上的智能合約能将合同規則代碼化，并構造一個去中心化的可信履約環境。區塊鍊與電力市場交易結算的比對度分析如下：
（1）區塊鍊的去中心化可以增強能源市場交易的信任機制，降低交易成本、提高市場有效性。區塊鍊中每一個節點都備份了系統中的全部資料，交易記錄無法被篡改、公開監督，保證了交易系統的安全可靠，降低了信任成本。産消者通過簽署智能合約達成電力交易意向，在條件達成後強制自動執行，保障了合約的執行力與可靠性，有利于交易市場的公平可靠。
（2）區塊鍊能為能源輔助服務提供開放式記賬平台，為結算與認定提供便利。采用基于區塊鍊的排程系統能夠實時共享電力系統各節點的電力供需資訊以及實時價格，各機組根據區塊鍊的共享資訊自主确定發電量，能夠實作生态化的排程運作。區塊鍊能夠為電力輔助服務提供開放公平的記賬與交易平台，完成自動能源精準計量與按需結算。
（3）區塊鍊利用分布式網絡優化使用者的電能資源配置，能為使用者提供定制化的能源服務。随着區塊鍊售電市場逐漸建立，使用者從接受電網單一壟斷價格變為自主選擇售電公司供電，另外使用者還可以調節自身用電量，參與到不同的能源市場。區塊鍊分布式儲能能夠自行決定不同時段提供多少服務，實作儲能的自排程，促進分布式能源的協同工作。
（4）利用區塊鍊的智能合約，能将原有的煩瑣、耗時長、業務手續繁雜的清算用計算機代碼的方式儲存在區塊鍊上，進而實作了自動觸發執行，使得結算過程變得簡單、結構化，能減少清算過程中的摩擦；同時将原有的電子表格存儲方式以及手動記錄的操作方式變為分布式、不對稱加密的賬本，通過自動共享不可篡改的交易記錄提高透明度和可審計性。
區塊鍊技術為現有的電力交易結算系統帶來的改變如圖2-6所示。
2.3 電力市場交易結算區塊鍊的方案設計
由圖2-7所示可知，未來的電力市場包括電廠、售電公司、電網、使用者、交易中心等交易主體，在區塊鍊上這些交易主體之間可以自由地定制交易智能合約，在合約中寫入購售電交易的清算、結算規則；利用會員制身份管理判斷交易雙方的市場身份，并比對對應的智能合約；使用者通過區塊鍊平台自定義智能合約，實作高效率的電費清算、結算。
如圖2-7所示，将購售電交易費用結算模型用計算機代碼表示為智能合約，并事先寫入到區塊鍊的分布式網絡體系中；當合約中的某一事項發生時，智能合約就會被觸發并自動執行相應的合約條款；會員制服務負責管理網絡上的身份識别、隐私與機密。在合約發生前，會員制身份管理首先識别交易雙方的市場身份，并比對對應的智能合約；同時，會員機制也保證未授權的第三方不能獲悉有關身份、交易模式、交易内容等機密資訊。
2.3.1 以電網為結算主體的電力市場私有鍊
由于電能并不是一個普通的數字化商品，發電、輸電、用電過程需要在平衡供需關系的前提下由電網統一調配。是以在電網的智能化水準尚未達到一定程度之前，區塊鍊在電力市場中的應用不可能做到完全的去中心化。未來随着電網智能化水準的不斷提升，以使用者為代表的市場主體去中心化訴求逐漸凸顯，區塊鍊的去中心化程度才會逐漸提高。是以筆者認為，在輸配售一體、輸配一體售電分開兩種業務模式下，區塊鍊應用于電力市場首先是電網财務部門内的私有鍊，然後逐漸向各市場主體滲透形成聯盟鍊，最終形成分布于各用電終端的公有鍊。
在私有鍊階段，應用區塊鍊可在前端交易、營銷資料實作分布式的記賬存儲，打通财務業務處理各個環節，實作透明、高效、高審計性的電費清結算。如圖2-8所示，将交易中心提供的結算依據資料儲存在購電費結算區塊鍊，營銷部門提供的使用者用電資料儲存在售電公司服務費結算區塊鍊，它們之間通過側鍊技術[10]錨定，進而打通财務業務處理的計劃、記賬、結算、清分、支付、審計、披露、預測等各個環節，提高财務資料的透明度和可審計性；利用區塊鍊自動共享、不可篡改的記錄保管方式，簡化資料記錄、存儲環節，規避因人為操作造成的錯誤；通過智能合約将清算業務結構化，減少清算過程中的摩擦，同時實作清算即結算，提高清算、結算的效率。
2.3.2 以電網為結算主體的電力市場聯盟鍊
随着市場對區塊鍊的接受程度和對區塊鍊價值的認可程度的提高，區塊鍊逐漸向電力市場的各個主體滲透，形成電力市場聯盟鍊。如圖2-9所示，區塊鍊以分布式點對點對等網的方式将電力市場的交易主體（電廠、售電公司、電網、使用者）連接配接起來；用數字化編碼将清算結算規則寫入區塊鍊，交易雙方可在區塊鍊平台的基礎上自定義智能合約；從達成合約協定開始，合約中約定的條件事項的發生将自動觸發合約的執行程式；點對點對等網上大部分都是輕量級節點，儲存與合約相關的交易哈希以及簡要支付驗證所必需的時間戳鄰近的交易資料。這樣做的好處是保留賬本存儲容量，提高處理性能；全節點類似于一個中心化的資料庫，它儲存從第一個區塊開始的所有結構化的合約基礎資料與交易資料，同時通過Hash映射保護使用者隐私與交易的機密資訊，保證了資料的不可篡改性。需要注意的是，這樣的設計保留了中心化資料庫，并沒有做到完全的去中心化，但帶來的好處有兩個：提高鍊上的共識效率；便于進行查詢、統計、審計等中心化操作。
2.3.3 售電平台上的零售智能合約
在新電改配售分離模式下，以配售電公司為電費結算主體的電力交易将更加靈活、自由。在圖2-5中提到的輸配分離結算業務模式中，配售電公司通過客戶負荷預測制定售電計劃，與發電企業、電網公司簽訂三方購電合同。由于現貨交易、實時交易的存在，很多情況下難以以紙質形式簽約，而多以電子合同存在。然而，電子合同的法律效應、公信力的缺失容易引起分歧。區塊鍊上的智能合約以代碼方式撰寫、執行，一旦簽約必然履行，且區塊鍊的可溯源、不可篡改性可以避免合約紛争，是配售電公司購電合同的一個良好解決方案。
圖2-10所示給出了一個配售電一體化售電公司的零售智能合約運作過程。在售電側，配售電公司在區塊鍊售電平台上釋出零售智能合約，電力使用者與售電公司在區塊鍊上簽署智能合約，明确電量、協定電價、違約責任等要素。建立在區塊鍊基礎上的智能電表直接把電量記錄在分布式賬本上，自動抄表，自動計量，自動計費，自動履行智能合約，便于市場交換。區塊鍊可以使零售電合同透明化、去信度化，幫助配售電公司提升售電平台的公信力，提升智能電表抄表的公信力；同時，由于售電平台是由售電公司自己搭建和管理的，落地的可能性很大。