路 堯，胡 健，張曉杰，焦提操，于 娣，王云鵬，劉尚奇

（1. 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255000；2. 山東理工大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，山東 淄博 255000）

0 引言

隨著電力系統(tǒng)向低碳化、清潔化轉(zhuǎn)型，清潔可再生能源供電比例逐步提高，風(fēng)能、太陽能等分布式能源大量并網(wǎng)［1-3］。分布式能源具有規(guī)模小、分布分散、靠近分布式負(fù)荷等特點(diǎn)，比較適合通過一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)P2P（Peer to Peer）式的、社區(qū)化的零售市場(chǎng)，與分布式用戶進(jìn)行電力交易。P2P 電力交易具有自發(fā)進(jìn)行、交易自治等特征，對(duì)交易可信性、公平性、公正性有較高的要求，而分布式能源的隨機(jī)性可能導(dǎo)致交易執(zhí)行的不確定性［4-6］。近年來隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，區(qū)塊鏈技術(shù)在分布式能源交易領(lǐng)域的應(yīng)用受到關(guān)注［7］。文獻(xiàn)［8-9］提出了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式能源交易總體框架，提升了分布式能源的利用水平和經(jīng)濟(jì)收益。區(qū)塊鏈技術(shù)可分為公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈技術(shù)。文獻(xiàn)［10］歸納了不同技術(shù)類型的區(qū)塊鏈對(duì)電網(wǎng)的適應(yīng)性，指出聯(lián)盟鏈技術(shù)的部分去中心化特征更符合我國分布式電力交易的實(shí)際情況。

基于區(qū)塊鏈技術(shù)建立的交易平臺(tái)，為各類小型的分布式源、荷參與電力市場(chǎng)提供了可能，且可通過收益的提高對(duì)鏈上節(jié)點(diǎn)維護(hù)交易平臺(tái)運(yùn)行產(chǎn)生正向激勵(lì)作用。文獻(xiàn)［11］在電力交易區(qū)塊鏈中建立了基于博弈論的交易定價(jià)模型，提高了賣家的利潤，增強(qiáng)了產(chǎn)消者在區(qū)塊鏈交易平臺(tái)中的交易的積極性；文獻(xiàn)［12］提出了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電力交易機(jī)制來模擬小型社區(qū)的P2P 電力交易，顯著提高了用戶收益，激勵(lì)用戶參與社區(qū)型電力交易。文獻(xiàn)［13］基于區(qū)塊鏈技術(shù)改進(jìn)了用戶用電效用模型并構(gòu)建了供需雙方主從博弈模型，實(shí)現(xiàn)了有效的電力平衡，增加了供需兩側(cè)的福利，提高了可再生能源的利用率。

信用管理機(jī)制是基于區(qū)塊鏈的電力交易平臺(tái)和交易模型設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。如何準(zhǔn)確評(píng)價(jià)電力交易各方的信用水平，有效激勵(lì)各方提高對(duì)合約的主動(dòng)履約度，是信用管理機(jī)制設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。目前，電力市場(chǎng)信用管理還不夠完善，信用評(píng)級(jí)存在市場(chǎng)成員履約意識(shí)淡薄、寡頭壟斷、缺乏合理機(jī)制等問題［14］。文獻(xiàn)［15］提出基于直覺模糊分析的信用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，提高了電力零售企業(yè)抗風(fēng)險(xiǎn)能力。文獻(xiàn)［16-17］提出了基于風(fēng)能發(fā)電場(chǎng)景下的信用評(píng)估模型，在提升電力系統(tǒng)可靠性的同時(shí)，保證了一定的經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)［18］提出應(yīng)建立以保障金支撐的信用體系。文獻(xiàn)［19］結(jié)合對(duì)廣東電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的分析，提出了現(xiàn)貨市場(chǎng)的信用風(fēng)險(xiǎn)管理機(jī)制。這些信用管理機(jī)制主要是以激勵(lì)為主，但都依托于第三方進(jìn)行信用評(píng)級(jí)。如何在交易體系內(nèi)部，基于交易數(shù)據(jù)建立信用激勵(lì)機(jī)制，促使成員主動(dòng)減少違約行為，維護(hù)自身的信用，是值得深入研究的問題。目前，國內(nèi)學(xué)者提出依托區(qū)塊鏈技術(shù)制定合理的信用評(píng)價(jià)體系［20］，通過區(qū)塊鏈技術(shù)的共識(shí)機(jī)制建立信用管理模型［21-22］。但上述方法對(duì)于參與區(qū)塊鏈交易用戶的信用激勵(lì)作用體現(xiàn)較少。因此，可以將區(qū)塊鏈作為技術(shù)基礎(chǔ)，建立合理的信用評(píng)價(jià)體系與激勵(lì)懲罰機(jī)制。

綜上所述，本文針對(duì)分布式電力交易平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)和交易流程，基于聯(lián)盟鏈技術(shù)，提出一種委托權(quán)威證明DPoA（Delegated Proof of Authority）共識(shí)機(jī)制，并利用該機(jī)制建立分布式電力交易區(qū)塊鏈的節(jié)點(diǎn)信用評(píng)價(jià)體系與激勵(lì)機(jī)制。

1 分布式電力交易平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 分布式電力交易平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

基于信用的分布式電力交易平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)見附錄A 圖A1，其主要分為基礎(chǔ)層、應(yīng)用數(shù)據(jù)層、應(yīng)用支撐層、區(qū)塊鏈層、應(yīng)用管理層和展現(xiàn)層。

1）基礎(chǔ)層主要包括網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)設(shè)備、安全設(shè)備，保證了系統(tǒng)的良好運(yùn)行。

2）應(yīng)用數(shù)據(jù)層存放了系統(tǒng)中的各種數(shù)據(jù)，包括用戶信息、交易信息、交易模型、信用模型等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)備份、共享數(shù)據(jù)等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

3）應(yīng)用支撐層是整體架構(gòu)運(yùn)行的保障，采用以太坊支撐平臺(tái)運(yùn)行。

4）區(qū)塊鏈層是整體架構(gòu)的核心內(nèi)容，包括網(wǎng)絡(luò)層、合約層和共識(shí)層。其中，網(wǎng)絡(luò)層與系統(tǒng)的基礎(chǔ)層統(tǒng)一，將區(qū)塊鏈中所用的P2P 技術(shù)建設(shè)統(tǒng)一在基礎(chǔ)層中。

5）應(yīng)用管理層整合相關(guān)系統(tǒng)應(yīng)用，主要包括交易管理、賬戶注冊(cè)、信用審查、信用計(jì)算、信用評(píng)估等功能。

6）展現(xiàn)層實(shí)現(xiàn)整個(gè)平臺(tái)功能的對(duì)外展示。

1.2 分布式電力交易流程

1）注冊(cè)賬戶。

發(fā)、用雙方成員加入?yún)^(qū)塊鏈、參加電能交易時(shí)需注冊(cè)賬戶，成為交易平臺(tái)用戶。用戶在區(qū)塊鏈中稱為節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)在參與區(qū)塊鏈交易時(shí)需要被賦予賬戶信息。賬戶信息Xj包含節(jié)點(diǎn)的基本地址信息、賬戶余額信息、交易信息和信用信息，如式（1）所示。

2）發(fā)布交易信息。

注冊(cè)成功的節(jié)點(diǎn)可在系統(tǒng)中向全體節(jié)點(diǎn)廣播自身的交易信息。用電側(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)布自身的需求信息，包括用電規(guī)劃、用電量、用電時(shí)間等；發(fā)電側(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)布自身的供電信息，包括發(fā)電規(guī)劃、發(fā)電價(jià)格以及發(fā)電量等。雙方根據(jù)自身的需要在區(qū)塊鏈中找到合適的交易方，在雙方商定好交易的價(jià)格、時(shí)間和交易量等交易細(xì)節(jié)后，任何一方都可以發(fā)起交易申請(qǐng)。

3）生成智能合約。

交易雙方商定好交易細(xì)節(jié)并發(fā)起交易后，生成交易清單，包括交易發(fā)起者、交易雙方的基本信息、交易時(shí)間、交易電量、交易價(jià)格等信息。交易清單通過審核后，交易雙方將交易清單的內(nèi)容生成智能合約提交電力交易中心存儲(chǔ)，并支付給電力交易中心相應(yīng)的手續(xù)費(fèi)。

4）物理交易及信用計(jì)算。

生成智能合約后，交易節(jié)點(diǎn)將從電力交易中心同步審核信息，等待交易雙方同時(shí)確認(rèn)審核信息后，交易開始。交易雙方按照智能合約協(xié)定的交易時(shí)間、交易電量，通過配電網(wǎng)進(jìn)行電能傳輸，在達(dá)到智能合約協(xié)定的交易時(shí)間后停止電能傳輸。電力交易中心通過智能電表讀取雙方實(shí)際交易電量，根據(jù)輸電情況向雙方收取過網(wǎng)費(fèi)。承擔(dān)驗(yàn)證任務(wù)的節(jié)點(diǎn)對(duì)本次交易中實(shí)際交易電量與智能合約中協(xié)定電量進(jìn)行驗(yàn)證，將驗(yàn)證后的信息提交至電力交易中心。電力交易中心根據(jù)交易雙方的違約情況，更新雙方的信用信息。

5）交易金與懲罰金的計(jì)算與交割。

在完成電能傳輸和節(jié)點(diǎn)信用計(jì)算后，應(yīng)按合同協(xié)定的電量與電價(jià)計(jì)算交易金并完成最后的交割。如果出現(xiàn)違約情況，則違約方需要賠付懲罰金。由于電網(wǎng)的安全和交易平臺(tái)的運(yùn)行需要參與區(qū)塊鏈的全部節(jié)點(diǎn)共同維護(hù)，因此懲罰金由被違約節(jié)點(diǎn)與鏈上其余節(jié)點(diǎn)按照一定比例共同獲得。如果交易中一方出現(xiàn)違約行為，則違約方賠付的懲罰金由電力交易中心按規(guī)定比例分配給被違約節(jié)點(diǎn)和鏈上其余節(jié)點(diǎn)；如果雙方均出現(xiàn)違約行為，則懲罰金由電力交易中心按規(guī)定比例分配給除違約節(jié)點(diǎn)以外的鏈上節(jié)點(diǎn)。

以區(qū)塊鏈為技術(shù)支撐的交易模型，交易數(shù)據(jù)在區(qū)塊鏈中存儲(chǔ)不可篡改，在保障交易公開透明的前提下，又能保障交易的隱私。區(qū)塊鏈會(huì)自動(dòng)生成智能合約內(nèi)容，且不受其他因素干擾。提高節(jié)點(diǎn)信用水平，是以信用為核心的分布式電力交易平臺(tái)健康運(yùn)行的關(guān)鍵。因此，為了減少節(jié)點(diǎn)違約行為，提高節(jié)點(diǎn)在實(shí)時(shí)電力市場(chǎng)交易中的履約度和合理性，應(yīng)設(shè)計(jì)合理的信用評(píng)估體系和激勵(lì)機(jī)制。

2 基于DPoA共識(shí)機(jī)制的節(jié)點(diǎn)信用管理

2.1 聯(lián)盟鏈與共識(shí)機(jī)制

區(qū)塊鏈分為公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈。公有鏈為完全去中心化的區(qū)塊鏈，任何人都可以參與其中，對(duì)于加入的成員沒有要求。私有鏈不具有去中心化的特點(diǎn)，所有參與者必須服從中心節(jié)點(diǎn)調(diào)度。聯(lián)盟鏈?zhǔn)遣糠秩ブ行幕膮^(qū)塊鏈，需要預(yù)先選出多個(gè)節(jié)點(diǎn)為記賬人，其他參與人只參與交易而不參與記賬。在電力市場(chǎng)交易中，交易主體是全體電力用戶而不是單獨(dú)的實(shí)體或個(gè)人，而私有鏈通常僅對(duì)單獨(dú)的實(shí)體或個(gè)人開放，因此，私有鏈不適用于電力市場(chǎng)交易。同時(shí)，我國電力市場(chǎng)建設(shè)不適合采取完全脫離電力交易中心的模式，故公有鏈也不適用于電力市場(chǎng)交易。聯(lián)盟鏈可以完成不同節(jié)點(diǎn)之間的交易，且聯(lián)盟鏈部分去中心化的特征更適合我國電力改革的現(xiàn)狀。因此，可選用聯(lián)盟鏈為基于區(qū)塊鏈的分布式電力交易平臺(tái)的技術(shù)內(nèi)核。

在聯(lián)盟鏈技術(shù)中，共識(shí)機(jī)制是指所有鏈上節(jié)點(diǎn)參與區(qū)塊鏈應(yīng)遵循的交易規(guī)則?，F(xiàn)有的共識(shí)機(jī)制有工作量證明PoW（Proof of Work）、權(quán)益證明PoS（Proof of Stake）、權(quán)威證明PoA（Proof of Authority）等。PoW 共識(shí)機(jī)制通過工作量來獲得記賬權(quán)利。由于分布式交易中可能存在節(jié)點(diǎn)不活躍的情況，因此惡意節(jié)點(diǎn)很可能通過購買算力來攻擊區(qū)塊鏈，安全性較低。PoS 共識(shí)機(jī)制通過節(jié)點(diǎn)權(quán)益獲得記賬權(quán)利。相比于PoW 共識(shí)機(jī)制節(jié)省了部分算力，但仍然是一個(gè)開放性的共識(shí)機(jī)制，安全性較差。PoW 和PoS 共識(shí)機(jī)制的去中心化程度較高，在應(yīng)用于電力交易時(shí)，更適合以公有鏈為核心的交易模型，而PoA共識(shí)機(jī)制更適用于聯(lián)盟鏈。PoA 共識(shí)機(jī)制是一種優(yōu)先選出權(quán)威代表驗(yàn)證交易的共識(shí)機(jī)制，具有部分去中心化的特點(diǎn)，與聯(lián)盟鏈技術(shù)特點(diǎn)和我國電力市場(chǎng)改革方向相符。但在PoA 共識(shí)機(jī)制中權(quán)威節(jié)點(diǎn)的作用過大，其不僅可以確定節(jié)點(diǎn)是否能夠參與區(qū)塊鏈系統(tǒng)，且節(jié)點(diǎn)交易全部由權(quán)威節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證。因此，為了保障聯(lián)盟鏈交易的公平性，釋放權(quán)威節(jié)點(diǎn)算力，提高聯(lián)盟鏈效率，本文提出一種DPoA共識(shí)機(jī)制。

2.2 DPoA共識(shí)機(jī)制

DPoA 共識(shí)機(jī)制具有部分去中心化的特點(diǎn)，其基本原理圖如附錄A 圖A2所示。在構(gòu)建聯(lián)盟鏈時(shí)，首先選定中心節(jié)點(diǎn)作為初始節(jié)點(diǎn)。中心節(jié)點(diǎn)通常由電力交易中心承擔(dān)，負(fù)責(zé)創(chuàng)建、廣播、管理區(qū)塊，接收上鏈用戶。聯(lián)盟鏈啟動(dòng)時(shí)，由中心節(jié)點(diǎn)選擇和廣播獲得驗(yàn)證資格的節(jié)點(diǎn)，承擔(dān)區(qū)塊鏈交易的驗(yàn)證工作。在交易開始前，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)對(duì)交易信息進(jìn)行投票驗(yàn)證，最后一個(gè)驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)將投票信息打包后提交至中心節(jié)點(diǎn)，由中心節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)投票情況，審核交易信息。在交易完成后，仍然由驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)驗(yàn)證交易完成情況，并提交至中心節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)交易信息，其余的節(jié)點(diǎn)從中心節(jié)點(diǎn)處同步數(shù)據(jù)。中心節(jié)點(diǎn)根據(jù)驗(yàn)證情況更新節(jié)點(diǎn)信用等信息，交易節(jié)點(diǎn)根據(jù)電力交易中心提供的交易密鑰更新自身的信用等信息。

DPoA 共識(shí)機(jī)制保留了PoA 共識(shí)機(jī)制［23］高效性的優(yōu)點(diǎn)，用戶只需通過身份驗(yàn)證就可以獲取節(jié)點(diǎn)地址上鏈工作。相比于其他共識(shí)機(jī)制，DPoA 共識(shí)機(jī)制工作效率較高，可以滿足電網(wǎng)實(shí)時(shí)交易的需要。DPoA 共識(shí)機(jī)制既保留了電力交易中心對(duì)區(qū)塊鏈交易系統(tǒng)的控制力，與聯(lián)盟鏈相適應(yīng)，又使交易環(huán)節(jié)由節(jié)點(diǎn)自發(fā)進(jìn)行，并將驗(yàn)證權(quán)交付于普通節(jié)點(diǎn)，保證了交易的公平性和自治性。驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)由信用達(dá)標(biāo)的普通節(jié)點(diǎn)承擔(dān)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)信用值達(dá)標(biāo)后，根據(jù)節(jié)點(diǎn)曾經(jīng)正確驗(yàn)證的記錄，按一定比例從整體節(jié)點(diǎn)中加權(quán)隨機(jī)選取一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)承擔(dān)驗(yàn)證工作。節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證工作質(zhì)量越高，繼續(xù)擔(dān)任驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的概率越大。為了保證節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證工作的客觀性和可靠性，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)數(shù)量不宜過少；為了保證交易的時(shí)效性，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的數(shù)量也不宜過多。因此，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)可取全部節(jié)點(diǎn)數(shù)量的10%～20%。驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)可通過參與驗(yàn)證工作獲益，激勵(lì)節(jié)點(diǎn)在保證自身信用的同時(shí)提升驗(yàn)證工作效率。由此可見，信用是節(jié)點(diǎn)參與驗(yàn)證工作和保障自身權(quán)益的基礎(chǔ)。

2.3 基于DPoA共識(shí)機(jī)制的信用評(píng)價(jià)

在DPoA 共識(shí)機(jī)制中，信用是保障節(jié)點(diǎn)權(quán)益的關(guān)鍵因素?；诼?lián)盟鏈的分布式電力交易，節(jié)點(diǎn)可能在以下2 種場(chǎng)景中出現(xiàn)失信行為：當(dāng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電力交易時(shí)，達(dá)到物理傳輸?shù)囊?guī)定時(shí)間后，沒有實(shí)現(xiàn)合約規(guī)定的發(fā)（用）電量；當(dāng)節(jié)點(diǎn)參與交易驗(yàn)證時(shí)，對(duì)不合理的交易行為進(jìn)行驗(yàn)證投票或錯(cuò)誤驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)履約情況。下面分別對(duì)這2 種場(chǎng)景下的失信行為進(jìn)行信用評(píng)價(jià)。

1）交易節(jié)點(diǎn)履約信用評(píng)價(jià)。

履約信用是指交易雙方在進(jìn)行電能交易時(shí)所產(chǎn)生的信用。作為發(fā)電側(cè)節(jié)點(diǎn)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未按照智能合約中所規(guī)定的電量完成發(fā)電，導(dǎo)致用電側(cè)節(jié)點(diǎn)需要從電網(wǎng)購買電量，以填補(bǔ)發(fā)電側(cè)節(jié)點(diǎn)違約電量的空缺，從而導(dǎo)致用電側(cè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生損失。作為用電側(cè)節(jié)點(diǎn)，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，未按照智能合約規(guī)定的用電量購入電量，導(dǎo)致發(fā)電側(cè)節(jié)點(diǎn)需要將剩余電量出售給電網(wǎng)或其他電力節(jié)點(diǎn)，從而導(dǎo)致發(fā)電側(cè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生損失。

式中：Ui為節(jié)點(diǎn)在第i次違約交易中的信用扣除值。式（3）采用斐波那契數(shù)列，即：當(dāng)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生第1 次和第2 次違約行為時(shí)，扣除1 分信用分；違約次數(shù)i＞2時(shí)，扣除的信用值為第i-1 和第i-2 次信用扣除值之和，具體情況如表1所示。節(jié)點(diǎn)在第z次交易中如果出現(xiàn)交易違約的情況，其信用扣除值Uz根據(jù)違約次數(shù)確定，否則信用扣除值為0，如式（4）所示。

表1 違約行為信用扣除情況Table 1 Credit deduction for breach of contract

式中：Qtreaty為智能合約中雙方協(xié)定的交易量；Qdeal為節(jié)點(diǎn)的實(shí)際交易電量。

對(duì)于參與交易的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)履約信用值如式（5）所示。

2）驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)獎(jiǎng)勵(lì)信用評(píng)價(jià)。

驗(yàn)證獎(jiǎng)勵(lì)信用是指參與驗(yàn)證的節(jié)點(diǎn)合規(guī)完成驗(yàn)證工作時(shí)產(chǎn)生的信用。擔(dān)任驗(yàn)證工作的節(jié)點(diǎn)可能存在一定的違規(guī)驗(yàn)證行為，即對(duì)不合理的交易行為進(jìn)行驗(yàn)證投票或錯(cuò)誤驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)履約情況。為了減少違規(guī)驗(yàn)證行為，將驗(yàn)證工作與懲罰電價(jià)掛鉤，激勵(lì)節(jié)點(diǎn)完成驗(yàn)證工作。利用Sigmoid 函數(shù)改進(jìn)后的驗(yàn)證獎(jiǎng)勵(lì)信用值如式（6）所示。

式中：n為驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)j連續(xù)成功驗(yàn)證的次數(shù)；k1為控制系數(shù)，其值越大，驗(yàn)證獎(jiǎng)勵(lì)信用值越大，信用懲罰電價(jià)會(huì)越低，如附錄A 圖A3 所示。由圖可以看出，當(dāng)節(jié)點(diǎn)連續(xù)成功驗(yàn)證時(shí)，系統(tǒng)會(huì)予以一定的信用獎(jiǎng)勵(lì)，驗(yàn)證獎(jiǎng)勵(lì)信用隨連續(xù)成功驗(yàn)證次數(shù)的增加而增大。當(dāng)節(jié)點(diǎn)連續(xù)成功驗(yàn)證次數(shù)超過一定次數(shù)時(shí)，驗(yàn)證獎(jiǎng)勵(lì)信用收斂于某值，收斂值與控制系數(shù)k1相關(guān)。由此可見，采用這種信用獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)，既可以促進(jìn)驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)積極合規(guī)完成驗(yàn)證工作，又可通過合理設(shè)置k1，防止發(fā)生雖然節(jié)點(diǎn)履約信用差，但因擔(dān)任驗(yàn)證工作而導(dǎo)致懲罰金很低的情況。

3 基于違約懲罰的信用激勵(lì)機(jī)制

3.1 信用激勵(lì)機(jī)制流程

基于違約懲罰的信用激勵(lì)機(jī)制流程圖見附錄A圖A4，具體步驟如下。

1）系統(tǒng)運(yùn)行后，承擔(dān)驗(yàn)證工作的節(jié)點(diǎn)會(huì)驗(yàn)證交易節(jié)點(diǎn)提交的交易信息。當(dāng)交易信息驗(yàn)證通過后，雙方交易開始，電力交易中心負(fù)責(zé)電能的物理傳輸。

2）在達(dá)到交易協(xié)定時(shí)間后，由驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證本次交易雙方是否出現(xiàn)違約行為。

3）定義D為節(jié)點(diǎn)連續(xù)未違約次數(shù)，初始值設(shè)為0。為激勵(lì)節(jié)點(diǎn)連續(xù)履約，設(shè)置一個(gè)履約補(bǔ)償控制因子c。當(dāng)節(jié)點(diǎn)連續(xù)未違約次數(shù)D＞c時(shí)，可對(duì)節(jié)點(diǎn)履約信用值進(jìn)行補(bǔ)償。為了保證違約懲罰的效力，履約補(bǔ)償控制因子c不宜過小；同時(shí)，為激勵(lì)節(jié)點(diǎn)連續(xù)履約，c也不宜過大。所以，本文將履約補(bǔ)償控制因子c取為10。

（1）如果節(jié)點(diǎn)未出現(xiàn)違約行為，則D值加1。若此時(shí)D＞c且節(jié)點(diǎn)履約信用值小于100，則將節(jié)點(diǎn)履約信用值加1，D清零，然后按照合約完成交易。若D＞c且節(jié)點(diǎn)履約信用值大于100 或D＜c，則直接按合約完成交易。

（2）如果節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)違約行為，則調(diào)用節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的履約信用值。若節(jié)點(diǎn)履約信用值為100，則按規(guī)定扣除相應(yīng)的信用值，D清零，本次交易按照合約進(jìn)行交割，不予懲罰。若節(jié)點(diǎn)履約信用值小于100，則根據(jù)D執(zhí)行相應(yīng)懲罰電價(jià)和懲罰金后，D清零。此時(shí)，若D＞c，即連續(xù)c次交易時(shí)段內(nèi)均正常履約，為激勵(lì)節(jié)點(diǎn)的連續(xù)履約，節(jié)點(diǎn)履約信用值增加1，并將違約次數(shù)i置1 后按規(guī)定方式計(jì)算懲罰電價(jià)；若D＜c，則按規(guī)定方式計(jì)算懲罰電價(jià)。

4）計(jì)算完成后將懲罰金提交至電力交易中心，由電力交易中心根據(jù)規(guī)定比例完成懲罰金的分配。最后，交易雙方按合約電價(jià)和電量進(jìn)行交割。

3.2 節(jié)點(diǎn)信用值對(duì)懲罰電價(jià)的影響

1）懲罰電價(jià)的計(jì)算。

智能合約電價(jià)是交易雙方經(jīng)過協(xié)商敲定，并提交區(qū)塊鏈經(jīng)過驗(yàn)證后的最終價(jià)格。如果一方違約，則另一方需要承擔(dān)一定的損失。為了減少被違約節(jié)點(diǎn)的損失，提出一種通過節(jié)點(diǎn)信用值影響的懲罰電價(jià)。當(dāng)達(dá)到合同協(xié)定的交易時(shí)間后，由驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)判定交易雙方是否執(zhí)行合同電量。如果發(fā)生違約行為，則按式（7）計(jì)算懲罰電價(jià)P。

式中：Ptreaty為交易合約電價(jià)；k2為信用恢復(fù)系數(shù)；g為信用補(bǔ)充常數(shù)；β為信用成本影響因子。

式（7）表明，節(jié)點(diǎn)履約信用可控制懲罰電價(jià)的高低，同時(shí)驗(yàn)證獎(jiǎng)勵(lì)信用可對(duì)節(jié)點(diǎn)被扣除的履約信用值進(jìn)行一定的恢復(fù)。因此，通過這種方式可以有效激勵(lì)鏈上節(jié)點(diǎn)履約和參與驗(yàn)證工作的積極性。

2）懲罰金的計(jì)算與分配規(guī)則。

懲罰金是對(duì)節(jié)點(diǎn)未完成智能合約協(xié)定部分電量的懲罰。當(dāng)節(jié)點(diǎn)履約信用小于100 時(shí)，節(jié)點(diǎn)需要對(duì)自己未履約部分電量進(jìn)行懲罰。懲罰金T的確定方式、分配方式分別如式（9）、（10）所示。

4 算例仿真驗(yàn)證

4.1 懲罰電價(jià)函數(shù)模型仿真驗(yàn)證

懲罰電價(jià)函數(shù)設(shè)計(jì)的核心思路，是通過節(jié)點(diǎn)的履約信用主導(dǎo)懲罰電價(jià)，通過驗(yàn)證獎(jiǎng)勵(lì)信用對(duì)懲罰電價(jià)起一定恢復(fù)或補(bǔ)償作用。因此，首先驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的履約信用和驗(yàn)證獎(jiǎng)勵(lì)信用對(duì)懲罰電價(jià)的影響，仿真情景設(shè)定為：Ptreaty=1元／（kW·h），k1=5，k2=5，g=3。通過MATLAB 仿真，得到驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的履約信用值和驗(yàn)證獎(jiǎng)勵(lì)信用與懲罰電價(jià)關(guān)系見附錄A 圖A5。由圖可得出2 個(gè)結(jié)論：①懲罰電價(jià)隨著履約信用和驗(yàn)證獎(jiǎng)勵(lì)信用的增加而減小；②節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證獎(jiǎng)勵(lì)信用對(duì)懲罰電價(jià)所起的恢復(fù)作用沒有超過節(jié)點(diǎn)履約信用值對(duì)懲罰電價(jià)的影響，履約信用仍然為懲罰電價(jià)的主導(dǎo)因素。

通過上述驗(yàn)證分析可知構(gòu)造的懲罰電價(jià)函數(shù)具有一定的合理性，可以很好地反映節(jié)點(diǎn)信用與懲罰電價(jià)的關(guān)系，與預(yù)期的結(jié)果相符。

4.2 信用激勵(lì)機(jī)制仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證信用激勵(lì)機(jī)制的合理性，采用MATLAB仿真交易流程，并模擬發(fā)電節(jié)點(diǎn)與用電節(jié)點(diǎn)連續(xù)15個(gè)交易時(shí)段內(nèi)的交易情況。其中，k1=5，k2=5，g=3，發(fā)電節(jié)點(diǎn)和用電節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交易前的履約信用值分別為100和90。發(fā)電節(jié)點(diǎn)在各交易時(shí)段內(nèi)承擔(dān)驗(yàn)證工作，合約交易電價(jià)和交易量由交易雙方協(xié)定。模擬數(shù)據(jù)見附錄A表A1、A2，由表可得出以下結(jié)論。

圖1 2組仿真驗(yàn)證的結(jié)果Fig.1 Results of two groups of simulative verification

1）發(fā)電節(jié)點(diǎn)和用電節(jié)點(diǎn)分別在第2、13、15 個(gè)交易時(shí)段交易和第1、3、4、15 個(gè)交易時(shí)段交中產(chǎn)生違約行為；發(fā)電節(jié)點(diǎn)在第2 和13 個(gè)交易時(shí)段內(nèi)產(chǎn)生違約行為，但由于上一個(gè)交易時(shí)段的履約信用值為100，所以本次交易僅扣除信用值，并未做出處罰；用電節(jié)點(diǎn)在第5—14 共10 個(gè)交易時(shí)段均正常履約，所以在第14個(gè)交易時(shí)段內(nèi)信用值恢復(fù)為1。信用激勵(lì)機(jī)制能夠?qū)⒐?jié)點(diǎn)的履約與驗(yàn)證情況轉(zhuǎn)換成信用值，比較準(zhǔn)確地描述節(jié)點(diǎn)的信用水平。

2）在第15 個(gè)交易時(shí)段內(nèi)，交易雙方均發(fā)生違約行為，但發(fā)電節(jié)點(diǎn)履約信用值為98，高于用電節(jié)點(diǎn)的履約信用值86，且發(fā)電節(jié)點(diǎn)連續(xù)8 次完成驗(yàn)證工作，因此發(fā)電節(jié)點(diǎn)懲罰電價(jià)小于用電節(jié)點(diǎn)的懲罰電價(jià)。良好的履約情況和工作質(zhì)量可以為節(jié)點(diǎn)帶來更多的經(jīng)濟(jì)收益。由此可見，信用激勵(lì)機(jī)制能夠有效激勵(lì)節(jié)點(diǎn)主動(dòng)維護(hù)自身信用，提高履約度，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)信用的正向激勵(lì)與自主管理。

3）在表A1、A2 所示的所有交易中未發(fā)生違約行為時(shí)，節(jié)點(diǎn)均未產(chǎn)生懲罰電價(jià)；當(dāng)交易中出現(xiàn)違約行為時(shí)，均可根據(jù)節(jié)點(diǎn)履約信用值和驗(yàn)證工作情況按規(guī)定進(jìn)行懲罰。由此可見，信用激勵(lì)機(jī)制具有一定的公平性和合理性，可以達(dá)到促使節(jié)點(diǎn)積極履行驗(yàn)證工作、提高自身的信用值的目的，與預(yù)期相符。

4.3 分布式交易平臺(tái)用戶交易仿真

為了驗(yàn)證信用體系和激勵(lì)機(jī)制在社區(qū)交易中的合理性，仿真某個(gè)交易時(shí)段內(nèi)10個(gè)發(fā)電節(jié)點(diǎn)與10個(gè)用電節(jié)點(diǎn)的交易，設(shè)置k1=5，k2=5，g=3，μ=0.8，發(fā)電節(jié)點(diǎn)上網(wǎng)電價(jià)為0.5 元／（kW·h），用電節(jié)點(diǎn)從電網(wǎng)購入電量的價(jià)格為0.75元／（kW·h），仿真結(jié)果見表2、3。表中，交易節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的列中，“／”區(qū)分的數(shù)據(jù)為與發(fā)電節(jié)點(diǎn)或用電節(jié)點(diǎn)交易的某幾個(gè)節(jié)點(diǎn)，“（）”中的節(jié)點(diǎn)為被之前節(jié)點(diǎn)違約后新的交易節(jié)點(diǎn)；Qtreaty、Ptreaty對(duì)應(yīng)的列中，“／”表示對(duì)應(yīng)于交易節(jié)點(diǎn)的合約電量與合約電價(jià)。

表2 發(fā)電節(jié)點(diǎn)交易情況Table 2 Transaction status of power supplier nodes

表3 用電節(jié)點(diǎn)交易情況Table 3 Transaction status of power consumer nodes

由表2、3易得出以下結(jié)論。

1）發(fā)電節(jié)點(diǎn)2 沒有按照合約規(guī)定提供相應(yīng)電量，因此獲得一定的懲罰，這種違約行為使得與之簽訂合約的用電節(jié)點(diǎn)b 需要從電網(wǎng)高價(jià)購買電價(jià)，產(chǎn)生了一定的經(jīng)濟(jì)損失，但是用電節(jié)點(diǎn)b從發(fā)電節(jié)點(diǎn)2處得到了一定的違約金，從而得到了彌補(bǔ)。這種方式可以提高用電用戶在系統(tǒng)中交易的可靠性，使得用電用戶更愿意在購入電價(jià)更低的分布式平臺(tái)中交易。

2）用電節(jié)點(diǎn)e 沒有按照規(guī)定使用足夠電量，因此獲得了一定的懲罰，但被其違約的發(fā)電節(jié)點(diǎn)6 仍在平臺(tái)中尋找到了用電節(jié)點(diǎn)f與其交易，使得發(fā)出的電量沒有低價(jià)出售給電網(wǎng)，這種方式減少了發(fā)電節(jié)點(diǎn)的經(jīng)濟(jì)損失，使發(fā)電節(jié)點(diǎn)更愿意將生產(chǎn)的電量在社區(qū)消納而不是出售給電網(wǎng)，是發(fā)電節(jié)點(diǎn)愿意在出售價(jià)格更高的分布式平臺(tái)中進(jìn)行交易。

綜上所述，基于信用的分布式電力交易平臺(tái)能夠通過信用機(jī)制減少平臺(tái)用戶的經(jīng)濟(jì)損失，促進(jìn)平臺(tái)用戶積極履行合約，具有一定的公平性和合理性，與預(yù)期相符。

5 結(jié)論

本文針對(duì)分布式電力交易平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)和交易流程，基于聯(lián)盟鏈技術(shù)提出DPoA 共識(shí)機(jī)制，利用該共識(shí)機(jī)制建立分布式電力交易區(qū)塊鏈的節(jié)點(diǎn)信用評(píng)價(jià)體系與激勵(lì)機(jī)制，并得出了以下結(jié)論。

1）不斷提高分布式能源的就地消納水平，能有效提升清潔能源利用效率，降低社會(huì)減排成本，有助于我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型升級(jí)。針對(duì)分布式能源規(guī)模小、分布分散、靠近負(fù)荷等特點(diǎn)，迫切需要建設(shè)社區(qū)化的分布式電力零售市場(chǎng)，并深度挖掘新的市場(chǎng)架構(gòu)和商業(yè)模式，優(yōu)化各種分布式資源的市場(chǎng)交易流程，促進(jìn)分布式清潔能源的高效利用。

2）區(qū)塊鏈的技術(shù)特點(diǎn)與電力零售交易的需求高度契合，可以很好地應(yīng)用于分布式電力交易。我國電力市場(chǎng)建設(shè)采用以區(qū)域和省級(jí)電力交易中心為核心的模式，聯(lián)盟鏈部分去中心化的特征更適合于我國電力改革的現(xiàn)狀。本文提出的DPoA 共識(shí)機(jī)制，既保留了電力交易中心對(duì)區(qū)塊鏈交易系統(tǒng)的控制力，與聯(lián)盟鏈相適應(yīng)，又使交易環(huán)節(jié)由節(jié)點(diǎn)自發(fā)進(jìn)行，并將驗(yàn)證權(quán)交付于普通節(jié)點(diǎn)，保證了交易的公平性和自治性。

3）信用管理機(jī)制是基于區(qū)塊鏈的電力交易平臺(tái)和交易模型設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。本文基于DPoA 共識(shí)機(jī)制，設(shè)計(jì)了面向分布式電力區(qū)塊鏈交易平臺(tái)的信用評(píng)價(jià)體系和激勵(lì)機(jī)制。由節(jié)點(diǎn)交易數(shù)據(jù)自動(dòng)生成的履約信用記錄與節(jié)點(diǎn)參與合規(guī)驗(yàn)證工作獲得的獎(jiǎng)勵(lì)信用，共同反映節(jié)點(diǎn)的信用水平，并影響節(jié)點(diǎn)違約后的懲罰金額。

4）算例仿真與分析表明，上述信用評(píng)價(jià)體系和激勵(lì)機(jī)制，能夠比較準(zhǔn)確地描述區(qū)塊鏈上節(jié)點(diǎn)的信用水平，有效激勵(lì)節(jié)點(diǎn)主動(dòng)維護(hù)自身信用，提高履約度，實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈內(nèi)部交易節(jié)點(diǎn)信用的正向激勵(lì)與自主管理，促進(jìn)分布式電力市場(chǎng)向低碳化和清潔化發(fā)展。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.epae.cn）。