第 1 章 绪论
1.1 选题背景及意义
区域能源互联网是多能源系统分析的基础,也是多能源系统特性的具体体现。从功能角度来说,多能源系统可将多种形式能源有机整合，根据价格、对环境的影响等因素进行分配调节，从能源服务角度来说，将用户的多种需求统计考虑，通过合理调度达到削峰填谷、合理用能的目的，从能源网络角度来说，通过协同分析电气网络、天然气网络、热网等网络，促进多种能源技术的发展[1]。区域可以大到一个城市、城镇、社区，小到一个工业园区、大型企业、楼宇，其一般涵盖集成的供电、供气、供暖、供氢和电气化交通等能源系统。区域能源互联网以局部范围内的各类工业企业和居民为用户群体，通过搜集能源生产、消费、传输、存储等信息数据，凭借数据分析、能源协调与优化调度机制满足域内用户的负荷需求[2-3]。
区域能源互联网为适应局部区域内的能源供需格局，在充分吸纳因特网发展过程的优秀经验的基础上，形成了自身区别于跨区域能源互联网的一些特性[4-6]。
（1）双向互动，区域能源互联网将打破现有的源-网-荷的能源流动模式,形成自由双向可控的多端能源流动模式，分布式的能源路由器将使得区域内任意节点的能源互联成为可能。能源转换站或能源集线器的设置将使原有热力公司、电力公司和燃气公司之间的行业壁垒被打破，装备分布式发电设备的居民有望与其他能源供应商一道参与能源互联网的能源供应[7]。未来，伴随电动汽车行业的快速发展，以智能电动汽车为主体的交通网络也将融入现有能源互联网模式中。
（2）区别于传统的能源利用格局,区域能源互联网充分利用区域内各类能源资源，构建区域内自给自足的能源体系,充分消纳区域内部的分布式能源,实现各类能源设施的高效利用[8]。同时，作为主干能源互联网的基本组成部分，
区域能源互联网与主干能源网络之间保持双向可控的能源流动形式，借助大型主干能源网络与其他区域能源互联网间进行能源和信息的双向交流[9-10]。
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1.2 国内外研究现状及发展动态
1.2.1 区域能源交易研究现状
区域能源互联网的研究热点主要集中在多源协同优化、交易方法改进和运行管理研究等方面。目前区域能源互联网的发展在技术上存在以下 4 个方面的技术挑战：
（1）区域能源互联网中，各能源系统内在的物理特性、市场机制、信息化和自动化水平有着显著的区别。随着各能源系统间的耦合与互动的增加，深入理解各能源网络之间的互动机理成为了发展大型区域能源互联网需要解决的首要问题。
（2）用户侧的灵活性由于个人行为习惯的不同会带有很强的随机性和不确定性，需要通过大量的实际样本采集和理论推导工作来量化。
（3）针对区域间以及区域和广域能源互联网的协作模式的研究仍处于初期阶段，需要大量科研投入来最终实现区域能源网络与运行的各能源系统的无缝对接。
（4）目前缺少为设计区域能源互联网的整体方案和多时空尺度下运行规则的相关工具。现有的工具往往对各能源系统内的运维、控制等机理做出高度简化， 并局限于解决规划阶段的供需平衡与投资回报等问题。
在协同优化方面文献[17-18]进行了供能成本最小化、建立低碳为目标的区域电力-天然气耦合模型，并在用能需求基础上最小化其费用建立区域能源分布式协同优化模型。文献[19-21]主要研究微电网和日前不确定性建模、多时间尺度协调优化能量管理、多楼宇冷热电联供型微网互联运行性能等 4 个方面，对区域能源交易中的运行管理进行了研究。在能源交易方法上多采用集中式管理方法，通过日前制定目标减小交易时间，也有研究用过信息流控制的能量路由器（ER）可以较好地实现分布式可再生能源所发电能的高效优化传输。文献[22]结合实际的地级市区域交易，进行能源流、业务流和信息流的高度智能融合，并构建基本系统模型，对于区域能源应用的场景提供了参考意义。
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第 2 章 基于区块链的区域能源交易基础应用结构
2.1 基于区块链的区域能源交易
区域能源交易中，当前的研究热点集中在区域能源货币化和能源交易平台的开发。货币指的是通过现金结算，将等金额的能源进行货币化的交易，该交易的复杂性较高，而能源交易平台的开发，通常也是针对不同能源交易进行不同的设计。区域能源互联网主要以区域内的通过横向多种能源互补、纵向源-网-荷-储协调以实现能源高效利用的综合能源系统，在转向能源互联网的初始阶段中，配电网和其他能源网的耦合使得已有配电网内逐渐形成了区域综合能源系统，配电网内形成的区域综合能源系统有其自身的供能方式、用能特点和利益主体等，其存在会改变传统配电网络的组成结构[34-35]。现阶段的能源交易还是以传统交易方法为主，通过第三方的服务平台进行售电服务并管理交易过程。在区域能源交易的过程中，运营管理平台执行交易存在平台维护成本高、交易效率低、安全性低等问题。现已经相关文献提出以用户需求侧为主建立交易平台，或者直接通过点对点的交易转账完成交易，因此区域能源交易以因地制宜、便捷交易、交易主体多元化等作为研究方向，利用不断发展的信息技术以及分布式发电供能等特点，使区域内能源产消者之间建立灵活便利的联系，使能源传输不再通过传统主网，便能实现区域能源产销一体化。
区块链是一种新兴技术，具有在分布式能源交换系统中满足安全性，隐私和支付交易要求的潜力。区块链可在匿名实体之间进行安全的对等交易，而无需可信任的第三方。可以使用基于公钥的加密系统来实现每个能源区块链实体生成并使用公钥和私钥对的位置。区块链网络中的用户使用他们的加密公钥而不是他们的真实身份来识别，这提供了高级别但不是完全匿名，因为它基于假名。基于伪名的匿名可以通过将用户的活动（例如使用时间，使用模式，网络ID /位置等）与推理更敏感的信息相关联来实现。
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2.2 区块链平台
以太坊（Ethererum）是一个开源开放性的区块链平台，网络中任何人都可以基于以太坊区块链技术构建和运行去中心化应用程序。和比特币一样，以太坊不受任何用户的限制，该平台是一个公有网络上用户共同构建的开源项目，与比特币中运行的协议有所不同，以太坊在设计上更加侧重与适应性和灵活性。
以太坊在狭义上表示运行在区块链网络中的协议，该协议定义了去中心化应用的平台。它的核心是以太坊虚拟机（EVM），以太坊虚拟机可以运行满足任意算法复杂度的代码。在计算机科学的术语中，以太坊是图灵完整的。开发者可以通过语法上类似 JavaScript 和 Python 的编程语言（Solidity）建立运行于EVM 上的应用程序。以太坊与其他区块链系统一样，同样包括了一个点对点的通信协议（P2P），以太坊的网络节点共同维护和更新区块链数据库，该网络上的任意节点都运行以太坊虚拟机并且执行相同的指令。所以以太坊也可以被称为“世界计算机”。这种在整个以太坊的网络上进行大规模并行计算并不是为了获得更高的效率，实际上，这使得在这个过程中，以太坊的计算比在传统计算机上要缓慢而且消耗量增多。去中心化一致性使得以太坊有非常高的容错性，保证了零宕机，而且使存储在区块链上的数据永远不可改变以及无法审查。
以太坊平台本身不具备独特的功能和价值，类似编程语言一样，由开发者来决定以太坊是如何在不同领域使用，根据不同的应用类型，以太坊展现出的优点和开发领域也是不同的。可以明确的一点是，以太坊适合应用在节点之间直接自动化交互的应用，或者在网络中进行集群动作协调的应用。例如那些在点对点交易市场进行相互协调的应用程序，或者自动化执行复杂金融合约的应用程序。比特币允许个人直接交易现金，而不需要像金融机构、银行或政府这样的中间人参与。以太坊的应用空间更加宽阔，从理论角度看，金融互动或者任意复杂性的交易都可以运行在以太坊中自动并且可靠地实现。除了金融应用程序之外，任何需要信任、安全和永久存储的环境都可能受到以太坊平台的巨大影响，例如资产注册、选举、政府管理、以及物联网等。
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3.1 智能合约 ·························· 13
3.2 基于智能合约的区域能源交易模型 ······················ 14
第 4 章实验测试与分析 ······························· 23
4.1 实验平台与环境 ······················ 23
4.2 Ethereum 网络下能源交易实验 ······················ 24
第 5 章 总结与展望 ························ 33
第 4 章 实验测试与分析
4.1 实验平台与环境
针对区域能源交易中出现的操作效率低、复杂性高、成本高、安全性低等问题，以区块链技术进行改进，设计基于智能合约的区域能源交易流程并进行实验，验证该交易方法的可行性。
智能合约作为区域能源交易方法中所使用的核心技术，以安全、有序、可验证的方式保证交易的顺利完成。Ethereum 及 Hyperledger Fabric 技术都比较适合应用在能源交易中，使用 Solidity 和 GO 语言开发，平台的核心都是智能合约。
通过 Ethereum 和 Hyperledger Fabric 来构建区域能源交易网络，参与者通过智能合约来完成点对点的交易或转账，交易完成以后生成相应的能源区块存储在整个网络节点中，区域参与者可查询交易信息，保证了交易信息的安全性。
Ethereum 为用户提供了一个便利的智能合约平台，用户可以自由编写交易合约，并通过虚拟机执行。去中心化的应用平台拥有方便的操作界面和统一的基础语言，使用者通过合约搭建各种各样的应用程序，并运行在 Ethereum 公共链或私有链上。
HyperLedger 的 Fabric 项目是打造出由全网络共同维护的 Hyperledger Fabric 账本，虽然目前并未真正投入使用，但 Fabric 的核心逻辑可以解决区域能源交易出现的问题，其核心逻辑作用分别为：
（1）管理交易节点的身份、隐私、具有保密性和可审计性。
（2）编写区块链网络的交易协议来管理分布式账本，使用安全的哈希算法来维护区块链状态。
（3）采取可插拔的方式，根据能源交易需求来设计共识协议，比如 PBFT，Raft，PoW 和 PoS 等。
（4）建立一种安全方便的沙盒运行模式，在节点的网络通道上执行合约的逻辑。
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第 5 章 总结与展望
参考文献（略）