Механизм торговли электроэнергией в децентрализованной энергетической сети с использованием технологии смарт-контрак-тов широко рассматривается в мире [1]. В отличие от сделок с традиционными физическими товарами или услугами торговля электроэнергией (особенно полученной от возобновляемых источников) обладает рядом отличительных свойств: нестационарностью генерации, невозможностью хранения (или ограниченными возможностями), возможностью сбоев в поставках из-за того, что сам процесс торговли растянут во времени. Основной задачей в таком случае является обеспечение взаимного доверия между сторонами на протяжении всего срока предоставления услуг. Продавец должен верить, что покупатель заплатит, а покупатель должен верить, что продавец окажет услугу в полной мере, оговоренной в контракте. Традиционно эта проблема решается путем использования доверенных третьих сторон, таких как компании-эмитенты кредитных карт, компании-медиаторы, предоставляющие эскроу-счета, репутационные системы или судебное решение.
Для того чтобы убрать из системы доверенных третьих сторон или медиаторов, необходимо наложить ограничения на поведение соответствующих агентов. В рамках блокчейн-платформы существует программный способ обработки и регулирования транзакции, условия проведения которой участники предлагают автономно. Такие механизмы называют смарт-контрактами [2].
Тем не менее, основываясь на последних результатах применения данной технологии к сделкам по торговле электроэнергией [3], можно сделать вывод, что участники продолжают опираться на посредничество третьей стороны для гарантии соблюдения условий сделки [4]. Это означает, что, несмотря на рост использования блокчейн-платформ как средства отправки платежей без доверенных третьих сторон, важной проблеме предоставления распределенных во времени услуг уделено недостаточно внимания.
Возможным решением проблемы доверия между покупателем и продавцом электроэнергии является использование цифрового смарт-контракта, который публикуется в сеть продавцом, а покупатель инициирует исполнение данного контракта, причем правила смарт-контракта требуют, чтобы и продавец, и покупатель внесли гарантирующий депозит в смарт-контракт до совершения сделки, которые возвращаются им только в случае успешной торговли.
В данной работе проведено описание дизайна данного механизма с использованием инструментария теории игр, которое часто применяется в анализе механизмов, использующих блокчейн [5]. Основным результатом является нахождение единственного равновесия по Нэшу.
Целью исследования, проводимого в данной работе, является анализ экономических и технических механизмов, позволяющих снизить риски торговли электроэнергией в децентрализованной сети.
Материалы и методы исследования
Краткое описание процесса торговли электроэнергией в децентрализованной энергетической сети
Процесс торговли электроэнергией в децентрализованной системе происходит напрямую между двумя агентами: Покупателем и Продавцом.
Для совершения транзакции, в рамках которой Продавец продаст покупателю энергию, требуется совершить две операции:
доставка энергии: Продавец поставляет потребителю электроэнергию в течение оговоренного в контракте периода времени. Сам временной интервал технически разбивается на более малые промежутки для фиксации результатов поставки и совершения торговли;
оплата энергии: Покупатель совершает платеж в пользу Продавца дискретным способом. Общая сумма платежа разбита по техническим интервалам торговли, и платежи осуществляются по факту поставки.
В любой торговой платформе одна из этих операций совершается первой. В нашем случае первой операцией является именно доставка энергии.
Описание механизмаПредположения
1. Покупатель знает значение хеш-функции от d – h(d), которое он может использовать для проверки правильности полученного количества энергии. Механизм шифрования зашит в логике платформы.
2. У Продавца и Покупателя есть пара асимметричных ключей, а их открытые ключи известны друг другу. Все продавцы знают открытые ключи всех покупателей.
3. Комиссионные за транзакции, связанные с развертыванием смарт-контракта и отправкой сделки с ним, малы по сравнению с ценой за единицу энергии.
Процесс поставки энергии с использованием двойного депозитного торгового протокола
Процесс торговли электроэнергией разбит на временные интервалы в рамках общего срока исполнения договора. Описываемый далее процесс применим в рамках каждого из этих интервалов по отдельности. В случае неизменности условий договоренности на следующем временном интервале нижеописанный процесс поставки электроэнергии и ее оплаты повторяется.
Все описанные в данном разделе механизмы обеспечиваются средствами блокчейн-платформы.
Ее основными функциями являются: создание цифровых кошельков участников; регистрация сделок; резервирование средств в процессе проведения и валидации сделки; автоматическое списание средств с кошельков участников сделок; рейтингование участников по степени их добросовестности в сделках; отключение недобросовестных участников от сети; выбор узлов, занимающихся проверкой транзакций.
Процесс поставки энергии конечному потребителю в рамках каждого интервала разбивается на следующие шаги (рис. 1).
Рис. 1. Дизайн процесса торговли в децентрализованной системе с использованием двойного депозитного торгового протокола
Шаг 1. Действия Продавца: для каждой продажи Продавец будет публиковать новый смарт-контракт, который включает следующее:
– Pd: цена на электроэнергию;
– h(d): хеш от планируемого к поставке количества электроэнергии;
– ID: идентификатор контракта, который генерирует платформа для однозначного определения данной сущности в системе;
– Es: депозит в смарт-контракт в качестве страхования рисков для Покупателя;
– дополнительные параметры.
Шаг 2. Действия Покупателя: Покупатель дополняет смарт-контракт. Он должен:
– подтвердить Pd – цену электроэнергии, заполнив тем самым адрес, кому будет организована доставка;
– внести депозит – Eb. в смарт-контракт в качестве подтверждения намерения покупки.
Шаг 3. Доставка. Продавец отправляет зашифрованную версию d (количества отправленной энергии), а именно encvpub(enckpri(d,ID)), заинтересованному покупателю, где encvpub – хеш-функция с использованием открытого ключа vpub покупателя, а enckpri – хеш-функция с использованием закрытого ключа kpri продавца.
Шаг 4. Принятие/отказ доставки. Покупатель расшифровывает данные d, затем шифрует их, чтобы проверить, соответствует ли новый хеш ранее известному h (d). Затем Покупатель предоставляет ответ.
Шаг 5. Согласование. Этот шаг выполняется после предыдущего и зависит от решения, принятого Покупателем.
Анализ ситуации с точки зрения теории игр
С учетом описанного выше дизайна механизма найдем равновесие по результатам анализа исходов данной игры.
Введем следующие обозначения:
Ч, Ч’ – честное поведение продавца и покупателя соответственно;
Ф, Ф’ – фальсификация данных Покупателем и Продавцом. Для Продавца это означает, что им была отправлена неверная информация, подписанная его ключом, для Покупателя же это означает оспаривание транзакции, отправка в сеть отличной от опубликованной Продавцом информации;
М, М’ – предоставление данных, которые невозможно расшифровать (мусор) Продавцом и Покупателем соответственно. Это соответствует тому, что Продавец отправляет строку, которая не может быть расшифрована с помощью соответствующего открытого ключа в Шаге 3, или Покупатель делает это в Шаге 4.
ТВ Х – терминальная вершина, или исход игры. X – порядковый номер.
НД – ответ от Покупателя отсутствует.
Схематично описание торговли может быть представлено в виде игрового дерева, изображенного на рис. 2.
Описание возможных сценариев
Представим возможные сценарии взаимодействия между Покупателем и Продавцом и их исходы в виде таблицы.
Здесь Ts, Tb – комиссия, взимаемая сетью с Продавца и Покупателя соответственно, Es, Eb – депозит Продавца и Покупателя соответственно, Enrg’, Enrg’’, Enrg – реальный объем энергии, поставленный Продавцом и полученный Покупателем. Enrg является целевым показателем поставки по контракту.
Номер строки таблицы соответствует порядковому номеру терминальных вершин, изображенных на рис. 2.
Сотрудничество нечестным образом со стороны Продавца (вершины 1-3) оказывается выгодным для него только в случае, если Покупатель принимает его сторону и подтверждает сделку. Однако при этом он теряет свой первоначальный депозит и получает меньшее количество энергии. Получается, что Покупатель переплачивает, и такое сотрудничество для него невыгодно. В случае нечестной игры Продавца ему выгоднее сообщить об этом сети, увеличив тем самым свой рейтинг, и вернуть депозит.
Рис. 2. Игровое дерево двойного депозитного торгового протокола
Исходы различных сценариев взаимодействия Покупателя и Продавца
Выброс мусорной строки со стороны Продавца (вершины 4-6) всегда невыгоден, поскольку Продавец всегда теряет поставляемую им энергию, а в случае если будет честным Покупатель, то и свой рейтинг.
Честное сотрудничество со стороны Продавца (вершины 7-9) оказывается выгодным во всех случаях. Для Покупателя же игра в стратегии, отличные от честной, невыгодна с той точки зрения, что он получает всю энергию, но при этом переплачивает. Таким образом, выгоднее играть честно.
Результаты исследования и их обсуждение
Депозит или остаток взноса можно рассматривать, как итоговую сумму игры. Она получается равной нулю (игра с нулевой суммой) только в одном случае, когда оба участника сыграли честную стратегию. Это и есть единственное равновесие при таком дизайн-механизме торговли.
Безопасность и жизнеспособность игры обеспечена наличием уникальной игры с положительными выплатами для обоих агентов, что гарантирует безопасность механизма. Увеличивая вес депозитов, мы можем усиливать сдерживающий фактор.
В соответствии с предложенным механизмом игроки заинтересованы в продвижении в торговле из-за возможности увеличения стоимости депозитных сумм, зафиксированных в смарт-контракте.
Заключение
В данной работе был представлен дизайн-механизм торговли электроэнергией в виде двойного депозитного торгового протокола, как инструмент предотвращения мошеннических платежных операций и гарантии доставки между двумя участниками сделки на поставку электроэнергии, основанные на анализе дерева игрового взаимодействия между Продавцом, Покупателем и самим смарт-контрактом.
Основное предположение, сделанное в этой работе, заключается в том, что расчет по операциям происходит роллерно, а именно несколько раз в рамках промежутка времени поставки, обозначенного в контракте. Таким образом, единовременный объем средств, зачисленных в качестве депозита, невелик по отношению к стоимости роллерных сделок.
Рассмотренный дизайн механизма может быть автоматизирован с использованием технологии смарт-контрактов и блокчейна [6]. Эта технология позволит обеспечить необходимый уровень безопасности и прозрачности проведения сделок.