尤宏亮，趙哲源，劉建戈，戴 欣，趙建洋，單勁松，孫成富

（1.國網江蘇省電力有限公司 淮安供電分公司，江蘇 淮安 223001；2.淮陰工學院 計算機與軟件工程學院，江蘇 淮安 223002）

0 引言

2021年第三季度，中國部分省份出現(xiàn)了“電荒”現(xiàn)象，各地紛紛啟動拉閘限電措施應對電力缺口。同時，各地電力公司也及時發(fā)起了需求響應［1］（demand response，DR）行動，號召能耗大戶主動消減用電負荷，積極應對電力需求的不平衡，削峰填谷、保證電網平穩(wěn)運行。需求響應是指用戶對價格或者激勵信號做出響應，并改變正常電力消費模式，從而實現(xiàn)用電優(yōu)化和系統(tǒng)資源配置的需求側技術手段，夠有效解決局部電力供需緊張的問題［2］，并為電力系統(tǒng)經濟、安全、穩(wěn)定運行提供新的調控手段。

目前，集中式需求響應交易方案存在市場交易機制缺失，用戶側能源市場參與度不夠等問題。2020年8月，國家電網有限公司發(fā)布《國家電網有限公司電力需求響應工作兩年行動計劃（2020—2021年）》，要求完善多主體售電市場，積極探索用戶參與的需求響應交易模式，以價格和激勵手段促進供需平衡，提升能源利用效率。

然而，需求響應在實施過程中也暴露出以下明顯的問題。

（1）響應電量計量和結算不夠透明。傳統(tǒng)的電網公司主導的集中式交易、結算模式存在諸多問題，如交易結算的流程過長、結算響應不夠及時、電價不夠靈活等。為了解決這些缺乏信任的溝通機制問題，需要研究建立具有分權化、可追溯、交易透明、不可篡改的區(qū)塊鏈交易核心模塊及其架構。

（2）市場機制不夠靈活。智能用電新業(yè)務與電網各主體之間采用確定的計劃服務對多主體多元的激勵不夠，缺乏兼顧多主體融資渠道、盈利模式、價格機制和利益分配的市場機制，進而影響智能用電新業(yè)務的發(fā)展。

（3）需求響應難以形成有效市場監(jiān)管機制。隨著電力現(xiàn)貨交易試點、調峰等輔助服務市場建設進程的不斷推進，我國電力需求管理也將逐漸由政府主導的行政行為轉變?yōu)橛墒袌鲋鲗У氖袌鲂袨?，但目前監(jiān)管中對業(yè)務需求、投入成本、業(yè)務收益、風險成本等市場行為缺乏有效的需求響應評價和監(jiān)管機制，甚至對主客觀數(shù)據(jù)被篡改都難以追溯和鑒定。

區(qū)塊鏈具有可分布式處理、可追溯、交易透明、不可篡改等特性，可解決需求響應中市場交易的技術架構、競價機制和信任監(jiān)管等問題。本文將通過研究基于區(qū)塊鏈的需求響應交易模式，建立基于區(qū)塊鏈的需求響應信息發(fā)布流程管理機制，設計需求響應合同鏈上簽訂流程，提出電力市場環(huán)境下基于區(qū)塊鏈的多時間尺度需求響應競價機制、響應效果評價和市場監(jiān)管方法，簡化需求響應交易清結算流程、保障需求響應市場交易的低成本、高效率運營，實現(xiàn)電網公司與用戶的友好互動。

1 國內外相關研究

電網需求響應系統(tǒng)旨在利用價格或激勵手段，解決局部電力供需緊張的問題，有效保障電網的平穩(wěn)運行［3—4］。

在歐洲，為了削減高峰負荷，保障電網平穩(wěn)運行，蘇格蘭于2011年10月，嘗試搭建了首個電力設備自動需求響應試點，應用了需求響應自動服務器和負荷控制器等技術設施，獲得了廣泛關注［5—6］。隨后，挪威也開展了需求響應的初步探索，試驗結果證明，利用智能電表和遠程負荷控制設備可削減挪威4.2%的峰荷。

文獻［7］提出了一種計及共享儲能和低碳經濟調度的配網需求響應方法，構建了面向配網需求響應的低碳調度模型。文獻［8］提出了一種考慮新能源出力的需求響應優(yōu)化方法。文獻［9］引入價格型需求響應，在考慮綜合成本最優(yōu)的前提下，構建計及價格型需求響應的風-光-光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化調度模型。這些方法都以需求響應為輔助手段，實現(xiàn)電網的優(yōu)化調度。

這些傳統(tǒng)的集中式、中心化的優(yōu)化手段，難以運用到大規(guī)模、高效率、低成本、新能源廣泛參與的需求響應場景中［10］。要實現(xiàn)弱中心化的分布式需求響應交易，系統(tǒng)需要解決身份認證、可信保障、激勵機制等問題，實現(xiàn)交易數(shù)據(jù)的透明、真實可信。區(qū)塊鏈作為一種將密碼學和分布式計算、存儲相融合的分布式記賬系統(tǒng)，將有力保障交易的不可篡改性、可信性和可靠性［11］。

國內外專家、學者聯(lián)合電力企業(yè)，對基于區(qū)塊鏈的去中心化技術的需求響應交易系統(tǒng)展開了積極探索。2003—2007年夏季，美國加州啟動了一項具有競價功能的電力需求響應項目［12］，吸引了多種類型的電力用戶廣泛參與，該項目通過動態(tài)調節(jié)尖峰電價達到了削減尖峰負荷的目的，平均削減量達到了7%～9%。近幾年，區(qū)塊鏈與電力系統(tǒng)結合的研究主要聚焦在交易結算、電能計量、電力數(shù)據(jù)共享等方向［13—15］，成果多應用于電動汽車充放電方面，電力調度，能源管理以及需求響應系統(tǒng)設計［16］。

目前區(qū)塊鏈在需求響應方面的應用研究主要集中于解決身份認證和交易信任問題［17］。與以往的研究不同，本文將區(qū)塊鏈技術融入需求響應整個過程，提出系統(tǒng)設計和實現(xiàn)的整體架構和處理過程。

2 基于區(qū)塊鏈的需求響應交易

2.1 基于區(qū)塊鏈的需求響應交易層次模型

首先，分析需求響應業(yè)務流、信息流及處理流的特征，融合區(qū)塊鏈技術確定參與交易的各主體的供需信息發(fā)布、交易價格形成、合同的簽訂、交易監(jiān)管等環(huán)節(jié)的關聯(lián)；其次，基于區(qū)塊鏈的可追溯、防篡改等特點及智能合約原理和技術，構建透明、高效的分層供需交易框架；最后，利用區(qū)塊鏈的防篡改、不可否認等屬性，設計需求響應交易核心模塊通信接口及源數(shù)據(jù)安全策略。

對分布式交易系統(tǒng)業(yè)務流程進行分解，把與分布式交易相關的身份認證、計量認證、智能合約等與區(qū)塊鏈架構進行深度融合，設計基于區(qū)塊鏈的分布式需求響應交易架構。本項目設計的需求響應交易系統(tǒng)層次結構如圖1所示，分3個階段：

圖1 需求響應交易層次模型Fig.1 Trading hierarchy model of demand response

（1）信息發(fā)布及競價階段：首先，電網公司發(fā)布需求側響應的總負荷及時間，通過資格審核的電力用戶（負荷聚合商或高能耗單位）與儲能商提交響應請求；然后，根據(jù)雙方的報價、國家定價、波動范圍及激勵因子，通過競價形成一致交易價格，用戶在應用層達成交易意向，即在該階段已經完成了買賣雙方的匹配。

（2）交易階段：基于區(qū)塊鏈電力交易模型分析了發(fā)電單元、配電方、儲能單元、電力用戶等主體間的關系。各主體發(fā)布的供需信息、簽訂的供需合同無需經過中間的權威機構認證，系統(tǒng)保證交易數(shù)據(jù)具有防篡改、不可否認等屬性，區(qū)塊鏈的密碼學原理可以保證交易信息具有上述性質?；趨^(qū)塊鏈的可追溯、防篡改等特點及智能合約原理和技術能夠支持建立透明、高效的電力供需交易模型。

（3）結算階段：交易完成后（即電力交付后），供需雙方的匹配信息及交易記錄數(shù)據(jù)傳送給區(qū)塊鏈，然后對該批交易進行結算，最后觸發(fā)智能合約，完成資金由用戶側向供方的自動轉移。在交易結算過程中，需要以共識機制、智能合約、密碼學等區(qū)塊鏈核心技術為基礎。

2.2 基于區(qū)塊鏈的需求響應交易流程

如圖2所示，基于區(qū)塊鏈的需求響應系統(tǒng)交易流程包含需求發(fā)布、響應提交、身份驗證、交易結算、交易監(jiān)管等環(huán)節(jié)。根據(jù)電網負荷預測，電網公司發(fā)布需要消減的負荷需求，并提交給交易系統(tǒng)；能源局監(jiān)管系統(tǒng)負責制定交易規(guī)則，對交易的過程進行監(jiān)管；交易完成，消減負荷得到證實，電網公司結算系統(tǒng)啟動結算過程。方案考慮了電力監(jiān)管機構的監(jiān)管環(huán)節(jié)，設計了符合電力監(jiān)管規(guī)則的區(qū)塊鏈智能合約。在交易各環(huán)節(jié)，系統(tǒng)為所有用戶設計了個性化的智能合約，合約處理流程為可觸發(fā)自動執(zhí)行的程序代碼，具體產生的數(shù)據(jù)則存儲在區(qū)塊內，可實現(xiàn)需求響應數(shù)據(jù)和操作的可信、可追溯。

圖2 基于區(qū)塊鏈的需求響應交易流程Fig.2 Demand response trading diagram based on blockchain

在需求響應交易系統(tǒng)設計中，所有負荷集成商、普通用戶和儲能用戶均可參與市場交易，系統(tǒng)提供了可靠的計量認證技術，且所有計量數(shù)據(jù)上鏈進一步保證了計量數(shù)據(jù)的可靠性，可追溯性。智能合約確保了市場參與方所有人的公平性。在充值和結算環(huán)節(jié)，由電網公司統(tǒng)一接口進行充值，結算時回收鏈上賬戶內的資金后，再向綁定銀行卡支付。

區(qū)塊鏈2.0中可編程框架和腳本可用于分布式發(fā)電業(yè)主與用戶合同簽訂，合同不再是紙質合同，從而可以避免人為惡意行為對合同正常執(zhí)行的干擾。區(qū)塊鏈中信息公開透明且真實可信，能保證分布式交易過程的信息安全與可信，并通過公共驗證機制保障數(shù)據(jù)可信度。

面向電網調峰的需求響應系統(tǒng)整體設計方案涉及電網公司、新能源發(fā)電商、負荷集成商等參與主體，包含用戶注冊、驗證、積分結算、發(fā)放等環(huán)節(jié)。方案考慮了實際響應力度和需求力度間的校核等問題，設計出智能合約執(zhí)行的全過程。系統(tǒng)為所有用戶提供定制化智能合約。合約詳細數(shù)據(jù)存儲在鏈上分布式數(shù)據(jù)庫中，可實現(xiàn)需求響應的全追溯。

2.3 面向需求響應的競價機制

本節(jié)設計考慮隱私信息安全與市場競價公平的需求響應競價投標方式，構建計及多時間尺度的需求響應競價交易體系，提出基于區(qū)塊鏈的多時間尺度需求響應競價交易機制。結合激勵機制，綜合考慮響應量、響應速度、響應持續(xù)時間、響應頻率，利用線性規(guī)劃模型將競價機制轉化為優(yōu)化目標函數(shù)，最后啟發(fā)式優(yōu)化算法求解數(shù)學模型，達到多方價格均衡，完成電力供需交易。

（1）電網公司的優(yōu)化目標

作為國家電力建設、維護部門，電網公司的目標是保證電網整體系統(tǒng)的平穩(wěn)運行即供需平衡，鼓勵發(fā)展綠色能源，同時尋求合適時段的最優(yōu)補貼價格，以最小化因需求響應而產生的損失收益。設P為該時段需求響應的功率總額度，T為響應時長度（時長影響定價），Cg(t)為t時刻的損失，P(t)為t時刻正向需求的響應功率差。平衡條件為

式中：R為波動范圍因子，允許總響應功率在［P-R,P+R］波動；(t)為t時刻電網公司實際消減的負荷；Q(t)為t時刻實際消減負荷的價格；S(T)為時間系數(shù)，即不同季節(jié)、不同時段對需求響應價格的影響因子。

（2）需求響應用戶收益優(yōu)化目標

作為用戶（包含負荷集成商），主要是為了獲得響應削峰、降低負荷帶來的補貼及激勵。設普通用戶收益為。需求響應用戶收益優(yōu)化目標為

式中：ΔPi(t)為t時刻普通用戶申報響應的負荷；ΔFi(t)為t時刻響應的負荷允許在限定的范圍內的變動；Qi(t)為t時刻消減負荷的理想價格。

（3）儲能用戶的優(yōu)化目標

對于儲能用戶來說，將預期響應的電力提交到交易市場，期望獲取最大的收益。在實際響應過程中，會出現(xiàn)儲能不足或者儲能充足的情況，儲能不足時需要向電網購買電量，儲能充足時可參與競拍和需求響應。在不同時間尺度，所售（購）電力價格受激勵機制影響。設能源的收益為，即響應負荷獲得的收益與其將多余電量賣給普通用戶或者電網公司出售電量獲得收益的差值公式如下

式中：ΔPi(t)為t時刻儲能用戶實際響應的負荷；Qi(t)為t時刻儲能用戶響應負荷的價格；ΔPi(t)λQi(t)為正常情況（不存在需求響應的時間區(qū)段）下產生的收益。

（4）約束條件

電網公司、用戶在競價過程中，對各變量的約束如下

2.4 基于區(qū)塊鏈的需求響應市場監(jiān)管機制

為了確保交易申報、出清、結算等各流程符合政府政策、行業(yè)規(guī)則及電網運行規(guī)律，提升監(jiān)管效率與權威性，依托區(qū)塊鏈分布式賬本和數(shù)據(jù)認證功能，建立用戶需求響應效果評價體系，評估需求響應實際效果，對用戶需求響應進行評價和懲罰。

監(jiān)管規(guī)則轉化為智能合約，實現(xiàn)監(jiān)管的自動化如圖3所示。供需用戶之間通過多主體電力供需交易平臺互相交易，同時交易平臺與電力公司交互物理流信息，校核其安全性，最終交易的結果分布在區(qū)塊鏈上的智能合約內。交易平臺將電力供需交易私有鏈部署在電力監(jiān)管機構服務器上，搭建出一套功能完善、便于管理的、去中心化能源交易平臺，實現(xiàn)用戶側交易，信息查詢等功能。

圖3 基于智能合約的需求響應交易監(jiān)管Fig.3 Demand response trading regulation based on smart contracts

3 平臺建設及實現(xiàn)

在一個孤島型微電網對本文提出的基于區(qū)塊鏈的需求響應技術方案開展試驗，綜合利用區(qū)塊鏈和泛在電力物聯(lián)網技術建設智能、便捷、高效的需求響應系統(tǒng)，實現(xiàn)供電方、需求響應系統(tǒng)和用戶的點對點無縫對接、智能聯(lián)動。

（1）Hyperledger Fabric聯(lián)盟鏈需求響應交易平臺：分布式需求響應交易平臺實現(xiàn)價格可控的供需自動交易，完成區(qū)塊鏈數(shù)字簽名、密鑰管理及計量認證。供電側根據(jù)負荷監(jiān)控系統(tǒng)的需求和電力供需趨勢發(fā)布需求響應請求，供用戶通過APP、Web等軟件選擇購買。在用電側，如凈化水裝置、充電樁、住戶、路燈、養(yǎng)殖等，電網智能合約為供需雙方提供交易規(guī)則，實現(xiàn)點對點的自動交易，保存不可篡改的交易記錄，完成費用支付。交易平臺實現(xiàn)通過激勵機制，如積分、獎勵等，來鼓勵用戶在恰當?shù)臅r段選擇合適的電力形式及用電量，過程如圖4所示。

圖4 需求響應試驗系統(tǒng)處理流程Fig.4 Process of demand response test system

（2）本文利用Hyperledger Fabric聯(lián)盟鏈平臺及Go語言實現(xiàn)了后臺交易邏輯處理。以24 h為周期，在11：00的用電高峰期，出現(xiàn)30 kW的用電缺口，電網公司發(fā)布負荷消減需求，各用戶單元，根據(jù)定價模型和補貼規(guī)則制定價格。比如，對于儲能單元來說，購電的價格不應該高于0.420 585元/kWh，否則收益較??；而對于負荷聚合商來說，低于這個報價，就不會獲取高額的利潤。用戶在一天中需要的功率變化如圖5所示，圖5中列出了2個用戶的需求趨勢，其他參與用戶需求功率曲線用高斯分布仿真，其峰值出現(xiàn)在10:00到12:00之間。

圖5 用戶在24 h中的能耗功率變化趨勢Fig.5 Users’power change within 24 hours

依據(jù)2.3節(jié)競價機制的描述，該問題可歸結為多目標優(yōu)化求解問題。利用蟻群算法求解各用戶的優(yōu)化目標函數(shù)，本算法設置最大的迭代次數(shù)為140次，在競價區(qū)間隨機產生的螞蟻個體數(shù)量為35。運行算法在計算參與需求響應各方達成的合理價格，如圖6所示，隨著迭代次數(shù)的增加，價格抖動不再劇烈，越接近于達成一致價格。迭代次數(shù)結束時，各個對象收益（代價）曲線趨近于平穩(wěn)。

圖6 需求響應交易競價目標函數(shù)仿真結果Fig.6 Simulation results of demand response trading bidding objective functions

在加入需求影響補貼后，由于補貼的價格與售電價的平方有關，蟻群算法在非線性求解有著優(yōu)異的表現(xiàn)，普通用戶購電的價格不再是無限漸近上限，而是呈現(xiàn)著一種波動的形式。這同樣消減了供需差額，使得需求向著更加平穩(wěn)的趨勢發(fā)展，并且通過調整了蟻群算法信息素的揮發(fā)公式后，算法在計算24 h內的最佳值有著良好的表現(xiàn)，價格抖動不再劇烈。越接近于迭代次數(shù)結束時，各個對象收益花銷曲線趨近于平穩(wěn)，最終達成一致交易價格。

（3）“影子中心”交易監(jiān)管模式：把分布式需求響應相關的身份認證、計量認證、智能合約、設備狀態(tài)等與區(qū)塊鏈架構進行深度融合，設計“影子中心”交易監(jiān)管模式。系統(tǒng)區(qū)別于完全去中心化的區(qū)塊鏈系統(tǒng)，在云中心設置代理區(qū)塊節(jié)點，建立“影子中心”監(jiān)管機制。這種基于“影子中心”的結構是一個既適合目前中心運營管理形態(tài)，又可以在電網內部中實現(xiàn)高效分布式交易的新業(yè)態(tài)。這種探索性運用能為區(qū)塊鏈技術找到切實可行的落地項目，具體表現(xiàn)為，島內的所有凈化水裝置、充電樁、住戶、路燈、養(yǎng)殖等用戶均可參與需求響應交易，系統(tǒng)提供了可靠的計量認證技術，所有計量數(shù)據(jù)上鏈進一步保證了計量數(shù)據(jù)的可靠性，可追溯性。智能合約確保了市場參與方所有人的公平性。在充值和結算環(huán)節(jié)，由電網公司統(tǒng)一接口進行充值，結算時回收鏈上賬戶內的資金后，再向綁定銀行卡支付。

（4）云計算交易管理、最優(yōu)化高度與狀態(tài)監(jiān)測：微網的分成邊緣計算與云計算，包括區(qū)塊鏈在內的各種物聯(lián)網終端負責實時性要求高的單點設備控制、狀態(tài)監(jiān)測等由終端負責邊緣計算；而點對點的競價、合約等交易由區(qū)塊鏈完成；涉及全網的調度優(yōu)化、狀態(tài)監(jiān)測、故障定位等則由云計算完成，云計算包含有主成份優(yōu)化調度。

通過孤島型微網試驗表明：該系統(tǒng)支持多種類型需求響應主體場景，使需求響應競價體系具有智能化、自動化等特點，其研究成果對于區(qū)塊鏈技術在電力系統(tǒng)中的推廣應用具有借鑒價值。

4 結束語

本文提出了一種基于區(qū)塊鏈的綜合需求側響應交易模式，構建了基于區(qū)塊鏈的綜合需求響應交易系統(tǒng)架構，并設計核心模塊。本文建立基于區(qū)塊鏈的需求響應信息發(fā)布流程管理機制，設計需求響應合同鏈上簽訂流程，提出電力市場環(huán)境下基于區(qū)塊鏈的多時間尺度需求響應競價機制、響應效果評價和市場監(jiān)管方法，簡化需求響應交易清結算流程、保障需求響應市場交易的低成本、高效率運營，實現(xiàn)電網公司與用戶的友好互動。