王騏鑫，盧保通，王蓓蓓，王海偉，陳 晨，陶 承

（1. 東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇省南京市 210096；2. 東南大學(xué)軟件學(xué)院，江蘇省南京市 210096；3. 國網(wǎng)安徽省電力有限公司合肥供電公司，安徽省合肥市 230000）

0 引言

為了提升以光伏、風(fēng)電等為代表的可再生能源的消納比例，綠色證書（簡(jiǎn)稱綠證）交易制度作為可再生能源配額制度的配套政策被各國接受。中國于2017 年正式施行綠證制度，市場(chǎng)建設(shè)尚處于初期階段［1］，從目前運(yùn)行情況來看尚存在如下問題：首先，綠證交易低迷，截至2020 年，綠證仍未在配額責(zé)任主體側(cè)展現(xiàn)出有效的購買力，通過風(fēng)電、光伏所產(chǎn)生的綠證的實(shí)際交易量尚未達(dá)到各自總量的0.2%、0.1%［2］；其次，綠證市場(chǎng)建設(shè)的滯后使得配額責(zé)任主體的配額完成情況與其實(shí)際消納量嚴(yán)重不符［3］，可能造成消納量的重復(fù)計(jì)算；最后，當(dāng)前國內(nèi)綠證的有效性和唯一性沒有官方的證明渠道［4］，對(duì)綠證的所有權(quán)屬性尚缺乏有效的監(jiān)管。

因此，通過綠證交易促進(jìn)可再生能源消納仍缺乏強(qiáng)制性考核標(biāo)準(zhǔn)［5］，且存在高昂的信任成本［6］。但是，隨著潮流追蹤算法及其理論的發(fā)展［7］，對(duì)可再生能源流向的追蹤研究成為了可能，即通過計(jì)算配額主體可再生能源消納的真實(shí)比重［8］，在市場(chǎng)監(jiān)管不完善的階段幫助監(jiān)察機(jī)構(gòu)溯源配額主體的用能本質(zhì)，達(dá)到核實(shí)配額主體消納占比的目的。然而，通過集中式平臺(tái)構(gòu)建基于上述模型的可再生能源電力追蹤平臺(tái)會(huì)造成數(shù)據(jù)核實(shí)困難，容易發(fā)生篡改消納記錄等問題［9］。作為一種分布式記賬系統(tǒng)，區(qū)塊鏈具有數(shù)據(jù)不可篡改、智能合約自動(dòng)執(zhí)行［10］的特點(diǎn)，借助智能合約實(shí)現(xiàn)平臺(tái)運(yùn)行的業(yè)務(wù)邏輯無疑是一種合適的選擇［11］。

目前，學(xué)術(shù)界將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于配額義務(wù)考核尚處于起步階段。文獻(xiàn)［12］研究了分布式光伏就地消納模式，利用區(qū)塊鏈技術(shù)保證交易有效監(jiān)管；文獻(xiàn)［13-14］分析了在用戶側(cè)進(jìn)行超額消納量交易的機(jī)理及必要性，通過區(qū)塊鏈部署可再生能源消納存證系統(tǒng)；文獻(xiàn)［15］將區(qū)塊鏈技術(shù)作為底層分布式數(shù)據(jù)庫，基于以太坊構(gòu)建了配售電交易平臺(tái)；文獻(xiàn)［16］借助區(qū)塊鏈技術(shù)管理分布式資源，分析微網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行電力交易的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建區(qū)塊鏈交易平臺(tái)以保證交易主體決策的準(zhǔn)確性與用電的經(jīng)濟(jì)性。然而，較少有文獻(xiàn)從配額責(zé)任主體用電組成成分的角度出發(fā)，結(jié)合潮流追蹤算法為配額主體的消納結(jié)果提供定量計(jì)算模型，并借助區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建配額制實(shí)施初期的可再生能源溯源及消納考核平臺(tái)。

綜上所述，考慮到配額制實(shí)施初期的實(shí)際情況，首先，本文基于潮流追蹤算法得出適用于配電網(wǎng)的可再生能源溯源模型，并根據(jù)配額主體的電氣距離構(gòu)建了配額指標(biāo)分配模型；其次，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了涵蓋可再生能源（綠電）申報(bào)、消費(fèi)、追蹤、消納考核的智能合約，并部署在以太坊上以搭建可再生能源電力追蹤平臺(tái)。

1 基于配額制的可再生能源電力追蹤

以配額制為驅(qū)動(dòng)，可再生能源電力追蹤可對(duì)分布式可再生能源的具體流向進(jìn)行量化分析。本章介紹了目前中國實(shí)行配額制的實(shí)際情況，推導(dǎo)了可再生能源電力追蹤的基本原理和配額義務(wù)完成情況考核方法。

1.1 配額制

配額制已在世界范圍內(nèi)成為可再生能源消納的政策激勵(lì)之一，是由監(jiān)管機(jī)構(gòu)對(duì)電力用戶用電組成中的可再生能源電量占比進(jìn)行約束的措施。對(duì)于未在配額校核周期內(nèi)完成配額最低指標(biāo)的電力用戶進(jìn)行一定的懲罰。配額制的目的是為了降低棄風(fēng)、棄光率，提高可再生能源的消納量。由于電力市場(chǎng)起步較晚，配額制在中國經(jīng)歷了較長(zhǎng)時(shí)間的探索。2020 年2 月29 日，《省級(jí)可再生能源電力消納保障實(shí)施方案編制大綱》［17］正式發(fā)布，為各省級(jí)能源主管部門編制本地區(qū)實(shí)施方案作為參考。

1.2 可再生能源電力追蹤

在配額制下，可再生能源電力消納量是考核配額制完成情況的重要依據(jù)［18］。

目前，在缺乏配套考核機(jī)制的初期階段，通過潮流追蹤的方式研究促進(jìn)可再生能源電力接入的方法有一定的必要性。基于比例共享的潮流追蹤方式，將配額責(zé)任主體的用電成分進(jìn)行有效分解，保證負(fù)荷節(jié)點(diǎn)用電成分分?jǐn)偟挠行耘c合理性，為在用戶側(cè)進(jìn)行可再生能源電力消納提供依據(jù)，為配額責(zé)任主體的實(shí)際可再生能源消納量提供一種定量計(jì)算模型?？稍偕茉措娏ψ粉櫴桥漕~制的重要支撐，配額制是進(jìn)行可再生能源電力追蹤的實(shí)際需求。

1.2.1 可再生能源溯源模型

考慮到現(xiàn)有的潮流追蹤模型大多針對(duì)輸電網(wǎng)進(jìn)行潮流分析［19］，而輸電網(wǎng)中由于電阻與電抗的比值較小，電網(wǎng)的有功損耗可以忽略不計(jì)［20］，故采用直流潮流模型可以在保證精度的前提下得到具備冷啟動(dòng)能力的線性化模型。但是，考慮到配額責(zé)任主體大多通過配電網(wǎng)消納可再生能源，采用基于輸電網(wǎng)的潮流追蹤模型進(jìn)行綠電溯源會(huì)造成溯源結(jié)果不精確，影響最終考核結(jié)果。因此，本文參考文獻(xiàn)［21］，基于線性化中低壓網(wǎng)絡(luò)潮流模型推導(dǎo)適用于配電網(wǎng)的可再生能源溯源模型。

式 中：Pij為 支 路ij的 有 功 潮 流；Rij和Xij分 別 為 支 路ij的電阻和電抗；Vi和Vj分別為支路ij的首、尾節(jié)點(diǎn)電壓模值；δij為支路ij的首尾節(jié)點(diǎn)相角差。

由于式（1）、式（2）采用了具有冷啟動(dòng)能力的線性化模型，與適用于輸電網(wǎng)的直流潮流模型相比不會(huì)增加計(jì)算難度。同時(shí)，考慮到電阻對(duì)潮流的影響，在配電網(wǎng)中提高了潮流計(jì)算結(jié)果。

基于以上潮流模型，可以得到適用于配電網(wǎng)的可再生能源溯源模型［19］。

假定節(jié)點(diǎn)i的注入功率Pi為：

式中：P為節(jié)點(diǎn)注入功率向量；PG為節(jié)點(diǎn)發(fā)電機(jī)功率向量；Au為反映潮流的順流分配情況的追蹤矩陣。

其 中，矩 陣Au中 第i行、第j列 元 素Au，i，j計(jì) 算 模型為：

因此，節(jié)點(diǎn)k處的配額主體用能結(jié)果可以通過式（7）、式（8）進(jìn)行分析。

式中：PLk為節(jié)點(diǎn)k處的負(fù)荷功率中的可再生能源消納量；M為可再生能源機(jī)組數(shù)目。

1.2.2 配額考核指標(biāo)模型

根據(jù)可再生能源溯源結(jié)果可以計(jì)算出每個(gè)配額主體的可再生能源消納量，但潮流追蹤算法的本質(zhì)決定了可再生能源溯源結(jié)果受到可再生能源機(jī)組與配額主體間的電氣距離影響。如果按照配電網(wǎng)配額目標(biāo)為每個(gè)配額主體設(shè)置相同的考核指標(biāo)，無疑會(huì)造成公平性問題，使得遠(yuǎn)離可再生能源機(jī)組的主體被頻繁罰款。因此，本文基于電氣距離設(shè)置配額指標(biāo)分配模型，根據(jù)配電網(wǎng)配額目標(biāo)靈活配置考核指標(biāo)。

式中：R為可再生能源機(jī)組集合；Ci為節(jié)點(diǎn)i處的配額主體的配額系數(shù)；w為配額責(zé)任主體的數(shù)量；Dsum為所有節(jié)點(diǎn)的電氣距離之和。

式中：Qi為節(jié)點(diǎn)i處的配額主體消納指標(biāo)；Li為節(jié)點(diǎn)i處的配額主體負(fù)荷值；Tgoal為配電網(wǎng)的配額目標(biāo)。

通過以上模型可以靈活監(jiān)管配額義務(wù)完成情況。在每個(gè)核查周期內(nèi)，配額義務(wù)完成主體要向可再生能源電力追蹤平臺(tái)提交自身的消納量與配額完成情況，審核機(jī)構(gòu)對(duì)可再生能源的實(shí)際消納量及配額完成情況進(jìn)行考核。對(duì)未完成配額要求的主體，必須根據(jù)相應(yīng)政策支付懲罰金額［22］。由于配額主體的配額指標(biāo)完成度是由其實(shí)際消納量計(jì)算得出的，而消納量則是根據(jù)配額主體的用電組成成分定量計(jì)算的，相比于通過綠證等方式進(jìn)行配額考核的方式，可再生能源電力追蹤的方式無須擔(dān)心綠證的重復(fù)利用造成的用戶配額完成情況與實(shí)際消納情況不符合的現(xiàn)象，以達(dá)到通過配額制的手段提高可再生能源消納率的現(xiàn)實(shí)需求。

2 可再生能源電力追蹤區(qū)塊鏈平臺(tái)構(gòu)建

2.1 區(qū)塊鏈技術(shù)支撐下的可再生能源追蹤過程

配額制下的可再生能源電力追蹤過程涉及配額責(zé)任主體（電力用戶）、可再生能源發(fā)電商、審核機(jī)構(gòu)等多方面，其過程需要保證消納量與配額完成信息記錄情況的共識(shí)互信。另外，要實(shí)現(xiàn)配額責(zé)任主體消納電量的生命周期可追溯，以增強(qiáng)消納量存證屬性的可信度，并防止同一消納量的多次考核導(dǎo)致責(zé)任主體的配額完成情況與實(shí)際不符的現(xiàn)象。因此，借助區(qū)塊鏈技術(shù)，搭建了可再生能源電力追蹤框架，實(shí)現(xiàn)責(zé)任主體配額完成情況有源可溯、有理有據(jù)。利用區(qū)塊鏈作為分布式數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)分布式可再生能源發(fā)電商與電力用戶之間的信息互導(dǎo)，本文設(shè)計(jì)了區(qū)塊鏈支撐下可再生能源電力追蹤框架，如圖1所示?？蚣芊譃? 個(gè)模塊：鏈下處理器模塊、瀏覽器接口模塊和鏈上數(shù)據(jù)庫模塊，其中，鏈下處理器主要實(shí)現(xiàn)發(fā)用電信息采集，瀏覽器接口模塊可以通過調(diào)用智能合約提供的接口實(shí)現(xiàn)電力用戶與可再生能源發(fā)電商數(shù)據(jù)上報(bào)，鏈上數(shù)據(jù)庫模塊則保存整個(gè)可再生能源追蹤過程的數(shù)據(jù)信息。

圖1 基于區(qū)塊鏈的可再生能源電力追蹤框架Fig.1 Framework of blockchain-based renewable energy power tracking

2.2 智能合約設(shè)計(jì)

可再生能源電力交易的智能合約設(shè)計(jì)應(yīng)滿足3 項(xiàng)原則：1）配電網(wǎng)主體均可自愿發(fā)布發(fā)（用）電請(qǐng)求；2）根據(jù)配電網(wǎng)主體提交的請(qǐng)求信息自動(dòng)計(jì)算可再生能源電力追蹤結(jié)果及配額主體的消納量；3）智能合約執(zhí)行結(jié)果并自動(dòng)運(yùn)行處理。

2.2.1 發(fā)用電數(shù)據(jù)預(yù)申報(bào)及安全校核

可再生能源發(fā)電商與配額責(zé)任主體在區(qū)塊鏈平臺(tái)提交發(fā)用電請(qǐng)求，同時(shí)向智能合約中轉(zhuǎn)入一定代幣作為保證金，以在配額義務(wù)審核完成之后，對(duì)未完成配額要求的配額主體進(jìn)行懲罰。平臺(tái)根據(jù)接收的請(qǐng)求信息判斷線路潮流和節(jié)點(diǎn)電壓是否會(huì)存在越限的情況。若安全校核不通過，則借助阻塞管理［23］的方式調(diào)整配電網(wǎng)主體提交的發(fā)用電信息，直到生成滿足安全校核的發(fā)用電請(qǐng)求；若安全校核通過，則智能合約將發(fā)用電信息記錄在區(qū)塊鏈中，并將結(jié)果向全網(wǎng)廣播。具體過程如下：

步驟1：市場(chǎng)主體通過圖1 中的智能合約所提供的接口（模塊2）上傳自身的發(fā)用電請(qǐng)求，并通過MetaMask 錢包轉(zhuǎn)入以太幣。 智能合約中的mapping 數(shù)據(jù)類型將市場(chǎng)主體的發(fā)用電信息與其賬戶地址關(guān)聯(lián)起來，并存儲(chǔ)于模塊3 中的鏈上數(shù)據(jù)庫中。

步驟2：智能合約進(jìn)行阻塞管理，計(jì)算各線路潮流變化及節(jié)點(diǎn)電壓變化。一旦出現(xiàn)越限，則求取交易合同中各節(jié)點(diǎn)注入/輸出功率對(duì)阻塞的貢獻(xiàn)，給出各市場(chǎng)主體的相應(yīng)懲罰因子［23］。

步驟3：各市場(chǎng)主體從鏈上讀取自身懲罰因子，確定新的發(fā)用電信息，并通過端對(duì)端（peer-to-peer，P2P）網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)散至全網(wǎng)，由節(jié)點(diǎn)打包成區(qū)塊并達(dá)成共識(shí)。

步驟4：重復(fù)步驟2 和3，直至該時(shí)刻不出現(xiàn)潮流及電壓越限。

市場(chǎng)參與者的信息傳遞方向及智能合約調(diào)用方式如圖1 所示。從圖中可以看出，市場(chǎng)主體只負(fù)責(zé)提供發(fā)用電數(shù)據(jù)，所有過程都通過智能合約來實(shí)現(xiàn)，保證了公開透明。

2.2.2 智能電表上傳發(fā)用電數(shù)據(jù)

在智能讀表階段，智能電表將可再生能源發(fā)電商的實(shí)時(shí)發(fā)電數(shù)據(jù)與電力用戶的實(shí)時(shí)用電數(shù)據(jù)上傳至智能合約中，生成新的區(qū)塊來記錄詳細(xì)情況，同時(shí)向各節(jié)點(diǎn)發(fā)布相應(yīng)的信息。

2.2.3 可再生能源電力溯源

在潮流溯源階段，智能合約根據(jù)可再生能源電力追蹤算法自動(dòng)計(jì)算出電力用戶的用電組成成分，作為判斷用戶消納量的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，并與消納量計(jì)算智能合約進(jìn)行交互，得出電力用戶的實(shí)際消納量，自動(dòng)更新用戶在區(qū)塊鏈中存儲(chǔ)的消納值。t時(shí)刻溯源的具體過程如下：

2.2.4 配額義務(wù)審核

在配額義務(wù)審核階段，根據(jù)配額責(zé)任主體的實(shí)際消納量結(jié)算配額完成情況。在區(qū)塊鏈可再生能源消納憑證方面，針對(duì)配額責(zé)任主體的配額完成情況，區(qū)塊鏈生成相應(yīng)的消納存證，并將其寫入各配額主體區(qū)塊鏈賬戶中，通過區(qū)塊鏈的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)消納量的可追溯管理。對(duì)于未完成配額義務(wù)的責(zé)任主體，從其向智能合約中提交的保證金中扣除相應(yīng)的代幣。完成配額義務(wù)的責(zé)任主體，返還其提交的代幣。

2.3 鏈下處理

在以太坊網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需在各自的以太坊虛擬機(jī)（Ethereum virtual machine，EVM）中編譯執(zhí)行代碼，從而產(chǎn)生大量冗余計(jì)算，但每個(gè)節(jié)點(diǎn)都必須執(zhí)行該操作以驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)提交的事務(wù)的正確性。這種方式在犧牲計(jì)算效率的同時(shí)保證了分布式網(wǎng)絡(luò)的安全性。此外，EVM 的執(zhí)行結(jié)果必須具有嚴(yán)格的唯一性，即所有節(jié)點(diǎn)針對(duì)某項(xiàng)事務(wù)必須得到相同的運(yùn)行結(jié)果。正是這種特性使得智能合約和EVM 在實(shí)際運(yùn)用中存在一定的局限性。盡管區(qū)塊鏈技術(shù)帶來了效率低、算力大等不便性，但本文對(duì)配額制責(zé)任主體的消納考核是在事后進(jìn)行的，并不強(qiáng)調(diào)計(jì)算的時(shí)效性，而是更側(cè)重于事后的核查和計(jì)算。因此，對(duì)計(jì)算效率要求并不十分嚴(yán)格，并且本文機(jī)制執(zhí)行過程可以通過鏈上-鏈下相結(jié)合的方式提高計(jì)算效率，即通過智能合約的形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上鏈與本地讀取，并由鏈下處理器進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算與邏輯判斷，如圖1所示。對(duì)于可再生能源電力溯源過程中涉及的復(fù)雜矩陣運(yùn)算的步驟，如綠電追蹤、綠電消納考核等過程可以借助鏈下處理器計(jì)算，并將最終的計(jì)算結(jié)果通過智能合約提供的接口在瀏覽器頁面提交至鏈上。而對(duì)于簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)上報(bào)步驟，如綠電預(yù)申報(bào)、綠電追蹤等，則直接調(diào)用智能合約中的接口，然后通過MetaMask 錢包管理插件將數(shù)據(jù)上鏈。以太坊網(wǎng)絡(luò)中的礦工收到鏈下計(jì)算的數(shù)據(jù)后將其封裝成區(qū)塊，存儲(chǔ)在鏈上分布式數(shù)據(jù)庫中。這樣不僅減少了執(zhí)行智能合約所需的gas 值消耗，而且提高了計(jì)算的速度。

2.4 gas 值

作為區(qū)塊鏈1.0 的比特幣，其創(chuàng)新之一就是引入了激勵(lì)機(jī)制，通過獎(jiǎng)勵(lì)礦工的方式，使得去中心化網(wǎng)絡(luò)能夠穩(wěn)定地達(dá)成共識(shí)。相較于比特幣，以太坊對(duì)礦工的獎(jiǎng)勵(lì)除了成功挖礦的基礎(chǔ)獎(jiǎng)勵(lì)之外，還包括執(zhí)行智能合約代碼所消耗的gas 值。而gas 值的設(shè)定主要起到如下作用：

1）防止惡意節(jié)點(diǎn)攻擊：不同于比特幣的腳本引擎，EVM 是圖靈完備的，即可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)語句，功能更加完善，但這一優(yōu)勢(shì)也給惡意節(jié)點(diǎn)提供了死循環(huán)攻擊的可能性，使得礦工的EVM 面臨宕機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。gas 值的引入使得每執(zhí)行智能合約中的一行代碼都需消耗gas 值，如果gas 值消耗完而程序還未執(zhí)行完畢，則整個(gè)交易結(jié)果會(huì)回滾到程序執(zhí)行之間的狀態(tài)，以防止惡意節(jié)點(diǎn)的攻擊。

2）補(bǔ)償?shù)V工算力消耗：礦工執(zhí)行智能合約中的代碼需消耗自身的算力，因此，gas 值作為對(duì)礦工的一種額外獎(jiǎng)勵(lì)，可以提升礦工挖礦的積極性，從而增大網(wǎng)絡(luò)的整體算力，降低惡意攻擊的概率，穩(wěn)定去中心網(wǎng)絡(luò)的交易秩序。

3 算例分析

3.1 可再生能源溯源結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文模型的有效性，通過以太坊部署支撐可再生能源溯源及核查的智能合約。場(chǎng)景設(shè)置以14 節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)為例，配額責(zé)任主體L1、L2，配電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)ESS 以及分布式光伏PV0、PV1、PV2 節(jié)點(diǎn)位置如附錄A 圖A1 所示，相關(guān)功率信息如圖A2所示。

配額主體L2 是產(chǎn)銷者，配備有一定容量大小的光伏。在平臺(tái)的智能讀表階段，配額主體與可再生能源機(jī)組通過智能合約自動(dòng)將實(shí)時(shí)發(fā)用電數(shù)據(jù)更新至區(qū)塊鏈鏈上保存，以防止篡改。

區(qū)塊鏈通過溯源智能合約進(jìn)行鏈上計(jì)算得到配額主體的電能成分，并將其映射至用戶地址對(duì)應(yīng)的數(shù)組中，并用Event（地址、時(shí)間、用能成分）記錄，以防止篡改。圖2 顯示了L1、L2 每小時(shí)的用電組成成分，表明通過溯源智能合約可以清晰地計(jì)算出各時(shí)段配額主體可再生能源消納的實(shí)際情況。以太坊通過智能合約之間的通道，將Event 數(shù)據(jù)傳輸至消納量結(jié)算智能合約進(jìn)行消納量計(jì)算。

圖2 電力用戶的用電組成成分Fig.2 Electricity consumption components of power users in a day

通過式（9）—式（12）可以得到，L1 到各個(gè)可再生能源機(jī)組的綜合電氣距離為4，L2 到各個(gè)可再生能源機(jī)組的綜合電氣距離為2。因此，假定配電網(wǎng)配額目標(biāo)為全網(wǎng)負(fù)荷的25%，則各配額主體的配額目標(biāo)如表1 所示。

表1 25%消納目標(biāo)下的配額主體配額目標(biāo)Table 1 Quota target of quota subjects under accommodation target of 25%

通過智能合約計(jì)算可以得到L1 的實(shí)際消納量為3 843 kW·h，消納比為21.64%，L2 的實(shí)際消納量為5 404 kW·h，消納比為35.04%。附錄B 圖B1 展現(xiàn)了智能合約輸出結(jié)果。

在一個(gè)審核周期內(nèi)，審核機(jī)構(gòu)可以調(diào)用配額義務(wù)審核智能合約進(jìn)行審核，輸入量為待考核用戶的賬戶地址，當(dāng)用戶的配額完成度不符合要求時(shí)進(jìn)行懲罰。由于靈活的配額指標(biāo)模型的設(shè)計(jì)，L1 與L2不再按照統(tǒng)一的25%目標(biāo)進(jìn)行考核，L1 由于距離可再生能源機(jī)組電氣距離較遠(yuǎn)，消納目標(biāo)僅需要15.57%，而L2 由于距離可再生能源機(jī)組電氣距離較近，消納目標(biāo)需要35.86%。因此，在新的考核指標(biāo)下，L2 需要受到懲罰，智能合約執(zhí)行結(jié)果如附錄B 圖B2 所 示。

3.2 潮流算法對(duì)可再生能源溯源結(jié)果的影響

輸電網(wǎng)中由于電阻與電抗的比值較小，電網(wǎng)的有功功率損耗僅占傳輸功率的6%以下。因此，基于直流潮流的潮流追蹤結(jié)果的精度可以得到保證。但是，本文可再生能源溯源模型針對(duì)的是配電網(wǎng)，考慮到配電網(wǎng)電阻與電抗的比值較大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于線性潮流模型的可再生能源溯源方法，并比較了其與直流潮流算法、精確潮流算法對(duì)于溯源結(jié)果的影響，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同潮流算法下的可再生能源溯源結(jié)果Fig.3 Renewable energy traceability results with different power flow algorithms

從圖3 可以發(fā)現(xiàn)，由于潮流算法的精度影響，會(huì)使得可再生能源溯源結(jié)果產(chǎn)生差異，從而影響到考核目標(biāo)完成情況的分析。通過分析一整天的電力用戶的消納情況并進(jìn)行對(duì)比可知，在精確潮流算法下，L1 的實(shí)際消納量為3 805 kW·h，消納比為21.53%，L2 的實(shí)際消納量為5 350 kW·h，消納比為34.98%。

表2 給出了不同潮流算法下電力用戶的消納情況對(duì)比?？梢钥闯?，相比于直流潮流算法，線性潮流算法的結(jié)果更加接近精確潮流算法。而精確潮流算法一般需要經(jīng)過迭代計(jì)算得出結(jié)果，在分布式的場(chǎng)景下計(jì)算效率及算力明顯不如集中式算法。因此，線性潮流算法對(duì)傳統(tǒng)算法進(jìn)行了改進(jìn)，在保證高計(jì)算精度的同時(shí)減少了算法的復(fù)雜度，適合在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中使用，以減少對(duì)鏈上資源的占用。

表2 不同潮流算法下的電力用戶可再生能源消納Table 2 Renewable energy accommodation of power users with different power flow algorithms

3.3 算例對(duì)比分析

針對(duì)配額制下促進(jìn)可再生能源消納的問題，文獻(xiàn)［6］通過引入綠證的方式進(jìn)行解決，將可再生能源電力與綠證解捆，設(shè)計(jì)了綠證雙邊交易機(jī)制，搭建了綠證交易平臺(tái)。證電分離的措施是為了保證綠證的真實(shí)環(huán)境價(jià)值和確保綠證在流通過程中的可靠性和有效性，但配額審核的流程會(huì)變得更加復(fù)雜且審核周期也相應(yīng)延長(zhǎng)。本文在附錄A 圖A1 所示的配電網(wǎng)中對(duì)電力用戶進(jìn)行配額義務(wù)考核，以推動(dòng)配電網(wǎng)范圍內(nèi)配額制的發(fā)展。為了進(jìn)行合理、有效的對(duì)比分析，首先借助區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)文獻(xiàn)［6］所提出的綠證流通全生命周期，包括綠證核發(fā)、綠證交易、綠證核查，涉及的主體有電力用戶（配額義務(wù)承擔(dān)主體）、可再生能源發(fā)電商、交易平臺(tái)、監(jiān)審機(jī)構(gòu)。其中，可再生能源發(fā)電商資質(zhì)審核、可再生能源上網(wǎng)電量、綠證掛牌交易等17 個(gè)流程在區(qū)塊鏈中的執(zhí)行過程如附錄C 圖C1、圖C2、圖C3 所示。

考慮到審核流程的復(fù)雜性，在測(cè)試區(qū)塊鏈上要完成綠證全生命周期的追蹤需要經(jīng)過248 430 個(gè)區(qū)塊的確認(rèn)，審核周期過長(zhǎng)。此外，由于判斷邏輯的增加，使得執(zhí)行智能合約所消耗的gas 值也達(dá)到了4 373 503。而本文根據(jù)圖1 搭建的基于區(qū)塊鏈的可再生能源電力追蹤平臺(tái)，完成可再生能源電力追蹤以及消納量考核的流程只需經(jīng)過89 692 個(gè)區(qū)塊確認(rèn)，執(zhí)行智能合約所消耗的gas 值也減少了50%以上。可再生能源電力溯源以及配額義務(wù)考核在區(qū)塊鏈上的執(zhí)行過程如附錄C 圖C4 所示。表3 對(duì)比了兩種區(qū)塊鏈平臺(tái)在實(shí)際執(zhí)行過程中所需的確認(rèn)區(qū)塊數(shù)與所消耗的gas 值之間的差別。

表3 兩種區(qū)塊鏈的確認(rèn)區(qū)塊數(shù)和消耗的gas 值比較Table 3 Comparison of number of confirmed blocks and consumed gas between two kinds of blockchains

從對(duì)比分析可以看出，通過可再生能源電力追蹤的方式搭建區(qū)塊鏈平臺(tái)，可以避免證電分離帶來的綠證核發(fā)、交易等諸多中間狀態(tài)，在達(dá)成配額義務(wù)考核目的的情況下，減少了考核的流程。同時(shí)，執(zhí)行智能合約所消耗的gas 值也有所減少，降低了交易成本，適合在配額制實(shí)施初期各項(xiàng)制度還不完善的情況下應(yīng)用。另外，借助可再生能源電力追蹤的方式來實(shí)現(xiàn)配額義務(wù)的考核，可以避免證電分離之后，綠電和綠證在不同市場(chǎng)交易所造成的同樣的環(huán)境屬性定價(jià)的差異性，在源頭上制止了綠電和綠證重復(fù)計(jì)算的情況。

此外，圖4 展示了在區(qū)塊鏈上通過文獻(xiàn)［6］所提出的方式進(jìn)行配額義務(wù)審核時(shí)，單位交易電量所消耗的gas 值與交易電量的關(guān)系?？梢钥闯?，在配電網(wǎng)中交易電量較少時(shí)，單位交易電量所消耗的gas值較多，成本較大。因此，在配電網(wǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行配額義務(wù)審核時(shí)，不適合使用綠證交易的方式。

圖4 單位交易電量成本與交易電量之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between cost of unit transaction quantity and transaction quantity

3.4 更大規(guī)模的算例應(yīng)用

為驗(yàn)證本文方法在多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中的有效性，在IEEE 300 節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行了可再生能源電力追蹤，分析了25 個(gè)電力用戶的消納量及配額完成情況，結(jié)果如表4 所示。表中，“單位用電量消納可再生能源電量”表示電力用戶每使用1 kW·h 電量所消納的可再生能源的發(fā)電量。

表4 IEEE 300 節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中25 個(gè)電力用戶配額完成情況Table 4 Status of 25 power user quotas in IEEE 300-bus network

4 結(jié)語

本文考慮到配額制在中國實(shí)施初期，綠證等金融手段在促進(jìn)可再生能源消納方面表現(xiàn)乏力，研究了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的可再生能源電力追蹤方法，對(duì)于分布式可再生能源電力的具體流向以及電力用戶的用電組成成分進(jìn)行了定量的分析，通過智能合約自動(dòng)計(jì)算用戶的實(shí)際消納量與配額完成情況。在以太坊上搭建可再生能源電力追蹤平臺(tái)，利用區(qū)塊鏈去中心化的方式維護(hù)數(shù)據(jù)的一致性與不可篡改性。通過算例比較可以看出，配額制實(shí)施初期階段，在配電網(wǎng)范圍內(nèi)，借助綠證等金融手段進(jìn)行考核存在審核流程復(fù)雜和交易成本較大等問題，而可再生能源電力追蹤的方式則是從配額制的本質(zhì)出發(fā)，不涉及額外的交易標(biāo)的物，簡(jiǎn)化了配額考核的流程，在保證配額制實(shí)施合理的前提下，有效降低了交易過程中所消耗的gas 值，可以促進(jìn)配額制由初期階段到成熟階段的過渡。

本文所構(gòu)建的可再生能源溯源方法可以在用戶側(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)可再生能源的消納，適用于配額制初期市場(chǎng)制度尚不完善的階段在配電網(wǎng)小范圍內(nèi)實(shí)施。然而，隨著配額制的進(jìn)一步發(fā)展與成熟，需要研究可再生能源跨省跨區(qū)消納，后續(xù)的研究可以借助聯(lián)盟鏈技術(shù)設(shè)計(jì)考慮綠電市場(chǎng)及分布式可再生能源跨區(qū)交易的市場(chǎng)機(jī)制。在進(jìn)行跨區(qū)交易后，配電網(wǎng)之間可以實(shí)現(xiàn)供需互補(bǔ)，降低配電網(wǎng)消納可再生能源的成本。

本文得到國網(wǎng)合肥供電公司項(xiàng)目“多站融合區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用研究”的資助，特此感謝！

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡(luò)全文。