謝敬東,周雪梅,王詩瑤,孫欣,孫波

(1.上海電力大學 能源電力科創(chuàng)中心,上海 200082; 2.上海電力大學 電氣工程學院,上海 200082)

0 引 言

隨著新一輪電力體制改革[1]的有序推進,電力市場建設的各方面均取得了積極進展,具體表現(xiàn)為電力市場建設初具規(guī)模,電力交易中心相繼成立,市場化交易更加活躍。目前,全國各電力交易中心在電力市場推進的過程中發(fā)揮了積極作用,2019年組織開展的各類交易電量合計為28 344億千瓦時。然而,目前電力交易中心還存在以下問題：1)隨著能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略及低碳經濟政策的進一步推進,分布式能源、儲能以及柔性負荷大量并網,電力市場交易主體數量激增[1],導致了交易平臺集中出清過程中需要處理的數據量呈指數級增長。而目前的電力交易平臺難以進行大規(guī)模數據處理;2)由于目前電力交易中心組織架構的限制,交易信息難以跨區(qū)域共享,交易中心無法實現(xiàn)全國資源的統(tǒng)一優(yōu)化配置。盡管電網公司提出通過建設兩級電力市場實現(xiàn)分級優(yōu)化,但由于各省級電力市場內部結構較為復雜,導致在實現(xiàn)全國資源統(tǒng)一優(yōu)化配置的過程中難度較大。因此,迫切需要建立分布式電力市場交易平臺,適應大規(guī)?？稍偕茉磪⑴c市場的需要。

區(qū)塊鏈在能源電力行業(yè)具有廣闊的應用前景,且其目前尚處于起步階段[2]。目前,國內外已有多篇文獻對區(qū)塊鏈技術及智能合約在能源領域中的應用進行了研究[3-8]。文獻[9-11]主要分析了區(qū)塊鏈技術在能源電力方面的可行性及適用性。文獻[12]研究了區(qū)塊鏈技術和分布式交易結合的優(yōu)勢,并總結分析了現(xiàn)有的基于區(qū)塊鏈技術的能源交易理論和實際應用;文獻[13]分析了區(qū)塊鏈技術和能源交易結合的優(yōu)勢,并提出了基于區(qū)塊鏈的電力市場交易模型。

然而截止目前,區(qū)塊鏈技術在電力交易平臺中的應用還存在若干問題。文獻[14]提出了一種基于區(qū)塊鏈技術的分布式能源交易體系構架,但該構架并未脫離傳統(tǒng)的集中撮合交易模式,且缺乏交易的自主性。文獻[15]研究了基于以太坊的雙掛雙摘分布式電力交易模式,雖然該模式擺脫了傳統(tǒng)的集中交易模式,滿足了用戶在交易中對信任、公平及隱私等方面的要求,但對于交易過程中的風險并未納入考慮。

因此,提出了基于區(qū)塊鏈技術的分布式電力市場交易平臺。此平臺可以充分發(fā)揮區(qū)塊鏈技術去中心化、開放性、安全性等優(yōu)勢,從而滿足電力市場多主體進行分布式電力交易的需求;平臺利用掛牌交易機制,保障了市場主體自主性交易的要求;考慮了在此交易模式下電力交易風險的監(jiān)管方法以及促進可再生能源消納的綠證交易方式,以推進我國電力市場改革。

1 基于區(qū)塊鏈技術的電力交易機制研究分析

對目前現(xiàn)有的基于區(qū)塊鏈技術的電力市場交易機制進行分析,發(fā)現(xiàn)與所提出的交易機制存在以下六點區(qū)別,具體對比如表1所示。

表1 目前基于區(qū)塊鏈的電力市場交易機制和文中提出的交易機制對比

1)問題由來不同：目前現(xiàn)有的基于區(qū)塊鏈的電力市場交易機制主要利用區(qū)塊鏈技術的優(yōu)勢搭建分布式交易平臺,以解決目前集中式交易平臺難以處理大規(guī)?？稍偕茉唇灰椎膯栴};提出的基于區(qū)塊鏈技術的市場交易機制是一種新的統(tǒng)一電力市場交易機制,該交易機制解決了建設全國統(tǒng)一電力市場需求中由于計算量巨大而難以處理安全校核下的市場出清問題。

2)出清方式不同：目前現(xiàn)有的基于區(qū)塊鏈的電力市場交易機制基本采用集中出清的方式,各節(jié)點交易需要平臺集中撮合;提出的交易機制采用分布式自主出清的方式,平臺提供交易節(jié)點自主選擇的機會,無需交易平臺撮合,以降低平臺交易的壓力,保障交易的自主性。

3)優(yōu)化方式不同：目前現(xiàn)有的基于區(qū)塊鏈的電力市場交易機制采用的是分層優(yōu)化模型,在省級優(yōu)化的基礎上,在全國范圍內進行統(tǒng)一資源優(yōu)化配置;提出的基于區(qū)塊鏈的電力交易機制可直接進行全網統(tǒng)一優(yōu)化,實現(xiàn)資源統(tǒng)一優(yōu)化配置。

4)安全校核：目前現(xiàn)有的基于區(qū)塊鏈的電力交易機制需要考慮安全校核的問題,一般利用安全校核智能合約進行潮流計算;所設計的交易機制考慮了偏差處理機制,該機制將電力交易與安全校核分離,平臺僅考慮電量交易的過程,而安全校核由調度機構負責。平臺將交易信息同步至調度機構,由調度機構負責安全校核并將交易執(zhí)行結果反饋至交易平臺。

5)監(jiān)管方法：目前現(xiàn)有的基于區(qū)塊鏈的電力交易機制與監(jiān)管機構脫離,交易違規(guī)行為監(jiān)管由監(jiān)管機構專門負責;文中的電力交易機制提出了監(jiān)管違規(guī)行為的智能合約,每個交易主體均可通過調用該智能合約實現(xiàn)對市場交易違規(guī)行為的監(jiān)管,監(jiān)管結果自動上傳至監(jiān)管機構,由監(jiān)管機構做進一步的判斷,以保障平臺上電力交易安全性及穩(wěn)定性。

6)信用管理：目前現(xiàn)有的基于區(qū)塊鏈的電力交易機制與信用管理機構脫離,信用管理由征信機構負責;提出的電力交易機制設計了內外兩級的信用管理機制：設置了信用評分機制,交易雙方在交易成功后互相評價進而更新節(jié)點信譽值;將交易信息同步至外部征信機構,由征信機構結合企業(yè)其他相關信息定期更新各個節(jié)點的綜合信譽值并將結果同步至交易平臺公布。平臺根據綜合信譽值進行獎懲,以約束平臺上各交易主體的交易行為。

2 區(qū)塊鏈技術及智能合約

區(qū)塊鏈是分布式數據存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法等計算機技術的新型應用模式[16-17],其本質上是一種去中心化的數據庫,通過相鄰區(qū)塊間首尾哈希值單向連接實現(xiàn)鏈式存儲。其概念模型如圖1所示。

區(qū)塊鏈是一個分布式的公共賬本,它構建在分布式網絡基礎之上。網絡中的每一個節(jié)點都有一個該賬本的副本,且副本隨賬本的更新及變動而同步更新。近年來,由于區(qū)塊鏈技術的去中心化、開放性、自治性、信息不可篡改性及匿名性等優(yōu)點,在各行業(yè)領域得到廣泛應用。將區(qū)塊鏈技術引入電力市場交易平臺,可以充分發(fā)揮區(qū)塊鏈技術在分布式交易中的優(yōu)勢,滿足交易去中心化、交易安全性、分布式監(jiān)管等要求,實現(xiàn)保障交易安全、保護市場隱私、降低交易成本的目的。

智能合約是區(qū)塊鏈技術的重要技術特征之一,可以較好地解決交易過程中低效率的問題。利用程序算法替代人為決定及執(zhí)行合同是智能合約的最大優(yōu)勢,因此可以避免惡意行為對合同執(zhí)行的干擾,提高了區(qū)塊鏈交易效率。智能合約繼承了區(qū)塊鏈的3個特性：數據透明,不可篡改,永久運行,因此可以被用戶信賴。在可靠性方面,區(qū)塊鏈中的部分節(jié)點失效不會影響智能合約的運行,保證了智能合約的實時有效性[18]。智能合約可以保障區(qū)塊鏈中交易雙方的權利義務和合約執(zhí)行。交易將在滿足條件時自動執(zhí)行,不需要人為的推動以及第三方監(jiān)督[19]。區(qū)塊鏈智能合約的運行模式如圖2所示。

圖2 智能合約運行模式

3 基于區(qū)塊鏈技術的分布式交易平臺的總體設計

提出基于區(qū)塊鏈技術的分布式電力市場交易平臺,該平臺在現(xiàn)有電力市場建設思路的基礎上,引入區(qū)塊鏈技術,打破傳統(tǒng)思維約束,建立了一套全新的電力市場交易模式。平臺涉及的交易主體構架如圖3所示,主要包含：售電企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、電力用戶、電網企業(yè)、金融及政府機構等,缺一不可。

圖3 分布式電力市場交易平臺的主體構架

設計的分布式電力交易平臺,其“分布式”主要體現(xiàn)在兩個方面：一、P2P交易模式即點對點直接交易。利用區(qū)塊鏈技術實現(xiàn)交易雙方去中心化交易,可以解決傳統(tǒng)中心化機構高成本、低效率及數據存儲不安全的問題;二、掛牌交易模式。采用掛牌交易模型,買賣雙方分別發(fā)布掛牌摘牌信息,買方自由選擇摘牌對象進行摘牌,無需交易中心集中撮合,以實現(xiàn)自主性交易。分布式交易模式實現(xiàn)了買賣雙方的自主交易,解決了交易中的信任問題,保證了交易的公平性和透明性,提高了交易的靈活自主性。

構建以區(qū)塊鏈技術為基礎的分布式電力市場交易平臺,其總體設計思路如下：首先,平臺安排各交易主體進行注冊認證,認證成功的交易主體即可成為交易平臺上的節(jié)點進行掛牌交易。同時,不同信譽等級的用戶需要向平臺提交不同額度的履約保函。若用戶交易過程中發(fā)生違規(guī)行為,平臺將扣取一定的保證金作為懲罰措施。其次,買賣雙方進行掛牌交易。在掛牌交易的過程中,為避免電力交易中存在的諸多問題,文章認為可以分離電力的金融屬性和物理屬性,僅考慮電量交易過程。賣方發(fā)布掛牌電量及掛牌電價,買方依據摘牌電量自行選擇合適的交易對象進行摘牌。平臺將以上交易信息同步至調度機構,由調度機構保障整個電網安全。若交易成功執(zhí)行,則按照摘牌價格進行結算;若交易不成功,平臺可以安排未交易成功的部分電量進行合同電量轉讓并結合差價合約進行結算。輸配電價的定價采用“郵票法”,平臺需事先公布每個區(qū)域“郵票法”的輸配電價,并結合買賣雙方的地理位置,在不影響網絡安全的情況下選擇輸配電費最低的路線進行電量輸送。交易執(zhí)行后,平臺要求買賣雙方相互進行評價,以此更新交易雙方的信譽值。若節(jié)點信譽值過低,平臺可以強制清退該節(jié)點;若節(jié)點信譽值較好,平臺可給予一定程度獎勵。與此同時,平臺設立了市場交易違規(guī)行為監(jiān)管機制,各交易主體可自行調用監(jiān)管機制監(jiān)管市場交易行為,將結果上傳至監(jiān)管機構,由監(jiān)管機構進一步判斷,從而保障交易平臺健康平穩(wěn)運行。最后,交易平臺設計了綠證交易輔助區(qū)塊鏈,以促進可再生能源消納、實現(xiàn)2050年達到全國碳中和的目標?？傮w設計框架如圖4所示。

各交易主體在進行電力掛牌交易的過程中,采用了以下七種機制,具體如下：

1)實名認證注冊機制。第一,各交易主體在平臺進行注冊認證。認證通過的節(jié)點即可成為區(qū)塊鏈交易平臺上的節(jié)點,進行匿名交易。節(jié)點注冊的類型可分為售電節(jié)點和購電節(jié)點。若某節(jié)點既可售電也可購電,則按售電節(jié)點類別進行注冊。第二,為保障提交信息的真實有效性,區(qū)塊鏈平臺需設計驗證節(jié)點,由驗證節(jié)點對交易主體提交的申請信息進行復核;

圖4 總體設計框架

2)節(jié)點退出機制。平臺若接收到某節(jié)點退出交易平臺的申請,需保證該節(jié)點暫無未完成的交易。平臺若發(fā)現(xiàn)某節(jié)點長時間未參與交易,則認定此節(jié)點為不活躍用戶,并回收該賬戶。平臺若發(fā)現(xiàn)已參與交易的某節(jié)點不符合準入要求、多次違反法律規(guī)定、信譽扣分累計達到一定值,即可強制清退該節(jié)點。交易節(jié)點退出平臺后,若重新提交申請進入平臺,平臺需確保該節(jié)點滿足準入要求,方可審核通過。若發(fā)現(xiàn)某節(jié)點因違反法律規(guī)定且出現(xiàn)重大問題造成影響惡劣的,平臺將永久限制其準入;

3)合約保障機制設計。交易雙方進行掛牌交易,若交易達成,交易信息經過該交易平臺同步至調度機構,由調度機構最終將交易執(zhí)行結果反饋至交易平臺。若買賣雙方在平臺達成的交易未能成功執(zhí)行,則平臺將通過合約保障機制進行處理。合約保障機制有以下四種：(a)平臺根據調度機構的執(zhí)行結果對未能成功執(zhí)行的交易電量安排合同電量轉讓,由其他節(jié)點代發(fā),以解決部分電量交易不成功的問題;(b)平臺對不能成功交易的部分電量可利用儲能技術滿足其用電需求;(c)平臺允許購電節(jié)點購買金融輸電權(FTR)[20],以保障電力交易成功執(zhí)行。若交易未能成功執(zhí)行,則購買FTR的節(jié)點可獲得一定的經濟補償;(d)對于合同電量與實際交易執(zhí)行過程存在的偏差,建立偏差處理機制。在實際運行之前,各售電節(jié)點通過平臺上報其可供調度機構調整的電量信息。在實際運行日,由調度機構根據偏差情況,在確保網絡安全的情況下,對可供調度的部分機組傳達上調出力或下調出力的指令以維持系統(tǒng)電量平衡;

4)輸配電價定價設計。采用“郵票法”確定輸配電價。此方法在確定區(qū)域輸配電價時可完全忽略距離及位置帶來的影響,僅在考慮電網運營總成本的基礎上按照實際輸送的電量確定價格?！班]票法”確定輸配電價的方法如下：第一,按照國家輸配電價管理相關規(guī)定,明確每個區(qū)域“郵票法”的輸配電價及其動態(tài)調整方案,并網上公布。第二,在不影響電網安全的情況下,市場交易節(jié)點之間若有多條線路可供選擇時,平臺可根據經濟性原則確定最佳的線路進行電量輸送;

5)信用管理機制設計。設計了一套完整的內外兩級信用管理機制：平臺內部信用管理機制與外部征信機構信用管理機制。內部信用管理機制：交易成功的雙方相互評價,平臺依據評價結果不斷更新節(jié)點信譽值,并及時向全網公開。此信譽值可作為各交易節(jié)點選擇交易對象的參考依據之一。外部征信機構信用管理機制：平臺定期將各交易主體的交易信息及評價情況同步至外部征信機構。征信機構結合企業(yè)其他相關信息,定期更新各個交易節(jié)點的綜合信譽等級,再將更新情況反饋至交易平臺,以更新平臺上各個節(jié)點的綜合信譽等級。平臺與交易主體之間按照此綜合信譽等級確定履約保函的額度,綜合信譽等級越高,履約保函的額度越低。依據綜合信譽等級,平臺獎勵高信譽的主體：節(jié)點在區(qū)塊鏈平臺上挖礦以獲取記賬權,信譽值越高,節(jié)點挖礦難度越低,獲得記賬權的概率越大,挖礦收益越高;平臺懲罰低信譽的主體：若節(jié)點信譽值過低,則平臺扣取一定的保證金,對低信譽主體進行警告并全網公示;

6)市場交易違規(guī)行為監(jiān)管機制設計。文章設計了市場交易違規(guī)行為的判定方法,其設計思路如下：首先,確定與交易違規(guī)行為相關的指標,進行指標篩選,構建交易違規(guī)行為識別指標體系;其次,使用分類算法構建交易主體違規(guī)行為識別方法;最后,根據識別算法與實際交易信息判斷市場主體是否存在交易違規(guī)行為。將該違規(guī)行為識別方法寫入智能合約,每個市場主體均可通過調用該智能合約來識別市場違規(guī)行為。若節(jié)點發(fā)現(xiàn)了符合交易違規(guī)行為條件的交易主體,可將該監(jiān)督結果上傳至監(jiān)管機構,由監(jiān)管機構進一步處理;

7)建立綠證交易機制。為促進可再生能源消納,提出綠證交易輔助區(qū)塊鏈的概念,強制配額交易。其交易流程如下：根據可再生能源配額制,各省獲得其對應所需消納權重,最終分配到各個用戶。該輔助交易鏈可以追溯每個節(jié)點有關清潔能源的每筆交易情況,用戶可實時查看可再生能源交易量是否達到配額要求。若不滿足要求,則用戶需要在一定時間內在輔助區(qū)塊鏈上向可再生能源發(fā)電商購買綠證[21-22],綠證不足部分需要繳納罰款。不同類型可再生能源1MWH對應的綠證價值略有差別。輔助區(qū)塊鏈上綠證的交易采取單向掛牌交易方式進行,由可再生能源發(fā)電商掛牌,購電用戶進行摘牌。

4 分布式電力市場交易平臺關鍵智能合約

4.1 基于智能合約的分布式電力交易流程

智能合約作為交易系統(tǒng)的底層代碼,是實現(xiàn)區(qū)塊鏈技術應用的關鍵。所設計的基于智能合約的分布式電力交易流程如圖5所示,包括資質檢驗、發(fā)布掛牌摘牌信息、用戶摘牌、交易執(zhí)行、交易結算等。

4.2 分布式電力交易智能合約

基于區(qū)塊鏈的智能合約是實現(xiàn)區(qū)塊鏈技術應用的關鍵,通過智能合約中定義的狀態(tài)變量、結構類型、函數、事件等內容實現(xiàn)具體應用的開發(fā)。針對分布式電力交易流程設計了不同功能函數,具體函數如下：

圖5 基于智能合約的分布式電力交易流程

1)資質檢驗函數：參與區(qū)塊鏈交易平臺的主體通過該函數進行注冊認證,不同類型的交易主體注冊不同類型賬號。若注冊為售電節(jié)點,交易主體通過該函數向平臺提供企業(yè)相關的真實有效信息,包括企業(yè)法人信息、開戶銀行、營業(yè)執(zhí)照及信譽報告等,其中身份信息需要上傳法人身份證進行實名認證并定期核驗。若注冊為購電節(jié)點,交易主體只需向平臺提交基本信息并進行實名認證即可。若交易主體提供的信息不完整、不正確、失效,則平臺將不通過申請。申請通過的交易主體即可成為區(qū)塊鏈中的一個節(jié)點進行匿名交易;

2)發(fā)布需求函數：在發(fā)布需求階段,買賣雙方均可通過該函數在交易平臺上發(fā)布掛牌及摘牌請求,智能合約將按時間順序記錄所有請求。平臺提供兩種掛牌交易模式,任選其一：一、售電節(jié)點掛牌,購電節(jié)點摘牌。售電節(jié)點通過該函數向平臺提交下一周期的交易合同、掛牌電量和掛牌電價。購電節(jié)點通過該函數向平臺提交下一周期的摘牌電量。二、購電節(jié)點掛牌,售電節(jié)點摘牌。購電節(jié)點通過該函數向平臺提交下一周期的交易合同、掛牌電量和掛牌電價。售電節(jié)點通過該函數向平臺提交下一周期的摘牌電量;

3)優(yōu)化算法函數：摘牌節(jié)點在確定摘牌階段可選擇調用該函數,以獲取其可采納的最佳交易策略。根據2)中的兩種掛牌交易模式,對應有兩種優(yōu)化算法函數。

模式一：當售電節(jié)點掛牌,購電節(jié)點摘牌時,購電節(jié)點調用其對應的優(yōu)化函數,即可獲得平臺綜合推薦的最佳交易策略,購電節(jié)點可依據此交易策略選擇最佳摘牌對象進行交易。此函數綜合考慮售電節(jié)點的掛牌價格、輸配電價、信譽等級和碳排放量,為摘牌節(jié)點提供最佳交易策略。

模式二：當購電節(jié)點掛牌,售電節(jié)點摘牌時,售電節(jié)點也可調用其對應的優(yōu)化函數,以獲取最佳交易策略。此函數綜合考慮購電節(jié)點的掛牌價格和信譽等級。

4)確定摘牌函數：在規(guī)定的摘牌時間內,摘牌節(jié)點根據優(yōu)化算法函數提供的交易策略或根據自身實際需求通過該函數自主選擇交易對象進行摘牌;

5)交易結算函數：各參與者在電能傳輸時間內調整發(fā)用電計劃,通過增加發(fā)電或降低負荷以完成交易。平臺可依據智能電能表反饋的數據利用該函數自動進行結算。購電節(jié)點需在平臺預付結算費用,若交易成功,預付的電費將自動轉入到售電節(jié)點的賬戶中,同時可向原購電節(jié)點返還結算電量與摘牌電量的差價;若未交易成功,則購電節(jié)點其預付的資金將自動返回至原賬戶。交易完成,平臺可根據以下三種情況進行考慮：

第一,若實際交易均按照原始掛牌交易結果調整發(fā)用電計劃,維持供需平衡,則按照摘牌價格及實際電量進行結算。結算價格需要包含輸配電費。假設一筆交易電量從A地到C地進行輸配電,途徑B地,則輸配電費如式(1)所示：

S=α*Q+β*Q+γ*Q

(1)

式中S為購電節(jié)點需支付的輸配電費;α、β、γ分別為A地、B地、C地的“郵票法”輸配電價;Q為實際輸送電量。

第二,若購電用戶實際消耗電量低于約定電量或售電節(jié)點實際提供電量高于約定電量,備用機組需要降低出力以彌補交易過程中存在的偏差。則交易節(jié)點先按約定電量及摘牌電價進行結算,然后可獲得來自備用的補償。補償價格如式(2)所示：

P=a|ΔQ|

(2)

式中P為備用機組補償給交易節(jié)點的金額;a為備用下調出力的單位成本;ΔQ為約定電量與實際消耗電量的差值。

第三,若購電用戶實際消耗電量高于約定電量或售電節(jié)點實際提供電量低于約定電量,備用機組需要增加出力以彌補交易過程中存在的偏差,則交易節(jié)點首先按約定電量及摘牌電價進行結算,同時需補償備用機組。補償價格如式(3)所示：

P′=a′|ΔQ|

(3)

式中P′為交易節(jié)點需補償給備用的費用;a′為備用增加出力的單位成本。

6)交易評價函數：該函數設定信譽值的高低與好評率和交易活躍度相關。交易成功的雙方相互評價,平臺利用該函數自動更新交易節(jié)點的信譽值。信譽值的更新公式如式(4)所示：

(4)

7)交易監(jiān)管函數：各個交易節(jié)點可隨時調用該函數對市場主體交易違規(guī)行為進行監(jiān)管,以防范電力市場交易的風險,保障電力市場平穩(wěn)健康發(fā)展。該函數將違規(guī)行為判斷方法轉化為程序代碼寫入區(qū)塊鏈的智能合約中。每個節(jié)點都可以依據該智能合約的ID進行調用,從而對交易違規(guī)行為進行監(jiān)管。若某節(jié)點判斷出某一交易主體存在市場交易違規(guī)行為,則自動將該結果上傳至交易平臺的監(jiān)管節(jié)點,由監(jiān)管節(jié)點結合該交易主體的其他相關信息進行最終判斷。若監(jiān)管節(jié)點最終判定某交易主體存在違規(guī)行為,平臺則視情況對該節(jié)點扣除一定程度的保證金及信譽積分,并全網發(fā)布公告警示。

5 結束語

隨著新一輪電力體制改革的推進,多元化的市場主體參與競爭成為我國能源交易發(fā)展的新趨勢。設計的基于區(qū)塊鏈技術的分布式電力市場交易平臺實現(xiàn)了分布式交易,滿足了大規(guī)模電力交易需求,避免了電力交易過程中存在的諸多問題?；谖闹姓w的設計方案,未來將在優(yōu)化算法、電力交易違規(guī)行為監(jiān)管等方面繼續(xù)進行深入研究。