發(fā)布時間：2020-02-12所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：作為一種去中心化的分布式記賬模式，區(qū)塊鏈可以通過數(shù)據(jù)加密、時間戳、智能合約等技術手段，實現(xiàn)節(jié)點間無需信任、去中心化的點對點交易。合理利用區(qū)塊鏈技術的相關特性，可以為分布式發(fā)電市場化交易提供有效的技術支撐。首先，從區(qū)塊鏈技術的基本概念
摘要：作為一種去中心化的分布式記賬模式，區(qū)塊鏈可以通過數(shù)據(jù)加密、時間戳、智能合約等技術手段，實現(xiàn)節(jié)點間無需信任、去中心化的點對點交易。合理利用區(qū)塊鏈技術的相關特性，可以為分布式發(fā)電市場化交易提供有效的技術支撐。首先，從區(qū)塊鏈技術的基本概念入手，分析區(qū)塊鏈與分布式發(fā)電市場化交易特點的對照關系。針對市場準入、交易模式、成員博弈、安全校核、阻塞管理與交易結算等分布式發(fā)電市場化交易的關鍵環(huán)節(jié)，分析區(qū)塊鏈技術在弱中心化與去中心化交易管理中的異同。最后，分析了區(qū)塊鏈技術在分布式發(fā)電市場化交易的應用中亟需解決的問題，并提出了未來的研究方向。
關鍵詞：區(qū)塊鏈;智能合約;分布式發(fā)電市場化交易;弱中心化管理;去中心化管理
隨著分布式發(fā)電滲透率的不斷提高以及售電側改革的穩(wěn)步發(fā)展，配電網中的用戶將不僅作為能源消費者，也可以通過管理各自擁有的分布式發(fā)電機組、分布式儲能設施和分布式負載等來充當能源供應者。在大量獨立決策的能源產消者參與電力市場競爭的背景下，設計靈活有效的分布式發(fā)電市場化交易機制、構建面向分布式主體的可交易能源系統(tǒng)、實現(xiàn)配網內資源的優(yōu)化配置是售電側改革的關鍵[1—2]。
2017年10月31日，國家發(fā)改委、能源局聯(lián)合發(fā)布《關于開展分布式發(fā)電市場化交易試點的通知》[3]指出，分布式發(fā)電市場化交易的機制是：分布式發(fā)電項目單位(含個人)與配電網就近電力用戶進行電力交易。現(xiàn)有研究認為配電網交易可以借鑒輸電側市場交易的經驗[4—5]，基于集中式的交易中心，構建由代理運營商統(tǒng)一管理的分布式發(fā)電上網交易模式[6]。
考慮到配電網特性與輸電網特性存在較大差異，同時，傳統(tǒng)的集中式交易中心存在成本高、效率低、透明度低、信息安全風險高等問題，導致分布式發(fā)電交易不適合采用集中式交易的方式進行[7]。區(qū)塊鏈技術具有分布式賬本和智能化的合約體系，已成為記錄電力系統(tǒng)能源交易的分布式解決方案，且不會使交易信息遭到篡改[8—9]。因此，利用區(qū)塊鏈技術在交易和計量方面的獨特優(yōu)勢，可以實現(xiàn)配電網中分布式發(fā)電的去中心化交易。
1 區(qū)塊鏈技術
區(qū)塊鏈可被類比為一種分布式數(shù)據(jù)庫技術，通過維護數(shù)據(jù)塊的鏈式結構，可以維持持續(xù)增長的、不可篡改的數(shù)據(jù)記錄，具有去中心化、集體維護、智能合約、安全可信等特性[10]。智能合約作為典型的可編程技術，能夠將交易的執(zhí)行過程寫入自動化的可編程語言，通過代碼強制運行預先植入的命令，保證交易執(zhí)行的自動性和完整性。根據(jù)參與者的不同，可以將區(qū)塊鏈分為3種類型：公有鏈、聯(lián)盟鏈和私有鏈。
目前區(qū)塊鏈技術在能源領域已經有了初步的應用，文獻[11]提出一種通過向電網注入能量而產生的能源貨幣 NRGcoin。布魯克林的 TransActive Grid項目以區(qū)塊鏈連接光伏交易，幾乎不需要人員參與就可以管理記錄交易[12]。Grid Singularity 探索用區(qū)塊鏈技術實現(xiàn)能源的交易驗證，其終極目標是為能源系統(tǒng)創(chuàng)建一個區(qū)塊鏈平臺，擁有電網上所有類型的交易[13]。文獻[14]提出了運行在以太坊區(qū)塊鏈上受智能合約控制的太陽能配電系統(tǒng) Helios，使微電網消費者能夠生產、消費和交易能源。
2 區(qū)塊鏈與分布式發(fā)電市場化交易特點的對照關系
基于區(qū)塊鏈靈活、開放、去中心化的特點，通過設定交易機制可以將各利益相關方聯(lián)系起來，實現(xiàn)自動信任的能源交易，包括拍賣、出價和支付過程[11]。作為自動化能源交易應用的基礎，區(qū)塊鏈技術為分布式能源的交易執(zhí)行和信息安全問題提供了新的解決方案[15]，也使其在分布式發(fā)電市場化交易中的應用成為了可能。區(qū)塊鏈技術的特點與分布式發(fā)電市場化交易的特點在以下4個方面[16—17]存在相似性，如表1所示。
(1)去中心化：區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的所有節(jié)點都具有同等的權利與義務，數(shù)據(jù)的存儲、傳輸、驗證等過程均基于分布式的系統(tǒng)結構，任意節(jié)點的數(shù)據(jù)丟失不會影響到系統(tǒng)的正常運行，有助于解決確保分布式能源交易中數(shù)據(jù)交換的完整性與可信度等問題。
(2)集體維護：區(qū)塊鏈系統(tǒng)由網絡中所有的節(jié)點共同運行和維護，并使用特定的激勵機制來保證分布式系統(tǒng)中所有節(jié)點均參與信息交換過程。區(qū)塊鏈技術將為分布式能源提供公開透明、公平可靠且成本低廉的交易平臺。
(3)智能合約：智能合約通過代碼強制運行預先植入的命令，自動完成且無法干預。隨著分布式電源的增加，能源交易將向智能化、自動化方向發(fā)展，智能合約的可編程特點使得交易雙方可以約定各種交易條款，保證交易執(zhí)行的自動性和完整性。
(4)安全可信：區(qū)塊鏈采用非對稱密碼學原理對交易進行簽名，使得交易不能被偽造，利用哈希算法[8]保證交易數(shù)據(jù)不能被輕易篡改，同時，借助分布式系統(tǒng)各節(jié)點的共識算法形成強大的算力來抵御攻擊。這種特點可以為各分布式主體的信息安全提供強有力的保障。
3 弱中心化與去中心化交易管理的異同
弱中心化指電力交易的博弈過程及交易信息管理和記錄由電力市場的參與者完成[18]，中心機構只對交易的安全性進行管理，如：能源互聯(lián)網中的能源交易[18—19]、跨省發(fā)電權交易[20]等。去中心化指電力交易的博弈過程、交易信息管理和記錄、交易的安全校核與阻塞管理都由電力市場的參與者完成，如：大用戶直購電交易[21]、配電網去中心化交易[7]等。針對市場準入、交易模式、成員博弈、安全校核、阻塞管理與交易結算等分布式發(fā)電市場化交易的關鍵環(huán)節(jié)，分析區(qū)塊鏈技術在弱中心化與去中心化交易管理中的異同。
3.1 不同點
3.1.1 市場準入
(1)弱中心化的市場準入方式：由弱中心機構對用戶資質進行審核[19]，包括接網電壓等級、單體項目容量等。用戶進入與退出市場都需要審核，并向全網節(jié)點廣播，所有節(jié)點達成共識后，方可完成注冊或注銷。
(2)去中心化的市場準入方式：利用區(qū)塊鏈快速查詢準入的相關指標，如：接網電壓等級、單體項目容量等，判斷是否符合準入條件;利用區(qū)塊鏈技術簽署共同聲明，規(guī)定成員的基本權利與義務[21]。
3.1.2 安全校核
(1)弱中心化的傳統(tǒng)安全校核方法：中央管理機構根據(jù)交易以及線路參數(shù)，運用潮流方程計算出交易達成后每條線路的潮流，并與線路最大潮流進行比較，判斷交易是否滿足安全校核[18]。
(2)去中心化的分布式安全校核方法：①市場參與者根據(jù)自身達成的臨時交易以及本地局部的線路參數(shù)通過迭代的方式分布式地算出與自身相連的線路的潮流，并與線路最大潮流進行比較，判斷交易是否滿足安全校核[18]。②根據(jù)區(qū)塊鏈上記錄的功率轉移分布因子，計算其對各支路潮流的影響量，智能合約對各產消者提交的影響量線性求和，判斷各支路的潮流越限情況[7]。③利用一種潮流跟蹤算法，證明用戶購買能量的來源，以提供與能量流相關的功率損失的明確歸因[22]。
3.1.3 阻塞管理
(1)弱中心化的阻塞管理方式：中心機構僅對阻塞進行管理，在設定阻塞價格的過程中，只需了解線路越限信息，并不需要了解具體的交易信息[18]。
(2)去中心化的阻塞管理方式：①通過互聯(lián)鏈在另一條區(qū)塊鏈上進行阻塞管理，并不涉及對已經達成共識的交易進行修改。②利用分布式系統(tǒng)各個節(jié)點間的配合來消除阻塞，基于區(qū)塊鏈技術在導致阻塞和消除阻塞的節(jié)點間形成多方合約，實現(xiàn)對參與消除阻塞的節(jié)點的獎勵。③如果系統(tǒng)發(fā)生嚴重阻塞，利用上述任何方法也不能恢復正常運行，則應該通過聯(lián)盟各成員投票，對區(qū)塊鏈進行強制回滾和分叉，以確保電網的安全[21]。
3.2 相同點
3.2.1 交易模式
從交易的發(fā)起者與接受者的數(shù)量關系，將交易模式分為單個發(fā)起者+多個接受者/多個發(fā)起者+單個接受者“一對多”與多個發(fā)起者+多個接受者“多對多”2種。
(1)單個發(fā)起者+多個接受者/多個發(fā)起者+單個接受者
交易發(fā)起者編寫智能合約，規(guī)定交易的電量、價格、交割時間、違約金額等，并將合約地址和接口等發(fā)布至交易池，響應交易者查看交易池，選擇滿足自身需求的合約，將公鑰地址作為電量或者資金流向的賬戶，用私鑰進行簽名，并將簽署好的智能合約同步至區(qū)塊鏈中[21]。
(2)多個發(fā)起者+多個接受者
買方和賣方將各自的報價和參與交易的電量等信息通過區(qū)塊鏈向全網發(fā)布，根據(jù)市場的報價規(guī)則判斷報價是否合理，不合理則重新報價，根據(jù)交易規(guī)則匹配賣方和買方，將交易的電量、價格、交割時間、違約金額等寫入智能合約，將公鑰地址作為電量或者資金流向的賬戶，用私鑰進行簽名，并將簽署好的智能合約同步至區(qū)塊鏈中。
3.2.2 成員博弈
區(qū)塊鏈技術可以促進分布式發(fā)電市場化交易競爭博弈的去中心化、信息的公開透明化、信息安全性的提高、獎懲機制的完善[23]。根據(jù)博弈者的理性，從合作博弈與非合作博弈2個方面介紹區(qū)塊鏈在市場成員博弈中的應用。
(1)非合作博弈
文獻[23]在綜合分析微電網運營商、大用戶以及分布式聚合商市場主體需求及收益等因素的基礎上，構建了基于區(qū)塊鏈技術的多微電網系統(tǒng)非合作競爭博弈模型。文獻[24]提出了一個P2P交互微電網的模型，產消者可以通過智能管理系統(tǒng)相互交易本地發(fā)電量。買方完全不了解彼此的決策，在每次迭代中參與對可用資源的多階段非合作拍賣。文獻[25]構建市場交易2層優(yōu)化模型，基于博弈論，以最大市場統(tǒng)一出清價原則構建輔助目標函數(shù)，通過納什均衡來求取唯一納什均衡解，以獲得分布式發(fā)電最佳調度策略和利益分配。
(2)合作博弈
文獻[26]將小型電力供應商和終端用戶之間的實時直接交易作為一個聯(lián)盟博弈，導出直接交易的電價，根據(jù)漸近的 Shapley 值分配直接交易的收入，實現(xiàn)公平的利潤分配。文獻[27]將能源交易問題作為一個集中式優(yōu)化問題，將能源傳輸成本納入交易機制，提出了基于博弈論的集中式和分布式能源交易算法。文獻[28]基于合作博弈理論，設計了由聯(lián)盟、電網和集成售電商三方組成的區(qū)域配電市場，提出了聯(lián)盟交易模式的定價機制與參與方收益計算方法，并建立了集成售電商日前聯(lián)盟撮合和報價的優(yōu)化決策模型。文獻[24]通過整合智能合約提出能源交易的拍賣模式，所有想要出售電量的普通消費者組成一個聯(lián)盟，每個賣家的利潤分配與其為聯(lián)盟貢獻的發(fā)電量成正比。
3.2.3 交易結算
區(qū)塊鏈支付可以幫助交易參與者解決互信問題，不涉及中介機構，極大地降低了中心化支付方式的系統(tǒng)風險，使系統(tǒng)中所有節(jié)點能夠在去信任的環(huán)境下自動安全地交換數(shù)據(jù)。在節(jié)點上運行分布式交易程序，智能合約記錄交易相關信息，智能電表記錄用戶在一定時間內發(fā)出或使用的電能數(shù)據(jù)，當交易時間到達，智能合約將自動進行結算，完成資金的轉移[7]，具體步驟如下：
(1)返還所有未達成交易市場成員的保證金。
(2)根據(jù)交易執(zhí)行情況分為以下 3 類：①若交易的全部參與者均按交易結果執(zhí)行，維持供需平衡，則按各自約定價格結算。②若全部參與者實際消耗電量低于生產電量，那么需要向電網出售多余的電量，則參與者首先按約定電量及成交價格結算，然后電網按照上網電價支付給多余電量的生產者。③若全部參與者實際消耗電量高于生產電量，導致必須向電網購買電量以維持供需平衡，則參與者首先按約定電量及成交價格結算，同時按照目錄電價向電網購買缺少的電量。
(3)全部參與者結算完成后，返還各自剩余保證金。
4 存在的問題與未來的研究方向
4.1 適用于分布式交易的共識算法
現(xiàn)有的 POW、POS、DPOS、Paxos、PBFT 等共識算法的提出大多基于金融交易的應用場景，也有一些改寫自上述共識算法并用于能源交易應用場景的供電共識算法、交易共識算法[29]等，但都不特別適合電力網絡的運行環(huán)境。因此，需要根據(jù)電力網絡的運行結構與物理特征，提出適用與分布式交易的共識算法，推動區(qū)塊鏈在分布式發(fā)電交易中的應用。
4.2 基于區(qū)塊鏈的分布式發(fā)電交易模式
雖然已有TransActive Grid、Grid Singularity等將區(qū)塊鏈成功應用于能源領域的嘗試，但這些應用很大程度上還處于理論研究與概念驗證階段，缺乏明確的交易模型與市場規(guī)則。未來應當結合分布式發(fā)電交易在實際應用中的需求，借鑒國內外已有的基于區(qū)塊鏈的能源交易模式，提出適用于分布式發(fā)電市場化交易的交易模式與交易流程。
4.3 區(qū)塊鏈應用于分布式交易的效率評價
目前的研究大多只提出了區(qū)塊鏈在能源交易中的簡單應用方案，僅通過測量和仿真對區(qū)塊鏈的交易速度進行定性研究，沒有提出具體的數(shù)學模型對交易效率的影響因素進行定量分析。因此，亟需分析市場規(guī)則、定價機制、商業(yè)模式等對區(qū)塊鏈網絡的具體影響，研究基于區(qū)塊鏈的分布式發(fā)電市場化交易的效率評價體系。
相關期刊推薦：《電力需求側管理》Power Demand Side Management(雙月刊)1999年創(chuàng)刊，是國內首家電力需求側管理方面的專業(yè)雜志，國家電網公司、國家計委、國家經貿委有關部門負責人和全國各網、省電力公司市場營銷部負責人等為本刊編委會成員。
5 結束語
分布式新能源的滲透使傳統(tǒng)的用戶實現(xiàn)從消費者到產消者的轉變，設計面向分布式主體的市場化交易機制，使分布式能源達到優(yōu)化配置，是售電側改革的關鍵。根據(jù)分析可知，區(qū)塊鏈技術能夠應用于分布式發(fā)電市場化交易的市場準入、交易結算、安全校核等關鍵環(huán)節(jié)，根據(jù)預定義規(guī)則編寫智能合約，保證交易自動化執(zhí)行，通過連接本地的能源生產者與消費者，可以減少能源長距離傳輸需求，消除中心化模型的固有缺陷，有效促進經濟社會運行效率的提升。然而，目前區(qū)塊鏈技術與分布式發(fā)電市場化交易在國內仍是理論研究較多，未來在應用中需要結合分布式發(fā)電市場化交易的需求，進一步探索適用于分布式交易的共識算法、基于區(qū)塊鏈的分布式發(fā)電交易模式和區(qū)塊鏈應用于分布式交易的效率評價等。
SCISSCIAHCI
