區塊鏈技術下配電側電力市場交易平臺研究

王 冰，劉維揚，陳獻慧，孫 洲，孫 可

(1.河海大學能源與電氣學院，江蘇 南京 211100； 2.國網紹興供電公司，浙江 杭州 312000)

近年來，以新能源發電和信息技術高度融合的能源互聯網為各類能源的規?；煤挽`活接入提供了可能的解決方案[1-2]。越來越多的市場主體從傳統單一能源消耗者或生產者轉型為具有獨立決策能力的電能產消者，以一種更加靈活多樣的方式參與到電力市場競爭中。在此新形勢下，如何構建合理有效的配電側電力市場交易平臺，充分保障各市場主體的不同利益和能源資源的有效配置，是目前亟待解決的重點問題。

區塊鏈技術作為一種分布式共享數據庫技術，其所具備的去中心化、透明性、公平性等特征與能源互聯網理念相契合[3-4]，可以一種互聯網下的格局與模式，在保障信任、促進交易、達成認證等多優勢的前提下高效運行，很好地彌補傳統電力交易機制中交易成本高、交易信息不對稱、交易數據效率和數據安全性低的不足[5]，為搭建多主體形式的能源互聯、信息與物理融合的電力交易平臺奠定基礎。

目前，對于區塊鏈技術在電力交易市場中的應用，馬天男等[6-7]以一種契合區塊鏈思想的方法來解決配電側電力交易和需求響應等問題，所提方法類似于區塊鏈的技術思路；平健等[8-9]基于區塊鏈以太坊平臺建立電力交易平臺，融合多方信息交互技術，實現智能合約與交易機制的結合；朱文廣等[10-11]在建立配電網區塊鏈架構的基礎上，詳細描述了區塊鏈在需求側資源交易中的重要過程與關鍵技術。上述研究詳細探索了宏觀上區塊鏈的構建原理和應用設計，驗證了交易模型在多種應用場景下的可行性，而對于區塊鏈底層技術的實現與驗證還不夠翔實，市場主體的多元化需求與競爭未能與智能合約的優勢充分結合。

本文將區塊鏈分布式記賬框架與電力交易智能合約模型相結合，在含多元市場主體的配電側交易框架下建立電力交易平臺。在滿足各交易主體利益的基礎上構建點對點的分布式共享網絡架構，實現交易的去信任化和安全化。通過算例了驗證本文所提電力交易平臺的有效性，可為區塊鏈技術應用于配電側電力市場交易平臺的搭建提供參考。

1 區塊鏈下電力交易概述

1.1 區塊鏈和智能合約技術框架

區塊鏈實質上是一系列數據區塊的列表，每個區塊均記錄了某一時段內的全部交易數據，運用了非對稱加密、默克爾樹數據結構、共識機制等技術。智能合約是區塊鏈中一個重要技術分支，一個由計算機處理的、可執行合約條款的交易協議[12]，其將電力市場主體之間的競爭關系以邏輯代碼的方式進行匹配，一旦達成合約執行的判定條件則自動進行相應的交易。

區塊鏈下電力交易框架如圖1所示。上層模型中，參與交易的市場主體根據各自的目標、需求和約束形成業務邏輯，在多方博弈競爭下相互達成智能合約。底層模型中基于區塊鏈的特征將達成的交易賬單添加到分布式賬本中，實現電力市場交易賬單的安全性、共識性和透明化。二者層次之間通過相互達成的合約電量和電價聯結。

底層所構成的區塊鏈數據區塊主體如圖2所示。每個區塊主要包含區塊頭(圖中虛線框部分)和交易賬單兩部分。區塊頭包括序號、時間戳、Hash值等與上一區塊連接的信息，交易賬單主要包括一定時段內某一電力市場主體與其他市場主體通過智能合約達成的合約電價和電量記錄。

圖2 數據區塊主體Fig.2 Main body diagram of data block

由此可整體上構成透明、安全、可追溯的區塊鏈電力交易平臺網絡(以下簡稱交易網絡)，為相互之間的電力交易提供點對點的分布式架構；平臺上任意網絡節點地位對等，實現去中心化、數據共享的功能。

1.2 電力交易流程

針對每個市場主體，基于區塊鏈的電力交易流程如圖3所示。

圖3 區塊鏈下電力交易流程Fig.3 Flow chart of power transaction under blockchain

上層框架流程中，每個市場主體向平臺注冊唯一的網絡節點和各自的私鑰，獲取相應的唯一公鑰，然后向電力交易池中發布包含自己公鑰、報價區間、電量需求等的請求信息；交易網絡根據每個市場主體的利益與約束條件與其余市場主體進行點對點交易達成智能合約，并自動形成合約賬單，包含售電主體、購電主體、合約電量和合約電價，還包括該筆賬單的數字簽名(由售電方的私鑰加密產生)和購電方私鑰加密而生成的數字簽名。

底層框架流程中，購電主體用售電主體的公鑰驗證此交易的數字簽名是否合法，如果解密后與加密前信息不一致，交易網絡則拒絕此次交易賬單的添加，并對其非法行為進行違約金懲罰；否則交易網絡對即將加入網絡的賬單進行共識機制驗證，從而形成新區塊并成功添加到交易網絡中，完成整個電力交易流程。

2 區塊鏈分布式賬本設計

本文基于區塊鏈技術設計一種電力交易的分布式賬本，即一種在區塊鏈下各市場主體節點之間共享、復制和同步的數據庫。主體賬本結構包括賬戶信息層、安全加密層、共識機制層和交易激勵層。各市場主體節點基于真實的賬戶和地址信息，通過加密技術和共識機制實現合法記賬，并獎勵交易參與者，使每個節點都獲得一個唯一、真實賬本的副本，防篡改且透明可追溯。

2.1 賬戶信息層

區塊鏈網絡中每個市場主體均擁有專屬的公鑰和私鑰(16進制數串)，公鑰與交易者真實身份、地址綁定，可以公開地發布給全網用戶，而私鑰只有用戶本人掌握。區塊鏈私鑰的設計保證了相應賬戶地址下唯一所有權，一個賬戶地址有且只對應一個私鑰。私鑰的使用采用Hash算法，即將一串字符串映射成另一段固定長度字符串的算法[13]，且二者是非獨立的關系，即私鑰經過一系列加密運算之后，可以得到地址，但是無法從地址反推得到私鑰。

2.2 安全加密層

不僅賬戶的公私鑰具有加密關系，各節點下的交易賬單也是加密的，體現在交易者的數字摘要和簽名上。數字摘要是對數字內容進行Hash運算，獲取唯一的字符串來指代原始完整的數字內容，可以確保原始內容未被篡改；市場主體可利用私鑰對摘要信息進行簽名。售電主體用私鑰對交易賬單進行加密后，其余用戶根據售電主體的公鑰解密來驗證數據來源的真實性，可看作是簽名過程的逆運算，其解密值如果與原始交易賬單中的數字簽名一致則說明此次交易有效，被許可加入區塊鏈賬本中。

2.3 共識機制層

區塊鏈具有分布式、自治性、開放可自由進出等特性，所以不存在一個中心節點來保障各個節點記賬的一致性[14]。本文采用工作量證明(proof of work，PoW)機制來保證加入區塊鏈的交易賬單達成共識。每個市場主體通過不斷地在尚未加入鏈的新區塊上加入隨機數(nonce)進行Hash運算，以通過解決密碼學難題(即工作量證明)競爭獲得本輪唯一記賬權。

因為每輪僅有一個節點可以成功記賬，并將新區塊信息添加到區塊鏈網絡中，所以其余競爭失敗的節點將停止爭奪記賬權，復制新區塊信息并添加到自己節點數據庫下，由此保證了區塊鏈總賬本的唯一性和權威性，使全網節點均達成共識、數據共享。

2.4 交易激勵層

隨著交易量的增加，為避免過多無效交易，交易網絡不斷提升達成共識的難度與成本，即需要Hash計算得出的數字以0開頭的位數不斷增加。因此，在共識機制中可引入合理的激勵機制，用于推動交易者積極地參與區塊鏈的發展，鼓勵有效記賬行為，使得共識節點最大化收益的利己行為與保障去中心化系統的安全和有效性的整體目標相契合。在PoW機制中，交易網絡對贏得記賬權的節點添加一筆轉賬交易作為共識獎勵。

3 區塊鏈智能合約設計

微電網運營商可以生產和售賣電量，也可以在缺電時購電；負荷聚合商可以收集分散的負荷資源再售出，賺取購售差額收益；電力大用戶以最小化購電成本為目標進行購電，不考慮售電過程。

3.1 市場主體需求合約分析

3.1.1 微電網運營商需求合約

微電網自身調度能力有限或者內部含有間歇性能源，其內部發電量不一定持續與自身負荷平衡，對外呈現一定的電量富余或缺額[15]。在負荷高峰期，考慮到機組運行、啟停機等成本，微電網運營商會從負荷聚合商處購電，進行調峰來優化負荷平衡并降低成本；在負荷低谷期，微電網運營商會將多余的電量出售給負荷聚合商和電力大用戶來獲利。

a.電量缺額時向外購電成本：

(1)

式中：Cb, it——第i個微電網運營商在時段t內的購電成本；Pb, jit、Pb, ikt、Qb, jit、Qb, ikt——在時段t內從其余第j個微電網運營商、第k個負荷聚合商的合約購電價和電量；N1、N2——微電網運營商和負荷聚合商的數量。

b.電量富余時向外售電收益：

(2)

式中：Rs, it——第i個微電網運營商在時段t內的售電收益；Ps, ijt、Ps, ikt、Ps, imt、Qs, ijt、Qs, ikt、Qs, imt——在時段t內向其余第j個微電網運營商、第k個負荷聚合商、第m個電力大用戶的合約售電價和電量；N3——電力大用戶的數量。

3.1.2 負荷聚合商需求合約

為充分挖掘并利用大量中小負荷資源的響應能力，負荷聚合商的概念應運而生。負荷聚合商擁有靈活的負荷資源，既可以整合中小型需求響應資源以向微電網運營商提供備用，又可以將多余的資源對外再分配，通過購售差價來賺取利潤。

a.向外購電成本：

(3)

式中：Cb, kt——第k個負荷聚合商在時段t內的購電成本；Pb, ikt、Pb, klt、Qb, ikt、Qb, klt——在時段t內從第i個微電網運營商、其余第l個負荷聚合商的合約購電價和電量。

b.向外售電收益：

(4)

式中：Rs, kt——第k個負荷聚合商在時段t內的售電收益；Ps, ikt、Ps, kmt、Ps, klt、Qs, ikt、Qs, kmt、Qs, klt——在時段t內向第i個微電網運營商、第m個電力大用戶、其余第l個負荷聚合商的合約售電價和電量。

c.儲能運行成本：

Cr, kt=Pr, kQr, kt

(5)

式中：Cr, kt——第k個負荷聚合商在時段t內的儲能運行成本；Pr, k——第k個負荷聚合商的儲能單位運行成本；Qr, kt——第k個負荷聚合商在時段t內需要存儲的電量，即購售不匹配時的剩余電量。

3.1.3 電力大用戶的需求合約

電力大用戶直購電是新電改的重要一環，使得達到市場準入門檻的大用戶可以與其余購售電企業以公平競爭、相互協商的原則直接進行電力交易。為簡化模型并突出大用戶作為能源消費者的角色，本文設計的交易網絡只考慮大用戶以最低購電成本為目標與其他市場主體達成智能合約的行為。

(6)

式中：Cb, mt——第m個電力大用戶在時段t內的購電成本；Pb, imt、Pb, kmt、Qb, imt、Qb, kmt——在時段t內從第i個微電網運營商、第k個負荷集聚商的合約購電價和電量。

3.2 市場主體目標合約

各市場主體目標合約表達如下：

(7)

(8)

(9)

式中：Rt, M、Rt, A、Ct, U——在時段t內N1個微電網運營商總的收益、N2個負荷聚合商總的收益和N3個電力大用戶總的成本。

3.3 市場主體約束合約

微電網運營商售電量、電價約束：

(10)

Pmin,it≤{Ps, ijt,Ps, ikt,Ps, imt}≤Pmax,it

(11)

式中：Ks, it、Pmin,it、Pmax,it——第i個微電網運營商在時段t內的售電能力、最低售價和最高售價。

負荷聚合商與電力大用戶的電量與電價約束與之類似，在此不再贅述。

4 智能合約解法

本文采用罰函數處理約束條件并引入目標合約，基于多目標粒子群算法實現各市場主體間智能合約的達成。每個粒子代表一種市場主體間各競價時段的購售電電價和電量曲線。最終尋優獲得一系列的非劣解集，并采用模糊隸屬度函數法選取適當的折中最優解決方案[16]。具體求解流程如圖4所示。

圖4 智能合約解法流程Fig.4 Solution flow of smart contract models

各市場主體的適應度函數表示為

(12)

式中：Ft——在時段t內各市場主體總適應度函數；ft——在時段t內各市場主體目標合約；Vr,t——在時段t內第r個約束的沖突函數；ωr——第r個約束條件的懲罰參數。

5 算例仿真

為驗證本文所提交易機制的可行性，底層采用Python搭建區塊鏈分布式記賬系統，并用Postman進行交互式網絡節點測試；上層采用Matlab仿真達成智能合約的過程并進行求解，最終的合約解記賬在底層系統。選取3個微電網運營商(M1、M2、M3)、2個負荷聚合商(A1、A2)和3個電力大用戶(U1、U2、U3)構成市場競爭的主體。1臺PC機的主機IP地址(127.0.0.1)分別分配端口號5001～5008作為8個市場主體的網絡節點，端口號8080作為市場主體注冊平臺的接口。

5.1 算例數據

a.假設微電網運營商和負荷聚合商內部各主體的售電能力相同，市場主體總需求與總售電能力一致，保證電力交易的供需平衡。其數據參考文獻[6]中算例數據。

b.對于相同市場類型內部主體之間的交易，參考文獻[17]，簡化分析以下關系：考慮3種市場主體內部之間設為統一的電價曲線，不同類型主體之間設置不同的交易價格曲線。假設微電網運營商、負荷聚合商和電力大用戶之間的最低交易電價均取0.3 元/(kW·h)，最高交易電價分別取1.1元/(kW·h)、1.5元/(kW·h)和1.25元/(kW·h)，負荷聚合商的單位儲能成本取0.1 元/(kW·h)。

5.2 智能合約交易結果

執行智能合約模型，各市場主體之間的合約電價結果如圖5所示(圖中，M-M表示微電網運營商內部之間的合約電價；M-A表示微電網運營商與負荷聚合商之間的合約電價；其余關系以此類推)。以M1為例分析微電網運營商的合約策略，求得其在各時段與其他市場主體之間的合約電量如圖6所示(圖中M1-M2為微電網運營商M1與M2之間的合約電量，正值表示微電網運營商M1從M2購電，負值表示售電，其余關系以此類推)。

圖5 各市場主體間合約電價Fig.5 Contract electricity price among market subjects

圖6 微電網運營商1與其他主體的合約電量Fig.6 Contract electricity volume of microgrid operator 1 with other market subjects

由合約電價與電量結果可知，微電網運營商是主要的電量售出方，在其內部系統負荷較低時段(如夜晚至凌晨時段)，對外呈現電量富余，無購電需求。而此時負荷聚合商正收集閑置的資源，需求電量大，電力大用戶作為消費者需求少。因此，微電網運營商以較高的合約電價賣電給負荷聚合商，且低于與電力大用戶之間的合約電價，達到雙方利益平衡。隨著微電網運營商自身內部需求的提升，會產生一定程度的電量缺額，對外需求不斷增加，售電能力逐漸降低。而此時負荷聚合商已收集并存儲了一部分能源，具備一定售電能力，電力大用戶的用電需求也逐漸接近高峰。因此，此時負荷聚合商作為主要的電力售賣方，以較高的合約電價賣電給微電網運營商與電力大用戶獲取最大利益。

負荷聚合商和電力大用戶之間合約策略具體的分析過程與微電網運營商類似，在此不再贅述。

5.3 市場主體經濟利益分析

以微電網運營商M1、負荷聚合商A1和電力大用戶U1為例，圖7為智能合約下各時段的最優利益分布。

圖7 微電網運營商M1、負荷聚合商A1和電力大用戶U1各時段最優利益分布Fig.7 Optimal interest distribution of microgrid operator 1, load aggregator 1 and large power user 1 at all times

M1在夜晚至凌晨時段主要進行售電行為，與A1達成較多的合約電量，收益高。M1在下午時段售電能力高，故圖7中該時段內M1獲得較高收益。隨著M1處于自身負荷高峰時，呈現對外電量缺額，需通過對外購實現整體收益最優，如圖7中12 h及20 h左右所示。A1的購售電行為與M1相反，A1在凌晨時段主要進行分散資源的收集與購取，導致利潤虧損，而隨著自身售電能力的逐漸升高和其他市場主體的需求變大，A1逐漸獲得高售電收益，彌補購電成本從而獲得最優利潤。U1由于不具備對外售電能力，其達成的最低成本與其自身負荷需求變化相一致。

5.4 分布式賬本記賬結果

a.運行底層區塊鏈分布式賬本，以M1參與電力市場平臺為例驗證記賬過程。M1在8080端口注冊，獲得相應的密鑰地址：私鑰(0x3082025b020……)、公鑰(0x30819f300d0……)。

b.M1通過端口節點5001向交易池發布自身電量需求、報價區間等請求信息，與其余各市場主體相互進行交易需求匹配并達成智能合約，再以自己的私鑰對交易賬單進行加密獲得交易數字簽名。

c.以M1與A2在時段14h內達成的合約為例，Postman中測試得出的合約賬單包括數字簽名(0x22d2ec565……)、售電方地址(0x30819f300d0……)、購電方地址(0xa0b2e5e05……)、合約電價(“0.32”)、合約電量(“-2.07”)。

d.A2作為購電方，根據M1的公鑰對合約賬單進行解密驗證。交易網絡對驗證通過的合約賬單完成工作量證明共識機制，上述過程所形成的新區塊信息包括當前區塊號(2)、系統消息(“New Block Forged”)、隨機數(377)、上一區塊Hash值(0x5576057f40……)、新交易賬單與獎勵賬單(假設獎勵金額為1元)。

e.通過Postman軟件查看端口5001下的區塊鏈信息，軟件返回的JSON格式的信息如圖8所示。

圖8 節點端口5001下的區塊鏈信息Fig.8 Blockchain information under node port 5001

由圖8可知，節點5001下已包含2個區塊信息。block_number為當前區塊的區塊號，第一個區塊稱作創世紀塊，nonce值為0，上一個區塊Hash值previous_hash為0；第二個區塊為本算例下新添加的交易區塊。timestamp為該區塊產生的時間；transactions為交易賬單詳情，與b、c、d中內容相對應：buyer_energy_address為購電方地址；price_contract為合約電價；seller_energy_address為售電方地址；volume_contract為合約電量；length為整個區塊鏈的高度即區塊的總數目。

至此，M1與A2在時段14h內達成的所有區塊已成功被添加到交易網絡中。以此類推，M1與其余市場主體在其余時段內所達成的智能合約也將以區塊的形式被逐一添加到交易網絡中，最終完成該算例下所有主體電力交易過程。

6 結 論

a.分析并概括了區塊鏈技術的功能特征、優勢和實現模型，搭建了基于區塊鏈的配電側電力市場交易機制框架，能有效實現各市場主體高效、安全、可信任的去中心化調度與交易。

b.建立了微電網運營商、負荷聚合商和電力大用戶之間的智能合約模型，積極競爭交易形成最優合約電價和電量，并驗證了區塊鏈分布式賬本的實現形式，為各市場主體的經濟共贏提供完備的解決方案。