基于區塊鏈的園區級多邊用電權交易機制及實現方法

黃家暉，李 超，黃 微，趙文愷，韓 冬

（1. 復旦大學信息科學與工程學院，上海 200438；2. 國網上海市電力公司浦東供電公司，上海 200122；3. 上海理工大學電氣工程系，上海 200093）

0 引言

電力市場的改革和通信技術的進步促進了電力行業數字化、智能化的發展趨勢，同時也對供電可靠性和電能質量提出了更高的要求［1］。然而，眾多工業園區、經濟開發區以及負荷密集的商業園區，大多通過合同形式計劃分配園區入駐企業的基本用電容量，存在電力資源利用不充分、配置效率低等問題。一方面，前期入駐園區的企業可獲得較為充裕的用電容量，而后期入駐的企業往往因園區電力資源總量的限制，承擔著分配所得容量低于其高峰時段用電需求的風險，按合同簽訂配置容量的傳統方法導致了園區內部分企業的電力資源閑置，而部分企業用電需求急迫卻無法得到及時增容的問題。另一方面，傳統電力市場的集中式交易存在手續繁雜、中介費用高和第三方公信力低等問題，也無法完全保證交易過程的公開透明和可溯源。因此，如何利用有限的電力資源實現園區總體效益最大化，已成為亟待解決的問題之一。

產業園區作為新一輪電力體制改革的重要試點，在傳統集中式供電的基礎上，引入分布式新能源并完善相應的需求響應機制，是其建立可靠供電模式的發展趨勢之一。逐步放開的配售電價機制有助于需求響應的實施，提高了負荷側運行的靈活度，為電源側進一步優化提供了空間［2］。文獻［3］提出了一種園區級日前優化調度模型，通過協調內部綜合能源需求側資源，實現了電能供需就近平衡；文獻［4］考慮電網可能存在的供電缺失問題，提出了多園區有限電量優化調度策略，通過多園區能量管理系統提高電能利用效率。上述研究充分利用了園區有限的容量資源，但是對綜合能源的設備配置有較高的要求，設備裝機周期和土地配置成本也在一定程度上阻礙了該模式的推廣應用。以光伏為主的分布式電源作為傳統電力方案的補充接入［5］，可以優化園區的容量配置，緩解園區面臨的增容改造等問題，但分布式新能源所具有的間歇性、隨機性也給園區電能質量管控帶來了挑戰。對于避免涉及重資產改造的園區而言，引入市場化的用電權PUQ（Power Usage Quota）交易在普適性和推廣度等方面具有更大的優勢。

目前，國內外對區塊鏈技術在電力能源交易領域的研究仍處于起步階段［6］。文獻［7］提出了一種基于區塊鏈的微電網電力交易匹配方法，促進了配電網中新能源的實時利用；文獻［8］針對虛擬電廠控制中心與分布式單元之間的信任問題，建立了區塊鏈技術下半中心化的虛擬電廠魯棒優化調度模型；文獻［9］將區塊鏈技術引入面向居民用戶的電力需求響應交易機制，基于以太坊Rinkeby 網絡實現了所提交易機制的支持系統。國外已有若干基于區塊鏈的能源市場交易試點應用：文獻［10］介紹了美國紐約基于區塊鏈的端對端P2P（Peer-to-Peer）電能交易市場試點項目；文獻［11］介紹了荷蘭的分布式能源就近消納項目，通過區塊鏈技術推動了分布式光伏系統優先滿足附近電動汽車的充電需求。

上述文獻研究了區塊鏈技術在能源系統領域具體場景下的應用案例。但是，針對產業園區中電力資源配置效率低、使用不充分以及企業用戶用能成本高、部分時段容量需求大等問題，區塊鏈技術的應用潛力尚未被深入發掘。本文聚焦于園區企業用戶對已有用電容量在不同時段的交易需求，提出了一種基于區塊鏈技術——以太坊智能合約的多邊用電權交易機制，有效解決了園區企業用戶對某一時段用電資源的競爭問題，節約了園區增容涉及的土建、定額、多回路容量費等改造費用，降低了用戶自身的用能成本；同時該交易機制在一定程度上起到了削峰填谷的作用，提高了園區整體的經濟效益。然而，因企業用戶間存在用電競爭關系而具有信任問題，傳統集中式交易規則一方面占用了園區大量的計算資源，另一方面較難實現對用電權透明安全可信的轉移［12］。區塊鏈技術具有去中心化、系統自治性、透明性、可溯源等特點［13］，以太坊平臺作為目前廣泛使用的區塊鏈開發平臺之一，其應用保證了交易過程的高效透明，其智能合約一旦滿足設定條件即可自動執行，直接生成合約訂單并被記錄在區塊鏈上，不需要經過第三方機構的審核和監管，安全高效地完成了用戶之間用電權的轉移。

本文首先設計了基于雙向拍賣機制和P2P 交易的用電容量交易機制，并引入偏差考核和超容罰款，以規范企業用戶的市場行為；然后，在以太坊私有鏈上設計了可執行的多邊用電權交易智能合約，進一步提高了交易平臺的安全可靠性；最后，通過仿真算例驗證了交易機制的合理性和區塊鏈平臺的有效性。

1 多邊用電權交易機制與模式

針對園區與入駐企業簽訂合同方式存在的電力資源配置效率低、利用不充分等問題，本文設計了一種園區級企業用戶之間的用電權交易機制，通過市場調節的手段優化園區整體的電力資源配置。用電權交易體系框架如圖1所示。

圖1 用電權交易體系框架Fig.1 Framework of PUQ trading system

供電公司按照規劃方案為園區提供初始用電容量，并收取月度電費。企業用戶作為獨立的用電主體，與園區物業之間簽署合同，確定企業用戶所持有的合同容量。企業用戶可根據自身用電需求或實際生產需要，在交易市場作為買方／賣方向其他企業用戶購買／出售一定時間內所持有的用電容量權益。整個交易過程在區塊鏈平臺上完成。

按照時間尺度可將用電權的交割時段劃分為短期、中期、長期3 個時段，分別表示交易企業用戶未來所持有的1 天、1 周、1 個月的用電權，見附錄A 圖A1。開展交易前，園區需組織企業用戶約定交易時間與交割時段，企業用戶根據實際的用電需求，選擇不同的交割時段進行用電權交易。

以短期交割時段（未來1 天的用電權）的交易過程為例，說明企業用戶參與交易的具體流程，被分為以下3個階段。

1）階段1 為初始化階段。企業用戶注冊時需要向平臺提供企業名稱、企業類型、其合同確定的基本用電容量及期望用電容量等信息。然后，構建相應的信用體系以確保用戶的交易完成度和交易過程中的安全可靠性。注冊時平臺對企業用戶設置相同的信用分數，在交易結束后根據企業用戶的交易行為對其進行獎懲考核：對于積極參與、行為合規的企業用戶而言，適當獎勵其信用分；對于惡意競爭、擾亂市場的企業用戶而言，按不同程度扣減相應的信用分。每次交易開始前企業用戶需向平臺提交保證金，以確保用戶之間支付結算的順利進行。

2）階段2 為市場交易階段。以當天13:00—14:00 交易時段為例，交易過程可分為用戶偏好選擇、密封報價、雙向拍賣撮合、P2P 掛牌交易、交易結算5 個步驟，如圖2 所示。在用戶偏好選擇步驟，企業用戶與事先達成約定的企業用戶優先開展用電權交易；在密封報價步驟，企業用戶向平臺密封申報交割時段內所需交易的用電權數量及期望價格，其報量與報價信息不對其他企業用戶公開［14］；市場交易平臺采用基于雙向拍賣的定價機制［15-16］，在雙向拍賣過程中未能被成功撮合的企業用戶可參與用電權P2P 掛牌交易［17］；交易結算步驟包括交易結果的公示以及交易費用的結算。

圖2 市場交易階段的具體步驟Fig.2 Specific steps of market trading stage

園區級交易機制的具體實施過程如下。

步驟1：若企業用戶有約定的交易對象，可在13:00—13:15時段向交易平臺提交與其事先達成約定的企業用戶名稱及交易的用電權數量和價格信息，此類企業用戶將被優先撮合。為了防止企業用戶的誤操作而導致交易失敗，在規定時間內企業用戶可不限次數地修改申請（步驟2與步驟4中同理）。

步驟2：未參與步驟1 或在步驟1 中未能交易成功的企業用戶可根據自身需求作為買方或賣方在13:15—13:25時段向交易平臺密封申報交割時段內所需購買或出售的用電權數量及其期望的交易價格。

步驟3：在13:25—13:35 時段，交易平臺自動將投標信息進行排序，買方報價從高到低排序，賣方報價從低到高排序，報價相同則按照報價的時間先后排序。將買賣雙方按照上述順序分別置于買方、賣方撮合隊列。同時，設定報價上限，以防止企業用戶間的不正當競爭。交易平臺按照雙向拍賣規則對買賣雙方進行撮合。當買方的最高報價高于或等于賣方的最低報價時，才能夠撮合成功，如圖3 所示，圖中pb，k、ps，k分別為排序后的第k個買方、賣方報價。撮合成功后，成交價格為二者報價的平均值，成交數量為二者報量的較小值，若企業用戶的交易需求全部得到滿足，則將其移出撮合隊列，直至撮合隊列中的買方最高報價低于賣方最低報價或者買賣雙方有一方的撮合隊列全部成交清空為止。

圖3 買方與賣方報價曲線Fig.3 Bidding curves of buyers and sellers

步驟4：在雙向拍賣市場交易中未能被成功撮合的企業用戶可在13:35—13:55時段參與P2P 掛牌交易。在此階段，各方可以查詢當前賣方的最低報價和買方的最高報價，根據自身需求決定是否需要調整報價或用電權數量來發布限價交易、市價交易或者撤單放棄交易［17］，具體交易行為定義見附錄A表A1。其中，市價為圖3 中雙向拍賣市場階段用電權的最大成交量所對應的成交價格，這在一定程度上保護了買賣雙方的利益不受部分用戶惡意報價的影響。若企業用戶放棄購買或者出售用電權，可以選擇撤單，清除自身的報價、報量信息。

步驟5：13:55—14:00進入交易結算階段。企業用戶i的總成交金額Pi可表示為：

本文設計的用電權交易機制實現了交易環節的量價公開，為所有市場參與者打造了一個公平透明的交易環境。

3）階段3 為交割考核階段。該階段是企業用戶在按短期、中期、長期交割時段結束后，對其用電權的使用情況進行相應的獎懲考核，以約束其市場行為?？紤]到企業用戶可能存在惡意競爭、信用違約、浪費資源等情況，該階段設置了偏差考核與超容罰款2 個環節，通過經濟手段促進企業用戶市場行為的合理規范性。

偏差考核對象為買方企業用戶，根據實際容量使用情況與交易容量的偏差程度，對其信用分進行一定程度的增加或扣減。該考核主要用于約束買方企業用戶在下一次交易中購買用電權的隨意性，確保交易得到的用電權能夠發揮作用，對賣方企業用戶則不做該考核，具體描述如下。

若企業用戶i實際使用的最大需量Mactuali與其最終持有的用電權數量MFi的差值絕對值不超過αMti（α∈[5%，20%]），即如式（4）所示，表示企業用戶i實際使用的用電容量偏差相較于購入用電權處于一個波動很小的范圍內，則判定企業用戶i為誠實用戶。連續N次均被判定為誠實用戶的企業用戶可以獲得信用分ccr作為獎勵。

式中：Pst為在交易前設定的用電權標準成交單價，W為結算系數，二者的取值可以參考《供電營業規則》設定，Pst可設為參考兩部制按最大需量計費的基本電費單價，W一般設為3。

本文所提用電權交易機制不僅考慮了交易環節的公正透明，對企業用戶是否合理利用交易所得用電權也進行了一定程度的考核監管，且針對企業超容用電的情況進行的經濟懲罰較為嚴厲。園區收取的超容罰金可用于園區物業的增值服務，如臨時車位預約、快遞接收、搶修保電等，該罰金從企業用戶的保證金中扣除。待交割時段結束后，用戶可申請退還賬戶中剩余的保證金。

2 基于以太坊智能合約的用電權交易實現方法

區塊鏈技術是一種去中心化的分布式賬本數據系統，通過加密算法、共識機制等計算機技術解決了傳統中心化機構的效率低、成本高以及數據存儲安全存在隱患等問題。以太坊是基于區塊鏈技術的新型可編程開發平臺，具備便于智能合約交互而無需擔心共識協議等問題的優勢［18-19］，在以太坊中的每位參與者均可作為“礦工”，所有“礦工”收集當前時段的全部交易及傳遞信息，競先求解一道數學難題，最先得到答案的“礦工”將獲得記賬權，并負責打包及播報數據［9］?；谏鲜鎏匦?，將用電權智能合約部署在以太坊私有鏈上［20］，供電公司、園區、參與交易的企業用戶共同作為節點接入，供電公司作為電能供應方，園區作為智能合約的發起者，企業用戶作為市場參與者，三方一同維護平臺中的交易數據，以多方共同主導、去中心化的形式，保證交易市場的公正透明和可靠性。

本文設計的多邊用電權交易智能合約包含初始化函數、用戶偏好選擇函數、密封報價函數、雙向拍賣撮合函數、P2P 掛牌交易函數、交割結算函數六大核心功能函數，每個核心功能函數又包括了若干個輔助函數。智能合約函數的內部邏輯過程見附錄A圖A2，依次調用各個函數就可完成一輪多邊用電權交易流程。

1）初始化函數。

企業用戶在區塊鏈平臺上調用初始化函數finitial(xname，i，xtype，i，xcapacity，i，…)完成注冊信息，包括企業名稱xname，i、企業類型xtype，i、基本用電容量xcapacity，i等，“礦工”進行信息核實，若無誤則顯示注冊成功。智能合約按照企業用戶注冊的時間順序為其分配身份標識號ID，并將此ID 信息存儲到企業用戶的結構體中。企業用戶的初始信用分數CCR，0在注冊時被設定為100 分。區塊鏈上各成員自主檢驗信息，將包含正確信息的區塊添加至本節點，并拒絕添加包含錯誤信息及惡意信息的區塊，以保證鏈上數據的正確性。

2）用戶偏好選擇函數。

在交易開始之前，企業用戶調用用戶偏好選擇函數向智能合約所在地址提交相應的保證金，由“礦工”確認轉賬信息。需提交保證金Di的計算式為：

用戶偏好選擇階段適用于已達成交易共識的企業用戶，通過優先撮合其達成用電權交易，免除了后續流程。企業用戶向平臺提交期望交易的對方企業用戶信息，以及與其事先約定的交易用電權數量和價格，只有當買方和賣方輸入的參數信息一致時，智能合約函數才會自動執行從而達成交易，在“礦工”核實無誤后，調用余額校驗函數fcheckBalance(xbalance，i)，核驗買方企業用戶i的錢包余額xbalance，i不得低于報量與報價的乘積，核驗成功則進行轉賬。

3）密封報價函數。

經交易權限核實后，企業用戶在密封報價階段結束前調用密封報價函數，密封向智能合約申報用電權價格及數量等投標信息?！暗V工”對企業用戶的報價信息進行分類，分別加入買方、賣方撮合隊列?！暗V工”核實錢包余額后將報量、報價信息存儲至區塊鏈。

4）雙向拍賣撮合函數。

首先對買方、賣方報價隊列進行排序。將賣方報價ps，i按照從低到高進行排序，將買方報價pb，j按照從高到低進行排序。然后按照雙向拍賣規則的成交價格結算交易金額，成交價格為(ps，i+pb，j)/2，即買賣雙方報價的均值，成交量為買賣雙方報量的較小值min{qs，i，qb，j}，其中qs，i、qb，j分別為賣方i、買方j的報量。

5）P2P掛牌交易函數。

未出清的企業用戶可在P2P 掛牌交易階段調用查詢函數查詢各方報價。買方可以查詢當前賣方隊列中的最低報價，賣方相應地也可查詢當前買方隊列中的最高報價，根據自身需求決定是否需要調整報價或報量。若各方修改報量、報價并提交，則進行限價交易；若買方更改后的報價高于賣方的報價，則成交價格為雙方報價的均值；若各方僅修改并提交報量，并未報價，則進行市價交易，市價pbalance為上一階段雙向拍賣最大成交容量所對應的成交價格。限價交易和市價交易的成交數量仍為買賣雙方報量的較小值。

“礦工”執行函數完成交易結算，核驗錢包余額，核驗通過則進行轉賬，更新企業用戶所持有的用電權數量。若企業用戶決定放棄交易，也可進行撤單，平臺執行撤單函數fwithdraw(ps，i，pb，j，qs，i，qb，j)，買方或賣方清空自身的投標信息并退出市場。

6）交割結算函數。

平臺調用交割結算函數計算各企業用戶的交易偏差量及超容容量，根據企業用戶的交易誠實度進行獎勵或扣減其信用分，并存儲信用分信息。若企業用戶存在超容行為，則超出部分需要按市價的W倍向園區支付相應罰金。由“礦工”執行函數核驗信息及錢包余額，若核驗成功則進行轉賬，若核驗失敗則記錄此次欠款并從下一次交易的保證金中扣除。

3 算例仿真分析

3.1 仿真數據

考慮現實配電網絡拓撲因素，本文仿真場景設置為上海市某一產業園區10 kV 配電站內，該站變壓器總額定容量為3 200 kV·A。參考《上海市物價局關于降低工商業電價有關事項的通知》，設定相應的標準電價為42 元／kW，其他參數設置見附錄A表A2。

3.2 仿真結果分析

為了驗證本文設計的多邊交易機制的有效性，在實驗室環境下搭建用電權交易平臺，使用Solidity語言將用電權交易機制智能合約化，經Remix 在線編譯器將其編譯為可識別的字節碼，通過Geth 客戶端部署到以太坊私有鏈上。構建以太坊私有鏈的Geth版本為1.9.23，在CPU為Intel Core i5 1.4 GHz，內存為8 GB的計算機上進行仿真。

仿真算例以短期交割時段為例，同時考慮供需平衡、供小于求、供大于求3種場景（場景1—3）。區塊鏈的相關運行參數描述如下：區塊鏈類型為以太坊私有鏈，智能合約部署的消耗gas總量為3549718（gas 為工作量的計量單位，用作計量以太坊智能合約執行命令所產生的消耗），合約哈希值為0x3e004f39d9321a04af2a056deddc2b81fe009c68e910 8827a8a3f62fd616104f，區塊數量為179。其中，合約哈希值是指智能合約在私有鏈上存放的地址；區塊數量是指仿真算例在供需平衡場景下運行1 輪完整的交易所產生的區塊數量。以下分析具體的用電權交易流程以及各企業用戶在未來1 天內所得的用電權。企業用戶A、B、C、D的注冊結果如表1所示。

表1 企業用戶的注冊結果Table 1 Registration results of enterprise users

密封報價階段，買賣雙方的投標信息如表2 所示，表中企業用戶A、B為交易買方投標者，企業用戶C、D為賣方投標者。

表2 買賣雙方的投標信息Table 2 Bidding information of buyers and sellers

在供需平衡場景（場景1）下，雙向拍賣成交結果如表3所示。在雙向拍賣市場，企業用戶A與C、D成功匹配并進行交易結算，企業用戶B 因報價過低沒有成功匹配。雙向拍賣后企業用戶A、D 的需求已全部出清，被移出交易隊列。企業用戶C 仍有180 kW 的剩余用電權，故企業用戶B、C 進入P2P 交易階段。該階段企業用戶C、D 的中標收益分別為900、5460元。

表3 場景1的雙向拍賣成交結果Table 3 Double auction results of Scenario 1

在P2P 掛牌交易市場，企業用戶B、C 均對自身報價進行了調整，調整之后企業用戶B 的報價為46 元／kW，企業用戶C 按市價42 元／kW 報價，根據限價交易原則，成交價格為44元／kW。P2P 交易后，企業用戶B 容量完成清零，企業用戶C 仍然剩余50 kW 用電權未出清，但因缺少賣家無法匹配，隨即退出交易。該階段企業用戶C的中標收益為5720元。3種場景的整個交易流程結果如表4所示。

表4 3種場景下交易流程完成后的交易結果Table 4 Trading results after completion of trading process under three scenarios

在供小于求場景（場景2）下，因企業用戶A報價最高，因此會優先為企業用戶A進行匹配，企業用戶C、D 的報量與企業用戶A 匹配完之后均退出市場。企業用戶A 只有部分需求得到滿足，而企業用戶B因缺乏賣方匹配，需求無法得到滿足。故在該場景下，雙向拍賣結束后沒有P2P 交易階段，整個交易流程提前完結。

在供大于求場景（場景3）下，雙向拍賣階段根據交易規則優先撮合企業用戶C 與A 交易。雙向拍賣后所有買方容量均成功出清，剩余賣方企業用戶C與D只能退出交易。

本文所提交易機制采用密封報價的形式，鼓勵買賣雙方基于自身需求合理報價，即使在供小于求或者供大于求的市場中，也可以為買賣雙方爭取最大收益。3 種場景下各企業用戶的用電容量更新結果如表5所示。

表5 3種場景下交易后的企業用戶用電容量Table 5 Enterprise users’capacities after trading under three scenarios

市場交易階段結束后，各企業用戶在交割時段內使用交易所得的用電權。在交割考核階段，3 種場景下買方用戶的偏差考核結果如表6所示。

表6 3種場景的偏差考核結果Table 6 Deviation assessment results of three scenarios

在場景1 下，企業用戶B 被判定為誠實用戶，若該企業用戶連續在3 次交易中被判定為誠實用戶，則可獲得信用分加1 分的獎勵；企業用戶A 在本次考核中被判定為不誠實用戶，故對其進行信用分減5 分的懲罰。在場景2 下，企業用戶B 未能成功購得用電權，故不參與本輪偏差考核；企業用戶A的偏差考核結果為信用分減5 分。在場景3 下，企業用戶B被判定為誠實用戶；企業用戶A 被判定為極其不誠實用戶，對其信用分進行減10分的懲罰。

在超容罰款環節，根據式（7）對超容用戶收取罰金，3種場景下各企業用戶的超容罰金結果如表7所示。以場景1 為例說明，企業用戶A 需繳納3 780 元罰金，企業用戶B 未超容故無需繳納罰金，企業用戶C、D 需分別繳納1 260、11 340 元罰金。本輪交易園區共收取16 380 元罰金，作為后續提供增值服務的資金來源。

表7 3種場景的超容罰金Table 7 Fines for excess capacities of three scenarios

場景1 的算例結果表明，本文所提交易機制充分調用了企業用戶的閑置電力資源，有效解決了部分用戶臨時增容的需求。相較于傳統增容方案所需的用戶站改造費、開關站土建費、外線工程擴容費等高昂的建設成本以及漫長的用電申請和改造周期，本文所提交易機制不僅在極大程度上節約了建設費用和時間成本，還幫助部分企業用戶通過交易賺取一定的費用，實現了對園區現有資源的最大化利用和合理化配置。

4 結論

本文設計了一種園區級多邊用電權交易機制，利用區塊鏈技術的特性，對用電權這種數字資產進行市場化分配，部署在以太坊私有鏈上的測試結果表明：

1）本文設計的多邊用電權交易規則使買方報價大于等于賣方報價的部分通過雙向拍賣進行匹配，剩余部分通過P2P 市場掛牌交易進行匹配，利用市場化的手段實現了園區企業用戶之間用電容量的優化配置；

2）偏差考核和超容罰款這2 個環節通過信用分獎懲和罰款手段，約束了平臺用戶的交易行為，進一步規范了市場秩序，保障了園區用電權交易的公平公正；

3）通過區塊鏈平臺保證交易數據多方一致、不可篡改、可溯源等，在以太坊私有鏈上進行測試，完成了企業用戶用電權的掛單、交易、結算、考核等一系列過程，確保了園區多邊交易的安全可靠；

4）通過算例仿真展示了3 種場景的交易結果，即使是在供遠小于求或者供遠大于求的場景下，本文所提交易機制仍能滿足部分企業用戶的需求，驗證了交易機制的合理性，也表明該交易機制適用于不同的市場環境。

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