基于智能合約的“源儲網(wǎng)荷”本地能源微網(wǎng)交易模型設計

甘萌瑩

（華北電力大學，河北 保定 071003）

0 引 言

傳統(tǒng)的集中式交易中心面臨諸多問題，如成本高、效率低、公平性和透明性不高、安全風險大等。因此，需要尋求一種去中心化的交易管理方式，降低成本，實現(xiàn)電力交易的自主管理，保障信息的安全性。由中本聰提出的區(qū)塊鏈技術具有去中心化、智能合約化、透明公開化、不可偽造等顯著優(yōu)點，能極大程度地解決采用傳統(tǒng)集中式交易中心機制的問題，并很好地適應電力市場的發(fā)展趨勢。

本文提出了一種基于智能合約的“源儲網(wǎng)荷”本地能源微網(wǎng)交易模型，旨在響應國家政策號召，為將區(qū)塊鏈技術初步應用到分布式能源市場化交易試點提供更具體的思路。文中先介紹了智能合約在本地能源微網(wǎng)中的應用流程，建立了基于智能合約的分布式發(fā)電和儲能相結合的“源儲網(wǎng)荷”本地能源微網(wǎng)交易模型。在電力交易過程中，當分布式發(fā)電機供電能力盈余時，充分利用優(yōu)越的環(huán)境條件，將多發(fā)的電能傳入儲能裝置儲備；當供電緊張時，儲能裝置與DG向客戶并行輸電的方案。接著對該方案的智能合約設計過程做了較為詳細的說明。

1 基于智能合約的“源儲網(wǎng)荷”本地能源微網(wǎng)交易模型設計

分布式光伏分布是較低的電壓等級發(fā)電方式，不適宜先升壓后降壓的遠距離傳輸，必須本地銷納。由于分布式能源往往具有較大的波動性，大量可再生能源分布式電源的接入會加速配網(wǎng)對于儲能的需求。分布式發(fā)電結合儲能裝置的微網(wǎng)結構，不僅能平滑負荷曲線，起到DG（分布式發(fā)電機）無法工作時的過渡作用，還能在風力、光照過剩的情況下儲存大量的能量，以供自由調度和隨時的電力交易獲得極大收益。因此，提出了基于智能合約的“源儲網(wǎng)荷”本地能源微網(wǎng)的交易模型。

1.1 智能合約

智能合約是結合區(qū)塊鏈技術、大數(shù)據(jù)技術、人工智能技術的一種可信任的預言機制。交易雙方可以針對交易協(xié)商設定具體合約條目，并通過區(qū)塊鏈形成智能合約，在智能合約中規(guī)定合約中每一方需要履行的義務和合約執(zhí)行的判定條件。區(qū)塊鏈系統(tǒng)對合約執(zhí)行條件自動判斷，當所有判定條件都滿足時，區(qū)塊鏈系統(tǒng)將自動強制執(zhí)行合約條款，然后程序按照合約條款來分配釋放和轉移資金，且只有合約到期才可以使用這筆資金。

一個智能合約是一套以數(shù)字形式定義的承諾，而這些承諾指的是合約參與方統(tǒng)一的權利和義務。以一個銷售合約為典型例子，賣家承諾發(fā)送貨物，買家承諾支付合理的貨款。這個交易中包含了一個“IF-THEN”語句，即如果賣家發(fā)貨，買家就付款。只要條件觸發(fā)，這個合約的執(zhí)行就是個自動的過程，不需要人監(jiān)督，也無從抵賴，不僅提高了合約執(zhí)行的效率，更在沒有強有力的第三方監(jiān)督下有效保障了合約的執(zhí)行。

1.2 基于智能合約的“源儲網(wǎng)荷”本地能源微網(wǎng)交易模型

1.2.1 模型準備

（1）智能電表

運用智能電表實時進行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集是保障合約正常執(zhí)行的基礎，需要完成采集的信號包括三相電壓、三相電流、頻率、功率、功率因數(shù)和電度等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理主要是把按要求采集的電參量實時準確提供給智能合約判據(jù)，使智能合約能夠自動根據(jù)實時數(shù)據(jù)判斷是否滿足合約各項條件而執(zhí)行合約。智能合約直接或間接將用戶節(jié)點連接起來，以便進行交互。

（2）儲能

DG（分布式發(fā)電機）發(fā)電受太陽能、風能等自然因素的影響較大。由于這些自然因素的不可控性，常常存在“棄光”“發(fā)電利用小時數(shù)持續(xù)降低”的現(xiàn)象。更嚴重的是，DG電能的不穩(wěn)定性對電網(wǎng)電能的質量和電網(wǎng)的安全運行也將造成影響。而儲能技術能夠實現(xiàn)電能的時空平移，將DG高出力轉移到其他時段?？蓮娜矫娓爬ńY合儲能對本地微網(wǎng)系統(tǒng)帶來的好處：對系統(tǒng)起穩(wěn)定的作用、在DG單元不能正常運行的情況下起過渡作用以及能在特定的時間提供所需的電能。儲能越多，調度越自由，DG單元擁有者將可以獲取更多的經濟利益。

1.2.2 模型構建

假設處于該“源、儲、網(wǎng)、荷”本地能源微網(wǎng)的用戶都配備智能電表、儲能裝置和分布式發(fā)電機。智能電表可以記錄其發(fā)電量，然后將該信息傳遞給區(qū)塊鏈。儲能裝置能夠在條件充裕時儲存電能，而在有供應需求時釋放電能。分布式發(fā)電機通過可再生能源發(fā)電，直接送至負荷或儲能裝置。智能電表作為各用戶在區(qū)塊鏈上的節(jié)點，告知他們可用的能源[1]，然后通過手機應用將這些設備連接起來。圖1為本文設計的本地能源微網(wǎng)模型的基本框架。

該模型表示的是以智能電表為連接紐帶，以區(qū)塊鏈為互動平臺的源儲網(wǎng)荷本地微網(wǎng)模型。用戶通過手機APP查詢符合自己滿意度的合約或者發(fā)布合約。每個用戶的能源結構圈如圖1中的橢圓所示，其中C4表示儲能裝置，DG表示分布式電源。DG和儲能裝置之間的能量流動是雙向的，儲能裝置能在DG供電不足時為其補充電源，而在其條件優(yōu)越時儲存能量。智能電表為將分布式家庭用戶節(jié)點連接起來的媒介[2]，可以上傳數(shù)據(jù)供智能合約的判據(jù)使用。

圖1 本地能源微網(wǎng)模型框架

為了實現(xiàn)社區(qū)間居民的電力交易，居民用戶接入智能儀表用于采集發(fā)電、用電和電力交易的數(shù)據(jù)。電力數(shù)據(jù)同步上傳到公共區(qū)塊鏈平臺，作為判斷合約執(zhí)行條件滿足與否的依據(jù)。

當用戶已經簽訂合約、正在進行買電交易時，程序自動檢測智能電表實時上傳更新的交易和電力使用信息，能夠確保交易公開公正地進行[3]，在不需要第三方的情況下自行判定交易進行的進度和完成情況，最終通過以太坊這一平臺以虛擬貨幣結算，自動完成交易，使微網(wǎng)使用者無法偽造或篡改合同和交易的完成度。

在儲能裝置上設置傳感器檢測其存儲和釋放的電量。編寫智能合約使用戶DG產出的電多于負荷所需的電量，且不存在自身調峰和其他節(jié)點用戶的電能需求時，多余的電能自動供給給儲能裝置。而電力需求大于供給時，儲能裝置中儲存的電能優(yōu)先去填補電力供給的空缺[4]，且允許在不影響潮流控制的前提下，將多余儲存的電能通過區(qū)塊鏈出售給其他節(jié)點用戶。這樣分布式儲能能夠自行決定不同時段提供多少服務，實現(xiàn)了儲能的自調度，促進了分布式能源的協(xié)同工作，使該微網(wǎng)系統(tǒng)用戶得到了極大的收益。

所有動作都是基于智能合約中事先定義好的規(guī)則。這些規(guī)則將保證所有的能量流向和儲能容量被自動控制著，從而平衡供給和需求[5]。即使家里沒有發(fā)電設備，通過安裝智能電表，也可以與本地能源微網(wǎng)內的其他分布式家庭互聯(lián)，買入電力。

為了使智能合約能普適于大眾用戶，可設計一款手機APP，實現(xiàn)以太坊智能合約的面向對象化。該應用能顯示其所處區(qū)域內閑置設備的分布式家庭的地理位置、能源的生產量和賣家理想電價。對于電能需求者，可以選擇設置其對于不同能量來源可接受的最高價格，并能根據(jù)距離自己由近到遠的排序選擇售電方，以求達到雙方利益的最大化。

對于電能銷售者，可以通過操作APP界面選擇組合自己理想條件下的合約內容。APP自動編碼，將其生成以太坊能識別的智能合約內容[6]，并發(fā)布在平臺上。這樣用戶既可以方便地直接開發(fā)自己的區(qū)塊鏈應用，又可以尋找符合自己需求的最優(yōu)能源交易信息，并進一步協(xié)商是否修改某些交易條件形成新的交易條款。最終，雙方達成共識，密鑰簽名，合約生效，自動執(zhí)行直至交易圓滿結束。

2 “源儲網(wǎng)荷”本地交易微網(wǎng)的智能合約設計

2.1 適用于“源儲網(wǎng)荷”本地微網(wǎng)的智能合約制定

目前，在智能合約領域最著名的當屬以太坊。以太坊是一個智能合約功能的公共區(qū)塊鏈平臺。本文合約將以其為開發(fā)平臺，以Solidity為編寫語言進行介紹。

2.1.1 功能函數(shù)和變量要素確定

表1中所列出的是在一個源儲網(wǎng)荷本地能源微網(wǎng)中中制定一份買方合約所需要的最基本要素。

表1 本文模型的智能合約基本要素表

除了上述基本要素，合約中還應該有如下必要的功能函數(shù)及主函數(shù)。

合同的主函數(shù)。發(fā)布合約以后，只有與合約同名的函數(shù)會自動執(zhí)行。所以，該主函數(shù)名應與合約名相同，使發(fā)布合約即啟動交易。該函數(shù)用來實現(xiàn)智能合約的基本構造。

交易擔保函數(shù)。對買方和賣方扣除一定的交易保證金，防止發(fā)布虛假交易等情況。

售電函數(shù)。和買方智能電表進行互聯(lián)，不斷判斷其上傳的成功收到的電量是否達到約定售電量，當返回值顯示true時，啟動下一步資金交易。

供電方式函數(shù)。和售電方的智能電表進行互聯(lián)，根據(jù)收到的電力數(shù)據(jù)判斷每個時刻DG供應是否處于供求平衡的情況。如果不是，當發(fā)電條件極其優(yōu)越引起供應過盈時，自動將發(fā)送的一部分電量存儲于儲存裝置。當發(fā)電條件比較貧瘠引起供應緊張（可能在合約期限內無法完成交易或電能質量不佳）時，自動使儲能裝置與DG并行發(fā)電，以達到交易要求。

合約執(zhí)行情況查詢函數(shù)。在合同交割時間到期后，通過查詢交易電量數(shù)據(jù)獲得賣方是否執(zhí)行完畢交易電量的回復，從而執(zhí)行付款或者違約追責。

交易金轉移函數(shù)。當售電函數(shù)返回值為true時，啟動交易金轉移函數(shù)，從買方賬戶扣除（約定售電量*電量單價）數(shù)量的貨幣到售電方賬戶。完成轉賬后，返回true值啟動下一步。

釋放擔保金函數(shù)。交易金轉移函數(shù)返回true值時啟動，向雙方賬戶各自轉回保證金額數(shù)量的貨幣，標志交易成功完成。

2.1.2 程序流程框架

基本元素和功能函數(shù)確定后，還需要把它們有序組織起來形成程序。圖2為針對本文提出的“源儲網(wǎng)荷”本地能源微網(wǎng)模型的智能合約的簡單流程圖。

以A向B售電為例進行說明。借助區(qū)塊鏈交易平臺達成交易協(xié)議后，A開始向B輸送電能。在這個電能傳輸過程中，A的智能電表端不斷檢測并上傳數(shù)據(jù)到區(qū)塊鏈中，合約判斷A對B方電的供應狀態(tài)屬于正好供應、供應緊張還是過于充裕，即判斷此時外界自然因素條件屬于優(yōu)越或貧瘠狀態(tài)。如果供應緊張，儲存裝置自動與DG并行參與供能，向B方提供電能。如果供應充裕，DG發(fā)出的一部分電進入儲能裝置進行儲存，以備不時之需或是更為自由的調度。

而B方的智能電表斷不斷檢測并上傳數(shù)據(jù)到區(qū)塊鏈中，根據(jù)其電量數(shù)據(jù)判斷A向B供應的電量是否已經達到約定電量。若沒有達到，則A繼續(xù)向B傳輸電能；若達到，則標志交易進入支付貨幣階段。合約中鎖定的保證金額返還至雙方，并將交易金額轉移到賣方A的賬戶下。交易完成。

圖2 智能合約程序

3 結 論

隨著電力市場改革的推進，未來將有大量獨立決策的電能產銷者參與電力市場競爭。分布式能源電壓等級低，只能采用就地消納的辦法。又因為它的隨機性強、不可控性大，儲能裝置配合調度才能給DG更大的調度自由，而分布式發(fā)電的市場化將帶動儲能技術的發(fā)展[7]。由此可見，建立一個源儲網(wǎng)荷本地微網(wǎng)模型十分必要，結合區(qū)塊鏈技術的去中心化、透明性安全性和智能合約化等優(yōu)點，則能達到更好的效果。

本文提出了一種基于智能合約的“源儲網(wǎng)荷”本地能源微網(wǎng)交易模型，先介紹智能合約在本地能源微網(wǎng)中的應用流程，建立基于智能合約的分布式發(fā)電和儲能相結合的“源儲網(wǎng)荷”本地能源微網(wǎng)交易模型，再對該智能合約進行詳細的設計[8]。

對于提出的設計模型，當分布式發(fā)電機供電盈余時，向一部分電能傳入儲能裝置儲備；當供電緊張時，儲能裝置并行輸電的方案。它能夠很好地彌補分布式發(fā)電及其交易的缺陷，提高電能的質量，為電能提供更自由的調度，同時給用戶帶來了極高的收益。