基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠交易管理模式研究

周洪益，余 爽，柏晶晶，衛(wèi)志農(nóng)，孫國強，臧海祥，錢葦航

（1. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 鹽城供電分公司，江蘇 鹽城 224002；2. 河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，南京 211100）

0 引言

隨著風(fēng)、光等可再生能源的快速發(fā)展，分布式能源接入配電網(wǎng)的趨勢日益向高滲透、高密度的方向發(fā)展。然而大量新能源的接入，其隨機性和不確定性會給電網(wǎng)的運行調(diào)度和電力市場的交易產(chǎn)生重要影響。虛擬電廠技術(shù)正是聚合眾多分布式電源參與電力市場運營，促進新能源消納的重要手段之一［1—2］。

然而傳統(tǒng)的虛擬電廠（virtual power plant,VPP）在結(jié)算周期、信息安全等方面也存在一些問題。首先，電源業(yè)主對虛擬電廠運營方的信任問題，具體表現(xiàn)為能源信息和收益結(jié)算是否可靠。傳統(tǒng)模式下，虛擬電廠中能源信息和收益結(jié)算依賴于中心化機構(gòu)，可能會存在收益結(jié)算效率較低以及虛假能源信息的現(xiàn)象。

其次，現(xiàn)行的分布式電源結(jié)算周期長。傳統(tǒng)模式下，虛擬電廠運營方聚合能源后參與電力市場的交易，在虛擬電廠整體收益清算后，再根據(jù)電源出力曲線、電源信息進行再清算，電力收益需要較長的周期后才可獲得，因此可再生能源所有者的投資積極性將受到影響。

再次，目前虛擬電廠信息數(shù)據(jù)均存儲在虛擬電廠運營方的控制中心中，存在黑客入侵導(dǎo)致的用戶身份偽裝或數(shù)據(jù)泄露問題，對虛擬電廠的安全運行造成威脅。

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠交易管理模式為解決以上問題提供了新思路［3—9］。

本文根據(jù)虛擬電廠和區(qū)塊鏈技術(shù)的特點，建立了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠商業(yè)運營架構(gòu)和電力交易模式，設(shè)計了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠能源認(rèn)證和證書交易模式，并對區(qū)塊鏈在虛擬電廠中的應(yīng)用進行了案例說明。最后，給出了虛擬電廠與區(qū)塊鏈技術(shù)未來進一步深度融合的發(fā)展建議。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)與虛擬電廠相結(jié)合的適用性分析

1.1 虛擬電廠技術(shù)

通過“大云物移智聯(lián)”等先進的信息技術(shù)和通信技術(shù)，虛擬電廠可以實現(xiàn)燃氣輪機、光伏電站、智能樓宇、電動汽車等分布式資源的通信和聚合，作為一個整體參與電力市場和電網(wǎng)運行。

然而，采用中心化模式的傳統(tǒng)虛擬電廠在交易結(jié)算、信息安全等方面存在一些不足，主要包括:

（1）虛擬電廠中的交易結(jié)算僅由運行中心負(fù)責(zé)，當(dāng)交易情況復(fù)雜時存在效率降低的問題，導(dǎo)致交易成本增加，各分布式能源的收益降低。

（2）虛擬電廠缺乏安全可靠的信息系統(tǒng)，存在黑客入侵導(dǎo)致的用戶身份偽裝或數(shù)據(jù)泄露風(fēng)險，影響虛擬電廠的安全運行。

虛擬電廠的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 虛擬電廠的基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of virtual power plant

1.2 區(qū)塊鏈技術(shù)

（1）定義

區(qū)塊鏈技術(shù)本質(zhì)上是一種多節(jié)點參與具有去中心化特性的分布式數(shù)據(jù)庫，由一組使用采用密碼學(xué)方法加密的數(shù)據(jù)區(qū)塊按照時間順序鏈接而成，記錄了不可篡改的數(shù)據(jù)信息［10］。

（2）結(jié)構(gòu)

區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)區(qū)塊由區(qū)塊頭和區(qū)塊體兩部分組成，區(qū)塊頭由上一區(qū)塊的地址、時間戳、Merkle根以及目標(biāo)哈希值組成；區(qū)塊體中包含了系統(tǒng)中一段時間的所有信息，并采用Hash 加密算法通過Merkle 樹生成唯一的Merkle 根與區(qū)塊頭聯(lián)系，如圖2所示。

（3）區(qū)塊鏈類型

目前，區(qū)塊鏈按照其類型的不同具體可以分為公有鏈、聯(lián)盟鏈以及私有鏈3種［11］，3種類型的特點，如表1所示。

圖2 區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.2 Data structure of blockchain

? 公有鏈:在公有鏈中，系統(tǒng)中的所有節(jié)點均可以參與共識過程，但由于參與共識的節(jié)點數(shù)量較多，造成公有鏈效率降低的問題。

? 聯(lián)盟鏈:聯(lián)盟鏈中參與共識過程的節(jié)點由內(nèi)部預(yù)先選定，區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)可以是公開的也可以是內(nèi)部的，即部分去中心化。

? 私有鏈:在私有鏈中，共識過程僅由中央節(jié)點負(fù)責(zé)執(zhí)行，中央節(jié)點可決定其他節(jié)點的讀取權(quán)限。私有鏈的交易速度更快，交易成本更低，但由于權(quán)力過分集中于中央節(jié)點，存在數(shù)據(jù)被任意篡改的風(fēng)險，但適用于某些特殊場景的應(yīng)用。

表1 3種區(qū)塊鏈類型的特點比較Table 1 Characteristics comparison of three blockchain types

（4）分布式共識機制

分布式共識機制是P2P網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間達成共識協(xié)議的過程。每一個區(qū)塊只有在各個節(jié)點經(jīng)過共識過程達成一致后才能按照時間順序加入到區(qū)塊鏈中。

目前區(qū)塊鏈的共識機制有以下幾種，權(quán)益證明機制、工作量證明機制、股份授權(quán)證明機制和拜占庭容錯算法。

（5）智能合約

智能合約本質(zhì)上是部署在區(qū)塊鏈上的一組自動執(zhí)行的計算機程序，規(guī)定了交易結(jié)算、運行管理機制等規(guī)則。智能合約使區(qū)塊鏈的應(yīng)用范圍從貨幣領(lǐng)域擴展到金融、醫(yī)療、能源等領(lǐng)域，成為區(qū)塊鏈技術(shù)落地應(yīng)用的重要依托［12—14］。

在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，智能合約具有讀取和寫入數(shù)據(jù)、保證交易執(zhí)行、管理數(shù)字資產(chǎn)的功能。智能合約的應(yīng)用減少了系統(tǒng)的管理成本，避免了不必要的交易糾紛，促進了區(qū)塊鏈的進一步發(fā)展。

1.3 適用性分析

區(qū)塊鏈技術(shù)以其去中心化、公開透明、不可篡改的特性與能源互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)特點具有一致性，將兩者相結(jié)合可以建立一個基于共識機制的去中心化能源交易管理平臺，為解決虛擬電廠目前存在的問題提供了新的解決思路。

（1）去中心化:區(qū)塊鏈系統(tǒng)具有去中心化的特點，各個決策由系統(tǒng)中的所有節(jié)點共同執(zhí)行。而虛擬電廠包含多種分布式能源，亟需由傳統(tǒng)的中心化控制模式轉(zhuǎn)為分散控制模式。

（2）集體維護:區(qū)塊鏈系統(tǒng)通過共識機制保證每個節(jié)點都能夠參與區(qū)塊的寫入過程，各個節(jié)點也都具有訪問區(qū)塊數(shù)據(jù)的權(quán)限。因此避免了采用集中化的控制中心。虛擬電廠對分布式電源進行讀寫、維護權(quán)利的授權(quán)能夠有效提高分布式能源參與虛擬電廠的積極性。

（3）智能合約:通過智能合約技術(shù)，區(qū)塊鏈系統(tǒng)可以實現(xiàn)交易結(jié)算的自動執(zhí)行，提高交易管理效率。虛擬電廠在獲得收益之后，能夠自動實現(xiàn)收益的再分配，減少分布式能源所有者回收資金的周期。

（4）信息安全:區(qū)塊鏈技術(shù)使安全智能交易在能源領(lǐng)域成為可能。同時，虛擬電廠現(xiàn)有的交易管理模式存在信息泄露和身份偽裝的問題。將兩者相結(jié)合建立基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠交易管理模式能夠提高虛擬電廠運行系統(tǒng)的安全性。

2 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠商業(yè)運營架構(gòu)和電力交易模式

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠商業(yè)運營架構(gòu)和電力交易模式如圖3 所示。首先，將虛擬電廠內(nèi)不同的分布式能源的類型及發(fā)電量進行標(biāo)記，建立電源收益分配機制。其次，考慮兩個層面的虛擬電廠交易模式，一是虛擬電廠內(nèi)部電源與負(fù)荷P2P交易；二是虛擬電廠作為一個統(tǒng)一的發(fā)電廠參與電力市場交易?；趨^(qū)塊鏈系統(tǒng)，虛擬電廠與分布式能源所有者之間可以進行雙向選擇。

分布式能源所有者根據(jù)虛擬電廠的收益分配規(guī)則選擇是否加入，并向虛擬電廠運營方提供能源類型、身份ID、可發(fā)電額度量等信息。同時，由于區(qū)塊鏈系統(tǒng)分布式共識機制的存在，各分布式能源的實際發(fā)電量均是公開透明的。在基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠商業(yè)運營架構(gòu)和電力交易模式中，虛擬電廠與分布式能源所有者之間能夠通過智能合約達成長期購電協(xié)議，并且可以實現(xiàn)電力的實時交易結(jié)算，縮短資金回收周期。

圖3 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠商業(yè)運營架構(gòu)和電力交易模式Fig.3 Virtual power plant operation structure and power transaction mode based on blockchain technology

3 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠能源認(rèn)證和證書交易模式

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠能源認(rèn)證和證書交易模式如圖4所示。對于電網(wǎng)中的每個虛擬電廠以及虛擬電廠中的分布式電源而言，其提供的電力信息，所處地域，以及其可信程度履約歷史等都將公開、透明、不可篡改地記錄在區(qū)塊鏈中。設(shè)計虛擬電廠能源認(rèn)證模型和證書交易智能合約，將信息認(rèn)證后寫入?yún)^(qū)塊鏈進行標(biāo)記，同時證書以令牌的形式參與市場交易，證書交易及轉(zhuǎn)讓信息寫入?yún)^(qū)塊鏈，能夠保證有據(jù)可查并且不可篡改。

圖4 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠能源認(rèn)證和證書交易模式Fig.4 Virtual power plant energy certification and certificate transaction mode based on blockchain technology

4 區(qū)塊鏈技術(shù)在虛擬電廠中的應(yīng)用

本文對虛擬電廠傳統(tǒng)的中心化結(jié)構(gòu)進行改進，建立了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠運營架構(gòu)。在此架構(gòu)中，虛擬電廠的運營主要由聚合商、分布式節(jié)點和智能電能表共同完成，具體如圖5所示。

圖5 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠運營架構(gòu)Fig.5 Operation framework of virtual power plant based on blockchain technology

其中，分布式節(jié)點即為虛擬電廠中的各個分布式能源業(yè)主；VPP 聚合商具有對各個分布式能源節(jié)點進行能源認(rèn)證，收集各個節(jié)點的交易請求并進行交易匹配，存儲節(jié)點間的交易記錄等功能；智能電能表可以對實時電力交易量進行記錄，并實現(xiàn)分布式節(jié)點之間、分布式節(jié)點與聚合商之間的通信以及數(shù)字貨幣傳輸。

區(qū)塊鏈模式下的虛擬電廠能源認(rèn)證與交易流程如圖6所示，可以分為6個步驟。

圖6 區(qū)塊鏈模式下的虛擬電廠能源認(rèn)證與交易流程Fig.6 Energy certification and transaction process of virtual power plant in blockchain mode

（1）各分布式能源業(yè)主需要將身份ID、地理位置、能源類型、可發(fā)電額度等信息發(fā)送給VPP 聚合商進行能源認(rèn)證，認(rèn)證完成后VPP 聚合商向各個分布式能源節(jié)點發(fā)送對應(yīng)的公私鑰對以及錢包地址。

（2）各分布式能源業(yè)主根據(jù)實際情況以及虛擬電廠的優(yōu)化調(diào)度計劃進行發(fā)電。

（3）VPP聚合商收集各分布式能源節(jié)點的交易請求，并進行交易撮合。在交易匹配完成后，各分布式能源節(jié)點之間進行電力傳輸。

（4）在電力傳輸完成后，各分布式能源節(jié)點將能源幣從能源購買節(jié)點發(fā)送到能源出售節(jié)點，并采用公私鑰對進行簽名，從而對支付信息進行驗證。

（5）VPP聚合商收集一段時間內(nèi)的所有交易記錄，并采用共識算法生成數(shù)據(jù)區(qū)塊，如果所有的節(jié)點均對該區(qū)塊達成一致，則可以將該數(shù)據(jù)區(qū)塊存儲至區(qū)塊鏈系統(tǒng)中。

（6）分布式節(jié)點收到數(shù)字貨幣后可以長期存儲在錢包地址中，也可以在數(shù)字貨幣交易所與政府貨幣進行兌換以獲取收益。

5 建議

（1）研究適應(yīng)多交易主體和新型交易模式的高比例分布式電源優(yōu)化規(guī)劃?？紤]虛擬電廠去中心化交易，研究多交易主體模式對配電網(wǎng)接納分布式電源能力的影響；綜合考慮多交易主體功能定位和新型交易模式，研究基于“源網(wǎng)荷”互動的高比例分布式電源接入配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃方法。

（2）出臺支撐基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠建設(shè)發(fā)展的相關(guān)政策。鼓勵區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用發(fā)展，綜合考慮各參與主體的價值，充分調(diào)動各方對能源區(qū)塊鏈投資的積極性，逐步研究、層層推進，鼓勵多方參與、技術(shù)革新。

（3）制定泛在物聯(lián)網(wǎng)下新型虛擬電廠的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)體系。結(jié)合電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系，在通用區(qū)塊鏈的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，完善融合后納入到泛在電力物聯(lián)網(wǎng)下虛擬電廠的標(biāo)準(zhǔn)體系中。

（4）建立泛在電力物聯(lián)網(wǎng)下虛擬電廠監(jiān)管體系，創(chuàng)新管理模式。建立虛擬電廠區(qū)塊鏈的投資效益評估和糾紛仲裁機制，對虛擬電廠的投資、建設(shè)、運營和效益進行科學(xué)準(zhǔn)確的評估和監(jiān)管，并以此作為引導(dǎo)，優(yōu)化后續(xù)的建設(shè)應(yīng)用。

6 結(jié)束語

以虛擬電廠技術(shù)促進清潔能源消納是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)內(nèi)容的重要組成部分，區(qū)塊鏈技術(shù)在虛擬電廠的應(yīng)用僅處于理論研究階段，仍有大量的研究需要開展。本文介紹了虛擬電廠的概念，闡述了區(qū)塊鏈技術(shù)的定義、結(jié)構(gòu)、分類、共識機制、智能合約，分析了區(qū)塊鏈技術(shù)與虛擬電廠相結(jié)合的適用性。建立了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠商業(yè)運營架構(gòu)和電力交易模式，設(shè)計了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠能源認(rèn)證和證書交易模式，以期能夠?qū)ξ磥韰^(qū)塊鏈技術(shù)在能源領(lǐng)域的研究提供幫助。