區(qū)塊鏈在需求響應(yīng)中的關(guān)鍵技術(shù)及現(xiàn)狀分析

祁 兵，趙燕玲，楊 帆，李 彬，石 坤

（1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206；2.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192）

0 引言

需求響應(yīng)資源的應(yīng)用已經(jīng)滲透到國內(nèi)能源市場領(lǐng)域，作為供應(yīng)側(cè)系統(tǒng)資源的補(bǔ)充和完善，在電力市場中發(fā)揮了積極作用。根據(jù)《河南省電力需求側(cè)管理實施細(xì)則（試行）》，2019年夏，在電力供需形勢較為嚴(yán)峻，預(yù)計全省早高峰備用不足、晚峰有缺口時，充分發(fā)揮了需求響應(yīng)在電力供需平衡中的作用。2020年，浙江省發(fā)布的《關(guān)于開展2020年度電力需求響應(yīng)工作的通知》，引入市場化競價機(jī)制，旨在探索需求響應(yīng)資源參與電力市場輔助服務(wù)交易，完善技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系和聚合平臺建設(shè)，初步形成具有浙江特色的電力需求側(cè)管理模式。在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上探索需求響應(yīng)與區(qū)塊鏈的結(jié)合方式，利用區(qū)塊鏈的分布式記賬方式和去中心化處理，不僅可以解決需求響應(yīng)中的記假賬、記錯賬問題，還可以通過去中心化處理來降低成本，保障用戶交易的合法性、安全性，使得響應(yīng)更加精確，電力市場更加透明安全。

國內(nèi)外學(xué)者對區(qū)塊鏈需求響應(yīng)展開了初步的研究，文獻(xiàn)[1]分析了基于區(qū)塊鏈框架，由需求響應(yīng)分配者和認(rèn)證機(jī)構(gòu)組成的聯(lián)盟進(jìn)行維護(hù)，用于參與者自愿配給能源、平滑消費峰值，從而管理能源不平衡的問題。文獻(xiàn)[2]介紹了一個近實時自主需求響應(yīng)管理的需求響應(yīng)框架，使消費者利益最大化、成本最小化，同時還可以核實整個交易進(jìn)程。文獻(xiàn)[3]基于區(qū)塊鏈技術(shù)提出居民用戶參與需求響應(yīng)交易時渠道不順、機(jī)制缺乏等問題的解決方案，主要應(yīng)用于面向居民用戶開展需求響應(yīng)的交易機(jī)制，并借助以太坊Rinkeby網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)所提交易機(jī)制的支持系統(tǒng)，并且通過仿真驗證了該交易體制的可行性。文獻(xiàn)[4]根據(jù)經(jīng)濟(jì)學(xué)交易理論，提出一種基于區(qū)塊鏈的需求響應(yīng)資源交易方案，成功部署交易智能契約，并對該交易方案的有效性進(jìn)行驗證。文獻(xiàn)[5]總結(jié)了區(qū)塊鏈在電力交易領(lǐng)域中能源系統(tǒng)與電力系統(tǒng)交易的應(yīng)用情況，認(rèn)為區(qū)塊鏈在電力需求響應(yīng)領(lǐng)域值得發(fā)展和推廣。

本文提出區(qū)塊鏈技術(shù)在需求響應(yīng)的應(yīng)用設(shè)想，從智能合約、電力分布式交易、AI自動合同匹配機(jī)制等方面對區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用方式進(jìn)行分析；并根據(jù)區(qū)塊鏈技術(shù)在電力需求的發(fā)展情況，對區(qū)塊鏈技術(shù)在需求響應(yīng)中的局限性進(jìn)行分析。

1 區(qū)塊鏈應(yīng)用于需求響應(yīng)現(xiàn)狀分析

需求響應(yīng)業(yè)務(wù)中存在許多問題，如需求側(cè)資源管理無法完全實現(xiàn)線下辦理[6]，電子合同的安全性不易保障，以及在流程辦理過程中無法實現(xiàn)完全自動化等，而區(qū)塊鏈在解決上述問題中具有優(yōu)勢[7]。有學(xué)者針對需求響應(yīng)業(yè)務(wù)流程中存在的安全信任問題，從互聯(lián)共識機(jī)制、造鏈機(jī)制、運行流程、響應(yīng)鏈積分及能源交易監(jiān)管算法等方面展開研究，設(shè)計了基于區(qū)塊鏈的需求響應(yīng)系統(tǒng)，為需求響應(yīng)業(yè)務(wù)流程提供高可信度的技術(shù)支撐和業(yè)務(wù)咨詢[8]。有些學(xué)者提出了一種可以安全地做出能源交易決策，并可管理住宅、商業(yè)和工業(yè)部門的總負(fù)荷，在通信和計算成本方面具有優(yōu)勢的方案——基于區(qū)塊鏈的安全需求響應(yīng)管理方案（GUARDIAN）[9]。還有研究者設(shè)計了一個能源系統(tǒng)，采用OpenADR來保證互操作性，利用區(qū)塊鏈技術(shù)的智能合約來提供安全、隱私保護(hù)、防篡改、可審計的可靠的災(zāi)難恢復(fù)框架，并通過案例說明了智能合約可為該系統(tǒng)提供有效性保障[10]。

在上述研究基礎(chǔ)上，國內(nèi)外已經(jīng)有許多工程應(yīng)用項目。國外的成功項目中，芬蘭Fortum公司推出的一個區(qū)塊鏈項目，通過搭建區(qū)塊鏈能源系統(tǒng)，在能源局域網(wǎng)中建立各個主體間的智能合約模型，然后按照各主體設(shè)定的算法來實現(xiàn)主體間的自動響應(yīng)系統(tǒng)提出的補(bǔ)償需求。美國Bittwatt公司開發(fā)的需求響應(yīng)平臺，將生產(chǎn)商、能源供應(yīng)商和智能消費商連接在一起，利用區(qū)塊鏈建立一個基于以太坊的智能化需求響應(yīng)平臺，使其能更有效地以一個結(jié)構(gòu)化的方式來處理需求響應(yīng)業(yè)務(wù)，促進(jìn)廣大消費者參與到自動需求響應(yīng)業(yè)務(wù)中。日本的富士通公司開發(fā)了區(qū)塊鏈交易系統(tǒng)，通過電力公司和電力消費者控制用電需求，電力消費者互相交換各自的有效剩余電力；再結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)來提高需求響應(yīng)控制成功率，激發(fā)更多的用戶參與到需求響應(yīng)計劃中，從而解決消費者之間的電力短缺或過剩問題。

國內(nèi)也有類似的成功案例。廣東、浙江等地區(qū)開展了需求響應(yīng)結(jié)合區(qū)塊鏈的項目，例如在浙江省開展的填谷電力需求響應(yīng)項目中，利用區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行負(fù)荷數(shù)據(jù)上鏈，以保證電力數(shù)據(jù)的安全共享。在廣東省東莞市上線的實時需求響應(yīng)電子憑證利用區(qū)塊鏈智能合約技術(shù)實現(xiàn)流程自動化，同時對響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)校核，實現(xiàn)多方互信的數(shù)據(jù)證明。寧夏回族自治區(qū)上線的區(qū)塊鏈+邊緣計算一體機(jī)，針對目前存在的一些負(fù)荷側(cè)資源結(jié)構(gòu)多樣化、數(shù)據(jù)量大及安全風(fēng)險等問題，阻礙負(fù)荷側(cè)和用戶側(cè)的連接，充分發(fā)揮區(qū)塊鏈典型特點，結(jié)合邊緣計算來保證源頭數(shù)據(jù)的可信度，實現(xiàn)負(fù)荷側(cè)資源的接入、上傳，從而提高電網(wǎng)資源配置效率。

綜上所述，國內(nèi)外在將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于需求響應(yīng)方面已有很多典型的示范項目，尤其在綜合能源領(lǐng)域已有眾多應(yīng)用案例。我國雖然在需求響應(yīng)相關(guān)技術(shù)方面開展了試點，但是在商業(yè)模式、政策等方面依然不夠成熟，與國外相比，能源區(qū)塊鏈仍處于起步階段，相關(guān)研究還待進(jìn)一步完善。

2 需求響應(yīng)在智能合約中的設(shè)計

負(fù)荷聚合商根據(jù)電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力，通過合約發(fā)布數(shù)據(jù)信息確保不超負(fù)荷，以此進(jìn)行調(diào)度和管理用戶的用電及發(fā)電權(quán)限[11]，在授權(quán)后進(jìn)行發(fā)電并將數(shù)據(jù)總量上傳至區(qū)塊鏈。用戶在授權(quán)后通過合約向電廠購買電量并將用電數(shù)據(jù)通過合約上傳至區(qū)塊鏈。智能合約的總體流程圖如圖1所示。

圖1 智能合約總體流程

2.1 面向電網(wǎng)的智能合約設(shè)計

區(qū)塊鏈電網(wǎng)中的智能合約，運用區(qū)塊鏈去中心化沒有管理者的特點[12]，電網(wǎng)與用戶直接進(jìn)行交易。建立好智能合約后，只在需要運行時被調(diào)用，同時通過區(qū)塊鏈共識機(jī)制、非對稱加密算法確保交易的安全可靠性。

在電量交易過程中，購電用戶基于電網(wǎng)所提供的智能合約進(jìn)行調(diào)整報價，并將消息反饋至區(qū)塊鏈平臺；售電方獲得授權(quán)后獲取在區(qū)塊鏈平臺中智能合約交易信息，并按合約順序進(jìn)行售賣。在交易開始時，購電用戶請求交易，雙方進(jìn)行交易確認(rèn)，確認(rèn)后交易達(dá)成共識，否則重新交易直至達(dá)成交易或結(jié)束交易。達(dá)成交易的智能合約數(shù)據(jù)上鏈且不可更改[13]，購電用戶就合約上規(guī)定的價格進(jìn)行支付，支付完成后資金轉(zhuǎn)移給售電方，并將購電量轉(zhuǎn)移給購電用戶。

2.2 面向負(fù)荷聚合商的智能合約設(shè)計

負(fù)荷聚合商對需求響應(yīng)資源和電力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行有效管理，從而實現(xiàn)電力市場穩(wěn)定有序運行[14]。電網(wǎng)與個體發(fā)電用戶的發(fā)電量整合在一起，形成總電量，統(tǒng)一管理、售賣。負(fù)荷聚合商引入的區(qū)塊鏈智能合約設(shè)計對電力市場有如下積極意義。

（1）對于大多數(shù)個體發(fā)電用戶來說，引入?yún)^(qū)塊鏈智能合約前，直接參與電力市場獲得的收益并不理想，零售電力只能簽訂電力購買協(xié)議零散出售，同時簽訂的協(xié)議面臨被篡改的風(fēng)險，不僅收入來源單一，而且無法參與電力市場競價。引入?yún)^(qū)塊鏈智能合約后，個體發(fā)電用戶可在獲得負(fù)荷聚合商授權(quán)后進(jìn)行發(fā)電，并將數(shù)據(jù)總量上傳至區(qū)塊鏈，參與到電力市場中，智能合約保證數(shù)據(jù)總量和協(xié)議不會被篡改，同時使得個體發(fā)電用戶能在電力市場競價，收入來源渠道增加，有效提高了個體電力用戶響應(yīng)電力市場號召的積極性。

（2）負(fù)荷聚合商作為電力市場的第三方整合者，可通過智能合約整合個體發(fā)電用戶與大型發(fā)電企業(yè)的發(fā)電量，緩解大型發(fā)電企業(yè)的供電壓力。個體發(fā)電用戶直接參與電力市場的售電議價能力差，而大型發(fā)電企業(yè)的負(fù)荷壓力難以有效緩解。通過引入負(fù)荷聚合商參與市場交易，將兩者在合約上的整合數(shù)據(jù)信息上鏈，可以提高個體發(fā)電用戶議價能力并降低大型發(fā)電企業(yè)負(fù)荷壓力[15]。

（3）負(fù)荷聚合商不僅可以同時與多個個體發(fā)電用戶簽訂智能合約，保障所有發(fā)電用戶的電力交易，還能在區(qū)塊鏈上查看被利用的電量。電力市場運營者無需單獨面對個體發(fā)電用戶和負(fù)荷聚合商，只需授權(quán)在區(qū)塊鏈智能合約上查看合約信息、了解整體售電數(shù)量，再進(jìn)行統(tǒng)一售賣，使得電力信息有效交互，售電效率更高[16]。

2.3 面向居民用戶的智能合約設(shè)計

利用區(qū)塊鏈智能合約技術(shù)將居民用戶與電網(wǎng)直接聯(lián)系起來，可以保護(hù)雙方利益，形成共贏，使資源得到有效利用[3]。居民用戶區(qū)塊鏈智能合約有如下積極意義。

（1）通過區(qū)塊鏈，居民可事先將負(fù)荷量和期望的補(bǔ)償價格上鏈，待有負(fù)荷需求時，在達(dá)成一致的條件下簽署合約，且交易不會被篡改[17-18]。

（2）居民用戶從區(qū)塊鏈讀取智能合約約定的負(fù)荷削減，以滿足電網(wǎng)運營商的要求，用戶和電網(wǎng)公司在交易時間進(jìn)行電量傳輸，然后利用智能合約調(diào)取實際發(fā)/用電量，交易第二天市場運營商觸發(fā)智能合同，檢查用戶的消費是否符合電網(wǎng)運營商的要求。如果用戶的負(fù)荷調(diào)節(jié)符合要求，智能合同將用能量代幣對其進(jìn)行補(bǔ)償。

（3）智能合約形成后，無需交易中心處理，居民用戶與電網(wǎng)直接點對點交易，有效節(jié)約交易成本與時間，使交易簡單透明[19]。

3 需求響應(yīng)在電力分布式交易中的設(shè)計

為維護(hù)交易的公正、公平性，區(qū)塊鏈分布式交易對所有用戶開放信息，使得所有人員都可以隨時上線參與交易，獲悉交易的全過程[20]。各交易者之間可以實現(xiàn)透明的信息共享，不受訪問限制，及時掌握交易期間信息資源的變換，及時調(diào)整策略，迅速達(dá)成交易，并且具有較高的安全性。需求響應(yīng)與區(qū)塊鏈結(jié)合下的分布式交易過程如圖2所示。

圖2 需求響應(yīng)與區(qū)塊鏈結(jié)合下的分布式交易過程

3.1 電力分布式交易的過程和關(guān)鍵技術(shù)

電力分布式交易流程包括信息發(fā)布、交易組織、市場出清、交易結(jié)算、信息存儲五個步驟，具體交易流程如下。

（1）信息發(fā)布：對所有安裝了區(qū)塊鏈客戶端的智能電表用戶及發(fā)電商進(jìn)行信息發(fā)布，并統(tǒng)計參與人員的信息。

（2）交易組織：利用區(qū)塊鏈快速查詢參與人員交易的相關(guān)交易內(nèi)容，如：交易電量、交易時間及交易價格等，公布最后結(jié)果，查看是否同意繼續(xù)執(zhí)行。

（3）市場出清：所有授權(quán)人員均可在區(qū)塊鏈上查看數(shù)據(jù)交易信息，在集中出清模式下，無需匹配交易雙方，而是等交易價格確認(rèn)后再進(jìn)行匹配。雙方都同意的情況下，才出清各次交易結(jié)果，并上傳至雙方簽訂的智能合約中。

（4）交易結(jié)算：區(qū)塊鏈對已匹配交易的雙方進(jìn)行結(jié)算，結(jié)合智能電表上記錄的數(shù)據(jù)與約定的規(guī)則實現(xiàn)資金的正常轉(zhuǎn)移。

（5）信息存儲：對交易后的結(jié)果利用加密技術(shù)進(jìn)行保存，保證信息既安全可尋又不會被泄露。

3.2 需求響應(yīng)分布式交易的過程

需求響應(yīng)技術(shù)作為電力負(fù)荷調(diào)節(jié)的關(guān)鍵手段，應(yīng)用于分布式交易中會產(chǎn)生如下優(yōu)勢：降低交易成本、交易形式多樣、需求響應(yīng)更加快捷高效、及時調(diào)整需求與供應(yīng)量等[21-23]。結(jié)合電網(wǎng)的交易目標(biāo)和行為，價格型需求響應(yīng)分布式交易的特點為：電網(wǎng)可按照正常電力分布式交易流程與用戶進(jìn)行電量負(fù)荷交易，電力用戶參與需求響應(yīng)業(yè)務(wù)的過程會受到電價的引導(dǎo)；電力用戶可將負(fù)荷轉(zhuǎn)移到電價低的時段進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，在電價高的時段參與電網(wǎng)的需求響應(yīng)，并可獲得獎勵，同時用區(qū)塊鏈完成記賬。激勵型需求響應(yīng)分布式交易的特點為：電力用戶根據(jù)與電網(wǎng)簽署的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償或電價優(yōu)惠參與電力系統(tǒng)需求響應(yīng)，削減負(fù)荷，并進(jìn)行電力交易[24]；通過區(qū)塊鏈鏈上交易行為改變以往激勵型需求響應(yīng)需要一定時間來進(jìn)行響應(yīng)的方式，用戶從鏈上直接獲取負(fù)荷削減信息，簽訂智能合約參與需求響應(yīng)，減少大量繁雜步驟，節(jié)省了時間。

4 需求響應(yīng)在AI自動合同匹配機(jī)制的設(shè)計

合同的商定、起草、檢查、確認(rèn)是傳統(tǒng)交易必不可少的步驟，其中合同的撰寫、檢查、確認(rèn)等需要多人參與審核簽字，容易造成填寫錯誤，使其他流程出錯的概率也大大增加；針對不同類型用戶的合同不一樣，需要人工修改甚至重新撰寫，不但浪費時間，而且極易出錯。同時，已簽訂的合同也會因保存看管浪費大量的人力、物力?；趨^(qū)塊鏈的AI自動合同匹配機(jī)制可以有效避免上述問題，而且可以通過對用戶用電行為相似度的分析和研究，提煉具有相同標(biāo)簽數(shù)較多的特性，對用戶進(jìn)行歸類，對發(fā)供電計劃進(jìn)行調(diào)整，引導(dǎo)客戶參與需求響應(yīng)[25]。

參與需求響應(yīng)的小型電力用戶和大型工商業(yè)用戶將可調(diào)節(jié)負(fù)荷信息注冊上鏈，區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫信息序列表為所有信息的核心收集區(qū)，能夠利用區(qū)塊鏈的溯源功能對數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)源信息進(jìn)行追查[26]。當(dāng)電網(wǎng)需要進(jìn)行負(fù)荷削減時，區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫以此信息為依據(jù)，利用AI自動匹配機(jī)制匹配可調(diào)節(jié)負(fù)荷用戶與電網(wǎng)簽署智能合約，再通過負(fù)荷聚合商和電力服務(wù)機(jī)構(gòu)對用戶和電網(wǎng)信息進(jìn)行調(diào)節(jié)優(yōu)化，達(dá)到信息完備。匹配流程如圖3所示。

圖3 AI自動匹配流程

首先根據(jù)智能合約的相關(guān)屬性代碼和方法代碼編寫相應(yīng)的智能合約程序，并將編寫好的智能合約保存在模板中生成合同，再根據(jù)合同信息在區(qū)塊鏈中調(diào)取合同雙方信息，最后按合同約定內(nèi)容進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)。

5 結(jié)語

本文通過分析區(qū)塊鏈技術(shù)在智能合約、電力分布式交易、AI自動合同匹配機(jī)制等方面的運用，為電網(wǎng)運營商、市場運營商與用戶群之間數(shù)據(jù)保存和管理問題、獲取用戶信息和追溯困難問題、交易復(fù)雜和合約保存丟失問題提供了解決思路。區(qū)塊鏈技術(shù)的利用可以提高需求響應(yīng)在電力市場交易中的透明度和效率，未來將區(qū)塊鏈技術(shù)與其他技術(shù)結(jié)合起來，有望創(chuàng)建一個基于需求響應(yīng)電力市場的應(yīng)用系統(tǒng)。