基于區(qū)塊鏈的需求側(cè)響應(yīng)方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

卜飛飛，王圓圓，白宏坤，華遠(yuǎn)鵬，韓丁，王涵，賈一博，辛玉華

(1. 國網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，鄭州市 450052；2.北京恒華偉業(yè)科技股份有限公司，北京市 100011)

0 引 言

世界電力市場改革不斷推進(jìn)，電力行業(yè)由過去的供應(yīng)側(cè)管理走向供應(yīng)側(cè)和需求側(cè)雙向管理[1]。我國需求側(cè)管理工作自2004年啟動以來，其管理手段已經(jīng)發(fā)展包括分時(shí)電價(jià)、移峰填谷、能效電廠、需求側(cè)響應(yīng)等[2]。需求側(cè)響應(yīng)強(qiáng)調(diào)電力用戶根據(jù)市場情況對自身的負(fù)荷需求或者用電模式做出主動調(diào)整。電力產(chǎn)品豐富化、電力價(jià)格差異化[3]、參與主體多樣化才能在競爭環(huán)境下使市場各方做出最優(yōu)投資決策，發(fā)揮需求側(cè)響應(yīng)兼顧穩(wěn)定市場和保證電網(wǎng)穩(wěn)定性的作用。

需求側(cè)響應(yīng)的參與者涉及電力用戶、負(fù)荷集成商、政府部門和電力公司等主體，需求側(cè)響應(yīng)涉及負(fù)荷控制、效果判定、補(bǔ)貼分配等流程，參與者、執(zhí)行者及收益獲得者之間存在利益分配不均的矛盾，不同主體之間信任成本高、響應(yīng)頻次低、交易效率低是當(dāng)前需求側(cè)響應(yīng)效果發(fā)揮的障礙。

自2008年比特幣被提出以來[4]，區(qū)塊鏈技術(shù)經(jīng)過區(qū)塊鏈1.0、區(qū)塊鏈2.0，現(xiàn)已發(fā)展到區(qū)塊鏈3.0[5]。區(qū)塊鏈底層核心技術(shù)仍在不斷發(fā)展，當(dāng)前較為公認(rèn)的區(qū)塊鏈平臺架構(gòu)分為5層，即應(yīng)用層、合約層、共識層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)層，現(xiàn)有多個(gè)能源領(lǐng)域的區(qū)塊鏈平臺設(shè)計(jì)方案基于此框架結(jié)構(gòu)延伸[6-9]。區(qū)塊鏈在能源行業(yè)的應(yīng)用研究在國內(nèi)走在前列，已在電動汽車充電樁共享[10-12]、綜合能源服務(wù)[13]、分布式電力交易[14-15]等能源領(lǐng)域開展研究。

已有部分研究人員研究需求側(cè)響應(yīng)中的區(qū)塊鏈應(yīng)用問題。文獻(xiàn)[16]從電力管理交易系統(tǒng)架構(gòu)、交易系統(tǒng)模塊以及交易流程框架3個(gè)方面提出了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的綜合需求側(cè)響應(yīng)資源交易體系框架。文獻(xiàn)[17]從信息注冊、信息更新、自動交易和自動結(jié)算方面探討了需求側(cè)區(qū)塊鏈的安全性、全局效率和智能合約全局優(yōu)化問題。文獻(xiàn)[18]在分析了自動需求側(cè)響應(yīng)業(yè)務(wù)運(yùn)行規(guī)則、業(yè)務(wù)流程基礎(chǔ)上，探討了補(bǔ)貼結(jié)算、違約懲罰等的安全性，操作行為公證性等方面的技術(shù)保障，及工作量證明機(jī)制、互聯(lián)共識、智能合約、信息安全等方面區(qū)塊鏈應(yīng)用的關(guān)鍵問題。文獻(xiàn)[19]提出將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于需求側(cè)響應(yīng)計(jì)劃管理，利用區(qū)塊鏈技術(shù)存證能量消耗信息，基于智能合約實(shí)現(xiàn)財(cái)務(wù)結(jié)算，保障交易的靈活性。文獻(xiàn)[20]分析了區(qū)塊鏈與需求側(cè)響應(yīng)的契合點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于區(qū)塊鏈的需求側(cè)響應(yīng)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[21]提出了基于區(qū)塊鏈的需求側(cè)管理資源信用管理方法，設(shè)計(jì)了交易各階段的智能合約并部署在以太坊測試鏈上，探討在不同信用值下用戶的響應(yīng)效果。當(dāng)前研究缺乏將需求側(cè)響應(yīng)應(yīng)用的各個(gè)環(huán)節(jié)都詳細(xì)設(shè)計(jì)呈現(xiàn)(如網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案、跨鏈設(shè)計(jì)方案等)、落地指導(dǎo)性及對區(qū)塊鏈應(yīng)用效益的全面研究。

本文提出基于個(gè)人通用身份賬戶，利用聯(lián)盟鏈的方式解決需求側(cè)響應(yīng)中，納入各主體監(jiān)督、驗(yàn)證數(shù)據(jù)可信性的解決方案的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，即區(qū)塊鏈需求側(cè)響應(yīng)的整體架構(gòu)、交易流程、數(shù)據(jù)上鏈設(shè)計(jì)、智能合約設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)搭建方案等，并仿真搭建由7個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的區(qū)塊鏈聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性；最后以河南情況為例對構(gòu)建需求側(cè)響應(yīng)區(qū)塊鏈應(yīng)用的效益進(jìn)行測算，說明區(qū)塊鏈技術(shù)在需求側(cè)響應(yīng)上的應(yīng)用經(jīng)濟(jì)可行。

1 區(qū)塊鏈通用技術(shù)原理

1.1 區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)

區(qū)塊鏈?zhǔn)怯砂凑諘r(shí)間順序?qū)?shù)據(jù)區(qū)塊以順序相連的方式組合成的一種鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是區(qū)塊鏈技術(shù)體系的核心[22]，這一特性可解決需求側(cè)響應(yīng)過程中主體身份數(shù)據(jù)認(rèn)證及身份數(shù)據(jù)、響應(yīng)數(shù)據(jù)、激勵(lì)數(shù)據(jù)的不一致性檢測、溯源等問題。

區(qū)塊鏈信息模型包含UTXO(unspent transaction outputs)、基于鍵值對和賬戶模型3種類型[23]。數(shù)據(jù)以區(qū)塊鏈信息模型存儲前，需要進(jìn)行默克爾樹處理，處理過程如圖1所示，即對所需存證上鏈的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行哈希處理，再對相鄰數(shù)據(jù)進(jìn)行加和，重復(fù)哈希處理的過程，直至剩余一個(gè)根哈希。

圖1 默克爾樹處理過程示意Fig.1 Schematic diagram of Merkle tree processing process

區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)驗(yàn)證性賦予存儲于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)特有的防篡改性，數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)驗(yàn)證過程如圖2所示，即區(qū)塊N-1的哈希值和區(qū)塊N的存儲內(nèi)容作為區(qū)塊N整體的存儲內(nèi)容，區(qū)塊N整體存儲內(nèi)容的哈希存儲于區(qū)塊N+1，其中一個(gè)區(qū)塊內(nèi)容變更會引起其他區(qū)塊數(shù)據(jù)的變化，以此完成區(qū)塊間的關(guān)聯(lián)驗(yàn)證。

圖2 區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)驗(yàn)證示意Fig.2 Schematic diagram of blockchain data association verification

數(shù)據(jù)加密現(xiàn)常用算法包括Rabin(一種非對稱加密算法，基于計(jì)算模合數(shù)平方根困難性問題的公鑰密碼算法)、橢圓曲線加密算法(elliptic curve cryptography，ECC)等。A使用B的公鑰對交易簽名，B僅能通過私鑰驗(yàn)證數(shù)字簽名才可創(chuàng)建一筆交易，這種以公鑰基礎(chǔ)標(biāo)識用戶，以私鑰驗(yàn)證身份的機(jī)制，較大程度保護(hù)了交易者的隱私。

1.2 共識機(jī)制

共識機(jī)制是區(qū)塊鏈的關(guān)鍵技術(shù)，直接影響區(qū)塊鏈系統(tǒng)的性能效率、可擴(kuò)展性、資源消耗[22]?，F(xiàn)在常用的共識算法有證明(proof of X，PoX)類、拜占庭容錯(cuò)(Byzantine fault tolerance，BFT)類和非拜占庭容錯(cuò)(crash fault tolerance，CFT)類基礎(chǔ)共識協(xié)議[23]。PoX類共識協(xié)議包含工作量證明(proof of work，PoW)、股權(quán)證明(poof of stake，PoS)協(xié)議，這類協(xié)議特點(diǎn)為設(shè)計(jì)證明依據(jù)，以令誠實(shí)節(jié)點(diǎn)證明其合法性。BFT類協(xié)議包含實(shí)用拜占庭容錯(cuò)算法(practical Byzantine fault tolerance，PBFT)、BFT-SMaRt(一種基于SSL/TLS標(biāo)準(zhǔn)的BFT算法)等協(xié)議，其特征為解決了拜占庭容錯(cuò)問題。CFT類協(xié)議包含Raft(一種基于分布式共識算法)、Paxos(一種基于消息傳遞且具有高度容錯(cuò)特性的一致性算法)、Kafka(時(shí)間輪算法)等協(xié)議，以身份證明等手段規(guī)避節(jié)點(diǎn)作惡，實(shí)現(xiàn)崩潰容錯(cuò)目的。

本文方案的搭建采用聯(lián)盟鏈，由于聯(lián)盟鏈節(jié)點(diǎn)數(shù)量有限，需要使用具有高度優(yōu)化的共識機(jī)制，故采用適合聯(lián)盟鏈?zhǔn)褂玫母倪M(jìn)的伊斯坦布爾拜占庭容錯(cuò)(Istanbul Byzantine fault tolerance，IBFT)共識算法作為需求側(cè)響應(yīng)區(qū)塊鏈平臺的共識機(jī)制，其容錯(cuò)率為1/3，在保留即時(shí)確認(rèn)關(guān)鍵特性的同時(shí)，極大地提高了去中心化的程度。其共識可以保證上鏈的區(qū)塊是確定的，也就是說鏈不會出現(xiàn)分叉，同時(shí)每一個(gè)有效的區(qū)塊都會插入到鏈上。區(qū)塊鏈需求側(cè)響應(yīng)平臺共識機(jī)制基于IBFT做了改進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)無交易不出塊，改進(jìn)的IBFT共識機(jī)制的投票過程如圖3所示。

圖3 改進(jìn)的IBFT共識機(jī)制狀態(tài)切換示意Fig.3 Schematic diagram of IBFT consensus mechanism design

IBFT分為3個(gè)階段：

1)預(yù)準(zhǔn)備階段：每次進(jìn)入到新一輪投票時(shí)，就會開始三階段中的第一個(gè)階段，即預(yù)準(zhǔn)備階段。在該階段中，提議節(jié)點(diǎn)生成一個(gè)提議區(qū)塊，并廣播給所有的驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)。接著區(qū)塊提議節(jié)點(diǎn)進(jìn)入到預(yù)準(zhǔn)備狀態(tài)。其他驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)接收到有效消息后進(jìn)入到預(yù)準(zhǔn)備狀態(tài)。

2)準(zhǔn)備階段：在這一階段，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)廣播準(zhǔn)備消息給其他驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)，并等待接收超過2/3的有效準(zhǔn)備消息從而進(jìn)入到準(zhǔn)備完畢狀態(tài)。

3)確認(rèn)階段：在這一階段，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)廣播確認(rèn)消息給其他驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)，并等待接收超過2/3的有效確認(rèn)消息從而進(jìn)入到完成確認(rèn)狀態(tài)。

1.3 智能合約

智能合約最初于1994年由尼克·薩博[24]提出，智能合約是合同條款的程序體現(xiàn)，區(qū)塊鏈技術(shù)去中心化為智能合約提供了天然的分布式可信執(zhí)行環(huán)境[22]?，F(xiàn)有常見區(qū)塊鏈平臺的智能合約對比如表1所示。

表1 現(xiàn)有區(qū)塊鏈平臺智能合約對比Table 1 Comparison of smart contracts in existing blockchain platform

智能合約技術(shù)的引入在保證安全的前提下大大提高了交易速度，尤其針對復(fù)雜交易場景，優(yōu)勢更為突出，智能合約在區(qū)塊鏈上的部署如圖4所示。

圖4 基于區(qū)塊鏈的智能合約部署方式Fig.4 Intelligent contract deployment based on blockchain

1.4 點(diǎn)對點(diǎn)傳輸

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)通信方式是對等網(wǎng)絡(luò)，區(qū)別于傳統(tǒng)中心化的服務(wù)端和客戶端的服務(wù)模式。區(qū)塊鏈的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以分為混合對等網(wǎng)絡(luò)、結(jié)構(gòu)化對等網(wǎng)絡(luò)、無結(jié)構(gòu)對等網(wǎng)絡(luò)[25]。通信機(jī)制建立在TCP(transmission control protocol)和UDP(user datagram protocol)之上，位于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的應(yīng)用層。區(qū)塊鏈點(diǎn)對點(diǎn)的傳輸機(jī)制中數(shù)據(jù)和消息的傳輸直接在節(jié)點(diǎn)之間完成，節(jié)點(diǎn)可以選擇在任意時(shí)刻加入或退出網(wǎng)絡(luò)。

2 區(qū)塊鏈需求側(cè)響應(yīng)平臺設(shè)計(jì)

2.1 整體框架設(shè)計(jì)

考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，在基于中心化的管理方式的需求側(cè)響應(yīng)平臺現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上，利用區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行分布式存儲、智能合約改造，另外考慮到當(dāng)前區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展限制，區(qū)塊鏈存儲數(shù)據(jù)有限，采用鏈下管理源數(shù)據(jù)、結(jié)果數(shù)據(jù)、哈希值數(shù)據(jù)，僅將默克爾樹處理得到的根哈希數(shù)據(jù)存證上鏈的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)存證。改造模式及區(qū)塊鏈需求側(cè)響應(yīng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互及服務(wù)處理框架如圖5所示。

圖5 區(qū)塊鏈需求側(cè)響應(yīng)平臺關(guān)鍵數(shù)據(jù)交互及服務(wù)框架Fig.5 Key data exchange and service framework of blockchain demand response system

2.2 基于區(qū)塊鏈的需求側(cè)響應(yīng)交易流程

需求側(cè)響應(yīng)活動整體可劃分為前期準(zhǔn)備、響應(yīng)執(zhí)行、效果評估和補(bǔ)貼核發(fā)4個(gè)階段，在利用區(qū)塊鏈技術(shù)對需求側(cè)響應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行改造后，在需求側(cè)響應(yīng)前期準(zhǔn)備階段，基于區(qū)塊鏈的需求側(cè)響應(yīng)前期準(zhǔn)備階段流程如圖6所示。

圖6 區(qū)塊鏈需求側(cè)響應(yīng)前期準(zhǔn)備階段流程Fig.6 Flow chart of blockchain demand response in pre-preparation stage

基于區(qū)塊鏈技術(shù)改造后，可以通過智能合約自動結(jié)算補(bǔ)貼費(fèi)用(此處考慮補(bǔ)貼模式的需求側(cè)響應(yīng)模式)，區(qū)塊鏈需求側(cè)響應(yīng)響應(yīng)執(zhí)行及核算階段流程如圖7所示。

圖7 區(qū)塊鏈需求側(cè)響應(yīng)響應(yīng)執(zhí)行及核算階段流程Fig.7 Flowchart of the preparatory phase of the blockchain demand response

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存證至需求側(cè)響應(yīng)鏈過程如圖8所示。當(dāng)前的數(shù)字身份存在身份數(shù)據(jù)分散、不同機(jī)構(gòu)需重復(fù)認(rèn)證、身份數(shù)據(jù)被冒用或盜用的風(fēng)險(xiǎn)較高、容易造成個(gè)人信息大規(guī)模泄露等痛點(diǎn)。W3C分散式標(biāo)識符(W3C decentralized identifiers，W3C DID)[26]利用規(guī)范、生產(chǎn)和可驗(yàn)證的一種新型標(biāo)識符為解決參與者身份全局唯一性、高可用性、可解析性和加密可驗(yàn)證性提供了解決方案。去中心化標(biāo)志符的架構(gòu)如圖9所示，用戶在分布式服務(wù)器注冊響應(yīng)主題的DID，DID代表了DID主題，可解析為DID文檔，DID和DID文檔均錄制于驗(yàn)證數(shù)據(jù)注冊表；DID URL引用DID文檔的內(nèi)容，并包含DID的內(nèi)容；DID控制器控制DID文檔。

圖8 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存證至需求側(cè)響應(yīng)鏈過程Fig.8 The process from business data storage to audit chain

圖9 DID架構(gòu)概述和基本組件的關(guān)系Fig.9 Overview of DID architecture and the relationship of the basic components

DID規(guī)范定義的數(shù)據(jù)模型如圖10所示?；趨^(qū)塊鏈的去中心化標(biāo)識符具有全局唯一性、高可用性、可解析性和加密可驗(yàn)證性，具有分布式、自主可控、跨鏈復(fù)用等優(yōu)勢。基于區(qū)塊鏈分布式存儲，避免了身份數(shù)據(jù)被單一的中心化權(quán)威機(jī)構(gòu)所控制，即使存儲于單一中心化節(jié)點(diǎn)，也可以設(shè)置調(diào)閱過程記錄在冊；身份自主可控，基于分布式公鑰基礎(chǔ)設(shè)施(decentralized public key infrastructure，DPKI)，個(gè)人能自主管理自己的身份數(shù)據(jù)；可信的數(shù)據(jù)交換，身份數(shù)據(jù)錨定于區(qū)塊鏈上，認(rèn)證過程簡單可信，不容易被盜用，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)互通，無需重復(fù)認(rèn)證。

圖10 DID文檔數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)條目Fig.10 The entries in a DID document

2.3 智能合約設(shè)計(jì)

智能合約作為合同條款的程序體現(xiàn)，在可信的基礎(chǔ)上較大程度提高了合約的履行效率。本文給出智能合約中的主要函數(shù)，即身份認(rèn)證函數(shù)、存證函數(shù)、自動響應(yīng)函數(shù)、自動結(jié)算函數(shù)。

1)身份認(rèn)證函數(shù)?；赪3C DID標(biāo)準(zhǔn)，個(gè)體可根據(jù)需要生成用特定場景驗(yàn)證的DID身份認(rèn)證文檔?；谏矸菡J(rèn)證函數(shù)，對用戶身份進(jìn)行認(rèn)證，判斷用戶身份類別，如判斷用戶為電力用戶還是負(fù)荷集成商，進(jìn)而對用戶進(jìn)行響應(yīng)權(quán)益分配。

2)數(shù)據(jù)存證函數(shù)。數(shù)據(jù)存證函數(shù)用于按照規(guī)則監(jiān)聽數(shù)據(jù)變化和接受系統(tǒng)指令及時(shí)將數(shù)據(jù)默克爾樹根哈希值存證。需求側(cè)響應(yīng)事務(wù)中，關(guān)鍵數(shù)據(jù)存證采用所在表根哈希存證的策略，不同數(shù)據(jù)的存證合約時(shí)機(jī)不同，如表2所示，其中基線負(fù)荷數(shù)據(jù)的存證時(shí)間視其計(jì)算方式而定。

表2 需求側(cè)響應(yīng)存證的關(guān)鍵數(shù)據(jù)Table 2 Key data of demand response certificate

3)自動響應(yīng)函數(shù)。用于按照約定的觸發(fā)條件自動開展需求側(cè)響應(yīng)。對于自動開展響應(yīng)的情況，需要電力用戶的設(shè)備支持遠(yuǎn)程控制功能。在約定響應(yīng)或?qū)崟r(shí)情況下，基于用戶設(shè)備的響應(yīng)條件，觸發(fā)自動調(diào)用響應(yīng)智能合約。

4)自動結(jié)算函數(shù)。自動結(jié)算函數(shù)用于按照約定的觸發(fā)條件自動開展需求側(cè)響應(yīng)。不同的省份自動結(jié)算的規(guī)則不同，故需要按照各省份的結(jié)算規(guī)則進(jìn)行結(jié)算。對于自動開展進(jìn)行自動結(jié)算的情況，設(shè)計(jì)通過跨鏈機(jī)制與銀行金融鏈的資金信息進(jìn)行交互，設(shè)計(jì)的落地需要多方在管理制度、技術(shù)平臺等多方面達(dá)成共識，方可實(shí)現(xiàn)在約定響應(yīng)或?qū)崟r(shí)情況下基于基線負(fù)荷情況自動結(jié)算用戶補(bǔ)貼費(fèi)用。

2.4 網(wǎng)絡(luò)搭建方案

按照準(zhǔn)入機(jī)制，現(xiàn)有區(qū)塊鏈形式可分為3種類型，即公有鏈、聯(lián)盟鏈和私有鏈[3]，聯(lián)盟鏈?zhǔn)悄壳捌毡檎J(rèn)為最具有應(yīng)用前景的區(qū)塊鏈類型。本文采用的搭建方案為公有鏈。

基于當(dāng)前需求側(cè)響應(yīng)平臺內(nèi)外網(wǎng)數(shù)據(jù)分離的管理機(jī)制，可以通過各省公司搭建覆蓋內(nèi)外網(wǎng)子節(jié)點(diǎn)互通的自有鏈，與其他公司通過跨鏈機(jī)制進(jìn)行信息交互，搭建方式如圖11所示。

圖11 需求側(cè)響應(yīng)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)層級設(shè)計(jì)Fig.11 Hierarchical design of demand response blockchain network

當(dāng)需求側(cè)響應(yīng)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)具有跨鏈需求時(shí)，需要明確需求側(cè)響應(yīng)任務(wù)內(nèi)容及跨鏈業(yè)務(wù)合約(需要連接的區(qū)塊鏈名稱及數(shù)據(jù)內(nèi)容)，提交至區(qū)塊鏈跨鏈服務(wù)，由區(qū)塊鏈服務(wù)模塊跨鏈?zhǔn)录﨟andler(處理)服務(wù)模塊、跨鏈交易構(gòu)造及簽名服務(wù)模塊提交服務(wù)至跨鏈服務(wù)Agent(代理)，以此模式完成與外部區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的交互，如圖12所示。

圖12 需求側(cè)響應(yīng)區(qū)塊鏈與外部區(qū)塊鏈跨鏈轉(zhuǎn)換示意圖Fig.12 Schematic diagram of cross-chain conversion between demand-response blockchain and external blockchain

3 區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用方案效益分析

3.1 成本分析

假定區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用之后的信息化系統(tǒng)未增加運(yùn)維費(fèi)用，故成本分析時(shí)，未計(jì)入運(yùn)維成本；假設(shè)平臺節(jié)點(diǎn)復(fù)用現(xiàn)有硬件設(shè)備；故而效益分析中僅考慮了平臺建設(shè)成本。以現(xiàn)有技術(shù)開發(fā)團(tuán)隊(duì)的時(shí)間、人工單價(jià)平均值核算平臺建設(shè)成本，建設(shè)成本Cdl計(jì)算方式為：

Cdl=WTeNSUM

(1)

式中：WTe為項(xiàng)目管理、需求分析、開發(fā)及測試等技術(shù)人員公司均值，取10 000元/(人·月)；NSUM為以上開發(fā)過程涉及的所有工種的人月總和。

3.2 效益分析

區(qū)塊鏈技術(shù)的利用可節(jié)約以往合同簽訂的人力成本、耗材成本，提高合約簽訂和執(zhí)行效率，提高用戶體驗(yàn)和利于環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。為了簡化分析，本文僅從財(cái)務(wù)角度對經(jīng)濟(jì)效益開展分析，并假定除了合同管理、送審材料審核環(huán)節(jié)是基于紙質(zhì)介質(zhì)開展，其他環(huán)節(jié)均已通過信息化方式進(jìn)行管理。另外，對時(shí)間效益進(jìn)行分析。

1)經(jīng)濟(jì)效益Btotal。Btotal表示年成本縮減經(jīng)濟(jì)效益。

Btotal=Bau+Bco+Bac

(2)

式中：Bau為上鏈前審核階段費(fèi)用縮減效益；Bco為上鏈前簽合同階段費(fèi)用縮減效益；Bac為上鏈前補(bǔ)貼結(jié)算階段費(fèi)用縮減效益。

Bau=N1[Hk+(Tfi+Tsu)W]

(3)

式中：N1為年新增用戶申報(bào)量；Hk為申報(bào)、合同簽訂、補(bǔ)貼核算所需郵寄、打印耗材、設(shè)備折損等費(fèi)用；Tfi為審核人員資料歸檔時(shí)間；Tsu為送審人員打印、郵寄、簽訂的時(shí)間；W為各個(gè)主體所需要消耗的人工成本均值。

Bco=XN2[Hk+(Tco+Tma)W]

(4)

式中：X為每年需求側(cè)響應(yīng)活動啟動次數(shù)；N2為單次需求側(cè)響應(yīng)活動參與用戶數(shù)；Tco為資料管理人員合同歸檔時(shí)間；Tma為電力用戶或負(fù)荷集成商打印、修訂合同、郵寄及簽訂的時(shí)間。

Bac=Y(Hk+TseW)

(5)

式中：Y為一年補(bǔ)貼結(jié)算的次數(shù)；Tse為補(bǔ)貼結(jié)算材料打印所用時(shí)間。

2)年時(shí)間縮減效益BT。BT表示基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電力需求側(cè)響應(yīng)交易可節(jié)約年度作業(yè)時(shí)間。

BT=N1(Tfi+Tsu)+N2(Tco+Tma)+YTse

(6)

3)安全效益分析。區(qū)塊鏈以其特有的技術(shù)特性，為需求側(cè)響應(yīng)業(yè)務(wù)提供用戶身份、數(shù)據(jù)、流程模型等多方面的安全可信保障。

(1)身份安全可信?；赪3C DID標(biāo)準(zhǔn)管理數(shù)字身份標(biāo)識，利用區(qū)塊鏈技術(shù)的身份合約為每一個(gè)需求側(cè)響應(yīng)用戶生成鏈上數(shù)字身份標(biāo)識DID，在需求側(cè)響應(yīng)業(yè)務(wù)中可基于用戶DID標(biāo)識在鏈上唯一確定用戶身份信息；基于需求側(cè)響應(yīng)用戶數(shù)字身份標(biāo)識DID的唯一性，為用戶的用電信息以及需求側(cè)響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密確權(quán)，只有經(jīng)過授權(quán)認(rèn)證后才被允許訪問，為用戶數(shù)據(jù)和交易安全提供保障。

(2)數(shù)據(jù)安全可信。將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密處理，可以通過分布式存儲的哈希值變化情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)需求側(cè)響應(yīng)數(shù)據(jù)變更情況。針對數(shù)據(jù)不同版本情況，用戶可按照時(shí)間線追溯數(shù)據(jù)的變化情況。

(3)流程模型可信。將數(shù)據(jù)存證、自動響應(yīng)、自動結(jié)算等業(yè)務(wù)處理過程均通過智能合約(確定狀態(tài)、變量)構(gòu)建可執(zhí)行的程序，買賣雙方完全自治，處理過程均有跡可循，保證了交易的安全。

3.3 投入產(chǎn)出分析

考慮效益及成本的時(shí)間價(jià)值，計(jì)算動態(tài)投資回收期和投入產(chǎn)出比。

1)投入產(chǎn)出比。

n年費(fèi)用縮減效益折現(xiàn)值P計(jì)算公式為：

(7)

式中：P為區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用n年的累計(jì)費(fèi)用縮減效益折現(xiàn)值；Btotali為區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用第i年的費(fèi)用縮減值，簡化認(rèn)為每年的費(fèi)用縮減效益折減值相同，簡稱Btotali為A；n為折算年數(shù)。

假設(shè)區(qū)塊鏈研發(fā)費(fèi)用發(fā)生在第1年年初，后期運(yùn)維費(fèi)用較之研發(fā)費(fèi)用較少，n年的研發(fā)成本現(xiàn)值以Cdl計(jì)。

n年投入產(chǎn)出比R的計(jì)算公式為：

R=P/Cdl

(8)

2)投資回收期。

動態(tài)投資回收期Pt=(累計(jì)凈現(xiàn)金流量現(xiàn)值出現(xiàn)正值的年數(shù)-1)+上一年累計(jì)凈現(xiàn)金流量現(xiàn)值的絕對值/出現(xiàn)正值年份凈現(xiàn)金流量的現(xiàn)值，即滿足式(9)條件出現(xiàn)的年份。

P-Cdl≥0

(9)

4 算例分析

4.1 平臺搭建

需求側(cè)響應(yīng)鏈節(jié)點(diǎn)搭建數(shù)量須遵循IBFT共識機(jī)制要求，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為3F+1，其中F為拜占庭錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)，取值范圍為[1，2，3，…]，則節(jié)點(diǎn)數(shù)量至少為4。仿真采用7臺電腦作為節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)符合3F+1的要求)進(jìn)行響應(yīng)活動的仿真，在需求側(cè)響應(yīng)鏈的運(yùn)行和維護(hù)階段，可以動態(tài)添加注冊新的鏈節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)中的硬件配置為內(nèi)存2核8 GB，硬盤配置為1 TB；軟件操作系統(tǒng)均為Windows。依據(jù)需求側(cè)響應(yīng)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)程序，為需求側(cè)響應(yīng)鏈每個(gè)節(jié)點(diǎn)生成節(jié)點(diǎn)賬戶和私鑰，并放到了節(jié)點(diǎn)服務(wù)器指定目錄下。聯(lián)盟鏈涉及的各主體確定需求側(cè)響應(yīng)自有鏈的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)ID、出塊策略、共識節(jié)點(diǎn)賬戶等參數(shù)，基于這些信息，為每個(gè)節(jié)點(diǎn)提供需求側(cè)響應(yīng)鏈創(chuàng)世塊配置文件。對系統(tǒng)進(jìn)行了簡單測試，區(qū)塊鏈原生需求側(cè)響應(yīng)數(shù)據(jù)存證TPS達(dá)到1 000筆/s，需求側(cè)響應(yīng)智能合約交易執(zhí)行TPS達(dá)到300筆/s。

場景設(shè)定：仿真需求側(cè)響應(yīng)的類型為約定響應(yīng)，響應(yīng)的目標(biāo)為降低負(fù)荷，提前4 h進(jìn)行邀約。邀約過程中的應(yīng)邀容量數(shù)據(jù)、實(shí)際響應(yīng)容量數(shù)據(jù)由前端頁面人工模擬輸入產(chǎn)生。為體現(xiàn)市場化，仿真中使用最高限價(jià)與需求側(cè)響應(yīng)主體報(bào)價(jià)相結(jié)合的方式，需求側(cè)響應(yīng)最高限價(jià)15元/(kW·h)。需求側(cè)響應(yīng)用戶的出價(jià)數(shù)據(jù)如圖13所示，可見在報(bào)價(jià)中耗時(shí)最長的為120 s，由于當(dāng)前需求側(cè)響應(yīng)過程中，對時(shí)間要求相對寬裕，120 s在可接受的范圍內(nèi)。結(jié)算確認(rèn)耗時(shí)與補(bǔ)貼費(fèi)用數(shù)據(jù)如圖14所示，可見結(jié)算確認(rèn)耗時(shí)整體均較短，最高耗時(shí)由用戶1產(chǎn)生為48 s，最短耗時(shí)由用戶3產(chǎn)生，為即時(shí)結(jié)算確認(rèn)。

圖13 需求側(cè)響應(yīng)用戶的出價(jià)數(shù)據(jù)Fig.13 The demand responds to the bid data of the user

圖14 結(jié)算確認(rèn)耗時(shí)與補(bǔ)貼費(fèi)用數(shù)據(jù)Fig.14 Settlement confirmation time-consuming and subsidy cost data

平臺前端展示在現(xiàn)有頁面基礎(chǔ)上進(jìn)行完善，增加了數(shù)據(jù)的溯源及不一致性比對，功能設(shè)計(jì)如圖15所示，如不同用電表的用電數(shù)據(jù)存證時(shí)間均有記錄，存證中的電表數(shù)值顯示“等待中”，當(dāng)有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與存證數(shù)據(jù)不一致時(shí)，在不一致檢測欄中顯示“×”，并可查看不同數(shù)據(jù)存證前后版本值。

圖15 電力用戶電數(shù)據(jù)溯源及不一致性檢測設(shè)計(jì)示例Fig.15 Design example of traceability and inconsistency detection of power consumption data of power users

4.2 效益分析

以河南省2019年、2020年的需求側(cè)響應(yīng)數(shù)據(jù)為計(jì)算依據(jù)，該省2019年約定響應(yīng)用戶為145戶，2020年約定響應(yīng)用戶為455戶，其他參數(shù)設(shè)定如表3所示。

表3 效益分析參數(shù)設(shè)定Table 3 Parameter setting of benefit analysis

將以上參數(shù)代入式(6)，計(jì)算得BT=763.1 h/a。由此可見，年度可節(jié)約各環(huán)節(jié)成本為763.1 h，可大大降低相關(guān)環(huán)節(jié)職責(zé)人員的工作強(qiáng)度。將表3的參數(shù)代入式(2)，得到：

Btotal=(12 245+77 805X+55.5Y)元

(10)

假設(shè)收益率i取值為3%，暫考慮10年內(nèi)的效益情況，即n∈[1,2,…,10]，(P/A，i，n)見年金現(xiàn)值系數(shù)表，此處不贅述。假設(shè)年需求側(cè)響應(yīng)活動X=1，Y=1，R隨著區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用年限的增加變化如圖16所示。

由圖 16可見，在區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用投資的第3年，即達(dá)到R>1的情況，表明區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益明顯。當(dāng)Y=1時(shí)，R隨著X的變化趨勢如圖17所示。

圖16 R隨區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用年限n的變化趨勢Fig.16 The changing trend of ROI with the technical reform years n of blockchain

當(dāng)前由于種種原因，各省份年度啟動的需求側(cè)響應(yīng)活動次數(shù)有限，為了充分挖掘需求側(cè)響應(yīng)潛力，可以適當(dāng)增加需求側(cè)響應(yīng)的頻次，由圖 17可見，需求側(cè)響應(yīng)平臺區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用R隨著X值的增加而增加，故可以適當(dāng)增加需求側(cè)響應(yīng)活動頻次。經(jīng)計(jì)算，投資回收期Pt=1.59 a，即在1.59年可以收回投資成本。

圖17 R隨需求側(cè)響應(yīng)活動啟動次數(shù)X的變化趨勢Fig.17 The changing trend of ROI with the start-up times X of demand response activities

5 結(jié) 論

區(qū)塊鏈技術(shù)可用于解決需求側(cè)響應(yīng)常態(tài)化運(yùn)行中用戶參與需求側(cè)響應(yīng)困難及運(yùn)營成本比較高的問題。本文研究將區(qū)塊鏈智能合約應(yīng)用于需求側(cè)響應(yīng)流程鏈條，設(shè)計(jì)了區(qū)塊鏈需求側(cè)響應(yīng)平臺的整體框架、交易流程、數(shù)據(jù)上鏈策略、智能合約、網(wǎng)絡(luò)搭建方案、共識機(jī)制等，并給出了需求側(cè)響應(yīng)電力用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)溯源和不一致性檢測的設(shè)計(jì)參考，解決了目前電力用戶、負(fù)荷集成商需求側(cè)響應(yīng)數(shù)據(jù)被動獲知、無法驗(yàn)證和溯源的問題，并分析了區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用的效益性。仿真算例表明，在現(xiàn)行的區(qū)塊鏈技術(shù)服務(wù)方式下，需求側(cè)響應(yīng)的投入產(chǎn)出比R隨區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用時(shí)間和需求側(cè)響應(yīng)活動的增加顯著增加，相關(guān)信任環(huán)節(jié)的人工耗時(shí)顯著下降。需求側(cè)響應(yīng)價(jià)格博弈機(jī)制目前尚不完善，希望本文能為進(jìn)一步研究區(qū)塊鏈技術(shù)在完善價(jià)格機(jī)制下需求側(cè)響應(yīng)的廣泛應(yīng)用提供參考。