基于聯(lián)盟鏈技術(shù)的南方區(qū)域電力交易主體合作演化研究

王曉敏 孫宏揚(yáng) 胡如樂(lè) 張建中 張繼英

（1.南方電網(wǎng)數(shù)字企業(yè)科技（廣東）有限公司，廣東 廣州 510700；2.北京科東電力控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司，北京 100192）

1 南方區(qū)域電力交易主體合作演化研究

1.1 基于聯(lián)盟鏈構(gòu)建多層次電力交易模型

該文提出的南方區(qū)域電力交易主體合作演化研究利用聯(lián)盟鏈技術(shù)作為電力交易的核心，構(gòu)建多層次電力交易模型。通過(guò)模型節(jié)點(diǎn)信用激勵(lì)機(jī)制，減少違約行為，提高用戶的履約度，進(jìn)而滿足不同節(jié)點(diǎn)的售電與用電需求，以實(shí)現(xiàn)不同需求節(jié)點(diǎn)之間有序交易的目標(biāo)[1]。

該文構(gòu)建的基于聯(lián)盟鏈的多層次電力交易模型網(wǎng)絡(luò)層基礎(chǔ)架構(gòu)以聯(lián)盟鏈技術(shù)為內(nèi)核，節(jié)點(diǎn)之間電力交易數(shù)據(jù)及合同的存儲(chǔ)工作均在模型的網(wǎng)絡(luò)層中完成。此外，在網(wǎng)絡(luò)層中，該文還添加了以聯(lián)盟鏈技術(shù)為核心的P2P 交易平臺(tái)與交易模式，提高多層次電力交易模型運(yùn)行的質(zhì)量。在設(shè)計(jì)模型中，電力交易節(jié)點(diǎn)履約信用，作為信用激勵(lì)機(jī)制[2]。設(shè)定模型所有上鏈節(jié)點(diǎn)的履約信用初始值，當(dāng)電力交易節(jié)點(diǎn)發(fā)生違約情況時(shí)，節(jié)點(diǎn)信用扣除值的計(jì)算如公式（1）所示。

式中：Ui為模型節(jié)點(diǎn)在第i次違約電力交易中的信用扣除值；Ui-1、Ui-2分別為在第i-1、i-2 次違約電力交易中的信用扣除值。

通過(guò)計(jì)算得出違約電力交易中模型節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的信用扣除值。對(duì)正常參與電力交易的節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，其模型節(jié)點(diǎn)履約信用值的計(jì)算如公式（2）所示。

通過(guò)計(jì)算得出電力交易節(jié)點(diǎn)履約信用，將其作為基于聯(lián)盟鏈的多層次電力交易模型的節(jié)點(diǎn)信用激勵(lì)機(jī)制，提高用戶的履約度，為后續(xù)的電力交易主體合作演化奠定良好基礎(chǔ)。

1.2 電力交易智能合約設(shè)計(jì)

上述基于聯(lián)盟鏈構(gòu)建多層次電力交易模型可提高交易中用戶的履約度。接下來(lái)對(duì)電力交易智能合約進(jìn)行設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)執(zhí)行電力交易結(jié)算的目標(biāo)。

該文設(shè)計(jì)的電力交易智能合約的原理示意圖如圖1所示。

圖1 電力交易智能合約基本原理示意圖

首先，各個(gè)電力交易節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)協(xié)同的方式和交易雙方簽名、交易電量、規(guī)則以及電子貨幣等達(dá)成電子協(xié)同，利用狀態(tài)機(jī)實(shí)時(shí)區(qū)分并控制電力交易狀態(tài)，根據(jù)制定好的電力交易規(guī)則自愿執(zhí)行交易。其次，基于P2P 網(wǎng)絡(luò)傳播途徑，在聯(lián)盟鏈中寫入通過(guò)共識(shí)驗(yàn)證的各項(xiàng)交易信息。結(jié)合預(yù)言機(jī)與外部適配器建立鏈下通信，與外界取得聯(lián)系，獲取安全可靠的電力交易外部數(shù)據(jù)[3]。然后在該基礎(chǔ)上設(shè)定觸發(fā)智能合約的條件，如果電力交易滿足相應(yīng)的觸發(fā)條件，則將該項(xiàng)交易推送至待驗(yàn)證隊(duì)列，當(dāng)待驗(yàn)證通過(guò)且能夠被半數(shù)以上模型節(jié)點(diǎn)共識(shí)認(rèn)同后，認(rèn)為電力交易完成。如果電力交易不滿足相應(yīng)觸發(fā)條件，則不會(huì)將該項(xiàng)交易記錄在聯(lián)盟鏈區(qū)塊中，需要返回并重復(fù)上述步驟，直至獲取符合電力交易要求的數(shù)據(jù)為止。

1.3 電力交易主體合作演化

完成上述電力交易智能合約設(shè)計(jì)后，進(jìn)行電力交易主體合作演化研究。首先，為了保證配電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性，需要對(duì)電力交易通信的可靠性做出分析，建立電力交易風(fēng)險(xiǎn)管控模型，明確滿足電力交易要求的主體。其次，在電力交易實(shí)行階段，利用智能電表實(shí)時(shí)記錄電能的動(dòng)態(tài)變化，使電網(wǎng)內(nèi)各個(gè)交易節(jié)點(diǎn)對(duì)電能的產(chǎn)消達(dá)成共識(shí)。該階段的電量費(fèi)用計(jì)算如公式（3）所示。

式中：ar為電力用戶的實(shí)際用電量；pr為單位電量?jī)r(jià)格。

獲取電量費(fèi)用后，在上述構(gòu)建的多層次電力交易模型中平衡費(fèi)用，進(jìn)而定義電力交易去中心化度。電力交易去中心化度的計(jì)算如公式（4）所示。

式中：TAM為聯(lián)盟鏈參與的分布式電力交易數(shù)量；TAN為單一中心的集中式電力交易數(shù)量。

獲取電力交易去中心化度后，該文主要分3 個(gè)階段來(lái)設(shè)計(jì)南方區(qū)域電力交易主體合作演化流程，如圖2所示。

圖2 南方區(qū)域電力交易主體合作演化流程

首先，在上述構(gòu)建的多層次電力交易模型中注冊(cè)節(jié)點(diǎn)，接受節(jié)點(diǎn)的售電與購(gòu)電需求。其次，向南方區(qū)域電力交易中心提交交易申請(qǐng)，完成電力交易與電能出清。到達(dá)交易時(shí)間后，由交易中心提起驗(yàn)證工作，判定雙方是否按照合同約定使用、發(fā)出電能[4]。如果存在違約行為，則按違約處理，清算節(jié)點(diǎn)信用值，交付相應(yīng)的違約金。違約金分配完畢后，按照當(dāng)前交易的電量結(jié)算交易金額。如果不存在違約行為，則按照合約交割，完成電力交易主體合作演化。

2 試驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

上述內(nèi)容便是該文利用聯(lián)盟鏈技術(shù)提出的南方區(qū)域電力交易主體合作演化研究的全部流程。在提出的電力交易主體合作演化研究投入實(shí)際配電網(wǎng)使用前，需要對(duì)其有效性及應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證，確認(rèn)研究無(wú)誤后，方可投入使用。此次試驗(yàn)對(duì)某地區(qū)配電網(wǎng)R時(shí)段電力交易流程進(jìn)行模擬。該時(shí)段內(nèi)，配電網(wǎng)電力交易流程中的核心環(huán)節(jié)為系統(tǒng)撮合階段與循環(huán)掛牌階段。利用MATLAB 模擬分析軟件模擬配電網(wǎng)R時(shí)段5 個(gè)發(fā)電節(jié)點(diǎn)與10 個(gè)用電節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而進(jìn)行電力P2P 交易。為了在試驗(yàn)中更容易區(qū)別，將R時(shí)段電力交易發(fā)電節(jié)點(diǎn)依次編號(hào)為1～5，將用電節(jié)點(diǎn)依次編號(hào)為A～J。試驗(yàn)中參與電力交易的節(jié)點(diǎn)信息分別見(jiàn)表1、表2。

表1 R 時(shí)段電力交易發(fā)電節(jié)點(diǎn)信息

表2 R 時(shí)段電力交易用電節(jié)點(diǎn)信息

根據(jù)表1、表2 的發(fā)電、用電節(jié)點(diǎn)信息可知電力交易時(shí)段電力的真實(shí)傳輸情況及動(dòng)態(tài)變化。以聯(lián)盟鏈技術(shù)為核心搭建電力P2P 交易平臺(tái)，為電力節(jié)點(diǎn)提供交易場(chǎng)所，為發(fā)電方與用電方提供服務(wù)，實(shí)時(shí)提交交易信息。在該基礎(chǔ)上，使用上述提出的電力交易合作演化步驟完成整個(gè)電力交易流程，檢驗(yàn)電力交易結(jié)果。

2.2 結(jié)果分析

為了使試驗(yàn)結(jié)果更具有說(shuō)服力與可信度，特引入2 個(gè)對(duì)照組，通過(guò)對(duì)比的方式驗(yàn)證提出方法的可行性。將上述基于聯(lián)盟鏈技術(shù)的南方區(qū)域電力交易主體合作演化研究設(shè)置為試驗(yàn)組，將文獻(xiàn)[5-6]提出的演化機(jī)制研究分別設(shè)置為對(duì)照組1 與對(duì)照組2，對(duì)比并分析3 種研究的應(yīng)用結(jié)果。

選取配電網(wǎng)電力交易有效供給率為該次試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其計(jì)算如公式（5）所示。

式中：Q為配電網(wǎng)電力交易有效供給率；Ra為根據(jù)電力交易意向成功完成電力交易的數(shù)量；R為總電力交易完成量。

交易有效供給率Q越高，說(shuō)明電力交易存在違約與調(diào)整的情況越少，交易質(zhì)量越高，主體合作演化效果越好，反之同理。利用模擬分析軟件，模擬并測(cè)定各時(shí)段的電力交易有效供給率，繪制如圖3所示的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比示意圖。

圖3 電力交易有效供給率對(duì)比結(jié)果

從圖3 可以看出，3 種方法表現(xiàn)出了明顯的性能差異。其中，該文提出的基于聯(lián)盟鏈技術(shù)的電力交易主體合作演化研究應(yīng)用后，各時(shí)段下的電力交易有效供給率始終維持在較高水平，在負(fù)荷高峰時(shí)期也未出現(xiàn)下滑情況。而對(duì)照組1 與對(duì)照組2 提出的研究應(yīng)用后，電力交易有效供給率的波動(dòng)幅度較大，在負(fù)荷高峰時(shí)期存在明顯下滑趨勢(shì)，交易質(zhì)量較低。由此對(duì)比結(jié)果不難看出，該文提出的基于聯(lián)盟鏈技術(shù)的電力交易主體合作演化研究具有較高的可行性，能夠有效降低區(qū)域電力交易的調(diào)整量與違約率，多維度地提高電力交易質(zhì)量。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為了改善傳統(tǒng)電力交易模式中交易數(shù)據(jù)過(guò)于集中化、監(jiān)管機(jī)構(gòu)過(guò)于中心化的問(wèn)題，該文在傳統(tǒng)電力交易模式的基礎(chǔ)上，引入聯(lián)盟鏈技術(shù)，以南方區(qū)域?yàn)槔?，進(jìn)行了基于聯(lián)盟鏈技術(shù)的南方區(qū)域電力交易主體合作演化研究。該文的研究全方位、多維度地反映了配電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，各個(gè)電力交易主體市場(chǎng)行為的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程，通過(guò)聯(lián)盟鏈，主動(dòng)有效地優(yōu)化了電力交易的各項(xiàng)決策，形成了更完善的配電網(wǎng)電力交易體系，具有重要的研究意義。