泛在電力物聯(lián)網(wǎng)下基于區(qū)塊鏈的分布式資源參與電力市場交易

郁 浩，陸 青

（1.國網(wǎng)山東省電力公司濟寧供電公司，山東 濟寧 272000；2.上海電力大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院，上海 200090）

1 形勢及政策

1.1 分布式資源消納

面對日益嚴峻的能源和環(huán)境問題，發(fā)展分布式新能源已成為世界各國促進節(jié)能減排的重要舉措之一。早在2017 年底，中國風(fēng)力發(fā)電累計裝機容量達到188 GW，同比增長11.7%；光伏發(fā)電累計裝機容量達130.25 GW，同比增長超過70%，提前并超額完成“十三五規(guī)劃”目標(biāo)。但由于風(fēng)力發(fā)電及光伏發(fā)電具有間歇性和波動性的特點，接入電網(wǎng)會給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行造成一定的影響，在一定程度上加重了棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象。以分布式光伏為例，2018 年5 月31 日，國家發(fā)展改革委等三部委聯(lián)合出臺《2018年光伏發(fā)電有關(guān)事項的通知》（簡稱531 新政），對光伏發(fā)電實施控指標(biāo)、降補貼的新政，不僅給行業(yè)帶來震蕩，而且對戶用、商用等分布式市場的新能源消納提出更高的挑戰(zhàn)?？紤]到當(dāng)前用戶安裝分布式電源設(shè)備的前期購置成本仍然較大，且在政府主導(dǎo)的新能源補貼措施會逐漸取消的背景下，為促進新能源的發(fā)展，需要尋求電網(wǎng)中分布式資源消納的新途徑。

1.2 電改與用戶參與度

2015 年“中發(fā)9 號”文件及其配套文件的發(fā)布，標(biāo)志著我國電力市場化改革進程的進一步推進，是構(gòu)建競爭有序的售電市場的一項重要舉措。文件提出有序向社會資本開放售電業(yè)務(wù)，同時積極發(fā)展分布式電源及需求側(cè)管理。由社會資本、電網(wǎng)公司或發(fā)電公司投資產(chǎn)生的各類售電公司，代理用戶在電力市場中進行競價購電并銷售給用戶，為用戶提供服務(wù)。因此，合理引導(dǎo)分布式能源用戶參與電力市場交易能夠有效解決分布式能源的消納問題。

2017 年《關(guān)于開展分布式發(fā)電市場化交易試點的通知》發(fā)布，提出建立一個分布式電力交易平臺的必要性，允許擁有分布式能源的用戶參與電力交易。同時，“可交易能源系統(tǒng)”等概念的提出對于分布式電源用戶直接交易的應(yīng)用提供了體系架構(gòu)與技術(shù)支撐。2017 年9 月，《關(guān)于開展電力現(xiàn)貨市場建設(shè)試點工作的通知》開放8 個電力現(xiàn)貨市場試點，要求組織市場主體開展日前、日內(nèi)、實時電能量交易。同時，根據(jù)《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，中國將于2020 年全面啟動現(xiàn)貨交易市場。現(xiàn)貨市場的開放能夠及時發(fā)送各方的實時供需信息，為間歇性及波動性的分布式能源提供了更為便捷的消納途徑。

此外，國家電網(wǎng)有限公司泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)能夠通過新一代通信技術(shù)，實現(xiàn)電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、電力用戶等各方之間信息的廣泛交互與充分共享。同時，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)充分應(yīng)用“大云物移智鏈”等技術(shù)的充分應(yīng)用也為分布式資源參與市場交易提供了廣泛、可靠的平臺。

1.3 需求響應(yīng)及區(qū)塊鏈

需求響應(yīng)的提出和應(yīng)用，提供了用戶側(cè)主動參與電網(wǎng)調(diào)度和運行規(guī)劃的新思路。作為電力市場環(huán)境下重要的零排放柔性資源，需求響應(yīng)（Demand Response，DR）能有效改善負荷需求分布，優(yōu)化資源配置，是適應(yīng)可再生能源不確定性，解決系統(tǒng)靈活調(diào)度問題的有效途徑。智能控制技術(shù)、雙向通信技術(shù)以及分布式電源、電動汽車等在用戶側(cè)的大量應(yīng)用，大大提高了用戶主動響應(yīng)、參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)的能力。因此，合理考慮用戶需求響應(yīng)的售電公司購售電決策已成為一個迫切需要研究的新課題。

區(qū)塊鏈技術(shù)作為一種分布式共享數(shù)據(jù)庫技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用逐步發(fā)展，其巨大潛力逐漸被金融行業(yè)、能源行業(yè)等領(lǐng)域所認可。區(qū)塊鏈的核心優(yōu)勢在于其去中心化、透明性、公平性與公開性等特點，保證了不同主體之間能夠相互信任，進而極大減少了重塑或者維護信任的成本。同時，這種特點與能源互聯(lián)網(wǎng)理念相吻合，可在新型售電模式中作為底層技術(shù)基礎(chǔ)，構(gòu)建基于獨立用戶的公開透明的電能交易平臺。

2 研究現(xiàn)狀

目前，已有學(xué)者對分布式資源的消納問題進行相關(guān)研究。文獻［1］針對光伏充電站提出一種實時運行策略，以促進光伏功率最大化就地消納同時減少充電行為對配電網(wǎng)影響。文獻［2］提出RES 出力不確定集并構(gòu)建廣義能量優(yōu)化魯棒模型，以實現(xiàn)可再生能源的并網(wǎng)微電網(wǎng)經(jīng)濟運行。對于含有分布式光伏的住宅用戶，文獻［3］提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)，可以最大化消納光伏發(fā)電量的同時對次日的用電任務(wù)進行規(guī)劃；文獻［4］增加對用戶儲能電池的考慮，研究分析包含21 個住宅用戶社區(qū)的光伏消納情況。文獻［5］提出一種基于混合整數(shù)線性規(guī)劃的能量管理系統(tǒng)優(yōu)化算法，對包含分布式能源的家庭微網(wǎng)中可調(diào)度負荷進行日前調(diào)度規(guī)劃以充分利用分布式資源。為提高分布式電源消納水平，文獻［6］針對含電動汽車（EV）與高滲透率光電并網(wǎng)型微電網(wǎng)提出一種動態(tài)EV 互動響應(yīng)控制策略。文獻［7］將電加熱器引入到風(fēng)電-聚光發(fā)電混合系統(tǒng)中，使冗余風(fēng)能可以轉(zhuǎn)換為熱能并存儲在熱能儲存單元中供以后使用，以此降低棄風(fēng)率同時提高系統(tǒng)的靈活性。文獻［8］突破大規(guī)模集中供電的局限，增加移動儲能裝置，構(gòu)建考慮風(fēng)電調(diào)節(jié)的綜合社區(qū)能源系統(tǒng)以提高風(fēng)電的利用效率。文獻［9］提出一種適用于風(fēng)電與冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的最優(yōu)調(diào)度策略，有利于風(fēng)力發(fā)電的集成消納。文獻［10］在考慮風(fēng)電出力不確定性的情況下，利用電轉(zhuǎn)氣技術(shù)及儲能裝飾實現(xiàn)對分布式能源的消納問題。

除了通過對電力系統(tǒng)調(diào)控進行分布式能源消納的傳統(tǒng)措施外，需求響應(yīng)正被逐漸引入到分布式資源消納中并且取得較好的效果。文獻［11］提出的兩階段隨機規(guī)劃風(fēng)電消納調(diào)度模型，能夠靈活配置兩類DR 資源參與電力平衡的優(yōu)化調(diào)度。文獻［12］構(gòu)建了分時電價下主動配電網(wǎng)接入分布式風(fēng)光就地消納模型，通過賦予主動配電網(wǎng)制定網(wǎng)內(nèi)分時電價以促進風(fēng)電的有效消納。文獻［13］在峰谷分時電價背景下構(gòu)建基于電量電價彈性矩陣的多用戶多時段電價響應(yīng)模型，以光伏利用率最大和年凈利潤最大為目標(biāo)，分析需求響應(yīng)對光伏微網(wǎng)儲能配置的影響。文獻［14］對愛爾蘭電力市場中兩家工業(yè)用戶進行研究，表明采取價格型需求響應(yīng)有利于增加工業(yè)用戶消納風(fēng)力發(fā)電的潛力。文獻［15］在考慮DR 的前提下將分時電價機制與儲能技術(shù)納入風(fēng)電消納模型，通過改變系統(tǒng)負荷分布提高風(fēng)電的消納水平。文獻［16］提出兼容需求側(cè)資源的“源-網(wǎng)-荷-儲”協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度模型，以促進風(fēng)電、光伏發(fā)電等可再生能源發(fā)電的并網(wǎng)。對于含光伏與儲能的家庭用戶，文獻［17］引入基于約束的需求響應(yīng)控制策略對住宅中可控負荷進行優(yōu)化調(diào)度以實現(xiàn)對分布式資源的消納。文獻［18］對含分布式電源與儲能的用戶構(gòu)建家庭能量管理系統(tǒng)，基于小時電價及峰值功率限制對用電任務(wù)進行優(yōu)化調(diào)度。文獻［19］從消費者的角度對需求響應(yīng)對于瑞典光伏發(fā)電的經(jīng)濟性進行研究，以用電費用最小化為目標(biāo)對分布式光伏用戶進行基于DR 的優(yōu)化調(diào)度。

電力市場的發(fā)展為分布式資源的消納提供了新的途徑。文獻［20］根據(jù)市場信息和用戶調(diào)度原則提出一種市場化交易雙向決策模型，通過負荷聚合商為大量閑置的中小負荷資源提供參與市場調(diào)節(jié)的機會。文獻［21］通過構(gòu)建以分布式能源產(chǎn)銷者、獨立售電商和一般用戶為主體的區(qū)域電力市場模型，提出了總體共贏的交易決策模型。文獻［22］以社區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)為研究對象，從主從博弈角度提出分布式能量管理方法，基于社區(qū)內(nèi)運營商電價制定方案構(gòu)建產(chǎn)消者電力交易模式的選擇方法。文獻［23］從儲能電池的視角基于倫敦某社區(qū)構(gòu)建一種智能電網(wǎng)中點對點電力交易模式，研究儲能位置對于市場各主體利益的影響。文獻［24］在我國售電側(cè)市場開放的背景下，基于售電公司利潤最大及用戶用電效用最大，構(gòu)建考慮用戶需求響應(yīng)的售電公司購售電決策雙層模型。針對包含能源運營商、含分布式光伏用戶、電動汽車充電商代理的綜合能源園區(qū)模型，文獻［25］提出以能源運營商為市場主導(dǎo)的市場交易框架，使含分布式光伏的用戶能夠參與市場競爭以增加自身的光伏資源利用率。文獻［26］針對具有儲能裝置的光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電聯(lián)合運行系統(tǒng)，提出一種日前市場最優(yōu)投標(biāo)方案，并以伊比利亞日前電力市場數(shù)據(jù)為例進行案例研究。

目前，已有學(xué)者對區(qū)塊鏈在能源領(lǐng)域的應(yīng)用做出相關(guān)研究。文獻［27］從功能、主體、屬性等維度對區(qū)塊鏈在能源互聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用進行歸納與分析，同時以虛擬發(fā)電資源交易等場景為例說明區(qū)塊鏈在能源互聯(lián)網(wǎng)中的具體應(yīng)用方式。文獻［28］提出基于智能合約的配電網(wǎng)去中心化交易模型，并基于以太坊區(qū)塊鏈技術(shù)進行算例分析，以實現(xiàn)偏差電量的多邊競價交易。文獻［29］針對電力現(xiàn)貨市場交易的特點，設(shè)計了區(qū)塊鏈架構(gòu)下的電力現(xiàn)貨實時調(diào)度交易及監(jiān)管模型。文獻［30］提出聯(lián)網(wǎng)微電網(wǎng)支持點對點的區(qū)塊鏈技術(shù)。文獻［31］構(gòu)架了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的大用戶直購電交易框架。此外，國內(nèi)外已有少數(shù)企業(yè)嘗試將區(qū)塊鏈技術(shù)進行實際應(yīng)用。2015 年，美國能源公司LO3 Energy 于布魯克林地區(qū)建立了一個基于區(qū)塊鏈系統(tǒng)的可交互電網(wǎng)平臺TransActiveGrid，平臺可實現(xiàn)自由的綠色能源交易而不依賴第三方［32］。2016 年，澳大利亞Power Ledger 公司應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)在Fremantle 地區(qū)對P2P 電力交易的可行性進行研究［33］。2017 年，歐盟主導(dǎo)的ScanEnergy 項目［33］開始進行開發(fā)，其致力于小范圍街區(qū)居民用戶間電力生產(chǎn)、消費的管理，含分布式能源用戶可與普通用戶直接進行智能的實時電能交易。

3 研究展望與技術(shù)路線

3.1 考慮用戶響應(yīng)的售電公司決策

對售電公司購售電決策問題進行研究，結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示。模型中售電公司可以從日前市場與發(fā)電企業(yè)通過雙邊合同購電，同時對于電力用戶實際運行過程中產(chǎn)生的偏差電量及負荷波動部分，售電公司可以對用戶的DR 能力及分布式能源實施代理，從實時市場進行購售電交易以進行修正與平衡。

該模型關(guān)鍵在于以下3 點：

1）購電雙邊合同及偏差考核機制。

圖1 含分布式資源用戶參與電力市場結(jié)構(gòu)

首先，對合同內(nèi)用戶一段時期內(nèi)用電負荷數(shù)據(jù)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，從而獲取用戶在特定時期內(nèi)相應(yīng)時段負荷分布概率及最大變化幅度，以確定雙邊合同容量。其次，可考慮雙向差價合同（合同雙方以實時電價進行結(jié)算，但合同交割時的實時電價和合同電價的差價由買賣雙方平分）或其他合同類型，用以確定合同費用結(jié)算方式。此外，當(dāng)售電公司的電量消耗不在合同區(qū)間內(nèi)時，售電公司將面臨一定的懲罰費用，規(guī)定由售電公司承擔(dān)全部偏差考核風(fēng)險，以爭取在激烈的競爭中擁有更多的客戶資源。借鑒《廣東電力市場基本交易規(guī)則（試行）》相關(guān)規(guī)定，設(shè)置新的越界懲罰機制進行售電公司的偏差電量考核，如圖2 所示，圖中為合同允許偏差比例。

圖2 偏差考核機制

當(dāng)售電公司電量消耗在合同約定區(qū)間內(nèi)即時，售電公司免于承擔(dān)懲罰費用；當(dāng)實際使用電量超出合同約定允許量時，售電公司應(yīng)按圖中所示正比例函數(shù)繳納懲罰費用，用以彌補發(fā)電公司額外發(fā)電成本及其他相關(guān)費用；當(dāng)用戶實際使用量低于合同約定量時，在一定范圍內(nèi)按高比例系數(shù)線性函數(shù)支付相應(yīng)懲罰費用，當(dāng)超出指定比例即圖中時，懲罰費用在處的比例系數(shù)的基礎(chǔ)上以指數(shù)形式遞增，即圖中函數(shù)。

這種設(shè)置方式考慮了發(fā)電公司發(fā)電成本以及剩余電能消納對發(fā)電公司運營影響等多方面因素，有利于激勵售電公司制定合理的購電合同以保證購電業(yè)務(wù)的順利進行。

2）用戶需求響應(yīng)與分布式能源代理。

用戶在某時段的負荷構(gòu)成可分為3 部分：固定負荷、可轉(zhuǎn)移負荷、可削減負荷，如圖3 所示。設(shè)置用戶響應(yīng)類型為價格型需求響應(yīng)，即用戶根據(jù)售電公司電價策略對可轉(zhuǎn)移負荷進行的優(yōu)化調(diào)度。當(dāng)電價較低時可適當(dāng)轉(zhuǎn)入部分負荷進行消耗，此時實際轉(zhuǎn)移量為正；當(dāng)電價較高時可適當(dāng)轉(zhuǎn)出部分可轉(zhuǎn)移負荷，此時實際轉(zhuǎn)移量為負值。對于含分布式電源的用戶，其響應(yīng)策略應(yīng)在考慮分布式能源最優(yōu)化利用的基礎(chǔ)上進行，通過對比現(xiàn)貨市場價格及儲能容量、度電價值等因素確定響應(yīng)剩余分布式能源利用方式，即儲存或交由售電公司進行代理交易。

圖3 用戶負荷分析

定義度電價值為分布式電源每生產(chǎn)或儲存一度電所耗費的包含時間價值的成本，其值可通過工程經(jīng)濟學(xué)中凈現(xiàn)值計算得到：

式中：Ac為分布式電源設(shè)備的等年值成本；P 為設(shè)備期初投資現(xiàn)值；N 為系統(tǒng)壽命期望值；Mt為第t 年年末估計余值；I 為貼現(xiàn)率；Et為系統(tǒng)第t 年運行維護費用；F 為設(shè)備終值；A 為等額年金。

3）基于用戶DR 能力的虛擬發(fā)電資源捆綁代理對于負荷構(gòu)成中可削減負荷部分，用戶可與售電公司簽訂代理DR 交易合同，交由售電公司將其作為虛擬發(fā)電資源參與實時市場競爭。故售電公司可以在DR 合同價格小于市場價格時，將多余的DR 合同電量賣入市場，在充分利用市場中閑置分布式電能的同時賺取差價。

3.2 含分布式電源用戶的區(qū)域多邊電力交易

如圖4 所示，對含有分布式能源及儲能的區(qū)域用戶多邊電力交易進行研究，區(qū)域內(nèi)用戶可在多邊市場中對需求電量或剩余電量進行實時報價交易，市場主體可自行決策，通過分布式網(wǎng)絡(luò)尋找交易對象和交易電量并按照報價支付，形成智能合約并自動執(zhí)行，同時可以以區(qū)塊鏈的方式進行交易記錄。對于不能在多邊市場中進行出清的電量，可通過配電網(wǎng)運營商按上網(wǎng)電價或電網(wǎng)實時價格進行集中保底出清。該部分關(guān)鍵在于以下兩點：

1）考慮DR 的購售電交易報價策略。通過預(yù)測負荷和分布式發(fā)電情況基于配電網(wǎng)分時電價確定需求響應(yīng)策略，制定無法在多邊市場出清情況下的效用保底調(diào)度策略。根據(jù)凈負荷確定訂單屬性，即售電訂單或購電訂單及響應(yīng)電量、地理位置等，根據(jù)各用戶分布式發(fā)電成本、上網(wǎng)電價及分時電價等信息確定報價生成上下限。不同于現(xiàn)有文獻的電價簡單隨機生成方式，設(shè)定兩函數(shù)供不同偏好用戶進行報價策略選取，即圖5 中Z1、Z2。函數(shù)Z1適用于高盈利傾向型用戶，即承擔(dān)適當(dāng)交易失敗風(fēng)險以尋求高利潤獲取；函數(shù)Z1適用于保底出清傾向型用戶，即犧牲適當(dāng)?shù)目赡苄岳麧櫾鲱~以換取電量的全額出清。Plow、Pup分別為最低報價與最高報價，R1k、R2k分別為Z1、Z2報價策略對應(yīng)報價為Rk時的概率。

2）多邊交易及區(qū)塊鏈記賬。多邊交易流程設(shè)計為：首先，產(chǎn)銷者發(fā)布交易信息至多邊交易平臺以供投標(biāo)者進行投標(biāo)報價；其次，投標(biāo)者報價，并將報價信息（訂單屬性、電價、電量、位置）經(jīng)哈希函數(shù)進行處理生成固定長度字符串，私鑰加密字符串生成專屬數(shù)字簽名，隨同公鑰一并發(fā)送至智能合約；智能合約通過哈稀函數(shù)處理報價信息，通過公鑰解密原數(shù)字簽名進行一致性檢驗，隨后依此進行拍賣函數(shù)（訂單匹配檢驗）、安全檢驗（檢驗訂單是否符合潮流安全）；智能合約達成則自動進行交易結(jié)算。

圖4 含分布式電源用戶的區(qū)域P2P 電力交易結(jié)構(gòu)

圖5 報價概率函數(shù)

智能合約的達成需要滿足以下條件：①購電訂單電量不小于售電訂單電量；②購電期望價格不小于售電期望價格；③購售電價差為可組合訂單差價中最小值。為避免一單多配的情況，訂單屬性中均加入位置信息，對于距離最小的組合訂單進行優(yōu)先匹配。

4 結(jié)語

在考慮分布式資源消納基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前電改政策及區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展情況，對泛在電力物聯(lián)網(wǎng)下的分布式資源參與電力市場交易進行研究，提出考慮用戶響應(yīng)的售電公司決策模型及含分布式電源用戶的區(qū)域多邊電力交易模型。將行為特性考慮在內(nèi)對現(xiàn)有購電雙邊合同進行完善設(shè)置新的偏差考核機制，將具有DR 能力的虛擬發(fā)電資源進行捆綁代理接入實時市場競爭，此外，考慮用戶需求響應(yīng)設(shè)置新的購售電報價策略，在區(qū)塊鏈基礎(chǔ)上構(gòu)建多邊電力交易模型，由此為今后區(qū)塊鏈在區(qū)域多邊電力市場交易研究提供模型參考。