基于區(qū)塊鏈的產(chǎn)消用戶間電力零售模型量化初探

霍雪松，王 崗，吉 斌，昌 力，王黎明，莫 峻

（1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，南京 210024；2.國電南瑞科技股份有限公司，南京 211106；3.廣西大學 電氣工程學院，南寧 530004）

0 引言

區(qū)塊鏈技術(shù)具有數(shù)據(jù)分布式認證、存證、查詢和加密的特征，在能源互聯(lián)的研究中備受關注［1］，也被認為是電力零售交易智能化發(fā)展的突破性支撐技術(shù)之一。文獻［2］基于區(qū)塊鏈提出分布式電力交易信用管理共識機制。文獻［3］利用區(qū)塊鏈技術(shù)提出一種弱中心化電力交易的安全校驗方式，降低了電力交易數(shù)據(jù)驗證的資源和時間的消耗。文獻［4］結(jié)合分布式微電網(wǎng)特征，利用雙向拍賣機制與區(qū)塊鏈技術(shù)的電力交易新模式，為配電側(cè)電力零售交易模式提供指導和借鑒。文獻［5］在電力市場環(huán)境下，結(jié)合區(qū)塊鏈的去中心特性提出了一種基于電力用戶偏好的資源配置方案。以上文章均未明確基于區(qū)塊鏈技術(shù)怎么與配電側(cè)電力零售交易各環(huán)節(jié)進行融合，并且未針對配電側(cè)電力零售交易的市場模型進行設計研究，對實際電力零售交易系統(tǒng)的指導作用有限。

本文以現(xiàn)貨市場交易機制為基礎，結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)，開展產(chǎn)消用戶間的電力零售交易流程和機制設計。首先，結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)特征，從電力零售交易的時間和內(nèi)容2個方面將“去中心”電力交易分為5個階段；其次，從信息、物理2個方面闡述了結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)的配電側(cè)電力零售交易流程融合方式；然后，針對配電側(cè)電力零售交易和區(qū)塊鏈技術(shù)特征提出了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電力零售交易的交易機制、交易方法和效益評估模型。最后，結(jié)合算例從買/賣雙方交易收益、交易滿意度進行去中心電力零售交易的機制和模型驗證。

1 去中心電力零售交易過程設計

本文以聯(lián)盟鏈為基礎，結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)的共識機制、加密算法、共享賬本、智能合約、身份認證以及跨機構(gòu)認證等技術(shù)［2］，構(gòu)建電力零售交易應用。

1.1 去中心電力零售交易過程

按照區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)生成順序和實時電力零售交易特征，本文基于區(qū)塊鏈技術(shù)將去中心電力零售交易流程分為發(fā)起、匹配、認證、執(zhí)行和結(jié)算5個階段。

（1）發(fā)起:電力交易初始階段由發(fā)/用電不平衡的產(chǎn)消用戶發(fā)起不平衡電量交易發(fā)布并通過區(qū)塊鏈電力交易平臺自動全網(wǎng)廣播。申報信息按照共識機制和網(wǎng)絡協(xié)議自動廣播至區(qū)塊鏈電力交易平臺，區(qū)塊鏈電力交易平臺自動獲取并廣播的業(yè)務數(shù)據(jù)內(nèi)容包括:產(chǎn)消用戶身份標識（identity document，ID）、交易時間、交易電量、交易電價。

（2）匹配:利用共識機制選出的系統(tǒng)記賬節(jié)點用戶，接收本時段的交易申報和發(fā)布數(shù)據(jù)，按照既定交易匹配算法機制進行交易數(shù)據(jù)的集中匹配。通過在區(qū)塊鏈電力交易平臺配置交易匹配約束智能合約，記賬節(jié)點用戶自動調(diào)用智能合約將電力交易信息進行匹配，滿足約束條件的市場主體按照市場機制分別匹配交易對象、鎖定交易時段的配電使用權(quán)和發(fā)/用電量；接著將匹配成功的交易信息廣播至系統(tǒng)所有節(jié)點用戶。若電力交易匹配不成功，需要電力用戶修改報價和電量再次匹配電力交易，直至匹配成功或到達本輪交易的截止時間或匹配輪次上限，停止交易申報，最后直接通過躉售市場進行電量平衡。

（3）認證:針對配電側(cè)電力零售交易匹配的結(jié)果，需要進行分布式認證，各區(qū)塊鏈的市場主體節(jié)點分別調(diào)用交易匹配智能合約對交易匹配結(jié)果進行驗證，投票并生效交易匹配結(jié)果。電力零售交易匹配成功的信息需要經(jīng)過電力零售交易市場主體的系統(tǒng)節(jié)點進行分布式簽名認證并投票后，匹配結(jié)果才可以生效，生效的交易匹配結(jié)果調(diào)用廣播網(wǎng)絡機制進行分布式存證?；趨^(qū)塊鏈技術(shù)的電力零售交易應用平臺上產(chǎn)消用戶通過嵌入?yún)^(qū)塊鏈底層系統(tǒng)平臺的交易匹配智能合約算法自動運算交易申報數(shù)據(jù)與匹配結(jié)果進行對比，結(jié)果一致的利用自身私鑰進行簽名認證操作，各市場主體的認證結(jié)果會按照共識機制算法進行收集統(tǒng)計。

（4）執(zhí)行:配電側(cè)電力零售交易按照交易匹配結(jié)果執(zhí)行電力交易，各產(chǎn)消用戶在電力交易約定的開始時刻執(zhí)行電力交易。電力零售交易的去中心化環(huán)境下，交易用戶需嚴格按照合約內(nèi)容執(zhí)行，并計量該時段的發(fā)/用電數(shù)據(jù)。區(qū)塊鏈電力交易應用平臺廣播交易執(zhí)行和系統(tǒng)運行監(jiān)測的數(shù)據(jù)，交易執(zhí)行信息需要在本地對交易訂單信息進行校驗，對比市場主體之間的交易執(zhí)行與合同交易電量的偏差量，判定未按照匹配結(jié)果執(zhí)行發(fā)用電的市場主體為交易出錯的市場主體，按計量數(shù)據(jù)結(jié)算，記錄違約信息并按照市場考核機制進行交易考核。

（5）結(jié)算:在配電側(cè)電力零售交易結(jié)果匹配出清和交易執(zhí)行認證的基礎上進行交易的價值結(jié)算。根據(jù)結(jié)算市場機制編制區(qū)塊鏈智能合約并嵌入?yún)^(qū)塊鏈平臺。交易結(jié)算時，用戶的智能終端自動調(diào)用智能合約進行交易結(jié)算操作，通過結(jié)算數(shù)據(jù)接口查詢鏈上的交易匹配信息、交易執(zhí)行數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)等，按照結(jié)算智能合約的算法分別鎖定各買方市場主體的賬戶余額，采用“前推認證”的方式進行交易的價值結(jié)算轉(zhuǎn)移，付款節(jié)點利用自身私鑰簽名并后綴收款方的公鑰加密，發(fā)送至收款節(jié)點，收款節(jié)點接收加密虛擬貨幣后，利用自身私鑰解密，獲得貨幣擁有權(quán)。

1.2 去中心電力零售交易的時間分布

去中心的電力零售交易在時間分布上可以分為交易執(zhí)行前、執(zhí)行中、執(zhí)行后，對應時間階段如圖1所示。去中心化的電力零售交易執(zhí)行時段從t0到t2，包含信息交互過程和物理-信息融合2個階段。其中，信息交互過程主要包括交易的發(fā)起（需求發(fā)布和交易申報）、響應及交易匹配3個部分。配電執(zhí)行過程中需要進行交易物理約束的驗證，并在規(guī)定時間范圍內(nèi)由記賬節(jié)點按照阻塞管理算法自動進行交易匹配調(diào)整，滿足用戶電力交易需求；交易執(zhí)行階段為t2至t4時段，賣方產(chǎn)消用戶按照交易訂單通過控制裝置自動執(zhí)行升壓并網(wǎng)或降低本地負荷功率；配網(wǎng)電力系統(tǒng)的電力計量設備實時讀取、記錄并更新區(qū)塊鏈系統(tǒng)平臺的配電執(zhí)行數(shù)據(jù)信息，直至交易訂單執(zhí)行完畢；配電執(zhí)行后，產(chǎn)消用戶對存儲在區(qū)塊鏈系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)庫的交易數(shù)據(jù)進行驗證、交易結(jié)算和轉(zhuǎn)賬等操作，完成配電側(cè)的電力零售交易的全流程與區(qū)塊鏈技術(shù)的融合。

圖1 去中心電力零售交易的時間分布圖Fig.1 Time distribution of the decentralized power retail transaction

2 去中心電力零售交易架構(gòu)

去中心化的電力零售交易包括信息層的交易匹配和物理層的交易執(zhí)行2個部分，如圖2所示。用戶在信息層交互電力零售交易的業(yè)務數(shù)據(jù)和系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，配網(wǎng)系統(tǒng)的物理層接收信息層的交易指令執(zhí)行配網(wǎng)的配電操作，同時監(jiān)控配網(wǎng)的監(jiān)控設備實時獲取并傳回系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)作為交易匹配、執(zhí)行和結(jié)算依據(jù)。

圖2 去中心電力零售交易信息-物理架構(gòu)示意圖Fig.2 Cyber?physical information architecture diagram of decentralized electricity retail transaction system

信息層獲取配網(wǎng)系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，并利用區(qū)塊鏈系統(tǒng)平臺進行數(shù)據(jù)處理，輸出配網(wǎng)電力零售交易的匹配決策信息。匹配信息共識機制和配電系統(tǒng)規(guī)約執(zhí)行。其中，采集信息為配網(wǎng)系統(tǒng)的操作日志、配電系統(tǒng)拓撲改變參數(shù)以及用戶的電力申報數(shù)據(jù)，包括:申報用戶ID、電價、時間、配電線路及資金轉(zhuǎn)移信息等。信息層的輸出決策信息為電力零售交易信息，包括:交易雙方的ID、交易電價、時間、電量以及配電系統(tǒng)配電規(guī)劃參數(shù)等。

產(chǎn)消用戶在去中心化電力零售交易平臺上進行交易流程操作。首先，用戶的電力申報信息被實時采集，根據(jù)本地電力市場機制、系統(tǒng)實時參數(shù)以及區(qū)塊鏈技術(shù)的共識機制約束將買賣用戶的電力申報信息按照市場交易匹配機制進行本地匹配，匹配完成的交易訂單經(jīng)買賣市場電力產(chǎn)消用戶認證之后等生成交易訂單，配電按照交易訂單執(zhí)行后再規(guī)定時間內(nèi)進行交易費用結(jié)算。執(zhí)行配電是去中心電力零售交易的物理層完成，需要依據(jù)信息層的交易訂單信息指令執(zhí)行并由監(jiān)控裝置返回監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3 電力零售交易機制與模型

3.1 去中心電力交易機制

面向配電側(cè)社區(qū)區(qū)域內(nèi)的去中心化電力零售交易主要是面向產(chǎn)消用戶間的實時電量平衡交易，需簡易、靈活的電力交易機制作為市場支撐［7］，基于此進行配電側(cè)電力零售交易市場機制的設計。

本文是基于區(qū)塊鏈技術(shù)開展去中心化電力交易，充分發(fā)揮市場作用，故采用“多邊申報，多邊響應”的交易機制，允許用戶間“多對多”的開展交易申報和交易匹配，即一個買方可以向多個賣方購電，一個賣方可以向多個買方售電。產(chǎn)消用戶間的交易匹配按“交易價格優(yōu)先，上報時間優(yōu)先”的方式將交易列隊中買電用戶和賣電用戶的報價相對差額絕對值最小的用戶進行匹配，將買賣雙方報價均值作為交易匹配的出清電價。同時，規(guī)定購電用戶報價只有高于售電報價時，購電報價有效；交易的某一方為出價相同的多主體時，按上報信息的時間排列交易匹配順序；交易匹配數(shù)據(jù)經(jīng)交易雙方確認后，生成不可更改的交易訂單，驗證不通過的交易匹配數(shù)據(jù)將失效，自動解除交易匹配，重新返回交易匹配的價格列隊，修改申報信息并等待匹配。去中心電力零售交易流程如圖3所示。

圖3 去中心化電力零售交易機制流程示意圖Fig.3 Decentralized power retail transaction mechanism flow diagram

3.2 去中心電力交易模型

3.2.1 基于區(qū)塊鏈的電力零售交易出清模型

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電力交易模型算法以智能合約嵌入?yún)^(qū)塊鏈基礎平臺，進行交易匹配出清和結(jié)算時，自動調(diào)用已經(jīng)實例化的區(qū)塊鏈智能合約處理數(shù)據(jù)。

（1）購售電用戶彈性電價計算模型

式中:TB,i(Si,B)、TS,i(Si,s)分別為購/售電用戶的彈性電價；Si,B、Si,s分別為用戶的購/售電量；St,i為用戶i在t時刻的需求電量；為初始電價，一般取上一時段的市場均衡電價；εij為市場的彈性系數(shù)，市場活躍度越高，彈性系數(shù)越大，反正反之。

（2）用戶彈性電價均衡模型

式中:Tzong為交易的綜合彈性電價；Qi為市場交易電量；TS,i(Qi)、TB,i(Qi)分別為售、購電用戶的彈性電價。

（3）用戶意愿電價及其均衡電價模型

式中:Yi為意愿電價；?cos,t為分布式發(fā)電成本電價；λi用電意愿度，主要與用戶用電緊急程度、用電量以及系統(tǒng)不平衡電量情況有關；Yzong、YS,i、YB,i分別為綜合意愿電價、售電用戶的意愿電價、購電用戶的意愿電價。

（4）購電與售電用戶的費用出清模型

式中:x1為缺電用戶響應自身不平衡電量；β2為環(huán)境效益補貼價格；Pproduced為用戶分布式自發(fā)電量；Q1為電力零售市場主體購售電電量。

3.2.2 配網(wǎng)電力零售交易約束函數(shù)

（1）配電線路容量裕度約束

定義配電支路ab的輸送容量裕度如式（8）所示，用戶間實時電力交易的輸電線路容量裕度約束如式（9）所示

式中:Sab為支路ab的當前潮流分布；Pab、Qab分別為支路ab的當前有功、無功；S'ab為支路ab的輸電極限；P'ab、Q'ab分別為支路ab的有功極限、無功極限；Pi,B為第i個缺電用戶的缺電量；Pj,S為第j個供電用戶的供電量；Gab,i為節(jié)點i對支路ab的功率轉(zhuǎn)移因子；Y為配網(wǎng)輸電線路的集合；為配網(wǎng)支路ab的極限輸電容量。

（2）響應用戶的響應電量約束要求

式中:Pi為第i個用戶響應電量；Pi,min和Pi,max分別為可響應電量的下限和上限。

（3）電量平衡（修正）約束

（4）電力交易修正時間約束

式中:tj為第j輪交易出清修正的時刻；tj,max為第j輪交易出清修正的截止時刻。

3.2.3 社區(qū)電力零售交易效益評估模型

針對產(chǎn)消用戶而言，分布式電力零售交易需要獲得收益和舒適度的需求。售電用戶期望獲得最大售電收益和用電滿意度，如式（13）所示；購電用戶期望購電成本最低，同時獲得相對滿意的用電體驗，如式（14）所示

式中:Si、Bi分別為售/購電用戶節(jié)點i的售/購電期望；Ci,S、Ci,B分別為余/缺電用戶i的實際售/購電價格；Pi,S為余電用戶i售電量；Pi,B為缺電用戶i從外電網(wǎng)購電量；ψ為參與電力零售交易的用戶集合；U為購電用戶的用電滿意度；Ucom、Ueco分別為交易用戶的舒適度和經(jīng)濟度；ΔPt為電量不平衡用戶t時段的自身響應電量；Pt為用戶的最優(yōu)用電量；ct為用戶間電力交易的實際價格；cm為用戶并網(wǎng)價格或用戶間交易的價格從配網(wǎng)購/售電的指導價（售電價Clow，購電價格Chigh）；α、β分別為舒適度和經(jīng)濟性對滿意度的占比，α，β∈［0，1］。

相比于傳統(tǒng)用電，用戶間電力交易可以避免低價并網(wǎng)，高價購電的現(xiàn)象。買賣雙方通過電力零售交易電價與直接與外網(wǎng)交易的相對收益與購售電的期望收益之比，即為用戶間電力交易的相對收益。計算方法為

式中:ηbuyer、ηsaller分別為購電用戶和售電用戶的相對收益率。

4 案例分析

為驗證用戶間電力零售交易的整體優(yōu)勢，在配網(wǎng)采用如圖4 所示的改進IEEE33 節(jié)點系統(tǒng)進行模擬交易，其中用戶A、C、D、H、G為余電節(jié)點，可以向缺電節(jié)點B、E、F、M、N、O 提供電力支持，節(jié)點W 為售電商，由于與輸電網(wǎng)相連，以平衡配網(wǎng)的不平衡電量。利用java 按照正態(tài)分布函數(shù)產(chǎn)生的隨機數(shù)，模擬市場主體的購售電的上報信息，購/售電用戶上報的交易信息如表1所示。設光伏發(fā)電的并網(wǎng)價格為0.4 元/kWh、售電商的售電價格為1.412 元/kWh（計入了碳排放價格0.812元/kWh［6—7］）。

圖4 IEEE33節(jié)點的改進配電網(wǎng)絡圖Fig.4 Improved distribution network diagram of IEEE33 nodes

表1 用戶上報的交易信息Table 1 Transaction information reported by the users

根據(jù)表1中購售電用戶上報的電力零售交易的信息（負號表示缺電），結(jié)合“交易價格優(yōu)先，上報時間優(yōu)先”的電力零售機制可以得出交易匹配列隊如圖5所示，其中X0為指導價。

圖5 買方市場的電力交易匹配隊列圖Fig.5 Matching queue diagram of electricity transaction in buyer’s market

去中心化的分布式電力零售交易是買方獲得低價用電、賣方獲得較好的交易收益，如式（15）所示。開展去中心化的分布式電力零售交易，首先根據(jù)電力用戶申報交易的價格和申報時間為交易匹配的基準，根據(jù)市場交易機制對用戶申報信息進行匹配；其次，按照交易約束的條件對匹配成功的分布式電力交易進行交易驗證，驗證模型按式（8）—式（13）進行交易驗證，驗證通過的交易匹配信息生成交易訂單。本文經(jīng)過交易匹配和約束驗證成功的交易有7對電力零售交易，如表2所示。

表2 產(chǎn)消用戶間的交易信息Table 2 Transaction information between production and consumption users

算例中，將用戶之間的電力交易費用與直接向售電商購/售電的減少/增加量定義為相對收益。用戶之間的電力零售交易中，購/售電用戶之間的電力交易的費用相對于直接向售電商購買或并網(wǎng)可獲得表2所示的相對收益，對應購/售電收益增加率如圖6所示。

圖6 買賣用戶間電力交易的相對收益增加率Fig.6 Relative income increase rate of electricity transactions between buyers and sellers

由圖6 可知，相對于售電用戶將多余電量直接并網(wǎng)，其通過零售市場的售電經(jīng)濟效益提高了80%以上，售電的收益提升顯著；購電用戶的購電費用相對于直接向售電商購電減少支出達45%以上。電力零售交易機制的引入可以增加用戶的經(jīng)濟效益。所以，在規(guī)范的去中心市場環(huán)境下買賣雙方均可獲得較好的經(jīng)濟效益。同時，對于未成功參與分布式電力零售交易市場的電力用戶需要通過躉售市場或傳統(tǒng)電力并網(wǎng)方式平抑用電需求的波動。

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電力零售交易可為電力用戶反饋實時電力交易的進程和結(jié)果。當用戶之間開展有限輪的電力交易匹配不成功時，用戶接收市場價格信號的調(diào)度，響應自身發(fā)/用電不平量。減少購買高價電可以降低售電商的電能備用容量，提高購電的經(jīng)濟性。算例中，響應自身發(fā)/用電不平衡量可獲得收益如表3所示。

表3 用戶響應自身所缺電量20%的收益表Table 3 Income statement of prosumer responding to 20%of its electricity consumption元

假設用戶的滿意度對舒適度和經(jīng)濟性的需求相當，即:α=β=0.5。由式（14）可以得出用戶的用電滿意度如圖7所示。

圖7 買方市場的用戶購/售電滿意度Fig.7 Buyer’s satisfaction with purchase/sale of electricity in the buyer’s market

算例是賣方市場，賣方的售電滿意度都在0.9以上，售電用戶可以獲得較滿意的收益。同時，售電用戶的滿意度略高于售電商的售電滿意度2%，主要是缺電用戶響應自身不平衡電量降低了售電商的收益，導致其售電滿意度低于售電用戶；進行用戶之間交易的購電滿意度高于向售電商購電的用戶，由于向其他用戶購買低價電，明顯提高了購電滿意度。

5 結(jié)束語

本文將區(qū)塊鏈技術(shù)引入配網(wǎng)用戶之間的電力零售交易，提出一種去中心化的電力零售方案；從配網(wǎng)電力市場發(fā)展趨勢和用電主體的變化特點出發(fā)，傳統(tǒng)垂直售電模式將很難適應大規(guī)模分布式可再生能源的接入；利用區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式交易數(shù)據(jù)交互功能，提出一種針對用戶開放競爭的配網(wǎng)電力零售市場模式；結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)和用戶的特征，分別探討了去中心化電力零售一般性機制和約束條件，設計了基于區(qū)塊鏈的去中心化電力零售交易系統(tǒng)；對基于區(qū)塊鏈技術(shù)的用戶之間的電力零售交易進行模擬，通過算例分析得出開展用戶之間的電力零售交易在經(jīng)濟性和社會效益2個方面都具有明顯優(yōu)勢。

應該指出，隨著配網(wǎng)電力市場的形成:①用戶應具有“彈性”的用電意識，加強自身電力負荷的管理；②電力用戶應適當提高儲能和類儲能負荷設備的用電比重，采取靈活的用電策略；③相關機構(gòu)應建立和完善配網(wǎng)電力交易制度，實現(xiàn)用戶發(fā)/用電的權(quán)責平衡，提高配網(wǎng)市場化進程。