基于區(qū)塊鏈的小型光伏電站電力雙邊直接交易場景應(yīng)用研究

湯滌非,董晨景,王海超,江海龍,李永波,何 川

(安徽電力交易中心有限公司,安徽 合肥 230041)

據(jù)統(tǒng)計,截至2021年初,全球共有128個基于區(qū)塊鏈的電力交易平臺。區(qū)塊鏈技術(shù)與電力交易場景的結(jié)合,可有效解決傳統(tǒng)電力交易模式的瓶頸問題,但現(xiàn)有文獻(xiàn)中的眾多方案均為理論探討,多數(shù)項目仍處在早期研究開發(fā)階段,受到集成示范應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)安全與容錯性、傳統(tǒng)理念沖突、標(biāo)準(zhǔn)化操作等問題的困擾[1]。然而區(qū)塊鏈已成為時代技術(shù),其發(fā)展應(yīng)用是大勢所趨。本文從區(qū)塊鏈入手,根據(jù)雙邊直接交易場景的應(yīng)用特點,提出針對性的應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu),從代幣的價值設(shè)計,交易機制,代幣流、現(xiàn)金流、電量流的流轉(zhuǎn),物理約束與調(diào)度機制等角度,探討電價函數(shù)、購幣兌換函數(shù)、盈利函數(shù)的構(gòu)造形式,分析了該系統(tǒng)架構(gòu)面臨的挑戰(zhàn)并對未來進(jìn)行展望。

1 小型光電站雙邊直接交易現(xiàn)狀

2010年后,全國新建立了數(shù)以萬計的村級光伏電站[2],表1所列為2020年1—6月進(jìn)行投標(biāo)或在建的小型光電站項目。本文針對小型光電站電力并網(wǎng)定價與雙邊交易價格差的問題,以分布式小型光電站系統(tǒng)為交易主體,探討基于區(qū)塊鏈技術(shù)的雙邊交易結(jié)算機制[3-4]。

以山東省為例,截至2020年已建成1.2萬個光伏電站,累計上網(wǎng)電量為57.8億kW·h,如何有效、高回報地利用這些電量成為電力交易的一項重要研究內(nèi)容。2020年4月2日,國家發(fā)改委發(fā)布光伏上網(wǎng)電價,Ⅰ～Ⅲ類資源區(qū)集中式光伏電站指導(dǎo)電價為0.35、0.40、0.49元/(kW·h),余電上網(wǎng)分布式光伏補貼0.05元/(kW·h)。相較于居民平均用電最低電費(0.550 3元/(kW·h)),光伏售電電價普遍較低,為電力交易主體雙邊直接交易提供了可能。

2 區(qū)塊鏈在小型光電站電力雙邊直接交易場景中的機電結(jié)構(gòu)和應(yīng)用架構(gòu)

小型光電站常規(guī)售電模式為并網(wǎng)銷售,該模式為典型中心化模式,發(fā)電方與用電方以電力局或電力交易中心為核心,資金流、信息流、能量流在交易中心匯聚,信任依賴度強,宕機風(fēng)險高,缺乏市場機制制約,無法形成有效競爭,對市場參與主體激勵作用不明顯。本文提出基于區(qū)塊鏈的雙邊交易機制,使每個分布式小型光電站(發(fā)電方)、周邊用電單位(用電方)直接參與其中。圖1所示為小型光電站機電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),采用Arduino內(nèi)嵌單片機度量電量,并實現(xiàn)基于USB通訊的數(shù)字信號接收與傳輸。圖2所示為區(qū)塊鏈在小型光電站電力雙邊直接交易場景中的應(yīng)用架構(gòu),包括4層和3方,4層分別為DAPP(decentralized application)層、智能電表層、區(qū)塊鏈層、配送層;3方分別為發(fā)電方、用電方和售電方(電力交易中心)。發(fā)電方擁有發(fā)電權(quán)上鏈、增發(fā)申請、減發(fā)申請、查詢等4個權(quán)限。上鏈提交后,經(jīng)DAPP進(jìn)行資質(zhì)審核和可發(fā)電量審核,最終授予發(fā)電權(quán),實現(xiàn)上鏈。該環(huán)節(jié)涉及發(fā)電權(quán)認(rèn)證,需調(diào)用智能合約函數(shù),代幣從發(fā)電方向電力交易中心流轉(zhuǎn)(認(rèn)證費)。增/減發(fā)申請和查詢申請未涉及鏈上操作,只在智能電表端產(chǎn)生最高可發(fā)電量更改、可售電量查詢和預(yù)售電量查詢等。售電是發(fā)電方的主要業(yè)務(wù)。通過發(fā)電權(quán)認(rèn)證和可售電量約束,掛網(wǎng)交易,價格匹配包括競價和雙邊自由匹配。交易電價包含交易價格、政府補貼和電力并網(wǎng)過網(wǎng)費等,交易信息包含用電方地址和被出售電力量。結(jié)算機制和代幣含義將在以下章節(jié)闡述。

圖1 小型光電站機電結(jié)構(gòu)模型

圖2 區(qū)塊鏈在小型光電站電力雙邊直接交易場景中應(yīng)用架構(gòu)

3 區(qū)塊鏈在小型光電站電力雙邊直接交易場景中應(yīng)用

本文采用Ganache本地以太坊環(huán)境,其加密算法為SHA256和橢圓曲線加密算法[5],數(shù)字簽名和驗證機制采用橢圓曲線數(shù)字簽名算法[6],數(shù)字錢包為保管私鑰、公鑰和地址的集成軟件MetaMask。

3.1 代幣的價值設(shè)計

代幣在小型光電站電力雙邊直接交易中可以有兩種價值模式,分別為:1)代幣表征發(fā)電的過程,即去中心模式;2)代幣代表數(shù)字貨幣,即弱中心模式[7]。本文采用模式2)即弱中心模式。弱中心模式可實現(xiàn)同現(xiàn)金的定匯交易。購電方通過充值的方式購買交易中心代幣,用代幣進(jìn)行交易結(jié)算,區(qū)塊鏈與智能電表交互,區(qū)塊鏈中每減少1個代幣,按現(xiàn)金折算比例,在智能電表中增加相應(yīng)的可用電力數(shù)。發(fā)電方產(chǎn)生的可用電量記錄在智能電表中,每收到一個代幣,減少相應(yīng)的電量,最后在電力交易中心進(jìn)行代幣兌換?，F(xiàn)金的交易過程為購電方向電力交易中心購買代幣,電力交易中心給發(fā)電方兌換代幣,電力交易中心由傳統(tǒng)的交易、結(jié)算中心變?yōu)橹唤Y(jié)算,交易則依托區(qū)塊鏈和智能合約自助進(jìn)行。

3.2 交易機制與電價函數(shù)設(shè)計

如圖3所示,交易機制主要包括競價匹配和自由匹配。競價匹配是發(fā)電方將可售電量掛網(wǎng),購電方呈現(xiàn)的是Peer to Peer電價,由電價函數(shù)可知,電價包括發(fā)電方報價、政府補貼和過網(wǎng)費等。其中報價由發(fā)電方自主決定(在政府帶量采購指導(dǎo)價的基礎(chǔ)上浮動),政府補貼是定值,過網(wǎng)費由基建和配電距離決定。購電方根據(jù)購電需求進(jìn)行雙向競價匹配,匹配成功后由購電方向發(fā)電方提出交易申請,并提交Ethereum代幣轉(zhuǎn)賬,發(fā)電方通過數(shù)字簽名(r,s)校驗,校驗通過后將交易信息傳播到各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)校驗,交易達(dá)成后發(fā)電方的代幣增加,智能電表的電量減少;購電方代幣減少,智能電表可用電量增加。自由匹配一般發(fā)生在鄰里之間或同一個社區(qū)內(nèi)、同一個變電站內(nèi),因彼此私交而產(chǎn)生的交易,自由交易匹配后進(jìn)行代幣轉(zhuǎn)賬、數(shù)字簽名校驗、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點校驗,實現(xiàn)交易過程。交易電價函數(shù)如式(1)所示。

圖3 小型光電站電力雙邊直接交易的2類機制

(1)

式中:DP為成交電價,BP為交易定價,GS為政府補貼,WCs為過網(wǎng)費,k為系數(shù),SP為政府采購電量的標(biāo)準(zhǔn)定價,d為運輸距離,A為交易電量,n為電力配送中理論上應(yīng)跨越的變電站數(shù)量,t為變電站轉(zhuǎn)化收費率。

3.3 代幣、現(xiàn)金、電量流轉(zhuǎn)與購幣兌換函數(shù)設(shè)計

圖4所示為代幣流、現(xiàn)金流、電量流的流轉(zhuǎn)機制。

圖4 代幣流、現(xiàn)金流、電量流流轉(zhuǎn)機制

購幣函數(shù):

x=(Y-F1)/H1

(2)

兌換函數(shù):

Y=H2(x)-F2

(3)

式中:x為持幣量,Y為現(xiàn)金,F1和F2為交易手續(xù)費,H1和H2分別為購幣和兌換比例。

3.4 物理約束與調(diào)度機制設(shè)計

可售電量(total sales amount, TS)受智能電表約束,智能電表可實現(xiàn)現(xiàn)有電量統(tǒng)計,發(fā)電量預(yù)測和自用電量預(yù)測二者差值為可售電量。其中發(fā)電量預(yù)測受發(fā)電功率、天氣狀況、光照強度和時長等約束,自用電量預(yù)測受環(huán)境、天氣、使用習(xí)慣等約束?？少忞娏恐皇艹謳帕考s束。

調(diào)度模型中交易雙邊與電力配送雙邊的不對等性:從配送效率考慮,同一變電站內(nèi)的電力交易效率最高,成本最低。但交易雙邊往往存在長期合作或親朋交易等現(xiàn)狀,參與交易的雙邊可能不在同一區(qū)域,交易的便利與配送的效率產(chǎn)生矛盾。作為交易模型的物理約束之一,本文提出交易與配送分離控制,交易模式為自主選擇(約定區(qū)域,如固定地理區(qū)域或固定間隔變電站區(qū)域),配送模式為區(qū)域配送,實現(xiàn)交易與配送脫離,解決不對等性問題。

3.5 交易中心盈利函數(shù)

作為傳統(tǒng)交易、結(jié)算中心的電力局、電力交易中心等機構(gòu),在區(qū)塊鏈交易模型下主要承擔(dān)代幣與現(xiàn)金的兌換結(jié)算責(zé)任。雖然結(jié)算兌換的過程中也會出現(xiàn)現(xiàn)金持有者與代幣大戶甚至與發(fā)電方直接進(jìn)行雙邊兌換,該種現(xiàn)象是區(qū)塊鏈金融交易價值的體現(xiàn),是必然會發(fā)生的,但作為政府、監(jiān)管單位,交易中心等機構(gòu)仍會承擔(dān)90%以上的通兌、兌換業(yè)務(wù),維系著整個系統(tǒng)的安全運營。此外,還要承擔(dān)電力調(diào)度指揮中心和電力配送基建保障的責(zé)任。電力交易中,交易匹配為表,結(jié)算出清為里,電力調(diào)度是核心,電力配送是基本保障。

電力交易中心交易過程中的電力交易中心盈利函數(shù)E為:

E=WCs+F1+F2

(4)

4 算例研究

以某8Peer節(jié)點為例,模擬4個小型光伏電站(統(tǒng)一和雙邊并存)和4個有代表性的民用個體(分別為平均每小時用電量為1 kW·h的家庭個體、5 kW·h的物業(yè)用房、50 kW·h的單元樓和200 kW·h的小型社區(qū),即A1=1/4,A2=5/4,A3=50/4,A4=200/4),系統(tǒng)電壓幅值上、下限為±0.07 p.u.,電能傳輸跨度和拍賣報價時間跨度同步,為15 min,可交易電量TS為給定值;交易的盈利函數(shù)E暫不考慮配送成本和跨區(qū)域交易成本,按固定0.1元/(kW·h)計;政府統(tǒng)一并網(wǎng)采購價按I類資源區(qū)集中式光伏電站指導(dǎo)0.35元/(kW·h)計;分時售電價目表見表2。

表2 分時售電價目表

全天共計96個交易節(jié)點(小型光伏電站交易周期為15 min),區(qū)塊鏈平臺會記錄每次小型光伏電站交易出清后各個時段的交易價格,客戶可根據(jù)售價調(diào)整自己的出價。4個小型光伏電站節(jié)點作為產(chǎn)銷者,可售電;4個民用節(jié)點作為消費者,可購電。表3為關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定,全天購售電平均單價情況統(tǒng)計結(jié)果見表4。據(jù)分析,雙邊直接交易相較統(tǒng)一交易市場交易,實現(xiàn)消費者降低成本,產(chǎn)銷者提升利潤的總體態(tài)勢,消費者全天平均降低購電成本9.33%,產(chǎn)銷者實現(xiàn)全天平均售電利潤增加17.14%。

表3 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定

表4 統(tǒng)一交易與雙邊交易對比

5 面臨的挑戰(zhàn)

區(qū)塊鏈技術(shù)在成為真正的主流技術(shù)被廣泛應(yīng)用之前,仍有一系列問題亟待解決[8]。

1)本文平臺為Ethereum,無法實現(xiàn)代幣產(chǎn)生、消亡同電量的形成、消耗的一一映射,而美國的EverGreenCoin私有鏈已經(jīng)實現(xiàn)該功能,此為本文面臨的主要挑戰(zhàn)之一。

2)網(wǎng)絡(luò)安全與容錯性?？深A(yù)見的小型光伏電站交易系統(tǒng)在開發(fā)和應(yīng)用的過程中必將受到眾多網(wǎng)絡(luò)攻擊,如何有效避免數(shù)據(jù)從分支網(wǎng)絡(luò)、源頭被篡改,保證數(shù)據(jù)上鏈的真實性是首要任務(wù),因此整網(wǎng)系統(tǒng)的容錯性是系統(tǒng)長期穩(wěn)定運營的重要保障。

6 結(jié)束語

基于區(qū)塊鏈的小型光伏電站電力雙邊交易優(yōu)勢在于:

1)利用市場機制,為交易雙邊帶來盈利。發(fā)電方合理售電,增加創(chuàng)收;用電方可購得低于市場定價的電量,降低用電成本。

2)智能合約的不可篡改將大大降低區(qū)塊內(nèi)各方的信任依賴,提升業(yè)務(wù)決策能力,減少各部門協(xié)調(diào)成本,縮減完成事務(wù)的時間。但公有鏈約束以及串行組件的網(wǎng)絡(luò)安全、容錯性存在的風(fēng)險也不可忽視。

未來區(qū)塊鏈在電力交易領(lǐng)域的研究方向為:

1)多場景應(yīng)用研究。分布式電力交易系統(tǒng)會有眾多應(yīng)用場景,包含綠證交易、電力載體交易、電力資產(chǎn)交易、電力倉單管理等,基于區(qū)塊鏈的多場景應(yīng)用,將成為研究重點。

2)多鏈協(xié)同、跨鏈流通。小型光伏電站電力雙邊交易區(qū)塊鏈,同現(xiàn)有區(qū)塊鏈以及未來會產(chǎn)生的多場景區(qū)塊鏈之間的多鏈協(xié)同、跨鏈流通也是未來研究的重點之一。