基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠交易管理模式研究

周洪益，余 爽，柏晶晶，衛(wèi)志農(nóng)，孫國(guó)強(qiáng)，臧海祥，錢葦航

（1. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司 鹽城供電分公司，江蘇 鹽城 224002；2. 河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，南京 211100）

0 引言

隨著風(fēng)、光等可再生能源的快速發(fā)展，分布式能源接入配電網(wǎng)的趨勢(shì)日益向高滲透、高密度的方向發(fā)展。然而大量新能源的接入，其隨機(jī)性和不確定性會(huì)給電網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)度和電力市場(chǎng)的交易產(chǎn)生重要影響。虛擬電廠技術(shù)正是聚合眾多分布式電源參與電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)，促進(jìn)新能源消納的重要手段之一［1—2］。

然而傳統(tǒng)的虛擬電廠（virtual power plant,VPP）在結(jié)算周期、信息安全等方面也存在一些問(wèn)題。首先，電源業(yè)主對(duì)虛擬電廠運(yùn)營(yíng)方的信任問(wèn)題，具體表現(xiàn)為能源信息和收益結(jié)算是否可靠。傳統(tǒng)模式下，虛擬電廠中能源信息和收益結(jié)算依賴于中心化機(jī)構(gòu)，可能會(huì)存在收益結(jié)算效率較低以及虛假能源信息的現(xiàn)象。

其次，現(xiàn)行的分布式電源結(jié)算周期長(zhǎng)。傳統(tǒng)模式下，虛擬電廠運(yùn)營(yíng)方聚合能源后參與電力市場(chǎng)的交易，在虛擬電廠整體收益清算后，再根據(jù)電源出力曲線、電源信息進(jìn)行再清算，電力收益需要較長(zhǎng)的周期后才可獲得，因此可再生能源所有者的投資積極性將受到影響。

再次，目前虛擬電廠信息數(shù)據(jù)均存儲(chǔ)在虛擬電廠運(yùn)營(yíng)方的控制中心中，存在黑客入侵導(dǎo)致的用戶身份偽裝或數(shù)據(jù)泄露問(wèn)題，對(duì)虛擬電廠的安全運(yùn)行造成威脅。

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠交易管理模式為解決以上問(wèn)題提供了新思路［3—9］。

本文根據(jù)虛擬電廠和區(qū)塊鏈技術(shù)的特點(diǎn)，建立了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠商業(yè)運(yùn)營(yíng)架構(gòu)和電力交易模式，設(shè)計(jì)了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠能源認(rèn)證和證書交易模式，并對(duì)區(qū)塊鏈在虛擬電廠中的應(yīng)用進(jìn)行了案例說(shuō)明。最后，給出了虛擬電廠與區(qū)塊鏈技術(shù)未來(lái)進(jìn)一步深度融合的發(fā)展建議。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)與虛擬電廠相結(jié)合的適用性分析

1.1 虛擬電廠技術(shù)

通過(guò)“大云物移智聯(lián)”等先進(jìn)的信息技術(shù)和通信技術(shù)，虛擬電廠可以實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)、光伏電站、智能樓宇、電動(dòng)汽車等分布式資源的通信和聚合，作為一個(gè)整體參與電力市場(chǎng)和電網(wǎng)運(yùn)行。

然而，采用中心化模式的傳統(tǒng)虛擬電廠在交易結(jié)算、信息安全等方面存在一些不足，主要包括:

（1）虛擬電廠中的交易結(jié)算僅由運(yùn)行中心負(fù)責(zé)，當(dāng)交易情況復(fù)雜時(shí)存在效率降低的問(wèn)題，導(dǎo)致交易成本增加，各分布式能源的收益降低。

（2）虛擬電廠缺乏安全可靠的信息系統(tǒng)，存在黑客入侵導(dǎo)致的用戶身份偽裝或數(shù)據(jù)泄露風(fēng)險(xiǎn)，影響虛擬電廠的安全運(yùn)行。

虛擬電廠的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 虛擬電廠的基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of virtual power plant

1.2 區(qū)塊鏈技術(shù)

（1）定義

區(qū)塊鏈技術(shù)本質(zhì)上是一種多節(jié)點(diǎn)參與具有去中心化特性的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，由一組使用采用密碼學(xué)方法加密的數(shù)據(jù)區(qū)塊按照時(shí)間順序鏈接而成，記錄了不可篡改的數(shù)據(jù)信息［10］。

（2）結(jié)構(gòu)

區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)區(qū)塊由區(qū)塊頭和區(qū)塊體兩部分組成，區(qū)塊頭由上一區(qū)塊的地址、時(shí)間戳、Merkle根以及目標(biāo)哈希值組成；區(qū)塊體中包含了系統(tǒng)中一段時(shí)間的所有信息，并采用Hash 加密算法通過(guò)Merkle 樹生成唯一的Merkle 根與區(qū)塊頭聯(lián)系，如圖2所示。

（3）區(qū)塊鏈類型

目前，區(qū)塊鏈按照其類型的不同具體可以分為公有鏈、聯(lián)盟鏈以及私有鏈3種［11］，3種類型的特點(diǎn)，如表1所示。

圖2 區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.2 Data structure of blockchain

? 公有鏈:在公有鏈中，系統(tǒng)中的所有節(jié)點(diǎn)均可以參與共識(shí)過(guò)程，但由于參與共識(shí)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多，造成公有鏈效率降低的問(wèn)題。

? 聯(lián)盟鏈:聯(lián)盟鏈中參與共識(shí)過(guò)程的節(jié)點(diǎn)由內(nèi)部預(yù)先選定，區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)可以是公開的也可以是內(nèi)部的，即部分去中心化。

? 私有鏈:在私有鏈中，共識(shí)過(guò)程僅由中央節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)執(zhí)行，中央節(jié)點(diǎn)可決定其他節(jié)點(diǎn)的讀取權(quán)限。私有鏈的交易速度更快，交易成本更低，但由于權(quán)力過(guò)分集中于中央節(jié)點(diǎn)，存在數(shù)據(jù)被任意篡改的風(fēng)險(xiǎn)，但適用于某些特殊場(chǎng)景的應(yīng)用。

表1 3種區(qū)塊鏈類型的特點(diǎn)比較Table 1 Characteristics comparison of three blockchain types

（4）分布式共識(shí)機(jī)制

分布式共識(shí)機(jī)制是P2P網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間達(dá)成共識(shí)協(xié)議的過(guò)程。每一個(gè)區(qū)塊只有在各個(gè)節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)共識(shí)過(guò)程達(dá)成一致后才能按照時(shí)間順序加入到區(qū)塊鏈中。

目前區(qū)塊鏈的共識(shí)機(jī)制有以下幾種，權(quán)益證明機(jī)制、工作量證明機(jī)制、股份授權(quán)證明機(jī)制和拜占庭容錯(cuò)算法。

（5）智能合約

智能合約本質(zhì)上是部署在區(qū)塊鏈上的一組自動(dòng)執(zhí)行的計(jì)算機(jī)程序，規(guī)定了交易結(jié)算、運(yùn)行管理機(jī)制等規(guī)則。智能合約使區(qū)塊鏈的應(yīng)用范圍從貨幣領(lǐng)域擴(kuò)展到金融、醫(yī)療、能源等領(lǐng)域，成為區(qū)塊鏈技術(shù)落地應(yīng)用的重要依托［12—14］。

在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，智能合約具有讀取和寫入數(shù)據(jù)、保證交易執(zhí)行、管理數(shù)字資產(chǎn)的功能。智能合約的應(yīng)用減少了系統(tǒng)的管理成本，避免了不必要的交易糾紛，促進(jìn)了區(qū)塊鏈的進(jìn)一步發(fā)展。

1.3 適用性分析

區(qū)塊鏈技術(shù)以其去中心化、公開透明、不可篡改的特性與能源互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)特點(diǎn)具有一致性，將兩者相結(jié)合可以建立一個(gè)基于共識(shí)機(jī)制的去中心化能源交易管理平臺(tái)，為解決虛擬電廠目前存在的問(wèn)題提供了新的解決思路。

（1）去中心化:區(qū)塊鏈系統(tǒng)具有去中心化的特點(diǎn)，各個(gè)決策由系統(tǒng)中的所有節(jié)點(diǎn)共同執(zhí)行。而虛擬電廠包含多種分布式能源，亟需由傳統(tǒng)的中心化控制模式轉(zhuǎn)為分散控制模式。

（2）集體維護(hù):區(qū)塊鏈系統(tǒng)通過(guò)共識(shí)機(jī)制保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠參與區(qū)塊的寫入過(guò)程，各個(gè)節(jié)點(diǎn)也都具有訪問(wèn)區(qū)塊數(shù)據(jù)的權(quán)限。因此避免了采用集中化的控制中心。虛擬電廠對(duì)分布式電源進(jìn)行讀寫、維護(hù)權(quán)利的授權(quán)能夠有效提高分布式能源參與虛擬電廠的積極性。

（3）智能合約:通過(guò)智能合約技術(shù)，區(qū)塊鏈系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)交易結(jié)算的自動(dòng)執(zhí)行，提高交易管理效率。虛擬電廠在獲得收益之后，能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)收益的再分配，減少分布式能源所有者回收資金的周期。

（4）信息安全:區(qū)塊鏈技術(shù)使安全智能交易在能源領(lǐng)域成為可能。同時(shí)，虛擬電廠現(xiàn)有的交易管理模式存在信息泄露和身份偽裝的問(wèn)題。將兩者相結(jié)合建立基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠交易管理模式能夠提高虛擬電廠運(yùn)行系統(tǒng)的安全性。

2 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠商業(yè)運(yùn)營(yíng)架構(gòu)和電力交易模式

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠商業(yè)運(yùn)營(yíng)架構(gòu)和電力交易模式如圖3 所示。首先，將虛擬電廠內(nèi)不同的分布式能源的類型及發(fā)電量進(jìn)行標(biāo)記，建立電源收益分配機(jī)制。其次，考慮兩個(gè)層面的虛擬電廠交易模式，一是虛擬電廠內(nèi)部電源與負(fù)荷P2P交易；二是虛擬電廠作為一個(gè)統(tǒng)一的發(fā)電廠參與電力市場(chǎng)交易。基于區(qū)塊鏈系統(tǒng)，虛擬電廠與分布式能源所有者之間可以進(jìn)行雙向選擇。

分布式能源所有者根據(jù)虛擬電廠的收益分配規(guī)則選擇是否加入，并向虛擬電廠運(yùn)營(yíng)方提供能源類型、身份ID、可發(fā)電額度量等信息。同時(shí)，由于區(qū)塊鏈系統(tǒng)分布式共識(shí)機(jī)制的存在，各分布式能源的實(shí)際發(fā)電量均是公開透明的。在基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠商業(yè)運(yùn)營(yíng)架構(gòu)和電力交易模式中，虛擬電廠與分布式能源所有者之間能夠通過(guò)智能合約達(dá)成長(zhǎng)期購(gòu)電協(xié)議，并且可以實(shí)現(xiàn)電力的實(shí)時(shí)交易結(jié)算，縮短資金回收周期。

圖3 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠商業(yè)運(yùn)營(yíng)架構(gòu)和電力交易模式Fig.3 Virtual power plant operation structure and power transaction mode based on blockchain technology

3 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠能源認(rèn)證和證書交易模式

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠能源認(rèn)證和證書交易模式如圖4所示。對(duì)于電網(wǎng)中的每個(gè)虛擬電廠以及虛擬電廠中的分布式電源而言，其提供的電力信息，所處地域，以及其可信程度履約歷史等都將公開、透明、不可篡改地記錄在區(qū)塊鏈中。設(shè)計(jì)虛擬電廠能源認(rèn)證模型和證書交易智能合約，將信息認(rèn)證后寫入?yún)^(qū)塊鏈進(jìn)行標(biāo)記，同時(shí)證書以令牌的形式參與市場(chǎng)交易，證書交易及轉(zhuǎn)讓信息寫入?yún)^(qū)塊鏈，能夠保證有據(jù)可查并且不可篡改。

圖4 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠能源認(rèn)證和證書交易模式Fig.4 Virtual power plant energy certification and certificate transaction mode based on blockchain technology

4 區(qū)塊鏈技術(shù)在虛擬電廠中的應(yīng)用

本文對(duì)虛擬電廠傳統(tǒng)的中心化結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，建立了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠運(yùn)營(yíng)架構(gòu)。在此架構(gòu)中，虛擬電廠的運(yùn)營(yíng)主要由聚合商、分布式節(jié)點(diǎn)和智能電能表共同完成，具體如圖5所示。

圖5 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠運(yùn)營(yíng)架構(gòu)Fig.5 Operation framework of virtual power plant based on blockchain technology

其中，分布式節(jié)點(diǎn)即為虛擬電廠中的各個(gè)分布式能源業(yè)主；VPP 聚合商具有對(duì)各個(gè)分布式能源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行能源認(rèn)證，收集各個(gè)節(jié)點(diǎn)的交易請(qǐng)求并進(jìn)行交易匹配，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)間的交易記錄等功能；智能電能表可以對(duì)實(shí)時(shí)電力交易量進(jìn)行記錄，并實(shí)現(xiàn)分布式節(jié)點(diǎn)之間、分布式節(jié)點(diǎn)與聚合商之間的通信以及數(shù)字貨幣傳輸。

區(qū)塊鏈模式下的虛擬電廠能源認(rèn)證與交易流程如圖6所示，可以分為6個(gè)步驟。

圖6 區(qū)塊鏈模式下的虛擬電廠能源認(rèn)證與交易流程Fig.6 Energy certification and transaction process of virtual power plant in blockchain mode

（1）各分布式能源業(yè)主需要將身份ID、地理位置、能源類型、可發(fā)電額度等信息發(fā)送給VPP 聚合商進(jìn)行能源認(rèn)證，認(rèn)證完成后VPP 聚合商向各個(gè)分布式能源節(jié)點(diǎn)發(fā)送對(duì)應(yīng)的公私鑰對(duì)以及錢包地址。

（2）各分布式能源業(yè)主根據(jù)實(shí)際情況以及虛擬電廠的優(yōu)化調(diào)度計(jì)劃進(jìn)行發(fā)電。

（3）VPP聚合商收集各分布式能源節(jié)點(diǎn)的交易請(qǐng)求，并進(jìn)行交易撮合。在交易匹配完成后，各分布式能源節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行電力傳輸。

（4）在電力傳輸完成后，各分布式能源節(jié)點(diǎn)將能源幣從能源購(gòu)買節(jié)點(diǎn)發(fā)送到能源出售節(jié)點(diǎn)，并采用公私鑰對(duì)進(jìn)行簽名，從而對(duì)支付信息進(jìn)行驗(yàn)證。

（5）VPP聚合商收集一段時(shí)間內(nèi)的所有交易記錄，并采用共識(shí)算法生成數(shù)據(jù)區(qū)塊，如果所有的節(jié)點(diǎn)均對(duì)該區(qū)塊達(dá)成一致，則可以將該數(shù)據(jù)區(qū)塊存儲(chǔ)至區(qū)塊鏈系統(tǒng)中。

（6）分布式節(jié)點(diǎn)收到數(shù)字貨幣后可以長(zhǎng)期存儲(chǔ)在錢包地址中，也可以在數(shù)字貨幣交易所與政府貨幣進(jìn)行兌換以獲取收益。

5 建議

（1）研究適應(yīng)多交易主體和新型交易模式的高比例分布式電源優(yōu)化規(guī)劃。考慮虛擬電廠去中心化交易，研究多交易主體模式對(duì)配電網(wǎng)接納分布式電源能力的影響；綜合考慮多交易主體功能定位和新型交易模式，研究基于“源網(wǎng)荷”互動(dòng)的高比例分布式電源接入配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃方法。

（2）出臺(tái)支撐基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠建設(shè)發(fā)展的相關(guān)政策。鼓勵(lì)區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用發(fā)展，綜合考慮各參與主體的價(jià)值，充分調(diào)動(dòng)各方對(duì)能源區(qū)塊鏈投資的積極性，逐步研究、層層推進(jìn)，鼓勵(lì)多方參與、技術(shù)革新。

（3）制定泛在物聯(lián)網(wǎng)下新型虛擬電廠的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)體系。結(jié)合電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系，在通用區(qū)塊鏈的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，完善融合后納入到泛在電力物聯(lián)網(wǎng)下虛擬電廠的標(biāo)準(zhǔn)體系中。

（4）建立泛在電力物聯(lián)網(wǎng)下虛擬電廠監(jiān)管體系，創(chuàng)新管理模式。建立虛擬電廠區(qū)塊鏈的投資效益評(píng)估和糾紛仲裁機(jī)制，對(duì)虛擬電廠的投資、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和效益進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確的評(píng)估和監(jiān)管，并以此作為引導(dǎo)，優(yōu)化后續(xù)的建設(shè)應(yīng)用。

6 結(jié)束語(yǔ)

以虛擬電廠技術(shù)促進(jìn)清潔能源消納是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)內(nèi)容的重要組成部分，區(qū)塊鏈技術(shù)在虛擬電廠的應(yīng)用僅處于理論研究階段，仍有大量的研究需要開展。本文介紹了虛擬電廠的概念，闡述了區(qū)塊鏈技術(shù)的定義、結(jié)構(gòu)、分類、共識(shí)機(jī)制、智能合約，分析了區(qū)塊鏈技術(shù)與虛擬電廠相結(jié)合的適用性。建立了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠商業(yè)運(yùn)營(yíng)架構(gòu)和電力交易模式，設(shè)計(jì)了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠能源認(rèn)證和證書交易模式，以期能夠?qū)ξ磥?lái)區(qū)塊鏈技術(shù)在能源領(lǐng)域的研究提供幫助。