區塊鏈環境下考慮信用的需求響應資源交易機制

王蓓蓓，王騏鑫，李雅超，趙盛楠，吳 敏

（1.東南大學電氣工程學院,江蘇省南京市210096；2.國家電網有限公司華東分部,上海市200120）

0 引言

隨著智能電網的逐步完善以及售電側的放開,大量負荷聚合商、服務供應商以及電力用戶作為需求側資源參與電網的互動環節［1］,交易數量、規模以及信息數據隨之增加,集中決策的方法會提高交易中心的運行成本和處理時間［2］。另外,在大規模實施需求響應（demand response,DR）業務時,若仍然采用中心化的管控手段,將很難大規模參與用戶的交互［3］。區塊鏈技術作為一種去中心化的分布式記賬系統［4］,無需第三方參與即可通過分布式方法構建不易篡改的信任數據庫［5］,將區塊鏈與DR資源交易相結合有著重要的意義。另一方面,隨著智能電網建設的推進,未來需求側資源參與市場的組合更多樣,手段更復雜,所受到的影響因素也更多,有很大的不確定性［6］。而電力系統規模日益擴大,系統復雜性與地域分布廣度也越來越大,系統運行極易受到外部因素的影響。如何設計一種長效的引導機制,使得廣域分散的需求側資源持續可靠地為電網調度提供支撐,且無需集中式平臺支撐,則是一個值得關注的話題。

目前已有學者探討了區塊鏈技術應用于光伏交易［7］、DR資源交易［8］等方面的可行性,設計了基于區塊鏈的分布式資源雙邊拍賣機制［9］、綜合DR連續雙邊拍賣機制［10］以及電動汽車充放電交易的連續雙邊拍賣機制［11］。在需求側資源交易方面,文獻［12］設計了包含激勵的去中心化交易機制以實現需求側資源靈活有效參與市場。考慮到DR市場的特殊性,DR用戶有較高的交易選擇權,若其實際響應量與合約量存在偏差,會使電網需要購買更加昂貴的輔助服務資源以平衡電力系統運行。同時DR用戶的違約行為會破壞交易主體的信任,降低雙方交易的積極性。但現有研究多聚焦于精準調度或者交易,未考慮用戶響應不確定性［13］或者違約守信行為給交易雙方帶來的風險影響,對DR資源的多物權屬性考慮不足［14］,從而設計的交易機制中缺少對用戶的正向激勵以促進其積極履約,因此有必要對DR用戶的響應情況進行評估。針對美國PJM電力市場中不同的DR類型,文獻［15］建立了不同的響應評估體系,根據用戶的響應情況可定量計算出響應效果,通過限制響應效果較差的用戶參與之后DR資源交易的容量以減少用戶響應的不確定性。而在美國紐約ISO電力市場中,參與DR用戶的負荷削減量通過與預先制定的負荷基線作比較進行計算,若參與者沒有按期削減負荷,則他們在規定的負荷削減時段的用電將被收取高于日前制定的實時電價的價格［16］。已有文獻還探討了借助區塊鏈技術實現分布式能源交易市場［9］、碳排放權市場中的信用管理［17］,鼓勵交易雙方的守信行為,以提高交易可信度。本文在已有研究的基礎上［15］,將DR市場中用戶的信用納入考慮,以解決響應事件發生時用戶的不守信行為給電網帶來的風險以及效益損失等問題,從而引導DR市場的長期穩定發展。

本文首先分析了區塊鏈技術與DR資源交易的契合度以及在信用管理上的優勢,然后設計了引入信用管理體系的DR資源交易機制及相應的智能合約,最后將智能合約部署在區塊鏈平臺上進行仿真驗證,結果證明了所設計的考慮用戶信用的交易模型可以激勵用戶守信,維持市場穩定發展。

1 基于區塊鏈的DR資源信用評估及管理

1.1 區塊鏈技術支撐下計及信用的DR交易過程

DR業務的實施涉及電網企業、DR聚合商（aggregator of DR,AODR）、電力用戶等多方面［18］,其過程涵蓋了大量信息流和資金流操作,需要存儲、通信、計算等技術支撐。考慮到區塊鏈技術的去中心化［19］、去信任化以及數據透明化的典型特性,在開展交易主體信用管理上具有先天優勢,可以基于區塊鏈平臺,建立DR用戶信用評價體系,以降低DR市場主體的交易風險。

考慮到DR供應方以及需求方之間的資源交易需要以區塊鏈技術的點對點（peer-to-peer,P2P）網絡為橋梁,實現交易雙方之間的信息交互,本文設計了區塊鏈支撐下考慮信用的DR資源交易架構,如圖1所示。該架構分為物理層及信息層,物理層涉及電能輸送以及智能電表的用電數據采集,信息層主要涵蓋DR資源的交易過程,包括數據申報、買賣雙方匹配、記錄存儲以及交易結算和價值轉移。

圖1 基于區塊鏈的DR資源交易框架Fig.1 DR resource transaction framework based on blockchain

步驟1:發布交易和提交補償金。DR供應方（需求方）提交某一時段的DR資源供應量（需求量）以及價格,訂單信息連同DR供應方的信用值將被發送至智能合約。DR供應方授權智能合約從其賬戶中轉移出一定量的補償金,用于在交易結束之后扣除補償金額。

步驟2:交易撮合出清。智能合約結合DR供應方信用值將買賣雙方的訂單進行撮合,達成交易共識后,確定各DR供應方的響應量以及價格。

步驟3:響應效果分析和信用值計算。響應事件結束后智能電表等智能表計自動將數據上傳至區塊鏈［20］,根據DR供應方的實際響應情況,對其進行打分,進而更新信用值,該信用值是DR供應方后續參與市場出清時的重要依據。

步驟4:資金轉移。智能合約根據智能表計上傳的DR供應方的實際響應數據,向其賬戶地址中轉入相應量的以太幣,完成資金轉移。

1.2 區塊鏈技術支撐下計及信用的DR交易優勢

借助區塊鏈技術,考慮用戶信用的DR資源的交易機制有如下優點。

1）系統運營商獲取真實數據的成本顯著降低。DR供應方參與DR的歷史信息及信用值在區塊鏈系統中會自動加蓋時間戳進行加密,作為分布式總賬鏈條的一環。這些存儲于區塊鏈中的數據或信息一旦被篡改,編碼就會發生變化［21］。因此,用戶無法依靠自身的算力偽造信用值,只能通過積極響應的方式提升信用,避免了傳統集中抄表形式下,電網公司為保證數據真實有效性而增加的運營維護成本。

2）系統運營商追溯歷史響應數據的便利性。區塊鏈可追溯的特征［22］,使得系統運營商無須花費過多的成本建立一個記錄需求側資源響應情況的數據庫,就可以隨時在區塊鏈上獲取相應的數據,并保證數據的真實可靠性。

3）增強結算數據的公信度。在DR資源交易過程中,眾多的交易實體參與互動將帶來復雜的交易和結算規則,而智能合約可以實現智能電表與區塊鏈之間數據的無縫對接,通過智能電表上傳的數據對用戶的響應效果進行評估和結算可以精簡交易各個環節的步驟,降低額外的費用。

4）增強高信用值用戶參與的積極性。響應用戶增加了信用值這一屬性,對于高信用值用戶而言,其參與市場交易過程中更容易與需求方達成交易；對于需求側資源需求方而言,選擇高信用值用戶,更有利于獲得穩定的響應量。

2 考慮信用的DR資源交易機制與模型

2.1 交易模型

基于第1章構建的交易框架中步驟1獲取的市場主體歷史交易記錄和報價報量等信息,為了調動市場參與者的響應積極性,在交易的撮合過程中引入信用評級,即用戶的信用值影響交易優先權,定義交易優先權值（priority value,PV）為［23］:

式中:PR為電力用戶提交的價格；CR為電力用戶的信用值。

根據DR需求方的不同,本文設計了2種交易模型,即集中交易（需求方為電網企業）和雙邊交易（需求方為AODR）。

在集中交易模式下,電網企業作為DR資源需求方,需要綜合考慮DR供應方的價格和信用值的影響。電網企業希望在購買優質DR資源的同時,成本花費最低,即目標是最小化購買高信用值DR資源的成本。

式中:λi為第i個供應方的PV；Ωo為DR資源供應方集合；Qi為第i個供應方的報量。

需要滿足以下約束條件。

1）DR量平衡約束:

式中:QA為電網企業的總需求量；Qi,o為第i個電力用戶的響應量。

2）DR供應方可響應量的上下限約束:

式中:Qi,o,max和Qi,o,min分別為第i個DR供應方響應量的上、下限。

在滿足約束（3）和（4）的基礎上,求解式（2）即可得DR資源的購買策略。

在雙邊交易模式下,DR資源需求方發布需求量及報價,按照報價由高到低形成需求訂單表。DR供應方的信用值決定其對該表的訪問權限［17］:信用值為4的供應方權限為100%,即可以與所有需求方進行匹配；信用值為3的供應方對該表的訪問權限為75%,即可以與訂單表中報價最低的75%進行匹配；信用值為2的權限為50%；信用值為1的權限為0%。DR供應方希望出售的DR資源價格越高越好,以此獲得更高的利益,因此會選擇自身權限范圍內所能接受的最高報價。在市場實施的初期階段,本文的這種方式可以引導DR用戶降低其響應的不確定度,在市場實施中后期,如果市場參與者響應信用程度較高,可以適當修改信用值的分級數量及對應的訪問權限,從而實現交易結果的優化,達到社會總效益的最佳值。

2.2 信用值計算

DR供應方根據交易達成共識后的結果進行響應,智能電表采集DR供應方的實時響應數據并上傳至區塊鏈中。根據式（5）和式（6）,計算出用戶本次響應之后的信用分數［15］,并根據表1更新用戶地址對應的信用值［9,24-26］。

式中:αi,k為用戶i第k次響應評估系數；T為DR事件的時長；Tdev,5%為用戶響應容量偏差在約定容量5%以內的時長；Tdev,5%～10%為用戶響應容量偏差在約定容量5%～10%的時長；Tdev,10%～20%為用戶響應容量偏差在約定容量10%～20%的時長；gi,k為用戶i在第k次DR結束后的信用分數,所有用戶初始（第0次）信用分數為90；ci,k?1為用戶i在第k?1次DR結束后的信用等級；S(?)為信用等級對應的基準分數,如表1所示。

表1 用戶信用值等級Table 1 C redit rating of users

等待響應事件結束后,根據智能電表上傳的用戶響應數據進行結算。

2.3 交易流程

結合圖1的交易框架及本章所提模型,可將交易按時間順序劃分為4個階段,包括:發布交易、撮合出清、響應效果分析和交易結算,具體的計算流程如圖2所示。

3 智能合約的設計

以太坊去中心化和圖靈完備的特點,為搭建DR資源交易平臺提供了良好的支撐［27］。本章根據圖1提出的框架設計了可實現DR資源多邊交易的智能合約。

圖2 考慮信用的DR資源交易流程圖Fig.2 Flow chart of DR resource transaction considering credits

DR資源多邊交易的智能合約應符合3項原則,即:①任何DR需求方（供應方）均可自愿發布及參與拍賣；②根據交易雙方提交的訂單信息應自動撮合出清；③合約執行結果應自動結算。基于以上3項原則,分別設計了發布交易函數、撮合出清函數、響應效果分析函數、信用更新函數、交易結算函數及其他輔助函數。

1）發布交易函數:在發布交易階段,DR供應方（需求方）在交易平臺上提交DR資源出售（購買）請求,同時還需向該智能合約地址轉入一定以太幣作為補償金,以防止出現虛假請求。2019年4月10日以太幣與美元的匯率約為1以太幣兌換169美元。智能合約將記錄所有請求,并保存在區塊鏈中。該函數對應第1章構建的基于區塊鏈的DR資源交易框架的步驟1。

2）撮合出清函數:針對交易框架的步驟2,不同的交易模式下有不同的出清規則,因此該函數的實現也有所不同。

集中交易:在交易協商階段,DR供應方需在交易協商截止時間前提交自己的報價與最大響應量,智能合約將根據用戶的歷史信用值計算出PV,由2.1節的集中交易模型確定出清隊列。

雙邊交易:DR供應方在交易協商截止時間前提交自己的可響應量,智能合約根據用戶的歷史信用值由2.1節中雙邊交易的撮合規則,為用戶匹配AODR的報價,成交價格一經智能合約確認,即無法篡改。

3）響應效果分析函數:在規定的DR事件發生時段,智能電表將用戶的用電數據實時上傳至智能合約中,智能合約自動計算出用戶本次響應評估系數,作為判斷用戶響應效果的一個標準,并將計算結果作為輸入量傳遞給信用更新函數。

4）信用更新函數:與響應效果分析函數進行交互,計算出用戶本次信用分數,自動更新用戶存儲在智能合約中的信用值。該函數對應交易框架的步驟3。

5）交易結算函數:針對交易框架的步驟4,在規定的電能傳輸時間內,DR供應方調整用電計劃完成電力交割后,買賣雙方進行代幣轉移。若DR供應方實際響應電量偏離約定電量,電網企業需從輔助服務市場購買偏差電量,以維持供求平衡。因此,用戶按約定電量及成交價格結算后,需從其補償金中扣除一定的補償金額。補償金額為:

式中:F為補償金額；Pa為約定電量；α為響應評估系數。

在結算完成后,返還DR供應方剩余的補償金［28］。在本文所設計的交易機制中,當用戶的實際響應量與合約量有較大偏差時,不僅可能導致其信用值的降低,使得收益下降,還會在其提交的補償金中扣除相應的補償金額彌補電網購買輔助服務資源的成本。

6）輔助函數:實現訂單信息的查詢功能等。

主要的信息交互過程如附錄A圖A1所示。

4 算例分析

4.1 考慮信用的DR資源集中交易

為驗證本文提出的交易機制的有效性,本節在實驗室環境下,將集中交易智能合約部署至以太坊私有鏈,作為DR資源交易平臺。實驗室中所有主體的操作系統均為Windows 10,內存為8 GB,CPU為Intel Core i5-3210M,智能合約的編寫環境Remix的版本為v0.10.1。該場景包括電網企業（DR需求方）、6個電力用戶（DR供應方）,在區塊鏈網絡中連接拓撲如圖3所示。電網企業預測需要在次日的12:00—13:00購買25 MW的DR量,電力用戶可通過降低自身用電功率的方式向電網出售電量。

圖3 集中交易模式下區塊鏈網絡中主體間的連接拓撲Fig.3 Connection topology between entities in blockchain network in centralized transaction mode

4.1.1 集中交易模式下的交易發布及撮合出清

電網企業通過發布交易函數提供的接口向網絡中提交訂單信息,并向智能合約中轉入一定量的補償金,在Remix上模擬的結果如附錄B圖B1所示。附錄B圖B1為完整的返回信息表,表明了合約執行狀態、合約地址、執行者的地址、執行該合約消耗的汽油（gas）費以及該合約的哈希值等信息。

電力用戶節點在接收到電網企業向網絡中廣播的訂單請求后,向智能合約提交供應訂單（包括供應量以及價格）,如附錄B圖B2所示。由于Solidity語言中不支持小數型數值的存儲,為了保證計算結果的準確性,對數據進行放大處理,圖中用戶的報價和PV為放大1 000倍之后的數據,真實報價和PV分別為0.062以太幣/（MW·h）和0.015。在交易協商階段,6位電力用戶均提交了供應訂單,表2列出了每位用戶的訂單信息、信用值和PV。

表2 DR用戶提交的訂單信息Table 2 Order information submitted by DR users

撮合出清函數將交易協商階段用戶提交的供應訂單信息以及用戶的PV存放在相應的數組中,交易協商結束之后根據出清規則確定中標的用戶,并用事件記錄:中標的用戶地址、響應量和價格,如附錄B圖B3所示。

4.1.2 單次響應效果評估及結算

到達約定的響應時間,中標的用戶根據出清結果進行響應,智能電表將用戶的響應數據實時傳遞到智能合約中。智能合約通過響應效果分析函數及信用更新函數計算出用戶的響應評估系數和信用得分,并更新用戶的信用值。附錄B圖B4為查詢函數輸出4位電力用戶的響應效果。

交易結算函數的輸入量為用戶的地址,根據約定響應量及成交價格向用戶的賬戶地址中轉入相應量的以太幣。考慮到用戶響應的不確定性,電網企業需要調用輔助服務資源以維持電網功率平衡,根據式（7）在用戶的賬戶地址扣除一定以太幣作為補償,將結算結果記錄在事件Settlement中,如附錄B圖B5所示。圖中的數據均為放大1 000倍之后的結果,用戶AX按報價結算的結果為0.372以太幣,處罰金額為0.037以太幣,最終的結算金額為0.335以太幣。

4.1.3 多次響應效果分析

為了分析用戶的守信行為對收益的影響,先后進行了10次測試,分別考慮如下4種場景。

場景1:用戶初始信用值高,歷次響應評估系數低,如電力用戶AX。

場景2:用戶初始信用值高,歷次響應評估系數高,如電力用戶CZ。

場景3:用戶初始信用值低,歷次響應評估系數低,如電力用戶BY。

場景4:用戶初始信用值低,歷次響應評估系數高,如電力用戶DW。

模擬出4位電力用戶在10次測試中的響應過程,如圖4所示。

圖4 集中交易模式下用戶多次響應評估系數及收益Fig.4 Evaluation coefficient and benefit of multiple user responses in centralized transaction mode

對比4種不同場景下用戶的收益情況,可以得到以下結論。

1）嚴格根據約定量響應的用戶,信用值一直維持在高水平（如CZ）或信用值可提高至高水平（如DW）,每次響應結束之后的實際收益接近最大收益。

2）不嚴格根據約定量響應的用戶,實際收益與最大收益相差大,并且電力用戶AX和BY因為信用值降低,分別在第8次和第6次響應之后無法參與之后的響應。

當用戶實際響應量與約定量有偏差時,電網企業需要從輔助服務市場購置電量以消除功率差額。假設輔助服務市場的電價為0.355以太幣/（MW·h）［29］,在MATLAB的環境下進行10次測試,比較考慮信用值和不考慮信用值的市場機制下,電網企業調用DR資源所花費的成本,如圖5所示。不考慮信用時,電網企業購置了價格低的DR資源,支付給用戶的成本較低,但用戶的不守信行為使得電網企業需從輔助服務市場購置更多昂貴的電量資源。考慮信用時,電網企業因購置守信度高的DR資源,雖然支付給用戶的成本較高,但減小了從輔助服務市場購買的電量。綜合比較2種不同市場機制下的成本,考慮信用時電網企業花費的總成本不僅低,而且因為用戶響應的不確定性降低,使得電網總成本的波動減小。

圖5 多次響應事件中電網企業的成本Fig.5 Cost of power grid enterprises in multiple response events

上述算例證明,本文提出的考慮用戶信用的DR資源交易機制,對于DR供應方而言,其收益與信用呈正相關關系,也即DR供應方的守信度越高,其實際收益越接近最大收益；對于電網企業而言,因購置了優質的DR資源,減少了購置輔助服務資源的成本,使得調用DR資源的總成本下降。

4.2 考慮信用的DR資源雙邊交易

4.2.1 雙邊交易模式下的交易發布及撮合出清

在雙邊交易的模式下,算例設置了10個DR需求方,2個DR供應方,在區塊鏈網絡中連接拓撲如圖6所示。需求方AODR通過發布交易函數提供的接口向網絡中提交訂單信息,并向智能合約中轉入一定量的補償金。在交易協商階段,將該時段內所有AODR提交的訂單信息記錄在智能合約中。

電力用戶KQ（信用值為4,可響應量為6 MW）和LN（信用值為3,可響應量為7 MW）分別向網絡中提交自己的供應訂單。因用戶KQ的信用值較高,對AODR訂單信息的訪問權限為100%,用戶LN的信用較低,對AODR訂單信息的訪問權限為75%,即只能與AODR的訂單中報價最低的75%進行匹配。向智能合約中輸入電力用戶地址即可查詢到該用戶對AODR訂單信息的訪問權限,用戶KQ與LN可訪匹配的AODR信息如附錄B圖B1所示。撮合出清函數根據撮合規則,對電力用戶和AODR進行撮合匹配。最終高訪問權限的用戶KQ與高報價的AODR匹配,低訪問權限的用戶LN與較低報價的AODR進行匹配,成交價格分別為0.088以太幣/（MW·h）和0.075以太幣/（MW·h）。

4.2.2 多次響應效果評估及結果分析

在DR事件發生時,用戶根據出清結果進行響應,智能電表采集用戶的響應數據并實時傳遞到智能合約中,最終的結算方式同集中交易一樣。分析10次響應事件后用戶的守信行為對其收益的影響,如圖7所示。

圖7 雙邊交易模式下用戶多次響應評估系數及收益Fig.7 Evaluation coefficient and benefit of multiple user responses in bilateral transaction mode

由圖7可知,用戶LN在歷次響應事件中嚴格履行合約內容,在第2次響應事件結束后其信用值有所提升,且實際收益與最大收益接近；用戶KQ響應效果差,導致其信用值不斷降低,在第6次響應事件結束后無法繼續進行交易,且實際收益遠低于最大收益。綜合比較可知,用戶LN在初始信用值低于KQ信用值的情況下,通過歷次的積極響應實現了信用值的提升,獲得對需求訂單表更高的訪問權限,從而可以與高報價的AODR匹配,提高自己的最大收益。由此可見,在本機制下,守信的電力用戶可以獲得更高的收益,使得理性的電力用戶具備遵守規則的動力,從而維持市場秩序。

5 結語

針對DR資源交易過程中DR供應方可能存在的失信行為,為了有效引導電力用戶參與響應,降低電力用戶的響應不確定性,本文提出了區塊鏈技術支撐下計及信用的DR交易方法,將用戶的信用值與報價掛鉤,分別建立了集中交易與雙邊交易模式下DR資源的交易模型,并編寫了相應的智能合約,在以太坊可編程的環境下對合約進行測試。算例表明,區塊鏈提供了一個去中心化、公開透明和對等公平的方式,使得無需第三方參與即可實現DR雙方的供需匹配。

在本文提出的DR集中交易模式中,相較于電網公司組織的方式,區塊鏈的優勢主要體現在:不存在中心化的設備和管理機構,節點間通過數字簽名技術進行數據交換及驗證；所有信息以及通過智能合約中的代碼確定的交易規則是公開的,每一筆交易都對所有節點可見；在以太坊為代表的公有鏈中,每個節點的權利都是對等的,交易的撮合匹配和轉賬都已實現自動執行。同時基于信用值的DR集中交易模式將信用值與報價掛鉤,高信用值的用戶可以獲得更多收益,通過激勵的手段規范用戶響應行為。同時電網企業可因為用戶優質的響應效果,減少在輔助服務市場中的購電成本。在雙邊交易模式中,高信用值的電力用戶對DR需求方的訂單信息有更高的訪問權限,可以匹配到更高的報價訂單。同時DR供應方積極完成合約響應量,在提高個人信用值的同時,也可以獲得更高的收益,這為DR供應方遵守規則提供了動力,達到維持市場秩序的目的。

考慮到雙邊交易模式中電力用戶對DR需求方訂單信息的訪問權限會對交易結果優化產生影響,在后續的研究中可以從電力用戶信用值的分級數量及對應的訪問權限入手,通過減少信用值的分級數量,擴大對應信用等級的訪問權限實現結果的優化。