區塊鏈在需求響應中的關鍵技術及現狀分析

祁 兵，趙燕玲，楊 帆，李 彬，石 坤

（1.華北電力大學電氣與電子工程學院，北京 102206；2.中國電力科學研究院有限公司，北京 100192）

0 引言

需求響應資源的應用已經滲透到國內能源市場領域，作為供應側系統資源的補充和完善，在電力市場中發揮了積極作用。根據《河南省電力需求側管理實施細則（試行）》，2019年夏，在電力供需形勢較為嚴峻，預計全省早高峰備用不足、晚峰有缺口時，充分發揮了需求響應在電力供需平衡中的作用。2020年，浙江省發布的《關于開展2020年度電力需求響應工作的通知》，引入市場化競價機制，旨在探索需求響應資源參與電力市場輔助服務交易，完善技術標準體系和聚合平臺建設，初步形成具有浙江特色的電力需求側管理模式。在現有研究成果的基礎上探索需求響應與區塊鏈的結合方式，利用區塊鏈的分布式記賬方式和去中心化處理，不僅可以解決需求響應中的記假賬、記錯賬問題，還可以通過去中心化處理來降低成本，保障用戶交易的合法性、安全性，使得響應更加精確，電力市場更加透明安全。

國內外學者對區塊鏈需求響應展開了初步的研究，文獻[1]分析了基于區塊鏈框架，由需求響應分配者和認證機構組成的聯盟進行維護，用于參與者自愿配給能源、平滑消費峰值，從而管理能源不平衡的問題。文獻[2]介紹了一個近實時自主需求響應管理的需求響應框架，使消費者利益最大化、成本最小化，同時還可以核實整個交易進程。文獻[3]基于區塊鏈技術提出居民用戶參與需求響應交易時渠道不順、機制缺乏等問題的解決方案，主要應用于面向居民用戶開展需求響應的交易機制，并借助以太坊Rinkeby網絡來實現所提交易機制的支持系統，并且通過仿真驗證了該交易體制的可行性。文獻[4]根據經濟學交易理論，提出一種基于區塊鏈的需求響應資源交易方案，成功部署交易智能契約，并對該交易方案的有效性進行驗證。文獻[5]總結了區塊鏈在電力交易領域中能源系統與電力系統交易的應用情況，認為區塊鏈在電力需求響應領域值得發展和推廣。

本文提出區塊鏈技術在需求響應的應用設想，從智能合約、電力分布式交易、AI自動合同匹配機制等方面對區塊鏈技術的應用方式進行分析；并根據區塊鏈技術在電力需求的發展情況，對區塊鏈技術在需求響應中的局限性進行分析。

1 區塊鏈應用于需求響應現狀分析

需求響應業務中存在許多問題，如需求側資源管理無法完全實現線下辦理[6]，電子合同的安全性不易保障，以及在流程辦理過程中無法實現完全自動化等，而區塊鏈在解決上述問題中具有優勢[7]。有學者針對需求響應業務流程中存在的安全信任問題，從互聯共識機制、造鏈機制、運行流程、響應鏈積分及能源交易監管算法等方面展開研究，設計了基于區塊鏈的需求響應系統，為需求響應業務流程提供高可信度的技術支撐和業務咨詢[8]。有些學者提出了一種可以安全地做出能源交易決策，并可管理住宅、商業和工業部門的總負荷，在通信和計算成本方面具有優勢的方案——基于區塊鏈的安全需求響應管理方案（GUARDIAN）[9]。還有研究者設計了一個能源系統，采用OpenADR來保證互操作性，利用區塊鏈技術的智能合約來提供安全、隱私保護、防篡改、可審計的可靠的災難恢復框架，并通過案例說明了智能合約可為該系統提供有效性保障[10]。

在上述研究基礎上，國內外已經有許多工程應用項目。國外的成功項目中，芬蘭Fortum公司推出的一個區塊鏈項目，通過搭建區塊鏈能源系統，在能源局域網中建立各個主體間的智能合約模型，然后按照各主體設定的算法來實現主體間的自動響應系統提出的補償需求。美國Bittwatt公司開發的需求響應平臺，將生產商、能源供應商和智能消費商連接在一起，利用區塊鏈建立一個基于以太坊的智能化需求響應平臺，使其能更有效地以一個結構化的方式來處理需求響應業務，促進廣大消費者參與到自動需求響應業務中。日本的富士通公司開發了區塊鏈交易系統，通過電力公司和電力消費者控制用電需求，電力消費者互相交換各自的有效剩余電力；再結合區塊鏈技術來提高需求響應控制成功率，激發更多的用戶參與到需求響應計劃中，從而解決消費者之間的電力短缺或過剩問題。

國內也有類似的成功案例。廣東、浙江等地區開展了需求響應結合區塊鏈的項目，例如在浙江省開展的填谷電力需求響應項目中，利用區塊鏈技術進行負荷數據上鏈，以保證電力數據的安全共享。在廣東省東莞市上線的實時需求響應電子憑證利用區塊鏈智能合約技術實現流程自動化，同時對響應數據進行數據校核，實現多方互信的數據證明。寧夏回族自治區上線的區塊鏈+邊緣計算一體機，針對目前存在的一些負荷側資源結構多樣化、數據量大及安全風險等問題，阻礙負荷側和用戶側的連接，充分發揮區塊鏈典型特點，結合邊緣計算來保證源頭數據的可信度，實現負荷側資源的接入、上傳，從而提高電網資源配置效率。

綜上所述，國內外在將區塊鏈技術應用于需求響應方面已有很多典型的示范項目，尤其在綜合能源領域已有眾多應用案例。我國雖然在需求響應相關技術方面開展了試點，但是在商業模式、政策等方面依然不夠成熟，與國外相比，能源區塊鏈仍處于起步階段，相關研究還待進一步完善。

2 需求響應在智能合約中的設計

負荷聚合商根據電網的調節能力，通過合約發布數據信息確保不超負荷，以此進行調度和管理用戶的用電及發電權限[11]，在授權后進行發電并將數據總量上傳至區塊鏈。用戶在授權后通過合約向電廠購買電量并將用電數據通過合約上傳至區塊鏈。智能合約的總體流程圖如圖1所示。

圖1 智能合約總體流程

2.1 面向電網的智能合約設計

區塊鏈電網中的智能合約，運用區塊鏈去中心化沒有管理者的特點[12]，電網與用戶直接進行交易。建立好智能合約后，只在需要運行時被調用，同時通過區塊鏈共識機制、非對稱加密算法確保交易的安全可靠性。

在電量交易過程中，購電用戶基于電網所提供的智能合約進行調整報價，并將消息反饋至區塊鏈平臺；售電方獲得授權后獲取在區塊鏈平臺中智能合約交易信息，并按合約順序進行售賣。在交易開始時，購電用戶請求交易，雙方進行交易確認，確認后交易達成共識，否則重新交易直至達成交易或結束交易。達成交易的智能合約數據上鏈且不可更改[13]，購電用戶就合約上規定的價格進行支付，支付完成后資金轉移給售電方，并將購電量轉移給購電用戶。

2.2 面向負荷聚合商的智能合約設計

負荷聚合商對需求響應資源和電力發電系統進行有效管理，從而實現電力市場穩定有序運行[14]。電網與個體發電用戶的發電量整合在一起，形成總電量，統一管理、售賣。負荷聚合商引入的區塊鏈智能合約設計對電力市場有如下積極意義。

（1）對于大多數個體發電用戶來說，引入區塊鏈智能合約前，直接參與電力市場獲得的收益并不理想，零售電力只能簽訂電力購買協議零散出售，同時簽訂的協議面臨被篡改的風險，不僅收入來源單一，而且無法參與電力市場競價。引入區塊鏈智能合約后，個體發電用戶可在獲得負荷聚合商授權后進行發電，并將數據總量上傳至區塊鏈，參與到電力市場中，智能合約保證數據總量和協議不會被篡改，同時使得個體發電用戶能在電力市場競價，收入來源渠道增加，有效提高了個體電力用戶響應電力市場號召的積極性。

（2）負荷聚合商作為電力市場的第三方整合者，可通過智能合約整合個體發電用戶與大型發電企業的發電量，緩解大型發電企業的供電壓力。個體發電用戶直接參與電力市場的售電議價能力差，而大型發電企業的負荷壓力難以有效緩解。通過引入負荷聚合商參與市場交易，將兩者在合約上的整合數據信息上鏈，可以提高個體發電用戶議價能力并降低大型發電企業負荷壓力[15]。

（3）負荷聚合商不僅可以同時與多個個體發電用戶簽訂智能合約，保障所有發電用戶的電力交易，還能在區塊鏈上查看被利用的電量。電力市場運營者無需單獨面對個體發電用戶和負荷聚合商，只需授權在區塊鏈智能合約上查看合約信息、了解整體售電數量，再進行統一售賣，使得電力信息有效交互，售電效率更高[16]。

2.3 面向居民用戶的智能合約設計

利用區塊鏈智能合約技術將居民用戶與電網直接聯系起來，可以保護雙方利益，形成共贏，使資源得到有效利用[3]。居民用戶區塊鏈智能合約有如下積極意義。

（1）通過區塊鏈，居民可事先將負荷量和期望的補償價格上鏈，待有負荷需求時，在達成一致的條件下簽署合約，且交易不會被篡改[17-18]。

（2）居民用戶從區塊鏈讀取智能合約約定的負荷削減，以滿足電網運營商的要求，用戶和電網公司在交易時間進行電量傳輸，然后利用智能合約調取實際發/用電量，交易第二天市場運營商觸發智能合同，檢查用戶的消費是否符合電網運營商的要求。如果用戶的負荷調節符合要求，智能合同將用能量代幣對其進行補償。

（3）智能合約形成后，無需交易中心處理，居民用戶與電網直接點對點交易，有效節約交易成本與時間，使交易簡單透明[19]。

3 需求響應在電力分布式交易中的設計

為維護交易的公正、公平性，區塊鏈分布式交易對所有用戶開放信息，使得所有人員都可以隨時上線參與交易，獲悉交易的全過程[20]。各交易者之間可以實現透明的信息共享，不受訪問限制，及時掌握交易期間信息資源的變換，及時調整策略，迅速達成交易，并且具有較高的安全性。需求響應與區塊鏈結合下的分布式交易過程如圖2所示。

圖2 需求響應與區塊鏈結合下的分布式交易過程

3.1 電力分布式交易的過程和關鍵技術

電力分布式交易流程包括信息發布、交易組織、市場出清、交易結算、信息存儲五個步驟，具體交易流程如下。

（1）信息發布：對所有安裝了區塊鏈客戶端的智能電表用戶及發電商進行信息發布，并統計參與人員的信息。

（2）交易組織：利用區塊鏈快速查詢參與人員交易的相關交易內容，如：交易電量、交易時間及交易價格等，公布最后結果，查看是否同意繼續執行。

（3）市場出清：所有授權人員均可在區塊鏈上查看數據交易信息，在集中出清模式下，無需匹配交易雙方，而是等交易價格確認后再進行匹配。雙方都同意的情況下，才出清各次交易結果，并上傳至雙方簽訂的智能合約中。

（4）交易結算：區塊鏈對已匹配交易的雙方進行結算，結合智能電表上記錄的數據與約定的規則實現資金的正常轉移。

（5）信息存儲：對交易后的結果利用加密技術進行保存，保證信息既安全可尋又不會被泄露。

3.2 需求響應分布式交易的過程

需求響應技術作為電力負荷調節的關鍵手段，應用于分布式交易中會產生如下優勢：降低交易成本、交易形式多樣、需求響應更加快捷高效、及時調整需求與供應量等[21-23]。結合電網的交易目標和行為，價格型需求響應分布式交易的特點為：電網可按照正常電力分布式交易流程與用戶進行電量負荷交易，電力用戶參與需求響應業務的過程會受到電價的引導；電力用戶可將負荷轉移到電價低的時段進行優化調度，在電價高的時段參與電網的需求響應，并可獲得獎勵，同時用區塊鏈完成記賬。激勵型需求響應分布式交易的特點為：電力用戶根據與電網簽署的經濟補償或電價優惠參與電力系統需求響應，削減負荷，并進行電力交易[24]；通過區塊鏈鏈上交易行為改變以往激勵型需求響應需要一定時間來進行響應的方式，用戶從鏈上直接獲取負荷削減信息，簽訂智能合約參與需求響應，減少大量繁雜步驟，節省了時間。

4 需求響應在AI自動合同匹配機制的設計

合同的商定、起草、檢查、確認是傳統交易必不可少的步驟，其中合同的撰寫、檢查、確認等需要多人參與審核簽字，容易造成填寫錯誤，使其他流程出錯的概率也大大增加；針對不同類型用戶的合同不一樣，需要人工修改甚至重新撰寫，不但浪費時間，而且極易出錯。同時，已簽訂的合同也會因保存看管浪費大量的人力、物力。基于區塊鏈的AI自動合同匹配機制可以有效避免上述問題，而且可以通過對用戶用電行為相似度的分析和研究，提煉具有相同標簽數較多的特性，對用戶進行歸類，對發供電計劃進行調整，引導客戶參與需求響應[25]。

參與需求響應的小型電力用戶和大型工商業用戶將可調節負荷信息注冊上鏈，區塊鏈數據庫信息序列表為所有信息的核心收集區，能夠利用區塊鏈的溯源功能對數據庫的數據源信息進行追查[26]。當電網需要進行負荷削減時，區塊鏈數據庫以此信息為依據，利用AI自動匹配機制匹配可調節負荷用戶與電網簽署智能合約，再通過負荷聚合商和電力服務機構對用戶和電網信息進行調節優化，達到信息完備。匹配流程如圖3所示。

圖3 AI自動匹配流程

首先根據智能合約的相關屬性代碼和方法代碼編寫相應的智能合約程序，并將編寫好的智能合約保存在模板中生成合同，再根據合同信息在區塊鏈中調取合同雙方信息，最后按合同約定內容進行負荷調節。

5 結語

本文通過分析區塊鏈技術在智能合約、電力分布式交易、AI自動合同匹配機制等方面的運用，為電網運營商、市場運營商與用戶群之間數據保存和管理問題、獲取用戶信息和追溯困難問題、交易復雜和合約保存丟失問題提供了解決思路。區塊鏈技術的利用可以提高需求響應在電力市場交易中的透明度和效率，未來將區塊鏈技術與其他技術結合起來，有望創建一個基于需求響應電力市場的應用系統。