基于區塊鏈技術的需求側響應機制優化

楊舒穎，金子涵，涂佳忻，郁竹君

（華北電力大學，北京 102200）

隨著電力市場改革的進一步深化，需求側響應資源的運用已滲透到國內能源市場領域，基于價格型或激勵型的需求側響應有效引導用戶用電，完善和補充供給側系統資源，是平衡電力市場的重要角色。

近年來，無需人工介入、任務自動分解與執行的自動需求響應系統是能源局域網系統能量管控的主要發展趨勢，將區塊鏈技術運用到需求側響應機制中，其交易過程透明公開，具有可追溯性。

國內外學者已對區塊鏈需求響應展開了初步的研究，并創新形式運用于電力市場中。文獻[1]提出，構建基于區塊鏈技術的多微電網系統競爭博弈模型，對得到各時段最優電價策略從而有效地平衡市場各主體效益具有重要意義。文獻[2]設計出了基于區塊鏈技術的智能售電交易平臺架構，是將區塊鏈技術應用于分布式能源交易領域的起步性研究，為進一步搭建功能完備、成熟可靠的電力交易平臺構建基礎。針對目前存在的居民用戶參與市場渠道不暢、機制缺乏的問題，依托區塊鏈技術，設計面向居民需求側響應的交易機制[3]。文獻[4]解決了在中心化電力交易模式中市場主題互信度不高、數據安全性不高等問題，提出了基于聯盟鏈技術的方法，為未來的弱中心化電力交易模式提供新思路。

上述文獻結合現有電力市場現狀，研究了區塊鏈技術在電力交易市場、多微電網系統、需求響應等領域的應用。基于對需求側響應機制的研究，文獻[5]面向需求側資源的綜合需求側響應，提出了一種計及共享儲能和低碳經濟調度的配網需求響應方法，建立綜合能源系統調度模型。基于分布魯棒博弈的RIES 源荷協同優化策略，建立考慮供能側風電不確定性的主從博弈模型，在滿足用戶利益訴求的同時通過能源價差引導用戶合理用能[6]。文獻[7]引入價格需求模型，提出利用用戶互動滿意度指標來限制需求響應負荷的可調節程度，建立以電網總成本最小化為目標的日前優化調度模型。這些方法都以需求響應為輔助手段，實現對電網的優化。

目前區塊鏈技術在需求側響應方面的應用研究主要集中于解決身份認證和交易信任問題。本文將從需求側響應的測量與計量、激勵資金分配以及提高評估結算效率、優化安全性和隱私性問題出發，提出基于區塊鏈技術的需求側響應機制整體架構和優化策略。

1 基于區塊鏈技術的需求側響應機制框架

區塊鏈簡單來說是一種數據結構，按照時間順序將數據區塊連接成鏈，并以密碼學方式保證這樣儲存的數據不可篡改和不可偽造[8]。區塊鏈技術在需求響應領域中已有深度的融合運用[9]，從需求側響應機制方面，區塊鏈技術在需求側響應終端、用戶電力信息數據保護、智能合約等領域均有適合的運用。

如圖1 所示，需求側響應機制可劃分為前期準備、交易階段和結算階段。

圖1 基于區塊鏈技術的需求響應機制框架

首先，在準備階段搜集用電信息，處理信息，再運用聯盟鏈技術確定交易各主體供需信息的發布、身份認證、交易價格的確定、合同的簽訂、確定補貼結算、效果評估等環節的關聯；其次，運用區塊鏈技術改造后，基于其可追溯性、防篡改的特性，構建高效、透明且安全的需求側交易系統；最后，利用區塊鏈數據結構的關聯驗證性賦予其數據所特有的防篡改性，以私鑰驗證身份的機制，提高去中心化的程度，保證原數據安全。

2 基于區塊鏈技術的歐洲需求響應案例

2.1 英國BittWatt 區塊鏈技術平臺

BittWatt 是一個用于公用事業支付、虛擬POS 和市場的區塊鏈需求響應平臺。BittWatt 平臺匹配參與響應的各方，生成智能合約，響應時電流自動編碼到區塊鏈中，結合用戶預先確定的偏好，為消費者尋找到合適的能源供應。BittWatt 平臺工作模式如圖2所示。

圖2 BittWatt 平臺工作模式

BittWatt 與生產商簽訂合同以獲得儲備發電能力，確保在消費者在最需要時可以使用能源。BittWatt 將自動調度已產生能量的發電廠，在有限時間內增加或減少其輸出，并平衡出價和報價機制，充分利用可用能源。

BittWatt 的能量錢包功能可讓消費者知道電力價格何時便宜以便在當時使用它，也可以在價格再次達到頂峰時轉售電力。BittWatt 實時共享消費數據，BWT持有者可以在該網站上跟蹤平臺上的所有交易。

BittWatt 引入智能需求響應系統節省更換能源供應商所需的時間，并以公平的價格在全球范圍內提供能源，為用戶提供最佳供應商。

2.2 荷蘭PowerPeers 平臺

PowerPeers 是一個基于社區的數字化、互動式的100%可持續能源區塊鏈平臺。PowerPeers 平臺將人們簡單而智能地連接到平臺的發電機和客戶網絡，為彼此提供能量。PowerPeers 平臺工作模式如圖3 所示。

圖3 PowerPeers 平臺工作模式

社區的住戶可以在荷蘭當地企業產生的風能、水能、太陽能中自由選擇個人可持續能源組合以及電力供給渠道，構建自己的能源社區。同時電能用戶還可以與其他客戶共享或交易未使用的太陽能電力。通過PowerPeers 應用程序，用戶可以跟蹤能源消耗情況，并了解PowerPeers 如何消耗能源。使用PowerPeers，電能用戶在進行電力交易的同時，能夠增進彼此的交流；在充當電能消費者的同時，也是電能的供應商。

PowerPeers 將共享經濟帶入能源市場，該平臺使家庭能夠從特定來源選擇電力，并與社區內的其他同行共享自發電。此外，他們還提供市場上最可再生的天然氣選擇：100%可持續天然氣。

2.3 案例對比

BittWatt 平臺與PowerPeers 平臺案例對比情況如表1 所示。

3 基于區塊鏈技術的激勵型需求側響應

3.1 需求響應的預測與計量

激勵型需求響應中用戶根據激勵政策直接接受用電控制或主動參與用電調整，以得到直接獎勵或優惠電價。由于不是直接基于時間的價格信號引發的響應，所以在預測與計量上會有些困難[10]。然而，BittWatt、PowerPeers 等區塊鏈需求響應平臺，則能實時共享消費數據，匹配平臺允許買家和賣家根據需求量，安全地進行能源交易。

區塊鏈技術將數百萬發電和耗電設備以及儲能系統作為市場參與者進行一致集成，形成基于區塊鏈的設備身份數據庫，共享數據。電力緊張時，電網側根據負荷預測在鏈上發布需要削減的負荷需求；用戶側從鏈上獲取負荷削減信息，提交響應請求，匹配買賣雙方，簽訂智能合約參與需求響應[11]，響應確認后即時執行；電力交付后，將交易記錄數據傳送給區塊鏈，電力交易份額可近乎實時獲取，進行財務結算，減少大量繁雜步驟。通過區塊鏈鏈上交易，用戶可節省參與激勵型需求響應的時間，響應程度的預測與計量更為容易實現，提高用戶參與需求響應的積極性。

3.2 激勵資金分配與評估結算可信性證明

現有需求響應在實施過程中，響應電量計量和結算不夠透明，激勵資金分配、交易核算、懲罰額度等在執行、監管、核算等方面仍存在可信性證明難題，響應用戶不能得到實時回饋，影響用戶參加需求響應的積極性。

區塊鏈技術允許聯網計算機驗證已執行的交易順序，保存此狀態并不斷更新它，網絡的單個計算機可根據數據庫的當前副本記錄，共享和同步事務。區塊鏈包含一個可連續擴展的數據集列表，這些數據集通過加密方法相互鏈接。這使得交易過程透明且可追溯，高度保證數據安全[12]。

將需求響應評估結算規則運行于區塊鏈技術上，交易信息公開透明，交易存儲在安全的生態系統中。BittWatt 平臺允許BWT 持有者在該網站的跟蹤平臺上的所有交易。PowerPeers 平臺允許用戶交易太陽能電力，并可以知道交易數量及交易對象的信息，跟蹤能源消耗情況，確保交易清晰公正。

此外，結合區塊鏈PoS 機制等技術，挖掘和驗證需求響應中涉及的所有電力交易以及相關財務結算，完成資金由用戶側向供方的自動轉移，及時結算需求響應收益，提升評估結算的效率。

3.3 安全性和隱私性問題

激勵型需求響應中，用戶用電數據會按照規定的時間間隔收集，并最終存儲在數據庫中?；谥悄茈娋W技術的供給側與用戶側雙向通信存在的用戶數據安全性和隱私問題，網絡攻擊者可以通過破壞通信來訪問消費者站點中的設備，反映用戶生活方式的負載數據會被惡意節點跟蹤，從而損害用戶隱私，造成隱私泄露?；趨^塊鏈技術的智能電網，支撐動態P2P 交易[13]。消費者和生產者在基于點對點區塊鏈的網絡中交換能量，如圖4 所示，可采用鏈式區塊鏈技術與流式區塊鏈技術相結合的方式，前者在保證通信網絡安全可信的同時，后者可在用戶側設置校驗窗口。去中心化的直接交易，解決數據安全問題，避免管理系統的中心化，且注冊在區塊鏈中的任何能源數據在驗證后保持不變，同時隨著區塊鏈中區塊總量的增加，網絡攻擊者將難以改變區塊中的數據。

圖4 鏈式區塊鏈技術結構和流式區塊鏈技術結構

4 實施基于區塊鏈技術優化的需求側響應效益分析

通過將可追溯、實時共享的特點與智能合約技術深度融合，區塊鏈技術可以在協議簽訂、事件發布、負荷分配、響應反饋中實現響應發布、響應分配、響應執行、響應監管，達到調峰提效，提升新型電力系統的調峰韌性，維持電力系統運行供電可靠性；健全電力市場運行機制，提供相關的輔助服務，減緩新建電廠輸電線路的壓力[14]。

實施基于區塊鏈技術優化的需求側響應，對于電網企業，優化分配可使最大輸電量減小，其變電站、輸電線路等投資費用降低，供電效率得以提高；鼓勵用戶積極參與市場消納電能，使峰時的電量減少，可以實現資源優化配置，節約資源；降低空氣污染物的排放量、緩和溫室效應，助力碳中和目標的實現。

5 關于開展優化后需求側響應的建議與設想

借鑒國內外運用區塊鏈技術開展需求側響應機制的經驗，結合中國電力市場現狀，提出以下建議和設想。

對于需求側響應的市場機制不夠靈活。智能電網與各用電主體之間采用確定的計劃服務對主體多元的激勵不夠，缺乏兼顧價格機制、融資渠道、響應反饋的市場機制，缺乏靈活性?？蛇\用區塊鏈技術具體優化此缺陷，將需求側響應信息運送至智能電網部門，進行實時反饋、優化與監管，營造靈活的智能用電業務環境。

對于需求側響應機制的市場監管不夠嚴密。隨著電力現貨、分布式發電市場化交易試點等輔助服務市場建設進程的不斷推進，中國電力需求主體也逐漸由政府主導的行政行為轉變為市場主導的市場行為。但目前監管部門對交易中業務需求、投入成本、業務收益等市場行為缺乏有效的市場監管機制。可運用區塊鏈技術將需求側響應數據實時反饋共享給監管部門，保證數據的真實性與客觀性，營造良好的智能用電環境。

在基于區塊鏈技術的激勵型需求響應中，建立一套完整的可追溯交易體系，提高需求側響應機制評估可信度。以智能合約的方式運用區塊鏈技術，實現需求側響應收益及時結算，提升評估結算的效率，實現交易各方利益平衡。同時，在信息保密方面，區塊鏈技術可使用戶的用電數據被按照規定的時間間隔收集，并最終存儲在數據庫中，去中心化的直接交易，解決數據安全問題，使網絡攻擊者難以改變區塊中的數據，解決安全性和隱私性問題。