基于聯盟鏈技術的南方區域電力交易主體合作演化研究

王曉敏 孫宏揚 胡如樂 張建中 張繼英

（1.南方電網數字企業科技（廣東）有限公司，廣東 廣州 510700；2.北京科東電力控制系統有限責任公司，北京 100192）

1 南方區域電力交易主體合作演化研究

1.1 基于聯盟鏈構建多層次電力交易模型

該文提出的南方區域電力交易主體合作演化研究利用聯盟鏈技術作為電力交易的核心，構建多層次電力交易模型。通過模型節點信用激勵機制，減少違約行為，提高用戶的履約度，進而滿足不同節點的售電與用電需求，以實現不同需求節點之間有序交易的目標[1]。

該文構建的基于聯盟鏈的多層次電力交易模型網絡層基礎架構以聯盟鏈技術為內核，節點之間電力交易數據及合同的存儲工作均在模型的網絡層中完成。此外，在網絡層中，該文還添加了以聯盟鏈技術為核心的P2P 交易平臺與交易模式，提高多層次電力交易模型運行的質量。在設計模型中，電力交易節點履約信用，作為信用激勵機制[2]。設定模型所有上鏈節點的履約信用初始值，當電力交易節點發生違約情況時，節點信用扣除值的計算如公式（1）所示。

式中：Ui為模型節點在第i次違約電力交易中的信用扣除值；Ui-1、Ui-2分別為在第i-1、i-2 次違約電力交易中的信用扣除值。

通過計算得出違約電力交易中模型節點對應的信用扣除值。對正常參與電力交易的節點來說，其模型節點履約信用值的計算如公式（2）所示。

通過計算得出電力交易節點履約信用，將其作為基于聯盟鏈的多層次電力交易模型的節點信用激勵機制，提高用戶的履約度，為后續的電力交易主體合作演化奠定良好基礎。

1.2 電力交易智能合約設計

上述基于聯盟鏈構建多層次電力交易模型可提高交易中用戶的履約度。接下來對電力交易智能合約進行設計，以實現自動執行電力交易結算的目標。

該文設計的電力交易智能合約的原理示意圖如圖1所示。

圖1 電力交易智能合約基本原理示意圖

首先，各個電力交易節點之間通過協同的方式和交易雙方簽名、交易電量、規則以及電子貨幣等達成電子協同，利用狀態機實時區分并控制電力交易狀態，根據制定好的電力交易規則自愿執行交易。其次，基于P2P 網絡傳播途徑，在聯盟鏈中寫入通過共識驗證的各項交易信息。結合預言機與外部適配器建立鏈下通信，與外界取得聯系，獲取安全可靠的電力交易外部數據[3]。然后在該基礎上設定觸發智能合約的條件，如果電力交易滿足相應的觸發條件，則將該項交易推送至待驗證隊列，當待驗證通過且能夠被半數以上模型節點共識認同后，認為電力交易完成。如果電力交易不滿足相應觸發條件，則不會將該項交易記錄在聯盟鏈區塊中，需要返回并重復上述步驟，直至獲取符合電力交易要求的數據為止。

1.3 電力交易主體合作演化

完成上述電力交易智能合約設計后，進行電力交易主體合作演化研究。首先，為了保證配電網運行的穩定性與安全性，需要對電力交易通信的可靠性做出分析，建立電力交易風險管控模型，明確滿足電力交易要求的主體。其次，在電力交易實行階段，利用智能電表實時記錄電能的動態變化，使電網內各個交易節點對電能的產消達成共識。該階段的電量費用計算如公式（3）所示。

式中：ar為電力用戶的實際用電量；pr為單位電量價格。

獲取電量費用后，在上述構建的多層次電力交易模型中平衡費用，進而定義電力交易去中心化度。電力交易去中心化度的計算如公式（4）所示。

式中：TAM為聯盟鏈參與的分布式電力交易數量；TAN為單一中心的集中式電力交易數量。

獲取電力交易去中心化度后，該文主要分3 個階段來設計南方區域電力交易主體合作演化流程，如圖2所示。

圖2 南方區域電力交易主體合作演化流程

首先，在上述構建的多層次電力交易模型中注冊節點，接受節點的售電與購電需求。其次，向南方區域電力交易中心提交交易申請，完成電力交易與電能出清。到達交易時間后，由交易中心提起驗證工作，判定雙方是否按照合同約定使用、發出電能[4]。如果存在違約行為，則按違約處理，清算節點信用值，交付相應的違約金。違約金分配完畢后，按照當前交易的電量結算交易金額。如果不存在違約行為，則按照合約交割，完成電力交易主體合作演化。

2 試驗分析

2.1 試驗準備

上述內容便是該文利用聯盟鏈技術提出的南方區域電力交易主體合作演化研究的全部流程。在提出的電力交易主體合作演化研究投入實際配電網使用前，需要對其有效性及應用效果進行驗證，確認研究無誤后，方可投入使用。此次試驗對某地區配電網R時段電力交易流程進行模擬。該時段內，配電網電力交易流程中的核心環節為系統撮合階段與循環掛牌階段。利用MATLAB 模擬分析軟件模擬配電網R時段5 個發電節點與10 個用電節點，進而進行電力P2P 交易。為了在試驗中更容易區別，將R時段電力交易發電節點依次編號為1～5，將用電節點依次編號為A～J。試驗中參與電力交易的節點信息分別見表1、表2。

表1 R 時段電力交易發電節點信息

表2 R 時段電力交易用電節點信息

根據表1、表2 的發電、用電節點信息可知電力交易時段電力的真實傳輸情況及動態變化。以聯盟鏈技術為核心搭建電力P2P 交易平臺，為電力節點提供交易場所，為發電方與用電方提供服務，實時提交交易信息。在該基礎上，使用上述提出的電力交易合作演化步驟完成整個電力交易流程，檢驗電力交易結果。

2.2 結果分析

為了使試驗結果更具有說服力與可信度，特引入2 個對照組，通過對比的方式驗證提出方法的可行性。將上述基于聯盟鏈技術的南方區域電力交易主體合作演化研究設置為試驗組，將文獻[5-6]提出的演化機制研究分別設置為對照組1 與對照組2，對比并分析3 種研究的應用結果。

選取配電網電力交易有效供給率為該次試驗的評價指標，其計算如公式（5）所示。

式中：Q為配電網電力交易有效供給率；Ra為根據電力交易意向成功完成電力交易的數量；R為總電力交易完成量。

交易有效供給率Q越高，說明電力交易存在違約與調整的情況越少，交易質量越高，主體合作演化效果越好，反之同理。利用模擬分析軟件，模擬并測定各時段的電力交易有效供給率，繪制如圖3所示的評價指標對比示意圖。

圖3 電力交易有效供給率對比結果

從圖3 可以看出，3 種方法表現出了明顯的性能差異。其中，該文提出的基于聯盟鏈技術的電力交易主體合作演化研究應用后，各時段下的電力交易有效供給率始終維持在較高水平，在負荷高峰時期也未出現下滑情況。而對照組1 與對照組2 提出的研究應用后，電力交易有效供給率的波動幅度較大，在負荷高峰時期存在明顯下滑趨勢，交易質量較低。由此對比結果不難看出，該文提出的基于聯盟鏈技術的電力交易主體合作演化研究具有較高的可行性，能夠有效降低區域電力交易的調整量與違約率，多維度地提高電力交易質量。

3 結語

綜上所述，為了改善傳統電力交易模式中交易數據過于集中化、監管機構過于中心化的問題，該文在傳統電力交易模式的基礎上，引入聯盟鏈技術，以南方區域為例，進行了基于聯盟鏈技術的南方區域電力交易主體合作演化研究。該文的研究全方位、多維度地反映了配電網運行過程中，各個電力交易主體市場行為的動態演化過程，通過聯盟鏈，主動有效地優化了電力交易的各項決策，形成了更完善的配電網電力交易體系，具有重要的研究意義。