基于智能合约的“源储网荷”本地能源微网交易模型设计

甘萌莹

（华北电力大学，河北 保定 071003）

0 引 言

传统的集中式交易中心面临诸多问题，如成本高、效率低、公平性和透明性不高、安全风险大等。因此，需要寻求一种去中心化的交易管理方式，降低成本，实现电力交易的自主管理，保障信息的安全性。由中本聪提出的区块链技术具有去中心化、智能合约化、透明公开化、不可伪造等显著优点，能极大程度地解决采用传统集中式交易中心机制的问题，并很好地适应电力市场的发展趋势。

本文提出了一种基于智能合约的“源储网荷”本地能源微网交易模型，旨在响应国家政策号召，为将区块链技术初步应用到分布式能源市场化交易试点提供更具体的思路。文中先介绍了智能合约在本地能源微网中的应用流程，建立了基于智能合约的分布式发电和储能相结合的“源储网荷”本地能源微网交易模型。在电力交易过程中，当分布式发电机供电能力盈余时，充分利用优越的环境条件，将多发的电能传入储能装置储备；当供电紧张时，储能装置与DG向客户并行输电的方案。接着对该方案的智能合约设计过程做了较为详细的说明。

1 基于智能合约的“源储网荷”本地能源微网交易模型设计

分布式光伏分布是较低的电压等级发电方式，不适宜先升压后降压的远距离传输，必须本地销纳。由于分布式能源往往具有较大的波动性，大量可再生能源分布式电源的接入会加速配网对于储能的需求。分布式发电结合储能装置的微网结构，不仅能平滑负荷曲线，起到DG（分布式发电机）无法工作时的过渡作用，还能在风力、光照过剩的情况下储存大量的能量，以供自由调度和随时的电力交易获得极大收益。因此，提出了基于智能合约的“源储网荷”本地能源微网的交易模型。

1.1 智能合约

智能合约是结合区块链技术、大数据技术、人工智能技术的一种可信任的预言机制。交易双方可以针对交易协商设定具体合约条目，并通过区块链形成智能合约，在智能合约中规定合约中每一方需要履行的义务和合约执行的判定条件。区块链系统对合约执行条件自动判断，当所有判定条件都满足时，区块链系统将自动强制执行合约条款，然后程序按照合约条款来分配释放和转移资金，且只有合约到期才可以使用这笔资金。

一个智能合约是一套以数字形式定义的承诺，而这些承诺指的是合约参与方统一的权利和义务。以一个销售合约为典型例子，卖家承诺发送货物，买家承诺支付合理的货款。这个交易中包含了一个“IF-THEN”语句，即如果卖家发货，买家就付款。只要条件触发，这个合约的执行就是个自动的过程，不需要人监督，也无从抵赖，不仅提高了合约执行的效率，更在没有强有力的第三方监督下有效保障了合约的执行。

1.2 基于智能合约的“源储网荷”本地能源微网交易模型

1.2.1 模型准备

（1）智能电表

运用智能电表实时进行数据采集和数据处理。数据采集是保障合约正常执行的基础，需要完成采集的信号包括三相电压、三相电流、频率、功率、功率因数和电度等数据。数据处理主要是把按要求采集的电参量实时准确提供给智能合约判据，使智能合约能够自动根据实时数据判断是否满足合约各项条件而执行合约。智能合约直接或间接将用户节点连接起来，以便进行交互。

（2）储能

DG（分布式发电机）发电受太阳能、风能等自然因素的影响较大。由于这些自然因素的不可控性，常常存在“弃光”“发电利用小时数持续降低”的现象。更严重的是，DG电能的不稳定性对电网电能的质量和电网的安全运行也将造成影响。而储能技术能够实现电能的时空平移，将DG高出力转移到其他时段。可从三方面概括结合储能对本地微网系统带来的好处：对系统起稳定的作用、在DG单元不能正常运行的情况下起过渡作用以及能在特定的时间提供所需的电能。储能越多，调度越自由，DG单元拥有者将可以获取更多的经济利益。

1.2.2 模型构建

假设处于该“源、储、网、荷”本地能源微网的用户都配备智能电表、储能装置和分布式发电机。智能电表可以记录其发电量，然后将该信息传递给区块链。储能装置能够在条件充裕时储存电能，而在有供应需求时释放电能。分布式发电机通过可再生能源发电，直接送至负荷或储能装置。智能电表作为各用户在区块链上的节点，告知他们可用的能源[1]，然后通过手机应用将这些设备连接起来。图1为本文设计的本地能源微网模型的基本框架。

该模型表示的是以智能电表为连接纽带，以区块链为互动平台的源储网荷本地微网模型。用户通过手机APP查询符合自己满意度的合约或者发布合约。每个用户的能源结构圈如图1中的椭圆所示，其中C4表示储能装置，DG表示分布式电源。DG和储能装置之间的能量流动是双向的，储能装置能在DG供电不足时为其补充电源，而在其条件优越时储存能量。智能电表为将分布式家庭用户节点连接起来的媒介[2]，可以上传数据供智能合约的判据使用。

图1 本地能源微网模型框架

为了实现社区间居民的电力交易，居民用户接入智能仪表用于采集发电、用电和电力交易的数据。电力数据同步上传到公共区块链平台，作为判断合约执行条件满足与否的依据。

当用户已经签订合约、正在进行买电交易时，程序自动检测智能电表实时上传更新的交易和电力使用信息，能够确保交易公开公正地进行[3]，在不需要第三方的情况下自行判定交易进行的进度和完成情况，最终通过以太坊这一平台以虚拟货币结算，自动完成交易，使微网使用者无法伪造或篡改合同和交易的完成度。

在储能装置上设置传感器检测其存储和释放的电量。编写智能合约使用户DG产出的电多于负荷所需的电量，且不存在自身调峰和其他节点用户的电能需求时，多余的电能自动供给给储能装置。而电力需求大于供给时，储能装置中储存的电能优先去填补电力供给的空缺[4]，且允许在不影响潮流控制的前提下，将多余储存的电能通过区块链出售给其他节点用户。这样分布式储能能够自行决定不同时段提供多少服务，实现了储能的自调度，促进了分布式能源的协同工作，使该微网系统用户得到了极大的收益。

所有动作都是基于智能合约中事先定义好的规则。这些规则将保证所有的能量流向和储能容量被自动控制着，从而平衡供给和需求[5]。即使家里没有发电设备，通过安装智能电表，也可以与本地能源微网内的其他分布式家庭互联，买入电力。

为了使智能合约能普适于大众用户，可设计一款手机APP，实现以太坊智能合约的面向对象化。该应用能显示其所处区域内闲置设备的分布式家庭的地理位置、能源的生产量和卖家理想电价。对于电能需求者，可以选择设置其对于不同能量来源可接受的最高价格，并能根据距离自己由近到远的排序选择售电方，以求达到双方利益的最大化。

对于电能销售者，可以通过操作APP界面选择组合自己理想条件下的合约内容。APP自动编码，将其生成以太坊能识别的智能合约内容[6]，并发布在平台上。这样用户既可以方便地直接开发自己的区块链应用，又可以寻找符合自己需求的最优能源交易信息，并进一步协商是否修改某些交易条件形成新的交易条款。最终，双方达成共识，密钥签名，合约生效，自动执行直至交易圆满结束。

2 “源储网荷”本地交易微网的智能合约设计

2.1 适用于“源储网荷”本地微网的智能合约制定

目前，在智能合约领域最著名的当属以太坊。以太坊是一个智能合约功能的公共区块链平台。本文合约将以其为开发平台，以Solidity为编写语言进行介绍。

2.1.1 功能函数和变量要素确定

表1中所列出的是在一个源储网荷本地能源微网中中制定一份买方合约所需要的最基本要素。

表1 本文模型的智能合约基本要素表

除了上述基本要素，合约中还应该有如下必要的功能函数及主函数。

合同的主函数。发布合约以后，只有与合约同名的函数会自动执行。所以，该主函数名应与合约名相同，使发布合约即启动交易。该函数用来实现智能合约的基本构造。

交易担保函数。对买方和卖方扣除一定的交易保证金，防止发布虚假交易等情况。

售电函数。和买方智能电表进行互联，不断判断其上传的成功收到的电量是否达到约定售电量，当返回值显示true时，启动下一步资金交易。

供电方式函数。和售电方的智能电表进行互联，根据收到的电力数据判断每个时刻DG供应是否处于供求平衡的情况。如果不是，当发电条件极其优越引起供应过盈时，自动将发送的一部分电量存储于储存装置。当发电条件比较贫瘠引起供应紧张（可能在合约期限内无法完成交易或电能质量不佳）时，自动使储能装置与DG并行发电，以达到交易要求。

合约执行情况查询函数。在合同交割时间到期后，通过查询交易电量数据获得卖方是否执行完毕交易电量的回复，从而执行付款或者违约追责。

交易金转移函数。当售电函数返回值为true时，启动交易金转移函数，从买方账户扣除（约定售电量*电量单价）数量的货币到售电方账户。完成转账后，返回true值启动下一步。

释放担保金函数。交易金转移函数返回true值时启动，向双方账户各自转回保证金额数量的货币，标志交易成功完成。

2.1.2 程序流程框架

基本元素和功能函数确定后，还需要把它们有序组织起来形成程序。图2为针对本文提出的“源储网荷”本地能源微网模型的智能合约的简单流程图。

以A向B售电为例进行说明。借助区块链交易平台达成交易协议后，A开始向B输送电能。在这个电能传输过程中，A的智能电表端不断检测并上传数据到区块链中，合约判断A对B方电的供应状态属于正好供应、供应紧张还是过于充裕，即判断此时外界自然因素条件属于优越或贫瘠状态。如果供应紧张，储存装置自动与DG并行参与供能，向B方提供电能。如果供应充裕，DG发出的一部分电进入储能装置进行储存，以备不时之需或是更为自由的调度。

而B方的智能电表断不断检测并上传数据到区块链中，根据其电量数据判断A向B供应的电量是否已经达到约定电量。若没有达到，则A继续向B传输电能；若达到，则标志交易进入支付货币阶段。合约中锁定的保证金额返还至双方，并将交易金额转移到卖方A的账户下。交易完成。

图2 智能合约程序

3 结 论

随着电力市场改革的推进，未来将有大量独立决策的电能产销者参与电力市场竞争。分布式能源电压等级低，只能采用就地消纳的办法。又因为它的随机性强、不可控性大，储能装置配合调度才能给DG更大的调度自由，而分布式发电的市场化将带动储能技术的发展[7]。由此可见，建立一个源储网荷本地微网模型十分必要，结合区块链技术的去中心化、透明性安全性和智能合约化等优点，则能达到更好的效果。

本文提出了一种基于智能合约的“源储网荷”本地能源微网交易模型，先介绍智能合约在本地能源微网中的应用流程，建立基于智能合约的分布式发电和储能相结合的“源储网荷”本地能源微网交易模型，再对该智能合约进行详细的设计[8]。

对于提出的设计模型，当分布式发电机供电盈余时，向一部分电能传入储能装置储备；当供电紧张时，储能装置并行输电的方案。它能够很好地弥补分布式发电及其交易的缺陷，提高电能的质量，为电能提供更自由的调度，同时给用户带来了极高的收益。