泛在电力物联网下基于区块链的分布式资源参与电力市场交易

郁 浩，陆 青

（1.国网山东省电力公司济宁供电公司，山东 济宁 272000；2.上海电力大学经济与管理学院，上海 200090）

1 形势及政策

1.1 分布式资源消纳

面对日益严峻的能源和环境问题，发展分布式新能源已成为世界各国促进节能减排的重要举措之一。早在2017 年底，中国风力发电累计装机容量达到188 GW，同比增长11.7%；光伏发电累计装机容量达130.25 GW，同比增长超过70%，提前并超额完成“十三五规划”目标。但由于风力发电及光伏发电具有间歇性和波动性的特点，接入电网会给电力系统的安全稳定运行造成一定的影响，在一定程度上加重了弃风、弃光现象。以分布式光伏为例，2018 年5 月31 日，国家发展改革委等三部委联合出台《2018年光伏发电有关事项的通知》（简称531 新政），对光伏发电实施控指标、降补贴的新政，不仅给行业带来震荡，而且对户用、商用等分布式市场的新能源消纳提出更高的挑战。考虑到当前用户安装分布式电源设备的前期购置成本仍然较大，且在政府主导的新能源补贴措施会逐渐取消的背景下，为促进新能源的发展，需要寻求电网中分布式资源消纳的新途径。

1.2 电改与用户参与度

2015 年“中发9 号”文件及其配套文件的发布，标志着我国电力市场化改革进程的进一步推进，是构建竞争有序的售电市场的一项重要举措。文件提出有序向社会资本开放售电业务，同时积极发展分布式电源及需求侧管理。由社会资本、电网公司或发电公司投资产生的各类售电公司，代理用户在电力市场中进行竞价购电并销售给用户，为用户提供服务。因此，合理引导分布式能源用户参与电力市场交易能够有效解决分布式能源的消纳问题。

2017 年《关于开展分布式发电市场化交易试点的通知》发布，提出建立一个分布式电力交易平台的必要性，允许拥有分布式能源的用户参与电力交易。同时，“可交易能源系统”等概念的提出对于分布式电源用户直接交易的应用提供了体系架构与技术支撑。2017 年9 月，《关于开展电力现货市场建设试点工作的通知》开放8 个电力现货市场试点，要求组织市场主体开展日前、日内、实时电能量交易。同时，根据《电力发展“十三五”规划》，中国将于2020 年全面启动现货交易市场。现货市场的开放能够及时发送各方的实时供需信息，为间歇性及波动性的分布式能源提供了更为便捷的消纳途径。

此外，国家电网有限公司泛在电力物联网的建设能够通过新一代通信技术，实现电网企业、发电企业、电力用户等各方之间信息的广泛交互与充分共享。同时，泛在电力物联网充分应用“大云物移智链”等技术的充分应用也为分布式资源参与市场交易提供了广泛、可靠的平台。

1.3 需求响应及区块链

需求响应的提出和应用，提供了用户侧主动参与电网调度和运行规划的新思路。作为电力市场环境下重要的零排放柔性资源，需求响应（Demand Response，DR）能有效改善负荷需求分布，优化资源配置，是适应可再生能源不确定性，解决系统灵活调度问题的有效途径。智能控制技术、双向通信技术以及分布式电源、电动汽车等在用户侧的大量应用，大大提高了用户主动响应、参与电网调节的能力。因此，合理考虑用户需求响应的售电公司购售电决策已成为一个迫切需要研究的新课题。

区块链技术作为一种分布式共享数据库技术在各领域的应用逐步发展，其巨大潜力逐渐被金融行业、能源行业等领域所认可。区块链的核心优势在于其去中心化、透明性、公平性与公开性等特点，保证了不同主体之间能够相互信任，进而极大减少了重塑或者维护信任的成本。同时，这种特点与能源互联网理念相吻合，可在新型售电模式中作为底层技术基础，构建基于独立用户的公开透明的电能交易平台。

2 研究现状

目前，已有学者对分布式资源的消纳问题进行相关研究。文献［1］针对光伏充电站提出一种实时运行策略，以促进光伏功率最大化就地消纳同时减少充电行为对配电网影响。文献［2］提出RES 出力不确定集并构建广义能量优化鲁棒模型，以实现可再生能源的并网微电网经济运行。对于含有分布式光伏的住宅用户，文献［3］提出基于神经网络的控制系统，可以最大化消纳光伏发电量的同时对次日的用电任务进行规划；文献［4］增加对用户储能电池的考虑，研究分析包含21 个住宅用户社区的光伏消纳情况。文献［5］提出一种基于混合整数线性规划的能量管理系统优化算法，对包含分布式能源的家庭微网中可调度负荷进行日前调度规划以充分利用分布式资源。为提高分布式电源消纳水平，文献［6］针对含电动汽车（EV）与高渗透率光电并网型微电网提出一种动态EV 互动响应控制策略。文献［7］将电加热器引入到风电-聚光发电混合系统中，使冗余风能可以转换为热能并存储在热能储存单元中供以后使用，以此降低弃风率同时提高系统的灵活性。文献［8］突破大规模集中供电的局限，增加移动储能装置，构建考虑风电调节的综合社区能源系统以提高风电的利用效率。文献［9］提出一种适用于风电与冷热电联供系统的最优调度策略，有利于风力发电的集成消纳。文献［10］在考虑风电出力不确定性的情况下，利用电转气技术及储能装饰实现对分布式能源的消纳问题。

除了通过对电力系统调控进行分布式能源消纳的传统措施外，需求响应正被逐渐引入到分布式资源消纳中并且取得较好的效果。文献［11］提出的两阶段随机规划风电消纳调度模型，能够灵活配置两类DR 资源参与电力平衡的优化调度。文献［12］构建了分时电价下主动配电网接入分布式风光就地消纳模型，通过赋予主动配电网制定网内分时电价以促进风电的有效消纳。文献［13］在峰谷分时电价背景下构建基于电量电价弹性矩阵的多用户多时段电价响应模型，以光伏利用率最大和年净利润最大为目标，分析需求响应对光伏微网储能配置的影响。文献［14］对爱尔兰电力市场中两家工业用户进行研究，表明采取价格型需求响应有利于增加工业用户消纳风力发电的潜力。文献［15］在考虑DR 的前提下将分时电价机制与储能技术纳入风电消纳模型，通过改变系统负荷分布提高风电的消纳水平。文献［16］提出兼容需求侧资源的“源-网-荷-储”协调优化调度模型，以促进风电、光伏发电等可再生能源发电的并网。对于含光伏与储能的家庭用户，文献［17］引入基于约束的需求响应控制策略对住宅中可控负荷进行优化调度以实现对分布式资源的消纳。文献［18］对含分布式电源与储能的用户构建家庭能量管理系统，基于小时电价及峰值功率限制对用电任务进行优化调度。文献［19］从消费者的角度对需求响应对于瑞典光伏发电的经济性进行研究，以用电费用最小化为目标对分布式光伏用户进行基于DR 的优化调度。

电力市场的发展为分布式资源的消纳提供了新的途径。文献［20］根据市场信息和用户调度原则提出一种市场化交易双向决策模型，通过负荷聚合商为大量闲置的中小负荷资源提供参与市场调节的机会。文献［21］通过构建以分布式能源产销者、独立售电商和一般用户为主体的区域电力市场模型，提出了总体共赢的交易决策模型。文献［22］以社区能源互联网为研究对象，从主从博弈角度提出分布式能量管理方法，基于社区内运营商电价制定方案构建产消者电力交易模式的选择方法。文献［23］从储能电池的视角基于伦敦某社区构建一种智能电网中点对点电力交易模式，研究储能位置对于市场各主体利益的影响。文献［24］在我国售电侧市场开放的背景下，基于售电公司利润最大及用户用电效用最大，构建考虑用户需求响应的售电公司购售电决策双层模型。针对包含能源运营商、含分布式光伏用户、电动汽车充电商代理的综合能源园区模型，文献［25］提出以能源运营商为市场主导的市场交易框架，使含分布式光伏的用户能够参与市场竞争以增加自身的光伏资源利用率。文献［26］针对具有储能装置的光伏发电与风力发电联合运行系统，提出一种日前市场最优投标方案，并以伊比利亚日前电力市场数据为例进行案例研究。

目前，已有学者对区块链在能源领域的应用做出相关研究。文献［27］从功能、主体、属性等维度对区块链在能源互联网中应用进行归纳与分析，同时以虚拟发电资源交易等场景为例说明区块链在能源互联网中的具体应用方式。文献［28］提出基于智能合约的配电网去中心化交易模型，并基于以太坊区块链技术进行算例分析，以实现偏差电量的多边竞价交易。文献［29］针对电力现货市场交易的特点，设计了区块链架构下的电力现货实时调度交易及监管模型。文献［30］提出联网微电网支持点对点的区块链技术。文献［31］构架了基于区块链技术的大用户直购电交易框架。此外，国内外已有少数企业尝试将区块链技术进行实际应用。2015 年，美国能源公司LO3 Energy 于布鲁克林地区建立了一个基于区块链系统的可交互电网平台TransActiveGrid，平台可实现自由的绿色能源交易而不依赖第三方［32］。2016 年，澳大利亚Power Ledger 公司应用区块链技术在Fremantle 地区对P2P 电力交易的可行性进行研究［33］。2017 年，欧盟主导的ScanEnergy 项目［33］开始进行开发，其致力于小范围街区居民用户间电力生产、消费的管理，含分布式能源用户可与普通用户直接进行智能的实时电能交易。

3 研究展望与技术路线

3.1 考虑用户响应的售电公司决策

对售电公司购售电决策问题进行研究，结构模型如图1 所示。模型中售电公司可以从日前市场与发电企业通过双边合同购电，同时对于电力用户实际运行过程中产生的偏差电量及负荷波动部分，售电公司可以对用户的DR 能力及分布式能源实施代理，从实时市场进行购售电交易以进行修正与平衡。

该模型关键在于以下3 点：

1）购电双边合同及偏差考核机制。

图1 含分布式资源用户参与电力市场结构

首先，对合同内用户一段时期内用电负荷数据采用神经网络算法进行学习训练，从而获取用户在特定时期内相应时段负荷分布概率及最大变化幅度，以确定双边合同容量。其次，可考虑双向差价合同（合同双方以实时电价进行结算，但合同交割时的实时电价和合同电价的差价由买卖双方平分）或其他合同类型，用以确定合同费用结算方式。此外，当售电公司的电量消耗不在合同区间内时，售电公司将面临一定的惩罚费用，规定由售电公司承担全部偏差考核风险，以争取在激烈的竞争中拥有更多的客户资源。借鉴《广东电力市场基本交易规则（试行）》相关规定，设置新的越界惩罚机制进行售电公司的偏差电量考核，如图2 所示，图中为合同允许偏差比例。

图2 偏差考核机制

当售电公司电量消耗在合同约定区间内即时，售电公司免于承担惩罚费用；当实际使用电量超出合同约定允许量时，售电公司应按图中所示正比例函数缴纳惩罚费用，用以弥补发电公司额外发电成本及其他相关费用；当用户实际使用量低于合同约定量时，在一定范围内按高比例系数线性函数支付相应惩罚费用，当超出指定比例即图中时，惩罚费用在处的比例系数的基础上以指数形式递增，即图中函数。

这种设置方式考虑了发电公司发电成本以及剩余电能消纳对发电公司运营影响等多方面因素，有利于激励售电公司制定合理的购电合同以保证购电业务的顺利进行。

2）用户需求响应与分布式能源代理。

用户在某时段的负荷构成可分为3 部分：固定负荷、可转移负荷、可削减负荷，如图3 所示。设置用户响应类型为价格型需求响应，即用户根据售电公司电价策略对可转移负荷进行的优化调度。当电价较低时可适当转入部分负荷进行消耗，此时实际转移量为正；当电价较高时可适当转出部分可转移负荷，此时实际转移量为负值。对于含分布式电源的用户，其响应策略应在考虑分布式能源最优化利用的基础上进行，通过对比现货市场价格及储能容量、度电价值等因素确定响应剩余分布式能源利用方式，即储存或交由售电公司进行代理交易。

图3 用户负荷分析

定义度电价值为分布式电源每生产或储存一度电所耗费的包含时间价值的成本，其值可通过工程经济学中净现值计算得到：

式中：Ac为分布式电源设备的等年值成本；P 为设备期初投资现值；N 为系统寿命期望值；Mt为第t 年年末估计余值；I 为贴现率；Et为系统第t 年运行维护费用；F 为设备终值；A 为等额年金。

3）基于用户DR 能力的虚拟发电资源捆绑代理对于负荷构成中可削减负荷部分，用户可与售电公司签订代理DR 交易合同，交由售电公司将其作为虚拟发电资源参与实时市场竞争。故售电公司可以在DR 合同价格小于市场价格时，将多余的DR 合同电量卖入市场，在充分利用市场中闲置分布式电能的同时赚取差价。

3.2 含分布式电源用户的区域多边电力交易

如图4 所示，对含有分布式能源及储能的区域用户多边电力交易进行研究，区域内用户可在多边市场中对需求电量或剩余电量进行实时报价交易，市场主体可自行决策，通过分布式网络寻找交易对象和交易电量并按照报价支付，形成智能合约并自动执行，同时可以以区块链的方式进行交易记录。对于不能在多边市场中进行出清的电量，可通过配电网运营商按上网电价或电网实时价格进行集中保底出清。该部分关键在于以下两点：

1）考虑DR 的购售电交易报价策略。通过预测负荷和分布式发电情况基于配电网分时电价确定需求响应策略，制定无法在多边市场出清情况下的效用保底调度策略。根据净负荷确定订单属性，即售电订单或购电订单及响应电量、地理位置等，根据各用户分布式发电成本、上网电价及分时电价等信息确定报价生成上下限。不同于现有文献的电价简单随机生成方式，设定两函数供不同偏好用户进行报价策略选取，即图5 中Z1、Z2。函数Z1适用于高盈利倾向型用户，即承担适当交易失败风险以寻求高利润获取；函数Z1适用于保底出清倾向型用户，即牺牲适当的可能性利润增额以换取电量的全额出清。Plow、Pup分别为最低报价与最高报价，R1k、R2k分别为Z1、Z2报价策略对应报价为Rk时的概率。

2）多边交易及区块链记账。多边交易流程设计为：首先，产销者发布交易信息至多边交易平台以供投标者进行投标报价；其次，投标者报价，并将报价信息（订单属性、电价、电量、位置）经哈希函数进行处理生成固定长度字符串，私钥加密字符串生成专属数字签名，随同公钥一并发送至智能合约；智能合约通过哈稀函数处理报价信息，通过公钥解密原数字签名进行一致性检验，随后依此进行拍卖函数（订单匹配检验）、安全检验（检验订单是否符合潮流安全）；智能合约达成则自动进行交易结算。

图4 含分布式电源用户的区域P2P 电力交易结构

图5 报价概率函数

智能合约的达成需要满足以下条件：①购电订单电量不小于售电订单电量；②购电期望价格不小于售电期望价格；③购售电价差为可组合订单差价中最小值。为避免一单多配的情况，订单属性中均加入位置信息，对于距离最小的组合订单进行优先匹配。

4 结语

在考虑分布式资源消纳基础上，结合当前电改政策及区块链技术发展情况，对泛在电力物联网下的分布式资源参与电力市场交易进行研究，提出考虑用户响应的售电公司决策模型及含分布式电源用户的区域多边电力交易模型。将行为特性考虑在内对现有购电双边合同进行完善设置新的偏差考核机制，将具有DR 能力的虚拟发电资源进行捆绑代理接入实时市场竞争，此外，考虑用户需求响应设置新的购售电报价策略，在区块链基础上构建多边电力交易模型，由此为今后区块链在区域多边电力市场交易研究提供模型参考。