基于区块链的中小型电力用户自动需求响应系统设计

胡桐月，奚培锋，张少迪，田由甲，刘传忠

（上海市智能电网需求响应重点实验室（上海电器科学研究所（集团）有限公司），上海 200063）

0 引言

自2013年以来，我国陆续在多个省市开展电力需求响应（demand response，DR）项目试点工作，通过政府主导、电网企业实施的方式和电力用户互动，并在执行过程中引入了负荷聚合商等第三方新型实体的参与，提供用户侧DR资源聚合管理支撑。DR试点项目以前多采用“抓大放小”的思路，对于中小型负荷关注较少，然而近期的学术研究已经逐步呈现出对于中小型单体负荷参与DR的关注态势［1—2］。相比于大型工业用户，单体负荷资源的响应往往具有较大随机性，而且还会受到其拥有主体的行为影响，但大量分散负荷聚合之后会呈现出资源聚合体的特有特征，且用户侧资源进行整合后也具备了一定的潜力，2020 年夏季浙江省DR 市场就引入了低压首批体验客户。

区块链技术依托对分布式数据存储、点对点传输、加密算法、共识机制及智能合约技术的集成应用，而具有分权化、开放共识、不可篡改、自动执行、可追溯等显著优点受到能源行业的高度关注［3—4］，也有很多研究学者尝试将其应用于需求响应业务场景中［5—9］。文献［5］提出一种去中心化的DR 项目管理方法，基于分布式账本技术保障计量数据的不可篡改，并以智能合约方式定义能源产消者的预期能源灵活性、相关奖惩机制、以及平衡能源需求的规则。文献［6］针对存在能源供应约束的环境，提出了一种基于区块链的微电网DR方案，应用区块链技术以实现微电网高效、可信运行。文献［7］结合区块链技术提出了一种安全、隐私保护、防篡改、可审计且可靠的DR框架，实现资产自动化处理，提升聚合商与产销者之间的信任度，促进DR服务大规模部署。文献［8］指出区块链技术能够依托于未来多能源互联的能源网络，为IDR资源交易提供相应的技术平台，降低交易成本，保证交易信息的透明可追踪。文献［9］指出基于区块链技术架构，可以解决ADR业务中的记假账、记错账问题，还可以建立一套完整的可追溯交易体系。

本文围绕基于区块链技术的需求侧响应与用能管理应用进行展望，分析用户侧负荷参与DR的现状与问题，结合区块链技术优点设计用户侧负荷参与DR 的系统解决方案。该方案的优点主要体现在以下3 个方面:一是将DR 交易关键数据上链存证，通过分布式方法构建不易篡改的信任数据库，可解决用户与聚合商之间的交易信任问题，并有助于DR项目相关利益主体监督并共享信息，提高DR交易激励资金分配可信度；二是设计能源区块链网关作为用户的智能代理，从链上读取DR事件信息，并与用户物理层智能家居设备进行通信，帮助用户根据DR合约内容按时按量完成响应，进而降低聚合商的违约风险；三是将评估结算规则以智能合约形式运行在区块链上，当用户按照DR合同规定完成响应时，激励资金即从聚合商的区块链钱包账户转移到用户账户，用户可及时查看DR收益情况，进一步提高用户参与DR事件的积极性。

1 区块链技术架构

区块链技术是利用块链式数据结构来验证与存储数据，利用分布式节点共识算法来生成和更新数据，利用密码学的方式保证数据传输和访问的安全，利用由自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据的一种全新的分布式基础架构与计算范式。区块链技术基础模型一般划分为5 个层次，从下至上分别为数据层、网络层、共识层、合约层和应用层，如图1所示。

图1 区块链技术架构Fig.1 Blockchain technology architecture

由图1可知，数据层封装了区块链的链式结构、区块数据以及非对称加密等区块链核心技术；网络层提供点对点的数据通信传播以及验证机制；共识层主要提供网络节点间达成共识的各种共识算法；合约层展示了区块链系统的可编程性，封装了各类脚本、智能合约和算法；应用层则封装了区块链技术的应用场景和案例［10］。

2 区块链技术在电力需求响应中的应用需求分析

2.1 国内开展中小型用户需求响应的难点分析

电网对商业、居民这两类中小型用户参与电力DR市场以促进电力供需平衡的需求日益迫切，但目前中小型用户参与市场交易存在以下难点亟待解决。

（1）DR 信息交互基础设施缺乏的难题。根据目前DR 业务发展来看，改造后的大型工商业用户已具备良好的网络通信条件实现DR 信息交互，然而对于大量分散性的中小型用户，目前尚不具备参与DR交易市场的基础通信设施。

（2）用户DR 资源自动履约响应的难题。中小型分散用户需求响应具有数量多、自主性强、隐私性高的特点，这对交易机制技术支持系统的实现提出了较高的要求，若仅凭用户的主观行为选择，将存在很多不确定性。用户如何根据DR合约内容按时按量完成响应还有待解决，若仍采用响应时间用户自主手动调节的模式，难以保障DR 事件按时按量完成，也会增加聚合商的违约风险。

（3）激励资金分配与评估结算可信性证明的难题。在DR 业务实际工程实践过程中，激励资金分配、交易核算、惩罚额度等在执行、监管、核算等方面仍存在可信性证明难题，并且现有激励评估结算方式的审核周期较长，不能实时回馈用户，也影响用户参与DR活动的积极性。

2.2 区块链技术在需求响应中的应用需求分析

作为一种分布式记账系统，区块链所具有的高可靠性和去中心化的特征，使其能够很好地适应这种分散化的系统结构。基于区块链技术所构建的共享经济生态环境，能够促进分散化系统的发展和趋优。其开放性、分布性和不可篡改性有利于多元主体开展交易，通过海量、分散的小规模交易涌现出电网精准调峰的功能，促进DR 项目的自动化和可信性［11］。将区块链技术应用于DR中主要有以下优点。

（1）保障DR 交易信息安全。由于采用中心化处理方式，攻击者只须侵入少数节点或中心节点，即可对重要数据或指令进行篡改，威胁全网安全。采用区块链技术中的密码学技术和共识机制可保证交易信息的安全可靠，数据的采集、广播、存储等过程都建立在区块链体系之上，能更好地防范数据侵入。

（2）保障DR 合同自动执行。合约执行需要双方主动履约，既需要额外执行成本，也潜藏违约风险。将DR各类执行规则以智能合约形式运行在区块链上，使交易规则透明化，可确保合约的自动执行。且合约内容有所有节点的背书，不可抵赖、不可篡改，无须付出第三方监管成本与双方事后沟通成本，减少结算时间并降低人力成本。

（3）提升DR评估可信度与结算效率。区块链技术采用分布式总账的记账方式，具备特有价值激励属性及交易过程透明、可追溯的特点，不仅可以解决DR业务中的记假账、记错账问题，还可以建立一套完整的可追溯交易体系，可提升交易结算效率。

基于上述分析可见，区块链与DR 各业务流程具有契合点。区块链技术可在用户身份认证、合同存证、交易记录、响应效果评价、激励结算等业务流程中应用。

3 基于区块链的中小型用户需求响应系统设计

3.1 系统整体功能架构

该系统由能源区块链网关、聚合商系统、能源区块链等3部分组成，如图2所示。

图2 基于区块链的需求响应系统架构设计Fig.2 Architecture design of DR system based on blockchain

由图2 可知，能源区块链网关与聚合商系统分别作为能源区块链的客户端，与部署在链上的DR智能合约交互，实现DR 业务关键信息交互。方案利用区块链技术实现DR交易数据存证与交易结算服务，能源区块链网关和聚合商系统分别通过I2、I1接口实现关键DR 业务数据上链存证（包括用户实时负荷、用户可响应负荷值集、DR合同、用户基线平均负荷值、响应期间负荷值），DR项目相关利益主体（如国网公司、政府监管机构）分别通过I0、I4接口从链上获取可信交易数据。此外，DR评估结算规则以智能合约的方式运行于链上，DR事件结束后可实现DR收益及时结算，以提升评估结算的效率。

能源区块链网关作为用户DR 智能代理，辅助用户实现负荷数据上链、DR资源管理、DR收益查询等功能；聚合商系统实现链上用户负荷数据查询、用户可响应负荷值查询、DR合同管理、DR评估结算等功能。能源区块链底层平台，其数据层、网络层主要参考以太坊相关配置；共识层采用xPoA共识算法，该算法可实现去中心化和性能的有效平衡。智能合约层是业务系统设计的重点，是支撑DR 可信业务功能的关键部分。智能合约不仅是外部系统数据与链交互的接口，还承载了DR 的评估结算规则，会根据预设条件自动处理账本上资产，即当用户按DR合同履约完成响应可及时获取DR收益。

3.2 系统信息交换流程

在该系统中，能源区块链网关和聚合商系统同时作为能源区块链的客户端，与部署在能源区块链上的智能合约交互，具体的信息交互流程如图3所示。

图3 系统信息交互流程Fig.3 System information interaction flow

（1）能源区块链网关采集用户负荷数据，并将用户实时负荷值上传至区块链节点，区块链节点将交易信息返回给能源区块链网关，聚合商系统从区块链节点读取用户实时负荷值。

（2）用户可通过能源区块链网关配置不同响应等级的可响应负荷值集以及对应的设备控制策略，能源区块链网关将用户的可响应负荷值集上传到区块链节点，聚合商系统从区块链上读取可响应负荷值集。

（3）聚合商系统辅助聚合商制定DR 合同，并将DR 合同发送给区块链节点，能源区块链网关从区块链上读取DR合同中的关键数据项（如响应开始时间、响应结束时间、响应负荷值等）。

（4）能源区块链网关根据响应负荷值匹配对应的设备控制策略，到响应开始时间时，智能家居设备根据能源区块链网关下发的控制指令调节设备状态，到响应结束时间时再恢复正常状态。

（5）响应事件结束后，聚合商系统计算出用户基线平均负荷与响应期间负荷平均值，并上传至区块链。

（6）区块链根据预先设置的评判规则自动对用户响应情况进行评估结算，能源区块链网关和聚合商系统从链上读取评估结果。

3.3 能源区块链网关设计

能源区块链网关作为用户的智能代理，对上与能源区块链系统进行信息交互，对下与用户物理层设备进行通信，实现采集负荷数据上链、获取链上DR 事件信息、下发设备响应策略、获取链上DR 评估结果与收益等功能，整体架构如图4所示。

图4 能源区块链网关架构设计Fig.4 Architecture design of energy blockchain gateway

采集单元周期性采集设备功率数据，将采集到的设备实时负荷信息存储至数据库中。展示单元向Web/App 用户展示设备实时负荷值及DR 收益等信息，同时允许用户配置设备控制策略，并将用户配置的控制策略以可响应值集形式存储到数据库中。通信单元通过能源区块链接口将数据库中存储的设备实时负荷值及可响应值集上传至区块链节点，同时从区块链节点中获取最新的DR合同、DR收益信息，并存储至数据库中。控制单元根据数据库中存储的DR 合同信息，在指定的时间段内发送设备控制命令。数据库负责能源区块链网关各单元模块之间的数据流交互。守护进程监控能源区块联网关各单元进程运行情况，确保所有模块正常运行。

3.4 DR业务智能合约设计

基于以上业务需求设计DR 业务智能合约，用户与聚合商各节点间可以通过区块链进行DR关键业务数据存证，通过DR信息互动模型，在用户与聚合商之间进行DR 事件信息交互和DR 激励结算。DR 智能合约事件信息具体包括用户实时负荷数据添加、用户可响应负荷值更新、DR 合同创建及DR事件评估结算4类。当用户履约完成需求响应事件后，智能合约会自动判断响应是否成功并将激励补贴转移到用户的区块链钱包账户。

3.5 系统测试实验

该实验构建了能源区块链测试网络、开发能源区块链网关样机，并搭建最小演示系统测试能源区块链网关、聚合商系统与能源区块链之间的信息交互实现情况。最小演示系统包括能源区块链网关、区块链节点服务器、区块块链浏览器、聚合商系统、智能家居设备，以下是具体功能实现情况。

（1）能源区块链网关采集用户实时负荷数据上链，并获取返回的hash值，用户点击交易hash值，可跳转到区块链浏览器查看具体交易情况。

（2）用户可通过能源区块链网关web页面配置负荷响应策略，网关自动计算不同响应策略下的可响应应负荷值，并将可响应负荷值集上链。

（3）聚合商系统从链上获取可响应负荷值集，根据实际需求，制定DR合同并将DR合同关键数据上链。

（4）能源区块链网关从链上获取DR 事件信息，并根据DR合同数据下发控制指令，实现智能家居设备的负荷削减。

（5）聚合商系统将计算的用户基线负荷平均值、用户响应期间的负荷平均值上链，智能合约自动评估响应是否完成，并将DR 补贴token 转移到用户区块链钱包账户，如图5所示。

图5 DR评估结算Fig.5 DR evaluation and settlement

对比传统技术架构的DR 系统，该方案的优势在于其结合区块链技术优点构建不易篡改的信任数据库，实现DR交易数据的可信存证，解决了中小型用户与聚合商之间的交易信任问题,DR项目相关利益主体也可从链上获取可信交易数据；配套设计的能源区块链网关帮助用户根据DR合约内容按时完成响应控制，进而降低聚合商的违约风险；将评估结算规则以智能合约的形式运行在区块链上，实现激励资金的自动流转，用户可及时查看DR 收益情况。

4 结束语

本文分析区块链技术在DR 业务中的应用需求，设计基于区块链技术的中小型电力用户自动DR方案。本文利用区块链不可篡改的特性，一方面实现DR 关键业务数据的可信存证与评估结算服务，另一方面用户借助能源区块链网关可实现DR合同约定的响应量控制。不仅解决了用户与聚合商之间的交易信任问题，还有助于DR 项目相关利益主体监督并共享信息，提高DR 交易激励资金分配可信度。下一步，将继续完善系统功能、优化系统性能与DR交易机制，并结合实际用户开展应用测试，促进区块链技术与实际应用场景的深度结合。