区块链在需求响应中的关键技术及现状分析

祁 兵，赵燕玲，杨 帆，李 彬，石 坤

（1.华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206；2.中国电力科学研究院有限公司，北京 100192）

0 引言

需求响应资源的应用已经渗透到国内能源市场领域，作为供应侧系统资源的补充和完善，在电力市场中发挥了积极作用。根据《河南省电力需求侧管理实施细则（试行）》，2019年夏，在电力供需形势较为严峻，预计全省早高峰备用不足、晚峰有缺口时，充分发挥了需求响应在电力供需平衡中的作用。2020年，浙江省发布的《关于开展2020年度电力需求响应工作的通知》，引入市场化竞价机制，旨在探索需求响应资源参与电力市场辅助服务交易，完善技术标准体系和聚合平台建设，初步形成具有浙江特色的电力需求侧管理模式。在现有研究成果的基础上探索需求响应与区块链的结合方式，利用区块链的分布式记账方式和去中心化处理，不仅可以解决需求响应中的记假账、记错账问题，还可以通过去中心化处理来降低成本，保障用户交易的合法性、安全性，使得响应更加精确，电力市场更加透明安全。

国内外学者对区块链需求响应展开了初步的研究，文献[1]分析了基于区块链框架，由需求响应分配者和认证机构组成的联盟进行维护，用于参与者自愿配给能源、平滑消费峰值，从而管理能源不平衡的问题。文献[2]介绍了一个近实时自主需求响应管理的需求响应框架，使消费者利益最大化、成本最小化，同时还可以核实整个交易进程。文献[3]基于区块链技术提出居民用户参与需求响应交易时渠道不顺、机制缺乏等问题的解决方案，主要应用于面向居民用户开展需求响应的交易机制，并借助以太坊Rinkeby网络来实现所提交易机制的支持系统，并且通过仿真验证了该交易体制的可行性。文献[4]根据经济学交易理论，提出一种基于区块链的需求响应资源交易方案，成功部署交易智能契约，并对该交易方案的有效性进行验证。文献[5]总结了区块链在电力交易领域中能源系统与电力系统交易的应用情况，认为区块链在电力需求响应领域值得发展和推广。

本文提出区块链技术在需求响应的应用设想，从智能合约、电力分布式交易、AI自动合同匹配机制等方面对区块链技术的应用方式进行分析；并根据区块链技术在电力需求的发展情况，对区块链技术在需求响应中的局限性进行分析。

1 区块链应用于需求响应现状分析

需求响应业务中存在许多问题，如需求侧资源管理无法完全实现线下办理[6]，电子合同的安全性不易保障，以及在流程办理过程中无法实现完全自动化等，而区块链在解决上述问题中具有优势[7]。有学者针对需求响应业务流程中存在的安全信任问题，从互联共识机制、造链机制、运行流程、响应链积分及能源交易监管算法等方面展开研究，设计了基于区块链的需求响应系统，为需求响应业务流程提供高可信度的技术支撑和业务咨询[8]。有些学者提出了一种可以安全地做出能源交易决策，并可管理住宅、商业和工业部门的总负荷，在通信和计算成本方面具有优势的方案——基于区块链的安全需求响应管理方案（GUARDIAN）[9]。还有研究者设计了一个能源系统，采用OpenADR来保证互操作性，利用区块链技术的智能合约来提供安全、隐私保护、防篡改、可审计的可靠的灾难恢复框架，并通过案例说明了智能合约可为该系统提供有效性保障[10]。

在上述研究基础上，国内外已经有许多工程应用项目。国外的成功项目中，芬兰Fortum公司推出的一个区块链项目，通过搭建区块链能源系统，在能源局域网中建立各个主体间的智能合约模型，然后按照各主体设定的算法来实现主体间的自动响应系统提出的补偿需求。美国Bittwatt公司开发的需求响应平台，将生产商、能源供应商和智能消费商连接在一起，利用区块链建立一个基于以太坊的智能化需求响应平台，使其能更有效地以一个结构化的方式来处理需求响应业务，促进广大消费者参与到自动需求响应业务中。日本的富士通公司开发了区块链交易系统，通过电力公司和电力消费者控制用电需求，电力消费者互相交换各自的有效剩余电力；再结合区块链技术来提高需求响应控制成功率，激发更多的用户参与到需求响应计划中，从而解决消费者之间的电力短缺或过剩问题。

国内也有类似的成功案例。广东、浙江等地区开展了需求响应结合区块链的项目，例如在浙江省开展的填谷电力需求响应项目中，利用区块链技术进行负荷数据上链，以保证电力数据的安全共享。在广东省东莞市上线的实时需求响应电子凭证利用区块链智能合约技术实现流程自动化，同时对响应数据进行数据校核，实现多方互信的数据证明。宁夏回族自治区上线的区块链+边缘计算一体机，针对目前存在的一些负荷侧资源结构多样化、数据量大及安全风险等问题，阻碍负荷侧和用户侧的连接，充分发挥区块链典型特点，结合边缘计算来保证源头数据的可信度，实现负荷侧资源的接入、上传，从而提高电网资源配置效率。

综上所述，国内外在将区块链技术应用于需求响应方面已有很多典型的示范项目，尤其在综合能源领域已有众多应用案例。我国虽然在需求响应相关技术方面开展了试点，但是在商业模式、政策等方面依然不够成熟，与国外相比，能源区块链仍处于起步阶段，相关研究还待进一步完善。

2 需求响应在智能合约中的设计

负荷聚合商根据电网的调节能力，通过合约发布数据信息确保不超负荷，以此进行调度和管理用户的用电及发电权限[11]，在授权后进行发电并将数据总量上传至区块链。用户在授权后通过合约向电厂购买电量并将用电数据通过合约上传至区块链。智能合约的总体流程图如图1所示。

图1 智能合约总体流程

2.1 面向电网的智能合约设计

区块链电网中的智能合约，运用区块链去中心化没有管理者的特点[12]，电网与用户直接进行交易。建立好智能合约后，只在需要运行时被调用，同时通过区块链共识机制、非对称加密算法确保交易的安全可靠性。

在电量交易过程中，购电用户基于电网所提供的智能合约进行调整报价，并将消息反馈至区块链平台；售电方获得授权后获取在区块链平台中智能合约交易信息，并按合约顺序进行售卖。在交易开始时，购电用户请求交易，双方进行交易确认，确认后交易达成共识，否则重新交易直至达成交易或结束交易。达成交易的智能合约数据上链且不可更改[13]，购电用户就合约上规定的价格进行支付，支付完成后资金转移给售电方，并将购电量转移给购电用户。

2.2 面向负荷聚合商的智能合约设计

负荷聚合商对需求响应资源和电力发电系统进行有效管理，从而实现电力市场稳定有序运行[14]。电网与个体发电用户的发电量整合在一起，形成总电量，统一管理、售卖。负荷聚合商引入的区块链智能合约设计对电力市场有如下积极意义。

（1）对于大多数个体发电用户来说，引入区块链智能合约前，直接参与电力市场获得的收益并不理想，零售电力只能签订电力购买协议零散出售，同时签订的协议面临被篡改的风险，不仅收入来源单一，而且无法参与电力市场竞价。引入区块链智能合约后，个体发电用户可在获得负荷聚合商授权后进行发电，并将数据总量上传至区块链，参与到电力市场中，智能合约保证数据总量和协议不会被篡改，同时使得个体发电用户能在电力市场竞价，收入来源渠道增加，有效提高了个体电力用户响应电力市场号召的积极性。

（2）负荷聚合商作为电力市场的第三方整合者，可通过智能合约整合个体发电用户与大型发电企业的发电量，缓解大型发电企业的供电压力。个体发电用户直接参与电力市场的售电议价能力差，而大型发电企业的负荷压力难以有效缓解。通过引入负荷聚合商参与市场交易，将两者在合约上的整合数据信息上链，可以提高个体发电用户议价能力并降低大型发电企业负荷压力[15]。

（3）负荷聚合商不仅可以同时与多个个体发电用户签订智能合约，保障所有发电用户的电力交易，还能在区块链上查看被利用的电量。电力市场运营者无需单独面对个体发电用户和负荷聚合商，只需授权在区块链智能合约上查看合约信息、了解整体售电数量，再进行统一售卖，使得电力信息有效交互，售电效率更高[16]。

2.3 面向居民用户的智能合约设计

利用区块链智能合约技术将居民用户与电网直接联系起来，可以保护双方利益，形成共赢，使资源得到有效利用[3]。居民用户区块链智能合约有如下积极意义。

（1）通过区块链，居民可事先将负荷量和期望的补偿价格上链，待有负荷需求时，在达成一致的条件下签署合约，且交易不会被篡改[17-18]。

（2）居民用户从区块链读取智能合约约定的负荷削减，以满足电网运营商的要求，用户和电网公司在交易时间进行电量传输，然后利用智能合约调取实际发/用电量，交易第二天市场运营商触发智能合同，检查用户的消费是否符合电网运营商的要求。如果用户的负荷调节符合要求，智能合同将用能量代币对其进行补偿。

（3）智能合约形成后，无需交易中心处理，居民用户与电网直接点对点交易，有效节约交易成本与时间，使交易简单透明[19]。

3 需求响应在电力分布式交易中的设计

为维护交易的公正、公平性，区块链分布式交易对所有用户开放信息，使得所有人员都可以随时上线参与交易，获悉交易的全过程[20]。各交易者之间可以实现透明的信息共享，不受访问限制，及时掌握交易期间信息资源的变换，及时调整策略，迅速达成交易，并且具有较高的安全性。需求响应与区块链结合下的分布式交易过程如图2所示。

图2 需求响应与区块链结合下的分布式交易过程

3.1 电力分布式交易的过程和关键技术

电力分布式交易流程包括信息发布、交易组织、市场出清、交易结算、信息存储五个步骤，具体交易流程如下。

（1）信息发布：对所有安装了区块链客户端的智能电表用户及发电商进行信息发布，并统计参与人员的信息。

（2）交易组织：利用区块链快速查询参与人员交易的相关交易内容，如：交易电量、交易时间及交易价格等，公布最后结果，查看是否同意继续执行。

（3）市场出清：所有授权人员均可在区块链上查看数据交易信息，在集中出清模式下，无需匹配交易双方，而是等交易价格确认后再进行匹配。双方都同意的情况下，才出清各次交易结果，并上传至双方签订的智能合约中。

（4）交易结算：区块链对已匹配交易的双方进行结算，结合智能电表上记录的数据与约定的规则实现资金的正常转移。

（5）信息存储：对交易后的结果利用加密技术进行保存，保证信息既安全可寻又不会被泄露。

3.2 需求响应分布式交易的过程

需求响应技术作为电力负荷调节的关键手段，应用于分布式交易中会产生如下优势：降低交易成本、交易形式多样、需求响应更加快捷高效、及时调整需求与供应量等[21-23]。结合电网的交易目标和行为，价格型需求响应分布式交易的特点为：电网可按照正常电力分布式交易流程与用户进行电量负荷交易，电力用户参与需求响应业务的过程会受到电价的引导；电力用户可将负荷转移到电价低的时段进行优化调度，在电价高的时段参与电网的需求响应，并可获得奖励，同时用区块链完成记账。激励型需求响应分布式交易的特点为：电力用户根据与电网签署的经济补偿或电价优惠参与电力系统需求响应，削减负荷，并进行电力交易[24]；通过区块链链上交易行为改变以往激励型需求响应需要一定时间来进行响应的方式，用户从链上直接获取负荷削减信息，签订智能合约参与需求响应，减少大量繁杂步骤，节省了时间。

4 需求响应在AI自动合同匹配机制的设计

合同的商定、起草、检查、确认是传统交易必不可少的步骤，其中合同的撰写、检查、确认等需要多人参与审核签字，容易造成填写错误，使其他流程出错的概率也大大增加；针对不同类型用户的合同不一样，需要人工修改甚至重新撰写，不但浪费时间，而且极易出错。同时，已签订的合同也会因保存看管浪费大量的人力、物力。基于区块链的AI自动合同匹配机制可以有效避免上述问题，而且可以通过对用户用电行为相似度的分析和研究，提炼具有相同标签数较多的特性，对用户进行归类，对发供电计划进行调整，引导客户参与需求响应[25]。

参与需求响应的小型电力用户和大型工商业用户将可调节负荷信息注册上链，区块链数据库信息序列表为所有信息的核心收集区，能够利用区块链的溯源功能对数据库的数据源信息进行追查[26]。当电网需要进行负荷削减时，区块链数据库以此信息为依据，利用AI自动匹配机制匹配可调节负荷用户与电网签署智能合约，再通过负荷聚合商和电力服务机构对用户和电网信息进行调节优化，达到信息完备。匹配流程如图3所示。

图3 AI自动匹配流程

首先根据智能合约的相关属性代码和方法代码编写相应的智能合约程序，并将编写好的智能合约保存在模板中生成合同，再根据合同信息在区块链中调取合同双方信息，最后按合同约定内容进行负荷调节。

5 结语

本文通过分析区块链技术在智能合约、电力分布式交易、AI自动合同匹配机制等方面的运用，为电网运营商、市场运营商与用户群之间数据保存和管理问题、获取用户信息和追溯困难问题、交易复杂和合约保存丢失问题提供了解决思路。区块链技术的利用可以提高需求响应在电力市场交易中的透明度和效率，未来将区块链技术与其他技术结合起来，有望创建一个基于需求响应电力市场的应用系统。