基于区块链的电力需求响应交易机制研究与实现

尤宏亮，赵哲源，刘建戈，戴 欣，赵建洋，单劲松，孙成富

（1.国网江苏省电力有限公司 淮安供电分公司，江苏 淮安 223001；2.淮阴工学院 计算机与软件工程学院，江苏 淮安 223002）

0 引言

2021年第三季度，中国部分省份出现了“电荒”现象，各地纷纷启动拉闸限电措施应对电力缺口。同时，各地电力公司也及时发起了需求响应［1］（demand response，DR）行动，号召能耗大户主动消减用电负荷，积极应对电力需求的不平衡，削峰填谷、保证电网平稳运行。需求响应是指用户对价格或者激励信号做出响应，并改变正常电力消费模式，从而实现用电优化和系统资源配置的需求侧技术手段，够有效解决局部电力供需紧张的问题［2］，并为电力系统经济、安全、稳定运行提供新的调控手段。

目前，集中式需求响应交易方案存在市场交易机制缺失，用户侧能源市场参与度不够等问题。2020年8月，国家电网有限公司发布《国家电网有限公司电力需求响应工作两年行动计划（2020—2021年）》，要求完善多主体售电市场，积极探索用户参与的需求响应交易模式，以价格和激励手段促进供需平衡，提升能源利用效率。

然而，需求响应在实施过程中也暴露出以下明显的问题。

（1）响应电量计量和结算不够透明。传统的电网公司主导的集中式交易、结算模式存在诸多问题，如交易结算的流程过长、结算响应不够及时、电价不够灵活等。为了解决这些缺乏信任的沟通机制问题，需要研究建立具有分权化、可追溯、交易透明、不可篡改的区块链交易核心模块及其架构。

（2）市场机制不够灵活。智能用电新业务与电网各主体之间采用确定的计划服务对多主体多元的激励不够，缺乏兼顾多主体融资渠道、盈利模式、价格机制和利益分配的市场机制，进而影响智能用电新业务的发展。

（3）需求响应难以形成有效市场监管机制。随着电力现货交易试点、调峰等辅助服务市场建设进程的不断推进，我国电力需求管理也将逐渐由政府主导的行政行为转变为由市场主导的市场行为，但目前监管中对业务需求、投入成本、业务收益、风险成本等市场行为缺乏有效的需求响应评价和监管机制，甚至对主客观数据被篡改都难以追溯和鉴定。

区块链具有可分布式处理、可追溯、交易透明、不可篡改等特性，可解决需求响应中市场交易的技术架构、竞价机制和信任监管等问题。本文将通过研究基于区块链的需求响应交易模式，建立基于区块链的需求响应信息发布流程管理机制，设计需求响应合同链上签订流程，提出电力市场环境下基于区块链的多时间尺度需求响应竞价机制、响应效果评价和市场监管方法，简化需求响应交易清结算流程、保障需求响应市场交易的低成本、高效率运营，实现电网公司与用户的友好互动。

1 国内外相关研究

电网需求响应系统旨在利用价格或激励手段，解决局部电力供需紧张的问题，有效保障电网的平稳运行［3—4］。

在欧洲，为了削减高峰负荷，保障电网平稳运行，苏格兰于2011年10月，尝试搭建了首个电力设备自动需求响应试点，应用了需求响应自动服务器和负荷控制器等技术设施，获得了广泛关注［5—6］。随后，挪威也开展了需求响应的初步探索，试验结果证明，利用智能电表和远程负荷控制设备可削减挪威4.2%的峰荷。

文献［7］提出了一种计及共享储能和低碳经济调度的配网需求响应方法，构建了面向配网需求响应的低碳调度模型。文献［8］提出了一种考虑新能源出力的需求响应优化方法。文献［9］引入价格型需求响应，在考虑综合成本最优的前提下，构建计及价格型需求响应的风-光-光热联合发电系统优化调度模型。这些方法都以需求响应为辅助手段，实现电网的优化调度。

这些传统的集中式、中心化的优化手段，难以运用到大规模、高效率、低成本、新能源广泛参与的需求响应场景中［10］。要实现弱中心化的分布式需求响应交易，系统需要解决身份认证、可信保障、激励机制等问题，实现交易数据的透明、真实可信。区块链作为一种将密码学和分布式计算、存储相融合的分布式记账系统，将有力保障交易的不可篡改性、可信性和可靠性［11］。

国内外专家、学者联合电力企业，对基于区块链的去中心化技术的需求响应交易系统展开了积极探索。2003—2007年夏季，美国加州启动了一项具有竞价功能的电力需求响应项目［12］，吸引了多种类型的电力用户广泛参与，该项目通过动态调节尖峰电价达到了削减尖峰负荷的目的，平均削减量达到了7%～9%。近几年，区块链与电力系统结合的研究主要聚焦在交易结算、电能计量、电力数据共享等方向［13—15］，成果多应用于电动汽车充放电方面，电力调度，能源管理以及需求响应系统设计［16］。

目前区块链在需求响应方面的应用研究主要集中于解决身份认证和交易信任问题［17］。与以往的研究不同，本文将区块链技术融入需求响应整个过程，提出系统设计和实现的整体架构和处理过程。

2 基于区块链的需求响应交易

2.1 基于区块链的需求响应交易层次模型

首先，分析需求响应业务流、信息流及处理流的特征，融合区块链技术确定参与交易的各主体的供需信息发布、交易价格形成、合同的签订、交易监管等环节的关联；其次，基于区块链的可追溯、防篡改等特点及智能合约原理和技术，构建透明、高效的分层供需交易框架；最后，利用区块链的防篡改、不可否认等属性，设计需求响应交易核心模块通信接口及源数据安全策略。

对分布式交易系统业务流程进行分解，把与分布式交易相关的身份认证、计量认证、智能合约等与区块链架构进行深度融合，设计基于区块链的分布式需求响应交易架构。本项目设计的需求响应交易系统层次结构如图1所示，分3个阶段：

图1 需求响应交易层次模型Fig.1 Trading hierarchy model of demand response

（1）信息发布及竞价阶段：首先，电网公司发布需求侧响应的总负荷及时间，通过资格审核的电力用户（负荷聚合商或高能耗单位）与储能商提交响应请求；然后，根据双方的报价、国家定价、波动范围及激励因子，通过竞价形成一致交易价格，用户在应用层达成交易意向，即在该阶段已经完成了买卖双方的匹配。

（2）交易阶段：基于区块链电力交易模型分析了发电单元、配电方、储能单元、电力用户等主体间的关系。各主体发布的供需信息、签订的供需合同无需经过中间的权威机构认证，系统保证交易数据具有防篡改、不可否认等属性，区块链的密码学原理可以保证交易信息具有上述性质。基于区块链的可追溯、防篡改等特点及智能合约原理和技术能够支持建立透明、高效的电力供需交易模型。

（3）结算阶段：交易完成后（即电力交付后），供需双方的匹配信息及交易记录数据传送给区块链，然后对该批交易进行结算，最后触发智能合约，完成资金由用户侧向供方的自动转移。在交易结算过程中，需要以共识机制、智能合约、密码学等区块链核心技术为基础。

2.2 基于区块链的需求响应交易流程

如图2所示，基于区块链的需求响应系统交易流程包含需求发布、响应提交、身份验证、交易结算、交易监管等环节。根据电网负荷预测，电网公司发布需要消减的负荷需求，并提交给交易系统；能源局监管系统负责制定交易规则，对交易的过程进行监管；交易完成，消减负荷得到证实，电网公司结算系统启动结算过程。方案考虑了电力监管机构的监管环节，设计了符合电力监管规则的区块链智能合约。在交易各环节，系统为所有用户设计了个性化的智能合约，合约处理流程为可触发自动执行的程序代码，具体产生的数据则存储在区块内，可实现需求响应数据和操作的可信、可追溯。

图2 基于区块链的需求响应交易流程Fig.2 Demand response trading diagram based on blockchain

在需求响应交易系统设计中，所有负荷集成商、普通用户和储能用户均可参与市场交易，系统提供了可靠的计量认证技术，且所有计量数据上链进一步保证了计量数据的可靠性，可追溯性。智能合约确保了市场参与方所有人的公平性。在充值和结算环节，由电网公司统一接口进行充值，结算时回收链上账户内的资金后，再向绑定银行卡支付。

区块链2.0中可编程框架和脚本可用于分布式发电业主与用户合同签订，合同不再是纸质合同，从而可以避免人为恶意行为对合同正常执行的干扰。区块链中信息公开透明且真实可信，能保证分布式交易过程的信息安全与可信，并通过公共验证机制保障数据可信度。

面向电网调峰的需求响应系统整体设计方案涉及电网公司、新能源发电商、负荷集成商等参与主体，包含用户注册、验证、积分结算、发放等环节。方案考虑了实际响应力度和需求力度间的校核等问题，设计出智能合约执行的全过程。系统为所有用户提供定制化智能合约。合约详细数据存储在链上分布式数据库中，可实现需求响应的全追溯。

2.3 面向需求响应的竞价机制

本节设计考虑隐私信息安全与市场竞价公平的需求响应竞价投标方式，构建计及多时间尺度的需求响应竞价交易体系，提出基于区块链的多时间尺度需求响应竞价交易机制。结合激励机制，综合考虑响应量、响应速度、响应持续时间、响应频率，利用线性规划模型将竞价机制转化为优化目标函数，最后启发式优化算法求解数学模型，达到多方价格均衡，完成电力供需交易。

（1）电网公司的优化目标

作为国家电力建设、维护部门，电网公司的目标是保证电网整体系统的平稳运行即供需平衡，鼓励发展绿色能源，同时寻求合适时段的最优补贴价格，以最小化因需求响应而产生的损失收益。设P为该时段需求响应的功率总额度，T为响应时长度（时长影响定价），Cg(t)为t时刻的损失，P(t)为t时刻正向需求的响应功率差。平衡条件为

式中：R为波动范围因子，允许总响应功率在［P-R,P+R］波动；(t)为t时刻电网公司实际消减的负荷；Q(t)为t时刻实际消减负荷的价格；S(T)为时间系数，即不同季节、不同时段对需求响应价格的影响因子。

（2）需求响应用户收益优化目标

作为用户（包含负荷集成商），主要是为了获得响应削峰、降低负荷带来的补贴及激励。设普通用户收益为。需求响应用户收益优化目标为

式中：ΔPi(t)为t时刻普通用户申报响应的负荷；ΔFi(t)为t时刻响应的负荷允许在限定的范围内的变动；Qi(t)为t时刻消减负荷的理想价格。

（3）储能用户的优化目标

对于储能用户来说，将预期响应的电力提交到交易市场，期望获取最大的收益。在实际响应过程中，会出现储能不足或者储能充足的情况，储能不足时需要向电网购买电量，储能充足时可参与竞拍和需求响应。在不同时间尺度，所售（购）电力价格受激励机制影响。设能源的收益为，即响应负荷获得的收益与其将多余电量卖给普通用户或者电网公司出售电量获得收益的差值公式如下

式中：ΔPi(t)为t时刻储能用户实际响应的负荷；Qi(t)为t时刻储能用户响应负荷的价格；ΔPi(t)λQi(t)为正常情况（不存在需求响应的时间区段）下产生的收益。

（4）约束条件

电网公司、用户在竞价过程中，对各变量的约束如下

2.4 基于区块链的需求响应市场监管机制

为了确保交易申报、出清、结算等各流程符合政府政策、行业规则及电网运行规律，提升监管效率与权威性，依托区块链分布式账本和数据认证功能，建立用户需求响应效果评价体系，评估需求响应实际效果，对用户需求响应进行评价和惩罚。

监管规则转化为智能合约，实现监管的自动化如图3所示。供需用户之间通过多主体电力供需交易平台互相交易，同时交易平台与电力公司交互物理流信息，校核其安全性，最终交易的结果分布在区块链上的智能合约内。交易平台将电力供需交易私有链部署在电力监管机构服务器上，搭建出一套功能完善、便于管理的、去中心化能源交易平台，实现用户侧交易，信息查询等功能。

图3 基于智能合约的需求响应交易监管Fig.3 Demand response trading regulation based on smart contracts

3 平台建设及实现

在一个孤岛型微电网对本文提出的基于区块链的需求响应技术方案开展试验，综合利用区块链和泛在电力物联网技术建设智能、便捷、高效的需求响应系统，实现供电方、需求响应系统和用户的点对点无缝对接、智能联动。

（1）Hyperledger Fabric联盟链需求响应交易平台：分布式需求响应交易平台实现价格可控的供需自动交易，完成区块链数字签名、密钥管理及计量认证。供电侧根据负荷监控系统的需求和电力供需趋势发布需求响应请求，供用户通过APP、Web等软件选择购买。在用电侧，如净化水装置、充电桩、住户、路灯、养殖等，电网智能合约为供需双方提供交易规则，实现点对点的自动交易，保存不可篡改的交易记录，完成费用支付。交易平台实现通过激励机制，如积分、奖励等，来鼓励用户在恰当的时段选择合适的电力形式及用电量，过程如图4所示。

图4 需求响应试验系统处理流程Fig.4 Process of demand response test system

（2）本文利用Hyperledger Fabric联盟链平台及Go语言实现了后台交易逻辑处理。以24 h为周期，在11：00的用电高峰期，出现30 kW的用电缺口，电网公司发布负荷消减需求，各用户单元，根据定价模型和补贴规则制定价格。比如，对于储能单元来说，购电的价格不应该高于0.420 585元/kWh，否则收益较小；而对于负荷聚合商来说，低于这个报价，就不会获取高额的利润。用户在一天中需要的功率变化如图5所示，图5中列出了2个用户的需求趋势，其他参与用户需求功率曲线用高斯分布仿真，其峰值出现在10:00到12:00之间。

图5 用户在24 h中的能耗功率变化趋势Fig.5 Users’power change within 24 hours

依据2.3节竞价机制的描述，该问题可归结为多目标优化求解问题。利用蚁群算法求解各用户的优化目标函数，本算法设置最大的迭代次数为140次，在竞价区间随机产生的蚂蚁个体数量为35。运行算法在计算参与需求响应各方达成的合理价格，如图6所示，随着迭代次数的增加，价格抖动不再剧烈，越接近于达成一致价格。迭代次数结束时，各个对象收益（代价）曲线趋近于平稳。

图6 需求响应交易竞价目标函数仿真结果Fig.6 Simulation results of demand response trading bidding objective functions

在加入需求影响补贴后，由于补贴的价格与售电价的平方有关，蚁群算法在非线性求解有着优异的表现，普通用户购电的价格不再是无限渐近上限，而是呈现着一种波动的形式。这同样消减了供需差额，使得需求向着更加平稳的趋势发展，并且通过调整了蚁群算法信息素的挥发公式后，算法在计算24 h内的最佳值有着良好的表现，价格抖动不再剧烈。越接近于迭代次数结束时，各个对象收益花销曲线趋近于平稳，最终达成一致交易价格。

（3）“影子中心”交易监管模式：把分布式需求响应相关的身份认证、计量认证、智能合约、设备状态等与区块链架构进行深度融合，设计“影子中心”交易监管模式。系统区别于完全去中心化的区块链系统，在云中心设置代理区块节点，建立“影子中心”监管机制。这种基于“影子中心”的结构是一个既适合目前中心运营管理形态，又可以在电网内部中实现高效分布式交易的新业态。这种探索性运用能为区块链技术找到切实可行的落地项目，具体表现为，岛内的所有净化水装置、充电桩、住户、路灯、养殖等用户均可参与需求响应交易，系统提供了可靠的计量认证技术，所有计量数据上链进一步保证了计量数据的可靠性，可追溯性。智能合约确保了市场参与方所有人的公平性。在充值和结算环节，由电网公司统一接口进行充值，结算时回收链上账户内的资金后，再向绑定银行卡支付。

（4）云计算交易管理、最优化高度与状态监测：微网的分成边缘计算与云计算，包括区块链在内的各种物联网终端负责实时性要求高的单点设备控制、状态监测等由终端负责边缘计算；而点对点的竞价、合约等交易由区块链完成；涉及全网的调度优化、状态监测、故障定位等则由云计算完成，云计算包含有主成份优化调度。

通过孤岛型微网试验表明：该系统支持多种类型需求响应主体场景，使需求响应竞价体系具有智能化、自动化等特点，其研究成果对于区块链技术在电力系统中的推广应用具有借鉴价值。

4 结束语

本文提出了一种基于区块链的综合需求侧响应交易模式，构建了基于区块链的综合需求响应交易系统架构，并设计核心模块。本文建立基于区块链的需求响应信息发布流程管理机制，设计需求响应合同链上签订流程，提出电力市场环境下基于区块链的多时间尺度需求响应竞价机制、响应效果评价和市场监管方法，简化需求响应交易清结算流程、保障需求响应市场交易的低成本、高效率运营，实现电网公司与用户的友好互动。