配额制背景下基于区块链的可再生能源电力追踪方法

王骐鑫，卢保通，王蓓蓓，王海伟，陈 晨，陶 承

（1. 东南大学电气工程学院，江苏省南京市 210096；2. 东南大学软件学院，江苏省南京市 210096；3. 国网安徽省电力有限公司合肥供电公司，安徽省合肥市 230000）

0 引言

为了提升以光伏、风电等为代表的可再生能源的消纳比例，绿色证书（简称绿证）交易制度作为可再生能源配额制度的配套政策被各国接受。中国于2017 年正式施行绿证制度，市场建设尚处于初期阶段［1］，从目前运行情况来看尚存在如下问题：首先，绿证交易低迷，截至2020 年，绿证仍未在配额责任主体侧展现出有效的购买力，通过风电、光伏所产生的绿证的实际交易量尚未达到各自总量的0.2%、0.1%［2］；其次，绿证市场建设的滞后使得配额责任主体的配额完成情况与其实际消纳量严重不符［3］，可能造成消纳量的重复计算；最后，当前国内绿证的有效性和唯一性没有官方的证明渠道［4］，对绿证的所有权属性尚缺乏有效的监管。

因此，通过绿证交易促进可再生能源消纳仍缺乏强制性考核标准［5］，且存在高昂的信任成本［6］。但是，随着潮流追踪算法及其理论的发展［7］，对可再生能源流向的追踪研究成为了可能，即通过计算配额主体可再生能源消纳的真实比重［8］，在市场监管不完善的阶段帮助监察机构溯源配额主体的用能本质，达到核实配额主体消纳占比的目的。然而，通过集中式平台构建基于上述模型的可再生能源电力追踪平台会造成数据核实困难，容易发生篡改消纳记录等问题［9］。作为一种分布式记账系统，区块链具有数据不可篡改、智能合约自动执行［10］的特点，借助智能合约实现平台运行的业务逻辑无疑是一种合适的选择［11］。

目前，学术界将区块链技术应用于配额义务考核尚处于起步阶段。文献［12］研究了分布式光伏就地消纳模式，利用区块链技术保证交易有效监管；文献［13-14］分析了在用户侧进行超额消纳量交易的机理及必要性，通过区块链部署可再生能源消纳存证系统；文献［15］将区块链技术作为底层分布式数据库，基于以太坊构建了配售电交易平台；文献［16］借助区块链技术管理分布式资源，分析微网内进行电力交易的数学模型，构建区块链交易平台以保证交易主体决策的准确性与用电的经济性。然而，较少有文献从配额责任主体用电组成成分的角度出发，结合潮流追踪算法为配额主体的消纳结果提供定量计算模型，并借助区块链技术构建配额制实施初期的可再生能源溯源及消纳考核平台。

综上所述，考虑到配额制实施初期的实际情况，首先，本文基于潮流追踪算法得出适用于配电网的可再生能源溯源模型，并根据配额主体的电气距离构建了配额指标分配模型；其次，基于区块链技术的特点设计了涵盖可再生能源（绿电）申报、消费、追踪、消纳考核的智能合约，并部署在以太坊上以搭建可再生能源电力追踪平台。

1 基于配额制的可再生能源电力追踪

以配额制为驱动，可再生能源电力追踪可对分布式可再生能源的具体流向进行量化分析。本章介绍了目前中国实行配额制的实际情况，推导了可再生能源电力追踪的基本原理和配额义务完成情况考核方法。

1.1 配额制

配额制已在世界范围内成为可再生能源消纳的政策激励之一，是由监管机构对电力用户用电组成中的可再生能源电量占比进行约束的措施。对于未在配额校核周期内完成配额最低指标的电力用户进行一定的惩罚。配额制的目的是为了降低弃风、弃光率，提高可再生能源的消纳量。由于电力市场起步较晚，配额制在中国经历了较长时间的探索。2020 年2 月29 日，《省级可再生能源电力消纳保障实施方案编制大纲》［17］正式发布，为各省级能源主管部门编制本地区实施方案作为参考。

1.2 可再生能源电力追踪

在配额制下，可再生能源电力消纳量是考核配额制完成情况的重要依据［18］。

目前，在缺乏配套考核机制的初期阶段，通过潮流追踪的方式研究促进可再生能源电力接入的方法有一定的必要性。基于比例共享的潮流追踪方式，将配额责任主体的用电成分进行有效分解，保证负荷节点用电成分分摊的有效性与合理性，为在用户侧进行可再生能源电力消纳提供依据，为配额责任主体的实际可再生能源消纳量提供一种定量计算模型。可再生能源电力追踪是配额制的重要支撑，配额制是进行可再生能源电力追踪的实际需求。

1.2.1 可再生能源溯源模型

考虑到现有的潮流追踪模型大多针对输电网进行潮流分析［19］，而输电网中由于电阻与电抗的比值较小，电网的有功损耗可以忽略不计［20］，故采用直流潮流模型可以在保证精度的前提下得到具备冷启动能力的线性化模型。但是，考虑到配额责任主体大多通过配电网消纳可再生能源，采用基于输电网的潮流追踪模型进行绿电溯源会造成溯源结果不精确，影响最终考核结果。因此，本文参考文献［21］，基于线性化中低压网络潮流模型推导适用于配电网的可再生能源溯源模型。

式 中：Pij为 支 路ij的 有 功 潮 流；Rij和Xij分 别 为 支 路ij的电阻和电抗；Vi和Vj分别为支路ij的首、尾节点电压模值；δij为支路ij的首尾节点相角差。

由于式（1）、式（2）采用了具有冷启动能力的线性化模型，与适用于输电网的直流潮流模型相比不会增加计算难度。同时，考虑到电阻对潮流的影响，在配电网中提高了潮流计算结果。

基于以上潮流模型，可以得到适用于配电网的可再生能源溯源模型［19］。

假定节点i的注入功率Pi为：

式中：P为节点注入功率向量；PG为节点发电机功率向量；Au为反映潮流的顺流分配情况的追踪矩阵。

其 中，矩 阵Au中 第i行、第j列 元 素Au，i，j计 算 模型为：

因此，节点k处的配额主体用能结果可以通过式（7）、式（8）进行分析。

式中：PLk为节点k处的负荷功率中的可再生能源消纳量；M为可再生能源机组数目。

1.2.2 配额考核指标模型

根据可再生能源溯源结果可以计算出每个配额主体的可再生能源消纳量，但潮流追踪算法的本质决定了可再生能源溯源结果受到可再生能源机组与配额主体间的电气距离影响。如果按照配电网配额目标为每个配额主体设置相同的考核指标，无疑会造成公平性问题，使得远离可再生能源机组的主体被频繁罚款。因此，本文基于电气距离设置配额指标分配模型，根据配电网配额目标灵活配置考核指标。

式中：R为可再生能源机组集合；Ci为节点i处的配额主体的配额系数；w为配额责任主体的数量；Dsum为所有节点的电气距离之和。

式中：Qi为节点i处的配额主体消纳指标；Li为节点i处的配额主体负荷值；Tgoal为配电网的配额目标。

通过以上模型可以灵活监管配额义务完成情况。在每个核查周期内，配额义务完成主体要向可再生能源电力追踪平台提交自身的消纳量与配额完成情况，审核机构对可再生能源的实际消纳量及配额完成情况进行考核。对未完成配额要求的主体，必须根据相应政策支付惩罚金额［22］。由于配额主体的配额指标完成度是由其实际消纳量计算得出的，而消纳量则是根据配额主体的用电组成成分定量计算的，相比于通过绿证等方式进行配额考核的方式，可再生能源电力追踪的方式无须担心绿证的重复利用造成的用户配额完成情况与实际消纳情况不符合的现象，以达到通过配额制的手段提高可再生能源消纳率的现实需求。

2 可再生能源电力追踪区块链平台构建

2.1 区块链技术支撑下的可再生能源追踪过程

配额制下的可再生能源电力追踪过程涉及配额责任主体（电力用户）、可再生能源发电商、审核机构等多方面，其过程需要保证消纳量与配额完成信息记录情况的共识互信。另外，要实现配额责任主体消纳电量的生命周期可追溯，以增强消纳量存证属性的可信度，并防止同一消纳量的多次考核导致责任主体的配额完成情况与实际不符的现象。因此，借助区块链技术，搭建了可再生能源电力追踪框架，实现责任主体配额完成情况有源可溯、有理有据。利用区块链作为分布式数据库，实现分布式可再生能源发电商与电力用户之间的信息互导，本文设计了区块链支撑下可再生能源电力追踪框架，如图1所示。框架分为3 个模块：链下处理器模块、浏览器接口模块和链上数据库模块，其中，链下处理器主要实现发用电信息采集，浏览器接口模块可以通过调用智能合约提供的接口实现电力用户与可再生能源发电商数据上报，链上数据库模块则保存整个可再生能源追踪过程的数据信息。

图1 基于区块链的可再生能源电力追踪框架Fig.1 Framework of blockchain-based renewable energy power tracking

2.2 智能合约设计

可再生能源电力交易的智能合约设计应满足3 项原则：1）配电网主体均可自愿发布发（用）电请求；2）根据配电网主体提交的请求信息自动计算可再生能源电力追踪结果及配额主体的消纳量；3）智能合约执行结果并自动运行处理。

2.2.1 发用电数据预申报及安全校核

可再生能源发电商与配额责任主体在区块链平台提交发用电请求，同时向智能合约中转入一定代币作为保证金，以在配额义务审核完成之后，对未完成配额要求的配额主体进行惩罚。平台根据接收的请求信息判断线路潮流和节点电压是否会存在越限的情况。若安全校核不通过，则借助阻塞管理［23］的方式调整配电网主体提交的发用电信息，直到生成满足安全校核的发用电请求；若安全校核通过，则智能合约将发用电信息记录在区块链中，并将结果向全网广播。具体过程如下：

步骤1：市场主体通过图1 中的智能合约所提供的接口（模块2）上传自身的发用电请求，并通过MetaMask 钱包转入以太币。 智能合约中的mapping 数据类型将市场主体的发用电信息与其账户地址关联起来，并存储于模块3 中的链上数据库中。

步骤2：智能合约进行阻塞管理，计算各线路潮流变化及节点电压变化。一旦出现越限，则求取交易合同中各节点注入/输出功率对阻塞的贡献，给出各市场主体的相应惩罚因子［23］。

步骤3：各市场主体从链上读取自身惩罚因子，确定新的发用电信息，并通过端对端（peer-to-peer，P2P）网络扩散至全网，由节点打包成区块并达成共识。

步骤4：重复步骤2 和3，直至该时刻不出现潮流及电压越限。

市场参与者的信息传递方向及智能合约调用方式如图1 所示。从图中可以看出，市场主体只负责提供发用电数据，所有过程都通过智能合约来实现，保证了公开透明。

2.2.2 智能电表上传发用电数据

在智能读表阶段，智能电表将可再生能源发电商的实时发电数据与电力用户的实时用电数据上传至智能合约中，生成新的区块来记录详细情况，同时向各节点发布相应的信息。

2.2.3 可再生能源电力溯源

在潮流溯源阶段，智能合约根据可再生能源电力追踪算法自动计算出电力用户的用电组成成分，作为判断用户消纳量的一个标准，并与消纳量计算智能合约进行交互，得出电力用户的实际消纳量，自动更新用户在区块链中存储的消纳值。t时刻溯源的具体过程如下：

2.2.4 配额义务审核

在配额义务审核阶段，根据配额责任主体的实际消纳量结算配额完成情况。在区块链可再生能源消纳凭证方面，针对配额责任主体的配额完成情况，区块链生成相应的消纳存证，并将其写入各配额主体区块链账户中，通过区块链的链式结构实现消纳量的可追溯管理。对于未完成配额义务的责任主体，从其向智能合约中提交的保证金中扣除相应的代币。完成配额义务的责任主体，返还其提交的代币。

2.3 链下处理

在以太坊网络中，每个节点都需在各自的以太坊虚拟机（Ethereum virtual machine，EVM）中编译执行代码，从而产生大量冗余计算，但每个节点都必须执行该操作以验证节点提交的事务的正确性。这种方式在牺牲计算效率的同时保证了分布式网络的安全性。此外，EVM 的执行结果必须具有严格的唯一性，即所有节点针对某项事务必须得到相同的运行结果。正是这种特性使得智能合约和EVM 在实际运用中存在一定的局限性。尽管区块链技术带来了效率低、算力大等不便性，但本文对配额制责任主体的消纳考核是在事后进行的，并不强调计算的时效性，而是更侧重于事后的核查和计算。因此，对计算效率要求并不十分严格，并且本文机制执行过程可以通过链上-链下相结合的方式提高计算效率，即通过智能合约的形式实现数据上链与本地读取，并由链下处理器进行复杂的运算与逻辑判断，如图1所示。对于可再生能源电力溯源过程中涉及的复杂矩阵运算的步骤，如绿电追踪、绿电消纳考核等过程可以借助链下处理器计算，并将最终的计算结果通过智能合约提供的接口在浏览器页面提交至链上。而对于简单的数据上报步骤，如绿电预申报、绿电追踪等，则直接调用智能合约中的接口，然后通过MetaMask 钱包管理插件将数据上链。以太坊网络中的矿工收到链下计算的数据后将其封装成区块，存储在链上分布式数据库中。这样不仅减少了执行智能合约所需的gas 值消耗，而且提高了计算的速度。

2.4 gas 值

作为区块链1.0 的比特币，其创新之一就是引入了激励机制，通过奖励矿工的方式，使得去中心化网络能够稳定地达成共识。相较于比特币，以太坊对矿工的奖励除了成功挖矿的基础奖励之外，还包括执行智能合约代码所消耗的gas 值。而gas 值的设定主要起到如下作用：

1）防止恶意节点攻击：不同于比特币的脚本引擎，EVM 是图灵完备的，即可以实现循环语句，功能更加完善，但这一优势也给恶意节点提供了死循环攻击的可能性，使得矿工的EVM 面临宕机的风险。gas 值的引入使得每执行智能合约中的一行代码都需消耗gas 值，如果gas 值消耗完而程序还未执行完毕，则整个交易结果会回滚到程序执行之间的状态，以防止恶意节点的攻击。

2）补偿矿工算力消耗：矿工执行智能合约中的代码需消耗自身的算力，因此，gas 值作为对矿工的一种额外奖励，可以提升矿工挖矿的积极性，从而增大网络的整体算力，降低恶意攻击的概率，稳定去中心网络的交易秩序。

3 算例分析

3.1 可再生能源溯源结果分析

为验证本文模型的有效性，通过以太坊部署支撑可再生能源溯源及核查的智能合约。场景设置以14 节点配电网为例，配额责任主体L1、L2，配电网储能系统ESS 以及分布式光伏PV0、PV1、PV2 节点位置如附录A 图A1 所示，相关功率信息如图A2所示。

配额主体L2 是产销者，配备有一定容量大小的光伏。在平台的智能读表阶段，配额主体与可再生能源机组通过智能合约自动将实时发用电数据更新至区块链链上保存，以防止篡改。

区块链通过溯源智能合约进行链上计算得到配额主体的电能成分，并将其映射至用户地址对应的数组中，并用Event（地址、时间、用能成分）记录，以防止篡改。图2 显示了L1、L2 每小时的用电组成成分，表明通过溯源智能合约可以清晰地计算出各时段配额主体可再生能源消纳的实际情况。以太坊通过智能合约之间的通道，将Event 数据传输至消纳量结算智能合约进行消纳量计算。

图2 电力用户的用电组成成分Fig.2 Electricity consumption components of power users in a day

通过式（9）—式（12）可以得到，L1 到各个可再生能源机组的综合电气距离为4，L2 到各个可再生能源机组的综合电气距离为2。因此，假定配电网配额目标为全网负荷的25%，则各配额主体的配额目标如表1 所示。

表1 25%消纳目标下的配额主体配额目标Table 1 Quota target of quota subjects under accommodation target of 25%

通过智能合约计算可以得到L1 的实际消纳量为3 843 kW·h，消纳比为21.64%，L2 的实际消纳量为5 404 kW·h，消纳比为35.04%。附录B 图B1 展现了智能合约输出结果。

在一个审核周期内，审核机构可以调用配额义务审核智能合约进行审核，输入量为待考核用户的账户地址，当用户的配额完成度不符合要求时进行惩罚。由于灵活的配额指标模型的设计，L1 与L2不再按照统一的25%目标进行考核，L1 由于距离可再生能源机组电气距离较远，消纳目标仅需要15.57%，而L2 由于距离可再生能源机组电气距离较近，消纳目标需要35.86%。因此，在新的考核指标下，L2 需要受到惩罚，智能合约执行结果如附录B 图B2 所 示。

3.2 潮流算法对可再生能源溯源结果的影响

输电网中由于电阻与电抗的比值较小，电网的有功功率损耗仅占传输功率的6%以下。因此，基于直流潮流的潮流追踪结果的精度可以得到保证。但是，本文可再生能源溯源模型针对的是配电网，考虑到配电网电阻与电抗的比值较大的特点，设计了基于线性潮流模型的可再生能源溯源方法，并比较了其与直流潮流算法、精确潮流算法对于溯源结果的影响，结果如图3 所示。

图3 不同潮流算法下的可再生能源溯源结果Fig.3 Renewable energy traceability results with different power flow algorithms

从图3 可以发现，由于潮流算法的精度影响，会使得可再生能源溯源结果产生差异，从而影响到考核目标完成情况的分析。通过分析一整天的电力用户的消纳情况并进行对比可知，在精确潮流算法下，L1 的实际消纳量为3 805 kW·h，消纳比为21.53%，L2 的实际消纳量为5 350 kW·h，消纳比为34.98%。

表2 给出了不同潮流算法下电力用户的消纳情况对比。可以看出，相比于直流潮流算法，线性潮流算法的结果更加接近精确潮流算法。而精确潮流算法一般需要经过迭代计算得出结果，在分布式的场景下计算效率及算力明显不如集中式算法。因此，线性潮流算法对传统算法进行了改进，在保证高计算精度的同时减少了算法的复杂度，适合在区块链系统中使用，以减少对链上资源的占用。

表2 不同潮流算法下的电力用户可再生能源消纳Table 2 Renewable energy accommodation of power users with different power flow algorithms

3.3 算例对比分析

针对配额制下促进可再生能源消纳的问题，文献［6］通过引入绿证的方式进行解决，将可再生能源电力与绿证解捆，设计了绿证双边交易机制，搭建了绿证交易平台。证电分离的措施是为了保证绿证的真实环境价值和确保绿证在流通过程中的可靠性和有效性，但配额审核的流程会变得更加复杂且审核周期也相应延长。本文在附录A 图A1 所示的配电网中对电力用户进行配额义务考核，以推动配电网范围内配额制的发展。为了进行合理、有效的对比分析，首先借助区块链技术实现文献［6］所提出的绿证流通全生命周期，包括绿证核发、绿证交易、绿证核查，涉及的主体有电力用户（配额义务承担主体）、可再生能源发电商、交易平台、监审机构。其中，可再生能源发电商资质审核、可再生能源上网电量、绿证挂牌交易等17 个流程在区块链中的执行过程如附录C 图C1、图C2、图C3 所示。

考虑到审核流程的复杂性，在测试区块链上要完成绿证全生命周期的追踪需要经过248 430 个区块的确认，审核周期过长。此外，由于判断逻辑的增加，使得执行智能合约所消耗的gas 值也达到了4 373 503。而本文根据图1 搭建的基于区块链的可再生能源电力追踪平台，完成可再生能源电力追踪以及消纳量考核的流程只需经过89 692 个区块确认，执行智能合约所消耗的gas 值也减少了50%以上。可再生能源电力溯源以及配额义务考核在区块链上的执行过程如附录C 图C4 所示。表3 对比了两种区块链平台在实际执行过程中所需的确认区块数与所消耗的gas 值之间的差别。

表3 两种区块链的确认区块数和消耗的gas 值比较Table 3 Comparison of number of confirmed blocks and consumed gas between two kinds of blockchains

从对比分析可以看出，通过可再生能源电力追踪的方式搭建区块链平台，可以避免证电分离带来的绿证核发、交易等诸多中间状态，在达成配额义务考核目的的情况下，减少了考核的流程。同时，执行智能合约所消耗的gas 值也有所减少，降低了交易成本，适合在配额制实施初期各项制度还不完善的情况下应用。另外，借助可再生能源电力追踪的方式来实现配额义务的考核，可以避免证电分离之后，绿电和绿证在不同市场交易所造成的同样的环境属性定价的差异性，在源头上制止了绿电和绿证重复计算的情况。

此外，图4 展示了在区块链上通过文献［6］所提出的方式进行配额义务审核时，单位交易电量所消耗的gas 值与交易电量的关系。可以看出，在配电网中交易电量较少时，单位交易电量所消耗的gas值较多，成本较大。因此，在配电网范围内进行配额义务审核时，不适合使用绿证交易的方式。

图4 单位交易电量成本与交易电量之间的关系Fig.4 Relationship between cost of unit transaction quantity and transaction quantity

3.4 更大规模的算例应用

为验证本文方法在多节点网络中的有效性，在IEEE 300 节点网络中进行了可再生能源电力追踪，分析了25 个电力用户的消纳量及配额完成情况，结果如表4 所示。表中，“单位用电量消纳可再生能源电量”表示电力用户每使用1 kW·h 电量所消纳的可再生能源的发电量。

表4 IEEE 300 节点网络中25 个电力用户配额完成情况Table 4 Status of 25 power user quotas in IEEE 300-bus network

4 结语

本文考虑到配额制在中国实施初期，绿证等金融手段在促进可再生能源消纳方面表现乏力，研究了基于区块链技术的可再生能源电力追踪方法，对于分布式可再生能源电力的具体流向以及电力用户的用电组成成分进行了定量的分析，通过智能合约自动计算用户的实际消纳量与配额完成情况。在以太坊上搭建可再生能源电力追踪平台，利用区块链去中心化的方式维护数据的一致性与不可篡改性。通过算例比较可以看出，配额制实施初期阶段，在配电网范围内，借助绿证等金融手段进行考核存在审核流程复杂和交易成本较大等问题，而可再生能源电力追踪的方式则是从配额制的本质出发，不涉及额外的交易标的物，简化了配额考核的流程，在保证配额制实施合理的前提下，有效降低了交易过程中所消耗的gas 值，可以促进配额制由初期阶段到成熟阶段的过渡。

本文所构建的可再生能源溯源方法可以在用户侧实现对可再生能源的消纳，适用于配额制初期市场制度尚不完善的阶段在配电网小范围内实施。然而，随着配额制的进一步发展与成熟，需要研究可再生能源跨省跨区消纳，后续的研究可以借助联盟链技术设计考虑绿电市场及分布式可再生能源跨区交易的市场机制。在进行跨区交易后，配电网之间可以实现供需互补，降低配电网消纳可再生能源的成本。

本文得到国网合肥供电公司项目“多站融合区块链技术应用研究”的资助，特此感谢！

附录见本刊网络版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），扫英文摘要后二维码可以阅读网络全文。