基于区块链的小型光伏电站电力双边直接交易场景应用研究

汤涤非,董晨景,王海超,江海龙,李永波,何 川

(安徽电力交易中心有限公司,安徽 合肥 230041)

据统计,截至2021年初,全球共有128个基于区块链的电力交易平台。区块链技术与电力交易场景的结合,可有效解决传统电力交易模式的瓶颈问题,但现有文献中的众多方案均为理论探讨,多数项目仍处在早期研究开发阶段,受到集成示范应用、网络安全与容错性、传统理念冲突、标准化操作等问题的困扰[1]。然而区块链已成为时代技术,其发展应用是大势所趋。本文从区块链入手,根据双边直接交易场景的应用特点,提出针对性的应用系统架构,从代币的价值设计,交易机制,代币流、现金流、电量流的流转,物理约束与调度机制等角度,探讨电价函数、购币兑换函数、盈利函数的构造形式,分析了该系统架构面临的挑战并对未来进行展望。

1 小型光电站双边直接交易现状

2010年后,全国新建立了数以万计的村级光伏电站[2],表1所列为2020年1—6月进行投标或在建的小型光电站项目。本文针对小型光电站电力并网定价与双边交易价格差的问题,以分布式小型光电站系统为交易主体,探讨基于区块链技术的双边交易结算机制[3-4]。

以山东省为例,截至2020年已建成1.2万个光伏电站,累计上网电量为57.8亿kW·h,如何有效、高回报地利用这些电量成为电力交易的一项重要研究内容。2020年4月2日,国家发改委发布光伏上网电价,Ⅰ～Ⅲ类资源区集中式光伏电站指导电价为0.35、0.40、0.49元/(kW·h),余电上网分布式光伏补贴0.05元/(kW·h)。相较于居民平均用电最低电费(0.550 3元/(kW·h)),光伏售电电价普遍较低,为电力交易主体双边直接交易提供了可能。

2 区块链在小型光电站电力双边直接交易场景中的机电结构和应用架构

小型光电站常规售电模式为并网销售,该模式为典型中心化模式,发电方与用电方以电力局或电力交易中心为核心,资金流、信息流、能量流在交易中心汇聚,信任依赖度强,宕机风险高,缺乏市场机制制约,无法形成有效竞争,对市场参与主体激励作用不明显。本文提出基于区块链的双边交易机制,使每个分布式小型光电站(发电方)、周边用电单位(用电方)直接参与其中。图1所示为小型光电站机电拓扑结构,采用Arduino内嵌单片机度量电量,并实现基于USB通讯的数字信号接收与传输。图2所示为区块链在小型光电站电力双边直接交易场景中的应用架构,包括4层和3方,4层分别为DAPP(decentralized application)层、智能电表层、区块链层、配送层;3方分别为发电方、用电方和售电方(电力交易中心)。发电方拥有发电权上链、增发申请、减发申请、查询等4个权限。上链提交后,经DAPP进行资质审核和可发电量审核,最终授予发电权,实现上链。该环节涉及发电权认证,需调用智能合约函数,代币从发电方向电力交易中心流转(认证费)。增/减发申请和查询申请未涉及链上操作,只在智能电表端产生最高可发电量更改、可售电量查询和预售电量查询等。售电是发电方的主要业务。通过发电权认证和可售电量约束,挂网交易,价格匹配包括竞价和双边自由匹配。交易电价包含交易价格、政府补贴和电力并网过网费等,交易信息包含用电方地址和被出售电力量。结算机制和代币含义将在以下章节阐述。

图1 小型光电站机电结构模型

图2 区块链在小型光电站电力双边直接交易场景中应用架构

3 区块链在小型光电站电力双边直接交易场景中应用

本文采用Ganache本地以太坊环境,其加密算法为SHA256和椭圆曲线加密算法[5],数字签名和验证机制采用椭圆曲线数字签名算法[6],数字钱包为保管私钥、公钥和地址的集成软件MetaMask。

3.1 代币的价值设计

代币在小型光电站电力双边直接交易中可以有两种价值模式,分别为:1)代币表征发电的过程,即去中心模式;2)代币代表数字货币,即弱中心模式[7]。本文采用模式2)即弱中心模式。弱中心模式可实现同现金的定汇交易。购电方通过充值的方式购买交易中心代币,用代币进行交易结算,区块链与智能电表交互,区块链中每减少1个代币,按现金折算比例,在智能电表中增加相应的可用电力数。发电方产生的可用电量记录在智能电表中,每收到一个代币,减少相应的电量,最后在电力交易中心进行代币兑换。现金的交易过程为购电方向电力交易中心购买代币,电力交易中心给发电方兑换代币,电力交易中心由传统的交易、结算中心变为只结算,交易则依托区块链和智能合约自助进行。

3.2 交易机制与电价函数设计

如图3所示,交易机制主要包括竞价匹配和自由匹配。竞价匹配是发电方将可售电量挂网,购电方呈现的是Peer to Peer电价,由电价函数可知,电价包括发电方报价、政府补贴和过网费等。其中报价由发电方自主决定(在政府带量采购指导价的基础上浮动),政府补贴是定值,过网费由基建和配电距离决定。购电方根据购电需求进行双向竞价匹配,匹配成功后由购电方向发电方提出交易申请,并提交Ethereum代币转账,发电方通过数字签名(r,s)校验,校验通过后将交易信息传播到各网络节点进行网络校验,交易达成后发电方的代币增加,智能电表的电量减少;购电方代币减少,智能电表可用电量增加。自由匹配一般发生在邻里之间或同一个社区内、同一个变电站内,因彼此私交而产生的交易,自由交易匹配后进行代币转账、数字签名校验、网络节点校验,实现交易过程。交易电价函数如式(1)所示。

图3 小型光电站电力双边直接交易的2类机制

(1)

式中:DP为成交电价,BP为交易定价,GS为政府补贴,WCs为过网费,k为系数,SP为政府采购电量的标准定价,d为运输距离,A为交易电量,n为电力配送中理论上应跨越的变电站数量,t为变电站转化收费率。

3.3 代币、现金、电量流转与购币兑换函数设计

图4所示为代币流、现金流、电量流的流转机制。

图4 代币流、现金流、电量流流转机制

购币函数:

x=(Y-F1)/H1

(2)

兑换函数:

Y=H2(x)-F2

(3)

式中:x为持币量,Y为现金,F1和F2为交易手续费,H1和H2分别为购币和兑换比例。

3.4 物理约束与调度机制设计

可售电量(total sales amount, TS)受智能电表约束,智能电表可实现现有电量统计,发电量预测和自用电量预测二者差值为可售电量。其中发电量预测受发电功率、天气状况、光照强度和时长等约束,自用电量预测受环境、天气、使用习惯等约束。可购电量只受持币量约束。

调度模型中交易双边与电力配送双边的不对等性:从配送效率考虑,同一变电站内的电力交易效率最高,成本最低。但交易双边往往存在长期合作或亲朋交易等现状,参与交易的双边可能不在同一区域,交易的便利与配送的效率产生矛盾。作为交易模型的物理约束之一,本文提出交易与配送分离控制,交易模式为自主选择(约定区域,如固定地理区域或固定间隔变电站区域),配送模式为区域配送,实现交易与配送脱离,解决不对等性问题。

3.5 交易中心盈利函数

作为传统交易、结算中心的电力局、电力交易中心等机构,在区块链交易模型下主要承担代币与现金的兑换结算责任。虽然结算兑换的过程中也会出现现金持有者与代币大户甚至与发电方直接进行双边兑换,该种现象是区块链金融交易价值的体现,是必然会发生的,但作为政府、监管单位,交易中心等机构仍会承担90%以上的通兑、兑换业务,维系着整个系统的安全运营。此外,还要承担电力调度指挥中心和电力配送基建保障的责任。电力交易中,交易匹配为表,结算出清为里,电力调度是核心,电力配送是基本保障。

电力交易中心交易过程中的电力交易中心盈利函数E为:

E=WCs+F1+F2

(4)

4 算例研究

以某8Peer节点为例,模拟4个小型光伏电站(统一和双边并存)和4个有代表性的民用个体(分别为平均每小时用电量为1 kW·h的家庭个体、5 kW·h的物业用房、50 kW·h的单元楼和200 kW·h的小型社区,即A1=1/4,A2=5/4,A3=50/4,A4=200/4),系统电压幅值上、下限为±0.07 p.u.,电能传输跨度和拍卖报价时间跨度同步,为15 min,可交易电量TS为给定值;交易的盈利函数E暂不考虑配送成本和跨区域交易成本,按固定0.1元/(kW·h)计;政府统一并网采购价按I类资源区集中式光伏电站指导0.35元/(kW·h)计;分时售电价目表见表2。

表2 分时售电价目表

全天共计96个交易节点(小型光伏电站交易周期为15 min),区块链平台会记录每次小型光伏电站交易出清后各个时段的交易价格,客户可根据售价调整自己的出价。4个小型光伏电站节点作为产销者,可售电;4个民用节点作为消费者,可购电。表3为关键参数设定,全天购售电平均单价情况统计结果见表4。据分析,双边直接交易相较统一交易市场交易,实现消费者降低成本,产销者提升利润的总体态势,消费者全天平均降低购电成本9.33%,产销者实现全天平均售电利润增加17.14%。

表3 关键参数设定

表4 统一交易与双边交易对比

5 面临的挑战

区块链技术在成为真正的主流技术被广泛应用之前,仍有一系列问题亟待解决[8]。

1)本文平台为Ethereum,无法实现代币产生、消亡同电量的形成、消耗的一一映射,而美国的EverGreenCoin私有链已经实现该功能,此为本文面临的主要挑战之一。

2)网络安全与容错性。可预见的小型光伏电站交易系统在开发和应用的过程中必将受到众多网络攻击,如何有效避免数据从分支网络、源头被篡改,保证数据上链的真实性是首要任务,因此整网系统的容错性是系统长期稳定运营的重要保障。

6 结束语

基于区块链的小型光伏电站电力双边交易优势在于:

1)利用市场机制,为交易双边带来盈利。发电方合理售电,增加创收;用电方可购得低于市场定价的电量,降低用电成本。

2)智能合约的不可篡改将大大降低区块内各方的信任依赖,提升业务决策能力,减少各部门协调成本,缩减完成事务的时间。但公有链约束以及串行组件的网络安全、容错性存在的风险也不可忽视。

未来区块链在电力交易领域的研究方向为:

1)多场景应用研究。分布式电力交易系统会有众多应用场景,包含绿证交易、电力载体交易、电力资产交易、电力仓单管理等,基于区块链的多场景应用,将成为研究重点。

2)多链协同、跨链流通。小型光伏电站电力双边交易区块链,同现有区块链以及未来会产生的多场景区块链之间的多链协同、跨链流通也是未来研究的重点之一。