基于区块链技术的分布式电力市场交易平台研究

谢敬东,周雪梅,王诗瑶,孙欣,孙波

(1.上海电力大学 能源电力科创中心,上海 200082; 2.上海电力大学 电气工程学院,上海 200082)

0 引 言

随着新一轮电力体制改革[1]的有序推进,电力市场建设的各方面均取得了积极进展,具体表现为电力市场建设初具规模,电力交易中心相继成立,市场化交易更加活跃。目前,全国各电力交易中心在电力市场推进的过程中发挥了积极作用,2019年组织开展的各类交易电量合计为28 344亿千瓦时。然而,目前电力交易中心还存在以下问题：1)随着能源可持续发展战略及低碳经济政策的进一步推进,分布式能源、储能以及柔性负荷大量并网,电力市场交易主体数量激增[1],导致了交易平台集中出清过程中需要处理的数据量呈指数级增长。而目前的电力交易平台难以进行大规模数据处理;2)由于目前电力交易中心组织架构的限制,交易信息难以跨区域共享,交易中心无法实现全国资源的统一优化配置。尽管电网公司提出通过建设两级电力市场实现分级优化,但由于各省级电力市场内部结构较为复杂,导致在实现全国资源统一优化配置的过程中难度较大。因此,迫切需要建立分布式电力市场交易平台,适应大规模可再生能源参与市场的需要。

区块链在能源电力行业具有广阔的应用前景,且其目前尚处于起步阶段[2]。目前,国内外已有多篇文献对区块链技术及智能合约在能源领域中的应用进行了研究[3-8]。文献[9-11]主要分析了区块链技术在能源电力方面的可行性及适用性。文献[12]研究了区块链技术和分布式交易结合的优势,并总结分析了现有的基于区块链技术的能源交易理论和实际应用;文献[13]分析了区块链技术和能源交易结合的优势,并提出了基于区块链的电力市场交易模型。

然而截止目前,区块链技术在电力交易平台中的应用还存在若干问题。文献[14]提出了一种基于区块链技术的分布式能源交易体系构架,但该构架并未脱离传统的集中撮合交易模式,且缺乏交易的自主性。文献[15]研究了基于以太坊的双挂双摘分布式电力交易模式,虽然该模式摆脱了传统的集中交易模式,满足了用户在交易中对信任、公平及隐私等方面的要求,但对于交易过程中的风险并未纳入考虑。

因此,提出了基于区块链技术的分布式电力市场交易平台。此平台可以充分发挥区块链技术去中心化、开放性、安全性等优势,从而满足电力市场多主体进行分布式电力交易的需求;平台利用挂牌交易机制,保障了市场主体自主性交易的要求;考虑了在此交易模式下电力交易风险的监管方法以及促进可再生能源消纳的绿证交易方式,以推进我国电力市场改革。

1 基于区块链技术的电力交易机制研究分析

对目前现有的基于区块链技术的电力市场交易机制进行分析,发现与所提出的交易机制存在以下六点区别,具体对比如表1所示。

表1 目前基于区块链的电力市场交易机制和文中提出的交易机制对比

1)问题由来不同：目前现有的基于区块链的电力市场交易机制主要利用区块链技术的优势搭建分布式交易平台,以解决目前集中式交易平台难以处理大规模可再生能源交易的问题;提出的基于区块链技术的市场交易机制是一种新的统一电力市场交易机制,该交易机制解决了建设全国统一电力市场需求中由于计算量巨大而难以处理安全校核下的市场出清问题。

2)出清方式不同：目前现有的基于区块链的电力市场交易机制基本采用集中出清的方式,各节点交易需要平台集中撮合;提出的交易机制采用分布式自主出清的方式,平台提供交易节点自主选择的机会,无需交易平台撮合,以降低平台交易的压力,保障交易的自主性。

3)优化方式不同：目前现有的基于区块链的电力市场交易机制采用的是分层优化模型,在省级优化的基础上,在全国范围内进行统一资源优化配置;提出的基于区块链的电力交易机制可直接进行全网统一优化,实现资源统一优化配置。

4)安全校核：目前现有的基于区块链的电力交易机制需要考虑安全校核的问题,一般利用安全校核智能合约进行潮流计算;所设计的交易机制考虑了偏差处理机制,该机制将电力交易与安全校核分离,平台仅考虑电量交易的过程,而安全校核由调度机构负责。平台将交易信息同步至调度机构,由调度机构负责安全校核并将交易执行结果反馈至交易平台。

5)监管方法：目前现有的基于区块链的电力交易机制与监管机构脱离,交易违规行为监管由监管机构专门负责;文中的电力交易机制提出了监管违规行为的智能合约,每个交易主体均可通过调用该智能合约实现对市场交易违规行为的监管,监管结果自动上传至监管机构,由监管机构做进一步的判断,以保障平台上电力交易安全性及稳定性。

6)信用管理：目前现有的基于区块链的电力交易机制与信用管理机构脱离,信用管理由征信机构负责;提出的电力交易机制设计了内外两级的信用管理机制：设置了信用评分机制,交易双方在交易成功后互相评价进而更新节点信誉值;将交易信息同步至外部征信机构,由征信机构结合企业其他相关信息定期更新各个节点的综合信誉值并将结果同步至交易平台公布。平台根据综合信誉值进行奖惩,以约束平台上各交易主体的交易行为。

2 区块链技术及智能合约

区块链是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式[16-17],其本质上是一种去中心化的数据库,通过相邻区块间首尾哈希值单向连接实现链式存储。其概念模型如图1所示。

区块链是一个分布式的公共账本,它构建在分布式网络基础之上。网络中的每一个节点都有一个该账本的副本,且副本随账本的更新及变动而同步更新。近年来,由于区块链技术的去中心化、开放性、自治性、信息不可篡改性及匿名性等优点,在各行业领域得到广泛应用。将区块链技术引入电力市场交易平台,可以充分发挥区块链技术在分布式交易中的优势,满足交易去中心化、交易安全性、分布式监管等要求,实现保障交易安全、保护市场隐私、降低交易成本的目的。

智能合约是区块链技术的重要技术特征之一,可以较好地解决交易过程中低效率的问题。利用程序算法替代人为决定及执行合同是智能合约的最大优势,因此可以避免恶意行为对合同执行的干扰,提高了区块链交易效率。智能合约继承了区块链的3个特性：数据透明,不可篡改,永久运行,因此可以被用户信赖。在可靠性方面,区块链中的部分节点失效不会影响智能合约的运行,保证了智能合约的实时有效性[18]。智能合约可以保障区块链中交易双方的权利义务和合约执行。交易将在满足条件时自动执行,不需要人为的推动以及第三方监督[19]。区块链智能合约的运行模式如图2所示。

图2 智能合约运行模式

3 基于区块链技术的分布式交易平台的总体设计

提出基于区块链技术的分布式电力市场交易平台,该平台在现有电力市场建设思路的基础上,引入区块链技术,打破传统思维约束,建立了一套全新的电力市场交易模式。平台涉及的交易主体构架如图3所示,主要包含：售电企业、发电企业、电力用户、电网企业、金融及政府机构等,缺一不可。

图3 分布式电力市场交易平台的主体构架

设计的分布式电力交易平台,其“分布式”主要体现在两个方面：一、P2P交易模式即点对点直接交易。利用区块链技术实现交易双方去中心化交易,可以解决传统中心化机构高成本、低效率及数据存储不安全的问题;二、挂牌交易模式。采用挂牌交易模型,买卖双方分别发布挂牌摘牌信息,买方自由选择摘牌对象进行摘牌,无需交易中心集中撮合,以实现自主性交易。分布式交易模式实现了买卖双方的自主交易,解决了交易中的信任问题,保证了交易的公平性和透明性,提高了交易的灵活自主性。

构建以区块链技术为基础的分布式电力市场交易平台,其总体设计思路如下：首先,平台安排各交易主体进行注册认证,认证成功的交易主体即可成为交易平台上的节点进行挂牌交易。同时,不同信誉等级的用户需要向平台提交不同额度的履约保函。若用户交易过程中发生违规行为,平台将扣取一定的保证金作为惩罚措施。其次,买卖双方进行挂牌交易。在挂牌交易的过程中,为避免电力交易中存在的诸多问题,文章认为可以分离电力的金融属性和物理属性,仅考虑电量交易过程。卖方发布挂牌电量及挂牌电价,买方依据摘牌电量自行选择合适的交易对象进行摘牌。平台将以上交易信息同步至调度机构,由调度机构保障整个电网安全。若交易成功执行,则按照摘牌价格进行结算;若交易不成功,平台可以安排未交易成功的部分电量进行合同电量转让并结合差价合约进行结算。输配电价的定价采用“邮票法”,平台需事先公布每个区域“邮票法”的输配电价,并结合买卖双方的地理位置,在不影响网络安全的情况下选择输配电费最低的路线进行电量输送。交易执行后,平台要求买卖双方相互进行评价,以此更新交易双方的信誉值。若节点信誉值过低,平台可以强制清退该节点;若节点信誉值较好,平台可给予一定程度奖励。与此同时,平台设立了市场交易违规行为监管机制,各交易主体可自行调用监管机制监管市场交易行为,将结果上传至监管机构,由监管机构进一步判断,从而保障交易平台健康平稳运行。最后,交易平台设计了绿证交易辅助区块链,以促进可再生能源消纳、实现2050年达到全国碳中和的目标。总体设计框架如图4所示。

各交易主体在进行电力挂牌交易的过程中,采用了以下七种机制,具体如下：

1)实名认证注册机制。第一,各交易主体在平台进行注册认证。认证通过的节点即可成为区块链交易平台上的节点,进行匿名交易。节点注册的类型可分为售电节点和购电节点。若某节点既可售电也可购电,则按售电节点类别进行注册。第二,为保障提交信息的真实有效性,区块链平台需设计验证节点,由验证节点对交易主体提交的申请信息进行复核;

图4 总体设计框架

2)节点退出机制。平台若接收到某节点退出交易平台的申请,需保证该节点暂无未完成的交易。平台若发现某节点长时间未参与交易,则认定此节点为不活跃用户,并回收该账户。平台若发现已参与交易的某节点不符合准入要求、多次违反法律规定、信誉扣分累计达到一定值,即可强制清退该节点。交易节点退出平台后,若重新提交申请进入平台,平台需确保该节点满足准入要求,方可审核通过。若发现某节点因违反法律规定且出现重大问题造成影响恶劣的,平台将永久限制其准入;

3)合约保障机制设计。交易双方进行挂牌交易,若交易达成,交易信息经过该交易平台同步至调度机构,由调度机构最终将交易执行结果反馈至交易平台。若买卖双方在平台达成的交易未能成功执行,则平台将通过合约保障机制进行处理。合约保障机制有以下四种：(a)平台根据调度机构的执行结果对未能成功执行的交易电量安排合同电量转让,由其他节点代发,以解决部分电量交易不成功的问题;(b)平台对不能成功交易的部分电量可利用储能技术满足其用电需求;(c)平台允许购电节点购买金融输电权(FTR)[20],以保障电力交易成功执行。若交易未能成功执行,则购买FTR的节点可获得一定的经济补偿;(d)对于合同电量与实际交易执行过程存在的偏差,建立偏差处理机制。在实际运行之前,各售电节点通过平台上报其可供调度机构调整的电量信息。在实际运行日,由调度机构根据偏差情况,在确保网络安全的情况下,对可供调度的部分机组传达上调出力或下调出力的指令以维持系统电量平衡;

4)输配电价定价设计。采用“邮票法”确定输配电价。此方法在确定区域输配电价时可完全忽略距离及位置带来的影响,仅在考虑电网运营总成本的基础上按照实际输送的电量确定价格。“邮票法”确定输配电价的方法如下：第一,按照国家输配电价管理相关规定,明确每个区域“邮票法”的输配电价及其动态调整方案,并网上公布。第二,在不影响电网安全的情况下,市场交易节点之间若有多条线路可供选择时,平台可根据经济性原则确定最佳的线路进行电量输送;

5)信用管理机制设计。设计了一套完整的内外两级信用管理机制：平台内部信用管理机制与外部征信机构信用管理机制。内部信用管理机制：交易成功的双方相互评价,平台依据评价结果不断更新节点信誉值,并及时向全网公开。此信誉值可作为各交易节点选择交易对象的参考依据之一。外部征信机构信用管理机制：平台定期将各交易主体的交易信息及评价情况同步至外部征信机构。征信机构结合企业其他相关信息,定期更新各个交易节点的综合信誉等级,再将更新情况反馈至交易平台,以更新平台上各个节点的综合信誉等级。平台与交易主体之间按照此综合信誉等级确定履约保函的额度,综合信誉等级越高,履约保函的额度越低。依据综合信誉等级,平台奖励高信誉的主体：节点在区块链平台上挖矿以获取记账权,信誉值越高,节点挖矿难度越低,获得记账权的概率越大,挖矿收益越高;平台惩罚低信誉的主体：若节点信誉值过低,则平台扣取一定的保证金,对低信誉主体进行警告并全网公示;

6)市场交易违规行为监管机制设计。文章设计了市场交易违规行为的判定方法,其设计思路如下：首先,确定与交易违规行为相关的指标,进行指标筛选,构建交易违规行为识别指标体系;其次,使用分类算法构建交易主体违规行为识别方法;最后,根据识别算法与实际交易信息判断市场主体是否存在交易违规行为。将该违规行为识别方法写入智能合约,每个市场主体均可通过调用该智能合约来识别市场违规行为。若节点发现了符合交易违规行为条件的交易主体,可将该监督结果上传至监管机构,由监管机构进一步处理;

7)建立绿证交易机制。为促进可再生能源消纳,提出绿证交易辅助区块链的概念,强制配额交易。其交易流程如下：根据可再生能源配额制,各省获得其对应所需消纳权重,最终分配到各个用户。该辅助交易链可以追溯每个节点有关清洁能源的每笔交易情况,用户可实时查看可再生能源交易量是否达到配额要求。若不满足要求,则用户需要在一定时间内在辅助区块链上向可再生能源发电商购买绿证[21-22],绿证不足部分需要缴纳罚款。不同类型可再生能源1MWH对应的绿证价值略有差别。辅助区块链上绿证的交易采取单向挂牌交易方式进行,由可再生能源发电商挂牌,购电用户进行摘牌。

4 分布式电力市场交易平台关键智能合约

4.1 基于智能合约的分布式电力交易流程

智能合约作为交易系统的底层代码,是实现区块链技术应用的关键。所设计的基于智能合约的分布式电力交易流程如图5所示,包括资质检验、发布挂牌摘牌信息、用户摘牌、交易执行、交易结算等。

4.2 分布式电力交易智能合约

基于区块链的智能合约是实现区块链技术应用的关键,通过智能合约中定义的状态变量、结构类型、函数、事件等内容实现具体应用的开发。针对分布式电力交易流程设计了不同功能函数,具体函数如下：

图5 基于智能合约的分布式电力交易流程

1)资质检验函数：参与区块链交易平台的主体通过该函数进行注册认证,不同类型的交易主体注册不同类型账号。若注册为售电节点,交易主体通过该函数向平台提供企业相关的真实有效信息,包括企业法人信息、开户银行、营业执照及信誉报告等,其中身份信息需要上传法人身份证进行实名认证并定期核验。若注册为购电节点,交易主体只需向平台提交基本信息并进行实名认证即可。若交易主体提供的信息不完整、不正确、失效,则平台将不通过申请。申请通过的交易主体即可成为区块链中的一个节点进行匿名交易;

2)发布需求函数：在发布需求阶段,买卖双方均可通过该函数在交易平台上发布挂牌及摘牌请求,智能合约将按时间顺序记录所有请求。平台提供两种挂牌交易模式,任选其一：一、售电节点挂牌,购电节点摘牌。售电节点通过该函数向平台提交下一周期的交易合同、挂牌电量和挂牌电价。购电节点通过该函数向平台提交下一周期的摘牌电量。二、购电节点挂牌,售电节点摘牌。购电节点通过该函数向平台提交下一周期的交易合同、挂牌电量和挂牌电价。售电节点通过该函数向平台提交下一周期的摘牌电量;

3)优化算法函数：摘牌节点在确定摘牌阶段可选择调用该函数,以获取其可采纳的最佳交易策略。根据2)中的两种挂牌交易模式,对应有两种优化算法函数。

模式一：当售电节点挂牌,购电节点摘牌时,购电节点调用其对应的优化函数,即可获得平台综合推荐的最佳交易策略,购电节点可依据此交易策略选择最佳摘牌对象进行交易。此函数综合考虑售电节点的挂牌价格、输配电价、信誉等级和碳排放量,为摘牌节点提供最佳交易策略。

模式二：当购电节点挂牌,售电节点摘牌时,售电节点也可调用其对应的优化函数,以获取最佳交易策略。此函数综合考虑购电节点的挂牌价格和信誉等级。

4)确定摘牌函数：在规定的摘牌时间内,摘牌节点根据优化算法函数提供的交易策略或根据自身实际需求通过该函数自主选择交易对象进行摘牌;

5)交易结算函数：各参与者在电能传输时间内调整发用电计划,通过增加发电或降低负荷以完成交易。平台可依据智能电能表反馈的数据利用该函数自动进行结算。购电节点需在平台预付结算费用,若交易成功,预付的电费将自动转入到售电节点的账户中,同时可向原购电节点返还结算电量与摘牌电量的差价;若未交易成功,则购电节点其预付的资金将自动返回至原账户。交易完成,平台可根据以下三种情况进行考虑：

第一,若实际交易均按照原始挂牌交易结果调整发用电计划,维持供需平衡,则按照摘牌价格及实际电量进行结算。结算价格需要包含输配电费。假设一笔交易电量从A地到C地进行输配电,途径B地,则输配电费如式(1)所示：

S=α*Q+β*Q+γ*Q

(1)

式中S为购电节点需支付的输配电费;α、β、γ分别为A地、B地、C地的“邮票法”输配电价;Q为实际输送电量。

第二,若购电用户实际消耗电量低于约定电量或售电节点实际提供电量高于约定电量,备用机组需要降低出力以弥补交易过程中存在的偏差。则交易节点先按约定电量及摘牌电价进行结算,然后可获得来自备用的补偿。补偿价格如式(2)所示：

P=a|ΔQ|

(2)

式中P为备用机组补偿给交易节点的金额;a为备用下调出力的单位成本;ΔQ为约定电量与实际消耗电量的差值。

第三,若购电用户实际消耗电量高于约定电量或售电节点实际提供电量低于约定电量,备用机组需要增加出力以弥补交易过程中存在的偏差,则交易节点首先按约定电量及摘牌电价进行结算,同时需补偿备用机组。补偿价格如式(3)所示：

P′=a′|ΔQ|

(3)

式中P′为交易节点需补偿给备用的费用;a′为备用增加出力的单位成本。

6)交易评价函数：该函数设定信誉值的高低与好评率和交易活跃度相关。交易成功的双方相互评价,平台利用该函数自动更新交易节点的信誉值。信誉值的更新公式如式(4)所示：

(4)

7)交易监管函数：各个交易节点可随时调用该函数对市场主体交易违规行为进行监管,以防范电力市场交易的风险,保障电力市场平稳健康发展。该函数将违规行为判断方法转化为程序代码写入区块链的智能合约中。每个节点都可以依据该智能合约的ID进行调用,从而对交易违规行为进行监管。若某节点判断出某一交易主体存在市场交易违规行为,则自动将该结果上传至交易平台的监管节点,由监管节点结合该交易主体的其他相关信息进行最终判断。若监管节点最终判定某交易主体存在违规行为,平台则视情况对该节点扣除一定程度的保证金及信誉积分,并全网发布公告警示。

5 结束语

随着新一轮电力体制改革的推进,多元化的市场主体参与竞争成为我国能源交易发展的新趋势。设计的基于区块链技术的分布式电力市场交易平台实现了分布式交易,满足了大规模电力交易需求,避免了电力交易过程中存在的诸多问题。基于文中整体的设计方案,未来将在优化算法、电力交易违规行为监管等方面继续进行深入研究。