结合储能设备的分布式光伏电力交易区块链应用研究

摘 要：本文提出了一种通过区块链智能合约来实现微电网内结合储能设备的产消者之间交易分布式光伏电力的方法。本实验研究了影响区块链内交易费用（Gas费用）和节点处理区块的时间（Geth消纳时间）的各项因素，并研究了结合储能设备的区块链内电力交易需求反馈对电力价格的影响。其中Geth消纳时间与公有链相比减少了6.672 s。参与链内交易需求反馈的电价均值与不参与链内交易相比，前者电价均值高于后者32.95%。研究成果可在电力交易市场处理大量的小额订单，能够快速地匹配交易双方，利用区块链在微电网内寻找能够进行存储电力和需求转换的客户，为未来电力设备物联网的设计和发展提供了参考。

关键词：电力交易；区块链；分布式光伏；储能设备；微电网；物联网

中图分类号：TP311；F426；TM73 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2024）03-00-06

0 引 言

根据可再生能源的电价制度，我国正在大量引进光伏发电[1]，以光伏为主的分布式发电正在快速普及和发展[2]。光伏发电现在全球许多地区被作为成本较低的发电模式[3]。在电力需求较少而光伏发电量较高的时段，电网正在发生电力过剩的现象。未来进一步的可行措施是通过转移电力需求至储能设备来消耗光伏电力的输出。为了实现这一目标，必须促使有能力的产消者结合储能设备将分布式光伏的剩余电力转为电力需求，或与电网内其他类型的电力需求相匹配[4]。与电力批发交易相比，这种电力交易需要处理大量的小额订单，需要汇总订单在交易所进行交易。针对大规模引入光伏发电的协调能力不足的问题，可使用分布式电力调节来解决。

为解决上述问题，本文提出了一个结合储能设备的分布式光伏的电力交易系统。该电力交易系统是基于区块链[5]和智能合约[6]建立的，能促使大量的小额交易自动匹配，并消除电力公司和其他电力交易运营商的供需不平衡，同时对交易区域的匹配进行精细管理。分布式光伏电力交易系统中与区块链直接相关的部分是建立在区块链平台[7]以太坊[8]上的。该系统还通过数值实验来衡量电力交易中执行智能合约的交易费用（Gas费用）和节点处理区块的时间（Geth消纳时间）。我们量化了市场在各个情况下需要支付的Gas费用，还评估了该电力交易系统的Geth消纳时间是否会影响前一日的交易需求。同时，再结合接入储能设备统计了不同情况下不同种类的电量情况，使用区块链内的电力交易需求反馈对电力价格进行比较。

1 研究现状

在电力行业很多关于区块链的研究案例是为了解决安全和隐私问题[9]。其中点对点电力交易是指发电侧和用电侧之间的可相互识别的交易及其衍生交易[10]。发电侧和用电侧的电力数据会附加上信息标签，并将其以相互链接的形式分配[11]。在关于电动汽车的点对点本地电力交易模式中，为了满足本地的电力平衡而对电动汽车放电时，应用区块链解决需求反馈的激励部分的支付安全和隐私问题[12]。还有一些电力交易相关的实验，通过智能合约验证电力交易信息是否正确执行交易[13-15]。针对目前区块链或智能合约处理能力和调节能力不足的问题，提出了如加入电动汽车和家用蓄电池等储能设备来扩大调节能力的对策[16]。电动汽车的普及使得家庭消费者能够灵活使用自己的电动汽车电池参与电网的电力调节，使得电动汽车在待机时进行充放电控制[17]。也有实验提出了统一管理来实现电动汽车充电峰值转换。对于区块链电力交易的研究，需要放在市场化的环境中，在一定的条件下进行验证。

2 区块链内电力交易框架

本研究针对结合储能设备调整分布式光伏电力的供需平衡，利用智能合约构建电力交易系统，将原本应接受的光伏电力在区块链上进行点对点电力交易。参与市场的用户可以创建区块链账户，通过执行指定的智能合约进行电力投标，之后基于智能合约处理执行电力交易。基于区块链的分布式光伏电力交易示意图如图1所示。

2.1 电力交易的智能合约

电力交易的智能合约用于在区块链上建立电力交易市场的合约和协议[18]，如图2所示。市场合约是与市场相关的协议。执行生成权益证明，将分配给所有光伏产消者的权益证明生成到电力公司。分发权益证明，将生成的权益证明分配给光伏产消者。假设光伏产消者和消费者各自出价，执行投标功能。在实际操作中，执行投标功能所需的时间由市场参与者设定。执行电力交易，对投标信息进行排序，根据投标的信息来执行权益证明兑换。流程实施后，可在以太坊钱包上确认产生的Gas费用，可在Geth客户端内的区块显示Geth消纳时间[19]。合约信息是指将参加市场的光伏用户在区块链上的地址或光伏发电容量储存在区块链上的协议。在一定期间内可通过投标受理参与市场的竞标。在竞标结束之后实行交易，处理成立的买卖合同并清算交接。

2.2 区块链内交易需求反馈

在点对点电力交易的区块链平台上，产消者电力交易原则是按各个产消者以多边电力互济的方式进行电力交易。当市场存在需求反馈的激励时，电力需求反馈与产消者的类型和反馈能力有关[20]，使用产消者的反馈成本函数，如式（1）所示。假设反馈带来可观的经济效益，那么产消者选择电力反馈的条件[21]应符合约束条件式（2）和式（3）。

（1）

（2）

（3）

式中：θ为产消者反馈的负荷类型；Q为反馈电量；k1、k2分别为反馈成本系数；β为政府补贴系数。

存在满足产消者的电力需求量对价格变动呈负相关[22]的鲁棒系数ε。其中，εii、εij分别为产消者在本时间区域和其他时间区域反馈的不平衡电力的需求程度。

（4）

（5）

（6）

式中，i、j为各个时间区域。

参考产消者对电力价格的动态反馈为：

（7）

式中：Qi0、Qi1分别为i时间区域反馈前和反馈后的用电容量；ρi0、ρi1分别为i时间区域内对电力需求反馈前和反馈后的电力价格；为i时间区域的综合鲁棒系数；i为时间区域。

产消者在i时间区域反馈电力需求[23]的鲁棒电力价格为：

（8）

式中：为产消者的反馈电量；为产消者的实际负荷电量。

产消者购买电力的价格分为两种：（1）产消者在内部i时间区域交易的电力价格ρ1i；（2）产消者向电网购买的电力价格ρ2。二者的表达式分别为：

（9）

（10）

式中：λ、λ'分别为光伏发电和电网售电的利润系数；c、ωc分别为光伏和常规的发电成本；Ti（Q）为鲁棒电力价格。

产消者向电网购电，剩余电量按光伏并网电力价格C上网。根据电力交易策略[24]，有：

（1）当产消者的发电量＜用电量时，其电力费用为：

（11）

（2）当产消者的发电量＞用电量时，其电力费用为：

（12）

其中，约束条件如下：

（13）

（14）

（15）

（16）

（17）

式中：C为光伏并网电力价；、、分别为不同类型的产消者反馈的不平衡电量；为产消者的总光伏发电量；为产消者反馈的不平衡电量。

2.3 链内智能合约交易流程

电力交易主要流程如图3所示，具体步骤如下：

（1）提交电力需求：产消者可以通过该平台在区块链内提交购电或售电的电量需求。

（2）匹配电力需求：该平台筛选买方和卖方，依次选择买方主体，按照报价差再依次匹配卖方，直至买方购买数量满足或匹配不到卖方时停止。

（3）修正偏差：该平台调整电量策略以满足电量平衡。否则需要向电网购电以满足电力平衡。

（4）清算不平衡电量：产消者将调整负荷，将不平衡的电量在内部进行消纳，优先保证自身电量平衡。

（5）执行电力交易：双方进行电力交割，结算交易款项至双方的账户。

3 仿真实验

本文执行了在以太坊环境中开发的智能合约，并且测定了执行电力交易所需要的Gas费用和生成区块所需要的Geth消纳时间。以下实验综合考虑了电力交易市场上的参与人数、投标数量、节点数量等可能被影响结果的因素。本实验采用以太坊作为区块链平台是因为以太坊存在构建方案所需的权益证明方法，以及该平台可以实现处理权益证明所需要的智能合约。同时我们导入了电力交易需求反馈数据，研究了结合储能设备的区块链内电力价格的影响。区块链平台采用了以太坊私有链进行实验。本次使用了6台计算机作为节点构建私有链。本次实验所构建的以太坊的私有链当中，让一台计算机运行生成区块，其他的计算机作为节点负责接收区块信息等。本实验使用以太坊钱包来确认协议和账户情况。节点计算机性能参数见表1所列。

3.1 实验数据

本次实验中，节点数量、账户数量以及投标数量等市场中的参数见表2所列。将案例1至案例3所计算测量的数值作为基准，将案例4至案例12中的账户数量从100增加到200和1 000，确认其Gas费用以及Geth消纳时间是如何变化的，电力价格会受到怎样的影响。在案例7至案例12中，本实验验证了节点数量增加会对其他数值产生的影响。此外，针对表2中的各种情况进行了10次计算测量，并且将其平均值作为实验结果进行公布。

假定每个产消者在没有电力交易的情况下会产生多余的电力，可利用价格机制与有需求的其他用户进行区块链内电力交易，或者通过储能设备吸收剩余电力进行供需调整。在11个时段内产消者的各类型电量数据见表3～表5所列。在没有电力交易的情况下，光伏产消者会产生多余的电力，可利用价格机制与有需求的商业设施进行交易，或者通过储能设备吸收剩余电力。这都是通过点对点的分布式光伏发电和储能设备来进行供需调整的。

3.2 实验结果

（1）不同账户数下各数值的变化。图4和图5是指当账户数量变化时，每个执行所耗费的Gas费用和Geth消纳时间。由图中可以看出，随着账户数量的增加，生成权益证明的Gas费用和Geth消纳时间的变化不大。分发权益证明和参与电力交易时产生的Gas费用变化和Geth消纳时间略微增加。

（2）不同投标数下各数值的变化。图6和图7显示了当投标数量改变时，每个执行所耗费的Gas费用和Geth消纳时间。实验结果表明，运行的Gas费用和Geth消纳时间在很大程度上受到投标数影响。当电力市场上的投标数从1 000成倍增加到2 000、4 000的时候，Gas费用和Geth消纳时间也是大致成倍增加。

（3）不同条件下各数值的变化。对投标数以外的参数进行测试，引起Gas费用和Geth消纳时间变化的结果如图8和图9所示。实验结果表明，在分发权益证明和参与电力交易下，账户数量的增加引起了Gas费用和Geth消纳时间的略微增加。在1 000账户数的实验中观察到节点数量增加引起了Gas费用和Geth消纳时间的略微增加。从图4和图8观察各项的Gas费用，节点数量的变化或账户数量的变化不会对生成权益证明的Gas费用带来影响，该Gas费用是固定的。分发权益证明是把生成的部分分配给参与电力市场的光伏产消者。观察图8会发现，只有账户数的增加引起了Gas费用的变化，与节点数的增加关系不大。交换权益证明的账户会随着交易的结果不同产生变化。不同阶段Gas费用也不相同。

（4）关于电力价格的变化。如图10所示，通过调整价格来激励储能设备用户进入市场，进而稳定价格波动。当价格波动时，储能设备用户会因经济利益激励而进入电力市场。在用户容量到达一定数量后，价格波动将趋于平稳。交易平台在区块链构建的基础上使用智能合约进行自动竞价和结算来确认电力交易。储能设备会根据设定的智能合约吸收分布式光伏发电的动态波动，通过价格调整实现接近整体的优化。结合储能设备的光伏产消者在区块链内可实现全天候实时交易，电力价格波动更小，均价更高。

从Gas费用与所有相关因素的关系中可以看出，生成权益证明的Gas费用最低，用于交易的Gas费用最高。Gas费用越高，需要的Geth消纳时间也越长。图6和图7包含了不同投标量的数据统计。通过研究可以发现，Gas费用和Geth消纳时间会随着投标量的增加而增加。从实验结果来看，电力交易智能合约中的Gas费用与Geth消纳时间，虽然随着账户量以及节点数的增加而增长，但是增幅较为缓慢。由此可推测，电力交易市场所用Gas费用和Geth消纳时间，随着光伏用户以及电力需求消费者的数量增加而成比例增加。分布式光伏电力交易的市场投标数量，在生成权益证明、分发权益证明和参与电力交易的环节中都会对该市场的Gas费用以及Geth消纳时间产生较大影响。

链内电力交易需求反馈可以实时匹配，通过价格引导产消者使用储能设备消纳不平衡电量。光伏发电越多，不平衡电量越大，则储能设备消纳不平衡电量对电力价格的影响就越明显。产消者接受的电力价格与不平衡电量存在相关关系。当产消者需要用电时，通过提高产消者在微电网内的电力价格，激励产消者释放储能设备内的电力响应调度需要。其中参与链内交易需求反馈的产消者接受的最低电力价格为0.14元/kWh，电价均值为0.351元/kWh。而不参与的产消者的最低价格为0.05元/kWh，电价均值为0.264元/kWh。使用储能设备参与链内交易反馈的产消者，能够降低不平衡电量对电网的冲击，同时扩大电力交易的可工作时间，减少电力价格的大幅度波动，提高电力价格的均值。

4 结 语

本文提出了一种使用区块链和智能合约的电力交易系统，并在该系统中使用以太坊进行数值实验。该实验证实在区块链上可以使用智能合约和权益证明进行结合储能设备的分布式光伏电力交易。在传统以太坊公有链交易下，生成一个区块的平均时间在13 s左右。本实验中最大投标量为4 000件的交易消纳时间均值为6.328 s。可见该项电力交易技术不会对前一天预告的交易造成影响，并相比公有链有显著的优势。参与链内电力交易需求反馈的产消者利用储能设备可及时转移各时段不平衡电量，减少光伏发电对电网的扰动。在用电总量基本不变的情况下能扩大电力交易时间，较大地提高电力价格的均值，使得产消者收益更多。参与链内交易需求反馈的电价均值高于不参与链内交易32.95%。对于未来发展新型数字化电力系统，需要将光伏用户和储能设备等电力物联设备进行深度融合，并设计出完善的电力交易制度体系。

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