摘 要： 

隨著電力體制改革的深化及分布式能源滲透率的提高，分布式能源在發(fā)電側(cè)售電側(cè)的有效配置面臨著機(jī)遇和挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的集中式電力交易模式存在維護(hù)成本高、處理效率低、資金結(jié)算不及時(shí)等缺點(diǎn)，無法適應(yīng)高頻小額的分布式能源交易場景。首先，回顧區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展歷程，深度探究區(qū)塊鏈技術(shù)相關(guān)理論，同時(shí)結(jié)合對分布式能源發(fā)展?fàn)顩r的分析，總結(jié)了建設(shè)分布式能源交易市場的若干要求；然后，構(gòu)建考慮安全約束的分布式電力交易的機(jī)制與模型；最后，提出基于區(qū)塊鏈的分布式電力交易方法，確保交易的公開透明、信息對稱，并設(shè)計(jì)分布式電力多邊交易的智能合約。通過以太坊區(qū)塊鏈的算例表明，所提出的分布式電力交易方法可實(shí)現(xiàn)潮流的越限修正、電力的多邊交易，便于電力能源的數(shù)字化管理。

（來源：中國電力 作者：楊選忠, 張浙波, 趙申軼等）

0引言

隨著比特幣的發(fā)行普及，區(qū)塊鏈技術(shù)作為比特幣的底層基礎(chǔ)，逐漸為人們所熟知。學(xué)界對區(qū)塊鏈（ blockchain）概念具有普遍共識(shí)：區(qū)塊鏈技術(shù)是一種公開透明的、去中心化的分布式數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中的信息由所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)共享，而數(shù)據(jù)的管理方全權(quán)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)更新，同時(shí)數(shù)據(jù)更新過程也面向所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)公開，因此區(qū)塊鏈具有公開透明的特性；而去中心化體現(xiàn)在該數(shù)據(jù)庫沒有一個(gè)中央集權(quán)的負(fù)責(zé)人，所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)作為用戶均能訪問數(shù)據(jù)庫并更新數(shù)據(jù)，同時(shí)確保數(shù)據(jù)公開，供其他用戶確認(rèn)新數(shù)據(jù)的安全可靠性[1-2]。

2016 年 2 月，國家發(fā)改委、能源局和工信部共同發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)“ 互聯(lián)網(wǎng)+” 智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》，試圖建立“ 一種互聯(lián)網(wǎng)與能源生產(chǎn)、傳輸、存儲(chǔ)、消費(fèi)以及能源市場深度融合的能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展新形態(tài)”，實(shí)現(xiàn)“ 設(shè)備智能、多能協(xié)同、信息對稱、供需分散、系統(tǒng)扁平、交易開放”，而在分布式能源迅猛發(fā)展的時(shí)代，區(qū)塊鏈技術(shù)作為去中心化的交易平臺(tái)，將促進(jìn)各類能源、各交易方的協(xié)作，實(shí)現(xiàn)電力市場交易的多元化和可靠管理[3-5]。

目前國內(nèi)的學(xué)術(shù)界對基于區(qū)塊鏈的電力交易研究尚處于起步階段。文獻(xiàn) [6] 提出了產(chǎn)消者余量交易的配電網(wǎng)去中心化多邊交易模型，設(shè)計(jì)了可執(zhí)行偏差電量多邊拍賣的智能合約。文獻(xiàn) [7] 探討了區(qū)塊鏈技術(shù)在大用戶直購電方面的具體應(yīng)用機(jī)制。文獻(xiàn) [8] 提出了基于區(qū)塊鏈的弱中心化電力交易方案及阻塞管理機(jī)制，并具體分析了其交易效率。文獻(xiàn) [9] 分析了區(qū)塊鏈與電力交易的匹配度，建立了基于智能合約的電力市場交易模型。

國內(nèi)的工業(yè)界方面的相關(guān)應(yīng)用均還處于試點(diǎn)階段。上海鏈昱科技能源有限公司（Energo Labs） 研發(fā)了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的微電網(wǎng)內(nèi)清潔能源計(jì)量、登記、管理、交易與結(jié)算的去中心化系統(tǒng)[10]。上海能鏈科技研發(fā)了綠色資產(chǎn)證券化云平臺(tái)，在實(shí)現(xiàn)電力資產(chǎn)生產(chǎn)過程公開透明的同時(shí)，也保證了信批的及時(shí)透明[10]。國外也有多家公司在探索并實(shí)踐基于區(qū)塊鏈的去中心化電力交易機(jī)制。美國能源公司 LO3 Energy 與西門子合作建立了基于

區(qū)塊鏈的電力交互平臺(tái)— TransActive Grid，并在布魯克林試點(diǎn)， 可實(shí)現(xiàn)綠色能源的用戶間直接點(diǎn)對點(diǎn)交易[11]。美國 NAD Grid 公司基于聯(lián)盟鏈與以太鏈研發(fā)了可幫助用戶實(shí)現(xiàn)電力交易與優(yōu)選購電的雙鏈單幣系統(tǒng)— NAD 平臺(tái)，目前該平臺(tái)已在加州、伊利諾伊州試點(diǎn)運(yùn)行[12]。

以上研究著眼于區(qū)塊鏈在分布式電力交易中的應(yīng)用機(jī)制，缺乏具體實(shí)現(xiàn)形式的探究，對電力交易中的電力潮流等物理約束限制未作出全面考慮。

本文在區(qū)塊鏈技術(shù)的基礎(chǔ)上，依托以太坊和智能合約系統(tǒng)，通過編程構(gòu)建在電力交易方面的典型運(yùn)用場景，為電力系統(tǒng)融合區(qū)塊鏈技術(shù)做充分的理論分析，為能源區(qū)塊鏈重構(gòu)考慮安全約束下的分布式電力交易提供可行的方案，實(shí)現(xiàn)電力能源的數(shù)字化管理。

1區(qū)塊鏈技術(shù)與分布式能源

0.1區(qū)塊鏈技術(shù)探究

區(qū)塊鏈屬于互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代新興的信息技術(shù)，通過信用、證據(jù)以及交易記錄跟蹤并分析參與方的行為，適用于任何去中心化的信任網(wǎng)絡(luò)[13]。區(qū)塊鏈的定義有狹義、廣義之分。狹義上，區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N將系統(tǒng)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)區(qū)塊按時(shí)間先后順序以鏈的形式組合成特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并以密碼學(xué)原理保證其不可篡改、不可偽造的去中心化共享總賬，能夠安全存儲(chǔ)簡單的、有時(shí)間先后順序關(guān)系、能在系統(tǒng)內(nèi)驗(yàn)證的數(shù)據(jù)；廣義上，區(qū)塊鏈?zhǔn)抢眉用苕準(zhǔn)絽^(qū)塊結(jié)構(gòu)驗(yàn)證和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，利用分布式節(jié)點(diǎn)共識(shí)算法來生成和更新數(shù)據(jù)，利用自動(dòng)化腳本代碼（即智能合約）來編程和操作數(shù)據(jù)的一種全新的去中心化基礎(chǔ)架構(gòu)和分布式計(jì)算范式[14]。

以太坊是可編程的區(qū)塊鏈，提供了一套圖靈完備的腳本語言，因此，開發(fā)者可以直接用 C 語言等高級語言編程，轉(zhuǎn)換成匯編語言，大大降低了區(qū)塊鏈應(yīng)用的開發(fā)難度。智能合約是區(qū)塊鏈技術(shù)最重要的部分，極大地?cái)U(kuò)展了區(qū)塊鏈的功能。本質(zhì)上，智能合約是寫在區(qū)塊鏈上的一段代碼， 當(dāng)某個(gè)事件觸發(fā)了合約中的條款時(shí)，代碼將自動(dòng)執(zhí)行。因此，智能合約也稱為鏈上代碼[15]。

0.2分布式能源的新形勢

能源工業(yè)是中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。目前中國持續(xù)推進(jìn)能源的供給側(cè)改革，由傳統(tǒng)的大電源-大電網(wǎng)集中供能模式向著分布式能源、可持續(xù)能源、傳統(tǒng)集中供能融合的方向轉(zhuǎn)變。分布式能源相比傳統(tǒng)能源，有四大明顯的優(yōu)勢。其一，分布式能源可以相互配合，實(shí)現(xiàn)能源的梯級利用， 利用效率相對較高；其二，分布式能源可實(shí)現(xiàn)就近消納，電力傳輸損耗相對較少；其三，目前的分布式能源主要包括天然氣、光伏、生物質(zhì)能、潮汐能等，均為綠色可持續(xù)能源，對環(huán)境的影響遠(yuǎn)小于煤炭等傳統(tǒng)能源；其四，分布式能源根據(jù)所在地區(qū)的特點(diǎn)可對能源實(shí)現(xiàn)因地制宜地利用， 從而能有效解決某些偏遠(yuǎn)地區(qū)供能供電問題[16-17]。然而，盡管近年來中國的分布式能源有了一定的進(jìn)步，但分布式能源市場化交易的發(fā)展還較為緩慢，受到電力市場主體積極性不高、相關(guān)政策不健全、公共服務(wù)落后等因素的制約。

0.3區(qū)塊鏈的解決方案

建設(shè)安全、高效的分布式電力交易市場有很多可能性。分布式電力交易系統(tǒng)具有如下 3 個(gè)特點(diǎn)。

（1））精確測量。計(jì)算測量是運(yùn)行多種數(shù)字感知的各種能量系統(tǒng)，是控制的基礎(chǔ)和能量信息的來源。然而，雖然互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算測量能力是準(zhǔn)確的，但仍不能解決數(shù)據(jù)信任的問題。

（2））自主控制。為了應(yīng)對大量分布式本地能源的使用，設(shè)備和系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)本地指令實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和可靠性。但是， 在現(xiàn)有的自動(dòng)化系統(tǒng)中，不可能確定外部數(shù)據(jù)是否應(yīng)該受信任。如果信任外部數(shù)據(jù)，事故責(zé)任歸屬后的指令執(zhí)行情況未知，則會(huì)影響系統(tǒng)的效率和可靠性。

（3））優(yōu)化決策。在決策過程中，容易濫用決策權(quán)，損害其他主體利益，因?yàn)榇罅康哪芰恐苯釉诨ヂ?lián)網(wǎng)設(shè)備之間進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的交互作用，導(dǎo)致共識(shí)效率低下，對死循環(huán)的后果尚無共識(shí)[18]。

針對以上特點(diǎn)，學(xué)界對分布式電力交易系統(tǒng)參與者的組成、系統(tǒng)架構(gòu)以及交易模式提出了許多設(shè)想，大多認(rèn)為可以借鑒輸電側(cè)市場交易經(jīng)驗(yàn)，建立交易中心，采用雙向拍賣等集中式交易出清方案。但配電系統(tǒng)內(nèi)的分布式電力交易數(shù)量龐大而交易規(guī)模較小，同時(shí)電能產(chǎn)消者對交易的公平透明、自身隱私保護(hù)具有更高要求。因此， 集中式交易中心的發(fā)展面臨以下 3 個(gè)問題：一是大量交易數(shù)據(jù)的涌入給中心機(jī)構(gòu)帶來了單點(diǎn)故障的風(fēng)險(xiǎn)，威脅分布式電力交易系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行；二是交易中心與產(chǎn)消者之間存在信任問題， 難以保證電力交易的公平性、透明性與信息有效性；三是大量產(chǎn)消者的存在導(dǎo)致交易中心運(yùn)行效率低、決策耗時(shí)長，難以滿足實(shí)時(shí)運(yùn)行的需求。

區(qū)塊鏈為分布式電力交易系統(tǒng)面臨的技術(shù)問題提供了行之有效的解決方案。

（1））從準(zhǔn)確計(jì)量升級到可信計(jì)量。數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在區(qū)塊鏈上，以確保非篡改公鑰和非對稱加密組合保護(hù)隱私，以此切實(shí)保護(hù)電能產(chǎn)消者的隱私。

（2））從自動(dòng)控制升級到智能控制。通過以智能合約形式實(shí)現(xiàn)邏輯功能，生成可信的本地命令，完成控制過程以處理外部環(huán)境的變化，以此解決交易中心與產(chǎn)消者之間存在的信任問題， 防范中心機(jī)構(gòu)的舞弊現(xiàn)象。

（3））從優(yōu)化決策到民主決策。分布式電力設(shè)備之間的本地共識(shí)和區(qū)域間共識(shí)避免了大規(guī)模分布式設(shè)備的復(fù)雜迭代和死循環(huán)，以產(chǎn)生直接的共識(shí)，從而實(shí)現(xiàn)分布式?jīng)Q策，提高交易效率及速度。

（4））從單點(diǎn)控制到多點(diǎn)維護(hù)。電力產(chǎn)消者采用去中心化和去信任的方式集體維護(hù)一個(gè)可靠分布式數(shù)據(jù)庫，而不再依賴于中心機(jī)構(gòu)的單點(diǎn)控制，共同維護(hù)分布式電力交易的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

目前對區(qū)塊鏈在電力交易中應(yīng)用的研究多數(shù)以簡單的集中撮合交易為主，不支持電力系統(tǒng)含安全約束的電力交易。本文的主要貢獻(xiàn)之一是如何在區(qū)塊鏈上實(shí)現(xiàn)含安全約束的分布式電力交易。另外，目前區(qū)塊鏈的計(jì)算及響應(yīng)速度有限，基于區(qū)塊鏈的大量交易行為很容易造成擁堵。區(qū)塊鏈開發(fā)人員目前正在探索對策，如增加區(qū)塊大小、開發(fā)分片（ sharding）、側(cè)鏈（ sidechains）和支付通道（ payment channels）等技術(shù)，來保證交易的即時(shí)完成。此外本文所述交易機(jī)制只涉及少量節(jié)點(diǎn)，部署在挖礦難度可調(diào)的以太坊私有鏈上， 能有效提高區(qū)塊鏈交易速度。

2分布式電力交易模型及機(jī)制

分布式供電方和用戶之間存在動(dòng)態(tài)平衡，采用配電網(wǎng)去中心化交易機(jī)制可以使各產(chǎn)消者間靈活交易，消除分布式供電方、用戶自身實(shí)際出力（或負(fù)荷）與發(fā)用電計(jì)劃的偏差值，最終實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)內(nèi)部的供用電平衡，為能源區(qū)塊鏈重構(gòu)電力交易提供可行方案，實(shí)現(xiàn)電力能源的數(shù)字化管理。

在多邊交易中，分布式供電方和用電方需要發(fā)起買/賣偏差電量交易請求，以消除實(shí)際發(fā)用電量與計(jì)劃值的偏差。供電方賣出剩余電量，作為投標(biāo)方。用電方收購?fù)稑?biāo)方賣出的剩余電量。上述場景對于賣方市場而言，交易目標(biāo)是售電方以最高價(jià)格出售電能，如果是買方市場，則要求購電價(jià)格達(dá)到最小，本文以賣方市場為例，表示為

如圖 1 所示，本文所設(shè)計(jì)的分布式電力交易平臺(tái)架構(gòu)中，電力資源作為可交易的數(shù)字資產(chǎn)， 在 P2P（ peer-to-peer）交易市場中完成針對報(bào)價(jià)和數(shù)量的購售交易，同時(shí)通過區(qū)塊鏈完成在電力產(chǎn)消者之間的信息交互和價(jià)值轉(zhuǎn)移。由于無法及時(shí)獲取未來時(shí)段電力產(chǎn)消者的準(zhǔn)確電力需求，本文將一天劃分為 48 個(gè)時(shí)段，在每個(gè)時(shí)段交易下一個(gè)時(shí)段的電力資源。考慮安全約束，基于區(qū)塊鏈的分布式電力交易流程如下。

（1））配電網(wǎng)中各用戶擬定自身用電量、發(fā)電量計(jì)劃，通過智能合約提交區(qū)塊鏈，由區(qū)塊鏈礦工將信息寫入?yún)^(qū)塊記錄。

（2））當(dāng)某用戶實(shí)際用電量或發(fā)電量與既定計(jì)劃有偏差時(shí)，該用戶將通過智能合約發(fā)起交易， 如果供電過剩，則請求賣電；如果耗電過多， 則請求買電。請求周邊用戶改變供電量或耗電量計(jì)劃，協(xié)助消除偏差值。

（3））周邊用戶收到交易請求，計(jì)算配電網(wǎng)供求總偏差值，并根據(jù)總供/用電量偏差值，給出賣電或買電的報(bào)價(jià)。

（4））區(qū)塊鏈礦工收集所有產(chǎn)消者的報(bào)價(jià)并對報(bào)價(jià)集合排序，在買方市場中，將供電方的有效報(bào)價(jià)由低至高排序；在賣方市場，將用電方的有效報(bào)價(jià)由高至低排序。在出清隊(duì)列中按照報(bào)價(jià)排序結(jié)果，選擇供電量/用電量交易額度并且選擇輸送線路，直至滿足供電量/用電量平衡約束。

（5））此時(shí)所有產(chǎn)消者可開展 P2P交易，該階段可開展 3種交易行為。①限價(jià)交易：買/賣方指定成交價(jià)格及電能數(shù)量，出現(xiàn)等于或高于該價(jià)格的賣方/買方報(bào)價(jià)，則成交，成交價(jià)格為雙方報(bào)價(jià)的平均值；②市價(jià)交易：買/賣方不設(shè)定價(jià)格但指定數(shù)量，以當(dāng)前市場最優(yōu)賣/買方報(bào)價(jià)成交；③ 撤單：放棄出售/購買電能，清除自身報(bào)價(jià)信息。

所有產(chǎn)消者可查看公布在區(qū)塊鏈上的買賣雙方投標(biāo)數(shù)量及價(jià)格。若 P2P 市場參與者放棄電力交易，則可選擇撤單，清除自身報(bào)價(jià)信息；若自身下一階段電力需求發(fā)生變化，則可發(fā)布限價(jià)訂單，修改報(bào)價(jià)及數(shù)量，在市場中等待響應(yīng)；若購售需求非常急迫，則可發(fā)布市價(jià)訂單，指定成交數(shù)量而不限定價(jià)格，區(qū)塊鏈可為其選擇當(dāng)前市場最優(yōu)報(bào)價(jià)完成交易配對。

（5））考慮線路裕度對輸送的限制。首先根據(jù)功率轉(zhuǎn)移分布因子，計(jì)算配電網(wǎng)潮流。若不存在線路裕度越限情況，則通過安全校核，確定交易結(jié)果；若存在線路裕度越限情況，則未通過安全校核，調(diào)整潮流，結(jié)合各方報(bào)價(jià)、可供/求電量分析，重新計(jì)算配電網(wǎng)潮流。

（6））經(jīng)過安全校核，若產(chǎn)消者無法通過內(nèi)部交易維持平衡，則系統(tǒng)備用被調(diào)用，以彌補(bǔ)該產(chǎn)消者的偏差。

（7））交易主體之間完成多邊交易結(jié)算，費(fèi)用結(jié)算在區(qū)塊鏈上完成。

（8））配電網(wǎng)中所有用戶按照電力 P2P交易的結(jié)果調(diào)整自身發(fā)用電，各個(gè)用戶安裝可運(yùn)行區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)的智能電表，由智能電表檢測產(chǎn)消者的發(fā)用電情況，并通過內(nèi)置的通信模塊與區(qū)塊鏈上的智能合約產(chǎn)生數(shù)據(jù)交互，由礦工對數(shù)據(jù)打包并寫入?yún)^(qū)塊鏈，該過程由智能電表自主完成，無需電網(wǎng)公司的參與。若分布式發(fā)電方實(shí)際發(fā)電數(shù)量少于交易結(jié)果，則給予一定的經(jīng)濟(jì)處罰，以此維護(hù)配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

對于一個(gè) n 節(jié)點(diǎn)的配電網(wǎng)絡(luò)樹圖，其中包含n–1 條線路，可以利用如下方法計(jì)算線路潮流。

（ 1） 對 n– 1 條線路編號(hào) 1~n–1 ，另規(guī)定有n– 1 行 n 列的二維數(shù)組 A。每一行代表一條線路， n 列則表示 n 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

（ 2）規(guī)定線路正方向，本文選定從根節(jié)點(diǎn)向葉節(jié)點(diǎn)延伸的方向?yàn)檎较颍闯绷髁飨驗(yàn)閺母?jié)點(diǎn)到葉節(jié)點(diǎn)，靠近根節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)為上游；反之為下游。

（ 3）在二維數(shù)組 A 對應(yīng)行列中填入 0 或 1， 第 i 行第 j 列填入 0 代表第 j 個(gè)節(jié)點(diǎn)處在第 i 條線路的上游， 第 i 行第 j 列填入 1 代表第 j 個(gè)節(jié)點(diǎn)處在第 i 條線路的下游。其中 1≤i≤n–1，1≤j≤n。

（ 4） 創(chuàng)建 n 行 1 列的一維數(shù)組 B， 第 n 行元素代表該節(jié)點(diǎn)計(jì)劃流入的電能，數(shù)值為正表示用電方流入電能，數(shù)值為負(fù)表示供電方供出電能。

（5）將二維數(shù)組 A與一維數(shù)組 B 相乘，得到一個(gè) n– 1行 1列的一維數(shù)組 C，其中每 k（1≤k≤ n–1）行的元素代表第 k 條線路的潮流流向，若為正，則表示從上游到下游；若為負(fù)，表示從下游到上游；若為 0，則該條線路不存在潮流裕度越限隱患。

至此，可以得到無線路容量裕度下的潮流理論計(jì)算值，比對線路的安全裕度與潮流理論計(jì)算值，發(fā)現(xiàn)有越限的線路則修正潮流。設(shè) Pαβ為線路 αβ的潮流數(shù)值，按如下方法描述為：（1）對于 一 條 正 向 越 限 ， 即 P αβ＞ 0 的 線 路 而 言 ， Pαβ＞ Pαβ，移除上游的供電方，按照報(bào)價(jià)從低到高排序，選擇已加入供電范圍的最高價(jià)投標(biāo)者， 降低其輸出電量，同時(shí)在越限線路下游增加最低價(jià)供電方的輸出電量（若最低價(jià)投標(biāo)者已經(jīng)達(dá)到最大輸出，則選取第二低價(jià)者）。如此往復(fù)循環(huán)，直至目標(biāo)越限線路的潮流達(dá)到安全裕度范圍內(nèi)。（2）對于一條負(fù)向越限， 即 Pαβ＜ 0的線路而言，– Pαβ＞ Pαβ，移除下游的供電方，按照報(bào)價(jià)從低到高排序，選擇已加入供電范圍的最高價(jià)投標(biāo)者，降低其輸出電量，同時(shí)在越限線路上游增加最低價(jià)供電方的輸出電量（若最低價(jià)投標(biāo)者已經(jīng)達(dá)到最大輸出，則選取第二低價(jià)者）。如此往復(fù)循環(huán)，直至目標(biāo)越限線路的潮流達(dá)到安全裕度范圍內(nèi)。

對于一個(gè)正向越限的線路而言，上述方法將減小線路上游某一投標(biāo)者（最高價(jià)為最優(yōu)）的輸出電量，增大下游某一投標(biāo)者（最低價(jià)為最優(yōu)） 的輸出電量，以上步驟均需確保不增加更多的越限支路，否則考察優(yōu)先級隊(duì)列中下一順位者。這樣的調(diào)整將降低上、下游這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的線路傳輸功率，最終達(dá)到安全裕度范圍內(nèi)。