智能合約技術下微電網群電能分布式交易模型

馬騰，劉洋，劉俊，蔣拯，許立雄

(1. 四川大學電氣工程學院，成都市 610065; 2. 國網重慶市電力公司，重慶市 400000)

0 引 言

隨著能源互聯網的發展與售電側市場的放開[1]，大量產銷合一、擁有合法售電資質的微電網將接入配電網參與電力市場競爭。大規模的交易使得傳統集中化交易模式存在無法高效處理海量交易信息和保證交易的公平透明等問題[2]。在此背景下，具有參與者眾多、單筆電力交易門檻低等特點的分布式交易模式逐漸成為一種交易趨勢[3]。但分布式交易決策過程中缺少中心監管機構，存在數據篡改、歷史追溯難等問題。為此，在分布式交易中引入區塊鏈技術[4]。

作為一種去中心化的分布式記賬系統，區塊鏈技術可以借助非對稱加密、默克樹等技術保證數據的安全性與透明性[5-6]，在能源交易領域得到廣泛的研究[7-10]。文獻[7]提出區塊鏈技術在基于虛擬電廠的虛擬電力資源交易的應用方法。文獻[8]構建基于智能合約的區域能源交易基礎應用結構，并給出定價機制。文獻[9]通過引入與區塊鏈技術配套的市場交易機制實現購售電雙方電量和價格的匹配。文獻[10]基于區塊鏈搭建電能交易市場使購售電雙方能自主進行電力交易談判。但上述研究均未考慮網絡安全約束。

隨著交易范圍擴大，微電網會發生跨配電網節點交易。電能的交易與其他商品的交易不同，僅把電能交易當成普通商品交換，主動忽略網絡的運行約束[11-13]，在實際應用中缺乏可行性。文獻[14]論述在電能分布式交易中考慮網絡運行約束的重要性。文獻[2]在能源雙邊交易中考慮網絡安全約束，但并非是完全的去中心化，仍需要弱中心機構掌握交易信息和實際線路參數。文獻[15]提出一種去中心化的配電網電能多邊交易模式，實現配電網的經濟、安全運行，但所提網絡約束較單一，缺少對節點電壓偏移問題的考慮。因此，研究適用于分布式交易的網絡安全校核方法具有重要意義。

同時，隨著分布式交易規模的增大，參與交易的主體數量增加，尤其是計及復雜的網絡物理約束時，區塊鏈有限的計算能力及響應速度會使得交易吞吐量降低，限制交易速度[16]。文獻[17]將區塊鏈的鏈上分布式交易與鏈下集中調度相結合，在一定程度上增加了區塊鏈的算力，但沒有給出鏈上與鏈下的信息銜接技術。以閃電網絡為代表的狀態通道技術通過將交互放到鏈下以增加交易的吞吐量，但鏈下交易過程未存儲至區塊鏈中，在一定程度上影響信息的安全性和可追溯性[18]。因此，需要對區塊鏈技術的交易效率、安全性和可追溯性進行綜合考慮。

為安全、高效地實現電能分布式交易，提出基于智能合約的微電網群電能分布式交易模式。首先，構建一個適用于電能參與分布式交易的電能交易談判市場智能合約模型，以保障參與用戶的利益。其次，為實現配電網的安全運行，基于功率傳輸分布因子(power transfer distribution factors，PTDF)和電壓靈敏度因子(voltage sensitivity coefficients formulation，VSC)提出適用于智能合約的網絡安全約束方法。最后，針對該交易模型改進區塊鏈的擴容架構，在保障區塊鏈計算能力的同時確保所有歷史數據存儲的安全性和可追溯性。通過算例分析驗證所提電能分布式交易模型不會違反網絡約束，并且微電網能從交易中獲利。

1 智能合約技術下電能分布式交易系統架構

1.1 配電網中電能分布式交易架構概述

本文在配電網中研究電能分布式交易機制，其系統架構如圖1所示。微電網包含風機、光伏、電儲能和居民用戶。當可再生能源生產大量電能時，微電網首先滿足自身需求，然后充當生產者將多余電能出售給其他微電網。當可再生能源無法生產充足電能時，微電網充當消費者向其他微電網購電。當所有微電網的可再生能源出力不足或產能過量時，由運營主體為微電網補充電能或收購電能。運營主體擁有大容量儲能系統，當微電網發起跨配電網節點的交易因越過網絡安全約束被限制時，售電側的運營主體可存儲無法輸送的電能，購電側的運營主體釋放購電方需要的電能，從而實現電能的跨空間流動，避開網絡的安全限制。購售電雙方的報價差可作為運營主體的收益。

圖1 配電網電能分布式交易系統框架Fig.1 Framework of distributed electricity trading system for distribution network

基于區塊鏈的去信任、可追溯和智能合約化等優勢，本文所提電能分布式交易模式與傳統的集中化交易模式相比能使整個交易過程信息交流更加公開透明，數據存儲更加便于監管和提高交易效率[19]。其購售電雙方不再通過任何中間商，而是直接面向交易對象。首先，購售電雙方通過區塊鏈網絡發送購售電信息，由電能交易談判市場智能合約完成交易電量和交易價格的協商談判，形成臨時合同。然后，通過網絡安全約束智能合約對線路潮流和節點電壓進行安全校核。最后，將通過安全校核的臨時合同確定為最終合同，執行交易。

1.2 智能合約原理

智能合約是一種由事件驅動的、具有狀態且運行在區塊鏈上的代碼，其依托底層區塊鏈技術支撐，逐漸成為區塊鏈技術的重要擴展。底層區塊鏈技術為智能合約的應用提供安全、可靠、公平的平臺；智能合約為參與者權利和義務的執行提供了程序化的保障。智能合約結構如圖2所示。當外部輸入數據觸發智能合約預置響應條件時，會激活智能合約使其根據預置響應規則改變合約狀態。合約狀態的改變同樣也會作為觸發條件調用智能合約。

圖2 智能合約原理Fig.2 Principle of the smart contract

2 電能交易談判市場智能合約設計

為保證交易不依賴于任何中心機構實現去中心化，本文的電能交易策略采用交替報價協議[20]。電能交易談判市場智能合約依托該協議，能撮合多個微電網組成聯盟進行協商，實現微電網間的討價還價，達成購售電雙方都可以接受的條件，并且所得電價能與現有配電網的購售電價相兼容。購售電雙方的初始報價如下：

(1)

(2)

(3)

在多個微電網組成聯盟進行談判時，若出現多個微電網向同一個微電網提出交易請求的情況，則按提出交易請求的時間先后進行排序。其過程如下。

步驟1：微電網作為購電方把請求交易的信息隨機發送給有售電需求的微電網。

步驟2：若微電網收到請求信息后經談判接受交易，則購售電雙方確立一個臨時合同。

步驟3：購電方繼續將請求信息發送給下一個微電網，直到滿足以下任意一個條件為止：1)智能合約中沒有其他可售電的微電網；2)交易請求信息的傳播深度達到了τ，參數τ控制交易請求信息傳播的范圍大小。

3 網絡安全約束智能合約設計

在實際應用中，電網企業作為一個獨立于市場的第三方參與者，為電能交易的各個主體提供傳輸服務。在考慮電能分布式交易時，隨著系統參與節點的增多，交易高峰期時系統中大量的交互性操作有可能會導致潮流越限，產生阻塞問題[21]。同時，市場參與主體無限制地注入多余電能會使配電網節點電壓偏移過大，影響配電網的安全運行。因此在市場機制中納入了2個靈敏度指標。

3.1 功率傳輸分布因子

采用直流潮流中的PTDF[22]評估支路中的阻塞情況。保持網絡拓撲結構和線路特性不變，可認為PTDF值為一常數[23]，能與智能合約的程序化自動執行特點相適應。

一個m節點n支路的系統，其PTDF矩陣為n×m階，記為Φ。支路l的PTDF矩陣Φl定義如式(4)，通常由節點電納矩陣求出。

(4)

在直流潮流中，支路l的潮流和各節點的購電功率或售電功率有如下數量關系。

(5)

3.2 電壓靈敏度因子

VSC[24-25]能用于反映配電網系統功率的變化對節點電壓的影響。本文的研究側重于對有功功率進行傳輸，因而忽略無功功率對節點電壓的影響。為與智能合約特性相結合，本文對VSC進行了簡化，采用標幺值表示節點電壓，因此未注入功率的節點的電壓可近似為1。先按式(6)計算節點電壓對節點注入功率Pk的偏導數。

(6)

(7)

4 底層區塊鏈技術概述

4.1 基于雙鏈的底層支撐框架

區塊鏈技術能實現交易過程的透明與安全，但微電網參與考慮網絡安全約束的分布式交易會產生海量的交易信息，對區塊鏈框架的設計提出了新要求。為兼顧區塊鏈的交易效率、安全和可追溯性，考慮采用Plasma[26]擴容技術。其能將大量、頻繁的計算工作轉移到子鏈完成，主鏈只負責記錄購售電雙方達成的交易以及驗證子鏈交易數據的正確性。基于雙鏈的底層支撐框架如圖3所示。

圖3 基于雙鏈的底層支撐框架Fig.3 Bottom support framework based on double chains

4.2 Plasma子鏈在交易中的應用

微電網在Plasma子鏈中以節點的形式存在，并由唯一數字地址標識。經過一系列匹配、談判和校核操作得到最終合同后，通過子鏈網絡廣播到每一個節點，等待共識處理。驗證節點達成一致后，合同才被視為有效并寫入子鏈新的區塊中，實現子鏈歷史數據存儲的可追溯性。

4.3 電能交易的安全保障

子鏈會周期性地向Plasma合約提交區塊，Plasma合約負責處理這些區塊，并將區塊的哈希值存到主鏈上作為子鏈的狀態更新證明。由于只有子鏈區塊的哈希值存放在主鏈上，因此提高了主鏈的共識效率。同時，這個機制允許任何節點在惡意行為發生時都可以向主鏈提交防偽證明。防偽證明包含了惡意偽造區塊之前的區塊信息，并允許微電網檢查子鏈中的交易狀態。由于偽造的區塊無法正確銜接上之前的交易狀態，攻擊被證實，子鏈會回滾到前一個區塊，從而確保微電網資產的安全性。

5 算例分析

智能合約的部署與應用大多基于以太坊等平臺實現。區塊鏈技術作為分布式賬本數據架構封裝于平臺底層，以支持各種邏輯多樣的智能合約的嵌入。本文側重于在智能合約整體框架下構建電能分布式交易模型，因此采用Matlab驗證該模式在智能合約實現下的有效性和可行性。

5.1 算例介紹

算例拓撲及微電網接入節點如圖4所示。總共15 個微電網，每3 個微電網組成一個微電網群，并通過運營主體與配電網4、5、12、24和26 節點相連接。分時電價如附表A1所示；儲能裝置參數如附表A2所示；支路信息如附表A3所示；風電機組出力如附圖A1所示；光伏出力如附圖A2所示，負荷數據采用西南某市的實際微電網負荷曲線。

圖4 IEEE 33節點系統結構Fig.4 Structure of IEEE 33 bus system

為了便于對比，進行以下2種場景的計算。微電網的談判因子αj，βi設置為0.05，0.03[10]。系統硬件環境為Intel Core I5 CPU，3.30 GHz，8 GB內存，操作系統為Win10 64 bit。

5.2 算例結果及分析比較

場景1：微電網基于本文提出的模式參與分布式交易。在這種情況下，允許微電網出售多余的電量。

首先驗證電能交易談判市場智能合約模型的有效性。圖5展示了電能交易談判中達成的最終合同數以及相應的交易量。由圖可知隨著交易傳播范圍的擴大，達成的交易量也更大，相應地完成的電能交易合同也更多。當τ為12時，交易量不再隨著傳播范圍的擴大而增加，24 h內共形成682 份最終合同，完成14 963 kW·h交易量，達到最優傳播范圍。

圖5 談判傳播因子影響Fig.5 Impact of negotiation communication factors

以下分析皆設置τ為12。圖6表示15個微電網之間的總交易電量以及微電網從配電網購買的電量。可以看到大部分有購電需求的微電網都可以通過電能交易談判市場與其他微電網進行交易，剩下的微電網由于交易談判未能達成，只能從配電網購買電量。

圖6 交易電量Fig.6 Electricity transaction

表 1為電量交易成本。微電網參與市場的購電成本與從配電網購買的成本相比減少2 811.3 元，表明電能交易談判市場能夠減少微電網的購電成本。

表1 電量交易成本Table 1 Cost of electricity transaction

圖7展示了一天內所有參與節點的電壓偏移情況。由圖可知節點電壓在0.97 pu和1.10 pu之間變化，其中約81.35%的電壓變化在0.99 pu和1.01 pu之間，沒有出現過電壓情況[27]。

圖7 節點電壓直方圖Fig.7 Histogram of bus voltages

具體聯盟形成過程以微電網9在20：00—20：15期間的電量短缺事件為例。微電網9首先向微電網7發送交易請求。微電網7響應交易請求，并進行交易談判，協商結果為以1.35 元的價格進行交易。之后，微電網9將交易請求發送到微電網8，重復以上步驟，共有8 個微電網響應了交易請求，形成8 份臨時合同，詳細信息如表2所示。

表2 微電網9臨時合同Table 2 Temporary contract of microgrid 9 元

最后，微電網9與微電網3、4簽訂了2份最終合同，共節省5.96 元。表3總結了微電網9一天內的交易結果。在24 h內，微電網9在電力交易談判市場上出售89.55 kW·h的電量，購買了953.07 kW·h的電量，而從配電網購買的電量為472.92 kW·h，電量購買成本總共節省了183.16 元。微電網9在24 h內的調度情況如圖8所示。負荷需求由儲能出力、光伏出力、市場交易電量以及配電網購買電量共同滿足，超過負荷曲線的電量為儲能充電電量。

場景2：微電網直接接入配電網參與電能交易談判交易市場。

圖9為2種場景下的市場交易量對比圖。由圖可知場景1的交易量要遠大于場景2。這是由于線路發生阻塞時，售電方和購電方的運營主體分別獨立存儲和釋放達成交易的電量，使電量的傳輸突破了線路的安全約束限制，大幅提升電能交易談判市場的效率，同時賦予運營主體新的盈利模式。

表3 微電網9交易結果Table 3 Trading results of microgrid 9

圖8 微電網9的調度情況Fig.8 Scheduling of microgrid 9

圖9 交易電量對比Fig.9 Comparison of electricity transactions

圖10為兩種場景的支路容量占用對比圖。分析圖可知，場景1的支路容量占用峰值為513.18 kW，場景2支路容量占用峰值為817.89 kW，場景1的整體線路容量占用量要小于場景2。可見，本文所提交易策略在顯著提高交易量的同時，能有效減少支路容量的占用，降低“過網費”的支付和線路功率損耗，提高微電網參與電力交易市場的積極性。

圖10 支路容量占用對比Fig.10 Comparison of branch capacity occupation

6 結 論

在傳統集中化交易模式無法適應總體交易規模大、單次交易量小的電能交易的背景下，本文提出了基于智能合約的微電網群電能分布式交易模式，構建了與智能合約相適應的電能交易談判市場和網絡安全約束方法，改進了區塊鏈的擴容架構，保障了區塊鏈的算力、數據存儲的安全性和可追溯性，通過算例仿真得出以下結論。

1)電能交易談判市場智能合約模型允許微電網去中心地參與電力市場并對交易電量和交易價格進行協商，能有效降低微電網的購電成本，增加微電網的售電收益。

2)所提網絡安全約束智能合約模型能有效判斷線路潮流阻塞和節點電壓偏移情況，有助于配電網安全運行。

3)所提電能分布式交易模型能夠實現電能跨距離傳輸，有助于參與主體減少“過網費”的支付和降低線路功率損耗，提高參與市場的積極性，同時賦予運營主體新的盈利模式。

本文在網絡約束方面側重于對線路功率容量和節點電壓偏移進行評估，后續工作中將進一步考慮在分布式交易中內在化線路功率損耗成本，并對在區塊鏈網絡平臺上搭建實際電能交易應用進行更為深入的探究。