基于區塊鏈技術的虛擬電廠交易管理模式研究

周洪益，余 爽，柏晶晶，衛志農，孫國強，臧海祥，錢葦航

（1. 國網江蘇省電力有限公司 鹽城供電分公司，江蘇 鹽城 224002；2. 河海大學 能源與電氣學院，南京 211100）

0 引言

隨著風、光等可再生能源的快速發展，分布式能源接入配電網的趨勢日益向高滲透、高密度的方向發展。然而大量新能源的接入，其隨機性和不確定性會給電網的運行調度和電力市場的交易產生重要影響。虛擬電廠技術正是聚合眾多分布式電源參與電力市場運營，促進新能源消納的重要手段之一［1—2］。

然而傳統的虛擬電廠（virtual power plant,VPP）在結算周期、信息安全等方面也存在一些問題。首先，電源業主對虛擬電廠運營方的信任問題，具體表現為能源信息和收益結算是否可靠。傳統模式下，虛擬電廠中能源信息和收益結算依賴于中心化機構，可能會存在收益結算效率較低以及虛假能源信息的現象。

其次，現行的分布式電源結算周期長。傳統模式下，虛擬電廠運營方聚合能源后參與電力市場的交易，在虛擬電廠整體收益清算后，再根據電源出力曲線、電源信息進行再清算，電力收益需要較長的周期后才可獲得，因此可再生能源所有者的投資積極性將受到影響。

再次，目前虛擬電廠信息數據均存儲在虛擬電廠運營方的控制中心中，存在黑客入侵導致的用戶身份偽裝或數據泄露問題，對虛擬電廠的安全運行造成威脅。

基于區塊鏈技術的虛擬電廠交易管理模式為解決以上問題提供了新思路［3—9］。

本文根據虛擬電廠和區塊鏈技術的特點，建立了基于區塊鏈技術的虛擬電廠商業運營架構和電力交易模式，設計了基于區塊鏈技術的虛擬電廠能源認證和證書交易模式，并對區塊鏈在虛擬電廠中的應用進行了案例說明。最后，給出了虛擬電廠與區塊鏈技術未來進一步深度融合的發展建議。

1 區塊鏈技術與虛擬電廠相結合的適用性分析

1.1 虛擬電廠技術

通過“大云物移智聯”等先進的信息技術和通信技術，虛擬電廠可以實現燃氣輪機、光伏電站、智能樓宇、電動汽車等分布式資源的通信和聚合，作為一個整體參與電力市場和電網運行。

然而，采用中心化模式的傳統虛擬電廠在交易結算、信息安全等方面存在一些不足，主要包括:

（1）虛擬電廠中的交易結算僅由運行中心負責，當交易情況復雜時存在效率降低的問題，導致交易成本增加，各分布式能源的收益降低。

（2）虛擬電廠缺乏安全可靠的信息系統，存在黑客入侵導致的用戶身份偽裝或數據泄露風險，影響虛擬電廠的安全運行。

虛擬電廠的基本結構如圖1所示。

圖1 虛擬電廠的基本結構Fig.1 Basic structure of virtual power plant

1.2 區塊鏈技術

（1）定義

區塊鏈技術本質上是一種多節點參與具有去中心化特性的分布式數據庫，由一組使用采用密碼學方法加密的數據區塊按照時間順序鏈接而成，記錄了不可篡改的數據信息［10］。

（2）結構

區塊鏈中的數據區塊由區塊頭和區塊體兩部分組成，區塊頭由上一區塊的地址、時間戳、Merkle根以及目標哈希值組成；區塊體中包含了系統中一段時間的所有信息，并采用Hash 加密算法通過Merkle 樹生成唯一的Merkle 根與區塊頭聯系，如圖2所示。

（3）區塊鏈類型

目前，區塊鏈按照其類型的不同具體可以分為公有鏈、聯盟鏈以及私有鏈3種［11］，3種類型的特點，如表1所示。

圖2 區塊鏈數據結構Fig.2 Data structure of blockchain

? 公有鏈:在公有鏈中，系統中的所有節點均可以參與共識過程，但由于參與共識的節點數量較多，造成公有鏈效率降低的問題。

? 聯盟鏈:聯盟鏈中參與共識過程的節點由內部預先選定，區塊鏈上的數據可以是公開的也可以是內部的，即部分去中心化。

? 私有鏈:在私有鏈中，共識過程僅由中央節點負責執行，中央節點可決定其他節點的讀取權限。私有鏈的交易速度更快，交易成本更低，但由于權力過分集中于中央節點，存在數據被任意篡改的風險，但適用于某些特殊場景的應用。

表1 3種區塊鏈類型的特點比較Table 1 Characteristics comparison of three blockchain types

（4）分布式共識機制

分布式共識機制是P2P網絡中節點之間達成共識協議的過程。每一個區塊只有在各個節點經過共識過程達成一致后才能按照時間順序加入到區塊鏈中。

目前區塊鏈的共識機制有以下幾種，權益證明機制、工作量證明機制、股份授權證明機制和拜占庭容錯算法。

（5）智能合約

智能合約本質上是部署在區塊鏈上的一組自動執行的計算機程序，規定了交易結算、運行管理機制等規則。智能合約使區塊鏈的應用范圍從貨幣領域擴展到金融、醫療、能源等領域，成為區塊鏈技術落地應用的重要依托［12—14］。

在區塊鏈系統中，智能合約具有讀取和寫入數據、保證交易執行、管理數字資產的功能。智能合約的應用減少了系統的管理成本，避免了不必要的交易糾紛，促進了區塊鏈的進一步發展。

1.3 適用性分析

區塊鏈技術以其去中心化、公開透明、不可篡改的特性與能源互聯網的技術特點具有一致性，將兩者相結合可以建立一個基于共識機制的去中心化能源交易管理平臺，為解決虛擬電廠目前存在的問題提供了新的解決思路。

（1）去中心化:區塊鏈系統具有去中心化的特點，各個決策由系統中的所有節點共同執行。而虛擬電廠包含多種分布式能源，亟需由傳統的中心化控制模式轉為分散控制模式。

（2）集體維護:區塊鏈系統通過共識機制保證每個節點都能夠參與區塊的寫入過程，各個節點也都具有訪問區塊數據的權限。因此避免了采用集中化的控制中心。虛擬電廠對分布式電源進行讀寫、維護權利的授權能夠有效提高分布式能源參與虛擬電廠的積極性。

（3）智能合約:通過智能合約技術，區塊鏈系統可以實現交易結算的自動執行，提高交易管理效率。虛擬電廠在獲得收益之后，能夠自動實現收益的再分配，減少分布式能源所有者回收資金的周期。

（4）信息安全:區塊鏈技術使安全智能交易在能源領域成為可能。同時，虛擬電廠現有的交易管理模式存在信息泄露和身份偽裝的問題。將兩者相結合建立基于區塊鏈技術的虛擬電廠交易管理模式能夠提高虛擬電廠運行系統的安全性。

2 基于區塊鏈技術的虛擬電廠商業運營架構和電力交易模式

基于區塊鏈技術的虛擬電廠商業運營架構和電力交易模式如圖3 所示。首先，將虛擬電廠內不同的分布式能源的類型及發電量進行標記，建立電源收益分配機制。其次，考慮兩個層面的虛擬電廠交易模式，一是虛擬電廠內部電源與負荷P2P交易；二是虛擬電廠作為一個統一的發電廠參與電力市場交易。基于區塊鏈系統，虛擬電廠與分布式能源所有者之間可以進行雙向選擇。

分布式能源所有者根據虛擬電廠的收益分配規則選擇是否加入，并向虛擬電廠運營方提供能源類型、身份ID、可發電額度量等信息。同時，由于區塊鏈系統分布式共識機制的存在，各分布式能源的實際發電量均是公開透明的。在基于區塊鏈技術的虛擬電廠商業運營架構和電力交易模式中，虛擬電廠與分布式能源所有者之間能夠通過智能合約達成長期購電協議，并且可以實現電力的實時交易結算，縮短資金回收周期。

圖3 基于區塊鏈技術的虛擬電廠商業運營架構和電力交易模式Fig.3 Virtual power plant operation structure and power transaction mode based on blockchain technology

3 基于區塊鏈技術的虛擬電廠能源認證和證書交易模式

基于區塊鏈技術的虛擬電廠能源認證和證書交易模式如圖4所示。對于電網中的每個虛擬電廠以及虛擬電廠中的分布式電源而言，其提供的電力信息，所處地域，以及其可信程度履約歷史等都將公開、透明、不可篡改地記錄在區塊鏈中。設計虛擬電廠能源認證模型和證書交易智能合約，將信息認證后寫入區塊鏈進行標記，同時證書以令牌的形式參與市場交易，證書交易及轉讓信息寫入區塊鏈，能夠保證有據可查并且不可篡改。

圖4 基于區塊鏈技術的虛擬電廠能源認證和證書交易模式Fig.4 Virtual power plant energy certification and certificate transaction mode based on blockchain technology

4 區塊鏈技術在虛擬電廠中的應用

本文對虛擬電廠傳統的中心化結構進行改進，建立了基于區塊鏈技術的虛擬電廠運營架構。在此架構中，虛擬電廠的運營主要由聚合商、分布式節點和智能電能表共同完成，具體如圖5所示。

圖5 基于區塊鏈技術的虛擬電廠運營架構Fig.5 Operation framework of virtual power plant based on blockchain technology

其中，分布式節點即為虛擬電廠中的各個分布式能源業主；VPP 聚合商具有對各個分布式能源節點進行能源認證，收集各個節點的交易請求并進行交易匹配，存儲節點間的交易記錄等功能；智能電能表可以對實時電力交易量進行記錄，并實現分布式節點之間、分布式節點與聚合商之間的通信以及數字貨幣傳輸。

區塊鏈模式下的虛擬電廠能源認證與交易流程如圖6所示，可以分為6個步驟。

圖6 區塊鏈模式下的虛擬電廠能源認證與交易流程Fig.6 Energy certification and transaction process of virtual power plant in blockchain mode

（1）各分布式能源業主需要將身份ID、地理位置、能源類型、可發電額度等信息發送給VPP 聚合商進行能源認證，認證完成后VPP 聚合商向各個分布式能源節點發送對應的公私鑰對以及錢包地址。

（2）各分布式能源業主根據實際情況以及虛擬電廠的優化調度計劃進行發電。

（3）VPP聚合商收集各分布式能源節點的交易請求，并進行交易撮合。在交易匹配完成后，各分布式能源節點之間進行電力傳輸。

（4）在電力傳輸完成后，各分布式能源節點將能源幣從能源購買節點發送到能源出售節點，并采用公私鑰對進行簽名，從而對支付信息進行驗證。

（5）VPP聚合商收集一段時間內的所有交易記錄，并采用共識算法生成數據區塊，如果所有的節點均對該區塊達成一致，則可以將該數據區塊存儲至區塊鏈系統中。

（6）分布式節點收到數字貨幣后可以長期存儲在錢包地址中，也可以在數字貨幣交易所與政府貨幣進行兌換以獲取收益。

5 建議

（1）研究適應多交易主體和新型交易模式的高比例分布式電源優化規劃?？紤]虛擬電廠去中心化交易，研究多交易主體模式對配電網接納分布式電源能力的影響；綜合考慮多交易主體功能定位和新型交易模式，研究基于“源網荷”互動的高比例分布式電源接入配電網優化規劃方法。

（2）出臺支撐基于區塊鏈技術的虛擬電廠建設發展的相關政策。鼓勵區塊鏈技術應用發展，綜合考慮各參與主體的價值，充分調動各方對能源區塊鏈投資的積極性，逐步研究、層層推進，鼓勵多方參與、技術革新。

（3）制定泛在物聯網下新型虛擬電廠的規范和標準體系。結合電力行業標準體系，在通用區塊鏈的標準基礎上，完善融合后納入到泛在電力物聯網下虛擬電廠的標準體系中。

（4）建立泛在電力物聯網下虛擬電廠監管體系，創新管理模式。建立虛擬電廠區塊鏈的投資效益評估和糾紛仲裁機制，對虛擬電廠的投資、建設、運營和效益進行科學準確的評估和監管，并以此作為引導，優化后續的建設應用。

6 結束語

以虛擬電廠技術促進清潔能源消納是泛在電力物聯網建設內容的重要組成部分，區塊鏈技術在虛擬電廠的應用僅處于理論研究階段，仍有大量的研究需要開展。本文介紹了虛擬電廠的概念，闡述了區塊鏈技術的定義、結構、分類、共識機制、智能合約，分析了區塊鏈技術與虛擬電廠相結合的適用性。建立了基于區塊鏈技術的虛擬電廠商業運營架構和電力交易模式，設計了基于區塊鏈技術的虛擬電廠能源認證和證書交易模式，以期能夠對未來區塊鏈技術在能源領域的研究提供幫助。