基于區塊鏈的中小型電力用戶自動需求響應系統設計

胡桐月，奚培鋒，張少迪，田由甲，劉傳忠

（上海市智能電網需求響應重點實驗室（上海電器科學研究所（集團）有限公司），上海 200063）

0 引言

自2013年以來，我國陸續在多個省市開展電力需求響應（demand response，DR）項目試點工作，通過政府主導、電網企業實施的方式和電力用戶互動，并在執行過程中引入了負荷聚合商等第三方新型實體的參與，提供用戶側DR資源聚合管理支撐。DR試點項目以前多采用“抓大放小”的思路，對于中小型負荷關注較少，然而近期的學術研究已經逐步呈現出對于中小型單體負荷參與DR的關注態勢［1—2］。相比于大型工業用戶，單體負荷資源的響應往往具有較大隨機性，而且還會受到其擁有主體的行為影響，但大量分散負荷聚合之后會呈現出資源聚合體的特有特征，且用戶側資源進行整合后也具備了一定的潛力，2020 年夏季浙江省DR 市場就引入了低壓首批體驗客戶。

區塊鏈技術依托對分布式數據存儲、點對點傳輸、加密算法、共識機制及智能合約技術的集成應用，而具有分權化、開放共識、不可篡改、自動執行、可追溯等顯著優點受到能源行業的高度關注［3—4］，也有很多研究學者嘗試將其應用于需求響應業務場景中［5—9］。文獻［5］提出一種去中心化的DR 項目管理方法，基于分布式賬本技術保障計量數據的不可篡改，并以智能合約方式定義能源產消者的預期能源靈活性、相關獎懲機制、以及平衡能源需求的規則。文獻［6］針對存在能源供應約束的環境，提出了一種基于區塊鏈的微電網DR方案，應用區塊鏈技術以實現微電網高效、可信運行。文獻［7］結合區塊鏈技術提出了一種安全、隱私保護、防篡改、可審計且可靠的DR框架，實現資產自動化處理，提升聚合商與產銷者之間的信任度，促進DR服務大規模部署。文獻［8］指出區塊鏈技術能夠依托于未來多能源互聯的能源網絡，為IDR資源交易提供相應的技術平臺，降低交易成本，保證交易信息的透明可追蹤。文獻［9］指出基于區塊鏈技術架構，可以解決ADR業務中的記假賬、記錯賬問題，還可以建立一套完整的可追溯交易體系。

本文圍繞基于區塊鏈技術的需求側響應與用能管理應用進行展望，分析用戶側負荷參與DR的現狀與問題，結合區塊鏈技術優點設計用戶側負荷參與DR 的系統解決方案。該方案的優點主要體現在以下3 個方面:一是將DR 交易關鍵數據上鏈存證，通過分布式方法構建不易篡改的信任數據庫，可解決用戶與聚合商之間的交易信任問題，并有助于DR項目相關利益主體監督并共享信息，提高DR交易激勵資金分配可信度；二是設計能源區塊鏈網關作為用戶的智能代理，從鏈上讀取DR事件信息，并與用戶物理層智能家居設備進行通信，幫助用戶根據DR合約內容按時按量完成響應，進而降低聚合商的違約風險；三是將評估結算規則以智能合約形式運行在區塊鏈上，當用戶按照DR合同規定完成響應時，激勵資金即從聚合商的區塊鏈錢包賬戶轉移到用戶賬戶，用戶可及時查看DR收益情況，進一步提高用戶參與DR事件的積極性。

1 區塊鏈技術架構

區塊鏈技術是利用塊鏈式數據結構來驗證與存儲數據，利用分布式節點共識算法來生成和更新數據，利用密碼學的方式保證數據傳輸和訪問的安全，利用由自動化腳本代碼組成的智能合約來編程和操作數據的一種全新的分布式基礎架構與計算范式。區塊鏈技術基礎模型一般劃分為5 個層次，從下至上分別為數據層、網絡層、共識層、合約層和應用層，如圖1所示。

圖1 區塊鏈技術架構Fig.1 Blockchain technology architecture

由圖1可知，數據層封裝了區塊鏈的鏈式結構、區塊數據以及非對稱加密等區塊鏈核心技術；網絡層提供點對點的數據通信傳播以及驗證機制；共識層主要提供網絡節點間達成共識的各種共識算法；合約層展示了區塊鏈系統的可編程性，封裝了各類腳本、智能合約和算法；應用層則封裝了區塊鏈技術的應用場景和案例［10］。

2 區塊鏈技術在電力需求響應中的應用需求分析

2.1 國內開展中小型用戶需求響應的難點分析

電網對商業、居民這兩類中小型用戶參與電力DR市場以促進電力供需平衡的需求日益迫切，但目前中小型用戶參與市場交易存在以下難點亟待解決。

（1）DR 信息交互基礎設施缺乏的難題。根據目前DR 業務發展來看，改造后的大型工商業用戶已具備良好的網絡通信條件實現DR 信息交互，然而對于大量分散性的中小型用戶，目前尚不具備參與DR交易市場的基礎通信設施。

（2）用戶DR 資源自動履約響應的難題。中小型分散用戶需求響應具有數量多、自主性強、隱私性高的特點，這對交易機制技術支持系統的實現提出了較高的要求，若僅憑用戶的主觀行為選擇，將存在很多不確定性。用戶如何根據DR合約內容按時按量完成響應還有待解決，若仍采用響應時間用戶自主手動調節的模式，難以保障DR 事件按時按量完成，也會增加聚合商的違約風險。

（3）激勵資金分配與評估結算可信性證明的難題。在DR 業務實際工程實踐過程中，激勵資金分配、交易核算、懲罰額度等在執行、監管、核算等方面仍存在可信性證明難題，并且現有激勵評估結算方式的審核周期較長，不能實時回饋用戶，也影響用戶參與DR活動的積極性。

2.2 區塊鏈技術在需求響應中的應用需求分析

作為一種分布式記賬系統，區塊鏈所具有的高可靠性和去中心化的特征，使其能夠很好地適應這種分散化的系統結構。基于區塊鏈技術所構建的共享經濟生態環境，能夠促進分散化系統的發展和趨優。其開放性、分布性和不可篡改性有利于多元主體開展交易，通過海量、分散的小規模交易涌現出電網精準調峰的功能，促進DR 項目的自動化和可信性［11］。將區塊鏈技術應用于DR中主要有以下優點。

（1）保障DR 交易信息安全。由于采用中心化處理方式，攻擊者只須侵入少數節點或中心節點，即可對重要數據或指令進行篡改，威脅全網安全。采用區塊鏈技術中的密碼學技術和共識機制可保證交易信息的安全可靠，數據的采集、廣播、存儲等過程都建立在區塊鏈體系之上，能更好地防范數據侵入。

（2）保障DR 合同自動執行。合約執行需要雙方主動履約，既需要額外執行成本，也潛藏違約風險。將DR各類執行規則以智能合約形式運行在區塊鏈上，使交易規則透明化，可確保合約的自動執行。且合約內容有所有節點的背書，不可抵賴、不可篡改，無須付出第三方監管成本與雙方事后溝通成本，減少結算時間并降低人力成本。

（3）提升DR評估可信度與結算效率。區塊鏈技術采用分布式總賬的記賬方式，具備特有價值激勵屬性及交易過程透明、可追溯的特點，不僅可以解決DR業務中的記假賬、記錯賬問題，還可以建立一套完整的可追溯交易體系，可提升交易結算效率。

基于上述分析可見，區塊鏈與DR 各業務流程具有契合點。區塊鏈技術可在用戶身份認證、合同存證、交易記錄、響應效果評價、激勵結算等業務流程中應用。

3 基于區塊鏈的中小型用戶需求響應系統設計

3.1 系統整體功能架構

該系統由能源區塊鏈網關、聚合商系統、能源區塊鏈等3部分組成，如圖2所示。

圖2 基于區塊鏈的需求響應系統架構設計Fig.2 Architecture design of DR system based on blockchain

由圖2 可知，能源區塊鏈網關與聚合商系統分別作為能源區塊鏈的客戶端，與部署在鏈上的DR智能合約交互，實現DR 業務關鍵信息交互。方案利用區塊鏈技術實現DR交易數據存證與交易結算服務，能源區塊鏈網關和聚合商系統分別通過I2、I1接口實現關鍵DR 業務數據上鏈存證（包括用戶實時負荷、用戶可響應負荷值集、DR合同、用戶基線平均負荷值、響應期間負荷值），DR項目相關利益主體（如國網公司、政府監管機構）分別通過I0、I4接口從鏈上獲取可信交易數據。此外，DR評估結算規則以智能合約的方式運行于鏈上，DR事件結束后可實現DR收益及時結算，以提升評估結算的效率。

能源區塊鏈網關作為用戶DR 智能代理，輔助用戶實現負荷數據上鏈、DR資源管理、DR收益查詢等功能；聚合商系統實現鏈上用戶負荷數據查詢、用戶可響應負荷值查詢、DR合同管理、DR評估結算等功能。能源區塊鏈底層平臺，其數據層、網絡層主要參考以太坊相關配置；共識層采用xPoA共識算法，該算法可實現去中心化和性能的有效平衡。智能合約層是業務系統設計的重點，是支撐DR 可信業務功能的關鍵部分。智能合約不僅是外部系統數據與鏈交互的接口，還承載了DR 的評估結算規則，會根據預設條件自動處理賬本上資產，即當用戶按DR合同履約完成響應可及時獲取DR收益。

3.2 系統信息交換流程

在該系統中，能源區塊鏈網關和聚合商系統同時作為能源區塊鏈的客戶端，與部署在能源區塊鏈上的智能合約交互，具體的信息交互流程如圖3所示。

圖3 系統信息交互流程Fig.3 System information interaction flow

（1）能源區塊鏈網關采集用戶負荷數據，并將用戶實時負荷值上傳至區塊鏈節點，區塊鏈節點將交易信息返回給能源區塊鏈網關，聚合商系統從區塊鏈節點讀取用戶實時負荷值。

（2）用戶可通過能源區塊鏈網關配置不同響應等級的可響應負荷值集以及對應的設備控制策略，能源區塊鏈網關將用戶的可響應負荷值集上傳到區塊鏈節點，聚合商系統從區塊鏈上讀取可響應負荷值集。

（3）聚合商系統輔助聚合商制定DR 合同，并將DR 合同發送給區塊鏈節點，能源區塊鏈網關從區塊鏈上讀取DR合同中的關鍵數據項（如響應開始時間、響應結束時間、響應負荷值等）。

（4）能源區塊鏈網關根據響應負荷值匹配對應的設備控制策略，到響應開始時間時，智能家居設備根據能源區塊鏈網關下發的控制指令調節設備狀態，到響應結束時間時再恢復正常狀態。

（5）響應事件結束后，聚合商系統計算出用戶基線平均負荷與響應期間負荷平均值，并上傳至區塊鏈。

（6）區塊鏈根據預先設置的評判規則自動對用戶響應情況進行評估結算，能源區塊鏈網關和聚合商系統從鏈上讀取評估結果。

3.3 能源區塊鏈網關設計

能源區塊鏈網關作為用戶的智能代理，對上與能源區塊鏈系統進行信息交互，對下與用戶物理層設備進行通信，實現采集負荷數據上鏈、獲取鏈上DR 事件信息、下發設備響應策略、獲取鏈上DR 評估結果與收益等功能，整體架構如圖4所示。

圖4 能源區塊鏈網關架構設計Fig.4 Architecture design of energy blockchain gateway

采集單元周期性采集設備功率數據，將采集到的設備實時負荷信息存儲至數據庫中。展示單元向Web/App 用戶展示設備實時負荷值及DR 收益等信息，同時允許用戶配置設備控制策略，并將用戶配置的控制策略以可響應值集形式存儲到數據庫中。通信單元通過能源區塊鏈接口將數據庫中存儲的設備實時負荷值及可響應值集上傳至區塊鏈節點，同時從區塊鏈節點中獲取最新的DR合同、DR收益信息，并存儲至數據庫中。控制單元根據數據庫中存儲的DR 合同信息，在指定的時間段內發送設備控制命令。數據庫負責能源區塊鏈網關各單元模塊之間的數據流交互。守護進程監控能源區塊聯網關各單元進程運行情況，確保所有模塊正常運行。

3.4 DR業務智能合約設計

基于以上業務需求設計DR 業務智能合約，用戶與聚合商各節點間可以通過區塊鏈進行DR關鍵業務數據存證，通過DR信息互動模型，在用戶與聚合商之間進行DR 事件信息交互和DR 激勵結算。DR 智能合約事件信息具體包括用戶實時負荷數據添加、用戶可響應負荷值更新、DR 合同創建及DR事件評估結算4類。當用戶履約完成需求響應事件后，智能合約會自動判斷響應是否成功并將激勵補貼轉移到用戶的區塊鏈錢包賬戶。

3.5 系統測試實驗

該實驗構建了能源區塊鏈測試網絡、開發能源區塊鏈網關樣機，并搭建最小演示系統測試能源區塊鏈網關、聚合商系統與能源區塊鏈之間的信息交互實現情況。最小演示系統包括能源區塊鏈網關、區塊鏈節點服務器、區塊塊鏈瀏覽器、聚合商系統、智能家居設備，以下是具體功能實現情況。

（1）能源區塊鏈網關采集用戶實時負荷數據上鏈，并獲取返回的hash值，用戶點擊交易hash值，可跳轉到區塊鏈瀏覽器查看具體交易情況。

（2）用戶可通過能源區塊鏈網關web頁面配置負荷響應策略，網關自動計算不同響應策略下的可響應應負荷值，并將可響應負荷值集上鏈。

（3）聚合商系統從鏈上獲取可響應負荷值集，根據實際需求，制定DR合同并將DR合同關鍵數據上鏈。

（4）能源區塊鏈網關從鏈上獲取DR 事件信息，并根據DR合同數據下發控制指令，實現智能家居設備的負荷削減。

（5）聚合商系統將計算的用戶基線負荷平均值、用戶響應期間的負荷平均值上鏈，智能合約自動評估響應是否完成，并將DR 補貼token 轉移到用戶區塊鏈錢包賬戶，如圖5所示。

圖5 DR評估結算Fig.5 DR evaluation and settlement

對比傳統技術架構的DR 系統，該方案的優勢在于其結合區塊鏈技術優點構建不易篡改的信任數據庫，實現DR交易數據的可信存證，解決了中小型用戶與聚合商之間的交易信任問題,DR項目相關利益主體也可從鏈上獲取可信交易數據；配套設計的能源區塊鏈網關幫助用戶根據DR合約內容按時完成響應控制，進而降低聚合商的違約風險；將評估結算規則以智能合約的形式運行在區塊鏈上，實現激勵資金的自動流轉，用戶可及時查看DR 收益情況。

4 結束語

本文分析區塊鏈技術在DR 業務中的應用需求，設計基于區塊鏈技術的中小型電力用戶自動DR方案。本文利用區塊鏈不可篡改的特性，一方面實現DR 關鍵業務數據的可信存證與評估結算服務，另一方面用戶借助能源區塊鏈網關可實現DR合同約定的響應量控制。不僅解決了用戶與聚合商之間的交易信任問題，還有助于DR 項目相關利益主體監督并共享信息，提高DR 交易激勵資金分配可信度。下一步，將繼續完善系統功能、優化系統性能與DR交易機制，并結合實際用戶開展應用測試，促進區塊鏈技術與實際應用場景的深度結合。