李彬，張潔，祁兵，李德智，石坤，崔高穎

(1．華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京市102206;2．中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市100192;3．國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，南京市210003)

區(qū)塊鏈:需求側(cè)資源參與電網(wǎng)互動(dòng)的支撐技術(shù)

李彬1，張潔1，祁兵1，李德智2，石坤2，崔高穎3

(1．華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京市102206;2．中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市100192;3．國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，南京市210003)

需求側(cè)資源參與電網(wǎng)互動(dòng)的主要目的是實(shí)現(xiàn)“源－網(wǎng)－荷”的兩端調(diào)節(jié)，保障電網(wǎng)的實(shí)時(shí)平衡，區(qū)塊鏈技術(shù)通過(guò)全網(wǎng)記賬的方式及高冗余的信息架構(gòu)實(shí)現(xiàn)安全信息的再現(xiàn)。為保障信息的安全性和可靠性，考慮在智能電網(wǎng)概念模型中的互動(dòng)方式下，設(shè)計(jì)一種基于區(qū)塊鏈的供需互動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)，提出了一個(gè)以區(qū)塊鏈協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)為支撐，以信息監(jiān)控、采集、錄入、統(tǒng)計(jì)為中心，以需求響應(yīng)服務(wù)器(demand response automation server，DRAS)、負(fù)荷集成商、用戶群為框架的一體化信息平臺(tái)設(shè)計(jì)思路。結(jié)果表明基于區(qū)塊鏈的架構(gòu)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)信息的不可篡改性，使整個(gè)系統(tǒng)的安全性不受限于某個(gè)中心故障點(diǎn)，從而保障信息的安全性和可靠性。

區(qū)塊鏈;需求側(cè);供需互動(dòng);信息安全

0 引言

隨著我國(guó)提出以通信平臺(tái)為依托，智能技術(shù)為手段的“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”概念，“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”3個(gè)指標(biāo)的高度一體化的要求，圍繞智能電網(wǎng)展開的通信平臺(tái)建立的重要性越顯突出［1］。通信平臺(tái)的建立不僅要實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的主干支撐作用，同時(shí)要能確保電網(wǎng)信息監(jiān)控、跟蹤、記錄、回饋、集成、分析、匯總等一系列自動(dòng)化管理，維持智能電網(wǎng)需求響應(yīng)(demand response，DR)項(xiàng)目基礎(chǔ)功能的正常施行［2］。因此為了改善早先傳統(tǒng)輸配電方式及信息數(shù)據(jù)交互方式，切實(shí)解決電力調(diào)度優(yōu)化配置問(wèn)題，唯有在智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)上大規(guī)模開展電力自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置、監(jiān)控裝置、信息采集裝置的接入，真正實(shí)現(xiàn)需求響應(yīng)管理信息化。中心化管理的絕對(duì)安全是以系統(tǒng)內(nèi)部的絕對(duì)安全為前提和假設(shè)的，一旦出現(xiàn)“內(nèi)鬼”，則所有的安全防護(hù)措施將形同虛設(shè)，而分布式總賬的方式恰好是利用全網(wǎng)公證的方式來(lái)保障每一筆交易的合法性，只要保障系統(tǒng)具有絕對(duì)的算力優(yōu)勢(shì)，即可以保障系統(tǒng)安全，而且系統(tǒng)具有良好的可追溯性。我國(guó)現(xiàn)有與需求響應(yīng)配套的價(jià)格、激勵(lì)政策還不夠完善，一旦電力市場(chǎng)以及相應(yīng)的機(jī)制足夠成熟，DR業(yè)務(wù)大規(guī)模擴(kuò)張，將面臨及其復(fù)雜的交易規(guī)則和補(bǔ)貼處理，無(wú)論是對(duì)系統(tǒng)的可靠性、計(jì)算能力，均提出了較高的要求。區(qū)塊鏈技術(shù)是依托于分布式系統(tǒng)的一種全網(wǎng)記賬的方式，通過(guò)壓縮和篩選重復(fù)的交易信息，保障信息的準(zhǔn)確性［3］。萊德拉資源區(qū)塊鏈包含了金融工具、財(cái)務(wù)記錄、公共記錄、私人記錄、半公開記錄、物理資產(chǎn)密鑰、無(wú)形資產(chǎn)等分類，可以滿足不同行業(yè)的應(yīng)用需求。在交易過(guò)程中可以靈活地編制各種合約，該機(jī)制能夠有效滿足電力市場(chǎng)業(yè)務(wù)多樣化的需要，在交易過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)資源托管、擔(dān)保、三方仲裁、多重簽名、聯(lián)名交易、延時(shí)支付等復(fù)雜業(yè)務(wù)的控制邏輯［4］。在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的沖擊下，也誕生了眾多新的經(jīng)濟(jì)模式，并逐步獲取法律的支持，例如:曾經(jīng)引發(fā)很大爭(zhēng)論的Airbnb和Uber也已經(jīng)獲得了法律層面的援助。2015年10月，美國(guó)佛羅里達(dá)迪士尼樂(lè)園舉行了全球首例在區(qū)塊鏈上記錄的婚姻，并在線公開注冊(cè)的區(qū)塊鏈資產(chǎn)。中泰兩國(guó)已經(jīng)啟動(dòng)了基于區(qū)塊鏈的兩國(guó)貨幣直接轉(zhuǎn)賬結(jié)算，預(yù)計(jì)可將傳統(tǒng)的結(jié)算時(shí)間縮短 90%以上。2016年11月，美國(guó)證券交易委員會(huì)明確指出將出臺(tái)相關(guān)監(jiān)管措施用于保護(hù)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)以及傳輸環(huán)節(jié)的安全性。隨著智能合約以數(shù)字形式寫入計(jì)算機(jī)程序代碼中，一旦條件滿足，則自動(dòng)觸發(fā)執(zhí)行，而無(wú)需任何額外承諾的協(xié)議。在互聯(lián)網(wǎng)上的金融體系目前大多還是通過(guò)政府、銀行或者第三方參與的支付方式，大多還是通過(guò)中心化的方案，將價(jià)值從原始地址轉(zhuǎn)移到新的地址，所謂的價(jià)值可以是實(shí)體資產(chǎn)也可以是虛擬資產(chǎn)，亦或是某些可以移交擁有權(quán)的未發(fā)生合同。需求側(cè)資源參于電網(wǎng)互動(dòng)的主要目的是實(shí)現(xiàn)“源－網(wǎng)－荷”的兩端調(diào)節(jié)，保障電網(wǎng)的實(shí)時(shí)平衡。需求側(cè)用戶除了降低電力需求外，對(duì)于具有儲(chǔ)能或者能夠貯存半成品的用戶還可以推遲用電時(shí)間以期待獲取更低的價(jià)格，而其貯存設(shè)備及控制設(shè)施的投資成本均需要核算。區(qū)塊鏈支撐用戶自建光伏電站、充電樁等有形資產(chǎn)盈利并促進(jìn)執(zhí)行能源服務(wù)商的合同，在此基礎(chǔ)上可以積累大量的交易數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)，從而可進(jìn)一步挖掘用戶用能行為、負(fù)荷使用規(guī)律、用戶信用指數(shù)等無(wú)形資產(chǎn)的管理，為電力金融經(jīng)濟(jì)的發(fā)展構(gòu)造各個(gè)層次的應(yīng)用［5］。利用區(qū)塊鏈構(gòu)建自動(dòng)交易網(wǎng)絡(luò)需要交易的資源是可量化、單元化的，在實(shí)時(shí)競(jìng)價(jià)體系中，可根據(jù)外部的環(huán)境變化以及預(yù)先設(shè)定的閾值條件自動(dòng)執(zhí)行，通過(guò)對(duì)資源的分配進(jìn)行限價(jià)和程序化交易。根據(jù)現(xiàn)有的售電側(cè)改革政策以及需求響應(yīng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析，未來(lái)開展關(guān)于發(fā)電側(cè)、輸配側(cè)以及用電側(cè)整體框架平臺(tái)的建設(shè)亟待完成。隨著參與電力交易的需求側(cè)資源數(shù)量、類別不斷增多，迫切需要建立一個(gè)通用的底層信息交互架構(gòu)，以信息監(jiān)控、采集、錄入、統(tǒng)計(jì)為中心，保障電網(wǎng)企業(yè)、能源聚合商、能源服務(wù)商、用戶群之間的互動(dòng)以及交互，而區(qū)塊鏈作為信息領(lǐng)域的革命性技術(shù)可以有效支撐電力企業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

1 需求側(cè)資源參與電網(wǎng)互動(dòng)的技術(shù)需求

1.1 國(guó)外需求側(cè)資源互動(dòng)實(shí)踐分析

在智慧能源管理方面，國(guó)外發(fā)展較快，而且已經(jīng)初步形成了商業(yè)模式，但在不同國(guó)家、不同區(qū)域，其應(yīng)用方式均不相同［6-8］。紐約卓越能源公司(absolute energy，AE)針對(duì)需求側(cè)資源參與電網(wǎng)互動(dòng)設(shè)計(jì)了專業(yè)的能源管理項(xiàng)目，可以確定在緊急情況下通過(guò)需求側(cè)資源互動(dòng)可以減少多少電力負(fù)荷，同時(shí)還可以輔助確定利用現(xiàn)場(chǎng)發(fā)電基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)一步降低對(duì)公共系統(tǒng)使用的需求。AE為此開發(fā)了一系列用戶可以在緊急情況下應(yīng)用的具體措施，并根據(jù)公布的結(jié)算價(jià)格以及需求側(cè)資源在參與項(xiàng)目時(shí)承諾的進(jìn)度情況支付報(bào)酬。當(dāng)緊急需求響應(yīng)項(xiàng)目被激發(fā)時(shí)，可以向AE申請(qǐng)額外報(bào)酬。即使沒(méi)有全額完成所承諾的削減量也沒(méi)有經(jīng)濟(jì)懲罰，還可以根據(jù)實(shí)際的削減量來(lái)支付報(bào)酬。針對(duì)可能出現(xiàn)的電力短缺情況，AE會(huì)提前1天發(fā)出公告，至少在實(shí)際響應(yīng)發(fā)生之前21 h內(nèi)讓滿足要求的需求側(cè)資源收到。對(duì)于緊急需求響應(yīng)項(xiàng)目，AE會(huì)提前2 h通知。緊急需求響應(yīng)方案每年最少2次測(cè)試，1次測(cè)試持續(xù)1 h。實(shí)際的緊急情況一般會(huì)持續(xù)1～4 h。如果緊急情況持續(xù)超過(guò)4 h，則需求側(cè)資源可以選擇響應(yīng)，也可以選擇不響應(yīng)。對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，參與這個(gè)項(xiàng)目無(wú)須支付任何費(fèi)用。但必須安裝計(jì)量設(shè)備，并且將計(jì)量數(shù)據(jù)授權(quán)給供應(yīng)商。

南加州愛(ài)迪生公司(Southern California Edison，SCE)重點(diǎn)考慮的則是夏天的用電需求對(duì)電網(wǎng)所造成的負(fù)擔(dān)。所設(shè)計(jì)的DR項(xiàng)目規(guī)則是，只要用戶允許SCE遠(yuǎn)程控制空調(diào)設(shè)備，即可在每年夏天獲得高達(dá)200美元的賬單積分獎(jiǎng)勵(lì)。賬單積分是基于當(dāng)前的電費(fèi)率、空調(diào)設(shè)備規(guī)格、所選計(jì)劃及用電量計(jì)算的。積分是按每部空調(diào)設(shè)備的實(shí)際和準(zhǔn)確的電流量計(jì)算，夏季折扣計(jì)劃(summer discount plan)賬單積分從6月1日至10月1日自動(dòng)套用至月賬單上，SCE循環(huán)記錄空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)并進(jìn)行檢核，而賬單期則由裝置啟動(dòng)開始。一旦用戶參與夏日折扣計(jì)劃，在用電高峰期的“能源活動(dòng)”或緊急事故中，SCE會(huì)遠(yuǎn)程控制對(duì)應(yīng)注冊(cè)的空調(diào)設(shè)備，每天不超過(guò)6 h。SCE將為用戶提供并安裝相應(yīng)的裝置，在能源活動(dòng)進(jìn)行中遠(yuǎn)距離控制相關(guān)設(shè)備。夏天折扣計(jì)劃有多個(gè)選擇項(xiàng)目:“標(biāo)準(zhǔn)型”的設(shè)計(jì)目標(biāo)是降低用戶的開銷;“豁免型”給您每年高達(dá)5次豁免參加能源活動(dòng)的機(jī)會(huì)，是靈活性的響應(yīng)項(xiàng)目。超節(jié)省型折扣計(jì)劃中空調(diào)每天可關(guān)閉長(zhǎng)達(dá)6 h，針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)型，那么可最高節(jié)省200美元;如果選擇的是豁免型，節(jié)省最高100美元。超舒適型折扣計(jì)劃中空調(diào)每半小時(shí)關(guān)閉15 min，1天可最高關(guān)閉6 h，針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)型，可最高節(jié)省100美元;如果選擇的是豁免型，節(jié)省最高50美元。

為了能夠更加有效地進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行的管理，可以構(gòu)建基于用電峰值需求分析專家經(jīng)驗(yàn)管理系統(tǒng)的方法，通過(guò)該方法有助于分布式電站負(fù)荷的削減量，通過(guò)降低生產(chǎn)或者饋線的需求滿足用電服務(wù)地區(qū)中央負(fù)荷調(diào)度中心的需求。需求縮減量的分配量化主要考慮DR業(yè)務(wù)系統(tǒng)中每個(gè)分布式電站的潛力和優(yōu)先級(jí)，充分評(píng)估分布式電站的業(yè)務(wù)負(fù)載水平。根據(jù)每個(gè)子系統(tǒng)的能力、負(fù)荷率、客戶類型(住宅/商業(yè))以及負(fù)荷類別(可配置負(fù)荷、可中斷負(fù)荷或重要負(fù)荷)設(shè)定優(yōu)化策略。利用層次分析法模型實(shí)現(xiàn)負(fù)荷削減量分配的復(fù)雜決策過(guò)程，利用專家系統(tǒng)輸入目標(biāo)和參數(shù)，可以在滿足削減高峰負(fù)荷需求水平條件下實(shí)現(xiàn)負(fù)荷削減量的有效分配。

1.2 需求側(cè)資源提供電力輔助服務(wù)的可行性

目前，負(fù)荷完全參與電網(wǎng)的調(diào)度運(yùn)行尚且存在一定的技術(shù)差距，已經(jīng)有相關(guān)的研究人員開展了關(guān)于負(fù)荷參與電力輔助服務(wù)的潛力分析工作，然而大多停留在概念階段或者只是針對(duì)特定的負(fù)荷進(jìn)行了設(shè)計(jì)［9］。絕大部分的文獻(xiàn)所關(guān)注的只是需求響應(yīng)資源參與傳統(tǒng)電網(wǎng)的峰值管理或者是價(jià)格響應(yīng)需量。對(duì)于參與輔助服務(wù)的DR資源而言，其在響應(yīng)速度與控制準(zhǔn)確度方面的技術(shù)性難度更高，而且也不僅只是在電網(wǎng)出現(xiàn)高峰時(shí)才開始執(zhí)行，而是隨時(shí)進(jìn)行的常態(tài)化控制［10］。作為電網(wǎng)企業(yè)，其首要職責(zé)便是實(shí)現(xiàn)電源與負(fù)荷間的實(shí)時(shí)平衡，但是在短時(shí)間內(nèi)，可能會(huì)出現(xiàn)諸如大型發(fā)電機(jī)組或者主干輸電線路故障的緊急事件。區(qū)別于電力市場(chǎng)中的傳統(tǒng)能源產(chǎn)品，輔助服務(wù)所關(guān)注的核心內(nèi)容并非是電量值，而是瞬時(shí)的電力補(bǔ)充和平衡，其中包括有功和無(wú)功的快速響應(yīng)。輔助服務(wù)的主要內(nèi)容包括:調(diào)節(jié)備用(平衡區(qū)域的響應(yīng)誤差)、應(yīng)急備用(應(yīng)對(duì)緊急事件)、彈性備用(應(yīng)對(duì)大規(guī)模風(fēng)電、光伏不確定性)［11-12］。

對(duì)于大型互聯(lián)電網(wǎng)而言，快速市場(chǎng)調(diào)節(jié)的需求通常為1%左右的負(fù)荷，小型系統(tǒng)的負(fù)荷調(diào)節(jié)需求量會(huì)高一些［13］。由于風(fēng)電和光伏的不確定性，在分布式能源滲透率較高區(qū)域的調(diào)節(jié)需求會(huì)更高一些。通常，電網(wǎng)緊急事件的處理不能完全依賴于用戶參與的輔助服務(wù)市場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。以加州為例，電網(wǎng)的規(guī)劃與運(yùn)行管理是通過(guò)獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商的平衡監(jiān)管區(qū)(balancing authority area，BAA)來(lái)完成的，其負(fù)荷調(diào)節(jié)量占5%～7%，并且要求半數(shù)以上為旋轉(zhuǎn)備用［14-15］。為了能夠更好地支撐電力輔助服務(wù)，需要定量分析參與用戶、用戶聚合體的負(fù)荷運(yùn)行規(guī)律、可用性，從而準(zhǔn)確評(píng)估其對(duì)電力輔助服務(wù)的貢獻(xiàn)，從而支撐電網(wǎng)公司的調(diào)度決策。輔助服務(wù)的價(jià)值與費(fèi)率、采購(gòu)過(guò)程密切相關(guān)，在不同的地區(qū)往往具有不同的表現(xiàn)，電力企業(yè)也可以選擇采用自己的基礎(chǔ)設(shè)施提供輔助服務(wù)。隨著電力體制的改革，未來(lái)在批發(fā)市場(chǎng)中的輔助服務(wù)價(jià)格通常會(huì)受到投標(biāo)價(jià)格和機(jī)會(huì)成本影響。DR參與負(fù)荷削減項(xiàng)目每年大約執(zhí)行10～15次，每次4～8 h。相反，如果將DR作為調(diào)節(jié)型輔助服務(wù)，幾乎每周，甚至每日都要執(zhí)行，每次平均持續(xù)時(shí)間也就是10 min，最長(zhǎng)不會(huì)超過(guò)30 min。相比出現(xiàn)頻率較低、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的負(fù)荷削減項(xiàng)目，DR用戶更愿意參加短期的調(diào)整服務(wù)。需求側(cè)資源參與不同類別項(xiàng)目時(shí)，需要考慮其具體的差異，因此在IEC 62746的標(biāo)準(zhǔn)框架下應(yīng)當(dāng)擴(kuò)充與需求側(cè)資源參與電網(wǎng)互動(dòng)的項(xiàng)目信息傳遞［16］。圖1給出了在IEC62746框架下虛擬頂端節(jié)點(diǎn)(virtual top node，VTN)與虛擬終端節(jié)點(diǎn)(virtual end node，VEN)之間的信息交互，通過(guò)底層的協(xié)議支撐實(shí)現(xiàn)交互雙方的共識(shí)。

圖1 IEC 62746框架下的需求側(cè)資源交互服務(wù)Fig.1 Demand side resource interaction service under IEC 62746 framework

我國(guó)DR作為電力輔助服務(wù)資源，可以隨時(shí)參與電網(wǎng)發(fā)布的項(xiàng)目，目前缺少的是商業(yè)模式，一旦商業(yè)模式成熟、補(bǔ)貼到位，用戶將具有很高的參與意愿。輔助服務(wù)是為了保障電力系統(tǒng)運(yùn)行安全以及供電可靠性所用的服務(wù)，包括自動(dòng)發(fā)電控制(automatic generation control，AGC)、系統(tǒng)備用容量、無(wú)功控制、電壓控制、黑啟動(dòng)等。其中有償輔助服務(wù)涉及不同參與實(shí)體間的市場(chǎng)運(yùn)行機(jī)制以及必要的資金流結(jié)算方式［17］。以澳洲電力市場(chǎng)為例，發(fā)電商與用戶可簽訂套期保值合同，雙方完全根據(jù)市場(chǎng)的實(shí)施報(bào)價(jià)進(jìn)行補(bǔ)償，通過(guò)結(jié)余拍賣等形式促進(jìn)區(qū)域間的交易［18-19］。輔助服務(wù)分為統(tǒng)一型(如英格蘭、威爾士，細(xì)分為強(qiáng)制性服務(wù)、商業(yè)服務(wù))、投標(biāo)型(新西蘭、澳大利亞)、雙邊合同型等?？紤]到不同的機(jī)組提供的輔助服務(wù)能力、所承擔(dān)的輔助服務(wù)任務(wù)、其單位成本也不盡相同，因此在結(jié)算時(shí)具有較為復(fù)雜的運(yùn)算邏輯，若能采用分布式總賬的方式，記錄不同類別機(jī)組的操作，并且實(shí)時(shí)對(duì)照機(jī)組運(yùn)行情況、標(biāo)定值等信息，則可以實(shí)現(xiàn)更為精細(xì)的管理方式，為全面市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)提供支撐。目前，輔助服務(wù)市場(chǎng)成熟的國(guó)家包括:英格蘭、威爾士、加州輔助服務(wù)市場(chǎng)。

在電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域，輔助服務(wù)的銷售可作為除了電能銷售以外的增值型服務(wù)業(yè)務(wù)，而在實(shí)際操作過(guò)程中，發(fā)電機(jī)若提供旋轉(zhuǎn)備用或無(wú)功支持，則必須開機(jī)提供最小的發(fā)電出力。若其達(dá)到最大發(fā)電出力，則無(wú)法進(jìn)一步提供備用容量［20］。許多需求響應(yīng)資源在技術(shù)上能夠?yàn)殡娏ο到y(tǒng)提供輔助服務(wù)［21］。在某些特定的情況下，需求響應(yīng)資源可以比發(fā)電機(jī)組更好地調(diào)節(jié)服務(wù)，因?yàn)樾枨髠?cè)用戶負(fù)荷的削減速度往往比調(diào)用大型發(fā)電機(jī)組速度更快，所以對(duì)具備需求響應(yīng)能力的用戶經(jīng)濟(jì)價(jià)值及對(duì)電力系統(tǒng)的影響進(jìn)行量化分析，有助于提升電網(wǎng)企業(yè)的安全穩(wěn)定運(yùn)行［22-25］。

2 區(qū)塊鏈的技術(shù)支撐條件

2.1 基于區(qū)塊鏈的供需互動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)

在我國(guó)提出的建成堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)平臺(tái)大背景下，需要需求響應(yīng)的應(yīng)用研究，需要考慮根據(jù)現(xiàn)行的用電信息管理系統(tǒng)、監(jiān)視控制與數(shù)據(jù)采集以及已經(jīng)布署的電力信息平臺(tái)［26］。結(jié)合開放式自動(dòng)需求響應(yīng)協(xié)議(OpenADR)中的規(guī)定可設(shè)置集配電側(cè)、發(fā)電側(cè)及用電側(cè)的一體化平臺(tái)，信息交互及信息采集設(shè)計(jì)是后續(xù)平臺(tái)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)［26-29］?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)誕生伊始，TCP/IP作為互聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模擴(kuò)展應(yīng)用的基礎(chǔ)，能夠保障互聯(lián)設(shè)備間的互通，其作用是至關(guān)重要的。為了保障信息傳遞的可靠性，最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方法就是通過(guò)中心控制的技術(shù)手段，通過(guò)地域、物理上的隔離，保障信息的安全性和可靠性，而這些也正是限制電網(wǎng)信息系統(tǒng)發(fā)展的致命因素。研究學(xué)者將互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歸結(jié)于分組數(shù)據(jù)傳輸分布式人工智能以及無(wú)中心化等技術(shù)［30］。

區(qū)塊鏈中的工作量證明機(jī)制引入了對(duì)特征值掃描的步驟，隨著時(shí)間的推移，求解特征值所需的工作量將呈指數(shù)上升，然而檢驗(yàn)過(guò)程僅僅需要1次哈希運(yùn)算［31］。正反向運(yùn)算的不對(duì)稱，提高了系統(tǒng)被攻擊的難度，通過(guò)CPU資源耗費(fèi)構(gòu)建了工作量證明機(jī)制。區(qū)塊鏈的發(fā)明者中本聰已經(jīng)從數(shù)學(xué)上證明了破解系統(tǒng)成功最大的概率是在交易開始時(shí)發(fā)動(dòng)攻擊，否則后續(xù)其成功概率將按照指數(shù)分布衰減［32］。在供需互動(dòng)業(yè)務(wù)中，將涉及到眾多實(shí)體之間的互動(dòng)，除了需要建立一套完整的可追溯交易體系外，還需為每一筆參與交易的資金(如:專項(xiàng)資金補(bǔ)貼、合同違約罰款等)的結(jié)算進(jìn)行監(jiān)管。資產(chǎn)、合約的可編程特性能夠支撐供需互動(dòng)信息服務(wù)模式的開展，而激勵(lì)政策、成員管理則有助于提升業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)的靈活性。區(qū)塊鏈所具有的共識(shí)機(jī)制、安全機(jī)制、存儲(chǔ)通信管理可全面支撐供需互動(dòng)的開展，其技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 支撐供需互動(dòng)服務(wù)的區(qū)塊鏈底層技術(shù)框架Fig.2 Bottom chain technology framework for supporting supply and demand interactive services

應(yīng)用層與行業(yè)應(yīng)用相關(guān)，與具體執(zhí)行的業(yè)務(wù)交易相關(guān)，在不同領(lǐng)域應(yīng)用方式差異較大，主要體現(xiàn)在交易的信息差異上。中間層解決的是應(yīng)用程序接口、行業(yè)平臺(tái)服務(wù)、大數(shù)據(jù)分析、憑證發(fā)行與驗(yàn)證。在底層則通過(guò)區(qū)塊鏈基礎(chǔ)協(xié)議、平臺(tái)路由、基礎(chǔ)算法等支撐。比特幣是目前基于區(qū)塊鏈技術(shù)的最大規(guī)模的應(yīng)用，破解比特幣全網(wǎng)記賬功能需要完成SHA256求解，截止于 2016年，比特幣所形成的區(qū)塊鏈已經(jīng)具有400 PFLOPS的算力，是我國(guó)天河二號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)的12倍［33］。在能源領(lǐng)域，區(qū)塊鏈能夠應(yīng)用于能源供需互動(dòng)領(lǐng)域的主要原因是受益于區(qū)塊鏈的智能合約技術(shù)，通過(guò)該合約甚至可以實(shí)現(xiàn)智能電表與區(qū)塊鏈之間數(shù)據(jù)的無(wú)縫對(duì)接。能源領(lǐng)域的互動(dòng)依賴于復(fù)雜的交易和結(jié)算系統(tǒng)，而完善的電力市場(chǎng)中往往存在著數(shù)量不菲的限制規(guī)則，通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)能夠精簡(jiǎn)能源分配、交易各個(gè)環(huán)節(jié)的步驟，降低中間機(jī)構(gòu)所帶來(lái)的額外費(fèi)用。

2.2 多級(jí)交互條件下的區(qū)塊鏈支撐

在智能電網(wǎng)概念模型中的互動(dòng)方式下，電網(wǎng)側(cè)可通過(guò)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的整體協(xié)調(diào)，基本保證響應(yīng)過(guò)程的自動(dòng)化?？紤]到信息技術(shù)發(fā)展速度較快，需求側(cè)供需互動(dòng)系統(tǒng)可采用面向?qū)ο蟮姆椒?，通過(guò)插件化模塊組織方式實(shí)現(xiàn)各功能模塊等。利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)提供的各種概念和技術(shù)組織代碼，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的重要功能，控制開發(fā)的復(fù)雜性。在考核評(píng)級(jí)中用戶可主動(dòng)參與到電網(wǎng)側(cè)的業(yè)務(wù)評(píng)級(jí)中，對(duì)電網(wǎng)側(cè)提供的需求響應(yīng)業(yè)務(wù)給出實(shí)際評(píng)價(jià)的互動(dòng)?？山⒁粋€(gè)以區(qū)塊鏈協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)為支撐，以信息監(jiān)控、采集、錄入、統(tǒng)計(jì)為中心，以需求響應(yīng)服務(wù)器(demand response automation server，DRAS)、負(fù)荷集成商、用戶群為框架的一體化信息平臺(tái)。從業(yè)務(wù)信息下發(fā)、業(yè)務(wù)監(jiān)控、信息采集等方面考慮設(shè)計(jì)。實(shí)時(shí)地跟蹤用戶行為，并且提高信息的交互，定性分析用戶行為特征以保持用戶更加便利地參與到電網(wǎng)調(diào)度中?；趨^(qū)塊鏈技術(shù)的互動(dòng)服務(wù)平臺(tái)，還可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)規(guī)劃調(diào)度、經(jīng)濟(jì)分析、用戶評(píng)估、行為預(yù)判等功能，在所有的交易和結(jié)算以及常規(guī)化的操作中，所有參與實(shí)體均無(wú)需獲知對(duì)方的真實(shí)身份，只需要具有簽名的授權(quán)即可。真正的體現(xiàn)智能電網(wǎng)信息化、自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化，為智能電網(wǎng)的后續(xù)研究和開發(fā)設(shè)計(jì)提供可參考意見，可極大提高電網(wǎng)配電側(cè)及用電側(cè)的需求響應(yīng)信息化，實(shí)現(xiàn)真正的實(shí)時(shí)無(wú)縫互聯(lián)，提高未來(lái)智能電網(wǎng)的工作效率和服務(wù)質(zhì)量［7］。

考慮到需求側(cè)資源參與電網(wǎng)互動(dòng)過(guò)程中，涉及電網(wǎng)企業(yè)、能源服務(wù)商、聚合商、監(jiān)管機(jī)構(gòu)、能量管理系統(tǒng)(energy managementsystem，EMS)等實(shí)體，區(qū)塊鏈基礎(chǔ)架構(gòu)的作用是要保障在互動(dòng)環(huán)節(jié)中各個(gè)實(shí)體間信息交互的信息完整性、身份可識(shí)別性、操作不可抵賴性等，可在不同操作環(huán)節(jié)中設(shè)定監(jiān)測(cè)點(diǎn)，針對(duì)具體的應(yīng)用場(chǎng)景，提取信息導(dǎo)入核心技術(shù)組件進(jìn)行分析，如圖3所示。

圖3 多級(jí)聚合結(jié)構(gòu)下的區(qū)塊鏈技術(shù)支撐Fig.3 Block chain technology support under multi-stage aggregation structure

從工業(yè)經(jīng)濟(jì)到計(jì)算經(jīng)濟(jì)時(shí)代的轉(zhuǎn)變，使得傳統(tǒng)金融行業(yè)的信用成本正在悄然降低，以鋼筋水泥為標(biāo)志的銀行信用體系已經(jīng)開始逐步被依托于數(shù)據(jù)的區(qū)塊鏈信用所取代。保障分布式電源供應(yīng)側(cè)履行合同義務(wù)、用戶按時(shí)付款，可采用全分布式記賬的方式管理能源交易市場(chǎng)的信用評(píng)級(jí)。以哥倫比亞輔助服務(wù)市場(chǎng)為例，系統(tǒng)調(diào)度員負(fù)責(zé)根據(jù)發(fā)電商每小時(shí)提供的AGC容量及價(jià)格，確定AGC備用容量的供應(yīng)商。該容量及報(bào)價(jià)信息在基于區(qū)塊鏈的系統(tǒng)中會(huì)自動(dòng)加蓋時(shí)間戳并進(jìn)行加密，錄入賬本，形成分布式總賬鏈條的一環(huán)。該交易記錄可以被保存在電力公司的私有鏈，若數(shù)據(jù)或交易被篡改，則編碼也會(huì)發(fā)生變化。因此，在攻擊者算力不足時(shí)，是無(wú)法偽造真實(shí)交易的。采用完全分布式的數(shù)據(jù)管理方式，可以通過(guò)公開透明、不可更改的方式打造龐大的信任體系，降低在供需互動(dòng)服務(wù)開展過(guò)程中的價(jià)值交換成本。

3 實(shí)際應(yīng)用中面臨的問(wèn)題

需求側(cè)資源在參于電網(wǎng)輔助服務(wù)時(shí)均會(huì)受到較大的限制，除了技術(shù)問(wèn)題外，DR潛力的發(fā)揮可能受很多因素的限制，如提供輔助服務(wù)的代價(jià)升高、提供DR起輔助服務(wù)的收益降低、零售用戶的限制加入、被排除在特定項(xiàng)目之外的負(fù)荷等等。傳統(tǒng)的輔助服務(wù)主要是由發(fā)電機(jī)組提供的，所登記的信息也只是發(fā)電機(jī)組的物理特性。此外，參與輔助服務(wù)所需的基礎(chǔ)設(shè)施投資回報(bào)也是一個(gè)重要的考慮因素。監(jiān)管者也在輔助服務(wù)提供商與電網(wǎng)企業(yè)之間猶豫不決，隨時(shí)可能會(huì)制定排斥非電力企業(yè)的服務(wù)提供商或者強(qiáng)制要求購(gòu)買DR資源作為輔助服務(wù)的調(diào)節(jié)手段。

在選擇需求側(cè)參與輔助服務(wù)的資源時(shí)，需要對(duì)負(fù)荷的能力進(jìn)行評(píng)估。DR響應(yīng)能力主要是由負(fù)荷的可調(diào)度靈活性決定的，該參量既是負(fù)荷的可操作特性，又是負(fù)荷在操控過(guò)程中的限定條件。用戶負(fù)荷的DR能力與季節(jié)因素、天氣因素密切相關(guān)，同時(shí)還與負(fù)荷的類別、用戶的使用方式相關(guān)。負(fù)荷集成商的性能表現(xiàn)主要依賴于所聚合的資源類別，特別是對(duì)于小型的負(fù)荷，相對(duì)于大型生產(chǎn)企業(yè)可能會(huì)具有更重要的意義。單一的大用戶在接收到需求響應(yīng)信號(hào)時(shí)，其響應(yīng)行為往往是0與1的區(qū)別，而該行為對(duì)電力系統(tǒng)的可控性影響較大。對(duì)于聚集大量用戶的負(fù)荷集成商而言，眾多負(fù)荷會(huì)同時(shí)受到來(lái)自于電網(wǎng)企業(yè)的指令，雖然單個(gè)用戶的行為具有一定的隨機(jī)性，但聚合后的用戶其行為特征往往存在統(tǒng)計(jì)規(guī)律，從電網(wǎng)調(diào)度的角度考慮，其響應(yīng)行為相比單一用戶更加穩(wěn)定可靠。柔性負(fù)荷的調(diào)控主要依托于用戶負(fù)荷的可削減、可轉(zhuǎn)移、可存儲(chǔ)特性，這里存儲(chǔ)是指除了常規(guī)的電能存儲(chǔ)外，還包括了冷熱量的存儲(chǔ)。負(fù)荷作為DR響應(yīng)資源，其特性根據(jù)工業(yè)、商業(yè)、居民用戶類別不同有所不同，根據(jù)負(fù)荷特性可以形成不同類別的輔助服務(wù)產(chǎn)品。不同輔助服務(wù)類別主要在資源響應(yīng)速度、響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)、爬坡時(shí)間、調(diào)用頻次等參數(shù)上有所不同，如表1所示。

表1 用戶參與輔助服務(wù)市場(chǎng)中的不同產(chǎn)品類型Table 1 User participation in different types of ancillary services market

針對(duì)上述產(chǎn)品類別，需求側(cè)資源在參與電網(wǎng)互動(dòng)時(shí)，需要建立自身負(fù)荷或者所管轄負(fù)荷的特性模型，并與現(xiàn)有電力市場(chǎng)中的產(chǎn)品類型進(jìn)行匹配和關(guān)聯(lián)。根據(jù)用戶的負(fù)荷曲線，可以設(shè)定典型過(guò)濾標(biāo)準(zhǔn)，包括負(fù)荷的削減性、控制性、意愿性。削減性主要和終端用戶設(shè)備的物理特性相關(guān)，控制性則是由負(fù)荷的控制系統(tǒng)所決定的，意愿性是由用戶屬性決定，如居民用戶的舒適度、企業(yè)員工的工作計(jì)劃等，接受性受個(gè)體影響較大，其規(guī)律目前尚未被揭示，因此該部分是最難評(píng)估的。在很多已有的文獻(xiàn)中，二者是放在一起統(tǒng)計(jì)建模的。受限于目前的技術(shù)條件，在評(píng)估DR特征時(shí)只能充分利用現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料，結(jié)合部分DR用戶數(shù)據(jù)、規(guī)劃文檔、示范工程執(zhí)行情況等進(jìn)行評(píng)估。根據(jù)勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室的研究報(bào)道，一般的商業(yè)樓宇的臨時(shí)性負(fù)荷削減潛力大約在25%～33%。負(fù)荷可調(diào)度靈活性Fl，p(t)是與時(shí)間、特定的負(fù)荷類別以及參與服務(wù)的類型密切相關(guān)的，具體可以表示為

式中:Sl，p(t)，Cl，p(t)，Al，p(t)分別表示用戶負(fù)荷的削減性、控制性、意愿性，在此基礎(chǔ)上考慮到用戶所特有的負(fù)荷曲線Ll，p(t)，可以得到用戶的DR潛力為

目前評(píng)估方法最大的問(wèn)題在于用戶的實(shí)時(shí)用能數(shù)據(jù)是很難獲得的，在很多情況下僅能通過(guò)理想的數(shù)學(xué)模型或者15 min的采樣數(shù)據(jù)估算。實(shí)際上，輔助服務(wù)的成本是與發(fā)電機(jī)組的限制密切相關(guān)的，在收到調(diào)度指令時(shí)，爬坡率與操作限制共同決定了發(fā)電機(jī)組的能力。只有部分機(jī)組安裝或啟用了AGC單元作為調(diào)節(jié)，因此在仿真模型中可以假定所有機(jī)組都具有部分比例可調(diào)節(jié)即可。

在區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)記錄更新時(shí)，也需要全網(wǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行廣播，由每個(gè)接收節(jié)點(diǎn)對(duì)該信息進(jìn)行檢驗(yàn)并執(zhí)行共識(shí)算法，然而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大后，全網(wǎng)廣播的實(shí)現(xiàn)成本較高，因此未來(lái)可以采用分區(qū)域的支鏈認(rèn)證方式，最終合并到總賬鏈條上?？紤]到區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用是定位于互聯(lián)網(wǎng)的統(tǒng)一賬本服務(wù)，在具體推廣時(shí)還有諸多問(wèn)題亟待解決。本文結(jié)合需求側(cè)資源參與電網(wǎng)互動(dòng)服務(wù)以及現(xiàn)有的區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，提出了未來(lái)該部分工作所需要的標(biāo)準(zhǔn)化支撐，如圖4所示。

在區(qū)塊鏈的大規(guī)模部署過(guò)程中，仍然存在大量可以進(jìn)行優(yōu)化的地方，比如在區(qū)塊生產(chǎn)制造的過(guò)程中，需要引入大量的算力競(jìng)爭(zhēng)，存在大量的計(jì)算資源與電力資源的耗費(fèi)。在區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展初期，參與實(shí)體數(shù)量不多的情況下，超過(guò)51%的算力很容易滿足，尚且存在著風(fēng)險(xiǎn)交易的可能性。由于電力企業(yè)目前的信息化系統(tǒng)大多與外界隔離，在實(shí)際的行業(yè)應(yīng)用及推廣過(guò)程中，很難在短時(shí)間內(nèi)讓相關(guān)企業(yè)開發(fā)其使用權(quán)限。因此，在短期內(nèi)，可以通過(guò)公鏈+私鏈的共同運(yùn)營(yíng)模式，通過(guò)內(nèi)部大量的集群算力保障網(wǎng)絡(luò)的絕對(duì)計(jì)算優(yōu)勢(shì)，適當(dāng)引入公鏈參與，當(dāng)形成規(guī)?；W(wǎng)絡(luò)后，再逐步放開。

圖4 基于區(qū)塊鏈的標(biāo)準(zhǔn)體系框架建議Fig.4 Recommendation of standard system framework based on block chain

4 結(jié)語(yǔ)

基于區(qū)塊鏈架構(gòu)的系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)主要在于信息的不可篡改性，而且整個(gè)系統(tǒng)的安全性不受限于某個(gè)中心故障點(diǎn)，即便出現(xiàn)一批故障點(diǎn)，仍然能夠保障網(wǎng)絡(luò)上的信息安全。傳統(tǒng)交易環(huán)節(jié)中的信息發(fā)送、記賬、交易、清算、結(jié)算、對(duì)賬等將直接轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸Ц都唇Y(jié)算”的方式。需求側(cè)資源參與電網(wǎng)互動(dòng)是智能電網(wǎng)及信息技術(shù)發(fā)展下的新型應(yīng)用，可為整個(gè)能源領(lǐng)域帶來(lái)積極效應(yīng)。然而，該技術(shù)在未來(lái)如何融入現(xiàn)有的能源體系，在最小化影響現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上部署，仍然是一個(gè)復(fù)雜的課題，目前無(wú)論在產(chǎn)業(yè)上還是學(xué)術(shù)界均為達(dá)成共識(shí)。后續(xù)需要針對(duì)如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平滑過(guò)渡，逐步介入能源領(lǐng)域開展更深層次的研究，從而避免技術(shù)發(fā)展過(guò)程中處于監(jiān)管沖突和嚴(yán)重安全性妥協(xié)的兩難境地。

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(編輯 張媛媛)

Block Chain:Supporting Technology of Demand Side Resources Participating in Grid Interaction

LI Bin1，ZHANG Jie1，QI Bing1，LI Dezhi2，SHI Kun2，CUI Gaoying3

(1．School of Electric and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China; 2．China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China; 3．State Grid Jiangsu Electric Power Research Institute，Nanjing 210003，China)

The main purpose of demand side resources participating in power grid interaction is to achieve both ends of the‘source-network-load’regulation，and ensure the real-time balance of power grid．Block chain technology is a kind of network accounting approach based on the distributed system，and the information architecture with high redundancy can realize the reproduction of safety information．In order to ensure the security and reliability of information，this paper designs the system architecture for the interaction between supply and demand based on the block chain with considering the interactive mode in the smart grid concept model，and proposes a design idea of integrated information platform，which takes a block chain protocol standard as support，information monitoring，collection，input，statistics as the center，demand response automation server(DRAS)，load integrator and user group as framework．The results show that the architecture system based on block chain can make the information cannot be tampered，and the security of the whole system is not limited to a central point of failure，which can ensure the security and reliability of information．

block chain;demand side;interaction between supply and demand;information safety

TM 76

A

1000－7229(2017)03－0001－08

10.3969/j．issn.1000－7229.2017.03.001

2016-12-23

李彬(1983)，男，博士，副教授，主要從事智能用電、自動(dòng)需求響應(yīng)技術(shù)方面的研究工作;

張潔(1993)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏π畔⑼ㄐ畔嚓P(guān)技術(shù);

祁兵(1965)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事電力節(jié)能、自動(dòng)需求響應(yīng)相關(guān)技術(shù)研究工作;

李德智(1982)，男，碩士，工程師，從事智能用電、需求響應(yīng)、能效管理方面的研究工作;

石坤(1984)，男，工程師，研究方向?yàn)槟苄c智能用電技術(shù);

崔高穎(1980)，女，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娏π畔⒒椭悄苡秒娂夹g(shù)。

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFB0901104);國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(YD71－14－002)

Project supported by National Key Research and Development Program of China(2016YFB0901104)