胡桐月，奚培鋒，張少迪，田由甲，劉傳忠

（上海市智能電網(wǎng)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(xù)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(wǎng)企業(yè)實施的方式和電力用戶互動，并在執(zhí)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(jīng)逐步呈現(xiàn)出對于中小型單體負荷參與DR的關注態(tài)勢［1—2］。相比于大型工業(yè)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(xiàn)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(qū)塊鏈技術依托對分布式數(shù)據(jù)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(zhí)行、可追溯等顯著優(yōu)點受到能源行業(yè)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(yè)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(shù)據(jù)的不可篡改，并以智能合約方式定義能源產(chǎn)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(guī)則。文獻［6］針對存在能源供應約束的環(huán)境，提出了一種基于區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)DR方案，應用區(qū)塊鏈技術以實現(xiàn)微電網(wǎng)高效、可信運行。文獻［7］結合區(qū)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(xiàn)資產(chǎn)自動化處理，提升聚合商與產(chǎn)銷者之間的信任度，促進DR服務大規(guī)模部署。文獻［8］指出區(qū)塊鏈技術能夠依托于未來多能源互聯(lián)的能源網(wǎng)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(qū)塊鏈技術架構，可以解決ADR業(yè)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(qū)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(xiàn)狀與問題，結合區(qū)塊鏈技術優(yōu)點設計用戶側負荷參與DR 的系統(tǒng)解決方案。該方案的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下3 個方面:一是將DR 交易關鍵數(shù)據(jù)上鏈存證，通過分布式方法構建不易篡改的信任數(shù)據(jù)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(jiān)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(qū)塊鏈網(wǎng)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(jù)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(guī)則以智能合約形式運行在區(qū)塊鏈上，當用戶按照DR合同規(guī)定完成響應時，激勵資金即從聚合商的區(qū)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(qū)塊鏈技術架構

區(qū)塊鏈技術是利用塊鏈式數(shù)據(jù)結構來驗證與存儲數(shù)據(jù)，利用分布式節(jié)點共識算法來生成和更新數(shù)據(jù)，利用密碼學的方式保證數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的一種全新的分布式基礎架構與計算范式。區(qū)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(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡層、共識層、合約層和應用層，如圖1所示。

圖1 區(qū)塊鏈技術架構Fig.1 Blockchain technology architecture

由圖1可知，數(shù)據(jù)層封裝了區(qū)塊鏈的鏈式結構、區(qū)塊數(shù)據(jù)以及非對稱加密等區(qū)塊鏈核心技術；網(wǎng)絡層提供點對點的數(shù)據(jù)通信傳播以及驗證機制；共識層主要提供網(wǎng)絡節(jié)點間達成共識的各種共識算法；合約層展示了區(qū)塊鏈系統(tǒng)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(qū)塊鏈技術的應用場景和案例［10］。

2 區(qū)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(wǎng)對商業(yè)、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(jù)目前DR 業(yè)務發(fā)展來看，改造后的大型工商業(yè)用戶已具備良好的網(wǎng)絡通信條件實現(xiàn)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(shù)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(tǒng)的實現(xiàn)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(jù)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(jié)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(yè)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(zhí)行、監(jiān)管、核算等方面仍存在可信性證明難題，并且現(xiàn)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(qū)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(tǒng)，區(qū)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(tǒng)結構。基于區(qū)塊鏈技術所構建的共享經(jīng)濟生態(tài)環(huán)境，能夠促進分散化系統(tǒng)的發(fā)展和趨優(yōu)。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(guī)模交易涌現(xiàn)出電網(wǎng)精準調峰的功能，促進DR 項目的自動化和可信性［11］。將區(qū)塊鏈技術應用于DR中主要有以下優(yōu)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(shù)節(jié)點或中心節(jié)點，即可對重要數(shù)據(jù)或指令進行篡改，威脅全網(wǎng)安全。采用區(qū)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(shù)據(jù)的采集、廣播、存儲等過程都建立在區(qū)塊鏈體系之上，能更好地防范數(shù)據(jù)侵入。

（2）保障DR 合同自動執(zhí)行。合約執(zhí)行需要雙方主動履約，既需要額外執(zhí)行成本，也潛藏違約風險。將DR各類執(zhí)行規(guī)則以智能合約形式運行在區(qū)塊鏈上，使交易規(guī)則透明化，可確保合約的自動執(zhí)行。且合約內容有所有節(jié)點的背書，不可抵賴、不可篡改，無須付出第三方監(jiān)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(qū)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(yè)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(qū)塊鏈與DR 各業(yè)務流程具有契合點。區(qū)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(yè)務流程中應用。

3 基于區(qū)塊鏈的中小型用戶需求響應系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)整體功能架構

該系統(tǒng)由能源區(qū)塊鏈網(wǎng)關、聚合商系統(tǒng)、能源區(qū)塊鏈等3部分組成，如圖2所示。

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

由圖2 可知，能源區(qū)塊鏈網(wǎng)關與聚合商系統(tǒng)分別作為能源區(qū)塊鏈的客戶端，與部署在鏈上的DR智能合約交互，實現(xiàn)DR 業(yè)務關鍵信息交互。方案利用區(qū)塊鏈技術實現(xiàn)DR交易數(shù)據(jù)存證與交易結算服務，能源區(qū)塊鏈網(wǎng)關和聚合商系統(tǒng)分別通過I2、I1接口實現(xiàn)關鍵DR 業(yè)務數(shù)據(jù)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(wǎng)公司、政府監(jiān)管機構）分別通過I0、I4接口從鏈上獲取可信交易數(shù)據(jù)。此外，DR評估結算規(guī)則以智能合約的方式運行于鏈上，DR事件結束后可實現(xiàn)DR收益及時結算，以提升評估結算的效率。

能源區(qū)塊鏈網(wǎng)關作為用戶DR 智能代理，輔助用戶實現(xiàn)負荷數(shù)據(jù)上鏈、DR資源管理、DR收益查詢等功能；聚合商系統(tǒng)實現(xiàn)鏈上用戶負荷數(shù)據(jù)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(qū)塊鏈底層平臺，其數(shù)據(jù)層、網(wǎng)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(xiàn)去中心化和性能的有效平衡。智能合約層是業(yè)務系統(tǒng)設計的重點，是支撐DR 可信業(yè)務功能的關鍵部分。智能合約不僅是外部系統(tǒng)數(shù)據(jù)與鏈交互的接口，還承載了DR 的評估結算規(guī)則，會根據(jù)預設條件自動處理賬本上資產(chǎn)，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(tǒng)信息交換流程

在該系統(tǒng)中，能源區(qū)塊鏈網(wǎng)關和聚合商系統(tǒng)同時作為能源區(qū)塊鏈的客戶端，與部署在能源區(qū)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(tǒng)信息交互流程Fig.3 System information interaction flow

（1）能源區(qū)塊鏈網(wǎng)關采集用戶負荷數(shù)據(jù)，并將用戶實時負荷值上傳至區(qū)塊鏈節(jié)點，區(qū)塊鏈節(jié)點將交易信息返回給能源區(qū)塊鏈網(wǎng)關，聚合商系統(tǒng)從區(qū)塊鏈節(jié)點讀取用戶實時負荷值。

（2）用戶可通過能源區(qū)塊鏈網(wǎng)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(qū)塊鏈網(wǎng)關將用戶的可響應負荷值集上傳到區(qū)塊鏈節(jié)點，聚合商系統(tǒng)從區(qū)塊鏈上讀取可響應負荷值集。

（3）聚合商系統(tǒng)輔助聚合商制定DR 合同，并將DR 合同發(fā)送給區(qū)塊鏈節(jié)點，能源區(qū)塊鏈網(wǎng)關從區(qū)塊鏈上讀取DR合同中的關鍵數(shù)據(jù)項（如響應開始時間、響應結束時間、響應負荷值等）。

（4）能源區(qū)塊鏈網(wǎng)關根據(jù)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(jù)能源區(qū)塊鏈網(wǎng)關下發(fā)的控制指令調節(jié)設備狀態(tài)，到響應結束時間時再恢復正常狀態(tài)。

（5）響應事件結束后，聚合商系統(tǒng)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(qū)塊鏈。

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

3.3 能源區(qū)塊鏈網(wǎng)關設計

能源區(qū)塊鏈網(wǎng)關作為用戶的智能代理，對上與能源區(qū)塊鏈系統(tǒng)進行信息交互，對下與用戶物理層設備進行通信，實現(xiàn)采集負荷數(shù)據(jù)上鏈、獲取鏈上DR 事件信息、下發(fā)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(qū)塊鏈網(wǎng)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(shù)據(jù)，將采集到的設備實時負荷信息存儲至數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫中。通信單元通過能源區(qū)塊鏈接口將數(shù)據(jù)庫中存儲的設備實時負荷值及可響應值集上傳至區(qū)塊鏈節(jié)點，同時從區(qū)塊鏈節(jié)點中獲取最新的DR合同、DR收益信息，并存儲至數(shù)據(jù)庫中?？刂茊卧鶕?jù)數(shù)據(jù)庫中存儲的DR 合同信息，在指定的時間段內發(fā)送設備控制命令。數(shù)據(jù)庫負責能源區(qū)塊鏈網(wǎng)關各單元模塊之間的數(shù)據(jù)流交互。守護進程監(jiān)控能源區(qū)塊聯(lián)網(wǎng)關各單元進程運行情況，確保所有模塊正常運行。

3.4 DR業(yè)務智能合約設計

基于以上業(yè)務需求設計DR 業(yè)務智能合約，用戶與聚合商各節(jié)點間可以通過區(qū)塊鏈進行DR關鍵業(yè)務數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)添加、用戶可響應負荷值更新、DR 合同創(chuàng)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(qū)塊鏈錢包賬戶。

3.5 系統(tǒng)測試實驗

該實驗構建了能源區(qū)塊鏈測試網(wǎng)絡、開發(fā)能源區(qū)塊鏈網(wǎng)關樣機，并搭建最小演示系統(tǒng)測試能源區(qū)塊鏈網(wǎng)關、聚合商系統(tǒng)與能源區(qū)塊鏈之間的信息交互實現(xiàn)情況。最小演示系統(tǒng)包括能源區(qū)塊鏈網(wǎng)關、區(qū)塊鏈節(jié)點服務器、區(qū)塊塊鏈瀏覽器、聚合商系統(tǒng)、智能家居設備，以下是具體功能實現(xiàn)情況。

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

（2）用戶可通過能源區(qū)塊鏈網(wǎng)關web頁面配置負荷響應策略，網(wǎng)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(tǒng)從鏈上獲取可響應負荷值集，根據(jù)實際需求，制定DR合同并將DR合同關鍵數(shù)據(jù)上鏈。

（4）能源區(qū)塊鏈網(wǎng)關從鏈上獲取DR 事件信息，并根據(jù)DR合同數(shù)據(jù)下發(fā)控制指令，實現(xiàn)智能家居設備的負荷削減。

（5）聚合商系統(tǒng)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(qū)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(tǒng)技術架構的DR 系統(tǒng)，該方案的優(yōu)勢在于其結合區(qū)塊鏈技術優(yōu)點構建不易篡改的信任數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)DR交易數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)；配套設計的能源區(qū)塊鏈網(wǎng)關幫助用戶根據(jù)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(guī)則以智能合約的形式運行在區(qū)塊鏈上，實現(xiàn)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(qū)塊鏈技術在DR 業(yè)務中的應用需求，設計基于區(qū)塊鏈技術的中小型電力用戶自動DR方案。本文利用區(qū)塊鏈不可篡改的特性，一方面實現(xiàn)DR 關鍵業(yè)務數(shù)據(jù)的可信存證與評估結算服務，另一方面用戶借助能源區(qū)塊鏈網(wǎng)關可實現(xiàn)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(jiān)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(xù)完善系統(tǒng)功能、優(yōu)化系統(tǒng)性能與DR交易機制，并結合實際用戶開展應用測試，促進區(qū)塊鏈技術與實際應用場景的深度結合。