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        基于智能合約的邀約式需求響應(yīng)機制

        2022-04-26 07:54:10羅揚帆章天晗林振智
        浙江電力 2022年4期
        關(guān)鍵詞:合約區(qū)塊電網(wǎng)

        李 磊,顏 擁,羅揚帆,章天晗,張 智,呂 挺,林振智

        (1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司,杭州 310007;2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院,杭州 310014;3.浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院,杭州 310027)

        0 引言

        隨著能源轉(zhuǎn)型的推進和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變革,當(dāng)前電源側(cè)發(fā)電類型眾多,新能源發(fā)展迅速,電源供給不確定性顯著提升;用戶側(cè)電網(wǎng)高峰負荷逐年攀升,電力需求季節(jié)性、時段性供給緊缺問題日益突出[1]。上述問題導(dǎo)致電力供需不平衡現(xiàn)象頻發(fā),電網(wǎng)能量平衡問題尤為嚴重,直接影響了相關(guān)設(shè)備的安全,甚至導(dǎo)致電力供應(yīng)的中斷。為實現(xiàn)電網(wǎng)供需平衡,大規(guī)模投建儲能設(shè)備及備用機組不失為一種有效的方法[2]。然而,傳統(tǒng)通過剛性投資實現(xiàn)電網(wǎng)供需平衡的方式會不可避免地造成電網(wǎng)投資增加、設(shè)備利用率低、運維成本高等一系列問題。此外,源荷交互機制匱乏、用戶負荷資源利用程度低等問題仍普遍存在,難以適應(yīng)國網(wǎng)浙江電力所提“多元融合高彈性電網(wǎng)”建設(shè)的相關(guān)需求[3],難以滿足能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的要求。

        隨著電網(wǎng)智能化水平的逐步提升,智能電表等智能終端設(shè)備以及用戶側(cè)電能信息通信設(shè)備的普及,DR(用戶需求響應(yīng))逐漸成為電力市場環(huán)境下解決電力供需平衡問題的有效手段[4]。電網(wǎng)公司可通過約定或市場交易等方式與電力大用戶或負荷聚合商達成響應(yīng)共識,降低電網(wǎng)調(diào)節(jié)成本,在一定程度上使需求側(cè)提供與電源側(cè)對等的調(diào)節(jié)資源,深度挖掘用戶側(cè)潛力[5]。

        當(dāng)前DR方案可視為用戶與電網(wǎng)公司的能量交易,電網(wǎng)公司通常采用中心化的需求側(cè)管理舉措。在該中心化的管理模式下,電網(wǎng)公司既是DR業(yè)務(wù)的參與者,又是DR業(yè)務(wù)的管理者,這樣的雙重身份難以保障DR合同管理、計量和數(shù)據(jù)結(jié)算的公平透明,在一定程度上降低了用戶參與DR 的積極性。此外,中心化的管理模式也存在數(shù)據(jù)存儲不安全、管理成本高、結(jié)算復(fù)雜、用戶隱私泄露等風(fēng)險。

        為應(yīng)對傳統(tǒng)DR業(yè)務(wù)中存在的痛點與難點,保證DR業(yè)務(wù)的安全、高效運行,提升用戶的基本權(quán)益,充分調(diào)動用戶的積極性,構(gòu)建基于區(qū)塊鏈技術(shù)的DR機制不失為有效的方法。區(qū)塊鏈技術(shù)采用去中心化和去信任的方式集體維護一個可靠的分布式數(shù)據(jù)庫,從而解決傳統(tǒng)中心化模式中的高成本、低效率、信任危機、存儲不安全等問題[6]。近年來,區(qū)塊鏈技術(shù)在能源行業(yè)的應(yīng)用已有眾多研究,“區(qū)塊鏈+”已經(jīng)成為能源行業(yè)發(fā)展的重要方向[7-8],當(dāng)前在分布式能源交易[6,9]、碳排放權(quán)認證[10]、大用戶直購電[11]、電動汽車充放電[12-13]、智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)管理[14]等領(lǐng)域已有廣泛研究。在DR應(yīng)用方面,文獻[15]以自動DR業(yè)務(wù)為例分析了現(xiàn)有區(qū)塊鏈技術(shù)水平及區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用價值;文獻[16]構(gòu)建了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的綜合DR資源交易框架;文獻[17]提出通過區(qū)塊鏈智能合約技術(shù)支撐多級DR 管理,保障DR 投標業(yè)務(wù)的安全性交易;文獻[18]構(gòu)建了基于聯(lián)盟鏈的DR 交易框架,將電動汽車作為DR資源參與能源調(diào)度和交易。

        上述文獻包含了眾多區(qū)塊鏈與能源行業(yè)的融合應(yīng)用,但是如何結(jié)合實際DR 相關(guān)規(guī)范及細則,搭建適用于當(dāng)前實施規(guī)范的“區(qū)塊鏈+”DR架構(gòu)仍有待進一步研究與細化。“區(qū)塊鏈+”DR的基本分層架構(gòu)如圖1所示。

        圖1 “區(qū)塊鏈+”DR業(yè)務(wù)架構(gòu)

        本文圍繞浙江省現(xiàn)行的約定DR 業(yè)務(wù)展開研究,從當(dāng)前邀約式DR 業(yè)務(wù)機制與實施流程入手,分析了傳統(tǒng)業(yè)務(wù)開展方式存在的痛點與難點。在圖1 所示架構(gòu)下,引入了區(qū)塊鏈技術(shù)與智能合約,搭建了基于區(qū)塊鏈智能合約的邀約式DR 技術(shù)框架,設(shè)計了運行機制與相關(guān)的智能合約功能函數(shù),以有效應(yīng)對傳統(tǒng)方式存在的難題。并且分析該邀約式DR機制存在的不足,探討了區(qū)塊鏈技術(shù)支撐下DR的發(fā)展方向,以期為DR業(yè)務(wù)的發(fā)展提供有益借鑒。

        1 邀約式DR業(yè)務(wù)機制及業(yè)務(wù)痛點

        1.1 邀約式DR機制概述

        為進一步深化電力需求側(cè)管理,緩解電網(wǎng)運行壓力,優(yōu)化資源配置,完善負荷側(cè)交互機制,我國針對DR 業(yè)務(wù)制定并實施了一系列政策及標準。當(dāng)前我國DR交易主要采用電網(wǎng)公司邀約的方式進行。以浙江省邀約式電力需求響應(yīng)實施方案為例,邀約式DR業(yè)務(wù)流程包括用戶申請、協(xié)議簽訂、響應(yīng)啟動、響應(yīng)邀約、邀約確認、響應(yīng)執(zhí)行、響應(yīng)結(jié)算和有效性評估、響應(yīng)結(jié)果公示、補貼核發(fā)等主要環(huán)節(jié)。

        該邀約式DR機制下,用戶申請和協(xié)議簽訂環(huán)節(jié)以年度為周期。符合申請條件的電力用戶和負荷聚合商可在每年第一季度向電網(wǎng)公司發(fā)送參與DR 業(yè)務(wù)的申請,申請審核通過后,與電網(wǎng)公司、能監(jiān)辦協(xié)議并簽訂包含用戶類型、用戶編號、所屬區(qū)域、協(xié)議響應(yīng)能力(一般為用戶最高用電負荷的10%~40%)、運行額定容量、補貼結(jié)算金額、違約懲罰金額的年度DR三方協(xié)議,并向電網(wǎng)公司繳納固定金額的年度響應(yīng)保證金。

        每次DR啟動時,電網(wǎng)公司根據(jù)實際需求發(fā)布DR總指標,并通過短信或網(wǎng)上國網(wǎng)平臺的方式向協(xié)議用戶發(fā)出響應(yīng)邀約。用戶收到邀約信息后,反饋是否參與本次DR。隨后,電網(wǎng)公司根據(jù)用戶反饋信息統(tǒng)計本次計劃參與負荷總量,并與本次DR 總指標對比,依據(jù)相關(guān)準則為用戶分配響應(yīng)量。參與響應(yīng)的用戶在響應(yīng)日按照約定的響應(yīng)時段和DR指標,完成負荷調(diào)控。

        響應(yīng)結(jié)束后,響應(yīng)結(jié)算和有效性評估以月為單位開展,次月10 日之前,電網(wǎng)公司凍結(jié)上個月響應(yīng)日負荷管理系統(tǒng)中的負荷數(shù)據(jù),作為有效性評估的主要依據(jù)。若用戶響應(yīng)無效則列入此次響應(yīng)黑名單,且此次響應(yīng)無法得到任何補貼。

        響應(yīng)結(jié)果公示以季度為周期開展。每季度首月3日前,能監(jiān)辦通過官方網(wǎng)站對響應(yīng)效果評估和補貼金額進行公示,公示期為一周。用戶如對響應(yīng)數(shù)據(jù)、有效性判定結(jié)果或結(jié)算結(jié)果有疑議,可在公示期內(nèi)向能監(jiān)辦提出,電網(wǎng)公司負責(zé)對數(shù)據(jù)進行復(fù)核。確有錯誤的,修訂后報送能監(jiān)辦重新審核。

        公示結(jié)束后,能監(jiān)辦和電網(wǎng)公司分別對最終數(shù)據(jù)進行歸檔備案。公示期結(jié)束后的10 個工作日內(nèi),電網(wǎng)公司根據(jù)實際響應(yīng)電量完成用戶補貼金額的結(jié)算發(fā)放。在次年1月的年度結(jié)算時根據(jù)用戶無效響應(yīng)次數(shù)退還用戶提交的年度響應(yīng)保證金。

        1.2 中心化電力需求響應(yīng)的業(yè)務(wù)痛點

        高彈性電網(wǎng)的發(fā)展為傳統(tǒng)DR業(yè)務(wù)提出了一系列要求,傳統(tǒng)中心化運行方式及實現(xiàn)機制下也存在諸多痛點與難點。

        1)響應(yīng)采集數(shù)據(jù)可信度及安全問題。任何通過中心化數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)均有失真的可能。一方面,傳統(tǒng)DR的采集數(shù)據(jù)由電網(wǎng)公司的采集設(shè)備采集后上傳到數(shù)據(jù)庫,然后提供給交易平臺,而電網(wǎng)公司又是DR 市場的相關(guān)利益方,參與者可能對DR結(jié)果存在爭議,電網(wǎng)公司難以自證清白。另一方面,傳統(tǒng)中心化模式下電量計量不夠透明,數(shù)據(jù)可信度難以保障。此外,電網(wǎng)公司數(shù)據(jù)中心故障或異常也會直接導(dǎo)致用戶數(shù)據(jù)的丟失或損壞。

        2)DR補貼結(jié)算時滯問題。補貼結(jié)算需要根據(jù)DR結(jié)果開展。響應(yīng)數(shù)據(jù)讀取和有效性計算所需步驟繁多,且當(dāng)涉及資金結(jié)算問題時,需要銀行、用戶、交易中心、電網(wǎng)公司等多方對賬,補貼結(jié)算流程復(fù)雜,存在工作量大、效率低、成本高等問題,進而影響了用戶參與DR業(yè)務(wù)的積極性。

        3)DR業(yè)務(wù)管理成本問題。傳統(tǒng)營銷部門處理和管理用戶DR耗費的人力、物力成本較高,包括市場主體注冊、交易信息發(fā)布、市場管理以及價格出清等帶來的成本。

        4)DR業(yè)務(wù)監(jiān)管及信任問題。傳統(tǒng)方式下以能監(jiān)辦作為監(jiān)管部門對DR 業(yè)務(wù)的開展進行監(jiān)管,DR 交易市場的行為受到干預(yù),中心化程度較高,導(dǎo)致中心機構(gòu)和電力響應(yīng)用戶間存在信任問題。此外,用戶受營銷部門監(jiān)管,響應(yīng)量由中心機構(gòu)直接分配,公開透明程度較低,存在人為干預(yù)的風(fēng)險,難以保證公平性和透明性。

        2 基于智能合約的邀約式DR機制

        2.1 區(qū)塊鏈技術(shù)及智能合約

        區(qū)塊鏈作為互聯(lián)網(wǎng)信息時代的新興技術(shù),在本質(zhì)上可以看作是一個去中心化的分布式賬本,該賬本能夠通過哈希指針和共識機制保證所有的交易信息以鏈式結(jié)構(gòu)一致地存儲在每一個參與節(jié)點的數(shù)據(jù)庫中,實現(xiàn)交易信息的去信任、可溯源、不可篡改。此外,區(qū)塊鏈技術(shù)通過密碼學(xué)原理,應(yīng)用非對稱加密技術(shù)和哈希函數(shù)對交易數(shù)據(jù)和賬戶信息進行加密,保護用戶及交易信息的隱私與安全,同時保證交易結(jié)果不可抵賴[19]。通過區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用,可以在一定程度上解決前文所述采集數(shù)據(jù)可信度、隱私保護、匿名性以及用戶參與度等問題[20]。

        區(qū)塊鏈具有公有鏈、聯(lián)盟鏈和私有鏈3 種類型。從邀約式DR業(yè)務(wù)出發(fā),考慮到其參與方并不局限于電網(wǎng)公司內(nèi)部,因此封閉性較強的私有鏈不適合。此外,結(jié)合浙江省對DR 參與用戶的限制,且伴隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和能源形式的演化,區(qū)塊鏈協(xié)議的變化、智能合約的修訂、區(qū)塊鏈的回滾和分叉都存在較高的概率,公有鏈對此沒有很好的解決辦法。除此之外,公有鏈中的挖礦機制在中國尚未得到廣泛認可,電網(wǎng)公司也尚不具備大規(guī)模部署公有鏈的條件,能夠滿足公有鏈需求的用戶終端設(shè)備普及率也較低。因此,聯(lián)盟鏈是最適合當(dāng)前DR業(yè)務(wù)的區(qū)塊鏈類型,其具備的區(qū)塊鏈固有特性能有效解決DR業(yè)務(wù)中的痛點和難點,其準入門檻及弱中心化的機制也能滿足相關(guān)應(yīng)用場景的需求。

        智能合約的概念始于1995 年,由法律學(xué)者尼克·薩博(Nick Szabo)提出,其定義為“一套以數(shù)字形式定義的承諾,包括合約參與方可以在上面執(zhí)行這些承諾的協(xié)議”。從本質(zhì)上看,智能合約是以信息化方式傳播、驗證和執(zhí)行合同的計算機協(xié)議或腳本,其允許可信交易在完全沒有第三方參與的情況下開展。智能合約在二十世紀產(chǎn)生時與區(qū)塊鏈并無聯(lián)系,目的是實現(xiàn)傳統(tǒng)協(xié)議的規(guī)范化與數(shù)字化。但是,由于二者的互補性,智能合約在區(qū)塊鏈2.0時代由以太坊引入。以太坊基于區(qū)塊鏈技術(shù)首次實現(xiàn)了圖靈完備的智能合約,搭建了適用于智能合約編寫的以太坊虛擬機,為開發(fā)者提供了編寫任何形式智能合約的開發(fā)平臺。

        區(qū)塊鏈技術(shù)為智能合約提供了平臺支撐及信任基礎(chǔ),而智能合約為區(qū)塊鏈拓展了應(yīng)用場景[20]。智能合約的引入為用戶提供了更加強大的功能支持。結(jié)合對當(dāng)前DR業(yè)務(wù)痛點和難點的分析,智能合約的引入具有如下優(yōu)勢:傳統(tǒng)DR 流程準確性、合理性的保證需要依賴的因素眾多,且過程中存在人為干預(yù)的可能,而智能合約以代碼作為唯一執(zhí)行標準,執(zhí)行過程中的準確性、客觀性可以得到保證;智能合約在DR 業(yè)務(wù)中自動觸發(fā)、執(zhí)行,在不考慮區(qū)塊鏈部署成本的情況下,可有效降低人力成本的損耗;合約內(nèi)容部署在區(qū)塊鏈上,公開透明,不依賴于第三方執(zhí)行,內(nèi)容不可篡改,可以有效遏制用戶惡意行為;智能合約時效性強,能在任何時刻響應(yīng)用戶的請求。

        區(qū)塊鏈和智能合約的特點及優(yōu)勢為構(gòu)建邀約式DR業(yè)務(wù)機制提供了良好的支撐。因此,本文設(shè)計了基于智能合約的邀約式DR機制,搭建了機制運行框架,并根據(jù)業(yè)務(wù)流程提出了智能合約的功能函數(shù),下面將分別詳細地進行介紹。

        2.2 基于區(qū)塊鏈智能合約的邀約式DR 機制實現(xiàn)

        2.2.1 基于智能合約的邀約式DR機制框架

        為實現(xiàn)基于區(qū)塊鏈智能合約的邀約式DR 機制,保證用戶側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的高效、友好互動,從DR聯(lián)盟區(qū)塊鏈的構(gòu)成角度出發(fā),對基于區(qū)塊鏈智能合約的邀約式DR機制框架進行具體設(shè)計,如圖2 所示。該框架主要分為DR 機制參與主體、DR智能合約以及區(qū)塊鏈主體3部分。

        圖2 邀約式DR運行機制框架

        1)參與主體及聯(lián)盟區(qū)塊鏈節(jié)點

        邀約式DR 業(yè)務(wù)參與主體一般由負荷聚合商、大用戶、綜合能源公司、能監(jiān)辦、電網(wǎng)公司構(gòu)成,其中負荷聚合商包括電動汽車負荷聚合商、工業(yè)用戶負荷聚合商、商業(yè)樓宇負荷聚合商、居民用戶負荷聚合商等眾多類型的聚合商。輸電線路將聚合商所轄區(qū)劃內(nèi)未到達準入門檻(運行容量大于等于315 kVA,響應(yīng)能力原則上不低于200 kW,且具備完善的負荷管理終端及用戶側(cè)開關(guān)設(shè)備)的負載、電能存儲裝置、居民用戶等小型負荷用戶連接起來,通過本地電力網(wǎng)絡(luò)進行交互,小型負荷用戶以聚合商作為權(quán)益綜合代表與外部電網(wǎng)交互。

        該DR業(yè)務(wù)中,上述各個參與主體均代表了一個組織,每個組織都是該聯(lián)盟區(qū)塊鏈的參與和維護者,均設(shè)立并擁有一個共識節(jié)點參與共識服務(wù)。共識節(jié)點掌控著豐富的計算和存儲資源,根據(jù)該聯(lián)盟鏈所采取的共識機制對信息進行共識,并將共識后的區(qū)塊信息存儲于自己所記錄的區(qū)塊鏈上。值得一提的是,該聯(lián)盟鏈中設(shè)立了一個DR終端節(jié)點,該節(jié)點具備負荷側(cè)用戶智能電表信息采集、維護、校核、存儲等功能。負荷側(cè)用戶電表信息通過DR終端設(shè)備采集,存儲于DR終端節(jié)點的服務(wù)器中。用戶電表編號及對應(yīng)電量信息按固定周期由DR終端節(jié)點發(fā)布至P2P(點對點)網(wǎng)絡(luò)中,經(jīng)主節(jié)點打包,各節(jié)點共識后上鏈存證。

        電網(wǎng)公司節(jié)點作為邀約式DR 業(yè)務(wù)的發(fā)起方、邀約信息的發(fā)布方和負荷確認信息的接收方,在該機制中起到重要銜接作用,是交易的核心成員。此外,其也和其他聯(lián)盟鏈節(jié)點共同維護區(qū)塊鏈。

        能監(jiān)辦節(jié)點作為DR業(yè)務(wù)中的第三方節(jié)點,對整個業(yè)務(wù)流程起到監(jiān)督作用。其針對電網(wǎng)公司節(jié)點日前經(jīng)簽名后發(fā)布的DR啟動建議進行審核,與電網(wǎng)公司節(jié)點之間進行P2P 信息傳輸,審核通過后對DR啟動建議進行反饋,用私鑰進行簽名,并向電網(wǎng)公司節(jié)點發(fā)出經(jīng)加密的DR啟動決定。除此之外,能監(jiān)辦節(jié)點同樣也和其他聯(lián)盟節(jié)點共同維護區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)信息。

        聯(lián)盟鏈中若有用戶加入或退出,需要聯(lián)盟節(jié)點達成共識,用戶的權(quán)限受到聯(lián)盟鏈約束。而聯(lián)盟鏈中的普通用戶節(jié)點僅可查詢區(qū)塊信息,無法參與共識和造塊過程。值得一提的是,雖然聯(lián)盟鏈由聯(lián)盟節(jié)點共同維護和管理,但在實際業(yè)務(wù)中通常需要一個相對固定的主體來審核聯(lián)盟鏈成員的身份、管理聯(lián)盟鏈主體的權(quán)限以及對聯(lián)盟鏈進行技術(shù)管理。為此,本文綜合實際業(yè)務(wù)開展中各主體的特點,選取電網(wǎng)公司節(jié)點作為聯(lián)盟節(jié)點的代表,負責(zé)履行上述義務(wù),并受到其他聯(lián)盟節(jié)點的監(jiān)督。此外,實際業(yè)務(wù)開展中也可以通過代表選舉的方式選出一個代表負責(zé)執(zhí)行上述功能。由于區(qū)塊鏈的全程可溯特性,任何行為都會在區(qū)塊鏈上被記錄,因此,若該代表存在惡意行為,則聯(lián)盟節(jié)點可進行重新選舉。

        2)DR智能合約

        智能合約部分包含了邀約式DR機制所涉及的所有智能合約函數(shù)。該智能合約在區(qū)塊鏈部署初期由聯(lián)盟鏈成員共同編寫完成,邀約式DR機制經(jīng)過智能合約化后形成若干合約函數(shù),然后通過虛擬機認可的編程語言編譯、部署上鏈,存儲于某個區(qū)塊當(dāng)中[21]。聯(lián)盟鏈節(jié)點在DR業(yè)務(wù)流程中通過正確的智能合約地址、名稱、函數(shù)名以及參數(shù)輸入等信息調(diào)用合約函數(shù),實現(xiàn)DR機制中的某項功能,獲取反饋信息,并將調(diào)用過程及結(jié)果存儲于區(qū)塊鏈中。然而,隨著邀約式DR業(yè)務(wù)的實施和拓展,部分規(guī)則會隨著外部政策或交易規(guī)則的變化而不斷進行迭代更新,導(dǎo)致所涉及的智能合約的內(nèi)容也需要做出相應(yīng)的修改與調(diào)整。考慮到智能合約一旦部署上鏈便不可更改的特性,本文為智能合約增加版本號等信息。伴隨著業(yè)務(wù)的開展,若需要修改智能合約的內(nèi)容以實現(xiàn)升級,則需由聯(lián)盟鏈成員達成共識,共同編寫新版本的智能合約并部署上鏈,以代替原版本智能合約,實現(xiàn)相關(guān)的業(yè)務(wù)邏輯的迭代更新,而原版本的智能合約經(jīng)聯(lián)盟鏈成員達成共識后調(diào)用合約銷毀程序進行銷毀處理。值得一提的是,已有研究提出“熱替換合約”的概念以簡化智能合約的迭代更新流程,但仍處于起步階段。

        本文所涉及的DR智能合約中包含了8個主要的合約函數(shù),分別實現(xiàn)運行機制中的不同功能,將在后文具體介紹。

        3)區(qū)塊鏈主體部分

        該部分是邀約式DR 機制架構(gòu)中的核心部分,實現(xiàn)了以智能合約為表現(xiàn)形式的邏輯功能以及相關(guān)信息數(shù)據(jù)的存證、溯源等功能。該DR機制的實現(xiàn),依賴于區(qū)塊鏈技術(shù)平臺的基礎(chǔ)建設(shè),機制中的任何信息都將不可篡改、永久地存儲于區(qū)塊鏈中。

        2.2.2 基于智能合約的邀約式DR機制流程

        用戶在與電網(wǎng)公司、能監(jiān)辦簽訂年度DR三方協(xié)議后才可參與邀約式DR業(yè)務(wù)。其中,當(dāng)次邀約式DR業(yè)務(wù)的流程可分為5個階段,如圖3所示。

        圖3 邀約式DR機制流程

        1)邀約響應(yīng)階段

        電網(wǎng)公司經(jīng)同意后,在12:00前向邀約范圍內(nèi)的所有簽約用戶發(fā)出經(jīng)簽名的響應(yīng)邀約,包含響應(yīng)時段、協(xié)議響應(yīng)能力、基線平均負荷等信息。并向智能合約賬戶預(yù)存補貼結(jié)算代幣。

        用戶接收到經(jīng)加密的邀約信息后,用電網(wǎng)公司節(jié)點公鑰驗證信息的準確性,并需在響應(yīng)邀約信息發(fā)出后2 h內(nèi)簽名并反饋是否參與本次DR。

        2)邀約確認階段

        電網(wǎng)公司根據(jù)用戶反饋信息及本次DR 總指標,調(diào)用智能合約計算響應(yīng)分配結(jié)果,共識后經(jīng)主節(jié)點打包進區(qū)塊并上鏈存證。用戶可通過全節(jié)點查詢相關(guān)響應(yīng)分配信息。

        3)響應(yīng)執(zhí)行階段

        到達約定響應(yīng)執(zhí)行時間,用戶自行根據(jù)協(xié)議響應(yīng)任務(wù)調(diào)整用電負荷。響應(yīng)執(zhí)行期結(jié)束后,電網(wǎng)公司調(diào)用智能合約讀取DR終端節(jié)點上鏈的履約執(zhí)行期負荷數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)信息。

        4)響應(yīng)信息校核階段

        全部響應(yīng)用戶數(shù)據(jù)信息讀取完畢后,電網(wǎng)公司節(jié)點或用戶調(diào)用智能合約對所讀取的鏈上數(shù)據(jù)進行校核。校核無誤后,電網(wǎng)公司調(diào)用智能合約進行有效響應(yīng)判定,主節(jié)點執(zhí)行函數(shù),并將判定結(jié)果打包進區(qū)塊。

        一個行之有效的方法是“時間比較”。比較過去的我和現(xiàn)在的我,比較另一半曾經(jīng)的不足和現(xiàn)在的完善。每一次比較,都應(yīng)該讓我們更清晰雙方做過的努力,以及彌補過的缺憾。

        5)獎懲結(jié)算階段

        有效響應(yīng)判定后,電網(wǎng)公司調(diào)用智能合約,根據(jù)判定結(jié)果及協(xié)議情況對用戶進行獎懲結(jié)算。有效響應(yīng)用戶獲得電價補貼,補貼以代幣形式發(fā)放至用戶賬戶;無效響應(yīng)用戶則被記錄于響應(yīng)黑名單。需要特別指出的是,累計列入黑名單次數(shù)大于10次的用戶不得參與次年的DR。

        2.2.3 邀約式需求響應(yīng)智能合約

        邀約式DR智能合約應(yīng)符合現(xiàn)行規(guī)范或細則中的各項規(guī)定,同時應(yīng)滿足電網(wǎng)公司和負荷側(cè)用戶的需求。

        前文所述運行機制流程分為5個階段,各階段共包含6 個實現(xiàn)不同功能的智能合約函數(shù),分別為:響應(yīng)補貼預(yù)存函數(shù)、響應(yīng)量分配函數(shù)、響應(yīng)數(shù)據(jù)讀取函數(shù)、響應(yīng)校核函數(shù)、響應(yīng)有效性判定函數(shù)、響應(yīng)獎懲結(jié)算函數(shù)。此外,用戶參與當(dāng)次邀約式DR 業(yè)務(wù)的前提是與電網(wǎng)公司簽訂年度DR協(xié)議并繳納年度保證金,這一過程還涉及了2個智能合約函數(shù),分別為年度協(xié)議簽訂函數(shù)和保證金繳納函數(shù)。下文分別對這8個智能合約函數(shù)所實現(xiàn)的功能及對應(yīng)的輸入輸出進行介紹。

        1)響應(yīng)補貼預(yù)存函數(shù)

        電網(wǎng)公司節(jié)點在得到能監(jiān)辦節(jié)點同意后,發(fā)布邀約信息,并調(diào)用該函數(shù),將DR總指標、協(xié)議補貼電價提交至智能合約,并向智能合約所在地址預(yù)存數(shù)值大于等于DR總量的補貼代幣。主節(jié)點在確認電網(wǎng)公司支付結(jié)果無誤后,打包信息進區(qū)塊。

        2)響應(yīng)量分配函數(shù)

        負荷側(cè)用戶接收到邀約信息后對邀約進行響應(yīng),反饋是否參與本次DR。電網(wǎng)公司節(jié)點收到反饋信息后調(diào)用該函數(shù),將用戶身份信息、年度協(xié)議響應(yīng)數(shù)據(jù)、本次響應(yīng)情況、本次DR總指標提交至智能合約。該函數(shù)計算本次計劃參與負荷總量并與DR總指標對比,生成響應(yīng)用戶的響應(yīng)量分配結(jié)果:

        式中:Qi代表用戶i當(dāng)次參與DR的響應(yīng)指標;Qir為用戶i在年度協(xié)議中簽訂的響應(yīng)量;Qsum代表本次DR 總指標;為當(dāng)次計劃參與DR的負荷總量,ki代表用戶i此次響應(yīng)的應(yīng)答情況,為0/1 變量。若計劃參與負荷總量大于或等于DR總指標,則用戶的DR指標按其協(xié)議響應(yīng)能力進行比例分配;若計劃參與負荷總量小于DR 總指標,則用戶的DR指標為其協(xié)議響應(yīng)能力,剩余供需缺口考慮通過有序用電等方式實現(xiàn)平衡。

        主節(jié)點執(zhí)行函數(shù)并將響應(yīng)量分配結(jié)果打包進區(qū)塊。

        3)響應(yīng)數(shù)據(jù)讀取函數(shù)

        DR 執(zhí)行期結(jié)束后,電網(wǎng)公司節(jié)點調(diào)用該函數(shù),智能合約依據(jù)用戶的編號等身份特征信息,讀取由DR終端節(jié)點存證上鏈的響應(yīng)用戶在響應(yīng)執(zhí)行期的電表電量數(shù)據(jù)信息及響應(yīng)用戶的歷史參考日電量數(shù)據(jù),經(jīng)用戶和電網(wǎng)公司節(jié)點雙重簽名后上鏈存證。其中,DR 終端表計集成了區(qū)塊鏈網(wǎng)關(guān),通過通信裝置將數(shù)據(jù)信息發(fā)送到區(qū)塊鏈服務(wù)器上進行存儲。

        4)響應(yīng)校核函數(shù)

        完成全部數(shù)據(jù)信息讀取后,進入響應(yīng)信息校核階段。用戶或電網(wǎng)公司節(jié)點調(diào)用校核函數(shù),核驗響應(yīng)用戶數(shù)據(jù)信息與用戶身份信息的對應(yīng)關(guān)系及響應(yīng)數(shù)據(jù)的完整性。

        5)響應(yīng)有效性判定函數(shù)

        電網(wǎng)公司節(jié)點調(diào)用該函數(shù),智能合約依據(jù)用戶編號讀取鏈上對應(yīng)的履約執(zhí)行期響應(yīng)用戶的負荷數(shù)據(jù)、用戶歷史參考日負荷數(shù)據(jù)、用戶分配響應(yīng)負荷量等信息,計算各響應(yīng)用戶歷史參考日基線、響應(yīng)時段平均負荷等信息,依據(jù)下述準則判斷應(yīng)邀參與響應(yīng)用戶DR的有效性。在實施削峰響應(yīng)時,用戶實際響應(yīng)電量可表示為:

        式中:Qi,P為用戶i參與削峰響應(yīng)時m個時段的總響應(yīng)電量;Pi,j,0和Pi,j分別為用戶i在時段j的基線負荷和實際負荷;Ti,j表示時段j的累計時長。當(dāng)響應(yīng)時段內(nèi)用戶的實際最大負荷小于基線最大負荷且響應(yīng)電量超過自身響應(yīng)指標50%時,認定用戶作出有效響應(yīng),響應(yīng)電量按照130%響應(yīng)指標封頂計算。在實施填谷響應(yīng)時,用戶實際響應(yīng)電量可表示為:

        式中:Qi,V為用戶i參與填谷響應(yīng)時m個時段的總響應(yīng)電量,且要求用戶最小負荷大于基線最小負荷,總響應(yīng)電量按130%響應(yīng)指標封頂計算。

        6)響應(yīng)獎懲結(jié)算函數(shù)

        電網(wǎng)公司節(jié)點在校核后調(diào)用該函數(shù)對響應(yīng)用戶進行獎懲結(jié)算。獎懲結(jié)算函數(shù)依據(jù)響應(yīng)有效性進行分類處理,無效響應(yīng)用戶在響應(yīng)黑名單列表中記錄一次,年終時整體進行結(jié)算,黑名單中計次數(shù)目越多,扣除的年度保證金越多。有效響應(yīng)用戶根據(jù)響應(yīng)量及年度協(xié)議補貼電價計算補貼金額:

        式中:Mi為本次有效響應(yīng)用戶i所得補貼總額;p為補貼單價,其中,削峰響應(yīng)補貼單價為2.0元/kWh,填谷響應(yīng)補貼單價為1.2元/kWh;Tj為第j個響應(yīng)時段累計時長;m為DR的時段數(shù)量。隨后,由智能合約直接從電網(wǎng)公司預(yù)存于區(qū)塊鏈上的補貼總額中撥往響應(yīng)用戶賬戶,結(jié)算結(jié)束后,結(jié)余的預(yù)存代幣退回電網(wǎng)公司節(jié)點賬戶。

        7)年度協(xié)議簽訂函數(shù)

        在該邀約式DR業(yè)務(wù)中,用戶申請和協(xié)議簽訂環(huán)節(jié)以年度為周期。符合申請條件的需求側(cè)用戶可在每年第一季度內(nèi)調(diào)用年度協(xié)議簽訂函數(shù),向電網(wǎng)公司和能監(jiān)辦發(fā)起參與DR業(yè)務(wù)的申請。

        用戶向該函數(shù)輸入用戶類型、用戶編號、所屬區(qū)域、協(xié)議響應(yīng)能力(一般為用戶最高用電負荷的10%~40%)、運行額定容量、補貼結(jié)算金額、違約懲罰金額等信息。隨后,該函數(shù)審核用戶資質(zhì)條件,并收集用戶、電網(wǎng)公司和能監(jiān)辦的簽名。收集齊三方簽名后,該年度DR三方協(xié)議生效,上鏈存證。

        8)保證金繳納函數(shù)

        用戶在簽訂協(xié)議后調(diào)用該函數(shù),向智能合約所在地址預(yù)存數(shù)值等于協(xié)議約定保證金金額的代幣。主節(jié)點在確認用戶支付結(jié)果無誤后,打包信息進區(qū)塊,并為用戶打上標簽。只有簽訂年度協(xié)議并正確繳納保證金的用戶才能參與邀約式DR業(yè)務(wù)。

        3 基于區(qū)塊鏈的電力DR業(yè)務(wù)總結(jié)與展望

        3.1 取得的成效

        本文圍繞浙江省現(xiàn)行的約定DR 業(yè)務(wù)展開研究,設(shè)計了基于弱中心化的聯(lián)盟區(qū)塊鏈和智能合約技術(shù)的邀約式DR機制,構(gòu)造了6個智能合約函數(shù),協(xié)助響應(yīng)機制的安全、高效運作。由于區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心、去信任、不可篡改、可回溯、智能化等特點,能夠解決傳統(tǒng)中心化DR業(yè)務(wù)的痛點,具體表現(xiàn)為以下幾個方面:

        1)實現(xiàn)DR交易數(shù)據(jù)可信管理和存證。區(qū)塊鏈分布式賬本和共識機制為DR合同管理和響應(yīng)計量數(shù)據(jù)存證提供了去中心化的解決方案。通過區(qū)塊鏈與物聯(lián)網(wǎng)的融合,在DR 終端增加區(qū)塊鏈網(wǎng)關(guān),將用戶響應(yīng)數(shù)據(jù)通過區(qū)塊鏈廣播的方式提供給電網(wǎng)公司和需求側(cè)用戶等相關(guān)方;用戶或監(jiān)管機構(gòu)可作為區(qū)塊鏈節(jié)點參與信息管理,與電網(wǎng)公司共同維護DR業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)安全,從根本上解決DR數(shù)據(jù)采集和傳輸過程中的信任問題,提高電網(wǎng)公司與需求側(cè)用戶間的互動水平以及用戶DR參與感。

        2)提升DR有效性判定與補貼清結(jié)算效率。通過事先部署于區(qū)塊鏈上且獲得DR利益相關(guān)方共同認可的智能合約,自動完成DR有效性判定和補貼清結(jié)算??珊喕疍R業(yè)務(wù)流程,實現(xiàn)補貼資金自動劃轉(zhuǎn),縮短電力用戶獲取DR補貼的時間,提高用戶參與DR業(yè)務(wù)的積極性。

        3)降低DR業(yè)務(wù)管理成本。智能合約在DR 業(yè)務(wù)中自動觸發(fā)、執(zhí)行。在不考慮區(qū)塊鏈部署成本的情況下,可有效降低人力成本的損耗,且賬本信息由所有鏈上節(jié)點共同維護,有效降低組織方等中心化機構(gòu)因獨立維護數(shù)據(jù)中心所帶來的高昂成本。

        4)完善DR 市場監(jiān)管體系,提高業(yè)務(wù)可信水平。區(qū)塊鏈具有的數(shù)據(jù)不可篡改、可追溯特點能夠為DR市場監(jiān)管提供必要的數(shù)據(jù)保障;監(jiān)管部門可作為區(qū)塊鏈節(jié)點參與共識記賬獲取所需數(shù)據(jù),不必向電網(wǎng)公司索要內(nèi)部系統(tǒng)數(shù)據(jù)權(quán)限,減少對電力市場的不必要干預(yù),提高電力用戶對DR及電力市場交易的認可度。此外,區(qū)塊鏈借助哈希加密、非對稱加密、同態(tài)加密等加密算法,能夠?qū)崿F(xiàn)一定程度的匿名性,可對重要數(shù)據(jù)進行加密,以保障用戶的信息安全,避免人為因素導(dǎo)致隱私數(shù)據(jù)泄露。用戶通過自身身份信息可在鏈上查詢與自身相關(guān)的響應(yīng)指標分配結(jié)果、響應(yīng)數(shù)據(jù)校核結(jié)果、補貼結(jié)算結(jié)果等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息,提高其對整個體系的信任度。

        3.2 存在問題

        綜上所述,區(qū)塊鏈技術(shù)及智能合約的引入,可以有效解決傳統(tǒng)業(yè)務(wù)流程及運作機制中存在的痛點與難點,能夠更好地適應(yīng)高彈性電網(wǎng)的發(fā)展建設(shè),有效提升電網(wǎng)和用戶的友好互動水平,在提升用戶效益的同時也能降低電網(wǎng)削峰填谷成本。盡管如此,邀約式DR機制及區(qū)塊鏈智能合約技術(shù)的落地應(yīng)用仍存在一些值得注意的問題。

        1)年度合同時間跨度過長。在當(dāng)前浙江省DR業(yè)務(wù)規(guī)范下,邀約式DR需要用戶和電網(wǎng)公司間簽訂年度合同,時間跨度較長。年度協(xié)議存在很多的不確定性因素,會打擊用戶參與響應(yīng)的積極性。且年度合同存在一定的約束,用戶無法在每次響應(yīng)時報量報價,缺乏靈活性。

        2)小用戶無法直接參與。該機制下,未達到準入門檻值的小用戶無法直接參與DR業(yè)務(wù),通過負荷聚合商接入會在一定程度上限制小用戶的自主能力。此外,負荷聚合商與用戶間的互動模式也缺乏規(guī)范,很有可能間接損害了小用戶的權(quán)益。

        3)負荷側(cè)用戶間缺乏互動。當(dāng)前機制主要為電網(wǎng)公司的一對多模式,用戶間缺乏對話,區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化/弱中心化優(yōu)勢無法得到充分發(fā)揮。

        4)DR 實時程度低。邀約式DR 機制下,受當(dāng)前相關(guān)條例約束,DR 執(zhí)行時間和邀約信息發(fā)布、確認時間存在跨日問題,實時程度較低。電力波動瞬息萬變,較長的時延有可能導(dǎo)致響應(yīng)意義的喪失。

        5)區(qū)塊鏈的出塊速度有待提升。以比特幣和以太坊為代表的區(qū)塊鏈技術(shù)出塊速度較低,無法滿足大規(guī)模交易場景的實際落地應(yīng)用,難以適應(yīng)電力系統(tǒng)中對實時性要求較高的場景,如實時DR交易。當(dāng)前已有研究開發(fā)了具有較高吞吐量的區(qū)塊鏈技術(shù),但實際落地應(yīng)用仍在嘗試中。

        6)智能合約存在漏洞風(fēng)險。智能合約技術(shù)的應(yīng)用能夠極大提升業(yè)務(wù)的可拓展性,提高業(yè)務(wù)的智能化水平。然而,智能合約一旦上鏈部署便不可更改,若存在漏洞或邏輯錯誤會影響交易的安全進行,且通常需花費較大的時間和經(jīng)濟成本對其進行彌補。

        3.3 發(fā)展方向

        結(jié)合上述存在的問題及未來DR業(yè)務(wù)的發(fā)展趨勢與需求,提出以下對基于區(qū)塊鏈和智能合約的DR機制的展望:在區(qū)塊鏈及智能合約技術(shù)實際落地應(yīng)用方面,將開發(fā)具有更高吞吐量的區(qū)塊鏈技術(shù)以滿足更大規(guī)模交易的要求;合約部署上鏈前將進行充分測試以避免漏洞的出現(xiàn);進一步研發(fā)更高效的智能合約迭代修補方案。在DR業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型升級方面,未來將充分發(fā)揮區(qū)塊鏈的去中心化/弱中心化性質(zhì),在DR業(yè)務(wù)中融入用戶自主多邊交易業(yè)務(wù),用戶能夠在接受響應(yīng)后通過買賣電量的方式充分協(xié)調(diào)自身響應(yīng)效果和用電體驗間的平衡。DR業(yè)務(wù)合同周期將顯著縮短,響應(yīng)結(jié)算周期逐步向每周或每日轉(zhuǎn)變,以充分調(diào)動用戶積極性,提升用戶參與度。DR業(yè)務(wù)時效性將大幅度提升,邀約信息發(fā)布與確認時間將提前到響應(yīng)前半天乃至前半小時,以保障響應(yīng)的有效性與意義,提升DR業(yè)務(wù)給電網(wǎng)帶來的效益。

        此外,依據(jù)區(qū)塊鏈技術(shù)的不可篡改、公開、透明等優(yōu)勢,競價式DR業(yè)務(wù)也將成為未來DR發(fā)展的主流方向。用戶在競價式DR機制下能夠自主報量報價,以充分發(fā)揮市場的作用,提升電網(wǎng)的彈性??紤]到電網(wǎng)無法完全去中心化的特性以及公有鏈吞吐量低、處理速度慢等問題的影響,當(dāng)前DR業(yè)務(wù)的設(shè)計與實施基本建立在聯(lián)盟鏈的基礎(chǔ)之上。未來伴隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的改進以及去中心化模式認可度的提高,公有鏈也存在逐步普及的可能,小用戶也將在公有鏈下直接參與DR業(yè)務(wù)。

        4 結(jié)語

        為適應(yīng)浙江省“多元融合的高彈性電網(wǎng)”建設(shè)需求,充分發(fā)揮用戶側(cè)可調(diào)節(jié)資源,協(xié)助解決電力供需平衡問題,本文簡要介紹了現(xiàn)行的邀約式DR 業(yè)務(wù)機制,并剖析了業(yè)務(wù)中存在的痛點與難點。接著,引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)及智能合約解決當(dāng)前業(yè)務(wù)中存在的問題,構(gòu)建了基于智能合約的邀約式DR機制運行框架,并設(shè)計了實現(xiàn)業(yè)務(wù)流程功能的智能合約函數(shù)。區(qū)塊鏈技術(shù)及智能合約保證了邀約式DR機制運行的安全、透明,加強了多方信任,提高了結(jié)算效率,調(diào)動了用戶側(cè)的積極性。最后,針對現(xiàn)行規(guī)范下該機制仍存在的不足及區(qū)塊鏈技術(shù)在未來DR 領(lǐng)域中的發(fā)展空間進行了展望,以期為浙江省DR業(yè)務(wù)機制設(shè)計提供參考。

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