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        基于區(qū)塊鏈的需求側(cè)響應(yīng)方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        2022-05-09 03:01:38卜飛飛王圓圓白宏坤華遠(yuǎn)鵬韓丁王涵賈一博辛玉華
        電力建設(shè) 2022年5期
        關(guān)鍵詞:合約身份區(qū)塊

        卜飛飛,王圓圓,白宏坤,華遠(yuǎn)鵬,韓丁,王涵,賈一博,辛玉華

        (1. 國(guó)網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,鄭州市 450052;2.北京恒華偉業(yè)科技股份有限公司,北京市 100011)

        0 引 言

        世界電力市場(chǎng)改革不斷推進(jìn),電力行業(yè)由過(guò)去的供應(yīng)側(cè)管理走向供應(yīng)側(cè)和需求側(cè)雙向管理[1]。我國(guó)需求側(cè)管理工作自2004年啟動(dòng)以來(lái),其管理手段已經(jīng)發(fā)展包括分時(shí)電價(jià)、移峰填谷、能效電廠(chǎng)、需求側(cè)響應(yīng)等[2]。需求側(cè)響應(yīng)強(qiáng)調(diào)電力用戶(hù)根據(jù)市場(chǎng)情況對(duì)自身的負(fù)荷需求或者用電模式做出主動(dòng)調(diào)整。電力產(chǎn)品豐富化、電力價(jià)格差異化[3]、參與主體多樣化才能在競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下使市場(chǎng)各方做出最優(yōu)投資決策,發(fā)揮需求側(cè)響應(yīng)兼顧穩(wěn)定市場(chǎng)和保證電網(wǎng)穩(wěn)定性的作用。

        需求側(cè)響應(yīng)的參與者涉及電力用戶(hù)、負(fù)荷集成商、政府部門(mén)和電力公司等主體,需求側(cè)響應(yīng)涉及負(fù)荷控制、效果判定、補(bǔ)貼分配等流程,參與者、執(zhí)行者及收益獲得者之間存在利益分配不均的矛盾,不同主體之間信任成本高、響應(yīng)頻次低、交易效率低是當(dāng)前需求側(cè)響應(yīng)效果發(fā)揮的障礙。

        自2008年比特幣被提出以來(lái)[4],區(qū)塊鏈技術(shù)經(jīng)過(guò)區(qū)塊鏈1.0、區(qū)塊鏈2.0,現(xiàn)已發(fā)展到區(qū)塊鏈3.0[5]。區(qū)塊鏈底層核心技術(shù)仍在不斷發(fā)展,當(dāng)前較為公認(rèn)的區(qū)塊鏈平臺(tái)架構(gòu)分為5層,即應(yīng)用層、合約層、共識(shí)層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)層,現(xiàn)有多個(gè)能源領(lǐng)域的區(qū)塊鏈平臺(tái)設(shè)計(jì)方案基于此框架結(jié)構(gòu)延伸[6-9]。區(qū)塊鏈在能源行業(yè)的應(yīng)用研究在國(guó)內(nèi)走在前列,已在電動(dòng)汽車(chē)充電樁共享[10-12]、綜合能源服務(wù)[13]、分布式電力交易[14-15]等能源領(lǐng)域開(kāi)展研究。

        已有部分研究人員研究需求側(cè)響應(yīng)中的區(qū)塊鏈應(yīng)用問(wèn)題。文獻(xiàn)[16]從電力管理交易系統(tǒng)架構(gòu)、交易系統(tǒng)模塊以及交易流程框架3個(gè)方面提出了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的綜合需求側(cè)響應(yīng)資源交易體系框架。文獻(xiàn)[17]從信息注冊(cè)、信息更新、自動(dòng)交易和自動(dòng)結(jié)算方面探討了需求側(cè)區(qū)塊鏈的安全性、全局效率和智能合約全局優(yōu)化問(wèn)題。文獻(xiàn)[18]在分析了自動(dòng)需求側(cè)響應(yīng)業(yè)務(wù)運(yùn)行規(guī)則、業(yè)務(wù)流程基礎(chǔ)上,探討了補(bǔ)貼結(jié)算、違約懲罰等的安全性,操作行為公證性等方面的技術(shù)保障,及工作量證明機(jī)制、互聯(lián)共識(shí)、智能合約、信息安全等方面區(qū)塊鏈應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。文獻(xiàn)[19]提出將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于需求側(cè)響應(yīng)計(jì)劃管理,利用區(qū)塊鏈技術(shù)存證能量消耗信息,基于智能合約實(shí)現(xiàn)財(cái)務(wù)結(jié)算,保障交易的靈活性。文獻(xiàn)[20]分析了區(qū)塊鏈與需求側(cè)響應(yīng)的契合點(diǎn),設(shè)計(jì)了基于區(qū)塊鏈的需求側(cè)響應(yīng)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[21]提出了基于區(qū)塊鏈的需求側(cè)管理資源信用管理方法,設(shè)計(jì)了交易各階段的智能合約并部署在以太坊測(cè)試鏈上,探討在不同信用值下用戶(hù)的響應(yīng)效果。當(dāng)前研究缺乏將需求側(cè)響應(yīng)應(yīng)用的各個(gè)環(huán)節(jié)都詳細(xì)設(shè)計(jì)呈現(xiàn)(如網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案、跨鏈設(shè)計(jì)方案等)、落地指導(dǎo)性及對(duì)區(qū)塊鏈應(yīng)用效益的全面研究。

        本文提出基于個(gè)人通用身份賬戶(hù),利用聯(lián)盟鏈的方式解決需求側(cè)響應(yīng)中,納入各主體監(jiān)督、驗(yàn)證數(shù)據(jù)可信性的解決方案的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié),即區(qū)塊鏈需求側(cè)響應(yīng)的整體架構(gòu)、交易流程、數(shù)據(jù)上鏈設(shè)計(jì)、智能合約設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)搭建方案等,并仿真搭建由7個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的區(qū)塊鏈聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境,驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性;最后以河南情況為例對(duì)構(gòu)建需求側(cè)響應(yīng)區(qū)塊鏈應(yīng)用的效益進(jìn)行測(cè)算,說(shuō)明區(qū)塊鏈技術(shù)在需求側(cè)響應(yīng)上的應(yīng)用經(jīng)濟(jì)可行。

        1 區(qū)塊鏈通用技術(shù)原理

        1.1 區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)

        區(qū)塊鏈?zhǔn)怯砂凑諘r(shí)間順序?qū)?shù)據(jù)區(qū)塊以順序相連的方式組合成的一種鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu),是區(qū)塊鏈技術(shù)體系的核心[22],這一特性可解決需求側(cè)響應(yīng)過(guò)程中主體身份數(shù)據(jù)認(rèn)證及身份數(shù)據(jù)、響應(yīng)數(shù)據(jù)、激勵(lì)數(shù)據(jù)的不一致性檢測(cè)、溯源等問(wèn)題。

        區(qū)塊鏈信息模型包含UTXO(unspent transaction outputs)、基于鍵值對(duì)和賬戶(hù)模型3種類(lèi)型[23]。數(shù)據(jù)以區(qū)塊鏈信息模型存儲(chǔ)前,需要進(jìn)行默克爾樹(shù)處理,處理過(guò)程如圖1所示,即對(duì)所需存證上鏈的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行哈希處理,再對(duì)相鄰數(shù)據(jù)進(jìn)行加和,重復(fù)哈希處理的過(guò)程,直至剩余一個(gè)根哈希。

        圖1 默克爾樹(shù)處理過(guò)程示意Fig.1 Schematic diagram of Merkle tree processing process

        區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)驗(yàn)證性賦予存儲(chǔ)于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)特有的防篡改性,數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)驗(yàn)證過(guò)程如圖2所示,即區(qū)塊N-1的哈希值和區(qū)塊N的存儲(chǔ)內(nèi)容作為區(qū)塊N整體的存儲(chǔ)內(nèi)容,區(qū)塊N整體存儲(chǔ)內(nèi)容的哈希存儲(chǔ)于區(qū)塊N+1,其中一個(gè)區(qū)塊內(nèi)容變更會(huì)引起其他區(qū)塊數(shù)據(jù)的變化,以此完成區(qū)塊間的關(guān)聯(lián)驗(yàn)證。

        圖2 區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)驗(yàn)證示意Fig.2 Schematic diagram of blockchain data association verification

        數(shù)據(jù)加密現(xiàn)常用算法包括Rabin(一種非對(duì)稱(chēng)加密算法,基于計(jì)算模合數(shù)平方根困難性問(wèn)題的公鑰密碼算法)、橢圓曲線(xiàn)加密算法(elliptic curve cryptography,ECC)等。A使用B的公鑰對(duì)交易簽名,B僅能通過(guò)私鑰驗(yàn)證數(shù)字簽名才可創(chuàng)建一筆交易,這種以公鑰基礎(chǔ)標(biāo)識(shí)用戶(hù),以私鑰驗(yàn)證身份的機(jī)制,較大程度保護(hù)了交易者的隱私。

        1.2 共識(shí)機(jī)制

        共識(shí)機(jī)制是區(qū)塊鏈的關(guān)鍵技術(shù),直接影響區(qū)塊鏈系統(tǒng)的性能效率、可擴(kuò)展性、資源消耗[22]?,F(xiàn)在常用的共識(shí)算法有證明(proof of X,PoX)類(lèi)、拜占庭容錯(cuò)(Byzantine fault tolerance,BFT)類(lèi)和非拜占庭容錯(cuò)(crash fault tolerance,CFT)類(lèi)基礎(chǔ)共識(shí)協(xié)議[23]。PoX類(lèi)共識(shí)協(xié)議包含工作量證明(proof of work,PoW)、股權(quán)證明(poof of stake,PoS)協(xié)議,這類(lèi)協(xié)議特點(diǎn)為設(shè)計(jì)證明依據(jù),以令誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)證明其合法性。BFT類(lèi)協(xié)議包含實(shí)用拜占庭容錯(cuò)算法(practical Byzantine fault tolerance,PBFT)、BFT-SMaRt(一種基于SSL/TLS標(biāo)準(zhǔn)的BFT算法)等協(xié)議,其特征為解決了拜占庭容錯(cuò)問(wèn)題。CFT類(lèi)協(xié)議包含Raft(一種基于分布式共識(shí)算法)、Paxos(一種基于消息傳遞且具有高度容錯(cuò)特性的一致性算法)、Kafka(時(shí)間輪算法)等協(xié)議,以身份證明等手段規(guī)避節(jié)點(diǎn)作惡,實(shí)現(xiàn)崩潰容錯(cuò)目的。

        本文方案的搭建采用聯(lián)盟鏈,由于聯(lián)盟鏈節(jié)點(diǎn)數(shù)量有限,需要使用具有高度優(yōu)化的共識(shí)機(jī)制,故采用適合聯(lián)盟鏈?zhǔn)褂玫母倪M(jìn)的伊斯坦布爾拜占庭容錯(cuò)(Istanbul Byzantine fault tolerance,IBFT)共識(shí)算法作為需求側(cè)響應(yīng)區(qū)塊鏈平臺(tái)的共識(shí)機(jī)制,其容錯(cuò)率為1/3,在保留即時(shí)確認(rèn)關(guān)鍵特性的同時(shí),極大地提高了去中心化的程度。其共識(shí)可以保證上鏈的區(qū)塊是確定的,也就是說(shuō)鏈不會(huì)出現(xiàn)分叉,同時(shí)每一個(gè)有效的區(qū)塊都會(huì)插入到鏈上。區(qū)塊鏈需求側(cè)響應(yīng)平臺(tái)共識(shí)機(jī)制基于IBFT做了改進(jìn),可以實(shí)現(xiàn)無(wú)交易不出塊,改進(jìn)的IBFT共識(shí)機(jī)制的投票過(guò)程如圖3所示。

        圖3 改進(jìn)的IBFT共識(shí)機(jī)制狀態(tài)切換示意Fig.3 Schematic diagram of IBFT consensus mechanism design

        IBFT分為3個(gè)階段:

        1)預(yù)準(zhǔn)備階段:每次進(jìn)入到新一輪投票時(shí),就會(huì)開(kāi)始三階段中的第一個(gè)階段,即預(yù)準(zhǔn)備階段。在該階段中,提議節(jié)點(diǎn)生成一個(gè)提議區(qū)塊,并廣播給所有的驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)。接著區(qū)塊提議節(jié)點(diǎn)進(jìn)入到預(yù)準(zhǔn)備狀態(tài)。其他驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)接收到有效消息后進(jìn)入到預(yù)準(zhǔn)備狀態(tài)。

        2)準(zhǔn)備階段:在這一階段,驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)廣播準(zhǔn)備消息給其他驗(yàn)證節(jié)點(diǎn),并等待接收超過(guò)2/3的有效準(zhǔn)備消息從而進(jìn)入到準(zhǔn)備完畢狀態(tài)。

        3)確認(rèn)階段:在這一階段,驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)廣播確認(rèn)消息給其他驗(yàn)證節(jié)點(diǎn),并等待接收超過(guò)2/3的有效確認(rèn)消息從而進(jìn)入到完成確認(rèn)狀態(tài)。

        1.3 智能合約

        智能合約最初于1994年由尼克·薩博[24]提出,智能合約是合同條款的程序體現(xiàn),區(qū)塊鏈技術(shù)去中心化為智能合約提供了天然的分布式可信執(zhí)行環(huán)境[22]?,F(xiàn)有常見(jiàn)區(qū)塊鏈平臺(tái)的智能合約對(duì)比如表1所示。

        表1 現(xiàn)有區(qū)塊鏈平臺(tái)智能合約對(duì)比Table 1 Comparison of smart contracts in existing blockchain platform

        智能合約技術(shù)的引入在保證安全的前提下大大提高了交易速度,尤其針對(duì)復(fù)雜交易場(chǎng)景,優(yōu)勢(shì)更為突出,智能合約在區(qū)塊鏈上的部署如圖4所示。

        圖4 基于區(qū)塊鏈的智能合約部署方式Fig.4 Intelligent contract deployment based on blockchain

        1.4 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸

        區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)通信方式是對(duì)等網(wǎng)絡(luò),區(qū)別于傳統(tǒng)中心化的服務(wù)端和客戶(hù)端的服務(wù)模式。區(qū)塊鏈的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以分為混合對(duì)等網(wǎng)絡(luò)、結(jié)構(gòu)化對(duì)等網(wǎng)絡(luò)、無(wú)結(jié)構(gòu)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)[25]。通信機(jī)制建立在TCP(transmission control protocol)和UDP(user datagram protocol)之上,位于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的應(yīng)用層。區(qū)塊鏈點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸機(jī)制中數(shù)據(jù)和消息的傳輸直接在節(jié)點(diǎn)之間完成,節(jié)點(diǎn)可以選擇在任意時(shí)刻加入或退出網(wǎng)絡(luò)。

        2 區(qū)塊鏈需求側(cè)響應(yīng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

        2.1 整體框架設(shè)計(jì)

        考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)性,在基于中心化的管理方式的需求側(cè)響應(yīng)平臺(tái)現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上,利用區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行分布式存儲(chǔ)、智能合約改造,另外考慮到當(dāng)前區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展限制,區(qū)塊鏈存儲(chǔ)數(shù)據(jù)有限,采用鏈下管理源數(shù)據(jù)、結(jié)果數(shù)據(jù)、哈希值數(shù)據(jù),僅將默克爾樹(shù)處理得到的根哈希數(shù)據(jù)存證上鏈的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)存證。改造模式及區(qū)塊鏈需求側(cè)響應(yīng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互及服務(wù)處理框架如圖5所示。

        圖5 區(qū)塊鏈需求側(cè)響應(yīng)平臺(tái)關(guān)鍵數(shù)據(jù)交互及服務(wù)框架Fig.5 Key data exchange and service framework of blockchain demand response system

        2.2 基于區(qū)塊鏈的需求側(cè)響應(yīng)交易流程

        需求側(cè)響應(yīng)活動(dòng)整體可劃分為前期準(zhǔn)備、響應(yīng)執(zhí)行、效果評(píng)估和補(bǔ)貼核發(fā)4個(gè)階段,在利用區(qū)塊鏈技術(shù)對(duì)需求側(cè)響應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行改造后,在需求側(cè)響應(yīng)前期準(zhǔn)備階段,基于區(qū)塊鏈的需求側(cè)響應(yīng)前期準(zhǔn)備階段流程如圖6所示。

        圖6 區(qū)塊鏈需求側(cè)響應(yīng)前期準(zhǔn)備階段流程Fig.6 Flow chart of blockchain demand response in pre-preparation stage

        基于區(qū)塊鏈技術(shù)改造后,可以通過(guò)智能合約自動(dòng)結(jié)算補(bǔ)貼費(fèi)用(此處考慮補(bǔ)貼模式的需求側(cè)響應(yīng)模式),區(qū)塊鏈需求側(cè)響應(yīng)響應(yīng)執(zhí)行及核算階段流程如圖7所示。

        圖7 區(qū)塊鏈需求側(cè)響應(yīng)響應(yīng)執(zhí)行及核算階段流程Fig.7 Flowchart of the preparatory phase of the blockchain demand response

        業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存證至需求側(cè)響應(yīng)鏈過(guò)程如圖8所示。當(dāng)前的數(shù)字身份存在身份數(shù)據(jù)分散、不同機(jī)構(gòu)需重復(fù)認(rèn)證、身份數(shù)據(jù)被冒用或盜用的風(fēng)險(xiǎn)較高、容易造成個(gè)人信息大規(guī)模泄露等痛點(diǎn)。W3C分散式標(biāo)識(shí)符(W3C decentralized identifiers,W3C DID)[26]利用規(guī)范、生產(chǎn)和可驗(yàn)證的一種新型標(biāo)識(shí)符為解決參與者身份全局唯一性、高可用性、可解析性和加密可驗(yàn)證性提供了解決方案。去中心化標(biāo)志符的架構(gòu)如圖9所示,用戶(hù)在分布式服務(wù)器注冊(cè)響應(yīng)主題的DID,DID代表了DID主題,可解析為DID文檔,DID和DID文檔均錄制于驗(yàn)證數(shù)據(jù)注冊(cè)表;DID URL引用DID文檔的內(nèi)容,并包含DID的內(nèi)容;DID控制器控制DID文檔。

        圖8 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存證至需求側(cè)響應(yīng)鏈過(guò)程Fig.8 The process from business data storage to audit chain

        圖9 DID架構(gòu)概述和基本組件的關(guān)系Fig.9 Overview of DID architecture and the relationship of the basic components

        DID規(guī)范定義的數(shù)據(jù)模型如圖10所示?;趨^(qū)塊鏈的去中心化標(biāo)識(shí)符具有全局唯一性、高可用性、可解析性和加密可驗(yàn)證性,具有分布式、自主可控、跨鏈復(fù)用等優(yōu)勢(shì)。基于區(qū)塊鏈分布式存儲(chǔ),避免了身份數(shù)據(jù)被單一的中心化權(quán)威機(jī)構(gòu)所控制,即使存儲(chǔ)于單一中心化節(jié)點(diǎn),也可以設(shè)置調(diào)閱過(guò)程記錄在冊(cè);身份自主可控,基于分布式公鑰基礎(chǔ)設(shè)施(decentralized public key infrastructure,DPKI),個(gè)人能自主管理自己的身份數(shù)據(jù);可信的數(shù)據(jù)交換,身份數(shù)據(jù)錨定于區(qū)塊鏈上,認(rèn)證過(guò)程簡(jiǎn)單可信,不容易被盜用,同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)互通,無(wú)需重復(fù)認(rèn)證。

        圖10 DID文檔數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)條目Fig.10 The entries in a DID document

        2.3 智能合約設(shè)計(jì)

        智能合約作為合同條款的程序體現(xiàn),在可信的基礎(chǔ)上較大程度提高了合約的履行效率。本文給出智能合約中的主要函數(shù),即身份認(rèn)證函數(shù)、存證函數(shù)、自動(dòng)響應(yīng)函數(shù)、自動(dòng)結(jié)算函數(shù)。

        1)身份認(rèn)證函數(shù)?;赪3C DID標(biāo)準(zhǔn),個(gè)體可根據(jù)需要生成用特定場(chǎng)景驗(yàn)證的DID身份認(rèn)證文檔?;谏矸菡J(rèn)證函數(shù),對(duì)用戶(hù)身份進(jìn)行認(rèn)證,判斷用戶(hù)身份類(lèi)別,如判斷用戶(hù)為電力用戶(hù)還是負(fù)荷集成商,進(jìn)而對(duì)用戶(hù)進(jìn)行響應(yīng)權(quán)益分配。

        2)數(shù)據(jù)存證函數(shù)。數(shù)據(jù)存證函數(shù)用于按照規(guī)則監(jiān)聽(tīng)數(shù)據(jù)變化和接受系統(tǒng)指令及時(shí)將數(shù)據(jù)默克爾樹(shù)根哈希值存證。需求側(cè)響應(yīng)事務(wù)中,關(guān)鍵數(shù)據(jù)存證采用所在表根哈希存證的策略,不同數(shù)據(jù)的存證合約時(shí)機(jī)不同,如表2所示,其中基線(xiàn)負(fù)荷數(shù)據(jù)的存證時(shí)間視其計(jì)算方式而定。

        表2 需求側(cè)響應(yīng)存證的關(guān)鍵數(shù)據(jù)Table 2 Key data of demand response certificate

        3)自動(dòng)響應(yīng)函數(shù)。用于按照約定的觸發(fā)條件自動(dòng)開(kāi)展需求側(cè)響應(yīng)。對(duì)于自動(dòng)開(kāi)展響應(yīng)的情況,需要電力用戶(hù)的設(shè)備支持遠(yuǎn)程控制功能。在約定響應(yīng)或?qū)崟r(shí)情況下,基于用戶(hù)設(shè)備的響應(yīng)條件,觸發(fā)自動(dòng)調(diào)用響應(yīng)智能合約。

        4)自動(dòng)結(jié)算函數(shù)。自動(dòng)結(jié)算函數(shù)用于按照約定的觸發(fā)條件自動(dòng)開(kāi)展需求側(cè)響應(yīng)。不同的省份自動(dòng)結(jié)算的規(guī)則不同,故需要按照各省份的結(jié)算規(guī)則進(jìn)行結(jié)算。對(duì)于自動(dòng)開(kāi)展進(jìn)行自動(dòng)結(jié)算的情況,設(shè)計(jì)通過(guò)跨鏈機(jī)制與銀行金融鏈的資金信息進(jìn)行交互,設(shè)計(jì)的落地需要多方在管理制度、技術(shù)平臺(tái)等多方面達(dá)成共識(shí),方可實(shí)現(xiàn)在約定響應(yīng)或?qū)崟r(shí)情況下基于基線(xiàn)負(fù)荷情況自動(dòng)結(jié)算用戶(hù)補(bǔ)貼費(fèi)用。

        2.4 網(wǎng)絡(luò)搭建方案

        按照準(zhǔn)入機(jī)制,現(xiàn)有區(qū)塊鏈形式可分為3種類(lèi)型,即公有鏈、聯(lián)盟鏈和私有鏈[3],聯(lián)盟鏈?zhǔn)悄壳捌毡檎J(rèn)為最具有應(yīng)用前景的區(qū)塊鏈類(lèi)型。本文采用的搭建方案為公有鏈。

        基于當(dāng)前需求側(cè)響應(yīng)平臺(tái)內(nèi)外網(wǎng)數(shù)據(jù)分離的管理機(jī)制,可以通過(guò)各省公司搭建覆蓋內(nèi)外網(wǎng)子節(jié)點(diǎn)互通的自有鏈,與其他公司通過(guò)跨鏈機(jī)制進(jìn)行信息交互,搭建方式如圖11所示。

        圖11 需求側(cè)響應(yīng)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)層級(jí)設(shè)計(jì)Fig.11 Hierarchical design of demand response blockchain network

        當(dāng)需求側(cè)響應(yīng)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)具有跨鏈需求時(shí),需要明確需求側(cè)響應(yīng)任務(wù)內(nèi)容及跨鏈業(yè)務(wù)合約(需要連接的區(qū)塊鏈名稱(chēng)及數(shù)據(jù)內(nèi)容),提交至區(qū)塊鏈跨鏈服務(wù),由區(qū)塊鏈服務(wù)模塊跨鏈?zhǔn)录﨟andler(處理)服務(wù)模塊、跨鏈交易構(gòu)造及簽名服務(wù)模塊提交服務(wù)至跨鏈服務(wù)Agent(代理),以此模式完成與外部區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的交互,如圖12所示。

        圖12 需求側(cè)響應(yīng)區(qū)塊鏈與外部區(qū)塊鏈跨鏈轉(zhuǎn)換示意圖Fig.12 Schematic diagram of cross-chain conversion between demand-response blockchain and external blockchain

        3 區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用方案效益分析

        3.1 成本分析

        假定區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用之后的信息化系統(tǒng)未增加運(yùn)維費(fèi)用,故成本分析時(shí),未計(jì)入運(yùn)維成本;假設(shè)平臺(tái)節(jié)點(diǎn)復(fù)用現(xiàn)有硬件設(shè)備;故而效益分析中僅考慮了平臺(tái)建設(shè)成本。以現(xiàn)有技術(shù)開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)的時(shí)間、人工單價(jià)平均值核算平臺(tái)建設(shè)成本,建設(shè)成本Cdl計(jì)算方式為:

        Cdl=WTeNSUM

        (1)

        式中:WTe為項(xiàng)目管理、需求分析、開(kāi)發(fā)及測(cè)試等技術(shù)人員公司均值,取10 000元/(人·月);NSUM為以上開(kāi)發(fā)過(guò)程涉及的所有工種的人月總和。

        3.2 效益分析

        區(qū)塊鏈技術(shù)的利用可節(jié)約以往合同簽訂的人力成本、耗材成本,提高合約簽訂和執(zhí)行效率,提高用戶(hù)體驗(yàn)和利于環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。為了簡(jiǎn)化分析,本文僅從財(cái)務(wù)角度對(duì)經(jīng)濟(jì)效益開(kāi)展分析,并假定除了合同管理、送審材料審核環(huán)節(jié)是基于紙質(zhì)介質(zhì)開(kāi)展,其他環(huán)節(jié)均已通過(guò)信息化方式進(jìn)行管理。另外,對(duì)時(shí)間效益進(jìn)行分析。

        1)經(jīng)濟(jì)效益Btotal。Btotal表示年成本縮減經(jīng)濟(jì)效益。

        Btotal=Bau+Bco+Bac

        (2)

        式中:Bau為上鏈前審核階段費(fèi)用縮減效益;Bco為上鏈前簽合同階段費(fèi)用縮減效益;Bac為上鏈前補(bǔ)貼結(jié)算階段費(fèi)用縮減效益。

        Bau=N1[Hk+(Tfi+Tsu)W]

        (3)

        式中:N1為年新增用戶(hù)申報(bào)量;Hk為申報(bào)、合同簽訂、補(bǔ)貼核算所需郵寄、打印耗材、設(shè)備折損等費(fèi)用;Tfi為審核人員資料歸檔時(shí)間;Tsu為送審人員打印、郵寄、簽訂的時(shí)間;W為各個(gè)主體所需要消耗的人工成本均值。

        Bco=XN2[Hk+(Tco+Tma)W]

        (4)

        式中:X為每年需求側(cè)響應(yīng)活動(dòng)啟動(dòng)次數(shù);N2為單次需求側(cè)響應(yīng)活動(dòng)參與用戶(hù)數(shù);Tco為資料管理人員合同歸檔時(shí)間;Tma為電力用戶(hù)或負(fù)荷集成商打印、修訂合同、郵寄及簽訂的時(shí)間。

        Bac=Y(Hk+TseW)

        (5)

        式中:Y為一年補(bǔ)貼結(jié)算的次數(shù);Tse為補(bǔ)貼結(jié)算材料打印所用時(shí)間。

        2)年時(shí)間縮減效益BT。BT表示基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電力需求側(cè)響應(yīng)交易可節(jié)約年度作業(yè)時(shí)間。

        BT=N1(Tfi+Tsu)+N2(Tco+Tma)+YTse

        (6)

        3)安全效益分析。區(qū)塊鏈以其特有的技術(shù)特性,為需求側(cè)響應(yīng)業(yè)務(wù)提供用戶(hù)身份、數(shù)據(jù)、流程模型等多方面的安全可信保障。

        (1)身份安全可信。基于W3C DID標(biāo)準(zhǔn)管理數(shù)字身份標(biāo)識(shí),利用區(qū)塊鏈技術(shù)的身份合約為每一個(gè)需求側(cè)響應(yīng)用戶(hù)生成鏈上數(shù)字身份標(biāo)識(shí)DID,在需求側(cè)響應(yīng)業(yè)務(wù)中可基于用戶(hù)DID標(biāo)識(shí)在鏈上唯一確定用戶(hù)身份信息;基于需求側(cè)響應(yīng)用戶(hù)數(shù)字身份標(biāo)識(shí)DID的唯一性,為用戶(hù)的用電信息以及需求側(cè)響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密確權(quán),只有經(jīng)過(guò)授權(quán)認(rèn)證后才被允許訪(fǎng)問(wèn),為用戶(hù)數(shù)據(jù)和交易安全提供保障。

        (2)數(shù)據(jù)安全可信。將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密處理,可以通過(guò)分布式存儲(chǔ)的哈希值變化情況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)需求側(cè)響應(yīng)數(shù)據(jù)變更情況。針對(duì)數(shù)據(jù)不同版本情況,用戶(hù)可按照時(shí)間線(xiàn)追溯數(shù)據(jù)的變化情況。

        (3)流程模型可信。將數(shù)據(jù)存證、自動(dòng)響應(yīng)、自動(dòng)結(jié)算等業(yè)務(wù)處理過(guò)程均通過(guò)智能合約(確定狀態(tài)、變量)構(gòu)建可執(zhí)行的程序,買(mǎi)賣(mài)雙方完全自治,處理過(guò)程均有跡可循,保證了交易的安全。

        3.3 投入產(chǎn)出分析

        考慮效益及成本的時(shí)間價(jià)值,計(jì)算動(dòng)態(tài)投資回收期和投入產(chǎn)出比。

        1)投入產(chǎn)出比。

        n年費(fèi)用縮減效益折現(xiàn)值P計(jì)算公式為:

        (7)

        式中:P為區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用n年的累計(jì)費(fèi)用縮減效益折現(xiàn)值;Btotali為區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用第i年的費(fèi)用縮減值,簡(jiǎn)化認(rèn)為每年的費(fèi)用縮減效益折減值相同,簡(jiǎn)稱(chēng)Btotali為A;n為折算年數(shù)。

        假設(shè)區(qū)塊鏈研發(fā)費(fèi)用發(fā)生在第1年年初,后期運(yùn)維費(fèi)用較之研發(fā)費(fèi)用較少,n年的研發(fā)成本現(xiàn)值以Cdl計(jì)。

        n年投入產(chǎn)出比R的計(jì)算公式為:

        R=P/Cdl

        (8)

        2)投資回收期。

        動(dòng)態(tài)投資回收期Pt=(累計(jì)凈現(xiàn)金流量現(xiàn)值出現(xiàn)正值的年數(shù)-1)+上一年累計(jì)凈現(xiàn)金流量現(xiàn)值的絕對(duì)值/出現(xiàn)正值年份凈現(xiàn)金流量的現(xiàn)值,即滿(mǎn)足式(9)條件出現(xiàn)的年份。

        P-Cdl≥0

        (9)

        4 算例分析

        4.1 平臺(tái)搭建

        需求側(cè)響應(yīng)鏈節(jié)點(diǎn)搭建數(shù)量須遵循IBFT共識(shí)機(jī)制要求,節(jié)點(diǎn)總數(shù)為3F+1,其中F為拜占庭錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn),取值范圍為[1,2,3,…],則節(jié)點(diǎn)數(shù)量至少為4。仿真采用7臺(tái)電腦作為節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)符合3F+1的要求)進(jìn)行響應(yīng)活動(dòng)的仿真,在需求側(cè)響應(yīng)鏈的運(yùn)行和維護(hù)階段,可以動(dòng)態(tài)添加注冊(cè)新的鏈節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)中的硬件配置為內(nèi)存2核8 GB,硬盤(pán)配置為1 TB;軟件操作系統(tǒng)均為Windows。依據(jù)需求側(cè)響應(yīng)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)程序,為需求側(cè)響應(yīng)鏈每個(gè)節(jié)點(diǎn)生成節(jié)點(diǎn)賬戶(hù)和私鑰,并放到了節(jié)點(diǎn)服務(wù)器指定目錄下。聯(lián)盟鏈涉及的各主體確定需求側(cè)響應(yīng)自有鏈的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)ID、出塊策略、共識(shí)節(jié)點(diǎn)賬戶(hù)等參數(shù),基于這些信息,為每個(gè)節(jié)點(diǎn)提供需求側(cè)響應(yīng)鏈創(chuàng)世塊配置文件。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單測(cè)試,區(qū)塊鏈原生需求側(cè)響應(yīng)數(shù)據(jù)存證TPS達(dá)到1 000筆/s,需求側(cè)響應(yīng)智能合約交易執(zhí)行TPS達(dá)到300筆/s。

        場(chǎng)景設(shè)定:仿真需求側(cè)響應(yīng)的類(lèi)型為約定響應(yīng),響應(yīng)的目標(biāo)為降低負(fù)荷,提前4 h進(jìn)行邀約。邀約過(guò)程中的應(yīng)邀容量數(shù)據(jù)、實(shí)際響應(yīng)容量數(shù)據(jù)由前端頁(yè)面人工模擬輸入產(chǎn)生。為體現(xiàn)市場(chǎng)化,仿真中使用最高限價(jià)與需求側(cè)響應(yīng)主體報(bào)價(jià)相結(jié)合的方式,需求側(cè)響應(yīng)最高限價(jià)15元/(kW·h)。需求側(cè)響應(yīng)用戶(hù)的出價(jià)數(shù)據(jù)如圖13所示,可見(jiàn)在報(bào)價(jià)中耗時(shí)最長(zhǎng)的為120 s,由于當(dāng)前需求側(cè)響應(yīng)過(guò)程中,對(duì)時(shí)間要求相對(duì)寬裕,120 s在可接受的范圍內(nèi)。結(jié)算確認(rèn)耗時(shí)與補(bǔ)貼費(fèi)用數(shù)據(jù)如圖14所示,可見(jiàn)結(jié)算確認(rèn)耗時(shí)整體均較短,最高耗時(shí)由用戶(hù)1產(chǎn)生為48 s,最短耗時(shí)由用戶(hù)3產(chǎn)生,為即時(shí)結(jié)算確認(rèn)。

        圖13 需求側(cè)響應(yīng)用戶(hù)的出價(jià)數(shù)據(jù)Fig.13 The demand responds to the bid data of the user

        圖14 結(jié)算確認(rèn)耗時(shí)與補(bǔ)貼費(fèi)用數(shù)據(jù)Fig.14 Settlement confirmation time-consuming and subsidy cost data

        平臺(tái)前端展示在現(xiàn)有頁(yè)面基礎(chǔ)上進(jìn)行完善,增加了數(shù)據(jù)的溯源及不一致性比對(duì),功能設(shè)計(jì)如圖15所示,如不同用電表的用電數(shù)據(jù)存證時(shí)間均有記錄,存證中的電表數(shù)值顯示“等待中”,當(dāng)有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與存證數(shù)據(jù)不一致時(shí),在不一致檢測(cè)欄中顯示“×”,并可查看不同數(shù)據(jù)存證前后版本值。

        圖15 電力用戶(hù)電數(shù)據(jù)溯源及不一致性檢測(cè)設(shè)計(jì)示例Fig.15 Design example of traceability and inconsistency detection of power consumption data of power users

        4.2 效益分析

        以河南省2019年、2020年的需求側(cè)響應(yīng)數(shù)據(jù)為計(jì)算依據(jù),該省2019年約定響應(yīng)用戶(hù)為145戶(hù),2020年約定響應(yīng)用戶(hù)為455戶(hù),其他參數(shù)設(shè)定如表3所示。

        表3 效益分析參數(shù)設(shè)定Table 3 Parameter setting of benefit analysis

        將以上參數(shù)代入式(6),計(jì)算得BT=763.1 h/a。由此可見(jiàn),年度可節(jié)約各環(huán)節(jié)成本為763.1 h,可大大降低相關(guān)環(huán)節(jié)職責(zé)人員的工作強(qiáng)度。將表3的參數(shù)代入式(2),得到:

        Btotal=(12 245+77 805X+55.5Y)元

        (10)

        假設(shè)收益率i取值為3%,暫考慮10年內(nèi)的效益情況,即n∈[1,2,…,10],(P/A,i,n)見(jiàn)年金現(xiàn)值系數(shù)表,此處不贅述。假設(shè)年需求側(cè)響應(yīng)活動(dòng)X=1,Y=1,R隨著區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用年限的增加變化如圖16所示。

        由圖 16可見(jiàn),在區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用投資的第3年,即達(dá)到R>1的情況,表明區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益明顯。當(dāng)Y=1時(shí),R隨著X的變化趨勢(shì)如圖17所示。

        圖16 R隨區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用年限n的變化趨勢(shì)Fig.16 The changing trend of ROI with the technical reform years n of blockchain

        當(dāng)前由于種種原因,各省份年度啟動(dòng)的需求側(cè)響應(yīng)活動(dòng)次數(shù)有限,為了充分挖掘需求側(cè)響應(yīng)潛力,可以適當(dāng)增加需求側(cè)響應(yīng)的頻次,由圖 17可見(jiàn),需求側(cè)響應(yīng)平臺(tái)區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用R隨著X值的增加而增加,故可以適當(dāng)增加需求側(cè)響應(yīng)活動(dòng)頻次。經(jīng)計(jì)算,投資回收期Pt=1.59 a,即在1.59年可以收回投資成本。

        圖17 R隨需求側(cè)響應(yīng)活動(dòng)啟動(dòng)次數(shù)X的變化趨勢(shì)Fig.17 The changing trend of ROI with the start-up times X of demand response activities

        5 結(jié) 論

        區(qū)塊鏈技術(shù)可用于解決需求側(cè)響應(yīng)常態(tài)化運(yùn)行中用戶(hù)參與需求側(cè)響應(yīng)困難及運(yùn)營(yíng)成本比較高的問(wèn)題。本文研究將區(qū)塊鏈智能合約應(yīng)用于需求側(cè)響應(yīng)流程鏈條,設(shè)計(jì)了區(qū)塊鏈需求側(cè)響應(yīng)平臺(tái)的整體框架、交易流程、數(shù)據(jù)上鏈策略、智能合約、網(wǎng)絡(luò)搭建方案、共識(shí)機(jī)制等,并給出了需求側(cè)響應(yīng)電力用戶(hù)進(jìn)行數(shù)據(jù)溯源和不一致性檢測(cè)的設(shè)計(jì)參考,解決了目前電力用戶(hù)、負(fù)荷集成商需求側(cè)響應(yīng)數(shù)據(jù)被動(dòng)獲知、無(wú)法驗(yàn)證和溯源的問(wèn)題,并分析了區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用的效益性。仿真算例表明,在現(xiàn)行的區(qū)塊鏈技術(shù)服務(wù)方式下,需求側(cè)響應(yīng)的投入產(chǎn)出比R隨區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用時(shí)間和需求側(cè)響應(yīng)活動(dòng)的增加顯著增加,相關(guān)信任環(huán)節(jié)的人工耗時(shí)顯著下降。需求側(cè)響應(yīng)價(jià)格博弈機(jī)制目前尚不完善,希望本文能為進(jìn)一步研究區(qū)塊鏈技術(shù)在完善價(jià)格機(jī)制下需求側(cè)響應(yīng)的廣泛應(yīng)用提供參考。

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