楊舒穎，金子涵，涂佳忻，郁竹君

（華北電力大學(xué)，北京 102200）

隨著電力市場(chǎng)改革的進(jìn)一步深化，需求側(cè)響應(yīng)資源的運(yùn)用已滲透到國(guó)內(nèi)能源市場(chǎng)領(lǐng)域，基于價(jià)格型或激勵(lì)型的需求側(cè)響應(yīng)有效引導(dǎo)用戶用電，完善和補(bǔ)充供給側(cè)系統(tǒng)資源，是平衡電力市場(chǎng)的重要角色。

近年來(lái)，無(wú)需人工介入、任務(wù)自動(dòng)分解與執(zhí)行的自動(dòng)需求響應(yīng)系統(tǒng)是能源局域網(wǎng)系統(tǒng)能量管控的主要發(fā)展趨勢(shì)，將區(qū)塊鏈技術(shù)運(yùn)用到需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制中，其交易過(guò)程透明公開，具有可追溯性。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)區(qū)塊鏈需求響應(yīng)展開了初步的研究，并創(chuàng)新形式運(yùn)用于電力市場(chǎng)中。文獻(xiàn)[1]提出，構(gòu)建基于區(qū)塊鏈技術(shù)的多微電網(wǎng)系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)博弈模型，對(duì)得到各時(shí)段最優(yōu)電價(jià)策略從而有效地平衡市場(chǎng)各主體效益具有重要意義。文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)出了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能售電交易平臺(tái)架構(gòu)，是將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于分布式能源交易領(lǐng)域的起步性研究，為進(jìn)一步搭建功能完備、成熟可靠的電力交易平臺(tái)構(gòu)建基礎(chǔ)。針對(duì)目前存在的居民用戶參與市場(chǎng)渠道不暢、機(jī)制缺乏的問(wèn)題，依托區(qū)塊鏈技術(shù)，設(shè)計(jì)面向居民需求側(cè)響應(yīng)的交易機(jī)制[3]。文獻(xiàn)[4]解決了在中心化電力交易模式中市場(chǎng)主題互信度不高、數(shù)據(jù)安全性不高等問(wèn)題，提出了基于聯(lián)盟鏈技術(shù)的方法，為未來(lái)的弱中心化電力交易模式提供新思路。

上述文獻(xiàn)結(jié)合現(xiàn)有電力市場(chǎng)現(xiàn)狀，研究了區(qū)塊鏈技術(shù)在電力交易市場(chǎng)、多微電網(wǎng)系統(tǒng)、需求響應(yīng)等領(lǐng)域的應(yīng)用?；趯?duì)需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制的研究，文獻(xiàn)[5]面向需求側(cè)資源的綜合需求側(cè)響應(yīng)，提出了一種計(jì)及共享儲(chǔ)能和低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度的配網(wǎng)需求響應(yīng)方法，建立綜合能源系統(tǒng)調(diào)度模型?；诜植剪敯舨┺牡腞IES 源荷協(xié)同優(yōu)化策略，建立考慮供能側(cè)風(fēng)電不確定性的主從博弈模型，在滿足用戶利益訴求的同時(shí)通過(guò)能源價(jià)差引導(dǎo)用戶合理用能[6]。文獻(xiàn)[7]引入價(jià)格需求模型，提出利用用戶互動(dòng)滿意度指標(biāo)來(lái)限制需求響應(yīng)負(fù)荷的可調(diào)節(jié)程度，建立以電網(wǎng)總成本最小化為目標(biāo)的日前優(yōu)化調(diào)度模型。這些方法都以需求響應(yīng)為輔助手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的優(yōu)化。

目前區(qū)塊鏈技術(shù)在需求側(cè)響應(yīng)方面的應(yīng)用研究主要集中于解決身份認(rèn)證和交易信任問(wèn)題。本文將從需求側(cè)響應(yīng)的測(cè)量與計(jì)量、激勵(lì)資金分配以及提高評(píng)估結(jié)算效率、優(yōu)化安全性和隱私性問(wèn)題出發(fā)，提出基于區(qū)塊鏈技術(shù)的需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制整體架構(gòu)和優(yōu)化策略。

1 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制框架

區(qū)塊鏈簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，按照時(shí)間順序?qū)?shù)據(jù)區(qū)塊連接成鏈，并以密碼學(xué)方式保證這樣儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)不可篡改和不可偽造[8]。區(qū)塊鏈技術(shù)在需求響應(yīng)領(lǐng)域中已有深度的融合運(yùn)用[9]，從需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制方面，區(qū)塊鏈技術(shù)在需求側(cè)響應(yīng)終端、用戶電力信息數(shù)據(jù)保護(hù)、智能合約等領(lǐng)域均有適合的運(yùn)用。

如圖1 所示，需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制可劃分為前期準(zhǔn)備、交易階段和結(jié)算階段。

圖1 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的需求響應(yīng)機(jī)制框架

首先，在準(zhǔn)備階段搜集用電信息，處理信息，再運(yùn)用聯(lián)盟鏈技術(shù)確定交易各主體供需信息的發(fā)布、身份認(rèn)證、交易價(jià)格的確定、合同的簽訂、確定補(bǔ)貼結(jié)算、效果評(píng)估等環(huán)節(jié)的關(guān)聯(lián)；其次，運(yùn)用區(qū)塊鏈技術(shù)改造后，基于其可追溯性、防篡改的特性，構(gòu)建高效、透明且安全的需求側(cè)交易系統(tǒng)；最后，利用區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)驗(yàn)證性賦予其數(shù)據(jù)所特有的防篡改性，以私鑰驗(yàn)證身份的機(jī)制，提高去中心化的程度，保證原數(shù)據(jù)安全。

2 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的歐洲需求響應(yīng)案例

2.1 英國(guó)BittWatt 區(qū)塊鏈技術(shù)平臺(tái)

BittWatt 是一個(gè)用于公用事業(yè)支付、虛擬POS 和市場(chǎng)的區(qū)塊鏈需求響應(yīng)平臺(tái)。BittWatt 平臺(tái)匹配參與響應(yīng)的各方，生成智能合約，響應(yīng)時(shí)電流自動(dòng)編碼到區(qū)塊鏈中，結(jié)合用戶預(yù)先確定的偏好，為消費(fèi)者尋找到合適的能源供應(yīng)。BittWatt 平臺(tái)工作模式如圖2所示。

圖2 BittWatt 平臺(tái)工作模式

BittWatt 與生產(chǎn)商簽訂合同以獲得儲(chǔ)備發(fā)電能力，確保在消費(fèi)者在最需要時(shí)可以使用能源。BittWatt 將自動(dòng)調(diào)度已產(chǎn)生能量的發(fā)電廠，在有限時(shí)間內(nèi)增加或減少其輸出，并平衡出價(jià)和報(bào)價(jià)機(jī)制，充分利用可用能源。

BittWatt 的能量錢包功能可讓消費(fèi)者知道電力價(jià)格何時(shí)便宜以便在當(dāng)時(shí)使用它，也可以在價(jià)格再次達(dá)到頂峰時(shí)轉(zhuǎn)售電力。BittWatt 實(shí)時(shí)共享消費(fèi)數(shù)據(jù)，BWT持有者可以在該網(wǎng)站上跟蹤平臺(tái)上的所有交易。

BittWatt 引入智能需求響應(yīng)系統(tǒng)節(jié)省更換能源供應(yīng)商所需的時(shí)間，并以公平的價(jià)格在全球范圍內(nèi)提供能源，為用戶提供最佳供應(yīng)商。

2.2 荷蘭PowerPeers 平臺(tái)

PowerPeers 是一個(gè)基于社區(qū)的數(shù)字化、互動(dòng)式的100%可持續(xù)能源區(qū)塊鏈平臺(tái)。PowerPeers 平臺(tái)將人們簡(jiǎn)單而智能地連接到平臺(tái)的發(fā)電機(jī)和客戶網(wǎng)絡(luò)，為彼此提供能量。PowerPeers 平臺(tái)工作模式如圖3 所示。

圖3 PowerPeers 平臺(tái)工作模式

社區(qū)的住戶可以在荷蘭當(dāng)?shù)仄髽I(yè)產(chǎn)生的風(fēng)能、水能、太陽(yáng)能中自由選擇個(gè)人可持續(xù)能源組合以及電力供給渠道，構(gòu)建自己的能源社區(qū)。同時(shí)電能用戶還可以與其他客戶共享或交易未使用的太陽(yáng)能電力。通過(guò)PowerPeers 應(yīng)用程序，用戶可以跟蹤能源消耗情況，并了解PowerPeers 如何消耗能源。使用PowerPeers，電能用戶在進(jìn)行電力交易的同時(shí)，能夠增進(jìn)彼此的交流；在充當(dāng)電能消費(fèi)者的同時(shí)，也是電能的供應(yīng)商。

PowerPeers 將共享經(jīng)濟(jì)帶入能源市場(chǎng)，該平臺(tái)使家庭能夠從特定來(lái)源選擇電力，并與社區(qū)內(nèi)的其他同行共享自發(fā)電。此外，他們還提供市場(chǎng)上最可再生的天然氣選擇：100%可持續(xù)天然氣。

2.3 案例對(duì)比

BittWatt 平臺(tái)與PowerPeers 平臺(tái)案例對(duì)比情況如表1 所示。

3 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的激勵(lì)型需求側(cè)響應(yīng)

3.1 需求響應(yīng)的預(yù)測(cè)與計(jì)量

激勵(lì)型需求響應(yīng)中用戶根據(jù)激勵(lì)政策直接接受用電控制或主動(dòng)參與用電調(diào)整，以得到直接獎(jiǎng)勵(lì)或優(yōu)惠電價(jià)。由于不是直接基于時(shí)間的價(jià)格信號(hào)引發(fā)的響應(yīng)，所以在預(yù)測(cè)與計(jì)量上會(huì)有些困難[10]。然而，BittWatt、PowerPeers 等區(qū)塊鏈需求響應(yīng)平臺(tái)，則能實(shí)時(shí)共享消費(fèi)數(shù)據(jù)，匹配平臺(tái)允許買家和賣家根據(jù)需求量，安全地進(jìn)行能源交易。

區(qū)塊鏈技術(shù)將數(shù)百萬(wàn)發(fā)電和耗電設(shè)備以及儲(chǔ)能系統(tǒng)作為市場(chǎng)參與者進(jìn)行一致集成，形成基于區(qū)塊鏈的設(shè)備身份數(shù)據(jù)庫(kù)，共享數(shù)據(jù)。電力緊張時(shí)，電網(wǎng)側(cè)根據(jù)負(fù)荷預(yù)測(cè)在鏈上發(fā)布需要削減的負(fù)荷需求；用戶側(cè)從鏈上獲取負(fù)荷削減信息，提交響應(yīng)請(qǐng)求，匹配買賣雙方，簽訂智能合約參與需求響應(yīng)[11]，響應(yīng)確認(rèn)后即時(shí)執(zhí)行；電力交付后，將交易記錄數(shù)據(jù)傳送給區(qū)塊鏈，電力交易份額可近乎實(shí)時(shí)獲取，進(jìn)行財(cái)務(wù)結(jié)算，減少大量繁雜步驟。通過(guò)區(qū)塊鏈鏈上交易，用戶可節(jié)省參與激勵(lì)型需求響應(yīng)的時(shí)間，響應(yīng)程度的預(yù)測(cè)與計(jì)量更為容易實(shí)現(xiàn)，提高用戶參與需求響應(yīng)的積極性。

3.2 激勵(lì)資金分配與評(píng)估結(jié)算可信性證明

現(xiàn)有需求響應(yīng)在實(shí)施過(guò)程中，響應(yīng)電量計(jì)量和結(jié)算不夠透明，激勵(lì)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，響應(yīng)用戶不能得到實(shí)時(shí)回饋，影響用戶參加需求響應(yīng)的積極性。

區(qū)塊鏈技術(shù)允許聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)驗(yàn)證已執(zhí)行的交易順序，保存此狀態(tài)并不斷更新它，網(wǎng)絡(luò)的單個(gè)計(jì)算機(jī)可根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)的當(dāng)前副本記錄，共享和同步事務(wù)。區(qū)塊鏈包含一個(gè)可連續(xù)擴(kuò)展的數(shù)據(jù)集列表，這些數(shù)據(jù)集通過(guò)加密方法相互鏈接。這使得交易過(guò)程透明且可追溯，高度保證數(shù)據(jù)安全[12]。

將需求響應(yīng)評(píng)估結(jié)算規(guī)則運(yùn)行于區(qū)塊鏈技術(shù)上，交易信息公開透明，交易存儲(chǔ)在安全的生態(tài)系統(tǒng)中。BittWatt 平臺(tái)允許BWT 持有者在該網(wǎng)站的跟蹤平臺(tái)上的所有交易。PowerPeers 平臺(tái)允許用戶交易太陽(yáng)能電力，并可以知道交易數(shù)量及交易對(duì)象的信息，跟蹤能源消耗情況，確保交易清晰公正。

此外，結(jié)合區(qū)塊鏈PoS 機(jī)制等技術(shù)，挖掘和驗(yàn)證需求響應(yīng)中涉及的所有電力交易以及相關(guān)財(cái)務(wù)結(jié)算，完成資金由用戶側(cè)向供方的自動(dòng)轉(zhuǎn)移，及時(shí)結(jié)算需求響應(yīng)收益，提升評(píng)估結(jié)算的效率。

3.3 安全性和隱私性問(wèn)題

激勵(lì)型需求響應(yīng)中，用戶用電數(shù)據(jù)會(huì)按照規(guī)定的時(shí)間間隔收集，并最終存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中?；谥悄茈娋W(wǎng)技術(shù)的供給側(cè)與用戶側(cè)雙向通信存在的用戶數(shù)據(jù)安全性和隱私問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)攻擊者可以通過(guò)破壞通信來(lái)訪問(wèn)消費(fèi)者站點(diǎn)中的設(shè)備，反映用戶生活方式的負(fù)載數(shù)據(jù)會(huì)被惡意節(jié)點(diǎn)跟蹤，從而損害用戶隱私，造成隱私泄露?；趨^(qū)塊鏈技術(shù)的智能電網(wǎng)，支撐動(dòng)態(tài)P2P 交易[13]。消費(fèi)者和生產(chǎn)者在基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)中交換能量，如圖4 所示，可采用鏈?zhǔn)絽^(qū)塊鏈技術(shù)與流式區(qū)塊鏈技術(shù)相結(jié)合的方式，前者在保證通信網(wǎng)絡(luò)安全可信的同時(shí)，后者可在用戶側(cè)設(shè)置校驗(yàn)窗口。去中心化的直接交易，解決數(shù)據(jù)安全問(wèn)題，避免管理系統(tǒng)的中心化，且注冊(cè)在區(qū)塊鏈中的任何能源數(shù)據(jù)在驗(yàn)證后保持不變，同時(shí)隨著區(qū)塊鏈中區(qū)塊總量的增加，網(wǎng)絡(luò)攻擊者將難以改變區(qū)塊中的數(shù)據(jù)。

圖4 鏈?zhǔn)絽^(qū)塊鏈技術(shù)結(jié)構(gòu)和流式區(qū)塊鏈技術(shù)結(jié)構(gòu)

4 實(shí)施基于區(qū)塊鏈技術(shù)優(yōu)化的需求側(cè)響應(yīng)效益分析

通過(guò)將可追溯、實(shí)時(shí)共享的特點(diǎn)與智能合約技術(shù)深度融合，區(qū)塊鏈技術(shù)可以在協(xié)議簽訂、事件發(fā)布、負(fù)荷分配、響應(yīng)反饋中實(shí)現(xiàn)響應(yīng)發(fā)布、響應(yīng)分配、響應(yīng)執(zhí)行、響應(yīng)監(jiān)管，達(dá)到調(diào)峰提效，提升新型電力系統(tǒng)的調(diào)峰韌性，維持電力系統(tǒng)運(yùn)行供電可靠性；健全電力市場(chǎng)運(yùn)行機(jī)制，提供相關(guān)的輔助服務(wù)，減緩新建電廠輸電線路的壓力[14]。

實(shí)施基于區(qū)塊鏈技術(shù)優(yōu)化的需求側(cè)響應(yīng)，對(duì)于電網(wǎng)企業(yè)，優(yōu)化分配可使最大輸電量減小，其變電站、輸電線路等投資費(fèi)用降低，供電效率得以提高；鼓勵(lì)用戶積極參與市場(chǎng)消納電能，使峰時(shí)的電量減少，可以實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置，節(jié)約資源；降低空氣污染物的排放量、緩和溫室效應(yīng)，助力碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

5 關(guān)于開展優(yōu)化后需求側(cè)響應(yīng)的建議與設(shè)想

借鑒國(guó)內(nèi)外運(yùn)用區(qū)塊鏈技術(shù)開展需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合中國(guó)電力市場(chǎng)現(xiàn)狀，提出以下建議和設(shè)想。

對(duì)于需求側(cè)響應(yīng)的市場(chǎng)機(jī)制不夠靈活。智能電網(wǎng)與各用電主體之間采用確定的計(jì)劃服務(wù)對(duì)主體多元的激勵(lì)不夠，缺乏兼顧價(jià)格機(jī)制、融資渠道、響應(yīng)反饋的市場(chǎng)機(jī)制，缺乏靈活性?？蛇\(yùn)用區(qū)塊鏈技術(shù)具體優(yōu)化此缺陷，將需求側(cè)響應(yīng)信息運(yùn)送至智能電網(wǎng)部門，進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋、優(yōu)化與監(jiān)管，營(yíng)造靈活的智能用電業(yè)務(wù)環(huán)境。

對(duì)于需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制的市場(chǎng)監(jiān)管不夠嚴(yán)密。隨著電力現(xiàn)貨、分布式發(fā)電市場(chǎng)化交易試點(diǎn)等輔助服務(wù)市場(chǎng)建設(shè)進(jìn)程的不斷推進(jìn)，中國(guó)電力需求主體也逐漸由政府主導(dǎo)的行政行為轉(zhuǎn)變?yōu)槭袌?chǎng)主導(dǎo)的市場(chǎng)行為。但目前監(jiān)管部門對(duì)交易中業(yè)務(wù)需求、投入成本、業(yè)務(wù)收益等市場(chǎng)行為缺乏有效的市場(chǎng)監(jiān)管機(jī)制?？蛇\(yùn)用區(qū)塊鏈技術(shù)將需求側(cè)響應(yīng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋共享給監(jiān)管部門，保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性與客觀性，營(yíng)造良好的智能用電環(huán)境。

在基于區(qū)塊鏈技術(shù)的激勵(lì)型需求響應(yīng)中，建立一套完整的可追溯交易體系，提高需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制評(píng)估可信度。以智能合約的方式運(yùn)用區(qū)塊鏈技術(shù)，實(shí)現(xiàn)需求側(cè)響應(yīng)收益及時(shí)結(jié)算，提升評(píng)估結(jié)算的效率，實(shí)現(xiàn)交易各方利益平衡。同時(shí)，在信息保密方面，區(qū)塊鏈技術(shù)可使用戶的用電數(shù)據(jù)被按照規(guī)定的時(shí)間間隔收集，并最終存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，去中心化的直接交易，解決數(shù)據(jù)安全問(wèn)題，使網(wǎng)絡(luò)攻擊者難以改變區(qū)塊中的數(shù)據(jù)，解決安全性和隱私性問(wèn)題。