基于区块链技术的需求侧响应机制优化.pdf

Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 18 期159文章编号：2095-6835（2023）18-0159-04基于区块链技术的需求侧响应机制优化杨舒颖，金子涵，涂佳忻，郁竹君（华北电力大学，北京 102200）摘要：为优化激励型的需求侧响应机制，提出了基于区块链技术与需求响应结合的解决方案。首先设计了基于区块链技术的需求侧响应机制，运用联盟链技术设计交易流程；然后分析 2 例基于区块链技术的欧洲需求响应案例，通过对比分析法，吸收国外典型案例的有益经验；从需求响应的预测与计量、激励资金分配与评估结算可信性证明、安全性和隐私性问题 3 个方面运用区块链技术对激励型需求侧响应机制进行优化；最后，针对现有的技术水平，对开展优化后的需求侧响应机制提出建议与设想。关键词：区块链技术；电力市场；需求侧响应；系统架构中图分类号：TM73；TP31文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.18.046随着电力市场改革的进一步深化，需求侧响应资源的运用已渗透到国内能源市场领域，基于价格型或激励型的需求侧响应有效引导用户用电，完善和补充供给侧系统资源，是平衡电力市场的重要角色。近年来，无需人工介入、任务自动分解与执行的自动需求响应系统是能源局域网系统能量管控的主要发展趋势，将区块链技术运用到需求侧响应机制中，其交易过程透明公开，具有可追溯性。国内外学者已对区块链需求响应展开了初步的研究，并创新形式运用于电力市场中。文献1提出，构建基于区块链技术的多微电网系统竞争博弈模型，对得到各时段最优电价策略从而有效地平衡市场各主体效益具有重要意义。文献2设计出了基于区块链技术的智能售电交易平台架构，是将区块链技术应用于分布式能源交易领域的起步性研究，为进一步搭建功能完备、成熟可靠的电力交易平台构建基础。针对目前存在的居民用户参与市场渠道不畅、机制缺乏的问题，依托区块链技术，设计面向居民需求侧响应的交易机制3。文献4解决了在中心化电力交易模式中市场主题互信度不高、数据安全性不高等问题，提出了基于联盟链技术的方法，为未来的弱中心化电力交易模式提供新思路。上述文献结合现有电力市场现状，研究了区块链技术在电力交易市场、多微电网系统、需求响应等领域的应用。基于对需求侧响应机制的研究，文献5面向需求侧资源的综合需求侧响应，提出了一种计及共享储能和低碳经济调度的配网需求响应方法，建立综合能源系统调度模型。基于分布鲁棒博弈的 RIES 源荷协同优化策略，建立考虑供能侧风电不确定性的主从博弈模型，在满足用户利益诉求的同时通过能源价差引导用户合理用能6。文献7引入价格需求模型，提出利用用户互动满意度指标来限制需求响应负荷的可调节程度，建立以电网总成本最小化为目标的日前优化调度模型。这些方法都以需求响应为辅助手段，实现对电网的优化。目前区块链技术在需求侧响应方面的应用研究主要集中于解决身份认证和交易信任问题。本文将从需求侧响应的测量与计量、激励资金分配以及提高评估结算效率、优化安全性和隐私性问题出发，提出基于区块链技术的需求侧响应机制整体架构和优化策略。1基于区块链技术的需求侧响应机制框架区块链简单来说是一种数据结构，按照时间顺序将数据区块连接成链，并以密码学方式保证这样储存的数据不可篡改和不可伪造8。区块链技术在需求响应领域中已有深度的融合运用9，从需求侧响应机制方面，区块链技术在需求侧响应终端、用户电力信息数据保护、智能合约等领域均有适合的运用。如图 1 所示，需求侧响应机制可划分为前期准备、交易阶段和结算阶段。首先，在准备阶段搜集用电信息，处理信息，再运用联盟链技术确定交易各主体供需信息的发布、身份认证、交易价格的确定、合同的签订、确定补贴结算、效果评估等环节的关联；其次，运用区块链技术改造后，基于其可追溯性、防篡改的特性，构建高效、透明且安全的需求侧交易系统；最后，利用区块链数据结构的关联验证性赋予其数据所特有的防篡改性，以私钥验证身份的机制，提高去中心化的程度，保证原数据安全。科技与创新Science and Technology&Innovation1602023 年 第 18 期图 1基于区块链技术的需求响应机制框架2基于区块链技术的欧洲需求响应案例2.1英国 BittWatt 区块链技术平台BittWatt 是一个用于公用事业支付、虚拟 POS 和市场的区块链需求响应平台。BittWatt 平台匹配参与响应的各方，生成智能合约，响应时电流自动编码到区块链中，结合用户预先确定的偏好，为消费者寻找到合适的能源供应。BittWatt 平台工作模式如图 2所示。注：图片来源于 BittWatt 平台官网。图 2BittWatt 平台工作模式BittWatt 与生产商签订合同以获得储备发电能力，确保在消费者在最需要时可以使用能源。BittWatt 将自动调度已产生能量的发电厂，在有限时间内增加或减少其输出，并平衡出价和报价机制，充分利用可用能源。BittWatt 的能量钱包功能可让消费者知道电力价格何时便宜以便在当时使用它，也可以在价格再次达到顶峰时转售电力。BittWatt 实时共享消费数据，BWT持有者可以在该网站上跟踪平台上的所有交易。BittWatt 引入智能需求响应系统节省更换能源供应商所需的时间，并以公平的价格在全球范围内提供能源，为用户提供最佳供应商。2.2荷兰 PowerPeers 平台PowerPeers 是一个基于社区的数字化、互动式的100%可持续能源区块链平台。PowerPeers 平台将人们简单而智能地连接到平台的发电机和客户网络，为彼此提供能量。PowerPeers 平台工作模式如图 3 所示。注：图片来源于 PowerPeers 平台官网。图 3PowerPeers 平台工作模式社区的住户可以在荷兰当地企业产生的风能、水能、太阳能中自由选择个人可持续能源组合以及电力供给渠道，构建自己的能源社区。同时电能用户还可以与其他客户共享或交易未使用的太阳能电力。通过PowerPeers 应用程序，用户可以跟踪能源消耗情况，并了解 PowerPeers 如何消耗能源。使用 PowerPeers，电能用户在进行电力交易的同时，能够增进彼此的交流；在充当电能消费者的同时，也是电能的供应商。PowerPeers 将共享经济带入能源市场，该平台使家庭能够从特定来源选择电力，并与社区内的其他同行共享自发电。此外，他们还提供市场上最可再生的天然气选择：100%可持续天然气。交易主体信息管理加密数据需求响应平台需求响应平台中间数据需求响应补贴信息加密处理前期准备前期准备用电信息采集统计处理身份管理结算阶段结算阶段智能合约管理交易价格管理节点 1节点 n节点 jA 区需求侧响应区块链网络节点 1节点 n节点 j跨列机制节点 1节点 n节点 j确定补贴结算效果评估数据存证执行处理数据通知执行请求B 区需求侧响应区块链网络总部需求侧响应区块链网络Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 18 期1612.3案例对比BittWatt 平台与 PowerPeers 平台案例对比情况如表 1 所示。表 1案例对比对比项目BittWatt平台PowerPeers 平台消费者出售电力可出售可出售（仅太阳能）消费者跟踪交易情况可跟踪可跟踪电力供应商全球范围荷兰当地企业储备发电能力拥有未知3基于区块链技术的激励型需求侧响应3.1需求响应的预测与计量激励型需求响应中用户根据激励政策直接接受用电控制或主动参与用电调整，以得到直接奖励或优惠电价。由于不是直接基于时间的价格信号引发的响应，所以在预测与计量上会有些困难10。然而，BittWatt、PowerPeers 等区块链需求响应平台，则能实时共享消费数据，匹配平台允许买家和卖家根据需求量，安全地进行能源交易。区块链技术将数百万发电和耗电设备以及储能系统作为市场参与者进行一致集成，形成基于区块链的设备身份数据库，共享数据。电力紧张时，电网侧根据负荷预测在链上发布需要削减的负荷需求；用户侧从链上获取负荷削减信息，提交响应请求，匹配买卖双方，签订智能合约参与需求响应11，响应确认后即时执行；电力交付后，将交易记录数据传送给区块链，电力交易份额可近乎实时获取，进行财务结算，减少大量繁杂步骤。通过区块链链上交易，用户可节省参与激励型需求响应的时间，响应程度的预测与计量更为容易实现，提高用户参与需求响应的积极性。3.2激励资金分配与评估结算可信性证明现有需求响应在实施过程中，响应电量计量和结算不够透明，激励资金分配、交易核算、惩罚额度等在执行、监管、核算等方面仍存在可信性证明难题，响应用户不能得到实时回馈，影响用户参加需求响应的积极性。区块链技术允许联网计算机验证已执行的交易顺序，保存此状态并不断更新它，网络的单个计算机可根据数据库的当前副本记录，共享和同步事务。区块链包含一个可连续扩展的数据集列表，这些数据集通过加密方法相互链接。这使得交易过程透明且可追溯，高度保证数据安全12。将需求响应评估结算规则运行于区块链技术上，交易信息公开透明，交易存储在安全的生态系统中。BittWatt 平台允许 BWT 持有者在该网站的跟踪平台上的所有交易。PowerPeers 平台允许用户交易太阳能电力，并可以知道交易数量及交易对象的信息，跟踪能源消耗情况，确保交易清晰公正。此外，结合区块链 PoS 机制等技术，挖掘和验证需求响应中涉及的所有电力交易以及相关财务结算，完成资金由用户侧向供方的自动转移，及时结算需求响应收益，提升评估结算的效率。3.3安全性和隐私性问题激励型需求响应中，用户用电数据会按照规定的时间间隔收集，并最终存储在数据库中。基于智能电网技术的供给侧与用户侧双向通信存在的用户数据安全性和隐私问题，网络攻击者可以通过破坏通信来访问消费者站点中的设备，反映用户生活方式的负载数据会被恶意节点跟踪，从而损害用户隐私，造成隐私泄露。基于区块链技术的智能电网，支撑动态 P2P 交易13。消费者和生产者在基于点对点区块链的网络中交换能量，如图 4 所示，可采用链式区块链技术与流式区块链技术相结合的方式，前者在保证通信网络安全可信的同时，后者可在用户侧设置校验窗口。去中心化的直接交易，解决数据安全问题，避免管理系统的中心化，且注册在区块链中的任何能源数据在验证后保持不变，同时随着区块链中区块总量的增加，网络攻击者将难以改变区块中的数据。（a）链式区块链结构示意图（b）流式区块链结构示意图图 4链式区块链技术结构和流式区块链技术结构4实施基于区块链技术优化的需求侧响应效益分析通过将可追溯、实时共享的特点与智能合约技术深度融合，区块链技术可以在协议签订、事件发布、负荷分配、响应反馈中实现响应发布、响应分配、响应执行、响应监管，达到调峰提效，提升新型电力系节点 N1节点 N节点 N+1节点 N+1节点 N1节点 N加密加密交易流交易流交易流加密加密加密交易流交易流科技与创新Science and Technology&Innovation1622023 年 第 18 期统的调峰韧性，维持电力系统运行供电可靠性；健全电力市场运行机制，提供相关的辅助服务，减缓新建电厂输电线路的压力14。实施基于区块链技术优化的需求侧响应，对于电网企业，优化分配可使最大输电量减小，其变电站、输电线路等投资费用降低，供电效率得以提高；鼓励用户积极参与市场消纳电能，使峰时的电量减少，可以实现资源优化配置，节约资源；降低空气污染物的排放量、缓和温室效应，助力碳中和目标的实现。5关于开展优化后需求侧响应的建议与设想借鉴国内外运用区块链技术开展需求侧响应机制的经验，结合中国电力市场现状，提出以下建议和设想。对于需求侧响应的市场机制不够灵活。智能电网与各用电主体之间采用确定的计划服务对主体多元的激励不够，缺乏兼顾价格机制、融资渠道、响应反馈的市场机制，缺乏灵活性。可运用区块链技术具体优化此缺陷，将需求侧响应信息运送至智能电网部门，进行实时反馈、优化与监管，营造灵活的智能用电业务环境。对于需求侧响应机制的市场监管不够严密。随着电力现货、分布式发电市场化交易试点等辅助服务市场建设进程的不断推进，中国电力需求主体也逐渐由政府主导的行政行为转变为市场主导的市场行为。但目前监管部门对交易中业务需求、投入成本、业务收益等市场行为缺乏有效的市场监管机制。可运用区块链技术将需求侧响应数据实时反馈共享给监管部门，保证数据的真实性与客观性，营造良好的智能用电环境。在基于区块链技术的激励型需求响应中，建立一套完整的可追溯交易体系，提高需求侧响应机制评估可信度。以智能合约的方式运用区块链技术，实现需求侧响应收益及时结算，提升评估结算的效率，实现交易各方利益平衡。同时，在信息保密方面，区块链技术可使用户的用电数据被按照规定的时间间隔收集，并最终存储在数据库中，去中心化的直接交易，解决数据安全问题，使网络攻击者难以改变区块中的数据，解决安全性和隐私性问题。参考文献：1马天男，彭丽霖，杜英，等.区块链技术下局域多微电网市场竞争博弈模型及求解算法J.电力自动化设备，2018，38（5）：191-203.2韩冬，张程正浩，孙伟卿，等.基于区块链技术的智能配售电交易平台架构设计J.电力系统自动化，2019，43（7）：89-96.3陈冠廷，张利，刘宁宁，等.基于区块链的面向居民用户需求响应交易机制J.电力自动化设备，2020，40（8）：9-17.4黄虹，文康珍，刘璇，等.泛在电力物联网背景下基于联盟区块链的电力交易方法J.电力系统保护与控制，2020，48（3）：22-28.5陈宇沁，曹晓冬，王俊，等.综合能源系统综合需求响应行为研究J.电力工程技术，2020，39（6）：89-97.6吴涵，刘洋，杨祺铭，等.计及需求响应的分布鲁棒博弈区域综合能源系统运行优化策略J.电力建设，2022，43（4）：108-118.7原睿萌，范绚然，姬广龙，等.考虑响应量与风电出力相关性的需求响应优化调度研究J.电力需求侧管理，2018，20（6）：6-11.8NAKAMOTO S.Bitcoin:a peer-to-peer electronic cashsystemDB/OL.2023-06-28.https:/ N Z，SVETINVIC D.Security and privacy indecentralized energy trading through multi-signatures，blockchainandanonymousmessagingstreamsJ.IEEEtransactions on dependable and secure computiong，2018，15（5）：840-852.14任昊文，杨雅琪.区块链分布式技术在电力需求侧响应管理中的应用J.电信科学，2019，35（5）：155-160.作者简介：杨舒颖（2002），女，本科生，研究方向为金融学。金子涵（2002），女，本科生，研究方向为信息管理与信息系统。涂佳忻（2002），女，本科生，研究方向为新能源材料与器件。郁竹君（2002），女，本科，研究方向为金融学。（编辑：张超）