區(qū)塊鏈分布式能源：逐漸成為主要發(fā)電能源

導(dǎo)語：隨著大規(guī)模可再生能源、電動汽車、儲能裝置及柔性負荷的快速發(fā)展，分布式能源符合中國電力市場的發(fā)展需求與方向，逐漸成為主要的發(fā)電能源。

1.研究背景

傳統(tǒng)電力市場主體之間進行交易時，多采用集中式模式：發(fā)電商與用戶將數(shù)據(jù)上傳至中央處理系統(tǒng)，通過集中撮合或者優(yōu)化等方法匹配發(fā)用電雙方。但隨著類型多、數(shù)量廣的分布式能源的興起，交易數(shù)量、規(guī)模以及信息數(shù)據(jù)隨之增加，集中決策的方法會使得交易中心的運行成本變高同時耗時增長。如果交易中心內(nèi)部暗箱操作或者遭受外部黑客攻擊，交易的安全性和參與主體的隱私無法得到保證。在此背景下，分布式交易——具有參與者眾多、單筆交易量小等特點的交易模式逐漸成為一種交易趨勢。而分布式交易決策過程中缺少中心監(jiān)管機制，如何對交易雙方身份進行核實、校驗信息來確保交易安全是亟待解決的問題。

作為一種去中心化的分布式記賬系統(tǒng)，區(qū)塊鏈技術(shù)憑借其分散化、匿名性、可靠性高等優(yōu)點在分布式能源交易領(lǐng)域得到了廣泛的研究。已有諸多學(xué)者探索分析了區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用至虛擬電廠、儲能、電動汽車、輔助服務(wù)、大用戶直購電等方面的可行性;設(shè)計了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式能源交易架構(gòu)及結(jié)算機制;借助區(qū)塊鏈對電能進行監(jiān)管與結(jié)算等。

中國的分布式發(fā)電市場化方興未艾，因此全面總結(jié)區(qū)塊鏈技術(shù)在分布式能源交易方面的應(yīng)用，對消納分布式能源、推動分布式交易模式的發(fā)展、降低交易成本、提高需求側(cè)管理水平有著重要意義。

2.基于區(qū)塊鏈的分布式能源交易模式及架構(gòu)

現(xiàn)階段基于區(qū)塊鏈的電力交易模式的理論研究與設(shè)計，主要可以分為兩類：一是研究個體間點對點交易，另一種是有中介優(yōu)化處理的集中出清，如圖1所示?；趨^(qū)塊鏈的點對點交易利用了區(qū)塊鏈技術(shù)去中心化和去信任的特性：在進行此類交易時，只有發(fā)、用電兩側(cè)。交易前，雙方約定好合約內(nèi)容，無需第三方參加。基于區(qū)塊鏈的集中出清需要借助區(qū)塊鏈技術(shù)公開透明的特性：對于基于區(qū)塊鏈的交易而言，需要有去中心化的交易平臺將買賣雙方的報價及需求聚集在一起進行撮合匹配，形成供需曲線后出清。

圖1 點對點交易模式和集中出清模式

采用分布式交易模式的能源交易過程主要可以分為：信息發(fā)布、撮合、結(jié)算、存儲等階段。點對點與集中出清兩種交易模式下，區(qū)塊鏈等技術(shù)在各階段實現(xiàn)的功能有所差異，如圖2所示。

圖2 基于區(qū)塊鏈的分布式能源交易技術(shù)框架

3.基于區(qū)塊鏈的分布式能源交易未來展望

3.1 基于區(qū)塊鏈的交易工程實踐現(xiàn)有瓶頸的解決途徑

隨著分布式能源交易規(guī)模逐漸增大，區(qū)塊鏈有限的計算能力及響應(yīng)速度，會使得交易吞吐量低，限制交易的速度。為解決這些問題，區(qū)塊鏈開發(fā)人員主要從縮短交易達成共識時間、并行處理交易，或是將鏈上的計算任務(wù)轉(zhuǎn)移到鏈下這幾個方面來提高區(qū)塊鏈的處理性能。

迄今為止，區(qū)塊鏈技術(shù)在電力行業(yè)的工程實際應(yīng)用仍集中于簡單的買賣雙方直接交易，考慮到現(xiàn)有區(qū)塊鏈新技術(shù)的發(fā)展，如果要設(shè)計更復(fù)雜的實際交易，理論上可以從以下兩點進行研究。

1)鏈下處理：在進行交易的最優(yōu)化問題計算時，可將優(yōu)化步驟放至鏈下，采用分布式優(yōu)化算法進行求解。這這種情況下，鏈上只需判斷交易是否可以達成以及記錄達成交易后雙方的能源及金額數(shù)量。

2)多鏈融合：分布式能源交易時，各主體可建立自己的私有鏈或者基于“第二層擴容”的子鏈，將撮合等交易過程放在子鏈中進行處理，結(jié)算時金融資產(chǎn)轉(zhuǎn)移等安全級別較高的操作放在主鏈中。

3.2 區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用至分布式能源交易的挑戰(zhàn)及可能的解決方法

結(jié)合現(xiàn)有的能源雙邊交易工程實踐可知，基于區(qū)塊鏈的分布式能源交易需要進一步考慮物理模型的構(gòu)建、智能合約的安全可靠性等方面的問題。

1)區(qū)塊鏈技術(shù)難以處理復(fù)雜的物理邏輯。現(xiàn)階段由于技術(shù)壁壘，電力交易時潮流越限、線路阻塞、電壓調(diào)整等因素尚未能充分考慮，其解決途徑可以選擇繼續(xù)探索計及物理拓撲約束的分布式出清方法，也可以將鏈下物理約束校驗與鏈上出清相結(jié)合。前者的優(yōu)點在于保證了各交易參與方的信息安全性，但數(shù)據(jù)交互復(fù)雜度過高，處理效率取決于區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展速度;后者的優(yōu)點在于將部分交易過程移到鏈下可以極大地加快鏈上處理速度，但鏈上與鏈下的信息接口的設(shè)計，以及鏈下的數(shù)據(jù)存儲安全問題也是需要進一步考慮。

2)區(qū)塊鏈技術(shù)的安全性需要關(guān)注。保障交易的安全可靠是目前人們使用區(qū)塊鏈中智能合約的主要需求之一，但如果在區(qū)塊鏈上部署的交易智能合約出現(xiàn)編碼錯誤，通常很難執(zhí)行回滾或分叉。盡管人工審計在一定程度上減少了智能合約的漏洞，但所需的人力物力成本過高?？紤]到新興發(fā)展的人工智能可以跟蹤學(xué)習(xí)，自動選擇啟發(fā)式策略。因此，在未來的發(fā)展中可以將區(qū)塊鏈與人工智能相結(jié)合，采用各種人工智能技術(shù)來協(xié)助區(qū)塊鏈中智能合約的編寫與測試。

3.3 應(yīng)用領(lǐng)域的擴展

1)賦能電力物聯(lián)網(wǎng)：鑒于電力物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)——分布式互聯(lián)網(wǎng)與區(qū)塊鏈的特性相契合，借助區(qū)塊鏈去中心化的架構(gòu)可以改變電力物聯(lián)網(wǎng)原有的中心結(jié)構(gòu)，大大減小中心機構(gòu)的計算壓力。同時具有存儲功能以及不可篡改特性的區(qū)塊鏈，可以記錄下電力物聯(lián)網(wǎng)的終端設(shè)備，例如智能電表采集的發(fā)用電真實數(shù)據(jù)，在結(jié)算環(huán)節(jié)進行驗證以保證交易公平性。

2)支撐泛在電力物聯(lián)網(wǎng)：為了維持電網(wǎng)的穩(wěn)定運行、改善服務(wù)質(zhì)量，國網(wǎng)提出了承載電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息流的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)。相較于電力物聯(lián)網(wǎng)，其更側(cè)重于為用戶提供信息服務(wù)?？紤]到用戶希望獲得更多的電網(wǎng)知情權(quán)，將區(qū)塊鏈與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合來，保障網(wǎng)絡(luò)信息公開透明，使得參與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的用戶可以共享網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)信息，進而調(diào)整自己的發(fā)用電方案。

3.4 推進區(qū)塊鏈技術(shù)在中國分布式能源交易的應(yīng)用建議

中國結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式能源交易項目尚處于初期建設(shè)階段，結(jié)合現(xiàn)有的理論依據(jù)以及國內(nèi)外的實踐工程，可以從以下幾方面進一步拓展應(yīng)用。

1)亟需智能家庭、智能建筑等技術(shù)創(chuàng)新

推動以家庭為單位的基于區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式能源項目建設(shè)。采用與區(qū)塊鏈相連的智能電能表記錄家庭電器、光伏電池等之間的電力流動，對于生產(chǎn)出的多余電力，既可以出售給鄰近電力用戶，實現(xiàn)家庭用戶之間進行電能互濟，引導(dǎo)用戶積極參與清潔電能的生產(chǎn)，進一步地減少分布式電力對電網(wǎng)的波動，也可以出售給電網(wǎng)。與區(qū)塊鏈相連的電網(wǎng)獲得多余的電力及數(shù)據(jù)后，在鏈下對訂單進行撮合匹配，將電力賣給其他用戶(如圖3所示)。

圖3 結(jié)合區(qū)塊鏈的智能家庭用電

2)綜合能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化

構(gòu)建一個基于區(qū)塊鏈的綜合能源系統(tǒng)交易平臺，實現(xiàn)多系統(tǒng)之間的優(yōu)化調(diào)度，如圖4所示。電、熱、氣各系統(tǒng)將能源產(chǎn)量及價格等數(shù)據(jù)上傳至區(qū)塊鏈，使信息在所有系統(tǒng)之間進行傳遞。同時區(qū)塊鏈平臺替代調(diào)度機構(gòu)統(tǒng)一協(xié)調(diào)管控三個系統(tǒng)的運行。為了加快調(diào)度速度，可以在鏈上采用分片技術(shù)來并行處理。各系統(tǒng)在進行自決策優(yōu)化時，也可參考其他系統(tǒng)的信息進行決策調(diào)整。

圖4 基于區(qū)塊鏈的綜合能源系統(tǒng)

4.結(jié)語

總的來說，區(qū)塊鏈技術(shù)作為一種新興的去中心化數(shù)據(jù)管理技術(shù)手段，其應(yīng)用受到各行各業(yè)的關(guān)注，但目前國內(nèi)對電力區(qū)塊鏈的應(yīng)用尚未成熟。因此，迫切需要開展基于區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式能源交易管理及規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)研究，提出適應(yīng)分布式能源高效、經(jīng)濟利用的優(yōu)化規(guī)劃和并網(wǎng)設(shè)計方法。在此基礎(chǔ)上應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)提高電力交易和管理的效率，提升區(qū)域分布式能源運行管理的自治化水平，提高運營經(jīng)濟效益。