王蓓蓓，王騏鑫，李雅超，趙盛楠，吳 敏

（1.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院,江蘇省南京市210096；2.國(guó)家電網(wǎng)有限公司華東分部,上海市200120）

0 引言

隨著智能電網(wǎng)的逐步完善以及售電側(cè)的放開,大量負(fù)荷聚合商、服務(wù)供應(yīng)商以及電力用戶作為需求側(cè)資源參與電網(wǎng)的互動(dòng)環(huán)節(jié)［1］,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(huì)提高交易中心的運(yùn)行成本和處理時(shí)間［2］。另外,在大規(guī)模實(shí)施需求響應(yīng)（demand response,DR）業(yè)務(wù)時(shí),若仍然采用中心化的管控手段,將很難大規(guī)模參與用戶的交互［3］。區(qū)塊鏈技術(shù)作為一種去中心化的分布式記賬系統(tǒng)［4］,無(wú)需第三方參與即可通過(guò)分布式方法構(gòu)建不易篡改的信任數(shù)據(jù)庫(kù)［5］,將區(qū)塊鏈與DR資源交易相結(jié)合有著重要的意義。另一方面,隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn),未來(lái)需求側(cè)資源參與市場(chǎng)的組合更多樣,手段更復(fù)雜,所受到的影響因素也更多,有很大的不確定性［6］。而電力系統(tǒng)規(guī)模日益擴(kuò)大,系統(tǒng)復(fù)雜性與地域分布廣度也越來(lái)越大,系統(tǒng)運(yùn)行極易受到外部因素的影響。如何設(shè)計(jì)一種長(zhǎng)效的引導(dǎo)機(jī)制,使得廣域分散的需求側(cè)資源持續(xù)可靠地為電網(wǎng)調(diào)度提供支撐,且無(wú)需集中式平臺(tái)支撐,則是一個(gè)值得關(guān)注的話題。

目前已有學(xué)者探討了區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于光伏交易［7］、DR資源交易［8］等方面的可行性,設(shè)計(jì)了基于區(qū)塊鏈的分布式資源雙邊拍賣機(jī)制［9］、綜合DR連續(xù)雙邊拍賣機(jī)制［10］以及電動(dòng)汽車充放電交易的連續(xù)雙邊拍賣機(jī)制［11］。在需求側(cè)資源交易方面,文獻(xiàn)［12］設(shè)計(jì)了包含激勵(lì)的去中心化交易機(jī)制以實(shí)現(xiàn)需求側(cè)資源靈活有效參與市場(chǎng)?？紤]到DR市場(chǎng)的特殊性,DR用戶有較高的交易選擇權(quán),若其實(shí)際響應(yīng)量與合約量存在偏差,會(huì)使電網(wǎng)需要購(gòu)買更加昂貴的輔助服務(wù)資源以平衡電力系統(tǒng)運(yùn)行。同時(shí)DR用戶的違約行為會(huì)破壞交易主體的信任,降低雙方交易的積極性。但現(xiàn)有研究多聚焦于精準(zhǔn)調(diào)度或者交易,未考慮用戶響應(yīng)不確定性［13］或者違約守信行為給交易雙方帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)影響,對(duì)DR資源的多物權(quán)屬性考慮不足［14］,從而設(shè)計(jì)的交易機(jī)制中缺少對(duì)用戶的正向激勵(lì)以促進(jìn)其積極履約,因此有必要對(duì)DR用戶的響應(yīng)情況進(jìn)行評(píng)估。針對(duì)美國(guó)PJM電力市場(chǎng)中不同的DR類型,文獻(xiàn)［15］建立了不同的響應(yīng)評(píng)估體系,根據(jù)用戶的響應(yīng)情況可定量計(jì)算出響應(yīng)效果,通過(guò)限制響應(yīng)效果較差的用戶參與之后DR資源交易的容量以減少用戶響應(yīng)的不確定性。而在美國(guó)紐約ISO電力市場(chǎng)中,參與DR用戶的負(fù)荷削減量通過(guò)與預(yù)先制定的負(fù)荷基線作比較進(jìn)行計(jì)算,若參與者沒有按期削減負(fù)荷,則他們?cè)谝?guī)定的負(fù)荷削減時(shí)段的用電將被收取高于日前制定的實(shí)時(shí)電價(jià)的價(jià)格［16］。已有文獻(xiàn)還探討了借助區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式能源交易市場(chǎng)［9］、碳排放權(quán)市場(chǎng)中的信用管理［17］,鼓勵(lì)交易雙方的守信行為,以提高交易可信度。本文在已有研究的基礎(chǔ)上［15］,將DR市場(chǎng)中用戶的信用納入考慮,以解決響應(yīng)事件發(fā)生時(shí)用戶的不守信行為給電網(wǎng)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)以及效益損失等問題,從而引導(dǎo)DR市場(chǎng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展。

本文首先分析了區(qū)塊鏈技術(shù)與DR資源交易的契合度以及在信用管理上的優(yōu)勢(shì),然后設(shè)計(jì)了引入信用管理體系的DR資源交易機(jī)制及相應(yīng)的智能合約,最后將智能合約部署在區(qū)塊鏈平臺(tái)上進(jìn)行仿真驗(yàn)證,結(jié)果證明了所設(shè)計(jì)的考慮用戶信用的交易模型可以激勵(lì)用戶守信,維持市場(chǎng)穩(wěn)定發(fā)展。

1 基于區(qū)塊鏈的DR資源信用評(píng)估及管理

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)支撐下計(jì)及信用的DR交易過(guò)程

DR業(yè)務(wù)的實(shí)施涉及電網(wǎng)企業(yè)、DR聚合商（aggregator of DR,AODR）、電力用戶等多方面［18］,其過(guò)程涵蓋了大量信息流和資金流操作,需要存儲(chǔ)、通信、計(jì)算等技術(shù)支撐?？紤]到區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化［19］、去信任化以及數(shù)據(jù)透明化的典型特性,在開展交易主體信用管理上具有先天優(yōu)勢(shì),可以基于區(qū)塊鏈平臺(tái),建立DR用戶信用評(píng)價(jià)體系,以降低DR市場(chǎng)主體的交易風(fēng)險(xiǎn)。

考慮到DR供應(yīng)方以及需求方之間的資源交易需要以區(qū)塊鏈技術(shù)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（peer-to-peer,P2P）網(wǎng)絡(luò)為橋梁,實(shí)現(xiàn)交易雙方之間的信息交互,本文設(shè)計(jì)了區(qū)塊鏈支撐下考慮信用的DR資源交易架構(gòu),如圖1所示。該架構(gòu)分為物理層及信息層,物理層涉及電能輸送以及智能電表的用電數(shù)據(jù)采集,信息層主要涵蓋DR資源的交易過(guò)程,包括數(shù)據(jù)申報(bào)、買賣雙方匹配、記錄存儲(chǔ)以及交易結(jié)算和價(jià)值轉(zhuǎn)移。

圖1 基于區(qū)塊鏈的DR資源交易框架Fig.1 DR resource transaction framework based on blockchain

步驟1:發(fā)布交易和提交補(bǔ)償金。DR供應(yīng)方（需求方）提交某一時(shí)段的DR資源供應(yīng)量（需求量）以及價(jià)格,訂單信息連同DR供應(yīng)方的信用值將被發(fā)送至智能合約。DR供應(yīng)方授權(quán)智能合約從其賬戶中轉(zhuǎn)移出一定量的補(bǔ)償金,用于在交易結(jié)束之后扣除補(bǔ)償金額。

步驟2:交易撮合出清。智能合約結(jié)合DR供應(yīng)方信用值將買賣雙方的訂單進(jìn)行撮合,達(dá)成交易共識(shí)后,確定各DR供應(yīng)方的響應(yīng)量以及價(jià)格。

步驟3:響應(yīng)效果分析和信用值計(jì)算。響應(yīng)事件結(jié)束后智能電表等智能表計(jì)自動(dòng)將數(shù)據(jù)上傳至區(qū)塊鏈［20］,根據(jù)DR供應(yīng)方的實(shí)際響應(yīng)情況,對(duì)其進(jìn)行打分,進(jìn)而更新信用值,該信用值是DR供應(yīng)方后續(xù)參與市場(chǎng)出清時(shí)的重要依據(jù)。

步驟4:資金轉(zhuǎn)移。智能合約根據(jù)智能表計(jì)上傳的DR供應(yīng)方的實(shí)際響應(yīng)數(shù)據(jù),向其賬戶地址中轉(zhuǎn)入相應(yīng)量的以太幣,完成資金轉(zhuǎn)移。

1.2 區(qū)塊鏈技術(shù)支撐下計(jì)及信用的DR交易優(yōu)勢(shì)

借助區(qū)塊鏈技術(shù),考慮用戶信用的DR資源的交易機(jī)制有如下優(yōu)點(diǎn)。

1）系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商獲取真實(shí)數(shù)據(jù)的成本顯著降低。DR供應(yīng)方參與DR的歷史信息及信用值在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中會(huì)自動(dòng)加蓋時(shí)間戳進(jìn)行加密,作為分布式總賬鏈條的一環(huán)。這些存儲(chǔ)于區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)或信息一旦被篡改,編碼就會(huì)發(fā)生變化［21］。因此,用戶無(wú)法依靠自身的算力偽造信用值,只能通過(guò)積極響應(yīng)的方式提升信用,避免了傳統(tǒng)集中抄表形式下,電網(wǎng)公司為保證數(shù)據(jù)真實(shí)有效性而增加的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。

2）系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商追溯歷史響應(yīng)數(shù)據(jù)的便利性。區(qū)塊鏈可追溯的特征［22］,使得系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商無(wú)須花費(fèi)過(guò)多的成本建立一個(gè)記錄需求側(cè)資源響應(yīng)情況的數(shù)據(jù)庫(kù),就可以隨時(shí)在區(qū)塊鏈上獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù),并保證數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠性。

3）增強(qiáng)結(jié)算數(shù)據(jù)的公信度。在DR資源交易過(guò)程中,眾多的交易實(shí)體參與互動(dòng)將帶來(lái)復(fù)雜的交易和結(jié)算規(guī)則,而智能合約可以實(shí)現(xiàn)智能電表與區(qū)塊鏈之間數(shù)據(jù)的無(wú)縫對(duì)接,通過(guò)智能電表上傳的數(shù)據(jù)對(duì)用戶的響應(yīng)效果進(jìn)行評(píng)估和結(jié)算可以精簡(jiǎn)交易各個(gè)環(huán)節(jié)的步驟,降低額外的費(fèi)用。

4）增強(qiáng)高信用值用戶參與的積極性。響應(yīng)用戶增加了信用值這一屬性,對(duì)于高信用值用戶而言,其參與市場(chǎng)交易過(guò)程中更容易與需求方達(dá)成交易；對(duì)于需求側(cè)資源需求方而言,選擇高信用值用戶,更有利于獲得穩(wěn)定的響應(yīng)量。

2 考慮信用的DR資源交易機(jī)制與模型

2.1 交易模型

基于第1章構(gòu)建的交易框架中步驟1獲取的市場(chǎng)主體歷史交易記錄和報(bào)價(jià)報(bào)量等信息,為了調(diào)動(dòng)市場(chǎng)參與者的響應(yīng)積極性,在交易的撮合過(guò)程中引入信用評(píng)級(jí),即用戶的信用值影響交易優(yōu)先權(quán),定義交易優(yōu)先權(quán)值（priority value,PV）為［23］:

式中:PR為電力用戶提交的價(jià)格；CR為電力用戶的信用值。

根據(jù)DR需求方的不同,本文設(shè)計(jì)了2種交易模型,即集中交易（需求方為電網(wǎng)企業(yè)）和雙邊交易（需求方為AODR）。

在集中交易模式下,電網(wǎng)企業(yè)作為DR資源需求方,需要綜合考慮DR供應(yīng)方的價(jià)格和信用值的影響。電網(wǎng)企業(yè)希望在購(gòu)買優(yōu)質(zhì)DR資源的同時(shí),成本花費(fèi)最低,即目標(biāo)是最小化購(gòu)買高信用值DR資源的成本。

式中:λi為第i個(gè)供應(yīng)方的PV；Ωo為DR資源供應(yīng)方集合；Qi為第i個(gè)供應(yīng)方的報(bào)量。

需要滿足以下約束條件。

1）DR量平衡約束:

式中:QA為電網(wǎng)企業(yè)的總需求量；Qi,o為第i個(gè)電力用戶的響應(yīng)量。

2）DR供應(yīng)方可響應(yīng)量的上下限約束:

式中:Qi,o,max和Qi,o,min分別為第i個(gè)DR供應(yīng)方響應(yīng)量的上、下限。

在滿足約束（3）和（4）的基礎(chǔ)上,求解式（2）即可得DR資源的購(gòu)買策略。

在雙邊交易模式下,DR資源需求方發(fā)布需求量及報(bào)價(jià),按照?qǐng)?bào)價(jià)由高到低形成需求訂單表。DR供應(yīng)方的信用值決定其對(duì)該表的訪問權(quán)限［17］:信用值為4的供應(yīng)方權(quán)限為100%,即可以與所有需求方進(jìn)行匹配；信用值為3的供應(yīng)方對(duì)該表的訪問權(quán)限為75%,即可以與訂單表中報(bào)價(jià)最低的75%進(jìn)行匹配；信用值為2的權(quán)限為50%；信用值為1的權(quán)限為0%。DR供應(yīng)方希望出售的DR資源價(jià)格越高越好,以此獲得更高的利益,因此會(huì)選擇自身權(quán)限范圍內(nèi)所能接受的最高報(bào)價(jià)。在市場(chǎng)實(shí)施的初期階段,本文的這種方式可以引導(dǎo)DR用戶降低其響應(yīng)的不確定度,在市場(chǎng)實(shí)施中后期,如果市場(chǎng)參與者響應(yīng)信用程度較高,可以適當(dāng)修改信用值的分級(jí)數(shù)量及對(duì)應(yīng)的訪問權(quán)限,從而實(shí)現(xiàn)交易結(jié)果的優(yōu)化,達(dá)到社會(huì)總效益的最佳值。

2.2 信用值計(jì)算

DR供應(yīng)方根據(jù)交易達(dá)成共識(shí)后的結(jié)果進(jìn)行響應(yīng),智能電表采集DR供應(yīng)方的實(shí)時(shí)響應(yīng)數(shù)據(jù)并上傳至區(qū)塊鏈中。根據(jù)式（5）和式（6）,計(jì)算出用戶本次響應(yīng)之后的信用分?jǐn)?shù)［15］,并根據(jù)表1更新用戶地址對(duì)應(yīng)的信用值［9,24-26］。

式中:αi,k為用戶i第k次響應(yīng)評(píng)估系數(shù)；T為DR事件的時(shí)長(zhǎng)；Tdev,5%為用戶響應(yīng)容量偏差在約定容量5%以內(nèi)的時(shí)長(zhǎng)；Tdev,5%～10%為用戶響應(yīng)容量偏差在約定容量5%～10%的時(shí)長(zhǎng)；Tdev,10%～20%為用戶響應(yīng)容量偏差在約定容量10%～20%的時(shí)長(zhǎng)；gi,k為用戶i在第k次DR結(jié)束后的信用分?jǐn)?shù),所有用戶初始（第0次）信用分?jǐn)?shù)為90；ci,k?1為用戶i在第k?1次DR結(jié)束后的信用等級(jí)；S(?)為信用等級(jí)對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)分?jǐn)?shù),如表1所示。

表1 用戶信用值等級(jí)Table 1 C redit rating of users

等待響應(yīng)事件結(jié)束后,根據(jù)智能電表上傳的用戶響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)算。

2.3 交易流程

結(jié)合圖1的交易框架及本章所提模型,可將交易按時(shí)間順序劃分為4個(gè)階段,包括:發(fā)布交易、撮合出清、響應(yīng)效果分析和交易結(jié)算,具體的計(jì)算流程如圖2所示。

3 智能合約的設(shè)計(jì)

以太坊去中心化和圖靈完備的特點(diǎn),為搭建DR資源交易平臺(tái)提供了良好的支撐［27］。本章根據(jù)圖1提出的框架設(shè)計(jì)了可實(shí)現(xiàn)DR資源多邊交易的智能合約。

圖2 考慮信用的DR資源交易流程圖Fig.2 Flow chart of DR resource transaction considering credits

DR資源多邊交易的智能合約應(yīng)符合3項(xiàng)原則,即:①任何DR需求方（供應(yīng)方）均可自愿發(fā)布及參與拍賣；②根據(jù)交易雙方提交的訂單信息應(yīng)自動(dòng)撮合出清；③合約執(zhí)行結(jié)果應(yīng)自動(dòng)結(jié)算?；谝陨?項(xiàng)原則,分別設(shè)計(jì)了發(fā)布交易函數(shù)、撮合出清函數(shù)、響應(yīng)效果分析函數(shù)、信用更新函數(shù)、交易結(jié)算函數(shù)及其他輔助函數(shù)。

1）發(fā)布交易函數(shù):在發(fā)布交易階段,DR供應(yīng)方（需求方）在交易平臺(tái)上提交DR資源出售（購(gòu)買）請(qǐng)求,同時(shí)還需向該智能合約地址轉(zhuǎn)入一定以太幣作為補(bǔ)償金,以防止出現(xiàn)虛假請(qǐng)求。2019年4月10日以太幣與美元的匯率約為1以太幣兌換169美元。智能合約將記錄所有請(qǐng)求,并保存在區(qū)塊鏈中。該函數(shù)對(duì)應(yīng)第1章構(gòu)建的基于區(qū)塊鏈的DR資源交易框架的步驟1。

2）撮合出清函數(shù):針對(duì)交易框架的步驟2,不同的交易模式下有不同的出清規(guī)則,因此該函數(shù)的實(shí)現(xiàn)也有所不同。

集中交易:在交易協(xié)商階段,DR供應(yīng)方需在交易協(xié)商截止時(shí)間前提交自己的報(bào)價(jià)與最大響應(yīng)量,智能合約將根據(jù)用戶的歷史信用值計(jì)算出PV,由2.1節(jié)的集中交易模型確定出清隊(duì)列。

雙邊交易:DR供應(yīng)方在交易協(xié)商截止時(shí)間前提交自己的可響應(yīng)量,智能合約根據(jù)用戶的歷史信用值由2.1節(jié)中雙邊交易的撮合規(guī)則,為用戶匹配AODR的報(bào)價(jià),成交價(jià)格一經(jīng)智能合約確認(rèn),即無(wú)法篡改。

3）響應(yīng)效果分析函數(shù):在規(guī)定的DR事件發(fā)生時(shí)段,智能電表將用戶的用電數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至智能合約中,智能合約自動(dòng)計(jì)算出用戶本次響應(yīng)評(píng)估系數(shù),作為判斷用戶響應(yīng)效果的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn),并將計(jì)算結(jié)果作為輸入量傳遞給信用更新函數(shù)。

4）信用更新函數(shù):與響應(yīng)效果分析函數(shù)進(jìn)行交互,計(jì)算出用戶本次信用分?jǐn)?shù),自動(dòng)更新用戶存儲(chǔ)在智能合約中的信用值。該函數(shù)對(duì)應(yīng)交易框架的步驟3。

5）交易結(jié)算函數(shù):針對(duì)交易框架的步驟4,在規(guī)定的電能傳輸時(shí)間內(nèi),DR供應(yīng)方調(diào)整用電計(jì)劃完成電力交割后,買賣雙方進(jìn)行代幣轉(zhuǎn)移。若DR供應(yīng)方實(shí)際響應(yīng)電量偏離約定電量,電網(wǎng)企業(yè)需從輔助服務(wù)市場(chǎng)購(gòu)買偏差電量,以維持供求平衡。因此,用戶按約定電量及成交價(jià)格結(jié)算后,需從其補(bǔ)償金中扣除一定的補(bǔ)償金額。補(bǔ)償金額為:

式中:F為補(bǔ)償金額；Pa為約定電量；α為響應(yīng)評(píng)估系數(shù)。

在結(jié)算完成后,返還DR供應(yīng)方剩余的補(bǔ)償金［28］。在本文所設(shè)計(jì)的交易機(jī)制中,當(dāng)用戶的實(shí)際響應(yīng)量與合約量有較大偏差時(shí),不僅可能導(dǎo)致其信用值的降低,使得收益下降,還會(huì)在其提交的補(bǔ)償金中扣除相應(yīng)的補(bǔ)償金額彌補(bǔ)電網(wǎng)購(gòu)買輔助服務(wù)資源的成本。

6）輔助函數(shù):實(shí)現(xiàn)訂單信息的查詢功能等。

主要的信息交互過(guò)程如附錄A圖A1所示。

4 算例分析

4.1 考慮信用的DR資源集中交易

為驗(yàn)證本文提出的交易機(jī)制的有效性,本節(jié)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下,將集中交易智能合約部署至以太坊私有鏈,作為DR資源交易平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)室中所有主體的操作系統(tǒng)均為Windows 10,內(nèi)存為8 GB,CPU為Intel Core i5-3210M,智能合約的編寫環(huán)境Remix的版本為v0.10.1。該場(chǎng)景包括電網(wǎng)企業(yè)（DR需求方）、6個(gè)電力用戶（DR供應(yīng)方）,在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中連接拓?fù)淙鐖D3所示。電網(wǎng)企業(yè)預(yù)測(cè)需要在次日的12:00—13:00購(gòu)買25 MW的DR量,電力用戶可通過(guò)降低自身用電功率的方式向電網(wǎng)出售電量。

圖3 集中交易模式下區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中主體間的連接拓?fù)銯ig.3 Connection topology between entities in blockchain network in centralized transaction mode

4.1.1 集中交易模式下的交易發(fā)布及撮合出清

電網(wǎng)企業(yè)通過(guò)發(fā)布交易函數(shù)提供的接口向網(wǎng)絡(luò)中提交訂單信息,并向智能合約中轉(zhuǎn)入一定量的補(bǔ)償金,在Remix上模擬的結(jié)果如附錄B圖B1所示。附錄B圖B1為完整的返回信息表,表明了合約執(zhí)行狀態(tài)、合約地址、執(zhí)行者的地址、執(zhí)行該合約消耗的汽油（gas）費(fèi)以及該合約的哈希值等信息。

電力用戶節(jié)點(diǎn)在接收到電網(wǎng)企業(yè)向網(wǎng)絡(luò)中廣播的訂單請(qǐng)求后,向智能合約提交供應(yīng)訂單（包括供應(yīng)量以及價(jià)格）,如附錄B圖B2所示。由于Solidity語(yǔ)言中不支持小數(shù)型數(shù)值的存儲(chǔ),為了保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行放大處理,圖中用戶的報(bào)價(jià)和PV為放大1 000倍之后的數(shù)據(jù),真實(shí)報(bào)價(jià)和PV分別為0.062以太幣/（MW·h）和0.015。在交易協(xié)商階段,6位電力用戶均提交了供應(yīng)訂單,表2列出了每位用戶的訂單信息、信用值和PV。

表2 DR用戶提交的訂單信息Table 2 Order information submitted by DR users

撮合出清函數(shù)將交易協(xié)商階段用戶提交的供應(yīng)訂單信息以及用戶的PV存放在相應(yīng)的數(shù)組中,交易協(xié)商結(jié)束之后根據(jù)出清規(guī)則確定中標(biāo)的用戶,并用事件記錄:中標(biāo)的用戶地址、響應(yīng)量和價(jià)格,如附錄B圖B3所示。

4.1.2 單次響應(yīng)效果評(píng)估及結(jié)算

到達(dá)約定的響應(yīng)時(shí)間,中標(biāo)的用戶根據(jù)出清結(jié)果進(jìn)行響應(yīng),智能電表將用戶的響應(yīng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞到智能合約中。智能合約通過(guò)響應(yīng)效果分析函數(shù)及信用更新函數(shù)計(jì)算出用戶的響應(yīng)評(píng)估系數(shù)和信用得分,并更新用戶的信用值。附錄B圖B4為查詢函數(shù)輸出4位電力用戶的響應(yīng)效果。

交易結(jié)算函數(shù)的輸入量為用戶的地址,根據(jù)約定響應(yīng)量及成交價(jià)格向用戶的賬戶地址中轉(zhuǎn)入相應(yīng)量的以太幣?？紤]到用戶響應(yīng)的不確定性,電網(wǎng)企業(yè)需要調(diào)用輔助服務(wù)資源以維持電網(wǎng)功率平衡,根據(jù)式（7）在用戶的賬戶地址扣除一定以太幣作為補(bǔ)償,將結(jié)算結(jié)果記錄在事件Settlement中,如附錄B圖B5所示。圖中的數(shù)據(jù)均為放大1 000倍之后的結(jié)果,用戶AX按報(bào)價(jià)結(jié)算的結(jié)果為0.372以太幣,處罰金額為0.037以太幣,最終的結(jié)算金額為0.335以太幣。

4.1.3 多次響應(yīng)效果分析

為了分析用戶的守信行為對(duì)收益的影響,先后進(jìn)行了10次測(cè)試,分別考慮如下4種場(chǎng)景。

場(chǎng)景1:用戶初始信用值高,歷次響應(yīng)評(píng)估系數(shù)低,如電力用戶AX。

場(chǎng)景2:用戶初始信用值高,歷次響應(yīng)評(píng)估系數(shù)高,如電力用戶CZ。

場(chǎng)景3:用戶初始信用值低,歷次響應(yīng)評(píng)估系數(shù)低,如電力用戶BY。

場(chǎng)景4:用戶初始信用值低,歷次響應(yīng)評(píng)估系數(shù)高,如電力用戶DW。

模擬出4位電力用戶在10次測(cè)試中的響應(yīng)過(guò)程,如圖4所示。

圖4 集中交易模式下用戶多次響應(yīng)評(píng)估系數(shù)及收益Fig.4 Evaluation coefficient and benefit of multiple user responses in centralized transaction mode

對(duì)比4種不同場(chǎng)景下用戶的收益情況,可以得到以下結(jié)論。

1）嚴(yán)格根據(jù)約定量響應(yīng)的用戶,信用值一直維持在高水平（如CZ）或信用值可提高至高水平（如DW）,每次響應(yīng)結(jié)束之后的實(shí)際收益接近最大收益。

2）不嚴(yán)格根據(jù)約定量響應(yīng)的用戶,實(shí)際收益與最大收益相差大,并且電力用戶AX和BY因?yàn)樾庞弥到档?分別在第8次和第6次響應(yīng)之后無(wú)法參與之后的響應(yīng)。

當(dāng)用戶實(shí)際響應(yīng)量與約定量有偏差時(shí),電網(wǎng)企業(yè)需要從輔助服務(wù)市場(chǎng)購(gòu)置電量以消除功率差額。假設(shè)輔助服務(wù)市場(chǎng)的電價(jià)為0.355以太幣/（MW·h）［29］,在MATLAB的環(huán)境下進(jìn)行10次測(cè)試,比較考慮信用值和不考慮信用值的市場(chǎng)機(jī)制下,電網(wǎng)企業(yè)調(diào)用DR資源所花費(fèi)的成本,如圖5所示。不考慮信用時(shí),電網(wǎng)企業(yè)購(gòu)置了價(jià)格低的DR資源,支付給用戶的成本較低,但用戶的不守信行為使得電網(wǎng)企業(yè)需從輔助服務(wù)市場(chǎng)購(gòu)置更多昂貴的電量資源。考慮信用時(shí),電網(wǎng)企業(yè)因購(gòu)置守信度高的DR資源,雖然支付給用戶的成本較高,但減小了從輔助服務(wù)市場(chǎng)購(gòu)買的電量。綜合比較2種不同市場(chǎng)機(jī)制下的成本,考慮信用時(shí)電網(wǎng)企業(yè)花費(fèi)的總成本不僅低,而且因?yàn)橛脩繇憫?yīng)的不確定性降低,使得電網(wǎng)總成本的波動(dòng)減小。

圖5 多次響應(yīng)事件中電網(wǎng)企業(yè)的成本Fig.5 Cost of power grid enterprises in multiple response events

上述算例證明,本文提出的考慮用戶信用的DR資源交易機(jī)制,對(duì)于DR供應(yīng)方而言,其收益與信用呈正相關(guān)關(guān)系,也即DR供應(yīng)方的守信度越高,其實(shí)際收益越接近最大收益；對(duì)于電網(wǎng)企業(yè)而言,因購(gòu)置了優(yōu)質(zhì)的DR資源,減少了購(gòu)置輔助服務(wù)資源的成本,使得調(diào)用DR資源的總成本下降。

4.2 考慮信用的DR資源雙邊交易

4.2.1 雙邊交易模式下的交易發(fā)布及撮合出清

在雙邊交易的模式下,算例設(shè)置了10個(gè)DR需求方,2個(gè)DR供應(yīng)方,在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中連接拓?fù)淙鐖D6所示。需求方AODR通過(guò)發(fā)布交易函數(shù)提供的接口向網(wǎng)絡(luò)中提交訂單信息,并向智能合約中轉(zhuǎn)入一定量的補(bǔ)償金。在交易協(xié)商階段,將該時(shí)段內(nèi)所有AODR提交的訂單信息記錄在智能合約中。

電力用戶KQ（信用值為4,可響應(yīng)量為6 MW）和LN（信用值為3,可響應(yīng)量為7 MW）分別向網(wǎng)絡(luò)中提交自己的供應(yīng)訂單。因用戶KQ的信用值較高,對(duì)AODR訂單信息的訪問權(quán)限為100%,用戶LN的信用較低,對(duì)AODR訂單信息的訪問權(quán)限為75%,即只能與AODR的訂單中報(bào)價(jià)最低的75%進(jìn)行匹配。向智能合約中輸入電力用戶地址即可查詢到該用戶對(duì)AODR訂單信息的訪問權(quán)限,用戶KQ與LN可訪匹配的AODR信息如附錄B圖B1所示。撮合出清函數(shù)根據(jù)撮合規(guī)則,對(duì)電力用戶和AODR進(jìn)行撮合匹配。最終高訪問權(quán)限的用戶KQ與高報(bào)價(jià)的AODR匹配,低訪問權(quán)限的用戶LN與較低報(bào)價(jià)的AODR進(jìn)行匹配,成交價(jià)格分別為0.088以太幣/（MW·h）和0.075以太幣/（MW·h）。

4.2.2 多次響應(yīng)效果評(píng)估及結(jié)果分析

在DR事件發(fā)生時(shí),用戶根據(jù)出清結(jié)果進(jìn)行響應(yīng),智能電表采集用戶的響應(yīng)數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)傳遞到智能合約中,最終的結(jié)算方式同集中交易一樣。分析10次響應(yīng)事件后用戶的守信行為對(duì)其收益的影響,如圖7所示。

圖7 雙邊交易模式下用戶多次響應(yīng)評(píng)估系數(shù)及收益Fig.7 Evaluation coefficient and benefit of multiple user responses in bilateral transaction mode

由圖7可知,用戶LN在歷次響應(yīng)事件中嚴(yán)格履行合約內(nèi)容,在第2次響應(yīng)事件結(jié)束后其信用值有所提升,且實(shí)際收益與最大收益接近；用戶KQ響應(yīng)效果差,導(dǎo)致其信用值不斷降低,在第6次響應(yīng)事件結(jié)束后無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行交易,且實(shí)際收益遠(yuǎn)低于最大收益。綜合比較可知,用戶LN在初始信用值低于KQ信用值的情況下,通過(guò)歷次的積極響應(yīng)實(shí)現(xiàn)了信用值的提升,獲得對(duì)需求訂單表更高的訪問權(quán)限,從而可以與高報(bào)價(jià)的AODR匹配,提高自己的最大收益。由此可見,在本機(jī)制下,守信的電力用戶可以獲得更高的收益,使得理性的電力用戶具備遵守規(guī)則的動(dòng)力,從而維持市場(chǎng)秩序。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)DR資源交易過(guò)程中DR供應(yīng)方可能存在的失信行為,為了有效引導(dǎo)電力用戶參與響應(yīng),降低電力用戶的響應(yīng)不確定性,本文提出了區(qū)塊鏈技術(shù)支撐下計(jì)及信用的DR交易方法,將用戶的信用值與報(bào)價(jià)掛鉤,分別建立了集中交易與雙邊交易模式下DR資源的交易模型,并編寫了相應(yīng)的智能合約,在以太坊可編程的環(huán)境下對(duì)合約進(jìn)行測(cè)試。算例表明,區(qū)塊鏈提供了一個(gè)去中心化、公開透明和對(duì)等公平的方式,使得無(wú)需第三方參與即可實(shí)現(xiàn)DR雙方的供需匹配。

在本文提出的DR集中交易模式中,相較于電網(wǎng)公司組織的方式,區(qū)塊鏈的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在:不存在中心化的設(shè)備和管理機(jī)構(gòu),節(jié)點(diǎn)間通過(guò)數(shù)字簽名技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換及驗(yàn)證；所有信息以及通過(guò)智能合約中的代碼確定的交易規(guī)則是公開的,每一筆交易都對(duì)所有節(jié)點(diǎn)可見；在以太坊為代表的公有鏈中,每個(gè)節(jié)點(diǎn)的權(quán)利都是對(duì)等的,交易的撮合匹配和轉(zhuǎn)賬都已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)執(zhí)行。同時(shí)基于信用值的DR集中交易模式將信用值與報(bào)價(jià)掛鉤,高信用值的用戶可以獲得更多收益,通過(guò)激勵(lì)的手段規(guī)范用戶響應(yīng)行為。同時(shí)電網(wǎng)企業(yè)可因?yàn)橛脩魞?yōu)質(zhì)的響應(yīng)效果,減少在輔助服務(wù)市場(chǎng)中的購(gòu)電成本。在雙邊交易模式中,高信用值的電力用戶對(duì)DR需求方的訂單信息有更高的訪問權(quán)限,可以匹配到更高的報(bào)價(jià)訂單。同時(shí)DR供應(yīng)方積極完成合約響應(yīng)量,在提高個(gè)人信用值的同時(shí),也可以獲得更高的收益,這為DR供應(yīng)方遵守規(guī)則提供了動(dòng)力,達(dá)到維持市場(chǎng)秩序的目的。

考慮到雙邊交易模式中電力用戶對(duì)DR需求方訂單信息的訪問權(quán)限會(huì)對(duì)交易結(jié)果優(yōu)化產(chǎn)生影響,在后續(xù)的研究中可以從電力用戶信用值的分級(jí)數(shù)量及對(duì)應(yīng)的訪問權(quán)限入手,通過(guò)減少信用值的分級(jí)數(shù)量,擴(kuò)大對(duì)應(yīng)信用等級(jí)的訪問權(quán)限實(shí)現(xiàn)結(jié)果的優(yōu)化。