基于区块链的微电网系统

2018-03-22朱兴雄

电子技术与软件工程 2018年1期

区块链技术是比特币的核心优势所在，具有开放性、智能合约、数据不可篡改、分布式账本等特点。本文研究了基于区块链的微电网系统的设计与实现，在该系统中构建了基于区块链的电力交易系统与电力调度系统。多种智能合约，包括微电网购电智能合约、微电网输电智能合约、微电网支付清结算智能合约等为电力交易和电力调度提供有效保障。提出了利用电力资产数字化的支付结算，和微电网各参与方基于区块链的信息上链。最后，提出了基于区块链的微电网用电方、发电方、电网、电力流通机构和银行等多方数据的基于区块链分布式账本应用。

【关键词】区块链微电网智能合约电力交易电力调度分布式账本

1 引言

电力交易包括电能交易、输电权交易、辅助服务交易等多种类型。现有技术方案中，電力交易各参与主体形成数据孤岛，数据流通不畅，智能化程度不高。电力交易无法追踪溯源，缺乏安全可信支撑。此外，现有电力交易技术创新滞后，对新能源、微电网等新应用缺乏技术支撑。电费收缴是传统的电力系统工作，在传统模式下，耗费大量人力物力，效率低。电力交易机制、支付方式、清算结算等方面效率不高。当前电力系统存在多种不足：无法灵活跟踪电量变化、对偏远地区供电不理想、局部事故易扩散、污染严重（一般为煤炭石油等发电）等。

微电网作为坚强智能电网的重要组成部分，能够高效地集成各种分布式能源，提高可再生能源的渗透率，弥补大电网供电集中的缺陷微电网为以上情况的改善提供了思路，可作为电网的有力组成部分。微电网具有多重优点，如分布式清洁能源的就地消化、电力能源接入和断开灵活、微电网整体并网的稳定性强、可在上级电网故障时独立运行供电等。如果大电网的基础设施在自然灾害或故障时不能为城市提供电源，那么邻居家里的太阳能电板或分布式光伏电站就可以为街道居民服务。

目前微电网开放式电力交易平台有待建立。中国发展微电网较欧美等发达国家相对较晚，但我国政府给予高度重视，在“十二五规划”的推动下，不断出台建设和指导文件，微电网技术高速发展，试点工程犹如雨后春笋般层出不穷、各具特色。区块链技术作为近年来备受关注的新技术，为微电网系统架构提供了新的思路和方法。本文主要设计了以区块链为底层架构，采用多种智能合约用于电力交易和服务的微电网系统。微电网中企业或居民的电力交易支付和收款可由微电网发行数字资产或者通过积分方式进行，最后与人民币兑换。

本文章节内容如下：第一章是微电网和电力交易概述；第二章主要讲述了区块链技术的基本知识；第三章介绍了基于区块链技术的微电网系统设计的目标与原则；第四章给出区块链微电网系统的总体架构；第五章主要探讨了区块链微电网系统技术方案；最后一章就本文的内容进行了总结，并展望了未来区块链微电网系统的前景。

2 区块链技术

区块链技术，也被称为分布式账本技术。区块链作为比特币的底层技术和基础架构，具有去中心化、开放性、信息不可篡改、匿名性等特征。区块链的发展历史可以归纳为三个阶段：区块链1.0，即数字货币；区块链2.0，数字货币与智能合约融合应用；区块链3.0，将区块链技术应用到非经济领域，可用于实现全球范围内日趋自动化的物理资源和人力资产分配，促进能源、健康、教育等领域的大规模协作。

区块链分为公有链、联盟链、私有链三种。数字货币如比特币是公有链，其特点为对所有人开放，任何人都可以参与，且其上交易能够获得该区块链的有效确认。联盟链由某个群体内部指定多个预选的节点为记账人，每个块的生成由所有的预选节点共同决定，其他接入节点可以参与交易，但不过问记账过程。私有链应用区块链的分布式总账进行记账，公司或个人，独享该区块链的写入权限。微电网系统的基本要求就是要满足电力交易的便利性和稳定性。联盟区块链或者私有区块链能够完全满足使用需要，其交易写入权限节点。这样既保障了用电交易的安全性和便利性，也考虑到了用电的隐私性。

区块链技术被认为是继大型机、个人电脑、互联网、移动社交网络之后计算范式的第5次颠覆式创新，被广泛应用于各项生产经营活动中。李彬等设计了一种基于区块链的供需互动系统架构，提出了一个以区块链协议标准为支撑的一体化信息平台。周国亮等研究了区块链在能源互联网中的应用，指出区块链技术可为构建可信、点对点交易提供技术基础。对于电力辅助服务领域，李彬等提出了区块链技术在电力辅助服务市场的应用设想，并对其前景进行了分析。区块链应用到微电网交易已经在国外企业开展。位于纽约的TransActive Grid项目通过区块链网络连接太阳能发电者与购电者，不需要专职人员参与管理和记录交易，能够代表未来社区能源的发展方向。

国内针对区块链在微电网系统的研究和应用基本空白。应探索适合中国国情的微电网系统，加快推进区块链微电网研究与应用。

3 目标与原则

基于区块链的微电网系统的设计目标和须遵循的原则如下。

3.1 目标

本文所提出的基于区块链的微电网系统的目的就是利用区块链的去中心化、智能合约、点对点传输、分布式账本等特点，创新性应用于微电网。基于区块链的微电网系统应满足以下目标：

（1）区块链以去中心化的方式实现电力点对点交易。

（2）实现微电网荷、网、能、储等主体间智能电力交易。

（3）基于区块链的电力交易系统，采用智能合约、实时收缴和电力支付实时清算结算。

（4）实现能源数字化精准管理、电能数字资产化，数字化建模电力网络，实现精准管理。

（5）区块链上数据不可篡改、数据可信，交易可追踪溯源，提升电力交易可信安全，实现降本增效。

（6）为微电网、新能源交易、光伏电力、风电和虚拟发电资源提供公开透明的可信电力交易系统平台。

（7）打破行业壁垒，对接供需双方，为电力交易参与者提供低成本便捷安全的电力交易系统，实现多方共赢，为能源互联网创新发展提供持续动力。

3.2 原则

基于区块链的微电网系统对微电网运行的安全性、可靠性与稳定性至关重要，系统应当在满足微电网电力供应的要求下进行电力交易、结算和查询等活动。此外，基于区块链的微电网系统还需要满足以下原则：

（1）公平性是必须满足的重要原则，在电力交易中，价格、供需情况与电力质量等都必须考虑到，并在交易中进行展示，使得交易公开透明。

（2）隐私性指的是电力交易的非关键隐私数据不应当公开展示供所有人查询。这里隐私性应当包含匿名，交易细节如交易量他人不可查询等特性。

（3）数据存储足够长时间且不可更改。区块链技术能够为微电网系统的电力交易做出有力保障，数据可追溯可查询，方便交易安全便捷的执行，数据能够长时间的存储。

（4）智能性指的是微电网应当为购电者推荐最佳购电策略和交易对象，为售电者提供可选择的售电模式。由于电力交易具有多种模式，如预售、即发即售和存储电销售等，可以为电网购电和售电者提供最适合他们的模式。

（5）多方共赢指的是微电网的运营应当符合用电方、发电方、电网、电力流通机构和银行等多方利益，不能损害任何一方利益。只有这样微电网才能持续有效的运行下去。

4 总体架构

基于区块链的微电网系统主要包括基于区块链的电力交易系统、电力运行调度系统、发电储能系统等，其中电力交易系统和电力调度系统均可用区块链进行系统架构设计。4.1节介绍了基于区块链的电力交易系统的优化设计过程，4.2介绍了基于区块链的电力调度系统的设计思路，以实现自动化电力调度。

4.1 基于区块链的电力交易系统

基于区块链的电力交易系统，是一种分布式帐本，能够有效、安全地支持电力资产的发行、交易、管理和服务。基于区块链的微电网具有分布式、免信任、时间戳、加密技术和智能合约等特征。

基于区块链的电力交易系统为电力交易参与方提供一种可信、可靠和透明的商业处理逻辑框架和解决方案系统。参与电力交易的用户角色分为：发电方（新能源电站，包括太阳能发电方、风力发电方等）、微电网、用电负荷方（购电方）、储能方、基于区块链的微电网电力交易平台、大电网、电力流通机构、银行等。

基于区块链的微电网交易系统是由分布式能源、储能系统、能量转换装置、相关用电负荷、监控、保护装置汇集而成，运用区块链技术记录各参与方数字化信息、智能交易的创新型发输配电系统。基于区块链的微电网交易系统是一个能够实现自我控制、保护、管理和交易的自治系统。

4.2 基于区块链的电力调度系统

微电网的电力调度是指在一定的控制策略下，满足优化微电网的分布式电源发电特性、电能质量要求、需求侧管理等，确定各个微电源的处理分配、最佳配置，实现微电网的经济优化运行。

基于区块链的电力调度系统可以充分利用数据的真实可靠且不可修改的历史特性，进行电力需求的预测、电力交易管理和制定调度计划。目前，众多学者研究了微电网电力调度的数学模型，如陈念斌等[9]和孙浩等[10]研究了微电网经济调度问题，并给出了该问题的数学模型；赵向阳等[11]研究了微电网的调度模型、调度策略和经济运行优化方法。

基于区块链的微电网电力调度系统设计如图2所示。

步骤1.根据微电网系统的电力交易数据与发电数据等选择合适的调度模型和调度策略；

步骤2.根据调度模型和调度策略制定电力调度计划；

步骤3.根据发电情况实时调整电力调度，并更新电力各数据和调度后结果反馈调度模型进行改善。

5 微电网系统技术方案

基于区块链的微电网交易系统和电力调度系统的设计实现方法需要用到多项技术，包括区块链技术、大数据技术和人工智能技术等。5.1节介绍了电力交易系统的具体技术方案；5.2节给出了电力调度系统的技术实现；最后一节给出了分布式账本及其所需技术。

5.1 电力交易系统的技术方案

将电力虚拟化为一种数字资产，并将用户的资产登记发行到区块链上，用户在电力区块链系统上购买电力，以备使用。为了促进能源区块链多元交易体系中的交易及业务，以“电力币”作为交易介质，用于区块链电力交易体系中价值转移，记录电力交易等业务行为。电力发行以与现实中人民币对应的“电力币”衡量发行。

电力生产单位将电能发行到区块链上，用户通过电力交易平台进行电力买卖交易。交易信息包括：买家信息、卖家信息、交易电量、电价等。

每个分布式节点通过哈希算法和Merkle树数據结构，将一段时间内的交易数据、哈希值、时间戳、上一个区块的哈希值等数据记录到区块中，并链接到当前最长的主区块链上，形成最新区块。

微电网签名算法保证了交易是由拥有对应私钥的用户所发出，保证交易的不可抵赖性和可信安全。通过实用拜占庭共识算法，各节点间达成对新区块的共识，同步区块，形成电力交易分布式帐本，实现交易数据的分布式存储。

在节点上运行的分布式交易程序，自动执行特定的电力业务规则。通过支付智能合约实现电力支付实时清算结算。

系统提供区块链浏览器，实时查看区块信息、帐户信息和交易信息等。信息查看权限根据是否是当事人而有所区别，即满足微电网系统设计原则的隐私性。

5.2 电力调度系统的技术方案

由于微电网电力供应主要依靠多种分布式电源，如分布式光伏、风能等，发电功率不稳定且波动性较大，这对电力调度的安全可靠提出了更高的要求。

基于区块链的微电网系统具有历史数据不可修改且长时间保留的特性，可以参考微电网历史调度数据动态安排调度计划。此外，针对分布式发电对于外部环境依赖性较强的特性，天气情况对于发电数据的影响不容忽视，采用神经网络等人工智能方法对于微电网未来发电情况进行预测可以提高微电网电力供应的稳定性和可靠性。

电力调度应当充分考虑电力质量，对于电压稳定度需求较高的客户需要优先调度稳定能源，同时要满足公平性。

5.3 分布式账本技术

基于区块链的微电网电力交易系统主要针对P2P电力交易。交易数据需所有参与人共同确认。

传统电力交易的效率低、成本高、不透明，其本质是账本存在于中心化的机构中。分布式账本保证了电力交易的公平性和真实性，避免了交易被篡改的可能性，对于顺利开展电力调度也大有益处。

分布式账本使用一致性协议来协商账本内容，使用密码算法和数字签名来确保交易的完整性。

6 总结与展望

本文提出了基于区块链的微电网系统的设计架构和目标原则，并详细介绍了基于区块链的电力交易系统和电力调度系统的设计。多种合约如微电网购电智能合约、微电网输电智能合约、微电网支付清结算智能合约可用于电力交易与电力调度。并给出了微电网各参与方基于区块链的信息上链，及电力资产数字化等微电网所需技术。最后，提出了基于区块链的微电网用电方、发电方、电网、电力流通机构和银行等多方数据的基于区块链分布式账本应用。

基于区块链的微电网系统研究目前还处于萌芽阶段，本文研究了微电网系统的两大方面：电力交易系统和电力调度系统。针对区块链在微电网及大电网系统乃至能源互联网的应用还有待进一步探索研究。

参考文献

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[9]陈念斌.微电网日前经济调度研究[D].华北电力大学，2015.

[10]孙浩，张磊，许海林等.微电网日内调度计划的混合整数规划模型[J].电力系统自动化，2015（19）：21-27.