基于区块链的虚拟电厂可信交易

李强　李冰　常哲铭

摘  要：基于区块链技术的虚拟电厂可信交易平台对虚拟电厂交易能否用、用在哪里、怎么管理、怎样收益更高等问题进行了研究，搭建涵盖电池再利用服务、储能运行服务及储能运营服务在内的全链条服务，从交易撮合、代理运营等维度探索验证集成储能的可持续运营模式。储能运行服务和储能运营服务则将目标对准提升储能的运维管理水平和扩展储能收益渠道，整合储能资源参与电网需求响应，实现储能用户、平台、电网多方共赢。

关键词：虚拟电厂;区块链技术;可信交易

中图分类号：TP311.1  文獻标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）17-0165-04

Abstract： The trusted transaction platform of virtual power plant based on blockchain technology studies the following problems：  whether the virtual power plant transaction can be used， where it can be used， how to manage it and how to make more profits. It builds a whole chain service covering battery reuse service， energy running operation service and energy storage running service， and explores and verifies the sustainable operation mode of integrated energy storage from the dimensions of transaction matching and agency operation. Energy storage operation service and energy storage operation service aim to improve the operation and maintenance management level of energy storage， expand the revenue channels of energy storage， integrate energy storage resources， participate in the demand response of power grid， and realize the win-win situation of energy storage users， platforms and power grid.

Keywords： virtual power plant; blockchain technology; trusted transaction

0  引  言

当前，国内外相关企业和研究机构对储能利用的重要性和预期的经济效益已有明确的认识。除此之外，应用于储能系统（包括集中式储能，分布式储能等）的区块链技术也受到研究者关注。

本文首先从分布式能源市场规模、新能源消纳形势、电力提示改革与政策支持、区块链技术发展应用进行分析，寻求电网中分布式资源消纳的新途径，指出了区块链技术与虚拟电厂的契合点;然后，总结了基于区块链的虚拟电厂可信交易平台构建基础;最后，构建基于物联网和区块链的虚拟电厂可信交易平台，为储能用户提供电池再利用服务、储能运行服务、储能运营服务等全链条服务，促进电池、储能多种运营模式的验证推广。

1  形势与政策

1.1  分布式能源市场规模

2020年，年度可再生能源实际新增装机容量近280吉瓦，是1999年以来的最高同比增长。尽管流行病对全球供应链产生了强烈影响，但2020年的可再生能源新增装机容量比2019年增长了45%以上，这有望推动分布式能源资源管理系统市场的需求。

未来能源互联网以分布式能源（Distributed Energy Resources， DER）为主要的一次能源[1]。虚拟电厂（Virtural Power Plant， VPP）是未来能源互联网的重要形式之一，是利用先进信息通信技术，实现分布式能源、储能系统、可控负荷、电动汽车等DERs（Distributed Energy Resources）的聚合和协调优化，以作为一个特殊电厂参与电力市场和电网运行的电源协调管理系统，被认为是能源互联网的终极组态[2]。

1.2  新能源消纳形势

目前，我国的可再生能源产业形势正在发生巨大的转变，正由装机规模高速增长向高比例消纳时代迈进，尤为突出的是风电、光电从过去的“微不足道”变为“举足轻重”，但由于新能源发电的波动性和随机性，特别是分布式发电的“弱调度”特点，高渗透率电力系统运行控制难度加大，需要研究多资源、多目标、多约束的协调控制技术[3]。

2020年全国弃风电量166.1亿千瓦时，风电利用率96.5%，同比提升0.5个百分点;弃光电量52.6亿千瓦时，光伏发电利用率98.0%，与去年基本持平。

用户安装分布式电源设备除了装机成本之外，还包括后期的维护成本，在目前有政府新能源补贴措施的前提下，尚可接受，但随着补贴措施的逐步取消，对于用户而言，装机成本将增大，这也意味着将在一定程度上阻碍新能源的发展。为了进一步促进新能源的发展，在无法改变装机成本的同时，需要增加用户的收入，以抵消成本带来的压力，需要寻求分布式资源消纳的新途径，按照“就近生产、就近消费”的原则，能使能源的利用率增高，并且对于环境的污染排放也将降低。

1.3  电力体制改革与政策支持

2015年3月，“中发9号”文件提出有序向社会资本开放售电业务，同时积极发展分布式电源及需求侧管理。因此，合理引导分布式能源用户参与电力市场交易能够有效解决分布式能源的消纳问题[4]。

2017年10月，国家发改委和能源局联合发布发改能源〔2017〕1901号《关于开展分布式发电市场化交易试点的通知》，提出建立一个分布式电力交易平台的必要性，同时允许拥有分布式能源的用户参与电力交易。

2020年9月，国家发展改革委和能源總局联合发布了《关于开展现货电力市场建设试点工作的通知》，明确指出了可再生能源发电本身具有间歇性和波动性的特点，但现货市场的开放能够将各方的实时供需信息及时发送，也将为分布式能源的消纳提供便捷。

1.4  区块链技术发展应用

目前区块链的应用主要涉及银行和支付、人工智能、保险、共享经济、能源管理等领域，相信随着区块链基础技术的不断发展和完善，其应用领域会不断扩展，其巨大潜力逐渐被金融行业、能源行业等领域所认可[5]。基于区块链模式下，可以使电力生产者、售电部门及消费者实现直接联系，利用智能合同来约束三者之间的关系[5]。区块链与分散式虚拟电厂在去中心化、分散协同、区域自治等方面相吻合，比如在分散式虚拟电厂中没有中心控制机构，各DERs通过直接数据交换获取全局信息，然后自主完成本节点的调控运行[6]。

2  可信交易平台构建基础

基于区块链技术，实现储能单元数据、电能交易数据以区块链方式分布式记账储存和可追溯;同时，为了实现基于安全多方计算的隐匿知识共享，研究自组织联盟链，储能需求响应多方根据业务需求获取凭证，选择性多链数据记账;其次，为实现储能充放电需求及分布式储能系统智能化接入的快速响应和自动执行，以及快速交易结算和灵活可靠数据管理，研究储能系统储电/放电交易的智能化合约和分布式账本技术规范;最后，针对多个储能系统的数据模型，开发基于区块链的储能需求响应数据管理和交易结算算法代码，采用token进行生态收益及时结算，在仿真环境中实现算法代码的测试验证。

项目设计一种基于区块链的三层能源交易架构，如表1所示，并引入弱中心化的管理方式，以应对去中心化带来的效率低下的问题，提高区块链处理速度。

3  基于区块链的虚拟电厂可信交易平台设计

3.1  技术架构

该平台从下到上可以分为底层平台层、支撑层、应用层及展示层等几个层级，其技术架构如图1所示。

平台依托于物联网技术，实现与交易中心、上级需求响应平台及储能单元智能管理装置的互联互通。结合应用区块链技术，实现对数据的链式管理和保障交易服务的公正透明。

3.2  应用服务

基于区块链的虚拟电厂可信交易平台对虚拟电厂提供全链条服务，包括系统管理、梯次电池再利用服务、储能运行服务和储能运营服务，平台应用架构如图2所示。

3.2.1  电池利用服务

3.2.1.1  电池全生命周期管理

提供电池全生命周期管理服务，主要包括电池溯源查询等服务，提供退役电池编码溯源，实现来源可查、质量保证等。

3.2.1.2  储能集成服务

交易撮合服务。为电池所有者与系统集成商提供求购和供应多方面撮合方式，达成电池所有者与电池储能建设者的交易撮合。

集成商信息服务。提供退役电池安装、储能集成等信息服务。

案例分享服务。提供电池储能成功案例分享服务，对集成商完成的历史成功案例有更清晰的认识，为集成等服务提供保障。

信息咨询服务。提供电池储能相关政策、法令法规、专家观点等多方面的信息咨询服务。

3.2.2  储能运行服务

3.2.2.1  接入管理

一体化建模。建立储能模型，该模型需适应各种类型储能监视及控制需求。

数据采集处理。对储能系统实时运行数据进行采集存储，主要包括储能系统运行数据、并网点运行数据、逆变器运行数据、电池组监测数据等。

3.2.2.2  能量管理

运行监视。展示储能系统、储能并网点、逆变器、电池组运行关键信息数据，并以可视化手段对以上信息进行形象化展示。

智能告警。实现对电池、储能系统的异常和越界告警，包括电压异常告警（单体过压、欠压告警）、温度异常告警（过温、欠温告警）、电池荷电量低告警等。

3.2.3  储能运营服务

3.2.3.1  智能调度

充放电管理。制定储能在高充低放运行模式下的充放电计划并下发给各个分散储能系统，实现本地系统云策略。

需求响应。代理储能拥有方参与需求响应，用户可在平台查询储能参与需求响应方案建议、设置储能参与需求响应模式、查询需求响应盈利报表等。具体为：

（1）聚合管理。根据用户需求确定储能的参与模式进行储能聚合方式管理并建立聚合模型，对各类分散储能参数数据和运行数据进行整合管理，为储能聚合体参与需求侧响应、调峰调频服务提供基础。

（2）响应能力分析。基于储能运行状态，核算实时需求响应能力，包含响应的时间、各储能站当前响应能力，为策略生成打下基础。

（3）需量申报交互。提供与各个储能站点及储能聚合体参与需求响应的交互接口，在收到响应邀约时确定是否参与本次需求响应并提报响应信息。

（4）需求响应策略管理。综合各储能站响应能力与需量申报信息，根据经济最优、时间最短、参与数量最少等参与模式制定具体响应策略。根据电池储能实际运行情况，分别制定响应速度优先、成本降低优先、容量满足优先等模式下的需求响应分解规则，为需求响应策略优化和策略分解提供基础。

（5）响应执行评价。根据储能实际运行数据，记录储能对需求响应分解策略的执行情况，比如合格率、响应时间等，并对相关数据进行统计分析，为收益管理和运行策略优化提供依据。

3.2.3.2  用户管理

账户管理。提供对账户信息的管理，包括用户注册、用户登录、用户权限管理、用户信息修改以及用户等级修改等服务。

档案管理包括：

（1）用户档案管理。提供用户建档、档案查询、档案修改等服务。储能档案管理：提供储能建档、档案查询、档案修改等服务。

（2）合约管理。对在平台签订的各种交易合同进行全生命周期管理。

3.2.3.3  收益结算

收益管理包括：

（1）充放电收益管理。以储能运行数据为基础，对各类储能单体及聚合体的充放电收益进行阶段核算，并提供同比、环比等对比分析功能。

（2）需求侧响应收益管理。以储能参与需求侧响应的计划数据及实际运行数据为基础，对各类储能单體及聚合体的需求侧响应收益进行阶段核算。

（3）收益分配。根据收益模式及平台与储能、单体与聚合体之间的收益分配原则，进行收益分配核算。

（4）收益报表。形成平台、储能收益报表并推送给各参与主体。

清分结算管理包括：

（1）清分管理。将当日的全部网络交易数据按照各成员行之间本代它、它代本、贷记、借记、笔数、金额、轧差净额等进行汇总、整理、分类。对支付指令进行发送、接收及核对确认，形成全面交换结算工具和支付信息，并建立最终结算头寸。

（2）结算管理。根据交易结果和交易所有关规定对会员交易保证金、盈亏、手续费、交割货款和其他有关款项进行的计算、划拨。

3.3  示范工程接入

南向实现对集中管理的储能单元状态数据实时采集、能量计量及设备控制，北向实现数据上传至虚拟电厂平台及满足本项目的需求响应。储能电站详细接入情况如表2所示。

在储能站形成本地采集、汇总和远程转发的功能模块，站内BMS及PCS的遥测、遥信数据全部接入储能单元智能管理装置，并且通过标准的远动规约统一上传至能量管理平台。

4  结  论

本文主要基于区块链技术设计了一套能源互联网分布式能源下的虚拟电厂交易平台，针对多个储能系统的数据模型，开发基于区块链的储能需求响应数据管理和交易结算算法代码，采用token进行生态收益及时结算，实现分布式能源的高速并网和可信交易。项目研究成果可推广应用在多个场景、多种模式下的储能系统，能够加强储能用户与电网之间的互动，帮助用户提升能量管理安全性和运营效益。

参考文献：

[1] 董朝阳，赵俊华，文福拴，等.从智能电网到能源互联网：基本概念与研究框架 [J].电力系统自动化，2014，38（15）：1-11.

[2] 艾芊.虚拟电厂——能源互联网的终极组态 [M].北京：科学出版社，2018.

[3] 苏南.国网倾力破解高比例新能源消纳难题 [N].中国能源报，2020-09-28（22）.

[4] 郁浩，陆青.泛在电力物联网下基于区块链的分布式资源参与电力市场交易 [J].山东电力技术，2020，47（3）：42-48.

[5] 刘钊.区块链基础技术的特点及潜在应用 [J].数字通信世界，2019（5）：193-194.

[6] 周国亮，李刚.区块链背景下虚拟电厂分布式调度策略研究 [J].计算机工程与应用，2020，56（15）：268-273.

作者简介：李强（1983—），男，汉族，湖北荆州人，研发工程师，本科，研究方向：计算机科学与技术;李冰（1985—），男，汉族，广西贺州人，客户经理，本科，研究方向：储能市场化应用的关键问题常哲铭（1983—），男，汉族，吉林白城人，工程师，本科，研究方向：数据中心供配电系统及储能系统。