基于区块链的产消用户间电力零售模型量化初探

霍雪松，王 岗，吉 斌，昌 力，王黎明，莫 峻

（1.国网江苏省电力有限公司，南京 210024；2.国电南瑞科技股份有限公司，南京 211106；3.广西大学 电气工程学院，南宁 530004）

0 引言

区块链技术具有数据分布式认证、存证、查询和加密的特征，在能源互联的研究中备受关注［1］，也被认为是电力零售交易智能化发展的突破性支撑技术之一。文献［2］基于区块链提出分布式电力交易信用管理共识机制。文献［3］利用区块链技术提出一种弱中心化电力交易的安全校验方式，降低了电力交易数据验证的资源和时间的消耗。文献［4］结合分布式微电网特征，利用双向拍卖机制与区块链技术的电力交易新模式，为配电侧电力零售交易模式提供指导和借鉴。文献［5］在电力市场环境下，结合区块链的去中心特性提出了一种基于电力用户偏好的资源配置方案。以上文章均未明确基于区块链技术怎么与配电侧电力零售交易各环节进行融合，并且未针对配电侧电力零售交易的市场模型进行设计研究，对实际电力零售交易系统的指导作用有限。

本文以现货市场交易机制为基础，结合区块链技术，开展产消用户间的电力零售交易流程和机制设计。首先，结合区块链技术特征，从电力零售交易的时间和内容2个方面将“去中心”电力交易分为5个阶段；其次，从信息、物理2个方面阐述了结合区块链技术的配电侧电力零售交易流程融合方式；然后，针对配电侧电力零售交易和区块链技术特征提出了基于区块链技术的电力零售交易的交易机制、交易方法和效益评估模型。最后，结合算例从买/卖双方交易收益、交易满意度进行去中心电力零售交易的机制和模型验证。

1 去中心电力零售交易过程设计

本文以联盟链为基础，结合区块链技术的共识机制、加密算法、共享账本、智能合约、身份认证以及跨机构认证等技术［2］，构建电力零售交易应用。

1.1 去中心电力零售交易过程

按照区块链的数据生成顺序和实时电力零售交易特征，本文基于区块链技术将去中心电力零售交易流程分为发起、匹配、认证、执行和结算5个阶段。

（1）发起:电力交易初始阶段由发/用电不平衡的产消用户发起不平衡电量交易发布并通过区块链电力交易平台自动全网广播。申报信息按照共识机制和网络协议自动广播至区块链电力交易平台，区块链电力交易平台自动获取并广播的业务数据内容包括:产消用户身份标识（identity document，ID）、交易时间、交易电量、交易电价。

（2）匹配:利用共识机制选出的系统记账节点用户，接收本时段的交易申报和发布数据，按照既定交易匹配算法机制进行交易数据的集中匹配。通过在区块链电力交易平台配置交易匹配约束智能合约，记账节点用户自动调用智能合约将电力交易信息进行匹配，满足约束条件的市场主体按照市场机制分别匹配交易对象、锁定交易时段的配电使用权和发/用电量；接着将匹配成功的交易信息广播至系统所有节点用户。若电力交易匹配不成功，需要电力用户修改报价和电量再次匹配电力交易，直至匹配成功或到达本轮交易的截止时间或匹配轮次上限，停止交易申报，最后直接通过趸售市场进行电量平衡。

（3）认证:针对配电侧电力零售交易匹配的结果，需要进行分布式认证，各区块链的市场主体节点分别调用交易匹配智能合约对交易匹配结果进行验证，投票并生效交易匹配结果。电力零售交易匹配成功的信息需要经过电力零售交易市场主体的系统节点进行分布式签名认证并投票后，匹配结果才可以生效，生效的交易匹配结果调用广播网络机制进行分布式存证。基于区块链技术的电力零售交易应用平台上产消用户通过嵌入区块链底层系统平台的交易匹配智能合约算法自动运算交易申报数据与匹配结果进行对比，结果一致的利用自身私钥进行签名认证操作，各市场主体的认证结果会按照共识机制算法进行收集统计。

（4）执行:配电侧电力零售交易按照交易匹配结果执行电力交易，各产消用户在电力交易约定的开始时刻执行电力交易。电力零售交易的去中心化环境下，交易用户需严格按照合约内容执行，并计量该时段的发/用电数据。区块链电力交易应用平台广播交易执行和系统运行监测的数据，交易执行信息需要在本地对交易订单信息进行校验，对比市场主体之间的交易执行与合同交易电量的偏差量，判定未按照匹配结果执行发用电的市场主体为交易出错的市场主体，按计量数据结算，记录违约信息并按照市场考核机制进行交易考核。

（5）结算:在配电侧电力零售交易结果匹配出清和交易执行认证的基础上进行交易的价值结算。根据结算市场机制编制区块链智能合约并嵌入区块链平台。交易结算时，用户的智能终端自动调用智能合约进行交易结算操作，通过结算数据接口查询链上的交易匹配信息、交易执行数据以及系统运行数据等，按照结算智能合约的算法分别锁定各买方市场主体的账户余额，采用“前推认证”的方式进行交易的价值结算转移，付款节点利用自身私钥签名并后缀收款方的公钥加密，发送至收款节点，收款节点接收加密虚拟货币后，利用自身私钥解密，获得货币拥有权。

1.2 去中心电力零售交易的时间分布

去中心的电力零售交易在时间分布上可以分为交易执行前、执行中、执行后，对应时间阶段如图1所示。去中心化的电力零售交易执行时段从t0到t2，包含信息交互过程和物理-信息融合2个阶段。其中，信息交互过程主要包括交易的发起（需求发布和交易申报）、响应及交易匹配3个部分。配电执行过程中需要进行交易物理约束的验证，并在规定时间范围内由记账节点按照阻塞管理算法自动进行交易匹配调整，满足用户电力交易需求；交易执行阶段为t2至t4时段，卖方产消用户按照交易订单通过控制装置自动执行升压并网或降低本地负荷功率；配网电力系统的电力计量设备实时读取、记录并更新区块链系统平台的配电执行数据信息，直至交易订单执行完毕；配电执行后，产消用户对存储在区块链系统状态数据库的交易数据进行验证、交易结算和转账等操作，完成配电侧的电力零售交易的全流程与区块链技术的融合。

图1 去中心电力零售交易的时间分布图Fig.1 Time distribution of the decentralized power retail transaction

2 去中心电力零售交易架构

去中心化的电力零售交易包括信息层的交易匹配和物理层的交易执行2个部分，如图2所示。用户在信息层交互电力零售交易的业务数据和系统运行数据，配网系统的物理层接收信息层的交易指令执行配网的配电操作，同时监控配网的监控设备实时获取并传回系统运行数据作为交易匹配、执行和结算依据。

图2 去中心电力零售交易信息-物理架构示意图Fig.2 Cyber⁃physical information architecture diagram of decentralized electricity retail transaction system

信息层获取配网系统运行数据，并利用区块链系统平台进行数据处理，输出配网电力零售交易的匹配决策信息。匹配信息共识机制和配电系统规约执行。其中，采集信息为配网系统的操作日志、配电系统拓扑改变参数以及用户的电力申报数据，包括:申报用户ID、电价、时间、配电线路及资金转移信息等。信息层的输出决策信息为电力零售交易信息，包括:交易双方的ID、交易电价、时间、电量以及配电系统配电规划参数等。

产消用户在去中心化电力零售交易平台上进行交易流程操作。首先，用户的电力申报信息被实时采集，根据本地电力市场机制、系统实时参数以及区块链技术的共识机制约束将买卖用户的电力申报信息按照市场交易匹配机制进行本地匹配，匹配完成的交易订单经买卖市场电力产消用户认证之后等生成交易订单，配电按照交易订单执行后再规定时间内进行交易费用结算。执行配电是去中心电力零售交易的物理层完成，需要依据信息层的交易订单信息指令执行并由监控装置返回监测数据。

3 电力零售交易机制与模型

3.1 去中心电力交易机制

面向配电侧社区区域内的去中心化电力零售交易主要是面向产消用户间的实时电量平衡交易，需简易、灵活的电力交易机制作为市场支撑［7］，基于此进行配电侧电力零售交易市场机制的设计。

本文是基于区块链技术开展去中心化电力交易，充分发挥市场作用，故采用“多边申报，多边响应”的交易机制，允许用户间“多对多”的开展交易申报和交易匹配，即一个买方可以向多个卖方购电，一个卖方可以向多个买方售电。产消用户间的交易匹配按“交易价格优先，上报时间优先”的方式将交易列队中买电用户和卖电用户的报价相对差额绝对值最小的用户进行匹配，将买卖双方报价均值作为交易匹配的出清电价。同时，规定购电用户报价只有高于售电报价时，购电报价有效；交易的某一方为出价相同的多主体时，按上报信息的时间排列交易匹配顺序；交易匹配数据经交易双方确认后，生成不可更改的交易订单，验证不通过的交易匹配数据将失效，自动解除交易匹配，重新返回交易匹配的价格列队，修改申报信息并等待匹配。去中心电力零售交易流程如图3所示。

图3 去中心化电力零售交易机制流程示意图Fig.3 Decentralized power retail transaction mechanism flow diagram

3.2 去中心电力交易模型

3.2.1 基于区块链的电力零售交易出清模型

基于区块链技术的电力交易模型算法以智能合约嵌入区块链基础平台，进行交易匹配出清和结算时，自动调用已经实例化的区块链智能合约处理数据。

（1）购售电用户弹性电价计算模型

式中:TB,i(Si,B)、TS,i(Si,s)分别为购/售电用户的弹性电价；Si,B、Si,s分别为用户的购/售电量；St,i为用户i在t时刻的需求电量；为初始电价，一般取上一时段的市场均衡电价；εij为市场的弹性系数，市场活跃度越高，弹性系数越大，反正反之。

（2）用户弹性电价均衡模型

式中:Tzong为交易的综合弹性电价；Qi为市场交易电量；TS,i(Qi)、TB,i(Qi)分别为售、购电用户的弹性电价。

（3）用户意愿电价及其均衡电价模型

式中:Yi为意愿电价；ϖcos,t为分布式发电成本电价；λi用电意愿度，主要与用户用电紧急程度、用电量以及系统不平衡电量情况有关；Yzong、YS,i、YB,i分别为综合意愿电价、售电用户的意愿电价、购电用户的意愿电价。

（4）购电与售电用户的费用出清模型

式中:x1为缺电用户响应自身不平衡电量；β2为环境效益补贴价格；Pproduced为用户分布式自发电量；Q1为电力零售市场主体购售电电量。

3.2.2 配网电力零售交易约束函数

（1）配电线路容量裕度约束

定义配电支路ab的输送容量裕度如式（8）所示，用户间实时电力交易的输电线路容量裕度约束如式（9）所示

式中:Sab为支路ab的当前潮流分布；Pab、Qab分别为支路ab的当前有功、无功；S'ab为支路ab的输电极限；P'ab、Q'ab分别为支路ab的有功极限、无功极限；Pi,B为第i个缺电用户的缺电量；Pj,S为第j个供电用户的供电量；Gab,i为节点i对支路ab的功率转移因子；Y为配网输电线路的集合；为配网支路ab的极限输电容量。

（2）响应用户的响应电量约束要求

式中:Pi为第i个用户响应电量；Pi,min和Pi,max分别为可响应电量的下限和上限。

（3）电量平衡（修正）约束

（4）电力交易修正时间约束

式中:tj为第j轮交易出清修正的时刻；tj,max为第j轮交易出清修正的截止时刻。

3.2.3 社区电力零售交易效益评估模型

针对产消用户而言，分布式电力零售交易需要获得收益和舒适度的需求。售电用户期望获得最大售电收益和用电满意度，如式（13）所示；购电用户期望购电成本最低，同时获得相对满意的用电体验，如式（14）所示

式中:Si、Bi分别为售/购电用户节点i的售/购电期望；Ci,S、Ci,B分别为余/缺电用户i的实际售/购电价格；Pi,S为余电用户i售电量；Pi,B为缺电用户i从外电网购电量；ψ为参与电力零售交易的用户集合；U为购电用户的用电满意度；Ucom、Ueco分别为交易用户的舒适度和经济度；ΔPt为电量不平衡用户t时段的自身响应电量；Pt为用户的最优用电量；ct为用户间电力交易的实际价格；cm为用户并网价格或用户间交易的价格从配网购/售电的指导价（售电价Clow，购电价格Chigh）；α、β分别为舒适度和经济性对满意度的占比，α，β∈［0，1］。

相比于传统用电，用户间电力交易可以避免低价并网，高价购电的现象。买卖双方通过电力零售交易电价与直接与外网交易的相对收益与购售电的期望收益之比，即为用户间电力交易的相对收益。计算方法为

式中:ηbuyer、ηsaller分别为购电用户和售电用户的相对收益率。

4 案例分析

为验证用户间电力零售交易的整体优势，在配网采用如图4 所示的改进IEEE33 节点系统进行模拟交易，其中用户A、C、D、H、G为余电节点，可以向缺电节点B、E、F、M、N、O 提供电力支持，节点W 为售电商，由于与输电网相连，以平衡配网的不平衡电量。利用java 按照正态分布函数产生的随机数，模拟市场主体的购售电的上报信息，购/售电用户上报的交易信息如表1所示。设光伏发电的并网价格为0.4 元/kWh、售电商的售电价格为1.412 元/kWh（计入了碳排放价格0.812元/kWh［6—7］）。

图4 IEEE33节点的改进配电网络图Fig.4 Improved distribution network diagram of IEEE33 nodes

表1 用户上报的交易信息Table 1 Transaction information reported by the users

根据表1中购售电用户上报的电力零售交易的信息（负号表示缺电），结合“交易价格优先，上报时间优先”的电力零售机制可以得出交易匹配列队如图5所示，其中X0为指导价。

图5 买方市场的电力交易匹配队列图Fig.5 Matching queue diagram of electricity transaction in buyer’s market

去中心化的分布式电力零售交易是买方获得低价用电、卖方获得较好的交易收益，如式（15）所示。开展去中心化的分布式电力零售交易，首先根据电力用户申报交易的价格和申报时间为交易匹配的基准，根据市场交易机制对用户申报信息进行匹配；其次，按照交易约束的条件对匹配成功的分布式电力交易进行交易验证，验证模型按式（8）—式（13）进行交易验证，验证通过的交易匹配信息生成交易订单。本文经过交易匹配和约束验证成功的交易有7对电力零售交易，如表2所示。

表2 产消用户间的交易信息Table 2 Transaction information between production and consumption users

算例中，将用户之间的电力交易费用与直接向售电商购/售电的减少/增加量定义为相对收益。用户之间的电力零售交易中，购/售电用户之间的电力交易的费用相对于直接向售电商购买或并网可获得表2所示的相对收益，对应购/售电收益增加率如图6所示。

图6 买卖用户间电力交易的相对收益增加率Fig.6 Relative income increase rate of electricity transactions between buyers and sellers

由图6 可知，相对于售电用户将多余电量直接并网，其通过零售市场的售电经济效益提高了80%以上，售电的收益提升显著；购电用户的购电费用相对于直接向售电商购电减少支出达45%以上。电力零售交易机制的引入可以增加用户的经济效益。所以，在规范的去中心市场环境下买卖双方均可获得较好的经济效益。同时，对于未成功参与分布式电力零售交易市场的电力用户需要通过趸售市场或传统电力并网方式平抑用电需求的波动。

基于区块链技术的电力零售交易可为电力用户反馈实时电力交易的进程和结果。当用户之间开展有限轮的电力交易匹配不成功时，用户接收市场价格信号的调度，响应自身发/用电不平量。减少购买高价电可以降低售电商的电能备用容量，提高购电的经济性。算例中，响应自身发/用电不平衡量可获得收益如表3所示。

表3 用户响应自身所缺电量20%的收益表Table 3 Income statement of prosumer responding to 20%of its electricity consumption元

假设用户的满意度对舒适度和经济性的需求相当，即:α=β=0.5。由式（14）可以得出用户的用电满意度如图7所示。

图7 买方市场的用户购/售电满意度Fig.7 Buyer’s satisfaction with purchase/sale of electricity in the buyer’s market

算例是卖方市场，卖方的售电满意度都在0.9以上，售电用户可以获得较满意的收益。同时，售电用户的满意度略高于售电商的售电满意度2%，主要是缺电用户响应自身不平衡电量降低了售电商的收益，导致其售电满意度低于售电用户；进行用户之间交易的购电满意度高于向售电商购电的用户，由于向其他用户购买低价电，明显提高了购电满意度。

5 结束语

本文将区块链技术引入配网用户之间的电力零售交易，提出一种去中心化的电力零售方案；从配网电力市场发展趋势和用电主体的变化特点出发，传统垂直售电模式将很难适应大规模分布式可再生能源的接入；利用区块链技术的分布式交易数据交互功能，提出一种针对用户开放竞争的配网电力零售市场模式；结合区块链技术和用户的特征，分别探讨了去中心化电力零售一般性机制和约束条件，设计了基于区块链的去中心化电力零售交易系统；对基于区块链技术的用户之间的电力零售交易进行模拟，通过算例分析得出开展用户之间的电力零售交易在经济性和社会效益2个方面都具有明显优势。

应该指出，随着配网电力市场的形成:①用户应具有“弹性”的用电意识，加强自身电力负荷的管理；②电力用户应适当提高储能和类储能负荷设备的用电比重，采取灵活的用电策略；③相关机构应建立和完善配网电力交易制度，实现用户发/用电的权责平衡，提高配网市场化进程。