李彬，張潔，祁兵，李德智，石坤，崔高穎

(1．華北電力大學電氣與電子工程學院，北京市102206;2．中國電力科學研究院，北京市100192;3．國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學研究院，南京市210003)

區(qū)塊鏈:需求側(cè)資源參與電網(wǎng)互動的支撐技術

李彬1，張潔1，祁兵1，李德智2，石坤2，崔高穎3

(1．華北電力大學電氣與電子工程學院，北京市102206;2．中國電力科學研究院，北京市100192;3．國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學研究院，南京市210003)

需求側(cè)資源參與電網(wǎng)互動的主要目的是實現(xiàn)“源－網(wǎng)－荷”的兩端調(diào)節(jié)，保障電網(wǎng)的實時平衡，區(qū)塊鏈技術通過全網(wǎng)記賬的方式及高冗余的信息架構實現(xiàn)安全信息的再現(xiàn)。為保障信息的安全性和可靠性，考慮在智能電網(wǎng)概念模型中的互動方式下，設計一種基于區(qū)塊鏈的供需互動系統(tǒng)架構，提出了一個以區(qū)塊鏈協(xié)議標準為支撐，以信息監(jiān)控、采集、錄入、統(tǒng)計為中心，以需求響應服務器(demand response automation server，DRAS)、負荷集成商、用戶群為框架的一體化信息平臺設計思路。結(jié)果表明基于區(qū)塊鏈的架構系統(tǒng)能實現(xiàn)信息的不可篡改性，使整個系統(tǒng)的安全性不受限于某個中心故障點，從而保障信息的安全性和可靠性。

區(qū)塊鏈;需求側(cè);供需互動;信息安全

0 引言

隨著我國提出以通信平臺為依托，智能技術為手段的“堅強智能電網(wǎng)”概念，“電力流、信息流、業(yè)務流”3個指標的高度一體化的要求，圍繞智能電網(wǎng)展開的通信平臺建立的重要性越顯突出［1］。通信平臺的建立不僅要實現(xiàn)智能電網(wǎng)的主干支撐作用，同時要能確保電網(wǎng)信息監(jiān)控、跟蹤、記錄、回饋、集成、分析、匯總等一系列自動化管理，維持智能電網(wǎng)需求響應(demand response，DR)項目基礎功能的正常施行［2］。因此為了改善早先傳統(tǒng)輸配電方式及信息數(shù)據(jù)交互方式，切實解決電力調(diào)度優(yōu)化配置問題，唯有在智能電網(wǎng)的基礎上大規(guī)模開展電力自動調(diào)節(jié)裝置、監(jiān)控裝置、信息采集裝置的接入，真正實現(xiàn)需求響應管理信息化。中心化管理的絕對安全是以系統(tǒng)內(nèi)部的絕對安全為前提和假設的，一旦出現(xiàn)“內(nèi)鬼”，則所有的安全防護措施將形同虛設，而分布式總賬的方式恰好是利用全網(wǎng)公證的方式來保障每一筆交易的合法性，只要保障系統(tǒng)具有絕對的算力優(yōu)勢，即可以保障系統(tǒng)安全，而且系統(tǒng)具有良好的可追溯性。我國現(xiàn)有與需求響應配套的價格、激勵政策還不夠完善，一旦電力市場以及相應的機制足夠成熟，DR業(yè)務大規(guī)模擴張，將面臨及其復雜的交易規(guī)則和補貼處理，無論是對系統(tǒng)的可靠性、計算能力，均提出了較高的要求。區(qū)塊鏈技術是依托于分布式系統(tǒng)的一種全網(wǎng)記賬的方式，通過壓縮和篩選重復的交易信息，保障信息的準確性［3］。萊德拉資源區(qū)塊鏈包含了金融工具、財務記錄、公共記錄、私人記錄、半公開記錄、物理資產(chǎn)密鑰、無形資產(chǎn)等分類，可以滿足不同行業(yè)的應用需求。在交易過程中可以靈活地編制各種合約，該機制能夠有效滿足電力市場業(yè)務多樣化的需要，在交易過程中可以實現(xiàn)資源托管、擔保、三方仲裁、多重簽名、聯(lián)名交易、延時支付等復雜業(yè)務的控制邏輯［4］。在互聯(lián)網(wǎng)技術的沖擊下，也誕生了眾多新的經(jīng)濟模式，并逐步獲取法律的支持，例如:曾經(jīng)引發(fā)很大爭論的Airbnb和Uber也已經(jīng)獲得了法律層面的援助。2015年10月，美國佛羅里達迪士尼樂園舉行了全球首例在區(qū)塊鏈上記錄的婚姻，并在線公開注冊的區(qū)塊鏈資產(chǎn)。中泰兩國已經(jīng)啟動了基于區(qū)塊鏈的兩國貨幣直接轉(zhuǎn)賬結(jié)算，預計可將傳統(tǒng)的結(jié)算時間縮短 90%以上。2016年11月，美國證券交易委員會明確指出將出臺相關監(jiān)管措施用于保護區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)在存儲以及傳輸環(huán)節(jié)的安全性。隨著智能合約以數(shù)字形式寫入計算機程序代碼中，一旦條件滿足，則自動觸發(fā)執(zhí)行，而無需任何額外承諾的協(xié)議。在互聯(lián)網(wǎng)上的金融體系目前大多還是通過政府、銀行或者第三方參與的支付方式，大多還是通過中心化的方案，將價值從原始地址轉(zhuǎn)移到新的地址，所謂的價值可以是實體資產(chǎn)也可以是虛擬資產(chǎn)，亦或是某些可以移交擁有權的未發(fā)生合同。需求側(cè)資源參于電網(wǎng)互動的主要目的是實現(xiàn)“源－網(wǎng)－荷”的兩端調(diào)節(jié)，保障電網(wǎng)的實時平衡。需求側(cè)用戶除了降低電力需求外，對于具有儲能或者能夠貯存半成品的用戶還可以推遲用電時間以期待獲取更低的價格，而其貯存設備及控制設施的投資成本均需要核算。區(qū)塊鏈支撐用戶自建光伏電站、充電樁等有形資產(chǎn)盈利并促進執(zhí)行能源服務商的合同，在此基礎上可以積累大量的交易數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)，從而可進一步挖掘用戶用能行為、負荷使用規(guī)律、用戶信用指數(shù)等無形資產(chǎn)的管理，為電力金融經(jīng)濟的發(fā)展構造各個層次的應用［5］。利用區(qū)塊鏈構建自動交易網(wǎng)絡需要交易的資源是可量化、單元化的，在實時競價體系中，可根據(jù)外部的環(huán)境變化以及預先設定的閾值條件自動執(zhí)行，通過對資源的分配進行限價和程序化交易。根據(jù)現(xiàn)有的售電側(cè)改革政策以及需求響應技術發(fā)展趨勢分析，未來開展關于發(fā)電側(cè)、輸配側(cè)以及用電側(cè)整體框架平臺的建設亟待完成。隨著參與電力交易的需求側(cè)資源數(shù)量、類別不斷增多，迫切需要建立一個通用的底層信息交互架構，以信息監(jiān)控、采集、錄入、統(tǒng)計為中心，保障電網(wǎng)企業(yè)、能源聚合商、能源服務商、用戶群之間的互動以及交互，而區(qū)塊鏈作為信息領域的革命性技術可以有效支撐電力企業(yè)實現(xiàn)跨越式發(fā)展。

1 需求側(cè)資源參與電網(wǎng)互動的技術需求

1.1 國外需求側(cè)資源互動實踐分析

在智慧能源管理方面，國外發(fā)展較快，而且已經(jīng)初步形成了商業(yè)模式，但在不同國家、不同區(qū)域，其應用方式均不相同［6-8］。紐約卓越能源公司(absolute energy，AE)針對需求側(cè)資源參與電網(wǎng)互動設計了專業(yè)的能源管理項目，可以確定在緊急情況下通過需求側(cè)資源互動可以減少多少電力負荷，同時還可以輔助確定利用現(xiàn)場發(fā)電基礎設施進一步降低對公共系統(tǒng)使用的需求。AE為此開發(fā)了一系列用戶可以在緊急情況下應用的具體措施，并根據(jù)公布的結(jié)算價格以及需求側(cè)資源在參與項目時承諾的進度情況支付報酬。當緊急需求響應項目被激發(fā)時，可以向AE申請額外報酬。即使沒有全額完成所承諾的削減量也沒有經(jīng)濟懲罰，還可以根據(jù)實際的削減量來支付報酬。針對可能出現(xiàn)的電力短缺情況，AE會提前1天發(fā)出公告，至少在實際響應發(fā)生之前21 h內(nèi)讓滿足要求的需求側(cè)資源收到。對于緊急需求響應項目，AE會提前2 h通知。緊急需求響應方案每年最少2次測試，1次測試持續(xù)1 h。實際的緊急情況一般會持續(xù)1～4 h。如果緊急情況持續(xù)超過4 h，則需求側(cè)資源可以選擇響應，也可以選擇不響應。對于用戶來說，參與這個項目無須支付任何費用。但必須安裝計量設備，并且將計量數(shù)據(jù)授權給供應商。

南加州愛迪生公司(Southern California Edison，SCE)重點考慮的則是夏天的用電需求對電網(wǎng)所造成的負擔。所設計的DR項目規(guī)則是，只要用戶允許SCE遠程控制空調(diào)設備，即可在每年夏天獲得高達200美元的賬單積分獎勵。賬單積分是基于當前的電費率、空調(diào)設備規(guī)格、所選計劃及用電量計算的。積分是按每部空調(diào)設備的實際和準確的電流量計算，夏季折扣計劃(summer discount plan)賬單積分從6月1日至10月1日自動套用至月賬單上，SCE循環(huán)記錄空調(diào)設備的運行數(shù)據(jù)并進行檢核，而賬單期則由裝置啟動開始。一旦用戶參與夏日折扣計劃，在用電高峰期的“能源活動”或緊急事故中，SCE會遠程控制對應注冊的空調(diào)設備，每天不超過6 h。SCE將為用戶提供并安裝相應的裝置，在能源活動進行中遠距離控制相關設備。夏天折扣計劃有多個選擇項目:“標準型”的設計目標是降低用戶的開銷;“豁免型”給您每年高達5次豁免參加能源活動的機會，是靈活性的響應項目。超節(jié)省型折扣計劃中空調(diào)每天可關閉長達6 h，針對標準型，那么可最高節(jié)省200美元;如果選擇的是豁免型，節(jié)省最高100美元。超舒適型折扣計劃中空調(diào)每半小時關閉15 min，1天可最高關閉6 h，針對標準型，可最高節(jié)省100美元;如果選擇的是豁免型，節(jié)省最高50美元。

為了能夠更加有效地進行系統(tǒng)運行的管理，可以構建基于用電峰值需求分析專家經(jīng)驗管理系統(tǒng)的方法，通過該方法有助于分布式電站負荷的削減量，通過降低生產(chǎn)或者饋線的需求滿足用電服務地區(qū)中央負荷調(diào)度中心的需求。需求縮減量的分配量化主要考慮DR業(yè)務系統(tǒng)中每個分布式電站的潛力和優(yōu)先級，充分評估分布式電站的業(yè)務負載水平。根據(jù)每個子系統(tǒng)的能力、負荷率、客戶類型(住宅/商業(yè))以及負荷類別(可配置負荷、可中斷負荷或重要負荷)設定優(yōu)化策略。利用層次分析法模型實現(xiàn)負荷削減量分配的復雜決策過程，利用專家系統(tǒng)輸入目標和參數(shù)，可以在滿足削減高峰負荷需求水平條件下實現(xiàn)負荷削減量的有效分配。

1.2 需求側(cè)資源提供電力輔助服務的可行性

目前，負荷完全參與電網(wǎng)的調(diào)度運行尚且存在一定的技術差距，已經(jīng)有相關的研究人員開展了關于負荷參與電力輔助服務的潛力分析工作，然而大多停留在概念階段或者只是針對特定的負荷進行了設計［9］。絕大部分的文獻所關注的只是需求響應資源參與傳統(tǒng)電網(wǎng)的峰值管理或者是價格響應需量。對于參與輔助服務的DR資源而言，其在響應速度與控制準確度方面的技術性難度更高，而且也不僅只是在電網(wǎng)出現(xiàn)高峰時才開始執(zhí)行，而是隨時進行的常態(tài)化控制［10］。作為電網(wǎng)企業(yè)，其首要職責便是實現(xiàn)電源與負荷間的實時平衡，但是在短時間內(nèi)，可能會出現(xiàn)諸如大型發(fā)電機組或者主干輸電線路故障的緊急事件。區(qū)別于電力市場中的傳統(tǒng)能源產(chǎn)品，輔助服務所關注的核心內(nèi)容并非是電量值，而是瞬時的電力補充和平衡，其中包括有功和無功的快速響應。輔助服務的主要內(nèi)容包括:調(diào)節(jié)備用(平衡區(qū)域的響應誤差)、應急備用(應對緊急事件)、彈性備用(應對大規(guī)模風電、光伏不確定性)［11-12］。

對于大型互聯(lián)電網(wǎng)而言，快速市場調(diào)節(jié)的需求通常為1%左右的負荷，小型系統(tǒng)的負荷調(diào)節(jié)需求量會高一些［13］。由于風電和光伏的不確定性，在分布式能源滲透率較高區(qū)域的調(diào)節(jié)需求會更高一些。通常，電網(wǎng)緊急事件的處理不能完全依賴于用戶參與的輔助服務市場來實現(xiàn)。以加州為例，電網(wǎng)的規(guī)劃與運行管理是通過獨立系統(tǒng)運營商的平衡監(jiān)管區(qū)(balancing authority area，BAA)來完成的，其負荷調(diào)節(jié)量占5%～7%，并且要求半數(shù)以上為旋轉(zhuǎn)備用［14-15］。為了能夠更好地支撐電力輔助服務，需要定量分析參與用戶、用戶聚合體的負荷運行規(guī)律、可用性，從而準確評估其對電力輔助服務的貢獻，從而支撐電網(wǎng)公司的調(diào)度決策。輔助服務的價值與費率、采購過程密切相關，在不同的地區(qū)往往具有不同的表現(xiàn)，電力企業(yè)也可以選擇采用自己的基礎設施提供輔助服務。隨著電力體制的改革，未來在批發(fā)市場中的輔助服務價格通常會受到投標價格和機會成本影響。DR參與負荷削減項目每年大約執(zhí)行10～15次，每次4～8 h。相反，如果將DR作為調(diào)節(jié)型輔助服務，幾乎每周，甚至每日都要執(zhí)行，每次平均持續(xù)時間也就是10 min，最長不會超過30 min。相比出現(xiàn)頻率較低、持續(xù)時間較長的負荷削減項目，DR用戶更愿意參加短期的調(diào)整服務。需求側(cè)資源參與不同類別項目時，需要考慮其具體的差異，因此在IEC 62746的標準框架下應當擴充與需求側(cè)資源參與電網(wǎng)互動的項目信息傳遞［16］。圖1給出了在IEC62746框架下虛擬頂端節(jié)點(virtual top node，VTN)與虛擬終端節(jié)點(virtual end node，VEN)之間的信息交互，通過底層的協(xié)議支撐實現(xiàn)交互雙方的共識。

圖1 IEC 62746框架下的需求側(cè)資源交互服務Fig.1 Demand side resource interaction service under IEC 62746 framework

我國DR作為電力輔助服務資源，可以隨時參與電網(wǎng)發(fā)布的項目，目前缺少的是商業(yè)模式，一旦商業(yè)模式成熟、補貼到位，用戶將具有很高的參與意愿。輔助服務是為了保障電力系統(tǒng)運行安全以及供電可靠性所用的服務，包括自動發(fā)電控制(automatic generation control，AGC)、系統(tǒng)備用容量、無功控制、電壓控制、黑啟動等。其中有償輔助服務涉及不同參與實體間的市場運行機制以及必要的資金流結(jié)算方式［17］。以澳洲電力市場為例，發(fā)電商與用戶可簽訂套期保值合同，雙方完全根據(jù)市場的實施報價進行補償，通過結(jié)余拍賣等形式促進區(qū)域間的交易［18-19］。輔助服務分為統(tǒng)一型(如英格蘭、威爾士，細分為強制性服務、商業(yè)服務)、投標型(新西蘭、澳大利亞)、雙邊合同型等?？紤]到不同的機組提供的輔助服務能力、所承擔的輔助服務任務、其單位成本也不盡相同，因此在結(jié)算時具有較為復雜的運算邏輯，若能采用分布式總賬的方式，記錄不同類別機組的操作，并且實時對照機組運行情況、標定值等信息，則可以實現(xiàn)更為精細的管理方式，為全面市場化運營提供支撐。目前，輔助服務市場成熟的國家包括:英格蘭、威爾士、加州輔助服務市場。

在電力系統(tǒng)經(jīng)濟學領域，輔助服務的銷售可作為除了電能銷售以外的增值型服務業(yè)務，而在實際操作過程中，發(fā)電機若提供旋轉(zhuǎn)備用或無功支持，則必須開機提供最小的發(fā)電出力。若其達到最大發(fā)電出力，則無法進一步提供備用容量［20］。許多需求響應資源在技術上能夠為電力系統(tǒng)提供輔助服務［21］。在某些特定的情況下，需求響應資源可以比發(fā)電機組更好地調(diào)節(jié)服務，因為需求側(cè)用戶負荷的削減速度往往比調(diào)用大型發(fā)電機組速度更快，所以對具備需求響應能力的用戶經(jīng)濟價值及對電力系統(tǒng)的影響進行量化分析，有助于提升電網(wǎng)企業(yè)的安全穩(wěn)定運行［22-25］。

2 區(qū)塊鏈的技術支撐條件

2.1 基于區(qū)塊鏈的供需互動系統(tǒng)架構

在我國提出的建成堅強智能電網(wǎng)平臺大背景下，需要需求響應的應用研究，需要考慮根據(jù)現(xiàn)行的用電信息管理系統(tǒng)、監(jiān)視控制與數(shù)據(jù)采集以及已經(jīng)布署的電力信息平臺［26］。結(jié)合開放式自動需求響應協(xié)議(OpenADR)中的規(guī)定可設置集配電側(cè)、發(fā)電側(cè)及用電側(cè)的一體化平臺，信息交互及信息采集設計是后續(xù)平臺設計的基礎［26-29］。互聯(lián)網(wǎng)技術誕生伊始，TCP/IP作為互聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模擴展應用的基礎，能夠保障互聯(lián)設備間的互通，其作用是至關重要的。為了保障信息傳遞的可靠性，最簡單的實現(xiàn)方法就是通過中心控制的技術手段，通過地域、物理上的隔離，保障信息的安全性和可靠性，而這些也正是限制電網(wǎng)信息系統(tǒng)發(fā)展的致命因素。研究學者將互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歸結(jié)于分組數(shù)據(jù)傳輸分布式人工智能以及無中心化等技術［30］。

區(qū)塊鏈中的工作量證明機制引入了對特征值掃描的步驟，隨著時間的推移，求解特征值所需的工作量將呈指數(shù)上升，然而檢驗過程僅僅需要1次哈希運算［31］。正反向運算的不對稱，提高了系統(tǒng)被攻擊的難度，通過CPU資源耗費構建了工作量證明機制。區(qū)塊鏈的發(fā)明者中本聰已經(jīng)從數(shù)學上證明了破解系統(tǒng)成功最大的概率是在交易開始時發(fā)動攻擊，否則后續(xù)其成功概率將按照指數(shù)分布衰減［32］。在供需互動業(yè)務中，將涉及到眾多實體之間的互動，除了需要建立一套完整的可追溯交易體系外，還需為每一筆參與交易的資金(如:專項資金補貼、合同違約罰款等)的結(jié)算進行監(jiān)管。資產(chǎn)、合約的可編程特性能夠支撐供需互動信息服務模式的開展，而激勵政策、成員管理則有助于提升業(yè)務實現(xiàn)的靈活性。區(qū)塊鏈所具有的共識機制、安全機制、存儲通信管理可全面支撐供需互動的開展，其技術架構如圖2所示。

圖2 支撐供需互動服務的區(qū)塊鏈底層技術框架Fig.2 Bottom chain technology framework for supporting supply and demand interactive services

應用層與行業(yè)應用相關，與具體執(zhí)行的業(yè)務交易相關，在不同領域應用方式差異較大，主要體現(xiàn)在交易的信息差異上。中間層解決的是應用程序接口、行業(yè)平臺服務、大數(shù)據(jù)分析、憑證發(fā)行與驗證。在底層則通過區(qū)塊鏈基礎協(xié)議、平臺路由、基礎算法等支撐。比特幣是目前基于區(qū)塊鏈技術的最大規(guī)模的應用，破解比特幣全網(wǎng)記賬功能需要完成SHA256求解，截止于 2016年，比特幣所形成的區(qū)塊鏈已經(jīng)具有400 PFLOPS的算力，是我國天河二號超級計算機的12倍［33］。在能源領域，區(qū)塊鏈能夠應用于能源供需互動領域的主要原因是受益于區(qū)塊鏈的智能合約技術，通過該合約甚至可以實現(xiàn)智能電表與區(qū)塊鏈之間數(shù)據(jù)的無縫對接。能源領域的互動依賴于復雜的交易和結(jié)算系統(tǒng)，而完善的電力市場中往往存在著數(shù)量不菲的限制規(guī)則，通過區(qū)塊鏈技術能夠精簡能源分配、交易各個環(huán)節(jié)的步驟，降低中間機構所帶來的額外費用。

2.2 多級交互條件下的區(qū)塊鏈支撐

在智能電網(wǎng)概念模型中的互動方式下，電網(wǎng)側(cè)可通過服務器實現(xiàn)對用戶的整體協(xié)調(diào)，基本保證響應過程的自動化?？紤]到信息技術發(fā)展速度較快，需求側(cè)供需互動系統(tǒng)可采用面向?qū)ο蟮姆椒?，通過插件化模塊組織方式實現(xiàn)各功能模塊等。利用面向?qū)ο蠹夹g提供的各種概念和技術組織代碼，實現(xiàn)系統(tǒng)的重要功能，控制開發(fā)的復雜性。在考核評級中用戶可主動參與到電網(wǎng)側(cè)的業(yè)務評級中，對電網(wǎng)側(cè)提供的需求響應業(yè)務給出實際評價的互動?？山⒁粋€以區(qū)塊鏈協(xié)議標準為支撐，以信息監(jiān)控、采集、錄入、統(tǒng)計為中心，以需求響應服務器(demand response automation server，DRAS)、負荷集成商、用戶群為框架的一體化信息平臺。從業(yè)務信息下發(fā)、業(yè)務監(jiān)控、信息采集等方面考慮設計。實時地跟蹤用戶行為，并且提高信息的交互，定性分析用戶行為特征以保持用戶更加便利地參與到電網(wǎng)調(diào)度中?；趨^(qū)塊鏈技術的互動服務平臺，還可實現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)規(guī)劃調(diào)度、經(jīng)濟分析、用戶評估、行為預判等功能，在所有的交易和結(jié)算以及常規(guī)化的操作中，所有參與實體均無需獲知對方的真實身份，只需要具有簽名的授權即可。真正的體現(xiàn)智能電網(wǎng)信息化、自動化、標準化，為智能電網(wǎng)的后續(xù)研究和開發(fā)設計提供可參考意見，可極大提高電網(wǎng)配電側(cè)及用電側(cè)的需求響應信息化，實現(xiàn)真正的實時無縫互聯(lián)，提高未來智能電網(wǎng)的工作效率和服務質(zhì)量［7］。

考慮到需求側(cè)資源參與電網(wǎng)互動過程中，涉及電網(wǎng)企業(yè)、能源服務商、聚合商、監(jiān)管機構、能量管理系統(tǒng)(energy managementsystem，EMS)等實體，區(qū)塊鏈基礎架構的作用是要保障在互動環(huán)節(jié)中各個實體間信息交互的信息完整性、身份可識別性、操作不可抵賴性等，可在不同操作環(huán)節(jié)中設定監(jiān)測點，針對具體的應用場景，提取信息導入核心技術組件進行分析，如圖3所示。

圖3 多級聚合結(jié)構下的區(qū)塊鏈技術支撐Fig.3 Block chain technology support under multi-stage aggregation structure

從工業(yè)經(jīng)濟到計算經(jīng)濟時代的轉(zhuǎn)變，使得傳統(tǒng)金融行業(yè)的信用成本正在悄然降低，以鋼筋水泥為標志的銀行信用體系已經(jīng)開始逐步被依托于數(shù)據(jù)的區(qū)塊鏈信用所取代。保障分布式電源供應側(cè)履行合同義務、用戶按時付款，可采用全分布式記賬的方式管理能源交易市場的信用評級。以哥倫比亞輔助服務市場為例，系統(tǒng)調(diào)度員負責根據(jù)發(fā)電商每小時提供的AGC容量及價格，確定AGC備用容量的供應商。該容量及報價信息在基于區(qū)塊鏈的系統(tǒng)中會自動加蓋時間戳并進行加密，錄入賬本，形成分布式總賬鏈條的一環(huán)。該交易記錄可以被保存在電力公司的私有鏈，若數(shù)據(jù)或交易被篡改，則編碼也會發(fā)生變化。因此，在攻擊者算力不足時，是無法偽造真實交易的。采用完全分布式的數(shù)據(jù)管理方式，可以通過公開透明、不可更改的方式打造龐大的信任體系，降低在供需互動服務開展過程中的價值交換成本。

3 實際應用中面臨的問題

需求側(cè)資源在參于電網(wǎng)輔助服務時均會受到較大的限制，除了技術問題外，DR潛力的發(fā)揮可能受很多因素的限制，如提供輔助服務的代價升高、提供DR起輔助服務的收益降低、零售用戶的限制加入、被排除在特定項目之外的負荷等等。傳統(tǒng)的輔助服務主要是由發(fā)電機組提供的，所登記的信息也只是發(fā)電機組的物理特性。此外，參與輔助服務所需的基礎設施投資回報也是一個重要的考慮因素。監(jiān)管者也在輔助服務提供商與電網(wǎng)企業(yè)之間猶豫不決，隨時可能會制定排斥非電力企業(yè)的服務提供商或者強制要求購買DR資源作為輔助服務的調(diào)節(jié)手段。

在選擇需求側(cè)參與輔助服務的資源時，需要對負荷的能力進行評估。DR響應能力主要是由負荷的可調(diào)度靈活性決定的，該參量既是負荷的可操作特性，又是負荷在操控過程中的限定條件。用戶負荷的DR能力與季節(jié)因素、天氣因素密切相關，同時還與負荷的類別、用戶的使用方式相關。負荷集成商的性能表現(xiàn)主要依賴于所聚合的資源類別，特別是對于小型的負荷，相對于大型生產(chǎn)企業(yè)可能會具有更重要的意義。單一的大用戶在接收到需求響應信號時，其響應行為往往是0與1的區(qū)別，而該行為對電力系統(tǒng)的可控性影響較大。對于聚集大量用戶的負荷集成商而言，眾多負荷會同時受到來自于電網(wǎng)企業(yè)的指令，雖然單個用戶的行為具有一定的隨機性，但聚合后的用戶其行為特征往往存在統(tǒng)計規(guī)律，從電網(wǎng)調(diào)度的角度考慮，其響應行為相比單一用戶更加穩(wěn)定可靠。柔性負荷的調(diào)控主要依托于用戶負荷的可削減、可轉(zhuǎn)移、可存儲特性，這里存儲是指除了常規(guī)的電能存儲外，還包括了冷熱量的存儲。負荷作為DR響應資源，其特性根據(jù)工業(yè)、商業(yè)、居民用戶類別不同有所不同，根據(jù)負荷特性可以形成不同類別的輔助服務產(chǎn)品。不同輔助服務類別主要在資源響應速度、響應時長、爬坡時間、調(diào)用頻次等參數(shù)上有所不同，如表1所示。

表1 用戶參與輔助服務市場中的不同產(chǎn)品類型Table 1 User participation in different types of ancillary services market

針對上述產(chǎn)品類別，需求側(cè)資源在參與電網(wǎng)互動時，需要建立自身負荷或者所管轄負荷的特性模型，并與現(xiàn)有電力市場中的產(chǎn)品類型進行匹配和關聯(lián)。根據(jù)用戶的負荷曲線，可以設定典型過濾標準，包括負荷的削減性、控制性、意愿性。削減性主要和終端用戶設備的物理特性相關，控制性則是由負荷的控制系統(tǒng)所決定的，意愿性是由用戶屬性決定，如居民用戶的舒適度、企業(yè)員工的工作計劃等，接受性受個體影響較大，其規(guī)律目前尚未被揭示，因此該部分是最難評估的。在很多已有的文獻中，二者是放在一起統(tǒng)計建模的。受限于目前的技術條件，在評估DR特征時只能充分利用現(xiàn)有的文獻資料，結(jié)合部分DR用戶數(shù)據(jù)、規(guī)劃文檔、示范工程執(zhí)行情況等進行評估。根據(jù)勞倫斯伯克利實驗室的研究報道，一般的商業(yè)樓宇的臨時性負荷削減潛力大約在25%～33%。負荷可調(diào)度靈活性Fl，p(t)是與時間、特定的負荷類別以及參與服務的類型密切相關的，具體可以表示為

式中:Sl，p(t)，Cl，p(t)，Al，p(t)分別表示用戶負荷的削減性、控制性、意愿性，在此基礎上考慮到用戶所特有的負荷曲線Ll，p(t)，可以得到用戶的DR潛力為

目前評估方法最大的問題在于用戶的實時用能數(shù)據(jù)是很難獲得的，在很多情況下僅能通過理想的數(shù)學模型或者15 min的采樣數(shù)據(jù)估算。實際上，輔助服務的成本是與發(fā)電機組的限制密切相關的，在收到調(diào)度指令時，爬坡率與操作限制共同決定了發(fā)電機組的能力。只有部分機組安裝或啟用了AGC單元作為調(diào)節(jié)，因此在仿真模型中可以假定所有機組都具有部分比例可調(diào)節(jié)即可。

在區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)記錄更新時，也需要全網(wǎng)范圍內(nèi)進行廣播，由每個接收節(jié)點對該信息進行檢驗并執(zhí)行共識算法，然而當網(wǎng)絡規(guī)模擴大后，全網(wǎng)廣播的實現(xiàn)成本較高，因此未來可以采用分區(qū)域的支鏈認證方式，最終合并到總賬鏈條上?？紤]到區(qū)塊鏈技術的應用是定位于互聯(lián)網(wǎng)的統(tǒng)一賬本服務，在具體推廣時還有諸多問題亟待解決。本文結(jié)合需求側(cè)資源參與電網(wǎng)互動服務以及現(xiàn)有的區(qū)塊鏈技術發(fā)展趨勢，提出了未來該部分工作所需要的標準化支撐，如圖4所示。

在區(qū)塊鏈的大規(guī)模部署過程中，仍然存在大量可以進行優(yōu)化的地方，比如在區(qū)塊生產(chǎn)制造的過程中，需要引入大量的算力競爭，存在大量的計算資源與電力資源的耗費。在區(qū)塊鏈技術發(fā)展初期，參與實體數(shù)量不多的情況下，超過51%的算力很容易滿足，尚且存在著風險交易的可能性。由于電力企業(yè)目前的信息化系統(tǒng)大多與外界隔離，在實際的行業(yè)應用及推廣過程中，很難在短時間內(nèi)讓相關企業(yè)開發(fā)其使用權限。因此，在短期內(nèi)，可以通過公鏈+私鏈的共同運營模式，通過內(nèi)部大量的集群算力保障網(wǎng)絡的絕對計算優(yōu)勢，適當引入公鏈參與，當形成規(guī)模化網(wǎng)絡后，再逐步放開。

圖4 基于區(qū)塊鏈的標準體系框架建議Fig.4 Recommendation of standard system framework based on block chain

4 結(jié)語

基于區(qū)塊鏈架構的系統(tǒng)的優(yōu)勢主要在于信息的不可篡改性，而且整個系統(tǒng)的安全性不受限于某個中心故障點，即便出現(xiàn)一批故障點，仍然能夠保障網(wǎng)絡上的信息安全。傳統(tǒng)交易環(huán)節(jié)中的信息發(fā)送、記賬、交易、清算、結(jié)算、對賬等將直接轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸Ц都唇Y(jié)算”的方式。需求側(cè)資源參與電網(wǎng)互動是智能電網(wǎng)及信息技術發(fā)展下的新型應用，可為整個能源領域帶來積極效應。然而，該技術在未來如何融入現(xiàn)有的能源體系，在最小化影響現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎上部署，仍然是一個復雜的課題，目前無論在產(chǎn)業(yè)上還是學術界均為達成共識。后續(xù)需要針對如何實現(xiàn)系統(tǒng)平滑過渡，逐步介入能源領域開展更深層次的研究，從而避免技術發(fā)展過程中處于監(jiān)管沖突和嚴重安全性妥協(xié)的兩難境地。

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(編輯 張媛媛)

Block Chain:Supporting Technology of Demand Side Resources Participating in Grid Interaction

LI Bin1，ZHANG Jie1，QI Bing1，LI Dezhi2，SHI Kun2，CUI Gaoying3

(1．School of Electric and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China; 2．China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China; 3．State Grid Jiangsu Electric Power Research Institute，Nanjing 210003，China)

The main purpose of demand side resources participating in power grid interaction is to achieve both ends of the‘source-network-load’regulation，and ensure the real-time balance of power grid．Block chain technology is a kind of network accounting approach based on the distributed system，and the information architecture with high redundancy can realize the reproduction of safety information．In order to ensure the security and reliability of information，this paper designs the system architecture for the interaction between supply and demand based on the block chain with considering the interactive mode in the smart grid concept model，and proposes a design idea of integrated information platform，which takes a block chain protocol standard as support，information monitoring，collection，input，statistics as the center，demand response automation server(DRAS)，load integrator and user group as framework．The results show that the architecture system based on block chain can make the information cannot be tampered，and the security of the whole system is not limited to a central point of failure，which can ensure the security and reliability of information．

block chain;demand side;interaction between supply and demand;information safety

TM 76

A

1000－7229(2017)03－0001－08

10.3969/j．issn.1000－7229.2017.03.001

2016-12-23

李彬(1983)，男，博士，副教授，主要從事智能用電、自動需求響應技術方面的研究工作;

張潔(1993)，女，碩士研究生，研究方向為電力信息通信相關技術;

祁兵(1965)，男，教授，博士生導師，主要從事電力節(jié)能、自動需求響應相關技術研究工作;

李德智(1982)，男，碩士，工程師，從事智能用電、需求響應、能效管理方面的研究工作;

石坤(1984)，男，工程師，研究方向為能效與智能用電技術;

崔高穎(1980)，女，博士，高級工程師，主要研究方向為電力信息化和智能用電技術。

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFB0901104);國家電網(wǎng)公司科技項目(YD71－14－002)

Project supported by National Key Research and Development Program of China(2016YFB0901104)