甘萌瑩

（華北電力大學(xué)，河北 保定 071003）

0 引 言

傳統(tǒng)的集中式交易中心面臨諸多問題，如成本高、效率低、公平性和透明性不高、安全風(fēng)險(xiǎn)大等。因此，需要尋求一種去中心化的交易管理方式，降低成本，實(shí)現(xiàn)電力交易的自主管理，保障信息的安全性。由中本聰提出的區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心化、智能合約化、透明公開化、不可偽造等顯著優(yōu)點(diǎn)，能極大程度地解決采用傳統(tǒng)集中式交易中心機(jī)制的問題，并很好地適應(yīng)電力市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。

本文提出了一種基于智能合約的“源儲(chǔ)網(wǎng)荷”本地能源微網(wǎng)交易模型，旨在響應(yīng)國(guó)家政策號(hào)召，為將區(qū)塊鏈技術(shù)初步應(yīng)用到分布式能源市場(chǎng)化交易試點(diǎn)提供更具體的思路。文中先介紹了智能合約在本地能源微網(wǎng)中的應(yīng)用流程，建立了基于智能合約的分布式發(fā)電和儲(chǔ)能相結(jié)合的“源儲(chǔ)網(wǎng)荷”本地能源微網(wǎng)交易模型。在電力交易過程中，當(dāng)分布式發(fā)電機(jī)供電能力盈余時(shí)，充分利用優(yōu)越的環(huán)境條件，將多發(fā)的電能傳入儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)備；當(dāng)供電緊張時(shí)，儲(chǔ)能裝置與DG向客戶并行輸電的方案。接著對(duì)該方案的智能合約設(shè)計(jì)過程做了較為詳細(xì)的說明。

1 基于智能合約的“源儲(chǔ)網(wǎng)荷”本地能源微網(wǎng)交易模型設(shè)計(jì)

分布式光伏分布是較低的電壓等級(jí)發(fā)電方式，不適宜先升壓后降壓的遠(yuǎn)距離傳輸，必須本地銷納。由于分布式能源往往具有較大的波動(dòng)性，大量可再生能源分布式電源的接入會(huì)加速配網(wǎng)對(duì)于儲(chǔ)能的需求。分布式發(fā)電結(jié)合儲(chǔ)能裝置的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)，不僅能平滑負(fù)荷曲線，起到DG（分布式發(fā)電機(jī)）無法工作時(shí)的過渡作用，還能在風(fēng)力、光照過剩的情況下儲(chǔ)存大量的能量，以供自由調(diào)度和隨時(shí)的電力交易獲得極大收益。因此，提出了基于智能合約的“源儲(chǔ)網(wǎng)荷”本地能源微網(wǎng)的交易模型。

1.1 智能合約

智能合約是結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)的一種可信任的預(yù)言機(jī)制。交易雙方可以針對(duì)交易協(xié)商設(shè)定具體合約條目，并通過區(qū)塊鏈形成智能合約，在智能合約中規(guī)定合約中每一方需要履行的義務(wù)和合約執(zhí)行的判定條件。區(qū)塊鏈系統(tǒng)對(duì)合約執(zhí)行條件自動(dòng)判斷，當(dāng)所有判定條件都滿足時(shí)，區(qū)塊鏈系統(tǒng)將自動(dòng)強(qiáng)制執(zhí)行合約條款，然后程序按照合約條款來分配釋放和轉(zhuǎn)移資金，且只有合約到期才可以使用這筆資金。

一個(gè)智能合約是一套以數(shù)字形式定義的承諾，而這些承諾指的是合約參與方統(tǒng)一的權(quán)利和義務(wù)。以一個(gè)銷售合約為典型例子，賣家承諾發(fā)送貨物，買家承諾支付合理的貨款。這個(gè)交易中包含了一個(gè)“IF-THEN”語句，即如果賣家發(fā)貨，買家就付款。只要條件觸發(fā)，這個(gè)合約的執(zhí)行就是個(gè)自動(dòng)的過程，不需要人監(jiān)督，也無從抵賴，不僅提高了合約執(zhí)行的效率，更在沒有強(qiáng)有力的第三方監(jiān)督下有效保障了合約的執(zhí)行。

1.2 基于智能合約的“源儲(chǔ)網(wǎng)荷”本地能源微網(wǎng)交易模型

1.2.1 模型準(zhǔn)備

（1）智能電表

運(yùn)用智能電表實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集是保障合約正常執(zhí)行的基礎(chǔ)，需要完成采集的信號(hào)包括三相電壓、三相電流、頻率、功率、功率因數(shù)和電度等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理主要是把按要求采集的電參量實(shí)時(shí)準(zhǔn)確提供給智能合約判據(jù)，使智能合約能夠自動(dòng)根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)判斷是否滿足合約各項(xiàng)條件而執(zhí)行合約。智能合約直接或間接將用戶節(jié)點(diǎn)連接起來，以便進(jìn)行交互。

（2）儲(chǔ)能

DG（分布式發(fā)電機(jī)）發(fā)電受太陽(yáng)能、風(fēng)能等自然因素的影響較大。由于這些自然因素的不可控性，常常存在“棄光”“發(fā)電利用小時(shí)數(shù)持續(xù)降低”的現(xiàn)象。更嚴(yán)重的是，DG電能的不穩(wěn)定性對(duì)電網(wǎng)電能的質(zhì)量和電網(wǎng)的安全運(yùn)行也將造成影響。而儲(chǔ)能技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)電能的時(shí)空平移，將DG高出力轉(zhuǎn)移到其他時(shí)段。可從三方面概括結(jié)合儲(chǔ)能對(duì)本地微網(wǎng)系統(tǒng)帶來的好處：對(duì)系統(tǒng)起穩(wěn)定的作用、在DG單元不能正常運(yùn)行的情況下起過渡作用以及能在特定的時(shí)間提供所需的電能。儲(chǔ)能越多，調(diào)度越自由，DG單元擁有者將可以獲取更多的經(jīng)濟(jì)利益。

1.2.2 模型構(gòu)建

假設(shè)處于該“源、儲(chǔ)、網(wǎng)、荷”本地能源微網(wǎng)的用戶都配備智能電表、儲(chǔ)能裝置和分布式發(fā)電機(jī)。智能電表可以記錄其發(fā)電量，然后將該信息傳遞給區(qū)塊鏈。儲(chǔ)能裝置能夠在條件充裕時(shí)儲(chǔ)存電能，而在有供應(yīng)需求時(shí)釋放電能。分布式發(fā)電機(jī)通過可再生能源發(fā)電，直接送至負(fù)荷或儲(chǔ)能裝置。智能電表作為各用戶在區(qū)塊鏈上的節(jié)點(diǎn)，告知他們可用的能源[1]，然后通過手機(jī)應(yīng)用將這些設(shè)備連接起來。圖1為本文設(shè)計(jì)的本地能源微網(wǎng)模型的基本框架。

該模型表示的是以智能電表為連接紐帶，以區(qū)塊鏈為互動(dòng)平臺(tái)的源儲(chǔ)網(wǎng)荷本地微網(wǎng)模型。用戶通過手機(jī)APP查詢符合自己滿意度的合約或者發(fā)布合約。每個(gè)用戶的能源結(jié)構(gòu)圈如圖1中的橢圓所示，其中C4表示儲(chǔ)能裝置，DG表示分布式電源。DG和儲(chǔ)能裝置之間的能量流動(dòng)是雙向的，儲(chǔ)能裝置能在DG供電不足時(shí)為其補(bǔ)充電源，而在其條件優(yōu)越時(shí)儲(chǔ)存能量。智能電表為將分布式家庭用戶節(jié)點(diǎn)連接起來的媒介[2]，可以上傳數(shù)據(jù)供智能合約的判據(jù)使用。

圖1 本地能源微網(wǎng)模型框架

為了實(shí)現(xiàn)社區(qū)間居民的電力交易，居民用戶接入智能儀表用于采集發(fā)電、用電和電力交易的數(shù)據(jù)。電力數(shù)據(jù)同步上傳到公共區(qū)塊鏈平臺(tái)，作為判斷合約執(zhí)行條件滿足與否的依據(jù)。

當(dāng)用戶已經(jīng)簽訂合約、正在進(jìn)行買電交易時(shí)，程序自動(dòng)檢測(cè)智能電表實(shí)時(shí)上傳更新的交易和電力使用信息，能夠確保交易公開公正地進(jìn)行[3]，在不需要第三方的情況下自行判定交易進(jìn)行的進(jìn)度和完成情況，最終通過以太坊這一平臺(tái)以虛擬貨幣結(jié)算，自動(dòng)完成交易，使微網(wǎng)使用者無法偽造或篡改合同和交易的完成度。

在儲(chǔ)能裝置上設(shè)置傳感器檢測(cè)其存儲(chǔ)和釋放的電量。編寫智能合約使用戶DG產(chǎn)出的電多于負(fù)荷所需的電量，且不存在自身調(diào)峰和其他節(jié)點(diǎn)用戶的電能需求時(shí)，多余的電能自動(dòng)供給給儲(chǔ)能裝置。而電力需求大于供給時(shí)，儲(chǔ)能裝置中儲(chǔ)存的電能優(yōu)先去填補(bǔ)電力供給的空缺[4]，且允許在不影響潮流控制的前提下，將多余儲(chǔ)存的電能通過區(qū)塊鏈出售給其他節(jié)點(diǎn)用戶。這樣分布式儲(chǔ)能能夠自行決定不同時(shí)段提供多少服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能的自調(diào)度，促進(jìn)了分布式能源的協(xié)同工作，使該微網(wǎng)系統(tǒng)用戶得到了極大的收益。

所有動(dòng)作都是基于智能合約中事先定義好的規(guī)則。這些規(guī)則將保證所有的能量流向和儲(chǔ)能容量被自動(dòng)控制著，從而平衡供給和需求[5]。即使家里沒有發(fā)電設(shè)備，通過安裝智能電表，也可以與本地能源微網(wǎng)內(nèi)的其他分布式家庭互聯(lián)，買入電力。

為了使智能合約能普適于大眾用戶，可設(shè)計(jì)一款手機(jī)APP，實(shí)現(xiàn)以太坊智能合約的面向?qū)ο蠡?。該?yīng)用能顯示其所處區(qū)域內(nèi)閑置設(shè)備的分布式家庭的地理位置、能源的生產(chǎn)量和賣家理想電價(jià)。對(duì)于電能需求者，可以選擇設(shè)置其對(duì)于不同能量來源可接受的最高價(jià)格，并能根據(jù)距離自己由近到遠(yuǎn)的排序選擇售電方，以求達(dá)到雙方利益的最大化。

對(duì)于電能銷售者，可以通過操作APP界面選擇組合自己理想條件下的合約內(nèi)容。APP自動(dòng)編碼，將其生成以太坊能識(shí)別的智能合約內(nèi)容[6]，并發(fā)布在平臺(tái)上。這樣用戶既可以方便地直接開發(fā)自己的區(qū)塊鏈應(yīng)用，又可以尋找符合自己需求的最優(yōu)能源交易信息，并進(jìn)一步協(xié)商是否修改某些交易條件形成新的交易條款。最終，雙方達(dá)成共識(shí)，密鑰簽名，合約生效，自動(dòng)執(zhí)行直至交易圓滿結(jié)束。

2 “源儲(chǔ)網(wǎng)荷”本地交易微網(wǎng)的智能合約設(shè)計(jì)

2.1 適用于“源儲(chǔ)網(wǎng)荷”本地微網(wǎng)的智能合約制定

目前，在智能合約領(lǐng)域最著名的當(dāng)屬以太坊。以太坊是一個(gè)智能合約功能的公共區(qū)塊鏈平臺(tái)。本文合約將以其為開發(fā)平臺(tái)，以Solidity為編寫語言進(jìn)行介紹。

2.1.1 功能函數(shù)和變量要素確定

表1中所列出的是在一個(gè)源儲(chǔ)網(wǎng)荷本地能源微網(wǎng)中中制定一份買方合約所需要的最基本要素。

表1 本文模型的智能合約基本要素表

除了上述基本要素，合約中還應(yīng)該有如下必要的功能函數(shù)及主函數(shù)。

合同的主函數(shù)。發(fā)布合約以后，只有與合約同名的函數(shù)會(huì)自動(dòng)執(zhí)行。所以，該主函數(shù)名應(yīng)與合約名相同，使發(fā)布合約即啟動(dòng)交易。該函數(shù)用來實(shí)現(xiàn)智能合約的基本構(gòu)造。

交易擔(dān)保函數(shù)。對(duì)買方和賣方扣除一定的交易保證金，防止發(fā)布虛假交易等情況。

售電函數(shù)。和買方智能電表進(jìn)行互聯(lián)，不斷判斷其上傳的成功收到的電量是否達(dá)到約定售電量，當(dāng)返回值顯示true時(shí)，啟動(dòng)下一步資金交易。

供電方式函數(shù)。和售電方的智能電表進(jìn)行互聯(lián)，根據(jù)收到的電力數(shù)據(jù)判斷每個(gè)時(shí)刻DG供應(yīng)是否處于供求平衡的情況。如果不是，當(dāng)發(fā)電條件極其優(yōu)越引起供應(yīng)過盈時(shí)，自動(dòng)將發(fā)送的一部分電量存儲(chǔ)于儲(chǔ)存裝置。當(dāng)發(fā)電條件比較貧瘠引起供應(yīng)緊張（可能在合約期限內(nèi)無法完成交易或電能質(zhì)量不佳）時(shí)，自動(dòng)使儲(chǔ)能裝置與DG并行發(fā)電，以達(dá)到交易要求。

合約執(zhí)行情況查詢函數(shù)。在合同交割時(shí)間到期后，通過查詢交易電量數(shù)據(jù)獲得賣方是否執(zhí)行完畢交易電量的回復(fù)，從而執(zhí)行付款或者違約追責(zé)。

交易金轉(zhuǎn)移函數(shù)。當(dāng)售電函數(shù)返回值為true時(shí)，啟動(dòng)交易金轉(zhuǎn)移函數(shù)，從買方賬戶扣除（約定售電量*電量單價(jià)）數(shù)量的貨幣到售電方賬戶。完成轉(zhuǎn)賬后，返回true值啟動(dòng)下一步。

釋放擔(dān)保金函數(shù)。交易金轉(zhuǎn)移函數(shù)返回true值時(shí)啟動(dòng)，向雙方賬戶各自轉(zhuǎn)回保證金額數(shù)量的貨幣，標(biāo)志交易成功完成。

2.1.2 程序流程框架

基本元素和功能函數(shù)確定后，還需要把它們有序組織起來形成程序。圖2為針對(duì)本文提出的“源儲(chǔ)網(wǎng)荷”本地能源微網(wǎng)模型的智能合約的簡(jiǎn)單流程圖。

以A向B售電為例進(jìn)行說明。借助區(qū)塊鏈交易平臺(tái)達(dá)成交易協(xié)議后，A開始向B輸送電能。在這個(gè)電能傳輸過程中，A的智能電表端不斷檢測(cè)并上傳數(shù)據(jù)到區(qū)塊鏈中，合約判斷A對(duì)B方電的供應(yīng)狀態(tài)屬于正好供應(yīng)、供應(yīng)緊張還是過于充裕，即判斷此時(shí)外界自然因素條件屬于優(yōu)越或貧瘠狀態(tài)。如果供應(yīng)緊張，儲(chǔ)存裝置自動(dòng)與DG并行參與供能，向B方提供電能。如果供應(yīng)充裕，DG發(fā)出的一部分電進(jìn)入儲(chǔ)能裝置進(jìn)行儲(chǔ)存，以備不時(shí)之需或是更為自由的調(diào)度。

而B方的智能電表斷不斷檢測(cè)并上傳數(shù)據(jù)到區(qū)塊鏈中，根據(jù)其電量數(shù)據(jù)判斷A向B供應(yīng)的電量是否已經(jīng)達(dá)到約定電量。若沒有達(dá)到，則A繼續(xù)向B傳輸電能；若達(dá)到，則標(biāo)志交易進(jìn)入支付貨幣階段。合約中鎖定的保證金額返還至雙方，并將交易金額轉(zhuǎn)移到賣方A的賬戶下。交易完成。

圖2 智能合約程序

3 結(jié) 論

隨著電力市場(chǎng)改革的推進(jìn)，未來將有大量獨(dú)立決策的電能產(chǎn)銷者參與電力市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。分布式能源電壓等級(jí)低，只能采用就地消納的辦法。又因?yàn)樗碾S機(jī)性強(qiáng)、不可控性大，儲(chǔ)能裝置配合調(diào)度才能給DG更大的調(diào)度自由，而分布式發(fā)電的市場(chǎng)化將帶動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展[7]。由此可見，建立一個(gè)源儲(chǔ)網(wǎng)荷本地微網(wǎng)模型十分必要，結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化、透明性安全性和智能合約化等優(yōu)點(diǎn)，則能達(dá)到更好的效果。

本文提出了一種基于智能合約的“源儲(chǔ)網(wǎng)荷”本地能源微網(wǎng)交易模型，先介紹智能合約在本地能源微網(wǎng)中的應(yīng)用流程，建立基于智能合約的分布式發(fā)電和儲(chǔ)能相結(jié)合的“源儲(chǔ)網(wǎng)荷”本地能源微網(wǎng)交易模型，再對(duì)該智能合約進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)[8]。

對(duì)于提出的設(shè)計(jì)模型，當(dāng)分布式發(fā)電機(jī)供電盈余時(shí)，向一部分電能傳入儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)備；當(dāng)供電緊張時(shí)，儲(chǔ)能裝置并行輸電的方案。它能夠很好地彌補(bǔ)分布式發(fā)電及其交易的缺陷，提高電能的質(zhì)量，為電能提供更自由的調(diào)度，同時(shí)給用戶帶來了極高的收益。