殷爽睿，艾 芊，宋 平，趙建立，左 娟，3，郭慶雷

（1. 電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（上海交通大學(xué)），上海市 200240；2. 國(guó)網(wǎng)上海市電力公司，上海市 200122；3. 國(guó)網(wǎng)上海能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司，上海市 201210；4. 國(guó)網(wǎng)電子商務(wù)有限公司，北京市 100053）

0 引言

為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰·碳中和”目標(biāo)，必須高效、高速、高質(zhì)實(shí)現(xiàn)能源體系的低碳、脫碳、清潔化。一方面，需要推動(dòng)系統(tǒng)形態(tài)向信息物理高度融合、多能源互聯(lián)協(xié)調(diào)方向逐步發(fā)展［1］。另一方面，需要利用市場(chǎng)手段進(jìn)一步挖掘互聯(lián)系統(tǒng)的多能互補(bǔ)支撐潛力來應(yīng)對(duì)新型電力系統(tǒng)的安全運(yùn)營(yíng)和清潔消納壓力，用經(jīng)濟(jì)激勵(lì)激活靈活性資源參與系統(tǒng)調(diào)控的積極性。在新一輪電力體制改革背景下，電力售電側(cè)市場(chǎng)開始向社會(huì)資本開放，涌現(xiàn)出了多種新型的市場(chǎng)參與主體，如負(fù)荷聚合商［2］、虛擬電廠（virtual power plant，VPP）［3］、綜合能源服務(wù)商［4］等。電網(wǎng)的可調(diào)控資源類型更加豐富，電力供、需兩側(cè)的靈活性均得到明顯提升。

在多利益主體的市場(chǎng)環(huán)境下，能源用戶通過投資建設(shè)分布式電源而成為具有生產(chǎn)和消費(fèi)雙重屬性的產(chǎn)消者［5］，涉及家庭用戶［6］、微電網(wǎng)［7］、負(fù)荷聚合商［8］等不同規(guī)模的主體形態(tài)。多個(gè)產(chǎn)消者通過結(jié)盟互聯(lián)可聚合形成虛擬電廠，在滿足產(chǎn)消者個(gè)體發(fā)展需求的同時(shí)，構(gòu)建一個(gè)和諧共生的生態(tài)環(huán)境。在不改變所管轄分布式資源調(diào)控屬性的前提下，虛擬電廠利用軟硬件結(jié)合的方式對(duì)內(nèi)實(shí)現(xiàn)多個(gè)分布式資源的協(xié)調(diào)運(yùn)營(yíng)，使其能夠作為整體參與能量批發(fā)市場(chǎng)，在獲取更高價(jià)格優(yōu)惠的同時(shí)利用靈活性資源為系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)支撐［9］。

隨著電網(wǎng)智能化技術(shù)的發(fā)展以及可再生能源（renewable energy source，RES）比例的不斷提高，虛擬電廠可調(diào)控的分布式資源也呈現(xiàn)出海量增長(zhǎng)趨勢(shì)，用戶對(duì)能源服務(wù)的要求也將越來越高，隨之帶來的是互動(dòng)關(guān)系的復(fù)雜化以及競(jìng)爭(zhēng)的日益加劇。同時(shí)，虛擬電廠也面臨市場(chǎng)主體身份不明確、交易全局信息難以獲取、集中決策耗時(shí)長(zhǎng)、運(yùn)營(yíng)代理缺乏信任度等問題。為弱化中間機(jī)構(gòu)的市場(chǎng)主導(dǎo)權(quán)，簡(jiǎn)化交易流程，同時(shí)解決交易參與方之間的信任問題，區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并最早在數(shù)字貨幣領(lǐng)域使用［10］。隨著區(qū)塊鏈在微電網(wǎng)［11］、需求響應(yīng)［12］、綜合能源系統(tǒng)［13］等領(lǐng)域交易模式的研究相繼開展，有研究嘗試將區(qū)塊鏈應(yīng)用于虛擬電廠，但仍存在成員構(gòu)成單一［14］、應(yīng)用優(yōu)勢(shì)及主體互動(dòng)流程不明確［15］等問題，未充分體現(xiàn)虛擬電廠主體多樣、聚合靈活、分層互動(dòng)的特點(diǎn)。

為此，本文圍繞虛擬電廠分層互動(dòng)模式與區(qū)塊鏈可信交易技術(shù)，旨在建立適應(yīng)于虛擬電廠應(yīng)用需求的區(qū)塊鏈交易技術(shù)研究框架。首先，分別分析了虛擬電廠與區(qū)塊鏈的技術(shù)特征；其次，從市場(chǎng)層級(jí)、交互架構(gòu)、聚合規(guī)則的角度提出了虛擬電廠分層互動(dòng)模式；然后，建立了基于主側(cè)鏈的虛擬電廠交易框架；最后，探討了虛擬電廠互動(dòng)交易技術(shù)的未來研究方向和應(yīng)用前景。

1 虛擬電廠的關(guān)鍵特征

虛擬電廠的概念源于Shimon Awerbuch 博士于1997 年提出的虛擬公共設(shè)施的描述。顧名思義，虛擬電廠并不是傳統(tǒng)意義上作為單一獨(dú)立實(shí)體的常規(guī)電廠，而是多個(gè)小規(guī)模資源實(shí)體在市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的靈活合作，在不需要具備這些獨(dú)立實(shí)體資產(chǎn)所有權(quán)的情況下，提供與傳統(tǒng)電廠類似的電能服務(wù)，支撐電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行［16］。在該理念下，“自治”與“共享”成為虛擬電廠的兩大關(guān)鍵特征，如圖1 所示。

圖1 虛擬電廠的關(guān)鍵特征Fig.1 Key characteristics of VPPs

1.1 自治運(yùn)營(yíng)理念

虛擬電廠的“自治”即通過對(duì)內(nèi)運(yùn)營(yíng)管理實(shí)現(xiàn)有效聚合、市場(chǎng)運(yùn)行與精準(zhǔn)調(diào)控的有機(jī)統(tǒng)一。

以先進(jìn)通信控制技術(shù)為支撐的“聚合”是虛擬電廠自治的關(guān)鍵。高速、雙向、寬帶、智能的信息通信系統(tǒng)和模塊化的可控單元是實(shí)現(xiàn)虛擬電廠元件“即插即用”的基礎(chǔ)。而只有將多元異構(gòu)的分布式能源有效聚合成具有穩(wěn)定交互功率、靈活調(diào)控能力以及輔助服務(wù)潛力的集合體才能夠發(fā)揮虛擬電廠的集群優(yōu)勢(shì)。虛擬電廠對(duì)內(nèi)聚合目標(biāo)多為最大化全天可行域，將功率調(diào)整范圍、儲(chǔ)能容量范圍和爬坡速率上下限等參數(shù)作為虛擬電廠的聚合模型參數(shù)［17］，也可基于譜聚類算法將大量異構(gòu)資源劃分到不同的聚合器之中以提升系統(tǒng)的管理效率［18］。而對(duì)外聚合目標(biāo)多考慮維持虛擬電廠整體的功率交互水平并提供輔助服務(wù)支撐。例如，基于調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓等性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)可控負(fù)荷［19］與多組儲(chǔ)能設(shè)備［20］的分類聚合，進(jìn)行差異化投標(biāo)并提供相應(yīng)的多類型調(diào)節(jié)容量。

在并網(wǎng)條件下實(shí)現(xiàn)分布式資源聚合后參與電力市場(chǎng)是虛擬電廠的最典型特點(diǎn)和最大優(yōu)勢(shì)［21］。虛擬電廠為內(nèi)部電源運(yùn)營(yíng)商和用戶等多利益主體提供內(nèi)部交易平臺(tái)和對(duì)外交易中介，一方面利用動(dòng)態(tài)價(jià)格曲線、偏差雙向懲罰機(jī)制等方式激勵(lì)內(nèi)部資源主體提供能量和備用綜合服務(wù)，另一方面在考慮分布式能源時(shí)空耦合特性的基礎(chǔ)上制定參與上級(jí)市場(chǎng)的競(jìng)標(biāo)策略［22-23］。隨著碳交易市場(chǎng)的引入，文獻(xiàn)［24］構(gòu)建了虛擬電廠參與碳-電一體化市場(chǎng)的聯(lián)合投標(biāo)策略模型，并分析了碳交易機(jī)制對(duì)虛擬電廠的能源輸出結(jié)構(gòu)和投標(biāo)策略的影響。

虛擬電廠市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)等整體對(duì)外功能的實(shí)現(xiàn)離不開對(duì)內(nèi)自治過程中精準(zhǔn)調(diào)控策略的實(shí)施［25］。一方面，在新能源出力不確定性的影響下，準(zhǔn)確刻畫調(diào)度邊界是保障安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。基于多參數(shù)規(guī)劃理論，虛擬電廠調(diào)控范圍的累積分布函數(shù)可以由全概率原則計(jì)算得到，而關(guān)鍵隨機(jī)變量辨識(shí)方法則能夠減輕隨機(jī)變量規(guī)模增長(zhǎng)對(duì)計(jì)算速率的負(fù)面影響［26］。在快速探明虛擬電廠調(diào)度邊界的前提下，基于自趨優(yōu)運(yùn)行理論可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)負(fù)荷曲線的自動(dòng)準(zhǔn)確跟蹤［27］。另一方面，基于短期/超短期預(yù)測(cè)信息及時(shí)調(diào)整平衡市場(chǎng)交易計(jì)劃和調(diào)控策略也是提升運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的有效途徑。文獻(xiàn)［28］建立了含分布式光伏發(fā)電和溫控負(fù)荷的虛擬電廠多時(shí)間尺度雙層優(yōu)化模型，上層滾動(dòng)優(yōu)化虛擬電廠日內(nèi)不平衡成本；下層根據(jù)短期預(yù)測(cè)信息向內(nèi)部分布式資源下達(dá)調(diào)整指令，測(cè)試功率實(shí)時(shí)跟蹤效果。

1.2 共享商業(yè)模式

虛擬電廠的“自治”側(cè)重于通過內(nèi)部管理塑造良好的整體外特性，而內(nèi)部成員的合作“共享”則是虛擬電廠的核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，也是吸引分布式資源參與虛擬電廠聚合并保持聯(lián)盟穩(wěn)定性的關(guān)鍵要素。隨著價(jià)值共創(chuàng)與共享經(jīng)濟(jì)理念的不斷發(fā)展，商業(yè)體系逐漸由鏈?zhǔn)疥P(guān)系向網(wǎng)狀生態(tài)轉(zhuǎn)變，也更加注重參與者的服務(wù)體驗(yàn)和自身價(jià)值主張［29］。在能源領(lǐng)域，相關(guān)研究首先關(guān)注到分散在用戶側(cè)的儲(chǔ)能裝置剩余容量無法充分利用的問題，提出了云儲(chǔ)能的電力服務(wù)新形態(tài)，利用共享資源的規(guī)模效益提升用戶使用的便捷性和經(jīng)濟(jì)性［30］。

虛擬電廠則是將云儲(chǔ)能的設(shè)備及服務(wù)覆蓋范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，實(shí)現(xiàn)多種異構(gòu)分布式資源的協(xié)作共享與利益共贏，可視為能源互聯(lián)網(wǎng)共享經(jīng)濟(jì)的高級(jí)形態(tài)。發(fā)揮虛擬電廠的共享優(yōu)勢(shì)需要充分考慮不同利益主體間的協(xié)調(diào)互動(dòng)和隨機(jī)互補(bǔ)特性［31］，通過設(shè)計(jì)合理的內(nèi)部激勵(lì)機(jī)制調(diào)動(dòng)多元主體參與資源能源共享的積極性。針對(duì)小型光伏產(chǎn)消者，相關(guān)研究將能源共享劃分為產(chǎn)消者經(jīng)由共享服務(wù)商（相當(dāng)于VPP運(yùn)營(yíng)商）進(jìn)行能量交易的直接共享模式和利用共享服務(wù)商中儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行“緩沖”的間接共享模式［32］。在園區(qū)級(jí)共享層面，文獻(xiàn)［33］研究了多個(gè)多能園區(qū)之間的能量共享機(jī)制，并采用合作博弈中的Shapley值法將聯(lián)盟整體運(yùn)營(yíng)收益在多主體之間重新分配。在熱電一體化系統(tǒng)中，通過建立多微網(wǎng)的電能和熱能共享模型，并采用分布式算法求解聯(lián)盟內(nèi)部交易價(jià)格，可有效降低微網(wǎng)群的總運(yùn)行成本［34］。

隨著分布式資源在能源互聯(lián)網(wǎng)和智能電網(wǎng)的大背景下逐漸呈現(xiàn)出規(guī)?；c多樣化趨勢(shì)，亟須進(jìn)一步發(fā)展和完善虛擬電廠的自治運(yùn)營(yíng)理念和共享商業(yè)模式，提出具有普適性的市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)機(jī)制，弱化第三方運(yùn)營(yíng)代理的市場(chǎng)主導(dǎo)地位，并解決信任基礎(chǔ)問題，從而發(fā)揮更大的應(yīng)用價(jià)值。

2 區(qū)塊鏈的技術(shù)特征

2.1 區(qū)塊鏈的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

區(qū)塊鏈的本質(zhì)是使用現(xiàn)代密碼學(xué)技術(shù)將共識(shí)機(jī)制確認(rèn)的區(qū)塊按時(shí)間順序追加形成的分布式賬本。區(qū)塊鏈的應(yīng)用前提是“去中心化”，目前存在兩種主流的應(yīng)用場(chǎng)景：其一是在信任薄弱或缺失的場(chǎng)景中建立數(shù)字信任機(jī)制；其二是作為數(shù)據(jù)共享手段，依靠已有的中心化機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化煩瑣流程，提高協(xié)作效率，降低運(yùn)行成本。

區(qū)塊鏈自身具有不可篡改、全程留痕、可以追溯的 技 術(shù) 優(yōu) 勢(shì)［35］，目 前 已 推 廣 至 資 源 共 享［36］、供 應(yīng)鏈［37］、交通運(yùn)輸［38］、智慧城市［39］等多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景。企業(yè)級(jí)以太坊（Enterprise Ethereum）和超級(jí)賬本（Hyperledger）Fabric 是兩類最具吸引力的企業(yè)級(jí)區(qū)塊鏈平臺(tái)［40］。其中，以太坊的應(yīng)用更為廣泛［41］，這得益于其擁有世界上最大的區(qū)塊鏈開發(fā)社區(qū)和較低的部署、配置及維護(hù)成本。而Fabric 支持共識(shí)算法、成員管理服務(wù)等許多“即插即用”功能，便于模塊化和通用化設(shè)計(jì)。在能源行業(yè)，IBM 公司基于Fabric 開發(fā)了私有區(qū)塊鏈平臺(tái)，確保分布式光伏與電動(dòng)汽車、家庭儲(chǔ)能等小型靈活資源之間能源交互的有效性［42］。Power Ledger 公司在以太坊運(yùn)營(yíng)的能源區(qū)塊鏈平臺(tái)致力于提供可持續(xù)能源的靈活交易和實(shí)時(shí)跟蹤服務(wù)。但由于交易速度和吞吐量的限制，Power Ledger 已經(jīng)宣布將其區(qū)塊鏈平臺(tái)遷移到Solana 上［43］。

2.2 分布式能源交易的研究現(xiàn)狀

作為區(qū)塊鏈基本交易功能的延伸，分布式能源交易仍是區(qū)塊鏈在能源領(lǐng)域的主要應(yīng)用場(chǎng)景［44］?；趨^(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)共享、社區(qū)共治和信息安全的技術(shù)實(shí)現(xiàn)可有效保證能源交易的公開透明，并使得各交易主體擁有平等的話語(yǔ)權(quán)［45］。

現(xiàn)有研究多集中于探討點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（peer to peer，P2P）能源交易中基于區(qū)塊鏈的分布式記賬技術(shù)和交互管理架構(gòu)［46］。文獻(xiàn)［14］用區(qū)塊鏈代替中央?yún)f(xié)調(diào)器，與本地智能電表協(xié)同進(jìn)行優(yōu)化模型的分布式求解和記賬。文獻(xiàn)［47-48］將區(qū)塊鏈的應(yīng)用從電力市場(chǎng)擴(kuò)展至多能市場(chǎng)，建立了基于區(qū)塊鏈的多能P2P 交易架構(gòu)。而針對(duì)區(qū)塊鏈在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用認(rèn)知差異，有研究通過對(duì)比區(qū)塊鏈和能源互聯(lián)網(wǎng)的主要特點(diǎn)，將能源區(qū)塊鏈定義為“區(qū)塊鏈+”智慧能源的能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展新形態(tài)［49］。為量化評(píng)估P2P能源交易中市場(chǎng)主體的貢獻(xiàn)并體現(xiàn)在收益中，文獻(xiàn)［50］基于區(qū)塊鏈設(shè)計(jì)了一個(gè)包含角色、規(guī)則和信譽(yù)3 種模塊的信譽(yù)系統(tǒng)，輔助進(jìn)行交易過程的交互管理。此外，區(qū)塊鏈還可為市場(chǎng)參與方動(dòng)態(tài)博弈［51］、共享儲(chǔ)能［52］、碳排放權(quán)交易［53］等研究領(lǐng)域提供平臺(tái)與技術(shù)支撐。

但目前區(qū)塊鏈與虛擬電廠的適用性匹配方面的研究仍較少。引言中已經(jīng)提到，現(xiàn)有研究涉及的區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用未能較好地根據(jù)虛擬電廠的交易場(chǎng)景進(jìn)行改進(jìn)。此外，區(qū)塊鏈本身的應(yīng)用價(jià)值也有待進(jìn)一步挖掘，除了將其作為一種可信記賬手段，還應(yīng)充分發(fā)揮其智能合約的功能。文獻(xiàn)［14］和文獻(xiàn)［44］利用智能合約輔助進(jìn)行交易算法的迭代求解，但并未考慮智能合約的計(jì)算時(shí)間、調(diào)用頻次以及與共識(shí)機(jī)制的配合過程等實(shí)用性問題。

為更好利用區(qū)塊鏈的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，有必要設(shè)計(jì)適用于虛擬電廠多層級(jí)多主體交易架構(gòu)的區(qū)塊鏈應(yīng)用方案。此外，目前能源交易示范工程中存在利用區(qū)塊鏈技術(shù)作為“噱頭”，實(shí)際并未使用或?qū)^(qū)塊鏈平臺(tái)節(jié)點(diǎn)部署在同一機(jī)房，實(shí)質(zhì)為中心化系統(tǒng)等一系列應(yīng)用問題［49］。針對(duì)上述“偽區(qū)塊鏈應(yīng)用”現(xiàn)狀，仍需要在突破區(qū)塊鏈底層技術(shù)的同時(shí)，整合能源、信息、控制等多學(xué)科專家人員力量，推動(dòng)能源區(qū)塊鏈落地應(yīng)用的關(guān)鍵核心技術(shù)集成攻關(guān)。

3 虛擬電廠分層互動(dòng)模式

3.1 市場(chǎng)主體與層級(jí)劃分

在示范應(yīng)用初期，一般情況下虛擬電廠作為整體，以價(jià)格接受者身份參與外部能源市場(chǎng)交易。在電力現(xiàn)貨市場(chǎng)開放交易前設(shè)有預(yù)出清機(jī)制，利用不斷更新的負(fù)荷預(yù)測(cè)信息與發(fā)電商報(bào)價(jià)計(jì)算出清結(jié)果，并滾動(dòng)發(fā)布給市場(chǎng)主體。虛擬電廠需要在市場(chǎng)交易窗口期申報(bào)預(yù)計(jì)購(gòu)電量（消費(fèi)者）或售電量（生產(chǎn)者），并按照市場(chǎng)出清價(jià)格進(jìn)行結(jié)算。

虛擬電廠內(nèi)部市場(chǎng)機(jī)制是本文關(guān)注的重點(diǎn)。按照交易主體的容量規(guī)模和市場(chǎng)代理形式可將虛擬電廠自上而下劃分為資源聚合層和分布式資源層。資源聚合層用于協(xié)調(diào)虛擬電廠內(nèi)部聚合商、大容量電源、大規(guī)模儲(chǔ)能、大用戶等主體與外部市場(chǎng)。分布式資源層用于協(xié)調(diào)小容量靈活資源主體與VPP 運(yùn)營(yíng)商。聚合商一般包括負(fù)荷聚合商、電動(dòng)汽車聚合商、綜合能源服務(wù)商、園區(qū)微網(wǎng)等直接參與虛擬電廠交易的利益主體。聚合商內(nèi)部包含分布式發(fā)電單元、能源用戶、分布式儲(chǔ)能等資源中的一種或多種，但并不是所有資源都?xì)w為分布式資源層。該層級(jí)劃分是從市場(chǎng)角度出發(fā)，不同層級(jí)間必須存在交易互動(dòng)和資金結(jié)算。例如，管理一片住宅區(qū)域的負(fù)荷聚合商與其管轄范圍內(nèi)的居民用戶之間存在現(xiàn)金流，居民用戶就是歸屬于分布式資源層的最小互動(dòng)主體。而由同一開發(fā)商投建運(yùn)營(yíng)的微電網(wǎng)中的分布式光伏、負(fù)荷等因不具備獨(dú)立的利益主體形式而不屬于分布式資源層。

3.2 分層交互架構(gòu)與聚合規(guī)則

為便于表述，將上文中提到的聚合商、大容量電源、大規(guī)模儲(chǔ)能、大用戶等資源聚合層主體統(tǒng)稱為產(chǎn)消者。考慮到虛擬電廠具有多種能量載體、多利益主體、個(gè)體自治、整體協(xié)調(diào)的特點(diǎn)，可借鑒個(gè)體與群體關(guān)系的社會(huì)學(xué)理論［54］設(shè)計(jì)產(chǎn)消者-虛擬電廠的組織交互架構(gòu)。

分散式資源以產(chǎn)消者的形式廣泛分布在用戶側(cè)，多個(gè)產(chǎn)消者又可以根據(jù)自身能源出力特性和地理位置，在利益驅(qū)動(dòng)下形成虛擬電廠，利用集群優(yōu)勢(shì)為該區(qū)域提供多元化的能源服務(wù)，共同構(gòu)成基于個(gè)體-群體的組織交互架構(gòu)。每個(gè)產(chǎn)消者為個(gè)體層面的經(jīng)濟(jì)主體，可包含分布式電源、儲(chǔ)能設(shè)備、柔性負(fù)荷多種組分，利用產(chǎn)消者層級(jí)的能量管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自治運(yùn)行。多個(gè)地理位置臨近、功能相輔相成的產(chǎn)消者通過物理和信息兩種方式連接，形成信息互通、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的虛擬電廠，從而實(shí)現(xiàn)參與能源市場(chǎng)競(jìng)標(biāo)等群體層面的功能。

產(chǎn)消者作為個(gè)體有其特殊性，不同產(chǎn)消者在組分、規(guī)模、運(yùn)行方式、出力/負(fù)荷曲線等方面存在差異，形成了豐富多樣的“個(gè)性”。同時(shí)每個(gè)產(chǎn)消者作為經(jīng)濟(jì)主體，擁有一定的自治能力和選擇權(quán)利，能夠在市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)的社會(huì)實(shí)踐中發(fā)揮自主性、能動(dòng)性與創(chuàng)造性。虛擬電廠是兩個(gè)或兩個(gè)以上產(chǎn)消者在共同利益驅(qū)動(dòng)下形成的集合體，能夠反映出能源市場(chǎng)中社會(huì)關(guān)系和活動(dòng)的狀態(tài)。虛擬電廠作為群體的能動(dòng)性，并不只是產(chǎn)消者個(gè)體能動(dòng)性的簡(jiǎn)單加和，而是通過力量整合、結(jié)構(gòu)升級(jí)、系統(tǒng)優(yōu)化等途徑達(dá)到“1+1＞2”的效果。從個(gè)體相對(duì)于群體的角度來看，產(chǎn)消者之間的互動(dòng)表現(xiàn)為合作博弈，利用合作剩余來實(shí)現(xiàn)共贏目標(biāo)；從個(gè)體與個(gè)體的相互作用來看，產(chǎn)消者之間的互動(dòng)又體現(xiàn)出非合作博弈的特點(diǎn)，通過優(yōu)化競(jìng)爭(zhēng)策略來實(shí)現(xiàn)自身利益最大化。

位于資源聚合層的產(chǎn)消者地位對(duì)等，在弱化VPP 運(yùn)營(yíng)商對(duì)產(chǎn)消者交易行為干預(yù)的前提下能夠較好地適配于區(qū)塊鏈的分布式交易架構(gòu)。而對(duì)于產(chǎn)消者中的聚合商，其與分布式資源層主體又構(gòu)成了次一級(jí)的個(gè)體-群體交互架構(gòu)，不同的是聚合商內(nèi)部的交易過程一般由聚合商的自適應(yīng)定價(jià)等行為主導(dǎo)，分布式資源主體之間不進(jìn)行直接交易。該分層交互架構(gòu)符合第三方運(yùn)營(yíng)代理主導(dǎo)地位逐漸弱化的發(fā)展趨勢(shì)，體現(xiàn)了自由、平等、合作、共贏的社會(huì)主流價(jià)值，且能夠在保留分布式資源異構(gòu)屬性的前提下，根據(jù)虛擬電廠的規(guī)模靈活選擇聚合對(duì)象和架構(gòu)層數(shù)，具有良好的普適性。

VPP 運(yùn)營(yíng)商既可以是獨(dú)立運(yùn)營(yíng)的第三方利益主體，也可以是產(chǎn)消者自身［55］。運(yùn)營(yíng)商需要具備一定的可控性優(yōu)勢(shì)以獲取虛擬電廠的組建資質(zhì)，并作為“發(fā)起方”在虛擬電廠服務(wù)平臺(tái)發(fā)布其內(nèi)部交易與結(jié)算機(jī)制，吸引產(chǎn)消者作為“參與方”加入。借助于信息管理平臺(tái)，虛擬電廠的聚合可看作運(yùn)營(yíng)商與產(chǎn)消者雙向選擇的過程，如圖2 所示。VPP 運(yùn)營(yíng)商提前將交易模式（包含交互數(shù)據(jù)、流程、定價(jià)參數(shù)等具體信息）、產(chǎn)消者參與條件（如凈負(fù)荷范圍、功率波動(dòng)指標(biāo)）等聚合需求信息公開發(fā)布至虛擬電廠信息管理平臺(tái)。產(chǎn)消者根據(jù)公開的聚合信息和對(duì)VPP 運(yùn)營(yíng)商的信譽(yù)了解，結(jié)合自身?xiàng)l件與需求向一個(gè)或多個(gè)運(yùn)營(yíng)商提交加入VPP 申請(qǐng)。運(yùn)營(yíng)商再對(duì)收到的申請(qǐng)進(jìn)行篩選，確定優(yōu)選和替補(bǔ)的產(chǎn)消者，依次發(fā)出虛擬電廠組建邀約。而收到多個(gè)VPP 運(yùn)營(yíng)商邀約的產(chǎn)消者則獲得了反選權(quán)利，但只能選擇接受一份邀約。最終通過雙方簽訂協(xié)議的方式確定每個(gè)虛擬電廠的同盟成員。

圖2 虛擬電廠的聚合過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of aggregation process for VPPs

在上述聚合規(guī)則下，一方面，VPP 運(yùn)營(yíng)商利用產(chǎn)消者的容量參與批發(fā)市場(chǎng)或擴(kuò)大其在批發(fā)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，并通過發(fā)揮其在“零售”層面的市場(chǎng)力進(jìn)一步提升經(jīng)濟(jì)效益；另一方面，產(chǎn)消者通過“依附”于虛擬電廠獲取比普通零售市場(chǎng)更實(shí)惠的交易價(jià)格，并可利用聯(lián)盟分?jǐn)偛黄胶饬繋淼娘L(fēng)險(xiǎn)損失，從而實(shí)現(xiàn)多方共贏。

4 基于主側(cè)鏈的虛擬電廠交易框架

虛擬電廠交互功能的實(shí)現(xiàn)需要以多代理系統(tǒng)（multi-agent system，MAS）的通信控制架構(gòu)為支撐。而在市場(chǎng)環(huán)境下，虛擬電廠、產(chǎn)消者、分布式資源所有者等提供能源交易服務(wù)或具有能源交易需求的主體除擁有通信代理、控制代理等基礎(chǔ)運(yùn)行代理功能外，還具備交易代理功能，進(jìn)行交易相關(guān)的信息采集與運(yùn)算決策，從而形成多代理交易架構(gòu)。而區(qū)塊鏈技術(shù)則為多個(gè)交易代理執(zhí)行可信交易提供了平臺(tái)。為匹配虛擬電廠內(nèi)部多層級(jí)的市場(chǎng)機(jī)制，本章設(shè)計(jì)了融合多代理功能的主側(cè)鏈治理結(jié)構(gòu)。

4.1 多代理交易架構(gòu)

在交易執(zhí)行層面，每個(gè)產(chǎn)消者部署一個(gè)交易代理，在虛擬電廠交易平臺(tái)中執(zhí)行互動(dòng)決策功能。包含分布式資源層主體的聚合商型產(chǎn)消者還需要利用交易代理實(shí)現(xiàn)內(nèi)部靈活定價(jià)功能。同樣，分布式資源層的利益主體在智能電表等處也部署有交易代理，用于響應(yīng)聚合商的價(jià)格信號(hào)，及時(shí)調(diào)整發(fā)、用電行為并記錄資金流轉(zhuǎn)。同時(shí)，為保證虛擬電廠履行參與外部市場(chǎng)交易的職責(zé)，還需要在VPP 運(yùn)營(yíng)商處部署一個(gè)虛擬交易代理，用于模擬外部市場(chǎng)環(huán)境，其與虛擬電廠內(nèi)部產(chǎn)消者達(dá)成的交易量即相當(dāng)于產(chǎn)消者與外部市場(chǎng)達(dá)成的交易量。

在該交易架構(gòu)中，VPP 運(yùn)營(yíng)商與其內(nèi)部管理的產(chǎn)消者在交易層面的身份是對(duì)等的，不存在類似于聚合商和內(nèi)部分布式資源主體間的主從集中式互動(dòng)模式。VPP 運(yùn)營(yíng)商不會(huì)干預(yù)產(chǎn)消者的交易決策，有利于虛擬電廠規(guī)模的擴(kuò)展和分布式交易的實(shí)現(xiàn)。此外，3.1 節(jié)中提到的資源聚合層可根據(jù)虛擬電廠規(guī)模和外部市場(chǎng)及調(diào)控中心架構(gòu)設(shè)置為一層或多層。以中國(guó)的電網(wǎng)調(diào)控架構(gòu)為例，如果VPP 運(yùn)營(yíng)商直接管控產(chǎn)消者（含聚合商），則資源聚合層設(shè)置為一層即可；如果VPP 運(yùn)營(yíng)商對(duì)接省級(jí)電力交易中心和調(diào)度中心，內(nèi)部負(fù)荷聚合商等聚合利益主體需要經(jīng)由市級(jí)交易平臺(tái)接入，不同城市的負(fù)荷聚合商無法直接交易，這時(shí)就需要在市級(jí)層面增設(shè)一層資源聚合層，通過地市級(jí)市場(chǎng)代理參與省域虛擬電廠。

4.2 主側(cè)鏈治理結(jié)構(gòu)及節(jié)點(diǎn)功能

融合多代理功能的主側(cè)鏈治理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 虛擬電廠主側(cè)鏈治理結(jié)構(gòu)Fig.3 Main-side chain governance structure of VPP

常規(guī)單層資源聚合層可設(shè)計(jì)為“一主多側(cè)扁平式”聯(lián)盟鏈結(jié)構(gòu)，在上一節(jié)提到的多層資源聚合層的實(shí)際需求下可進(jìn)一步升級(jí)為“多主多側(cè)立體式”結(jié)構(gòu)。其中，主鏈部署在資源聚合層，所有大容量產(chǎn)消者均可申請(qǐng)成為主鏈節(jié)點(diǎn)，從而參與虛擬電廠交易平臺(tái)中的能源及服務(wù)交易。這些主鏈節(jié)點(diǎn)既是產(chǎn)消者代理實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)競(jìng)標(biāo)、確認(rèn)訂單、資金流轉(zhuǎn)、信息查詢等功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，也是履行多點(diǎn)并行記賬職責(zé)的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)。這里的主側(cè)鏈?zhǔn)锹?lián)盟鏈的一種特殊形式。之所以采用聯(lián)盟鏈，是因?yàn)槟茉唇灰讓?duì)安全性、可靠性有較高的要求。需要具備一定的通信能力和信譽(yù)基礎(chǔ)才能參與交易。為此，在虛擬電廠主鏈中還需要部署電網(wǎng)公司和VPP 運(yùn)營(yíng)商的代理節(jié)點(diǎn)。其中，VPP 運(yùn)營(yíng)商節(jié)點(diǎn)除了配置有4.1 節(jié)提到的虛擬交易代理，還負(fù)責(zé)執(zhí)行VPP 管理代理的部分功能，如進(jìn)行上鏈產(chǎn)消者節(jié)點(diǎn)的身份認(rèn)證、安全校核后的交易訂單調(diào)整等工作。而電網(wǎng)公司節(jié)點(diǎn)主要用于監(jiān)督虛擬電廠的電力交易過程，提供安全校核服務(wù)，收集交易信息為電力系統(tǒng)集中調(diào)控提供數(shù)據(jù)支撐，并協(xié)助VPP 運(yùn)營(yíng)商開展產(chǎn)消者節(jié)點(diǎn)的身份認(rèn)證工作。

側(cè)鏈部署在分布式資源層，綜合能源服務(wù)商、負(fù)荷聚合商等內(nèi)部還包含更小規(guī)模利益主體的產(chǎn)消者代理可以作為主側(cè)鏈錨定節(jié)點(diǎn)，通過建立側(cè)鏈的方式管理下層分布式資源的能源交互過程。側(cè)鏈可根據(jù)產(chǎn)消者的商業(yè)模式個(gè)性化需求采用私有鏈或聯(lián)盟鏈的治理結(jié)構(gòu)。每條側(cè)鏈不僅要記錄所屬產(chǎn)消者內(nèi)部的交易信息，而且還會(huì)備份產(chǎn)消者在主鏈上發(fā)生的交易信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)消者運(yùn)營(yíng)方市場(chǎng)行為的反向監(jiān)督。納入側(cè)鏈的每個(gè)分布式資源主體至少配置一臺(tái)智能電表等量測(cè)設(shè)備作為側(cè)鏈的輕節(jié)點(diǎn)［56］，除了具備基本的量測(cè)和通信功能外，還需要具備一定的功率預(yù)測(cè)和市場(chǎng)代理能力，在保障硬件安全的前提下定期上傳數(shù)據(jù)至區(qū)塊鏈。

相比于傳統(tǒng)聯(lián)盟鏈中共識(shí)節(jié)點(diǎn)、輕節(jié)點(diǎn)部署在一條區(qū)塊鏈的賬本結(jié)構(gòu)，主側(cè)鏈利用市場(chǎng)代理的管理范疇形成了天然的數(shù)據(jù)壁壘，側(cè)鏈中的小型分布式資源或用戶最多只能獲取本側(cè)鏈中參與主體的交易信息以及代理商在主鏈中的交易信息（該權(quán)限的大小取決于代理商設(shè)置的側(cè)鏈治理結(jié)構(gòu)，若為私有鏈，則側(cè)鏈中分布式資源主體的查詢范圍更?。?，而無法獲取其他側(cè)鏈中利益主體的交易信息，具有更高的隱私保護(hù)等級(jí)。同時(shí)，該治理結(jié)構(gòu)下的區(qū)塊鏈可擴(kuò)展性高，技術(shù)選擇更為靈活，每條側(cè)鏈可以采用不同的共識(shí)機(jī)制，設(shè)計(jì)不同的智能合約，用以匹配虛擬電廠中不同市場(chǎng)代理的多樣化商業(yè)模式。

5 虛擬電廠互動(dòng)交易技術(shù)展望

5.1 關(guān)鍵技術(shù)研究展望

虛擬電廠分層互動(dòng)模式與區(qū)塊鏈可信交易技術(shù)的未來研究方向主要可分為4 類，見圖4。

圖4 虛擬電廠分層互動(dòng)模式與區(qū)塊鏈可信交易技術(shù)研究體系Fig.4 Research architecture of VPP hierarchical interaction mode and blockchain-based trusted transaction technology

1）虛擬電廠分層互動(dòng)型市場(chǎng)機(jī)制與基于主側(cè)鏈技術(shù)的可信交易架構(gòu)

由于虛擬電廠技術(shù)在配售電側(cè)市場(chǎng)化改革實(shí)踐進(jìn)程中仍處于前瞻性探索階段，一方面，分布式資源主體多持觀望態(tài)度，市場(chǎng)參與意愿不夠強(qiáng)烈；另一方面，虛擬電廠運(yùn)營(yíng)主體不明確，分層互動(dòng)協(xié)調(diào)運(yùn)行模式不成熟。因此，有必要在上文提出的虛擬電廠分層互動(dòng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步細(xì)化市場(chǎng)互動(dòng)機(jī)制和基于主側(cè)聯(lián)盟鏈的“一主多側(cè)扁平式”和“多主多側(cè)立體式”治理結(jié)構(gòu)，將數(shù)字資產(chǎn)或數(shù)字化表征的實(shí)體資產(chǎn)分類處理，設(shè)計(jì)主、側(cè)多鏈上多種類型區(qū)塊的信息構(gòu)成與時(shí)間耦合規(guī)則。同時(shí)，結(jié)合節(jié)點(diǎn)工作特性分別從交易執(zhí)行情況、工作可靠性、記賬能力等多維度確定節(jié)點(diǎn)信用評(píng)價(jià)指標(biāo)；針對(duì)兩種治理結(jié)構(gòu)分別建立“底層側(cè)鏈節(jié)點(diǎn)-上層主鏈節(jié)點(diǎn)”與“底層側(cè)鏈節(jié)點(diǎn)-區(qū)域交易主鏈節(jié)點(diǎn)-廣域交易主鏈節(jié)點(diǎn)”的信用評(píng)價(jià)體系，通過正向反饋的方式進(jìn)一步優(yōu)化資源配置。

2）基于主鏈的資源聚合層分布式共識(shí)機(jī)制與人工智能交易技術(shù)

虛擬電廠主鏈體現(xiàn)了區(qū)塊鏈的“去中心化”或“弱中心化”的技術(shù)特點(diǎn)，但仍需要改進(jìn)現(xiàn)有共識(shí)機(jī)制以適應(yīng)主鏈的交易和監(jiān)管需要，保障虛擬電廠內(nèi)部市場(chǎng)的安全高效運(yùn)行。而人工智能技術(shù)的引入也可進(jìn)一步推動(dòng)交易方式方法的革新升級(jí)，適應(yīng)當(dāng)前電力系統(tǒng)數(shù)字化、智能化發(fā)展趨勢(shì)。

一方面，根據(jù)虛擬電廠分層分區(qū)的架構(gòu)以及各利益主體的功能特點(diǎn)，劃分共識(shí)節(jié)點(diǎn)、全節(jié)點(diǎn)、輕節(jié)點(diǎn)等不同功能的節(jié)點(diǎn)類型，并設(shè)計(jì)適用于電力交易業(yè)務(wù)的主鏈共識(shí)機(jī)制及敏捷共識(shí)算法。另一方面，選取虛擬電廠參與能量和輔助服務(wù)市場(chǎng)為典型場(chǎng)景，根據(jù)虛擬電廠在不同電力市場(chǎng)的參與目標(biāo)設(shè)計(jì)資源聚合層各利益主體交易模式，明確典型場(chǎng)景下虛擬電廠內(nèi)部市場(chǎng)拍賣及出清規(guī)則、交易流程、結(jié)算方式等。在此基礎(chǔ)上，考慮主鏈信用評(píng)價(jià)模型對(duì)產(chǎn)消者貢獻(xiàn)度的評(píng)估和對(duì)成交價(jià)格的影響，基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)研究目標(biāo)導(dǎo)向下面向主鏈產(chǎn)消者的最佳交易策略，實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練數(shù)據(jù)與模型的動(dòng)態(tài)更新。

3）基于側(cè)鏈的分布式資源層自適應(yīng)定價(jià)與智能合約化表征技術(shù)

分布式資源層的聚合商內(nèi)部定價(jià)與能量管理問題已有多年的研究基礎(chǔ)，但仍存在監(jiān)管缺失、數(shù)據(jù)可信性和計(jì)算效率不足等問題，阻礙了實(shí)際應(yīng)用進(jìn)程。區(qū)塊鏈技術(shù)為可信交互提供了解決方案，但同時(shí)也對(duì)數(shù)據(jù)分類、智能合約編寫、算法智能化等方面提出了新的技術(shù)需求。

首先，應(yīng)設(shè)計(jì)聚合商領(lǐng)導(dǎo)下的側(cè)鏈架構(gòu)，探討聯(lián)盟鏈和私有鏈的適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)，并研究側(cè)鏈可信認(rèn)證機(jī)制和適用于資源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和處理方式，保障其入鏈過程和上鏈數(shù)據(jù)的可靠性。然后，根據(jù)不同側(cè)鏈架構(gòu)特點(diǎn)分別提出相適應(yīng)的分布式資源共享模式，明確鏈上、鏈下數(shù)據(jù)范圍及高效互動(dòng)流程，結(jié)合聚合商主鏈交易信息和分布式資源主體響應(yīng)能力制定自適應(yīng)靈活定價(jià)策略。此外，可采用區(qū)塊鏈非對(duì)稱加密技術(shù)，通過切片式數(shù)據(jù)服務(wù)保護(hù)用戶隱私信息，提升交易安全性，并將側(cè)鏈中不同類型交易模式涉及的操作流程轉(zhuǎn)化為條件觸發(fā)式智能合約。

4）主側(cè)鏈分布式可信交易子系統(tǒng)研發(fā)

在上述理論研究的基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈技術(shù)在虛擬電廠中的落地應(yīng)用，避免上文提到的“偽區(qū)塊鏈應(yīng)用”問題，需要基于主側(cè)鏈分鏈跨鏈技術(shù)，在虛擬電廠綜合管理平臺(tái)中開發(fā)多層協(xié)同的主側(cè)鏈分布式可信交易子系統(tǒng)，通過搭建面向資源聚合層與分布式資源層的交易主鏈和側(cè)鏈，集成主鏈分布式共識(shí)機(jī)制、人工智能交易、側(cè)鏈自適應(yīng)定價(jià)、定制化智能合約等技術(shù)。結(jié)合側(cè)鏈協(xié)議、分布式存儲(chǔ)機(jī)制、分鏈防火墻設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)主側(cè)分鏈跨鏈、高性能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、系統(tǒng)用戶隱私保護(hù)、數(shù)據(jù)整體安全防護(hù)等功能。

5.2 應(yīng)用前景

虛擬電廠分層互動(dòng)模式與區(qū)塊鏈可信交易技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)將為創(chuàng)新區(qū)塊鏈技術(shù)融合發(fā)展方式提供新思路，有利于確保開放型市場(chǎng)環(huán)境下異構(gòu)資源主體的交易可信性，既可作為中國(guó)電力市場(chǎng)的前瞻性應(yīng)用成果，也可以倒逼配電側(cè)電力市場(chǎng)全面深化改革?？紤]到目前中國(guó)能源市場(chǎng)機(jī)制尚不成熟，虛擬電廠建設(shè)應(yīng)遵循有條件省市先行先試、應(yīng)用場(chǎng)景循序漸進(jìn)的原則。

在確定試點(diǎn)地區(qū)時(shí)，可優(yōu)先選取有需求響應(yīng)、電力現(xiàn)貨試點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)的省市。例如，在具有虛擬電廠建設(shè)運(yùn)營(yíng)示范經(jīng)驗(yàn)的大型/特大型城市，利用其良好的靈活性資源調(diào)控能力，針對(duì)城市電網(wǎng)層級(jí)架構(gòu)，采用“一主多側(cè)扁平式”的主側(cè)鏈治理結(jié)構(gòu)進(jìn)行匹配，通過設(shè)計(jì)虛擬電廠扁平化市場(chǎng)交易體系，支撐跨區(qū)域多主體高頻智能化交易。而在分布式能源資源豐富和市場(chǎng)機(jī)制開放的東部省份，基于其電力市場(chǎng)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，可采用“多主多側(cè)立體式”虛擬電廠交易架構(gòu)對(duì)接省電力現(xiàn)貨市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)參與主體及市場(chǎng)交易品種“分時(shí)分類”統(tǒng)籌優(yōu)化。

應(yīng)用場(chǎng)景方面，可選取市場(chǎng)機(jī)制較為完善、交易結(jié)算流程相對(duì)明晰的能量市場(chǎng)作為虛擬電廠優(yōu)先接入的驗(yàn)證場(chǎng)景。在確保虛擬電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行和區(qū)塊鏈技術(shù)有效應(yīng)用的基礎(chǔ)上再探討虛擬電廠參與調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓等輔助服務(wù)市場(chǎng)交易的方式方法，進(jìn)一步完善虛擬電廠分層互動(dòng)交易體系，突破區(qū)塊鏈在多交易場(chǎng)景數(shù)據(jù)分類、時(shí)間耦合、復(fù)雜智能合約表征等方面的技術(shù)難題，為虛擬電廠分層互動(dòng)模式與區(qū)塊鏈可信交易技術(shù)的推廣應(yīng)用提供工程樣板，進(jìn)而歸納總結(jié)出具有可復(fù)制性、可擴(kuò)展性的虛擬電廠商業(yè)模式。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著電力市場(chǎng)改革的不斷深入，虛擬電廠逐漸成為分布式資源參與系統(tǒng)調(diào)度和市場(chǎng)交易的重要平臺(tái)，而區(qū)塊鏈技術(shù)可保證虛擬電廠內(nèi)部交易環(huán)境公開透明且所有參與方的市場(chǎng)地位平等。本文在探討虛擬電廠和區(qū)塊鏈核心特征及研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了針對(duì)規(guī)?；`活資源聚合的虛擬電廠分層互動(dòng)模式和對(duì)等交易需求下的基于主側(cè)鏈的虛擬電廠交易框架，有助于解決虛擬電廠交易模式與區(qū)塊鏈技術(shù)的適配性問題。同時(shí)，從市場(chǎng)機(jī)制及交易架構(gòu)、主鏈共識(shí)機(jī)制與人工智能交易技術(shù)、側(cè)鏈自適應(yīng)定價(jià)與智能合約化表征技術(shù)、主側(cè)鏈可信交易子系統(tǒng)研發(fā)4 個(gè)層面進(jìn)行了研究展望，以期在保留各自技術(shù)特征的基礎(chǔ)上充分挖掘虛擬電廠與區(qū)塊鏈技術(shù)的融合優(yōu)勢(shì)，為“雙碳”目標(biāo)下的虛擬電廠市場(chǎng)化發(fā)展和區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用推廣拓展思路。