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基于区块链技术的自动需求响应系统应用初探李彬，卢超，曹望璋，祁兵，李德智，陈宋宋，崔高颖
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.162462
1项目背景 随着我国售电侧市场逐步放开，电力市场中将出现更多的交易实体，未来能源服务的交易方式、调度方式、定价机制将发生较大变化。现有市场机制在需求响应业务实际操作执行过程中，服务定价、专项补贴资金使用、罚款的归属等在监管、核算等方面仍存在技术难题，难以实现低成本、大规模参与用户的交互。
区块链技术采用分布式总账的记账方式，可建立一套完整的可追溯交易体系，为每一笔参与交易资金的结算进行监管。文章对区块链技术在自动需求响应系统应用的关键问题进行了分析，并基于现有技术水平对区块链的应用局限性提出了建议性的解决方案。
2论文所解决的问题及意义 基于对现有自动需求响应业务的需求分析，提出了基于区块链技术的应用方案，从工作量证明机制、互联共识、智能合约、信息安全等角度出发，全面剖析了区块链在自动需求响应系统中的关键问题。此外，针对现有的技术水平分析了区块链目前应用与自动需求响应系统所存在的问题，并提出相应的建议方案。
3论文重点内容 （1）需求响应业务需求分析
自动需求响应业务的构建需要电网企业、负荷集成商、服务供应商等多方共同参与，在保障电力系统安全和促进电力交易的前提下开展。根据国外电力市场发展经验，目前的交易方式可以采用成本补偿制、价值核算制、双边合同、投标市场或实时竞价等方式，其中涉及大量的信息流、资金流操作。在传统电力市场交易模型中，一旦中心化节点出现问题，将会导致灾难性的毁灭。
在需求响应资源参与电能或者备用容量交易过程中，任何被认为有价值的内容均可纳入区块链的管理范畴，并且无需第三方的支撑，可以有效地实现电网与用户间的信息互动，在保障参与备用服务的用户的交易合法、安全、有效的前提下，降低系统对发电备用容量的需求。
（2）可信的工作量证明
Merkle树作为区块链的重要数据结构，可快速整理和校验区块数据的存在性和完整性。Merkle树是一种完全二叉树，由待验证数据段和单向哈希函数通过迭代运算形成，因而区块中任何一笔交易信息的改变都会使得Merkle树发生改变。在VTN-VEN采用级联架构下的Merkle交易树的生成过程如图1所示。从需求响应业务链的顶层VTN到底层的VEN，形成一条完整的交易链条。最顶端的VTN为Merkle的树根，所有交易数据通过Merkle哈希树生成Merkle根，并存入区块头中。
图1 VTN-VEN三级Merkle交易树
（3）互联共识记账
在自动需求响应系统中应用区块链技术的最大价值在于能够把电网与用户间的所有互动交易完整的记录下来，同时还引入了公证认证方式降低实现的成本，并按照智能化的协议自动执行。参与互联记账的用户可以充分利用现有互联网平台上的基础协议，采用区块链技术构建全新的应用层，实现更加复杂的能源市场交易，通过区块链系统实现包括电力资产信息、能源服务合同、政策激励补贴结算的即时支付与动态回溯。
（4）智能合约机制
智能合约指通过事件驱动的、具有状态的、运行在一个复制的、分享的账本之上的且能够保管账本上资产的程序。智能合约可通过区块链技术与参与交易的实体在达成某种协议后，通过在分布式节点上预先设定的代码自动执行。从理论上讲，可以通过智能合约机制创建任何交易类型和应用。自动需求响应业务智能合约技术框图如图2所示。
图2 自动需求响应业务智能合约技术框图
（5）信息安全机制
在满足OSI框架要求的自动需求响应业务系统中，区块链的构建可以采用链式区块链（底层加密）或者流式区块链（高层加密），二者加密过程如图3所示。前者可以用于任何类型的通信网络中，无需考虑具体的数据、路由以及协议，在分片网络中即使信息加密者也不清楚具体信息所代表的含义，逐段实现加密、解密操作。而后者则需要根据底层的协议理解数据，无须更改底层的编码、调制机制，但需要用户参与操作。
图3 区块加密方式
4结论 在我国售电市场逐步放开的大背景下，采用无中间人的交易，可以实现在无需信任节点条件下的高效市场运营。利用区块链去中心化的管理方式，有利于充分发挥市场化自主行为。目前，电力需求侧管理已被视为电网节能降耗的必要手段，具备了区块链底层的良好支撑，未来可以有效保障需求侧资源作为备用容量、引入辅助服务市场后在操作过程中的交易安全。
引文信息
李彬, 卢超, 曹望璋, 等. 基于区块链技术的自动需求响应系统应用初探[J]. 中国电机工程学报, 2017, 37(13): 3691-3702.
LI Bin, LU Chao, CAO Wangzhang, et al. A Preliminary Study of Block Chain based Automated Demand Response System. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(13): 3691-3702(in Chinese).
作者简介
李彬（1983），男，副教授，北京邮电大学获博士学位，现在华北电力大学电气与电子工程学院任教，主要研究方向为智能电网信息通信、自动需求响应技术。参与承担国家科技重大专项、国家863计划项目、国家重点研发专项、国家自然基金及国网公司科技项目20余项。团队依托电力节能教育部工程研究中心，主要从事电气信息类攻关项目，成员包括信息通信、电气专业在职研究人员多名，主导参与智能电网领域IEC、国标、行标的制定，获省部级以上奖励多项。
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