一种基于区块链的电力需求响应交易方法及系统与流程

1.本发明属于电网需求侧响应交易技术领域，具体涉及一种基于区块链的电力需求响应交易方法及系统。


背景技术：

2.电力市场需求响应是指用户对价格或者激励信号做出响应，并改变正常电力消费模式，从而实现用电优化和系统资源配置的需求侧技术手段，够有效解决局部电力供需紧张的问题，并为电力系统经济、安全、稳定运行提供新的调控手段。
3.随着需求响应的实施，暴露出了结算不够透明、交易结算的流程过长、结算响应不够及时、电价不够灵活等问题，以及对投入成本、业务收益、风险成本等市场行为缺乏有效的评价和监管机制，对主客观数据篡改都难以追溯和鉴定，以及智能用电新业务与电网各主体之间采用的计划服务对多主体多元激励不够，缺乏兼顾多主体融资渠道、盈利模式、价格机制和利益分配的市场机制，进而影响智能用电新业务的发展。


技术实现要素：

4.发明目的：为了解决背景技术中提及的问题，本发明提供了一种基于区块链的电力需求响应交易方法及系统，通过建立需求响应交易层次架构，实现了交易的自动结算及交易环节的监管，提高了交易透明度和交易效率。
5.技术方案：一种基于区块链的电力需求响应交易方法，包括以下步骤：
6.步骤1：基于需要需求侧响应的总负荷及响应时间和需求侧的响应请求，通过竞价机制在需求响应用户与储能用户之间达成交易价格，完成需求响应用户与储能用户交易的匹配，形成交易匹配信息；
7.步骤2：根据响应完成情况，将交易匹配信息发送至区块链，触发区块链中预设的购电或售电智能合约，进行交易结算；
8.步骤3：将交易结算详细数据存储在链上分布式数据库中。
9.进一步的，所述竞价机制包括：
10.采用蚁群算法，以最小化损失收益、最大化需求响应用户收益和最大化储能用户收益为目标，得到交易价格。
11.进一步的，所述损失收益为某一时刻实际削减的负荷与实际削减负荷的价格的乘积，该损失收益按照以下公式评估：
[0012][0013][0014]
式中，p为当前时段需求响应的功率总额度，t为响应时间长度，cg(t)为在t时刻需求响应功率差；r为波动范围因子，允许总响应功率在[p-r,p+r]范围内波动，表示在t时刻实际消减的负荷，q(t)表示在t时刻实际消减的负荷的价格，s(t)为时间系数。
[0015]
进一步的，所述需求响应用户收益表示为：
[0016][0017]
式中，表示需求响应用户收益，δpi(t)表示在t时刻需求响应用户申报响应的负荷，δfi(t)表示在t时刻响应的负荷，s(t)为时间系数，qi(t)表示在t时刻消减负荷的理想价格。
[0018]
进一步的，所述储能用户收益表示为：
[0019][0020]
式中，为储能用户收益，表示在t时刻储能用户i实际响应的负荷，表示在t时刻储能用户i响应负荷的价格，表示在不存在需求响应的时间区段下产生的收益。
[0021]
进一步的，在区块链中预设有由监管规则转化得到的智能合约；在交易过程中，触发该智能合约，进行交易过程监管。
[0022]
本发明还公开了一种基于区块链的电力需求响应交易系统，包括：
[0023]
储能用户侧端，包括多个储能用户端，用于发布需要需求侧响应的总负荷及响应时间；
[0024]
需求侧端，包括多个需求响应用户端，用于申报响应的负荷；
[0025]
交易匹配单元，用于基于需要需求侧响应的总负荷及响应时间和需求侧申报响应的负荷，通过竞价机制在需求响应用户与储能用户之间达成交易价格，完成需求响应用户与储能用户交易的匹配，形成交易匹配信息；
[0026]
区块链，用于获取交易匹配信息，并触发预设的购电或售电智能合约，进行交易结算，并将交易结算详细数据存储在链上分布式数据库中，同时反馈给储能用户侧端和需求侧端。
[0027]
进一步的，所述竞价机制包括：
[0028]
采用蚁群算法，以最小化损失收益、最大化需求响应用户收益和最大化储能用户收益为目标，得到交易价格。
[0029]
进一步的，所述损失收益为某一时刻实际削减的负荷与实际削减负荷的价格的乘积，该损失收益按照以下公式评估：
[0030][0031][0032]
式中，p为当前时段需求响应的功率总额度，t为响应时间长度，cg(t)为在t时刻需求响应功率差；r为波动范围因子，允许总响应功率在[p-r,p+r]范围内波动，表示在t时刻实际消减的负荷，q(t)表示在t时刻实际消减的负荷的价格，s(t)为时间系数；
[0033]
所述需求响应用户收益表示为：
[0034][0035]
式中，表示需求响应用户收益，δpi(t)表示在t时刻需求响应用户申报响应的负荷，δfi(t)表示在t时刻响应的负荷，s(t)为时间系数，qi(t)表示在t时刻消减负荷的
理想价格；
[0036]
所述储能用户收益表示为：
[0037][0038]
式中，为储能用户收益，表示在t时刻储能用户i实际响应的负荷，表示在t时刻储能用户i响应负荷的价格，表示在不存在需求响应的时间区段下产生的收益。
[0039]
进一步的，在区块链中预设有由监管规则转化得到的智能合约；在交易过程中，触发该智能合约，进行交易过程监管。
[0040]
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
[0041]
(1)本发明通过在交易环节，考虑实际响应力度和需求力度间的校核等问题为所有用户设计了个性化的智能合约，合约处理流程为可触发自动执行的程序代码，智能合约确保了市场参与方所有人的公平性；
[0042]
(2)在本发明的交易过程中，所有负荷集成商、普通用户和储能用户均可参与市场交易，系统提供了可靠的计量认证技术，所有计量数据上链进一步保证了计量数据的可靠性，可追溯性；
[0043]
(3)本发明通过将监管规则转化为智能合约，实现对交易过程的自动化监管。
附图说明
[0044]
图1是本发明需求响应交易机制交易层次模型图；
[0045]
图2是本发明需求响应交易机制交易流程图；
[0046]
图3是本发明实施时搭建的试验系统处理流程图。
具体实施方式
[0047]
下面结合附图和实施例进一步阐述本发明。
[0048]
本发明的一种基于区块链的电力需求响应交易方法，包括以下步骤：
[0049]
步骤1：基于储能用户预期响应的总负荷及响应时间和需求响应用户的响应请求，通过竞价机制在需求响应用户与储能用户之间达成一致交易价格，完成交易双方交易的匹配，形成交易匹配记录；在该步骤1中，储能用户预期响应的总负荷及响应时间为由电网公司发布的需要需求侧响应的总负荷及响应时间；响应请求由通过资格审核的电力负荷聚合商、高能耗单位及储能商进行提交；一致交易价格的形成取决于交易双方的报价、国家定价、波动范围；
[0050]
步骤2：根据响应完成情况，将交易双方的匹配信息及交易记录数据发送至区块链，触发区块链中预设的智能合约，进行交易结算；在该步骤中，为所有用户设计了个性化的智能合约，将购电或售电协议转换为可自动触发执行的智能合约代码；
[0051]
步骤3：最终交易的结果分布在区块链上的智能合约内，即具体产生的合约详细数据存储在链上分布式数据库中，可实现需求响应的全追溯。
[0052]
其中，步骤1中的竞价机制主要用于需求响应的目标优化，包括(1)电网公司的优化目标：国家电力建设、维护部门，电网公司的目标是保证电网整体系统的平稳运行，鼓励
发展绿色能源，同时寻求合适时段的最优补贴价格，以最小化因需求响应产生的损失收益；设补贴价格为qk，k(k＝1，2，
…
，m)表示不同时段的指导补贴价格，允许在一定的范围内波动。在本发明中补贴价格受当前时段微电网负荷削减目标、响应用户数、当前时段响应削减负荷总量及当前发电能力预期等因素影响；(2)需求响应用户收益优化目标：包含负荷集成商在内的需求响应用户的收益包括：削峰负荷带来的补贴及激励，其收益优化目标是获取需求响应收益最大化；(3)储能用户的优化目标：对于储能用户，所述目标为将预期响应的电力提交到交易市场，期望获取最大的收益。在实际响应过程中，会出现储能不足或者储能充足的情况，储能不足时则需要向电网购买电量，储能充足时可发布参与竞拍参与需求响应，在不同时间尺度，所售(购)电力价格受激励机制影响。
[0053]
通过寻求最优补贴价格，实现最小化因需求响应产生的损失收益，具体实现步骤包括：
[0054]
为保持电网的平稳运行及供需平衡，要求当前时段需求响应的功率总额度约等于电网公司实际消减的负荷。某一时刻电网公司的损失为该时刻实际削减的负荷与实际削减负荷价格的乘积，按照以下公式评估；
[0055][0056][0057]
式中，p为当前时段需求响应的功率总额度，t为响应时间长度，时长影响定价，cg(t)为在t时刻需求响应功率差；r为波动范围因子，允许总响应功率在[p-r,p+r]范围内波动，表示在t时刻电网公司实际消减的负荷，q(t)表示在t时刻实际消减的负荷的价格，s(t)为时间系数，不同季节、不同时段对需求响应价格的影响不同，因此s(t)也可以称为影响因子。
[0058]
最大化需求响应用户的收益，具体实现步骤包括：
[0059]
需求响应用户的收益为需求响应用户申报响应的负荷在合理的变化范围内与削减负荷的理想价格的乘积，需求响应用户的收益受季节、时段的影响，设需求响应用户的收益为其数学表达式为：
[0060][0061]
式中，δpi(t)表示在t时刻需求响应用户申报响应的负荷，δfi(t)表示在t时刻响应的负荷允许一定长度的变动，s(t)为时间系数，qi(t)表示在t时刻消减负荷的理想价格。
[0062]
最大储能用户的收益，具体实现步骤包括：
[0063]
设储能用户的收益为按以下公式计算：
[0064][0065]
式中，为储能用户收益，表示在t时刻储能用户i实际响应的负荷，表示在t时刻储能用户i响应负荷的价格，表示在正常情况，即不存在需求响应的时间区段下产生的收益。
[0066]
为了达到各方利益合理分配，本发明采用基于蚁群算法的优化模型，得出最佳的竞拍价格，作为各方主体达成的一致价格，过程如下：
[0067]
s01：先计算当前时间t各方主体的收益和开销，然后根据所给的价格区间，生成一组初始化蚂蚁，初始化一组数据，并记录当前全局最优位置；
[0068]
s02：根据设定，生成35组蚂蚁开始探索最优解；
[0069]
蚂蚁路径的选择会和信息强度有关，初始时信息素设为相等，同时信息素与解的质量成正比；
[0070]
s03：当35组蚂蚁搜寻万一次就是迭代一次，每次迭代后就会对所有的方案做一次信息素跟新，然后下一次参与迭代的蚂蚁会根据上一次的信息素进行新的探索；
[0071]
s04：当达到预定的迭代次数(比如本算法的200次迭代)，会出现蚂蚁的种类不再变化(即蚂蚁的包含的数组值不再变化)，算法就会结束，最后的数据就是当前问题的最优解。
[0072]
基于上述交易方法，通过对分布式交易系统业务流程进行分解，把分布式交易相关的身份认证、计量认证、智能合约等与区块链架构进行融合，建立基于区块链的需求响应交易层次模型，如图1所示，该模型主要包括：
[0073]
接口层：为各种物理设备提供泛在物联网接口，主要完成发电装置、储能设备及用电设备的智能化，如感知设备状态、监控设备运行、数据采集和网络通信协议等功能。
[0074]
数据层：数据和信息传输协议及其实现，形成无线或有线信息互联网络。通过定义标准的接口，实现终端与区块链通信接口的标准化及终端设备的虚拟化，在边缘设备实现数据自主和边缘智能，为区块链和泛在物联网提供基础数据支撑。
[0075]
区块链层：在微电网电力交易中引入区块链技术，实现电力交易的可信、透明及自组织优化。主要利用区块链的分布式记账、智能合约、数字签名等功能，实现电力生产者和用户的电力直接交易，保证数据真实可信及交易记录的可追溯。利用区块链的智能合约机制，将购电或售电协议转换为可自动触发执行的智能合约代码，使得交易的价格协商、结算及监管等交易环节的智能化、自动化。
[0076]
应用层：依托云平台，向用户提供使用系统的统一的访问界面，提供面向终端用户的共性服务，支持各类组件重定义、再构建，从而快速派生出新的应用系统，如负荷趋势预测、调度优化、交易平台等。
[0077]
综上，如图1所示，本发明的基于区块链的电力需求响应交易分为三个阶段：
[0078]
(1)信息发布及定价阶段：首先，电网公司发布需要需求侧响应的总负荷及时间，通过资格审核的电力用户与储能商提交响应请求；然后，根据双方的报价、国家定价、波动范围及激励因子，通过竞价形成一致交易价格，用户在应用层达成交易意向，即在该阶段已经完成了买卖双方的匹配；
[0079]
(2)交易阶段：通过考虑发电单元、配电方、储能单元、电力用户等主体间关系，各主体发布的供需信息、签订的供需合同无需经过中间的权威机构认证，系统保证交易数据具有防篡改、不可否认等属性，区块链的密码学原理可以保证交易信息具有上述性质。
[0080]
(3)结算阶段：交易完成后，供需双方的匹配信息及交易记录数据传送给区块链，然后对该批交易进行结算，最后触发智能合约，完成资金由用户侧向供方的自动转移，在交易结算过程中，以共识机制、智能合约、密码学等区块链核心技术为基础。
[0081]
供电侧根据负荷监控系统的需求和电力供需趋势发布需求响应请求，供用户通过app或web选择购买。
[0082]
在用电侧，主要针对净化水装置、充电桩、住户、路灯、养殖等，电网智能合约为供需双方提供交易规则，实现点对点的自动交易，保存不可篡改的交易记录，完成费用支付。
[0083]
交易平台实现通过激励机制，例如积分、奖励，即代币等，鼓励用户在恰当的时段选择合适的电力形式及用电量。
[0084]
如图2所示，实例具体工作过程如下：
[0085]
s01：电网公司实时监测设置的负荷报警阈值，若超限，则需要启动需求响应机制；
[0086]
s02：调控容量分解，根据用户容量将需求负荷进行分割；
[0087]
s03：调控计划表，制定详细的调控计划表；
[0088]
s04：触发需求响应智能合约，发布需求响应负荷；
[0089]
s05：交易定价，完成买卖双方的匹配；
[0090]
s06：用户侧调控指令，交易达成后，进行电力的转移；
[0091]
s07：实时监测，保证交易过程中的各环节公开、公正、透明、可追溯；
[0092]
s08：效果评估，基于监管策略，对交易效果进行评估以达成共识。
[0093]
如图3所示，需求响应交易记录存储在区块链上，记录结构包括{供电单元id,电量quantity,时间time,交易电价price}信息，在一个区块体中包括一个时间段t内的交易记录，组织成merkle结构。在上述需求响应交易过程中，所有负荷集成商、普通用户和储能用户均可参与交易，通过将所有计量数据上链进一步保证了计量数据的可靠性，可追溯性。
[0094]
为了对交易申报、出清、结算等各流程进行检查、复核，将监管规则转化为可自动触发执行的智能合约代码，实现监管的自动化；以及依托区块链分布式账本和数据认证功能，建立用户需求响应效果评价体系，评估需求响应实际效果，对用户需求响应进行评价和惩罚。以及本发明的需求响应交易层次模型可与电力公司交互物理流信息，校核交易的安全性。基于智能合约的交易监管实施主要包括：
[0095]
s01：将国家电网、能源局制定的需求响应交易规定、规范和规则转化为智能合约代码；
[0096]
s02：设置智能合约代码自动触发执行的条件；
[0097]
s03：将需求响应交易的流程控制、交易数据、结算规则输入监管模块，判断其是否符合规范；
[0098]
s04：对于不符合监管规则的交易，立即终止下一步操作，并反馈给用户。
[0099]
本发明通过智能合约确保了市场参与方所有人的公平性，在充值和结算环节，由电网公司统一接口进行充值，结算时回收链上账户内的资金后，再向绑定银行卡支付。
[0100]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0101]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图中的每一流程。可提供这些计算机程序指令到计算机，使计算机执行的指令产生用于实现在流程图中一个流程或多个流程指定的功能的作用。
[0102]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程中指定的功能。
[0103]
这些计算机程序指令也可装载到计算机，使得在计算机执行一系列操作步骤以完成处理，从而在计算机执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程中指定的功能的步骤。
[0104]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。