区块链在能源交易与协同调度的应用前景

我国新能源发展已经走在了世界前列，水电、风电、太阳能发电装机已均居世界第一。为了进一步构建清洁、高效、安全、可持续的现代能源体系，国家大力推进能源互联网的试点与示范工程，积极探索支撑能源互联的新技术、新模式、新业态。能源互联网是促进我国能源转型的重要手段，而特高压、云计算、大数据、物联网、区块链等被认为是能源互联网的关键支撑技术。

能源互联网是能源网络和互联网深度融合的产物，能源互联网集合智能电网、智能石油网、智能燃气网、智能水网等多个行业，包括二次能源的电力和产生电力的一次能源风能、太阳能、核电、生物质能等，以及传统石化能源、环保节能、排放控制、垃圾发电、余热利用等的多元互动、优化配置的能源网络。目前，由于我国能源的生产、调度、运维等属于不同行业部门，存在管理权限和利益划分等问题，致使能源互联网的研究设计与示范工程建设往往是针对局部、小范围的规模开展的，具体面临的制约因素主要体现在以下方面：

1）调度交易方面的横向分布：交易完全去中心化后能源端多源互补的智能交易方式，以及清洁能源与化石能源的互备与平衡制约因素；

2）调度交易方面的纵向分布：调度部分去中心化后源、网、荷、储下的协同调度模式与物理约束因素；

3）网络层：能量流与信息流的路由交换与分配模式，以及不同行业的能量流物理承载网络和信息流通信网络的专网专用安全隔离体系的制约因素；

4）用户层：售电侧放开后售电公司和大客户直购电、微网交易、多表合一、储能设备的充放电、基础设施的信息物理融合等模式及制约因素。能源互联网具有“网架坚强、广泛互联、高度智能、开放互动”的四大特征，实现了以开放为基础的对等互联式的能量交换与分享，以及能量流和信息流的高度融合与智能控制。区块链作为一个分布式的数据库和去中心化的P2P对等网络，具有智能合约、分布决策、协同自治、防篡改的高安全性和公开透明性等特征，天然上在运行方式、拓扑形态、安全防护等方面与能源互联网有相似之处，可以很好的支撑能源互联体系的建设。

文献中提到麦肯锡研究报告(2016年7月)指出了区块链技术是继蒸汽机、电力、信息和互联网科技之后最有潜力触发第五轮颠覆性革命浪潮的核心技术。文献提出了一种利用区块链技术实现能源互联网多模块系统分布式决策和协调自治的机制框架，探讨了区块链和能源互联网融合的关键技术；文献提出了能源互联网中基于区块链的弱中心化管理电力交易方法，使得各市场参与者基于智能合约自发交易；文献提出了一种基于区块链的去中心化的储能系统自动需求响应方案，能源互联网中各响应主体根据系统的实时运行情况及参数，按照既定准则自动调整自身功率需求；文献针对能源互联网以及分散能量市场的条件下需求侧响应资源参与市场交易中存在的问题，提出了基于区块链技术的综合需求侧响应资源交易整体框架。文献结合电力市场中大用户直购电的需求与特点，构建了基于区块链技术的大用户直购电交易框架，从市场准入、交易、结算和物理约束等 4 个方面阐述了区块链技术在大用户直购电中的应用模式。以上文献在电力市场交易、自动需求响应、多模块系统分布式决策和协调自治等方面阐述了能源互联网下区块链的去中心化、智能合约、分布式决策、协同自治、交易的物理约束等应用模式，但并没有完全结合现阶段我国能源互联面临的制约因素，通过将区块链的架构与节点映射到能源互联网的层次架构模型和关键功能节点，构建基于区块链的能源互联网模型，以及能源互联网在交易完全去中心化后的智能交易模式和调度部分去中心化后的垂直分级调度系统和多级变电站的协同调度模式。因此，本文针对区块链与能源互联网的相似网络拓扑形态，从区块链与能源互联网的技术融合角度出发，研究在区块链技术的区块链支撑下能源互联网的层次架构模型和关键功能节点，构建了具有“交易完全去中心化，调度部分去中心化”特点的基于区块链的能源互联网智能交易与协同调度模式，力求实现能量流和信息流的安全传输与分配。

能源互联网为扁平化的能源体系结构，在拓扑形态上更加接近于互联网。文献借鉴开放系统互连(opensystem interconnection，OSI)模型，提出了由接入层、配控层、传输层、策略层和应用层等组成的能源互联网 5 层参考模型，用于指导任意两个能源开放系统之间的互连。为了更好的分析能源互联网的结构特点，本文认为应从物理架构层次和逻辑协议层次 2 个角度分析能源互联网的层次模型。

1）物理架构层次角度：能源互联网强调各个能源体系之间的相互协调与互联互通。从能源交易层讲，能源互联网主要包括煤、石油、天然气化石能源，以及水、风、光、生物质、潮汐和核能等清洁能源；从调度传输层讲，包括电网、天然气管网、石油管网等行业网络；从用户层讲，包括微网、售电公司、工商业用户、居民用户、电动汽车等具有虚拟电厂功能的储能设施。具体如图1所示。

能源互联网的物理功能架构模型应包括：能源交易层、调度传输层和用户层。其中，①能源交易层主要包括各类能源的生产模块和总体分配交易模块。能源生产模块如电力行业的各类电厂、石油行业的石油精炼厂等；分配交易模块如电网调度、石油调度、天然气调度等。各类能源在该层结构中可实现多向交易，如石油电厂、天然气电厂、石油精炼厂用电等。②调度传输层主要包括各类能源专属的传输通道，如石油行业的管道传输站、天然气供应领域的升压站以及电力行业的国调、网调、省调、市调、县调及各级变电站构成的调度传输体系。调度系统依照分配交易模块在上一层级达成的交易协议以及自身调控需求进行能源调度分配，在该层结构中，各行业能源之间实行专网隔离，传输通道和调度系统均不互相干扰，以保障能源调度传输的高效性和安全性。③用户层主要包括各类能源的消费者。消费者并非仅使用单一能源，且存在微网、储能节点等，以及开放式售电的逐步推进，故存在应用端之间的数据交互和交易。该物理架构下的能源交易层和用户层实现了多类能源的横向互补，因此网络上是互联互通的。但调度传输层需要行业专网专用，故为横向隔离的。原因在于，国家发改委颁布的《电力监控系统安全防护规定》(发改委第14号令)、《电力监控系统安全防护总体方案》等6个配套文件(国能安全[2015]36号)；工信部也颁布的《工业控制系统信息安全防护指南》(工信软函[2016]338号)、《工业控制系统信息安全事件应急管理工作指南》(工信部信软[2017]122号)等文件均要求能源行业安全防护遵循“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”的十六字方针。因此，图1中能源互联实现了“源端横向各行业能源的互联互补、纵向相互隔离的各行业源网荷储的协同调度、用户端用户负荷的横向互联互补”的架构，即能源互联网可分别在能源交易层和用户层横向互联，而不能在调度传输层互联互通，否则违背信息安全防护要求。

2）逻辑协议层次角度：能源互联网综合运用云计算、物联网、大数据与自动化等方面的技术，将大量由分布式能量采集与储存装置和各种类型负载所构成的新型电力网络节点互联起来，实现能量与信息双向流动的能源交易与共享。能源互联网结构上类似于互联网，强调网络体系的广泛互联与信息处理的高度智能，需要实现能量流的智能交易、协同调度、路由传输与分配等，以及信息流和业务流的路由传输与交换。因此，借鉴 TCP/IP四层模型，本文认为能源互联网参考模型应由信息物理融合层、网络传输层、信息融合层、调度交易层等组成的。其中，①信息物理融合层：强调能源互联网的发展也是遵循工业化和信息化融合的思路，为了满足能源互联网广泛互联、高度智能、开放互动的特点，信息物理融合是必须的。信息物理层涉及配用电系统涵盖的分布式光伏、分布式风电、储能装置及电动汽车等，完成分布式能源及储能设备的即插即用，电动汽车负载，并通过计算、通信以及控制技术实现了能源互联网一次系统与二次系统的深度融合，也是能源互联网的智能数据采集与控制的关键基础层。②网络传输层涉及能源路由器、汇聚能源交换机、本地能源交换机以及能源交换机通过对设备模型的自动辨识，完成电网内部电能和信息的交换和管理、网络运行的安全可靠、能源使用的高效经济。③信息融合层基于大数据分析能源互联网的海量数据，通过对典型应用建模，提取数据特征，实现智能化、精细化决策与管理，与网络传输层和信息物理融合层共同支撑应用层面的调度交易层。④调度交易层采用“互联网+”技术，实现能源互联网源端的各类能源与用户之间的中远期和实时竞价交易、能源协同调度、运营效益评估、设备状态评估和用户互动服务。