区块链在能源交易与协同调度中的应用前景

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文/龚刚军 张彤 魏佩芳 苏畅 王慧娟 吴秋新 刘仁 张帅 北京能源电力信息安全工程技术研究中心（华北电力大学） 北京信息科技大学 北京卓视网络安全技术有限公司., 中国电机工程学报

我国新能源发展一直走在世界前列，水电、风电、太阳能发电装机容量均居世界首位。 为进一步构建清洁、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试点示范，积极探索支撑能源互联网的新技术、新模式、新业态。 能源互联网是推动我国能源转型的重要手段，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与互联网深度融合的产物。 能源互联网融合智能电网、智能油网、智能气网、智能水网等多个行业，包括二次能源和一次能源风能、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，是多方互动、优化配置的能源网络。 目前，由于我国能源生产、调度、运维等分属不同行业部门，存在管理权限和利益划分等问题，使得能源互联网的研究设计和示范工程建设通常在地方和小范围内进行。 面临的约束主要体现在以下几个方面： 1）调度交易的横向分布：交易完全去中心化后，能源侧多源互补的智能交易方式，以及清洁能源的互为备份和均衡约束能源和化石能源； 2）调度事务的垂直分布：调度部分去中心化后，资源、网络、负载、存储的协调调度模式和物理约束； 3）网络层：能流和信息流的路由交换和分配方式，以及行业能流物理承载网和信息流通信网络专网专用安全隔离系统的不同制约因素； 4）用户层：售电侧放开后，售电公司和大客户直接购电、微网交易、多表集成、储能设备充放电、基础设施信息物理一体化等模式和约束。 能源互联网具有“强网络结构、广泛互联、高智能、开放交互”四大特征，实现了基于开放的点对点互联能源交换共享，以及能源的高度集成化和智能化。流和信息流。 控制。 区块链作为分布式数据库和去中心化的P2P点对点网络，具有智能合约、分布式决策、协作自治、不可篡改的高安全性和透明性等特点。 与能源互联网在安全和防护方面有相似之处，可以很好地支撑能源互联网体系建设。

文献中提到的麦肯锡研究报告（2016年7月）指出，区块链技术是继蒸汽机、电力、信息和互联网技术之后最有可能引发第五轮颠覆性革命的核心技术。 文献提出了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，探讨了区块链与能源互联网融合的关键技术； 文献提出了一种基于区块链的弱中心化管理的电力交易方式，使市场参与者能够基于智能合约自发进行交易； 文献提出了一种基于区块链的去中心化储能系统自动需求响应方案，每个响应主体在能源中实时运行状况和参数，并根据既定标准自动调整自己的电力需求； 文献针对能源互联网和去中心化能源市场条件下需求侧响应资源参与市场交易存在的问题，提出了基于区块链技术的综合需求侧响应资源交易总体框架。 文献结合电力市场大用户直购电的需求和特点，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、交易等四个方面对区块链进行了阐述。 、沉降和物理限制。 链式技术在大用户直购电中的应用模式上述文献阐述了去中心化、智能合约、分布式决策、协同自治、交易物理约束等应用模型，但并未充分结合现阶段我国能源互联网面临的约束条件。 通过将区块链的架构和节点映射到能源互联网的分层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。 以及交易完全去中心化后的能源互联网智能交易模式、调度部分去中心化后的垂直分级调度系统、多级变电站协同调度模式。

因此，本文针对区块链与能源互联网相似的网络拓扑结构，从区块链与能源互联网技术融合的角度，研究区块链技术支持下能源互联网的层次架构模型和关键功能。 该节点构建了具有“完全去中心化交易、部分去中心化调度”特点的基于区块链的能源互联网智能交易和协同调度模型，力求实现能源和信息流的安全传输和分配。 1 能源互联网网络模型与区块链应用场景模型 1.1 能源互联网网络模型 能源互联网是一种扁平的能源架构，在拓扑结构上更接近互联网。 文献参考开放系统互连（OSI）模型，提出了由接入层、分布与控制层、传输层、策略层和应用层组成的五层能源互联网参考模型，用于引导任意两种能源。 开放系统之间的互连。 为了更好地分析能源互联网的结构特征，本文认为应该从物理架构层面和逻辑协议层面两个角度来分析能源互联网的层次模型。 1）从物理结构层面看：能源互联网强调各种能源系统之间的相互协调和互联。 从能源交易层看，能源互联网主要包括煤炭、石油、天然气等化石能源，以及水、风、光、生物质、潮汐能、核能等清洁能源； 从用户层面，包括微电网、售电公司、工商用户、居民用户、电动汽车等具有虚拟电站功能的储能设施。 具体如图1所示。

能源互联网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整体配送交易模块。 电力行业的各种电厂、石油行业的炼油厂等能源生产模块； 电网调度、石油调度、天然气调度等配电交易模块，各种能源都可以在这个层级结构中实现多向交易，如石油电厂、天然气电厂、炼油厂用电等. ②调度传输层主要包括各种能源专用传输通道，如石油行业的管道传输站、天然气供应领域的升压站，以及国家、网络、省、市、县、各级电力公司。行业。 由变电站组成的调度传输系统。 调度系统根据上层配电交易模块达成的交易协议和自身调节需要，进行能源调度和配电。 在这种层级结构中，各行业能源与专网隔离，传输通道与调度系统互不干扰。 保障能源调度和传输的高效和安全。 ③ 用户层主要包括各种能源的消费者。 消费者不仅仅使用单一的能源，还有微电网、储能节点等，以及开放售电的逐步推进，因此应用终端之间存在数据交互和交易。 该物理架构下的能源交易层和用户层实现了多种能源的横向互补，从而使网络互联互通。 但是调度传输层需要专用于行业专网，所以是水平隔离的。 原因是国家发改委颁布了《电力监控系统安全保护条例》（发改委令第14号）、《电力监控系统安全保护总体方案》等6个配套文件（发改委令第14号）国能安〔2015〕36号； 工业和信息化部还颁布了《工业控制系统信息安全保护指南》（工信阮函[2016]338号）、《工业控制系统信息安全事件应急管理指南》（工信阮函[2017]122号） )等文件要求能源行业安全防护遵循“安全分区、专用网络、横向隔离、纵向认证”十六字方针。

因此，图1中的能源互联，实现了“源端各行业能源横向互联互补，纵向相互隔离的各行业源、网、荷、储协同调度，以及用户端用户负载的横向互联互补”。 它们分别在能源交易层和用户层横向互联，但不能在调度传输层互联，否则将违反信息安全保护要求。 2）从逻辑协议层面看：能源互联网综合运用云计算、物联网、大数据和自动化技术，将由分布式能源采集、存储设备和各类负荷组成的大量新型电力网络节点互联起来，实现能源和信息双向流动的能源交易和共享。 能源互联网的结构类似于互联网，强调网络系统的广泛互联和信息处理的高度智能化。 要实现能量流的智能交易、协同调度、路由传输和分配等，以及信息流和业务流的路由传输和交换。 因此，参考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、调度事务层等组成。其中，①信息-物理融合层：强调能源互联网的发展也遵循工业化和信息化融合的思路。 为适应能源互联网广泛互联、高度智能、开放交互的特点，信息物理融合势在必行。 信息物理层涉及配电系统覆盖的分布式光伏、分布式风电、储能装置、电动汽车等。 完成分布式能源及储能设备、电动汽车负载的即插即用。 控制技术实现了能源互联网一次系统和二次系统的深度融合，也是能源互联网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、能源汇聚交换机、局域能源交换机，能源交换机通过设备型号自动识别，完成电网内电力和信息的交换和管理，网络运行安全可靠，能源高效节约利用。 ③ 信息融合层基于大数据对能源互联网海量数据进行分析，通过对典型应用建模，提取数据特征，实现智能化、精细化的决策和管理，与网络传输层一起支持应用级调度和信息物理融合层交易层。 ④ 调度交易层采用“互联网+”技术，实现能源互联网源头各类能源与用户的中长期实时竞价交易、能源协同调度、运行效益评估、设备状态测评、用户互动服务。 1.2 能源互联网与区块链的融合点分析 能源互联网基于化石能源与清洁能源的混合互补模式，打破了传统能源行业的供需边界，极大促进了电力、石油、天然气的互联互通，热能和其他能源，互用性和互补性。 电力系统是能源传输最重要、成本最低的优选方式，也是能源互联网的基础。 但在现有电力管理体制下，电力调度部门掌握着调度权，在行业中处于强势地位。 同时，为保证电网的安全稳定运行，承载能量流的电网在电网多级调度中心的控制下进行中期或日前交易通过统一的电力交易平台与不同的发电公司进行电力交易。 等，互联互通、共享”等特点。除了区块链在数字货币领域的大规模应用，区块链在能源交易、银行间联合贷款结算等领域的应用正处于快速发展阶段区块链技术的分布式、智能化、市场化、融合性与能源互联网概念不谋而合，基于区块链技术，能源互联网概念可以升级到能源互联网2.0时代，即能源区块链时代区块链可以为现有能源互联网无法实现的一些问题提供有效的解决方案，如表1所示。

1.3 基于区块链的能源互联网模型 区块链和能源互联网具有相似的网络拓扑结构。 从区块链与能源互联网的技术融合来看，区块链架构和节点可以映射到能源互联网和关键功能节点的层次架构模型，基于区块链的能源互联网模型（如图2所示）具有以下特点构建了“完全去中心化的交易和部分去中心化的调度”。

首先，考虑到区块链技术在运行模式和拓扑结构上与能源互联网具有天然的相似性，本模型借鉴区块链技术，明确能源互联网节点的功能和类型。 区块链技术旨在保证网络中的每个节点都参与数据交互和记录管理，从而实现节点间去中心化和互信的特点。 但节点之间不可避免地存在算力差异，不可能要求所有节点都提供相同数量的算力资源，因此将节点类型分为以下两类：

1）全节点：传统意义上的区块链节点，包含完整的区块链数据，支持所有区块链节点的功能； 2）轻节点：依赖于全节点，不需要为区块链网络提供算力，只需要保留区块链中的部分数据参与交易数据验证的节点。 因此，该模型参考区块链节点类型，根据能源互联网各节点的算力、交易特征、调度特征和数据重要性，如源-网-载-储-调度等，能源互联网的节点作为 分类如下： 1）能源终端节点和各类售电公司节点定位为交易型全节点。 这类节点具有最强的计算和存储能力，具有完整的记账结算、保存完整区块、路由、查询和验证等功能。 功能; 2）在能源传输网络中，各级调度、各级变电站、天然气调压站、输油泵站等定位为调度全节点，在计算和存储方面类似于交易全节点能力，还具备保存完整区块、计费结算、路由、查询验证等完整的区块链功能； 此外，该类节点具有独特的协同调度功能，因此与全量交易节点分开命名，以示区别； 3）用户侧常规用能节点，如住宅用户、商业用户、工业用户、混合用能用户、加油站、液化气站、微网节点、储能节点等，定位为轻型节点，而这些节点的算力输出是非常有限的。 并且存储空间不足以保存完整的区块链，所以只有保存区块链数月、路由、查询、验证等基本功能。

其次，该模型针对区块链作为分布式数据库和去中心化点对点网络的特点，基于区块链技术实现交易的完全去中心化简要概括区块链和比特币，并以智能合约的形式部署在区块链上。 实际上，它实现了代表每个签署方自动执行合约和交易，而不依赖于任何中央机构，具有自治和去中心化的特点。 目前，电力市场中长期交易和日前交易属于非实时交易。 因此，完全有可能通过区块链技术，在能源互联网售电公司与能源之间建立一个基于信任机制的完全去中心化的交易模型。 交易的完全去中心化，有利于让货源与卖家的沟通和洽谈更加便捷，提高交易时效和需求匹配度。 最后，鉴于电能作为一种特殊的商品形式，必然受到调度控制的制约，该模型基于分布式决策和协同自治模式，突破了现有垂直多方位的约束。级集中调度，并通过区块链技术实现源-网-荷-储等各节点共同参与系统调度简要概括区块链和比特币，使电力系统具备大规模分布式实时协同自治的能力，将从广域协同调度模式转为集群智能，有利于解决大规模分布式节点。 实时调度优化问题。 同时，考虑到保障电网安全是首要前提，在实践中，仍然不可能完全摒弃调度机构，更不可能模仿完全去中心化的交易模式。 只开放部分权限，实现调度的部分去中心化。 调度对电网安全运行的保障主要体现在对物理条件的约束和拥堵管理上。 与石油、天然气相比，电能只能实时传输，无法实现大容量、高效存储。 电能商品的生产和消费多以具有一定持续时间的“电力块”形式存在。

基于区块链的能源互联网完全去中心化后，基于智能合约的源-网-荷-储等节点达成的中长期交易和日前交易的顺利执行，必须满足以下物理约束：能量传输网络。 可以避免能量流的阻塞。 电力系统中的物理约束包括功率约束、商业收入约束、网损约束等。功率平衡是潮流方程中电力系统运行的主要物理约束。 因此，基于区块链的能源互联网在实现智能交易时，必须遵循源-网-荷-储-调度等各节点协同调度的物理约束，才能有效保证高效、合理、有序的流动能量。 路由传输和交换分配。 2 基于区块链的能源互联网智能交易与协同调度模型 在现有的区块链分类体系下，比特币和以太坊属于公链，区块链联盟R3和Hyperledger属于联盟链。 为企业提供区块链服务的CoinScience和Eris Industries属于私有链。 在能源互联网中，横向的多源互补、售电公司与配电侧大用户和能源终端的纵向交易、与微网的横向交易、电网的纵向协同调度、用户终端的能源替代具有不同的特点。 区块链模型的构建不能满足模型的正常运行。 根据需要采用联盟链、私有链或公有链来构建模型。 图2中基于区块链的能源互联网模型将区块链架构和节点映射到能源互联网的层次架构模型和关键功能节点，有助于进一步探索智能交易模型和交易完全去中心化后的能源互联网。 调度部分分散后的垂直分级调度系统和多级变电站的协调调度模式，以及相应的电网安全检查和物理约束。 因此，本文结合基于区块链的能源互联网模型，构建了基于区块链的能源互联网智能交易与协同调度模型，形成了源-售交易链（BC1）、变电站自治链（BC2）、电网调度链。链（BC3）、石油调度链（BC4）、天然气调度链（BC5）和用户交易链（BC6）的架构如图3所示。

1）为了满足交易完全去中心化的要求，能源交易层中的各种能源模块不仅需要与调度对接，还需要与各售电公司形成点对点的直接能源交易。可信的环境。 因此，需要以各能源模块和售电公司为网络节点，构建源-售交易链（BC1）。 区块链负责各种能源节点和售电公司节点的身份验证和注册、点对点交易和分布式决策，以智能合约的形式存储和管理源-售双边交易计划和数据构建完全的去中心化，另外，通过对前一个区块数据的分析，可以指导下一阶段的互补能量分配和点对点交易方案的形成。 源售交易链（BC1）涉及两类节点：能源模块和售电公司。 不同的节点属于不同的公司。 该区块链的类型定义为联盟链。 Source-Sell交易链（BC1）需要保证节点间有足够的时间形成交易计划，出块时间间隔（如：小时、天、月、季度）可根据实际运行环境预先设定，具体的实时性要求。 2）各能源行业“安全分区、专网”的安全需求，使得调度传输层无法用一条区块链覆盖整个数据存储层。 合并。 例如，电力行业可以分别建立变电站自治链和电网调度链。 其中，①变电站自治链（BC2）的节点由各级变电站组成。 生产数据的管理分析和交易的审批也由变电站自治链完成。 各级调度负责数据传输、聚合和备份。 并指导变电站自治等工作； ②网格调度链（BC3）的节点由各级调度中心组成。 链上运行状态下，变电站主要负责提供生产数据，参与部分计算和验证，决策权仍在调度。

以电网调度为例，其各级调度具有全节点所需的计算能力水平、存储性能等综合属性，因此各级调度可视为一个全节点。 但在现有体系下，国调、网调、省调的算力明显高于市调和县调。 因此，电网调度链（BC3）在决策、出块等方面的算力分配问题上，不会按照传统区块链记账权竞争的方式进行分配，而是着眼于实际情况。调度节点级别。 另外，由于私网隔离的实际需要，调度传输层的区块链都是私链。 因此，石油调度链（BC4）和天然气调度链（BC5）的主营业务都是化石能源，但由于调度系统的原因，还是需要将其视为两个独立的网络进行单独管理。 3）用户层有多个角色。 居民用户、商业用户、工业用户一般不售电，而储能节点、虚拟电厂、微电网用户既是电力的买卖双方。 而且这个层面涉及到的用户数量多，交易更加实时，交易密度更高，所以采用公链的构建方式更加科学。 用户交易链（BC6）的所有节点都可以选择是否参与记账权竞争，无需预先设置。 电力零售公司等拥有服务器集群的大型节点，拥有该级别最高的计算能力和存储能力，一般作为全节点运行，负责输出算力等任务； while terminal devices such as tablets, mobile phones, and PCs owned by users do not It has the computing power performance to compete with large server clusters, so most of them are used as light nodes and only participate in verification and other work.

Among them, the electricity sales company has its particularity. It not only needs to participate in the formation of the user transaction chain (BC6), but also needs to form a source-sell transaction chain (BC1) with the source node of the energy transaction layer. The user transaction chain not only realizes the transaction information recording in the network, prevents malicious tampering and breach of contract, but also provides data reference for electricity sales companies, and assists electricity sales companies to formulate future electricity purchase plans. 3 Research on the Control Strategy of Energy Internet Physical Constraints Based on Blockchain Technology The bilateral intelligent transaction based on blockchain technology has greatly improved the degree of freedom and real-time response efficiency of power transactions. In the partially decentralized smart transaction and collaborative dispatch model, the conclusion of the transaction must go through the security check of the dispatch system, including constraints such as active power, reactive power, and line loss. Therefore, how to effectively manage and control the risks brought about by physical constraints and ensure the safe, stable and efficient operation of the power grid has become an indispensable research content while meeting the transaction needs of users as much as possible. Based on this, this paper proposes a physical constraint management and control strategy of the Energy Internet based on blockchain-based substation autonomy and dispatch supervision. 3.1 Physical constraint control strategy for substation autonomy When user A (electricity sales company or large enterprise) and power plant B reach a transaction consensus based on smart contracts in a bilateral transaction, the source-sell transaction chain (BC1) will combine the transaction For relevant information, first conduct a preliminary analysis of the feasibility of the transaction plan, including the number of times the plan has been submitted and the time from the first rejection (skip this step if the plan is submitted for the first time).

In order to improve the transaction success rate and reduce unnecessary computing power expenditure, each transaction plan is only allowed to be submitted 3 times within a single transaction application cycle Δt. If it exceeds 3 times or fails to form a plan that meets the physical constraints within Δt, then The plan is invalid, and the source and seller nodes involved in the plan will not be able to apply for transactions again during this period. This step plays a role in constraining each node to submit transaction plans carefully. The relatively infrequent but efficient application status is conducive to improving the overall operational efficiency of the model, and at the same time can prevent potential DDoS attack risks to a certain extent. Within the scope of scheduling constraints, the transaction application period Δt can be customized according to the actual application environment. In addition, under the premise of ensuring sufficient computing power and resources for dispatching to maintain the safe and stable operation of the power grid, in order to meet the transaction needs of the spot market with high transaction frequency requirements, the transaction application cycle Δt can be shortened to the hour level, reducing the number of due to transaction schemes. Economic loss caused by failure to pass in time.

(The specific calculation process is omitted here. If you need to learn more, please send a private message)

4. Summary The energy Internet integrates multiple energy sources and various types of information, which is an inevitable trend in the development of the energy industry in the future; and blockchain technology is widely used in the energy Internet due to its unique characteristics of decentralization, tamper-proof, and trustlessness. On the issue of construction, it has natural adaptability and fit.

On the basis of briefly summarizing this characteristic, this paper proposes the physical layer architecture and logical protocol layer model of the Energy Internet based on blockchain technology; designs the intelligent transaction mode of the Energy Internet after the transaction is completely decentralized; After the dispatching part is decentralized, the blockchain-based vertical hierarchical dispatching system and the coordinated dispatching mode of multi-level substations define the node attributes and tasks of dispatching at all levels, power plants, substations, electricity sales companies and various users under this mode function, as well as the types of blockchains at different levels and composed of different nodes; explored the physical constraint control and power grid security check strategy of the synergy between substation autonomy and dispatch supervision applications; finally, formed a Centralization, partial decentralization of scheduling” is the feature, and the smart transaction and collaborative scheduling model based on blockchain technology has contributed solutions and ideas for the efficient and safe operation of the Energy Internet. At present, the research on blockchain and energy Internet is still in its infancy, and it is hoped that this paper can actively promote the development of related technical fields.