区块链技术在虚拟电厂中的应用分析与前景展望

摘要:本文从区块链与虚拟电厂的概念和特点出发，对比二者的相似点以及虚拟电厂发展现状，分析了区块链与虚拟电厂技术融合的互补性，针对区块链技术在虚拟电厂中应用开展契合点分析，介绍当前能源区块链应用典型案例，最后，对区块链应用于虚拟电厂的应用模型和商业模式进行思考和探索。

 1.   引言  

近年来，随着全球消费者持续在DER上投资，各种分布式能源、储能设备、可控负荷、电动汽车等分布式能源装置数量正在快速增加。

根据IRENA《Renewable Capacity Statistics 2019 》表明，当前全球分布式可再生能源已占据总装机容量的三分之一。这种从分布式发电向集中发电的范式转变降低了总体碳排放。

市场上存在大量的、可发电的分布式能源，聚合这些能源可有效降低当前电价，也能够帮助中心化电网削峰填谷、缓解其高峰期输配电压力，而当前电网及其能源交易市场并没有对应的设计机制和解决方案。

虚拟电厂作为一种新的能源聚合形式，为大量分布式能源聚合与消纳提供了可行方法。通过先进的通信技术，虚拟电厂聚合、控制各分布式能源，并使各分布式能源能协调优化运行，从而实现彼此交互调整出力，实现可靠并网。

与传统电厂相比，虚拟电厂的构成资源更多样化，更具有环保性，在电力市场中也更具竞争力，促进了电力行业的转型以及整个电力系统的发展。

虚拟电厂在其自身发展中也遇到一些问题，例如如何确保不同DER协调调度的准确性和有效性，如何确保在交易过程中公开可信和成本低廉的平台，如何确保身份认证与设备标识的唯一性。

作为一种新兴技术，区块链技术能够改善集中式模式存在的可靠性低、安全性差、效率低和成本高的问题。让更多的人们开始关注利用区块链解决现实问题的能力，区块链的研究和应用呈指数级增加的趋势。

区块链在虚拟电厂的应用已经开始了初步的探索：

文献[1]考虑多虚拟电厂非合作博弈竞价的区域电网经济调度方法；文献[2]提出基于多因素改进Shapley值法提出了一种适用于多成员的VPP利润分配模型，能有效提高VPP整体及其内部成员参与市场竞争后的收益；文献[3]提出一种新的加密步骤，将AES加密算法、RSA加密算法与SHA256哈希算法混合用于虚拟电厂交易系统的信息传输；文献[4]针对虚拟电厂内部资源和外部市场对竞标策略的互动影响，提出了考虑购售风险的虚拟电厂双层竞标策略；文献[5]提出了面向虚拟电厂能源管理的点对点市场交易机制与模型;文献[6]提出利用区块链共识机制实现虚拟电厂分布式调度，结合等耗量微增率准则，将微增量特征作为一致性变量，实现虚拟电厂的最优经济调度；文献[7] 针对分布式能源交易特点，提出对传统区块链数据结构和算法的改进，包括基于地理位置的分层交易方式、基于热点账户的区块生成与验证方法、基于并发默克尔树的交易打包与验证过程、基于一致性哈希的区块存储与获取方法以及基于链表的账户状态存储方案；文献[8]基于信息物理系统思想，提出一种面向大规模、多样性柔性负荷的虚拟电厂聚合方法；文献[9]基于分散型虚拟电厂与区块链在去中心化、点对点交互和分散协同等方面的一致性，提出利用区块链共识机制实现虚拟电厂分布式调度，结合等耗量微增率准则，将微增量特征作为一致性变量，实现虚拟电厂的最优经济调度；文献[10]针对数量巨大、地域分散且容量较小的分布式电源的调度优化问题，考虑风场和光伏电源出力的间歇性与不确定性，采用虚拟电厂的方式，建立基于虚拟电厂的多目标调度模型，提出了电力系统消纳分布式电源的新方法，实现多分布式电源并网协调优化运行。

综上所述，区块链可为虚拟电厂提供很好的技术支撑，以解决目前发展过程中遇到的一些问题。

 2.   基础概念  

 2.1    区块链概念[11]

图1 区块链系统拓扑图

一个完整的区块链系统包含分布式数据库、数字签名、时间戳等技术，基于对等网络的共识机制（算法）确保可信交易的执行，并支持可验证的脚本系统或智能合约系统，构建所有人共同验签的数据库以记录已发生的交易信息和历史数据，区块打包的数据向全网广播以链式存储，并保证块链数据公开透明可追溯。

在这种技术下，可以建立数字货币、链上资产以及智能合约等。

如图2所示，抽象模型自底向上可分为：数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层构成。

图2 区块链抽象模型

第一层“数据层”：

首先利用不同的哈希函数、时间戳、Merkle树及非对称公私钥数据加密技术封装块链数据，然后转化为K-V键值对持久化存储于相应数据库，这是整个区块链技术中最底层的数据结构。

第二层“网络层”：

利用对等网络构建、块链广播传输和签名验证机制等技术，使得区块链具备侦测节点、动态组网、同步数据等功能。

第三层“共识层”：

通过不同的共识算法来确定对等网络中节点记账权。共识机制算法作为区块链系统的关键技术，不仅会影响区块链系统出块交易效率，而且会影响系统的稳定性和可靠性。

经过多年的发展，共识算法多达几十种。经分析可知，绝大多数算法源于以下三类：工作量证明算法（PoW，Proof of Work）、权益证明算法（PoS，Proof of Stake）[12]、拜占庭容错算法（BFT，Byzantine Fault Tolerance）[13]。

第四层“激励层”：

自比特币以来，区块链融合三式记账法的思想，将经济和计算机巧妙结合在一起，并由此发展出加密经济学和通证经济学。

一般而言，公有区块链系统会有激励机制和分配机制，用来激励遵守规则参与记账的节点，并且惩罚不遵守规则的节点，确保令整个系统朝着良性循环的方向发展。

而在许可链和私有链中，由于用户自行承担节点运维费用，则不一定需要激励机制。往往参与记账的节点已在链外完成了博弈，通过统一部署来要求参与记账。

第五层“合约层”：

由脚本系统、应用算法和智能合约所组成，是区块链2.0可编程特性的基础。比特币本身具备简单脚本的编写功能，不过作为非图灵完备系统，对可编程性具有较大限制；而以太坊极大地开拓其合约编程能力，例如Solidity语言针对智能合约特性作设计优化，包括Address类型、payable转账和require异常[14]。

如果将比特币看作是分布式全球转账系统，以太坊能够看作是一台“可编程的世界计算机”，在连接以太坊节点情况下，任何人都可以制作上传和执行指定的Dapp。

由于智能合约和转账交易均被分布式存储，用户启动任何一台部署以太坊节点的计算机，都能查看到其链上代码执行逻辑，从而保证合约逻辑能按照预期进行执行。

第六层“应用层”：

智能合约根据各种业务场景和应用案例所开发的应用，一个应用由多个合约函数构成，应用部署发布后通过调用合约的ABI接口来提供服务。

智能合约提供了可信环境下的应用编程解决方案，适应于对信任程度要求较高的场景，为未来可编程金融和可编程社会提供一个构建平台。

2. 2   虚拟电厂概念

虚拟电厂(Virtual Power Plant,VPP)这一术语源于1997年Dr. Shimon Awerbuch’s博士在其著作《虚拟公共设施：新兴产业的描述、技术及竞争力》[15] 一书中对虚拟公共设施的定义：虚拟公共设施是独立且以市场为驱动的实体之间的一种灵活合作，这些实体不必拥有相应的资产而能够为消费者提供其所需要的高效电能服务。

虚拟电厂将多种分布式能源聚合在一起，实现其整体处理的稳定可靠性，为电网提供高效的电能，从而保证其并网的稳定性和安全性。

与传统电厂相比，虚拟电厂的构成资源更多样化、更具环保性、在电力市场中也更具竞争力，为电力行业的转型及整个电力系统的发展提供了新的思路[16]。

图3 虚拟电厂示意图

虚拟电厂的提出是为了整合各种分布式能源，包括分布式电源、可控负荷和储能装置等。其基本概念是通过分布式电力管理系统将电网中分布式电源、可控负荷和储能装置聚合成一个虚拟的可控集合体，参与电网的运行和调度，协调智能电网与分布式电源间的矛盾，充分挖掘分布式能源为电网和用户所带来的价值和效益[17]。

虚拟电厂主要有发电系统、储能系统、负荷系统以及ICT系统所组成。

(a)    集中式控制模式

(b)  分布式控制模式

(c)    完全分布式控制模式

图4 虚拟电厂控制结构分类图

根据虚拟电厂信息流传输结构的不同（虚拟电厂对分布式能源的管理和互动机制研究综述），可将虚拟电厂控制方式分为：集中式控制、分布式控制和完全分布式控制。

（1）集中式控制模式：

DSO可以完全掌握所有DER的所有信息，并对所有发电或用电单元进行完全控制；

（2）分布式控制模式：

每个虚拟电厂掌握所辖范围内的DER控制活动，虚拟电厂间的交易和调度规则可能各不相同，DER也能够自主选择不同的虚拟电厂，且DSO全局调度层能够进行跨域调度；

（3）完全分布式控制模式：

也被称为多代理模式，虚拟电厂能够横向交互，DER也能够自主选择不同的虚拟电厂，但缺乏全局调度能力，只能根据邻近节点的反馈信息做出相应调整。

3.   区块链技术在虚拟电厂中的应用探索

从区块链技术与虚拟电厂的特性出发，二者存在很多相似之处，这为二者的合作打下一个好的基础。同时，区块链技术在虚拟电厂中的应用为虚拟电厂在发展过程中遇到的挑战提出了较好的解决办法。

3.1   虚拟电厂的发展现状

2018年，SolarChange公司宣布GREENEUM NETWORK项目，旨在构建一个高效的能源网络而不仅仅是利用区块链技术开创一种新的商业模式。

GREENEUM NETWORK致力于创建一个智慧的能源投资平台来链接在能源供应链中各个环节的参与方并利用智能合约技术和人工智能技术来实现更高效的电力交易。

利用GREENEUM NETWORK平台进行实时的分布式能源交易。利用区块链技术、智能合约技术和人工智能技术构建出的分布式电力市场，让所有的参与方都能够便捷地生产、交易和消费能源，最终使得能源市场更加高效、提升收益并减少碳排放。

2019年，京瓷公司和总部位于纽约的LO3能源公司宣布利用点对点分布式共识网络测试区块链管理虚拟电厂(VPP)的可行性。LO3的区块链技术用于验证和记录交易，使消费者能够通过微电网“共享”他们用自己的太阳能电池板生产的能源，这可以减轻更大的能源网格的负担。

在日本，可再生能源在政府的能源组合计划中发挥着重要作用，正在开展一项专门的研究计划，以创建新的“智能”能源网络。京瓷不断为日本政府主导的VPP测试项目提供太阳能发电系统和蓄电池，开发远程控制分布式电源的新专业知识。通过将京瓷与LO3能源的blockchain技术专长，两家公司将评估的VPP促进低碳社会，没有燃料或CO2排放量。

3.2   区块链应用于虚拟电厂的契合点

目前电网在远距离输配电中损耗率较高，电力市场融资困难。整体电力行业规模庞大且资金量巨大，交易主体多元复杂，导致各个环节间的结算成本很高。

2015年国家提出电力改革9号文出台后，分布式能源相关政策逐渐淡化补贴优惠，开始向鼓励市场化交易倾斜。然而目前缺乏有效的交易信用机制，导致能源行业数据无法有效共享，阻碍能源转型升级的迫切要求。

虚拟电厂逐步从概念走向落地，其和区块链技术有较强的内在一致性，两者都是建立在智能终端物联网的基础上。

区块链具有分布式、交易透明、难篡改以及可追溯的特点，这与虚拟电厂地域分散性、市场化、自治性的特点相契合。

虚拟电厂与区块链主要有如下契合点：

（1）分布共享：

随着泛在电力物联网发展，数以亿计的数据和资产需要进行在线记录和交易，利用区块链技术能构建一种信任机制，促进点对点交易和信息共享存储；

（2）智能合约：

通过智能合约保证交易合规性、合法性和有效性，并对交易过程中的每个合同实现全生命周期管理，实现权益与价值的自动转移；

（3）辅助管理：

区块链能帮助实现精准化管理，清晰记录每笔电的输、发、配、送，为每度电构建其数字映射，为大数据和人工智能进行分析提供可信服务；

（4）认证授信：

 目前电力数据所有权为电网公司，且只能参与电力购买行为。通过区块链赋能电力数据和资产的所有权为个人认证用户，人们可将其用于个人信贷和金融资产交易；

（5）安全交易：

区块链本身具有金融属性，能够有效参与电网各环节的清结算活动，降低远距离传输线路损耗，促进分布式能源就近消纳，从而鼓励市场化交易行为，提升行业数据共享能力。

3.3   区块链典型案例[18] 

3.3.1   区块链和NRGcoin–比利时

基于智能电网的物理结构和信息模型，比利时的区块链专家Mike Mihaylov在提出去中心化方式来促进点对点交易模式的同时，进一步提出了利用NRGcoin 货币进行微电网的电力交易。

主要的思路如图5所示。

图5 NRGcoin在能源交易中应用

从图5可以看出，Mike Mihaylov提出的基于NRGcoin的交易流程和核心内容如下：

（1）能源生产者P发出电量注入到配电网的物理模型中，并用x表示相关信息传输共享到全网络中；

（2）根据分布式合约，能源生产者P用f(x)生成 NRGcoin，并更新公用记录；

（3）变电站S计量能源生产者P的发电量tp和整个系统的用电量tc，同时用g(x,tp,tc)从配电运营商传输NRGcoin到能源生产者，g(⋅)是由配电运营商生成的价格函数。很显然能源生产者通过f(x)和g(x)得到NRGcoin；

（4）能源生产者P出售m NRGcoin给市场交易方，并转化为欧元，同时能源消费者C利用欧元从市场交易方购买nNRGcoin；

（5）能源消费者C利用h(y,tp,tc)NRGcoin支付从变电站S获得y数据表征的能量，且h(⋅)也为配电运营商生成的价格函数；

（6）进行分布式对账，交易完成，并完整记录到区块链中。

通过以上的分析可以得出，利用NRGcoin的能源交易系统具有3个典型的优点：

（1）交易方式灵活简单，无需人工干预，能够激励能源生产消费者进入市场；

（2）能源交易价格由市场参与角色共同决定，能源价格控制在合理的范围内，不会使得市场价格过于混乱(1kWh绿色电力等于1个NRGcoin)；

（3）采用分布式货币代替欧元交易，各个参与角色不需要实质意义上的金钱交易，具有高度的信任化；

（4）区块链网络连接交易，不依赖第三方交易平台。

3.3.2   美国的Tansactive项目

位于美国纽约布鲁克林Gowanus和Park Slope街区的TransActiveGrid项目是世界上较早将区块链技术应用的能源系统的典型案例，该项目由美国能源公司LO3 Energy与比特币开发公司Consensus Systems合作完成，该项目的示意图如图6所示。

图6 TransActiveGrid项目交易示意图

TransActiveGrid项目的典型特征分析如下：

（1）能源交易采用点对点的方式，5户家庭通过太阳能发电将剩余的电力出售给另外的5户；

（2）参与的家庭通过智能仪表进行连接和数据共享，追踪记录家庭使用的电量以及管理邻居之间的电力交易；

（3）智能仪表数据，可以为Consensys管理系统创建代币，代表生产消费者太阳能电池板的剩余电量，这些代币就代表着可再生能源生产的一定数量的能源，可以通过区块链智能仪表钱包进行交易；

（4）区块链网络连接交易，不依赖第三方交易平台。

4.   基于区块链的虚拟电厂应用模型与商业模式

4.1   区块链应用于虚拟电厂的模型

区块链技术在虚拟电厂中的应用可从电网中不同参与者的角度来考虑。

从源端看，可在软硬件结合基础上，建立基于区块链技术的数据可信采集与设备唯一性认证模块；

在网侧，结合用户需求响应和设备采集状态，构建基于区块链技术的能量调度与辅助服务系统；

从荷端分析，由于终端负荷形态多样且需求不确定性，区块链技术能用于绿证交易和碳排放计量方面，从而促进负荷端深度参与虚拟电厂系统的互动中；

在储能侧，区块链技术具有清结算和可追溯的特性，构建基于区块链的能源聚合与追溯模块，探索能源通证交易商业模式，充分调动储能设备的积极性。

图7 区块链应用于虚拟电厂的模型

如图7所示，本文将虚拟电厂参与者分为：国家电网(SG)、能源供应商(PS)、能源生产者(PG)、能源消费者(PU)、平台维护方(POM)以及算法兜售商(AS)。

其核心内容如下：

（1）能源生产者PG可根据市场行情动态选择不同的能源供应商，或者选择国家电网进行电能交易，或者不参与虚拟电厂系统，即自给自足型；

（2）能源消费者PU可根据电价、线损、服务等多种因素，自由选择不同的能源供应商/能源生产者，通过签订智能合约的方式进行电能交易；

（3）能源供应商PS提供储能设备，将附近的PG和PS聚合在一起，为PG提供相对客观的利润，为PS提供相对优质的电能，同时承担国家电网多余能源消纳和提供监管数据的责任；

（4）国家电网SG通过市场交易形式为分布式微网充能/反向输电，解决自身因远距离输电损耗大的问题；

（5）平台维护方POM可为用户提供简洁大方、方便友好的操作模式（网页、DAPP、小程序等），并对区块链网络和链下数据库进行维护；

（6）算法兜售商AS通过向PS、PG等数据所有者进行购买，构建打包先进调度与交易WASM算法，通过售卖或租用的形式反馈给PS获利。区块链平台不依赖第三方运行，电能交易合同执行不依赖人工干预，从而确保执行有效性和可用性。

4.2   区块链应用于虚拟电厂的商业模式

能源服务模式：

随着分布式能源发展，居民或工商业者会拥有大量的分布式能源，除了满足自身电能需要外，可以结合储能系统和可控系统，共同构建虚拟电厂资源服务，通过先进的调控技术和通信技术实现资源整合与交易，并参与电网能源消纳、削峰填谷和需求响应等，其收益来源售电交易和响应补贴；

知识服务模式：

区块链技术推动分布式能源整合和商业模式创新，采用数据所有权的租赁或购买，研究人员开展交易情况和负载数据分析，形成先进的交易与调控算法文件，利用区块链技术确保知识所有权的交易有效性和合法性，其收益来源知识产权租赁和交易。

金融服务模式：

在融资领域，基于区块链的分布式能源服务平台能够提供个人或机构的可信交易积分，确保所有权或债务的转移提供保障；在租赁方面，区块链技术保证身份与设备认证唯一性，开展多种类型的金融租赁衍生服务；在结算领域，区块链对等交易模式和一致性账本技术，改善如能源交易、知识付费、债务清算等环节效率。

5.   结语

本文对区块链、虚拟电厂的概念和发展现状进行论述，指出区块链和虚拟电厂的契合点，通过区块链典型案例剖析，分析区块链在能源行业的应用方式，探索源网荷储端不同的区块链应用模型，包括基于多代理模式对虚拟电厂进行调度控制，建立区块链在虚拟电厂应用模型，并探索区块链应用于虚拟电厂的商业模式。

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本文作者：郭斌。北京航空航天大学区块链方向硕士，目前就职于国家电网某研究院，《从0到 1学会 Substrate 区块链应用开发》课程满分毕业优秀学员。主要从事能源区块链、配电大数据及泛在电力物联网等方面的技术研究与系统开发工作。