3分布式電力交易合約設(shè)計(jì)

基于區(qū)塊鏈的智能合約是實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵，通過智能合約中定義的狀態(tài)變量

（ state variables）、結(jié)構(gòu)類型（ struct types）、函數(shù)（ functions）、事件（ event）等內(nèi)容實(shí)現(xiàn)具體應(yīng)用的開發(fā)。

本文設(shè)計(jì)的用于電力交易的智能合約按照時(shí)間 順 序 可 以 分 為 4 個(gè) 階 段 ： 交 易 信 息 投 標(biāo) 、P2P 交易、安全校核、交易清算。

買賣雙方的信息在區(qū)塊鏈智能合約中定義為結(jié)構(gòu)體類型，包含：用戶信息結(jié)構(gòu)體（ struct buyer、struct seller）、地址（ address owner）、報(bào)價(jià)（ uint price）、電量（ int amount）、節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的位置（uint position）。

結(jié)構(gòu)體 Buyer/Seller 通過映射（ mapping）建立用戶地址與信息的關(guān)系。

本文針對(duì)分布式電力市場交易流程的 4 個(gè)階段設(shè)計(jì)了不同函數(shù)，具體函數(shù)如下。

3.1電力需求提交階段

3.1.1標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定函數(shù)（Standard）

由區(qū)塊鏈上的成員（包括電網(wǎng)公司、充電站等）在新的交易周期開始前調(diào)用，用于設(shè)定/修改市場標(biāo)準(zhǔn)電價(jià)、以太幣和交易平臺(tái)支付貨幣Token 之間的匯率，市場電價(jià)具體數(shù)值一般以地方分時(shí)電價(jià)為準(zhǔn)。以太幣市場價(jià)格波動(dòng)較大，因此本文選擇基于以太坊的 ERC20 Token 作為支付貨幣，通過區(qū)塊鏈成員在每個(gè)交易周期初期根據(jù)以太幣與人民幣的匯率修正以太幣（單位為 eth， 以太幣與人民幣的匯率在 2018 年 10 月 15 日為1eth≈1 349 元）與 Token 的匯率，將充電站交易平臺(tái)內(nèi) Token 的價(jià)格錨定在 1 元=100 Token，平抑以太幣的價(jià)格波動(dòng)。

3.1.2交易信息投標(biāo)

本階段包含買方預(yù)報(bào)價(jià)函數(shù)（ BuyerAmount） 和賣方預(yù)報(bào)價(jià)函數(shù)（SellerAmount）。各個(gè)用戶通過預(yù)報(bào)價(jià)函數(shù)提交交易，將用戶欲購/售電量存入positionToamount[_position] 之中，與用戶在電力網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)位置映射確定。在提交報(bào)價(jià)申請(qǐng)的同時(shí)需要提交一定的保證金。

用戶提交的保證金主要用途有：

（ 1）用于P2P 交易市場中，產(chǎn)消者之間電費(fèi)的支付結(jié)算；

（ 2）用于交割時(shí)段，產(chǎn)消者發(fā)用電量的保證。若生產(chǎn)者產(chǎn)出電能不符合交易時(shí)段結(jié)果，則保證金扣除。

3.2電力 P2P交易階段

3.2.1報(bào)價(jià)排序

本階段包括報(bào)價(jià)投標(biāo)函數(shù)（ blindBid）、報(bào)價(jià)排序函數(shù)（revealBid）和成交函數(shù)（bidSuccess）。

各個(gè)用戶若想購/售電能，為了保證投標(biāo)過程的安全公平，用戶調(diào)用 blindBid 開展報(bào)價(jià)，該函數(shù)利用哈希函數(shù)將報(bào)價(jià)與自設(shè)字符串加密形成字符串。隨后用戶將調(diào)用 revealBid，提交 blindBid 中輸入的報(bào)價(jià)、字符串以及欲購數(shù)量，由區(qū)塊鏈核準(zhǔn)，若和先前加密形成字符串一致，則投標(biāo)成功并揭露報(bào)價(jià)，同時(shí)完成買/賣報(bào)價(jià)集合的排序；反之則用戶投標(biāo)失敗并喪失保證金。

3.1.1P2P交易

本階段包括限價(jià)交易函數(shù)、市價(jià)交易函數(shù)以及撤單函數(shù)。

（1））限價(jià)交易函數(shù)（LimitOrder）。若購/售方?jīng)Q定修改自身報(bào)價(jià)或者數(shù)量，可調(diào)用該函數(shù)修改報(bào)價(jià)、數(shù)量并向區(qū)塊鏈發(fā)布限價(jià)訂單。限價(jià)訂單發(fā)布之后， 在 P2P交易結(jié)束之前，該訂單可被其他產(chǎn)消者響應(yīng)，并以限價(jià)訂單設(shè)定的價(jià)格成交相應(yīng)數(shù)量，直到成交數(shù)量達(dá)到限價(jià)訂單設(shè)定數(shù)量時(shí)交易終止。訂單響應(yīng)后，礦工將通過智能合約函數(shù)運(yùn)算完成交易結(jié)算轉(zhuǎn)賬，并修改交易雙方交割時(shí)段充電權(quán)。

（2））市價(jià)交易函數(shù)（MarketOrder）。若購/售方?jīng)Q定按照當(dāng)前市場最優(yōu)價(jià)成交，則調(diào)用該函數(shù)，輸入自身計(jì)劃成交數(shù)量，由礦工執(zhí)行智能合約函數(shù)邏輯，按照市場最優(yōu)價(jià)為其匹配交易， 直到滿足計(jì)劃成交數(shù)量或者匹配完全、報(bào)價(jià)隊(duì)列清空，交易終止。礦工同時(shí)完成結(jié)算轉(zhuǎn)賬并修改成交雙方充電權(quán)，最后將所有相關(guān)信息在區(qū)塊鏈上更新。

（3））撤單函數(shù)（DeleteOrder）。若購/售方?jīng)Q定退出交易市場，可調(diào)用該函數(shù)，清空自身報(bào)價(jià)隊(duì)列中的報(bào)價(jià)信息。

3.1安全校核及修正

本階段包括安全校核函數(shù)（ securityCheck）及潮流修正函數(shù)（modify）。

通過 security Check 函數(shù)，得到無線路容量裕度下的潮流理論計(jì)算值，將其與線路容量裕度對(duì)比，反饋是否越限。隨后調(diào)用 modify 函數(shù)對(duì)各條線路修正潮流，同時(shí)修正各中標(biāo)用戶可購/ 售電量。

3.2交易清算

本階段包括交易結(jié)算函數(shù)（ transSettlement）， 用戶通過該函數(shù)完成交易轉(zhuǎn)賬，由區(qū)塊鏈確認(rèn)結(jié)果，未支付的用戶將無法取回保證金。

實(shí)際上，目前以太坊智能合約還存在無法主動(dòng)執(zhí)行、安全性較差等問題。因此本文在智能合約中添加了區(qū)塊鏈行業(yè)開發(fā)中最常用的 safemath 庫，防止數(shù)值計(jì)算溢出等安全問題，并使用函數(shù)修飾符限制相關(guān)函數(shù)操作權(quán)限，防止惡意調(diào)用等安全問題。隨著智能合約技術(shù)的進(jìn)一步完善和發(fā)展，基于以太坊智能合約的充電權(quán)多邊交易方法也會(huì)隨之完善和改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)安全性和高效性的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

4算例分析

為驗(yàn)證本文所述機(jī)制的有效性，本節(jié)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下將考慮安全約束下的多邊電力交易智能合約發(fā)布在以太坊私有鏈，模擬配網(wǎng)環(huán)境進(jìn)行測試。其中配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)采用改進(jìn)的 IEEE 33 節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)。該配電系統(tǒng)中包含 9 個(gè)電力產(chǎn)消者，如圖 2所示。

以買方市場為例，其中設(shè)定分布式供電（賣電）方為 1、2、10、22、24、28 號(hào)節(jié)點(diǎn)，用電（買電）方為 3、6、20 號(hào)節(jié)點(diǎn)，本文選擇基于以太坊的 ERC20 Toke n 作為結(jié)算貨幣，單位為token。由于以太坊區(qū)塊鏈本身計(jì)算性能有限，本算例只考慮電力系統(tǒng)有功功率平衡問題。報(bào)價(jià)與電量如表 1 所示，無線路容量約束條件下的結(jié)算如表 2、3所示。

由以上可知，在不考慮線路傳輸裕度的情況下，由報(bào)價(jià)低的售電投標(biāo)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先供電，由報(bào)價(jià)最低的 1、24、10 向 3、6、20 節(jié)點(diǎn)售電，節(jié)點(diǎn)1 和 24 出售完全部的電量，節(jié)點(diǎn) 10 出售 0.71 kW·h 的電量滿足購電用戶的總需求，此時(shí)買賣雙方所購售下個(gè)周期的電量均為 13.27 kW·h，可滿足電量平衡，進(jìn)而可滿足配電網(wǎng)功率平衡。成交單價(jià)按照式（4）計(jì)算為 195 token/(kW·h)。配電網(wǎng)各支路傳輸容量裕度如表 4所示。

由表 4 及表 2 可知，線路 1—2 、3—2 4 存在潮流越限情況，需要修正。按照文中第 2 節(jié)潮流修正機(jī)制及第 3節(jié)智能合約功能對(duì)線路潮流修正，智能合約計(jì)算結(jié)果及 Matpower計(jì)算結(jié)果如表 5 所示，潮流修正后電力交易結(jié)算情況如表 6 所示。

由以上可知，在考慮線路傳輸裕度的情況下，節(jié)點(diǎn)售電數(shù)量受到線路裕度限制，修正潮流越限情況后， 1節(jié)點(diǎn)及 24節(jié)點(diǎn)分別出售 4.2kW·h、1.27 kW·h 電能，未能完全出售投標(biāo)數(shù)量；10 節(jié)點(diǎn)出售了更多的電量，達(dá)到 1.23 kW·h； 22 節(jié)點(diǎn)和28 節(jié)點(diǎn)作為新的出售方，分別出售 2.96 kW·h、

3.61 kW·h 電能。此時(shí)買賣雙方所購售下個(gè)周期的電量均為 13.27 kW·h，可滿足電量平衡，進(jìn)而滿足配電網(wǎng)功率平衡。

通過在以太坊私有鏈上的仿真表明：（1）潮流越限情況下，成功實(shí)現(xiàn)了售電方的傳輸電能自調(diào)整；（ 2）用戶可在以太坊區(qū)塊鏈上使用以太坊代幣 Token 完成電力交易，該過程公開透明， 結(jié)算由智能合約自動(dòng)完成，保證了安全性；

（ 3）考慮安全約束下基于區(qū)塊鏈的分布式電力交易智能合約可順利完成交易投標(biāo)、報(bào)價(jià)排序、安全校核及修正、交易清算等功能。

5結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了“ 多買多賣，分布式電能交易” 去中心化的交易模型與機(jī)制，在以太坊區(qū)塊鏈上，依托智能合約實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)去中心化電能多邊交易流程，并引入配電網(wǎng)的潮流約束限制條件，將理論進(jìn)一步貼合實(shí)際應(yīng)用。

區(qū)塊鏈在分布式電力多邊交易中的運(yùn)用值得深入研究，后續(xù)可能的方向包括：基于區(qū)塊鏈的分布式電力多邊交易最優(yōu)規(guī)模研究，適用于分布式電力交易的區(qū)塊鏈共識(shí)機(jī)制設(shè)計(jì)等。

原標(biāo)題:基于區(qū)塊鏈的含安全約束分布式電力交易方法