在未来电力市场中,越来越多需求侧资源将参与到电力辅助服务项目中来,对此劳伦斯•伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory,LBNL)也发布了相关系列研究报告[17-20]。零售商在针对不同类型的消费者提供不同的价格、规避由于电力用户消费模式和批发市场不确定价格所造成的财务风险方面均遇到了较大的困难[21]。瑞士苏黎世联邦理工学院和美国密歇根大学的一项联合研究将需求侧资源作为可调增预留(up-reserve)、可调减预留(down-reserve)的手段,通过直接控制的方式控制其参与电力辅助服务市场的运行[22]。以新英格兰辅助服务市场为例,调度软件每5 min清算1次辅助服务的价格。一旦签订双边合同或者投标竞价完成,当出现由于非系统调度机构所引起的偏差时,会对辅助服务供应商进行惩罚并收取罚款,采用区块链技术也可以很好地保障该罚款的合理使用。根据我国电力企业的系统数据使用范围,在实际操作过程中,可以结合不同的业务应用场景采用公链模式、私链模式(无代币区块链)、共同体区块链模式构建。其中,公链模式的安全性完全由工作量证明机制保障,可以为电力企业提供完全去中心化的对外公众服务,所用数据在发布前需要进行抽取、按业务需求组建对应的信息资源池[23]。私链模式适用于电力信息内网的数据服务,由于所用基础设施大多是与外界完全物理隔离的,可以适当放开数据访问权,交易的规则可以修改得更加灵活,私链模式在成本方面也具有公链模式所不可比拟的优势。共同体区块链模式在电网公司、多级负荷集成商、政府、用户等多参与实体下,可作为安全管理的预选区块链,交易过程受到链条上的多数许可便可进行。该模式在实现过程中实际上属于部分去中心化的过渡模式,在电力市场交易不成熟时可以采用。未来电力零售公司可以将价格与激励等手段并入区块链交易,在实时需求侧管理过程中所面临电量波动风险和电价波动风险,将由售电公司和消费者共同承担并分享相应的收益,通过交易各方参与公证及交易累计过程中,逐步构建能源服务市场的信用体系[24-25]。在这个全新的信用体系下,区块链可以实现电力辅助服务敏捷交易的目标,甚至可以以P2P的方式主动交易、灵活地清算结算。
2.2 工作量证明机制
区块链中的工作量证明机制引入主要是为了应对拒绝服务攻击以及其他被不当使用的经济对策,其基本原理是避免对工作过程的监测而直接进行结果检查,利用正反向运算的不对称性,提高系统被攻击的难度。除非攻击者完成相近的工作量,否则该区块信息是无法被更改的,这其实是参与区块链运算中央处理器(central processing unit,CPU)的投票权问题,工作量证明的难度大多根据区块生成的平均速度来设定,如果区块制造的速度过快,其难度也会随之大幅升高。研究学者已经证明了攻击者的伪造过程满足泊松分布的特征,链条的长短是该交易能否被成功认定的核心要素。若真实交易节点和伪造交易节点产生下一交易的概率分别为p和q,则攻击者最终能够消除z个区块差距的概率pzpz可以表示为
假定正常交易被链接z个区块后,伪造交易节点同时启动构造伪造交易链条过程,则伪造交易者链条增长服从泊松分布(期望值λ=zq/pλ=zq/p表示对应于z区块正常交易时,伪造交易者潜在进展)。因此,可得伪造交易节点能够成功篡改交易的概率psps为
为了准确量化区块链系统的潜在风险,本文在表2中给出了区块链系统的风险评估值,其中红色区域表示系统失效风险高于5%的区域,在实际系统设计时应当尽量避免。可以看出,随着攻击者能力的提升(具有较高的区块伪造能力),系统的安全风险急剧增高,二区块系统在q=0.3时失效风险已经接近一半。为了应对攻击者的干扰,区块数量增多可以有效降低攻击者篡改交易的成功率。引入20个交易区块后,q=0.3的系统失效风险不高于0.3%,而此时伪造成功率在20%以下的攻击者已经没有可能攻破系统的交易防护,这也正是区块链技术随着时间流逝逐步增多有效区块后的安全优势所在。
表2 区块链交易风险概率评估(q-攻击者成功伪造节点概率)
Tab. 2 Risk probability assessment for blockchain based transaction
2.3 互联共识记账机制
参与电网辅助服务市场的电力用户资产认证、登记、注册,辅助服务购售交易、专项资金补贴、违约合同罚款等,形成电网辅助服务市场的总账本,通过去中心化的大数据系统核验参与电网交易用户的合法性。大量电网基础设施、用户设备加入电力市场辅助服务中后,由电力企业、能源服务商、负荷集成商、政府以及第3方机构共同记账,所有信息、数据可以追溯,并且无法更改。另外,采用区块链机制所形成的熵压缩非常大,几乎没有做假账的可能。
图2给出了基于区块链技术的电力供需调度框图,所有参与电力辅助服务交易的实体均通过区块链授权进行统一管理,随着用电信息系统以及国网大数据平台建设工作逐步开展,能源交易中的信用将作为一种虚拟化资源,通过信息通信技术(information communication technology,ICT)连接和管理。任何电力用户通过注册机制,均可以参与区块链的运算。在电力市场中的所有交易都会被网络中的参与节点所记录,并构建关联关系。由于所有的操作、补贴、交易均会被记录和追溯,对于历史数据的修改几乎无法实现,在需求侧资源参与电网互动时能够保障每一笔交易能够正常进行。
图2 基于区块链的电力供需调度示意图
Fig. 2 Demonstration of blockchain based supply and demand dispatching
2.4 智能合约机制
区块链技术的一个最大创新在于引入了智能合约机制,在执行合约过程中可以通过程序化的脚本进行约定。若仅仅附加私钥地址签名,通过网络广播确认身份合法性,其应用范围将大受限制。在进行交易物的所有权转让过程中,可通过预置程序化的控制策略,如：约定支付的权限、交易周期、失效条件。由于对信任机制的要求较低,在参与实体较多的电力辅助服务市场中,执行自动合约不仅可以降低管理的成本,还可以避免不必要的争议,因为所有的行为在智能合约下能够精确地执行。所谓智能合约,实际上就是部署在可分享的、可复制的账本上的一段程序代码,可以实现辅助服务交易的自动交易逻辑设定。采用全自动化的管理手段,可以降低用户的违约风险,避免由于用户未能够按照约定履行交易的经济损失。区块链所构建的信用体系采用完全去中心化的管理模式,可以有效地应对大量参与终端、参与用户间的互操作风险性问题。参与辅助服务市场的发电机组、需求侧资源、服务商、聚合商之前无需中介的参与,可以实现交易双方的直接交互,从而提高交互的效率。此外,通过区块链技术智能合约机制与电力企业未来的大数据平台平滑对接,亦可以有效避免在市场交易过程中的信息不准确问题,结合电力市场的规划、运行数据,提升与市场化交易相关的数据准确度。可以实现电力辅助服务交易过程中与气象数据、用户行为数据等系统的联动,通过对多系统数据的分析预判电网的运行状态,从而科学准确地发布相关数据并提供部分决策支撑,并以此为据作为电力辅助服务市场的交易参考。
