劉 楊，劉天羽

（上海電機(jī)學(xué)院，上海 200000）

0 引言

化石燃料占全球約80%的電能生產(chǎn)來源[1]?；诨剂系哪茉词窃斐森h(huán)境污染并導(dǎo)致環(huán)境退化的主要原因?？稍偕茉凑系浆F(xiàn)有能源系統(tǒng)中已成為一種突出的解決方案?？稍偕茉吹某霈F(xiàn)使一些參與者成為了電能的生產(chǎn)者[2]，使傳統(tǒng)的電網(wǎng)方式改變，消費者也可以成為電能生產(chǎn)者，這類參與者被稱為生產(chǎn)者。

生產(chǎn)者既可以消費又可以產(chǎn)生電能。消費者成為生產(chǎn)者的主要動機(jī)是經(jīng)濟(jì)誘因、環(huán)境意識和對能源供應(yīng)商的低信任度[3-4]。微電網(wǎng)將本地可再生能源和負(fù)荷與公用電網(wǎng)整合在一起。簡單來說微電網(wǎng)是可以本地控制的小型電力系統(tǒng)。其主要特點除了整合現(xiàn)場可再生能源的來源外，還可以管理本地負(fù)荷與發(fā)電之間的平衡[5]。

微電網(wǎng)以孤立的方式運行（稱為孤島模式），而不是并網(wǎng)連接模式。在以微電網(wǎng)孤島模式進(jìn)行的能源交易中，不能依賴中央機(jī)構(gòu)[6-7]，為設(shè)計基于區(qū)塊鏈的能源交易提供了機(jī)會。區(qū)塊鏈?zhǔn)切屡d的技術(shù)之一，區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N開放式的分布式賬本，可以有效地、可驗證的、以永久的方式記錄雙方之間的交易[6]。

文獻(xiàn)[8]提出了使用私有區(qū)塊鏈和拍賣方法確定價格的去中心化市場機(jī)制。但是，對用戶而言，通過拍賣或招標(biāo)來交易剩余能源都是不現(xiàn)實的[9-10]。由于時間有限，缺乏專業(yè)知識，尤其是缺乏技術(shù)，一些消費者或生產(chǎn)者無法參與交易。文獻(xiàn)[11-12]模型允許第三方充當(dāng)控制器來管理或控制生產(chǎn)者的電池和所有交易信息，需要密集的通信基礎(chǔ)設(shè)施，因此存在單點故障的可能性，未解決信息泄露和安全隱患的威脅。

文獻(xiàn)[13-17]的研究未強(qiáng)調(diào)如何解決隱私和安全挑戰(zhàn)以及單點故障問題。沒有文獻(xiàn)明確考慮解決發(fā)電高峰時段的能源囤積問題。研究工作沒有考慮將傳統(tǒng)的本地能源市場、微電網(wǎng)系統(tǒng)和區(qū)塊鏈技術(shù)同時結(jié)合，將其利益集中在一起。本文考慮到滯期機(jī)制，提出了使用私有區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)對等（Peer-to-Peer，P2P）能源交易模型。模型允許生產(chǎn)者和消費者以分散、安全、可信任、透明、匿名和可驗證的方式管理其資源可持續(xù)性和信息。提出了使用私有區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)P2P 能源交易并考慮滯期機(jī)制和動態(tài)定價機(jī)制來進(jìn)行能源交易。該機(jī)制使所有參與本地能源交易的成員獲得更好的經(jīng)濟(jì)利益。定價模型是從供求比（Supply Demand Ratio，SDR）機(jī)制修改而來的。

1 微電網(wǎng)P2P能源交易

能源交易系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，其顯示了從傳統(tǒng)的集中式網(wǎng)格到包含微電網(wǎng)和生產(chǎn)者的分布式網(wǎng)格的過渡。在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，能量可以通過逆變器之類的電力電子接口從公用電網(wǎng)流向微電網(wǎng)，也可以從微電網(wǎng)流向公用電網(wǎng)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure of energy trading system

這種雙向的能量流動使得向公用電網(wǎng)買賣電能變得可行。圖1 的分布式網(wǎng)絡(luò)允許使用本地微電網(wǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)者之間進(jìn)行能量流動。逐個生產(chǎn)者之間的能量流的配置導(dǎo)致P2P 能量交易。定義為生產(chǎn)者之間或生產(chǎn)者與消費者之間的能源交易[18]。

圖2 給出了微電網(wǎng)P2P 能源交易方式[19-21]。參與者被認(rèn)為是具有光伏（Photovoltaic，PV）裝置和可用電池存儲容量的生產(chǎn)者。當(dāng)光伏發(fā)電量超過負(fù)荷要求時，多余發(fā)電量的一部分將出售給有電能要求的消費者，另一部分用于給電池充電。在傍晚時分，當(dāng)光伏發(fā)電量低于負(fù)荷要求時，部分負(fù)荷要求通過電池填充，其余部分則通過從相鄰微電網(wǎng)購買能源來實現(xiàn)。也可以將多余的電力出售給電網(wǎng)，而無需任何上網(wǎng)電價計劃[22]。

圖2 P2P能源交易Fig.2 P2P energy trading

2 微電網(wǎng)能源交易的區(qū)塊鏈技術(shù)和智能合約

2.1 區(qū)塊鏈技術(shù)

當(dāng)前配電方面的批發(fā)電力市場不支持面向生產(chǎn)者的P2P 電力交易。原因為：

1）批發(fā)電力市場設(shè)定了成為交易參與者的最小能力障礙。生產(chǎn)者是小型發(fā)電機(jī)組，因此在批發(fā)電力市場中是不允許的[23]。

2）在當(dāng)前情況下，獨立系統(tǒng)運營商（Independent System Operator，ISO）從大型發(fā)電參與者處收集投標(biāo)，然后根據(jù)市場許可價格，相應(yīng)地調(diào)度電力。小型發(fā)電生產(chǎn)者數(shù)量非常龐大，并且對于ISO 而言，管理電力交易市場已經(jīng)不可行。

3）批發(fā)電力市場受限于參與者的集中式結(jié)構(gòu)。如果允許大量生產(chǎn)者參加，那么中央系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)攻擊的可能性就很高，這將造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。

4）生產(chǎn)者并沒有因為立即將其賣回電網(wǎng)的能源而獲得金錢回報。

5）“凈計量”方法不允許生產(chǎn)者以其想要的價格出售能源，并且僅對出售的能源提供固定的報酬。

事實證明就安全性、透明性和交易的不變記錄而言，區(qū)塊鏈技術(shù)可熟練用于P2P 交易。區(qū)塊鏈技術(shù)的這一特性使其成為在電力市場中實施P2P 交易的合適選擇。

本文對基于區(qū)塊鏈的架構(gòu)進(jìn)行了建模，如圖3所示。該框架包含網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，即生產(chǎn)者、消費者和公共電網(wǎng)。這些節(jié)點可以通過區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行協(xié)調(diào)，以支持能源生產(chǎn)和需求的分散化。此外，在個人級別（節(jié)點）創(chuàng)建區(qū)塊鏈分類賬的副本。P2P 能源交易中的問題為缺乏數(shù)據(jù)安全性和隱私性。但是可以使用分散和分布式的區(qū)塊鏈分類帳功能解決這些問題。以分散的方式，能源交易可以在本地維護(hù)并存儲在區(qū)塊鏈中[24-25]。該過程是在客戶的唯一標(biāo)識符的幫助下完成的，該標(biāo)識符將交易副本共享并復(fù)制到網(wǎng)絡(luò)中的所有對等方以進(jìn)行驗證。本文的系統(tǒng)中使用區(qū)塊鏈技術(shù)的好處是信息不變性，自我執(zhí)行的智能合約，安全性等。區(qū)塊鏈技術(shù)中的信息不變性可確保區(qū)塊鏈中存儲的所有信息在驗證后保持不變。為了在能源交易參與者之間達(dá)成共識，采用了工作量證明（Proof of Work，PoW）共識機(jī)制。

圖3 基于區(qū)塊鏈的系統(tǒng)框架Fig.3 Blockchain-based system framework

2.2 智能合約

智能合約是一種計算機(jī)程序，可實現(xiàn)兩方之間的現(xiàn)實世界中的合同協(xié)議。借助諸如Solidity 之類的編程語言可以實現(xiàn)智能合約。包括業(yè)務(wù)應(yīng)用程序的執(zhí)行條件和邏輯。當(dāng)客戶進(jìn)行交易時，如果交易滿足條件，這些執(zhí)行條件將自動執(zhí)行。一旦執(zhí)行了智能合約，則僅將數(shù)據(jù)寫入?yún)^(qū)塊鏈。每個對等方都保留了不可更改的智能合約副本。每個存儲在區(qū)塊鏈中的實體都有一個唯一的地址。

在本文的模型中，智能合約是指導(dǎo)能源交易機(jī)制（能源銷售和購買）以及監(jiān)視和記錄所有能源交易信息的準(zhǔn)則的集合。除此之外，智能合約還負(fù)責(zé)執(zhí)行生產(chǎn)者、消費者和主電網(wǎng)之間的所有支付過程。由于區(qū)塊鏈中用于計算滯期費用的數(shù)學(xué)函數(shù)的有限性，本文在鏈下執(zhí)行算術(shù)計算，并將結(jié)果傳遞給智能合約。

3 系統(tǒng)模型

3.1 模型說明

本文所提模型包括3 個參與者：生產(chǎn)者、消費者和公共電網(wǎng)。生產(chǎn)者和消費者將參與當(dāng)?shù)氐哪茉唇灰?。模型中微電網(wǎng)能源生產(chǎn)者是安裝了可發(fā)電太陽能電池板的用戶，通過智能合約記錄，監(jiān)控和傳輸能源信息（包括發(fā)電量和消耗量）并將其傳輸?shù)絽^(qū)塊鏈，而消費者僅可使用智能合約生成能耗信息并將其發(fā)送到區(qū)塊鏈，以供交易使用。當(dāng)?shù)禺a(chǎn)生的能量不足以滿足用戶需求時，主電網(wǎng)將能量供應(yīng)給微電網(wǎng)。通過考慮滯期費機(jī)制，使用供求比定義了價格模型。交易信息、支付流程和市場平臺通過智能合約在私有區(qū)塊鏈上執(zhí)行，以擺脫第三方。區(qū)塊鏈技術(shù)提供了一個安全、分散、透明、匿名和經(jīng)過驗證的信息平臺。

3.2 價格模型

1）在給定的時間間隔t中，定義微電網(wǎng)中第i個PV 生產(chǎn)者的生產(chǎn)功率Pi(t)為：

式中:NPV為微電網(wǎng)中的生產(chǎn)者編號。

2）定義在時間t內(nèi)的生產(chǎn)者或消費者的消費功率Ci(t)為：

式中:N為微電網(wǎng)中的消費者數(shù)量。

3）對于生產(chǎn)者i，定義給定時間t的凈功率NPi(t)為：

由于所有用戶都有不同的能耗模式，根據(jù)特定時段的凈功率，用戶可以充當(dāng)賣方或買方。因此，定義微電網(wǎng)的總售賣能力（Total Sales Power，TSP）和總購買能力（Total Purchasing Power，TPP）為：

根據(jù)經(jīng)濟(jì)學(xué)理論，價格和供需比之間的關(guān)系成反比。價格模型是基于SDR 制定的。該模型通過引入滯期費機(jī)制進(jìn)行了修改?？傎徺I能力是生產(chǎn)者或消費者的能源消耗，總售賣能力是光伏發(fā)電的能源。因此，定義給定時間t的SDR 為：

價格在1 d 中每段時間內(nèi)變化。定義在時間t內(nèi)生產(chǎn)者或消費者的購買價格Pb(t)和銷售價格Ps(t)為:

式中：Pr(t)為微電網(wǎng)P2P 能源交易價格。

為了激勵消費者和生產(chǎn)者參與能源交易，尤其是在光伏發(fā)電高峰時，生產(chǎn)者或消費者的購買價格Pb(t)小于等于從電網(wǎng)購買價格PGb(t)；生產(chǎn)者的銷售價格Ps(t)大于等于電網(wǎng)的銷售價格PGs(t)。

購買價格Pb(t)和銷售價格Ps(t)為基于供需比的函數(shù)，即：

式中:SP為補償價格，用來補償生產(chǎn)者，以確保參與本地能源交易時生產(chǎn)者得到更好的利潤。

確保當(dāng)SDR（t）＞1 時，買賣價格不一樣，并且為生產(chǎn)者提供的經(jīng)濟(jì)利益要大于消費者，使參與本地能源交易時生產(chǎn)者得到更好的利潤。

在本文模型中，生產(chǎn)者或消費者積蓄能量或在高峰發(fā)電期內(nèi)拒絕購買能量，就會觸發(fā)滯期費機(jī)制。在這種情況下，給定SDR(t)的條件會略有不同，即購買價格會略高一些，而銷售價格會略低于公用電網(wǎng)的買賣價格。這是為了鼓勵參與者購買高峰時段產(chǎn)生的本地能源，而在峰值發(fā)電時，價格應(yīng)遵守SDR 定價模型。當(dāng)SDR(t)=1 時，附近的購買力和銷售力都是相同的，并且不需要從公用電網(wǎng)導(dǎo)入或?qū)С龅碾娏?。銷售價格和購買價格都等于公用電網(wǎng)的銷售價格加上補償價格。當(dāng)SDR(t)=0 時，意味著附近沒有銷售能力。所有用戶都必須從主電網(wǎng)購買能源。因此，買進(jìn)和賣出價格等于主電網(wǎng)的買入價格。當(dāng)0 ＜SDR(t)＜1 時，買賣價格將根據(jù)式（10）和式（11）改變。

圖4 為SDR(t)與建議的買入或賣出價格之間的關(guān)系。根據(jù)式（10）—式（11），SDR(t)決定每個時間段的P2P 能源交易價格。如圖4 所示，買賣價格隨SDR(t)的增加而變化。當(dāng)功耗增加時，SDR(t)減小。SDR(t)的增加會同時降低買賣價格，反之同理。為了提高售價，參與者必須增加能源消耗，而買方也需要降低能源消耗以降低購買價格。

圖4 買入賣出價格與供需比的關(guān)系Fig.4 Relationship between buying and selling price and supply-demand ratio

為了阻止能源積蓄者并鼓勵消費者在高峰發(fā)電時間購買能源，在生產(chǎn)者購買和出售價格中引入了滯期費。滯期費是一種用于抑制能源囤積并向客戶傳遞價格信號的機(jī)制。這種機(jī)制使客戶可以將用電量轉(zhuǎn)移到本地能源產(chǎn)生過剩的時期。通過滯期機(jī)制，能源支持價格的贖回價值會隨著時間而下降。令δ為滯期值，從滯期機(jī)制得出新的賣出價格Psδ(t)和買入價格Pbδ(t)分別為式（13）和式（14），其中，K為常數(shù)。

3.3 消費者和生產(chǎn)者的成本模型

參與能源交易需求響應(yīng)的生產(chǎn)者和消費者預(yù)計將承擔(dān)一部分可轉(zhuǎn)移的負(fù)荷。由于價格激勵，參與者改變了他們的能源消耗。這使得初始能耗Ci(t)與實際值發(fā)生了變化。定義調(diào)節(jié)后的能耗ACi為：

定義更新時間間隔t上生產(chǎn)者和消費者的調(diào)整后凈消耗NCi(t)為：

PV 生產(chǎn)者i在時間t上的成本函數(shù)定義為：

式中：Pri(t)為時間t的用戶價格（買入或賣出價格）。

因此，定義1 d 的PV 生產(chǎn)者i的總成本為：

價格由凈功率決定為買入或賣出價格，即：

3.4 約束條件

能源調(diào)度過程有2 個約束，即：

其中，假定轉(zhuǎn)移負(fù)載前后的總能量不變；轉(zhuǎn)移的電力負(fù)載必須位于原始用戶配置的最小和最大電力負(fù)載之間[23]。

4 實驗?zāi)M與結(jié)果

考慮100 個家庭微電網(wǎng)進(jìn)行模擬，其中包括有PV 系統(tǒng)和無PV 系統(tǒng)的居民。模擬假設(shè)所有擁有光伏系統(tǒng)的用戶具有相同的光伏發(fā)電容量，并且所有用戶的用電量分布具有相同的模式。模擬時間1 d（24 h），計算能源負(fù)荷并生成用戶的個人資料。擬議的市場機(jī)制通過智能合約在私有區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中實施。固態(tài)腳本語言和JavaScript 程序用于開發(fā)智能合約和應(yīng)用程序用戶界面（Application Programming Interface，API）。程序允許智能合約和API 之間進(jìn)行通信。本文使用區(qū)塊鏈技術(shù)的基本概念，沒有交易成本和礦工補償。仿真中使用的參數(shù)如表1 所示。其中，[tmintmax]為時間t差值；T為1 天周期；N為用戶數(shù)量。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置Table 1 Simulation parameter setting

4.1 動態(tài)定價模型仿真

圖5 為單個用戶用電負(fù)荷和光伏產(chǎn)能曲線。顯示了普通家庭的典型能耗以及住宅生產(chǎn)者的PV能源發(fā)電量。為了評估擬議的動態(tài)定價模型，對比了電網(wǎng)實時價格方案，以表明定價模型的有效性。

圖5 單個用戶用電負(fù)荷和光伏產(chǎn)能Fig.5 Electricity load and photovoltaic capacity of a single user

從電網(wǎng)價格計劃中，價格信號大約在19:00—20:00 之間處于峰值。本文鼓勵客戶在光伏發(fā)電高峰時段參與本地能源交易，以利用在高峰時段產(chǎn)生的能源。圖6 為修改后動態(tài)價格模型，修改后的動態(tài)價格模型不鼓勵客戶參與低能耗發(fā)電。此外，將拒絕激勵在高峰期發(fā)電期間拒絕出售剩余能源的生產(chǎn)者。通過使用滯期機(jī)制來應(yīng)用抑制措施，在這種機(jī)制中，能源支持價格的贖回價值會隨著時間而下降。進(jìn)一步導(dǎo)致售價的上升或購買價格的下降，比公用事業(yè)的買賣價格更無競爭力。原因是當(dāng)消費者延遲購買本地能源時觸發(fā)了滯期費機(jī)制，結(jié)果賣出購買價格都會受到影響。該機(jī)制將通過提高購買者的價格并降低在囤積能量時的生產(chǎn)者的售價對消費者進(jìn)行懲罰。通常，SDR（t）的增加會同時降低買賣價格，反之亦然。

圖6 修改后的動態(tài)價格模型Fig.6 Modified dynamic price model

4.2 生產(chǎn)者消費者成本模型仿真

研究結(jié)果表明，除了從16:00—24:00 外，1 d 的平均能量需求在所有小時中都大致相同，消耗量更高。在16:00—24:00 之間，電費仍然較高。為了進(jìn)一步降低用電成本，使用當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的能源進(jìn)行貿(mào)易，而當(dāng)?shù)氐哪茉磧r格低于公用事業(yè)的電價。圖7 為動態(tài)定價和電網(wǎng)價格比較。

圖7 動態(tài)定價和電網(wǎng)價格比較Fig.7 Comparison of dynamic pricing and power grid price

如圖7 所示，與主電網(wǎng)電價相比，客戶通過本地能源交易實現(xiàn)了有效的成本節(jié)省。使用本地能源進(jìn)行貿(mào)易的經(jīng)濟(jì)利益不僅對生產(chǎn)者有利，而且也涉及消費者。當(dāng)使用純本地產(chǎn)生的能量進(jìn)行交易時可以節(jié)省電費。這是因為與公用事業(yè)價格相比，微電網(wǎng)P2P 能源交易的動態(tài)價格始終取決于SDR（t）。

圖8 為消費者生產(chǎn)者的成本和利潤。從圖8可知，使用動態(tài)定價模型的生產(chǎn)者所獲得的經(jīng)濟(jì)收益大約等于消費者的總成本。

圖8 消費者生產(chǎn)者的成本和利潤Fig.8 Cost and profit of consumer and producer

4.3 參與P2P能源交易用戶數(shù)量的影響

實際上所有客戶要參與本地能源交易幾乎是不可能的，因此考慮了參與能源交易的不同數(shù)量的客戶來進(jìn)行評估差異。評估中的客戶數(shù)量從0 到100 不等，間隔為20。數(shù)字100 表示所有客戶均為生產(chǎn)者，數(shù)字0 表示所有客戶均未參與本地能源交易。假設(shè)所有生產(chǎn)者的光伏發(fā)電量相同，并且能耗也相同。圖9 為參與P2P 能源交易的客戶數(shù)量的影響。如圖9 所示，當(dāng)參與能源交易的客戶數(shù)量增加時，能源的自給自足也隨之增加，使微電網(wǎng)中能源利用率極大提高，微電網(wǎng)供電能力和穩(wěn)定性增強(qiáng)，降低對公共電網(wǎng)的依賴。

圖9 參與P2P能源交易的客戶數(shù)量的影響Fig.9 Effect of the number of customers participating in P2P energy trading

5 結(jié)論

本文研究了具有許多光伏系統(tǒng)的微電網(wǎng)使用私有區(qū)塊鏈的P2P 能源交易，提出一種簡單的交換機(jī)制并構(gòu)建了動態(tài)定價模型，以增加微電網(wǎng)和個人用戶的經(jīng)濟(jì)利益。通過仿真得到以下結(jié)論：

1）引入了滯期機(jī)制，使用私有區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)P2P 能源交易消除拍賣問題。

2）提出的電力交易機(jī)制可以有效地促進(jìn)微電網(wǎng)內(nèi)用戶之間的能源共享，使用戶成本降低利潤增加，總體上提高配電網(wǎng)絡(luò)的能源效率。