胡 偉,姚文慧

(上海電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院,上海 200090)

1 引 言

隨著電力體制改革的不斷推進(jìn)以及分布式能源滲透率的提高,電力市場(chǎng)內(nèi)的交易主體逐漸向多元化發(fā)展,電力用戶不僅可以作為能源消費(fèi)者,還可以通過(guò)自身的分布式發(fā)電設(shè)備成為能源供應(yīng)商[1,2].在電力用戶多元化的背景下,電力市場(chǎng)內(nèi)部海量的交易信息使得電力交易類型和管理模式更為復(fù)雜,進(jìn)而大大增加了電力交易的管理難度和成本,給交易的安全性帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)[3].

傳統(tǒng)的電力交易方法大多采用中心化管理模式,該模式主要由交易中心對(duì)所有交易進(jìn)行協(xié)調(diào)規(guī)劃和管理.同時(shí),中心化管理模式對(duì)交易中心的運(yùn)行、維護(hù)和安全性等方面提出更高的要求,一旦交易中心受到攻擊,所有交易信息將可能遺失或被篡改,從而市場(chǎng)參與者將會(huì)受到威脅[4,5].為了避免中心化管理模式存在的問(wèn)題,分布式管理模式成為電力交易中主要的管理模式,用來(lái)解決運(yùn)行、維護(hù)、信息安全中存在的問(wèn)題.目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)分布式交易展開了大量研究,Lin 等[6]分析了國(guó)外三種分布式交易機(jī)制的應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀,并重點(diǎn)研究了三個(gè)具有代表性的P2P 交易平臺(tái),為電力交易的發(fā)展提供了借鑒.然而,現(xiàn)有的分布式交易機(jī)制在優(yōu)化管理方式的同時(shí),也給電網(wǎng)帶來(lái)了安全隱患,電力交易的真實(shí)性缺乏保障.

為了提高電力交易的安全性,本文引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù),該技術(shù)為分布式能源存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)保護(hù)和歷史追溯提供了一種新的解決方案.區(qū)塊鏈本質(zhì)是一個(gè)去中心化的數(shù)據(jù)庫(kù),由一串包含交易信息的數(shù)據(jù)塊組成,并以時(shí)間順序相連[7].區(qū)塊鏈技術(shù)與智能合約機(jī)制的結(jié)合,使得交易雙方能夠?qū)崿F(xiàn)合約的自動(dòng)執(zhí)行,完成價(jià)值的轉(zhuǎn)換,解決雙方存在的信任問(wèn)題.目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者從多種角度對(duì)區(qū)塊鏈在電力市場(chǎng)中的發(fā)展方向進(jìn)行了研究.Wang 等[8]將區(qū)塊鏈與連續(xù)雙向拍賣機(jī)制結(jié)合,在考慮市場(chǎng)靈活性的基礎(chǔ)上提出報(bào)價(jià)策略,實(shí)現(xiàn)了微電網(wǎng)內(nèi)部分布式能源與電力用戶的直接交易.Luo 等[9]提出了雙層分布式電力交易系統(tǒng),并設(shè)計(jì)了一種代理聯(lián)盟機(jī)制,以使生產(chǎn)者能夠組成聯(lián)盟并進(jìn)行電力交易談判,同時(shí)結(jié)合基于區(qū)塊鏈的交易結(jié)算機(jī)制,以實(shí)現(xiàn)電力交易的可信且安全的結(jié)算.上述研究在將區(qū)塊鏈應(yīng)用到電力交易中時(shí)僅把電力交易當(dāng)成普通商品交換,沒(méi)有考慮線路潮流約束,無(wú)法保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行.

針對(duì)電力交易過(guò)程中存在的風(fēng)險(xiǎn)以及未知性,Dagoumas 等[10]提出了一種電力交易風(fēng)險(xiǎn)管理的綜合模型,通過(guò)預(yù)測(cè)電價(jià)估計(jì)交易者的盈利能力和風(fēng)險(xiǎn),為電力市場(chǎng)中雙向交易可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)提供了解決方案.René等[11]以日內(nèi)電力市場(chǎng)為背景,對(duì)電能需求進(jìn)行預(yù)測(cè),并考慮到日內(nèi)價(jià)格的跳躍情況,以電力中隨機(jī)需求剩余引起的不平衡成本最小為目標(biāo),進(jìn)而制定了電能生產(chǎn)商的最優(yōu)交易方案.上述文獻(xiàn)對(duì)電力市場(chǎng)中的交易過(guò)程進(jìn)行了深入剖析,但是忽略了交易數(shù)據(jù)的保密性問(wèn)題,交易過(guò)程的安全性缺乏保證.

基于已有的文獻(xiàn)研究,本文將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于電力交易中,構(gòu)建了能源區(qū)塊鏈多交易主體博弈模型,結(jié)合智能合約提出了在不同阻塞管理方法下的電力交易模式.接著,在綜合考慮負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果及運(yùn)行成本的基礎(chǔ)上制定了發(fā)電商的競(jìng)價(jià)策略,將購(gòu)電者分為含分布式能源用戶和普通用戶引入電力交易中,建立其與發(fā)電商間的博弈模型.同時(shí),本文采用POW 共識(shí)機(jī)制分布式驗(yàn)證線路潮流計(jì)算結(jié)果,通過(guò)阻塞價(jià)格調(diào)整法和交易中心優(yōu)化管理法優(yōu)化線路阻塞情況.最后,結(jié)合智能合約機(jī)制分析了價(jià)值轉(zhuǎn)移的實(shí)現(xiàn)方式及交易數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)原理.通過(guò)算例分析驗(yàn)證了本文所提模型能夠有效解決阻塞管理問(wèn)題,并為緩解交易管理壓力及提高交易安全性提供了解決方案.

2 基于Multi-Agent 的多交易主體博弈模型

由于電力市場(chǎng)交易主體的增加,傳統(tǒng)的市場(chǎng)管理模式出現(xiàn)了越來(lái)越多的缺陷.在傳統(tǒng)模式下,交易中心的權(quán)利較大,所有交易數(shù)據(jù)都集中在交易中心的數(shù)據(jù)庫(kù)里,用戶隱私難以得到保障,并且一旦交易中心出現(xiàn)故障,整個(gè)市場(chǎng)都會(huì)受到影響,歷史交易數(shù)據(jù)也有可能遺失或被篡改[12,13].為了避免出現(xiàn)這些問(wèn)題,本文提出半中心化的電力交易模型.該模型將交易中心的任務(wù)分散給各交易主體完成,如交易的博弈過(guò)程及交易數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)過(guò)程,交易中心僅負(fù)責(zé)確保交易過(guò)程的安全性.另外,考慮到在電力交易過(guò)程中,可能出現(xiàn)由于交易電量過(guò)多而導(dǎo)致的線路阻塞問(wèn)題,因此需要對(duì)阻塞管理進(jìn)行研究.在解決阻塞問(wèn)題時(shí),由于需要通過(guò)中心機(jī)構(gòu)采集整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的線路參數(shù),難以讓各交易主體自主進(jìn)行.因此,本文中的交易中心僅參與系統(tǒng)的阻塞管理,并且只會(huì)存儲(chǔ)線路的有關(guān)參數(shù),判定是否越限,不會(huì)接收到交易信息,這種做法有效保障了交易的安全性及用戶的隱私性.

交易開始時(shí),確保所有的交易主體均處于當(dāng)前的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中.首先,電力交易主體通過(guò)雙邊或多邊博弈達(dá)成交易,將交易信息以智能合約的形式保存下來(lái).當(dāng)前交易時(shí)段結(jié)束后,網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有交易主體節(jié)點(diǎn)通過(guò)P2P 網(wǎng)絡(luò)互相發(fā)送各自的合約集合,利用區(qū)塊鏈對(duì)已達(dá)成的交易進(jìn)行共識(shí),確保交易的真實(shí)性和準(zhǔn)確性.共識(shí)過(guò)程結(jié)束后,各市場(chǎng)交易主體通過(guò)分布式計(jì)算驗(yàn)證該交易的安全性,包括線路潮流是否在規(guī)定范圍以內(nèi)等問(wèn)題,若滿足安全驗(yàn)證要求,則合約締結(jié)成功,具體的交易信息將被保存在區(qū)塊鏈上的某一個(gè)區(qū)塊中,以保證交易的可追溯性及不可篡改性;若未通過(guò)安全驗(yàn)證,則對(duì)交易進(jìn)行阻塞管理.本文提出2 種阻塞管理方法: 1)通過(guò)設(shè)定阻塞價(jià)格,促使原本交易量較大的交易主體減少交易電量,緩解相關(guān)線路的供電壓力,降低阻塞問(wèn)題出現(xiàn)的可能性,從而生成新的交易.接著對(duì)該交易重新進(jìn)行安全驗(yàn)證,若未通過(guò)則繼續(xù)調(diào)整阻塞價(jià)格,這樣經(jīng)過(guò)多次迭代后最終生成滿足線路潮流約束的交易;2)交易中心以交易偏差量最小作為目標(biāo)函數(shù),同時(shí)考慮電力線路的潮流約束條件,求解符合要求的最佳交易方案,記錄在區(qū)塊鏈上.通過(guò)安裝智能電表,及時(shí)收集交易過(guò)程中的所有發(fā)用電數(shù)據(jù),并及時(shí)存儲(chǔ)到區(qū)塊鏈上,以防丟失.交易完成后,智能合約自動(dòng)履行價(jià)值轉(zhuǎn)移的職能,進(jìn)行交易清算,實(shí)現(xiàn)了交易的自動(dòng)化并提高了交易的可信任度.

在電力交易過(guò)程中存在著眾多的交易主體,每個(gè)交易主體的目的和行為是相對(duì)獨(dú)立的,為完成最后的交易,各交易主體需經(jīng)過(guò)競(jìng)爭(zhēng)或協(xié)商等行為以達(dá)成共識(shí).基于此,本文提出基于Multi-Agent 的多交易主體博弈模型,在該模型中,發(fā)電商以獲得最大經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo),同時(shí)考慮競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的競(jìng)價(jià)策略及需求側(cè)電量來(lái)建立預(yù)測(cè)函數(shù),最后結(jié)合預(yù)測(cè)結(jié)果及運(yùn)行成本制定競(jìng)價(jià)策略.購(gòu)電者同樣以獲得最大經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo),根據(jù)用電特性將購(gòu)電者分為含分布式能源用戶及普通用戶,最終制定用電策略.

2.1 發(fā)電商競(jìng)價(jià)策略

發(fā)電商為集中式發(fā)電設(shè)備,其成本函數(shù)為

其中pt為時(shí)段t的市場(chǎng)供電價(jià)格,fi(pt)為發(fā)電商i關(guān)于供電價(jià)格的發(fā)電量函數(shù),也可以表示為fi(pt)=其中B?為參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的購(gòu)電者集合,fij(pt)為供電價(jià)格pt對(duì)應(yīng)的發(fā)電商i與購(gòu)電者j之間的交易電量,αi,βi為發(fā)電商i的發(fā)電成本系數(shù).

發(fā)電商i可獲得的最大收益為

假設(shè)發(fā)電商i對(duì)所有購(gòu)電者在發(fā)電側(cè)需求策略的預(yù)測(cè)如下

其中QG(pt)為供電價(jià)格pt對(duì)應(yīng)的發(fā)電側(cè)預(yù)計(jì)需求電量,G?為參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的發(fā)電商集合.

根據(jù)博弈論納什均衡條件[14,15],得到發(fā)電商i的最優(yōu)發(fā)電策略應(yīng)滿足下列條件

其中λi為購(gòu)電方對(duì)發(fā)電側(cè)需求電量相對(duì)于pt的微增響應(yīng)電量,θi為發(fā)電商i的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手關(guān)于pt的微增響應(yīng)電量.

結(jié)合具體的交易情境,首先給出如下假設(shè).

假設(shè)某時(shí)段t的購(gòu)電者總需求量為D(t),電力市場(chǎng)上有兩個(gè)發(fā)電商G1和G2,在時(shí)段t的可發(fā)電量分別為f1(t)和f2(t),單位電量發(fā)電成本分別為C1和C2,供電價(jià)格分別為p1(t)和p2(t).此時(shí),兩個(gè)發(fā)電商G1和G2都在[0,b]范圍內(nèi)出價(jià),進(jìn)行價(jià)格博弈[16].

關(guān)于發(fā)電商的最優(yōu)報(bào)價(jià)有如下結(jié)論.

結(jié)論1當(dāng)購(gòu)電者總需求量小于等于每個(gè)發(fā)電商的可發(fā)電量時(shí),即D(t)≤f1(t)且D(t)≤f2(t),當(dāng)發(fā)電商的報(bào)價(jià)為發(fā)電市場(chǎng)價(jià)格的上限與其發(fā)電成本的平均值,即時(shí),獲得的利潤(rùn)最高.

證明每個(gè)發(fā)電廠商的收益可表示為

發(fā)電廠商Gi出價(jià)pi(t)時(shí)的預(yù)期收益為

結(jié)論2當(dāng)購(gòu)電者總需求量大于每個(gè)發(fā)電商的可發(fā)電量時(shí),即D(t)>f1(t)且D(t)>f2(t),但f1(t)+f2(t)>D(t),若發(fā)電商供電價(jià)格受到嚴(yán)格監(jiān)管,每個(gè)發(fā)電商的最優(yōu)均衡報(bào)價(jià)可能為:1)該發(fā)電商的發(fā)電成本Ci.2)發(fā)電市場(chǎng)價(jià)格的上限值b.3)發(fā)電成本與發(fā)電市場(chǎng)價(jià)格上限之間的某中間值[Ci,b].

證明每個(gè)發(fā)電商的收益可表示為

如果發(fā)電側(cè)電價(jià)有價(jià)格上限b的規(guī)定,則對(duì)于發(fā)電商來(lái)說(shuō)報(bào)價(jià)越高,獲得的利潤(rùn)越大,即報(bào)價(jià)為b時(shí)利潤(rùn)最大.然而由于博弈過(guò)程,發(fā)電商兩者無(wú)法同時(shí)獲得利益最大化,根據(jù)納什均衡的最終結(jié)果,雙方報(bào)出各自的單位發(fā)電成本.這時(shí),發(fā)電成本較低的發(fā)電商獲得發(fā)電量全數(shù)上網(wǎng)的機(jī)會(huì),并獲得與另一方發(fā)電成本差額的利潤(rùn),發(fā)電成本較高的發(fā)電商提供的電量?jī)H能夠部分上網(wǎng),無(wú)法獲得利潤(rùn).由于在實(shí)際博弈過(guò)程中,發(fā)電商往往會(huì)報(bào)出高于發(fā)電成本的價(jià)格,且雙方均不知道對(duì)方的成本電價(jià),因此最終雙方會(huì)在范圍內(nèi)展開博弈,最后達(dá)到均衡狀態(tài).

發(fā)電廠商Gi出價(jià)pi(t),i=1,2 時(shí)的預(yù)期收益為

當(dāng)p?i(t)∈[Ci,b]時(shí),p?i(t)就是使發(fā)電商Gi獲得最大預(yù)期收益的電價(jià).當(dāng)p?i(t)Ci時(shí),使發(fā)電商Gi獲得最大預(yù)期收益的電價(jià)是b.證畢.

2.2 購(gòu)電者用電策略

購(gòu)電者分為含分布式能源用戶及普通用戶兩種類型.對(duì)于含分布式能源的用戶,其自身發(fā)出的電量能夠滿足部分電能需求,因此用電量需考慮售電電價(jià)及分布式能源發(fā)電量進(jìn)行決策.購(gòu)電者的目標(biāo)函數(shù)定為用電效益最大化,對(duì)于該部分用電量能獲得的效益函數(shù)為

其中Qi為購(gòu)電者j的實(shí)際用電量,Qexpj,pexpj分別為購(gòu)電者j的期望負(fù)荷和期望用電價(jià)格,ω為價(jià)格彈性系數(shù),Qj=Qbj+QDGj,Qbj和QDGj分別為購(gòu)電者j從發(fā)電商處購(gòu)買的電量和自身分布式能源發(fā)出的電量,為市場(chǎng)供電價(jià)格pt對(duì)應(yīng)的發(fā)電商i與購(gòu)電者j之間的交易電量.

購(gòu)電者j可獲得的最大收益為

其中CjDG為購(gòu)電者j所含分布式能源的發(fā)電成本.

對(duì)于普通用戶,可獲得的最大收益為

根據(jù)式(13)調(diào)整市場(chǎng)供電價(jià)格,即

其中rt=Dt/lt,Dt為t時(shí)段實(shí)際需求電量,lt為t時(shí)段發(fā)電側(cè)計(jì)劃發(fā)電量,σt為電價(jià)調(diào)整系數(shù),由各發(fā)電商根據(jù)自身的發(fā)電策略決定.

對(duì)發(fā)電商和購(gòu)電者按照各自的發(fā)電策略式(2)、購(gòu)電策略式(11)、式(12)進(jìn)行求解,獲得對(duì)應(yīng)的發(fā)電量與購(gòu)電量,從眾多結(jié)果中得出最優(yōu)策略,如式(14)所示矩陣，即為最終交易矩陣

其中fij表示發(fā)電商i提供給購(gòu)電者j的電量.

3 安全驗(yàn)證及阻塞管理

3.1 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式安全驗(yàn)證

目前已有的研究對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)的安全驗(yàn)證提出了兩種思路: 1)集中式計(jì)算.市場(chǎng)中的交易主體將已完成的交易信息交由其他交易主體進(jìn)行共識(shí),共識(shí)通過(guò)后將該信息上報(bào)給交易中心,交易中心將所有的交易信息收集完畢后,結(jié)合線路參數(shù)進(jìn)行潮流計(jì)算,根據(jù)線路安全指標(biāo)判斷該交易是否通過(guò)安全驗(yàn)證.2)分布式計(jì)算.交易主體根據(jù)交易內(nèi)容及局部線路參數(shù)各自算出相鄰線路的潮流,判定是否安全.這種方式減少了交易中心的工作量,且提高了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的工作效率[17,18].

為了確保計(jì)算的準(zhǔn)確性,利用區(qū)塊鏈中的POW 共識(shí)機(jī)制對(duì)潮流計(jì)算的正確性進(jìn)行驗(yàn)證.改進(jìn)的POW共識(shí)機(jī)制如圖1所示.圖1中各字母代表的響應(yīng)過(guò)程見(jiàn)表1.

表1 圖1中字母所代表含義Table 1 The meaning of the letters in Figure 1

將網(wǎng)絡(luò)中所有交易主體視為節(jié)點(diǎn),某一節(jié)點(diǎn)完成潮流計(jì)算后,向全體節(jié)點(diǎn)廣播工作量證明,由任意的其他節(jié)點(diǎn)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證.進(jìn)行驗(yàn)證時(shí),若參與驗(yàn)證的節(jié)點(diǎn)過(guò)少,將容易出現(xiàn)拜占庭將軍問(wèn)題,若參與驗(yàn)證的節(jié)點(diǎn)過(guò)多,則會(huì)由于過(guò)多的重復(fù)運(yùn)算耗費(fèi)大量時(shí)間.

在進(jìn)行安全驗(yàn)證的過(guò)程中,將尚未完成潮流計(jì)算及安全驗(yàn)證的待評(píng)價(jià)線路集合記為D,集合D中的待評(píng)價(jià)線路的數(shù)量記為Count,節(jié)點(diǎn)完成待評(píng)價(jià)線路Dk的潮流計(jì)算或驗(yàn)證后反饋至交易中心的工作量證明集合記為Z(Dk),Z(Dk,e)代表節(jié)點(diǎn)e對(duì)待評(píng)價(jià)線路Dk的計(jì)算或驗(yàn)證.

當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)對(duì)潮流計(jì)算的正確性共識(shí)結(jié)束后,交易中心根據(jù)共識(shí)結(jié)果判斷該交易是否符合潮流安全約束,若通過(guò)安全驗(yàn)證,則進(jìn)行該交易,并將合約集合記錄在區(qū)塊鏈中,以防交易信息被篡改或遺失;若未通過(guò)安全驗(yàn)證,則交易中心會(huì)對(duì)交易進(jìn)行阻塞管理,直到求解出滿足安全驗(yàn)證的合約集合,并記錄在區(qū)塊鏈上.

3.2 阻塞管理

通過(guò)設(shè)立阻塞價(jià)格和中心機(jī)構(gòu)優(yōu)化交易結(jié)果兩種方案進(jìn)行阻塞管理.當(dāng)交易無(wú)法通過(guò)安全驗(yàn)證時(shí),可以提高交易的阻塞價(jià)格,使發(fā)電商根據(jù)價(jià)格調(diào)整自身的發(fā)電計(jì)劃,從而解決阻塞問(wèn)題;也可以發(fā)揮中心機(jī)構(gòu)的統(tǒng)籌作用,在了解線路潮流的基礎(chǔ)上優(yōu)化交易結(jié)果,求取滿足安全要求的交易集合.

3.2.1 阻塞價(jià)格調(diào)整法

由于網(wǎng)絡(luò)中每條線路中交易的差異性,根據(jù)線路阻塞的嚴(yán)重程度及交易對(duì)阻塞的影響程度的大小制定阻塞價(jià)格[19].假設(shè)初始阻塞價(jià)格為0,當(dāng)交易未通過(guò)安全驗(yàn)證時(shí),對(duì)于導(dǎo)致線路出現(xiàn)阻塞的交易集合,按照下式更新阻塞價(jià)格,即

其中τij為發(fā)電商i與購(gòu)電者j間交易的阻塞價(jià)格,k為迭代次數(shù),L為由于兩者交易導(dǎo)致的阻塞線路的集合,Pl為線路l的傳輸功率,Pmaxl為線路l的傳輸功率上限,δ為阻塞價(jià)格調(diào)整系數(shù).

3.2.2 交易中心優(yōu)化管理

記所有能夠通過(guò)安全驗(yàn)證的交易構(gòu)成安全域E,若市場(chǎng)參與者提出一個(gè)交易集合,但該交易集合不滿足安全驗(yàn)證的要求,這時(shí)就需要交易中心對(duì)該交易集合進(jìn)行修改.為了使交易調(diào)整量最小,即在安全域中尋找與原交易矩陣距離最近的矩陣,記原交易矩陣為F0,修改后的矩陣為F.考慮發(fā)電商的出力范圍及購(gòu)電者的負(fù)荷調(diào)整量,可得到優(yōu)化的交易調(diào)整模型∑

其中fij0為F0中i行j列的元素,fij為F中第i行j列的元素,Pmini,Pmaxi分別為發(fā)電商出力的上下限,Ajmin,Ajmax分別為購(gòu)電者負(fù)荷調(diào)整量的上下限.

4 區(qū)塊鏈與電力交易市場(chǎng)的結(jié)合

由于區(qū)塊鏈采用了鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)和時(shí)間戳,每一個(gè)區(qū)塊都是按照時(shí)間順序首尾連接而成,所以區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)不可篡改并且可追溯.各節(jié)點(diǎn)將每隔一段時(shí)間收集的數(shù)據(jù)上傳到新生成的空區(qū)塊中,同時(shí)鏈接到最長(zhǎng)的區(qū)塊鏈上.區(qū)塊頭和區(qū)塊體構(gòu)成了新生成的區(qū)塊,區(qū)塊的具體布局如圖2.區(qū)塊頭部分包括當(dāng)前區(qū)塊的版本號(hào)、前一區(qū)塊的地址等信息、時(shí)間戳、Merkle 根以及該時(shí)段對(duì)應(yīng)的電力交互容量.區(qū)塊體部分則主要包括智能合約中的交易信息[20,21].

區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心化的特點(diǎn),在電力交易過(guò)程中能夠確保交易信息的透明,提高交易的可信度,有利于實(shí)現(xiàn)多種能源之間的協(xié)調(diào)和優(yōu)化傳輸,提高系統(tǒng)的效率.

4.1 智能合約及價(jià)值轉(zhuǎn)移

區(qū)塊鏈技術(shù)具有的可編程、去中心化和透明度高等特點(diǎn)為智能合約的建立提供了技術(shù)支撐.智能合約以代碼的形式存在于區(qū)塊鏈中,為網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)共同維護(hù)[22,23].當(dāng)進(jìn)行一項(xiàng)交易時(shí),合約雙方將交易內(nèi)容、交易規(guī)則以及各自簽名存儲(chǔ)于智能合約中,其中交易內(nèi)容包括交易電量、交易時(shí)間、交易價(jià)格、違約金額.在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,網(wǎng)絡(luò)中的智能電表會(huì)記錄交易雙方已完成的電能交易量,當(dāng)合約執(zhí)行時(shí)間到來(lái)時(shí),交易雙方依據(jù)交易內(nèi)容的完成度進(jìn)行價(jià)值的轉(zhuǎn)移.若發(fā)電商在規(guī)定時(shí)間內(nèi)為購(gòu)電者提供了合約中要求的電量,則電費(fèi)將自動(dòng)從購(gòu)電者賬戶轉(zhuǎn)移至發(fā)電商賬戶;若規(guī)定時(shí)間內(nèi)發(fā)電商未完成該交易,則會(huì)被扣除相應(yīng)的違約金.整個(gè)過(guò)程由事先編好的程序自動(dòng)運(yùn)行,沒(méi)有任何一方的干預(yù),保證了交易的公平性和安全性,降低了交易成本,提高了運(yùn)營(yíng)效率.

4.2 交易數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)

生成智能合約后,系統(tǒng)通過(guò)P2P 網(wǎng)絡(luò)將該合約廣播到每一個(gè)節(jié)點(diǎn),等待對(duì)該合約進(jìn)行共識(shí),因此節(jié)點(diǎn)內(nèi)存中便會(huì)存儲(chǔ)該時(shí)段所有締結(jié)的智能合約[24].共識(shí)過(guò)程結(jié)束后,節(jié)點(diǎn)會(huì)將最終形成的合約集合以哈希樹的形式保存在區(qū)塊中.哈希樹是一種二叉樹,交易信息經(jīng)過(guò)哈希編碼之后被記錄在哈希樹的分支節(jié)點(diǎn)上,這些分支節(jié)點(diǎn)的上級(jí)節(jié)點(diǎn)又被編碼為分支節(jié)點(diǎn)的哈希值的和,這樣就保證了數(shù)據(jù)的可追溯性.若某一項(xiàng)交易信息發(fā)生了更改,則該交易的哈希編碼也會(huì)改變,從而與該交易對(duì)應(yīng)的分支節(jié)點(diǎn)、上級(jí)節(jié)點(diǎn)、根節(jié)點(diǎn)都會(huì)發(fā)生改變,這種聯(lián)系也使得信息難以被篡改.節(jié)點(diǎn)將共識(shí)后形成的區(qū)塊發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn),其他節(jié)點(diǎn)通過(guò)哈希值進(jìn)行比較,驗(yàn)證區(qū)塊內(nèi)包含的合約集合是否一致,同時(shí)發(fā)送一份自己認(rèn)可的合約集合給其他的驗(yàn)證節(jié)點(diǎn),最終獲得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的一致性[25,26].

利用區(qū)塊鏈的可追溯性、安全性高的特點(diǎn),可以保證數(shù)據(jù)不可篡改以及數(shù)據(jù)的完整性,因此區(qū)塊鏈技術(shù)非常適合用于交易數(shù)據(jù)的存儲(chǔ).

5 算例分析

5.1 阻塞管理方法分析

采用包含4 個(gè)發(fā)電商、4 個(gè)購(gòu)電者的8 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò),,網(wǎng)絡(luò)連接圖如圖3所示.

由第2 節(jié)所示博弈模型經(jīng)多次迭代得出如下交易矩陣

采用潮流計(jì)算得到每條線路的功率如表2所示

表2 初始線路功率Table 2 Initial line flow

對(duì)文中所提兩種阻塞管理方法分別進(jìn)行仿真,首先用制定阻塞價(jià)格的方法進(jìn)行調(diào)整,得到優(yōu)化后的交易矩陣為

采用交易中心求解最優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化管理的方法,以調(diào)整量的平方和最小建立目標(biāo)函數(shù),得到調(diào)整后的交易矩陣為

表3 經(jīng)阻塞管理后的線路功率Table 3 Line flow after congestion management

比較兩種方法的優(yōu)化結(jié)果,發(fā)現(xiàn)兩種方法均能有效進(jìn)行阻塞管理,滿足線路的功率要求.使用阻塞價(jià)格法調(diào)整時(shí),交易矩陣中某一交易的交易主體可能發(fā)生改變,而運(yùn)用交易中心優(yōu)化調(diào)整則不會(huì)出現(xiàn)這種情況.

另外,交易中心通過(guò)求解最優(yōu)交易矩陣進(jìn)行統(tǒng)籌優(yōu)化時(shí),節(jié)點(diǎn)需上報(bào)自身的交易信息,容易導(dǎo)致交易中心的信息量過(guò)大;而通過(guò)制定阻塞價(jià)格優(yōu)化時(shí),交易中心僅需要獲取線路潮流信息,提高了交易的優(yōu)化效率.同時(shí),阻塞價(jià)格的制定也與市場(chǎng)的自發(fā)力有關(guān),更能反映市場(chǎng)的需求,提高了市場(chǎng)參與者的積極性.

5.2 區(qū)塊鏈在電力交易中的應(yīng)用

經(jīng)過(guò)博弈過(guò)程得出各發(fā)電商的供電價(jià)格如表4所示

表4 發(fā)電商供電價(jià)格Table 4 Electric prices of generators

由交易矩陣可知各交易主體的交易電量,以f15為例,發(fā)電商1 為購(gòu)電者5 提供的電量為10.98,根據(jù)發(fā)電商1 的供電單價(jià)、單位輸電費(fèi)用、單位違約費(fèi)用分別求出購(gòu)電費(fèi)用、輸電費(fèi)用及違約金額.將交易時(shí)間設(shè)定為18:00,發(fā)電商1 的地址記為0x20,購(gòu)電者5 的地址記為0x25,輸電公司的地址記為0x28.交易內(nèi)容見(jiàn)表5.

表5 f15的交易內(nèi)容Table 5 Transaction information of f15

當(dāng)交易結(jié)算時(shí)間到來(lái)時(shí),智能合約會(huì)自動(dòng)進(jìn)行價(jià)值轉(zhuǎn)移.若交易順利完成,且不存在違約情況,則資金將自動(dòng)從購(gòu)電者賬戶扣除,轉(zhuǎn)移至發(fā)電商賬戶內(nèi);若某一方存在違約情況,則自動(dòng)扣除相應(yīng)的違約金,智能合約技術(shù)將履行價(jià)值轉(zhuǎn)移的職能.本例中資金的自動(dòng)轉(zhuǎn)移情況如下表

表6 資金轉(zhuǎn)移情況Table 6 Transfer of funds

智能合約技術(shù)有效避免了交易者或第三方的介入,使交易資金能夠安全轉(zhuǎn)移,提高了交易的自動(dòng)化程度,降低了交易成本,可以考慮將該技術(shù)引入到電力交易中.

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著電力體制改革以及電力市場(chǎng)內(nèi)交易主體的多元化發(fā)展,電力交易的靈活性得到提高的同時(shí)也帶來(lái)了管理壓力及交易信任問(wèn)題.為了提高交易的安全性,本文結(jié)合智能合約機(jī)制并根據(jù)阻塞管理方法的不同提出了兩種電力交易框架.接著以發(fā)電商和購(gòu)電者的利益最大化為目標(biāo)建立了基于Multi-Agent 的多交易主體博弈模型,在考慮競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的競(jìng)價(jià)策略以及日前預(yù)測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上制定了發(fā)電商的競(jìng)價(jià)函數(shù),同時(shí)針對(duì)含分布式能源用戶和普通用戶兩種情況研究了購(gòu)電者的競(jìng)價(jià)模型.在此基礎(chǔ)上結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)對(duì)交易進(jìn)行安全驗(yàn)證及阻塞管理,利用POW 共識(shí)機(jī)制確保了潮流計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,采用阻塞價(jià)格調(diào)整法和交易中心優(yōu)化管理法解決了線路阻塞問(wèn)題.此外,結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)及智能合約機(jī)制具體分析了價(jià)值轉(zhuǎn)移及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程.最后通過(guò)算例分析表明阻塞價(jià)格調(diào)整法與交易中心優(yōu)化管理法均能有效解決阻塞問(wèn)題,采用交易中心優(yōu)化管理法雖不會(huì)改變交易主體,但交易數(shù)據(jù)過(guò)多,易降低優(yōu)化效率,而阻塞價(jià)格調(diào)整法需求信息較少,優(yōu)化效率更高.電力交易與區(qū)塊鏈技術(shù)的結(jié)合能夠有效解決交易雙方的信任問(wèn)題,并為交易的安全性提供保障.