劉 暄，李軍祥，洪 珩

（上海理工大學 管理學院，上海 200093）

為應對全球氣候變暖，在2020年9月的聯(lián)合國大會上我國首次明確提出“雙碳”目標戰(zhàn)略。目前，我國電力主要以火電為主［1］，新能源發(fā)電占比不高［2］，實現(xiàn)“雙碳”目標形勢很嚴峻。新能源在發(fā)電過程中呈現(xiàn)出零碳排放和零邊際成本等優(yōu)勢，成為能源轉型中替代電能的主體［3］，但新能源的分散性導致大規(guī)模新能源電力消納成為當前電力系統(tǒng)亟待解決的問題［4］。因此，研究“雙碳”目標下新能源電力消納具有重要的現(xiàn)實意義。

隨著綠色低碳觀念的深入，需求側用電用戶具有一定的綠色偏好［5］。作為新一代先進信息技術，區(qū)塊鏈具有數(shù)據(jù)共享、記錄溯源、信息安全等特性［6］，為新能源電力在供需之間的價值傳遞提供了新的解決思路。文獻[7]中從物理-信息-價值三個維度分析了將分布式的新能源電力接入?yún)^(qū)塊鏈并實現(xiàn)有效管理的過程。文獻[8]中采用區(qū)塊鏈和連續(xù)雙向拍賣機制使得分布式能源與用戶直接交易。文獻[9]中給出了區(qū)塊鏈下分布式能源交易的關鍵技術。針對分散的新能源交易主體之間易出現(xiàn)的信任問題，文獻[10]中基于區(qū)塊鏈的智能合約和POC共識對交易主體的信用進行評估與管控。文獻[11]中將區(qū)塊鏈的電力市場機制與新能源消納調度相結合。文獻[12]中給出了火電與新能源互補供電實時定價策略。文獻[13]中利用區(qū)塊鏈技術設計并搭建了可再生能源電力追溯的平臺。

綜上，大多數(shù)學者基于技術層面、理論層面考慮了區(qū)塊鏈與新能源電力的耦合性，但鮮有學者進行“雙碳”目標下區(qū)塊鏈對新能源電力價值傳遞的量化研究。本文在考慮用戶具有潛在的綠色偏好的基礎上，站在需求側角度，利用區(qū)塊鏈技術實現(xiàn)新能源電力在重視低碳環(huán)保的供電系統(tǒng)和具有綠色偏好的用戶之間的信息傳遞，并量化區(qū)塊鏈技術對用戶綠色偏好的影響，從而改變用戶的用電行為，促進用戶消納新能源電力，以期為我國電力行業(yè)的能源轉型提供建議。

1 區(qū)塊鏈下新能源電力消納策略

“雙碳”目標下的電力系統(tǒng)可借助區(qū)塊鏈解決供電系統(tǒng)低碳運營與用戶低碳消費之間信息不對稱問題，從而實現(xiàn)新能源電力從源端到終端的標記與追溯，保證新能源電力價值公開、可信地從供給端向需求端傳遞。

在區(qū)塊鏈的共享電力信息功能支持下，用戶對供電系統(tǒng)所提供的新能源電力將產生信任，自身的綠色偏好顯現(xiàn)，從而可根據(jù)用電福利最大化來決策綠色電力消納量和非綠色電力消納量。電力市場根據(jù)供給和需求制定電價，并反饋至供需雙方，以達成交易?！半p碳”目標下基于區(qū)塊鏈技術的電力系統(tǒng)特征如圖1所示。

圖1 “雙碳”目標下基于區(qū)塊鏈技術的電力系統(tǒng)的特征Fig.1 Characteristics of the blockchain-based power system under the dual carbon target

2 區(qū)塊鏈下供需模型

2.1 電量和電價劃分

假設將一個用電周期劃分為T個時段，并為N個用戶提供火電和新能源電力，即電力交易時段t∈{1，2，3，···，T}，用戶n∈{1，2，···，N}。設區(qū)塊鏈技術的應用程度為β，β∈[0,1]。區(qū)塊鏈能夠通過溯源機制對電力市場中綠色電量和非綠色電量的分類產生影響。供電系統(tǒng)向市場提供的火力供電量為，新能源供電量為。這樣，市場中非綠色供電量中一部分是火力供電量，即真正的非綠色電力，另一部分則是部分新能源供電量(1-β)，其在市場中因未上鏈無法溯源而不被用戶區(qū)分，因此按非綠色電力處理。上鏈的新能源供電量能夠被識別為綠色電力。非綠色供電量和綠色供電量分別表示為

同樣，用戶n向電力市場購買火電需求量和新能源需求量時，非綠色用電量和綠色用電量分別表示為

式中：pu,0、pe,0分別為非綠色電量和綠色電量的基礎電價；φu、φe分別為非綠色電價和綠色電價的平衡系數(shù)。

2.2 需求側模型

2.2.1 決策目標

用電效用函數(shù)一般用于衡量用戶在消費既定電力中所獲得的滿意程度［14］。對具有綠色偏好的用戶來說，消納非綠色電量和綠色電量所帶來的滿意程度不同，故用戶在時段t的用電效用分為非綠色用電效用和綠色用電效用，即

其中

對用戶來說，綠色電力是在非綠色電力基礎上增加了環(huán)保價值。綠色偏好包含非綠色偏好和對環(huán)保價值的偏好，并且用戶的環(huán)保價值偏好受到用戶自身對供電系統(tǒng)低碳環(huán)保重視程度θ和敏感度的影響。

用戶n的綠色偏好為

應用區(qū)塊鏈技術后，具有綠色偏好的用戶消納非綠色的火電時會產生愧疚感［15］，從而產生愧疚成本。愧疚成本一是與區(qū)塊鏈有關，當β=0時，用戶無法區(qū)分綠電，消納火電時無愧疚感，即。隨著區(qū)塊鏈實施率的增加，用戶消納火電產生的愧疚感越多，即。二是與供電系統(tǒng)的低碳環(huán)保重視程度θ有關。低碳環(huán)保重視程度越高，用戶消納火電時產生的愧疚感越強烈，且低碳環(huán)保重視程度增加得越快，用戶消納火電時產生的愧疚感增加得越多，即這樣，愧疚成本可表示為

另外，用戶的用電成本分為非綠色用電成本和綠色用電成本，即

2.2.2 約束條件

用戶用電量有范圍限制，即

而綠色用電量必須低于電力市場中綠色供電量，即

綜上，在時段t，用戶n根據(jù)用電福利最大化來決策非綠色和綠色用電量的決策模型為

2.3 供給側模型

2.3.1 決策目標

供電系統(tǒng)的售電收益分為非綠色電力收益和綠色電力收益，即

發(fā)電成本分為火力發(fā)電成本［14］和新能源發(fā)電成本，分別為

式中：a、b、c為火力發(fā)電系數(shù)；d為新能源發(fā)電系數(shù)；為火力發(fā)電量；為新能源發(fā)電量。

為實現(xiàn)降碳，需對未上鏈的新能源電力進行懲罰，以引導優(yōu)先調度新能源并讓更多的用戶分辨綠電，即

式中，ηq為單位懲罰成本。

碳交易是將碳排放權作為商品自由交易，是管控碳排放量的重要手段。在政府給定初始碳配額時，供電系統(tǒng)根據(jù)所分配的碳配額制定電力調度計劃，即

式中：ηCO2為單位碳排放權價格；δ為單位火電碳排放量系數(shù)；δ*為供電系統(tǒng)單位上鏈電量的碳配額系數(shù)。

2.3.2 約束條件

供電系統(tǒng)為用戶提供的供電量有限，即

新能源供電量不能超過其發(fā)電量，即

火力發(fā)電量包括火力供給量和作為補充為新能源電力提供的備用容量，即

為進一步保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，需要火電為新能源電力提供一定比例的備用容量。因此，火力發(fā)電量不低于備用容量，同時火電的最大出力也有限制，即

綜上，供電系統(tǒng)受低碳政策的引導，在決策時會考慮低碳環(huán)保因素，并以自身的利潤最大化為目標來決策火力和新能源供電量，其決策模型為

2.4 博弈互動

重視低碳環(huán)保的供電系統(tǒng)和具有綠色偏好的用戶之間構成Stackelberg博弈，其互動流程如圖2所示。

圖2 博弈互動流程Fig.2 Flow chart of the game interaction

電價作為供需雙方信息交互的紐帶，可起到需求側管理的目的。之所以對兩類電量制定兩種電價，是因為兩類電量的發(fā)電成本和需求側的偏好不盡相同，如采用同一電價，不僅對兩類供電商不公平，而且不能真實反映兩類電量的供需關系。因此，本文對兩類電量分別定價。根據(jù)兩類電量的供需情況實時調整電價，以引導用戶調整用電行為。本文重點研究利用區(qū)塊鏈技術傳遞電力信息對供用電策略和碳排放的影響。兩種電價的制定僅僅為供需雙方的交互和博弈搭建平臺，因此此處不做深入分析。

3 數(shù)值仿真與分析

設供給側有1個火力發(fā)電商和1個風力發(fā)電商，a=0.001，b=c=0，d=0.1，θ∈[0.5,1)，ε=0.14，ηq=0.24，ηCO2=0.12，δ=1.21，δ*=0.75。需求側有100個用戶，即N=100，α=0.5，ωtn,u∈[1,3]，λtn∈[1,3]，μtn=0.02。用電周期為1天，將其劃分為24個時段，即T=24。電價參數(shù)pu,0=0.4，pe,0=0.6，φu=φe=0.001。

定義供電系統(tǒng)對經濟與環(huán)境同等重視和未應用區(qū)塊鏈時為場景1，即θ=0.5，β=0；供電系統(tǒng)對經濟與環(huán)境同等重視和應用區(qū)塊鏈時為場景2，即θ=0.5，β=1；供電系統(tǒng)對環(huán)境的重視高于經濟和應用區(qū)塊鏈時為場景3，即θ=0.8，β=1。通過MATLAB軟件對3種場景進行仿真分析，以驗證本模型的有效性與合理性。

首先，對比3種場景下用戶非綠色、綠色用電量的變化，結果如圖3（a）所示。未應用區(qū)塊鏈（β=0）時用戶只有非綠色用電量，并高于應用區(qū)塊鏈（β=1）時的2個場景。這說明區(qū)塊鏈技術可向用戶傳遞綠色電力信息，使得具有綠色偏好的用戶傾向于消納綠色電力。供電系統(tǒng)應用區(qū)塊鏈（β=1）且重視低碳環(huán)保（θ=0.8）時的非綠色用電量明顯低于θ=0.5時，說明供電系統(tǒng)通過區(qū)塊鏈向用戶傳遞低碳環(huán)保的信號越強烈，對用戶火電需求的抑制程度越高。應用區(qū)塊鏈（β=1）時風電高發(fā)期[1,6]和[22,24]時段，與θ=0.5時的綠色用電量相比，θ=0.8時用戶能夠消納更多的風力發(fā)電量，從而提高新能源電力的消納量，降低火力供電，達到降碳目的。

圖3 不同場景下用電量、供電量的對比Fig.3 Comparison of the electricity supply and demand under different scenarios

其次，對比3種場景下供電系統(tǒng)供電量的變化，結果如圖3（b）所示。應用區(qū)塊鏈（β=1）的2個場景下風電供電量的曲線重合，且均高于未應用區(qū)塊鏈（β=0）的場景。這說明區(qū)塊鏈技術有效完成了電力信息的實時共享，降低了風電損耗?？傮w上看，應用區(qū)塊鏈（β=1）的2個場景下火電供電量均低于未應用區(qū)塊鏈（β=0）的，尤其是當供電系統(tǒng)對低碳環(huán)保的重視程度較高時，從而抑制了火電生產，促使風電替代火電并起到供電主體的作用，而火電則為風電提供備用輔助。

然后，對比3種場景下碳排放量的變化，結果如圖4(a)所示。一個用電周期θ=0.5時，應用區(qū)塊鏈的場景下碳排放量為4 997 kg，低于未應用區(qū)塊鏈的場景下的總碳排放量（5 248 kg）。而隨著供電系統(tǒng)對低碳環(huán)保的重視程度的提高，碳排放量明顯降低。建議從社會、政府層面積極引導供電系統(tǒng)重視低碳環(huán)保，從而有助于從源頭上降低碳排放。

圖4 不同場景下碳排放量、社會福利的對比Fig.4 Comparison of the carbon emission and social welfare under different scenarios

最后，對比3種場景下的社會福利，結果如圖4（b）所示?？傮w上看，應用區(qū)塊鏈的場景下社會福利均高于未應用區(qū)塊鏈的場景，從而凸顯區(qū)塊鏈技術下新能源電力消納策略的有效性。

4 結 論

針對“雙碳”目標下新能源電力消納問題，并考慮用戶的綠色偏好，利用區(qū)塊鏈技術有效實現(xiàn)電力信息共享，完成電力交易。量化了區(qū)塊鏈技術對用戶綠色偏好的影響，從而改變用戶對新能源電力的用電行為。研究表明，區(qū)塊鏈技術有效傳遞了新能源電力信息，提高了用戶對新能源電力的消納，有利于降碳減排。