基于区块链的微电网定价机制设计与优化*

陈中育， 吕立群， 林飞龙

(浙江师范大学 数学与计算机科学学院,浙江 金华 321004)

0 引 言

区块链的概念在2008年首次被Nakamoto[1]提出，他以区块链技术为核心设计了一个去中心化且数据加密、可信度较高的比特币系统，成为了第一个受到广泛关注并认可的加密数字货币系统.区块链是一个分布式的电子数据库，通过公钥密码学技术保障用户资产安全及交易的匿名可验证性；通过带时间戳的链式账本结构和分布式存储实现账本的不可篡改性.近几年来，区块链技术受到了各个行业的广泛关注[2]，如信用记录、资产管理、防伪技术、智能交通、智能电网等.智能合约的概念在1994年被首次提出，区块链技术的出现为智能合约提供了更理想的平台，使智能合约具有分布式存储和不可篡改的特性[3].

随着分布式新能源规模的逐年扩大，新能源管理分配问题成为新能源系统的基本问题之一.文献[4]认为，实现自我消费，让新能源在社区内流动应该是新能源发展的主要趋势.在分布式新能源的交易中，各个新能源产消者和新能源消费者应该以接近市场的价格进行交易，促进了分布式新能源系统的稳定发展[5].本地新能源交易在扩大产消者收益的同时，又减少消费者的支出，这样的模式还会让利润在社区内流动，促进当地经济和新能源事业的发展[6].在微电网中，产消者在每个时段(将1 d时间划分为若干个等长的时段)内都有新能源的产出和需求，产消者可以将过剩的新能源注入街道级低压变电站，并得到相应的补偿，由街道级低压变电站将新能源传输给微电网中的消费者.考虑到电能存储代价较大，微电网内的新能源价格需要基于供需关系实时调控，在平衡双方收益的同时，使新能源得到最大化的利用.文献[7]提出将新能源生产和负荷等信息分布在微电网上，由于自私的参与者(产消者或消费者)和天然的信息不对称，用户很难得到一个中心化的、合理的新能源分配方案.本文将区块链引入微电网中，为用户提供一个不需要可信中心的电能交易平台，提高了用户的自主性和灵活性，又保护了用户的隐私信息.

本文设计了新能源链，利用智能合约自动执行电能交易过程，使用户在相互之间没有信任的前提下，可以完成新能源的交易.本文主要贡献如下：

1)提出了一种新的新能源实时定价机制，通过新能源的实时供需关系来确定新能源的实时价格，以达到平衡双方利益的目的；

2)设计了新能源链，在新能源链的网络中，通过智能合约生成实时的新能源价格，并结合clique算法避免网络拥堵和不必要的区块链重组；

3)建立了一个微电网模型，模拟10个产消者和10个消费者之间的本地新能源市场交易场景，证明了新能源链的可行性和定价机制的有效性.

1 微电网定价机制

(1)

(2)

从而

(3)

以下定理用于计算下一个时段的单位新能源的出售价格ps和消费者购买电能价格pb.

(4)

(5)

(6)

(7)

对于消费者来说，总希望可以以更小的代价获得所需要的电能，即求式(7)的最小值Cmin.对于式(7)有

(8)

因此，函数(7)为凹函数，于是,当式(9)满足时，微电网内消费者的总费用最小，即满足

(9)

(10)

将式(3)代入式(10)可得

(11)

此时，消费者的全部电能需求由产消者提供，因此消费者购买单位电能的价格pb=ps.定理1证毕.

2 新能源链

本文将区块链技术应用到微电网中，设计了新能源链，让信息物理系统交互.物理层为微电网系统，信息层包括区块链层和应用层，如图1所示.其中，应用层为用户提供可视化的界面，方便用户查询当下时段的电能价格和新能源出售与购买的历史数据，以及用户可以将“消费者”身份申请为“产消者”身份.区块链层记录了微电网中的数据，包括各个时段的新能源出售和购买价格及从智能电表中读取的新能源注入和电能使用信息.电能传输在微电网中进行，资产转移在区块链中进行，并将它们记录在区块链中.在新能源链的区块结构中，区块体中记录了各个生产者向微电网注入新能源和消费者使用电能的具体信息，也记录了下一个时段的新能源出售价格ps和消费者购买电能价格pb.

在新能源链中，将所有节点(包括产消者与消费者)按照字典序进行排序，若当前区块高度除以节点个数的余数等于某个节点的序号，则将该节点视为本轮的inturn节点，它挖出的区块难度为2，其他节点挖出的区块难度为1，所有节点总是维护一条难度总值最大的区块链为新能源链的主链.

图1 信息系统架构图

新能源链结合了clique算法，将每一轮区块链出块的间隔时间设置为微电网中实时电价的变化周期(如30 min)，在节点完成对一个区块的打包及签名后，会计算当前区块的时间戳，计算方式为父区块的时间戳加上实时电价的变化周期.让inturn节点延迟至该时刻才在新能源链网络中广播区块，其他节点再延迟时间v后广播区块，以避免网络拥堵和不必要的区块链重组.所有节点在接收到新区块后会对区块进行验证，将验证通过的区块加入本地区块链中.

算法1计算新能源价格

2.Output:ps;pb;

5.end for

10.ifESell>EDemthen

11. 根据式(6)计算ps和pb

12.else

13. 根据式(4)和式(5)计算ps和pb

14.end if

3 仿真结果与分析

图2为新能源链定价模式下，各个时段10位产消者的新能源总生产量、总出售量、总使用量和10位消费者的电能总需求量对比图.从图2不难看出，当消费者的电能总需求量变多时，新能源产消者也会出售更高比例的新能源.图3为新能源链定价模式下新能源价格与传统模式下电能价格对比图，可以看出,新能源链定价模式下的新能源价格以30 min为周期实时变化，更能反映微电网中新能源的实时供需关系，并且消费者使用电能的价格总是低于传统峰谷电价模式下的电能价格.图4为传统模式和新能源链定价模式下产消者与消费者总收益对比，CTra表示传统定价模式下10位消费者1 d的电能总费用，CNew表示新能源链定价模式下10位消费者1 d的电能总费用，UTra表示传统模式下10位产消者将所有新能源用于自己消费产生的总收益，UNew表示新能源链定价模式下10位产消者的总收益.经比较得出，在新能源链定价模式下，10位产消者1 d的总收益比传统模式下自己使用全部新能源的总收益多314.71元，10位消费者1 d中使用电能的总支出比传统模式下的总支出少581.34元.因此，新能源链中的定价模式在增加产消者收益的同时，还减少了消费者使用电能的费用，使新能源得到了更好的利用.

图2 新能源总生产量、总出售量和电能总需求量对比

图3 新能源链中电能价格与传统模式下电能价格对比

图4 传统模式和新能源链下产消者与消费者总收益对比

4 结 语

本文提出了一个基于区块链的微电网信息物理系统架构，将微电网与区块链相结合，设计了新能源链.并且提出了一个基于新能源供需关系的新能源定价机制，平衡微电网内产消者和消费者的利益.仿真结果表明了新能源链的可行性和定价机制的有效性.未来，笔者计划对新能源链的安全措施作进一步的改善，优化新能源链的性能.