基于区块链的多微电网交易机制建模与优化

徐小舒，付保川，2*，赵 升，吴征天，2，许馨尹，2

（1.苏州科技大学 电子与信息工程学院，江苏 苏州 215009；2.苏州智慧城市研究院，江苏 苏州 215009）

微电网为分布式可再生能源（Distributed Renewable Energy，DRE）提供了可靠的消纳环境[1-2]，随着DRE技术的发展和政策的鼓励，配电网中电力生产者和消费者之间的界限变得模糊[3]。这些容量小、数量众多且分布广泛的DRE 逐渐进入市场。近年来，国内外学者对微电网电能交易的研究主要围绕交易机制和电能优化调度的方法上。文献[4]建立了电网公司、新增实体和用户构成的静态非合作博弈模型，并采用粒子群算法求得了博弈的均衡解。文献[5]结合ADMM 算法和模型预测控制法，提出了一种微电网群分布式优化调度策略，实现微电网间能量互补，提高可再生能源消纳能力和系统运行可靠性。然而上述文献设计的系统均为集中式架构，随着计算量的增大，这种中心化系统面临许多问题，例如高运营成本、高时间消耗和隐私泄漏等安全问题[6]。

区块链作为一种分布式账本，可以实现在没有第三方可信机构监管下，无信任关系节点之间的价值通信[7]，其去中心、自信任的特点可以解决集中式系统潜在的安全问题。文献[8]提出了一种基于区块链技术的微电网电能交易方法，通过设计专属代币和智能合约来保障用户交易安全，并提出了基于信用的共识机制来约束用户行为。文献[9]设计了一种分布式优化市场出清模型，并将其部署在区块链上来解决交易过程中隐私信息暴露和泄漏的问题，同时采用多链协同的方法来提高区块链的分布式计算效率。文献[10]提出了一种基于用户信用的需求响应资源信用管理方法，将交易流程编写为智能合约，使用区块链技术提高管理自动化程度。

以上研究均使用智能合约来自动执行交易流程，减少了因中心化干预造成的系统数据安全问题，但是各个微电网与大电网的频繁交互，将会对大电网的运行管理造成额外负担，如何减少微电网对大电网的影响，提高DRE 的就地消纳空间是文中关注的重点。对此，笔者将研究重点聚焦于微电网之间，首先分析多微电网电能交易市场的结构特点，提出多微电网电能交易架构，随后根据该架构特点设计电能交易机制，以微电网总体成本最低为优化目标，采用双边交易机制促进电能出清，最后给出微电网电能交易机制的智能合约实现方法。

1 多微电网电能交易架构

图1 为基于区块链的多微电网电能交易总体框架，整个多微电网电能交易市场由多个微电网和大电网组成，作为区块链点对点（P2P）网络的节点，微电网间互为平等，通过区块链网络进行通行和交易。对于单个微电网，其出力由分布式发电机构负责，如：光伏矩阵、风力发电机和燃料发电机。同时，微电网内部含有储能设备，主要由蓄电池组成，用于协调电能产销，供能不足时储能设备出力，供能过剩时储能设备对多余电能进行储纳。微电网负荷端主要包括普通电力用户和电动汽车用户。

图1 多微电网电能交易总体框架

在微电网内部，分布式能源由微电网端管理，用户分布较广，以用电为主，整个电能交易结构呈现“微电网-多用户”的特点。这种交易结构适合将微电网作为领导者，用户作为跟随者，双方按照一对多结构进行交易。不过由于新能源发电受自然条件影响较大，而用户用电行为比较单一，负荷需求波动平稳，社区微电网的交易环节会出现发电量和需求量不匹配的现象。当发电量大于需求量时，盈余的电量需要向外界出售；当发电量不足以满足负荷需求时，社区微电网需要从外界购入电量。如果只跟大电网进行购售电交易，不仅会给大电网正常运行造成额外压力，还会因大电网电价固定，微电网不能灵活进行电能交易而额外增加不必要的成本。

与单个微电网电能交易结构不同的是，在多微电网中，各微电网在网络中呈平行分布，互不依赖。在此结构基础上形成的电能交易市场中，交易各方也呈现互为平等的关系。整个市场中存在多个买方和多个卖方，这种交易成员结构与双边拍卖机制的成员结构一致。所以双边拍卖机制相较于传统一对多形式的交易机制，更能够促进电能在微电网间的就近消纳，在多微电网电能交易市场中适配度更高。而区块链安全加密的特点使交易信息更透明；智能合约替代第三方机构，用户之间直接交易不仅可以提高交易效率，还可以进一步保障交易过程的隐私、无干扰；链式数据结构让数据不可篡改而易验证，促进交易市场的监管更加便利。

2 微电网出力优化模型

2.1 分布式发电端

微电网中分布式发电单元的主要出力机构为光伏（PV）和风力发电机（WT）等DRE。传统燃料发电机作为应急发电设备，仅用于应对社区微电网电能供应不足的紧急情况，不用于正常情况下的电能生产，而微电网间交易的电能来自分布式能源生产的盈余电能，故不计入此模型的考量范围。

分布式发电单元的发电成本函数通常可近似表示为一个二次凸函数[11]

式中：成本系数ai、bi、ci均为常数，Pi，t为第i 个微电网在t 时段的分布式能源出力，满足如下约束

2.2 储能端

微电网中储能设备能够实现微电网电能的盈存亏补，是平衡分布式发电端出力和用电终端需求的关键。该模型中储能设备主要由铅酸蓄电池组成，电动汽车（Electric Vehicle，EV）在实际生产过程中还不能实现放电，故不作为该储能成本模型的考虑因素。

储能设备充放电功率为

其中：Δt 为储能设备充放电时间；Pc和Pd分别为储能设备充放电功率；ηc和ηd分别为储能设备充放电效率。由此得出储能设备运行成本

其中：csto，i为设备的平均维护成本。同时，为了延长蓄电池这类储能设备的使用寿命，储能设备的运行遵循以下约束条件

2.3 目标函数

结合上述成本模型，可以得出微电网总发电成本为

微电网与大电网之间的交易成本为

其中：Vt和ξtVt分别为大电网售电和购电价；Pp，i，t为大电网和微电网i 之间的输电功率，大于零代表电能从大电网向微电网i 传输。

微电网之间的交易成本为

其中：α 和β 分别为微电网期望售电和购电价；Pw，i，t为微电网i 和其余微电网之间的输电功率，大于零代表微电网i 向其余微电网售电。

某个微电网和外界的电能交易量为

其中：Preq，i，t为微电网内总负荷需求。

综上所述，在多微电网电能交易市场中，最小化所有参与微电网的综合成本是多微电网出力优化的目标函数，可表示为

3 电能交易出清机制

3.1 双边拍卖机制

在多微电网电能交易市场中，电能交易参与者为若干个地位平等的微电网，此类市场结构为典型的多方买卖市场结构。多微电网电能交易的过程由不同时段划分，大电网的售电价不随时段的变化而变化，但微电网间的购、售电价会随着不同时段Ptd的改变而改变。交易参与者通常会选择与其他出价更低的微电网进行交易。为了防止利益相关的恶意定价、竞标等违规行为的产生，对多微电网电能交易市场公平公开的市场环境和稳定有序的电能流通造成影响，有必要建立一种动态管理方法来实现更高效的电能交易。

双边拍卖机制能够实现资源的灵活分配，保证多方交易协调有序的进行，被广泛用于多方买卖的交易市场中[12]。双边拍卖机制主要分为两种形式：连续双边拍卖（Continuous Double Auction）和集中竞价（Call Market）。集中竞价需要在一定时间内收集所有交易方的报价和电量，经过多次运算后统一出清。这种交易模式需要参与者在规定时间内完成报价，且撮合计算量比较大，系统计算负荷重。所以文中选择更为灵活的多方连续双边拍卖机制，在规定交易周期内，交易双方可随时匹配，完成交易。

3.2 初始价格模型

由式（9）可知，当Ptd＜0 时，微电网的分布式能源出力可以满足用户需求，且有盈余电能可供售卖，定义这类微电网为卖方集合S={s1，s2，…，sM}；当Ptd＞0 时，微电网内能源出力无法满足用户总需求，微电网需要从外界购电，定义这类微电网为买方集合B={b1，b2，…，bN}，si和bi分别为买、卖方集合内的参与微电网。

交易开始时，所有参与交易的微电网都要提交初始报价，买方定价表达式为

其中：αt和ξt均为电价系数，值都为常数。卖方定价表达式为

其中：γt为卖方成本系数，表达式为

3.3 出清价格模型

当交易参与多方完成初始报价申报后，为反映初始交易中的电能供需关系，在此给出完善后的弹性价格[13]，表达式如下

其中：K0，j为基准弹性价格，εx为弹性系数。

为了更具体地反映交易过程中市场内部电能供需关系，文中将弹性价格和买卖匹配双方的初始报价相结合，设计了如下出清价格模型

4 拍卖智能合约设计

上节给出了双边拍卖机制模型，但是在多微电网电能交易市场中，由于微电网间互为平等，市场中没有公信第三方机构担任信息中转媒介，双边拍卖机制难以顺利展开。所以这节引入智能合约技术，其本质是运行在区块链上、按照需求导向编码的、具有一定约束力的计算机程序。将双边拍卖流程和关键步骤编码成智能合约，可以实现业务逻辑的自动执行，消除第三方作恶的隐患。既可以解决交易多方的信任问题，还可以同步记录关键交易信息，上传至区块链，保障交易数据安全。这节将基于上述给出的双边拍卖价格模型，设计具体的交易流程，提出双边拍卖出清机制，并将其智能合约化。

4.1 双边拍卖流程

将一天24 h 分为T 个周期，则交易周期集合为：T={1，2，…，t}。图2 为双边拍卖流程示意图，具体交易步骤如下。

图2 双边拍卖流程示意图

步骤一微电网在每个时段统计该时段微电网内部的电能供销情况，各自计算出自身Ptd，并根据Ptd确定其在该交易时段，多微电网电能交易市场中的角色，购电微电网集合为B，售电微电网集合为S。

步骤二购电微电网提交Ptd，i，t和bi，t，售电微电网提交Ptd，j，t和sj，t。双边拍卖机制将各微电网上传的信息按顺序排列。

步骤三系统获取购电微电网报价中的最大值和售电微电网报价中的最小值。两值比较，如果，该轮交易无法完成，需要各方重新报价，回到步骤二；如果，交易可以匹配，匹配双方依照Ptd，i，t和Ptd，j，t中的较小值作为最终交易电量，且双方按照确定交易，交易需求优先得到满足的微电网退出拍卖流程，另一方的需求交易量减掉该笔交易的最终交易电量，更新其Ptd进入步骤二重新参与拍卖交易。

步骤四执行步骤二、三，直到购电微电网集合和售电微电网集合的其中一方交易总需求被满足，满足需求的集合记录交易信息并退出拍卖流程，而剩下需求未满足的参与者将被安排与大电网依照大电网电价进行交易。

4.2 智能合约函数设计

结合多微电网电能交易市场特点，对其潜在功能需求进行分析，同时依据上文提出的双边拍卖机制，整个交易过程需要用到的智能合约应具有队列报名、报价发布、撮合出清、结果核验、交易结算等功能。基于智能合约的多微电网电能交易流程如图3 所示。

图3 智能合约函数逻辑图

（1）队列报名功能主要用来对微电网内部电能情况进行汇总。在微电网正式报名参与群电能双边拍卖前，给予微电网参考，来决定是否参与拍卖。如果微电网具有参与拍卖的需求，则调用智能合约进行报名，报名后智能合约会根据微电网电能情况自动判断其参与电能交易的角色。如果是购电方，将其分配进买方队列B={b1，b2，…，bN}；如果报名微电网是售电方，则将其分配至卖方队列S={s1，s2，…，sM}。

（2）报价发布功能用于生成微电网报价。确定报价前，微电网可以自行设置αt和ξt这类价格参数的值，如果微电网不自行设置，合约将获取默认数值。除这些值外，合约还会获取大电网电价Vt等市场全局信息以及Ptd等微电网内部电能信息。数据获取完成后，合约自动生成报价。

（3）撮合出清的功能逻辑主体是上文提出的双边拍卖机制，具体步骤参考拍卖步骤。如果微电网可以顺利进入拍卖阶段，整个撮合出清过程都由智能合约完成，没有外界干预，交易结果会返回至微电网端。

（4）结果检验功能主要完成微电网的数字签名和记录上链。微电网接受到交易结果后，可以通过对比哈希值验证结果的真实性。如果微电网对交易结果不满意，可以拒绝交易并参与新一轮的拍卖。但是智能合约会对这种违约行为进行记录，从而影响该微电网的交易信誉。如果微电网对交易结果没有异议，可以用其私钥对交易结果进行数字签名。而矿工收到这些数字签名后会再度对交易结果进行验证，确认无误后打包，将这些交易信息记录至区块链。

（5）交易结算功能主要监控交易电能的传输和完成购电微电网的支付。售电微电网按照检验后上链的交易结果进行电能的传输，传输的实际电量会由智能合约进行记录，购电微电网会按照记录的实际电量进行支付。支付的结果会记录至区块链中。

5 算例仿真分析

5.1 交易情景设置和参数配置

以一个含有三个微电网MG1、MG2 和MG3 的多微电网为例进行仿真分析，他们都属于本地搭建的以太坊私有区块链上的授权节点，可以使用Dapp 提交并查看交易数据，与智能合约交互，从而直接参与到电能的交易。结合仿真实验数据，配电网分时电价和各微电网的参数分别见表1、表2，负荷情况如图2 所示，微电网内部燃料发电机排放参数参照文献[14]。截止2021 年1 月1 日，以太币兑换人民币汇率为1∶3 712.42。

表1 大电网分时电价

表2 微电网参数

5.2 仿真分析

以各微电网综合发电成本最低为优化目标，得到3 个微电网在各时段分布式能源出力的优化值，如图5所示。可以看出，分布式能源出力集中在8-21 时段，这段时间正好是大电网用电高峰时段，微电网集中出力自产自销可以有效缓解大电网运行压力，有助于电网削峰填谷。通过对比图4 和5，可以看出，在17-22 时段，微电网DRE 出力较高，在其他时段，微电网DRE 出力可以完全满足微电网的负荷需求。

图4 微电网负荷情况

图5 微电网分布式能源出力优化结果

在双向拍卖机制中，各微电网通过竞争学习，不断更新自己的报价，最终达到均衡稳定的状态。图6 展示了经过双向拍卖机制优化后3 个微电网的总费用，与微电网只与大电网进行电能交易时的总费用的对比。

总的来看，两种策略的总费用在不同时段的变化趋势趋于一致，由于低谷时段的综合电价和对电能的负荷需求要远低于高峰时段，所以在低谷时段，两种策略的总花费都维持较低水平。而在7-8 时段和17-21 时段两段用电高峰时期，较高的负荷需求使得两种策略的总花费增长较快。

对比两个策略来看，只与大电网进行电能交易是如今最主要的电能交易策略，从图6 中可以看出，经过多微电网电能交易机制优化后的微电网总花费低于只与大电网进行电能交易的微电网总花费，在用电低谷时期尤为明显，是因为用电低谷时期大电网电价较低，微电网内部负荷需求较低，微电网基础拍卖报价低，随之出清电价结果低，所以总花费降低效果显著。

图6 优化前后微电网总费用对比

同时，表3 展示了多微电网电能交易中3 个参与微电网进行内部双边拍卖后的收益情况。可见，经过多微电网电能交易机制优化后，参与交易微电网的总体收益更加可观，总收益增加了约0.005 2 个以太币，约合人民币19.56 元。从微电网个体收益上看，相比于以最低入网价售电给大电网，微电网1 和微电网3 经过双边拍卖后获得了更高收益，而微电网2 优化后的收益不及优化前收益。这说明双边拍卖竞价具有高灵活性，风险与利益共存，用户可能通过参与双边拍卖取得更高收益，也可能取得不理想的收益，但是总体而言，基于双边拍卖的多微电网电能交易机制优化结果较好，可以提升微电网自身的经济效益，并且在很大程度上降低了整体的经济费用，进一步促进系统内资源分配的有效性。

表3 交易参与者收益对比

6 结语

针对微电网内部电能交易DRE 消纳能力不足、增加大电网运行压力等问题，提出了基于区块链的多微电网电能交易机制。结合区块链去中心化、透明、安全等特点设计了多微电网电能交易架构，分析了交易市场内参与者的组成特点和交易角色。在交易优化设计中采用了双边拍卖机制，构建了多微电网电能协调优化模型，以最小化多微电网综合发电成本和电能交易成本之和为目标函数，提出了竞价出清模型，并基于以上模型阐述了智能合约的设计思路。最后通过算例分析验证交易机制的可行性。

在文中提出的多微电网电能交易市场中，区块链的优势体现在：（1）不需要任何数据传输中介，节点可以通过非对称加密技术实现数据的点对点传输和验证，提高通信效率；（2）整个拍卖流程均由智能合约自动执行，人工无法干预，且交易记录上链，可验证、不可改，保证交易的公开透明和安全。

考虑到多微电网规模的潜在扩张会对区块链交易平台的运行提出更大挑战，后续工作可以结合区块链的分片、闪电网络等技术，提高区块链系统的运行速度和吞吐量，从而进一步优化微电网在进行电能交易时的体验。