基于区块链和动态定价模型的微电网P2P能源交易

2022-04-12刘天羽

智慧电力 2022年3期

刘杨，刘天羽

（上海电机学院，上海 200000）

0 引言

化石燃料占全球约80%的电能生产来源[1]。基于化石燃料的能源是造成环境污染并导致环境退化的主要原因。可再生能源整合到现有能源系统中已成为一种突出的解决方案。可再生能源的出现使一些参与者成为了电能的生产者[2]，使传统的电网方式改变，消费者也可以成为电能生产者，这类参与者被称为生产者。

生产者既可以消费又可以产生电能。消费者成为生产者的主要动机是经济诱因、环境意识和对能源供应商的低信任度[3-4]。微电网将本地可再生能源和负荷与公用电网整合在一起。简单来说微电网是可以本地控制的小型电力系统。其主要特点除了整合现场可再生能源的来源外，还可以管理本地负荷与发电之间的平衡[5]。

微电网以孤立的方式运行（称为孤岛模式），而不是并网连接模式。在以微电网孤岛模式进行的能源交易中，不能依赖中央机构[6-7]，为设计基于区块链的能源交易提供了机会。区块链是新兴的技术之一，区块链是一种开放式的分布式账本，可以有效地、可验证的、以永久的方式记录双方之间的交易[6]。

文献[8]提出了使用私有区块链和拍卖方法确定价格的去中心化市场机制。但是，对用户而言，通过拍卖或招标来交易剩余能源都是不现实的[9-10]。由于时间有限，缺乏专业知识，尤其是缺乏技术，一些消费者或生产者无法参与交易。文献[11-12]模型允许第三方充当控制器来管理或控制生产者的电池和所有交易信息，需要密集的通信基础设施，因此存在单点故障的可能性，未解决信息泄露和安全隐患的威胁。

文献[13-17]的研究未强调如何解决隐私和安全挑战以及单点故障问题。没有文献明确考虑解决发电高峰时段的能源囤积问题。研究工作没有考虑将传统的本地能源市场、微电网系统和区块链技术同时结合，将其利益集中在一起。本文考虑到滞期机制，提出了使用私有区块链的微电网对等（Peer-to-Peer，P2P）能源交易模型。模型允许生产者和消费者以分散、安全、可信任、透明、匿名和可验证的方式管理其资源可持续性和信息。提出了使用私有区块链的微电网P2P 能源交易并考虑滞期机制和动态定价机制来进行能源交易。该机制使所有参与本地能源交易的成员获得更好的经济利益。定价模型是从供求比（Supply Demand Ratio，SDR）机制修改而来的。

1 微电网P2P能源交易

能源交易系统结构框图如图1 所示，其显示了从传统的集中式网格到包含微电网和生产者的分布式网格的过渡。在现代电力系统中，能量可以通过逆变器之类的电力电子接口从公用电网流向微电网，也可以从微电网流向公用电网。

图1 系统结构框图Fig.1 Structure of energy trading system

这种双向的能量流动使得向公用电网买卖电能变得可行。图1 的分布式网络允许使用本地微电网基础结构在生产者之间进行能量流动。逐个生产者之间的能量流的配置导致P2P 能量交易。定义为生产者之间或生产者与消费者之间的能源交易[18]。

图2 给出了微电网P2P 能源交易方式[19-21]。参与者被认为是具有光伏（Photovoltaic，PV）装置和可用电池存储容量的生产者。当光伏发电量超过负荷要求时，多余发电量的一部分将出售给有电能要求的消费者，另一部分用于给电池充电。在傍晚时分，当光伏发电量低于负荷要求时，部分负荷要求通过电池填充，其余部分则通过从相邻微电网购买能源来实现。也可以将多余的电力出售给电网，而无需任何上网电价计划[22]。

图2 P2P能源交易Fig.2 P2P energy trading

2 微电网能源交易的区块链技术和智能合约

2.1 区块链技术

当前配电方面的批发电力市场不支持面向生产者的P2P 电力交易。原因为：

1）批发电力市场设定了成为交易参与者的最小能力障碍。生产者是小型发电机组，因此在批发电力市场中是不允许的[23]。

2）在当前情况下，独立系统运营商（Independent System Operator，ISO）从大型发电参与者处收集投标，然后根据市场许可价格，相应地调度电力。小型发电生产者数量非常庞大，并且对于ISO 而言，管理电力交易市场已经不可行。

3）批发电力市场受限于参与者的集中式结构。如果允许大量生产者参加，那么中央系统中的网络攻击的可能性就很高，这将造成重大的经济损失。

4）生产者并没有因为立即将其卖回电网的能源而获得金钱回报。

5）“净计量”方法不允许生产者以其想要的价格出售能源，并且仅对出售的能源提供固定的报酬。

事实证明就安全性、透明性和交易的不变记录而言，区块链技术可熟练用于P2P 交易。区块链技术的这一特性使其成为在电力市场中实施P2P 交易的合适选择。

本文对基于区块链的架构进行了建模，如图3所示。该框架包含网络中的节点，即生产者、消费者和公共电网。这些节点可以通过区块链的基础设施进行协调，以支持能源生产和需求的分散化。此外，在个人级别（节点）创建区块链分类账的副本。P2P 能源交易中的问题为缺乏数据安全性和隐私性。但是可以使用分散和分布式的区块链分类帐功能解决这些问题。以分散的方式，能源交易可以在本地维护并存储在区块链中[24-25]。该过程是在客户的唯一标识符的帮助下完成的，该标识符将交易副本共享并复制到网络中的所有对等方以进行验证。本文的系统中使用区块链技术的好处是信息不变性，自我执行的智能合约，安全性等。区块链技术中的信息不变性可确保区块链中存储的所有信息在验证后保持不变。为了在能源交易参与者之间达成共识，采用了工作量证明（Proof of Work，PoW）共识机制。

图3 基于区块链的系统框架Fig.3 Blockchain-based system framework

2.2 智能合约

智能合约是一种计算机程序，可实现两方之间的现实世界中的合同协议。借助诸如Solidity 之类的编程语言可以实现智能合约。包括业务应用程序的执行条件和逻辑。当客户进行交易时，如果交易满足条件，这些执行条件将自动执行。一旦执行了智能合约，则仅将数据写入区块链。每个对等方都保留了不可更改的智能合约副本。每个存储在区块链中的实体都有一个唯一的地址。

在本文的模型中，智能合约是指导能源交易机制（能源销售和购买）以及监视和记录所有能源交易信息的准则的集合。除此之外，智能合约还负责执行生产者、消费者和主电网之间的所有支付过程。由于区块链中用于计算滞期费用的数学函数的有限性，本文在链下执行算术计算，并将结果传递给智能合约。

3 系统模型

3.1 模型说明

本文所提模型包括3 个参与者：生产者、消费者和公共电网。生产者和消费者将参与当地的能源交易。模型中微电网能源生产者是安装了可发电太阳能电池板的用户，通过智能合约记录，监控和传输能源信息（包括发电量和消耗量）并将其传输到区块链，而消费者仅可使用智能合约生成能耗信息并将其发送到区块链，以供交易使用。当地产生的能量不足以满足用户需求时，主电网将能量供应给微电网。通过考虑滞期费机制，使用供求比定义了价格模型。交易信息、支付流程和市场平台通过智能合约在私有区块链上执行，以摆脱第三方。区块链技术提供了一个安全、分散、透明、匿名和经过验证的信息平台。

3.2 价格模型

1）在给定的时间间隔t中，定义微电网中第i个PV 生产者的生产功率Pi(t)为：

式中:NPV为微电网中的生产者编号。

2）定义在时间t内的生产者或消费者的消费功率Ci(t)为：

式中:N为微电网中的消费者数量。

3）对于生产者i，定义给定时间t的净功率NPi(t)为：

由于所有用户都有不同的能耗模式，根据特定时段的净功率，用户可以充当卖方或买方。因此，定义微电网的总售卖能力（Total Sales Power，TSP）和总购买能力（Total Purchasing Power，TPP）为：

根据经济学理论，价格和供需比之间的关系成反比。价格模型是基于SDR 制定的。该模型通过引入滞期费机制进行了修改。总购买能力是生产者或消费者的能源消耗，总售卖能力是光伏发电的能源。因此，定义给定时间t的SDR 为：

价格在1 d 中每段时间内变化。定义在时间t内生产者或消费者的购买价格Pb(t)和销售价格Ps(t)为:

式中：Pr(t)为微电网P2P 能源交易价格。

为了激励消费者和生产者参与能源交易，尤其是在光伏发电高峰时，生产者或消费者的购买价格Pb(t)小于等于从电网购买价格PGb(t)；生产者的销售价格Ps(t)大于等于电网的销售价格PGs(t)。

购买价格Pb(t)和销售价格Ps(t)为基于供需比的函数，即：

式中:SP为补偿价格，用来补偿生产者，以确保参与本地能源交易时生产者得到更好的利润。

确保当SDR（t）＞1 时，买卖价格不一样，并且为生产者提供的经济利益要大于消费者，使参与本地能源交易时生产者得到更好的利润。

在本文模型中，生产者或消费者积蓄能量或在高峰发电期内拒绝购买能量，就会触发滞期费机制。在这种情况下，给定SDR(t)的条件会略有不同，即购买价格会略高一些，而销售价格会略低于公用电网的买卖价格。这是为了鼓励参与者购买高峰时段产生的本地能源，而在峰值发电时，价格应遵守SDR 定价模型。当SDR(t)=1 时，附近的购买力和销售力都是相同的，并且不需要从公用电网导入或导出的电力。销售价格和购买价格都等于公用电网的销售价格加上补偿价格。当SDR(t)=0 时，意味着附近没有销售能力。所有用户都必须从主电网购买能源。因此，买进和卖出价格等于主电网的买入价格。当0 ＜SDR(t)＜1 时，买卖价格将根据式（10）和式（11）改变。

图4 为SDR(t)与建议的买入或卖出价格之间的关系。根据式（10）—式（11），SDR(t)决定每个时间段的P2P 能源交易价格。如图4 所示，买卖价格随SDR(t)的增加而变化。当功耗增加时，SDR(t)减小。SDR(t)的增加会同时降低买卖价格，反之同理。为了提高售价，参与者必须增加能源消耗，而买方也需要降低能源消耗以降低购买价格。

图4 买入卖出价格与供需比的关系Fig.4 Relationship between buying and selling price and supply-demand ratio

为了阻止能源积蓄者并鼓励消费者在高峰发电时间购买能源，在生产者购买和出售价格中引入了滞期费。滞期费是一种用于抑制能源囤积并向客户传递价格信号的机制。这种机制使客户可以将用电量转移到本地能源产生过剩的时期。通过滞期机制，能源支持价格的赎回价值会随着时间而下降。令δ为滞期值，从滞期机制得出新的卖出价格Psδ(t)和买入价格Pbδ(t)分别为式（13）和式（14），其中，K为常数。

3.3 消费者和生产者的成本模型

参与能源交易需求响应的生产者和消费者预计将承担一部分可转移的负荷。由于价格激励，参与者改变了他们的能源消耗。这使得初始能耗Ci(t)与实际值发生了变化。定义调节后的能耗ACi为：

定义更新时间间隔t上生产者和消费者的调整后净消耗NCi(t)为：

PV 生产者i在时间t上的成本函数定义为：

式中：Pri(t)为时间t的用户价格（买入或卖出价格）。

因此，定义1 d 的PV 生产者i的总成本为：

价格由净功率决定为买入或卖出价格，即：

3.4 约束条件

能源调度过程有2 个约束，即：

其中，假定转移负载前后的总能量不变；转移的电力负载必须位于原始用户配置的最小和最大电力负载之间[23]。

4 实验模拟与结果

考虑100 个家庭微电网进行模拟，其中包括有PV 系统和无PV 系统的居民。模拟假设所有拥有光伏系统的用户具有相同的光伏发电容量，并且所有用户的用电量分布具有相同的模式。模拟时间1 d（24 h），计算能源负荷并生成用户的个人资料。拟议的市场机制通过智能合约在私有区块链网络中实施。固态脚本语言和JavaScript 程序用于开发智能合约和应用程序用户界面（Application Programming Interface，API）。程序允许智能合约和API 之间进行通信。本文使用区块链技术的基本概念，没有交易成本和矿工补偿。仿真中使用的参数如表1 所示。其中，[tmintmax]为时间t差值；T为1 天周期；N为用户数量。

表1 仿真参数设置Table 1 Simulation parameter setting

4.1 动态定价模型仿真

图5 为单个用户用电负荷和光伏产能曲线。显示了普通家庭的典型能耗以及住宅生产者的PV能源发电量。为了评估拟议的动态定价模型，对比了电网实时价格方案，以表明定价模型的有效性。

图5 单个用户用电负荷和光伏产能Fig.5 Electricity load and photovoltaic capacity of a single user

从电网价格计划中，价格信号大约在19:00—20:00 之间处于峰值。本文鼓励客户在光伏发电高峰时段参与本地能源交易，以利用在高峰时段产生的能源。图6 为修改后动态价格模型，修改后的动态价格模型不鼓励客户参与低能耗发电。此外，将拒绝激励在高峰期发电期间拒绝出售剩余能源的生产者。通过使用滞期机制来应用抑制措施，在这种机制中，能源支持价格的赎回价值会随着时间而下降。进一步导致售价的上升或购买价格的下降，比公用事业的买卖价格更无竞争力。原因是当消费者延迟购买本地能源时触发了滞期费机制，结果卖出购买价格都会受到影响。该机制将通过提高购买者的价格并降低在囤积能量时的生产者的售价对消费者进行惩罚。通常，SDR（t）的增加会同时降低买卖价格，反之亦然。

图6 修改后的动态价格模型Fig.6 Modified dynamic price model

4.2 生产者消费者成本模型仿真

研究结果表明，除了从16:00—24:00 外，1 d 的平均能量需求在所有小时中都大致相同，消耗量更高。在16:00—24:00 之间，电费仍然较高。为了进一步降低用电成本，使用当地生产的能源进行贸易，而当地的能源价格低于公用事业的电价。图7 为动态定价和电网价格比较。

图7 动态定价和电网价格比较Fig.7 Comparison of dynamic pricing and power grid price

如图7 所示，与主电网电价相比，客户通过本地能源交易实现了有效的成本节省。使用本地能源进行贸易的经济利益不仅对生产者有利，而且也涉及消费者。当使用纯本地产生的能量进行交易时可以节省电费。这是因为与公用事业价格相比，微电网P2P 能源交易的动态价格始终取决于SDR（t）。

图8 为消费者生产者的成本和利润。从图8可知，使用动态定价模型的生产者所获得的经济收益大约等于消费者的总成本。

图8 消费者生产者的成本和利润Fig.8 Cost and profit of consumer and producer

4.3 参与P2P能源交易用户数量的影响

实际上所有客户要参与本地能源交易几乎是不可能的，因此考虑了参与能源交易的不同数量的客户来进行评估差异。评估中的客户数量从0 到100 不等，间隔为20。数字100 表示所有客户均为生产者，数字0 表示所有客户均未参与本地能源交易。假设所有生产者的光伏发电量相同，并且能耗也相同。图9 为参与P2P 能源交易的客户数量的影响。如图9 所示，当参与能源交易的客户数量增加时，能源的自给自足也随之增加，使微电网中能源利用率极大提高，微电网供电能力和稳定性增强，降低对公共电网的依赖。