基于區塊鏈的微電網定價機制設計與優化*

陳中育， 呂立群， 林飛龍

(浙江師范大學 數學與計算機科學學院,浙江 金華 321004)

0 引 言

區塊鏈的概念在2008年首次被Nakamoto[1]提出，他以區塊鏈技術為核心設計了一個去中心化且數據加密、可信度較高的比特幣系統，成為了第一個受到廣泛關注并認可的加密數字貨幣系統.區塊鏈是一個分布式的電子數據庫，通過公鑰密碼學技術保障用戶資產安全及交易的匿名可驗證性；通過帶時間戳的鏈式賬本結構和分布式存儲實現賬本的不可篡改性.近幾年來，區塊鏈技術受到了各個行業的廣泛關注[2]，如信用記錄、資產管理、防偽技術、智能交通、智能電網等.智能合約的概念在1994年被首次提出，區塊鏈技術的出現為智能合約提供了更理想的平臺，使智能合約具有分布式存儲和不可篡改的特性[3].

隨著分布式新能源規模的逐年擴大，新能源管理分配問題成為新能源系統的基本問題之一.文獻[4]認為，實現自我消費，讓新能源在社區內流動應該是新能源發展的主要趨勢.在分布式新能源的交易中，各個新能源產消者和新能源消費者應該以接近市場的價格進行交易，促進了分布式新能源系統的穩定發展[5].本地新能源交易在擴大產消者收益的同時，又減少消費者的支出，這樣的模式還會讓利潤在社區內流動，促進當地經濟和新能源事業的發展[6].在微電網中，產消者在每個時段(將1 d時間劃分為若干個等長的時段)內都有新能源的產出和需求，產消者可以將過剩的新能源注入街道級低壓變電站，并得到相應的補償，由街道級低壓變電站將新能源傳輸給微電網中的消費者.考慮到電能存儲代價較大，微電網內的新能源價格需要基于供需關系實時調控，在平衡雙方收益的同時，使新能源得到最大化的利用.文獻[7]提出將新能源生產和負荷等信息分布在微電網上，由于自私的參與者(產消者或消費者)和天然的信息不對稱，用戶很難得到一個中心化的、合理的新能源分配方案.本文將區塊鏈引入微電網中，為用戶提供一個不需要可信中心的電能交易平臺，提高了用戶的自主性和靈活性，又保護了用戶的隱私信息.

本文設計了新能源鏈，利用智能合約自動執行電能交易過程，使用戶在相互之間沒有信任的前提下，可以完成新能源的交易.本文主要貢獻如下：

1)提出了一種新的新能源實時定價機制，通過新能源的實時供需關系來確定新能源的實時價格，以達到平衡雙方利益的目的；

2)設計了新能源鏈，在新能源鏈的網絡中，通過智能合約生成實時的新能源價格，并結合clique算法避免網絡擁堵和不必要的區塊鏈重組；

3)建立了一個微電網模型，模擬10個產消者和10個消費者之間的本地新能源市場交易場景，證明了新能源鏈的可行性和定價機制的有效性.

1 微電網定價機制

(1)

(2)

從而

(3)

以下定理用于計算下一個時段的單位新能源的出售價格ps和消費者購買電能價格pb.

(4)

(5)

(6)

(7)

對于消費者來說，總希望可以以更小的代價獲得所需要的電能，即求式(7)的最小值Cmin.對于式(7)有

(8)

因此，函數(7)為凹函數，于是,當式(9)滿足時，微電網內消費者的總費用最小，即滿足

(9)

(10)

將式(3)代入式(10)可得

(11)

此時，消費者的全部電能需求由產消者提供，因此消費者購買單位電能的價格pb=ps.定理1證畢.

2 新能源鏈

本文將區塊鏈技術應用到微電網中，設計了新能源鏈，讓信息物理系統交互.物理層為微電網系統，信息層包括區塊鏈層和應用層，如圖1所示.其中，應用層為用戶提供可視化的界面，方便用戶查詢當下時段的電能價格和新能源出售與購買的歷史數據，以及用戶可以將“消費者”身份申請為“產消者”身份.區塊鏈層記錄了微電網中的數據，包括各個時段的新能源出售和購買價格及從智能電表中讀取的新能源注入和電能使用信息.電能傳輸在微電網中進行，資產轉移在區塊鏈中進行，并將它們記錄在區塊鏈中.在新能源鏈的區塊結構中，區塊體中記錄了各個生產者向微電網注入新能源和消費者使用電能的具體信息，也記錄了下一個時段的新能源出售價格ps和消費者購買電能價格pb.

在新能源鏈中，將所有節點(包括產消者與消費者)按照字典序進行排序，若當前區塊高度除以節點個數的余數等于某個節點的序號，則將該節點視為本輪的inturn節點，它挖出的區塊難度為2，其他節點挖出的區塊難度為1，所有節點總是維護一條難度總值最大的區塊鏈為新能源鏈的主鏈.

圖1 信息系統架構圖

新能源鏈結合了clique算法，將每一輪區塊鏈出塊的間隔時間設置為微電網中實時電價的變化周期(如30 min)，在節點完成對一個區塊的打包及簽名后，會計算當前區塊的時間戳，計算方式為父區塊的時間戳加上實時電價的變化周期.讓inturn節點延遲至該時刻才在新能源鏈網絡中廣播區塊，其他節點再延遲時間v后廣播區塊，以避免網絡擁堵和不必要的區塊鏈重組.所有節點在接收到新區塊后會對區塊進行驗證，將驗證通過的區塊加入本地區塊鏈中.

算法1計算新能源價格

2.Output:ps;pb;

5.end for

10.ifESell>EDemthen

11. 根據式(6)計算ps和pb

12.else

13. 根據式(4)和式(5)計算ps和pb

14.end if

3 仿真結果與分析

圖2為新能源鏈定價模式下，各個時段10位產消者的新能源總生產量、總出售量、總使用量和10位消費者的電能總需求量對比圖.從圖2不難看出，當消費者的電能總需求量變多時，新能源產消者也會出售更高比例的新能源.圖3為新能源鏈定價模式下新能源價格與傳統模式下電能價格對比圖，可以看出,新能源鏈定價模式下的新能源價格以30 min為周期實時變化，更能反映微電網中新能源的實時供需關系，并且消費者使用電能的價格總是低于傳統峰谷電價模式下的電能價格.圖4為傳統模式和新能源鏈定價模式下產消者與消費者總收益對比，CTra表示傳統定價模式下10位消費者1 d的電能總費用，CNew表示新能源鏈定價模式下10位消費者1 d的電能總費用，UTra表示傳統模式下10位產消者將所有新能源用于自己消費產生的總收益，UNew表示新能源鏈定價模式下10位產消者的總收益.經比較得出，在新能源鏈定價模式下，10位產消者1 d的總收益比傳統模式下自己使用全部新能源的總收益多314.71元，10位消費者1 d中使用電能的總支出比傳統模式下的總支出少581.34元.因此，新能源鏈中的定價模式在增加產消者收益的同時，還減少了消費者使用電能的費用，使新能源得到了更好的利用.

圖2 新能源總生產量、總出售量和電能總需求量對比

圖3 新能源鏈中電能價格與傳統模式下電能價格對比

圖4 傳統模式和新能源鏈下產消者與消費者總收益對比

4 結 語

本文提出了一個基于區塊鏈的微電網信息物理系統架構，將微電網與區塊鏈相結合，設計了新能源鏈.并且提出了一個基于新能源供需關系的新能源定價機制，平衡微電網內產消者和消費者的利益.仿真結果表明了新能源鏈的可行性和定價機制的有效性.未來，筆者計劃對新能源鏈的安全措施作進一步的改善，優化新能源鏈的性能.