基于區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)電力市場(chǎng)電價(jià)與電量動(dòng)態(tài)博弈

李軍祥，王宇倩，何建佳，朱李婷

（上海理工大學(xué)管理學(xué)院，上海市 200093）

0 引言

電力市場(chǎng)的改革使風(fēng)電、光伏等可再生能源接入電網(wǎng)的條件降低，加大了區(qū)域電網(wǎng)在風(fēng)光儲(chǔ)等分布式電源投資上的力度，具有發(fā)用電能力的產(chǎn)消者在電網(wǎng)中的比例逐年提升。國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局于2017年11月印發(fā)《關(guān)于開(kāi)展分布式發(fā)電市場(chǎng)化交易試點(diǎn)的通知》［1］，文件明確分布式電源與用戶作為獨(dú)立的利益主體，可以直接進(jìn)行電力交易并參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。分布式電源具有布點(diǎn)靈活、投資成本低、距離負(fù)荷側(cè)近等天然優(yōu)勢(shì)，將其引入微電網(wǎng)可以提高系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)環(huán)保性。但分布式電源地理位置分散，單獨(dú)的分布式電源容量小，具有較大的隨機(jī)性、波動(dòng)性和間歇性，傳統(tǒng)的集中式優(yōu)化方法難以進(jìn)行并網(wǎng)和調(diào)度。此外，微電網(wǎng)市場(chǎng)優(yōu)化問(wèn)題參數(shù)多、變量多，對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸、通信和處理能力要求高，且難以保證各主體信息的隱私安全性。

區(qū)塊鏈技術(shù)在眾多互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中脫穎而出，有望解決這些難題。區(qū)塊鏈為能源互聯(lián)網(wǎng)提供了一套分布式、可信任、防篡改的綜合解決方案［2］，實(shí)現(xiàn)了分布式參與者接入與能源交易功能。已有諸多學(xué)者探索分析區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于虛擬電廠［3］、儲(chǔ)能［4］、電力輔助服務(wù)［5］、大用戶直購(gòu)電［6］、需求側(cè)響應(yīng)［7］等方面的可行性，驗(yàn)證了區(qū)塊鏈與能源互聯(lián)網(wǎng)的耦合性［8］。文獻(xiàn)［9］設(shè)計(jì)了基于區(qū)塊鏈的分布式能源交易架構(gòu)及結(jié)算機(jī)制，文獻(xiàn)［10］探討了借助區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)碳排放市場(chǎng)的信用管理［10］等。現(xiàn)有研究大多將區(qū)塊鏈理念應(yīng)用于電力交易，而關(guān)于區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用對(duì)市場(chǎng)成員決策影響的量化研究較少。

此外，微電網(wǎng)市場(chǎng)參與個(gè)體隸屬于不同的產(chǎn)權(quán)所有者，有不同的利益訴求，常規(guī)地將微電網(wǎng)當(dāng)成一個(gè)整體參與競(jìng)標(biāo)并不合理。同時(shí)，市場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程先完成電價(jià)競(jìng)標(biāo)，后完成電量競(jìng)標(biāo)確定調(diào)度計(jì)劃，符合主從遞階結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)博弈，因此，選擇Stackelberg博弈解決電力市場(chǎng)競(jìng)標(biāo)問(wèn)題。文獻(xiàn)［11］分析了市場(chǎng)主體的行為特征，利用Stackelberg博弈解決電力市場(chǎng)的競(jìng)價(jià)與調(diào)度問(wèn)題；文獻(xiàn)［12-13］基于主從博弈分析售電商和用戶在電力市場(chǎng)中的互動(dòng)機(jī)制，從不同角度對(duì)實(shí)時(shí)電價(jià)制定方法進(jìn)行研究。但上述研究?jī)H限于供給側(cè)或需求側(cè)之間的博弈行為，尚未涉及電網(wǎng)系統(tǒng)中多元主體間的交互，且上述博弈模型中個(gè)體決策大多假設(shè)獲取全局信息，忽略了信息的非同步性。

基于上述背景，本文提出以區(qū)塊鏈技術(shù)為支撐的微電網(wǎng)電力市場(chǎng)，以優(yōu)化電力交易機(jī)制。建立基于區(qū)塊鏈的電力交易定價(jià)策略，量化區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用對(duì)市場(chǎng)主體決策的影響，并應(yīng)用Stackelberg博弈理論對(duì)市場(chǎng)電價(jià)、電量競(jìng)標(biāo)問(wèn)題進(jìn)行求解。通過(guò)算例仿真驗(yàn)證了發(fā)展基于區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)電力市場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性價(jià)值。

1 基于區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)電力市場(chǎng)

1.1 基于區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)市場(chǎng)

市場(chǎng)是買(mǎi)賣(mài)雙方聚集在一起互相交易并決定商品價(jià)格和產(chǎn)量的機(jī)制。本節(jié)對(duì)基于區(qū)塊鏈技術(shù)的微電網(wǎng)電力市場(chǎng)架構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。

微電網(wǎng)市場(chǎng)主體主要包括負(fù)責(zé)區(qū)塊鏈智能平臺(tái)運(yùn)營(yíng)和監(jiān)管的運(yùn)營(yíng)商，提供輔助服務(wù)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的地方電網(wǎng)公司，以及分布式電源和負(fù)荷（用戶）。考慮到產(chǎn)消者存在電源、用戶之間的轉(zhuǎn)化，即部分時(shí)間為電源、部分時(shí)間為用戶，將一個(gè)電力交易周期劃分為T(mén)個(gè)時(shí)隙，時(shí)隙t∈{1，2，…，T}，以一個(gè)時(shí)隙為單位，根據(jù)供需關(guān)系對(duì)分布式主體的角色進(jìn)行判斷。電源表示充分利用自身清潔能源后持有多余能源的個(gè)體，而無(wú)法滿足自身用電需求的視為負(fù)荷。微電網(wǎng)傳統(tǒng)的中心化機(jī)構(gòu)管理分布式電源成本較高，還會(huì)因信息滯后造成資源浪費(fèi)。分布式主體布點(diǎn)靈活及節(jié)點(diǎn)進(jìn)出網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)的特點(diǎn)恰好符合區(qū)塊鏈的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（peer to peer，P2P）網(wǎng)絡(luò)接口［14］，參與主體作為獨(dú)立節(jié)點(diǎn)鏈入基于區(qū)塊鏈的電力市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模分布式電源及負(fù)荷接入微電網(wǎng)的有效管理，促成了電力實(shí)時(shí)交易、就近消納。傳統(tǒng)電力交易依賴(lài)于第三方，區(qū)塊鏈去信任的特質(zhì)使供需雙方直接交易［15］，可實(shí)現(xiàn)供需雙方精準(zhǔn)匹配，打破了市場(chǎng)主體間的信息壁壘，實(shí)現(xiàn)了透明、公正的信息披露。

本文提出基于區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)電力市場(chǎng)［16］，如圖1所示。

圖1 基于區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)電力市場(chǎng)Fig.1 Blockchain based microgrid electricity market

分布式電源和用戶申請(qǐng)注冊(cè)時(shí)，提交身份ID、能源形式、地理位置、裝機(jī)容量等相關(guān)信息，用于區(qū)塊鏈準(zhǔn)入機(jī)制認(rèn)證和身份標(biāo)識(shí)。對(duì)符合市場(chǎng)準(zhǔn)入規(guī)則的個(gè)體進(jìn)行加密并將虛擬地址、信譽(yù)評(píng)分等信息存儲(chǔ)在相應(yīng)區(qū)塊。市場(chǎng)成員作為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)具有相同的地位，通過(guò)移動(dòng)端應(yīng)用程序執(zhí)行基本操作，向全網(wǎng)廣播購(gòu)、售電信息，發(fā)出交易請(qǐng)求。交易采用集合競(jìng)價(jià)模式撮合，規(guī)則為在時(shí)隙t內(nèi)最大交易量的買(mǎi)賣(mài)申報(bào)信息集中撮合。區(qū)塊鏈以固定頻率生成撮合交易的區(qū)塊進(jìn)行交易確認(rèn)，區(qū)塊生成時(shí)間間隔與交易周期時(shí)隙t相同。

基于區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)電力市場(chǎng)由能量流和信息流連接互通，智能電表根據(jù)合約訂單執(zhí)行充放電能的計(jì)量，構(gòu)建防篡改的數(shù)據(jù)傳輸；能量路由器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)能量傳遞；兩者高度融合、快速運(yùn)轉(zhuǎn)。所有鏈上個(gè)體均可獲取微電網(wǎng)實(shí)時(shí)信息，各節(jié)點(diǎn)通過(guò)平臺(tái)內(nèi)部信息挖掘，采用本文模型及算法進(jìn)行電價(jià)、電量?jī)?yōu)化，實(shí)現(xiàn)博弈均衡達(dá)成最終協(xié)議，并將賬戶狀態(tài)、收據(jù)等交易信息寫(xiě)入?yún)^(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫(kù)。微電網(wǎng)通過(guò)公共耦合點(diǎn)與主網(wǎng)連接，內(nèi)部電力交易電量不平衡時(shí)，與外部大電網(wǎng)進(jìn)行能量交互以充分發(fā)揮市場(chǎng)效益。

1.2 分布式主體電力市場(chǎng)選擇

分布式主體擁有自由選擇電力市場(chǎng)的權(quán)利，即選擇與大電網(wǎng)交易或參與基于區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)市場(chǎng)。

以用戶電力市場(chǎng)的選擇為例進(jìn)行分析。用戶作為理性行為人，根據(jù)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景做出個(gè)人效益最優(yōu)化的選擇。用戶對(duì)電力市場(chǎng)的偏好影響決策，成為市場(chǎng)需求變化的直接反應(yīng)。大電網(wǎng)相比于微電網(wǎng)具有更穩(wěn)定的電力可靠性保證，而基于區(qū)塊鏈的電力市場(chǎng)信息公開(kāi)透明、實(shí)時(shí)交互，可幫助用戶更精確地掌握電力信息（如電力來(lái)源、實(shí)時(shí)電價(jià)、交易對(duì)方信用、歷史數(shù)據(jù)等），從而更精準(zhǔn)地調(diào)整用電行為，以增加用戶對(duì)其的偏好程度。同時(shí)，微電網(wǎng)基于區(qū)塊鏈廣泛利用價(jià)格低且環(huán)保的清潔能源，沒(méi)有第三方賺取差價(jià)，能減少部分交易成本。當(dāng)用戶在該平臺(tái)獲得的經(jīng)濟(jì)激勵(lì)具備一定吸引力時(shí)，就傾向于選擇微電網(wǎng)進(jìn)行電力交易。由此可見(jiàn)，用戶對(duì)微電網(wǎng)的偏好程度與信息互通程度和經(jīng)濟(jì)激勵(lì)程度呈正相關(guān)關(guān)系，而信息互通程度取決于區(qū)塊鏈技術(shù)的覆蓋率，經(jīng)濟(jì)激勵(lì)程度則取決于區(qū)塊鏈交易中心的電價(jià)制定策略，即用戶偏好由區(qū)塊鏈技術(shù)的覆蓋率和電價(jià)制定策略決定。

類(lèi)似地，電源對(duì)電力市場(chǎng)的選擇也取決于區(qū)塊鏈技術(shù)覆蓋率和電價(jià)制定策略。

設(shè)定s∈[0，1]為區(qū)塊鏈技術(shù)覆蓋率，即微電網(wǎng)應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)的范圍。當(dāng)整個(gè)微電網(wǎng)都覆蓋區(qū)塊鏈技術(shù)時(shí)s=1；s=0.5可以理解為微電網(wǎng)50%的區(qū)域覆蓋了區(qū)塊鏈技術(shù)，剩余50%并未涉及，會(huì)影響信息交互，從而影響用戶決策，即分布式主體隨區(qū)塊鏈技術(shù)覆蓋率的增加傾向于選擇微電網(wǎng)市場(chǎng)。另一方面，微電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商設(shè)定供給側(cè)售電收入提高為傳統(tǒng)交易模式下的γi(1＜γi＜1.5)倍以吸引電源參與；降低需求側(cè)售電支出為傳統(tǒng)交易模式下的γj(0.5＜γj＜1)以吸引用戶參與。若γi、γj均取值為1，則表示參與微電網(wǎng)市場(chǎng)未能獲得經(jīng)濟(jì)激勵(lì)，較難吸引分布式成員參與，因此數(shù)值1不取等號(hào)。同時(shí)，為避免市場(chǎng)出現(xiàn)混亂和不可控，限制經(jīng)濟(jì)調(diào)整程度小于傳統(tǒng)模式的0.5。γi取值越大、γj取值越小，電源和用戶則更傾向于選擇微電網(wǎng)市場(chǎng)。

文獻(xiàn)［17］以線性函數(shù)η=a[(βs+βb)/2+b]表示電價(jià)優(yōu)惠越大，產(chǎn)消者選擇社區(qū)運(yùn)營(yíng)商作為電力交易方的概率越大，其中βb和βs分別為社區(qū)運(yùn)營(yíng)商購(gòu)、售電價(jià)調(diào)整系數(shù)，a和b為線性函數(shù)的參數(shù)。類(lèi)似該文獻(xiàn)，采用經(jīng)濟(jì)激勵(lì)影響決策的線性函數(shù)ηγi=c(γi-1)+d和ηγj=c(1-γj)+d表 示 電 價(jià)優(yōu)惠對(duì)電源和用戶選擇微電網(wǎng)市場(chǎng)概率的影響，其中c和d為線性函數(shù)的參數(shù)。進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)時(shí)，若γi、γj代入 得ηγi＞1、ηγj＞1，則 以ηγi=1、ηγj=1進(jìn)行后續(xù)運(yùn)算，以避免概率值脫離實(shí)際；若γi、γj代入得ηγi＜0、ηγj＜0，則 以ηγi=0、ηγj=0進(jìn) 行 后 續(xù)運(yùn)算。

基于以上分析，電源i和用戶j選擇微電網(wǎng)的概率ηPi(0≤ηPi≤1)和ηPj(0≤ηPj≤1)以及選擇大電網(wǎng)作為交易市場(chǎng)的概率ηgi和ηgj各自為：

式中：θ1和θ2分別為電源i和用戶j關(guān)于信息互通因素和經(jīng)濟(jì)激勵(lì)因素影響決策的權(quán)重。

1.3 基于區(qū)塊鏈的節(jié)點(diǎn)信譽(yù)

電源和負(fù)荷作為獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)鏈入系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)k∈{1，2，…，K}，K為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)總數(shù)。記錄節(jié)點(diǎn)違規(guī)行為，根據(jù)節(jié)點(diǎn)行為的動(dòng)態(tài)改變引入節(jié)點(diǎn)信譽(yù)值［18-19］。運(yùn)營(yíng)商和電力公司共同監(jiān)督，懲罰違規(guī)節(jié)點(diǎn)，取消惡意節(jié)點(diǎn)的名額以保證系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。電力市場(chǎng)供需平衡最終由大電網(wǎng)進(jìn)行結(jié)算，交易方案在執(zhí)行前由區(qū)塊鏈交易中心進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)安全校核。最終監(jiān)管部門(mén)、交易中心和市場(chǎng)主體共同驗(yàn)證校核結(jié)果的公平性與可信性，以此完善微電網(wǎng)市場(chǎng)機(jī)制，促進(jìn)市場(chǎng)成員積極交易，保障參與主體利益。

為與各主體經(jīng)濟(jì)效益統(tǒng)一量綱，引入節(jié)點(diǎn)單位信譽(yù)值違約成本系數(shù)fV，將成員的違約行為折算到經(jīng)濟(jì)維度。違約成本CV，k計(jì)算式為：

2 基于區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)主從博弈競(jìng)標(biāo)框架

2.1 基于區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)市場(chǎng)電價(jià)、電量競(jìng)標(biāo)框架

微電網(wǎng)傳統(tǒng)交易環(huán)境信息不完全公開(kāi)，市場(chǎng)成員為更好地決策需花費(fèi)較大的成本搜集相關(guān)信息。基于區(qū)塊鏈的市場(chǎng)數(shù)據(jù)區(qū)塊的動(dòng)態(tài)特性適應(yīng)電力交易的動(dòng)態(tài)變化，為個(gè)體提供完全信息的博弈環(huán)境。現(xiàn)假設(shè)：微電網(wǎng)市場(chǎng)競(jìng)標(biāo)過(guò)程通過(guò)區(qū)塊鏈實(shí)時(shí)更新供給側(cè)電量、需求側(cè)負(fù)荷和當(dāng)前交易電價(jià)，信息全部公開(kāi)透明，各主體完全理性。采用清潔能源最大化消納原則；電力交易只存在于供需之間，電源之間無(wú)電力交易。市場(chǎng)競(jìng)標(biāo)過(guò)程分為電價(jià)競(jìng)標(biāo)和電量競(jìng)標(biāo)兩個(gè)階段，存在先后行動(dòng)次序，符合主從遞階結(jié)構(gòu)，將其視為Stackelberg博弈過(guò)程，競(jìng)標(biāo)框架如圖2所示。

圖2 基于區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)市場(chǎng)主從博弈競(jìng)標(biāo)框架Fig.2 Blockchain-based bidding framework of Stackelberg game in microgrid market

電價(jià)競(jìng)標(biāo)相當(dāng)于Stackelberg博弈中的領(lǐng)導(dǎo)者，電量競(jìng)標(biāo)相當(dāng)于跟隨者。電量處于主從博弈下層，被動(dòng)地接受市場(chǎng)電價(jià)，但電量調(diào)度計(jì)劃最終會(huì)影響交易價(jià)格。第1階段，在大電網(wǎng)電價(jià)信息的基礎(chǔ)上，設(shè)定競(jìng)爭(zhēng)均衡價(jià)格為交易初始電價(jià)，數(shù)值接近估算范圍內(nèi)的高頻率成交價(jià)格，保證各主體可以獲得合理收益。電源與負(fù)荷收到電價(jià)后以自身效益最優(yōu)完成電量競(jìng)標(biāo)，制定下一時(shí)隙的電量計(jì)劃反饋給區(qū)塊鏈交易中心。第2階段，根據(jù)電量競(jìng)標(biāo)結(jié)果對(duì)電價(jià)進(jìn)行更新，因此，下層的最優(yōu)決策可以看作是上層決策變量的函數(shù)。交易中心通過(guò)密碼模塊、共識(shí)模塊對(duì)交易訂單進(jìn)行安全校核，若安全校核通過(guò)，則交易信息記錄上鏈；若校核不通過(guò)，則市場(chǎng)成員重新進(jìn)行博弈達(dá)成新協(xié)議，并再次進(jìn)行安全校核。根據(jù)上述過(guò)程循環(huán)迭代，生成符合市場(chǎng)成員意愿并滿足電網(wǎng)物理約束的交易協(xié)議。

該算法是完全分布的，本地個(gè)體與鄰居節(jié)點(diǎn)交換信息即可實(shí)現(xiàn)本地優(yōu)化，獲得與全局優(yōu)化一致的最優(yōu)解。電價(jià)與電量反復(fù)博弈實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)供需兩端調(diào)節(jié)，保障電力實(shí)時(shí)平衡。電能供求實(shí)時(shí)互動(dòng)［20-22］使零售電價(jià)真正反映電力成本的實(shí)時(shí)變化，有利于形成合理的價(jià)格，實(shí)現(xiàn)供需風(fēng)險(xiǎn)共擔(dān)、利益共享。

基于區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)市場(chǎng)以價(jià)格信號(hào)引導(dǎo)電力響應(yīng)，供求變化通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)引起價(jià)格上下自由波動(dòng)，由傳統(tǒng)管制性調(diào)度走向市場(chǎng)化；以市場(chǎng)機(jī)制分散化決策，優(yōu)化用能行為，合理安排能源供應(yīng)，確定能源傳輸網(wǎng)絡(luò)的多能流最優(yōu)潮流分布，從而實(shí)現(xiàn)電力資源合理優(yōu)化配置。最終實(shí)現(xiàn)供給需求彈性化、交易決策自主化、交易品種多元化、發(fā)用電調(diào)度一體化。

2.2 微電網(wǎng)市場(chǎng)主從博弈系統(tǒng)

將上述Stackelberg博弈系統(tǒng)表示為：

該博弈系統(tǒng)包含3個(gè)要素：參與者、策略、效益，具體表示如下。

1）參與者：電源i、負(fù)荷j和微電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商O(píng)，表示為集合N={i，j，O}。

2）策略：領(lǐng)導(dǎo)者電價(jià)的策略以向量的形式可以表示為p=[p1，p2，…，pT]；跟隨者電量的策略為電源i各時(shí)隙的輸出功率和負(fù)荷j各時(shí)隙的電量需求，分 別 表 示 為 向 量xi=[xi，1，xi，2，…，xi，T]和xj=[xj，1，xj，2，…，xj，T]。

3）效益：電源、負(fù)荷和微電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商在該博弈系統(tǒng)中的效益分別為Ri、Rj和RO。

3 模型的建立及分析

基于區(qū)塊鏈的交易平臺(tái)實(shí)現(xiàn)買(mǎi)賣(mài)雙方信息對(duì)等、協(xié)同自治；利用公鑰和私鑰生成帶有時(shí)間戳的認(rèn)證信息和傳輸?shù)刂罚鉀Q節(jié)點(diǎn)信任和數(shù)據(jù)開(kāi)放問(wèn)題。交易清算時(shí)，智能合約根據(jù)實(shí)際發(fā)用電數(shù)據(jù)以及事先協(xié)議自動(dòng)完成資金轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)流程自動(dòng)化，提高市場(chǎng)運(yùn)行效率，促進(jìn)電力市場(chǎng)公平化和低成本發(fā)展。區(qū)塊鏈框架下的電量、電價(jià)優(yōu)化決策如下。

3.1 基于區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)市場(chǎng)電量競(jìng)標(biāo)下層博弈

電源和用戶讀取鏈上信息，以自身效用最優(yōu)完成電量競(jìng)標(biāo)。電量競(jìng)標(biāo)博弈的策略考慮為電源的輸出功率和用戶的電力需求，博弈過(guò)程中電源與用戶效益分析如下。

電源博弈過(guò)程的效益即利潤(rùn)，利潤(rùn)函數(shù)Ri定義為收入減去成本，即

式中：CV，i為一個(gè)交易周期電源i區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)的違約成本，通過(guò)式（6）計(jì)算為一個(gè)常數(shù)。

電源的電量競(jìng)標(biāo)過(guò)程遵循以下約束條件。

電源出力約束：

式 中：xi，max和xi，min分別為電 源i的出力 上、下限。爬坡約束：

式中：rdi和rui分別為電源i的下坡率和上坡率；Δ?∈{1，2，…，T}為時(shí)間間隔長(zhǎng)度。

此外，化石能源出力還需滿足啟停約束，約束條件見(jiàn)參考文獻(xiàn)［23］。

式中：ω為用戶參與需求側(cè)管理的意愿，綜合參考文獻(xiàn)［24-25］選取；β為預(yù)設(shè)參數(shù)，反映用戶的效用遞增速率。

在實(shí)際情況中，用戶類(lèi)別眾多，本文根據(jù)用戶用電量規(guī)模將用戶分為負(fù)荷1和負(fù)荷2兩類(lèi)，取β為不同的值反映兩種不同規(guī)模用戶的效用遞增速率。

用戶博弈過(guò)程的效益即用戶福利，福利函數(shù)Rj定義為用能效用減去購(gòu)電支出，即

式中：CV，j為一個(gè)交易周期負(fù)荷j區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)的違約成本，通過(guò)式（6）計(jì)算為一個(gè)常數(shù)。

負(fù)荷的電量競(jìng)標(biāo)過(guò)程遵循以下約束條件：

式中：xj，max為用戶負(fù)荷上限；xj，min為用戶維持基礎(chǔ)活動(dòng)的負(fù)荷。

此外，電源和用戶交易過(guò)程還需滿足潮流約束和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電壓約束，約束條件可參考文獻(xiàn)［23］。

綜上，微電網(wǎng)市場(chǎng)電量競(jìng)標(biāo)階段電源和負(fù)荷根據(jù)電價(jià)調(diào)整競(jìng)標(biāo)電量以最大化自身經(jīng)濟(jì)效益。競(jìng)標(biāo)過(guò)程中電源的策略空間由式（9）和式（10）確定，記為Ωi；負(fù)荷的策略空間由式（13）確定，記為Ωj。在各自策略空間下，電源以最大化利潤(rùn)函數(shù)Ri制定出力計(jì)劃；負(fù)荷以最大化福利函數(shù)Rj制定用電計(jì)劃。電量競(jìng)標(biāo)模型為：

3.2 基于區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)市場(chǎng)電價(jià)競(jìng)標(biāo)上層博弈

微電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商讀取鏈上信息，以自身效用最優(yōu)制定電價(jià)策略，電價(jià)競(jìng)標(biāo)博弈的策略考慮為下一時(shí)隙交易電價(jià)，博弈過(guò)程中微電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商效益分析如下。

微電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商只為市場(chǎng)成員提供交易平臺(tái)，按一定比例收取市場(chǎng)成員服務(wù)費(fèi)用，運(yùn)營(yíng)商博弈過(guò)程的效益即運(yùn)營(yíng)收益，收益函數(shù)RO計(jì)算為：

式中：γ為區(qū)塊鏈服務(wù)費(fèi)用系數(shù)；N1和N2分別為選擇微電網(wǎng)市場(chǎng)的電源和負(fù)荷數(shù)量。

由式（15）可知，在區(qū)塊鏈服務(wù)費(fèi)用系數(shù)一定的情況下，運(yùn)營(yíng)商效益與參與主體效益一致，理論上依據(jù)電量競(jìng)標(biāo)博弈的結(jié)果即可求得運(yùn)營(yíng)商的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)效益。因此，只需考慮對(duì)選擇微電網(wǎng)市場(chǎng)的個(gè)體效益求最優(yōu)。電源和用戶在微電網(wǎng)市場(chǎng)的效益與電價(jià)有關(guān)，運(yùn)營(yíng)商通過(guò)調(diào)整電價(jià)策略中γi和γj的取值來(lái)獲得更高的自身經(jīng)濟(jì)效益。由于運(yùn)營(yíng)商如何制定電價(jià)策略來(lái)獲取更高的效益不是本文研究的重點(diǎn)，此處不進(jìn)行詳細(xì)闡述。根據(jù)電量競(jìng)標(biāo)結(jié)果，市場(chǎng)交易電價(jià)更新過(guò)程如下。

供需兩側(cè)協(xié)調(diào)得到下一時(shí)隙交易電價(jià)以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平衡，計(jì)算式為：

交易價(jià)格的調(diào)整遵循以下約束條件：式中：pmin和pmax分別為電網(wǎng)所允許的市場(chǎng)競(jìng)標(biāo)電價(jià)下限和上限。

電價(jià)競(jìng)標(biāo)階段，微電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商依據(jù)電量競(jìng)標(biāo)結(jié)果調(diào)整電價(jià)策略以最大化自身經(jīng)濟(jì)效益。電價(jià)的策略空間由式（19）確定，記為ΩO，電價(jià)競(jìng)標(biāo)模型為：

3.3 博弈均衡解的存在性與唯一性

在Stackelberg均衡解中，任一參與方均不能通過(guò)單方面改變策略來(lái)獲得更大的利益。Stackelberg均衡解存在性與唯一性的相關(guān)定理［26］和證明過(guò)程詳見(jiàn)附錄A。

3.4 博弈參與者實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益更新

通過(guò)3.1節(jié)和3.2節(jié)主從博弈競(jìng)標(biāo)過(guò)程求得理論上最佳的電價(jià)與電量，而數(shù)值實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行供需兩側(cè)交易金額比較時(shí)，需要根據(jù)交易實(shí)況更新實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益。博弈參與者電源、用戶和運(yùn)營(yíng)商的實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益更新過(guò)程詳見(jiàn)附錄B。

4 數(shù)值實(shí)驗(yàn)

應(yīng)用MATLAB軟件進(jìn)行數(shù)值仿真，基于區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)市場(chǎng)Stackelberg博弈兩階段競(jìng)標(biāo)模型算法過(guò)程見(jiàn)附錄C圖C1，參數(shù)設(shè)置見(jiàn)附錄D表D1，其他相關(guān)數(shù)據(jù)參見(jiàn)文獻(xiàn)［27］。調(diào)整γi、γj和s的取值，使得ηPi和ηPj分別取值為（1，1），（0.5，0.5），（0，0）的3種場(chǎng)景，即市場(chǎng)中100%分布式電源和負(fù)荷選擇微電網(wǎng)（此時(shí)微電網(wǎng)區(qū)塊鏈全覆蓋，s=1），50%分布式電源和負(fù)荷選擇微電網(wǎng)（此時(shí)微電網(wǎng)區(qū)塊鏈半覆蓋，s=0.5）和0%分布式電源和負(fù)荷選擇微電網(wǎng)（此時(shí)未覆蓋區(qū)塊鏈技術(shù)，s=0即傳統(tǒng)模式）為3種對(duì)比場(chǎng)景，驗(yàn)證本文所提交易模型。。

首先，3種場(chǎng)景下逐時(shí)電價(jià)曲線的求解結(jié)果如圖3所示。

圖3 逐時(shí)電價(jià)曲線對(duì)比Fig.3 Comparison of hourly electricity price curves

微電網(wǎng)市場(chǎng)優(yōu)化運(yùn)行的最終結(jié)果是在當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)提供的分時(shí)電價(jià)和上網(wǎng)電價(jià)（即傳統(tǒng)模式購(gòu)售電價(jià)曲線）的包絡(luò)線內(nèi)完成價(jià)格競(jìng)標(biāo)，為供需兩側(cè)提供與電網(wǎng)相比更優(yōu)的交易價(jià)格。微電網(wǎng)內(nèi)部交易價(jià)格變化趨勢(shì)與電網(wǎng)分時(shí)電價(jià)類(lèi)似，隨著分時(shí)電價(jià)的上升而上升，保證購(gòu)售電一定的利潤(rùn)。對(duì)比100%主體和50%主體參與微電網(wǎng)的電價(jià)曲線可知，區(qū)塊鏈技術(shù)覆蓋率越高，則微電網(wǎng)市場(chǎng)電價(jià)優(yōu)化效果越明顯。

其次，需求側(cè)電量?jī)?yōu)化結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 基于區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)市場(chǎng)電量競(jìng)標(biāo)曲線Fig.4 Blockchain-based power bidding curves of microgrid market

圖5 3種場(chǎng)景下的總電量曲線對(duì)比Fig.5 Comparison of total power curves in three scenarios

需要說(shuō)明的是，傳統(tǒng)模式下的總負(fù)荷曲線已經(jīng)是用戶在原電力市場(chǎng)機(jī)制下的較優(yōu)選擇，即已經(jīng)是分時(shí)電價(jià)機(jī)制引起的負(fù)荷轉(zhuǎn)移后的結(jié)果。因此，本文將基于區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)機(jī)制與傳統(tǒng)模式的曲線進(jìn)行對(duì)比，而對(duì)比產(chǎn)生的優(yōu)化效果一定是采用區(qū)塊鏈后帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。在微電網(wǎng)市場(chǎng)機(jī)制的電價(jià)激勵(lì)下，負(fù)荷曲線表現(xiàn)出削峰填谷。由圖4可知，用戶50%選擇微電網(wǎng)、50%選擇大電網(wǎng)分時(shí)電價(jià)交易時(shí)，微電網(wǎng)市場(chǎng)內(nèi)部交易電量確實(shí)約為100%用戶選擇時(shí)的一半。在微電網(wǎng)市場(chǎng)售電價(jià)較低時(shí)，負(fù)荷增加用能需求以提升自身效益；相反，在電價(jià)峰時(shí)段下調(diào)負(fù)荷需求以減少用能支出。由圖5中3種場(chǎng)景下用戶總負(fù)荷曲線可知，傳統(tǒng)模式下電力交易的負(fù)荷特性呈現(xiàn)兩頭低、中間高，而當(dāng)100%用戶選擇微電網(wǎng)市場(chǎng)時(shí)，負(fù)荷峰谷差顯著減小。在實(shí)際應(yīng)用中，可以體現(xiàn)為用電量大的科技園、工業(yè)區(qū)和產(chǎn)業(yè)基地等工廠選擇在凌晨和夜晚開(kāi)啟消耗大功率的機(jī)器設(shè)備。對(duì)比100%用戶和50%用戶曲線可知，參與微電網(wǎng)市場(chǎng)用戶數(shù)量越多、用電量越大，需求側(cè)負(fù)荷曲線優(yōu)化效果越明顯。基于區(qū)塊鏈的市場(chǎng)負(fù)荷曲線相較于傳統(tǒng)模式更為平穩(wěn)，說(shuō)明優(yōu)化后的市場(chǎng)機(jī)制可指導(dǎo)用戶科學(xué)用電，優(yōu)化系統(tǒng)負(fù)荷特性。此外，當(dāng)大電網(wǎng)處于負(fù)荷高峰時(shí)，微電網(wǎng)可以配合參與外部電網(wǎng)削峰，有利于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的友好互動(dòng)。

同時(shí)，供給側(cè)電量?jī)?yōu)化結(jié)果如圖6所示。

圖6 微電網(wǎng)市場(chǎng)電源出力曲線Fig.6 Power output curves of microgrid market

當(dāng)微電網(wǎng)區(qū)塊鏈全覆蓋時(shí)（此時(shí)100%分布式電源選擇基于區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)市場(chǎng)），高比例清潔能源入網(wǎng)減少了對(duì)化石能源的需求，化石能源出力峰值下降，環(huán)境污染減少。對(duì)比市場(chǎng)內(nèi)100%電源和50%電源曲線可知，區(qū)塊鏈覆蓋率越廣，越多的清潔能源參與微電網(wǎng)交易，供給側(cè)電量?jī)?yōu)化效果越明顯。在新能源發(fā)電補(bǔ)貼減少的趨勢(shì)下，利用微電網(wǎng)建立基于區(qū)塊鏈的電力交易平臺(tái)可大幅降低分布式電源對(duì)國(guó)家政策性補(bǔ)貼的依賴(lài)，有效促進(jìn)清潔能源就地消納，提升可再生能源利用比例和使用效率。此外，電力就近消納減少了電能的實(shí)際傳輸距離和傳輸損耗，降低了輸配電成本；節(jié)省了輸配電基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)土地和空間的占用，節(jié)約了自然資源。

最后，供需兩側(cè)經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比結(jié)果見(jiàn)附錄E圖E1、圖E2、圖E3。當(dāng)分布式主體100%選擇微電網(wǎng)市場(chǎng)時(shí)，電力交易由供需雙方直接促成。由圖E1、圖E3可見(jiàn)，相比于傳統(tǒng)模式，用戶用能成本降低，用戶福利卻上升。同時(shí)，電源售電收入增加，凈利潤(rùn)也增加。當(dāng)50%主體選擇微電網(wǎng)而剩余50%選擇大電網(wǎng)作為電力交易市場(chǎng)時(shí)，相較于100%的場(chǎng)景，供給側(cè)售電收入降低，需求側(cè)購(gòu)能成本增加，用戶福利減少。這是因?yàn)榛趨^(qū)塊鏈的微電網(wǎng)廣泛利用價(jià)格低且環(huán)保的清潔能源，不存在第三方賺取差價(jià)，運(yùn)營(yíng)商給予電源、用戶可觀的經(jīng)濟(jì)激勵(lì)，只收取部分服務(wù)費(fèi)用，體現(xiàn)了區(qū)塊鏈降低電力交易成本的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，基于區(qū)塊鏈的交易機(jī)制實(shí)現(xiàn)了利益及時(shí)結(jié)算，提升交易效率和用戶體驗(yàn)。相比于傳統(tǒng)交易模式，電源電力由電網(wǎng)收購(gòu)時(shí)，上網(wǎng)電價(jià)明顯低于基于區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)內(nèi)部電價(jià)；而用戶從電網(wǎng)購(gòu)電滿足需求時(shí)，分時(shí)電價(jià)又顯然高于微電網(wǎng)內(nèi)部電價(jià)，說(shuō)明基于區(qū)塊鏈的電力交易顯著提升了供需兩側(cè)的經(jīng)濟(jì)效益。

仿真結(jié)果表明：基于區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)市場(chǎng)給予分布式主體充分選擇權(quán)，增加了市場(chǎng)自由度。以時(shí)變的節(jié)點(diǎn)電價(jià)信號(hào)引導(dǎo)電源在時(shí)間尺度優(yōu)化配置，引導(dǎo)電網(wǎng)潮流更加均衡；引導(dǎo)負(fù)荷在時(shí)間尺度的轉(zhuǎn)移，改善了系統(tǒng)負(fù)荷特性。通過(guò)市場(chǎng)發(fā)現(xiàn)最佳價(jià)格和交易量，以更靈活的電價(jià)策略平衡和優(yōu)化各方利益，提升電力商品效用，最大化社會(huì)效益。基于區(qū)塊鏈分布式入網(wǎng)提高清潔能源并網(wǎng)比例和電力設(shè)備利用率，落實(shí)節(jié)能減排政策；實(shí)現(xiàn)電力短距離互動(dòng)，降低傳輸成本。整個(gè)系統(tǒng)將有限的資源轉(zhuǎn)化為最大的價(jià)值，運(yùn)行更加靈活、安全、經(jīng)濟(jì)和高效。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以擁有豐富分布式發(fā)用電主體的微電網(wǎng)為研究對(duì)象，基于區(qū)塊鏈技術(shù)建立電力市場(chǎng)以適應(yīng)當(dāng)前能源生產(chǎn)、消費(fèi)的分布式結(jié)構(gòu)。提出市場(chǎng)電價(jià)和電量協(xié)同的Stackelberg動(dòng)態(tài)博弈，通過(guò)優(yōu)化算法求出均衡時(shí)的交易電價(jià)和電量計(jì)劃。基于區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)市場(chǎng)機(jī)制可成為實(shí)現(xiàn)區(qū)域自治運(yùn)行的一種輔助方式，有效提升電力市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)性和便利性，對(duì)中國(guó)電力市場(chǎng)機(jī)制的完善具有一定的借鑒意義。目前，文中尚未涉及儲(chǔ)能裝置，在未來(lái)的研究中需進(jìn)一步考慮儲(chǔ)能裝置的影響。

本文研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金（71572113）的 配 套 項(xiàng) 目（1P16303003，2020KJFZ034，2019KJFZ048，2018KJFZ035）及上海理工大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（XJ2021150，XJ2021160，XJ2021165，XJ2021191，XJ2021206）的資助，特此感謝！

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