區(qū)塊鏈技術(shù)下考慮碳排放權(quán)的電力現(xiàn)貨交易模型

張冶，陳洪禹，關(guān)艷，陸心怡，夏靖怡，孫佳音

(國網(wǎng)遼寧省電力有限公司營銷服務(wù)中心，沈陽 110870)

0 引 言

做好“碳達(dá)峰、碳中和”工作是我國重點任務(wù)之一[1-3]，而電力行業(yè)中的碳排放水平會直接影響著“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)，進(jìn)而，以“高比例可再生能源”與“高比例電力電子設(shè)備”為特征的新型電力系統(tǒng)將是未來發(fā)展的方向[4-6]。當(dāng)大量的可再生能源、儲能、負(fù)荷聚合商等能源的產(chǎn)消商涌入電力現(xiàn)貨市場時[7-9]，具有去中心化、公開透明的區(qū)塊鏈分布式賬本技術(shù)，可有效提高各個電力交易主體的積極性和效率[10-11]，因此，在區(qū)塊鏈技術(shù)的支撐下，研究考慮碳排權(quán)的電力現(xiàn)貨市場交易機制可為電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型提供重要的理論與技術(shù)基礎(chǔ)。

目前，已有學(xué)者針對基于區(qū)塊鏈電力現(xiàn)貨交易開展了相關(guān)研究,并取得了一定的成果。文獻(xiàn)[12]為保證電力現(xiàn)貨交易過程中各個電能產(chǎn)消者信息安全，提出了基于區(qū)塊鏈的產(chǎn)消者電能交易模型；文獻(xiàn)[13]提出了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的儲能商現(xiàn)貨交易方法，以提高儲能的利用率和效益；文獻(xiàn)[14]為提高電力現(xiàn)貨市場的交易效率，提出了基于智能合約和區(qū)塊鏈技術(shù)的電力交易機制；文獻(xiàn)[15]為保證配網(wǎng)的安穩(wěn)運行，提出了基于配網(wǎng)安全校核的區(qū)塊鏈交易模型；文獻(xiàn)[16]為最大化產(chǎn)消各方的經(jīng)濟效益，提出了基于區(qū)塊鏈點對點的電力現(xiàn)貨交易模型。

上述研究在一定程度為區(qū)塊鏈技術(shù)在電力現(xiàn)貨市場中的應(yīng)用提供了理論支撐，但對于碳排放權(quán)和電能交易間的協(xié)調(diào)考慮較少，也沒有在保證源網(wǎng)荷儲的效益以及各方參與到電力交易中的積極性等方面進(jìn)行較為深入的探討。隨著我國碳排放權(quán)交易市場和“雙高”新型電力系統(tǒng)建設(shè)的深入，不僅要保證源網(wǎng)荷儲等各類電力資源參與到現(xiàn)貨交易的效益和積極性，還要完善電力行業(yè)中碳排放權(quán)的交易環(huán)境。因此，本文提出兼顧電能和碳排放權(quán)交易的區(qū)塊鏈現(xiàn)貨交易機制，在此基礎(chǔ)上，同時考慮供能商、售能商、儲能商和負(fù)荷聚合商在電力市場中的電能現(xiàn)貨和碳排放權(quán)交易過程中的收益分配，建立以電力主體收益最大為目標(biāo)的電力現(xiàn)貨交易出清決策模型并求解，最后通過仿真算例分析驗證本文所提方法和模型的有效性和優(yōu)越性。

1 兼顧電能和碳排放權(quán)交易的區(qū)塊鏈現(xiàn)貨交易機制

在電能生產(chǎn)與消費的過程中，會伴隨著二氧化碳的排放，因此，在電力現(xiàn)貨交易的過程中，在保證個電力主體按照合約執(zhí)行交易的前提下，同時進(jìn)行碳排放權(quán)的交易，可以在保障電力市場安穩(wěn)運行的同時提升電網(wǎng)節(jié)能減排能力。

本文研究的參與電力現(xiàn)貨交易的電力主體主要包括：供能商、售能商、儲能商和負(fù)荷聚合商，在區(qū)塊鏈的技術(shù)下，分別建立各電力交易主體的電能交易鏈和碳排放權(quán)交易鏈，在現(xiàn)貨交易過程中電能鏈和碳排放權(quán)鏈，全部采用去中心化的區(qū)塊鏈技術(shù)，存儲各個節(jié)點電能和碳排放權(quán)的交易信息，按照各自的智能合約同時進(jìn)行交易和結(jié)算。兼顧電能和碳排放權(quán)交易的區(qū)塊鏈現(xiàn)貨交易機制框架如圖1所示。

圖1 機制框圖Fig.1 Mechanism framework

兼顧電能和碳排放權(quán)交易的區(qū)塊鏈現(xiàn)貨交易是一個去中心化的應(yīng)用，在參與現(xiàn)貨交易的主體需要同時進(jìn)行，則具體交易流程如下：

(1)供能商、售能商、儲能商和負(fù)荷聚合商等電力交易主體需要同時進(jìn)行電能現(xiàn)貨交易鏈和碳排放權(quán)交易鏈上的系統(tǒng)注冊和授權(quán)，通過加密鏈碼生成唯一身份公鑰和私鑰，完成注冊認(rèn)證;

(2)進(jìn)行電能現(xiàn)貨交易和碳排放權(quán)交易的智能合約的部署，將各個交易主體數(shù)據(jù)連接到其創(chuàng)立的私鏈，完成合約的建立，在共鏈上實現(xiàn)電能現(xiàn)貨交易鏈和碳排放權(quán)交易鏈兩個鏈的信息耦合、同步更新與相互信任;

(3)針對處于同一時間節(jié)點內(nèi)電能區(qū)塊內(nèi)參與現(xiàn)貨交易的主體，即供能商、售能商、儲能商和負(fù)荷聚合商，需根據(jù)電能現(xiàn)貨交易智能合約進(jìn)行交易。其階段主要包括密封報價、拍賣解密、交易匹配與結(jié)算，基于上述三個各階段的交易，完成一個電能區(qū)塊的電能現(xiàn)貨交易;

(4)根據(jù)電能現(xiàn)貨交易的結(jié)果，確定碳排放權(quán)交易市場的參與主體和數(shù)據(jù)，進(jìn)行碳權(quán)區(qū)塊的交易；各個主體需根據(jù)各自的前段碳配額的額度確定是否參與交易，其交易階段同樣包括密封報價、拍賣解密、交易匹配與結(jié)算，完成與流程(3)中的電能塊處于同一時間節(jié)點的碳排放權(quán);

(5)各個完成電能現(xiàn)貨和碳排放權(quán)交易的主體通過私鑰對剛剛完成的交易數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，得到各自的信用積分記賬，完成一個區(qū)塊內(nèi)的兩個鏈的主體出清。

2 雙鏈交易下的電力現(xiàn)貨市場出清決策模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

在兼顧電能和碳排放權(quán)交易的區(qū)塊鏈現(xiàn)貨交易機制中，每個交易主體所進(jìn)行的交易首先需保證系統(tǒng)的低碳和安穩(wěn)運行，之后，在每個區(qū)塊交易過程中，各方在進(jìn)行報價時，需同時考慮電能交易和碳排放權(quán)交易后的總收益最大，因此，本文建立雙鏈交易下的電力現(xiàn)貨市場出清模型，則目標(biāo)函數(shù)為：

maxF=f1+f2+f3+f4-f5

(1)

式中f1、f2、f3、f4分別表示供能商、售能商、儲能商和負(fù)荷聚合商參與電能現(xiàn)貨和碳排放權(quán)交易的出清收益；f5為在區(qū)塊鏈交易中個電力主體的違約成本；F為總收益。各交易主體的收益和違約成本具體計算如下：

(1)供能商收益。

各類供能商在參與雙鏈現(xiàn)貨交易過程中，除了考慮其供能收益CEB和運維成本CEOM之外，還要考慮參與碳排放權(quán)交易所獲得的收益CECB，則供能商收益為：

f1=CEB+CEOM-CECB

(2)

其中：

(3)

式中eES,t,x、eHS,t,x、cES,t,x、cHS,t,x分別表示供能設(shè)備x在t時參與電能交易鏈競標(biāo)的供電量、供熱量、供電價格和供熱價格；cstart,t,x和cstop,t,x分別表示供能設(shè)備x在t時的啟停成本；αstart,t,x和αstop,t,x為0-1變量，1為設(shè)備x在t時啟動，0表示設(shè)備x在t時關(guān)機；EEB,t,x供能設(shè)備x在t時的裝機容量，cms,x為設(shè)備x的單位維護(hù)成本；X為參與電能交易鏈競標(biāo)的供能設(shè)備總數(shù)；cg為天然氣單位熱值的購買價格；Δt為運行時段；PES,x,t、PHS,x,t、ηES,x、ηHS,x分別為供能設(shè)備x在t時的供電功率、供熱功率、供電效率和供熱效率；I表示風(fēng)電、光伏等無碳排放的供能設(shè)備總數(shù)，K表示火電等有碳排放的供能設(shè)備總數(shù)，cCO2,i和cCO2,k分別表示在碳排放權(quán)交易鏈上無碳排放源i的碳排放權(quán)售價和碳排放源k的碳排放權(quán)購價；ei表示無碳排放源i可售賣碳排放權(quán)的量，ek和eCO2,k分別表示碳排放源k的CO2排放量和碳排放權(quán)配額；Pi,t和Pk,t分別表示t時刻無碳排放源i和碳排放源k的供能量。

(2)售能商收益。

售能商在參與現(xiàn)貨市場出清過程中，首先要保證整個系統(tǒng)的源荷平衡與安穩(wěn)運行，此前，售能商會從供能商進(jìn)行電能的購買，并對外進(jìn)行售賣，獲得相應(yīng)的收益；另外考慮網(wǎng)絡(luò)阻塞，售能商需購買高價機組進(jìn)行發(fā)電而產(chǎn)生的阻塞費用CPGB。則售能商在參與電能交易鏈的收益為：

(4)

其中：

(5)

(3)儲能商收益。

儲能商的電能交易鏈中，儲能商根據(jù)電網(wǎng)調(diào)節(jié)需求進(jìn)行競價，考慮電能的儲放以及儲能設(shè)備的運維成本，得到儲能商的收益為：

(6)

式中：eESO,t,a和cESO,t,a分別為能設(shè)備a在t時參與電能交易鏈出清的放能容量和放能單價；eESS,t,a和cESS,t,a分別為儲能設(shè)備a在t時電能交易鏈參與出清的儲能容量和儲能單價；A為參與電能交易鏈出清的儲能設(shè)備總數(shù)、EESMC,t,a為儲能設(shè)備a在t時的建設(shè)容量，cESMC,a為儲能設(shè)備a的單位維護(hù)成本。

(4)負(fù)荷聚合商收益。

負(fù)荷聚合商在參與電能交易鏈過程中，通過進(jìn)行需求側(cè)響應(yīng)，給予電網(wǎng)一定的調(diào)節(jié)能力，來獲得相應(yīng)收益，則負(fù)荷聚合商收益為：

[a1(eLASD,t)2+a2(eLASU,t)2]}

(7)

式中：cLAS,t、eLASU,t和eLASD,t分別為負(fù)荷聚合商參與電能交易鏈出清t時的售電價格、下調(diào)和上調(diào)的電量；a1、a2為負(fù)荷在對電網(wǎng)響應(yīng)過程中所產(chǎn)生的經(jīng)濟損失系數(shù)，通過負(fù)荷耗能數(shù)據(jù)擬合得到。

(5)違約成本。

在去中心化的區(qū)塊鏈電能和碳排權(quán)放交易過程中，各個參與交易的電力主體在每個區(qū)塊交易過程中需要產(chǎn)出相應(yīng)的信用積分，通過信用值的計算，得到各電力交易主體的違約成本，定義每個交易主體i作為一個獨立節(jié)點接入到區(qū)塊鏈中，每個區(qū)塊內(nèi)各交易主體的信用值為：

(8)

在交易過程中為實現(xiàn)信用值的量化，引入交易主體的信用值違約系數(shù)δY，對各個交易主體的違約行為進(jìn)行計算，則違約成本為：

(9)

2.2 約束條件

(1)區(qū)塊鏈交易匹配約束。

考慮區(qū)塊鏈技術(shù)下在電能現(xiàn)貨和碳排放權(quán)交易過程中數(shù)據(jù)的處理效率，在每個區(qū)塊的交易過程中需對各交易主體的交易次數(shù)和匹配時間進(jìn)行限制，在以達(dá)到出塊要求的前提下，可進(jìn)行下一個時間節(jié)點區(qū)塊的交易。電能現(xiàn)貨交易鏈和碳排放權(quán)交易鏈均要滿足各自的交易次數(shù)和匹配時間約束：

(10)

(2)電能現(xiàn)貨交易鏈約束。

在電能現(xiàn)貨交易過程中各交易主體首先需保證源荷間的實時功率平衡，則其功率平衡約束為：

(11)

式中PE,x,t、PES,a,t分別為t時供能設(shè)備x和儲能設(shè)備a的出力，對儲能設(shè)備定義正為供能，負(fù)為儲能，PL,t表示t時負(fù)荷的總需求。

電力線路的有功和無功功率平衡約束為：

(12)

式中Um為節(jié)點m的電壓；Ωn為各類設(shè)備所接入節(jié)點的集合；Gmn、Bmn分別為節(jié)點間導(dǎo)納的實部和虛部；θmn為節(jié)點相位差；Pm和Qm分別m節(jié)點的有功功率和無功功率。

對于供能設(shè)備的出力、儲能設(shè)備的充放電以及電網(wǎng)線路的能量傳輸，為除了保證線路的有功功率、無功功率和設(shè)備功率的平衡約束，還要保證線路和設(shè)備的功率在其上下限的范圍內(nèi)：

(13)

(3)碳排放權(quán)交易鏈約束。

在碳排放權(quán)交易過程中，在每個碳權(quán)區(qū)塊內(nèi)的各個交易主體需要保證其碳排放權(quán)交易總量平衡，則碳排放權(quán)出售和購買主體的交易平衡約束為：

(14)

式中JCS,m,t為t時出售主體m的碳排放權(quán)的出售量；JCB,n,t為t時購買主體m的碳排放權(quán)的購買量；M和N分別為碳排放權(quán)出售主體和購買主體總數(shù)。

對于各個碳排放權(quán)的出售主體的碳排放權(quán)出售量應(yīng)該不大于其自身碳排放權(quán)總量，則碳排放權(quán)交易量約束為：

(15)

2.3 模型求解

針對本文提出的雙鏈交易下的電力現(xiàn)貨市場出清決策模型，利用策略學(xué)習(xí)法對其進(jìn)行求解[17]，具體流程圖如圖2所示。

圖2 求解流程Fig.2 Flow chart of solution

3 仿真驗證

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文將電能現(xiàn)貨和碳排放權(quán)交易決策過程中的智能合約進(jìn)行編寫，在以太坊區(qū)塊鏈平臺上進(jìn)行發(fā)布，并搭建了電能現(xiàn)貨和碳排放權(quán)交易鏈，在IEEE 14節(jié)點[18]上進(jìn)行雙鏈交易下的電力現(xiàn)貨市場出清決策過程，仿真交易場景設(shè)置3個光伏供電商，2個風(fēng)電供電商，2個火電供電商，2個儲能商和3個負(fù)荷聚合商；系統(tǒng)中日最大負(fù)荷為300 MW；碳權(quán)申報價格下限為200元/噸，上限為300元/噸；各類設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)見表1[19-20]，典型日風(fēng)光出力和負(fù)荷曲線見圖3。

表1 設(shè)備參數(shù)Tab.1 Equipment parameters

圖3 典型日風(fēng)光出力和負(fù)荷曲線Fig.3 Typical daily wind and photovoltaic power output and load curve

3.2 交易結(jié)果

基于文中所提的電力現(xiàn)貨市場出清決策模型，供能商、負(fù)荷聚合商、儲能商分別與售能商在區(qū)塊鏈上進(jìn)行現(xiàn)貨交易，完成了密封報價、拍賣解密、交易匹配與結(jié)算的過程，得到其實時電量出清結(jié)果如圖4所示。

圖4 出清結(jié)果Fig.4 Clearing results

各交易主體在電能交易鏈上進(jìn)行電能的實時出清，在各個時段，供能商、儲能商、負(fù)荷聚合商在保障各方利益最大化的同時，根據(jù)售能商的需求進(jìn)行競價，確定區(qū)塊鏈中的實時出清價格，則各方在電能交易鏈上實時出清價格如圖5所示。

圖5 出清價格Fig.5 Clearing price

各交易主體在進(jìn)行電能出清的同時，根據(jù)自身的出清電量，為提高在碳排放權(quán)交易市場的效益和電力系統(tǒng)的碳減排能力，在碳排放權(quán)交易鏈上進(jìn)行碳權(quán)的交易，得到碳排放權(quán)的交易價格曲線如圖6所示。

圖6 碳排放權(quán)交易價格Fig.6 Transaction price of carbon emission allowance

3.3 對比分析

針對對比本文所提模型的優(yōu)越性，本文設(shè)置三種交易方案，方案1為不利用區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行電力現(xiàn)貨交易，不考慮碳排放權(quán)交易；方案2為利用區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行電力現(xiàn)貨交易，不考慮碳排放權(quán)交易；方案3即本文提出的區(qū)塊鏈技術(shù)下考慮碳排放權(quán)的電力現(xiàn)貨交易方法。得到個交易主體的收益對比如圖7所示。

圖7 收益對比Fig.7 Comparison of profit

由圖7可知，本文所提區(qū)塊鏈技術(shù)下考慮碳排放權(quán)的電力現(xiàn)貨交易方法，充分利用區(qū)塊鏈技術(shù)的優(yōu)勢，同時考慮與碳排權(quán)交易市場的協(xié)同，可有效提高各個交易主體的收益，充分發(fā)揮供能商、儲能商、售能商和負(fù)荷聚合商在電力現(xiàn)貨市場中的作用。與此同時，隨著高比例可在再生能源并網(wǎng)后，通過去中心化的區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用，考慮各個交易主體的信用值，通過對各交易主體的信用值通過違約系數(shù)的量化，計算各個交易主體的違約成本，得到區(qū)塊鏈現(xiàn)貨交易下的收益，可有效避免電力現(xiàn)貨交易中不規(guī)范的行為，其違約次數(shù)越多，違約系數(shù)取值也增大，導(dǎo)致其收益減少。因此，違約系數(shù)取值的不同會對各個交易主體的收益產(chǎn)生影響，則違約系數(shù)與各交易主體收益的關(guān)系如圖8所示。

圖8 違約系數(shù)與收益的關(guān)系Fig.8 Relationship between default coefficient and income

利用區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行電力現(xiàn)貨市場交易可有效提高可再生能源在電力現(xiàn)貨市場中的積極性。本文通過8次仿真測試，得到三種方案下可再生能源參與電力現(xiàn)貨市場交易的占比，則其結(jié)果如圖9所示。

圖9 可再生能源交易對比Fig.9 Comparison of renewable energy trading

本文采用策略學(xué)習(xí)算法進(jìn)行求解，最大迭代次數(shù)設(shè)置為250次，得到本文的出清決策模型求解的收斂曲線如圖10所示。

圖10 收斂曲線Fig.10 Convergence curve

4 結(jié)束語

本文以電力市場和碳排放權(quán)交易市場為基礎(chǔ)，利用區(qū)塊鏈技術(shù)，提出了一種考慮碳排放權(quán)的電力現(xiàn)貨交易方法，為提高電力交易主體參與現(xiàn)貨市場的積極性，建立了雙鏈交易下的電力現(xiàn)貨市場出清決策模型并求解，并通過仿真算例分析，得到的仿真結(jié)果表明：

(1)本文提出的兼顧電能和碳排放權(quán)交易的區(qū)塊鏈現(xiàn)貨交易機制，能夠有效提高各電力現(xiàn)貨交易主體的交易效率，保證其交易信息安全，增強電力現(xiàn)貨交易市場活力;

(2)本文建立的雙鏈交易下的電力現(xiàn)貨市場出清決策模型，在保證電力系統(tǒng)安穩(wěn)和低碳運行的同時，可有效提高各電力主體在現(xiàn)貨市場中收益;

(3)本文建立的雙鏈電力現(xiàn)貨交易方法，可有效提高可再生能源供能在電力現(xiàn)貨市場的積極性，在“雙高”新型電力系統(tǒng)電力市場交易機制構(gòu)建領(lǐng)域開展了具有理論與應(yīng)用意義的探索。