基于區塊鏈的共享儲能聯合市場競價模型與交易機制

羅博航，沈翔宇

(上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海 200240)

0 引 言

近年來，新能源發電比例不斷增高，給電網帶來了并網波動等安全問題[1-2]。大規模儲能有望為其提供解決方案[3]。源側，風、光電廠可自建儲能設備調節并網時的功率和爬坡率；網側，電網可自建儲能設備用于調峰調頻；荷側，電力用戶利用儲能可以提高本地能量消納比例，參與需求響應，降低用能成本。然而，儲能需求與儲能服務之間存在一定程度上的資源錯配，部分需求高的主體由于資金、空間等原因缺乏足夠儲能容量，部分已配置大規模儲能設備的主體卻存在儲能利用率不高的問題[4-5]。

聯合市場(Joint Market)是指同時交易多物品的交易市場[6-8]。已有若干文獻研究建設儲能聯合交易市場，以優化儲能資源與儲能服務合理配置。文獻[9]介紹了美國能源監管委員會(FERC)已將調頻里程、調頻性能引入調頻容量輔助服務市場。文獻[10]提出了考慮調頻里程和調頻容量耦合特性的能量-調頻市場聯合調度模式。文獻[11]建立了包含能量、向上/向下調頻(Frequency Modulation, FM)服務、靈活爬坡能力產品(Flexible Ramping Product, FRP)等產品的儲能聯合交易市場。以上研究充分說明了不同儲能資源聯合交易的優勢，但沒有為分散的儲能裝置提供合理的優化配置方案。

文中提出了適用于分散儲能設備的競標模型與交易方案，利用價格機制引導各主體合理配置不同儲能資源的比例。各主體首先根據日前市場的歷史數據，由競標模型計算出儲能資源的最優配置策略。然后，各主體將儲能資源按最優策略配置分配，參與聯合市場交易。此方案在提高自身儲能收益的同時，能夠滿足市場其他成員對儲能服務的需求。

共享儲能(Energy Storage Sharing)是電力市場中由多主體共同提供的儲能服務[12]。一個可信的協調者對于組織源網荷三側多主體的共享儲能交易來說，是必不可少的[13-14]。文獻[15]提出了由電網調度交易中心引導儲能設備參與AGC競價市場的協調方式。文獻[16]總結了國際上由電網運營商推動分布式能源聚合參與電力市場交易的協調方式。以上研究基本驗證了中心機構組織多主體參與、多品種耦合的儲能交易的可行性。

然而，由中心機構集中處理市場交易信息并主導交易決策，將導致市場主體之間信息不對等，使得市場供求關系難以及時反映。區塊鏈作為一種去中心化、去信任化的計算機技術，能為搭建一個高效、多方信賴、透明公開的交易平臺提供有效支撐，在保障各主體具備足夠儲能資源的前提下，出清多種儲能資源。

同時，聯合市場的各交易標的之間耦合程度較高，需要考慮多方面的電網安全約束，比單一市場更易產生服務偏差。基于智能合約技術的交易監管體制能夠自動校驗主體是否具備交付儲能服務的能力，以此減少交易出清與實際交付的偏差量，確保聯合市場的有效運行。

文中搭建了一個基于區塊鏈的共享儲能聯合交易平臺。各主體在區塊鏈平臺上報價后，智能合約自動驗證各主體是否具備交付儲能服務的能力，驗證通過后按P2P交易機制匹配報單，并在線下交割儲能服務后結算費用。區塊鏈作為中間協調者，保障了聯合市場交易信息的透明公開、真實可信[17-20]。

綜上，文章旨在解決以下兩個問題：(1)如何設計能利用價格機制引導各主體合理配置不同儲能資源的比例的交易機制；(2)如何為搭建一個高效、多方信賴、透明公開的交易平臺，在保障各主體具備足夠儲能資源的前提下，出清多種儲能資源。相對應地，文中首先提出了一種兩階段的共享儲能聯合市場交易流程；接著，按上述交易流程在Substrate平臺上設計智能合約;最后，在Substrate私有鏈上仿真驗證基于區塊鏈的共享儲能聯合交易平臺的有效性。

1 共享儲能機制

源、網、荷各側主體的儲能服務需求各異。新能源企業對儲存電能與并網爬坡的儲能服務需求較大；傳統能源企業和電網公司主要需求調峰調頻；而電力用戶意圖提高本地能量的消納比例。

針對差異化的多主體需求，文中提出了一種適合多主體參與、包含多交易標的的共享儲能聯合市場交易流程，以經濟效益為激勵，促進各主體提供急需的儲能服務。該聯合市場交易流程可分為兩個階段。

1.1 構建競標模型

階段一：各主體以最大化出售能量、FM服務、FRP服務的收益為目標函數，以三種交易標的耦合特性為約束條件建立競標模型，并將日前聯合市場的需求與成交數據輸入模型，得出三種交易標的的出清優先級。

考慮需求程度高的儲能服務會自然提升市場報價，該競價模型以每一調度時間段為優化尺度，旨在于以最大化期望收益為激勵，引導各主體提供急需的儲能服務，進一步地促進整個聯合市場的儲能資源的優化配置，最終實現儲能價值的完全釋放。

1.1.1 目標函數

競標模型以最大化出售能量、FM服務、FRP服務的收益總和為目標函數，其計算式為：

max(Ren+Rreg+Rra-C)

(1)

式中Ren、Rreg、Rra分別為出售能量、FM服務、FRP服務得到的收益；C為調度成本。

能量市場收益的計算式為：

(2)

調頻服務市場收益的計算式為：

(3)

FRP市場收益的計算式為：

(4)

調度成本的計算式為：

C=kEb

(5)

式中k為由儲能設備損耗常數;Eb為儲能設備與電力系統交換的總能量，計算式為：

(6)

1.1.2 約束條件

競標模型以三種交易標的耦合特性為約束條件，主要包括充放電狀態約束、功率約束、容量約束與爬坡率約束，其計算公式分別如式(7)～式(13)所示。

(1)充放電狀態約束：

μen,d+μen,c≤1

(7)

(2)功率約束：

(8)

(9)

(3)容量約束：

(10)

SOCmin≤SOCt≤SOCmax

(11)

(4)爬坡率約束：

(12)

(13)

1.1.3 模型求解

上述競標模型為混合整數線性規劃問題，利用Matlab的Yalmip工具箱的求解過程如下：

(1)根據日前市場歷史數據中不同充、放電單價，向上、下FM服務，向上、下FRP服務對應的中標率，擬合不同服務單價與中標率之間的函數關系；

(2)在Matlab中建立競標模型，設定目標函數、約束條件、不同交易標的單價與中標率之間的函數關系；

(3)利用Yalmip工具箱求解結果。模型求解結果包含三種儲能服務的聯合市場最優報價、最優分配量及最優報價對應的中標率。

1.2 聯合市場交易方案

階段二：各主體首先按階段一的最優配置策略，提交預計參與聯合市場交易的三種標的數量；接著，各主體以密文形式上傳儲能設備參數，并調用智能合約驗證其具備提供服務的能力；智能合約驗證通過后，各主體參與聯合市場的P2P交易。

文中將一天設定為48個交易時段，本時段將下一時段可提供的儲能資源線上拍賣，并在下一時段線下交割后結算。假設12:00-12:30時段的儲能資源在11:30-12:00時段線上拍賣。具體交易流程如下：

步驟1：在11:30-11:35時段，各主體按日前市場的歷史數據與自身設備約束，求解競標模型，得出儲能資源的最優分配方式和最優報價策略；

步驟2：在11:35-11:40時段，各主體提交預計參與聯合市場交易的三種標的數量；

步驟3：在11:40-11:45時段，主體將自身儲能設備參數信息以密文形式提交至區塊鏈，并調用智能合約檢驗其是否具備提供足夠數量服務的能力。由“礦工”將檢驗結果打包生成區塊，記錄至區塊鏈上。

其中，儲能設備參數信息利用RSA算法加密、解密。RSA算法是一種非對稱加密算法，其使用公鑰加密，而有且只有私鑰可以解密[21]，具體的算法流程如圖1所示。在交付能力驗證的過程中，各主體在本地使用公鑰將自身儲能設備參數信息加密為密文后，上傳至區塊鏈；智能合約儲存密鑰，將密文解密后，根據約束條件自動檢驗主體是否具備提供足夠數量服務的能力。此方式在保障主體隱私數據的前提下，實現了對主體交付能力的有效監管；

圖1 RSA算法流程

步驟4：在11:45-11:55時段，經過交付能力驗證的各主體在區塊鏈平臺上參與聯合市場P2P交易。該時段內，各主體可查詢市場最優報價，根據自身需求急迫程度，選擇合適的P2P交易行為，提交報價和交易量至區塊鏈平臺，并向平臺預付一定保證金。保證金用以保證用戶線上出清后在物理層面按匹配結果交割。

其中，合適的P2P交易行為包括：市價交易、限價交易、撤單。當主體交易愿望比較強烈時，選擇市價交易；當主體交易愿望不是非常強烈并對價格有一定要求時，選擇限價交易；當主體想要退出交易市場時選擇撤單。

保證金D的計算如下：

D=N×b×2

(14)

式中N為交易標的(包括能量、調頻服務、FRP服務)的數量；b為該時段的標準電價。

同時，市場最優報價將根據“礦工”打包的交易信息實時更新。智能合約自動匹配買賣雙方，結算交易費用；

步驟5：在12:00-12:30時段，根據匹配結果，各主體線下交割。智能電表將交割數據上傳至區塊鏈平臺，智能合約自動檢測交割量與匹配結果是否一致，不一致則扣除用戶一定保證金作為違反交易規則的懲罰。扣除保證金ΔD的計算公式如式(15)所示：

ΔD=ΔN×b×2

(15)

式中ΔN為實際交割量與交易匹配結果的差值。

2 基于Substrate的共享儲能機制實現

為搭建一個高效、多方信賴、透明公開的共享儲能交易平臺，文中將上節所述交易流程部署于區塊鏈上。各主體可通過區塊鏈實時獲取市場信息，以最大化自身儲能設備的收益，并提供市場急需的儲能服務。

本節將共享儲能聯合市場交易流程分解為四個階段，分別為初始化階段、預提交階段、P2P交易階段、支付交割階段，并在Substrate上設計了相應的智能合約。以下介紹上述共享儲能機制在Substrate上的實現方式。各階段相關函數的詳細說明如下文所述。

2.1 初始化階段

(1) SetStandard

該函數由聯合市場管理運營方調用，用以設定/修改Substrate平臺DOT代幣對人民幣的匯率。

(2) SetPeriod

該函數由聯合市場管理運營方調用，用以設定各階段開始與結束的時間點，確保交易流程順序執行。

(3)SubmitPara

該函數由想要參與該時段共享儲能交易的主體調用，用以提交自身儲能設備參數。調用過該函數的主體才可進入預提交階段。

2.2 預提交階段

(1) PreSubmit

該函數由交易主體調用，用以提交預計參與聯合市場交易的三種標的數量，P2P交易階段各標的的實際交以數量不能超過此預提交量。

(2)VerifyCapability

該函數在主體提交預交易量后，由智能合約自動執行。智能合約根據初始化階段中各主體提交的設備參數，按1.1.2節所述約束條件自動檢驗各主體提供足量服務的能力。驗證通過的主體才可進入P2P交易階段。

(3)PayMargin

各交易主體調用該函數向智能合約所在地址支付保證金，保證金數量為按預提交量及市場標準服務單價的乘積。各交易主體提交保證金后，才可進入P2P交易階段。

2.3 P2P交易階段

P2P交易階段內的交易流程如圖2所示。

圖2 P2P交易階段流程

其中主要涉及的函數如下所示。

(1)RevealPrice

該函數在P2P交易時段內，可被任何交易主體調用，用以查詢市場最優報價。若市場暫無報價信息，則默認顯示為“No Quotation Yet”，若已有報價信息，則顯示最優報價。

(2)LimitOrder

該函數在P2P交易時段內，可被任何交易主體調用，用以提交限價交易訂單。限價交易時，用戶提交預計報價和交易量，并等待市價交易用于響應該訂單。買家的限價訂單信息被存入賬本BidLedger中，并按報價由低至高存放。類似的，賣家的限價交易訂單信息被存入賬本AskLedger中，并按報價由高至低存放。

(3)MarketOrder

該函數在P2P交易時段內，可被任何交易主體調用，用以提交市價交易訂單。市價交易訂單提交后，智能合約自動執行函數邏輯，將該訂單與限價訂單賬本中報價最優的限價訂單匹配，直至完成訂單交易數量或限價交易的賬本信息被清空，結束交易。需要補充的是，為避免交易信息混亂，市價交易訂單會附加一個時間戳，先提交的市價訂單在匹配時具有較高的優先級。

(4) DeleteOrder

該函數在P2P交易時段內，可被任何參與主體調用，用以清除訂單信息，退出市場。

2.4 支付交割階段

(1)SettleFee

該函數在進入支付交割階段后，由智能合約自動執行，用以在P2P交易階段匹配成功的交易雙方之間結算交易費用。

(2)WithdrawMargin

在下一時段線下交割后，參與P2P交易階段的主體可調用該函數取回剩余保證金。

3 算例分析

3.1 仿真平臺搭建

基于Substrate的私有鏈仿真平臺搭建步驟如下：

步驟1：初始化Substrate開發環境。安裝并配置了Rust編譯器，將Rust工具鏈配置為默認的最新穩定版本，使用Git克隆Substrate節點模板。文中依托的電腦配置與Substrate版本信息如表1所示。

表1 電腦配置與Substrate版本

步驟2：部署runtime模塊下的智能合約。使用Rust語言編寫共享儲能聯合市場交易智能合約，在runtime的lib文件中引入該智能合約，重新編譯Substrate私有鏈文件，將智能合約部署至鏈上；

步驟3：配置區塊鏈創世文件。將節點模板預定義的創世文件導出，修改網絡標識、許可節點等必要參數，并重新編譯；

步驟4：啟動Substrate節點。自定義每個Substrate節點的運行模式、本地區塊鏈數據路徑與通信端口，以啟動Substrate節點；

步驟5：Substrate節點互聯。不同的Substrate節點之間通過區塊鏈唯一節點標識、ip地址與通信端口點對點互聯。

所有Substrate節點互聯完成，代表基于Substrate的私有鏈仿真平臺搭建成功。之后，可通過節點終端的控制程序仿真驗證文中設計的共享儲能聯合市場交易方案。

3.2 仿真參數設定

本案例設置在上海某一區域。火電廠、新能源電廠、小個體用戶等8個包含儲能設備的主體參與共享儲能聯合市場交易，各主體依次命名為A-H。假設線上交易時段為11:30-12:00，線下交割時段為12:00-12:30。各主體商定區塊鏈平臺代幣Token與RMB的匯率為1 RMB=100 Token。按比例得出該時段的市場標準電價為65 Token/kW·h。

3.3 聯合市場資源配置

各主體首先按模型優化配置自身的儲能資源，以賣家A為例，根據聯合市場歷史數據，由競標模型得出的能量、向上調頻、向上FRP三種交易標的的最優報價及中標率分別如表2所示。

表2 三種交易標的的最優報價及中標率

主體A的設備約束條件如表3所示。

表3 主體A的設備約束條件

根據約束條件，主體A在該時段內最佳資源分配方式是將617.5 kW·h用于能量市場交易，定價為0.72 RMB/kW·h，將182.5 kW·h用于FRP服務市場交易，定價為0.56 RMB/kW·h，未將儲能資源用于FM服務市場交易。

與主體A類似，8個主體最終得出的最優資源配置策略如表4所示。

表4 8個主體的最優資源配置策略

3.4 聯合市場交易

接著各主體參與聯合市場的P2P交易。以能量市場為例，假設在11:37分這一時刻，賣方與買方報價情況分別如表5和表6所示。

表5 P2P交易階段的賣方報價

表6 P2P交易階段的買方報價

同時，智能合約自動匹配買賣雙方。成交結果如表7所示。A由于售價太高，暫無買家響應，D由于售價較高剩余44.4 kW·h未能出售，E由于出價過低剩余163.8 kW·h需求量。

表7 P2P交易階段的交易結果

11:42分時，E由于需求意愿強烈，將報單修改為市價交易，A決定降低報價為63 Token/kW·h， D決定撤單。由于報價信息更新，智能合約自動觸發，新一輪的匹配結果如表8所示。

表8 P2P交易階段新一輪匹配結果

最終能量市場的出清與結算情況如表9所示。

表9 能量市場最終出清與結算情況

仿真結果表明，各主體均能按照優化配置模型合理配置儲能資源，并在共享儲能聯合市場出清。智能合約技術可以自動、有效監管主體是否具備提供足量儲能服務的能力。基于區塊鏈的共享儲能交易平臺能實時更新市場需求信息，自動執行交易規則，并完成交易結算；同時通過保證金機制保障線下交割情況與線上匹配結果一致。

3.5 聯合市場與單一市場對比

3.5.1 各主體期望收益

按3.3節中的聯合市場資源配置，主體A在該時段將617.5 kW·h用于能量市場交易，定價為0.72 RMB/(kW·h)，將182.5 kW·h用于FRP服務市場交易，定價為0.56 RMB/(kW·h)，未將儲能資源用于FM服務市場交易。此時，主體A的期望收益為338.3 RMB。

若主體A根據相同的儲能設備約束條件參與單一市場交易，主體A的三種交易方案如表10所示。

由表10可知：在單一市場中，主體A的最優配置方式為將800 kW·h用于FM服務市場交易，定價為0.70 RMB/(kW·h)。此時，主體A的期望收益為280 RMB。

表10 單一市場下主體A的交易方案

與主體A類似，該市場中賣方在聯合市場與單一市場的期望收益如表11所示。

表11 賣方在聯合市場與單一市場的期望收益

由表11可知：按聯合市場資源配置，各主體出售儲能資源的期望收益顯著高于單一市場下的期望收益。共享儲能聯合交易機制顯著提升了各主體的期望收益。

3.5.2 市場資源配置

按3.4節與文獻[22]中算例所設置的需求量，8個主體分別參與聯合市場交易與單一市場交易時，24 h未滿足的能量、FM服務、FRP服務需求分別如圖3～圖5所示。

圖3 24 h未滿足的能量需求

圖4 24 h未滿足的FM服務需求

圖5 24 h未滿足的FRP服務需求

由圖3～圖5可知，相較于單一市場，聯合市場資源配置能有效填補儲能資源(包括能量、FM服務、FRP服務)的需求高峰；在能量市場，聯合交易機制再在峰值滿足了79%的能量需求。因此，基于共享儲能聯合市場的競價模型通過經濟激勵有效引導各主體合理配置儲能資源，進而最大程度地滿足了急需的儲能服務。

4 結束語

文中根據當前儲能市場中不同主體的儲能服務需求，設計了共享儲能市場機制，搭建了共享儲能優化配置模型和P2P交易模型，設計了基于Substrate區塊鏈平臺的對應的智能合約，最后利用Substrate-UI測試工具仿真驗證了模型的正確性。

仿真結果驗證了文中提出的共享儲能交易機制的有效性。當前的共享儲能市場交易機制大多由中心化機構主導，并不支撐大量分布式用戶接入平臺。而文中將區塊鏈與分布式儲能交易結合，為共享儲能交易提供了去中心化的、安全有效的、可信賴的、信息共享的底層支撐技術。