能源區塊鏈多交易主體博弈模型及阻塞管理

胡 偉,姚文慧

(上海電力大學經濟與管理學院,上海 200090)

1 引 言

隨著電力體制改革的不斷推進以及分布式能源滲透率的提高,電力市場內的交易主體逐漸向多元化發展,電力用戶不僅可以作為能源消費者,還可以通過自身的分布式發電設備成為能源供應商[1,2].在電力用戶多元化的背景下,電力市場內部海量的交易信息使得電力交易類型和管理模式更為復雜,進而大大增加了電力交易的管理難度和成本,給交易的安全性帶來巨大的挑戰[3].

傳統的電力交易方法大多采用中心化管理模式,該模式主要由交易中心對所有交易進行協調規劃和管理.同時,中心化管理模式對交易中心的運行、維護和安全性等方面提出更高的要求,一旦交易中心受到攻擊,所有交易信息將可能遺失或被篡改,從而市場參與者將會受到威脅[4,5].為了避免中心化管理模式存在的問題,分布式管理模式成為電力交易中主要的管理模式,用來解決運行、維護、信息安全中存在的問題.目前,國內外學者對分布式交易展開了大量研究,Lin 等[6]分析了國外三種分布式交易機制的應用及發展現狀,并重點研究了三個具有代表性的P2P 交易平臺,為電力交易的發展提供了借鑒.然而,現有的分布式交易機制在優化管理方式的同時,也給電網帶來了安全隱患,電力交易的真實性缺乏保障.

為了提高電力交易的安全性,本文引入區塊鏈技術,該技術為分布式能源存儲、數據保護和歷史追溯提供了一種新的解決方案.區塊鏈本質是一個去中心化的數據庫,由一串包含交易信息的數據塊組成,并以時間順序相連[7].區塊鏈技術與智能合約機制的結合,使得交易雙方能夠實現合約的自動執行,完成價值的轉換,解決雙方存在的信任問題.目前國內外學者從多種角度對區塊鏈在電力市場中的發展方向進行了研究.Wang 等[8]將區塊鏈與連續雙向拍賣機制結合,在考慮市場靈活性的基礎上提出報價策略,實現了微電網內部分布式能源與電力用戶的直接交易.Luo 等[9]提出了雙層分布式電力交易系統,并設計了一種代理聯盟機制,以使生產者能夠組成聯盟并進行電力交易談判,同時結合基于區塊鏈的交易結算機制,以實現電力交易的可信且安全的結算.上述研究在將區塊鏈應用到電力交易中時僅把電力交易當成普通商品交換,沒有考慮線路潮流約束,無法保證電網的安全運行.

針對電力交易過程中存在的風險以及未知性,Dagoumas 等[10]提出了一種電力交易風險管理的綜合模型,通過預測電價估計交易者的盈利能力和風險,為電力市場中雙向交易可能出現的風險提供了解決方案.René等[11]以日內電力市場為背景,對電能需求進行預測,并考慮到日內價格的跳躍情況,以電力中隨機需求剩余引起的不平衡成本最小為目標,進而制定了電能生產商的最優交易方案.上述文獻對電力市場中的交易過程進行了深入剖析,但是忽略了交易數據的保密性問題,交易過程的安全性缺乏保證.

基于已有的文獻研究,本文將區塊鏈技術應用于電力交易中,構建了能源區塊鏈多交易主體博弈模型,結合智能合約提出了在不同阻塞管理方法下的電力交易模式.接著,在綜合考慮負荷預測結果及運行成本的基礎上制定了發電商的競價策略,將購電者分為含分布式能源用戶和普通用戶引入電力交易中,建立其與發電商間的博弈模型.同時,本文采用POW 共識機制分布式驗證線路潮流計算結果,通過阻塞價格調整法和交易中心優化管理法優化線路阻塞情況.最后,結合智能合約機制分析了價值轉移的實現方式及交易數據的存儲原理.通過算例分析驗證了本文所提模型能夠有效解決阻塞管理問題,并為緩解交易管理壓力及提高交易安全性提供了解決方案.

2 基于Multi-Agent 的多交易主體博弈模型

由于電力市場交易主體的增加,傳統的市場管理模式出現了越來越多的缺陷.在傳統模式下,交易中心的權利較大,所有交易數據都集中在交易中心的數據庫里,用戶隱私難以得到保障,并且一旦交易中心出現故障,整個市場都會受到影響,歷史交易數據也有可能遺失或被篡改[12,13].為了避免出現這些問題,本文提出半中心化的電力交易模型.該模型將交易中心的任務分散給各交易主體完成,如交易的博弈過程及交易數據的存儲過程,交易中心僅負責確保交易過程的安全性.另外,考慮到在電力交易過程中,可能出現由于交易電量過多而導致的線路阻塞問題,因此需要對阻塞管理進行研究.在解決阻塞問題時,由于需要通過中心機構采集整個網絡的線路參數,難以讓各交易主體自主進行.因此,本文中的交易中心僅參與系統的阻塞管理,并且只會存儲線路的有關參數,判定是否越限,不會接收到交易信息,這種做法有效保障了交易的安全性及用戶的隱私性.

交易開始時,確保所有的交易主體均處于當前的區塊鏈網絡中.首先,電力交易主體通過雙邊或多邊博弈達成交易,將交易信息以智能合約的形式保存下來.當前交易時段結束后,網絡內所有交易主體節點通過P2P 網絡互相發送各自的合約集合,利用區塊鏈對已達成的交易進行共識,確保交易的真實性和準確性.共識過程結束后,各市場交易主體通過分布式計算驗證該交易的安全性,包括線路潮流是否在規定范圍以內等問題,若滿足安全驗證要求,則合約締結成功,具體的交易信息將被保存在區塊鏈上的某一個區塊中,以保證交易的可追溯性及不可篡改性;若未通過安全驗證,則對交易進行阻塞管理.本文提出2 種阻塞管理方法: 1)通過設定阻塞價格,促使原本交易量較大的交易主體減少交易電量,緩解相關線路的供電壓力,降低阻塞問題出現的可能性,從而生成新的交易.接著對該交易重新進行安全驗證,若未通過則繼續調整阻塞價格,這樣經過多次迭代后最終生成滿足線路潮流約束的交易;2)交易中心以交易偏差量最小作為目標函數,同時考慮電力線路的潮流約束條件,求解符合要求的最佳交易方案,記錄在區塊鏈上.通過安裝智能電表,及時收集交易過程中的所有發用電數據,并及時存儲到區塊鏈上,以防丟失.交易完成后,智能合約自動履行價值轉移的職能,進行交易清算,實現了交易的自動化并提高了交易的可信任度.

在電力交易過程中存在著眾多的交易主體,每個交易主體的目的和行為是相對獨立的,為完成最后的交易,各交易主體需經過競爭或協商等行為以達成共識.基于此,本文提出基于Multi-Agent 的多交易主體博弈模型,在該模型中,發電商以獲得最大經濟效益為目標,同時考慮競爭對手的競價策略及需求側電量來建立預測函數,最后結合預測結果及運行成本制定競價策略.購電者同樣以獲得最大經濟效益為目標,根據用電特性將購電者分為含分布式能源用戶及普通用戶,最終制定用電策略.

2.1 發電商競價策略

發電商為集中式發電設備,其成本函數為

其中pt為時段t的市場供電價格,fi(pt)為發電商i關于供電價格的發電量函數,也可以表示為fi(pt)=其中B?為參與市場競爭的購電者集合,fij(pt)為供電價格pt對應的發電商i與購電者j之間的交易電量,αi,βi為發電商i的發電成本系數.

發電商i可獲得的最大收益為

假設發電商i對所有購電者在發電側需求策略的預測如下

其中QG(pt)為供電價格pt對應的發電側預計需求電量,G?為參與市場競爭的發電商集合.

根據博弈論納什均衡條件[14,15],得到發電商i的最優發電策略應滿足下列條件

其中λi為購電方對發電側需求電量相對于pt的微增響應電量,θi為發電商i的競爭對手關于pt的微增響應電量.

結合具體的交易情境,首先給出如下假設.

假設某時段t的購電者總需求量為D(t),電力市場上有兩個發電商G1和G2,在時段t的可發電量分別為f1(t)和f2(t),單位電量發電成本分別為C1和C2,供電價格分別為p1(t)和p2(t).此時,兩個發電商G1和G2都在[0,b]范圍內出價,進行價格博弈[16].

關于發電商的最優報價有如下結論.

結論1當購電者總需求量小于等于每個發電商的可發電量時,即D(t)≤f1(t)且D(t)≤f2(t),當發電商的報價為發電市場價格的上限與其發電成本的平均值,即時,獲得的利潤最高.

證明每個發電廠商的收益可表示為

發電廠商Gi出價pi(t)時的預期收益為

結論2當購電者總需求量大于每個發電商的可發電量時,即D(t)>f1(t)且D(t)>f2(t),但f1(t)+f2(t)>D(t),若發電商供電價格受到嚴格監管,每個發電商的最優均衡報價可能為:1)該發電商的發電成本Ci.2)發電市場價格的上限值b.3)發電成本與發電市場價格上限之間的某中間值[Ci,b].

證明每個發電商的收益可表示為

如果發電側電價有價格上限b的規定,則對于發電商來說報價越高,獲得的利潤越大,即報價為b時利潤最大.然而由于博弈過程,發電商兩者無法同時獲得利益最大化,根據納什均衡的最終結果,雙方報出各自的單位發電成本.這時,發電成本較低的發電商獲得發電量全數上網的機會,并獲得與另一方發電成本差額的利潤,發電成本較高的發電商提供的電量僅能夠部分上網,無法獲得利潤.由于在實際博弈過程中,發電商往往會報出高于發電成本的價格,且雙方均不知道對方的成本電價,因此最終雙方會在范圍內展開博弈,最后達到均衡狀態.

發電廠商Gi出價pi(t),i=1,2 時的預期收益為

當p?i(t)∈[Ci,b]時,p?i(t)就是使發電商Gi獲得最大預期收益的電價.當p?i(t)Ci時,使發電商Gi獲得最大預期收益的電價是b.證畢.

2.2 購電者用電策略

購電者分為含分布式能源用戶及普通用戶兩種類型.對于含分布式能源的用戶,其自身發出的電量能夠滿足部分電能需求,因此用電量需考慮售電電價及分布式能源發電量進行決策.購電者的目標函數定為用電效益最大化,對于該部分用電量能獲得的效益函數為

其中Qi為購電者j的實際用電量,Qexpj,pexpj分別為購電者j的期望負荷和期望用電價格,ω為價格彈性系數,Qj=Qbj+QDGj,Qbj和QDGj分別為購電者j從發電商處購買的電量和自身分布式能源發出的電量,為市場供電價格pt對應的發電商i與購電者j之間的交易電量.

購電者j可獲得的最大收益為

其中CjDG為購電者j所含分布式能源的發電成本.

對于普通用戶,可獲得的最大收益為

根據式(13)調整市場供電價格,即

其中rt=Dt/lt,Dt為t時段實際需求電量,lt為t時段發電側計劃發電量,σt為電價調整系數,由各發電商根據自身的發電策略決定.

對發電商和購電者按照各自的發電策略式(2)、購電策略式(11)、式(12)進行求解,獲得對應的發電量與購電量,從眾多結果中得出最優策略,如式(14)所示矩陣，即為最終交易矩陣

其中fij表示發電商i提供給購電者j的電量.

3 安全驗證及阻塞管理

3.1 基于區塊鏈技術的分布式安全驗證

目前已有的研究對電力網絡的安全驗證提出了兩種思路: 1)集中式計算.市場中的交易主體將已完成的交易信息交由其他交易主體進行共識,共識通過后將該信息上報給交易中心,交易中心將所有的交易信息收集完畢后,結合線路參數進行潮流計算,根據線路安全指標判斷該交易是否通過安全驗證.2)分布式計算.交易主體根據交易內容及局部線路參數各自算出相鄰線路的潮流,判定是否安全.這種方式減少了交易中心的工作量,且提高了網絡內的工作效率[17,18].

為了確保計算的準確性,利用區塊鏈中的POW 共識機制對潮流計算的正確性進行驗證.改進的POW共識機制如圖1所示.圖1中各字母代表的響應過程見表1.

表1 圖1中字母所代表含義Table 1 The meaning of the letters in Figure 1

將網絡中所有交易主體視為節點,某一節點完成潮流計算后,向全體節點廣播工作量證明,由任意的其他節點對計算結果進行驗證.進行驗證時,若參與驗證的節點過少,將容易出現拜占庭將軍問題,若參與驗證的節點過多,則會由于過多的重復運算耗費大量時間.

在進行安全驗證的過程中,將尚未完成潮流計算及安全驗證的待評價線路集合記為D,集合D中的待評價線路的數量記為Count,節點完成待評價線路Dk的潮流計算或驗證后反饋至交易中心的工作量證明集合記為Z(Dk),Z(Dk,e)代表節點e對待評價線路Dk的計算或驗證.

當所有節點對潮流計算的正確性共識結束后,交易中心根據共識結果判斷該交易是否符合潮流安全約束,若通過安全驗證,則進行該交易,并將合約集合記錄在區塊鏈中,以防交易信息被篡改或遺失;若未通過安全驗證,則交易中心會對交易進行阻塞管理,直到求解出滿足安全驗證的合約集合,并記錄在區塊鏈上.

3.2 阻塞管理

通過設立阻塞價格和中心機構優化交易結果兩種方案進行阻塞管理.當交易無法通過安全驗證時,可以提高交易的阻塞價格,使發電商根據價格調整自身的發電計劃,從而解決阻塞問題;也可以發揮中心機構的統籌作用,在了解線路潮流的基礎上優化交易結果,求取滿足安全要求的交易集合.

3.2.1 阻塞價格調整法

由于網絡中每條線路中交易的差異性,根據線路阻塞的嚴重程度及交易對阻塞的影響程度的大小制定阻塞價格[19].假設初始阻塞價格為0,當交易未通過安全驗證時,對于導致線路出現阻塞的交易集合,按照下式更新阻塞價格,即

其中τij為發電商i與購電者j間交易的阻塞價格,k為迭代次數,L為由于兩者交易導致的阻塞線路的集合,Pl為線路l的傳輸功率,Pmaxl為線路l的傳輸功率上限,δ為阻塞價格調整系數.

3.2.2 交易中心優化管理

記所有能夠通過安全驗證的交易構成安全域E,若市場參與者提出一個交易集合,但該交易集合不滿足安全驗證的要求,這時就需要交易中心對該交易集合進行修改.為了使交易調整量最小,即在安全域中尋找與原交易矩陣距離最近的矩陣,記原交易矩陣為F0,修改后的矩陣為F.考慮發電商的出力范圍及購電者的負荷調整量,可得到優化的交易調整模型∑

其中fij0為F0中i行j列的元素,fij為F中第i行j列的元素,Pmini,Pmaxi分別為發電商出力的上下限,Ajmin,Ajmax分別為購電者負荷調整量的上下限.

4 區塊鏈與電力交易市場的結合

由于區塊鏈采用了鏈式結構和時間戳,每一個區塊都是按照時間順序首尾連接而成,所以區塊鏈上的數據不可篡改并且可追溯.各節點將每隔一段時間收集的數據上傳到新生成的空區塊中,同時鏈接到最長的區塊鏈上.區塊頭和區塊體構成了新生成的區塊,區塊的具體布局如圖2.區塊頭部分包括當前區塊的版本號、前一區塊的地址等信息、時間戳、Merkle 根以及該時段對應的電力交互容量.區塊體部分則主要包括智能合約中的交易信息[20,21].

區塊鏈技術具有去中心化的特點,在電力交易過程中能夠確保交易信息的透明,提高交易的可信度,有利于實現多種能源之間的協調和優化傳輸,提高系統的效率.

4.1 智能合約及價值轉移

區塊鏈技術具有的可編程、去中心化和透明度高等特點為智能合約的建立提供了技術支撐.智能合約以代碼的形式存在于區塊鏈中,為網絡中所有節點共同維護[22,23].當進行一項交易時,合約雙方將交易內容、交易規則以及各自簽名存儲于智能合約中,其中交易內容包括交易電量、交易時間、交易價格、違約金額.在系統運行過程中,網絡中的智能電表會記錄交易雙方已完成的電能交易量,當合約執行時間到來時,交易雙方依據交易內容的完成度進行價值的轉移.若發電商在規定時間內為購電者提供了合約中要求的電量,則電費將自動從購電者賬戶轉移至發電商賬戶;若規定時間內發電商未完成該交易,則會被扣除相應的違約金.整個過程由事先編好的程序自動運行,沒有任何一方的干預,保證了交易的公平性和安全性,降低了交易成本,提高了運營效率.

4.2 交易數據的存儲

生成智能合約后,系統通過P2P 網絡將該合約廣播到每一個節點,等待對該合約進行共識,因此節點內存中便會存儲該時段所有締結的智能合約[24].共識過程結束后,節點會將最終形成的合約集合以哈希樹的形式保存在區塊中.哈希樹是一種二叉樹,交易信息經過哈希編碼之后被記錄在哈希樹的分支節點上,這些分支節點的上級節點又被編碼為分支節點的哈希值的和,這樣就保證了數據的可追溯性.若某一項交易信息發生了更改,則該交易的哈希編碼也會改變,從而與該交易對應的分支節點、上級節點、根節點都會發生改變,這種聯系也使得信息難以被篡改.節點將共識后形成的區塊發送給網絡中的其他節點,其他節點通過哈希值進行比較,驗證區塊內包含的合約集合是否一致,同時發送一份自己認可的合約集合給其他的驗證節點,最終獲得整個網絡的一致性[25,26].

利用區塊鏈的可追溯性、安全性高的特點,可以保證數據不可篡改以及數據的完整性,因此區塊鏈技術非常適合用于交易數據的存儲.

5 算例分析

5.1 阻塞管理方法分析

采用包含4 個發電商、4 個購電者的8 節點系統網絡,,網絡連接圖如圖3所示.

由第2 節所示博弈模型經多次迭代得出如下交易矩陣

采用潮流計算得到每條線路的功率如表2所示

表2 初始線路功率Table 2 Initial line flow

對文中所提兩種阻塞管理方法分別進行仿真,首先用制定阻塞價格的方法進行調整,得到優化后的交易矩陣為

采用交易中心求解最優化問題進行優化管理的方法,以調整量的平方和最小建立目標函數,得到調整后的交易矩陣為

表3 經阻塞管理后的線路功率Table 3 Line flow after congestion management

比較兩種方法的優化結果,發現兩種方法均能有效進行阻塞管理,滿足線路的功率要求.使用阻塞價格法調整時,交易矩陣中某一交易的交易主體可能發生改變,而運用交易中心優化調整則不會出現這種情況.

另外,交易中心通過求解最優交易矩陣進行統籌優化時,節點需上報自身的交易信息,容易導致交易中心的信息量過大;而通過制定阻塞價格優化時,交易中心僅需要獲取線路潮流信息,提高了交易的優化效率.同時,阻塞價格的制定也與市場的自發力有關,更能反映市場的需求,提高了市場參與者的積極性.

5.2 區塊鏈在電力交易中的應用

經過博弈過程得出各發電商的供電價格如表4所示

表4 發電商供電價格Table 4 Electric prices of generators

由交易矩陣可知各交易主體的交易電量,以f15為例,發電商1 為購電者5 提供的電量為10.98,根據發電商1 的供電單價、單位輸電費用、單位違約費用分別求出購電費用、輸電費用及違約金額.將交易時間設定為18:00,發電商1 的地址記為0x20,購電者5 的地址記為0x25,輸電公司的地址記為0x28.交易內容見表5.

表5 f15的交易內容Table 5 Transaction information of f15

當交易結算時間到來時,智能合約會自動進行價值轉移.若交易順利完成,且不存在違約情況,則資金將自動從購電者賬戶扣除,轉移至發電商賬戶內;若某一方存在違約情況,則自動扣除相應的違約金,智能合約技術將履行價值轉移的職能.本例中資金的自動轉移情況如下表

表6 資金轉移情況Table 6 Transfer of funds

智能合約技術有效避免了交易者或第三方的介入,使交易資金能夠安全轉移,提高了交易的自動化程度,降低了交易成本,可以考慮將該技術引入到電力交易中.

6 結束語

隨著電力體制改革以及電力市場內交易主體的多元化發展,電力交易的靈活性得到提高的同時也帶來了管理壓力及交易信任問題.為了提高交易的安全性,本文結合智能合約機制并根據阻塞管理方法的不同提出了兩種電力交易框架.接著以發電商和購電者的利益最大化為目標建立了基于Multi-Agent 的多交易主體博弈模型,在考慮競爭對手的競價策略以及日前預測結果的基礎上制定了發電商的競價函數,同時針對含分布式能源用戶和普通用戶兩種情況研究了購電者的競價模型.在此基礎上結合區塊鏈技術對交易進行安全驗證及阻塞管理,利用POW 共識機制確保了潮流計算結果的準確性,采用阻塞價格調整法和交易中心優化管理法解決了線路阻塞問題.此外,結合區塊鏈技術及智能合約機制具體分析了價值轉移及數據存儲的實現過程.最后通過算例分析表明阻塞價格調整法與交易中心優化管理法均能有效解決阻塞問題,采用交易中心優化管理法雖不會改變交易主體,但交易數據過多,易降低優化效率,而阻塞價格調整法需求信息較少,優化效率更高.電力交易與區塊鏈技術的結合能夠有效解決交易雙方的信任問題,并為交易的安全性提供保障.