基于區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)定價(jià)機(jī)制設(shè)計(jì)與優(yōu)化*

陳中育， 呂立群， 林飛龍

(浙江師范大學(xué) 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院,浙江 金華 321004)

0 引 言

區(qū)塊鏈的概念在2008年首次被Nakamoto[1]提出，他以區(qū)塊鏈技術(shù)為核心設(shè)計(jì)了一個(gè)去中心化且數(shù)據(jù)加密、可信度較高的比特幣系統(tǒng)，成為了第一個(gè)受到廣泛關(guān)注并認(rèn)可的加密數(shù)字貨幣系統(tǒng).區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)分布式的電子數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)公鑰密碼學(xué)技術(shù)保障用戶資產(chǎn)安全及交易的匿名可驗(yàn)證性；通過(guò)帶時(shí)間戳的鏈?zhǔn)劫~本結(jié)構(gòu)和分布式存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)賬本的不可篡改性.近幾年來(lái)，區(qū)塊鏈技術(shù)受到了各個(gè)行業(yè)的廣泛關(guān)注[2]，如信用記錄、資產(chǎn)管理、防偽技術(shù)、智能交通、智能電網(wǎng)等.智能合約的概念在1994年被首次提出，區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)為智能合約提供了更理想的平臺(tái)，使智能合約具有分布式存儲(chǔ)和不可篡改的特性[3].

隨著分布式新能源規(guī)模的逐年擴(kuò)大，新能源管理分配問(wèn)題成為新能源系統(tǒng)的基本問(wèn)題之一.文獻(xiàn)[4]認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)自我消費(fèi)，讓新能源在社區(qū)內(nèi)流動(dòng)應(yīng)該是新能源發(fā)展的主要趨勢(shì).在分布式新能源的交易中，各個(gè)新能源產(chǎn)消者和新能源消費(fèi)者應(yīng)該以接近市場(chǎng)的價(jià)格進(jìn)行交易，促進(jìn)了分布式新能源系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)展[5].本地新能源交易在擴(kuò)大產(chǎn)消者收益的同時(shí)，又減少消費(fèi)者的支出，這樣的模式還會(huì)讓利潤(rùn)在社區(qū)內(nèi)流動(dòng)，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和新能源事業(yè)的發(fā)展[6].在微電網(wǎng)中，產(chǎn)消者在每個(gè)時(shí)段(將1 d時(shí)間劃分為若干個(gè)等長(zhǎng)的時(shí)段)內(nèi)都有新能源的產(chǎn)出和需求，產(chǎn)消者可以將過(guò)剩的新能源注入街道級(jí)低壓變電站，并得到相應(yīng)的補(bǔ)償，由街道級(jí)低壓變電站將新能源傳輸給微電網(wǎng)中的消費(fèi)者.考慮到電能存儲(chǔ)代價(jià)較大，微電網(wǎng)內(nèi)的新能源價(jià)格需要基于供需關(guān)系實(shí)時(shí)調(diào)控，在平衡雙方收益的同時(shí)，使新能源得到最大化的利用.文獻(xiàn)[7]提出將新能源生產(chǎn)和負(fù)荷等信息分布在微電網(wǎng)上，由于自私的參與者(產(chǎn)消者或消費(fèi)者)和天然的信息不對(duì)稱，用戶很難得到一個(gè)中心化的、合理的新能源分配方案.本文將區(qū)塊鏈引入微電網(wǎng)中，為用戶提供一個(gè)不需要可信中心的電能交易平臺(tái)，提高了用戶的自主性和靈活性，又保護(hù)了用戶的隱私信息.

本文設(shè)計(jì)了新能源鏈，利用智能合約自動(dòng)執(zhí)行電能交易過(guò)程，使用戶在相互之間沒(méi)有信任的前提下，可以完成新能源的交易.本文主要貢獻(xiàn)如下：

1)提出了一種新的新能源實(shí)時(shí)定價(jià)機(jī)制，通過(guò)新能源的實(shí)時(shí)供需關(guān)系來(lái)確定新能源的實(shí)時(shí)價(jià)格，以達(dá)到平衡雙方利益的目的；

2)設(shè)計(jì)了新能源鏈，在新能源鏈的網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)智能合約生成實(shí)時(shí)的新能源價(jià)格，并結(jié)合clique算法避免網(wǎng)絡(luò)擁堵和不必要的區(qū)塊鏈重組；

3)建立了一個(gè)微電網(wǎng)模型，模擬10個(gè)產(chǎn)消者和10個(gè)消費(fèi)者之間的本地新能源市場(chǎng)交易場(chǎng)景，證明了新能源鏈的可行性和定價(jià)機(jī)制的有效性.

1 微電網(wǎng)定價(jià)機(jī)制

(1)

(2)

從而

(3)

以下定理用于計(jì)算下一個(gè)時(shí)段的單位新能源的出售價(jià)格ps和消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)電能價(jià)格pb.

(4)

(5)

(6)

(7)

對(duì)于消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，總希望可以以更小的代價(jià)獲得所需要的電能，即求式(7)的最小值Cmin.對(duì)于式(7)有

(8)

因此，函數(shù)(7)為凹函數(shù)，于是,當(dāng)式(9)滿足時(shí)，微電網(wǎng)內(nèi)消費(fèi)者的總費(fèi)用最小，即滿足

(9)

(10)

將式(3)代入式(10)可得

(11)

此時(shí)，消費(fèi)者的全部電能需求由產(chǎn)消者提供，因此消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)單位電能的價(jià)格pb=ps.定理1證畢.

2 新能源鏈

本文將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到微電網(wǎng)中，設(shè)計(jì)了新能源鏈，讓信息物理系統(tǒng)交互.物理層為微電網(wǎng)系統(tǒng)，信息層包括區(qū)塊鏈層和應(yīng)用層，如圖1所示.其中，應(yīng)用層為用戶提供可視化的界面，方便用戶查詢當(dāng)下時(shí)段的電能價(jià)格和新能源出售與購(gòu)買(mǎi)的歷史數(shù)據(jù)，以及用戶可以將“消費(fèi)者”身份申請(qǐng)為“產(chǎn)消者”身份.區(qū)塊鏈層記錄了微電網(wǎng)中的數(shù)據(jù)，包括各個(gè)時(shí)段的新能源出售和購(gòu)買(mǎi)價(jià)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(wǎng)中進(jìn)行，資產(chǎn)轉(zhuǎn)移在區(qū)塊鏈中進(jìn)行，并將它們記錄在區(qū)塊鏈中.在新能源鏈的區(qū)塊結(jié)構(gòu)中，區(qū)塊體中記錄了各個(gè)生產(chǎn)者向微電網(wǎng)注入新能源和消費(fèi)者使用電能的具體信息，也記錄了下一個(gè)時(shí)段的新能源出售價(jià)格ps和消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)電能價(jià)格pb.

在新能源鏈中，將所有節(jié)點(diǎn)(包括產(chǎn)消者與消費(fèi)者)按照字典序進(jìn)行排序，若當(dāng)前區(qū)塊高度除以節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的余數(shù)等于某個(gè)節(jié)點(diǎn)的序號(hào)，則將該節(jié)點(diǎn)視為本輪的inturn節(jié)點(diǎn)，它挖出的區(qū)塊難度為2，其他節(jié)點(diǎn)挖出的區(qū)塊難度為1，所有節(jié)點(diǎn)總是維護(hù)一條難度總值最大的區(qū)塊鏈為新能源鏈的主鏈.

圖1 信息系統(tǒng)架構(gòu)圖

新能源鏈結(jié)合了clique算法，將每一輪區(qū)塊鏈出塊的間隔時(shí)間設(shè)置為微電網(wǎng)中實(shí)時(shí)電價(jià)的變化周期(如30 min)，在節(jié)點(diǎn)完成對(duì)一個(gè)區(qū)塊的打包及簽名后，會(huì)計(jì)算當(dāng)前區(qū)塊的時(shí)間戳，計(jì)算方式為父區(qū)塊的時(shí)間戳加上實(shí)時(shí)電價(jià)的變化周期.讓inturn節(jié)點(diǎn)延遲至該時(shí)刻才在新能源鏈網(wǎng)絡(luò)中廣播區(qū)塊，其他節(jié)點(diǎn)再延遲時(shí)間v后廣播區(qū)塊，以避免網(wǎng)絡(luò)擁堵和不必要的區(qū)塊鏈重組.所有節(jié)點(diǎn)在接收到新區(qū)塊后會(huì)對(duì)區(qū)塊進(jìn)行驗(yàn)證，將驗(yàn)證通過(guò)的區(qū)塊加入本地區(qū)塊鏈中.

算法1計(jì)算新能源價(jià)格

2.Output:ps;pb;

5.end for

10.ifESell>EDemthen

11. 根據(jù)式(6)計(jì)算ps和pb

12.else

13. 根據(jù)式(4)和式(5)計(jì)算ps和pb

14.end if

3 仿真結(jié)果與分析

圖2為新能源鏈定價(jià)模式下，各個(gè)時(shí)段10位產(chǎn)消者的新能源總生產(chǎn)量、總出售量、總使用量和10位消費(fèi)者的電能總需求量對(duì)比圖.從圖2不難看出，當(dāng)消費(fèi)者的電能總需求量變多時(shí)，新能源產(chǎn)消者也會(huì)出售更高比例的新能源.圖3為新能源鏈定價(jià)模式下新能源價(jià)格與傳統(tǒng)模式下電能價(jià)格對(duì)比圖，可以看出,新能源鏈定價(jià)模式下的新能源價(jià)格以30 min為周期實(shí)時(shí)變化，更能反映微電網(wǎng)中新能源的實(shí)時(shí)供需關(guān)系，并且消費(fèi)者使用電能的價(jià)格總是低于傳統(tǒng)峰谷電價(jià)模式下的電能價(jià)格.圖4為傳統(tǒng)模式和新能源鏈定價(jià)模式下產(chǎn)消者與消費(fèi)者總收益對(duì)比，CTra表示傳統(tǒng)定價(jià)模式下10位消費(fèi)者1 d的電能總費(fèi)用，CNew表示新能源鏈定價(jià)模式下10位消費(fèi)者1 d的電能總費(fèi)用，UTra表示傳統(tǒng)模式下10位產(chǎn)消者將所有新能源用于自己消費(fèi)產(chǎn)生的總收益，UNew表示新能源鏈定價(jià)模式下10位產(chǎn)消者的總收益.經(jīng)比較得出，在新能源鏈定價(jià)模式下，10位產(chǎn)消者1 d的總收益比傳統(tǒng)模式下自己使用全部新能源的總收益多314.71元，10位消費(fèi)者1 d中使用電能的總支出比傳統(tǒng)模式下的總支出少581.34元.因此，新能源鏈中的定價(jià)模式在增加產(chǎn)消者收益的同時(shí)，還減少了消費(fèi)者使用電能的費(fèi)用，使新能源得到了更好的利用.

圖2 新能源總生產(chǎn)量、總出售量和電能總需求量對(duì)比

圖3 新能源鏈中電能價(jià)格與傳統(tǒng)模式下電能價(jià)格對(duì)比

圖4 傳統(tǒng)模式和新能源鏈下產(chǎn)消者與消費(fèi)者總收益對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一個(gè)基于區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)架構(gòu)，將微電網(wǎng)與區(qū)塊鏈相結(jié)合，設(shè)計(jì)了新能源鏈.并且提出了一個(gè)基于新能源供需關(guān)系的新能源定價(jià)機(jī)制，平衡微電網(wǎng)內(nèi)產(chǎn)消者和消費(fèi)者的利益.仿真結(jié)果表明了新能源鏈的可行性和定價(jià)機(jī)制的有效性.未來(lái)，筆者計(jì)劃對(duì)新能源鏈的安全措施作進(jìn)一步的改善，優(yōu)化新能源鏈的性能.