基于區(qū)塊鏈的多微網(wǎng)智能交易策略

陶夢(mèng)林，王致杰

(上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院，上海市 201306)

0 引 言

區(qū)域內(nèi)多個(gè)微網(wǎng)互聯(lián)形成多微網(wǎng)系統(tǒng)，由于微網(wǎng)的電壓等級(jí)低，不宜遠(yuǎn)距離傳輸，并且微網(wǎng)間的距離較短，所以在多微網(wǎng)系統(tǒng)中建立交易平臺(tái)，進(jìn)行微網(wǎng)間的電能買賣交易，可以使其系統(tǒng)內(nèi)部電能合理流通，有利于新能源在時(shí)間和空間上進(jìn)一步消納[1]。因此，設(shè)計(jì)一套公平、公正、可靠性高的多微網(wǎng)電力交易策略顯得尤為重要。

近年來(lái)，關(guān)于電力交易策略方面的研究已取得不少成果，包括微網(wǎng)與配網(wǎng)間的交易策略[2-4]、發(fā)電商與售電公司及用戶間的交易策略[5-6]、分布式發(fā)電間的交易策略[7-8]，但對(duì)于多微網(wǎng)間的交易策略研究較少且不成熟。文獻(xiàn)[9]提出了多微網(wǎng)雙層電力交易框架，下層負(fù)責(zé)收集微網(wǎng)內(nèi)交易需求信息，上層負(fù)責(zé)根據(jù)下層收集的信息進(jìn)行電力交易，采用連續(xù)雙向拍賣機(jī)制求得買賣雙方報(bào)價(jià)。文獻(xiàn)[10]提出建立光伏微網(wǎng)群的合作聯(lián)盟，根據(jù)微網(wǎng)收益大小提出了一個(gè)實(shí)時(shí)交易結(jié)算規(guī)則。文獻(xiàn)[11]提出構(gòu)建微網(wǎng)群動(dòng)態(tài)電能交易模型，以計(jì)及儲(chǔ)能電池退化成本和可控負(fù)荷調(diào)度補(bǔ)償成本最低為目標(biāo)優(yōu)化電能報(bào)價(jià)，以微網(wǎng)群電能交易成本最低為目標(biāo)優(yōu)化電能交易量，通過(guò)多輪競(jìng)價(jià)以協(xié)調(diào)微網(wǎng)間的電能交易。文獻(xiàn)[12]提出建立多個(gè)微電網(wǎng)聯(lián)合與大電網(wǎng)競(jìng)價(jià)模型，市場(chǎng)以交易總成本最小為目標(biāo)進(jìn)行買賣方組合，采用合作博弈理論解決多微電網(wǎng)之間競(jìng)價(jià)、收益分配問(wèn)題。文獻(xiàn)[13]提出并網(wǎng)型多微網(wǎng)系統(tǒng)多時(shí)間尺度交易機(jī)制和基于深度學(xué)習(xí)的交易策略優(yōu)化算法，建立了多微網(wǎng)內(nèi)部交易價(jià)格模型和日前、日內(nèi)交易機(jī)制。

以上研究均提高了多微網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，為多微網(wǎng)交易策略提供了一定的參考價(jià)值，但是以上文獻(xiàn)只考慮了報(bào)價(jià)、出清過(guò)程，或者側(cè)重于考慮收益分配和結(jié)算規(guī)則，沒(méi)有考慮多微網(wǎng)交易的整個(gè)過(guò)程。并且文獻(xiàn)[12-13]多微網(wǎng)交易為中心化交易，隨著參與交易的微網(wǎng)數(shù)量增多，會(huì)造成管理中心服務(wù)器壓力增大、效率降低，拓展性低。因此，構(gòu)建一個(gè)去中心化的電力交易平臺(tái)與機(jī)制，是多微網(wǎng)交易中亟需解決的問(wèn)題。

區(qū)塊鏈具有去中心化、可信任、防篡改的特性，可為電力交易提供一種新的可行方式，能有效解決電力交易中心化和效率低下等問(wèn)題[14]。文獻(xiàn)[15]提出了基于區(qū)塊鏈的分布式可控電力交易匹配系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了分布式電力交易的過(guò)程，最后證明了系統(tǒng)的有效性。文獻(xiàn)[16]提出將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到能源互聯(lián)網(wǎng)中，仿真結(jié)果表明去中心化的電力交易能提高交易效率。文獻(xiàn)[17]提出將區(qū)塊鏈應(yīng)用于分布式電能交易系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于智能合約及連續(xù)雙邊拍賣的交易模式，改進(jìn)了基于委托權(quán)益證明的共識(shí)算法，仿真結(jié)果表明該交易模式能提高買賣雙方的經(jīng)濟(jì)效益，且改進(jìn)的共識(shí)算法能有效地遏制惡意節(jié)點(diǎn)作惡。

基于此，本文提出一種基于區(qū)塊鏈的多微網(wǎng)智能交易策略。首先，分析多微網(wǎng)交易與區(qū)塊鏈的契合點(diǎn)；然后，建立基于區(qū)塊鏈的多微網(wǎng)智能交易框架，并介紹交易流程；其次，建立考慮交易成交風(fēng)險(xiǎn)因子報(bào)價(jià)模型、集中撮合與連續(xù)競(jìng)價(jià)兩階段電價(jià)出清模型、考慮信譽(yù)度的電量出清模型和誤差結(jié)算模型、基于非合作博弈的自適應(yīng)報(bào)價(jià)模型、基于信譽(yù)度的權(quán)益證明機(jī)制(proof of stake, PoS)共識(shí)機(jī)制模型；最后，仿真驗(yàn)證所建模型的有效性。

1 基于區(qū)塊鏈的多微網(wǎng)智能交易適應(yīng)度分析與交易框架

1.1 區(qū)塊鏈關(guān)鍵技術(shù)與適應(yīng)度分析

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N分散式電子會(huì)計(jì)系統(tǒng)，是一些已知技術(shù)的組合，如P2P網(wǎng)絡(luò)、分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、共識(shí)機(jī)制、智能合約等[18]，這些技術(shù)是多微網(wǎng)電力去中心化交易的有力保障。

1)P2P網(wǎng)絡(luò)。P2P網(wǎng)絡(luò)是一種沒(méi)有中心服務(wù)器，完全由客戶端支撐起來(lái)的互聯(lián)網(wǎng)體系。每一個(gè)微網(wǎng)是一個(gè)客戶端，也是一個(gè)服務(wù)器，每個(gè)微網(wǎng)節(jié)點(diǎn)可以在允許時(shí)間內(nèi)自由加入退出。去中心化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)使黑客沒(méi)有統(tǒng)一攻擊對(duì)象，即使攻擊部分節(jié)點(diǎn)對(duì)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)也無(wú)影響。該機(jī)制保證了多微網(wǎng)電力交易系統(tǒng)的去中心化性、易擴(kuò)展性、安全性。

2)分布式數(shù)據(jù)儲(chǔ)存。數(shù)據(jù)儲(chǔ)存是交易的核心，使用基于區(qū)塊鏈的交易方法，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在每個(gè)節(jié)點(diǎn)中，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)丟失時(shí)，可通過(guò)復(fù)制其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)，該技術(shù)避免了多微網(wǎng)交易數(shù)據(jù)集中儲(chǔ)存丟失不可追回的弊端。

3)共識(shí)機(jī)制。共識(shí)機(jī)制指記賬節(jié)點(diǎn)在很短的時(shí)間內(nèi)通過(guò)一定的機(jī)制完成對(duì)交易的驗(yàn)證和確認(rèn)，在去中心化的思想上解決了節(jié)點(diǎn)間互相信任的問(wèn)題。目前常用的共識(shí)機(jī)制有工作量證明機(jī)制(proof of work, PoW)、PoS、委托權(quán)益證明機(jī)制(delegated proof of stake, DPoS)、實(shí)用拜占庭容錯(cuò)算法機(jī)制(practical Byzantine fault tolerance, PBFT)[19]。4種機(jī)制的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。本文采用PoS機(jī)制，將股權(quán)定義為信譽(yù)度、信譽(yù)度越高的節(jié)點(diǎn)獲取記賬權(quán)的概率越大，成功記賬節(jié)點(diǎn)將由系統(tǒng)按照規(guī)則進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)，該機(jī)制不僅能防止惡意節(jié)點(diǎn)對(duì)區(qū)塊鏈的攻擊，也鼓勵(lì)了各個(gè)節(jié)點(diǎn)積極參與交易、按合約履行交易。

表1 4種共識(shí)機(jī)制對(duì)比Table 1 Comparison of four consensus mechanisms

4)智能合約。智能合約是達(dá)到觸發(fā)條件可自動(dòng)執(zhí)行的程序，區(qū)塊鏈去中心化、可信任、防篡改的特性為智能合約提供了安全的執(zhí)行環(huán)境。多微網(wǎng)達(dá)成交易后，將交易雙方地址、信譽(yù)度、交易時(shí)間、電價(jià)、電量寫入智能合約。觸發(fā)條件來(lái)臨時(shí)，智能合約自動(dòng)執(zhí)行，根據(jù)實(shí)際交易電量結(jié)算、轉(zhuǎn)賬、更新。

綜上，區(qū)塊鏈相關(guān)技術(shù)能滿足多微網(wǎng)電力交易去中心化、安全、可信、智能等需求。

1.2 基于區(qū)塊鏈的多微網(wǎng)交易架構(gòu)與流程

基于區(qū)塊鏈的多微網(wǎng)智能交易框架如圖1所示。系統(tǒng)中存在3種節(jié)點(diǎn)，即監(jiān)管中心節(jié)點(diǎn)、電網(wǎng)公司節(jié)點(diǎn)、微網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。監(jiān)管中心節(jié)點(diǎn)用于檢驗(yàn)注冊(cè)微網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的真實(shí)性，利用交易信息分析多微網(wǎng)特性，以便更好地規(guī)劃多微網(wǎng)。電網(wǎng)公司節(jié)點(diǎn)用于吸收多微網(wǎng)系統(tǒng)中多余電量、補(bǔ)償缺額電量、收取過(guò)網(wǎng)費(fèi)。微網(wǎng)節(jié)點(diǎn)具有二重性，可擔(dān)任售電微網(wǎng)節(jié)點(diǎn)或購(gòu)電微網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。為了完成每個(gè)微網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集，須在微網(wǎng)內(nèi)源荷端引入一些先進(jìn)的智能設(shè)備，如智能電表，用于獲取用電、發(fā)電信息，并提交給微網(wǎng)中心。

圖1 基于區(qū)塊鏈的多微網(wǎng)智能交易框架Fig.1 Multi-microgrid intelligent transaction framework based on blockchain

基于區(qū)塊鏈的多微網(wǎng)智能交易流程如圖2所示，其分為5個(gè)階段：

1)注冊(cè)登錄。第一次在該系統(tǒng)參與交易的微網(wǎng)須進(jìn)入客戶端注冊(cè)，注冊(cè)成功后，微網(wǎng)在終端登陸，成為區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，參與交易。

2)提交數(shù)據(jù)。在報(bào)價(jià)時(shí)間截止之前，微網(wǎng)根據(jù)歷史發(fā)/用電數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)下一周期的功率、負(fù)荷，明確售/購(gòu)電微網(wǎng)身份，提交相關(guān)參數(shù)，如交易成交風(fēng)險(xiǎn)因子、理想交易電價(jià)、理想交易電量、歷史平均交易電價(jià)等。各微網(wǎng)節(jié)點(diǎn)根據(jù)提交的初始參數(shù)調(diào)用智能合約，依據(jù)本文所提的考慮交易成交風(fēng)險(xiǎn)因子報(bào)價(jià)策略計(jì)算理想電價(jià)，并將理想電價(jià)、電量等數(shù)據(jù)通過(guò)P2P網(wǎng)絡(luò)廣播到所有節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

3)市場(chǎng)出清。報(bào)價(jià)時(shí)間截止后，微網(wǎng)節(jié)點(diǎn)停止上傳相關(guān)參數(shù)。根據(jù)各微網(wǎng)節(jié)點(diǎn)廣播的理想電價(jià)、電量等數(shù)據(jù)，調(diào)用智能合約，依據(jù)本文所提的考慮信譽(yù)度的電力出清策略，計(jì)算各微網(wǎng)合約電價(jià)、合約電量，完成交易匹配。交易雙方將交易地址、時(shí)間、電價(jià)、電量、考慮誤差的結(jié)算方式等寫入系統(tǒng)智能合約，并向全網(wǎng)廣播。交易方須向交易地址存入一定保證金。

4)交易結(jié)算。交易時(shí)間到達(dá)時(shí)，交易雙方執(zhí)行交易，交易完成后，智能電表上傳實(shí)際交易電量，智能合約根據(jù)實(shí)際交易電量自動(dòng)結(jié)算，實(shí)現(xiàn)資金自動(dòng)轉(zhuǎn)移。每個(gè)節(jié)點(diǎn)均保存所有交易信息，當(dāng)共識(shí)時(shí)間到達(dá)時(shí)，各節(jié)點(diǎn)根據(jù)本文所提的基于信譽(yù)度共識(shí)機(jī)制爭(zhēng)奪記賬權(quán)，獲得記賬權(quán)的節(jié)點(diǎn)將該時(shí)間段內(nèi)保存的合約打包成合約集，加蓋時(shí)間戳，加入?yún)^(qū)塊鏈。

5)本輪交易結(jié)束，進(jìn)行下輪交易時(shí)，可以按2)—3)—4)—5)順序繼續(xù)報(bào)價(jià)、出清、結(jié)算。當(dāng)微網(wǎng)不提交初始參數(shù)時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)上輪交易結(jié)果自適應(yīng)調(diào)整報(bào)價(jià)，最終獲得最優(yōu)理想報(bào)價(jià)，然后繼續(xù)3)—4)步驟。

本文所提的交易流程適用于其他場(chǎng)合中分布式電力交易的場(chǎng)景，購(gòu)/售電微網(wǎng)節(jié)點(diǎn)代指買/賣方，分布式交易買/賣雙方在終端注冊(cè)登錄、提交數(shù)據(jù)，根據(jù)交易策略進(jìn)行市場(chǎng)出清、交易結(jié)算。在其他場(chǎng)景應(yīng)用時(shí)，只需要修改節(jié)點(diǎn)名稱、更換交易策略即可。

2 多微網(wǎng)智能交易模型

2.1 考慮交易成交風(fēng)險(xiǎn)因子的雙邊報(bào)價(jià)策略

考慮微網(wǎng)內(nèi)多為新能源發(fā)電，如光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電，具有無(wú)污染、不可控、成本低的特性，一般使其工作在最大功率，系統(tǒng)會(huì)優(yōu)先使用新能源發(fā)電為微網(wǎng)內(nèi)部負(fù)荷供電。當(dāng)新能源電量不足以支撐負(fù)荷需求時(shí)，缺額電量來(lái)自微網(wǎng)內(nèi)部?jī)?chǔ)能放電、其他微網(wǎng)、可控電源出力或配電網(wǎng)，當(dāng)新能源發(fā)電充足時(shí)，剩余電量進(jìn)行出售。本文研究的交易電量均來(lái)自于新能源發(fā)電，未考慮其他能源發(fā)電，若考慮其他能源發(fā)電交易時(shí)，則能源交易偏好程度從高到低依次為：新能源—儲(chǔ)能—min{配電網(wǎng)供電成本，微網(wǎng)內(nèi)部發(fā)電成本}。優(yōu)先選擇哪種能源發(fā)電電能進(jìn)行交易，取決于該能源發(fā)電成本、交易報(bào)價(jià)和發(fā)電補(bǔ)貼，由于本文研究的交易電量均來(lái)自于新能源發(fā)電，因此共有的補(bǔ)貼可以省去，不影響能源交易偏好。假設(shè)售電微網(wǎng)、購(gòu)電微網(wǎng)的供需量是無(wú)彈性的，即供需量不會(huì)隨著電價(jià)的變化而變化。

圖2 多微網(wǎng)智能交易流程Fig.2 Intelligent transaction process of multiple microgrids

2.1.1 購(gòu)/售微網(wǎng)保留價(jià)格

(1)

(2)

(3)

式中：gi表示固定成本；fi(t)表示單位成本；xi(t)表示發(fā)電量；I為微網(wǎng)中的電源總數(shù)。

2.1.2 考慮交易成交風(fēng)險(xiǎn)因子的報(bào)價(jià)策略

在允許范圍內(nèi)，購(gòu)電微網(wǎng)報(bào)價(jià)越高，售電微網(wǎng)報(bào)價(jià)越低，越有利于促進(jìn)交易，反之，阻礙交易。根據(jù)購(gòu)售方對(duì)交易達(dá)成風(fēng)險(xiǎn)的態(tài)度，引入交易成交風(fēng)險(xiǎn)因子λ。當(dāng)0<λ≤1時(shí)，表示趨向風(fēng)險(xiǎn)型，雙方交易成交率較低，但每輪交易獲得的利潤(rùn)較大；當(dāng)-1≤λ<0時(shí)，表示規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)型，雙方交易成交率較高，但每輪交易獲得的利潤(rùn)較小。在微網(wǎng)不主動(dòng)調(diào)整風(fēng)險(xiǎn)因子時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)因子可根據(jù)前輪的結(jié)果變化，當(dāng)前輪交易在集中撮合階段失敗，說(shuō)明風(fēng)險(xiǎn)因子過(guò)高，下輪交易時(shí)，系統(tǒng)會(huì)降低風(fēng)險(xiǎn)因子；當(dāng)前輪交易在集中撮合階段成功，說(shuō)明風(fēng)險(xiǎn)因子適中，下輪交易時(shí)，系統(tǒng)會(huì)增加風(fēng)險(xiǎn)因子。交易成交風(fēng)險(xiǎn)因子函數(shù)λ(k)的迭代變化公式為[20]：

λ(k)=λ(k-1)+α{[1+β(k)]λshout-λ(k)}

(4)

式中：α表示學(xué)習(xí)速率；β(k)表示調(diào)節(jié)步長(zhǎng)；λshout表示微網(wǎng)最后一次調(diào)整報(bào)價(jià)時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)因子。

當(dāng)β=0.05時(shí)，交易成交風(fēng)險(xiǎn)因子降低，當(dāng)β=-0.05時(shí)，交易成交風(fēng)險(xiǎn)因子提高。

在歷史平均交易價(jià)格的基礎(chǔ)上，上下調(diào)整電價(jià)。對(duì)售電微網(wǎng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)λ=1時(shí)，理想電價(jià)為配電網(wǎng)售電電價(jià)，電價(jià)最高，風(fēng)險(xiǎn)最大；當(dāng)λ=-1時(shí)，理想電價(jià)為售電微網(wǎng)保留電價(jià)，電價(jià)最低，風(fēng)險(xiǎn)最小。對(duì)購(gòu)電微網(wǎng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)λ=1時(shí)，理想電價(jià)為配電網(wǎng)購(gòu)電電價(jià)，電價(jià)最低，風(fēng)險(xiǎn)最大；當(dāng)λ=-1時(shí)，理想電價(jià)為配電網(wǎng)售電電價(jià)，電價(jià)最高，風(fēng)險(xiǎn)最小。建立的考慮交易成交風(fēng)險(xiǎn)因子的理想電價(jià)模型為：

(5)

(6)

2.2 考慮信譽(yù)度的電力出清策略

2.2.1 集中撮合階段

(7)

2.2.2 連續(xù)競(jìng)價(jià)階段

(8)

式中：γ表示電價(jià)變化程度，γ越大，電價(jià)變化越快。

2.2.3 考慮信譽(yù)度的電力定量出清策略

(9)

(10)

2.3 考慮誤差的電力結(jié)算策略

新能源發(fā)電不穩(wěn)定、負(fù)荷預(yù)測(cè)存在誤差的特性，決定了達(dá)成的電力交易不可能百分之百執(zhí)行。當(dāng)購(gòu)電微網(wǎng)實(shí)際用電量大于合約電量時(shí)，對(duì)售電微網(wǎng)無(wú)影響，額外用電量按配電網(wǎng)售電電價(jià)從電網(wǎng)購(gòu)買；當(dāng)購(gòu)電微網(wǎng)實(shí)際用電量小于合約電量時(shí)，對(duì)售電微網(wǎng)有影響，售電微網(wǎng)的損失由購(gòu)電微網(wǎng)承擔(dān)。當(dāng)售電微網(wǎng)實(shí)際發(fā)電量大于合約電量時(shí)，對(duì)購(gòu)電微網(wǎng)無(wú)影響，多余電量按配電網(wǎng)購(gòu)電電價(jià)出售給電網(wǎng)；當(dāng)售電微網(wǎng)實(shí)際發(fā)電量小于合約電量時(shí)，對(duì)購(gòu)電微網(wǎng)有影響，購(gòu)電微網(wǎng)的損失由售電微網(wǎng)承擔(dān)。售電微網(wǎng)發(fā)生違約的風(fēng)險(xiǎn)，即實(shí)際發(fā)電量少于合約電量；購(gòu)電微網(wǎng)發(fā)生違約的風(fēng)險(xiǎn)，即實(shí)際用電量少于合約電量。

(11)

(12)

2.4 基于非合作博弈的自適應(yīng)調(diào)整報(bào)價(jià)策略

第一輪交易完成后，開(kāi)始第二輪交易，第二輪交易時(shí)，可以繼續(xù)按第一輪交易策略提交報(bào)價(jià)初始參數(shù)，進(jìn)行報(bào)價(jià)、出清、結(jié)算，也可以在第一輪交易的基礎(chǔ)上自適應(yīng)調(diào)整風(fēng)險(xiǎn)因子，考慮到微網(wǎng)調(diào)整風(fēng)險(xiǎn)因子時(shí)只知道自身情況，并不了解其他微網(wǎng)情況，所以將微網(wǎng)報(bào)價(jià)調(diào)整過(guò)程轉(zhuǎn)化為非合作博弈模型進(jìn)行探討。參與者、策略、收益和納什均衡是非合作博弈的必需元素。

2)策略：博弈方?jīng)Q策時(shí)能選擇的方法。本文策略包括每個(gè)售電微網(wǎng)報(bào)價(jià)策略sm和策略空間Sm，每個(gè)購(gòu)電微網(wǎng)報(bào)價(jià)策略bn和策略空間Bn，其中sm∈Sm，m=1, 2, …,M，bn∈Bn，n=1, 2, …,N。

3)收益：售電微網(wǎng)的收益函數(shù)USm表示售電收益減去成本；購(gòu)電微網(wǎng)的收益函數(shù)UBn表示購(gòu)電效用減去購(gòu)電成本，微網(wǎng)交易產(chǎn)生的網(wǎng)損忽略不計(jì)。

(13)

(14)

購(gòu)電微網(wǎng)購(gòu)買電能以滿足微網(wǎng)內(nèi)部用戶的用電需求，用戶的用電滿意程度可用效用函數(shù)表示，效用函數(shù)的特征隨著用電量的增加，用戶的效用函數(shù)呈現(xiàn)非遞增的趨勢(shì)，即用戶用電量達(dá)到一定程度時(shí)其效用函數(shù)達(dá)到穩(wěn)定。購(gòu)電微網(wǎng)內(nèi)部用戶j的效用函數(shù)Wj(qj)為：

(15)

(16)

式中：ωj、δj為常數(shù)。

約束條件包括功率平衡約束、新能源發(fā)電出力約束、用戶購(gòu)電量約束。

(17)

xi,min≤xi≤xi,max

(18)

qj,min≤qj≤qj,max

(19)

式中：xm,n為售電微網(wǎng)m與購(gòu)電微網(wǎng)n間的交易電量；Δxi表示新能源發(fā)電預(yù)測(cè)誤差；Δqj表示用戶用電量預(yù)測(cè)誤差；xi、xi,max、xi,min分別表示新能源主體i的出力及其上、下限；qj,max、qj,min分別表示用戶購(gòu)電量的上下限。

(20)

(21)

當(dāng)售電微網(wǎng)與購(gòu)電微網(wǎng)在相鄰兩輪中報(bào)價(jià)調(diào)整差值都小于一個(gè)很小的正數(shù)時(shí)，微網(wǎng)的報(bào)價(jià)收斂于納什均衡解，收斂判據(jù)為：

(22)

2.5 基于信譽(yù)度的共識(shí)機(jī)制

將微網(wǎng)發(fā)/用電信譽(yù)度與共識(shí)機(jī)制相結(jié)合，在該機(jī)制中某一節(jié)點(diǎn)獲得當(dāng)前區(qū)塊記賬權(quán)的概率為[21]：

(23)

(24)

基于信譽(yù)度共識(shí)的多微網(wǎng)區(qū)塊鏈公式為：

(25)

式中：Tblock表示區(qū)塊出塊時(shí)間；τ表示微網(wǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一次哈希運(yùn)算所需的平均時(shí)間。

3 仿真分析

本文在包含11個(gè)微網(wǎng)的多微網(wǎng)系統(tǒng)中進(jìn)行仿真，某時(shí)刻該11個(gè)微網(wǎng)的參數(shù)如表2所示，理想電量為負(fù)表示缺少電量，則B1、B3、B5、B6、B8、B10表示購(gòu)電微網(wǎng)，S2、S4、S7、S9、S11表示售電微網(wǎng)。取配電網(wǎng)售電電價(jià)為0.65元/(kW·h)，購(gòu)電電價(jià)為0.40元/(kW·h)，μ=0.1，γ=0.05。

表2 微網(wǎng)初始參數(shù)Table 2 Initial parameters of the microgrid

1)證明考慮交易成交風(fēng)險(xiǎn)因子的報(bào)價(jià)策略的有效性。

根據(jù)表2信息，由式(5)、(6)計(jì)算出各微網(wǎng)理想電價(jià)，形成購(gòu)電微網(wǎng)隊(duì)列PLB{B1, B10, B3, B8, B5, B6}，售電微網(wǎng)隊(duì)列PLS{S11, S2, S7, S4, S9}，如圖3所示。B1(75，0.624)表示購(gòu)電微網(wǎng)1提交的理想電價(jià)為0.624元/(kW·h)，理想電量為75 kW·h。可知B1、B10、B3與S11、S2、S7率先達(dá)成交易，保證了供用電的可靠性，B8、B5、B6與S4、S9沒(méi)能達(dá)成交易，進(jìn)入連續(xù)競(jìng)價(jià)環(huán)節(jié)。而由表2可知，B1、B10、B3、S11、S2與S7的交易成交風(fēng)險(xiǎn)因子均為非正，屬于風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避型。B8、B5、B6、S4、S9的交易成交風(fēng)險(xiǎn)因子均為負(fù)，屬于風(fēng)險(xiǎn)趨向性。該結(jié)果反映了交易成交風(fēng)險(xiǎn)因子對(duì)用戶報(bào)價(jià)及交易結(jié)果存在較大的影響，體現(xiàn)了微網(wǎng)的自主性，證明了考慮交易成交風(fēng)險(xiǎn)因子報(bào)價(jià)策略的有效性。

圖3 微網(wǎng)價(jià)格隊(duì)列Fig.3 Microgrid price queue

根據(jù)式(8)，微網(wǎng)B8、B5、B6與S4、S9調(diào)整報(bào)價(jià)，報(bào)價(jià)變化過(guò)程如圖4所示，對(duì)應(yīng)成交電量變化如圖5所示，橫坐標(biāo)表示電價(jià)變化次數(shù)，次數(shù)0對(duì)應(yīng)的電價(jià)為原始理想報(bào)價(jià)。電價(jià)變化第2次，B8報(bào)價(jià)大于S4報(bào)價(jià)，交易匹配成功，理想成交電量為30 kW·h，S4完成交易量，退出區(qū)塊鏈系統(tǒng)。電價(jià)變化第3次，B8報(bào)價(jià)大于S9報(bào)價(jià)，交易匹配成功，理想成交電量為10 kW·h，B8完成交易量，退出區(qū)塊鏈系統(tǒng)。電價(jià)變化第4次，B5報(bào)價(jià)大于S9報(bào)價(jià)，交易匹配成功，理想成交電量為20 kW·h，S9完成交易量，退出區(qū)塊鏈系統(tǒng)。最后，B5、B6缺額的電量以較高的價(jià)格從配電網(wǎng)購(gòu)買。交易連續(xù)競(jìng)價(jià)階段進(jìn)一步促進(jìn)了多微網(wǎng)電力交易。

圖4 連續(xù)競(jìng)價(jià)階段微網(wǎng)報(bào)價(jià)變化Fig.4 Changes in microgrid quotations during the continuous bidding phase

圖5 連續(xù)競(jìng)價(jià)階段微網(wǎng)電量變化Fig.5 Electricity changes during the continuous bidding phase

2)證明考慮信譽(yù)值的電量出清機(jī)制和結(jié)算機(jī)制的有效性。

表3 集中撮合階段的交易情況Table 3 Transactions in the centralized matching stage

根據(jù)表3計(jì)算2種電量出清策略的違約成本，如表4所示。按本文出清策略，交易1(B1、S11)的違約成本較常規(guī)出清策略降低了29.71%，交易2、4、5中售電微網(wǎng)的違約成本降低至0，交易3中B10微網(wǎng)的信譽(yù)度降低。可知本文電量出清策略降低了微網(wǎng)因預(yù)測(cè)誤差等因素而造成的違約成本，提高了微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)也鼓勵(lì)了微網(wǎng)按合約發(fā)電、用電。

表4 2種電量出清策略的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比Table 4 Economic comparison of the two electricity clearing strategies

注：表中“，”前對(duì)應(yīng)交易中的購(gòu)電微網(wǎng)，“，”后對(duì)應(yīng)交易中的售電微網(wǎng)。

3)證明考慮非合作博弈的自適應(yīng)調(diào)整報(bào)價(jià)策略的有效性。

以B1、B10、S11、S2為例進(jìn)行驗(yàn)證，B1、B10、S2、S11屬于風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避型微網(wǎng)，上一輪均完成交易，在下一輪交易中，微網(wǎng)試圖降低風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避程度，即增加交易成交風(fēng)險(xiǎn)因子，風(fēng)險(xiǎn)因子自適應(yīng)迭代過(guò)程及其對(duì)應(yīng)的報(bào)價(jià)如圖6、7所示。

圖6 交易成交風(fēng)險(xiǎn)因子變化過(guò)程Fig.6 Change process of transaction risk factors

圖7 報(bào)價(jià)變化過(guò)程Fig.7 Change process of quotation

隨著交易成交風(fēng)險(xiǎn)因子的升高，B1、B10的報(bào)價(jià)從初始報(bào)價(jià)0.624、0.585元/(kW·h)開(kāi)始不斷下降，S11、S2的報(bào)價(jià)從初始報(bào)價(jià)0.414、0.435元/(kW·h)開(kāi)始不斷上升。B1、S11變化到第8代和第10代時(shí)，微網(wǎng)效益不再增加，趨于穩(wěn)定。B10、S2變化到第31代和第15代時(shí)，報(bào)價(jià)差小于0.001元/(kW·h)，趨于穩(wěn)定。微網(wǎng)效益如圖8所示，在降低風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避的同時(shí)，效益增長(zhǎng)，證明了自適應(yīng)調(diào)整報(bào)價(jià)策略的有效性。

4)證明多微網(wǎng)交易策略的經(jīng)濟(jì)性。

本文的多微網(wǎng)系統(tǒng)按以下3種方式結(jié)算，結(jié)果如圖9所示。

圖8 微網(wǎng)效益變化過(guò)程Fig.8 Change process of microgrid benefit

圖9 3種運(yùn)行方式下的經(jīng)濟(jì)對(duì)比Fig.9 Economic comparison under three operating modes

方式1：采用本文交易策略；

方式2：采用本文提出的考慮交易成交風(fēng)險(xiǎn)因子的報(bào)價(jià)策略提交理想報(bào)價(jià)，但是沒(méi)有連續(xù)競(jìng)價(jià)階段，并且按常規(guī)出清機(jī)制結(jié)算；

方式3：微網(wǎng)只和配網(wǎng)交易。

可知，方式1的售電微網(wǎng)收入最高，購(gòu)電支出最少，對(duì)比于方式3，售電微網(wǎng)收入提高了32.2%，購(gòu)電微網(wǎng)支出降低了15.5%，證明了本文所提交易策略的經(jīng)濟(jì)性。

5)證明基于信譽(yù)度共識(shí)機(jī)制的多微網(wǎng)區(qū)塊鏈的有效性。

設(shè)置微網(wǎng)總數(shù)為11，信譽(yù)度在0.70～1.00之間，通過(guò)測(cè)試50個(gè)區(qū)塊的記賬歸屬權(quán)，得到微網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信譽(yù)度與其成功挖礦概率的關(guān)系，如圖10所示?？芍⒕W(wǎng)節(jié)點(diǎn)挖礦成功的概率與其信譽(yù)度成正相關(guān)關(guān)系，隨著微網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信譽(yù)度的降低，其成功挖礦的概率迅速下降，當(dāng)某節(jié)點(diǎn)信譽(yù)度低于0.84時(shí)，則幾乎不可能成功挖礦，該機(jī)制激勵(lì)各微網(wǎng)按合約發(fā)用電，獲得更高的信譽(yù)度，從而獲得更高的報(bào)酬。

圖10 微網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信譽(yù)度與成功挖礦概率的關(guān)系Fig.10 Relationship between the reputation of microgrid nodes and the probability of successful mining

假設(shè)Ndiff=1033，3種場(chǎng)景分別為：

場(chǎng)景1：11個(gè)微網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信譽(yù)度均為1.00；

場(chǎng)景2：6個(gè)微網(wǎng)信譽(yù)度為0.95，5個(gè)微網(wǎng)信譽(yù)度為0.85；

場(chǎng)景3：11個(gè)微網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信譽(yù)度均為0.85。

3種場(chǎng)景下的區(qū)塊出塊平均時(shí)間如圖11所示，節(jié)點(diǎn)信譽(yù)度越高，區(qū)塊平均出塊時(shí)間越短。

圖11 3種場(chǎng)景下的區(qū)塊出塊時(shí)間Fig.11 Block generation time in three scenarios

4 結(jié) 論

本文提出了基于區(qū)塊鏈的多微網(wǎng)智能交易策略，設(shè)計(jì)了微網(wǎng)報(bào)價(jià)、出清、結(jié)算策略，提出了基于信譽(yù)度的共識(shí)機(jī)制，結(jié)論如下：

1)考慮交易成交風(fēng)險(xiǎn)因子的報(bào)價(jià)策略對(duì)用戶報(bào)價(jià)及交易結(jié)果存在較大的影響，體現(xiàn)了微網(wǎng)的自主性?；诜呛献鞑┺牡淖赃m應(yīng)調(diào)整報(bào)價(jià)策略能在降低微網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避的同時(shí)，增長(zhǎng)效益，體現(xiàn)了報(bào)價(jià)的自主性。

2)集中撮合與連續(xù)競(jìng)價(jià)的兩階段電價(jià)出清策略能進(jìn)一步增加微網(wǎng)間的電能交易量。考慮信譽(yù)度的電量出清策略能降低微網(wǎng)因預(yù)測(cè)誤差等因素而造成的違約成本，提高了微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性。

3)基于信譽(yù)度的PoS共識(shí)機(jī)制表明信譽(yù)度越高的微網(wǎng)，其成功記賬的概率越高，出塊時(shí)間越短，鼓勵(lì)了微網(wǎng)按合約發(fā)電、用電，提高信譽(yù)度以獲得記賬權(quán)。