基于區(qū)塊鏈技術(shù)的微電網(wǎng)群分布式電能交易模式

朱廷虎，劉洋，許立雄，饒萍，李振偉，吳涵

(四川大學(xué)電氣工程學(xué)院, 成都市 610065)

0 引 言

2017年10月，國(guó)家能源局發(fā)布了《關(guān)于開(kāi)展分布式發(fā)電市場(chǎng)化交易試點(diǎn)的通知》，促使我國(guó)近年來(lái)持續(xù)推進(jìn)分布式電源(distributed generation，DG)多主體直接電能交易試點(diǎn)工作[1]。微電網(wǎng)作為一種靈活自治的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，能有效降低DG直接并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行的影響，逐漸成為DG參與市場(chǎng)化交易的主要應(yīng)用場(chǎng)景[2-3]。地域相鄰的微電網(wǎng)之間能量互動(dòng)、信息互聯(lián)，形成局域微電網(wǎng)群電力市場(chǎng)，有利于提高微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性及配電網(wǎng)的可靠性[4]。然而，微電網(wǎng)群頻繁、單筆量小的交易特性使得集中交易效率低下、維護(hù)成本高，而分布式直接電能交易模式雖能有效避免集中式運(yùn)算乏力的問(wèn)題，但仍難保證交易數(shù)據(jù)安全和可追溯[5]。因此，本文在微電網(wǎng)群分布式電能交易中引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)。

作為一個(gè)可信的去中心化數(shù)據(jù)庫(kù)集，區(qū)塊鏈憑借其安全、高效、透明、可追溯的特點(diǎn)[6]可為分布式電能交易提供技術(shù)支撐。文獻(xiàn)[7]驗(yàn)證了區(qū)塊鏈在DG交易領(lǐng)域的適應(yīng)性。文獻(xiàn)[8]構(gòu)建了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的多主體利益均衡競(jìng)標(biāo)模型，但缺乏實(shí)際區(qū)塊鏈平臺(tái)運(yùn)行的有效性驗(yàn)證。文獻(xiàn)[5]基于連續(xù)雙向拍賣(mài)機(jī)制，設(shè)計(jì)了一種采用自適應(yīng)進(jìn)取性報(bào)價(jià)策略的直接電能交易模式，并分析了該策略下交易匹配效率的優(yōu)越性。文獻(xiàn)[9]提出基于區(qū)塊鏈的信用證明共識(shí)機(jī)制對(duì)DG違約風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行管控，驗(yàn)證了信用管理能有效維持能源市場(chǎng)秩序。文獻(xiàn)[10]構(gòu)建了基于智能合約的區(qū)域能源交易基礎(chǔ)應(yīng)用模型，并在區(qū)塊鏈平臺(tái)驗(yàn)證所提模型的可行性。但上述文獻(xiàn)均未考慮配電網(wǎng)在分布式交易場(chǎng)景中過(guò)網(wǎng)費(fèi)的收取問(wèn)題，也未考慮過(guò)網(wǎng)費(fèi)對(duì)交易撮合的公平性問(wèn)題，缺乏分析計(jì)及過(guò)網(wǎng)費(fèi)及DG用戶(hù)側(cè)信用值偏好等因素對(duì)電能交易匹配過(guò)程和成交結(jié)果的影響。

合理的過(guò)網(wǎng)費(fèi)核算一方面能保證配電網(wǎng)收回成本，另一方面能促使微電網(wǎng)交易市場(chǎng)公平競(jìng)爭(zhēng)。文獻(xiàn)[11]認(rèn)為除國(guó)家核定基礎(chǔ)輸配電價(jià)外，過(guò)網(wǎng)費(fèi)核算還應(yīng)考慮交易雙方之間的電壓等級(jí)、電氣距離及占用電網(wǎng)資源。文獻(xiàn)[12]介紹了基于源流分析法和網(wǎng)絡(luò)定價(jià)法的過(guò)網(wǎng)費(fèi)模型。文獻(xiàn)[13]通過(guò)設(shè)定基準(zhǔn)收益率倒推過(guò)網(wǎng)費(fèi)，提出適應(yīng)光伏學(xué)習(xí)曲線(xiàn)的多階段過(guò)網(wǎng)費(fèi)核算機(jī)制。上述文獻(xiàn)中過(guò)網(wǎng)費(fèi)核算多屬于統(tǒng)一定價(jià)方式，并未充分考慮市場(chǎng)化環(huán)境中DG頻繁參與交易時(shí)產(chǎn)生的線(xiàn)路投資成本、線(xiàn)路使用成本及配電網(wǎng)的電能質(zhì)量治理成本，不能根據(jù)每筆成交信息動(dòng)態(tài)收取過(guò)網(wǎng)費(fèi)以確保市場(chǎng)公平性和配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)成本回收。

綜上所述，本文提出一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的微電網(wǎng)群分布式電能交易模型，設(shè)計(jì)考慮過(guò)網(wǎng)費(fèi)及購(gòu)電用戶(hù)信用值偏好的智能合約。首先，針對(duì)傳統(tǒng)過(guò)網(wǎng)費(fèi)定價(jià)方式存在的不足，綜合考慮配電網(wǎng)的運(yùn)行投資成本，提出基于功率傳輸分布因子(power transfer distribution factors，PTDF)的動(dòng)態(tài)過(guò)網(wǎng)費(fèi)收取模型。其次，為滿(mǎn)足微電網(wǎng)的購(gòu)電信用值偏好，保證在動(dòng)態(tài)過(guò)網(wǎng)費(fèi)模型下交易撮合的公平有序，構(gòu)建計(jì)及信用值偏好的購(gòu)電策略函數(shù)，并采用改進(jìn)粒子群算法[14](improved particle swarm optimization，IPSO)對(duì)交易撮合過(guò)程進(jìn)行求解。再次，為解決智能合約執(zhí)行過(guò)程中報(bào)價(jià)更新及配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓偏移的問(wèn)題，借助自適應(yīng)進(jìn)取型報(bào)價(jià)策略對(duì)每輪報(bào)價(jià)自動(dòng)進(jìn)行更新，采用隨交易輪次變化而動(dòng)態(tài)更新的配電網(wǎng)安全校核方法。最后，通過(guò)Matlab仿真平臺(tái)及自建的以太坊電能交易平臺(tái)驗(yàn)證本文所提交易模型的合理性和智能合約的有效性。

1 基于區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)集群電能交易框架

1.1 微電網(wǎng)集群電能交易總體框架

微電網(wǎng)內(nèi)部包含風(fēng)光DG、儲(chǔ)能裝置、居民用戶(hù)和電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷。微電網(wǎng)在自身內(nèi)部電能盈余或缺額時(shí)，不再與配電網(wǎng)直接交易，而是與臨近的其他微電網(wǎng)進(jìn)行電能交易，形成局域微電網(wǎng)集群電能交易市場(chǎng)。與集中式交易方式不同，本文引入?yún)^(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)作為交易主體的信息交互通道，以實(shí)現(xiàn)安全透明、高效經(jīng)濟(jì)的分布式交易，具體的電能交易框架如圖1所示。

圖1 微電網(wǎng)群分布式電能交易框架

在該框架下，各微電網(wǎng)主體和配電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商(distribution system operator，DSO)通過(guò)智能電表接入?yún)^(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)成為區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均能隨時(shí)追溯歷史交易信息。此時(shí)，DSO主要為微電網(wǎng)群電能交易提供輔助服務(wù)，負(fù)責(zé)對(duì)微電網(wǎng)群交易結(jié)束后仍不能平衡的電能“兜底”、監(jiān)管微電網(wǎng)群真實(shí)交易結(jié)果、核實(shí)過(guò)網(wǎng)費(fèi)計(jì)算準(zhǔn)確性等事項(xiàng)。

以太坊智能合約具有較為成熟的編譯和部署環(huán)境，能保證交易自動(dòng)可靠地執(zhí)行并激勵(lì)各交易節(jié)點(diǎn)共同監(jiān)督與維護(hù)區(qū)塊數(shù)據(jù)。同時(shí)，其抗51%攻擊及擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)與安全性要求較高的多主體分布式電能交易具有一定契合度。此外，以太坊可設(shè)置固定的挖礦難度以縮小與Hyperledger Fabric在處理效率上的差距。因此，本文采用以太坊驗(yàn)證所提交易模式，具體過(guò)程為：各交易節(jié)點(diǎn)將自身交易報(bào)價(jià)策略上傳到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，在滿(mǎn)足以太坊智能合約預(yù)制條件或規(guī)則時(shí)，智能合約自動(dòng)執(zhí)行交易撮合和資金結(jié)算(合約流程由1.2節(jié)詳細(xì)介紹)后由共識(shí)機(jī)制將交易結(jié)果打包成區(qū)塊，并保存在區(qū)塊鏈上。

1.2 基于智能合約的微電網(wǎng)集群電能交易流程

作為一種由事件觸發(fā)而自動(dòng)運(yùn)行在區(qū)塊鏈上的代碼，智能合約能夠在沒(méi)有第三方機(jī)構(gòu)的情況下實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)群可信的電能交易，并保證交易結(jié)果可追溯且不可逆轉(zhuǎn)。本文設(shè)計(jì)了微電網(wǎng)群電能交易智能合約，如圖2所示。該合約分為市場(chǎng)準(zhǔn)入核驗(yàn)階段、交易信息上報(bào)階段、交易撮合階段、安全校核階段及交易執(zhí)行和結(jié)算階段。

圖2 智能合約執(zhí)行流程圖

1)市場(chǎng)準(zhǔn)入核驗(yàn)階段。為保證交易節(jié)點(diǎn)身份真實(shí)性，微電網(wǎng)需在市場(chǎng)監(jiān)管機(jī)構(gòu)備案并獲得相應(yīng)數(shù)字證書(shū)后才能在區(qū)塊鏈交易平臺(tái)進(jìn)行注冊(cè)，購(gòu)電微電網(wǎng)需向自身賬戶(hù)存入一定押金才能進(jìn)入市場(chǎng)。

2)交易信息上報(bào)階段。各微電網(wǎng)由其智能電表隨機(jī)生成一加密字符串，并與其真實(shí)報(bào)價(jià)、報(bào)量及信用值偏好等信息相連，經(jīng)Hash加密后密封上報(bào)到智能合約中。一輪上報(bào)時(shí)間截止時(shí)，各微電網(wǎng)需公開(kāi)自身報(bào)價(jià)字符串，智能合約將驗(yàn)證接收的密封報(bào)價(jià)解密后是否與該字符串一致。若一致，則進(jìn)入下一階段，否則該報(bào)價(jià)無(wú)效。

3)交易撮合階段。首先，以一輪雙向拍賣(mài)的出清方式對(duì)交易主體進(jìn)行初篩，確定本輪購(gòu)售電主體數(shù)量并排序。其次，基于本文第2節(jié)構(gòu)建的動(dòng)態(tài)過(guò)網(wǎng)費(fèi)模型，并結(jié)合DSO節(jié)點(diǎn)向智能合約提供的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、線(xiàn)路參數(shù)及監(jiān)測(cè)到的各微電網(wǎng)電能質(zhì)量級(jí)別等信息，智能合約可執(zhí)行3.3節(jié)構(gòu)建的交易撮合函數(shù)進(jìn)行交易配對(duì)。最后，針對(duì)未撮合成功的交易節(jié)點(diǎn)，其需調(diào)整交易策略后進(jìn)入下一輪交易。

4)安全校核階段。本文假設(shè)配電網(wǎng)線(xiàn)路容量足夠大，微電網(wǎng)群交易不會(huì)造成潮流越限，僅考慮配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓偏移的問(wèn)題。在校核時(shí)，智能合約依據(jù)步驟3)的撮合結(jié)果調(diào)用3.5節(jié)中的滾動(dòng)約束校核函數(shù)，并判斷配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓偏移幅值是否在允許范圍內(nèi)。對(duì)符合要求的交易對(duì)，記錄為有效交易并簽約；反之，則解除該交易匹配。

5)交易執(zhí)行和結(jié)算階段。當(dāng)所有微電網(wǎng)群均滿(mǎn)足購(gòu)、售電能需求或達(dá)到交易輪次上限時(shí)，智能電表根據(jù)有效簽約訂單完成電能傳輸，并將實(shí)際傳輸電量數(shù)據(jù)上傳智能合約進(jìn)行成交費(fèi)及過(guò)網(wǎng)費(fèi)結(jié)算(本文設(shè)過(guò)網(wǎng)費(fèi)由購(gòu)電方上繳給DSO節(jié)點(diǎn))。部分微電網(wǎng)由于預(yù)測(cè)偏差或信用值偏好等因素導(dǎo)致其電能仍不能平衡，則這部分電量可按分時(shí)電價(jià)出售給配電網(wǎng)或向配電網(wǎng)備用機(jī)組購(gòu)買(mǎi)。

2 基于PTDF的動(dòng)態(tài)過(guò)網(wǎng)費(fèi)模型

現(xiàn)行過(guò)網(wǎng)費(fèi)收取辦法暫為按電壓等級(jí)和輸電及電力消納范圍分級(jí)確定的統(tǒng)一定價(jià)模式[13]。而各微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在交易中具有交易頻次高、數(shù)量小、傳輸距離不一等特點(diǎn)，若仍采取統(tǒng)一定價(jià)模式會(huì)導(dǎo)致交易主體之間出現(xiàn)不公平、不對(duì)等現(xiàn)象。因此，本文提出一種動(dòng)態(tài)過(guò)網(wǎng)費(fèi)模型，該模型下的過(guò)網(wǎng)費(fèi)收取能跟隨交易主體的交易量、交易時(shí)間、電氣距離、占用線(xiàn)路情況、電能質(zhì)量級(jí)別等因素的不同而動(dòng)態(tài)調(diào)整。

當(dāng)購(gòu)電方i與售電方j(luò)達(dá)成交易功率Pij時(shí)，動(dòng)態(tài)過(guò)網(wǎng)費(fèi)Cdnf的具體計(jì)算方法如下：

(1)

1)線(xiàn)路長(zhǎng)期增量成本Zl。

從配電網(wǎng)設(shè)備投資層面看，配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷容量變化會(huì)影響其線(xiàn)路投資成本，有必要明確節(jié)點(diǎn)容量變化與配電網(wǎng)投資成本的關(guān)系[15]。本文采用長(zhǎng)期增量成本法對(duì)線(xiàn)路長(zhǎng)期投資成本建模為：

(2)

(3)

(4)

(5)

ΔPl=kptdf,ij,lPij

(6)

2)線(xiàn)路使用成本Dl。

線(xiàn)路使用成本Dl主要包含因輸電網(wǎng)損及占用電網(wǎng)資產(chǎn)而對(duì)配電網(wǎng)支付的補(bǔ)償費(fèi)用，該成本模型考慮了節(jié)點(diǎn)間的電氣距離、網(wǎng)損率、成交量及配電網(wǎng)的營(yíng)收效益。

Dl=γ(1+ηD)dijΔPl

(7)

(8)

式中：γ是單位電氣距離傳輸單位電能價(jià)格；ηD是配電網(wǎng)收益率，本文取為折現(xiàn)率；dij是節(jié)點(diǎn)i與j的電氣距離；ηl,loss是網(wǎng)損率；Lij是節(jié)點(diǎn)i與j功率交互所經(jīng)過(guò)的配電網(wǎng)支路數(shù)。

用戶(hù)側(cè)對(duì)購(gòu)入的電能質(zhì)量要求越高，則配電網(wǎng)在電能治理方面投入的運(yùn)營(yíng)成本、設(shè)備成本和維護(hù)成本也相應(yīng)越高。本文采取基于熵權(quán)法的Topsis模型對(duì)各售電主體電能質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)估并劃分為4個(gè)等級(jí)[17]。建立電能治理成本模型[18]如下：

(9)

3 計(jì)及動(dòng)態(tài)過(guò)網(wǎng)費(fèi)并考慮購(gòu)電側(cè)信用值偏好的交易過(guò)程分析

一般而言，配電網(wǎng)負(fù)責(zé)傳輸各交易主體電能時(shí)，物理層面上各售電方的電能已被同質(zhì)化[19]，但電力市場(chǎng)消費(fèi)者仍可對(duì)售電方的合同履約程度、電能質(zhì)量等方面提出要求。

3.1 信用評(píng)估指標(biāo)

本文交易模式下，購(gòu)電方需提前向智能合約存入大于自身報(bào)量和報(bào)價(jià)乘積的資金，每筆交易按簽約金額足額支付，暫不考慮其違約問(wèn)題。對(duì)于售電方，若其發(fā)電量大于簽約電量，則不影響合約執(zhí)行；反之，則影響與之匹配的購(gòu)電方的用能平衡，其違約行為會(huì)造成購(gòu)電方額外的經(jīng)濟(jì)損失。

為此，基于售電方合約完成率并結(jié)合歷史成交電量數(shù)據(jù)，構(gòu)建其信用值指標(biāo)如下：

(10)

3.2 計(jì)及用戶(hù)購(gòu)電信用值偏好的購(gòu)電目標(biāo)函數(shù)

連續(xù)雙向拍賣(mài)機(jī)制以簡(jiǎn)單有序的優(yōu)點(diǎn)廣泛用于分布式電能出清，但在動(dòng)態(tài)過(guò)網(wǎng)費(fèi)模型下計(jì)及用戶(hù)的購(gòu)電信用偏好時(shí)，僅采用單次雙向拍賣(mài)匹配交易，不能很好地滿(mǎn)足購(gòu)電側(cè)需求。如圖3所示，買(mǎi)方1在扣除過(guò)網(wǎng)費(fèi)后的報(bào)價(jià)會(huì)比買(mǎi)方2更低，仍將買(mǎi)方1優(yōu)先于買(mǎi)方2進(jìn)行交易撮合易形成不公平的市場(chǎng)環(huán)境。此外，買(mǎi)方3的最低信用值要求大于賣(mài)方3的實(shí)際信用值，仍單純按連續(xù)雙向拍賣(mài)機(jī)制進(jìn)行匹配不能保證其信用值偏好。因此，本文提出一種計(jì)及購(gòu)電偏好的購(gòu)電策略函數(shù)。

圖3 交易撮合過(guò)程示意圖

以一輪交易匹配過(guò)程為例，在滿(mǎn)足自身信用偏好的情況下，購(gòu)電方希望其交易支出費(fèi)用最小，則購(gòu)電方i的購(gòu)電策略函數(shù)可表示為：

(11)

(12)

3.3 基于IPSO的撮合過(guò)程求解

撮合機(jī)制的主要任務(wù)是在滿(mǎn)足如線(xiàn)路校核及購(gòu)電偏好等約束時(shí)盡量匹配更多交易對(duì)。以一輪交易為例，設(shè)Nb和Ns分別為購(gòu)、售電微電網(wǎng)數(shù)量，Pb,i和Ps,j分別為購(gòu)、售電微電網(wǎng)i和j的申報(bào)電量。以一輪雙向拍賣(mài)對(duì)交易主體進(jìn)行初篩，具體為：

(13)

需要說(shuō)明的是，每執(zhí)行一次雙向拍賣(mài)函數(shù)后，將購(gòu)電方以報(bào)價(jià)遞減的順序編號(hào)為1,2,…,i-1,i,…,Ni，智能合約按照該編號(hào)依次執(zhí)行相應(yīng)的購(gòu)電策略函數(shù)Si，直至最后一個(gè)購(gòu)電方Ni執(zhí)行后結(jié)束本輪交易撮合，未滿(mǎn)足其期望成交額的購(gòu)售方可調(diào)整自身報(bào)價(jià)策略以進(jìn)入下一輪匹配競(jìng)爭(zhēng)中。整個(gè)撮合過(guò)程實(shí)質(zhì)上是一種多購(gòu)電主體依次進(jìn)行的非線(xiàn)性尋優(yōu)過(guò)程，其不等式約束上下界會(huì)隨著尋優(yōu)次序動(dòng)態(tài)調(diào)整。傳統(tǒng)求解方法往往要求目標(biāo)函數(shù)連續(xù)可導(dǎo)，通常難以處理具有多約束、離散和連續(xù)變量并存的優(yōu)化模型。而較為前沿的強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法在處理本文模型時(shí)難以構(gòu)建適用的獎(jiǎng)懲函數(shù)，訓(xùn)練樣本可能無(wú)法覆蓋所有決策情況。因此，本文采用模型簡(jiǎn)單、收斂較快且全局尋優(yōu)能力強(qiáng)的IPSO算法對(duì)該過(guò)程進(jìn)行求解，IPSO粒子更新過(guò)程參考文獻(xiàn)[14]。

3.4 自適應(yīng)報(bào)價(jià)更新策略

為規(guī)范交易市場(chǎng)環(huán)境并保證各交易主體報(bào)價(jià)時(shí)效性，智能電表內(nèi)部嵌套有報(bào)價(jià)策略和報(bào)價(jià)更新計(jì)算程序[20]。參與電能交易的微電網(wǎng)按照自身實(shí)際電能需求參考報(bào)價(jià)策略對(duì)每次交易進(jìn)行首輪報(bào)價(jià)，若該輪交易不成功則智能電表將根據(jù)其偏好自動(dòng)更新報(bào)價(jià)進(jìn)入下一輪交易，直到本次交易結(jié)束。微電網(wǎng)具體策略詳述于后。

1)首輪報(bào)價(jià)策略。

若微電網(wǎng)為售電方，則其首輪報(bào)價(jià)策略為：

(14)

若微電網(wǎng)為購(gòu)電方，則其首輪報(bào)價(jià)策略為：

(15)

式中：μ∈(0,1)，表征購(gòu)電用戶(hù)偏好，本文取0.5。

2)報(bào)價(jià)更新策略。

本文交易模式下多微電網(wǎng)主體之間屬于完全競(jìng)爭(zhēng)性交易范疇，各主體不能通過(guò)自身單方面左右市場(chǎng)，最終成交均價(jià)會(huì)基于供需關(guān)系而趨于競(jìng)爭(zhēng)性均衡。均衡價(jià)格可通過(guò)近期的M筆成交價(jià)格加權(quán)后進(jìn)行估計(jì)，即：

(16)

式中：κi為第i筆交易價(jià)格pi在均衡價(jià)格pe中所占的權(quán)重值，可采用序關(guān)系分析法解得[21]。

基于自適應(yīng)進(jìn)取型策略，購(gòu)、售電雙方可根據(jù)均衡價(jià)格和上一輪最優(yōu)成交價(jià)格進(jìn)行如下報(bào)價(jià)更新：

(17)

(18)

3.5 基于VSCs的多輪滾動(dòng)約束校核

節(jié)點(diǎn)電壓敏感度系數(shù)(voltage sensitivity coefficients，VSCs)常用來(lái)反映交易節(jié)點(diǎn)功率注入對(duì)其電壓幅值的影響[23]，本文采用一種基于復(fù)合導(dǎo)納矩陣的解析法計(jì)算VSCs[24]。因本文只涉及有功功率交易，故僅考慮有功對(duì)配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓的影響。具體計(jì)算公式為：

(19)

式中：Vi為節(jié)點(diǎn)i電壓幅值標(biāo)幺值；?Vi/?Pl表示節(jié)點(diǎn)i的VSCs值；V″i與Vi互為共軛；Y=(Yij)為節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣；D和F分別代表PQ節(jié)點(diǎn)和平衡節(jié)點(diǎn)集合。根據(jù)上述求得的VSCs值，進(jìn)而可計(jì)算配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓偏移幅值ΔVj：

(20)

(21)

在單筆交易過(guò)程中，根據(jù)每輪交易功率ΔPl滾動(dòng)求取電壓偏移量ΔVj。若ΔVj超過(guò)閾值(本文設(shè)為 ±0.02 pu[22])，則取消本輪交易撮合，各交易主體重新報(bào)價(jià)以進(jìn)入下一輪交易。每輪交易重復(fù)上述校驗(yàn)過(guò)程，以確保整筆交易結(jié)束后各節(jié)點(diǎn)電壓均處于正常幅值。

4 算例分析

本文在Windows10 64 bit操作系統(tǒng)中，通過(guò)Matlab平臺(tái)和自行搭建的以太坊交易平臺(tái)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。如圖4所示，在IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)下，設(shè)置10個(gè)購(gòu)電微網(wǎng)(B1至B10)，分別部署在4、6、10、14、18、20、21、25、28、31號(hào)節(jié)點(diǎn)；設(shè)置10個(gè)售電微網(wǎng)(S1至S10)，分別部署在1、5、9、12、15、16、22、23、30、33號(hào)節(jié)點(diǎn)。其中，線(xiàn)路折現(xiàn)率設(shè)置為0.1，負(fù)荷增長(zhǎng)率為0.03，單位電氣距離傳輸單位電能的價(jià)格為0.02元/[km·(kW·h)]。各售、購(gòu)電微電網(wǎng)意愿交易電量見(jiàn)附錄A圖A1、A2，電能質(zhì)量等級(jí)、售電微電網(wǎng)信用值、購(gòu)電微電網(wǎng)信用值偏好閾值分別見(jiàn)附錄A圖A3—A5。配電網(wǎng)分時(shí)電價(jià)見(jiàn)附錄A表A1。IEEE 33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)線(xiàn)路信息、線(xiàn)路阻抗信息分別見(jiàn)附錄A表A2—A3。

圖4 IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)系統(tǒng)

需要說(shuō)明的是，本文基于IPSO的尋優(yōu)過(guò)程以及安全校核的潮流計(jì)算在Matlab中完成，并在每輪交易中將其計(jì)算結(jié)果以常數(shù)的形式部署在智能合約中。通過(guò)以太坊客戶(hù)端Ganache新建私有鏈，并配合Metamask錢(qián)包可查看部署在該私有鏈上的智能合約執(zhí)行結(jié)果。其中，在私有鏈交易中設(shè)置1單位人民幣與1單位以太幣等值，以太幣僅反映智能合約執(zhí)行后交易結(jié)果的賬本信息，不具有市場(chǎng)價(jià)值，實(shí)際交易結(jié)算方式依然采用人民幣。

4.1 微電網(wǎng)群電能交易結(jié)果分析

圖5中的柱狀圖為交易結(jié)束后在微電網(wǎng)之間達(dá)成的總成交電量；在計(jì)及本文提出的過(guò)網(wǎng)費(fèi)模型下，藍(lán)、黑曲線(xiàn)分別表示采取本文優(yōu)化策略和傳統(tǒng)連續(xù)雙向拍賣(mài)策略時(shí)過(guò)網(wǎng)費(fèi)占總交易費(fèi)用的比率。

圖5 購(gòu)電微電網(wǎng)的成交電量圖

在02:00、18：00、21:00、22:00這4個(gè)時(shí)刻，所有購(gòu)電微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)均能與符合其信用值偏好的售電微電網(wǎng)達(dá)成交易，買(mǎi)到自身預(yù)期電量。在09:00—14：00，售電微電網(wǎng)出售總電量處于低谷，購(gòu)電微電網(wǎng)的購(gòu)電需求增加，導(dǎo)致整個(gè)市場(chǎng)電能供不應(yīng)求，且部分售電主體由于信用值不滿(mǎn)足市場(chǎng)閾值，購(gòu)電微電網(wǎng)與配電網(wǎng)交互總電量有所增加。在其他時(shí)刻，盡管售電微電網(wǎng)總售電量大于購(gòu)電微電網(wǎng)總購(gòu)電量，但由于部分購(gòu)電微電網(wǎng)對(duì)售電方信用值要求較高，配電網(wǎng)將承擔(dān)微電網(wǎng)之間由于信用值未成交的電量。以05:00為例，市場(chǎng)中售電節(jié)點(diǎn)總申報(bào)量為6.197 MW·h，購(gòu)電節(jié)點(diǎn)總申報(bào)量為5.171 MW·h，整個(gè)交易過(guò)程持續(xù)3輪，最終各購(gòu)售節(jié)點(diǎn)間總成交電量為4.647 MW·h，購(gòu)電節(jié)點(diǎn)向配網(wǎng)買(mǎi)入0.491 MW·h，售電節(jié)點(diǎn)向配電網(wǎng)賣(mài)出1.518 MW·h。由于售電節(jié)點(diǎn)9、12、33的信用值分別為75、72、78，處于競(jìng)爭(zhēng)劣勢(shì)；而購(gòu)電節(jié)點(diǎn)4在購(gòu)電報(bào)價(jià)低于其他節(jié)點(diǎn)的情況下，仍保留最低信用值為80的購(gòu)電偏好，導(dǎo)致其在分布式市場(chǎng)中只能在節(jié)點(diǎn)16購(gòu)得0.184 MW·h，需向配電網(wǎng)購(gòu)買(mǎi)0.491 MW·h。與不考慮用戶(hù)購(gòu)電信用值偏好相比，盡管考慮購(gòu)電用戶(hù)信用值偏好會(huì)使得市場(chǎng)整體成交額減少，但購(gòu)電用戶(hù)能夠從違約率更低的售電方購(gòu)買(mǎi)電能，能有效減小因違約問(wèn)題而向輔助服務(wù)市場(chǎng)購(gòu)電的支付成本；此外，市場(chǎng)中售電方的響應(yīng)不確定性整體有所降低，使得配電網(wǎng)運(yùn)行波動(dòng)性更小。

由圖5中的曲線(xiàn)圖可知，與傳統(tǒng)的連續(xù)雙向拍賣(mài)方式相比，采用本文所提優(yōu)化策略時(shí)的過(guò)網(wǎng)費(fèi)比率總體偏低。在整體成交電量相差不多的情況下，本文優(yōu)化策略會(huì)根據(jù)購(gòu)、售雙方實(shí)際線(xiàn)路使用成本、線(xiàn)路投資成本及電能質(zhì)量治理成本動(dòng)態(tài)更新交易配對(duì)，購(gòu)電方在每輪交易中以?xún)r(jià)格高低的優(yōu)先級(jí)次序匹配該輪售電方的方式能夠直接有效地保證其總體成交費(fèi)用最小，進(jìn)而間接促使整個(gè)交易市場(chǎng)總體過(guò)網(wǎng)費(fèi)占比較小，有助于提高市場(chǎng)中購(gòu)電微電網(wǎng)的整體收益。

4.2 動(dòng)態(tài)過(guò)網(wǎng)費(fèi)對(duì)交易結(jié)果的影響分析

為驗(yàn)證本文所提過(guò)網(wǎng)費(fèi)模型的有效性與合理性，選取03：00時(shí)的初始上報(bào)信息作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。保留4.1節(jié)參數(shù)設(shè)置的情況下，購(gòu)電微電網(wǎng)各自的交易對(duì)象及相應(yīng)的交易電量信息如圖6所示。

圖6 03:00時(shí)購(gòu)電節(jié)點(diǎn)成交電量

具體而言，在執(zhí)行3輪交易匹配過(guò)程后，購(gòu)電微電網(wǎng)共達(dá)成19筆交易，最終各購(gòu)電微電網(wǎng)具體成交電量為：0.311、0.072、0.085 MW·h；0.051、0.212、0.574 MW·h；0.229 MW·h；0.233 MW·h；0.624 MW·h；0.468 MW·h；0.579、0.014 MW·h；0.239、0.021、0.013、0.336、0.005 MW·h；0.67；0.309 MW·h(分別對(duì)應(yīng)購(gòu)電節(jié)點(diǎn)B1—B10的購(gòu)電量，其中兩筆交易與DSO達(dá)成)。經(jīng)分析，購(gòu)電節(jié)點(diǎn)4在市場(chǎng)中未購(gòu)得其預(yù)期電量，仍需向配電網(wǎng)購(gòu)入0.085 MW·h；而購(gòu)電節(jié)點(diǎn)31直至交易結(jié)束都未達(dá)成一筆交易，全部預(yù)期電量0.309 MW·h均從配電網(wǎng)處購(gòu)得。

進(jìn)一步，將負(fù)荷增長(zhǎng)率調(diào)整為0.04，單位電氣距離傳輸單位電能的價(jià)格調(diào)整為0.025元/[km·(kW·h)]，各購(gòu)電微電網(wǎng)的成交結(jié)果如圖7所示。與圖6成交結(jié)果對(duì)比可知，不同參數(shù)設(shè)置下的過(guò)網(wǎng)費(fèi)模型對(duì)交易匹配結(jié)果有重大影響。

圖7 過(guò)網(wǎng)費(fèi)參數(shù)調(diào)整后03:00時(shí)購(gòu)電節(jié)點(diǎn)成交電量

4.3 平均成交價(jià)格和報(bào)價(jià)策略分析

圖8展示的是微電網(wǎng)群在一天24個(gè)時(shí)刻內(nèi)分別采取本文優(yōu)化方案與傳統(tǒng)雙向拍賣(mài)方案時(shí)的平均成交價(jià)格。由圖8可知，本文方案的整體平均成交價(jià)格較傳統(tǒng)的雙向拍賣(mài)方案的平均成交價(jià)格低。其主要原因在于本文優(yōu)化方案以購(gòu)電微電網(wǎng)為優(yōu)化主體，優(yōu)化目標(biāo)是在每輪交易中最小化其自身成交費(fèi)用，這有益于購(gòu)電微電網(wǎng)更傾向于選擇線(xiàn)路長(zhǎng)期投資成本更低、電氣節(jié)點(diǎn)距離更近及電能質(zhì)量等級(jí)更高的售電微電網(wǎng)進(jìn)行交易，進(jìn)而促使整個(gè)交易市場(chǎng)總體過(guò)網(wǎng)費(fèi)相較于傳統(tǒng)雙向拍賣(mài)方案更低。因此，本文優(yōu)化方案更能提高購(gòu)電微電網(wǎng)參與市場(chǎng)交易的積極性，同時(shí)也能對(duì)配電網(wǎng)實(shí)際投資與運(yùn)行成本進(jìn)行分擔(dān)，保障配電網(wǎng)的合理收益。

圖8 平均成交價(jià)格對(duì)比圖

此外，兩種方案的平均成交價(jià)格均在配電網(wǎng)的購(gòu)、售電價(jià)區(qū)間范圍內(nèi)，與“定價(jià)上網(wǎng)，余電并網(wǎng)”的交易模式相比，基于本文報(bào)價(jià)策略的交易模式能促使購(gòu)、售電能雙方均獲得更大的利潤(rùn)空間。

4.4 安全校核有效性分析

本文設(shè)置節(jié)點(diǎn)電壓幅值約束上下限分別為1.02 pu和0.98 pu，圖9展示了考慮電壓偏移安全約束校核后的節(jié)點(diǎn)電壓幅值波動(dòng)范圍。

圖9 節(jié)點(diǎn)電壓幅值分布范圍

從圖9中節(jié)點(diǎn)電壓幅值散點(diǎn)分布可知，一天內(nèi)多數(shù)節(jié)點(diǎn)的電壓幅值分布在1.0 pu附近，節(jié)點(diǎn)27—33在時(shí)段08:00—20:00的電壓幅值接近下限值0.98 pu，節(jié)點(diǎn)9—18在時(shí)段24:00—01:00的電壓幅值接近上限值1.02 pu。但在全時(shí)段內(nèi)，所有節(jié)點(diǎn)的電壓幅值均保持在約束區(qū)間范圍內(nèi)，說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)電壓偏移校核方法具有一定的有效性。

4.5 智能合約執(zhí)行結(jié)果

本文采用Solidity語(yǔ)言編寫(xiě)智能合約后，并借助Remix編譯器將編寫(xiě)完成的智能合約部署在自建的私有鏈上，通過(guò)Metamask錢(qián)包查閱交易信息。設(shè)所有購(gòu)、售電微電網(wǎng)的賬戶(hù)初始金額均為1 000.00元，表1展示了購(gòu)電微電網(wǎng)在03:00的交易信息，智能合約交易記錄如附錄A圖A6所示。分析表1可知，節(jié)點(diǎn)4和節(jié)點(diǎn)31向DSO購(gòu)入0.085 MW·h和0.309 MW·h的電量后，分別向DSO賬戶(hù)轉(zhuǎn)入55.25元和200.85元，最終DSO賬戶(hù)結(jié)余為1 256.10元，能夠與實(shí)際交易金額相對(duì)應(yīng)。此處智能合約交易記錄信息可驗(yàn)證智能合約在交易結(jié)算后轉(zhuǎn)賬無(wú)誤，以結(jié)果為導(dǎo)向確認(rèn)了智能合約的有效執(zhí)行。

表1 購(gòu)電節(jié)點(diǎn)交易信息

5 結(jié) 論

針對(duì)集中式交易模式存在信息安全風(fēng)險(xiǎn)大、運(yùn)行成本高等弊端，并考慮到統(tǒng)一定價(jià)的過(guò)網(wǎng)費(fèi)收取存在的不足，本文基于區(qū)塊鏈技術(shù)提出一種考慮動(dòng)態(tài)過(guò)網(wǎng)費(fèi)及購(gòu)電偏好的微電網(wǎng)群分布式電能交易模型，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的智能合約。得到如下結(jié)論：

1)本文所提優(yōu)化策略模型能有效撮合計(jì)及購(gòu)電偏好的微電網(wǎng)群交易，與傳統(tǒng)的連續(xù)雙向拍賣(mài)撮合方式相比，本文所提方案能優(yōu)化整體過(guò)網(wǎng)費(fèi)占總交易費(fèi)用的占比，有益于節(jié)省購(gòu)電主體成本。

2)所提動(dòng)態(tài)過(guò)網(wǎng)費(fèi)模型能夠根據(jù)電氣節(jié)點(diǎn)距離、線(xiàn)路使用成本及電能質(zhì)量治理成本等因素動(dòng)態(tài)調(diào)整，驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)過(guò)網(wǎng)費(fèi)對(duì)交易結(jié)果的影響。

3)與傳統(tǒng)集中式的交易模式相比，本文的交易模式能促進(jìn)購(gòu)售電雙方市場(chǎng)參與積極性。VSCs安全校核法能有效避免配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓偏移越限，交易結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)智能合約的合理有效性。

在未來(lái)的工作中將進(jìn)一步完善計(jì)及過(guò)網(wǎng)費(fèi)并考慮用戶(hù)側(cè)多類(lèi)別購(gòu)電需求的電能交易模式，優(yōu)化交易主體報(bào)價(jià)策略及簡(jiǎn)化尋優(yōu)模型，探索強(qiáng)化學(xué)習(xí)在非線(xiàn)性模型優(yōu)化領(lǐng)域的應(yīng)用并改進(jìn)智能合約共識(shí)機(jī)制，以期構(gòu)建實(shí)時(shí)分布式電能交易系統(tǒng)。