基于區(qū)塊鏈的微網(wǎng)群碳權(quán)交易優(yōu)化決策模型

胡 偉,裴 瑩

(上海電力大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院,上海 200090)

隨著國(guó)家環(huán)保戰(zhàn)略的實(shí)施,發(fā)電設(shè)備的碳排放量將進(jìn)入更加精細(xì)、嚴(yán)格的付費(fèi)管理階段[1],碳排放權(quán)(下文簡(jiǎn)稱(chēng)碳權(quán))的市場(chǎng)化交易將成為未來(lái)節(jié)能減排戰(zhàn)略推行的關(guān)鍵舉措。微電網(wǎng)作為相對(duì)獨(dú)立的電網(wǎng)結(jié)構(gòu),擁有大量的可再生能源分布式發(fā)電設(shè)備,是節(jié)能、減排的主力軍[2]。因此,對(duì)微網(wǎng)群內(nèi)部碳權(quán)交易體系進(jìn)行研究具有重要意義。

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N將密碼學(xué)算法、分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、共識(shí)機(jī)制和智能合約[3]等新型計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行深度應(yīng)用,從而實(shí)現(xiàn)去中心化、不可篡改、公開(kāi)透明等特性的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)[4-5],與微電網(wǎng)群內(nèi)部多對(duì)多碳權(quán)交易的需求完美契合。因此,區(qū)塊鏈技術(shù)為改進(jìn)微網(wǎng)群內(nèi)部碳權(quán)交易體系提供了研究方向和參考依據(jù)。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究從多個(gè)方面將區(qū)塊鏈技術(shù)引入微網(wǎng)群碳權(quán)交易領(lǐng)域。Fu等[6]利用區(qū)塊鏈技術(shù),使得企業(yè)碳排放數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)部公開(kāi)透明,實(shí)現(xiàn)碳排放交易計(jì)劃和新型碳排放機(jī)制的有效結(jié)合。Schletz等[7]利用區(qū)塊鏈底層的信息安全架構(gòu),構(gòu)建分布式碳配額交易體系結(jié)構(gòu)模型。Khaqqik等[8]考慮到買(mǎi)賣(mài)雙方的信譽(yù)度,提出了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的碳配額交易機(jī)制模型,有效降低交易雙方的信任成本,提高碳配額交易的效率。杜曉麗等[9]結(jié)合碳減排努力值構(gòu)建了碳配額成本決策模型、碳減排獎(jiǎng)懲模型以及碳交易匹配模型,以期實(shí)現(xiàn)多微網(wǎng)碳配額交易安全高效的執(zhí)行。Hartmann等[10]基于區(qū)塊鏈技術(shù),對(duì)澳大利亞碳交易市場(chǎng)進(jìn)行改進(jìn),使澳大利亞碳市場(chǎng)的交易效率得到有效保障,同時(shí)提高了交易的安全性和公平性。上述文獻(xiàn)將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于碳權(quán)交易機(jī)制中,為優(yōu)化微網(wǎng)群內(nèi)部碳權(quán)交易機(jī)制提供了參考和借鑒。在總結(jié)現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上,發(fā)現(xiàn)還存在如下兩個(gè)方面的問(wèn)題:①在碳權(quán)分配機(jī)制的研究中,缺乏適合不同類(lèi)型主體的針對(duì)性方案,導(dǎo)致高排放型微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的效益受損；②大部分研究考慮了交易主體的信譽(yù)度問(wèn)題,但缺乏將信譽(yù)值與交易優(yōu)先級(jí)相融合的懲罰機(jī)制,使用戶(hù)節(jié)點(diǎn)的交易行為得不到實(shí)際的約束。

基于上述分析,本文提出基于區(qū)塊鏈的微網(wǎng)群碳權(quán)交易優(yōu)化決策模型。依據(jù)聯(lián)盟鏈半中心化的特性,構(gòu)建基于聯(lián)盟鏈的微網(wǎng)群碳權(quán)交易架構(gòu)。利用違約懲罰機(jī)制,將微電網(wǎng)用戶(hù)的歷史信譽(yù)值進(jìn)行定量計(jì)算,實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)信譽(yù)值與交易優(yōu)先級(jí)的深度融合,達(dá)到以經(jīng)濟(jì)因素約束節(jié)點(diǎn)交易行為的目的。對(duì)微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi),設(shè)計(jì)出具有針對(duì)性的碳權(quán)分配機(jī)制,使微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的碳權(quán)效益得到有效保障。在此基礎(chǔ)上,考慮用戶(hù)總體效用收益為目標(biāo)函數(shù)的條件下,完成碳權(quán)交易優(yōu)化決策模型的設(shè)計(jì)。

1 基于區(qū)塊鏈的微網(wǎng)群碳權(quán)交易架構(gòu)分析

在目前的電力系統(tǒng)中,由于微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)分布在不同的地理位置,不具備結(jié)構(gòu)化的拓?fù)湫浴Ａ硗?每個(gè)微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)出網(wǎng)絡(luò)具有隨機(jī)性[11],對(duì)于微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的管理往往需要一個(gè)中心化的機(jī)構(gòu)或系統(tǒng),在增加一定的管理成本的同時(shí),還會(huì)因信息的滯后性造成碳權(quán)的浪費(fèi)以及碳權(quán)交易市場(chǎng)活躍性的降低。微電網(wǎng)地理位置的分散性以及節(jié)點(diǎn)進(jìn)出的隨機(jī)性恰好符合區(qū)塊鏈P2P(Peer to Peer)網(wǎng)絡(luò)接口[12]的特性,因此,區(qū)塊鏈技術(shù)可以將分散的微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與監(jiān)管機(jī)構(gòu)等節(jié)點(diǎn)整合成為一個(gè)交易聯(lián)盟體。

碳市場(chǎng)主體由高碳排放型微電網(wǎng)主體、低碳排放型微電網(wǎng)主體、監(jiān)管機(jī)構(gòu)主體以及金融機(jī)構(gòu)主體4個(gè)類(lèi)型組成。不同類(lèi)別的微電網(wǎng)主體直接參與碳權(quán)市場(chǎng)交易；環(huán)保部門(mén)和能源監(jiān)管部門(mén)以監(jiān)管主體的身份注冊(cè)登記,作為碳權(quán)交易監(jiān)管節(jié)點(diǎn)；金融主體作為碳權(quán)交易結(jié)算階段的價(jià)值轉(zhuǎn)賬服務(wù)節(jié)點(diǎn),可以通過(guò)代幣或法定貨幣進(jìn)行轉(zhuǎn)賬。由于聯(lián)盟鏈本身不具備發(fā)布代幣的屬性,因而支付截止按照金融規(guī)定執(zhí)行,本文以比特幣作為支付介質(zhì)[13]。不同主體間需要不同的交易數(shù)據(jù)處理權(quán)限,不同交易業(yè)務(wù)通道能夠滿(mǎn)足不同類(lèi)別的市場(chǎng)主體,而聯(lián)盟鏈在實(shí)現(xiàn)權(quán)限管理和數(shù)據(jù)隔離上具有天然優(yōu)勢(shì)。因此,本文以聯(lián)盟鏈技術(shù)為基礎(chǔ),進(jìn)行碳權(quán)交易架構(gòu)的設(shè)計(jì)。

大多數(shù)聯(lián)盟鏈中主要采用PBFT 共識(shí)機(jī)制。然而,傳統(tǒng)的PBFT共識(shí)機(jī)制存在主節(jié)點(diǎn)選取隨機(jī)性強(qiáng)的問(wèn)題。因此,本文提出結(jié)合積分制度的改進(jìn)共識(shí)機(jī)制(具體見(jiàn)2.2節(jié)),其在保證交易數(shù)據(jù)安全性和真實(shí)性的前提下,達(dá)到節(jié)點(diǎn)共識(shí)行為約束節(jié)點(diǎn)共識(shí)權(quán)限的目的。執(zhí)行碳權(quán)交易時(shí),用戶(hù)節(jié)點(diǎn)將申報(bào)交易信息數(shù)據(jù)上傳至基于聯(lián)盟鏈的交易平臺(tái),按照改進(jìn)的共識(shí)機(jī)制并調(diào)用智能合約對(duì)交易數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理。通過(guò)共識(shí)認(rèn)證后的交易數(shù)據(jù)會(huì)寫(xiě)入各節(jié)點(diǎn)的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)。此外,聯(lián)盟鏈除了私人信息不公開(kāi)外,碳權(quán)交易市場(chǎng)中所有的交易信息都被分布式存儲(chǔ)在各節(jié)點(diǎn)上,極大地提高了交易信息的公開(kāi)透明性。聯(lián)盟鏈上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)均可直接從交易平臺(tái)上得到有益于自身碳權(quán)交易的信息,減少了決策成本。

在基于聯(lián)盟鏈的碳權(quán)交易架構(gòu)中(見(jiàn)圖1),碳權(quán)交易借助區(qū)塊鏈的技術(shù)平臺(tái),構(gòu)建了分布式數(shù)據(jù)庫(kù)和本地交易應(yīng)用客戶(hù)端。市場(chǎng)主體在聯(lián)盟網(wǎng)絡(luò)中自由申報(bào)碳權(quán)交易數(shù)據(jù),平臺(tái)即時(shí)通信交互主體的交易信息,按照基于違約懲罰機(jī)制的申報(bào)電價(jià)排序方法和交易匹配算法,出清最終的交易匹配結(jié)果。監(jiān)管機(jī)構(gòu)主體通過(guò)查看聯(lián)盟鏈上的交易信息數(shù)據(jù),對(duì)交易市場(chǎng)進(jìn)行分析并對(duì)違約交易信息進(jìn)行公告批評(píng)。金融機(jī)構(gòu)主體為碳權(quán)交易市場(chǎng)提供交易價(jià)值的結(jié)算和轉(zhuǎn)移服務(wù)。綜上所述,基于聯(lián)盟鏈碳權(quán)交易架構(gòu)的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間安全高效性交易的執(zhí)行。

2 微網(wǎng)群碳權(quán)交易機(jī)制設(shè)計(jì)

2.1 違約懲罰機(jī)制

微網(wǎng)群內(nèi)部的碳權(quán)交易過(guò)程中,部分微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)受到經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使,存在惡意的違約行為[14]。因此,針對(duì)上述問(wèn)題,本文提出微網(wǎng)群違約懲罰機(jī)制,實(shí)現(xiàn)對(duì)微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)交易行為的可靠約束。通過(guò)節(jié)點(diǎn)信譽(yù)值的定量計(jì)算方案,完成微電網(wǎng)用戶(hù)歷史交易行為的量化測(cè)評(píng)。在此基礎(chǔ)上,將信譽(yù)值與交易節(jié)點(diǎn)匹配順序進(jìn)行深度融合,達(dá)到節(jié)點(diǎn)信譽(yù)值影響碳權(quán)交易匹配優(yōu)先級(jí)的目的。

本文將合約完成度作為評(píng)定節(jié)點(diǎn)信譽(yù)值的關(guān)鍵指標(biāo)。碳權(quán)交易過(guò)程中,交易雙方會(huì)出現(xiàn)違約問(wèn)題。余碳權(quán)節(jié)點(diǎn)的提供碳權(quán)與成交碳權(quán)不對(duì)等,導(dǎo)致缺碳權(quán)節(jié)點(diǎn)需要以高于微網(wǎng)群內(nèi)部碳權(quán)交易價(jià)格和政府部門(mén)交易碳權(quán),這不僅損害了缺碳權(quán)節(jié)點(diǎn)的經(jīng)濟(jì)利益,而且不利于發(fā)揮碳權(quán)交易市場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效用優(yōu)勢(shì)；而缺碳權(quán)節(jié)點(diǎn)在簽訂智能合約后碳排放量超過(guò)約定值,將會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染變嚴(yán)重的同時(shí)損害了余碳權(quán)節(jié)點(diǎn)的經(jīng)濟(jì)利益。因此,節(jié)點(diǎn)的信譽(yù)值的評(píng)定模型如下所示:

假設(shè)表示微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)j在k時(shí)段內(nèi)為出售用戶(hù),表示微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)j在k時(shí)段內(nèi)為購(gòu)買(mǎi)用戶(hù)。由于微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)j不能同時(shí)處于出售和購(gòu)買(mǎi)兩種狀態(tài),故微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)約束可以表示為

結(jié)合上述微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)約束,可以得到微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)合約完成度的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)為

最后,需要將合約完成度做效益型標(biāo)準(zhǔn)化處理:

若設(shè)定信譽(yù)值初始值為1,當(dāng)用戶(hù)信譽(yù)值小于1時(shí),則要在智能合約簽署的出售(購(gòu)買(mǎi))價(jià)格上減去(加上)附加的懲罰費(fèi)用。懲罰電費(fèi)會(huì)隨著交易過(guò)程中信譽(yù)值的降低而升高。當(dāng)一段時(shí)間內(nèi),微網(wǎng)群系統(tǒng)內(nèi)的碳權(quán)量不足以滿(mǎn)足全體買(mǎi)方的需求時(shí),則由政府來(lái)平衡這一不平衡量并對(duì)相應(yīng)的碳排放超標(biāo)節(jié)點(diǎn)實(shí)施懲罰。最終的懲罰電價(jià)如下式所示:

式中:Gj,k為第k個(gè)時(shí)隙的第j個(gè)參與交易節(jié)點(diǎn)的原始碳權(quán)成交單價(jià)；為微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)j在k時(shí)段合約完成度的標(biāo)準(zhǔn)化處理值。

該懲罰電價(jià)被應(yīng)用于交易的排序階段,為了使得違約的賣(mài)方(買(mǎi)方)的交易優(yōu)先級(jí)下降。但最終的成交電價(jià)以原始的碳權(quán)申報(bào)電價(jià)為準(zhǔn)。

最先進(jìn)入市場(chǎng)或在以往交易中不存在違約情形時(shí),各個(gè)用戶(hù)的信譽(yù)值都為1。用戶(hù)在虛擬錢(qián)包中都應(yīng)存有最低額度的資金作為保證金,余額一旦低于保證金最低限額,便自動(dòng)停止進(jìn)行后續(xù)交易。存有保證金的作用除了用于微電網(wǎng)正常的支付結(jié)算外,還用于交割階段,若出售微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)實(shí)際出售碳權(quán)與實(shí)際約定碳權(quán)量不符,則需扣除相應(yīng)的保證金。

2.2 共識(shí)機(jī)制的設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的PBFT 共識(shí)算法中,由于主節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)選取過(guò)程可能會(huì)導(dǎo)致所選取的主節(jié)點(diǎn)是無(wú)效的惡意節(jié)點(diǎn),從而導(dǎo)致重復(fù)選舉的發(fā)生,進(jìn)而影響算法的效率[15-16]。因此,本文提出一種基于積分制度的拜占庭共識(shí)算法 (Improved Byzantine Fault Tolerance,IBFT)。該算法主節(jié)點(diǎn)的選取借助積分制度,積分值最高的節(jié)點(diǎn)將會(huì)成為本共識(shí)周期的主節(jié)點(diǎn)。本文選取監(jiān)管主體節(jié)點(diǎn)作為維護(hù)積分表的權(quán)威節(jié)點(diǎn)。綜上所述,IBFT 共識(shí)算法可以有效保障共識(shí)效率的同時(shí),還能保證共識(shí)過(guò)程的公平性。

IBFT 算法主節(jié)點(diǎn)的選取采用類(lèi)似于Raft算法的方式,并且引入積分制度,如表1所示。

表1 IBFT算法節(jié)點(diǎn)權(quán)限

由表1可知,只有candidate狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)才有資格被選為主節(jié)點(diǎn),而follower狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)只有依靠每次成功共識(shí)后獲得積分來(lái)升級(jí)為candidate狀態(tài)。在IBFT 算法中規(guī)定,節(jié)點(diǎn)每成功執(zhí)行一次共識(shí),將會(huì)獲得4分；若節(jié)點(diǎn)不是惡意節(jié)點(diǎn),但沒(méi)有成功完成共識(shí)任務(wù),則該節(jié)點(diǎn)將會(huì)獲得2分；若節(jié)點(diǎn)存在惡意共識(shí)行為,則該節(jié)點(diǎn)將會(huì)被減去6分。最終根據(jù)積分情況,從小到大排序,選取前4 名節(jié)點(diǎn)作為candidate狀態(tài)節(jié)點(diǎn)集合,而主節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)生就在該集合內(nèi)。關(guān)于積分表的維護(hù),本文選取監(jiān)管機(jī)構(gòu)主體為權(quán)威節(jié)點(diǎn),負(fù)責(zé)維護(hù)積分表。節(jié)點(diǎn)成功進(jìn)行共識(shí)后,將執(zhí)行成功的共識(shí)內(nèi)容的哈希值作為證據(jù)綁定積分,權(quán)威節(jié)點(diǎn)會(huì)驗(yàn)證哈希值。驗(yàn)證通過(guò),則該節(jié)點(diǎn)積分加4 分,這個(gè)累加過(guò)程持續(xù)到第2f+1 個(gè)節(jié)點(diǎn)；若驗(yàn)證不通過(guò),則根據(jù)節(jié)點(diǎn)地址,對(duì)節(jié)點(diǎn)積分扣除6分。綜上所述,在下一個(gè)共識(shí)周期到來(lái)之前,權(quán)威節(jié)點(diǎn)需要完成積分表的維護(hù)過(guò)程。

綜上可知,IBFT 共識(shí)機(jī)制可以在保證PBFT的優(yōu)勢(shì)下,實(shí)現(xiàn)主節(jié)點(diǎn)的可靠選取,達(dá)到微網(wǎng)群內(nèi)部交易信息高效且可靠共識(shí)的目的。

2.3 基于違約懲罰機(jī)制的交易流程

基于區(qū)塊鏈的碳權(quán)交易體系中,用戶(hù)節(jié)點(diǎn)在經(jīng)歷注冊(cè)上鏈、碳權(quán)交易費(fèi)用與碳中和成本對(duì)比、申報(bào)意愿交易碳權(quán)量和單價(jià)、基于碳權(quán)交易懲罰機(jī)制的改進(jìn)價(jià)格的排序、碳權(quán)交易匹配等流程,以及在遵循該體系的退出機(jī)制、系統(tǒng)維護(hù)、通證抽象、鏈下鏈上的監(jiān)管與協(xié)調(diào)等規(guī)則的基礎(chǔ)上,方可順利參與碳權(quán)交易。

基于聯(lián)盟鏈的碳權(quán)交易執(zhí)行,按照業(yè)務(wù)通道部署的鏈碼邏輯算法處理交易申報(bào)數(shù)信息,本文設(shè)計(jì)的基于違約懲罰機(jī)制的交易流程如圖2所示。

步驟1微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)將自身碳超標(biāo)量治理成本與碳中和度獎(jiǎng)勵(lì)(具體見(jiàn)3.2節(jié))之和與參與碳權(quán)交易市場(chǎng)的開(kāi)銷(xiāo)進(jìn)行比較。若比較后發(fā)現(xiàn)參與碳權(quán)交易花費(fèi)較少則轉(zhuǎn)步驟2,否則轉(zhuǎn)步驟6。

步驟2在交易周期開(kāi)始前獲取參與碳權(quán)交易的申報(bào)信息以及歷史信譽(yù)值的計(jì)算值。

步驟3將市場(chǎng)主體分為買(mǎi)方和賣(mài)方,買(mǎi)方主體按照基于懲罰機(jī)制的改進(jìn)出價(jià)由高到低排序；賣(mài)方主體按照出價(jià)由低到高排序。

步驟4依次將賣(mài)方與買(mǎi)方進(jìn)行匹配,按照買(mǎi)賣(mài)雙方報(bào)價(jià)差由高到低進(jìn)行排序并實(shí)施相應(yīng)的匹配,直到賣(mài)方/買(mǎi)方的申報(bào)碳權(quán)滿(mǎn)足約定數(shù)量后,終止匹配過(guò)程。

步驟5依據(jù)IBFT 共識(shí)機(jī)制的主節(jié)點(diǎn)選取機(jī)制選取主節(jié)點(diǎn),該主節(jié)點(diǎn)發(fā)起交易信息的共識(shí)請(qǐng)求。若交易信息在檢驗(yàn)過(guò)程中被校核成功,則轉(zhuǎn)步驟6,否則該交易失敗并返回步驟2。

步驟6交易結(jié)算,需要金融主體節(jié)點(diǎn)進(jìn)行碳權(quán)交易結(jié)算的價(jià)值轉(zhuǎn)賬服務(wù),本次交易周期結(jié)束。

2.4 微網(wǎng)群碳權(quán)交易算法設(shè)計(jì)

基于交易流程和交易需求,碳權(quán)市場(chǎng)主體可以修改一次交易報(bào)價(jià),碳權(quán)交易的匹配和價(jià)值轉(zhuǎn)賬分別部署對(duì)應(yīng)智能合約自動(dòng)執(zhí)行。對(duì)應(yīng)智能合約算法如下:

3 微網(wǎng)群碳權(quán)多邊交易優(yōu)化決策模型設(shè)計(jì)

3.1 碳權(quán)分配機(jī)制設(shè)計(jì)

碳權(quán)分配機(jī)制的合理設(shè)計(jì)是形成微網(wǎng)群內(nèi)部碳權(quán)交易的基礎(chǔ)條件,不同的碳權(quán)分配方案意味著不同的減排成本和收益。傳統(tǒng)的碳權(quán)分配機(jī)制將用戶(hù)的碳權(quán)分配額與所用電量進(jìn)行正相關(guān)處理。但是隨著可再生能源發(fā)電設(shè)備的快速發(fā)展,發(fā)電量一致的情況下,所含清潔能源發(fā)電設(shè)備越少的微網(wǎng)節(jié)點(diǎn)所排放的二氧化碳含量越高。這樣,基于發(fā)電量的碳權(quán)分配機(jī)制將無(wú)法滿(mǎn)足相對(duì)較高碳排放量微網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的碳權(quán)需要,使得該類(lèi)節(jié)點(diǎn)購(gòu)買(mǎi)碳權(quán)的成本提高,損害了該類(lèi)節(jié)點(diǎn)的經(jīng)濟(jì)效益,不利于微網(wǎng)群內(nèi)部碳權(quán)交易市場(chǎng)的維護(hù)與運(yùn)營(yíng)。因此,本文提出應(yīng)對(duì)不同類(lèi)別微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的碳權(quán)分配機(jī)制,有針對(duì)性地完成微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的碳權(quán)分配機(jī)制的設(shè)計(jì)。

根據(jù)微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的單位電量的碳排放值,將微電網(wǎng)分為高排放型和低排放型兩類(lèi)。當(dāng)某微電網(wǎng)的單位發(fā)電量所產(chǎn)生的碳排放值超過(guò)一定閾值θ時(shí),該微電網(wǎng)被評(píng)定為高排放型微電網(wǎng),否則為低排放型微電網(wǎng)。在此基礎(chǔ)上,針對(duì)不同類(lèi)型的微電網(wǎng)設(shè)置不同的碳排放權(quán)分配方案。具體為:

(1)高排放型微電網(wǎng)分配方案。為了促使高排放型微電網(wǎng)向低排放型微電網(wǎng)的轉(zhuǎn)變,需要對(duì)其碳排放權(quán)的分配設(shè)定嚴(yán)格的控制[17],即政府分配給該微電網(wǎng)的碳排放權(quán)要低于高排放型微電網(wǎng)參照排放權(quán),稱(chēng)為實(shí)際分配排放權(quán)。這使得該微電網(wǎng)在超排放量的情況下,主動(dòng)參與微電網(wǎng)群內(nèi)部間的碳排放權(quán)交易進(jìn)程中,不僅可以提高碳交易市場(chǎng)的活性,而且促使高排放型微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)朝著可再生能源滲透率水平提升的道路發(fā)展。

為了將微電網(wǎng)的可靠性體現(xiàn)在碳排放權(quán)分配中,本文將傳統(tǒng)的微電網(wǎng)參考排放量的計(jì)算公式加以改進(jìn)。具體如下式所示:

式中:βi為微電網(wǎng)i的單位電量所產(chǎn)生的CO2排放量；Qi為微電網(wǎng)i內(nèi)部所有機(jī)組所產(chǎn)生的電量之和；為效益型標(biāo)準(zhǔn)化后微電網(wǎng)i的可靠性評(píng)定值。效益型標(biāo)準(zhǔn)化公式為

式中:Ri,min和Ri,max分別為微電網(wǎng)群內(nèi)部可靠性的最小值和最大值；Ri為微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i的原始可靠性評(píng)定值。具體如下所示[18-19]:

式中:δup為上級(jí)電網(wǎng)停電率；nup為上級(jí)電網(wǎng)平均停電時(shí)間；lm為微電網(wǎng)切換至孤島模式的失敗概率；ti為微電網(wǎng)i內(nèi)部電源啟動(dòng)恢復(fù)時(shí)間；qi為微電網(wǎng)i在孤島運(yùn)行期間所能提供的負(fù)荷平均功率。

(2)低排放型微電網(wǎng)分配方案。對(duì)于低排放型微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)要實(shí)施獎(jiǎng)勵(lì)的分配策略,即寬松控制策略。這意味著該類(lèi)型節(jié)點(diǎn)所分配的實(shí)際碳排放權(quán)要高于自身的參照排放值。由于本文將區(qū)塊鏈技術(shù)與微網(wǎng)群間的碳權(quán)交易相結(jié)合,為了體現(xiàn)區(qū)塊鏈技術(shù)的優(yōu)勢(shì),將區(qū)塊鏈的應(yīng)用程度(即上鏈交易的節(jié)點(diǎn)越多,區(qū)塊鏈應(yīng)用程度越大)體現(xiàn)在碳權(quán)分配方案中。

雖然微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)使用不同碳權(quán)的最終目的都是滿(mǎn)足碳排放量的達(dá)標(biāo),但是由于不同出售主體的歷史誠(chéng)信度、穩(wěn)定性以及碳權(quán)單價(jià)等方面存在差異,微電網(wǎng)購(gòu)買(mǎi)用戶(hù)在滿(mǎn)足不同的碳權(quán)需求時(shí)在一定程度上會(huì)基于上述原因,對(duì)不同出售碳權(quán)的微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生不同的交易偏好。此外,在基于區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)群系統(tǒng)中,信息的公開(kāi)透明以及信息的實(shí)時(shí)交互可以讓用戶(hù)更加準(zhǔn)確地掌握微電網(wǎng)群內(nèi)部的碳權(quán)交易信息,提高微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)參與碳權(quán)交易的積極性。

綜上可知,微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)對(duì)低排放型微電網(wǎng)余碳權(quán)的偏好程度與信息互通程度呈正相關(guān)關(guān)系,而信息互通程度與區(qū)塊鏈應(yīng)用程度呈正相關(guān)關(guān)系。對(duì)于低排放型微電網(wǎng)而言,可采用一次函數(shù)表示微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的偏好程度和區(qū)塊鏈應(yīng)用程度間的關(guān)系,

式中:為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的低排放型微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)j所獲取的偏好值分別為微電網(wǎng)群內(nèi)部偏好值的最小和最大值。

綜上可知低排放型微電網(wǎng)的實(shí)際分配值為

本文所提出的碳權(quán)分配機(jī)制,針對(duì)傳統(tǒng)分配機(jī)制存在不公的問(wèn)題,根據(jù)微電網(wǎng)的單位電量碳排放量,完成微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的合理分類(lèi)。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)不同類(lèi)別微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)采取不同的分配方案,達(dá)到微網(wǎng)群內(nèi)部碳權(quán)量可靠分配的目的。

3.2 碳權(quán)交易優(yōu)化決策模型

3.2.1 碳權(quán)交易優(yōu)化決策模型的目標(biāo)函數(shù) 在多邊交易中,出售節(jié)點(diǎn)和購(gòu)買(mǎi)節(jié)點(diǎn)都需要根據(jù)自身的碳權(quán)余量或缺量實(shí)施碳權(quán)交易,目的是為了消除碳超額排放所帶來(lái)的環(huán)境損失以及經(jīng)濟(jì)損失。缺碳權(quán)節(jié)點(diǎn)有3種方式可以彌補(bǔ)超額碳排放量所帶來(lái)的損失。

(1)采用碳中和的方法,如植樹(shù)造林以及改進(jìn)發(fā)電方式等科技方式來(lái)中和多排放的CO2量。采取這種方法的缺碳權(quán)微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)將會(huì)得到政府的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼獎(jiǎng)勵(lì)。獎(jiǎng)勵(lì)的大小與碳中和度呈正相關(guān),定義碳中和度為:

定義1碳中和度。微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在生產(chǎn)電量的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定量的CO2,因此,微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)可以選擇植樹(shù)造林的方式或采取新科技對(duì)碳排放量進(jìn)行中和。微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)所中和的碳排放量與微電網(wǎng)所有電能所產(chǎn)生的碳排放總量之比稱(chēng)為碳中和度。

碳中和度可以表示為

式中:Bai為微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i的碳中和度；λi是微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i采取相關(guān)技術(shù)所中和的單位電量的碳排放系數(shù)。

(2)參與微網(wǎng)群內(nèi)部的碳權(quán)交易市場(chǎng)。

(3)第1種方法和第2種方法相結(jié)合。當(dāng)處于賣(mài)方市場(chǎng)環(huán)境下,交易目標(biāo)函數(shù)是出售用戶(hù)總體獲益最高；當(dāng)處于買(mǎi)方市場(chǎng)環(huán)境下,交易目標(biāo)為要求購(gòu)買(mǎi)用戶(hù)的效用收益最高。本文以買(mǎi)方市場(chǎng)為例,交易的目標(biāo)函數(shù)為

式中:We為買(mǎi)方主體的總效用收益；為微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i和j的碳權(quán)交易成交單價(jià)；W(Bai)為缺碳權(quán)微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i進(jìn)行碳中和后所獲得的政府補(bǔ)貼獎(jiǎng)勵(lì)；是購(gòu)碳權(quán)節(jié)點(diǎn)i的效用函數(shù)[20-21]。具體表達(dá)函數(shù)如下所示:

式中:γ＞0為給定參數(shù)為在時(shí)隙k時(shí)微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i、j間的交易碳權(quán)量。在碳權(quán)需求側(cè),用戶(hù)通過(guò)消費(fèi)碳權(quán)獲得的效用會(huì)隨著用戶(hù)、時(shí)隙以及售電主體類(lèi)型的不同而改變?；谖⒂^經(jīng)濟(jì)學(xué)中的效用理論,可將用戶(hù)消費(fèi)碳權(quán)的效用函數(shù)分為兩個(gè)階段:在第1階段,用戶(hù)效用隨著碳權(quán)需求量的增加而增加且邊際效用遞減；當(dāng)用戶(hù)的碳排放量達(dá)到一定水平時(shí)進(jìn)入第2階段,此時(shí)的碳權(quán)可以滿(mǎn)足用戶(hù)所有的需求,用戶(hù)效用達(dá)到飽和,之后碳權(quán)的增加不會(huì)再給用戶(hù)帶來(lái)更多的效用,即邊際效用為零[22]。

本文所提出的碳權(quán)交易優(yōu)化決策模型可以在滿(mǎn)足用戶(hù)碳權(quán)效用需求的同時(shí),保證微電網(wǎng)內(nèi)部碳權(quán)交易的活躍度,達(dá)到微網(wǎng)群環(huán)境效益最大化的目的。

3.2.2 約束條件 求解交易優(yōu)化決策模型還需要考慮供需平衡、碳權(quán)交易量以及交易單價(jià)限額等約束條件:

(1)交易總量平衡約束為

式中:為缺碳權(quán)節(jié)點(diǎn)i在時(shí)隙k時(shí)的碳權(quán)交易總量；為余碳權(quán)節(jié)點(diǎn)j在時(shí)隙k時(shí)的碳權(quán)交易總量。

(2)碳權(quán)交易量約束為

式中:為余碳權(quán)微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)j在交易碳權(quán)前自身的碳權(quán)消耗量；為余碳權(quán)微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)j自身的碳權(quán)總量。

(3)交易價(jià)格約束為

式中:為時(shí)隙k時(shí)段缺碳權(quán)微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i的申請(qǐng)?zhí)紮?quán)價(jià)格；為時(shí)隙k時(shí)段余碳權(quán)微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)j的申請(qǐng)?zhí)紮?quán)價(jià)格。

4 算例分析

4.1 參數(shù)設(shè)置

為了驗(yàn)證本文所提出的基于區(qū)塊鏈的微網(wǎng)群碳權(quán)交易優(yōu)化決策模型的可行性,利用solidity語(yǔ)言編寫(xiě)智能合約,使用JavaScript、metamask 插件、atom、以太坊平臺(tái)以及web3.js開(kāi)發(fā)微電群交易平臺(tái)。假設(shè)買(mǎi)賣(mài)市場(chǎng)主體以正太分布式的形式進(jìn)行碳權(quán)交易報(bào)價(jià),各節(jié)點(diǎn)申報(bào)信息數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 碳權(quán)交易市場(chǎng)主體申報(bào)信息數(shù)據(jù)

市場(chǎng)碳權(quán)保有量和需求量分別為937.2 t和1 126.5 t,碳權(quán)市場(chǎng)參考價(jià)格為240.0 元/t[23],外部交易市場(chǎng)的碳權(quán)回收價(jià)格為195.27元/t,碳權(quán)購(gòu)買(mǎi)價(jià)格為289.74元/t。由于本文提出的交易優(yōu)化決策模型主要分析買(mǎi)方市場(chǎng)環(huán)境下的用戶(hù)效用收益,故市場(chǎng)環(huán)境設(shè)置為買(mǎi)方市場(chǎng)為主的情景。

4.2 結(jié)果分析

結(jié)合第2和第3章的交易機(jī)制和交易模型的設(shè)計(jì),表1中的交易申報(bào)信息經(jīng)處理后可得帶基于違約懲罰機(jī)制改進(jìn)的買(mǎi)賣(mài)雙方排序和交易匹配信息,如表3、4所示。

表3 基于懲罰機(jī)制的碳權(quán)交易申報(bào)信息排序

由表4可以明顯看出,買(mǎi)方B2的交易優(yōu)先級(jí)由于歷史信譽(yù)值的問(wèn)題而降低。同理可見(jiàn),賣(mài)方S2和S3的優(yōu)先級(jí)也因此下降,導(dǎo)致其在本次交易中匹配失敗,只能等待下次交易周期通過(guò)約束自身行為和降低電價(jià)才能賣(mài)出多余的碳權(quán),獲取經(jīng)濟(jì)收益。根據(jù)懲罰機(jī)制排序規(guī)則,將初始申報(bào)價(jià)格與歷史信譽(yù)值相融合,得到最終的排序單價(jià)。在此基礎(chǔ)上,將雙方價(jià)格以求取平均值的方式出清實(shí)際交易執(zhí)行碳權(quán)價(jià)格,相對(duì)于傳統(tǒng)的邊際價(jià)格的出清方式,本文所提出的交易機(jī)制和模型可以在滿(mǎn)足雙方交易需求的基礎(chǔ)上,約束節(jié)點(diǎn)的歷史交易行為,保障交易市場(chǎng)的安全可靠性。在一定程度上,區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式數(shù)據(jù)交互和交易數(shù)據(jù)的迭代算法,可以滿(mǎn)足碳權(quán)市場(chǎng)個(gè)性化的碳權(quán)成本需求、避免了部分節(jié)點(diǎn)壟斷情況的出現(xiàn),提高交易信息的公開(kāi)透明性。

表4 根據(jù)碳權(quán)交易機(jī)制和模型的最終交易匹配

結(jié)合表4分別計(jì)算各微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)主體參與碳權(quán)交易市場(chǎng)所獲取的利益,并將該值與不包含微網(wǎng)群碳權(quán)多邊交易優(yōu)化決策模型的交易市場(chǎng)的收益相對(duì)比,得到微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)增加收益率,如圖3～5所示。

綜合圖3～5可以看出,參與微網(wǎng)群內(nèi)部碳權(quán)交易市場(chǎng)的微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)所獲取的經(jīng)濟(jì)收益要比不參加市場(chǎng)交易時(shí)所獲取的收益高。圖中S2、S3、S4、S5、S6和B1等微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)由于價(jià)格設(shè)定和歷史信譽(yù)度問(wèn)題在本次碳權(quán)交易周期內(nèi)交易失敗,故此時(shí)收益分析不將其考慮在內(nèi)。另外,節(jié)點(diǎn)S7由于發(fā)電技術(shù)較新且所含可再生能源發(fā)電設(shè)備較多,故自身碳排放量較低。在此基礎(chǔ)上,該節(jié)點(diǎn)所能參與碳權(quán)交易市場(chǎng)的碳權(quán)量相對(duì)于其他賣(mài)方節(jié)點(diǎn)要高出將近1倍,該節(jié)點(diǎn)在設(shè)定合理價(jià)格的基礎(chǔ)上,將多余碳權(quán)全部成功賣(mài)給了其他買(mǎi)方節(jié)點(diǎn),獲取了最大的收益。此外,由圖5還可以看出,在利用本文所提出的碳權(quán)分配機(jī)制的基礎(chǔ)上,微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)所被分配的碳權(quán)更加合理,使其在碳交易市場(chǎng)中所獲取的收益比應(yīng)用傳統(tǒng)的多排多得的分配機(jī)制所獲取的收益要高出大約20.49個(gè)百分點(diǎn)。

綜上所述,本文所提出的基于區(qū)塊鏈的微網(wǎng)群碳權(quán)交易機(jī)制和模型可以合理分配節(jié)點(diǎn)的碳權(quán)交易量,使得歷史信譽(yù)值越高的節(jié)點(diǎn)所獲取的交易優(yōu)先級(jí)越高。在此基礎(chǔ)上,采用基于聯(lián)盟鏈的碳權(quán)交易平臺(tái)可以保證交易信息的公開(kāi)透明性,降低了交易的運(yùn)行維護(hù)成本,保障了交易市場(chǎng)活性的同時(shí)滿(mǎn)足了微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的碳權(quán)需求。

5 結(jié)語(yǔ)

為了更好地解決傳統(tǒng)微網(wǎng)群內(nèi)部碳權(quán)交易效率低下、用戶(hù)節(jié)點(diǎn)交易積極性不高、碳權(quán)分配機(jī)制設(shè)計(jì)不合理等問(wèn)題,本文提出基于區(qū)塊鏈的微網(wǎng)群碳權(quán)交易優(yōu)化決策模型。利用聯(lián)盟鏈的半中心化以及安全可靠的特性,構(gòu)建基于聯(lián)盟鏈的微網(wǎng)群碳權(quán)交易架構(gòu)。采用違約懲罰機(jī)制,將節(jié)點(diǎn)歷史信譽(yù)值與價(jià)格匹配順序進(jìn)行深度融合,達(dá)到以節(jié)點(diǎn)誠(chéng)信度影響交易優(yōu)先級(jí)的目的。運(yùn)用積分機(jī)制,將傳統(tǒng)的PBFT 共識(shí)機(jī)制改進(jìn),實(shí)現(xiàn)聯(lián)盟網(wǎng)絡(luò)內(nèi)交易信息的高效可靠共識(shí)。在此基礎(chǔ)上,將違約懲罰機(jī)制與改進(jìn)的共識(shí)機(jī)制融入微網(wǎng)群碳權(quán)交易體系,完成微網(wǎng)群碳權(quán)交易流程以及算法的設(shè)計(jì)。通過(guò)將微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合理的分類(lèi)處理,設(shè)計(jì)出具有針對(duì)性的碳權(quán)分配方案,使微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的碳權(quán)效用得到有效保障。根據(jù)微電網(wǎng)用戶(hù)總體效用收益建立交易優(yōu)化決策模型,并考慮供需平衡約束、交易電價(jià)限制以及碳權(quán)交易量約束等條件,使得微網(wǎng)群內(nèi)部用戶(hù)節(jié)點(diǎn)整體效益大大提高。算例分析表明,本文所提出的基于區(qū)塊鏈的微網(wǎng)群碳權(quán)交易優(yōu)化決策模型能夠保障多微網(wǎng)間碳權(quán)交易的高效性,在滿(mǎn)足不同類(lèi)型微電網(wǎng)碳權(quán)需求的前提下,提高微電網(wǎng)用戶(hù)節(jié)點(diǎn)參與碳權(quán)市場(chǎng)交易的積極性,為解決微網(wǎng)群碳權(quán)交易市場(chǎng)活躍度低等問(wèn)題提供決策支持和理論支撐。