汪鵬,文亞鳳
(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,北京 102206)
我國(guó)已明確碳達(dá)峰與碳中和的目標(biāo)[1],發(fā)電廠(chǎng)的碳減排很重要。碳排放配額指標(biāo)是電力市場(chǎng)促進(jìn)碳減排高效的政策工具,但是在碳排放配額指標(biāo)分配中基準(zhǔn)線(xiàn)值[2]的確定依賴(lài)于發(fā)電廠(chǎng)大量真實(shí)的碳排放數(shù)據(jù)。目前,碳排放數(shù)據(jù)報(bào)送過(guò)程中多方機(jī)構(gòu)難以建立互信且發(fā)電廠(chǎng)參與積極性不高。
區(qū)塊鏈憑借去中心化等優(yōu)勢(shì)為碳排放數(shù)據(jù)報(bào)送中多方機(jī)構(gòu)建立互信提供了新的解決方案,發(fā)電廠(chǎng)參與積極性問(wèn)題也可以通過(guò)激勵(lì)機(jī)制解決[3]。目前已有若干學(xué)者將區(qū)塊鏈與激勵(lì)機(jī)制有機(jī)結(jié)合形成了一部分研究成果。文獻(xiàn)[4]針對(duì)區(qū)塊鏈激勵(lì)架構(gòu)展開(kāi)研究,為激勵(lì)機(jī)制的場(chǎng)景適配與效果評(píng)估提供了參考;文獻(xiàn)[5]以通用代幣作為激勵(lì)開(kāi)發(fā)了K-匿名激勵(lì)機(jī)制系統(tǒng);文獻(xiàn)[6]引入了信譽(yù)值概念;文獻(xiàn)[7]憑借信用評(píng)價(jià)體系為參與綜合能源服務(wù)方注入活力;文獻(xiàn)[8]依靠信任值促進(jìn)車(chē)輛積極參與用戶(hù)信息交易;文獻(xiàn)[9]分析了清潔能源消納激勵(lì)機(jī)制的設(shè)計(jì)思想;文獻(xiàn)[10]構(gòu)建了基于智能合約的數(shù)據(jù)共享激勵(lì)機(jī)制;文獻(xiàn)[11]提出的激勵(lì)模型將信任度高節(jié)點(diǎn)獎(jiǎng)勵(lì)作為主節(jié)點(diǎn);文獻(xiàn)[12]為多場(chǎng)景激勵(lì)機(jī)制框架搭建提供了參考。
綜上,現(xiàn)有研究主要將區(qū)塊鏈技術(shù)與激勵(lì)機(jī)制有機(jī)結(jié)合應(yīng)用于數(shù)據(jù)共享或清潔能源消納方面,在碳排放數(shù)據(jù)報(bào)送方面待進(jìn)一步突破。因此該文在碳排放數(shù)據(jù)報(bào)送系統(tǒng)中構(gòu)建了基于聯(lián)盟鏈技術(shù)的應(yīng)用架構(gòu),其次,在激勵(lì)層設(shè)計(jì)了信譽(yù)評(píng)價(jià)機(jī)制,并通過(guò)實(shí)例仿真驗(yàn)證了其適用性。
現(xiàn)有區(qū)塊鏈模式有三種:公有鏈、聯(lián)盟鏈與私有鏈,它們?cè)诮ㄦ溤瓌t、共識(shí)機(jī)制方面存在顯著差異[13]。公有鏈任何人都可以參與,去中心化程度最高但算力消耗巨大;聯(lián)盟鏈只允許授權(quán)節(jié)點(diǎn)參與區(qū)塊的生成、驗(yàn)證與訪(fǎng)問(wèn),是當(dāng)下區(qū)塊鏈應(yīng)用部署的熱點(diǎn);私有鏈記賬權(quán)通常由中心機(jī)構(gòu)掌握。將三種區(qū)塊鏈模式進(jìn)行對(duì)比,如表1 所示。
表1 三種區(qū)塊鏈模式的優(yōu)劣
實(shí)際應(yīng)用需根據(jù)場(chǎng)景選擇區(qū)塊鏈模式,考慮碳排放數(shù)據(jù)的報(bào)送需碳排放數(shù)據(jù)分析中心與各類(lèi)發(fā)電廠(chǎng)共同參與,且運(yùn)行效率要求較高,因此應(yīng)用聯(lián)盟鏈技術(shù)。參照文獻(xiàn)[14],將基于聯(lián)盟鏈的碳排放數(shù)據(jù)報(bào)送系統(tǒng)框架分為物理層與虛擬層,如圖1 所示。
圖1 碳排放數(shù)據(jù)報(bào)送系統(tǒng)框架
1)在物理層中,各類(lèi)發(fā)電廠(chǎng)在數(shù)據(jù)源頭把控碳排放數(shù)據(jù)質(zhì)量,而碳排放數(shù)據(jù)分析中心依據(jù)報(bào)送數(shù)據(jù)進(jìn)行研究得出分析報(bào)告,有利于電力行業(yè)基準(zhǔn)線(xiàn)值劃定,從而促進(jìn)清潔能源的消納。
2)虛擬層為碳排放數(shù)據(jù)報(bào)送系統(tǒng)中聯(lián)盟鏈技術(shù)的應(yīng)用,點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸技術(shù)去除了中心機(jī)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)送的影響,分布式存儲(chǔ)保障了數(shù)據(jù)的不可篡改與可溯源。另外,鏈中節(jié)點(diǎn)又被分為主節(jié)點(diǎn)與普通節(jié)點(diǎn),碳排放數(shù)據(jù)分析中心為主節(jié)點(diǎn),各類(lèi)發(fā)電廠(chǎng)經(jīng)過(guò)準(zhǔn)入許可成為普通節(jié)點(diǎn)。準(zhǔn)入過(guò)程使碳排放數(shù)據(jù)分析中心對(duì)各類(lèi)發(fā)電廠(chǎng)起到了監(jiān)管作用,保證了鏈上節(jié)點(diǎn)的可靠性。
發(fā)電廠(chǎng)通過(guò)授權(quán)加入聯(lián)盟鏈的步驟如下:首先,發(fā)電廠(chǎng)發(fā)送加入意圖至鏈上任一節(jié)點(diǎn),收到信息的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)向其反饋聯(lián)盟鏈中主節(jié)點(diǎn)地址。其次,發(fā)電廠(chǎng)向聯(lián)盟鏈主節(jié)點(diǎn)發(fā)出公鑰地址、身份認(rèn)證等申請(qǐng)信息,在主節(jié)點(diǎn)確認(rèn)其身份后,將其公鑰地址寫(xiě)入聯(lián)盟鏈頭部注冊(cè)表,然后新節(jié)點(diǎn)公鑰進(jìn)行全鏈廣播。之后,新節(jié)點(diǎn)通過(guò)自己的私鑰加密申請(qǐng)信息,并廣播通知到主節(jié)點(diǎn)之外的所有節(jié)點(diǎn)。最后,主節(jié)點(diǎn)之外的所有節(jié)點(diǎn)成功獲取新節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)信息則進(jìn)行回復(fù),若新節(jié)點(diǎn)接收到所有節(jié)點(diǎn)的回復(fù),則表明加入聯(lián)盟鏈成功。聯(lián)盟鏈中機(jī)構(gòu)準(zhǔn)入過(guò)程如圖2 所示。
圖2 聯(lián)盟鏈中機(jī)構(gòu)準(zhǔn)入過(guò)程
區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)架構(gòu)分為六層[15],各層對(duì)應(yīng)不同功能,總體實(shí)現(xiàn)去中心化,從而為多方提供可信的基礎(chǔ)。根據(jù)碳排放數(shù)據(jù)報(bào)送系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)聯(lián)盟鏈基礎(chǔ)架構(gòu)模型,如圖3 所示。
圖3 聯(lián)盟鏈的基礎(chǔ)架構(gòu)模型
1)數(shù)據(jù)層包括碳排放數(shù)據(jù)區(qū)塊、哈希算法與鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。每個(gè)區(qū)塊分為區(qū)塊頭和區(qū)塊體兩部分,其中,區(qū)塊頭記錄了時(shí)間戳、默克爾樹(shù)根與前一區(qū)塊哈希值,而區(qū)塊體包含一個(gè)區(qū)塊的全部碳排放數(shù)據(jù)。鏈上首個(gè)區(qū)塊到當(dāng)前區(qū)塊依據(jù)時(shí)間順序按鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)相連,實(shí)現(xiàn)碳排放數(shù)據(jù)可溯源。
2)網(wǎng)絡(luò)層包括傳播機(jī)制、驗(yàn)證機(jī)制與分布式對(duì)等網(wǎng)絡(luò)(P2P 網(wǎng)絡(luò))。P2P 網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)地位對(duì)等,碳排放數(shù)據(jù)傳遞不依賴(lài)中心機(jī)構(gòu)而在節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行,通信的靈活性與可靠性得以提高。
3)針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)用拜占庭容錯(cuò)機(jī)制(PBFT)工作效率低的問(wèn)題,專(zhuān)家通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明,基于信譽(yù)投票的PBFT 優(yōu)化方案起到改善的效果[16]。參照該方案在共識(shí)層設(shè)置基于信譽(yù)評(píng)價(jià)的PBFT 共識(shí)機(jī)制,動(dòng)態(tài)選取信譽(yù)評(píng)價(jià)優(yōu)的節(jié)點(diǎn)參與鏈內(nèi)區(qū)塊驗(yàn)證,從而縮短共識(shí)時(shí)間,提高聯(lián)盟鏈的運(yùn)行效率。
4)激勵(lì)層設(shè)計(jì)了旨在促進(jìn)發(fā)電廠(chǎng)參與積極性的信譽(yù)評(píng)價(jià)機(jī)制。發(fā)電廠(chǎng)只有提高碳排放數(shù)據(jù)報(bào)送滿(mǎn)意度才能提高本身的信譽(yù)評(píng)價(jià),而信譽(yù)評(píng)價(jià)優(yōu)的發(fā)電廠(chǎng)更容易被碳排放數(shù)據(jù)中心選擇。
5)合約層包括智能合約與預(yù)置的腳本代碼及算法機(jī)制。在碳排放數(shù)據(jù)報(bào)送過(guò)程中,智能合約只要觸發(fā)條件便立即執(zhí)行預(yù)置條款。
6)聯(lián)盟鏈在應(yīng)用層封裝了碳排放數(shù)據(jù)報(bào)送的各種典型應(yīng)用,包括但不限于發(fā)電廠(chǎng)(機(jī)構(gòu))準(zhǔn)入應(yīng)用、信譽(yù)評(píng)價(jià)應(yīng)用、碳排放數(shù)據(jù)報(bào)送應(yīng)用等。
碳排放數(shù)據(jù)報(bào)送在聯(lián)盟鏈的信息交互過(guò)程如圖4 所示。碳排放數(shù)據(jù)分析中心上傳數(shù)據(jù)要求后,合約層選擇調(diào)用合適的合約,激勵(lì)層讀取信譽(yù)評(píng)價(jià)要求,共識(shí)層基于信譽(yù)評(píng)價(jià)的PBFT 共識(shí)機(jī)制選取節(jié)點(diǎn)參與共識(shí),網(wǎng)絡(luò)層完成數(shù)據(jù)報(bào)送全過(guò)程的節(jié)點(diǎn)互聯(lián)互通,數(shù)據(jù)層將碳排放數(shù)據(jù)區(qū)塊按照分布式存儲(chǔ)方式存儲(chǔ)在各個(gè)節(jié)點(diǎn)。
圖4 聯(lián)盟鏈信息交互過(guò)程
在分析了碳排放數(shù)據(jù)報(bào)送系統(tǒng)中的聯(lián)盟鏈架構(gòu)后,針對(duì)發(fā)電廠(chǎng)碳排放數(shù)據(jù)報(bào)送缺乏積極性的難題,在聯(lián)盟鏈激勵(lì)層設(shè)計(jì)信譽(yù)評(píng)價(jià)機(jī)制。發(fā)電廠(chǎng)每次數(shù)據(jù)報(bào)送完畢,碳排放數(shù)據(jù)分析中心可以根據(jù)報(bào)送全過(guò)程的體驗(yàn)對(duì)發(fā)電廠(chǎng)進(jìn)行信譽(yù)評(píng)價(jià),之后系統(tǒng)調(diào)用智能合約自動(dòng)更新發(fā)電廠(chǎng)信譽(yù)評(píng)價(jià)積分。碳排放數(shù)據(jù)分析中心通過(guò)信譽(yù)評(píng)價(jià)機(jī)制能夠充分了解發(fā)電廠(chǎng)的過(guò)往信譽(yù)情況,并在挑選發(fā)電廠(chǎng)時(shí)做出更合理的選擇。
在碳排放數(shù)據(jù)報(bào)送中,發(fā)電廠(chǎng)將碳排放數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總量D、報(bào)價(jià)P提交到聯(lián)盟鏈系統(tǒng),然后等待碳排放數(shù)據(jù)分析中心回復(fù)。智能合約將依據(jù)預(yù)置算法處理發(fā)電廠(chǎng)的報(bào)價(jià)P、數(shù)據(jù)總量D與信譽(yù)評(píng)價(jià)E數(shù)據(jù),綜合衡量后為碳排放數(shù)據(jù)分析中心推薦合適的方案。每次碳排放數(shù)據(jù)報(bào)送完畢,碳排放數(shù)據(jù)分析中心需提交參與該次報(bào)送發(fā)電廠(chǎng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量打分、交易履約情況打分、業(yè)務(wù)咨詢(xún)情況打分,三項(xiàng)分值最終決定發(fā)電廠(chǎng)該次的信譽(yù)評(píng)價(jià)。綜合考慮以上因素,設(shè)計(jì)了相應(yīng)數(shù)學(xué)計(jì)算公式,數(shù)學(xué)計(jì)算公式為:
式中,Q表示之前x次數(shù)據(jù)質(zhì)量打分的均值,R表示之前x次交易履約情況打分的均值,S表示之前x次業(yè)務(wù)咨詢(xún)情況打分的均值,k、l、m表示各打分均值的相應(yīng)權(quán)重。
CRITIC 權(quán)重法綜合考慮了指標(biāo)對(duì)比強(qiáng)度與指標(biāo)之間的沖突性,在客觀(guān)賦權(quán)方面性能優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)離差法與熵權(quán)法[17],因此信譽(yù)評(píng)價(jià)機(jī)制選擇采用CRITIC 權(quán)重法衡量各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。
設(shè)定存在n個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象,p項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo),則起始指標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣為:
式中,xij代表第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象第j項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)值。
各評(píng)價(jià)指標(biāo)需要進(jìn)行如下無(wú)量綱化處理:
標(biāo)準(zhǔn)差(可以了解各評(píng)價(jià)指標(biāo)內(nèi)的取值差異波動(dòng)狀況)的計(jì)算方法為:
式中,Sj代表第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差。
相關(guān)系數(shù)(可以了解評(píng)價(jià)指標(biāo)間的相關(guān)性)的計(jì)算方法為:
鋼板路基箱臨時(shí)道路是在長(zhǎng)期實(shí)踐的基礎(chǔ)上研發(fā)的道路結(jié)構(gòu),但由于垃圾沉降及道路積水影響,鋼板路基箱容易發(fā)生漂移、分離,行駛車(chē)輛經(jīng)常發(fā)生輪陷、側(cè)翻事故。為此對(duì)路基箱進(jìn)行了多項(xiàng)改進(jìn),以鋼板路基箱連接技術(shù)為基礎(chǔ)[1],優(yōu)化跨明溝鋼板與路基箱連接,保障車(chē)輛通行安全;優(yōu)化倒車(chē)平臺(tái)與路基箱連接形成的簡(jiǎn)易卸料平臺(tái),在保證安全的前提下提高效率。
最后得到第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)Wj的權(quán)重:
式中,Cj代表第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的信息量,計(jì)算方法為:
設(shè)定某一范圍內(nèi)存在若干電廠(chǎng),信譽(yù)評(píng)價(jià)機(jī)制運(yùn)行過(guò)程如圖5 所示。首先,電廠(chǎng)上報(bào)碳排放數(shù)據(jù)的報(bào)價(jià)與數(shù)據(jù)總量。其次,智能合約調(diào)用對(duì)應(yīng)電廠(chǎng)的信譽(yù)評(píng)價(jià)積分,然后在綜合考慮報(bào)價(jià)、數(shù)據(jù)總量、信譽(yù)評(píng)價(jià)下核算推薦方案。最后碳排放數(shù)據(jù)分析中心決策出參與報(bào)送的電廠(chǎng),并在報(bào)送完成后對(duì)該次參與的電廠(chǎng)進(jìn)行評(píng)價(jià),智能合約同步更新對(duì)應(yīng)電廠(chǎng)的最新信譽(yù)評(píng)價(jià)積分。
圖5 信譽(yù)評(píng)價(jià)運(yùn)行過(guò)程
通常選擇具體的發(fā)電廠(chǎng)時(shí),報(bào)價(jià)低的發(fā)電廠(chǎng)更容易被考慮,但是報(bào)價(jià)低的發(fā)電廠(chǎng)難以保證碳排放數(shù)據(jù)的高可靠性,因而文中在激勵(lì)層設(shè)計(jì)信譽(yù)評(píng)價(jià)機(jī)制,該機(jī)制依據(jù)各發(fā)電廠(chǎng)以往數(shù)據(jù)的報(bào)送情況計(jì)算其最終信譽(yù)評(píng)價(jià)積分。綜合權(quán)衡報(bào)價(jià)、數(shù)據(jù)總量、信譽(yù)評(píng)價(jià)積分三因素選拔發(fā)電廠(chǎng),有利于引導(dǎo)發(fā)電廠(chǎng)提高參與報(bào)送積極性。
碳排放數(shù)據(jù)分析中心挑選發(fā)電廠(chǎng)進(jìn)行碳排放數(shù)據(jù)有償報(bào)送屬于多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題,基于粒子群算法的多目標(biāo)搜索算法[18]通常是解決該類(lèi)實(shí)際問(wèn)題的較好方法。該類(lèi)問(wèn)題解決步驟主要為:首先確定目標(biāo)函數(shù)、約束條件與決策變量參數(shù),然后通過(guò)隨機(jī)解迭代計(jì)算求出一個(gè)非劣解子集,最后依據(jù)決策者意愿得出最終解。
設(shè)定碳排放數(shù)據(jù)分析中心希望獲得五類(lèi)發(fā)電廠(chǎng)(火電廠(chǎng)、風(fēng)電廠(chǎng)、核電廠(chǎng)、水電廠(chǎng)、太陽(yáng)能電廠(chǎng))的碳排放數(shù)據(jù),實(shí)際中每類(lèi)發(fā)電廠(chǎng)有四家可供選擇。這些發(fā)電廠(chǎng)在數(shù)據(jù)報(bào)價(jià)、數(shù)據(jù)總量、信譽(yù)評(píng)價(jià)方面都存在差異,而碳排放數(shù)據(jù)分析中心希望數(shù)據(jù)報(bào)價(jià)越低越好,數(shù)據(jù)量越大越好,信用評(píng)價(jià)滿(mǎn)足約束條件。在以下碳排放數(shù)據(jù)報(bào)送模型中,數(shù)據(jù)報(bào)價(jià)通過(guò)P表示、數(shù)據(jù)總量通過(guò)D表示,出售方信譽(yù)評(píng)價(jià)通過(guò)E表示,選擇的賣(mài)方用Y表示。構(gòu)造的目標(biāo)函數(shù)和約束條件為:
式中,P1表示購(gòu)買(mǎi)數(shù)據(jù)總花費(fèi),D1表示購(gòu)買(mǎi)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總量,另外出售方總體信譽(yù)評(píng)價(jià)約束條件為86 分。
現(xiàn)設(shè)定發(fā)電廠(chǎng)報(bào)價(jià)、數(shù)據(jù)總量、信譽(yù)評(píng)價(jià)分別如表2、表3、表4 所示。其中,k取值1~5 分別代表火電廠(chǎng)、風(fēng)電廠(chǎng)、核電廠(chǎng)、水電廠(chǎng)、太陽(yáng)能電廠(chǎng),Mk、Nk、Ok、Pk代表每類(lèi)電廠(chǎng)中可供選擇的四個(gè)發(fā)電廠(chǎng)。
表2 發(fā)電廠(chǎng)報(bào)價(jià)表
表3 發(fā)電廠(chǎng)數(shù)據(jù)總量表
表4 發(fā)電廠(chǎng)信譽(yù)評(píng)價(jià)表
對(duì)表格進(jìn)行舉例說(shuō)明如下:表1 中,M1、N1、O1、P1代表四個(gè)不同火電廠(chǎng),而它們的報(bào)價(jià)分別是400 元、500 元、600 元、400 元;表2 中,M2、N2、O2、P2代表四個(gè)不同風(fēng)電場(chǎng),它們的數(shù)據(jù)總量分別是3兆、3.5 兆、3.6 兆、3.2 兆;表3 中,M3、N3、O3、P3代表四個(gè)不同核電廠(chǎng),它們的信譽(yù)評(píng)價(jià)分別為75 分、93 分、86 分、79 分。
按照上述確定好的目標(biāo)函數(shù)、約束條件與決策變量參數(shù),通過(guò)Matlab 將該實(shí)例進(jìn)行仿真,得到非劣解空間分布如圖5 所示,包括非劣解方案共計(jì)五種。圖中縱軸對(duì)應(yīng)每種方案所需的總花費(fèi),橫軸對(duì)應(yīng)每種方案包含的數(shù)據(jù)總量。
5 種非劣解方案對(duì)應(yīng)電廠(chǎng)具體選擇情況如表5所示。舉例說(shuō)明如下:方案1 中,選擇火電廠(chǎng)P1、風(fēng)電廠(chǎng)O2、核電廠(chǎng)O3、水電廠(chǎng)P4、太陽(yáng)能電廠(chǎng)P5五個(gè)電廠(chǎng)報(bào)送數(shù)據(jù);方案2 中,選擇火電廠(chǎng)P1、風(fēng)電廠(chǎng)M2、核電廠(chǎng)O3、水電廠(chǎng)P4、太陽(yáng)能電廠(chǎng)P5五個(gè)電廠(chǎng)報(bào)送數(shù)據(jù)。
圖6 粒子群尋優(yōu)仿真結(jié)果圖
表5 非劣解方案表
聯(lián)盟鏈中智能合約將依據(jù)總花費(fèi)將5 種非劣解方案進(jìn)行排序,如表6 所示,每種方案同時(shí)附帶數(shù)據(jù)總量與出售方信譽(yù)評(píng)價(jià)。將推薦方案表發(fā)送至碳排放數(shù)據(jù)分析中心,為其選擇發(fā)電廠(chǎng)提供全面參考。
表6 推薦方案表
該文研究了碳排放數(shù)據(jù)報(bào)送聯(lián)盟鏈架構(gòu),促進(jìn)了發(fā)電廠(chǎng)與碳排放數(shù)據(jù)分析中心的互通、互信,設(shè)計(jì)的信譽(yù)評(píng)價(jià)機(jī)制解決了發(fā)電廠(chǎng)參與積極性不高的難題,實(shí)例分析驗(yàn)證了信譽(yù)評(píng)價(jià)在碳排放數(shù)據(jù)報(bào)送中的適用性。未來(lái)的工作中,信譽(yù)評(píng)價(jià)機(jī)制中的考核因素應(yīng)隨著相關(guān)部門(mén)最新政策的發(fā)布、市場(chǎng)的具體情況做出更合理的設(shè)計(jì)。