區(qū)塊鏈下考慮用戶綠色偏好的新能源電力消納策略

劉 暄，李軍祥，洪 珩

（上海理工大學(xué) 管理學(xué)院，上海 200093）

為應(yīng)對全球氣候變暖，在2020年9月的聯(lián)合國大會(huì)上我國首次明確提出“雙碳”目標(biāo)戰(zhàn)略。目前，我國電力主要以火電為主［1］，新能源發(fā)電占比不高［2］，實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)形勢很嚴(yán)峻。新能源在發(fā)電過程中呈現(xiàn)出零碳排放和零邊際成本等優(yōu)勢，成為能源轉(zhuǎn)型中替代電能的主體［3］，但新能源的分散性導(dǎo)致大規(guī)模新能源電力消納成為當(dāng)前電力系統(tǒng)亟待解決的問題［4］。因此，研究“雙碳”目標(biāo)下新能源電力消納具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

隨著綠色低碳觀念的深入，需求側(cè)用電用戶具有一定的綠色偏好［5］。作為新一代先進(jìn)信息技術(shù)，區(qū)塊鏈具有數(shù)據(jù)共享、記錄溯源、信息安全等特性［6］，為新能源電力在供需之間的價(jià)值傳遞提供了新的解決思路。文獻(xiàn)[7]中從物理-信息-價(jià)值三個(gè)維度分析了將分布式的新能源電力接入?yún)^(qū)塊鏈并實(shí)現(xiàn)有效管理的過程。文獻(xiàn)[8]中采用區(qū)塊鏈和連續(xù)雙向拍賣機(jī)制使得分布式能源與用戶直接交易。文獻(xiàn)[9]中給出了區(qū)塊鏈下分布式能源交易的關(guān)鍵技術(shù)。針對分散的新能源交易主體之間易出現(xiàn)的信任問題，文獻(xiàn)[10]中基于區(qū)塊鏈的智能合約和POC共識對交易主體的信用進(jìn)行評估與管控。文獻(xiàn)[11]中將區(qū)塊鏈的電力市場機(jī)制與新能源消納調(diào)度相結(jié)合。文獻(xiàn)[12]中給出了火電與新能源互補(bǔ)供電實(shí)時(shí)定價(jià)策略。文獻(xiàn)[13]中利用區(qū)塊鏈技術(shù)設(shè)計(jì)并搭建了可再生能源電力追溯的平臺。

綜上，大多數(shù)學(xué)者基于技術(shù)層面、理論層面考慮了區(qū)塊鏈與新能源電力的耦合性，但鮮有學(xué)者進(jìn)行“雙碳”目標(biāo)下區(qū)塊鏈對新能源電力價(jià)值傳遞的量化研究。本文在考慮用戶具有潛在的綠色偏好的基礎(chǔ)上，站在需求側(cè)角度，利用區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)新能源電力在重視低碳環(huán)保的供電系統(tǒng)和具有綠色偏好的用戶之間的信息傳遞，并量化區(qū)塊鏈技術(shù)對用戶綠色偏好的影響，從而改變用戶的用電行為，促進(jìn)用戶消納新能源電力，以期為我國電力行業(yè)的能源轉(zhuǎn)型提供建議。

1 區(qū)塊鏈下新能源電力消納策略

“雙碳”目標(biāo)下的電力系統(tǒng)可借助區(qū)塊鏈解決供電系統(tǒng)低碳運(yùn)營與用戶低碳消費(fèi)之間信息不對稱問題，從而實(shí)現(xiàn)新能源電力從源端到終端的標(biāo)記與追溯，保證新能源電力價(jià)值公開、可信地從供給端向需求端傳遞。

在區(qū)塊鏈的共享電力信息功能支持下，用戶對供電系統(tǒng)所提供的新能源電力將產(chǎn)生信任，自身的綠色偏好顯現(xiàn)，從而可根據(jù)用電福利最大化來決策綠色電力消納量和非綠色電力消納量。電力市場根據(jù)供給和需求制定電價(jià)，并反饋至供需雙方，以達(dá)成交易?！半p碳”目標(biāo)下基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電力系統(tǒng)特征如圖1所示。

圖1 “雙碳”目標(biāo)下基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電力系統(tǒng)的特征Fig.1 Characteristics of the blockchain-based power system under the dual carbon target

2 區(qū)塊鏈下供需模型

2.1 電量和電價(jià)劃分

假設(shè)將一個(gè)用電周期劃分為T個(gè)時(shí)段，并為N個(gè)用戶提供火電和新能源電力，即電力交易時(shí)段t∈{1，2，3，···，T}，用戶n∈{1，2，···，N}。設(shè)區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用程度為β，β∈[0,1]。區(qū)塊鏈能夠通過溯源機(jī)制對電力市場中綠色電量和非綠色電量的分類產(chǎn)生影響。供電系統(tǒng)向市場提供的火力供電量為，新能源供電量為。這樣，市場中非綠色供電量中一部分是火力供電量，即真正的非綠色電力，另一部分則是部分新能源供電量(1-β)，其在市場中因未上鏈無法溯源而不被用戶區(qū)分，因此按非綠色電力處理。上鏈的新能源供電量能夠被識別為綠色電力。非綠色供電量和綠色供電量分別表示為

同樣，用戶n向電力市場購買火電需求量和新能源需求量時(shí)，非綠色用電量和綠色用電量分別表示為

式中：pu,0、pe,0分別為非綠色電量和綠色電量的基礎(chǔ)電價(jià)；φu、φe分別為非綠色電價(jià)和綠色電價(jià)的平衡系數(shù)。

2.2 需求側(cè)模型

2.2.1 決策目標(biāo)

用電效用函數(shù)一般用于衡量用戶在消費(fèi)既定電力中所獲得的滿意程度［14］。對具有綠色偏好的用戶來說，消納非綠色電量和綠色電量所帶來的滿意程度不同，故用戶在時(shí)段t的用電效用分為非綠色用電效用和綠色用電效用，即

其中

對用戶來說，綠色電力是在非綠色電力基礎(chǔ)上增加了環(huán)保價(jià)值。綠色偏好包含非綠色偏好和對環(huán)保價(jià)值的偏好，并且用戶的環(huán)保價(jià)值偏好受到用戶自身對供電系統(tǒng)低碳環(huán)保重視程度θ和敏感度的影響。

用戶n的綠色偏好為

應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)后，具有綠色偏好的用戶消納非綠色的火電時(shí)會(huì)產(chǎn)生愧疚感［15］，從而產(chǎn)生愧疚成本。愧疚成本一是與區(qū)塊鏈有關(guān)，當(dāng)β=0時(shí)，用戶無法區(qū)分綠電，消納火電時(shí)無愧疚感，即。隨著區(qū)塊鏈實(shí)施率的增加，用戶消納火電產(chǎn)生的愧疚感越多，即。二是與供電系統(tǒng)的低碳環(huán)保重視程度θ有關(guān)。低碳環(huán)保重視程度越高，用戶消納火電時(shí)產(chǎn)生的愧疚感越強(qiáng)烈，且低碳環(huán)保重視程度增加得越快，用戶消納火電時(shí)產(chǎn)生的愧疚感增加得越多，即這樣，愧疚成本可表示為

另外，用戶的用電成本分為非綠色用電成本和綠色用電成本，即

2.2.2 約束條件

用戶用電量有范圍限制，即

而綠色用電量必須低于電力市場中綠色供電量，即

綜上，在時(shí)段t，用戶n根據(jù)用電福利最大化來決策非綠色和綠色用電量的決策模型為

2.3 供給側(cè)模型

2.3.1 決策目標(biāo)

供電系統(tǒng)的售電收益分為非綠色電力收益和綠色電力收益，即

發(fā)電成本分為火力發(fā)電成本［14］和新能源發(fā)電成本，分別為

式中：a、b、c為火力發(fā)電系數(shù)；d為新能源發(fā)電系數(shù)；為火力發(fā)電量；為新能源發(fā)電量。

為實(shí)現(xiàn)降碳，需對未上鏈的新能源電力進(jìn)行懲罰，以引導(dǎo)優(yōu)先調(diào)度新能源并讓更多的用戶分辨綠電，即

式中，ηq為單位懲罰成本。

碳交易是將碳排放權(quán)作為商品自由交易，是管控碳排放量的重要手段。在政府給定初始碳配額時(shí)，供電系統(tǒng)根據(jù)所分配的碳配額制定電力調(diào)度計(jì)劃，即

式中：ηCO2為單位碳排放權(quán)價(jià)格；δ為單位火電碳排放量系數(shù)；δ*為供電系統(tǒng)單位上鏈電量的碳配額系數(shù)。

2.3.2 約束條件

供電系統(tǒng)為用戶提供的供電量有限，即

新能源供電量不能超過其發(fā)電量，即

火力發(fā)電量包括火力供給量和作為補(bǔ)充為新能源電力提供的備用容量，即

為進(jìn)一步保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，需要火電為新能源電力提供一定比例的備用容量。因此，火力發(fā)電量不低于備用容量，同時(shí)火電的最大出力也有限制，即

綜上，供電系統(tǒng)受低碳政策的引導(dǎo)，在決策時(shí)會(huì)考慮低碳環(huán)保因素，并以自身的利潤最大化為目標(biāo)來決策火力和新能源供電量，其決策模型為

2.4 博弈互動(dòng)

重視低碳環(huán)保的供電系統(tǒng)和具有綠色偏好的用戶之間構(gòu)成Stackelberg博弈，其互動(dòng)流程如圖2所示。

圖2 博弈互動(dòng)流程Fig.2 Flow chart of the game interaction

電價(jià)作為供需雙方信息交互的紐帶，可起到需求側(cè)管理的目的。之所以對兩類電量制定兩種電價(jià)，是因?yàn)閮深愲娏康陌l(fā)電成本和需求側(cè)的偏好不盡相同，如采用同一電價(jià)，不僅對兩類供電商不公平，而且不能真實(shí)反映兩類電量的供需關(guān)系。因此，本文對兩類電量分別定價(jià)。根據(jù)兩類電量的供需情況實(shí)時(shí)調(diào)整電價(jià)，以引導(dǎo)用戶調(diào)整用電行為。本文重點(diǎn)研究利用區(qū)塊鏈技術(shù)傳遞電力信息對供用電策略和碳排放的影響。兩種電價(jià)的制定僅僅為供需雙方的交互和博弈搭建平臺，因此此處不做深入分析。

3 數(shù)值仿真與分析

設(shè)供給側(cè)有1個(gè)火力發(fā)電商和1個(gè)風(fēng)力發(fā)電商，a=0.001，b=c=0，d=0.1，θ∈[0.5,1)，ε=0.14，ηq=0.24，ηCO2=0.12，δ=1.21，δ*=0.75。需求側(cè)有100個(gè)用戶，即N=100，α=0.5，ωtn,u∈[1,3]，λtn∈[1,3]，μtn=0.02。用電周期為1天，將其劃分為24個(gè)時(shí)段，即T=24。電價(jià)參數(shù)pu,0=0.4，pe,0=0.6，φu=φe=0.001。

定義供電系統(tǒng)對經(jīng)濟(jì)與環(huán)境同等重視和未應(yīng)用區(qū)塊鏈時(shí)為場景1，即θ=0.5，β=0；供電系統(tǒng)對經(jīng)濟(jì)與環(huán)境同等重視和應(yīng)用區(qū)塊鏈時(shí)為場景2，即θ=0.5，β=1；供電系統(tǒng)對環(huán)境的重視高于經(jīng)濟(jì)和應(yīng)用區(qū)塊鏈時(shí)為場景3，即θ=0.8，β=1。通過MATLAB軟件對3種場景進(jìn)行仿真分析，以驗(yàn)證本模型的有效性與合理性。

首先，對比3種場景下用戶非綠色、綠色用電量的變化，結(jié)果如圖3（a）所示。未應(yīng)用區(qū)塊鏈（β=0）時(shí)用戶只有非綠色用電量，并高于應(yīng)用區(qū)塊鏈（β=1）時(shí)的2個(gè)場景。這說明區(qū)塊鏈技術(shù)可向用戶傳遞綠色電力信息，使得具有綠色偏好的用戶傾向于消納綠色電力。供電系統(tǒng)應(yīng)用區(qū)塊鏈（β=1）且重視低碳環(huán)保（θ=0.8）時(shí)的非綠色用電量明顯低于θ=0.5時(shí)，說明供電系統(tǒng)通過區(qū)塊鏈向用戶傳遞低碳環(huán)保的信號越強(qiáng)烈，對用戶火電需求的抑制程度越高。應(yīng)用區(qū)塊鏈（β=1）時(shí)風(fēng)電高發(fā)期[1,6]和[22,24]時(shí)段，與θ=0.5時(shí)的綠色用電量相比，θ=0.8時(shí)用戶能夠消納更多的風(fēng)力發(fā)電量，從而提高新能源電力的消納量，降低火力供電，達(dá)到降碳目的。

圖3 不同場景下用電量、供電量的對比Fig.3 Comparison of the electricity supply and demand under different scenarios

其次，對比3種場景下供電系統(tǒng)供電量的變化，結(jié)果如圖3（b）所示。應(yīng)用區(qū)塊鏈（β=1）的2個(gè)場景下風(fēng)電供電量的曲線重合，且均高于未應(yīng)用區(qū)塊鏈（β=0）的場景。這說明區(qū)塊鏈技術(shù)有效完成了電力信息的實(shí)時(shí)共享，降低了風(fēng)電損耗?？傮w上看，應(yīng)用區(qū)塊鏈（β=1）的2個(gè)場景下火電供電量均低于未應(yīng)用區(qū)塊鏈（β=0）的，尤其是當(dāng)供電系統(tǒng)對低碳環(huán)保的重視程度較高時(shí)，從而抑制了火電生產(chǎn)，促使風(fēng)電替代火電并起到供電主體的作用，而火電則為風(fēng)電提供備用輔助。

然后，對比3種場景下碳排放量的變化，結(jié)果如圖4(a)所示。一個(gè)用電周期θ=0.5時(shí)，應(yīng)用區(qū)塊鏈的場景下碳排放量為4 997 kg，低于未應(yīng)用區(qū)塊鏈的場景下的總碳排放量（5 248 kg）。而隨著供電系統(tǒng)對低碳環(huán)保的重視程度的提高，碳排放量明顯降低。建議從社會(huì)、政府層面積極引導(dǎo)供電系統(tǒng)重視低碳環(huán)保，從而有助于從源頭上降低碳排放。

圖4 不同場景下碳排放量、社會(huì)福利的對比Fig.4 Comparison of the carbon emission and social welfare under different scenarios

最后，對比3種場景下的社會(huì)福利，結(jié)果如圖4（b）所示?？傮w上看，應(yīng)用區(qū)塊鏈的場景下社會(huì)福利均高于未應(yīng)用區(qū)塊鏈的場景，從而凸顯區(qū)塊鏈技術(shù)下新能源電力消納策略的有效性。

4 結(jié) 論

針對“雙碳”目標(biāo)下新能源電力消納問題，并考慮用戶的綠色偏好，利用區(qū)塊鏈技術(shù)有效實(shí)現(xiàn)電力信息共享，完成電力交易。量化了區(qū)塊鏈技術(shù)對用戶綠色偏好的影響，從而改變用戶對新能源電力的用電行為。研究表明，區(qū)塊鏈技術(shù)有效傳遞了新能源電力信息，提高了用戶對新能源電力的消納，有利于降碳減排。