基于区块链的微电网合作博弈电力交易优化

周步祥，李祖钢，陈实，臧天磊，曹强

(四川大学 电气工程学院， 成都 610065)

0 引 言

随着全球气候变化加剧、传统能源的日渐枯竭，可再生能源将逐步代替化石能源，成为满足社会发展需求的主要能源形式。微电网是一种将分布式电源、负荷、储能装置、变流器以及监控保护装置有机整合在一起的小型发配电系统，被普遍认为是利用分布式电源的有效方式之一[1]。

传统电量交易多为主从关系，由交易中心主导，是第三方公权力的体现。而微电网内开展产销者之间的点对点电量交易，无权威机构主导，容易造成用户之间的不信任问题。区块链融合P2P协议、非对称加密、共识机制、块链结构等多种技术，无需借助任何第三方机构，即可在互不了解、互不信任的多方实现可信、对等的价值传输[2-4]。区块链的技术形态与能源领域开放、平等、互联和共享的理念相契合[5]，为构建公开、透明、高效的微电网电量交易市场，提供了解决途径。

国内外相关领域专家学者，对于区块链技术如何应用于微电网电量交易进行了诸多研究。文献[6]针对微电网电量交易中的报价问题，提出了自适应进取性交易策略，并通过连续双向拍卖机制完成交易匹配。文献[7]为实现光伏微电网中用户间的电力交易，引入了不完全信息博弈模型。文献[8]从局域多微电网市场结构出发，建立了多方非合作博弈模型，并通过改进蚁群算法对上述多主体博弈模型进行求解。文献[9]考虑微电网市场经济性和能源利用情况，构造基于双向时变信息交互下状态量序数势博弈的微电网运行优化模型，并通过策略学习算法进行求解验证。文献[10]研究了基于图的改进型拍卖算法，可综合考虑距离、时间、经济等因素实现电能的合理分配。文献[11]采用多阶段混合拍卖机制，实现微电网内资源的最优配置。文献[12]采用联盟区块链技术解决微电网等场景下P2P电量交易具有的安全与隐私问题，提出基于信用值的交易机制，并通过斯塔克伯格博弈实现最优报价策略。

上述研究取得了较好成果，但大多采用拍卖机制或非合作博弈理论实现区块链环境下的微电网电量交易。对于同一问题，参与者若采用合作博弈一般可以获得比采用非合作博弈更大的利益[13]。已有的博弈论相关研究采用中心化方式进行数据存储与处理，交易中心在受到攻击时易发生单点故障，影响系统的安全运行；此外，中心化存储的数据有被篡改的可能，且各个系统之间存在数据壁垒，难以保证数据的安全共享。相比之下在区块链网络中，数据存储于多个节点，与微电网P2P电量交易中的分布式架构相适应；采用背书策略与共识算法对数据进行了安全校验以及实时同步，可实现多个组织间数据的安全实时共享；通过哈希函数计算每个区块数据对应的哈希值，进而由哈希值将各个区块连接成区块链，这种特殊设计的数据结构避免了数据篡改。区块链技术解决了已有研究中存在的问题，提高了系统的数据安全性与可靠性。为此研究基于合作博弈的微电网电量交易机制，以降低谈判成本，迅速达成交易，确保电力供需的稳定[14]。

文章首先构建微电网P2P电力交易系统的总体架构，对区块链网络、智能合约逻辑进行设计；进一步，通过微电网中各用户主体的效益，优化交易过程中的用户匹配；接着，采用合作博弈中的核仁法实现微电网P2P(Peer-to-Peer)电力交易定价模型。最后，通过数值仿真对文中的方案进行了验证。

1 基于区块链的微电网市场合作博弈架构设计

1.1 系统总体架构

基于联盟区块链的微电网电量交易系统总体架构如图1所示，系统主要由数据层和物理层构成。交易主体为具有双向潮流的电能产销者、微电网运营商、配电网运营商。交易标的物为电量以及相关的辅助服务。

图1 系统总体架构

数据层由信息系统、市场机制、定价机制、能量管理系统等构成[15]。其中信息系统依托于区块链技术，可以有效破除用户之间的信息壁垒，使得市场电价、电量供需情况、政策等信息能够安全高效地在用户之间进行共享。从而构建公开、透明、高效的电力市场环境。此外智能合约具有强制自动执行的特点，采用智能合约技术对市场机制、定价机制予以实现，能够确保P2P电量交易市场的公平。

物理层主要由分布式电源、配电网络、计量设备、通信基础设施等构成[16]。以确保达成P2P电量交易的用户之间，能够安全、高效地传输电能，并能够实时将采集与计算到的电量、电费、潮流等数据传递给数据层，以便进一步地分析处理。需要注意，物理设备需要相关的网络能力，以进行相关的系统升级以及连接至区块链网络。物理层与数据层的融合，将构建起应用层。用户通过使用应用程序，可实现设备的能量管理、获取区块链网络服务、采用代理系统辅助用户决策、对区块链账本进行数据挖掘等功能。

1.2 区块链网络设计

区块链网络是微电网P2P电量交易系统设计的核心。相比于其它区块链开发框架，Hyperledger Fabric采用了合约自动执行与共识机制相分离的系统架构，模块化地实现了共识服务、成员服务等的即插即用[17]，可定制开发区块链网络。此外，相比于以太坊，Hyperledger Fabric区块链网络更适用于区域能源交易[18]。为此，选用Hyperledger Fabric开发区块链网络。

文中基于Hyperledger Fabric1.4.3构建区块链网络，由微电网运营商、配电网运营商、监管部门共3个组织构成。各组织包含了相关的组件，用以实现包含3个通道的联盟区块链网络。采用通道技术构建了以交易区块链为主链，匹配区块链、电量区块链为从链的一主二从区块链存储结构。根据不同的业务需求，将数据存入相应的区块链，以避免数据量过大对区块链网络性能造成的影响。

1.3 智能合约设计

智能合约被定义为“执行合同条款的计算机交易协议”[19]，是一段由时间驱动，具有状态且运行在共享区块链上的代码，拥有自动处理数据以及控制管理区块链上的资产等功能[20-21]。

区块链技术为智能合约的运行提供了可信的环境，而智能合约确保了系统中的关键业务逻辑能够安全、高效、强制地执行。智能合约的上述特点，有利于P2P电量交易市场机制、定价机制的实现。文中使用智能合约，对用户报价、用户匹配、安全校核、电能转移、交易结算、分析统计，6个部分的业务逻辑进行实现。

所有产销者用户需要向监管部门提供身份证明材料、待绑定的设备信息，以完成用户注册。注册通过后，监管机构将向用户颁发私钥、证书等材料，此时用户才能以对应的角色和权限使用区块链网络中的相关服务。用户的公钥及证书存放在监管机构的CA服务器中，便于其它用户对其进行身份核实。

产销者在注册并登录后，可结合市场信息与自身用电需求，向微电网运营商提交充/放电请求。微电网运营商不间断收集用户的报价请求，定时执行用户匹配算法。配电网运营商将对匹配成功的用户请求，进行安全校核与过网费核算以生成最终的用户匹配数据以及交易订单；微电网运营商将用户匹配结果存储至匹配区块链、配电网运营商将交易订单存入交易区块链。通过底层的P2P协议，将数据共享到网络上的各个组织，确保数据公开透明、实时共享。

匹配成功的用户，在设备连接正常、并确认订单后，开启P2P电量交易。其电能计量设备将实时记录电量转移过程中的电量变化数据，在充放电结束后，调用设备内置的Fabric-SDK，将最终的充/放电电量数据存入电量区块链。

P2P电量交易用户在完成电量转移后，将触发交易结算智能合约，依据区块链中存储的该用户此轮交易中的交易订单以及实际转移电量，计算充电用户需要支付的充电费用以及服务费，并对各组织应得的利益进行合理分配，完成交易结算、生成交易账单并存入交易区块链。

2 关键问题建模

本节对微电网P2P电量交易中，涉及到的最优匹配与交易电价制定问题进行分析。首先，构建产销者的相对收益函数，并对用户报价以及报价排序进行建模；接着，以用户总相对收益最大为目的，构建目标函数。将最优化问题转换为二分图下的最佳完美匹配问题，并采用改进Kuhn-Munkres算法进行求解；最后，采用合作博弈中的核仁法，对P2P交易电价进行制定，以确保合作模式下用户利益的合理分配。

2.1 用户报价及排序

每轮完整交易的时间间隔为Δt小时，每天共开展n轮P2P电量交易，其中n∈[0,24/Δt]。定义微电网内的购电用户集合为φ≜(CUi|i∈)={1,2…m}，购电用户的充电量取值范围为报价范围为售电用户的集合为ψ≜(DUj|j∈),={1,2…n}，售电用户的放电量取值范围为报价范围为购电用户与售电用户之间的P2P成交价格为Pij，成交的电量为Eij。Pg(n)表示第n轮交易的实时电价，Pfin(n)为第n轮交易的上网电价。

采用式(1)，计算产销者的相对收益:

(1)

role=0时，用户具有充电需求，其P2P交易电量为EijkWh，相对收益为原本从电网的购电费用减去采用P2P方式的购电费用。role=1时，用户具有放电需求，其中kdep(元/kWh)为设备的折旧费用，其相对收益为考虑设备放电的折旧费用后，相比于余量上网，采用P2P方式多获取到的利润。

微电网运营商，将不间断的收集用户的报价数据。购电用户与售电用户报价，分别为:

Bquote=[QID,UID,Ci,Pi,role,time,rank]

(2)

Squote=[QID,UID,Dj,Pj,role,time,rank]

(3)

式中QID为报价的唯一标识、UID为用户标识；Ci为用户充电需求、Dj为用户放电需求；Pi为用户充电报价;Pj为用户放电报价；role为用户角色、时间戳为time、rank为待计算的报价排序因子。

如图2所示，当用户报价截至后，微电网运营商将对收集到的用户报价进行报价排序、用户匹配、报价调整、制定合约电价的操作。

图2 基于二分图的用户匹配

用户的排序因子，通过式(4)进行计算。

(4)

考虑到购电用户总希望以低价购买到电量，售电用户总希望以高价出售电量。因此购电用户中当前报价越高、电量需求越大、报价时间越靠前的用户越有可能达成P2P电量交易，因此对Bquote按照排序因子rank降序排列；同理售电用户中当前报价越低、电量供给越大、报价时间越靠前的用户越有可能达成P2P电量交易，因此对Squote按照排序因子rank进行升序排列。对报价进行排序，有利于提升用户匹配算法的收敛速度。

2.2 用户匹配

采用基于二分图的改进Kuhn-Munkres算法，对用户报价进行匹配。其目标函数见式(5)，表示微电网运营商通过合理的资源分配，使得用户的相对收益最大。

(5)

式中的Q为m×n维的权值矩阵，其中的元素Q[i,j]>0，表示购电用户i(0≤i

该最优化问题的约束条件，如下：

T[i,j]∈{0,1} (0≤i

(6)

(7)

(8)

其中式(6)为0-1约束，表示用户之间只存在P2P电量交易或不开展交易中的一种状态；式(7)为充电需求约束，表示购电用户i(0≤i

采用基于二分图的改进Kuhn-Munkres算法[22]，对上述优化问题进行求解。问题的求解算法见附表1，可以实现多对多的最大用户匹配。

2.3 基于合作博弈的交易电价制定

博弈论也称对策论，用于研究多主体利益联系或冲突下的决策问题。根据各主体间的合作或非合作关系，博弈论可分为合作博弈与非合作博弈两大类[13]。区块链技术有效降低了用户间的信任成本、确保了共享数据的可信、为产销者之间开展合作提供了环境。购/售电用户开展合作的关键是能产生相对收益，并通过交易电价的制定实现相对收益的合理分配。对于合作博弈，有较多的求解方法。相比而言，核仁法所求解必定存在且唯一，具有较好的特性[14]。因此，选用核仁法制定P2P交易电价，以提升用户的满意度。

Schmeidler于1969年，首次提出采用核仁法求解合作博弈问题。合作博弈问题可表示为(N,v)，其中N为参与者集合即N=∪，v为特征函数即文中的相对收益函数R。核仁定义如式(9)，存在为合作博弈的解。

(9)

联盟S对于分配x的不满意度指标e(S,x)，可采用式(10)计算。

(10)

式中S为购/售电用户组成的联盟；x为用户的相对收益分配方案，代表产销者的利益分配集合；π(S)为联盟的合作利润。e(S,x)的值越小，表示用户越能从合作博弈中获得效益，即用户对于此次利润分配结果越满意。

核仁，即为用户对于利润分配最满意情况时的解，实现了帕累托最优。对于核仁的求解，可将其转换为式(11)的线性规划问题。

minε

(11)

式中ε为不满意度；S1为m+n个产销者构成的联盟；x′i为第i个产销者分配到的利润，S2为2m+n种不同的合作方式的集合。

已有双向拍卖机制中，多以P2P电量交易双方报价的均值为最终交易电价，其电价制定过程未考虑用户对于利润分配的满意度。

将核仁法求解出的最优利益分配值x′，代入价格利润公式(12)，即可为P2P电量交易双方制定更为合理的电价。

(12)

式中Qij为P2P交易电量；Pij为P2P交易电价；Pi为购电用户报价；Pj为售电用户报价。

3 算例分析

3.1 仿真实验环境

选用4台配置为Intel i7-9700 CPU、32G内存、1TB固态硬盘，CentOS 7.3操作系统的台式机为实验载体。编写网络及通道配置文件，并采用Docker Compose启动基于Raft共识算法、具有1.2节所述的3个组织、3个通道的微电网P2P电量交易系统底层Fabric区块链网络。

采用fabric-chaincode-java编写链码，实现1.3节设计的智能合约。基于fabric-gateway-java编写客户端，实现链码安装及实例化的功能、并模拟产销者向Fabric网络提交用户报价请求等功能。

3.2 基础数据

基于成都市某区域地图，构建图3所示的微电网P2P电量交易仿真测试系统。对15位电动汽车用户、5位屋顶光伏用户的出行规律、用电规律以及P2P报价进行模拟。

图3 仿真系统

交易时隙为1 h；用能偏好因子k1=0.5、k2=0.5；电动汽车用户的kdep=0.15元/kWh、屋顶光伏用户的kdep=0.10元/kWh。通过智能合约实现用户匹配、电量转移、余量平衡、交易结算等操作交易流程，对微电网1天内的P2P电量交易情况进行仿真。

图4为P2P电量交易市场发布的实时购电价、实时上网电价以及对当天基础负荷的预测值。用户将结合市场信息、自身的电量需求以及区块链中的历史交易信息，在上网电价与购电价之间报价。

图4 电力市场基础数据

3.3 实验结果分析

首先，以电力市场信息为参考，对微电网内电动汽车、屋顶光伏产销者的充放电需求以及报价进行模拟。此阶段共分为合作与非合作，两种交易模式。非合作模式下用户报量、报价为标量值，用户不断地调整自身的报价，通过连续双向拍卖算法实现用户的撮合；而在合作模式下，用户提交的报价、报量为区间范围，由微电网运营商在该范围内对用户进行匹配，并通过核仁法计算P2P交易电价。

然后，当报价时间截至时，由微电网运营商对收集到的用户报价进行匹配，并分析电量需求。

图5为双向拍卖机制下的电量需求情况，可以看出充放电用户之间部分达成P2P电量交易，较多的充放电需求要通过电网公司进行余量平衡。造成此现象的原因在于，存在较多的买方用户报价低于卖方报价预期，用户之间难以达成交易。

图5 电量需求情况

对于相同的报价数据，采用文中的方式再次进行用户撮合。将总电量需求消纳率，定义为P2P充放电需求之和，占总充放电需求之和的百分比。图6对合作博弈机制与双向拍卖机制下的总电量需求消纳率，进行了对比。合作博弈机制下的平均总电量需求消纳率为79.92%，双向拍卖机制下的平均总电量需求消纳率为50.12%。通过合作的方式，将更有利于微电网内电量需求的合理消纳。

图6 总电量需求消纳情况对比

随后，微电网运营商根据交易区块链、电量区块链、匹配区块链中的数据，生成此轮交易中的用户交易订单，并触发智能合约自动完成用户钱包之间的转账操作。

图7为双向拍卖机制下，用户的相对收益情况。可知P2P电量交易方式为充电用户降低了成本，为放电用户提升了收益，并提升了微电网的总体社会效益。

图7 用户相对收益

对于相同的报价数据，采用合作博弈的方式再次进行用户撮合。将用户总相对收益，定义为购电用户相对收益与售电用户相对收益之和。图8对比了不同交易模式下的用户相对收益情况。从中可以看出，在合作博弈模式下购电用户、售电用户的相对收益均有所增加，进而提升了微电网内的用户总相对收益。

最后，采用Hyperledger Caliper基准测试工具，对用户匹配智能合约、交易结算智能合约的系统时延、吞吐量性能进行测试。

由图9可知，随着交易请求速率的提高，用户匹配与交易结算的系统时延与吞吐量均有所提升。由于交易结算过程需要进行多链数据协同与钱包转账操作，因此其时延大于用户匹配时延、其吞吐量低于用户匹配吞吐量。当交易请求速率为2 000 tx/s时系统最大时延为74 s，系统的最大吞吐量为1 300 tx/s，能够满足交易时间间隔1 h情况下的P2P电量交易需求。

图8 用户相对收益对比

图9 系统性能测试

4 结束语

文中提出了一种基于区块链与合作博弈的微电网P2P电量交易方法，采用区块链技术实现交易过程中信息的共享、通过改进Kuhn-Munkres算法实现用户报价的最优匹配、应用核仁法制定合理的P2P交易电价。

理论分析与仿真结果表明，将区块链技术用于微电网电量交易的各个环节，有利于构建公开、透明、高效的合作环境。基于通道技术实现一主二从的区块链存储结构，在确保数据安全的前提下，可保证数据的存储效率；采用改进Kuhn-Munkres算法进行多对多的用户匹配，有利于电量资源合理消纳；合作博弈的使用，确保了用户利益的合理分配，有利于用户之间的达成合作、降低交易成本、提升交易效率。

以上研究，着重于区块链框架下的用户匹配与基于合作博弈的利益分配，并未考虑具体的阻塞管理与系统的物理约束，这将是接下来需要深入研究的部分。