能源区块链多交易主体博弈模型及阻塞管理

胡 伟,姚文慧

(上海电力大学经济与管理学院,上海 200090)

1 引 言

随着电力体制改革的不断推进以及分布式能源渗透率的提高,电力市场内的交易主体逐渐向多元化发展,电力用户不仅可以作为能源消费者,还可以通过自身的分布式发电设备成为能源供应商[1,2].在电力用户多元化的背景下,电力市场内部海量的交易信息使得电力交易类型和管理模式更为复杂,进而大大增加了电力交易的管理难度和成本,给交易的安全性带来巨大的挑战[3].

传统的电力交易方法大多采用中心化管理模式,该模式主要由交易中心对所有交易进行协调规划和管理.同时,中心化管理模式对交易中心的运行、维护和安全性等方面提出更高的要求,一旦交易中心受到攻击,所有交易信息将可能遗失或被篡改,从而市场参与者将会受到威胁[4,5].为了避免中心化管理模式存在的问题,分布式管理模式成为电力交易中主要的管理模式,用来解决运行、维护、信息安全中存在的问题.目前,国内外学者对分布式交易展开了大量研究,Lin 等[6]分析了国外三种分布式交易机制的应用及发展现状,并重点研究了三个具有代表性的P2P 交易平台,为电力交易的发展提供了借鉴.然而,现有的分布式交易机制在优化管理方式的同时,也给电网带来了安全隐患,电力交易的真实性缺乏保障.

为了提高电力交易的安全性,本文引入区块链技术,该技术为分布式能源存储、数据保护和历史追溯提供了一种新的解决方案.区块链本质是一个去中心化的数据库,由一串包含交易信息的数据块组成,并以时间顺序相连[7].区块链技术与智能合约机制的结合,使得交易双方能够实现合约的自动执行,完成价值的转换,解决双方存在的信任问题.目前国内外学者从多种角度对区块链在电力市场中的发展方向进行了研究.Wang 等[8]将区块链与连续双向拍卖机制结合,在考虑市场灵活性的基础上提出报价策略,实现了微电网内部分布式能源与电力用户的直接交易.Luo 等[9]提出了双层分布式电力交易系统,并设计了一种代理联盟机制,以使生产者能够组成联盟并进行电力交易谈判,同时结合基于区块链的交易结算机制,以实现电力交易的可信且安全的结算.上述研究在将区块链应用到电力交易中时仅把电力交易当成普通商品交换,没有考虑线路潮流约束,无法保证电网的安全运行.

针对电力交易过程中存在的风险以及未知性,Dagoumas 等[10]提出了一种电力交易风险管理的综合模型,通过预测电价估计交易者的盈利能力和风险,为电力市场中双向交易可能出现的风险提供了解决方案.René等[11]以日内电力市场为背景,对电能需求进行预测,并考虑到日内价格的跳跃情况,以电力中随机需求剩余引起的不平衡成本最小为目标,进而制定了电能生产商的最优交易方案.上述文献对电力市场中的交易过程进行了深入剖析,但是忽略了交易数据的保密性问题,交易过程的安全性缺乏保证.

基于已有的文献研究,本文将区块链技术应用于电力交易中,构建了能源区块链多交易主体博弈模型,结合智能合约提出了在不同阻塞管理方法下的电力交易模式.接着,在综合考虑负荷预测结果及运行成本的基础上制定了发电商的竞价策略,将购电者分为含分布式能源用户和普通用户引入电力交易中,建立其与发电商间的博弈模型.同时,本文采用POW 共识机制分布式验证线路潮流计算结果,通过阻塞价格调整法和交易中心优化管理法优化线路阻塞情况.最后,结合智能合约机制分析了价值转移的实现方式及交易数据的存储原理.通过算例分析验证了本文所提模型能够有效解决阻塞管理问题,并为缓解交易管理压力及提高交易安全性提供了解决方案.

2 基于Multi-Agent 的多交易主体博弈模型

由于电力市场交易主体的增加,传统的市场管理模式出现了越来越多的缺陷.在传统模式下,交易中心的权利较大,所有交易数据都集中在交易中心的数据库里,用户隐私难以得到保障,并且一旦交易中心出现故障,整个市场都会受到影响,历史交易数据也有可能遗失或被篡改[12,13].为了避免出现这些问题,本文提出半中心化的电力交易模型.该模型将交易中心的任务分散给各交易主体完成,如交易的博弈过程及交易数据的存储过程,交易中心仅负责确保交易过程的安全性.另外,考虑到在电力交易过程中,可能出现由于交易电量过多而导致的线路阻塞问题,因此需要对阻塞管理进行研究.在解决阻塞问题时,由于需要通过中心机构采集整个网络的线路参数,难以让各交易主体自主进行.因此,本文中的交易中心仅参与系统的阻塞管理,并且只会存储线路的有关参数,判定是否越限,不会接收到交易信息,这种做法有效保障了交易的安全性及用户的隐私性.

交易开始时,确保所有的交易主体均处于当前的区块链网络中.首先,电力交易主体通过双边或多边博弈达成交易,将交易信息以智能合约的形式保存下来.当前交易时段结束后,网络内所有交易主体节点通过P2P 网络互相发送各自的合约集合,利用区块链对已达成的交易进行共识,确保交易的真实性和准确性.共识过程结束后,各市场交易主体通过分布式计算验证该交易的安全性,包括线路潮流是否在规定范围以内等问题,若满足安全验证要求,则合约缔结成功,具体的交易信息将被保存在区块链上的某一个区块中,以保证交易的可追溯性及不可篡改性;若未通过安全验证,则对交易进行阻塞管理.本文提出2 种阻塞管理方法: 1)通过设定阻塞价格,促使原本交易量较大的交易主体减少交易电量,缓解相关线路的供电压力,降低阻塞问题出现的可能性,从而生成新的交易.接着对该交易重新进行安全验证,若未通过则继续调整阻塞价格,这样经过多次迭代后最终生成满足线路潮流约束的交易;2)交易中心以交易偏差量最小作为目标函数,同时考虑电力线路的潮流约束条件,求解符合要求的最佳交易方案,记录在区块链上.通过安装智能电表,及时收集交易过程中的所有发用电数据,并及时存储到区块链上,以防丢失.交易完成后,智能合约自动履行价值转移的职能,进行交易清算,实现了交易的自动化并提高了交易的可信任度.

在电力交易过程中存在着众多的交易主体,每个交易主体的目的和行为是相对独立的,为完成最后的交易,各交易主体需经过竞争或协商等行为以达成共识.基于此,本文提出基于Multi-Agent 的多交易主体博弈模型,在该模型中,发电商以获得最大经济效益为目标,同时考虑竞争对手的竞价策略及需求侧电量来建立预测函数,最后结合预测结果及运行成本制定竞价策略.购电者同样以获得最大经济效益为目标,根据用电特性将购电者分为含分布式能源用户及普通用户,最终制定用电策略.

2.1 发电商竞价策略

发电商为集中式发电设备,其成本函数为

其中pt为时段t的市场供电价格,fi(pt)为发电商i关于供电价格的发电量函数,也可以表示为fi(pt)=其中BΩ为参与市场竞争的购电者集合,fij(pt)为供电价格pt对应的发电商i与购电者j之间的交易电量,αi,βi为发电商i的发电成本系数.

发电商i可获得的最大收益为

假设发电商i对所有购电者在发电侧需求策略的预测如下

其中QG(pt)为供电价格pt对应的发电侧预计需求电量,GΩ为参与市场竞争的发电商集合.

根据博弈论纳什均衡条件[14,15],得到发电商i的最优发电策略应满足下列条件

其中λi为购电方对发电侧需求电量相对于pt的微增响应电量,θi为发电商i的竞争对手关于pt的微增响应电量.

结合具体的交易情境,首先给出如下假设.

假设某时段t的购电者总需求量为D(t),电力市场上有两个发电商G1和G2,在时段t的可发电量分别为f1(t)和f2(t),单位电量发电成本分别为C1和C2,供电价格分别为p1(t)和p2(t).此时,两个发电商G1和G2都在[0,b]范围内出价,进行价格博弈[16].

关于发电商的最优报价有如下结论.

结论1当购电者总需求量小于等于每个发电商的可发电量时,即D(t)≤f1(t)且D(t)≤f2(t),当发电商的报价为发电市场价格的上限与其发电成本的平均值,即时,获得的利润最高.

证明每个发电厂商的收益可表示为

发电厂商Gi出价pi(t)时的预期收益为

结论2当购电者总需求量大于每个发电商的可发电量时,即D(t)>f1(t)且D(t)>f2(t),但f1(t)+f2(t)>D(t),若发电商供电价格受到严格监管,每个发电商的最优均衡报价可能为:1)该发电商的发电成本Ci.2)发电市场价格的上限值b.3)发电成本与发电市场价格上限之间的某中间值[Ci,b].

证明每个发电商的收益可表示为

如果发电侧电价有价格上限b的规定,则对于发电商来说报价越高,获得的利润越大,即报价为b时利润最大.然而由于博弈过程,发电商两者无法同时获得利益最大化,根据纳什均衡的最终结果,双方报出各自的单位发电成本.这时,发电成本较低的发电商获得发电量全数上网的机会,并获得与另一方发电成本差额的利润,发电成本较高的发电商提供的电量仅能够部分上网,无法获得利润.由于在实际博弈过程中,发电商往往会报出高于发电成本的价格,且双方均不知道对方的成本电价,因此最终双方会在范围内展开博弈,最后达到均衡状态.

发电厂商Gi出价pi(t),i=1,2 时的预期收益为

当p∗i(t)∈[Ci,b]时,p∗i(t)就是使发电商Gi获得最大预期收益的电价.当p∗i(t)Ci时,使发电商Gi获得最大预期收益的电价是b.证毕.

2.2 购电者用电策略

购电者分为含分布式能源用户及普通用户两种类型.对于含分布式能源的用户,其自身发出的电量能够满足部分电能需求,因此用电量需考虑售电电价及分布式能源发电量进行决策.购电者的目标函数定为用电效益最大化,对于该部分用电量能获得的效益函数为

其中Qi为购电者j的实际用电量,Qexpj,pexpj分别为购电者j的期望负荷和期望用电价格,ω为价格弹性系数,Qj=Qbj+QDGj,Qbj和QDGj分别为购电者j从发电商处购买的电量和自身分布式能源发出的电量,为市场供电价格pt对应的发电商i与购电者j之间的交易电量.

购电者j可获得的最大收益为

其中CjDG为购电者j所含分布式能源的发电成本.

对于普通用户,可获得的最大收益为

根据式(13)调整市场供电价格,即

其中rt=Dt/lt,Dt为t时段实际需求电量,lt为t时段发电侧计划发电量,σt为电价调整系数,由各发电商根据自身的发电策略决定.

对发电商和购电者按照各自的发电策略式(2)、购电策略式(11)、式(12)进行求解,获得对应的发电量与购电量,从众多结果中得出最优策略,如式(14)所示矩阵，即为最终交易矩阵

其中fij表示发电商i提供给购电者j的电量.

3 安全验证及阻塞管理

3.1 基于区块链技术的分布式安全验证

目前已有的研究对电力网络的安全验证提出了两种思路: 1)集中式计算.市场中的交易主体将已完成的交易信息交由其他交易主体进行共识,共识通过后将该信息上报给交易中心,交易中心将所有的交易信息收集完毕后,结合线路参数进行潮流计算,根据线路安全指标判断该交易是否通过安全验证.2)分布式计算.交易主体根据交易内容及局部线路参数各自算出相邻线路的潮流,判定是否安全.这种方式减少了交易中心的工作量,且提高了网络内的工作效率[17,18].

为了确保计算的准确性,利用区块链中的POW 共识机制对潮流计算的正确性进行验证.改进的POW共识机制如图1所示.图1中各字母代表的响应过程见表1.

表1 图1中字母所代表含义Table 1 The meaning of the letters in Figure 1

将网络中所有交易主体视为节点,某一节点完成潮流计算后,向全体节点广播工作量证明,由任意的其他节点对计算结果进行验证.进行验证时,若参与验证的节点过少,将容易出现拜占庭将军问题,若参与验证的节点过多,则会由于过多的重复运算耗费大量时间.

在进行安全验证的过程中,将尚未完成潮流计算及安全验证的待评价线路集合记为D,集合D中的待评价线路的数量记为Count,节点完成待评价线路Dk的潮流计算或验证后反馈至交易中心的工作量证明集合记为Z(Dk),Z(Dk,e)代表节点e对待评价线路Dk的计算或验证.

当所有节点对潮流计算的正确性共识结束后,交易中心根据共识结果判断该交易是否符合潮流安全约束,若通过安全验证,则进行该交易,并将合约集合记录在区块链中,以防交易信息被篡改或遗失;若未通过安全验证,则交易中心会对交易进行阻塞管理,直到求解出满足安全验证的合约集合,并记录在区块链上.

3.2 阻塞管理

通过设立阻塞价格和中心机构优化交易结果两种方案进行阻塞管理.当交易无法通过安全验证时,可以提高交易的阻塞价格,使发电商根据价格调整自身的发电计划,从而解决阻塞问题;也可以发挥中心机构的统筹作用,在了解线路潮流的基础上优化交易结果,求取满足安全要求的交易集合.

3.2.1 阻塞价格调整法

由于网络中每条线路中交易的差异性,根据线路阻塞的严重程度及交易对阻塞的影响程度的大小制定阻塞价格[19].假设初始阻塞价格为0,当交易未通过安全验证时,对于导致线路出现阻塞的交易集合,按照下式更新阻塞价格,即

其中τij为发电商i与购电者j间交易的阻塞价格,k为迭代次数,L为由于两者交易导致的阻塞线路的集合,Pl为线路l的传输功率,Pmaxl为线路l的传输功率上限,δ为阻塞价格调整系数.

3.2.2 交易中心优化管理

记所有能够通过安全验证的交易构成安全域E,若市场参与者提出一个交易集合,但该交易集合不满足安全验证的要求,这时就需要交易中心对该交易集合进行修改.为了使交易调整量最小,即在安全域中寻找与原交易矩阵距离最近的矩阵,记原交易矩阵为F0,修改后的矩阵为F.考虑发电商的出力范围及购电者的负荷调整量,可得到优化的交易调整模型∑

其中fij0为F0中i行j列的元素,fij为F中第i行j列的元素,Pmini,Pmaxi分别为发电商出力的上下限,Ajmin,Ajmax分别为购电者负荷调整量的上下限.

4 区块链与电力交易市场的结合

由于区块链采用了链式结构和时间戳,每一个区块都是按照时间顺序首尾连接而成,所以区块链上的数据不可篡改并且可追溯.各节点将每隔一段时间收集的数据上传到新生成的空区块中,同时链接到最长的区块链上.区块头和区块体构成了新生成的区块,区块的具体布局如图2.区块头部分包括当前区块的版本号、前一区块的地址等信息、时间戳、Merkle 根以及该时段对应的电力交互容量.区块体部分则主要包括智能合约中的交易信息[20,21].

区块链技术具有去中心化的特点,在电力交易过程中能够确保交易信息的透明,提高交易的可信度,有利于实现多种能源之间的协调和优化传输,提高系统的效率.

4.1 智能合约及价值转移

区块链技术具有的可编程、去中心化和透明度高等特点为智能合约的建立提供了技术支撑.智能合约以代码的形式存在于区块链中,为网络中所有节点共同维护[22,23].当进行一项交易时,合约双方将交易内容、交易规则以及各自签名存储于智能合约中,其中交易内容包括交易电量、交易时间、交易价格、违约金额.在系统运行过程中,网络中的智能电表会记录交易双方已完成的电能交易量,当合约执行时间到来时,交易双方依据交易内容的完成度进行价值的转移.若发电商在规定时间内为购电者提供了合约中要求的电量,则电费将自动从购电者账户转移至发电商账户;若规定时间内发电商未完成该交易,则会被扣除相应的违约金.整个过程由事先编好的程序自动运行,没有任何一方的干预,保证了交易的公平性和安全性,降低了交易成本,提高了运营效率.

4.2 交易数据的存储

生成智能合约后,系统通过P2P 网络将该合约广播到每一个节点,等待对该合约进行共识,因此节点内存中便会存储该时段所有缔结的智能合约[24].共识过程结束后,节点会将最终形成的合约集合以哈希树的形式保存在区块中.哈希树是一种二叉树,交易信息经过哈希编码之后被记录在哈希树的分支节点上,这些分支节点的上级节点又被编码为分支节点的哈希值的和,这样就保证了数据的可追溯性.若某一项交易信息发生了更改,则该交易的哈希编码也会改变,从而与该交易对应的分支节点、上级节点、根节点都会发生改变,这种联系也使得信息难以被篡改.节点将共识后形成的区块发送给网络中的其他节点,其他节点通过哈希值进行比较,验证区块内包含的合约集合是否一致,同时发送一份自己认可的合约集合给其他的验证节点,最终获得整个网络的一致性[25,26].

利用区块链的可追溯性、安全性高的特点,可以保证数据不可篡改以及数据的完整性,因此区块链技术非常适合用于交易数据的存储.

5 算例分析

5.1 阻塞管理方法分析

采用包含4 个发电商、4 个购电者的8 节点系统网络,,网络连接图如图3所示.

由第2 节所示博弈模型经多次迭代得出如下交易矩阵

采用潮流计算得到每条线路的功率如表2所示

表2 初始线路功率Table 2 Initial line flow

对文中所提两种阻塞管理方法分别进行仿真,首先用制定阻塞价格的方法进行调整,得到优化后的交易矩阵为

采用交易中心求解最优化问题进行优化管理的方法,以调整量的平方和最小建立目标函数,得到调整后的交易矩阵为

表3 经阻塞管理后的线路功率Table 3 Line flow after congestion management

比较两种方法的优化结果,发现两种方法均能有效进行阻塞管理,满足线路的功率要求.使用阻塞价格法调整时,交易矩阵中某一交易的交易主体可能发生改变,而运用交易中心优化调整则不会出现这种情况.

另外,交易中心通过求解最优交易矩阵进行统筹优化时,节点需上报自身的交易信息,容易导致交易中心的信息量过大;而通过制定阻塞价格优化时,交易中心仅需要获取线路潮流信息,提高了交易的优化效率.同时,阻塞价格的制定也与市场的自发力有关,更能反映市场的需求,提高了市场参与者的积极性.

5.2 区块链在电力交易中的应用

经过博弈过程得出各发电商的供电价格如表4所示

表4 发电商供电价格Table 4 Electric prices of generators

由交易矩阵可知各交易主体的交易电量,以f15为例,发电商1 为购电者5 提供的电量为10.98,根据发电商1 的供电单价、单位输电费用、单位违约费用分别求出购电费用、输电费用及违约金额.将交易时间设定为18:00,发电商1 的地址记为0x20,购电者5 的地址记为0x25,输电公司的地址记为0x28.交易内容见表5.

表5 f15的交易内容Table 5 Transaction information of f15

当交易结算时间到来时,智能合约会自动进行价值转移.若交易顺利完成,且不存在违约情况,则资金将自动从购电者账户扣除,转移至发电商账户内;若某一方存在违约情况,则自动扣除相应的违约金,智能合约技术将履行价值转移的职能.本例中资金的自动转移情况如下表

表6 资金转移情况Table 6 Transfer of funds

智能合约技术有效避免了交易者或第三方的介入,使交易资金能够安全转移,提高了交易的自动化程度,降低了交易成本,可以考虑将该技术引入到电力交易中.

6 结束语

随着电力体制改革以及电力市场内交易主体的多元化发展,电力交易的灵活性得到提高的同时也带来了管理压力及交易信任问题.为了提高交易的安全性,本文结合智能合约机制并根据阻塞管理方法的不同提出了两种电力交易框架.接着以发电商和购电者的利益最大化为目标建立了基于Multi-Agent 的多交易主体博弈模型,在考虑竞争对手的竞价策略以及日前预测结果的基础上制定了发电商的竞价函数,同时针对含分布式能源用户和普通用户两种情况研究了购电者的竞价模型.在此基础上结合区块链技术对交易进行安全验证及阻塞管理,利用POW 共识机制确保了潮流计算结果的准确性,采用阻塞价格调整法和交易中心优化管理法解决了线路阻塞问题.此外,结合区块链技术及智能合约机制具体分析了价值转移及数据存储的实现过程.最后通过算例分析表明阻塞价格调整法与交易中心优化管理法均能有效解决阻塞问题,采用交易中心优化管理法虽不会改变交易主体,但交易数据过多,易降低优化效率,而阻塞价格调整法需求信息较少,优化效率更高.电力交易与区块链技术的结合能够有效解决交易双方的信任问题,并为交易的安全性提供保障.