考虑绿色属性的多微网间电能可信自治交易方法

王 栋，李 达，冯景丽，贾乾罡，平 健，严 正

（1. 国网数字科技控股有限公司，北京市 100053；2. 国家电网有限公司区块链技术实验室，北京市 100053；3. 国网区块链科技（北京）有限公司，北京市 100053；4. 电力传输与功率变换控制教育部重点实验室（上海交通大学），上海市 200240；5.上海交通大学国家电投智慧能源创新学院，上海市 200240）

0 引言

在响应“双碳”目标［1］的要求下，推动可再生能源生产和消纳的重要性日益凸显。为厘清可再生能源的绿色属性，国内已有省级电力交易中心开始在批发侧市场试点绿色电力（以下简称绿电）交易［2-3］。随着海量分布式可再生能源的接入，配电侧的微网聚合了海量分布式可再生能源和绿电需求用户，其生产和消纳绿电的潜力不容忽视。然而，当前分布式可再生能源仍以“自发自用，余量上网”的方式消纳。该机制未能充分激发微网生产和消纳绿电的能力。一方面，对于绿电供过于求的微网，余量上网电量并未发挥其“绿色”附加价值［4］；另一方面，对于绿电供不应求的微网，无法从外部购买绿电来满足自身负荷的绿色用电需求。因此，有必要引入微网间绿电交易机制，提高微网生产和消纳可再生能源的积极性。

目前，微网间电能交易机制已被学术界广泛研究，为设计微网间绿电交易机制提供了参考。文献［5］提出一种由微网群交易中心协调的能量交易机制。文献［6］提出一种由配电网交易平台制定电价，微网对价格作出响应的电能交易框架。文献［7］提出一种基于动态合作博弈的多微网间共治交易方法。文献［8］提出一种基于纳什议价的多微网间电能交易方法。文献［9］提出一种考虑智能建筑特性的多微网间端对端能量交易方法。然而，以上研究均侧重于电能交易，并未充分量化绿电生产消纳的价值。

微网间交易具备自组织、自交易特点。保证交易透明性及可信赖性是激发微网积极参与绿电交易的重要前提。区块链技术具备可追溯、不可篡改的特征［10］，可以解决能源系统运营管理、能源计量认证和电力数据流转等场景的信任问题［11］。近年来，已有一些研究讨论了区块链在微网间电能交易场景的应用方案。文献［12］提出了基于公有链的微网产消者间电能智能交易合约。文献［13］提出一种基于公有链的园区间多边用电权交易机制。上述研究所采用的工作量证明共识算法存在较大的能源浪费，与清洁低碳的能源发展方向相违背。文献［14］提出了基于联盟链的微网间电能交易系统框架，设计了用于实现电能交易的链码，并阐述了整个交易流程。文献［15］提出一种基于联盟链的微网间能源产消者博弈定价策略。上述研究基于实用拜占庭容错（practical Byzantine fault tolerance，PBFT）机制达成共识，而PBFT 机制共识过程较高的通信复杂度使其在工程应用中仍存在一定的局限性。

为此，本文提出了基于区块链的微网间绿电交易方法，允许含分布式可再生能源、储能及绿电负荷的微网间相互交易绿电，以量化绿电生产消纳的价值。建立了基于纳什议价理论［16］的绿电交易滚动出清模型及结算方法，以保证绿电交易的资源最优配置以及市场红利分配的公平性。提出了基于联盟链的微网间绿电交易实现方法，设计了绿电交易智能合约及基于简化代理拜占庭容错（simplified delegated Byzantine fault tolerance，SDBFT）［17］的微网间绿电交易共识过程，在降低共识过程通信复杂度的同时，以可信自治的方式实现了多微网间的绿电交易。

1 微网间绿电交易模型

本文提出的微网间绿电交易机制如图1 所示。

图1 微网间绿电交易机制Fig.1 Green electricity trading mechanism among microgrids

对于绿电供大于求（本地可再生能源出力大于负荷需求）的微网，可以分布式能源上网电价向电网企业出售富余电能，或向其他微网出售绿电；对于供不应求（本地可再生能源出力小于负荷需求）的微网，可以终端销售电价从电网企业购买电能，或从其他微网购买绿电。微网间绿电交易包含交易出清和交易结算两个主要部分：

1）交易出清：在时段v，参与绿电交易的微网首先提交自身从v+1 时段到v+T时段的报价信息，并交纳交易保证金；然后，市场以T为出清窗口求解得到微网间绿电交易出清结果；最后，市场将出清结果返回给参与交易的微网，并在微网确认结果后，在v+1 时段按照出清结果交割绿电。

2）交易结算：在完成电能交割后，根据微网侧智能电表的计量数据，在v+2 时段计算微网间绿电交易偏差量并执行结算，然后将结算结果返回参与交易的微网。

1.1 绿电交易出清

为确定绿电交易的出清结果，本节首先建立单个微网的优化运行模型。随后，提出基于纳什议价的绿电交易滚动出清模型及求解方法，保证市场的资源配置效率最优性及交易红利分配公平性。

1.1.1 单微网运行模型

1）目标函数

微网中的工商业和居民均存在绿电需求：对于工业用户而言，使用绿电能够为其商品带来更高的附加价值；对于商业居民用户而言，使用绿电能够契合其节能减排的积极性。微网中具有绿色属性需求的工商业用户需要提交自身的绿电不足损失函数，如式（2）所示。本文将该函数定义为线性形式［18］，其他形式的绿电不足损失函数同样适用于本文交易机制。

式中：ai、bi分别为微网i中燃气轮机发电成本的二次项、一次项系数；PGTi，t为 微 网i中 的 燃 气 轮 机 在 时段t的平均功率。

微网i参与绿电交易的过网费成本为：

式中：φ为过网费费率；Pij，t为t时段微网i向微网j出售的绿电 功率，且 有Pij，t=-Pji，t。

式（5）表示绿电的买卖双方将分摊支付过网费给电网企业。通过引入过网费，可以防止因用户侧端对端（peer-to-peer，P2P）交易导致配电网安全约束越限，并在分布式绿电交易中为市场成员提供明确的价格信号［19］。

当微网i的绿电出力高于绿电需求时，可以向电网企业出售富余电量，所得收益为：

式中：γ为分布式能源上网电价；PDER，gi，t为 微 网i的 绿电余量上网部分功率。

微网i向其他微网出售绿电的收益如下：

微网i中储能装置的充放电功率约束以及存储能量约束可以表示为［20］：

1.1.2 基于纳什议价的微网间绿电交易滚动出清理性微网参与微网间交易的前提是绿电交易可以降低自身的综合用能成本。因此，微网在绿电交易前后的成本需要满足个人理性约束，即

基于纳什议价的滚动出清模型可以写为如下形式：

式中：M为参与绿电交易的微网数量；Ω为微网间绿电交易的出清变量集合，即Ω={πij，t，Pij，t}。

由于出清模型式（14）高度非线性，直接求解难度较大，故本文引入两阶段的求解方法［8］。将模型式（14）转化为社会总成本最小化和支付效益最大化两个依次求解的子问题，得到微网间的交易出清结果。

1）社会总成本最小化

根据算术-几何均值不等式，当模型式（14）的目标函数取得最优解时需满足：

通过求解由式（2）—式（12）、式（17）定义的社

2）支付效益最大化

在确定最优交易量后，将优化变量回代到式（14）并取对数来确定绿电交易价格。在滚动出清模式下，v时段将得到v+1 至v+T时段的出清电量，但实际只执行v+1 时段的出清结果。因此，支付效益最大化子问题也只需求解得出v+1 时段的出清价格，即

通过求解模型式（18），可以得到v+1 时段的微网间绿电交易出清价格，出清过程完成。

1.2 绿电交易结算

在绿电交易出清后，出清结果将提交至电网企业。实际交割后，电网企业根据微网侧部署的智能电表所读取的数据进行如下操作：1）对于非微网间绿电交易部分，与微网直接结算；2）对于微网间绿电交易部分，向微网结算过网费；3）将智能电表数据记录上链，由区块链结算微网间绿电交易，保证计量数据及结算结果的可信、可查、可验。

需要注意的是，负荷和绿电出力实际值往往和预测值存在偏差。在这种情况下，规定实际绿电发电量将依次满足本地需求、微网间交易交割需求，富余部分则由电网企业收购。同时，若某微网同时向多个微网出售绿电，则按照交易量比例分配实际交割量。当卖方微网i向买方微网j实际交割的绿电小于其成交量时，微网i需要对微网j支付补偿。补偿由两部分组成：一是由于绿电不足导致的绿电不足损失补偿（以微网j的绿电效用系数为参考）；二是由于电能不足导致的供求不平衡补偿（以从电网企业购电的终端销售电价为参考），如式（19）所示。

2 微网间绿电交易的区块链实现方法

本章提出基于联盟链的微网间绿电交易实现方法，以微网群自治方式保证交易的公正可信。在合约层，设计微网间绿电交易出清及结算智能合约，实现合约化、自动化的交易出清和结算过程；在共识层，提出基于SDBFT 的微网交易共识过程，保障交易结果的可信赖性。

2.1 微网间绿电交易智能合约

微网间分布式绿电交易智能合约包括两个主要部分：交易出清智能合约和交易结算智能合约，如图2（a）所示。

图2 绿电交易共识过程Fig.2 Consensus process of green electricity trading

2.1.1 微网间绿电交易出清智能合约SC1

微网间绿电交易出清智能合约包括3 个功能函数：交易请求函数、求解谈判破裂点函数和求解纳什议价函数。具体定义如下：

1）交易请求函数：该函数由参与交易的微网调用，负责收集微网购售绿电请求和报价信息（即式（1）—式（12）包含的目标函数和约束条件），并依次调用求解谈判破裂点函数及求解纳什议价函数。同时，在智能合约地址存储微网交纳的交易保证金，以防范虚假交易请求。

2）求解谈判破裂点函数：该函数根据不同微网提交的目标函数和约束条件，按照式（1）—式（11）、式（13）计算各微网的纳什议价谈判破裂点Cnoni。

3）求解纳什议价函数：该函数根据纳什议价谈判破裂点，求解微网间绿电交易出清模型式（14），得到微网间的绿电交易量及交易价。

2.1.2 微网间绿电交易结算智能合约SC2

微网间绿电交易结算智能合约主要包括两个函数部分：

1）校核函数：该函数由各微网调用，根据微网间绿电实际交割测量值和成交信息，计算得到各微网的偏差惩罚和实际收益，随后调用支付函数。

2）支付函数：该函数从买方微网账户中扣除交易支付费用，并转账给卖方微网账户，最后将结余返还给各个参与交易的微网。

2.2 微网绿电交易共识过程

在微网间绿电交易过程中，一组预先选举产生的微网作为区块链共识节点，共同执行绿电交易智能合约。在每次交易出清或交易结算过程中，由其中一个共识节点作为主节点，主导当前出清或结算结果的共识过程，其他共识节点作为从节点，检验并确认主节点执行结果的正确性。本文提出了基于SDBFT 的微网绿电交易共识方案，以确保共识节点按智能合约执行微网间绿电交易出清及结算过程，如图2（b）所示。图中，X代表未承担共识责任的微网，D0为共识主节点，D1～DK为共识从节点。在每轮市场出清和结算结束后，将更换主节点。假设更换后的主节点为Dk，则k需满足k=(kcurrent+1)mod(K+1)，其中kcurrent为当前主节点编号。由于同一配电网内的微网地理位置接近，且微网节点规模相对较小，本节认为微网节点间的通信满足同步性假设，即由一个节点发出的信息可在确定且已知的时长内被其余节点接收。这一假设也被当前能源区块链共识机制研究所采用［17，21］。在该情况下，区块链网络能够容纳小于总共识节点数一半的恶意节点。

在SDBFT 共识算法下，每轮微网绿电交易共识过程共包括5 个步骤：提交请求、发起提议、验证提议、发布结果和更换主节点。本文以微网间绿电交易出清智能合约执行为例，介绍其共识过程。

附录A 论证了当超过半数的共识节点为诚实节点时，基于SDBFT 的微网交易共识方案可保证绿电交易出清过程的可信赖性。交易结算的共识过程与交易出清的共识过程类似，不再赘述。SDBFT共识算法下，微网间绿电交易共识过程的通信时间复杂度为O（K）。相较于基于PBFT 的微网绿电交易共识方案（通信复杂度为O（K2）），SDBFT 共识算法可以减轻共识节点之间的通信负担，提高微网间绿电交易的出清和结算效率。

综上所述，微网间的绿电交易规则由智能合约规定且由全部共识节点共同存储备份，使交易规则难以被第三方节点篡改。微网间的绿电交易结果由各共识节点通过SDBFT 共识算法确认和验证，任一共识节点均无法篡改交易结果。基于区块链的微网绿电交易方法确保了交易过程的透明、可信。

3 算例仿真

算例包含4 个独立运行的微网，微网中的设备包含分布式可再生能源、储能装置和电力用户，其参数设置如表1 所示［22］。滚动优化时间窗口T从24 h递减到1 h，每个优化时段长度Δt为1 h。

表1 不同微网的运行参数设置Table 1 Operation parameter setting of different microgrids

微网典型日实际负荷曲线和绿电出力曲线如附录B 图B1 所示。假设预测值和实际值之间的偏差满足：

3.1 交易出清

微网间电能交易情况如图3 所示。其中，（G）表示考虑绿色属性的交易情况，（N）表示不考虑绿色属性的交易情况。在考虑可再生能源绿色属性的情况下，由于微网1 和微网4 自身绿电产能不足以满足本地绿电需求，在交易中为绿电买方。由于微网2 和微网3 自身绿电产能在满足本地绿电需求后仍有富余，在交易中为绿电卖方。相较于不考虑绿色属性的微网间交易，微网1 和微网4 多购买了绿电，微网2 和微网3 多出售了绿电。由此可见，该机制促进了卖方的绿电生产积极性并激发了买方的绿电消纳潜力，有效提高了分布式绿电资源的就近消纳水平。

图3 微网间的绿电交易量Fig.3 Green electricity trading amounts among microgrids

微网间绿电交易出清后，各微网的综合用能成本变化如图4 所示。由图可知，在基于纳什议价的微网间绿电交易滚动出清方法下，微网1～4 的成本在不同时段均得到了相同程度的降低。微网的总成本和过网费如表2 所示，微网1～4 的总成本在交易后均减少了2 133 美元。结果表明，本文提出的出清方法实现了各市场成员的改进，且所有微网公平地分配了绿电交易带来的社会福利增量。

表2 不同微网的成本改善水平Table 2 Cost improvement levels of different microgrids

图4 不同微网的成本变化Fig.4 Cost variation of different microgrids

在不考虑可再生能源绿色属性的情况下，微网1～4 的成本分别为2 618、-2 664、-2 087、3 173 美元。由此可见，考虑绿色属性的电能交易模式满足了绿电买方对绿色属性的需求，且充分体现了绿电卖方所提供的绿色属性价值，买卖双方的利益与不考虑绿色属性的交易模式相比均得到了改善。各微网的收支情况如附录C 图C1 所示。

3.2 交易结算

在绿电交易中，微网2 和微网3 为绿电卖方，需要按照式（19）考核其结算偏差。为验证本文提出的滚动出清方法在减少不确定性导致的微网收入损失方面的效果，本算例对比了本文出清方法与多时段统一出清方法下的微网偏差惩罚结果，如表3所示。

由表3 可知，相较于多时段统一出清方法，微网2 和微网3 在采用滚动出清方法下的偏差惩罚分别减少了18.8 美元（15.0%）和13.5 美元（14.2%）。结果表明，本文提出的基于纳什议价的微网间绿电交易滚动出清方法可保障发用电不确定性环境下微网参与绿电交易的收益，维护其参与绿电交易的积极性。

表3 交易结算偏差惩罚结果Table 3 Trading settlement results of deviation penalties

3.3 交易共识过程

在微网绿电交易共识过程中，假设微网2～4 为预先选出的共识节点，微网1 为非共识节点。在某轮共识过程中，微网2 为主节点，微网3 和微网4 为从节点。在本算例中，共识节点有3 个，故系统可容纳的恶意节点数量为1 个。本节以微网间绿电交易出清智能合约执行为例，分情况分析共识节点作恶或宕机时区块链网络中各节点之间的通信情况，如图5 所示。

1）情景1：从节点作恶或宕机

图5（a）中，若从节点D1存在作恶或宕机行为。以作恶为例，分析如下：提交请求阶段，节点X、从节点D1和从节点D2分别将自身的报价信息发送给主节点D0，主节点D0求解得到绿电纳什议价交易量和交易价格。在发起提议阶段，主节点D0将求解得到的结果发送给节点X、从节点D1和从节点D2。此时，恶意从节点D1不承认主节点D0求解的正确交易结果。但是，主节点D0仍然可以生成不少于2 个签名（包括自身签名）的有效区块。因此，所有微网仍能就绿电交易出清结果达成一致。

图5 微网间共识过程示意图Fig.5 Schematic diagram of consensus process among microgrids

2）情景2：主节点作恶或宕机

在图5（b）中，若主节点D0存在作恶或宕机行为。以作恶为例，分析如下：在提交请求阶段和发起提议阶段之后，主节点D0本应将已经验证正确的求解结果打包成区块并发送给其他微网节点。但此时，如图5（c）所示，主节点D0篡改交易结果，即压低另一卖方（从节点D1）的绿电出售价格，抬高自身的绿电出售价格。此时，从节点D2首先发现并立即向其他所有节点发送更换主节点请求信息（进入更换主节点步骤）。其他微网在确认该更换主节点请求信息合法后，忽略当前主节点的求解结果，并向新的主节点D1重新发送交易请求信息。该轮共识过程重新开始。

综上所述，在本文提出的基于SDBFT 的微网绿电交易共识过程下，当从节点或主节点存在恶意行为或故障时，绿电交易仍能正常出清和结算。

4 结语

本文建立了基于区块链的微网间绿电交易滚动出清和结算机制及模型，提出了相应的绿电交易智能合约及基于SDBFT 的绿电交易共识过程。结果表明，本文提出的滚动出清方法实现了绿电出力及需求的经济、高效平衡，确保了各微网收益的改进。微网间绿电交易智能合约保证了交易规则的透明性和不可篡改性。基于SDBFT 的绿电交易共识过程在提高通信效率的同时，能够有效抵御节点作恶或宕机风险，维持了自治交易环境下交易出清及结算结果的可信赖性。

未来的研究将着力于以下方面：研究大规模微网集群的绿电交易方案，进一步提高绿电交易出清和结算的速度；融合绿电交易与碳交易，为实现“双碳”目标构建更加高效的配电侧市场机制。

附录见本刊网络版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），扫英文摘要后二维码可以阅读网络全文。