CN108961018A - 基于智能合约的微电网电力市场去中心化交易机制 - Google Patents

Abstract

微电网作为一种分布式电源接入电网的有效手段，逐步引起广泛关注。针对如何设计有效的微电网交易机制，实现电力资源的有效配置是电力市场化改革的重点问题，本文设计了去中心化的微电网交易机制与模型，微电网中的生产者和消费者均可发起实时交易请求，采用双边拍卖规则激励用户理性报价；其次，提出了基于以太坊区块链技术的微电网运行方法，保障去中心化交易透明开放、信息对称，并详细阐述了电能交易智能合约的生成过程及交易结算方法。

Description

基于智能合约的微电网电力市场去中心化交易机制

技术领域

本发明属微电网技术领域，涉及区块链技术在微电网中的应用与微电网电力市场相结合的去中心化交易机制。

背景技术

随着电力市场化改革的有序推进及可再生能源渗透率的不断提高，允许分布式电源等多主体参与市场竞争已成为我国微电网电力市场发展的趋势。为推进能源供给侧结构性改革，促进并规范微电网健康发展，国家发展改革委国家能源局制定了《推进并网微型电网建设试运行办法》。在这一新环境中，微网社区内部资源的优化配置，必然需要更加灵活的内部交易机制，引导分布式电源和可再生能源的就地消纳，建立多元融合、供需互动、高效配置的能源生产与消费模式。

微电网电力市场的稳定运行需要创新、安全、智能的信息与通信系统和安全、高效、透明、信息对称的交易机制。区块链技术作为一种新兴的底层信息技术，以其去中心化、可编程和安全可信的特点，为微电网电力市场的设计提供了新的思路。在区块链的基础上引入智能合约，其自动化和可编程的特性为电力市场的电能交易提供了灵活的市场机制设计平台。在风力发电研究的基础上，可将上述思想应用于光伏发电系统，针对暂态过程减载情况下的功率波动问题，以光伏电池的电压-功率输出特性和逆变器控制为研究点，在MPPT控制的基础上可根据实际功率需求变轨迹运行实现功率调节，且在调节过程中可向系统提供惯量、阻尼支撑，实现暂态过程中的功率平衡，具有很大的研究价值和意义。

发明内容

文聚焦于微电网实时运行阶段，构建了基于区块链的去中心化实时交易双边交易机制与模型，并设计了考虑阻塞问题的分布式安全校核方法。同时，将以太坊智能合约引入微电网电能交易，设计了可自动执行的双边交易的智能合约，实现了微电网中各用户之间点对电的电能交易。区块链的应用，在算法上保证了信息的真实性，交易的公平性、透明性及无歧视性。同时，去中心化的交易模式解决了交易中心运行效率低、成本高、稳定性低的问题；双边拍卖机制使微网内部价格信号能正确的反应电能的供求关系；分布式安全校核有助于提高微网社区自身的鲁棒性。

附图说明

图1为微电网电力市场的组成图

图2为微电网双边交易机制流程图

图3为基于智能合约的微电网电能交易流程图

具体实施方式

下面结合具体的实施例和附图对本发明提出的基于智能合约的微电网电力市场去中心化交易机制进行详细描述。本实施例在本发明技术方法为前提下进行实施，给出了详细的实施过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图1给出微电网电力市场的组成图，每个用户都安装有用于测量用户发电量和用电需求的智能电表，以组成能量管理交易系统(Energy management trading system，EMTS)。智能电表测量到的用户信息以及根据经过EMTS对数据进行有效分析而得到的订单信息将全部上传至基于区块链的信息系统，在该信息系统提供的市场平台上进行电能交易。

图2给微电网双边交易机制流程图。为了支持将分布式可再生能源集成到电力系统中，新的市场机制必须能够反映当地能源的供需情况。本发明采用激励相容的电力市场双边拍卖机制。首先按电力市场监管规则对报价的合法性进行检查，并初始化报价数据库。其次在交易周期内的密封报价阶段，用户通过EMTS向信息系统提交一个有效的报价，以及在这个报价下的发电量(用电需求)。最后，公开密封报价并根据报价信息和出清规则确定出清价格及进入交易集的用户。

考虑一个有n个节点参与拍卖的微电网电力市场，其中i节点的报价格式为：

B_i＝(C_i，W_i)i∈n (1)

其中，C_i表示i节点单位电量的报价，报价为正值表示该节点为购电节点，同理报价为负值表示该节点为售电节点；W_i表示i节点拟出售(购买)的电能，必须为单位电量的整倍数。

计算所有参与报价节点总单位负荷量L：

将全部报价按照绝对值由小到大进行排列，其中每个报价均按它对应的交易电量重复排序。若存在报价相同的节点，且同为售电节点，则优先为交易量大的节点进行排序；若报价相同的节点同为购电节点，则优先为交易量小的节点进行排序；若购电节点与售电节点的报价相同，则售电节点在前，购电节点在后。假设|C₁|≤|C₂|≤|C₃|≤…≤|C_n|，则出清队列为：

在出清队列中，第L位的报价为该交易周期的市场出清价格。第L位之后的购电节点和第L位之前的售电节点进入交易集。若第L位为售电节点的报价，则进入交易集；若第L位为购电节点的报价，则不进入交易集。

将出清价格与电网电价及电网回购电价进行比较，确定是否需要从大电网中购买或者出售电能。此时若还有节点进入交易集，则直接与大电网按照购电或售电价格进行交易。理论上只要购电节点报价高于电网电价或者售电节点报价低于电网回购电价都能进入交易集，但考虑到社会经济原因(例如，当地政府对可再生能源的支持)，微电网内部交易的成交价格可能会超过电网电价；同理，微电网内部交易的成交价格可能会低于电网回购电价。

完全按照市场达成的电力交易可能不符合网络约束条件，因此应该对电力交易进行安全校核。首先，在网络中选取一个参考节点，其相角设定为0，其他相角的初始值也设置为0。设与i节点相连的节点集合为Ω_i；节点i的注入功率为P_i(若节点i为负荷节点，则P_i为负值)；节点i的相角经过k次迭代后数值为θ_i(k)，其中θ_i(0)＝0。

根据初始条件，运用公式(4)进行第一次迭代(参考节点不参与迭代过程)。

其中，X_ij表示节点i和节点j之间的线路阻抗。

以节点i为例，第一次迭代后，节点i会将相角信息发送给与之物理上相连的节点，同时与节点i物理上相连的节点也会将迭代后的相角信息发送给节点i，节点i接收到所有与之物理上相连的节点的相角信息后，根据公式(6)进行迭代。

重复上述过程，当对于所有节点，都有时，整个迭代过程终止，其中ε为一个小的正数。其迭代效率主要与微电网的节点数量有关。

假设微电网内所有电压幅值等于标幺值，传输电阻忽略不计，则节点i和节点j之间的线路电导和电纳分别为G_ij≈0，因为节点i和节点j之间的相角差很小，所以cos(θ_i-θ_j)≈0，sin(θ_i-θ_j)≈θ_i-θ_j。节点i和节点j之间的功率流可由公式(7)进行计算。

最后，将计算出的各线路潮流与线路的最大潮流进行比较，判断交易是否满足安全校核。若存在潮流越限情况，则减小对越限支路潮流有贡献的供电节点的发电量，重新进行拍卖，直至消除所有支路潮流越限。只有通过安全校核的交易才能够在区块链上签订智能合约。

图3给基于智能合约的微电网电能交易流程图。电力市场的双边拍卖和安全校核在智能合约中进行。该智能合约必须保证微电网电力市场中任何用户均可以自愿提供报价信息，且在竞拍阶段报价信息严格保密。本节将微电网电力市场双边交易按照时间顺序分为五个阶段：密封报价、公开密封报价、竞拍阶段、安全校核、签订智能合约。其交易流程如图3所示。

1)设定交易周期为15min，用户在0～2min根据自身实际需求提交15min后的电量需求及报价，并向智能合约地址中转入一定数量的保证金，防止恶意竞标并保障购电用户有足够的能力支付电价。由于用户发送到交易平台的信息全网用户均可见，为防止用户真实的报价信息提早泄漏，采用不可逆向求解且易于验证的哈希函数进行加密。密封报价值为：

H_i＝S(C_i，W_i，Z_i) (8)

其中，H_i表示节点i的密封报价值，S表示哈希加密函数；C_i表示节点i单位电量的报价；W_i表示i节点拟出售(购买)的电能；Z_i表示节点i中随机生成的字符串。

2)在2～4min公开密封报价，在此阶段用户需要提交未经哈希运算的真实报价、电量需求和密封报价阶段自定义的随机字符串，并验证是否与密封报价阶段提交的信息一致。若不一致，则从报价集中剔除该报价。

3)公开密封报价结束后，将所有通过验证的的报价，按照第2节提出的双边拍卖机制进行竞拍，确定出清价格及交易集。

4)按照第3节提出的安全校核方法在智能合约中计算支路潮流，若存在潮流越限，则对支路潮流有贡献的节点减少预计发(用)电量，重新向智能合约中提交报价信息，智能合约接收到信息后重新进入竞价阶段，直至消除所有潮流越限。

5)网络中任意节点均可收集全部报价信息，并运行智能合约，同时争夺该组交易的记账权。获得记账权的节点负责打包、传播其记录的全部数据，并获得一定经济激励。各节点接收到数据后，以电网企业作为输电服务方签订三方(供电方、购电方、输电方)供用电智能合约。

在规定的电能交易时间结束后，通过智能电表记录并上传至区块链的该时段用户的电能使用情况对交易进行结算。首先，扣除密封报价及公开密封报价不一致的报价者部分保证金，返还其余未中标者的全部保证金。随后，根据交易的完成情况对交易进行结算。

1)若在交易时间内的发(用)电量与计划一致，则按照事先约定好的价格进行结算，并由购电节点支付输电公司输电费用，最后返还结算之后各自剩余的保证金。

2)若在交易时间内的发(用)电量与计划值之间存在偏差，则需要调用系统备用容量消除预测偏差，同时需要存在预测偏差的用户向系统备用支付违约金。此时交易按照实际交易金额进行结算，并由购电节点支付输电公司输电费用，最后返还结算之后各自剩余的保证金。

本文所设计的微电网电力市场去中心化交易机制可通过微网内部交易电价，实时反映当地能源短缺或者过剩的情况。根据微电网内部电能的供求关系，将电力市场的运行分为以下三种情景。

情景一：出清价格在电网电价和电网回购电价之间

当微电网内部可以通过调整发电机出力或者需求响应达到供需平衡时，用户可能的真实报价信息如表1所示。经过双边拍卖，达成拟多边交易，如表2所示。采用分布式计算方法计算拟多边交易的各条线路功率，如表3所示。

表1 节点的真实报价信息

表2 拟进入交易集的各节点交易信息

表3 支路功率及传输容量

注：节点1-2支路功率为负值，表示功率有节点2流向节点1，其他支路同理。

表4 进入交易集的各节点交易信息

由计算结果可知，支路5-6与支路8-9存在潮流越限，首先减少售电节点6的发电量，重新进行拍卖，依然存在潮流越限，然后减少购电节点5的负荷量，重复上述过程，直至通过安全校核，此时各支路功率流通情况如表3所示，得到最终的多边交易集，如表4所示。上述仿真结果表明，减少对越限支路潮流有贡献的节点的发(用)电量，是消除潮流越限行之有效的方法，但交易的匹配关系可能发生改变。

情景二：出清价格不小于电网电价

当微电网内部供电能力不足时，用户可能的真实报价信息如表5所示。经过双边拍卖，达成拟多边交易，如表6所示。该交易集能够顺利通过安全校核，因此最终达成的多边交易亦如表6所示。

上述仿真结果表明，所有报价不小于电网电价的购电节点，则均可进入交易集。从节点的自利性出发，对负荷刚性需求的购电节点的报价不必高于电网电价。为促进微电网内部新能源发电的消纳，政府相应的补贴政策可能导致购电节点的报价高于电网电价。

表5 节点的真实报价信息

表6 进入交易集的各节点交易信息

情景三：出清价格不大于电网回购电价

当微电网内部供电能力过剩时，用户可能的真实报价信息如表7所示。经过双边拍卖，达成拟多边交易，如表8所示，该交易集能够顺利通过安全校核，因此最终达成的多边交易亦如表8所示。

上述仿真结果表明，所有报价不大于电网回购电价的售电节点，则均可进入交易集。从节点的自利性出发，售电节点的报价不必低于电网回购电价。为促进新能源发电的建设及发展，政府出台的相应补贴政策可能导致售电节点的报价低于电网回购电价。

表7 节点的真实报价信息

表8 进入交易集的各节点交易信息

综合情景一、二、三的仿真结果，可以看出本文应用的双边拍卖机制是激励形容的。以情景一中的报价为例，对于任意节点，比如节点11，真实报价为3.70元·(10kw·h)-1，如表1可知，此时节点11不进入交易集；如果报价比真实成本高，比如报价3.95元·(10kw·h)-1，经过重新排序后第L位价格是节点11的报价3.95元·(10kw·h)-1，此时节点11进入交易集，但净利润为负；如果报价比真实估价低，更无法达成交易。又如节点6，它最终进入交易集，提高报价有可能增加净利润，当报价为-3.9元·(10kw·h)-1时，节点6可获得最高利润，但无法预知自己就是第L为报价者，也无法预知前一位报价者的报价，为了获得至多0.5元的利润，而要承担更大的达不成交易的风险，提高报价并不是规避风险的最优策略。因此，对于所有节点来说，真实报价是他们唯一的占优策略。

同时，只要ω在0到2之间，分布式安全校核方法都是收敛的，且当ω＝1.45时，潮流计算的迭代次数可以控制在30以内，可见算法具有较强的稳定性并能够满足交易对计算速度的要求。

Claims (3)

1.针对微电网电力市场的稳定运行需要创新、安全、智能的信息与通信系统和安全、高效、透明、信息对称的交易机制的问题，提出基于智能合约的微电网去中心化交易机制，为微网社区内部资源的优化配置，引导分布式电源和可再生能源的就地消纳，建立多元融合、供需互动、高效配置的能源生产与消费模式提供了一条思路，灵活可靠。其具备的功能主要有：

①去中心化的交易模式解决了交易中心运行效率低、成本高、稳定性低的问题；

②双边拍卖机制使微网内部价格信号能正确的反应电能的供求关系；

③分布式安全校核有助于提高微网社区自身的鲁棒性。

2.根据权利要求1所述的去中心化交易机制总体架构，其特征在于：每个用户都安装有用于测量用户发电量和用电需求的智能电表，以组成能量管理交易系统(Energymanagement trading system，EMTS)。智能电表测量到的用户信息以及根据经过EMTS对数据进行有效分析而得到的订单信息将全部上传至基于区块链的信息系统，在该信息系统提供的市场平台上进行电能交易，具体步骤为：

①用户根据历史数据及用电计划预测发(用)电量，在微电网EMTS中形成投标策略，并将相应报价及电量上传至区块链系统中。

②系统利用双边拍卖机制确定微电网电力市场的出清价格(保证微电网电力市场供需平衡的多边交易成交价格)和进入交易集的用户。

③判定出清价格与电网电价(大电网向微电网出售电能的价格)及电网回购电价(大电网收购微电网中剩余电量的价格)的关系并确定新的交易集。若出清价格不小于电网电价，则说明微电网内部电能供应不足，应从大电网中购买电能；若出清价格不大于电网回购电价，则说明微电网内部电能供应过剩，可将过剩部分的电能出售给大电网；若出清价格介于电网电机和电网回购电价之间，则说明微电网基本能够满足自身的供需平衡。

④在确定各节点的发(用)电量，及公共连接点的状态之后，对拟进行的交易进行安全校核，若存在潮流越限，则修正出清队列及成交电量。

⑤重复②～④直至消除所有支路的潮流越限，以保证交易的顺利执行。

⑥以电网企业作为输电服务方在区块链上签订三方(供电方、购电方、输电方)供用电智能合约，以保证交易的自动执行。

3.根据权利要求1所述的智能合约与双边拍卖机制及安全校核相结合的微电网电力市场去中心化交易机制，在双边拍卖过程中采用密封报价，并向智能合约地址中转入一定数量的保证金，防止恶意竞标并保障购电用户有足够的能力支付电价；安全校核过程中，若存在潮流越限，则对支路潮流有贡献的节点减少预计发(用)电量，保证实际交易中不存在潮流越限情况。