CN111178632A - 基于区块链技术的多能源多边分布式交易方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于区块链技术的多能源多边分布式交易方法，包括初始化价格信息；参与交易的所有市场主体根据已知信息确定各自的交易策略，并发布信息至能源区块链网络；各个利益主体博弈合约价格和合约用能量；通过分布式算法使得博弈达到纳什均衡，在均衡价格和需求量下，各个利益主体都使得自身的利益最大化；供需双方达成共识，签订智能合约，交易信息记录于区块链中并在网络中发布；交易执行；完成价值转移，结束交易。本发明实现了区域内多个综合能源服务商和多个负荷聚合商之间的多边交易以及能源传输，解决了多能源的协调互补问题，满足了多方主体公平公正、高效、灵活、安全的能源交易并且保证了交易数据的保密性与可靠性。

Description

基于区块链技术的多能源多边分布式交易方法
技术领域：
本发明涉及一种基于区块链技术的多能源多边分布式交易方法，属于综合能源系统交易方式技术领域。
背景技术：
面对日趋严重的能源危机，为了提高能源利用率，充分发挥多种能源之间的互补协同作用，使不同形式的能源，如电力、燃气和热能之间的相互依存更加紧密，因此，传统的电力系统正逐步转化为多能源系统。然而，多种能源之间的耦合和互补必然会增加能源管理的难度，所以对多能源耦合的管理协调变得尤为关键。
传统的能源交易模式都有相应的中央管理机构，在建立和维护初期耗费大量的资金人力成本；交易中心管理所有的交易数据，数据易被篡改以及丢失；这种中心化的交易模式存在交易信息不对称等问题，导致各方利益分配不均衡。为了提高多能源协同效率，适应多能源市场的耦合，分布式能源交易框架近年来得到广泛关注。
随着区块链等分布式合约机制技术的快速发展，涉及多利益主体间的交互、谈判和结算的分布式交易成本大幅下降，有效地推动了去中心化的分布式交易模式的发展，对于构建安全、高效、灵活的多能源交易方式具有巨大的潜力。因此，如何保证市场参与者信息安全，实现不同主体的利益最大化，构建适应于多种能源耦合的分布式交易机制成为业界急需解决的问题。
发明内容：
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于区块链技术的多种能源多边分布式交易方法，用于解决现有技术存在的交易成本高，通信效率低，信息不对称，利益分配不均和信息安全等问题。
本发明的上述目的可通过以下技术方案来实现：
一种基于区块链技术的多能源多边分布式交易方法，该方法包括：
(1)初始化价格信息；
(2)负荷聚合商根据初始价格信息，确定最优用能需求，打包成区块结构并加密；
(3)综合能源服务商根据用能需求信息确定各自的最优价格信息，这些有效信息分别打包成区块结构并加密；
(4)区块链向网络中发布共识信息；
(5)各个利益主体博弈合约价格和合约用能量；
(6)通过分布式算法使得博弈达到纳什均衡，在均衡价格和需求量下，各个利益主体都使得自身的利益最大化；
(7)供需双方达成共识，签订智能合约，交易信息记录于区块链中并在网络中发布；
(8)交易执行；
(9)完成价值转移，结束交易。
进一步地，步骤(1)的具体过程如下：
综合能源服务商i对负荷聚合商j的报价价格为
Figure BDA0002349887390000021
其中
Figure BDA0002349887390000022
为基本合约价格，λi为价格关于合同购能量的增长系数，在t时刻，合约购能量为
Figure BDA0002349887390000023
合约价格为
Figure BDA0002349887390000024
合约价格满足下式：
Figure BDA0002349887390000025
进一步地，步骤(2)的具体过程如下：
每个负荷聚合商确定各自最优用能策略在满足终端用户的同时能够最小化用能成本，问题转化为求解以下的优化问题：
Figure BDA0002349887390000026
Figure BDA0002349887390000027
Figure BDA0002349887390000028
式中，Uj为负荷聚合商j的效用函数；Cj为负荷聚合商j的成本函数；
Figure BDA0002349887390000029
为负荷聚合商j在t时刻的用能量向量；
Figure BDA00023498873900000210
为负荷聚合商j在t时刻购能价格向量；
Figure BDA00023498873900000211
为负荷聚合商j在t时刻从服务商i购能量；
Figure BDA00023498873900000212
为负荷聚合商j在t时刻的用能总需求；
Figure BDA00023498873900000213
负荷聚合商j在t时刻从服务商i最大购能量。
优选地，负荷聚合商j在t时刻的用能量向量
Figure BDA00023498873900000214
不局限于单一的能源形式，包括电能、热能和燃气的任意组合。
进一步地，步骤(3)具体过程如下：
综合能源服务商作为博弈的领导者，为实现自身利益最大化，将根据负荷聚合商的用能需求信息，更新自身的价格信息，问题转化为求解以下的优化问题：
max Ui(P)＝(Pi)TQi-C(Gi)
＝(Pi)TQi-(AiGi TGi+BiEGi+Ci)
s.t.Pi,min≤Pi≤Pi,max
Gi≥Qi
式中，Ui为综合能源服务商i的效用函数；C为综合能源服务商i的成本函数；Qi为综合能源服务商i售能向量；Pi为综合能源服务商i售能价格向量；Gi为综合能源服务商的产能量；Ai、Bi、Ci为综合能源服务商i的成本系数；Pimin和Pimax分别为服务商i的价格约束的下限和上限。
进一步地，步骤(2)和/或步骤(3)中所述的信息打包成区块结构并加密的过程中，由负荷聚合商和综合能源服务商构成的市场主体u使用公钥upublickey和私钥upriatekey生成交易认证的时间戳和信息交换地址
Figure BDA0002349887390000031
每个市场主体公布的信息如下：
Figure BDA0002349887390000032
Iu为市场主体u公布的信息集；
Figure BDA0002349887390000033
是交易主体在时间t至t+Δt内的合约用能量和合约价格；
Figure BDA0002349887390000034
是由主体u的公钥计算的节点地址。
进一步地，步骤(6)具体过程如下：
(6a)负荷聚合商j更新最优需求量：
Figure BDA0002349887390000035
式中，
Figure BDA0002349887390000036
为负荷聚合商j在k时刻从服务商i最优购能量；
Figure BDA0002349887390000037
为负荷聚合商j在k时刻从服务商i购能价格；Uj为负荷聚合商j的效用函数。
(6b)综合能源服务商i根据最新的能源需求量更新价格策略，m为迭代次数：
Figure BDA0002349887390000038
式中，Ui为综合能源服务商i的效用函数；
Figure BDA0002349887390000039
为综合能源服务商i基本合约价格；
Figure BDA00023498873900000310
为综合能源服务商i最优合约价格。
(6c)如果Ui(m+1)＜Ui(m)，则
Figure BDA00023498873900000311
式中，Ui为综合能源服务商i的效用函数；
Figure BDA00023498873900000312
为综合能源服务商i最优合约价格。
(6d)不断地迭代更新，直到满足下式，达到收敛，综合能源服务商间博弈达到纳什均衡，其中收敛精度ε为10-3
Figure BDA00023498873900000313
式中，
Figure BDA00023498873900000314
为综合能源服务商i基本合约价格。
(6e)负荷聚合商根据最新的价格信息，更新用能需求，k＝k+1，k为迭代次数；
(6f)不断地迭代更新，直到满足下式，市场价格收敛，此时，供需双方达到均衡，其中收敛精度ε为10-3
Figure BDA0002349887390000041
式中，
Figure BDA0002349887390000042
为综合能源服务商i在第k次迭代的售能价格向量。
进一步地，步骤(7)中所述的签订智能合约是指：当交易主体r和u达成一致，签订如下智能合约：
Ci＝[Su|Sr||Qi,Pi|[t,t+Δt]]
其中，Ci为交易主体r和u达成的智能合约的副本；Su为市场主体u签订的副本；Sr为市场主体r签订的副本；Qi为合约购能量；Pi为合约价格。
有益效果：
本发明提供的基于区块链技术的多种能源多边分布式交易方式，实现了区域内综合能源服务商和负荷聚合商之间的多边交易以及能源传输，解决了多能源的协调互补问题，满足了多方主体公平公正、高效、灵活、安全的能源交易。采用区块链技术降低了多能源市场中的多边交易成本，保证了交易数据的保密性与可靠性，在最大化各方利益的同时保障了各个利益主体的隐私安全。
附图说明：
图1是本发明方法的步骤流程图；
图2是本发明实施例中负荷聚合商的电能负荷曲线图；
图3是本发明实施例中负荷聚合商的热能负荷曲线图；
图4是本发明实施例中现货电价曲线图；
图5是本发明交易方式下，实施例中调度数据的结构图；
图6是本发明交易方式下，实施例中负荷聚合商1的购电分布图；
图7是本发明交易方式下，实施例中负荷聚合商2的购电分布图；
图8是本发明交易方式下，实施例中负荷聚合商3的购电分布图；
图9是本发明交易方式下，实施例中负荷聚合商1的购热分布图；
图10是本发明交易方式下，实施例中负荷聚合商2的购热分布图；
图11是本发明交易方式下，实施例中负荷聚合商3的购热分布图。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供一种基于区块链技术的多能源多边分布式交易方法，所涉及的区块链交易在一定区域内进行，交易主体有：多个综合能源服务商、多个负荷聚合商。参与交易的能源系统包括：电力系统、热力系统和燃气系统，各系统互联互补，构成综合能源系统。交易可以应用于实时市场、日前市场和中长期市场。在物理层，区域内所有参与交易的综合能源服务商和负荷聚合商都通过电力管道、热力管道和天然气管道相连接。综合能源服务商具有多类型供能设备和转换设备，能够为负荷聚合商同时提供电热气三种能源。负荷聚合商则聚合一定区域内的用户的综合能源需求响应的柔性负荷资源，并将它们引入市场交易。在信息层，区域内的每个市场主体均配备了相应的区块，各区块相互连接形成能源区块，在不同时间段形成区块链。因此，随着时间推移，区块链将形成能源区块链网络。作为能源转移数据和市场交易数据的基础，在能源区块链网络中的每个主体模块都存有各自的基本信息，用于区块网络认证和身份认证。该方法具体包括如下步骤：
(1)初始化价格信息；
(2)负荷聚合商根据初始价格信息，确定最优用能需求，打包成区块结构并加密；
(3)综合能源服务商根据用能需求信息确定各自的最优价格信息，这些有效信息分别打包成区块结构并加密；
(4)区块链向网络中发布共识信息；
(5)各个利益主体博弈合约价格和合约用能量；
(6)通过分布式算法使得博弈达到纳什均衡，在均衡价格和需求量下，各个利益主体都使得自身的利益最大化；
(7)供需双方达成共识，签订智能合约，交易信息记录于区块链中并在网络中发布；
(8)交易执行；
(9)完成价值转移，结束交易。
进一步地，步骤(1)的具体过程如下：
综合能源服务商i对负荷聚合商j的报价价格为
Figure BDA0002349887390000051
其中
Figure BDA0002349887390000052
为基本合约价格，λi为价格关于合同购能量的增长系数，在t时刻，合约购能量为
Figure BDA0002349887390000053
合约价格为
Figure BDA0002349887390000054
合约价格满足下式：
Figure BDA0002349887390000055
进一步地，步骤(2)的具体过程如下：
每个负荷聚合商确定各自最优用能策略在满足终端用户的同时能够最小化用能成本，问题转化为求解以下的优化问题：
Figure BDA0002349887390000056
Figure BDA0002349887390000061
Figure BDA0002349887390000062
式中，Uj为负荷聚合商j的效用函数；Cj为负荷聚合商j的成本函数；
Figure BDA0002349887390000063
为负荷聚合商j在t时刻的用能量向量；
Figure BDA0002349887390000064
为负荷聚合商j在t时刻购能价格向量；
Figure BDA0002349887390000065
为负荷聚合商j在t时刻从服务商i购能量；
Figure BDA0002349887390000066
为负荷聚合商j在t时刻的用能总需求；
Figure BDA0002349887390000067
负荷聚合商j在t时刻从服务商i最大购能量。
优选地，负荷聚合商j在t时刻的用能量向量
Figure BDA0002349887390000068
不局限于单一的能源形式，包括电能、热能和燃气的任意组合。
进一步地，步骤(3)具体过程如下：
综合能源服务商作为博弈的领导者，为实现自身利益最大化，将根据负荷聚合商的用能需求信息，更新自身的价格信息，问题转化为求解以下的优化问题：
max Ui(P)＝(Pi)TQi-C(Gi)
＝(Pi)TQi-(AiGi TGi+BiEGi+Ci)
s.t.Pi,min≤Pi≤Pi,max
Gi≥Qi
式中，Ui为综合能源服务商i的效用函数；C为综合能源服务商i的成本函数；Qi为综合能源服务商i售能向量；Pi为综合能源服务商i售能价格向量；Gi为综合能源服务商的产能量；Ai、Bi、Ci为综合能源服务商i的成本系数；Pimin和Pimax分别为服务商i的价格约束的下限和上限。
进一步地，步骤(2)和/或步骤(3)中所述的信息打包成区块结构并加密的过程中，由负荷聚合商和综合能源服务商构成的市场主体u使用公钥upublickey和私钥upriatekey生成交易认证的时间戳和信息交换地址
Figure BDA0002349887390000069
每个市场主体公布的信息如下：
Figure BDA00023498873900000610
Iu为市场主体u公布的信息集；
Figure BDA00023498873900000611
是交易主体在时间t至t+Δt内的合约用能量和合约价格；
Figure BDA00023498873900000612
是由主体u的公钥计算的节点地址。
进一步地，步骤(6)具体过程如下：
(6a)负荷聚合商j更新最优需求量：
Figure BDA00023498873900000613
式中，
Figure BDA00023498873900000614
为负荷聚合商j在k时刻从服务商i最优购能量；
Figure BDA00023498873900000615
为负荷聚合商j在k时刻从服务商i购能价格；Uj为负荷聚合商j的效用函数。
(6b)综合能源服务商i根据最新的能源需求量更新价格策略，m为迭代次数：
Figure BDA0002349887390000071
式中，Ui为综合能源服务商i的效用函数；
Figure BDA0002349887390000072
为综合能源服务商i基本合约价格；
Figure BDA0002349887390000073
为综合能源服务商i最优合约价格。
(6c)如果Ui(m+1)＜Ui(m)，则
Figure BDA0002349887390000074
式中，Ui为综合能源服务商i的效用函数；
Figure BDA0002349887390000075
为综合能源服务商i最优合约价格。
(6d)不断地迭代更新，直到满足下式，达到收敛，综合能源服务商间博弈达到纳什均衡，其中收敛精度ε为10-3
Figure BDA0002349887390000076
式中，
Figure BDA0002349887390000077
为综合能源服务商i基本合约价格。
(6e)负荷聚合商根据最新的价格信息，更新用能需求，k＝k+1,k为迭代次数；
(6f)不断地迭代更新，直到满足下式，市场价格收敛，此时，供需双方达到均衡，其中收敛精度ε为10-3
Figure BDA0002349887390000078
式中，
Figure BDA0002349887390000079
为综合能源服务商i在第k次迭代的售能价格向量。
进一步地，步骤(7)中所述的签订智能合约是指：当交易主体r和u达成一致，签订如下智能合约：
Ci＝[Su|Sr||Qi,Pi|[t,t+Δt]]
其中，Ci为交易主体r和u达成的智能合约的副本；Su为市场主体u签订的副本；Sr为市场主体r签订的副本；Qi为合约购能量；Pi为合约价格。
下面以一个具体实例来说明本发明的方法：
步骤1：交易周期为24小时，参与交易的主体有：三个负荷聚合商和三个综合能源服务商，交易能源有电能和热能，综合能源服务商的相关成本以及参数如表1，负荷聚合商的电负荷曲线如图2，负荷聚合商的热负荷曲线如图3，现货市场电价曲线如图4。各个参与主体公布购售信息至能源区块链网络中。
Figure BDA00023498873900000710
表1中，ae和be为电能生产成本参数；ah和bh为热能生产成本参数；λE和λH分别为合约电量和热量的增长系数；qemax和qhmax分别为每个负荷聚合商单位时刻在综合能源服务商处的购电和购热上限。
优选地，将现货电力市场也参与交易，由于热力市场发展尚未成熟，现货热力市场不参与交易。
步骤2：每个参与交易的市场主体根据接收的交易信息，更新各自的交易策略。
步骤3：经过多次博弈，综合能源服务商之间达成纳什均衡，与此同时，综合能源服务商和负荷聚合商达成均衡，并签订智能合约。合约电价和合约电量如表2，合约热价和合约热量如表3。
Figure BDA0002349887390000081
表2
Figure BDA0002349887390000082
表3
步骤4：智能合约签订之后，能源管理区块链将传输调度信息，包括能源来源地址、能源价格信息、能源需求信息、交易有效时间，调度数据的结构图如图5。
步骤5：交易执行，综合能源服务商通过能源网络将电能和热能传输给负荷聚合商，负荷聚合商安排实施用能计划，三个负荷聚合商的购电分布分别如图6-8，购热分布如图9-11。
步骤6：交易周期结束后，按照智能合约完成交易结算和资金转移。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于区块链技术的多能源多边分布式交易方法，其特征在于，该方法包括：
(1)初始化价格信息；
(2)负荷聚合商根据初始价格信息，确定最优用能需求，打包成区块结构并加密；
(3)综合能源服务商根据用能需求信息确定各自的最优价格信息，这些有效信息分别打包成区块结构并加密；
(4)区块链向网络中发布共识信息；
(5)各个利益主体博弈合约价格和合约用能量；
(6)通过分布式算法使得博弈达到纳什均衡，在均衡价格和需求量下，各个利益主体都使得自身的利益最大化；
(7)供需双方达成共识，签订智能合约，交易信息记录于区块链中并在网络中发布；
(8)交易执行；
(9)完成价值转移，结束交易。
2.根据权利要求1所述的基于区块链技术的多能源多边分布式交易方法，其特征在于，步骤(1)的具体过程如下：
综合能源服务商i对负荷聚合商j的报价价格为
Figure FDA0002349887380000011
其中
Figure FDA0002349887380000012
为基本合约价格，λi为价格关于合同购能量的增长系数，在t时刻，合约购能量为
Figure FDA0002349887380000013
合约价格为
Figure FDA0002349887380000014
合约价格满足下式：
Figure FDA0002349887380000015
。
3.根据权利要求1所述的基于区块链技术的多能源多边分布式交易方法，其特征在于，步骤(2)的具体过程如下：
每个负荷聚合商确定各自最优用能策略在满足终端用户的同时能够最小化用能成本，问题转化为求解以下的优化问题：
Figure FDA0002349887380000016
Figure FDA0002349887380000017
Figure FDA0002349887380000018
式中，Uj为负荷聚合商j的效用函数；Cj为负荷聚合商j的成本函数；
Figure FDA0002349887380000021
为负荷聚合商j在t时刻的用能量向量；
Figure FDA0002349887380000022
为负荷聚合商j在t时刻购能价格向量；
Figure FDA0002349887380000023
为负荷聚合商j在t时刻从服务商i购能量；
Figure FDA0002349887380000024
为负荷聚合商j在t时刻的用能总需求；
Figure FDA0002349887380000025
负荷聚合商j在t时刻从服务商i最大购能量。
4.根据权利要求3所述的基于区块链技术的多能源多边分布式交易方法，其特征在于，负荷聚合商j在t时刻的用能量向量
Figure FDA0002349887380000026
不局限于单一的能源形式，包括电能、热能和燃气的任意组合。
5.根据权利要求1所述的基于区块链技术的多能源多边分布式交易方法，其特征在于，步骤(3)具体过程如下：
综合能源服务商作为博弈的领导者，为实现自身利益最大化，将根据负荷聚合商的用能需求信息，更新自身的价格信息，问题转化为求解以下的优化问题：
maxUi(P)＝(Pi)TQi-C(Gi)
＝(Pi)TQi-(AiGi TGi+BiEGi+Ci)
s.t.Pi，min≤Pi≤Pi，max
Gi≥Qi
式中，Ui为综合能源服务商i的效用函数；C为综合能源服务商i的成本函数；Qi为综合能源服务商i售能向量；Pi为综合能源服务商i售能价格向量；Gi为综合能源服务商的产能量；Ai、Bi、Ci为综合能源服务商i的成本系数；Pimin和Pimax分别为服务商i的价格约束的下限和上限。
6.根据权利要求1所述的基于区块链技术的多能源多边分布式交易方法，其特征在于，步骤(2)和/或步骤(3)中所述的信息打包成区块结构并加密的过程中，由负荷聚合商和综合能源服务商构成的市场主体u使用公钥upublickey和私钥upriatekey生成交易认证的时间戳和信息交换地址
Figure FDA0002349887380000027
每个市场主体公布的信息如下：
Figure FDA0002349887380000028
Iu为市场主体u公布的信息集；
Figure FDA0002349887380000029
是交易主体在时间t至t+Δt内的合约用能量和合约价格；
Figure FDA00023498873800000210
是由主体u的公钥计算的节点地址。
7.根据权利要求1所述的基于区块链技术的多能源多边分布式交易方法，其特征在于，步骤(6)具体过程如下：
(6a)负荷聚合商j更新最优需求量：
Figure FDA0002349887380000031
式中，
Figure FDA0002349887380000032
为负荷聚合商j在k时刻从服务商i最优购能量；
Figure FDA0002349887380000033
为负荷聚合商j在k时刻从服务商i购能价格；Uj为负荷聚合商j的效用函数。
(6b)综合能源服务商i根据最新的能源需求量更新价格策略，m为迭代次数：
Figure FDA0002349887380000034
式中，Ui为综合能源服务商i的效用函数；
Figure FDA0002349887380000035
为综合能源服务商i基本合约价格；
Figure FDA0002349887380000036
为综合能源服务商i最优合约价格。
(6c)如果Ui(m+1)＜Ui(m)，则
Figure FDA0002349887380000037
式中，Ui为综合能源服务商i的效用函数；
Figure FDA0002349887380000038
为综合能源服务商i最优合约价格。
(6d)不断地迭代更新，直到满足下式，达到收敛，综合能源服务商间博弈达到纳什均衡，其中收敛精度ε为10-3
Figure FDA0002349887380000039
式中，
Figure FDA00023498873800000310
为综合能源服务商i基本合约价格。
(6e)负荷聚合商根据最新的价格信息，更新用能需求，k＝k+1，k为迭代次数；
(6f)不断地迭代更新，直到满足下式，市场价格收敛，此时，供需双方达到均衡，其中收敛精度ε为10-3
Figure FDA00023498873800000311
。
8.根据权利要求1所述的基于区块链技术的多能源多边分布式交易方法，其特征在于，步骤(7)中所述的签订智能合约是指：当交易主体r和u达成一致，签订如下智能合约：
Ci＝[Su|Sr||Qi，Pi|[t，t+Δt]]
其中，Ci为交易主体r和u达成的智能合约的副本；Su为市场主体u签订的副本；Sr为市场主体r签订的副本；Qi为合约购能量；Pi为合约价格。
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