區(qū)塊鏈技術下考慮碳排放權的電力現(xiàn)貨交易模型

張冶，陳洪禹，關艷，陸心怡，夏靖怡，孫佳音

(國網(wǎng)遼寧省電力有限公司營銷服務中心，沈陽 110870)

0 引 言

做好“碳達峰、碳中和”工作是我國重點任務之一[1-3]，而電力行業(yè)中的碳排放水平會直接影響著“雙碳”目標的實現(xiàn)，進而，以“高比例可再生能源”與“高比例電力電子設備”為特征的新型電力系統(tǒng)將是未來發(fā)展的方向[4-6]。當大量的可再生能源、儲能、負荷聚合商等能源的產(chǎn)消商涌入電力現(xiàn)貨市場時[7-9]，具有去中心化、公開透明的區(qū)塊鏈分布式賬本技術，可有效提高各個電力交易主體的積極性和效率[10-11]，因此，在區(qū)塊鏈技術的支撐下，研究考慮碳排權的電力現(xiàn)貨市場交易機制可為電力系統(tǒng)低碳轉型提供重要的理論與技術基礎。

目前，已有學者針對基于區(qū)塊鏈電力現(xiàn)貨交易開展了相關研究,并取得了一定的成果。文獻[12]為保證電力現(xiàn)貨交易過程中各個電能產(chǎn)消者信息安全，提出了基于區(qū)塊鏈的產(chǎn)消者電能交易模型；文獻[13]提出了基于區(qū)塊鏈技術的儲能商現(xiàn)貨交易方法，以提高儲能的利用率和效益；文獻[14]為提高電力現(xiàn)貨市場的交易效率，提出了基于智能合約和區(qū)塊鏈技術的電力交易機制；文獻[15]為保證配網(wǎng)的安穩(wěn)運行，提出了基于配網(wǎng)安全校核的區(qū)塊鏈交易模型；文獻[16]為最大化產(chǎn)消各方的經(jīng)濟效益，提出了基于區(qū)塊鏈點對點的電力現(xiàn)貨交易模型。

上述研究在一定程度為區(qū)塊鏈技術在電力現(xiàn)貨市場中的應用提供了理論支撐，但對于碳排放權和電能交易間的協(xié)調考慮較少，也沒有在保證源網(wǎng)荷儲的效益以及各方參與到電力交易中的積極性等方面進行較為深入的探討。隨著我國碳排放權交易市場和“雙高”新型電力系統(tǒng)建設的深入，不僅要保證源網(wǎng)荷儲等各類電力資源參與到現(xiàn)貨交易的效益和積極性，還要完善電力行業(yè)中碳排放權的交易環(huán)境。因此，本文提出兼顧電能和碳排放權交易的區(qū)塊鏈現(xiàn)貨交易機制，在此基礎上，同時考慮供能商、售能商、儲能商和負荷聚合商在電力市場中的電能現(xiàn)貨和碳排放權交易過程中的收益分配，建立以電力主體收益最大為目標的電力現(xiàn)貨交易出清決策模型并求解，最后通過仿真算例分析驗證本文所提方法和模型的有效性和優(yōu)越性。

1 兼顧電能和碳排放權交易的區(qū)塊鏈現(xiàn)貨交易機制

在電能生產(chǎn)與消費的過程中，會伴隨著二氧化碳的排放，因此，在電力現(xiàn)貨交易的過程中，在保證個電力主體按照合約執(zhí)行交易的前提下，同時進行碳排放權的交易，可以在保障電力市場安穩(wěn)運行的同時提升電網(wǎng)節(jié)能減排能力。

本文研究的參與電力現(xiàn)貨交易的電力主體主要包括：供能商、售能商、儲能商和負荷聚合商，在區(qū)塊鏈的技術下，分別建立各電力交易主體的電能交易鏈和碳排放權交易鏈，在現(xiàn)貨交易過程中電能鏈和碳排放權鏈，全部采用去中心化的區(qū)塊鏈技術，存儲各個節(jié)點電能和碳排放權的交易信息，按照各自的智能合約同時進行交易和結算。兼顧電能和碳排放權交易的區(qū)塊鏈現(xiàn)貨交易機制框架如圖1所示。

圖1 機制框圖Fig.1 Mechanism framework

兼顧電能和碳排放權交易的區(qū)塊鏈現(xiàn)貨交易是一個去中心化的應用，在參與現(xiàn)貨交易的主體需要同時進行，則具體交易流程如下：

(1)供能商、售能商、儲能商和負荷聚合商等電力交易主體需要同時進行電能現(xiàn)貨交易鏈和碳排放權交易鏈上的系統(tǒng)注冊和授權，通過加密鏈碼生成唯一身份公鑰和私鑰，完成注冊認證;

(2)進行電能現(xiàn)貨交易和碳排放權交易的智能合約的部署，將各個交易主體數(shù)據(jù)連接到其創(chuàng)立的私鏈，完成合約的建立，在共鏈上實現(xiàn)電能現(xiàn)貨交易鏈和碳排放權交易鏈兩個鏈的信息耦合、同步更新與相互信任;

(3)針對處于同一時間節(jié)點內電能區(qū)塊內參與現(xiàn)貨交易的主體，即供能商、售能商、儲能商和負荷聚合商，需根據(jù)電能現(xiàn)貨交易智能合約進行交易。其階段主要包括密封報價、拍賣解密、交易匹配與結算，基于上述三個各階段的交易，完成一個電能區(qū)塊的電能現(xiàn)貨交易;

(4)根據(jù)電能現(xiàn)貨交易的結果，確定碳排放權交易市場的參與主體和數(shù)據(jù)，進行碳權區(qū)塊的交易；各個主體需根據(jù)各自的前段碳配額的額度確定是否參與交易，其交易階段同樣包括密封報價、拍賣解密、交易匹配與結算，完成與流程(3)中的電能塊處于同一時間節(jié)點的碳排放權;

(5)各個完成電能現(xiàn)貨和碳排放權交易的主體通過私鑰對剛剛完成的交易數(shù)據(jù)進行存儲，得到各自的信用積分記賬，完成一個區(qū)塊內的兩個鏈的主體出清。

2 雙鏈交易下的電力現(xiàn)貨市場出清決策模型

2.1 目標函數(shù)

在兼顧電能和碳排放權交易的區(qū)塊鏈現(xiàn)貨交易機制中，每個交易主體所進行的交易首先需保證系統(tǒng)的低碳和安穩(wěn)運行，之后，在每個區(qū)塊交易過程中，各方在進行報價時，需同時考慮電能交易和碳排放權交易后的總收益最大，因此，本文建立雙鏈交易下的電力現(xiàn)貨市場出清模型，則目標函數(shù)為：

maxF=f1+f2+f3+f4-f5

(1)

式中f1、f2、f3、f4分別表示供能商、售能商、儲能商和負荷聚合商參與電能現(xiàn)貨和碳排放權交易的出清收益；f5為在區(qū)塊鏈交易中個電力主體的違約成本；F為總收益。各交易主體的收益和違約成本具體計算如下：

(1)供能商收益。

各類供能商在參與雙鏈現(xiàn)貨交易過程中，除了考慮其供能收益CEB和運維成本CEOM之外，還要考慮參與碳排放權交易所獲得的收益CECB，則供能商收益為：

f1=CEB+CEOM-CECB

(2)

其中：

(3)

式中eES,t,x、eHS,t,x、cES,t,x、cHS,t,x分別表示供能設備x在t時參與電能交易鏈競標的供電量、供熱量、供電價格和供熱價格；cstart,t,x和cstop,t,x分別表示供能設備x在t時的啟停成本；αstart,t,x和αstop,t,x為0-1變量，1為設備x在t時啟動，0表示設備x在t時關機；EEB,t,x供能設備x在t時的裝機容量，cms,x為設備x的單位維護成本；X為參與電能交易鏈競標的供能設備總數(shù)；cg為天然氣單位熱值的購買價格；Δt為運行時段；PES,x,t、PHS,x,t、ηES,x、ηHS,x分別為供能設備x在t時的供電功率、供熱功率、供電效率和供熱效率；I表示風電、光伏等無碳排放的供能設備總數(shù)，K表示火電等有碳排放的供能設備總數(shù)，cCO2,i和cCO2,k分別表示在碳排放權交易鏈上無碳排放源i的碳排放權售價和碳排放源k的碳排放權購價；ei表示無碳排放源i可售賣碳排放權的量，ek和eCO2,k分別表示碳排放源k的CO2排放量和碳排放權配額；Pi,t和Pk,t分別表示t時刻無碳排放源i和碳排放源k的供能量。

(2)售能商收益。

售能商在參與現(xiàn)貨市場出清過程中，首先要保證整個系統(tǒng)的源荷平衡與安穩(wěn)運行，此前，售能商會從供能商進行電能的購買，并對外進行售賣，獲得相應的收益；另外考慮網(wǎng)絡阻塞，售能商需購買高價機組進行發(fā)電而產(chǎn)生的阻塞費用CPGB。則售能商在參與電能交易鏈的收益為：

(4)

其中：

(5)

(3)儲能商收益。

儲能商的電能交易鏈中，儲能商根據(jù)電網(wǎng)調節(jié)需求進行競價，考慮電能的儲放以及儲能設備的運維成本，得到儲能商的收益為：

(6)

式中：eESO,t,a和cESO,t,a分別為能設備a在t時參與電能交易鏈出清的放能容量和放能單價；eESS,t,a和cESS,t,a分別為儲能設備a在t時電能交易鏈參與出清的儲能容量和儲能單價；A為參與電能交易鏈出清的儲能設備總數(shù)、EESMC,t,a為儲能設備a在t時的建設容量，cESMC,a為儲能設備a的單位維護成本。

(4)負荷聚合商收益。

負荷聚合商在參與電能交易鏈過程中，通過進行需求側響應，給予電網(wǎng)一定的調節(jié)能力，來獲得相應收益，則負荷聚合商收益為：

[a1(eLASD,t)2+a2(eLASU,t)2]}

(7)

式中：cLAS,t、eLASU,t和eLASD,t分別為負荷聚合商參與電能交易鏈出清t時的售電價格、下調和上調的電量；a1、a2為負荷在對電網(wǎng)響應過程中所產(chǎn)生的經(jīng)濟損失系數(shù)，通過負荷耗能數(shù)據(jù)擬合得到。

(5)違約成本。

在去中心化的區(qū)塊鏈電能和碳排權放交易過程中，各個參與交易的電力主體在每個區(qū)塊交易過程中需要產(chǎn)出相應的信用積分，通過信用值的計算，得到各電力交易主體的違約成本，定義每個交易主體i作為一個獨立節(jié)點接入到區(qū)塊鏈中，每個區(qū)塊內各交易主體的信用值為：

(8)

在交易過程中為實現(xiàn)信用值的量化，引入交易主體的信用值違約系數(shù)δY，對各個交易主體的違約行為進行計算，則違約成本為：

(9)

2.2 約束條件

(1)區(qū)塊鏈交易匹配約束。

考慮區(qū)塊鏈技術下在電能現(xiàn)貨和碳排放權交易過程中數(shù)據(jù)的處理效率，在每個區(qū)塊的交易過程中需對各交易主體的交易次數(shù)和匹配時間進行限制，在以達到出塊要求的前提下，可進行下一個時間節(jié)點區(qū)塊的交易。電能現(xiàn)貨交易鏈和碳排放權交易鏈均要滿足各自的交易次數(shù)和匹配時間約束：

(10)

(2)電能現(xiàn)貨交易鏈約束。

在電能現(xiàn)貨交易過程中各交易主體首先需保證源荷間的實時功率平衡，則其功率平衡約束為：

(11)

式中PE,x,t、PES,a,t分別為t時供能設備x和儲能設備a的出力，對儲能設備定義正為供能，負為儲能，PL,t表示t時負荷的總需求。

電力線路的有功和無功功率平衡約束為：

(12)

式中Um為節(jié)點m的電壓；Ωn為各類設備所接入節(jié)點的集合；Gmn、Bmn分別為節(jié)點間導納的實部和虛部；θmn為節(jié)點相位差；Pm和Qm分別m節(jié)點的有功功率和無功功率。

對于供能設備的出力、儲能設備的充放電以及電網(wǎng)線路的能量傳輸，為除了保證線路的有功功率、無功功率和設備功率的平衡約束，還要保證線路和設備的功率在其上下限的范圍內：

(13)

(3)碳排放權交易鏈約束。

在碳排放權交易過程中，在每個碳權區(qū)塊內的各個交易主體需要保證其碳排放權交易總量平衡，則碳排放權出售和購買主體的交易平衡約束為：

(14)

式中JCS,m,t為t時出售主體m的碳排放權的出售量；JCB,n,t為t時購買主體m的碳排放權的購買量；M和N分別為碳排放權出售主體和購買主體總數(shù)。

對于各個碳排放權的出售主體的碳排放權出售量應該不大于其自身碳排放權總量，則碳排放權交易量約束為：

(15)

2.3 模型求解

針對本文提出的雙鏈交易下的電力現(xiàn)貨市場出清決策模型，利用策略學習法對其進行求解[17]，具體流程圖如圖2所示。

圖2 求解流程Fig.2 Flow chart of solution

3 仿真驗證

3.1 基礎數(shù)據(jù)

本文將電能現(xiàn)貨和碳排放權交易決策過程中的智能合約進行編寫，在以太坊區(qū)塊鏈平臺上進行發(fā)布，并搭建了電能現(xiàn)貨和碳排放權交易鏈，在IEEE 14節(jié)點[18]上進行雙鏈交易下的電力現(xiàn)貨市場出清決策過程，仿真交易場景設置3個光伏供電商，2個風電供電商，2個火電供電商，2個儲能商和3個負荷聚合商；系統(tǒng)中日最大負荷為300 MW；碳權申報價格下限為200元/噸，上限為300元/噸；各類設備的關鍵參數(shù)見表1[19-20]，典型日風光出力和負荷曲線見圖3。

表1 設備參數(shù)Tab.1 Equipment parameters

圖3 典型日風光出力和負荷曲線Fig.3 Typical daily wind and photovoltaic power output and load curve

3.2 交易結果

基于文中所提的電力現(xiàn)貨市場出清決策模型，供能商、負荷聚合商、儲能商分別與售能商在區(qū)塊鏈上進行現(xiàn)貨交易，完成了密封報價、拍賣解密、交易匹配與結算的過程，得到其實時電量出清結果如圖4所示。

圖4 出清結果Fig.4 Clearing results

各交易主體在電能交易鏈上進行電能的實時出清，在各個時段，供能商、儲能商、負荷聚合商在保障各方利益最大化的同時，根據(jù)售能商的需求進行競價，確定區(qū)塊鏈中的實時出清價格，則各方在電能交易鏈上實時出清價格如圖5所示。

圖5 出清價格Fig.5 Clearing price

各交易主體在進行電能出清的同時，根據(jù)自身的出清電量，為提高在碳排放權交易市場的效益和電力系統(tǒng)的碳減排能力，在碳排放權交易鏈上進行碳權的交易，得到碳排放權的交易價格曲線如圖6所示。

圖6 碳排放權交易價格Fig.6 Transaction price of carbon emission allowance

3.3 對比分析

針對對比本文所提模型的優(yōu)越性，本文設置三種交易方案，方案1為不利用區(qū)塊鏈技術進行電力現(xiàn)貨交易，不考慮碳排放權交易；方案2為利用區(qū)塊鏈技術進行電力現(xiàn)貨交易，不考慮碳排放權交易；方案3即本文提出的區(qū)塊鏈技術下考慮碳排放權的電力現(xiàn)貨交易方法。得到個交易主體的收益對比如圖7所示。

圖7 收益對比Fig.7 Comparison of profit

由圖7可知，本文所提區(qū)塊鏈技術下考慮碳排放權的電力現(xiàn)貨交易方法，充分利用區(qū)塊鏈技術的優(yōu)勢，同時考慮與碳排權交易市場的協(xié)同，可有效提高各個交易主體的收益，充分發(fā)揮供能商、儲能商、售能商和負荷聚合商在電力現(xiàn)貨市場中的作用。與此同時，隨著高比例可在再生能源并網(wǎng)后，通過去中心化的區(qū)塊鏈技術的應用，考慮各個交易主體的信用值，通過對各交易主體的信用值通過違約系數(shù)的量化，計算各個交易主體的違約成本，得到區(qū)塊鏈現(xiàn)貨交易下的收益，可有效避免電力現(xiàn)貨交易中不規(guī)范的行為，其違約次數(shù)越多，違約系數(shù)取值也增大，導致其收益減少。因此，違約系數(shù)取值的不同會對各個交易主體的收益產(chǎn)生影響，則違約系數(shù)與各交易主體收益的關系如圖8所示。

圖8 違約系數(shù)與收益的關系Fig.8 Relationship between default coefficient and income

利用區(qū)塊鏈技術進行電力現(xiàn)貨市場交易可有效提高可再生能源在電力現(xiàn)貨市場中的積極性。本文通過8次仿真測試，得到三種方案下可再生能源參與電力現(xiàn)貨市場交易的占比，則其結果如圖9所示。

圖9 可再生能源交易對比Fig.9 Comparison of renewable energy trading

本文采用策略學習算法進行求解，最大迭代次數(shù)設置為250次，得到本文的出清決策模型求解的收斂曲線如圖10所示。

圖10 收斂曲線Fig.10 Convergence curve

4 結束語

本文以電力市場和碳排放權交易市場為基礎，利用區(qū)塊鏈技術，提出了一種考慮碳排放權的電力現(xiàn)貨交易方法，為提高電力交易主體參與現(xiàn)貨市場的積極性，建立了雙鏈交易下的電力現(xiàn)貨市場出清決策模型并求解，并通過仿真算例分析，得到的仿真結果表明：

(1)本文提出的兼顧電能和碳排放權交易的區(qū)塊鏈現(xiàn)貨交易機制，能夠有效提高各電力現(xiàn)貨交易主體的交易效率，保證其交易信息安全，增強電力現(xiàn)貨交易市場活力;

(2)本文建立的雙鏈交易下的電力現(xiàn)貨市場出清決策模型，在保證電力系統(tǒng)安穩(wěn)和低碳運行的同時，可有效提高各電力主體在現(xiàn)貨市場中收益;

(3)本文建立的雙鏈電力現(xiàn)貨交易方法，可有效提高可再生能源供能在電力現(xiàn)貨市場的積極性，在“雙高”新型電力系統(tǒng)電力市場交易機制構建領域開展了具有理論與應用意義的探索。