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基于区块链和通证经济的跨国跨洲电力市场机制设计丨超硬核文章

数据猿导读

全球能源互联网旨在构建以电力消费为核心的能源模式,跨国跨洲电力交易是推动其发展的必要条件和有效途径。

首先分析跨国跨洲电力交易面临的问题,提出了基于区块链和通证经济的跨国跨洲电力市场设计思路。

然后,将跨国跨洲电力市场的组成分为5个部分,并分别对这5个部分进行了描述与建模。

最后,利用等比例放大的IEEE 39节点系统,对本文所提市场进行了仿真与分析。

仿真结果表明,基于区块链和通证经济的跨国跨洲电力市场可以保证跨区域、多主体电力交易的有效实施,同时有利于激励发电商使用清洁能源参与电力市场。

来源:智能科学与技术学报丨作者:陈思远 白昱阳 张俊 王飞跃

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1.引言

随着社会用能需求的不断增大,世界气候变化压力日益严峻,近年来推动能源互补、优化资源配置、加大清洁能源使用比例已受到各国的广泛重视。全球电力市场的发展历程主要分为3个阶段:第一阶段,打破垂直一体化垄断模式,引入竞争机制,提高资源的优化配置;第二阶段,市场机制建设和完善,使市场交易过程更加透明,遏制市场力,激励更多利益主体参与到市场中;第三阶段,促进清洁能源的消纳,提升需求侧响应程度,引导电力工业走向低碳发展。中国能源局在《关于印发配电网建设改造行动计划》中指出:“探索能源互联网平台建设,满足新能源和分布式能源并网,提高分布式发电商与配电网的协调能力,是当前电力市场发展的关键任务。”因此,在全球能源互联网的背景下,建立推送绿色用能的跨国跨洲电力市场(transnational and intercontinental electricity trading,TIEM)是加快能源转型的必要条件和有效途径。

目前的电力交易大多仅限于区域之间,欧洲部分国家开展跨国电力交易,也只是相邻国家间进行的小规模交易,若能消除参与电力交易的国家间的市场壁垒,则可实现各国电力资源互补,推动清洁能源的发展,减少化石燃料的消耗。目前,电力市场的主要结构是中心式电力市场,通过统一的交易中心进行集中交易,再由统一的调度中心进行电力的调配。中心式的电力市场能在一定程度上优化资源配置,同时也主要存在几点问题。1)市场力监管:大型发电公司的市场力不利于电力市场的发展,美国联邦能源管理委员会(federal energy regulatory commission,FERC)在电力市场建立之初就开始研究监管市场力的有效办法。2)交易透明与信息披露:为了构建公平公正的电力市场,交易监管和信息披露是一种有效手段。3)市场运行效率:在大区域大规模的电力市场中,交易主体的合约、结算、偏差考核等将会给交易中心带来繁重的工作量,从而使交易效率大幅下降。电力市场机制一般根据激励相容、深度博弈、迭代优化等理论,实现高效公平的市场运行,充分调动供给侧和需求侧的积极性,减少电网购电成本,实现节能减排和削峰填谷。文献[1]结合全球能源互联网背景下电力交易的发展趋势,提出了几种不同交易场景下的跨国跨洲电力交易机制,论证了TIEM的可行性;文献[2]提出了一种利用激励相容理论最大化市场调节能力的日前电力市场机制,表明了拉格朗日松弛法对增加市场效益的理论作用;文献[3]基于博弈论设计了一种分布式实时电价机制,可有效激励供应商和消费者参与实时电价市场,反映了电价信号对市场成员的有效引导;文献[4]提出了一种基于电力池的电力市场机制,该机制同时满足激励相容、博弈论和优化理论的主要特性,仿真结果表明市场运行具有高效性。

跨国跨洲电力市场是一个复杂的电力市场,具有跨区域运行、交易量大、交易主体多的特点,其运行目标是在参与国家间实现能源互补和电力工业低碳化。通过大量的文献分析,本文认为TIEM的有效运行至少需要解决以下问题。1)不同市场和政治实体的信任问题:不同国家的市场实体即使有统一的市场准入机制,也仍然存在一定程度的信任问题。2)清洁能源激励问题:若不能设置合理的激励措施,清洁能源将很难与传统火电在电力市场中竞争。目前,对清洁能源主要采取费用补贴的形式进行激励,但这并不是一种长远的解决方案。

区块链是随着“数字加密货币”的日益普及而逐渐兴起的一种去中心化基础架构与分布式计算范式,目前已经受到政府部门、金融机构、科技企业的高度重视与广泛关注。区块链是一种可行的去中心化电力市场设计方案,通过为市场成员提供信息对等和进行金融结算,可以为市场参与者提供一个社会信任、高效的交易平台[5]。文献[6]分析了区块链在电网数字资产管理中的发展,总结了区块链在电网中应用的适用性;文献[7]讨论了基于区块链的智能分布式能源系统,指出了区块链技术在分布式能源中的应用潜力;文献[8]分析了区块链技术在未来能源互联网运营中的应用,提出了区块链技术的去中心化与自执行性对能源互联网自治性的作用;文献[9]提出了一种本地化的点对点电力交易模型,该模型可在智能电网中对插电式混合动力汽车进行本地电力买卖,利用区块链技术极大地节省了成本且提高了效率;文献[10]针对社区内光伏发电的传统供电模式,利用区块链技术使光伏出力可以上链交易,提升了社区用户的福利。

然而,区块链只是一种底层技术,结合通证的区块链交易系统可以更有效地实施激励措施来塑造参与者的行为,例如促进清洁能源的生产。通证经济是行为管理和激励工具的系统方法,区块链与通证的结合可以实现不同价值系统间的“价值转换”与“价值转移”。本文讨论了如何将通证经济嵌入TIEM中,以实现一定的系统目标,例如鼓励市场参与者生产和消费清洁能源。文献[11]分析了通证经济在能源系统的激励、管理和价值导向3个方面的适用性,提出了通证经济可以极大地促进市场成员的良好行为,加快达到市场调节目的。

利用区块链技术构建跨国跨洲电力交易并解决所面临的问题是一种实用的思路,因此,国内外学者对基于区块链的电力交易的概念和实践进行了诸多研究。文献[12]分析了分布式电力市场中的区块链技术,提出了一种新的电力交易模式;文献[13]在一种基于物理—信息—价值三维属性的研究视角下,提出了一种能源区块链的基本框架,并分析了区块链对分布式能源市场的适用性;文献[14]提出了一种基于区块链的区域能源市场的构建思路,实现了发电商、用户和产消者之间的直接交易;文献[15]提出了一种基于以太坊区块链技术的配网运行方法,以确保去中心化交易透明开放、信息对称,并设计了电能多边交易的智能合约来确保交易系统的自治性。文献[16]提出了一个基于多代理和区块链的分布式电力交易系统,实现产消者之间的点对点直接交易,减少各主体购电成本,促进区域供需平衡。尽管国内外学者对区块链在电力交易中的应用已经做过不少尝试,但对于市场架构和机制的设计还需要进行更详细的研究。

本文主要研究基于区块链技术和通证经济学的TIEM设计,主要贡献如下:

·将区块链技术应用在跨国跨洲电力交易中,建立了一个去中心化、可信任、完全自治的电力市场;

·将通证经济系统应用在电力交易区块链中,通过经济手段对市场供能模式进行调节,促进电力工业低碳化;

·通过仿真分析验证了基于区块链和通证经济的跨国跨洲电力市场运行的可行性和有效性。

2.TIEM设计

本文旨在利用区块链和通证经济为TIEM提供一个可行的解决方案,如图1所示,TIEM可分为5个组成部分:

第1个部分(C1)为市场架构,即TIEM的基础设施;

第2个部分(C2)为电力交易信息系统,即电力交易的信息采集和通信工具;

第3个部分(C3)是市场机制,即市场运行的规则;

第4个部分(C4)是价格机制,即形成市场价格的出清理论;

第5个部分(C5)是激励与考核机制,即奖惩与结算的规则。本文仅对TIEM机制进行研究,不考虑市场政策法规相关的问题[17]。TIEM的5个组成部分将在下文中进行详细描述。

图1 电力市场组成

2.1 市场架构(C1)

从严格意义上来说,跨国跨洲电力市场是由多个国家或区域组成的一个区域联合电力市场。市场的主体是各国区域电网中的发电商和大用户,在电力交易信息系统(power trading information system,PTIS)中分别有对应的节点,市场架构如图2所示。

图2 跨国跨洲电力市场构架

在本文所提出的市场构架中,市场内各主体通过去中心化的分散决策来制订自身报价策略[18]。在TIEM中,不同的国家将会有自己的独立系统运营商(ISO),本国或地区市场主体信任自己的ISO并向其上传申报数据,市场主体与ISO间的信息流动是双向的。另外,发电商和消费者可从附近的ISO获取市场信息,而ISO将帮助发电商和消费者在市场中竞价,匹配他们的交易目标。市场的出清结果由所有国家的ISO进行联合优化而得到,所有的ISO都会连入区块链网络中。

在完成交易目标匹配之后,每个市场成员都会生成并签署相应的智能合约,签订的智能合约将被写入区块链中,并在满足某些条件时执行。智能合约将在执行时通过其写入的结算方式实现发电商和消费者之间的金融交付,结算过程如图3所示。

2.2 电力交易信息系统(C2)

在TIEM中,电力交易信息系统提供交易平台、合约、金融交付、市场准入和市场运行监管等功能。该系统可采集发电和用电数据,上传至区块链,最终根据采集的数据在区块链中判断智能合约是否触发。

基于智能合约的区块链系统作为去中心化的交易平台,不需要中心权限就可满足安全性、可信性和公平性的要求[19],且可让各节点进行可信任的信息交换和财务交付。如2.1节中所述,各国市场ISO都会作为节点连入区块链网络,各国的市场成员也会成为区块链网络中的节点,信息系统中区块链网络的每个节点对应着市场成员和ISO。当市场参与者进行智能合约结算时,区块链网络中的所有节点都将使用预设的共识机制对交易进行验证。

图3 TIEM的结算过程

2.3 市场机制(C3)

跨国跨洲电力市场是一个包含多主体和多品类电力交易的市场,市场机制建立在信息系统之上,市场出清目标是减少市场购电成本和促进清洁能源消纳的联合优化结果[20-22]。市场交易周期为15min,每个时段对下一个周期的电力交易进行出清,市场机制如图4所示。具体流程如下。

双向申报环节:发电商上传这一交易时段的“需求—价格”曲线至信息系统中,用户上传这一交易时段的需求量至信息系统中,利用市场中各成员需求与运行约束进行市场出清。

交易匹配环节[23]:中标的发电商按照价格从低到高排列,用户按照需求量从高到低排列,价格低的发电商优先与需求量高的用户匹配,匹配成功的供需双方依次出清。

签订智能合约:匹配的交易双方签订“点对点”的智能合约,并上传至信息系统中进行全网共识。值得注意的是,同一发电商可能与多个用户签订合约。

市场结算:智能合约的执行条件会根据信息系统中上传的量测数据来判断。当满足智能合约的触发条件时,该智能合约将被触发并自动执行以解决相应的事务。例如,若发电商的发电偏差不超过其设定的阈值,则在结算时将自动执行相关的智能合约,发电商将收到预期的收益。

图4 一个交易周期内市场出清示意

2.4 价格机制(C4)

TIEM的定价机制是根据市场边际出清得出的最优结果,以反映真实的电量价格和阻塞价格[18]。市场根据发电商和消费者的申报情况进行有约束的出清,并得出区域边际电价(DLMP)。不失一般性,本文假设市场成员的报价函数均为有功出力的二次凸函数,可以表示为:

其中,Pi,t为发电商i在时段t的有功出力,ai(>0)、bi和ci分别为发电商i的报价函数系数。任一时段t内电力市场出清目标函数的简化数学描述为[24]

2.5 激励和考核机制(C5)

2.5.1 激励机制

传统的电力市场机制以发电量和可靠性为结算依据,出力稳定且装机容量大的火电机组有着天然的优势,清洁能源由于其出力不确定性,一般只用于实时平衡市场和辅助服务市场。在本文所建议的跨国跨洲电力市场中,发电商作为一个电源聚合商,可以自行决定有功出力的组成,通过超短期的清洁能源出力精准预测,使用火电与清洁能源配合的方式执行所签订的智能合约。考虑到清洁能源相比于火电的经济劣势,本文提出了一种基于通证经济的激励机制以鼓励发电商使用清洁能源进行上网供电。

国内外对清洁能源的市场激励手段进行了不少研究,欧、美有国家采用了基于碳价的碳市场机制[25]来进行激励,我国也采用绿证、碳价等方式来进行激励,但效果均不够显著。除了清洁能源供能占比低以外,碳价信号相比于电价信号影响过小是主要原因。为真正促进清洁能源机组的使用,应给予清洁能源商更多权益,本文利用建立在区块链上的通证经济来达到目标。

本文设计了一种通过奖励通证化利益来激励清洁能源生产和消费行为的系统强化机制,通过建立“良好行为—增强物—后援增强物”的兑换关系来激励发电商的市场期望行为。市场的激励力度根据发电商的清洁能源出力值不同而不同,发电商碳清洁能源发电量与可获取通证数量的关系式为:

仿真结果

3.1 发电商决策分析

发电商通过清洁能源出力获取通证,并可采用两种策略来提高其收益:用通证换取优先出清电量,增加自身的中标电量,同时也会改变市场的边际出清价格;用通证换取输电权,可以进行输电权出售从而获得高额的输电费用。因此,在跨国跨洲电力市场中,采用清洁能源发电可提升发电商的收益,但在实际发电过程中,出力不确定性也可能给发电商带来潜在的风险。发电商在进行出力决策时应确定清洁能源在其总能源生产中所占的比例,通证经济在新一维度扩充了该决策空间,将在下文中讨论。

3.2 算例分析

本文假设IEEE 39节点系统中的3个潮流断面包含的区域分别为A、B、C 3个国家,如图5所示。将系统中的10台发电机视作10个发电商,利用MATPOWER软件对系统进行仿真[27]。发电商参数见表1,消费者需求情况见表2,假设断面1和断面2的有功传输容量限制分别为1500 MW和1000 MW。

3.3 市场出清结果

在本文2.4节提出的价格机制下,对应的市场出清结果见表3。能量价格为λ=64.36 MW/元(即容量电价),输电阻塞发生在节点2与节点25之间的线路和节点14与节点15之间的线路,阻塞价格分别为14.78元/MW和71.04元/MW。根据上述的系统参数,则A国的DLMP为64.36元/MW, B国的DLMP为79.14元/MW,C国的DLMP为135.40元/MW。

按照本文2.3节所建议的市场机制进行撮合成交,将发电商按照价格从低到高进行排序,消费者按照需求从高到低进行排序,依次匹配用户。匹配成功的交易双方在区块链中签订智能合约并进行记录,智能合约将在满足触发条件时自动执行。

3.4 发电商决策

若发电商在时段 k 使用清洁能源,将在时段k+1获得通证奖励,即使用清洁能源带来的收益是远期的。发电商可以根据自身和电网情况采用各种通证策略,比如考虑自己和其他发电商长期的清洁能源产出和网络阻塞情况等,由此甚至导致通证博弈和通证市场的产生,在后续研究中会做专门的研究。本文假设每个发电商都会使用以下简单通证策略:每个发电商预测并提前使用k+1时段将要获得的通证,并在k时段用这些通证换取优先出清电量和输电权,由式(14)描述。

为比较不同决策下的收益,将优先出清电量的兑换率与输电权兑换率设置相同数值,市场激励与考核机制的相关参数见表4。

为了对比分析本文所提机制对使用清洁能源的发电商带来的收益,本节算例假设市场中每次只有一个发电商进行清洁能源出力,清洁能源的波动范围为±10%,并设置3种场景对发电商的策略进行分析:场景1,发电商不使用清洁能源;场景2,发电商使用清洁能源,通证用于兑换优先出清电量;场景3,发电商使用清洁能源,通证用于兑换输电权。

(1)场景1

在不使用清洁能源时,发电商不能获得通证,其收益仅为电力市场中的售电收益,机组的收益见表5。场景1作为传统电力市场出清场景,作为基准情况与场景2和场景3进行对比。

2)场景2

由于优先出清电量不参与市场竞价,发电商用通证换取优先出清电量后会改变自身在市场中的出力约束条件,从而改变中标电量和出清电价。考虑到清洁能源出力的不确定性,如果出现发电缺额,发电商将需要支付罚款。本节中取清洁能源出力最差的情况(即清洁能源实际出力为预测值的90%)来对比发电商获利情况。发电商的收益随αi变化的曲线如图6和图7所示。

从图6中可以看出,随着发电商A清洁能源出力的提高,所有发电商的收益都在增加,这是因为发电商A减少了市场竞争电量空间,市场出清价格随之增加。当清洁能源出力比例足够大时,通证的奖励系数也会增大,从图中可以看出,当出力比例为0.7时,各发电商的收益会有一个小幅激增,这样的奖励函数会鼓励发电商进行更大比例的清洁能源出力。然而,从图7中可以看出,发电商F与其他发电商存在较大差异,其利润随αi的增加而减少。这是因为本文所设置的新能源出力仅为计划值的90%,发电商F支付了较大的考核费用。考虑到发电商F在市场竞争中具有较大优势,使用通证兑换优先出清电量的策略并不是最优策略。因此,发电商需要根据自身的运行特性来决定是否使用通证。

(3)场景3

在本场景下,发电商选择兑换输电权前将预测自身所在国家或者区域的输电阻塞情况,阻塞严重时通过转售输电权可获得较大的利益。与兑换优先出清电量不同的是,发电商兑换输电权不会影响自身的出力约束和市场报价,本节仍然考虑清洁能源出力最坏的情况,发电商收益随αi变化的曲线如图8所示。

从图8可以看出,A国在该出清时段不存在输电阻塞,因此A国的发电商无法通过输电权获得额外的收益,而B国和C国发电商可以利用输电权以较高的输电阻塞价格获得较大收益。与场景1相比,发电商F的收益变为原来的1.5倍,发电商G的收益增长为原来的近2倍。同样地,从图中可以看出,当出力比例为0.7时,各发电商的收益会有一个小幅激增,这是由于清洁能源出力比例增大使通证奖励系数增大了。对比图7和图8可以发现,发电商J利用通证兑换优先出清电量获利较多,而发电商F则利用通证兑换输电权获利较多。由此可见,不同的发电商会根据自身的运行环境做出不同的决策,也说明了对应多种权益的通证在促进发电商使用清洁能源发电方面的稳定激励作用。

3.5 跨国跨洲电力区块链的应用实例

电力交易匹配结果如图9所示,以发电商A的交易为例,发电商A向用户C3出售680 MW电量,向用户A3出售261 MW电量,因此发电商A需分别单独与用户C3和用户A3签订智能合约。假设某天12:00发电商A的新能源出力比例为0.1(即94.1 MW),在30 min之后,通过考核的发电商所签订的智能合约将会自动执行,它将获得用户 C3支付的43 764.8元和用户A3支付的16 797.96元,同时还会获得电力区块链奖励的3.764个通证。发电商A的交易信息见表6。

结束语

当前,全球能源互联网的建设需要创新性的市场基础设施和新的商业模式来保障多个国家之间的可信任交易。

本文设计了一种基于区块链和通证经济的跨国跨洲电力市场,使各国发电商能自由地进行交易与决策,并保证了交易的安全可靠与自动执行。利用通证经济,激励发电商实施“期望行为”来获得和使用通证化收益,以期在电网运行中换取更多的权益和收益。本文在全球能源互联网背景下提出了一种具有创新性的激励机制,也为发电商和消费者在能源生产和消费策略方面提供了更为丰富的选择。

本文分享自微信公众号 - 数据猿(datayuancn),作者:陈思远

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原始发表时间:2019-07-17

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