Mengelkamp E. A blockchain-based smart grid: towards sustainable local energy markets[J]. Computer Science - Research and Development, 2018, 33(1-2):207-214.
39.2 摘要在能源系統(tǒng)中，可再生能源的數(shù)量越來越多，要求采用新的市場方法來定價和分配不穩(wěn)定和分散的發(fā)電。在當(dāng)?shù)啬茉词袌錾?，消費者和生產(chǎn)消費者可以在他們的社區(qū)內(nèi)直接交易當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的可再生能源發(fā)電，以分散的方式平衡當(dāng)?shù)氐陌l(fā)電和消費。我們提供了100個住宅家庭之間的本地能源市場的綜合概念、市場設(shè)計和模擬。我們的方法是基于分布式信息和通信技術(shù)，即私有區(qū)塊鏈，這突出了地方能源市場的分散性。因此，我們?yōu)槟茉瓷a(chǎn)消費者和消費者提供了一個分散的市場平臺，在不需要中央中介的情況下進(jìn)行本地能源發(fā)電交易。此外，我們還對市場機制進(jìn)行了初步的經(jīng)濟(jì)評價，并提出了區(qū)塊鏈技術(shù)作為當(dāng)?shù)啬茉词袌鲋饕畔⑼ㄐ偶夹g(shù)的技術(shù)評價研究議程。
39.3技術(shù)介紹39.3.1概念方法本文提出的本地能源市場基于雙重拍賣，通過一個封閉的訂單簿實現(xiàn)，具有離散的市場收盤時間。對于每個時隙T，確定統(tǒng)一的市場出清價格。在確定價格后，消費者填寫投標(biāo)單，支付市場價格，獲得規(guī)定的電量。本地能源市場上無法買賣的電力必須通過連接的配電網(wǎng)與能源供應(yīng)商進(jìn)行交易。因此，從電網(wǎng)購買的過剩需求價格代表了市場價格上限，而向電網(wǎng)出售的過剩發(fā)電價格則代表了市場價格下限。如果合同沒有得到履行(例如，預(yù)測失誤)，有過錯的一方將以昂貴的市場價格限制清理電網(wǎng)上的能源訂單。
虛擬活動，即市場機制和支付功能，都在區(qū)塊鏈上進(jìn)行。代理商的需求和發(fā)電量由智能電表自動測量并預(yù)測每個代理商。根據(jù)這些信息，計算超額需求或供應(yīng)并發(fā)送給代理商的相應(yīng)區(qū)塊鏈賬戶，同時詳細(xì)的客戶特定數(shù)據(jù)保持在本地存儲。這樣，我們確保最低級別的私有數(shù)據(jù)保護(hù)，同時允許系統(tǒng)生成反映代理商消費模式的訂單。
圖 39-1基于區(qū)塊鏈的住宅家庭間本地能源交易的概念
除了能源信息，這些賬戶還包括代理商的財務(wù)余額。結(jié)合他們的凈能源盈余和信貸余額的信息，可以根據(jù)代理商的效用函數(shù)創(chuàng)建訂單。由于區(qū)塊鏈充當(dāng)托管代理，以確保潛在交易的結(jié)算，因此所提供的貨幣金額作為質(zhì)押持有。在特定的出清時間t，市場機制將相應(yīng)的電量和市場價格信息發(fā)布給所有活躍主體。清算完成后，當(dāng)質(zhì)押資金發(fā)放時，自動進(jìn)行支付。請注意，物理電力交換是通過電網(wǎng)進(jìn)行的，不受虛擬交易機制的影響，如圖 1所示。因此，我們的概念方法偏離了自給自足微電網(wǎng)的運行，因為在需求不等于供應(yīng)的情況下，我們總是通過配電網(wǎng)平衡能量。
39.3.2基于區(qū)塊鏈的本地能源市場仿真模擬在一年的時間內(nèi)在15分鐘的時間段內(nèi)建立。交易僅限于后續(xù)時段，代理商每個時段提交一個訂單。本地能源市場（LEM）由100個住宅家庭組成。代理商被認(rèn)為是一個生產(chǎn)廠家，根據(jù)他的需求和生產(chǎn)能力來扮演買方或賣方的角色。用于平衡的備用能源，由能源供應(yīng)商通過電網(wǎng)提供。代理商的需求來自H0-profiles。發(fā)電量來自2013年德國的光伏系統(tǒng)15分鐘時段內(nèi)消耗數(shù)據(jù)的時間粒度，類似于我們市場機制的離散性質(zhì)。由于H0輪廓代表一個普通家庭，我們使用隨機誤差函數(shù)調(diào)整它們以適合1-5個人家庭。這是評估市場的第一步。未來將使用實際消費數(shù)據(jù)。
本地能源市場的產(chǎn)物以所有代理商的電費總和來衡量。這等于在時間t以價格
從代理i銷售給另一代理j的電量之和。市場價格的下限設(shè)定為德國上網(wǎng)電價和德國電價的上限。這確保了與相應(yīng)的LEM替代方案相比，電網(wǎng)交易的成本（收益）總是更高或相等（更低或相等）。該模型最大限度地降低了LEM的總電力成本，從而通過最大限度地減少昂貴的電網(wǎng)交易來最大化市場的自我消費。以下模型（1）-（5）顯示了每個時隙要解決的優(yōu)化問題。
約束（2）-（5）是硬約束。（2）確保每個代理滿足自己的需求并銷售生產(chǎn)
。（3）和（4）確保LEM內(nèi)的供需由電網(wǎng)平衡。決策變量
必須為正，因為只能交易正電量（5）。
我們實施一個封閉的雙重拍賣市場，其具有價格-時間優(yōu)先權(quán)和離散的市場平倉時間，從而導(dǎo)致每個交易期t的單一結(jié)算價格。在t中，每個消費者和消費者向市場發(fā)送一個出價或要求訂單以滿足他在t+1中的交易需求。在合計供應(yīng)的情況下，仍然可以提供的最低出價決定了市場清算價格。任何盈余或赤字都是通過與標(biāo)準(zhǔn)能源供應(yīng)商交易電力來平衡的。市場機制通過部署在私有區(qū)塊鏈上的智能合約來實施。因此，一旦市場實施，就不需要中央實體。除訂單外，還通過區(qū)塊鏈進(jìn)行支付。為了便于衡量，我們假設(shè)金融交易以虛擬貨幣進(jìn)行，以1：1的固定匯率兌換成歐元。
為了檢驗基本的市場機制，我們實施了零情報代理競價策略。在每一個交易期間，每個代理人決定他的買賣電價上限。目前，這個價格限制是在市場的下限和上限的范圍內(nèi)隨機分配，因為消費者不接受低于上網(wǎng)電價的價格，消費者支付的費用不會高于電網(wǎng)電費關(guān)稅。這適用于不考慮社會經(jīng)濟(jì)原因的理性代理人，例如對本地RES的高度偏好。零智能代理是市場效率的下限，稅收和費用假定完全可擴展。這可能導(dǎo)致LEM代理商的稅費和費用顯著低于當(dāng)前的能源市場。這個問題超出了我們目前的工作范圍，但需要在未來的研究中加以考慮。代理行為在區(qū)塊鏈環(huán)境之外進(jìn)行模擬，只有最終訂單通過代理商的區(qū)塊鏈賬戶發(fā)送到市場。
本文提出的仿真設(shè)置基于分散式能量交換的開源項目。市場實施建立在一個私有的以太坊區(qū)塊鏈上，該區(qū)塊鏈從公共以太坊鏈繼承其技術(shù)特征，如塊難度和PoW作為共識機制。每個代理都與鏈上的唯一地址相關(guān)聯(lián)。同樣，我們認(rèn)為電網(wǎng)是一個無限制出價和詢問訂單的專業(yè)消費者。我們的市場機制是通過用腳本語言Solidity編寫的智能合約來實現(xiàn)的。每個代理商的地址都鏈接到智能合約上的支票賬戶，該賬戶允許存款和取款。當(dāng)代理商下達(dá)投標(biāo)訂單時，其賬戶中的資金將被鎖定，直到執(zhí)行結(jié)算。這可確保每次出價都得到充分保障。在每個期間結(jié)束時，所有買入和賣出訂單都將結(jié)算并更新帳戶余額。通過提供應(yīng)用程序接口（API）處理與智能合約交互的JavaScript程序來促進(jìn)訂單的提交。我們在客戶端JavaScript程序中使用此API，從外部數(shù)據(jù)庫獲取先前模擬的代理行為并相應(yīng)地提交訂單。這兩個程序都在Node.js運行時環(huán)境中執(zhí)行。礦工執(zhí)行交易并生成新塊。因此，它們會產(chǎn)生計算成本。通常，交易包括獎勵礦工工作的費用。然而，到目前為止，我們使用的基本概念沒有交易成本和礦工補償。為了加速我們的鏈上模擬，我們一旦在鏈上創(chuàng)建新塊，就立即提交每個時間段t（在現(xiàn)實世界中等于15分鐘）的所有確定的訂單。在我們的設(shè)置中，標(biāo)準(zhǔn)塊創(chuàng)建時間大約等于12秒。因此，所提出的設(shè)置允許我們在不到120小時內(nèi)執(zhí)行一年（即35,040個塊）的鏈上模擬。
39.4評估作為首次市場評估，我們分析光伏發(fā)電對LEM價格和整體電價的影響，僅限于光伏發(fā)電。LEM價格計算為所有本地交易的加權(quán)平均值。在LEM中，當(dāng)本地發(fā)電不能完全滿足當(dāng)?shù)匦枨髸r，代理商仍將以電網(wǎng)價格與電網(wǎng)進(jìn)行交易。因此，整體電價將包括當(dāng)?shù)貎r格的當(dāng)?shù)亟灰椎陌俜直群碗娋W(wǎng)電價或上網(wǎng)電價的電網(wǎng)交易百分比，代理商支付的總電價與當(dāng)?shù)貎r格不同，總價格是當(dāng)?shù)亟灰缀碗娋W(wǎng)價格的任何交易的加權(quán)平均值。
圖 39-2光伏發(fā)電對當(dāng)?shù)丶罢w電價的影響
圖 39-2顯示了當(dāng)?shù)毓夥l(fā)電量增加對電價的影響。PV的量以每年光伏發(fā)電總和相對于所有代理商的年需求總和的百分比來衡量。因此，100％的光伏發(fā)電意味著所產(chǎn)生的光伏總和等于一年內(nèi)所有代理商的消費總和。然而，由于光伏發(fā)電和消耗之間的時間差異，100％光伏發(fā)電并不意味著這一產(chǎn)出滿足了所有需求。相反，只有生成總和達(dá)到需求總和。圖 2顯示，首先，本地價格隨著光伏發(fā)電而下降得相當(dāng)快，甚至緩慢下降。整體價格穩(wěn)中有降，并逐步收斂于當(dāng)?shù)貎r格。然而，由于在低生產(chǎn)時期總是發(fā)生一定數(shù)量的代理商需求，因此從未達(dá)到當(dāng)?shù)貎r格。沒有能量存儲的光伏發(fā)電不能僅滿足這種需求。區(qū)塊鏈作為主要ICT的技術(shù)評估仍然需要在計算資源、能源使用、交易成本、塊速度和可擴展性方面進(jìn)行。這將是我們工作的下一步。另外，由于鏈上匹配算法的計算成本取決于提交的訂單數(shù)量并且不能提前確定，因此必須確定用于分配這些成本的公平機制。
39.5本文主要貢獻(xiàn)本文介紹了一個簡單的本地能源市場（LEM）場景的概念驗證，其中人工代理在私有區(qū)塊鏈上實現(xiàn)。通過這種方式，我們首先深入了解基于區(qū)塊鏈的市場設(shè)計的經(jīng)濟(jì)評估及其技術(shù)實施。我們表明LEM可以在分布式ICT上以分散的方式運行。
我們通過在沒有交易成本的情況下顯示LEM參與者潛在的電力成本降低來評估經(jīng)濟(jì)市場設(shè)計。此外，我們提出了我們的研究議程，用于對本地能源交易的私人區(qū)塊鏈的資源消耗和可擴展性進(jìn)行技術(shù)評估。盡管如此，區(qū)塊鏈技術(shù)作為LEM主要ICT的適用性仍有待研究。我們得出結(jié)論，這種基于區(qū)塊鏈的市場方法的實際適用性和技術(shù)限制需要通過進(jìn)一步的研究和實施項目來確定。此外，監(jiān)管變革將在基于區(qū)塊鏈的LEM的未來發(fā)揮重要作用。
本文由南京大學(xué)軟件學(xué)院2018級碩士劉子寒翻譯轉(zhuǎn)述。
