区块链技术下考虑碳排放权的电力现货交易模型

张冶，陈洪禹，关艳，陆心怡，夏靖怡，孙佳音

(国网辽宁省电力有限公司营销服务中心，沈阳 110870)

0 引 言

做好“碳达峰、碳中和”工作是我国重点任务之一[1-3]，而电力行业中的碳排放水平会直接影响着“双碳”目标的实现，进而，以“高比例可再生能源”与“高比例电力电子设备”为特征的新型电力系统将是未来发展的方向[4-6]。当大量的可再生能源、储能、负荷聚合商等能源的产消商涌入电力现货市场时[7-9]，具有去中心化、公开透明的区块链分布式账本技术，可有效提高各个电力交易主体的积极性和效率[10-11]，因此，在区块链技术的支撑下，研究考虑碳排权的电力现货市场交易机制可为电力系统低碳转型提供重要的理论与技术基础。

目前，已有学者针对基于区块链电力现货交易开展了相关研究,并取得了一定的成果。文献[12]为保证电力现货交易过程中各个电能产消者信息安全，提出了基于区块链的产消者电能交易模型；文献[13]提出了基于区块链技术的储能商现货交易方法，以提高储能的利用率和效益；文献[14]为提高电力现货市场的交易效率，提出了基于智能合约和区块链技术的电力交易机制；文献[15]为保证配网的安稳运行，提出了基于配网安全校核的区块链交易模型；文献[16]为最大化产消各方的经济效益，提出了基于区块链点对点的电力现货交易模型。

上述研究在一定程度为区块链技术在电力现货市场中的应用提供了理论支撑，但对于碳排放权和电能交易间的协调考虑较少，也没有在保证源网荷储的效益以及各方参与到电力交易中的积极性等方面进行较为深入的探讨。随着我国碳排放权交易市场和“双高”新型电力系统建设的深入，不仅要保证源网荷储等各类电力资源参与到现货交易的效益和积极性，还要完善电力行业中碳排放权的交易环境。因此，本文提出兼顾电能和碳排放权交易的区块链现货交易机制，在此基础上，同时考虑供能商、售能商、储能商和负荷聚合商在电力市场中的电能现货和碳排放权交易过程中的收益分配，建立以电力主体收益最大为目标的电力现货交易出清决策模型并求解，最后通过仿真算例分析验证本文所提方法和模型的有效性和优越性。

1 兼顾电能和碳排放权交易的区块链现货交易机制

在电能生产与消费的过程中，会伴随着二氧化碳的排放，因此，在电力现货交易的过程中，在保证个电力主体按照合约执行交易的前提下，同时进行碳排放权的交易，可以在保障电力市场安稳运行的同时提升电网节能减排能力。

本文研究的参与电力现货交易的电力主体主要包括：供能商、售能商、储能商和负荷聚合商，在区块链的技术下，分别建立各电力交易主体的电能交易链和碳排放权交易链，在现货交易过程中电能链和碳排放权链，全部采用去中心化的区块链技术，存储各个节点电能和碳排放权的交易信息，按照各自的智能合约同时进行交易和结算。兼顾电能和碳排放权交易的区块链现货交易机制框架如图1所示。

图1 机制框图Fig.1 Mechanism framework

兼顾电能和碳排放权交易的区块链现货交易是一个去中心化的应用，在参与现货交易的主体需要同时进行，则具体交易流程如下：

(1)供能商、售能商、储能商和负荷聚合商等电力交易主体需要同时进行电能现货交易链和碳排放权交易链上的系统注册和授权，通过加密链码生成唯一身份公钥和私钥，完成注册认证;

(2)进行电能现货交易和碳排放权交易的智能合约的部署，将各个交易主体数据连接到其创立的私链，完成合约的建立，在共链上实现电能现货交易链和碳排放权交易链两个链的信息耦合、同步更新与相互信任;

(3)针对处于同一时间节点内电能区块内参与现货交易的主体，即供能商、售能商、储能商和负荷聚合商，需根据电能现货交易智能合约进行交易。其阶段主要包括密封报价、拍卖解密、交易匹配与结算，基于上述三个各阶段的交易，完成一个电能区块的电能现货交易;

(4)根据电能现货交易的结果，确定碳排放权交易市场的参与主体和数据，进行碳权区块的交易；各个主体需根据各自的前段碳配额的额度确定是否参与交易，其交易阶段同样包括密封报价、拍卖解密、交易匹配与结算，完成与流程(3)中的电能块处于同一时间节点的碳排放权;

(5)各个完成电能现货和碳排放权交易的主体通过私钥对刚刚完成的交易数据进行存储，得到各自的信用积分记账，完成一个区块内的两个链的主体出清。

2 双链交易下的电力现货市场出清决策模型

2.1 目标函数

在兼顾电能和碳排放权交易的区块链现货交易机制中，每个交易主体所进行的交易首先需保证系统的低碳和安稳运行，之后，在每个区块交易过程中，各方在进行报价时，需同时考虑电能交易和碳排放权交易后的总收益最大，因此，本文建立双链交易下的电力现货市场出清模型，则目标函数为：

maxF=f1+f2+f3+f4-f5

(1)

式中f1、f2、f3、f4分别表示供能商、售能商、储能商和负荷聚合商参与电能现货和碳排放权交易的出清收益；f5为在区块链交易中个电力主体的违约成本；F为总收益。各交易主体的收益和违约成本具体计算如下：

(1)供能商收益。

各类供能商在参与双链现货交易过程中，除了考虑其供能收益CEB和运维成本CEOM之外，还要考虑参与碳排放权交易所获得的收益CECB，则供能商收益为：

f1=CEB+CEOM-CECB

(2)

其中：

(3)

式中eES,t,x、eHS,t,x、cES,t,x、cHS,t,x分别表示供能设备x在t时参与电能交易链竞标的供电量、供热量、供电价格和供热价格；cstart,t,x和cstop,t,x分别表示供能设备x在t时的启停成本；αstart,t,x和αstop,t,x为0-1变量，1为设备x在t时启动，0表示设备x在t时关机；EEB,t,x供能设备x在t时的装机容量，cms,x为设备x的单位维护成本；X为参与电能交易链竞标的供能设备总数；cg为天然气单位热值的购买价格；Δt为运行时段；PES,x,t、PHS,x,t、ηES,x、ηHS,x分别为供能设备x在t时的供电功率、供热功率、供电效率和供热效率；I表示风电、光伏等无碳排放的供能设备总数，K表示火电等有碳排放的供能设备总数，cCO2,i和cCO2,k分别表示在碳排放权交易链上无碳排放源i的碳排放权售价和碳排放源k的碳排放权购价；ei表示无碳排放源i可售卖碳排放权的量，ek和eCO2,k分别表示碳排放源k的CO2排放量和碳排放权配额；Pi,t和Pk,t分别表示t时刻无碳排放源i和碳排放源k的供能量。

(2)售能商收益。

售能商在参与现货市场出清过程中，首先要保证整个系统的源荷平衡与安稳运行，此前，售能商会从供能商进行电能的购买，并对外进行售卖，获得相应的收益；另外考虑网络阻塞，售能商需购买高价机组进行发电而产生的阻塞费用CPGB。则售能商在参与电能交易链的收益为：

(4)

其中：

(5)

(3)储能商收益。

储能商的电能交易链中，储能商根据电网调节需求进行竞价，考虑电能的储放以及储能设备的运维成本，得到储能商的收益为：

(6)

式中：eESO,t,a和cESO,t,a分别为能设备a在t时参与电能交易链出清的放能容量和放能单价；eESS,t,a和cESS,t,a分别为储能设备a在t时电能交易链参与出清的储能容量和储能单价；A为参与电能交易链出清的储能设备总数、EESMC,t,a为储能设备a在t时的建设容量，cESMC,a为储能设备a的单位维护成本。

(4)负荷聚合商收益。

负荷聚合商在参与电能交易链过程中，通过进行需求侧响应，给予电网一定的调节能力，来获得相应收益，则负荷聚合商收益为：

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

(7)

式中：cLAS,t、eLASU,t和eLASD,t分别为负荷聚合商参与电能交易链出清t时的售电价格、下调和上调的电量；a1、a2为负荷在对电网响应过程中所产生的经济损失系数，通过负荷耗能数据拟合得到。

(5)违约成本。

在去中心化的区块链电能和碳排权放交易过程中，各个参与交易的电力主体在每个区块交易过程中需要产出相应的信用积分，通过信用值的计算，得到各电力交易主体的违约成本，定义每个交易主体i作为一个独立节点接入到区块链中，每个区块内各交易主体的信用值为：

(8)

在交易过程中为实现信用值的量化，引入交易主体的信用值违约系数δY，对各个交易主体的违约行为进行计算，则违约成本为：

(9)

2.2 约束条件

(1)区块链交易匹配约束。

考虑区块链技术下在电能现货和碳排放权交易过程中数据的处理效率，在每个区块的交易过程中需对各交易主体的交易次数和匹配时间进行限制，在以达到出块要求的前提下，可进行下一个时间节点区块的交易。电能现货交易链和碳排放权交易链均要满足各自的交易次数和匹配时间约束：

(10)

(2)电能现货交易链约束。

在电能现货交易过程中各交易主体首先需保证源荷间的实时功率平衡，则其功率平衡约束为：

(11)

式中PE,x,t、PES,a,t分别为t时供能设备x和储能设备a的出力，对储能设备定义正为供能，负为储能，PL,t表示t时负荷的总需求。

电力线路的有功和无功功率平衡约束为：

(12)

式中Um为节点m的电压；Ωn为各类设备所接入节点的集合；Gmn、Bmn分别为节点间导纳的实部和虚部；θmn为节点相位差；Pm和Qm分别m节点的有功功率和无功功率。

对于供能设备的出力、储能设备的充放电以及电网线路的能量传输，为除了保证线路的有功功率、无功功率和设备功率的平衡约束，还要保证线路和设备的功率在其上下限的范围内：

(13)

(3)碳排放权交易链约束。

在碳排放权交易过程中，在每个碳权区块内的各个交易主体需要保证其碳排放权交易总量平衡，则碳排放权出售和购买主体的交易平衡约束为：

(14)

式中JCS,m,t为t时出售主体m的碳排放权的出售量；JCB,n,t为t时购买主体m的碳排放权的购买量；M和N分别为碳排放权出售主体和购买主体总数。

对于各个碳排放权的出售主体的碳排放权出售量应该不大于其自身碳排放权总量，则碳排放权交易量约束为：

(15)

2.3 模型求解

针对本文提出的双链交易下的电力现货市场出清决策模型，利用策略学习法对其进行求解[17]，具体流程图如图2所示。

图2 求解流程Fig.2 Flow chart of solution

3 仿真验证

3.1 基础数据

本文将电能现货和碳排放权交易决策过程中的智能合约进行编写，在以太坊区块链平台上进行发布，并搭建了电能现货和碳排放权交易链，在IEEE 14节点[18]上进行双链交易下的电力现货市场出清决策过程，仿真交易场景设置3个光伏供电商，2个风电供电商，2个火电供电商，2个储能商和3个负荷聚合商；系统中日最大负荷为300 MW；碳权申报价格下限为200元/吨，上限为300元/吨；各类设备的关键参数见表1[19-20]，典型日风光出力和负荷曲线见图3。

表1 设备参数Tab.1 Equipment parameters

图3 典型日风光出力和负荷曲线Fig.3 Typical daily wind and photovoltaic power output and load curve

3.2 交易结果

基于文中所提的电力现货市场出清决策模型，供能商、负荷聚合商、储能商分别与售能商在区块链上进行现货交易，完成了密封报价、拍卖解密、交易匹配与结算的过程，得到其实时电量出清结果如图4所示。

图4 出清结果Fig.4 Clearing results

各交易主体在电能交易链上进行电能的实时出清，在各个时段，供能商、储能商、负荷聚合商在保障各方利益最大化的同时，根据售能商的需求进行竞价，确定区块链中的实时出清价格，则各方在电能交易链上实时出清价格如图5所示。

图5 出清价格Fig.5 Clearing price

各交易主体在进行电能出清的同时，根据自身的出清电量，为提高在碳排放权交易市场的效益和电力系统的碳减排能力，在碳排放权交易链上进行碳权的交易，得到碳排放权的交易价格曲线如图6所示。

图6 碳排放权交易价格Fig.6 Transaction price of carbon emission allowance

3.3 对比分析

针对对比本文所提模型的优越性，本文设置三种交易方案，方案1为不利用区块链技术进行电力现货交易，不考虑碳排放权交易；方案2为利用区块链技术进行电力现货交易，不考虑碳排放权交易；方案3即本文提出的区块链技术下考虑碳排放权的电力现货交易方法。得到个交易主体的收益对比如图7所示。

图7 收益对比Fig.7 Comparison of profit

由图7可知，本文所提区块链技术下考虑碳排放权的电力现货交易方法，充分利用区块链技术的优势，同时考虑与碳排权交易市场的协同，可有效提高各个交易主体的收益，充分发挥供能商、储能商、售能商和负荷聚合商在电力现货市场中的作用。与此同时，随着高比例可在再生能源并网后，通过去中心化的区块链技术的应用，考虑各个交易主体的信用值，通过对各交易主体的信用值通过违约系数的量化，计算各个交易主体的违约成本，得到区块链现货交易下的收益，可有效避免电力现货交易中不规范的行为，其违约次数越多，违约系数取值也增大，导致其收益减少。因此，违约系数取值的不同会对各个交易主体的收益产生影响，则违约系数与各交易主体收益的关系如图8所示。

图8 违约系数与收益的关系Fig.8 Relationship between default coefficient and income

利用区块链技术进行电力现货市场交易可有效提高可再生能源在电力现货市场中的积极性。本文通过8次仿真测试，得到三种方案下可再生能源参与电力现货市场交易的占比，则其结果如图9所示。

图9 可再生能源交易对比Fig.9 Comparison of renewable energy trading

本文采用策略学习算法进行求解，最大迭代次数设置为250次，得到本文的出清决策模型求解的收敛曲线如图10所示。

图10 收敛曲线Fig.10 Convergence curve

4 结束语

本文以电力市场和碳排放权交易市场为基础，利用区块链技术，提出了一种考虑碳排放权的电力现货交易方法，为提高电力交易主体参与现货市场的积极性，建立了双链交易下的电力现货市场出清决策模型并求解，并通过仿真算例分析，得到的仿真结果表明：

(1)本文提出的兼顾电能和碳排放权交易的区块链现货交易机制，能够有效提高各电力现货交易主体的交易效率，保证其交易信息安全，增强电力现货交易市场活力;

(2)本文建立的双链交易下的电力现货市场出清决策模型，在保证电力系统安稳和低碳运行的同时，可有效提高各电力主体在现货市场中收益;

(3)本文建立的双链电力现货交易方法，可有效提高可再生能源供能在电力现货市场的积极性，在“双高”新型电力系统电力市场交易机制构建领域开展了具有理论与应用意义的探索。