基于區塊鏈和通證經濟的跨國跨洲電力市場機制設計
發布時間：2019-07-11 11:29:14
全球能源互聯網旨在構建以電力消費為核心的能源模式，跨國跨洲電力交易是推動其發展的必要條件和有效途徑。首先分析跨國跨洲電力交易面臨的問題，提出了基于區塊鏈和通證經濟的跨國跨洲電力市場設計思路。然后，將跨國跨洲電力市場的組成分為5個部分，并分別對這5個部分進行了描述與建模。最后，利用等比例放大的IEEE 39節點系統，對本文所提市場進行了仿真與分析。仿真結果表明，基于區塊鏈和通證經濟的跨國跨洲電力市場可以保證跨區域、多主體電力交易的有效實施，同時有利于激勵發電商使用清潔能源參與電力市場。
【摘 要】全球能源互聯網旨在構建以電力消費為核心的能源模式，跨國跨洲電力交易是推動其發展的必要條件和有效途徑。首先分析跨國跨洲電力交易面臨的問題，提出了基于區塊鏈和通證經濟的跨國跨洲電力市場設計思路。然后，將跨國跨洲電力市場的組成分為5個部分，并分別對這5個部分進行了描述與建模。最后，利用等比例放大的IEEE 39節點系統，對本文所提市場進行了仿真與分析。仿真結果表明，基于區塊鏈和通證經濟的跨國跨洲電力市場可以保證跨區域、多主體電力交易的有效實施，同時有利于激勵發電商使用清潔能源參與電力市場。
【關鍵詞】區塊鏈；通證經濟；低碳發展；市場權益；日內電力市場設計
【引用格式】陳思遠，白昱陽，張俊，王飛躍. 基于區塊鏈和通證經濟的跨國跨洲電力市場機制設計，智能科學與技術學報，2019，1(1): 96-105.
1.引言
隨著社會用能需求的不斷增大，世界氣候變化壓力日益嚴峻，近年來推動能源互補、優化資源配置、加大清潔能源使用比例已受到各國的廣泛重視。全球電力市場的發展歷程主要分為3個階段：第一階段，打破垂直一體化壟斷模式，引入競爭機制，提高資源的優化配置；第二階段，市場機制建設和完善，使市場交易過程更加透明，遏制市場力，激勵更多利益主體參與到市場中；第三階段，促進清潔能源的消納，提升需求側響應程度，引導電力工業走向低碳發展。中國能源局在《關于印發配電網建設改造行動計劃》中指出：“探索能源互聯網平臺建設，滿足新能源和分布式能源并網，提高分布式發電商與配電網的協調能力，是當前電力市場發展的關鍵任務。”因此，在全球能源互聯網的背景下，建立推送綠色用能的跨國跨洲電力市場（transnational and intercontinental electricity trading，TIEM）是加快能源轉型的必要條件和有效途徑。
目前的電力交易大多僅限于區域之間，歐洲部分國家開展跨國電力交易，也只是相鄰國家間進行的小規模交易，若能消除參與電力交易的國家間的市場壁壘，則可實現各國電力資源互補，推動清潔能源的發展，減少化石燃料的消耗。目前，電力市場的主要結構是中心式電力市場，通過統一的交易中心進行集中交易，再由統一的調度中心進行電力的調配。中心式的電力市場能在一定程度上優化資源配置，同時也主要存在幾點問題。1）市場力監管：大型發電公司的市場力不利于電力市場的發展，美國聯邦能源管理委員會（federal energy regulatory commission，FERC）在電力市場建立之初就開始研究監管市場力的有效辦法。2）交易透明與信息披露：為了構建公平公正的電力市場，交易監管和信息披露是一種有效手段。3）市場運行效率：在大區域大規模的電力市場中，交易主體的合約、結算、偏差考核等將會給交易中心帶來繁重的工作量，從而使交易效率大幅下降。電力市場機制一般根據激勵相容、深度博弈、迭代優化等理論，實現高效公平的市場運行，充分調動供給側和需求側的積極性，減少電網購電成本，實現節能減排和削峰填谷。文獻[1]結合全球能源互聯網背景下電力交易的發展趨勢，提出了幾種不同交易場景下的跨國跨洲電力交易機制，論證了TIEM的可行性；文獻[2]提出了一種利用激勵相容理論最大化市場調節能力的日前電力市場機制，表明了拉格朗日松弛法對增加市場效益的理論作用；文獻[3]基于博弈論設計了一種分布式實時電價機制，可有效激勵供應商和消費者參與實時電價市場，反映了電價信號對市場成員的有效引導；文獻[4]提出了一種基于電力池的電力市場機制，該機制同時滿足激勵相容、博弈論和優化理論的主要特性，仿真結果表明市場運行具有高效性。
跨國跨洲電力市場是一個復雜的電力市場，具有跨區域運行、交易量大、交易主體多的特點，其運行目標是在參與國家間實現能源互補和電力工業低碳化。通過大量的文獻分析，本文認為TIEM的有效運行至少需要解決以下問題。1）不同市場和政治實體的信任問題：不同國家的市場實體即使有統一的市場準入機制，也仍然存在一定程度的信任問題。2）清潔能源激勵問題：若不能設置合理的激勵措施，清潔能源將很難與傳統火電在電力市場中競爭。目前，對清潔能源主要采取費用補貼的形式進行激勵，但這并不是一種長遠的解決方案。
區塊鏈是隨著“數字加密貨幣”的日益普及而逐漸興起的一種去中心化基礎架構與分布式計算范式，目前已經受到政府部門、金融機構、科技企業的高度重視與廣泛關注。區塊鏈是一種可行的去中心化電力市場設計方案，通過為市場成員提供信息對等和進行金融結算，可以為市場參與者提供一個社會信任、高效的交易平臺[5]。文獻[6]分析了區塊鏈在電網數字資產管理中的發展，總結了區塊鏈在電網中應用的適用性；文獻[7]討論了基于區塊鏈的智能分布式能源系統，指出了區塊鏈技術在分布式能源中的應用潛力；文獻[8]分析了區塊鏈技術在未來能源互聯網運營中的應用，提出了區塊鏈技術的去中心化與自執行性對能源互聯網自治性的作用；文獻[9]提出了一種本地化的點對點電力交易模型，該模型可在智能電網中對插電式混合動力汽車進行本地電力買賣，利用區塊鏈技術極大地節省了成本且提高了效率；文獻[10]針對社區內光伏發電的傳統供電模式，利用區塊鏈技術使光伏出力可以上鏈交易，提升了社區用戶的福利。
然而，區塊鏈只是一種底層技術，結合通證的區塊鏈交易系統可以更有效地實施激勵措施來塑造參與者的行為，例如促進清潔能源的生產。通證經濟是行為管理和激勵工具的系統方法，區塊鏈與通證的結合可以實現不同價值系統間的“價值轉換”與“價值轉移”。本文討論了如何將通證經濟嵌入TIEM中，以實現一定的系統目標，例如鼓勵市場參與者生產和消費清潔能源。文獻[11]分析了通證經濟在能源系統的激勵、管理和價值導向3個方面的適用性，提出了通證經濟可以極大地促進市場成員的良好行為，加快達到市場調節目的。
利用區塊鏈技術構建跨國跨洲電力交易并解決所面臨的問題是一種實用的思路，因此，國內外學者對基于區塊鏈的電力交易的概念和實踐進行了諸多研究。文獻[12]分析了分布式電力市場中的區塊鏈技術，提出了一種新的電力交易模式；文獻[13]在一種基于物理—信息—價值三維屬性的研究視角下，提出了一種能源區塊鏈的基本框架，并分析了區塊鏈對分布式能源市場的適用性；文獻[14]提出了一種基于區塊鏈的區域能源市場的構建思路，實現了發電商、用戶和產消者之間的直接交易；文獻[15]提出了一種基于以太坊區塊鏈技術的配網運行方法，以確保去中心化交易透明開放、信息對稱，并設計了電能多邊交易的智能合約來確保交易系統的自治性。文獻[16]提出了一個基于多代理和區塊鏈的分布式電力交易系統，實現產消者之間的點對點直接交易，減少各主體購電成本，促進區域供需平衡。盡管國內外學者對區塊鏈在電力交易中的應用已經做過不少嘗試，但對于市場架構和機制的設計還需要進行更詳細的研究。
本文主要研究基于區塊鏈技術和通證經濟學的TIEM設計，主要貢獻如下：
·將區塊鏈技術應用在跨國跨洲電力交易中，建立了一個去中心化、可信任、完全自治的電力市場；
·將通證經濟系統應用在電力交易區塊鏈中，通過經濟手段對市場供能模式進行調節，促進電力工業低碳化；
·通過仿真分析驗證了基于區塊鏈和通證經濟的跨國跨洲電力市場運行的可行性和有效性。
2.TIEM設計
本文旨在利用區塊鏈和通證經濟為TIEM提供一個可行的解決方案，如圖1所示，TIEM可分為5個組成部分。第1個部分（C1）為市場架構，即TIEM的基礎設施；第2個部分（C2）為電力交易信息系統，即電力交易的信息采集和通信工具；第3個部分（C3）是市場機制，即市場運行的規則；第4個部分（C4）是價格機制，即形成市場價格的出清理論；第5個部分（C5）是激勵與考核機制，即獎懲與結算的規則。本文僅對TIEM機制進行研究，不考慮市場政策法規相關的問題[17]。TIEM的5個組成部分將在下文中進行詳細描述。
圖1 電力市場組成
2.1 市場架構（C1）
從嚴格意義上來說，跨國跨洲電力市場是由多個國家或區域組成的一個區域聯合電力市場。市場的主體是各國區域電網中的發電商和大用戶，在電力交易信息系統（power trading information system，PTIS）中分別有對應的節點，市場架構如圖2所示。
圖2 跨國跨洲電力市場構架
在本文所提出的市場構架中，市場內各主體通過去中心化的分散決策來制訂自身報價策略[18]。在TIEM中，不同的國家將會有自己的獨立系統運營商（ISO），本國或地區市場主體信任自己的ISO并向其上傳申報數據，市場主體與ISO間的信息流動是雙向的。另外，發電商和消費者可從附近的ISO獲取市場信息，而ISO將幫助發電商和消費者在市場中競價，匹配他們的交易目標。市場的出清結果由所有國家的ISO進行聯合優化而得到，所有的ISO都會連入區塊鏈網絡中。
在完成交易目標匹配之后，每個市場成員都會生成并簽署相應的智能合約，簽訂的智能合約將被寫入區塊鏈中，并在滿足某些條件時執行。智能合約將在執行時通過其寫入的結算方式實現發電商和消費者之間的金融交付，結算過程如圖3所示。
2.2 電力交易信息系統（C2）
在TIEM中，電力交易信息系統提供交易平臺、合約、金融交付、市場準入和市場運行監管等功能。該系統可采集發電和用電數據，上傳至區塊鏈，最終根據采集的數據在區塊鏈中判斷智能合約是否觸發。
基于智能合約的區塊鏈系統作為去中心化的交易平臺，不需要中心權限就可滿足安全性、可信性和公平性的要求[19]，且可讓各節點進行可信任的信息交換和財務交付。如2.1節中所述，各國市場ISO都會作為節點連入區塊鏈網絡，各國的市場成員也會成為區塊鏈網絡中的節點，信息系統中區塊鏈網絡的每個節點對應著市場成員和ISO。當市場參與者進行智能合約結算時，區塊鏈網絡中的所有節點都將使用預設的共識機制對交易進行驗證。
圖3 TIEM的結算過程
2.3 市場機制（C3）
跨國跨洲電力市場是一個包含多主體和多品類電力交易的市場，市場機制建立在信息系統之上，市場出清目標是減少市場購電成本和促進清潔能源消納的聯合優化結果[20-22]。市場交易周期為15min，每個時段對下一個周期的電力交易進行出清，市場機制如圖4所示。具體流程如下。
雙向申報環節：發電商上傳這一交易時段的“需求—價格”曲線至信息系統中，用戶上傳這一交易時段的需求量至信息系統中，利用市場中各成員需求與運行約束進行市場出清。
交易匹配環節[23]：中標的發電商按照價格從低到高排列，用戶按照需求量從高到低排列，價格低的發電商優先與需求量高的用戶匹配，匹配成功的供需雙方依次出清。
簽訂智能合約：匹配的交易雙方簽訂“點對點”的智能合約，并上傳至信息系統中進行全網共識。值得注意的是，同一發電商可能與多個用戶簽訂合約。
市場結算：智能合約的執行條件會根據信息系統中上傳的量測數據來判斷。當滿足智能合約的觸發條件時，該智能合約將被觸發并自動執行以解決相應的事務。例如，若發電商的發電偏差不超過其設定的閾值，則在結算時將自動執行相關的智能合約，發電商將收到預期的收益。
圖4 一個交易周期內市場出清示意
2.4 價格機制（C4）
TIEM的定價機制是根據市場邊際出清得出的最優結果，以反映真實的電量價格和阻塞價格[18]。市場根據發電商和消費者的申報情況進行有約束的出清，并得出區域邊際電價（DLMP）。不失一般性，本文假設市場成員的報價函數均為有功出力的二次凸函數，可以表示為
其中，Pi,t為發電商i在時段t的有功出力，ai(>0)、bi和ci分別為發電商i的報價函數系數。任一時段t內電力市場出清目標函數的簡化數學描述為[24]
2.5 激勵和考核機制（C5）
2.5.1 激勵機制
傳統的電力市場機制以發電量和可靠性為結算依據，出力穩定且裝機容量大的火電機組有著天然的優勢，清潔能源由于其出力不確定性，一般只用于實時平衡市場和輔助服務市場。在本文所建議的跨國跨洲電力市場中，發電商作為一個電源聚合商，可以自行決定有功出力的組成，通過超短期的清潔能源出力精準預測，使用火電與清潔能源配合的方式執行所簽訂的智能合約。考慮到清潔能源相比于火電的經濟劣勢，本文提出了一種基于通證經濟的激勵機制以鼓勵發電商使用清潔能源進行上網供電。
國內外對清潔能源的市場激勵手段進行了不少研究，歐、美有國家采用了基于碳價的碳市場機制[25]來進行激勵，我國也采用綠證、碳價等方式來進行激勵，但效果均不夠顯著。除了清潔能源供能占比低以外，碳價信號相比于電價信號影響過小是主要原因。為真正促進清潔能源機組的使用，應給予清潔能源商更多權益，本文利用建立在區塊鏈上的通證經濟來達到目標。
本文設計了一種通過獎勵通證化利益來激勵清潔能源生產和消費行為的系統強化機制，通過建立“良好行為—增強物—后援增強物”的兌換關系來激勵發電商的市場期望行為。市場的激勵力度根據發電商的清潔能源出力值不同而不同，發電商碳清潔能源發電量與可獲取通證數量的關系式為
3 仿真結果
3.1 發電商決策分析
發電商通過清潔能源出力獲取通證，并可采用兩種策略來提高其收益：用通證換取優先出清電量，增加自身的中標電量，同時也會改變市場的邊際出清價格；用通證換取輸電權，可以進行輸電權出售從而獲得高額的輸電費用。因此，在跨國跨洲電力市場中，采用清潔能源發電可提升發電商的收益，但在實際發電過程中，出力不確定性也可能給發電商帶來潛在的風險。發電商在進行出力決策時應確定清潔能源在其總能源生產中所占的比例，通證經濟在新一維度擴充了該決策空間，將在下文中討論。
3.2 算例分析
本文假設IEEE 39節點系統中的3個潮流斷面包含的區域分別為A、B、C 3個國家，如圖5所示。將系統中的10臺發電機視作10個發電商，利用MATPOWER軟件對系統進行仿真[27]。發電商參數見表1，消費者需求情況見表2，假設斷面1和斷面2的有功傳輸容量限制分別為1500 MW和1000 MW。
3.3 市場出清結果
在本文2.4節提出的價格機制下，對應的市場出清結果見表3。能量價格為λ=64.36 MW/元（即容量電價），輸電阻塞發生在節點2與節點25之間的線路和節點14與節點15之間的線路，阻塞價格分別為14.78元/MW和71.04元/MW。根據上述的系統參數，則A國的DLMP為64.36元/MW， B國的DLMP為79.14元/MW，C國的DLMP為135.40元/MW。
按照本文2.3節所建議的市場機制進行撮合成交，將發電商按照價格從低到高進行排序，消費者按照需求從高到低進行排序，依次匹配用戶。匹配成功的交易雙方在區塊鏈中簽訂智能合約并進行記錄，智能合約將在滿足觸發條件時自動執行。
3.4 發電商決策
若發電商在時段 k 使用清潔能源，將在時段k+1獲得通證獎勵，即使用清潔能源帶來的收益是遠期的。發電商可以根據自身和電網情況采用各種通證策略，比如考慮自己和其他發電商長期的清潔能源產出和網絡阻塞情況等，由此甚至導致通證博弈和通證市場的產生，在后續研究中會做專門的研究。本文假設每個發電商都會使用以下簡單通證策略：每個發電商預測并提前使用k+1時段將要獲得的通證，并在k時段用這些通證換取優先出清電量和輸電權，由式（14）描述。
為比較不同決策下的收益，將優先出清電量的兌換率與輸電權兌換率設置相同數值，市場激勵與考核機制的相關參數見。
為了對比分析本文所提機制對使用清潔能源的發電商帶來的收益，本節算例假設市場中每次只有一個發電商進行清潔能源出力，清潔能源的波動范圍為±10%，并設置3種場景對發電商的策略進行分析：場景1，發電商不使用清潔能源；場景2，發電商使用清潔能源，通證用于兌換優先出清電量；場景3，發電商使用清潔能源，通證用于兌換輸電權。
（1）場景1
在不使用清潔能源時，發電商不能獲得通證，其收益僅為電力市場中的售電收益，機組的收益見表5。場景1作為傳統電力市場出清場景，作為基準情況與場景2和場景3進行對比。
2）場景2
由于優先出清電量不參與市場競價，發電商用通證換取優先出清電量后會改變自身在市場中的出力約束條件，從而改變中標電量和出清電價。考慮到清潔能源出力的不確定性，如果出現發電缺額，發電商將需要支付罰款。本節中取清潔能源出力最差的情況（即清潔能源實際出力為預測值的90%）來對比發電商獲利情況。發電商的收益隨αi變化的曲線如圖6和圖7所示。
從圖6中可以看出，隨著發電商A清潔能源出力的提高，所有發電商的收益都在增加，這是因為發電商A減少了市場競爭電量空間，市場出清價格隨之增加。當清潔能源出力比例足夠大時，通證的獎勵系數也會增大，從圖中可以看出，當出力比例為0.7時，各發電商的收益會有一個小幅激增，這樣的獎勵函數會鼓勵發電商進行更大比例的清潔能源出力。然而，從圖7中可以看出，發電商F與其他發電商存在較大差異，其利潤隨αi的增加而減少。這是因為本文所設置的新能源出力僅為計劃值的90%，發電商F支付了較大的考核費用。考慮到發電商F在市場競爭中具有較大優勢，使用通證兌換優先出清電量的策略并不是最優策略。因此，發電商需要根據自身的運行特性來決定是否使用通證。
（3）場景3
在本場景下，發電商選擇兌換輸電權前將預測自身所在國家或者區域的輸電阻塞情況，阻塞嚴重時通過轉售輸電權可獲得較大的利益。與兌換優先出清電量不同的是，發電商兌換輸電權不會影響自身的出力約束和市場報價，本節仍然考慮清潔能源出力最壞的情況，發電商收益隨αi變化的曲線如圖8所示。
從圖8可以看出，A國在該出清時段不存在輸電阻塞，因此A國的發電商無法通過輸電權獲得額外的收益，而B國和C國發電商可以利用輸電權以較高的輸電阻塞價格獲得較大收益。與場景1相比，發電商F的收益變為原來的1.5倍，發電商G的收益增長為原來的近2倍。同樣地，從圖中可以看出，當出力比例為0.7時，各發電商的收益會有一個小幅激增，這是由于清潔能源出力比例增大使通證獎勵系數增大了。對比圖7和圖8可以發現，發電商J利用通證兌換優先出清電量獲利較多，而發電商F則利用通證兌換輸電權獲利較多。由此可見，不同的發電商會根據自身的運行環境做出不同的決策，也說明了對應多種權益的通證在促進發電商使用清潔能源發電方面的穩定激勵作用。
3.5 跨國跨洲電力區塊鏈的應用實例
電力交易匹配結果如圖9所示，以發電商A的交易為例，發電商A向用戶C3出售680 MW電量，向用戶A3出售261 MW電量，因此發電商A需分別單獨與用戶C3和用戶A3簽訂智能合約。假設某天12:00發電商A的新能源出力比例為0.1（即94.1 MW），在30 min之后，通過考核的發電商所簽訂的智能合約將會自動執行，它將獲得用戶 C3支付的43 764.8元和用戶A3支付的16 797.96元，同時還會獲得電力區塊鏈獎勵的3.764個通證。發電商A的交易信息見表6。
4 結束語
當前，全球能源互聯網的建設需要創新性的市場基礎設施和新的商業模式來保障多個國家之間的可信任交易。本文設計了一種基于區塊鏈和通證經濟的跨國跨洲電力市場，使各國發電商能自由地進行交易與決策，并保證了交易的安全可靠與自動執行。利用通證經濟，激勵發電商實施“期望行為”來獲得和使用通證化收益，以期在電網運行中換取更多的權益和收益。本文在全球能源互聯網背景下提出了一種具有創新性的激勵機制，也為發電商和消費者在能源生產和消費策略方面提供了更為豐富的選擇。
后記：本文于2019年發表在《智能科學與技術學報》第一期
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來源：王飛躍科學網博客
