区块链技术下虑及碳排放权的电力现货交易模型_段晓宇.pdf

第26卷 第1期2023年2月Vol.26 No.1Feb.2023山东电力高等专科学校学报Journal of Shandong Electric Power College0引言为实现“双碳”目标，电力系统必须向低碳转型，即以高比例可再生能源与高比例电力电子设备为发展方向1，今后的电力现货市场将涌现大量涵盖源、网、荷、储等各方面的新型交易主体，为有效应对这种情况，应改变电力交易行业中心化较严重和效率较低的现状。区块链技术作为分布式记账技术，具有去中心化、公开透明、可追溯、点对点交易等特点，可为能源互联网中的供、售、储、荷多方协作提供信任基础，为电力交易提供一种新的可行范式2。因此，研究区块链技术下虑及碳排放权的电力现货交易机制极为重要。针对信息安全保证需要，文献 3 提出了基于区块链的电能“产-用”交易模型。为提升储能效率，文献 4 讨论了基于区块链的储能商现货交易方法。文献 5 借助智能合约和区块链技术，设计了旨在提升电力现货市场交易效率的相关机制。为保证配电网安稳运行，文献 6 提出了基于配电网安全校核的区块链交易模型。为使各方经济效益最大化，文献7-8 提出了基于区块链点对点技术的电力现货交易模型。文献 9 设计了一个十住户规模、基于区块链的可交互分布式光伏售电平台，并能够不依赖任何电力公司实现光伏电力的直接交易。文献 10 研究了区块链在跨国跨洲电力市场交易、碳交易、多能源系统交易等诸多场景中的应用可行性，并设计了相应的架构和机制。总之，现有研究为区块链技术与电力现货交易的结合提供了思路，但较少考虑碳排放权和电能交易间的协调，不利于我国碳排放权交易市场的建立和“双高”新型电力系统的推进。本文以电力主体总发电技术区块链技术下虑及碳排放权的电力现货交易模型段晓宇1，2（1.华电忻州广宇煤电有限公司，山西忻州034000；2.中南财经政法大学，湖北武汉430073）摘要：介绍了统筹电能交易和碳排放权交易的区块链现货交易流程，从运行稳定、低碳高效、收益最大等关切点出发，构建了基于双链机制的电力现货市场出清决策模型。算例计算结果表明该模型能提高各交易主体的收益，充分发挥供、储、售、荷各方在电力现货市场中的作用。关键词：区块链；电力现货市场；碳排放权；双链交易中图分类号：TM73文献标志码：A文章编号：2096-9104（2023）01-0056-05Electricity Spot Trading Model Considering Carbon EmissionRights Based on Blockchain TechnologyDUAN Xiaoyu1，2（1.Huadian Xinzhou Guangyu Coal Power Co.，Ltd.，Xinzhou 034000，China；2.Zhongnan University of Economics and Law，Wuhan 430073，China）Abstract：The process of blockchain spot trading which integrates electricity trading and carbon emission rights trading is introduced，and a clearing decision model of electricity spot market based on doublechain mechanism is constructed from the concerns of stable operation，low carbon and high efficiency，and maximum income.The calculation results of the example show thatthe model can improve the income of each trading entity and give full play to the role of supply，storage，sale and load in the electricity spot market.Keywords：blockchain；electricity spot market；carbon emission rights；doublechain trading收稿日期：2022-10-12作者简介：段晓宇（1995），男，工程师，研究方向为火力发电厂运行与维护、电力现货交易、市场营销等。56体收益最大为目标，统筹供、售、储、荷等电力系统各交易方的利益关切点，建立包含碳排放收益的电力现货交易出清决策模型。1统筹电能交易和碳排放权交易的区块链现货交易流程在环保形势日益严峻的情况下，电网节能减排非常必要，因此在电力现货交易中将碳排放权交易进行涵盖十分迫切。众所周知，参与电力现货交易的角色不外乎供、售、储、荷四类，在去中心化区块链技术条件下应分别建立各角色的两链，即电能交易链和碳排放权交易链，并遵循对应的智能合约，同时开展交易和结算。兼顾电能交易和碳排放权交易的区块链现货交易流程如图1所示。图1兼顾电能交易和碳排放权交易的区块链现货交易流程图图1中的第三步和第四步包括密封报价、拍卖解密、交易匹配与结算3个环节。第四步中各主体需根据各自的前段碳配额的额度确定是否参与交易。2基于双链交易的电力现货市场出清决策建模2.1目标函数在双链交易机制中，交易活动首先要保证系统的低碳和安全稳定运行，同时追求参与各方总收益F最大。因此，建立目标函数如下：maxF=f1+f2+f3+f4-f5（1）式中：f1、f2、f3、f4分别为供、售、储、荷各方的出清收益；f5为电力主体在交易活动中的违约成本。1）供方收益f1。供方在交易时需考虑的收益包括供能收益CEB、运维成本CEOM、参与碳排放权交易所得收益CECB，即：f1=CEB+CECB-CEOM（2）其中：CEB=t=1Tx=1X()eES,t,xcES,t,x+eHS,t,xcHS,t,xCEOM=t=1Tx=1X()PES,t,xES,x+PHS,t,xHS,xcgt+start,t,xcstart,t,x+stop,t,xcstop,t,x+EEB,t,xcms,xCECB=t=1Ti=1IcCO2,ieiPi,t-k=1KcCO2,k()ek-eCO2,kPk,t（3）式中：eES,t,x、eHS,t,x、cES,t,x、cHS,t,x分别为供能设备x在t时段的供电量、供热量、供电价格和供热价格；cstart,t,x和cstop,t,x分别为设备 x 在 t 时段的启、停成本；start,t,x和stop,t,x分别为设备x在t时段的状态，start,t,x为1表示设备x在t时段处于启动状态，stop,t,x为1表示设备x在t时段处于关停状态；EEB,t,x为设备x在t时段的装机容量；cms,x为设备维护单价；X为参竞设备数量；cg为天然气单位热值所对应的购价；t为考察时长；PES,t,x、PHS,t,x、ES,x、HS,x分别为设备 x在 t时段的供电功率、供热功率、供电效率和供热效率；I、K分别为无碳排放类和有碳排放类设备的数量；cCO2,i为无碳排放源i的碳排放权售价；cCO2,k为有碳排放源k的碳排放权购价；ei为i可转售的碳排放权量；ek、eCO2,k分别为k的CO2排放量和碳排放权配额；Pi,t、Pk,t分别为t时段i和k的供能量。2）售方收益f2。售方在交易中的考量关键点是系统源荷平衡与电网运行安全稳定，因此要承担可能出现的网络阻塞费用CPGB。f2的表达式见式（4）。f2=t=1T()EEPS,tCEPS,t-EEPB,tCEPB,t-CPGBCPGB=k=1K()C+k,tP+k,t+C-k,tP-k,t（4）式中：EEPS,t、CEPS,t分别为在交易链的t时段售电量和单价；EEPB,t、CEPB,t分别为在交易链的t时段购电量和段晓宇：区块链技术下虑及碳排放权的电力现货交易模型57山东电力高等专科学校学报第26卷 第1期Vol.26 No.1单价；P+k,t、P-k,t分别为在交易链的t时段机组k增加的出力、减少的出力；C+k,t、C-k,t分别为在交易链的t时段增、减出力时的购电单价。3）储方收益f3。储方主要考虑储能设备运维成 本 及 电 能 储 放 的 动 态 行 为。f3的 表 达 式见式（5）。f3=t=1Ta=1A()eESO,t,acESO,t,a+eESS,t,acESS,t,a-EESMC,t,acESMC,a（5）式中：eESO,t,a、cESO,t,a分别为储能设备a在t时段的放能容量和放能单价；eESS,t,a、cESS,t,a分别为储能设备a在t时段的储能容量和储能单价；A 为储能设备总数；EESMC,t,a为储能设备a在t时段的建设容量；cESMC,a为储能设备a的维护单价。4）荷方收益f4。荷方通过需求侧响应给电网的调节能力带来增益，因而能获取相应收益，其表达式见式（6）。f4=t=1T cLAS,t()eLASD,t-eLASU,t-a1()eLASD,t2+a2()eLASU,t2（6）式中：cLAS,t、eLASU,t和eLASD,t分别为荷方 t时段的售电价格、下调和上调的电量；a1和a2分别为负荷因响应 电 网 的 电 力 需 求 而 造 成 的 经 济 损 失 的 相 关系数。5）违约成本f5。在区块链环境下，参与电力现货交易的各主体须形成各自的信用积分，并经计算产生各主体的违约成本。设主体z以独立节点形式接至区块链，则每个区块内各主体的信用值计算公式为：Yz=vzVz-t=1T|yz,t-yz,tyz,tz=1,2,Z（7）式中：vz为z未违约交易的次数；Vz为成交次数；yz,t为z在t时段预计上报的电量值或碳排放权值；yz,t为实际上报的电量值或碳排放权值，若yz,t与yz,t不匹配，则产生违约成本；Z为交易主体总数。为方便信用值量化，引入系数Y，则f5的计算公式为：f5=z=1ZY(1-Yz)（8）2.2约束条件约束条件主要包括3个，模型约束分类及说明如图2所示。图2模型约束分类及说明1）约束条件1的具体表达式如式（9）所示。RET RmaxETRCT RmaxCTTET TmaxETTCT TmaxCT（9）式中：RET、RmaxET、TET、TmaxET分别为电能交易链区块中的交易次数、最大交易次数、交易匹配时间和最大交易匹配时间；RCT、RmaxCT、TCT、TmaxCT分别为碳排放权交易链区块中的交易次数、最大交易次数、交易匹配时间和最大交易匹配时间。2）约束条件 2的具体表达式如式（10）、式（11）和式（12）所示。x=1XPE,x,t+a=1APES,a,t=PL,t（10）式中：PE,x,t和PES,a,t分别为t时段供能设备x和储能设备a的出力；PL,t为t时段负荷需求总额。Pm=Umn nUn()Gmncosmn+BmnsinmnQm=Umn nUn()Gmnsinmn-Bmncosmn（11）式中：Um为节点m的电压；n为节点集合；Gmn、Bmn分别为节点间导纳的实部和虚部；mn为节点相位差；Pm、Qm分别为节点m的有功功率、无功功率。PminE,x PE,x,t PmaxE,xPminES-C,x PES-C,x,t PmaxES-C,xPminES-D,x PES-D,x,t PmaxES-D,xPminl Pl,t PmaxlQminl Ql,t Qmaxl（12）式 中：PmaxE,x、PminE,x分 别 为 设 备 x 的 出 力 上、下 限；PES-C,x,t、PmaxES-C,x、PminES-C,x分别为相关设备在t时段的充电出力及其上、下限；PES-D,x,t、PmaxES-D,x、PminES-D,x分别为58相关设备在 t 时段的放电出力及其上、下限。Pl,t、Pmaxl、Pminl分别为线路l在t时段的有功