李軍祥, 張同輝, 屈德強(qiáng), 潘龍博
(上海理工大學(xué) 管理學(xué)院,上海 200093)
隨著中國(guó)電力能源結(jié)構(gòu)的改變以及人們對(duì)用電需求的增加,電網(wǎng)供電壓力越來(lái)越大,傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)已無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的電力需求,建立一個(gè)統(tǒng)一的智能電網(wǎng)是未來(lái)中國(guó)電網(wǎng)的發(fā)展方向[1-2]。
在智能電網(wǎng)中,智能電表可以實(shí)時(shí)記錄和收集用戶大量的用電數(shù)據(jù),并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到中央管理機(jī)構(gòu)。這些數(shù)據(jù)包含了用戶的用電設(shè)備和日常起居等信息,如果這些數(shù)據(jù)被不當(dāng)利用,則會(huì)使用戶面臨隱私泄露的風(fēng)險(xiǎn)[3]。根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)投訴平臺(tái)公布的2021 年1 月至8 月投訴情況顯示,5 月投訴平臺(tái)共收到投訴170 132 件,其中,互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)132 330 件、基礎(chǔ)電信企業(yè)37 802件。在這些投訴中,個(gè)人信息保護(hù)類投訴22 128件,占比13%[4]。美國(guó)NIST 的安全威脅分析報(bào)告中指出,對(duì)智能電表收集到的用戶用電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,會(huì)有用戶隱私信息泄露風(fēng)險(xiǎn)[5]。通過(guò)對(duì)大量的用戶用電細(xì)粒度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可以得到用戶的日常活動(dòng)軌跡。2021 年6 月,《中華人民共和國(guó)數(shù)據(jù)安全法》經(jīng)十三屆全國(guó)人大常委會(huì)第二十九次會(huì)議表決通過(guò),于2021 年9 月1 日起正式實(shí)施。該法案的頒布,標(biāo)志著我國(guó)在數(shù)據(jù)安全領(lǐng)域有法可依,也為各行業(yè)數(shù)據(jù)安全提供了監(jiān)管依據(jù),同時(shí)也從一定程度上體現(xiàn)了國(guó)家對(duì)于保護(hù)個(gè)人和組織隱私、維護(hù)國(guó)家主權(quán)及安全和發(fā)展的重視。未來(lái),個(gè)人隱私及信息安全必然會(huì)受到社會(huì)的普遍關(guān)注,也將在一定程度上影響到各行業(yè)的發(fā)展。因此,面向智能電表的用電數(shù)據(jù)隱私保護(hù)問(wèn)題引起了廣泛關(guān)注。隨著消費(fèi)者對(duì)信息隱私關(guān)注的增強(qiáng),供電商具備的隱私保護(hù)功能必然會(huì)對(duì)供電商間的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生影響,成為供電商定價(jià)策略必須考慮的重要因素之一[6]。用戶的隱私信息是否保護(hù)得當(dāng)是其購(gòu)電過(guò)程中所需考慮的環(huán)節(jié),而區(qū)塊鏈技術(shù)作為一種新型去中心化的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)對(duì)于解決隱私信息保護(hù)問(wèn)題提供了良好的技術(shù)支持[7]。
區(qū)塊鏈本質(zhì)上是一個(gè)擁有去中心化、應(yīng)用分布式數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、實(shí)施點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、形成共識(shí)機(jī)制和使用加密算法等機(jī)制的數(shù)據(jù)庫(kù)[8-10]。它的特點(diǎn)主要表現(xiàn)為很難被篡改和盜取信息。當(dāng)交易達(dá)成時(shí),交易雙方根據(jù)預(yù)先約定好的智能合約,進(jìn)行資金轉(zhuǎn)移[11]。區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用可以有效調(diào)節(jié)供需雙方的福利以及用電策略[12],并且可以保護(hù)供需雙方的隱私信息,給智能電網(wǎng)的發(fā)展帶來(lái)了活力[13]。不同用戶對(duì)隱私敏感程度不同,區(qū)塊鏈的應(yīng)用程度影響著隱私信息的保護(hù)程度,進(jìn)而影響用戶的用電量,供電商根據(jù)用戶的用電量實(shí)時(shí)更新電價(jià)。所以,基于區(qū)塊鏈隱私保護(hù)以及用戶的用電量與電價(jià)之間的交互值得深入研究。
文獻(xiàn)[14-16]研究表明,根據(jù)用戶細(xì)粒度的用電數(shù)據(jù)可以推斷用戶的行為信息,如用戶的睡眠周期和用戶是否在家。如果這些隱私數(shù)據(jù)被惡意分子或商家獲得,不但會(huì)對(duì)用戶的生活產(chǎn)生不良影響,而且會(huì)讓犯罪分子有機(jī)可乘,對(duì)用戶的利益和安全造成嚴(yán)重?fù)p害。文獻(xiàn)[17]通過(guò)驗(yàn)證企業(yè)隱私條例的有效性實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),被消費(fèi)者認(rèn)為“更安全”或者“更值得信任”的企業(yè)將更具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[18]提出了一種基于區(qū)塊鏈和聯(lián)邦學(xué)習(xí)的邊緣計(jì)算隱私保護(hù)方法,能夠抵抗30%的中毒攻擊,并且能以較高的模型準(zhǔn)確率實(shí)現(xiàn)隱私保護(hù)。文獻(xiàn)[19]使用區(qū)塊鏈技術(shù)、智能合約和匿名消息流,保證了微電網(wǎng)交易的隱私性和安全性。文獻(xiàn)[20]提出基于聯(lián)盟鏈技術(shù)的電力交易方法來(lái)提高交易的透明性。文獻(xiàn)[21]以用戶購(gòu)電效用最大化為目標(biāo),建立了不同風(fēng)險(xiǎn)喜好的用戶選擇負(fù)荷最優(yōu)套期保值比例的決策模型。文獻(xiàn)[22]通過(guò)合作博弈的方式建立多能互補(bǔ)發(fā)電策略模型來(lái)滿足用戶的全部電力需求,以增加電力供應(yīng)商的利潤(rùn)。文獻(xiàn)[23] 提出了一種可再生能源定價(jià)方案,以盡量減少用戶的總電費(fèi)。當(dāng)前的研究對(duì)于隱私信息的保護(hù)停留在改進(jìn)電網(wǎng)的交易機(jī)制方面,并沒(méi)有把它量化到電量與電價(jià)的交互過(guò)程中。另一方面大多數(shù)都以供電商成本的最小化或者用戶的用電福利最大化進(jìn)行實(shí)時(shí)定價(jià),以達(dá)到社會(huì)福利最大化,忽略了供電商和用戶之間的利益均衡。
區(qū)塊鏈技術(shù)去中心化特性,取代了中央管理機(jī)構(gòu),能夠有效保護(hù)隱私信息。本文旨在研究區(qū)塊鏈應(yīng)用程度不同情況下,多種類型用戶的智能電網(wǎng)實(shí)時(shí)定價(jià)策略?;诖耍倪M(jìn)了用戶的效用函數(shù)和供電商成本函數(shù),將區(qū)塊鏈應(yīng)用程度量化在供需雙方的模型中。通過(guò)區(qū)塊鏈交易平臺(tái)的實(shí)時(shí)定價(jià)策略,提高了供電商利潤(rùn)和用戶福利,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)社會(huì)福利最大化及供需平衡。
不同類型用戶對(duì)隱私信息的敏感程度不同,本文考慮一個(gè)由3 種類型用戶(居民用戶、商業(yè)用戶和工業(yè)用戶)和一家供電商基于區(qū)塊鏈交易平臺(tái)(見(jiàn)圖1)構(gòu)成的智能電網(wǎng)交易系統(tǒng)。
圖1 基于區(qū)塊鏈隱私保護(hù)的電力交互系統(tǒng)Fig.1 Power interaction system based on blockchain privacy protection
1.1.1 供電成本
在此系統(tǒng)中,供電商通過(guò)區(qū)塊鏈交易平臺(tái)實(shí)時(shí)更新電價(jià),引導(dǎo)用戶合理用電,用戶根據(jù)供電商提供的電價(jià)來(lái)規(guī)劃用電行為。所有的交易信息(電價(jià)、供電量等)均通過(guò)區(qū)塊鏈交易平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。當(dāng)交易達(dá)成后,通過(guò)智能合約來(lái)記錄交易過(guò)程。供需雙方高度自治化,降低了交易雙方信息泄露的風(fēng)險(xiǎn),有利于隱私保護(hù),提高交易效率。區(qū)塊鏈的隱私保護(hù)可以分為保護(hù)身份隱私和保護(hù)數(shù)據(jù)隱私兩個(gè)方面[24]。身份隱私指交易雙方的基本信息和地址信息。數(shù)據(jù)隱私指的是區(qū)塊鏈上儲(chǔ)存的交易數(shù)據(jù),如用電量與電價(jià)。保護(hù)這兩類隱私通常應(yīng)用混幣機(jī)制和鏈下加密技術(shù)?;鞄艡C(jī)制可以將多個(gè)交易混合在一起,破壞原有的交易輸入輸出關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)完全匿名,進(jìn)而保護(hù)身份隱私。鏈下加密技術(shù)保護(hù)數(shù)據(jù)隱私的方式為先在鏈下通過(guò)加密的方式將隱私數(shù)據(jù)加密后,再將密文上鏈存儲(chǔ)?;诖?,本文構(gòu)建了圖1 的基于區(qū)塊鏈隱私保護(hù)交易平臺(tái)的電力交互系統(tǒng)。
本文所涉及的變量及其含義如表1 所示。
表1 變量及其含義Tab.1 Symbol descriptions
a. 發(fā)電成本。
供電商的發(fā)電成本函數(shù)應(yīng)具有嚴(yán)格遞增性和凸函數(shù)的性質(zhì),故對(duì)于3 類用戶產(chǎn)生的發(fā)電成本,采用以下二次函數(shù)[25]來(lái)表示,即
b. 儲(chǔ)電成本。
由于供需雙方信息不對(duì)稱,供電商的發(fā)電量往往大于用電量,需要對(duì)多余的電量進(jìn)行儲(chǔ)存,這樣就產(chǎn)生了儲(chǔ)電成本。區(qū)塊鏈的應(yīng)用為用戶實(shí)時(shí)消納電量提供了可能,其應(yīng)用程度越高,供需雙方的信息差越小,從而儲(chǔ)電量減少,儲(chǔ)電成本降低。
假設(shè)儲(chǔ)電成本Cs是儲(chǔ)電量的一次函數(shù),不妨設(shè)為
c. 期望隱私成本。
隱私信息的泄露并不是一個(gè)必然發(fā)生的事件,可以看成為一個(gè)概率事件。區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用能夠降低隱私信息泄露的風(fēng)險(xiǎn),且應(yīng)用程度越高,隱私信息泄露的概率就越低。但區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用只能減少隱私信息泄露的可能而不能完全避免隱私泄露,即區(qū)塊鏈應(yīng)用程度為100%時(shí),隱私信息也會(huì)有泄露的概率。隱私泄露的概率和區(qū)塊鏈應(yīng)用程度呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系,為了刻畫(huà)兩者的關(guān)系,引入一個(gè)刻畫(huà)隱私信息泄露的概率系數(shù)e:
式中, 0 ≤q≤1和 0 ≤ρ ≤1分別為指數(shù)函數(shù)中的底數(shù)和指數(shù)。
為了更加直觀地說(shuō)明區(qū)塊鏈應(yīng)用程度與隱私信息泄露概率之間的關(guān)系,在q為 0.5、em為0.5 的情況下,繪制了區(qū)塊鏈應(yīng)用程度 ρ從0 到1 時(shí)隱私信息泄露概率的變化圖,如圖2 所示。在設(shè)定隱私信息安全保護(hù)系數(shù)時(shí),最理想的設(shè)定需統(tǒng)計(jì)全球隱私數(shù)據(jù)總量以及隱私信息泄露的數(shù)量,據(jù)此計(jì)算隱私信息初始泄露系數(shù)。然而未發(fā)現(xiàn)有機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)過(guò)權(quán)威數(shù)據(jù),故采用折衷辦法取em=0.5。
圖2 不同區(qū)塊鏈應(yīng)用程度下隱私信息泄露概率Fig. 2 Probability of privacy information leakage under different blockchain application degrees
由圖2 可以直觀地看出,區(qū)塊鏈應(yīng)用程度越高,隱私信息泄露概率越低。在區(qū)塊鏈應(yīng)用程度為0 時(shí),隱私信息泄露概率最高。隨著應(yīng)用程度變高,曲線走勢(shì)由急到緩,說(shuō)明應(yīng)用區(qū)塊鏈對(duì)比未應(yīng)用區(qū)塊鏈,隱私信息保護(hù)效果好很多。當(dāng)區(qū)塊鏈應(yīng)用程度為100% 時(shí)隱私信息的保護(hù)效果最好,但隱私信息泄露概率也不為0,符合實(shí)際情況。
一旦供電商的生產(chǎn)安排等隱私信息泄露,商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的惡意競(jìng)爭(zhēng)行為會(huì)對(duì)其造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。假定隱私信息泄露后的最大損失成本為Ch,則供電商的期望隱私成本Ck為
1.1.2 售電收益
假定p1,p2和p3分別為供電商向居民用戶、商業(yè)用戶和工業(yè)用戶提供的電價(jià),那么供電商的售電收益為
1.1.3 供電商的利潤(rùn)
供電商的利潤(rùn)為售電收益與供電成本的差,即
本文借助微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)中的效用函數(shù)量化用戶對(duì)用電量的滿意程度。為了刻畫(huà)區(qū)塊鏈的應(yīng)用程度對(duì)3 類用戶的用電效用的影響,本文將區(qū)塊鏈的應(yīng)用程度量化到3 類用戶的效用函數(shù)U(x,ω)里。
由于用戶對(duì)隱私信息的敏感程度不同,引入隨機(jī)變量X表示用戶對(duì)隱私信息的敏感程度。由于對(duì)隱私信息完全敏感與完全不敏感這兩種極端情況的用戶非常少,敏感程度居中的用戶較多,符合正態(tài)分布,即X~N(μ,σ2),則用戶用電量的滿意度參數(shù)可以表示為
1.2.1 效用函數(shù)
a. 居民用戶在不同的時(shí)段有不同的用電需求。當(dāng)居民用戶當(dāng)前用電量不能滿足基本用電需求時(shí),無(wú)論電價(jià)如何,用戶會(huì)持續(xù)購(gòu)電直到滿足基本需求,但這一過(guò)程中,用戶的邊際需求是遞減的。當(dāng)居民用戶的用電量達(dá)到其基本需求時(shí),用電效用達(dá)到最大值,不再隨著用電量的增加而增加。本文引入以下二次函數(shù)[26]來(lái)表示居民用戶的用電效用,即
b. 由于商業(yè)用戶的差異性,消耗相同的電量其滿意程度不同。且在一定的電力消費(fèi)階段,商業(yè)用戶用電效用的增加速度會(huì)隨著用電量的增加而迅速增加。本文引入以下的對(duì)數(shù)函數(shù)[27]來(lái)表示商業(yè)用戶的用電效用,即
c. 工業(yè)用戶的效用遞增效率要比商業(yè)用戶快,因此采用以下遞增效用函數(shù)[28]來(lái)刻畫(huà)工業(yè)用戶的用電效用,即
b. 期望隱私成本。
隱私成本分為兩個(gè)方面[29]:一方面為受到電話騷擾的騷擾成本,另一方面為電信詐騙造成的財(cái)產(chǎn)損失成本。騷擾主要受到騷擾電話影響,騷擾成本最直接地體現(xiàn)為時(shí)間成本,時(shí)間成本等于同等時(shí)間獲得相應(yīng)收入的數(shù)量,且接完電話后用戶還需一段時(shí)間恢復(fù)注意力。假設(shè)恢復(fù)注意力的時(shí)間和通話時(shí)間相同,則騷擾成本k1表示為
1.2.3 用戶的福利
用戶的福利為用電效用與用電成本的差,則時(shí)隙t用戶側(cè)的福利為
將供電側(cè)與用戶側(cè)看成一個(gè)社會(huì)系統(tǒng),綜合考慮供電商和用戶雙方的利益,不妨將供電商的利潤(rùn)和用戶的福利之和定義為社會(huì)福利,則時(shí)隙t的社會(huì)福利為
此外,用戶的用電量應(yīng)不超過(guò)供電商的供電量,基于社會(huì)福利最大化的目標(biāo)建立如下定價(jià)模型:
每個(gè)時(shí)隙的電力消耗可以看成完全獨(dú)立,這樣整個(gè)社會(huì)福利最大化問(wèn)題就可以轉(zhuǎn)化為只需考慮某一時(shí)隙的社會(huì)福利最大化問(wèn)題,即問(wèn)題(28)可以被分成T個(gè)子問(wèn)題:
問(wèn)題(30)不包含電價(jià)變量,不能直接求出最優(yōu)的電價(jià)。通常采用其最優(yōu)的拉格朗日乘子,即影子價(jià)格作為電價(jià)[30]。
問(wèn)題(30)的拉格朗日函數(shù)為
則該問(wèn)題的對(duì)偶問(wèn)題為
采用梯度投影迭代法更新電價(jià),引入迭代式[31]
式中:γ為步長(zhǎng);h∈H,H表示 λt在t時(shí)段內(nèi)更新的時(shí)間序列集合。
3 類用戶實(shí)時(shí)電價(jià)的迭代更新公式分別為
算法描述以及用戶與供電商之間的互動(dòng)如圖3所示。
圖3 實(shí)時(shí)定價(jià)算法流程Fig. 3 Procedure of real-time pricing algorithm
運(yùn)用Matlab 軟件進(jìn)行數(shù)值仿真。假設(shè)有一個(gè)供電商,n1= 20 個(gè)居民用戶,n2=20 個(gè)商業(yè)用戶,n3=20 個(gè)工業(yè)用戶,其他參數(shù)參照文獻(xiàn)[12,30-31]預(yù)先設(shè)置。電力供給側(cè)參數(shù)設(shè)置為:a=0.01,w=0,c= 0.000 6,d=0.02 , ε=0.5,q=0.5,tp=30;電力需求側(cè)參數(shù)設(shè)置為: ξ=0.9, α=2,∈[1,4],∈[1,4],∈[1,4]。
由圖4 可知,3 類用戶在區(qū)塊鏈應(yīng)用程度高時(shí)的用電量明顯高于區(qū)塊鏈應(yīng)用程度低時(shí),且3 類用戶都傾向于在區(qū)塊鏈應(yīng)用程度高的時(shí)候進(jìn)行用電。仿真結(jié)果與前文的理論分析一致,即區(qū)塊鏈的應(yīng)用程度越高,隱私泄露的風(fēng)險(xiǎn)就越低,用戶用電的意愿就越強(qiáng)烈。和居民用戶相比,商業(yè)用戶和工業(yè)用戶的用電意愿對(duì)區(qū)塊鏈的應(yīng)用程度更敏感,即應(yīng)用程度高和低時(shí),用電量的偏差更明顯。這是因?yàn)?,在生產(chǎn)交易的過(guò)程中商業(yè)用戶和工業(yè)用戶隱私信息的泄露往往會(huì)對(duì)企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。圖4 表明區(qū)塊鏈應(yīng)用程度的提高有助于保護(hù)居民用戶、商業(yè)用戶和工業(yè)用戶的隱私。和居民用戶相比,商業(yè)用戶和工業(yè)用戶更希望提高區(qū)塊鏈應(yīng)用程度。
圖4 不同區(qū)塊鏈應(yīng)用程度下3 類用戶的用電量對(duì)比Fig. 4 Comparison of electricity consumption for three types of users under different blockchain application levels
由圖5 可知,區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用程度越高,電價(jià)越低。這是因?yàn)?,區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用程度越高,供需雙方獲得的信息越準(zhǔn)確,隱私泄露的風(fēng)險(xiǎn)就越低,從而供電商的供電成本就會(huì)降低。在供電商利潤(rùn)不變的前提下,供電商的供電成本就會(huì)降低,自然而然電價(jià)就會(huì)降低。
圖5 不同區(qū)塊鏈應(yīng)用程度下3 類用戶的電價(jià)對(duì)比Fig. 5 Comparison of electricity prices for three types of users under different blockchain application levels
由圖6 可知,整體而言,供電商的利潤(rùn)和區(qū)塊鏈應(yīng)用程度呈正相關(guān),即區(qū)塊鏈的應(yīng)用程度越高利潤(rùn)越大。這是因?yàn)椋环矫?,隨著區(qū)塊鏈應(yīng)用程度的提高,供電商隱私信息泄露的風(fēng)險(xiǎn)就越低,其隱私成本就越小。另一方面,區(qū)塊鏈應(yīng)用程度越高,用戶由于隱私泄露導(dǎo)致的財(cái)產(chǎn)損失的可能就越低,從而用戶的用電意愿就越強(qiáng)烈。隨著供電成本的減少和用戶用電量的增加,供電商的利潤(rùn)自然就會(huì)提高。
圖6 不同區(qū)塊鏈應(yīng)用程度下供電商的利潤(rùn)對(duì)比Fig. 6 Profit comparison of power suppliers under different blockchain application levels
由圖7 可知,整體而言,區(qū)塊鏈應(yīng)用程度越高用戶用電福利就越高。這是因?yàn)椋阂环矫?,隨著區(qū)塊鏈應(yīng)用程度的提高,用戶隱私信息保護(hù)得更好,用戶由于隱私泄露導(dǎo)致的財(cái)產(chǎn)損失的可能就越低,即用電成本就越低;另一方面,區(qū)塊鏈應(yīng)用程度越高,用戶從供電商處獲得的信息就越準(zhǔn)確,對(duì)于相同用電量的滿意度就越高,即用電效用越高。隨著用電成本的降低和用電效用的提高,用戶的福利自然就會(huì)提高。
圖7 不同區(qū)塊鏈應(yīng)用程度下3 類用戶的福利對(duì)比Fig. 7 Welfare comparison for three types of users under different blockchain application levels
和商業(yè)用戶及工業(yè)用戶相比,居民用戶的用電福利對(duì)區(qū)塊鏈應(yīng)用程度越敏感,即應(yīng)用程度高和低時(shí),用戶福利的偏差更明顯,這也與實(shí)際相符。這是因?yàn)?,居民用戶中有許多老人防詐騙意識(shí)較為薄弱,會(huì)成為網(wǎng)絡(luò)詐騙的目標(biāo)人群,隱私泄露的風(fēng)險(xiǎn)比較高。所以當(dāng)區(qū)塊鏈應(yīng)用程度高的時(shí)候,居民用戶的用電福利得到更為明顯的提升。
智能電網(wǎng)背景下的實(shí)時(shí)定價(jià)機(jī)制一方面未考慮隱私泄露對(duì)定價(jià)的影響,另一方面未考慮供需雙方的利益均衡。因此,本文基于區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建了一種計(jì)及隱私保護(hù)的社會(huì)福利最大化模型。供電商根據(jù)隱私敏感程度的不同,將用戶分為居民用戶、商業(yè)用戶和工業(yè)用戶,在區(qū)塊鏈的不同應(yīng)用程度和追求社會(huì)福利最大化的目標(biāo)下進(jìn)行實(shí)時(shí)定價(jià),通過(guò)電價(jià)指導(dǎo)用戶的用電行為。數(shù)值仿真表明,區(qū)塊鏈應(yīng)用程度高的時(shí)候,供需雙方的隱私信息得到了極大的保護(hù),供電商的利潤(rùn)與3 類用戶的用電福利均得到提高。