李振偉，劉洋，許立雄，朱廷虎，劉任

(四川大學(xué)電氣工程學(xué)院, 成都市 610065)

0 引 言

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和售電側(cè)市場(chǎng)的放開，以微電網(wǎng)為市場(chǎng)主體的分布式能源交易將成為可再生能源就地消納的重要手段[1-2]。同時(shí)，大量具有獨(dú)立決策能力的微電網(wǎng)之間開展交易對(duì)于運(yùn)行效率、數(shù)據(jù)公開透明性以及交易安全性提出更高要求[3]。相較于傳統(tǒng)集中式交易，分布式端對(duì)端交易具有運(yùn)行效率高和維護(hù)成本低等優(yōu)勢(shì)[4]，但其依然面臨交易數(shù)據(jù)易被篡改和難追溯等問題[5]。區(qū)塊鏈作為一種可信任的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，其去中心化、信任成本低、安全透明的特性與分布式交易相契合[6]。因此，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的多微電網(wǎng)分布式交易模式受到重視。

分布式交易中存在市場(chǎng)準(zhǔn)入門檻低、交易主體的個(gè)體趨利性強(qiáng)、新能源出力具有不確定性等問題[7]，同時(shí)電能交易合約通常在實(shí)際交割執(zhí)行前進(jìn)行簽訂[8]。上述情況將一定程度上增大各微電網(wǎng)主體發(fā)生違約行為的可能性，危害分布式電能交易的正常展開，進(jìn)而影響配電網(wǎng)的安全運(yùn)行[9]。因此，建立分布式電能交易模型的同時(shí)需對(duì)各交易主體進(jìn)行信用管理以約束其違約行為。文獻(xiàn)[10]提出了基于信譽(yù)值激勵(lì)的光伏分布式交易區(qū)塊鏈模型，但需要采用弱中心化形式進(jìn)行公開賬本的維護(hù)工作。文獻(xiàn)[11]建立了基于信用證明共識(shí)機(jī)制的分布式交易信用評(píng)估方法，以經(jīng)濟(jì)激勵(lì)方式遏制用戶違約行為。文獻(xiàn)[12]基于連續(xù)雙向拍賣機(jī)制和信用機(jī)制，設(shè)計(jì)了以價(jià)格為主、信用為輔的微電網(wǎng)分層交易策略，結(jié)果表明所提方法能夠有效抑制節(jié)點(diǎn)的惡意交易行為和規(guī)避違約風(fēng)險(xiǎn)。但上述文獻(xiàn)均未考慮配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、電能傳輸損耗和新能源就近消納等對(duì)交易匹配結(jié)果的影響。

隨著交易規(guī)模擴(kuò)大，微電網(wǎng)間往往會(huì)發(fā)生較遠(yuǎn)距離的電能傳輸[13]。若仍將電能作為普通商品進(jìn)行交易，忽略電能傳輸距離對(duì)交易匹配的影響，在實(shí)際應(yīng)用中將嚴(yán)重影響各交易主體的經(jīng)濟(jì)利益[14]。因此，需激勵(lì)各交易主體就近交易以提高其經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)而促進(jìn)新能源的就近消納。文獻(xiàn)[15]設(shè)計(jì)了基于電氣傳輸距離評(píng)估指標(biāo)的拍賣算法，并分析了該交易匹配機(jī)制的高效性和經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[16]提出考慮電氣距離定價(jià)機(jī)制的分布式能源交易區(qū)塊鏈模型，并引入一種匿名位置證明算法，以鼓勵(lì)用戶就近交易。文獻(xiàn)[17]構(gòu)建基于穩(wěn)定匹配算法的端對(duì)端能源交易區(qū)塊鏈模型，仿真驗(yàn)證由電氣距離驅(qū)動(dòng)的交易機(jī)制可緩解網(wǎng)絡(luò)損耗和線路阻塞。因此，需對(duì)分布式交易的信用管理和節(jié)點(diǎn)間電氣距離進(jìn)行綜合考慮。

綜上所述，本文提出一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式電能交易模型，并設(shè)計(jì)計(jì)及信譽(yù)值排序和電氣距離的匹配機(jī)制。首先，針對(duì)各交易主體的歷史合約履行率建立信譽(yù)評(píng)估模型，并將信譽(yù)值引入到交易匹配中，構(gòu)建結(jié)合信譽(yù)值和報(bào)價(jià)信息的調(diào)序策略。其次，為促使交易雙方在信譽(yù)值允許范圍內(nèi)選擇就近交易，建立基于戴維南阻抗距離的電氣距離評(píng)估模型，并以購(gòu)電方費(fèi)用最低為目標(biāo)函數(shù)設(shè)計(jì)交易匹配策略；再次，引入基于功率分布因子(power transfer distribution factors，PTDF)的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)安全校核和自適應(yīng)報(bào)價(jià)更新策略對(duì)交易信息進(jìn)行約束管理和實(shí)時(shí)更新。最后，利用以太坊Ganache客戶端搭建分布式電能交易平臺(tái)，并部署智能合約進(jìn)行仿真驗(yàn)證，通過算例證明所提交易機(jī)制的有效性與合理性。

1 基于區(qū)塊鏈的分布式電能交易架構(gòu)

本文所研究的多微電網(wǎng)分布式電能交易模型由物理層和信息層兩部分構(gòu)成，整體架構(gòu)如圖1所示。在物理層中，各交易主體在簽訂電能交易合約后，通過配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行電能交割。在信息層中，各交易主體通過智能電表在區(qū)塊鏈平臺(tái)上調(diào)用智能合約進(jìn)行信息交互、合約匹配和交易結(jié)算，以實(shí)現(xiàn)安全可靠、公開透明和智能化執(zhí)行的分布式電能交易。

圖1 多微電網(wǎng)分布式電能交易框架Fig.1 Multi-microgrid distributed energy transaction framework

本架構(gòu)中，交易主體主要由微電網(wǎng)和配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商(distribution system operation，DSO)構(gòu)成。其中，微電網(wǎng)包含風(fēng)電機(jī)組、光伏系統(tǒng)、居民用戶、分布式儲(chǔ)能和電動(dòng)汽車等。微電網(wǎng)在自身發(fā)電量大于負(fù)荷量時(shí)作為售電方，反之則作為購(gòu)電方。DSO不作為第三方機(jī)構(gòu)參與和監(jiān)管分布式電能交易，而是為各微電網(wǎng)提供輔助服務(wù)。當(dāng)微電網(wǎng)間無(wú)法達(dá)到電能交易平衡，DSO將以上網(wǎng)電價(jià)收購(gòu)售電方未能交易的電量或以分時(shí)電價(jià)出售電能給仍有需求的購(gòu)電方。因此，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式電能交易流程可分為以下5個(gè)階段：

1)交易信息更新階段。在每輪交易匹配開始前，區(qū)塊鏈平臺(tái)對(duì)各主體上一輪的交易信息進(jìn)行更新，并審核其信譽(yù)值是否達(dá)到分布式交易市場(chǎng)準(zhǔn)入閾值，如未達(dá)到，則不允許其參與本輪交易。

2)交易信息申報(bào)階段。首先，各微電網(wǎng)根據(jù)自身出力和負(fù)荷情況向區(qū)塊鏈平臺(tái)申報(bào)需求電量和報(bào)價(jià)信息等。其次，交易主體需根據(jù)自身信譽(yù)值存入一定的保證金，且購(gòu)電方仍需存入一定的金額，以保證其能夠支付購(gòu)買電量的總費(fèi)用。最后，當(dāng)交易申報(bào)時(shí)間截止時(shí)，智能合約將自動(dòng)進(jìn)行Hash運(yùn)算以確認(rèn)運(yùn)算結(jié)果是否與其報(bào)價(jià)一致，若不一致，則終止該主體繼續(xù)參與交易。

3)交易調(diào)序階段。智能合約獲得所有交易主體的有效報(bào)價(jià)和需求電量后，為激勵(lì)各參與主體積極履行合約和避免非理性報(bào)價(jià)，依據(jù)其信譽(yù)值和報(bào)價(jià)信息進(jìn)行交易調(diào)序。其中，信譽(yù)值較高且報(bào)價(jià)合理的交易主體擁有較高的交易優(yōu)先級(jí)。

4)交易撮合階段。首先，根據(jù)調(diào)序結(jié)果確定各主體的參與順序。其次，綜合考慮交易雙方間的電氣距離和信譽(yù)值情況進(jìn)行交易撮合，并實(shí)時(shí)對(duì)交易撮合結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)安全校核。最后，撮合成功的雙方則進(jìn)行交易匹配，未能撮合成功的主體則更新報(bào)價(jià)并進(jìn)入下一輪交易。

5)交易結(jié)算出清階段。當(dāng)所有交易主體均完成購(gòu)售電需求時(shí)，或達(dá)到預(yù)設(shè)的交易輪數(shù)上限時(shí)，智能合約將自動(dòng)終止本輪交易，并進(jìn)入結(jié)算出清階段。智能電表根據(jù)已簽訂的電能合約進(jìn)行電能交割，交易平臺(tái)則根據(jù)實(shí)際傳輸情況對(duì)各交易主體進(jìn)行信譽(yù)值評(píng)估和扣除一定的保證金作為違約懲罰。最后，智能合約將交易信息上傳至區(qū)塊鏈平臺(tái)進(jìn)行保存，并完成資金結(jié)算和轉(zhuǎn)賬服務(wù)。

下文將從交易調(diào)序機(jī)制、交易撮合機(jī)制、網(wǎng)絡(luò)安全校核等方面對(duì)分布式電能交易機(jī)制進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2 基于信譽(yù)值的交易調(diào)序機(jī)制

微電網(wǎng)主體因存在新能源出力不確定性和個(gè)體趨利性強(qiáng)等問題，在實(shí)際電能傳輸階段易發(fā)生違約行為，導(dǎo)致與其達(dá)成合約的交易主體產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)損失。其次，若微電網(wǎng)與配電網(wǎng)間進(jìn)行頻繁的電能交互將會(huì)影響配電網(wǎng)運(yùn)行的安全性。因此，亟需信用管理機(jī)制來約束各交易主體在分布式交易中的違約行為。

2.1 信譽(yù)值評(píng)估機(jī)制

為確保各交易主體能夠積極履行交易合約，本文通過建立基于合約履行度的信譽(yù)值指標(biāo)來評(píng)價(jià)各主體在實(shí)際電能交割階段的違約行為。同時(shí)，本文將信譽(yù)值與需繳納的保證金和市場(chǎng)準(zhǔn)入門檻相關(guān)聯(lián)以抑制各主體的違約行為。信譽(yù)值評(píng)估具體過程如下：

1)設(shè)定各交易主體的初始信用值均為100，并在每輪交易結(jié)束時(shí)，區(qū)塊鏈平臺(tái)將自動(dòng)根據(jù)其在本輪交易中的實(shí)際電能交割情況更新信譽(yù)值。

2)若交易主體的實(shí)際電能交割量低于合約規(guī)定電量，則需根據(jù)其合約完成度計(jì)算信譽(yù)值，具體計(jì)算方法如下。

(1)

(2)

3)各主體需在第t時(shí)段交易開始前向區(qū)塊鏈平臺(tái)繳納一定的保證金，若其發(fā)生違約行為，則需扣除部分保證金作為違約懲罰[18]。因此，需繳納的保證金計(jì)算方法如下：

(3)

由式(1)和式(3)可知，當(dāng)交易主體實(shí)際交易的偏差電量越高時(shí)，其扣除的信譽(yù)值越多，需繳納的保證金也越多。此外，若交易主體的信譽(yù)值低于市場(chǎng)預(yù)設(shè)的準(zhǔn)入閾值時(shí)，將禁止其參與分布式電能交易市場(chǎng)。因此，各交易主體需積極履行合約以提高自身的信譽(yù)值，避免繳納過多的保證金和獲得交易市場(chǎng)的準(zhǔn)入許可。

2.2 基于信譽(yù)值的交易調(diào)序機(jī)制

在分布式電能交易市場(chǎng)中參與主體較多時(shí)，為促進(jìn)微電網(wǎng)間有限的電能交易到信譽(yù)值較高的交易主體中，本文通過結(jié)合報(bào)價(jià)信息和信譽(yù)值設(shè)計(jì)基于連續(xù)雙向拍賣的交易調(diào)序機(jī)制，交易調(diào)序的具體過程如下。

1)各交易主體根據(jù)自身需求通過智能電表向區(qū)塊鏈交易平臺(tái)提交其初始報(bào)價(jià)[19]。

對(duì)于購(gòu)電方，其初始報(bào)價(jià)制定策略為：

(4)

對(duì)于售電方，其初始報(bào)價(jià)制定策略為：

(5)

2)智能合約將根據(jù)買賣雙方的報(bào)價(jià)信息和信譽(yù)值來計(jì)算其綜合報(bào)價(jià)。

對(duì)于購(gòu)電方來說，其綜合報(bào)價(jià)為：

(6)

對(duì)于售電方來說，其綜合報(bào)價(jià)為：

(7)

3)智能合約根據(jù)購(gòu)電方綜合報(bào)價(jià)從高到底，售電方綜合報(bào)價(jià)從低到高的順序?qū)Ω鹘灰字黧w進(jìn)行排序。如圖2所示，購(gòu)電方3因信譽(yù)值良好經(jīng)過調(diào)序后，其交易次序要優(yōu)于購(gòu)電方2；售電方1雖然報(bào)價(jià)最低，但由于上一輪交易信譽(yù)值較差，其交易次序需向后調(diào)整。

圖2 交易調(diào)序機(jī)制示意圖Fig.2 Schematic diagram of transaction ordering mechanism

3 計(jì)及電氣距離的交易匹配機(jī)制

電能交易不同于普通商品交易，其在交易過程中需考慮配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和物理約束。若只考慮交易主體的信譽(yù)值和價(jià)格進(jìn)行交易匹配，在實(shí)際應(yīng)用中將影響其經(jīng)濟(jì)效益，危害配電網(wǎng)運(yùn)行的安全性。因此，分布式電能交易匹配機(jī)制需綜合考慮交易主體間的信譽(yù)值和電氣距離等方面以促進(jìn)新能源的就近消納和保障配電網(wǎng)安全運(yùn)行。

3.1 電氣距離評(píng)估模型

目前，已有研究中通常采用電能傳輸距離和戴維南阻抗距離等方法來計(jì)算電力系統(tǒng)中不同節(jié)點(diǎn)間的電氣距離[20]。然而相較于電能傳輸距離法，在配電網(wǎng)絡(luò)中，考慮最短路徑的戴維南等效阻抗法更適用于求解不同節(jié)點(diǎn)間的電氣距離[17,21]。此外，在配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和微電網(wǎng)所在位置確定的情況下，戴維南阻抗距離法所得的電氣距離可視為常數(shù)，該特性與區(qū)塊鏈平臺(tái)的智能化執(zhí)行特性相契合[22]。因此，本文采用戴維南阻抗距離法來計(jì)算各節(jié)點(diǎn)間的電氣距離，并將節(jié)點(diǎn)間的電氣距離以如式(8)所示的矩陣形式編入智能合約。

(8)

式中：D為節(jié)點(diǎn)間的電氣距離矩陣；dmn為節(jié)點(diǎn)m和節(jié)點(diǎn)n間的電氣距離；m為售電微網(wǎng)的數(shù)量；n為購(gòu)電微網(wǎng)的數(shù)量。

各節(jié)點(diǎn)間的電氣距離計(jì)算公式如式(9)所示，具體計(jì)算過程如表1所示。

表1 電氣距離計(jì)算過程Table 1 The process of electrical distance calculation

(9)

3.2 計(jì)及電氣距離的交易匹配策略

各交易主體選擇與其距離較近的主體進(jìn)行電能交易可減少經(jīng)濟(jì)損失、緩解阻塞問題和促進(jìn)新能源就近消納[17]。因此，本文通過引入基于電氣距離的網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用以激勵(lì)買賣雙方在交易匹配過程中選擇就近交易[23]。該網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用的計(jì)算方法如下。

(10)

在分布式電能交易市場(chǎng)中，連續(xù)雙向拍賣機(jī)制能夠簡(jiǎn)單高效地完成買賣雙方的交易匹配。因此，本文將信譽(yù)值和電氣距離引入雙向拍賣機(jī)制中，提出一種綜合考慮信譽(yù)值、價(jià)格及電氣距離的交易匹配策略。具體的交易匹配過程詳述于下。

1)交易撮合階段：買賣雙方根據(jù)綜合報(bào)價(jià)的排序結(jié)果形成交易隊(duì)列，并按照其對(duì)應(yīng)的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行匹配。由于購(gòu)電方需支付因電氣距離產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用，本文將以購(gòu)電方為主體建立其期望購(gòu)電費(fèi)用最小的購(gòu)電策略函數(shù)：

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

在交易匹配過程中，若購(gòu)電方的報(bào)價(jià)高于售電方的報(bào)價(jià)則雙方直接根據(jù)購(gòu)電雙方實(shí)際報(bào)價(jià)的平均值進(jìn)行簽約，如式(18)所示。若購(gòu)電方報(bào)價(jià)低于售電方報(bào)價(jià)，則雙方需進(jìn)入報(bào)價(jià)調(diào)整階段。

(18)

式中：λij(t)為購(gòu)電方i和售電方j(luò)間的成交價(jià)格。

2)報(bào)價(jià)調(diào)整階段：當(dāng)購(gòu)電方與售電方實(shí)際報(bào)價(jià)無(wú)法達(dá)成匹配時(shí)，交易雙方進(jìn)入報(bào)價(jià)調(diào)整階段。因此，本文采用自適應(yīng)報(bào)價(jià)更新策略以提高交易雙方的匹配成功率。則詳細(xì)報(bào)價(jià)更新策略如下。

當(dāng)進(jìn)入調(diào)整報(bào)價(jià)階段，交易主體將根據(jù)市場(chǎng)交易進(jìn)程和信譽(yù)值情況自適應(yīng)調(diào)整自身的調(diào)價(jià)意愿。即當(dāng)交易匹配階段將要截止或自身信譽(yù)值較低時(shí)，各主體將會(huì)積極調(diào)整自身報(bào)價(jià)，以盡快達(dá)成交易[24]。為防止交易匹配無(wú)法終止，需對(duì)其交易匹配次數(shù)進(jìn)行限制，本文設(shè)置最大交易匹配次數(shù)為30。交易主體調(diào)價(jià)意愿計(jì)算方法如下。

(19)

(20)

(21)

3)電量平衡階段：當(dāng)本輪交易時(shí)間截止或提前結(jié)束交易匹配時(shí)，對(duì)于未能完全匹配的主體將直接與配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行交易。

3.3 動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)安全校核

若各交易主體直接匹配出清可能會(huì)不符合配電網(wǎng)的實(shí)際物理約束，因此需對(duì)每一輪達(dá)成的交易訂單進(jìn)行安全校核。本文基于PTDF建立分布式電能交易的網(wǎng)絡(luò)安全校核方法。PTDF矩陣反映了兩節(jié)點(diǎn)間潮流變化時(shí)各支路潮流分布情況，因此其常作為衡量支路潮流越限的指標(biāo)[22,25]。然而已有研究多采用在交易完成后進(jìn)行安全校核，不滿足網(wǎng)絡(luò)約束則需解除撮合，往往會(huì)增加交易匹配的輪數(shù)[25]。因此，本文通過將安全校核引入到交易匹配過程中，對(duì)每輪交易的線路占用情況實(shí)時(shí)更新，同時(shí)判斷是否存在線路阻塞情況，若存在，則需依據(jù)各支路容量上限對(duì)交易訂單進(jìn)行削減以滿足網(wǎng)絡(luò)安全要求。

首先根據(jù)已達(dá)成的交易訂單實(shí)時(shí)更新得到各節(jié)點(diǎn)電能交易矩陣Ogsc，如式(22)所示。

(22)

式中：Δpij(i,j=1,2,…,k)為節(jié)點(diǎn)i向節(jié)點(diǎn)j出售的電量，且有Δpij=-Δpji；k為節(jié)點(diǎn)總數(shù)。

根據(jù)節(jié)點(diǎn)電能交易矩陣和PTDF矩陣可得支路潮流向量。

B=ΦPTDFOgscA

(23)

ΦPTDF=YbHY-1=YbH(HTYbH)-1

(24)

式中：B為反映各支路潮流變化的向量；A為單位列向量；ΦPTDF為PTDF矩陣；Yb為支路電納對(duì)角矩陣；H為節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣。

因此，各支路潮流按式(25)在交易撮合過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)校驗(yàn)。若存在潮流越限，則根據(jù)式(26)進(jìn)行訂單削減，具體校核過程如表2所示。

表2 動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)安全校核過程Table 2 The process of dynamic network security check

(25)

(26)

4 區(qū)塊鏈交易平臺(tái)的搭建

本文選取以太坊網(wǎng)絡(luò)作為搭建區(qū)塊鏈的平臺(tái)，以太坊具有成熟的智能合約交互架構(gòu)和共識(shí)協(xié)議，能夠安全可靠地智能化執(zhí)行分布式交易。此外，其具有較高的可擴(kuò)展性和抗51%攻擊等特性，可實(shí)現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)和維護(hù)[18]。而在區(qū)塊鏈類型選擇方面，相較于公有鏈，私有鏈具有隱私性好、響應(yīng)速度快和成本低等特性，且支持自定義挖礦難度，可避免資源消耗過大等問題[22]。此外，以太坊節(jié)點(diǎn)客戶端為用戶提供了運(yùn)行區(qū)塊鏈的便捷工具[26]，且已有研究通過以太坊節(jié)點(diǎn)客戶端搭建私有鏈進(jìn)行智能合約的仿真測(cè)試[1,18]。因此，本文利用以太坊節(jié)點(diǎn)客戶端Ganache創(chuàng)建私有鏈對(duì)智能合約進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

智能合約作為分布式電能交易區(qū)塊鏈模型的關(guān)鍵技術(shù)，其事先以代碼的形式部署在區(qū)塊鏈上，當(dāng)達(dá)到預(yù)置響應(yīng)條件時(shí)，將智能化執(zhí)行交易申報(bào)、匹配和結(jié)算等功能[27]。因此，本文基于第1節(jié)所敘述的分布式交易流程，編寫了用戶信息更新合約、交易信息申報(bào)合約、交易調(diào)序合約、交易匹配合約及交易結(jié)算出清合約以保證分布式電能交易安全有序展開，具體運(yùn)作過程如圖3所示。各交易主體可在區(qū)塊鏈平臺(tái)上調(diào)用相關(guān)合約進(jìn)行匹配交易。

圖3 智能合約的執(zhí)行流程Fig.3 The operation process of smart contract

5 算例分析

本文在Windows10-64bit操作系統(tǒng)中進(jìn)行仿真分析，利用Ganache以太坊客戶端搭建一條私有鏈，使用Metamask錢包對(duì)交易信息進(jìn)行記錄，并通過IDE-Remix平臺(tái)編譯和部署智能合約，作為分布式電能交易區(qū)塊鏈平臺(tái)，智能合約部署界面見附錄圖A1。為了驗(yàn)證本文所提交易機(jī)制的有效性，算例設(shè)置了9個(gè)售電方(A—I)、8個(gè)購(gòu)電方(J—Q)及DSO，配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)采用IEEE 33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)部署情況如圖4所示。其中，各主體交易信息見附錄表A1，且該時(shí)段內(nèi)上網(wǎng)電價(jià)為0.4元/(kW·h)，主體從配電網(wǎng)購(gòu)電電價(jià)為1.35元/(kW·h)。IEEE 33系統(tǒng)各支路容量裕度為125 kW，配電網(wǎng)中單位距離傳輸單位功率費(fèi)用為0.04元/(km·kW·h)。Matlab和Matpower僅用于計(jì)算戴維南等效阻抗和PTDF矩陣，所得結(jié)果以常數(shù)矩陣的形式編入智能合約。此外，本文假設(shè)以太幣與人民幣匯率約為1 ether=1元，該匯率由各節(jié)點(diǎn)用戶共同協(xié)商決定。其中，以太幣只負(fù)責(zé)記錄交易信息，并不作為實(shí)際結(jié)算的貨幣，資金結(jié)算仍以人民幣進(jìn)行。

圖A1 智能合約部署界面Fig.A1 Deployment interface of smart contracts

圖4 IEEE 33節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram IEEE 33-node system

5.1 分布式電能交易結(jié)果分析

交易信息申報(bào)階段結(jié)束后，分布式電能交易平臺(tái)將自動(dòng)調(diào)用智能合約執(zhí)行交易合約匹配，最終匹配結(jié)果如圖5所示，其中灰色陰影部分表示該輪交易訂單因發(fā)生線路阻塞的削減電量，PB代表主體P從主體B處購(gòu)買電能，其余以此類推。其次，各售電主體的交易信息結(jié)算如附錄表A2所示。由表A2可知各售電主體需根據(jù)其信譽(yù)值繳納相應(yīng)的保證金，并在交易結(jié)算時(shí)扣除一定的違約金額以彌補(bǔ)購(gòu)電主體因其發(fā)生違約行為而產(chǎn)生的相應(yīng)損失。

表A2 售電主體交易結(jié)算信息Table A2 Settlement results of market entities in trading

在本時(shí)段內(nèi)，售電主體E因信譽(yù)值未達(dá)到市場(chǎng)準(zhǔn)入閾值禁止參與電能交易，因此其盈余電量將以上網(wǎng)電價(jià)出售給配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商，其余購(gòu)售電主體均可參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。購(gòu)電主體L因其信譽(yù)值和報(bào)價(jià)在所有購(gòu)電主體中處于劣勢(shì)地位將在最后階段進(jìn)行匹配交易，同時(shí)本時(shí)段電能交易市場(chǎng)呈現(xiàn)“供不應(yīng)求”的形勢(shì)，因此購(gòu)電主體L將從配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商處以較高的價(jià)格購(gòu)入部分電能以滿足自身功率平衡。在第8筆交易時(shí)，購(gòu)電主體K首先與售電主體H簽訂了電能交易臨時(shí)訂單，但由于該訂單將導(dǎo)致支路4發(fā)生潮流越限，因此對(duì)該筆訂單根據(jù)線路容量進(jìn)行削減以保障配電網(wǎng)運(yùn)行的安全性。

結(jié)合圖4中購(gòu)售電主體間的相對(duì)位置和其信譽(yù)值及報(bào)價(jià)信息可知，購(gòu)電主體在分布式電能交易匹配過程中更傾向與離其相對(duì)位置較近且綜合報(bào)價(jià)良好的售電主體進(jìn)行交易，此外綜合報(bào)價(jià)良好的購(gòu)售電主體在交易匹配中具有較高的優(yōu)先級(jí)。以第3筆和第4筆交易為例，購(gòu)電主體J首先與綜合報(bào)價(jià)良好且離其相對(duì)位置最近的售電主體A達(dá)成81 kW·h的電能交易合約。此時(shí)J仍需購(gòu)買24 kW·h的電能以滿足自身的電量平衡，且與其距離較近的售電主體A和B均已無(wú)多余電能，因此J綜合考慮因電氣距離產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用和各售電主體的綜合報(bào)價(jià)情況選擇與其距離較近的售電主體H達(dá)成24 kW·h的交易合約以保障自身的經(jīng)濟(jì)效益。因此，本文所提的分布式電能交易模型能夠保障信譽(yù)值良好且報(bào)價(jià)合理的購(gòu)售電主體擁有較高的交易優(yōu)先級(jí)以激勵(lì)各主體積極提高其信譽(yù)情況。

5.2 電氣距離對(duì)交易結(jié)果的影響分析

圖6展示了購(gòu)售電主體間未計(jì)及電氣距離對(duì)交易匹配結(jié)果及阻塞管理的影響。與圖5對(duì)比可知，電氣距離對(duì)交易匹配結(jié)果有著較大的影響，這是因?yàn)樵谖从?jì)及電氣距離的交易匹配過程中，各購(gòu)電主體僅傾向與綜合報(bào)價(jià)良好的售電主體進(jìn)行匹配交易。具體而言，在第1筆交易中，購(gòu)電主體P與售電主體I達(dá)成交易。其次，由于主體I的綜合報(bào)價(jià)在售電市場(chǎng)中處于最優(yōu)，在第2筆交易中，主體J也將與其簽訂訂單。然而，以上兩筆交易因購(gòu)售電主體間相對(duì)位置較遠(yuǎn)將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)3至節(jié)點(diǎn)32間的支路占用情況達(dá)到75%以上。因此，該情況將導(dǎo)致后續(xù)第3筆和第10筆電能交易發(fā)生線路阻塞而需進(jìn)行訂單削減。綜上所述，未計(jì)及電氣距離的匹配機(jī)制將出現(xiàn)較多遠(yuǎn)距離電能交易情況，一定程度上增加了部分支路的占用情況。因此，考慮電氣距離能夠促進(jìn)交易雙方選擇就近交易，進(jìn)而緩解支路發(fā)生阻塞情況。

圖6 未計(jì)及電氣距離的交易匹配結(jié)果Fig.6 Transaction matching results without considering electrical distance

圖7為是否計(jì)及電氣距離時(shí)的交易費(fèi)用情況，由圖7可知，兩種情況下的各購(gòu)電方的購(gòu)電費(fèi)用相差不大，但未計(jì)及電氣距離匹配的訂單需因電能傳輸距離較遠(yuǎn)支付較多的費(fèi)用。其中，購(gòu)電主體L因交易次序最低，只能與分布式交易市場(chǎng)中仍有盈余的售電主體C和G進(jìn)行交易，因此其需支付較多的網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用。

圖7 交易費(fèi)用對(duì)比Fig.7 Comparison of transaction cost

5.3 交易主體調(diào)序機(jī)制分析

圖8展示了傳統(tǒng)雙向拍賣和本文以綜合報(bào)價(jià)為依據(jù)的交易調(diào)序過程。實(shí)線部分為交易主體按照傳統(tǒng)雙向拍賣“價(jià)格至上”機(jī)制的調(diào)序結(jié)果，售電主體交易次序?yàn)椋築、I、G、D、A、F、C、N，購(gòu)電主體交易次序?yàn)椋篔、P、Q、M、K、O、N、L。若嚴(yán)格按照該交易次序進(jìn)行匹配交易將導(dǎo)致信譽(yù)值較高的購(gòu)電主體P和售電主體D的交易優(yōu)先級(jí)處于靠后的位置，而信譽(yù)值較低的購(gòu)電主體L和售電主體C處于相對(duì)靠前的位置。上述結(jié)果將導(dǎo)致信譽(yù)良好且報(bào)價(jià)合理的交易主體擔(dān)較高的違約風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 基于信譽(yù)值的調(diào)序結(jié)果Fig.8 Reordering results based on reputation value

針對(duì)上述情況，圖8中虛線部分可依據(jù)交易主體的初始報(bào)價(jià)和信譽(yù)值進(jìn)行交易次序調(diào)整，以保證綜合報(bào)價(jià)良好的交易主體擁有較高的匹配優(yōu)先級(jí)。對(duì)于購(gòu)電方，主體N的信譽(yù)值要明顯高于O和L，因此，其交易次序?qū)⑦M(jìn)行上調(diào)以提高其優(yōu)先級(jí)。對(duì)于售電方，主體C和F的報(bào)價(jià)要優(yōu)于H，但二者的信譽(yù)值在售電主體隊(duì)列中最低，與其交易將面臨較大的違約風(fēng)險(xiǎn)，因此需降低交易次序以懲罰其嚴(yán)重的違約行為。綜上，本文所提的交易調(diào)序機(jī)制能夠有效根據(jù)交易主體的市場(chǎng)行為進(jìn)行調(diào)整次序，以激勵(lì)其合理報(bào)價(jià)和積極履約。

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提交易調(diào)序機(jī)制的有效性，將其與傳統(tǒng)雙向拍賣機(jī)制的各交易主體效益提升率進(jìn)行對(duì)比分析，如圖9所示。相較于傳統(tǒng)雙向拍賣機(jī)制，本文所提方法能夠一定程度上提高信譽(yù)值良好主體的效益提升率，降低信譽(yù)值較差主體的效益提升率。因此，本文所提的基于信譽(yù)值和報(bào)價(jià)信息的交易調(diào)序機(jī)制能夠有效保障信譽(yù)良好主體的經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)而促進(jìn)各交易主體積極履行合約和理性報(bào)價(jià)。

5.4 報(bào)價(jià)機(jī)制分析

為驗(yàn)證本文所提的報(bào)價(jià)策略的合理性，通過仿真該時(shí)段下交易主體50組不同報(bào)價(jià)下的成交情況，具體信息如圖10所示。由圖10可知，在本文報(bào)價(jià)更新機(jī)制的作用下，購(gòu)售電主體的成交電價(jià)均處于該時(shí)段下的上網(wǎng)電價(jià)和配電網(wǎng)購(gòu)電電價(jià)之間。因此，本文所提的報(bào)價(jià)更新策略能夠使得購(gòu)售電主體相較于傳統(tǒng)集中上網(wǎng)模式獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。

圖10 交易主體成交價(jià)格Fig.10 Users' transaction price

通過將本文報(bào)價(jià)更新策略與固定意愿0.2、0.4、0.6、0.8和隨機(jī)意愿進(jìn)行對(duì)比分析以驗(yàn)證其有效性，其中隨機(jī)意愿服從[0.2，0.8]的均勻分布。如圖11所示，除固定意愿0.2和0.4以外，其余方法均能有效促進(jìn)購(gòu)售電主體間達(dá)成交易，這是由于此時(shí)交易雙方調(diào)價(jià)態(tài)度較為消極，部分用戶因達(dá)到交易輪次上限而無(wú)法成功匹配。此外，本文方法的調(diào)價(jià)次數(shù)略高于固定意愿0.8，明顯低于其他方法。這是因?yàn)樗岵呗杂?jì)及了交易主體的信譽(yù)情況和交易進(jìn)程，能夠在交易過程中靈活調(diào)整調(diào)價(jià)意愿，進(jìn)而提高交易雙方間的匹配效率。

圖11 報(bào)價(jià)更新策略對(duì)比Fig.11 Comparison of quote update mechanism

5.5 線路占用情況分析

交易匹配過程中配網(wǎng)各支路的占用情況如圖12所示。在整個(gè)交易過程中，僅有支路1、4、24、25因處于各支路的交匯處附近，其線路占有情況達(dá)到了80%以上。同時(shí)，由于后續(xù)交易中存在反向潮流，對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的潮流分布具有改善作用，因此，支路2、3、5和21等的線路占用情況隨著交易輪數(shù)的增加有所降低。綜上所述，整個(gè)交易過程中各線路潮流量始終保持在安全約束范圍內(nèi)，證明了本文所設(shè)計(jì)的安全校核方法的有效性。

圖12 支路潮流情況Fig.12 Occupancy ratios of branch flow

6 結(jié) 論

針對(duì)多微電網(wǎng)分布式電能交易模型，并考慮到交易主體易發(fā)生違約行為和遠(yuǎn)距離電能傳輸?shù)葐栴}，本文提出了計(jì)及信譽(yù)值和電氣距離的分布式電能交易區(qū)塊鏈模型，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的智能合約，最后對(duì)所提方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，算例結(jié)果表明：

1)本文設(shè)計(jì)的交易調(diào)序機(jī)制能夠促進(jìn)交易主體積極履行合約以獲得參與匹配的優(yōu)先權(quán)和保障自身經(jīng)濟(jì)效益。

2)本文所提的計(jì)及電氣距離的交易匹配機(jī)制能夠促進(jìn)交易主體就近交易電能，降低購(gòu)電成本，提高交易匹配成功率，緩解線路阻塞問題，進(jìn)而保障配電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

不過，本文采用的以太坊平臺(tái)雖然架構(gòu)成熟，但其仍存在效率低和資源消耗大等問題，在后續(xù)工作中將選用效率較高的Hyperledger Fabric等平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試。其次，在后續(xù)研究中考慮構(gòu)建將虛擬代幣轉(zhuǎn)換為以獎(jiǎng)勵(lì)形式存在的交易架構(gòu)，并結(jié)合共識(shí)機(jī)制改進(jìn)等方面進(jìn)一步完善分布式交易模型。