基于区块链的智能电网：面向可持续的本地能源
39.1引用Mengelkamp E. A blockchain-based smart grid: towards sustainable local energy markets[J]. Computer Science - Research and Development, 2018, 33(1-2):207-214.
39.2 摘要在能源系统中，可再生能源的数量越来越多，要求采用新的市场方法来定价和分配不稳定和分散的发电。在当地能源市场上，消费者和生产消费者可以在他们的社区内直接交易当地生产的可再生能源发电，以分散的方式平衡当地的发电和消费。我们提供了100个住宅家庭之间的本地能源市场的综合概念、市场设计和模拟。我们的方法是基于分布式信息和通信技术，即私有区块链，这突出了地方能源市场的分散性。因此，我们为能源生产消费者和消费者提供了一个分散的市场平台，在不需要中央中介的情况下进行本地能源发电交易。此外，我们还对市场机制进行了初步的经济评价，并提出了区块链技术作为当地能源市场主要信息通信技术的技术评价研究议程。
39.3技术介绍39.3.1概念方法本文提出的本地能源市场基于双重拍卖，通过一个封闭的订单簿实现，具有离散的市场收盘时间。对于每个时隙T，确定统一的市场出清价格。在确定价格后，消费者填写投标单，支付市场价格，获得规定的电量。本地能源市场上无法买卖的电力必须通过连接的配电网与能源供应商进行交易。因此，从电网购买的过剩需求价格代表了市场价格上限，而向电网出售的过剩发电价格则代表了市场价格下限。如果合同没有得到履行(例如，预测失误)，有过错的一方将以昂贵的市场价格限制清理电网上的能源订单。
虚拟活动，即市场机制和支付功能，都在区块链上进行。代理商的需求和发电量由智能电表自动测量并预测每个代理商。根据这些信息，计算超额需求或供应并发送给代理商的相应区块链账户，同时详细的客户特定数据保持在本地存储。这样，我们确保最低级别的私有数据保护，同时允许系统生成反映代理商消费模式的订单。
图 39-1基于区块链的住宅家庭间本地能源交易的概念
除了能源信息，这些账户还包括代理商的财务余额。结合他们的净能源盈余和信贷余额的信息，可以根据代理商的效用函数创建订单。由于区块链充当托管代理，以确保潜在交易的结算，因此所提供的货币金额作为质押持有。在特定的出清时间t，市场机制将相应的电量和市场价格信息发布给所有活跃主体。清算完成后，当质押资金发放时，自动进行支付。请注意，物理电力交换是通过电网进行的，不受虚拟交易机制的影响，如图 1所示。因此，我们的概念方法偏离了自给自足微电网的运行，因为在需求不等于供应的情况下，我们总是通过配电网平衡能量。
39.3.2基于区块链的本地能源市场仿真模拟在一年的时间内在15分钟的时间段内建立。交易仅限于后续时段，代理商每个时段提交一个订单。本地能源市场（LEM）由100个住宅家庭组成。代理商被认为是一个生产厂家，根据他的需求和生产能力来扮演买方或卖方的角色。用于平衡的备用能源，由能源供应商通过电网提供。代理商的需求来自H0-profiles。发电量来自2013年德国的光伏系统15分钟时段内消耗数据的时间粒度，类似于我们市场机制的离散性质。由于H0轮廓代表一个普通家庭，我们使用随机误差函数调整它们以适合1-5个人家庭。这是评估市场的第一步。未来将使用实际消费数据。
本地能源市场的产物以所有代理商的电费总和来衡量。这等于在时间t以价格
从代理i销售给另一代理j的电量之和。市场价格的下限设定为德国上网电价和德国电价的上限。这确保了与相应的LEM替代方案相比，电网交易的成本（收益）总是更高或相等（更低或相等）。该模型最大限度地降低了LEM的总电力成本，从而通过最大限度地减少昂贵的电网交易来最大化市场的自我消费。以下模型（1）-（5）显示了每个时隙要解决的优化问题。
约束（2）-（5）是硬约束。（2）确保每个代理满足自己的需求并销售生产
。（3）和（4）确保LEM内的供需由电网平衡。决策变量
必须为正，因为只能交易正电量（5）。
我们实施一个封闭的双重拍卖市场，其具有价格-时间优先权和离散的市场平仓时间，从而导致每个交易期t的单一结算价格。在t中，每个消费者和消费者向市场发送一个出价或要求订单以满足他在t+1中的交易需求。在合计供应的情况下，仍然可以提供的最低出价决定了市场清算价格。任何盈余或赤字都是通过与标准能源供应商交易电力来平衡的。市场机制通过部署在私有区块链上的智能合约来实施。因此，一旦市场实施，就不需要中央实体。除订单外，还通过区块链进行支付。为了便于衡量，我们假设金融交易以虚拟货币进行，以1：1的固定汇率兑换成欧元。
为了检验基本的市场机制，我们实施了零情报代理竞价策略。在每一个交易期间，每个代理人决定他的买卖电价上限。目前，这个价格限制是在市场的下限和上限的范围内随机分配，因为消费者不接受低于上网电价的价格，消费者支付的费用不会高于电网电费关税。这适用于不考虑社会经济原因的理性代理人，例如对本地RES的高度偏好。零智能代理是市场效率的下限，税收和费用假定完全可扩展。这可能导致LEM代理商的税费和费用显著低于当前的能源市场。这个问题超出了我们目前的工作范围，但需要在未来的研究中加以考虑。代理行为在区块链环境之外进行模拟，只有最终订单通过代理商的区块链账户发送到市场。
本文提出的仿真设置基于分散式能量交换的开源项目。市场实施建立在一个私有的以太坊区块链上，该区块链从公共以太坊链继承其技术特征，如块难度和PoW作为共识机制。每个代理都与链上的唯一地址相关联。同样，我们认为电网是一个无限制出价和询问订单的专业消费者。我们的市场机制是通过用脚本语言Solidity编写的智能合约来实现的。每个代理商的地址都链接到智能合约上的支票账户，该账户允许存款和取款。当代理商下达投标订单时，其账户中的资金将被锁定，直到执行结算。这可确保每次出价都得到充分保障。在每个期间结束时，所有买入和卖出订单都将结算并更新帐户余额。通过提供应用程序接口（API）处理与智能合约交互的JavaScript程序来促进订单的提交。我们在客户端JavaScript程序中使用此API，从外部数据库获取先前模拟的代理行为并相应地提交订单。这两个程序都在Node.js运行时环境中执行。矿工执行交易并生成新块。因此，它们会产生计算成本。通常，交易包括奖励矿工工作的费用。然而，到目前为止，我们使用的基本概念没有交易成本和矿工补偿。为了加速我们的链上模拟，我们一旦在链上创建新块，就立即提交每个时间段t（在现实世界中等于15分钟）的所有确定的订单。在我们的设置中，标准块创建时间大约等于12秒。因此，所提出的设置允许我们在不到120小时内执行一年（即35,040个块）的链上模拟。
39.4评估作为首次市场评估，我们分析光伏发电对LEM价格和整体电价的影响，仅限于光伏发电。LEM价格计算为所有本地交易的加权平均值。在LEM中，当本地发电不能完全满足当地需求时，代理商仍将以电网价格与电网进行交易。因此，整体电价将包括当地价格的当地交易的百分比和电网电价或上网电价的电网交易百分比，代理商支付的总电价与当地价格不同，总价格是当地交易和电网价格的任何交易的加权平均值。
图 39-2光伏发电对当地及整体电价的影响
图 39-2显示了当地光伏发电量增加对电价的影响。PV的量以每年光伏发电总和相对于所有代理商的年需求总和的百分比来衡量。因此，100％的光伏发电意味着所产生的光伏总和等于一年内所有代理商的消费总和。然而，由于光伏发电和消耗之间的时间差异，100％光伏发电并不意味着这一产出满足了所有需求。相反，只有生成总和达到需求总和。图 2显示，首先，本地价格随着光伏发电而下降得相当快，甚至缓慢下降。整体价格稳中有降，并逐步收敛于当地价格。然而，由于在低生产时期总是发生一定数量的代理商需求，因此从未达到当地价格。没有能量存储的光伏发电不能仅满足这种需求。区块链作为主要ICT的技术评估仍然需要在计算资源、能源使用、交易成本、块速度和可扩展性方面进行。这将是我们工作的下一步。另外，由于链上匹配算法的计算成本取决于提交的订单数量并且不能提前确定，因此必须确定用于分配这些成本的公平机制。
39.5本文主要贡献本文介绍了一个简单的本地能源市场（LEM）场景的概念验证，其中人工代理在私有区块链上实现。通过这种方式，我们首先深入了解基于区块链的市场设计的经济评估及其技术实施。我们表明LEM可以在分布式ICT上以分散的方式运行。
我们通过在没有交易成本的情况下显示LEM参与者潜在的电力成本降低来评估经济市场设计。此外，我们提出了我们的研究议程，用于对本地能源交易的私人区块链的资源消耗和可扩展性进行技术评估。尽管如此，区块链技术作为LEM主要ICT的适用性仍有待研究。我们得出结论，这种基于区块链的市场方法的实际适用性和技术限制需要通过进一步的研究和实施项目来确定。此外，监管变革将在基于区块链的LEM的未来发挥重要作用。
本文由南京大学软件学院2018级硕士刘子寒翻译转述。