區(qū)塊鏈技術(shù)下考慮風(fēng)電不確定性的微網(wǎng)群魯棒博弈交易模式

鄔嘉雨，劉洋，許立雄，馬騰，郭久億，楊祺銘

(四川大學(xué)電氣工程學(xué)院,成都市 610065)

0 引 言

由于環(huán)境污染與能源危機(jī)等問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，以風(fēng)電為代表的可再生能源得到大力推廣[1-2]。與此同時(shí)，微網(wǎng)憑借其靈活運(yùn)行、高度自治的特點(diǎn)為消納具有出力不確定性的可再生能源提供了有效技術(shù)手段[3]。隨著微網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，多個(gè)微網(wǎng)接入同一配電區(qū)域形成多微網(wǎng)系統(tǒng)，通過(guò)聚合同一區(qū)域的多微網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行電能交易能夠提升多微網(wǎng)系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)性[4]、減少與配電網(wǎng)間非必要的能量交互[5]，并進(jìn)一步促進(jìn)可再生能源消納[6]。但當(dāng)多個(gè)產(chǎn)消合一的微網(wǎng)進(jìn)行電能交易時(shí)，其靈活的交易方式會(huì)使市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)更加復(fù)雜化，多微網(wǎng)系統(tǒng)間利益關(guān)系的耦合也給其交易策略的制訂帶來(lái)巨大的困難[7-8]。此外，可再生能源出力的不確定性嚴(yán)重影響微網(wǎng)運(yùn)行調(diào)控[3]及其電能交易的經(jīng)濟(jì)性和可靠性[9]。因此，如何制定有效的電能交易模式以協(xié)調(diào)微網(wǎng)間復(fù)雜的利益耦合關(guān)系和應(yīng)對(duì)可再生能源出力不確定性，是亟待解決的問(wèn)題。

目前，針對(duì)含電能交互多微網(wǎng)系統(tǒng)的研究已逐漸展開(kāi)。文獻(xiàn)[10]建立集中式儲(chǔ)能電站以協(xié)調(diào)多微網(wǎng)系統(tǒng)電能交互，結(jié)果表明所提優(yōu)化調(diào)度方法可有效降低多微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行成本、促進(jìn)可再生能源消納。文獻(xiàn)[11]提出考慮經(jīng)濟(jì)性和綜合能效的區(qū)域多微網(wǎng)系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型。文獻(xiàn)[9]考慮風(fēng)電出力不確定性，以多微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行成本最小為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建區(qū)域多微網(wǎng)-配電網(wǎng)能源交易模式。但上述研究將含電能交互的多微網(wǎng)系統(tǒng)看作一個(gè)整體，忽略了其復(fù)雜的競(jìng)爭(zhēng)合作關(guān)系，無(wú)法均衡各微網(wǎng)主體的利益。

博弈模型是分析復(fù)雜利益交互關(guān)系的有效工具，已有諸多文獻(xiàn)將博弈理論引入多微網(wǎng)系統(tǒng)交易中[12-14]。文獻(xiàn)[12]提出具有一定普適性的多微網(wǎng)系統(tǒng)電能交易非合作博弈模型，為多微網(wǎng)系統(tǒng)多元交易模式提供了理論參考。文獻(xiàn)[13]針對(duì)包含高比例清潔能源的多微網(wǎng)系統(tǒng)，提出基于多代理系統(tǒng)的非合作博弈日前交易方法及相應(yīng)的定價(jià)策略以降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，但忽略了清潔能源出力不確定性對(duì)交易策略的影響。文獻(xiàn)[14]采用非合作博弈模型對(duì)售電微網(wǎng)間的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)行建模，結(jié)果表明所提方法能促進(jìn)微網(wǎng)間能量交互以及提高系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。上述研究取得了較好的成果，但均未考慮含電能交互多微網(wǎng)系統(tǒng)詳細(xì)的運(yùn)行調(diào)控行為以及各微網(wǎng)中可再生能源的不確定性[12-16]。

可再生能源出力不確定性及多微網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大使電能交易亟需高效處理更加復(fù)雜多樣的微網(wǎng)數(shù)據(jù)[17-18]，傳統(tǒng)集中式交易管理機(jī)制在這種情況下面臨抗風(fēng)險(xiǎn)能力低、信息流通效率低且時(shí)效性低等問(wèn)題[19]。區(qū)塊鏈技術(shù)具有信息公開(kāi)透明、去中心化、安全性高等特點(diǎn)[20]，無(wú)需第三方組織機(jī)構(gòu)的介入即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效管理與信息交互，在多微網(wǎng)系統(tǒng)電能交易博弈模型中逐步得到應(yīng)用。文獻(xiàn)[21]考慮多微網(wǎng)系統(tǒng)電能交易中多元主體的競(jìng)爭(zhēng)博弈關(guān)系，構(gòu)建了區(qū)塊鏈技術(shù)下的多微網(wǎng)系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)博弈模型。文獻(xiàn)[22]基于區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)定價(jià)混合博弈模型中交易信息的分布式交互，以提高用電決策的精準(zhǔn)性。文獻(xiàn)[23]結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)及動(dòng)態(tài)合作博弈模型，為多微網(wǎng)電能交易提供共治交易模式，以保證各微網(wǎng)節(jié)點(diǎn)交易效能。由上述文獻(xiàn)可知，區(qū)塊鏈技術(shù)與博弈模型的結(jié)合可實(shí)現(xiàn)多微網(wǎng)電能交易的透明高效有序自發(fā)管理[21-23]。

綜上所述，本文針對(duì)現(xiàn)有多微網(wǎng)系統(tǒng)電能交易研究存在的問(wèn)題，考慮風(fēng)電不確定性以及微網(wǎng)內(nèi)部運(yùn)行調(diào)控行為，提出區(qū)塊鏈技術(shù)下微網(wǎng)群兩階段魯棒博弈交易模式。首先，結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)和非合作博弈理論構(gòu)建多微網(wǎng)系統(tǒng)電能交易架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)完全信息博弈并保證交易的安全有效。其次，針對(duì)包含風(fēng)電的多微網(wǎng)系統(tǒng)，結(jié)合兩階段可調(diào)魯棒優(yōu)化模型和非合作博弈模型構(gòu)建日前-實(shí)時(shí)兩階段多微網(wǎng)魯棒博弈競(jìng)標(biāo)調(diào)度模型，并將該模型分解為求解最優(yōu)競(jìng)標(biāo)策略和日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略的主問(wèn)題以及搜尋最?lèi)毫语L(fēng)電場(chǎng)景的子問(wèn)題；再次，利用二進(jìn)制擴(kuò)充法、對(duì)偶理論、大M法線性化主子問(wèn)題，并采用列和約束生成(column and constraint generation,C&CG)算法進(jìn)行迭代求解；最后結(jié)合區(qū)塊鏈Ganache客戶端、Metamask錢(qián)包以及Remix在線編譯器編譯部署智能合約、搭建去中心化電能交易平臺(tái)，通過(guò)算例驗(yàn)證所提方法能夠提高多微網(wǎng)系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)性并有效應(yīng)對(duì)風(fēng)電出力不確定性。

1 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的微網(wǎng)群電能交易架構(gòu)

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)與微網(wǎng)群電能交易非合作博弈契合度分析

在傳統(tǒng)集中式交易管理機(jī)制下，構(gòu)建微網(wǎng)群電能交易非合作博弈模型時(shí)，各售電微網(wǎng)在得到最優(yōu)競(jìng)標(biāo)策略前需將大量實(shí)時(shí)交易信息上傳至電能交易信息中心，由信息中心進(jìn)行實(shí)時(shí)整合，統(tǒng)一發(fā)布。各微網(wǎng)根據(jù)最新發(fā)布的市場(chǎng)信息，考慮自身運(yùn)行情況及其余微網(wǎng)交易策略，重新制訂最優(yōu)競(jìng)標(biāo)策略并上傳交易信息，如此往復(fù)迭代直至得到納什均衡最優(yōu)解。在這種運(yùn)行模式下，平臺(tái)維護(hù)成本高、抗風(fēng)險(xiǎn)能力低、信息流通效率低且時(shí)效性差。而區(qū)塊鏈技術(shù)，由于其信息公開(kāi)透明、去中心化、安全性高等特點(diǎn)，在無(wú)需第三方組織機(jī)構(gòu)的管理下，可實(shí)現(xiàn)多微網(wǎng)電能交易透明高效有序自發(fā)管理，是支撐所提多微網(wǎng)電能交易非合作博弈模型的理想底層技術(shù)。

多微網(wǎng)電能交易非合作博弈模型與區(qū)塊鏈技術(shù)契合度主要體現(xiàn)在：

1)區(qū)塊鏈技術(shù)可實(shí)現(xiàn)多微網(wǎng)電能交易非合作博弈信息公開(kāi)透明。傳統(tǒng)集中式交易管理機(jī)制下，各微網(wǎng)將相關(guān)信息上傳并由中心機(jī)構(gòu)整合發(fā)布。各微網(wǎng)用戶只能查詢由中心機(jī)構(gòu)整合處理后的部分信息，信息透明度較差且流通效率低。而在區(qū)塊鏈技術(shù)下，除了各微網(wǎng)用戶的私有加密數(shù)據(jù)外，其余所有信息均可被查詢得到，因此區(qū)塊鏈技術(shù)為多微網(wǎng)系統(tǒng)提供了信息完全公開(kāi)透明的博弈環(huán)境，實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)公平競(jìng)爭(zhēng)。

2)區(qū)塊鏈技術(shù)可保證多微網(wǎng)電能交易非合作博弈信息安全。傳統(tǒng)集中式交易管理機(jī)制下，電能交易信息中心作為多微網(wǎng)非合作博弈的信息樞紐，容易遭到惡意攻擊以及人為的數(shù)據(jù)惡意篡改。而區(qū)塊鏈技術(shù)中，協(xié)商一致的數(shù)據(jù)加密算法能夠保障微網(wǎng)用戶間進(jìn)行安全有效的信息交互，并且在不掌握多微網(wǎng)系統(tǒng)51%數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的情況下無(wú)權(quán)隨意對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行更改，這保證了多微網(wǎng)系統(tǒng)非合作博弈中的信息安全。

3)區(qū)塊鏈技術(shù)可實(shí)現(xiàn)多微網(wǎng)電能交易非合作博弈去中心化?；趨^(qū)塊鏈技術(shù)的微網(wǎng)群非合作博弈模型能夠保證數(shù)據(jù)公開(kāi)透明及信息安全，因此無(wú)需第三方信任機(jī)制的管理，各微網(wǎng)用戶可實(shí)現(xiàn)交易信息的分布式自發(fā)驗(yàn)證、傳遞和管理，以快速響應(yīng)市場(chǎng)信息，制訂最優(yōu)競(jìng)標(biāo)策略，促使多微網(wǎng)電能交易非合作博弈完全去中心化。

1.2 多微網(wǎng)系統(tǒng)電能交易架構(gòu)

結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)及非合作博弈模型構(gòu)建了多微網(wǎng)系統(tǒng)電能交易架構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

微網(wǎng)包含可控發(fā)電機(jī)組(微型燃?xì)廨啓C(jī)MT、燃料電池FC)、風(fēng)電機(jī)組、儲(chǔ)能等分布式設(shè)備，并與上層配電網(wǎng)相連。微網(wǎng)之間可根據(jù)自身運(yùn)行情況制訂交易策略，確定t時(shí)刻各微網(wǎng)的交易價(jià)格σt及交易電量κt。在多微網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行交易后，供需雙側(cè)仍不平衡的微網(wǎng)可再與配電網(wǎng)進(jìn)行交易。

當(dāng)多微網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行電能交易時(shí)，各個(gè)微網(wǎng)既是生產(chǎn)者又是消費(fèi)者，交易方式愈加靈活且市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也更加激烈，微網(wǎng)間具有復(fù)雜的利益交互關(guān)系。因此，在多微網(wǎng)系統(tǒng)交易策略制定過(guò)程中，采用非合作博弈模型來(lái)解決不同微網(wǎng)主體之間的利益沖突：

Z=(G1,G2,…,Gn;F1,F2,…,Fn)

(1)

式中：Gi(i=1,2,…,n)為第i個(gè)微網(wǎng)的競(jìng)標(biāo)策略；Fi(i=1,2,…,n)為第i個(gè)微網(wǎng)的運(yùn)行成本。

多微網(wǎng)系統(tǒng)電能交易規(guī)則如下：

1)售電微網(wǎng)博弈得到的最大及最小競(jìng)標(biāo)電價(jià)在1天內(nèi)均小于從配電網(wǎng)購(gòu)電電價(jià)且大于向配電網(wǎng)售電電價(jià)；

2)為了最小化購(gòu)電微網(wǎng)運(yùn)行成本，購(gòu)電微網(wǎng)按交易價(jià)格從低到高依次與售電微網(wǎng)進(jìn)行交易，直至滿足購(gòu)電需求；

3)多微網(wǎng)內(nèi)部交易后剩余或缺額的電能由配電網(wǎng)補(bǔ)足。

2 基于區(qū)塊鏈的微網(wǎng)群兩階段魯棒博弈競(jìng)標(biāo)模型構(gòu)建

微網(wǎng)采用兩階段可調(diào)魯棒競(jìng)標(biāo)調(diào)度模型制定能夠有效應(yīng)對(duì)風(fēng)電不確定性的最優(yōu)競(jìng)標(biāo)策略及日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略。該模型采用不確定集及可調(diào)魯棒參數(shù)對(duì)風(fēng)電不確定性進(jìn)行建模，具體可描述為：

(2)

式中：x為日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略；σ為交易價(jià)格；κ為交易電量；u為風(fēng)電出力最?lèi)毫訄?chǎng)景；y為在最?lèi)毫訄?chǎng)景下x的調(diào)控策略；Cda(x,σ,κ)為日前運(yùn)行成本；Crt(u,y)為實(shí)時(shí)調(diào)控成本。

風(fēng)電不確定性可描述為：

(3)

該模型可分為日前、實(shí)時(shí)兩階段：在日前階段，各個(gè)電能富余微網(wǎng)根據(jù)已知的風(fēng)電最?lèi)毫訄?chǎng)景，結(jié)合其余微網(wǎng)的歷史競(jìng)標(biāo)策略，制訂最優(yōu)競(jìng)標(biāo)策略及日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略；在實(shí)時(shí)階段，各個(gè)微網(wǎng)基于日前階段所得的最優(yōu)競(jìng)標(biāo)策略及日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略，搜尋風(fēng)電出力的最?lèi)毫訄?chǎng)景及響應(yīng)的調(diào)控策略。日前、實(shí)時(shí)2個(gè)階段相互影響耦合，日前階段是實(shí)時(shí)階段的基礎(chǔ)，實(shí)時(shí)階段又反過(guò)來(lái)影響日前階段。

2.1 微網(wǎng)競(jìng)標(biāo)調(diào)度模型日前階段

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

約束條件包括競(jìng)標(biāo)約束、可控機(jī)組運(yùn)行約束、儲(chǔ)能運(yùn)行約束、功率平衡約束、與配電網(wǎng)交互約束、與其余微網(wǎng)交互約束。

1)競(jìng)標(biāo)約束。

(10)

2)可控機(jī)組運(yùn)行約束。

(11)

3)儲(chǔ)能運(yùn)行約束。

(12)

4)與配電網(wǎng)交互約束。

(13)

5)與其余微網(wǎng)交互約束。

(14)

6)功率平衡約束。

(15)

式中：PLoad(t)為t時(shí)刻負(fù)荷量。

2.2 微網(wǎng)競(jìng)標(biāo)調(diào)度模型實(shí)時(shí)階段

在實(shí)時(shí)階段，微網(wǎng)基于日前階段所得的最優(yōu)競(jìng)標(biāo)策略及日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略，搜尋風(fēng)電出力的最?lèi)毫訄?chǎng)景及響應(yīng)的調(diào)控策略。模型可表示為：

(16)

目標(biāo)函數(shù)包括可控機(jī)組調(diào)控成本、平衡市場(chǎng)購(gòu)售電成本以及棄風(fēng)成本。

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

約束條件包括風(fēng)電出力調(diào)控約束、可控機(jī)組調(diào)控約束、功率平衡約束以及平衡市場(chǎng)交互約束。

1)風(fēng)電出力調(diào)控約束。

(22)

2)可控機(jī)組調(diào)控約束。

(23)

3)平衡市場(chǎng)交互約束。

(24)

4)功率平衡約束。

(25)

將上述模型整理為矩陣形式：

(26)

式中：x、σ、κ分別為日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略、電能交易價(jià)格、交易量；u、y分別為風(fēng)電出力最?lèi)毫訄?chǎng)景集和對(duì)應(yīng)場(chǎng)景下日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度調(diào)控策略；c、d、e為目標(biāo)函數(shù)中的系數(shù)矩陣；A、C、D為等式約束的系數(shù)矩陣；g、i為等式約束的常數(shù)列向量；B、E、F、G為不等式約束的系數(shù)矩陣；h、j為不等式約束的常數(shù)列向量。

3 兩階段可調(diào)魯棒競(jìng)標(biāo)調(diào)度模型求解

所提兩階段魯棒競(jìng)標(biāo)調(diào)度模型日前實(shí)時(shí)2個(gè)階段相互影響耦合，無(wú)法同時(shí)求解。因此首先采用C&CG法將該模型分解為求解最優(yōu)競(jìng)標(biāo)策略及日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略的主問(wèn)題以及搜尋最?lèi)毫语L(fēng)電場(chǎng)景及相應(yīng)調(diào)控策略的子問(wèn)題。其中，主問(wèn)題對(duì)應(yīng)日前階段，子問(wèn)題對(duì)應(yīng)實(shí)時(shí)階段。

3.1 主問(wèn)題求解

分解后的主問(wèn)題可表征為：

(27)

式中：θ為已知最?lèi)毫訄?chǎng)景下的實(shí)時(shí)調(diào)控成本。

由于其目標(biāo)函數(shù)中存在的雙線性項(xiàng)σtκt，分解后的主問(wèn)題無(wú)法直接求解。因此采用二進(jìn)制擴(kuò)充法對(duì)雙線性項(xiàng)σtκt進(jìn)行線性化處理：

(28)

處理后的主問(wèn)題為混合整數(shù)線性規(guī)劃問(wèn)題，可采用商業(yè)求解器直接求解。

3.2 子問(wèn)題求解

分解后的子問(wèn)題可表征為：

(29)

分解后的子問(wèn)題由于其max-min結(jié)構(gòu)同樣無(wú)法直接求解，因此首先采用對(duì)偶理論將max-min結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為max結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換后的子問(wèn)題為：

(30)

式中：α、β、γ為對(duì)偶變量；ξ為輔助變量。該模型中uTξ為雙線性項(xiàng)，因此無(wú)法直接求解，需要進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行線性化。u表征風(fēng)電出力不確定性，為一個(gè)簡(jiǎn)單區(qū)間，為了最大化uTξ，當(dāng)ξ為正數(shù)時(shí)，u取到區(qū)間上界值；當(dāng)ξ為負(fù)數(shù)時(shí)，u取到區(qū)間下界值。因此可采用大M法進(jìn)一步線性化該模型。最終模型可表征為：

(31)

式中：uup、udown為風(fēng)電出力區(qū)間的上下界；

采用對(duì)偶理論和大M法轉(zhuǎn)化后的子問(wèn)題為混合整數(shù)線性規(guī)劃問(wèn)題，可采用商業(yè)求解器直接求解。

3.3 主子問(wèn)題迭代求解

主問(wèn)題求解已知最?lèi)毫语L(fēng)電場(chǎng)景下的最優(yōu)競(jìng)標(biāo)策略及日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略，子問(wèn)題在主問(wèn)題最優(yōu)解的基礎(chǔ)上搜尋最?lèi)毫语L(fēng)電場(chǎng)景及相應(yīng)的調(diào)控策略，主子問(wèn)題相互耦合不能同時(shí)求解。因此，本節(jié)采用C&CG法對(duì)線性化處理后主子問(wèn)題進(jìn)行迭代求解，迭代流程如下：

1)初始化模型上界及下界：U0=+∞、L0=-∞；設(shè)置初始場(chǎng)景集u1，收斂間隙λ，迭代次數(shù)k=1。

2)基于已知最?lèi)毫语L(fēng)電出力場(chǎng)景集ul，求解主問(wèn)題得到最優(yōu)解(xk,σk,κk)，并將主問(wèn)題目標(biāo)函數(shù)設(shè)為新的下界Lk。

4)若滿足Uk-Lk≤λ，即得到最優(yōu)競(jìng)標(biāo)策略及日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略；若不滿足，則置k=k+1，并返回步驟2進(jìn)行新一輪的迭代。

4 算例分析

本節(jié)算例在區(qū)塊鏈Ganache客戶端創(chuàng)建一條私有鏈，使用Remix在線編譯器對(duì)智能合約進(jìn)行編譯部署，搭建去中心化電能交易平臺(tái)，并結(jié)合Metamask錢(qián)包對(duì)交易過(guò)程進(jìn)行記錄。多微網(wǎng)系統(tǒng)中所有微網(wǎng)主體共同協(xié)商決定電能交易平臺(tái)代幣與人民幣的換算匯率，本文設(shè)置1 ether約為1元。算例中多微網(wǎng)系統(tǒng)包括3個(gè)售電微網(wǎng)及1個(gè)購(gòu)電微網(wǎng)，各微網(wǎng)可控機(jī)組裝機(jī)總?cè)萘肯嗤?。?gòu)電微網(wǎng)各時(shí)間段從多微網(wǎng)系統(tǒng)中的購(gòu)電需求見(jiàn)附錄圖A1，各售電微網(wǎng)風(fēng)電預(yù)測(cè)出力及負(fù)荷需求見(jiàn)附錄圖A2、A3、A4，各微網(wǎng)機(jī)組參數(shù)見(jiàn)附錄表A1、A2。

4.1 售電微網(wǎng)博弈結(jié)果分析

在完全信息博弈環(huán)境下，3個(gè)售電微網(wǎng)將表征風(fēng)電不確定性的可調(diào)魯棒參數(shù)設(shè)為10，預(yù)測(cè)誤差設(shè)為10%。根據(jù)購(gòu)電微網(wǎng)發(fā)布的購(gòu)電需求，經(jīng)過(guò)9輪博弈后，得到所提兩階段可調(diào)魯棒博弈模型的納什均衡最優(yōu)解。

4.1.1整體經(jīng)濟(jì)性及風(fēng)電消納分析

整體經(jīng)濟(jì)性及風(fēng)電消納對(duì)比見(jiàn)表1，多微網(wǎng)系統(tǒng)各售電微網(wǎng)競(jìng)標(biāo)電價(jià)見(jiàn)圖2。

由圖2可知，售電微網(wǎng)博弈得到的最大及最小競(jìng)標(biāo)電價(jià)在一天內(nèi)均小于從配電網(wǎng)購(gòu)電電價(jià)且大于配電網(wǎng)售電電價(jià)。結(jié)合表1可知，競(jìng)標(biāo)電價(jià)在配電網(wǎng)購(gòu)售電價(jià)的區(qū)間內(nèi)時(shí)，售電微網(wǎng)可增加其出售電能的收益，購(gòu)電微網(wǎng)可減小其購(gòu)買(mǎi)電能的成本，多微網(wǎng)系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)性能夠得到提升。由表1可知，微網(wǎng)群電能交易可減小多微網(wǎng)系統(tǒng)棄風(fēng)量，促進(jìn)風(fēng)電消納。

表1 多微網(wǎng)系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)性及風(fēng)電消納對(duì)比Table 1 Comparison of economy and wind power consumption

圖2 各售電微網(wǎng)競(jìng)標(biāo)電價(jià)Fig.2 Bidding price of microgrids with surplus power

4.1.2售電微網(wǎng)優(yōu)化結(jié)果分析

各售電微網(wǎng)優(yōu)化結(jié)果如表2所示，各售電微網(wǎng)中標(biāo)量見(jiàn)圖3。

表2 售電微網(wǎng)優(yōu)化結(jié)果Table 2 Optimization result of microgrids with surplus power 元

由表2可知，微網(wǎng)1電能總供給不足，在某些時(shí)刻需要向配電網(wǎng)購(gòu)電以保證供需平衡；微網(wǎng)2、3向多微網(wǎng)系統(tǒng)出售電能后還有富余的電能可出售給配電網(wǎng)以獲取額外的收益。在完全信息博弈環(huán)境下，售電微網(wǎng)2和售電微網(wǎng)3所取得的競(jìng)標(biāo)收益占總競(jìng)標(biāo)收益的絕大部分。結(jié)合圖3可知，微網(wǎng)1售電中標(biāo)量最少，且集中在競(jìng)標(biāo)電價(jià)相對(duì)較低的01：00—07：00及15:00—16：00，即以較低的價(jià)格出售較少的電量。微網(wǎng)2和微網(wǎng)3在博弈競(jìng)爭(zhēng)中處于強(qiáng)勢(shì)地位，在競(jìng)標(biāo)價(jià)格相對(duì)較高的08：00—11：00及17：00—23：00出售較多的電量。由上述圖表可知，電能較為富余的微網(wǎng)在博弈過(guò)程中占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，這是因?yàn)楦挥嚯娔芸赏ㄟ^(guò)微網(wǎng)系統(tǒng)靈活的運(yùn)行調(diào)控行為進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)移，在購(gòu)電量較大或電價(jià)較高的時(shí)段出售以取得良好的競(jìng)標(biāo)收益。

圖3 各售電微網(wǎng)中標(biāo)電量Fig.3 Selling power of microgrids with surplus power

4.1.3售電微網(wǎng)運(yùn)行調(diào)控行為分析

圖4—6為售電微網(wǎng)中機(jī)組具體出力情況。

圖4 售電微網(wǎng)1機(jī)組出力Fig.4 Unit outputs of selling microgrid 1

圖5 售電微網(wǎng)2機(jī)組出力Fig.5 Unit outputs of selling microgrid 2

圖6 售電微網(wǎng)3機(jī)組出力Fig.6 Unit outputs of selling microgrid 3

結(jié)合圖4—6，從多微網(wǎng)系統(tǒng)具體運(yùn)行調(diào)控角度分析所得博弈競(jìng)標(biāo)結(jié)果：各售電微網(wǎng)中可控機(jī)組裝機(jī)總?cè)萘肯嗤?，其中微網(wǎng)3中發(fā)電成本較低的燃料電池裝機(jī)容量最大，且風(fēng)電出力較大，可在風(fēng)電出力較大及負(fù)荷較小的時(shí)段儲(chǔ)存電能，在競(jìng)價(jià)較高或負(fù)荷高峰時(shí)段使用，因此具有較大的博弈優(yōu)勢(shì)；微網(wǎng)1中負(fù)荷功率較微網(wǎng)2、微網(wǎng)3大，盡管其儲(chǔ)能系統(tǒng)容量最大，但微網(wǎng)中并沒(méi)有富余電能用于儲(chǔ)存并在合適時(shí)段使用，因此博弈處于劣勢(shì)；微網(wǎng)2盡管發(fā)電成本較低的FC裝機(jī)容量最小，但其風(fēng)電出力最大且負(fù)荷較小，因此在博弈過(guò)程中取得了較好的結(jié)果。

4.2 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的交易過(guò)程分析

根據(jù)購(gòu)電微網(wǎng)發(fā)布的購(gòu)電需求，售電微網(wǎng)群進(jìn)行博弈競(jìng)爭(zhēng)得到納什均衡最優(yōu)解(包括最優(yōu)競(jìng)標(biāo)策略及日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略)時(shí)，觸發(fā)智能合約預(yù)置響應(yīng)條件，多微網(wǎng)系統(tǒng)根據(jù)電能交易規(guī)則進(jìn)行電能交易。以16：00為例，多微網(wǎng)系統(tǒng)基于區(qū)塊鏈技術(shù)的交易過(guò)程見(jiàn)表3和表4。

表3 多微網(wǎng)系統(tǒng)交易信息Table 3 Transaction information of multi-microgrid system

由表3及表4可知，在16：00購(gòu)電微網(wǎng)購(gòu)電量較大，售電微網(wǎng)群博弈得到的最優(yōu)納什均衡解無(wú)法滿足購(gòu)電微網(wǎng)全部的購(gòu)電需求，因此需要從配電網(wǎng)購(gòu)電以滿足供需平衡。根據(jù)電能交易規(guī)則，為了最小化購(gòu)電微網(wǎng)運(yùn)行成本，購(gòu)電微網(wǎng)按交易價(jià)格從低到高依次與售電微網(wǎng)進(jìn)行交易，直至滿足購(gòu)電需求。因此購(gòu)電微網(wǎng)首先以0.749 4 ether/(kW·h)的價(jià)格與售電微網(wǎng)1進(jìn)行電能交易，再以0.774 5 ether/(kW·h)的價(jià)格與售電微網(wǎng)2、3進(jìn)行交易。與售電微網(wǎng)群交易結(jié)束后，購(gòu)電微網(wǎng)還剩余一部分購(gòu)電需求未得到滿足，而此時(shí)各售電微網(wǎng)受自身運(yùn)行調(diào)控約束，沒(méi)有多余的電能用于出售，因此購(gòu)電微網(wǎng)需要以0.900 0 ether/(kW·h)的價(jià)格從配電網(wǎng)購(gòu)電，以滿足自身供需平衡。上述結(jié)果表明部署在區(qū)塊鏈平臺(tái)上的智能合約可按照預(yù)先設(shè)定的電能交易規(guī)則實(shí)現(xiàn)多微網(wǎng)系統(tǒng)分布式電能交易。

表4 多微網(wǎng)系統(tǒng)交易結(jié)果Table 4 Transaction result of multi-microgrid system

4.3 運(yùn)行決策效率對(duì)比

為對(duì)比在集中式交易機(jī)制及所提分布式交易機(jī)制下各微網(wǎng)的運(yùn)行決策效率，本文在MATLAB環(huán)境中分別對(duì)不同運(yùn)行機(jī)制下微網(wǎng)群兩階段競(jìng)標(biāo)博弈調(diào)度模型進(jìn)行仿真，各交易階段花費(fèi)時(shí)間對(duì)比如表5所示。由表5可知，所提基于區(qū)塊鏈技術(shù)的兩階段魯棒博弈競(jìng)標(biāo)調(diào)度模型計(jì)算量主要集中在博弈過(guò)程中競(jìng)標(biāo)策略及調(diào)度策略的制定階段。這是因?yàn)槲⒕W(wǎng)考慮風(fēng)電出力不確定性，采用兩階段可調(diào)魯棒優(yōu)化模型制定運(yùn)行策略，該模型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且無(wú)法直接求解，因此需要花費(fèi)較多時(shí)間對(duì)其進(jìn)行解耦、線性化以及迭代求解。在所提分布式交易機(jī)制下，各售電微網(wǎng)基于區(qū)塊鏈平臺(tái)實(shí)現(xiàn)每輪博弈所得競(jìng)標(biāo)策略的透明交互傳輸，為下一輪博弈提供參考。在集中式交易機(jī)制下，各微網(wǎng)將所得競(jìng)標(biāo)策略上傳至交易中心，由交易中心進(jìn)行整合發(fā)布。由于各微網(wǎng)在所提博弈競(jìng)標(biāo)模型中僅需交互簡(jiǎn)單的競(jìng)標(biāo)信息，交易中心可快速對(duì)其進(jìn)行整合發(fā)布，因此集中式交易機(jī)制下多微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行決策效率與分布式交易機(jī)制下相差不大。由上述分析可知，區(qū)塊鏈技術(shù)對(duì)微網(wǎng)運(yùn)行決策效率的影響取決于微網(wǎng)競(jìng)標(biāo)調(diào)度模型的復(fù)雜度及交互信息的規(guī)模大小，博弈模型越簡(jiǎn)單，交互信息規(guī)模越大，則運(yùn)行效率的提高越明顯。

表5 交易時(shí)間對(duì)比Table 5 Comparison of transaction time

4.4 單微網(wǎng)不同優(yōu)化方法對(duì)比

為驗(yàn)證微網(wǎng)群兩階段魯棒博弈競(jìng)標(biāo)調(diào)度模型中兩階段可調(diào)魯棒競(jìng)標(biāo)調(diào)度模型的有效性，本節(jié)以購(gòu)電微網(wǎng)為例，通過(guò)蒙特卡洛方法生成1 000個(gè)隨機(jī)風(fēng)電場(chǎng)景比較所得確定性方案、傳統(tǒng)魯棒方案及可調(diào)魯棒方案的經(jīng)濟(jì)性。其中表征風(fēng)電不確定性的可調(diào)魯棒參數(shù)設(shè)為10，風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差設(shè)為10%。圖7為不同優(yōu)化方案的總運(yùn)行成本散點(diǎn)圖，表6為具體運(yùn)行成本對(duì)比。

圖7 總運(yùn)行成本散點(diǎn)圖Fig.7 Scatter of total operation cost

表6 運(yùn)行成本對(duì)比Table 6 Comparison of operation cost 元

由圖7可知，在大部分隨機(jī)場(chǎng)景下，可調(diào)魯棒方案總運(yùn)行成本較確定性方案、傳統(tǒng)魯棒方案低，且傳統(tǒng)魯棒方案總運(yùn)行成本波動(dòng)區(qū)間最小。結(jié)合表6可知，確定性方案日前運(yùn)行成本最低，傳統(tǒng)魯棒方案最高，而平均實(shí)時(shí)調(diào)控成本恰好相反。傳統(tǒng)魯棒方案總運(yùn)行成本波動(dòng)區(qū)間及平均實(shí)時(shí)調(diào)控成本最小，說(shuō)明在相同的風(fēng)電出力場(chǎng)景下，需花費(fèi)最少的調(diào)控成本應(yīng)對(duì)風(fēng)電實(shí)際出力與預(yù)測(cè)值差異，即應(yīng)對(duì)風(fēng)電出力不確定性的能力最強(qiáng)?？烧{(diào)魯棒方案平均實(shí)時(shí)調(diào)控成本較小，即能夠有效應(yīng)對(duì)風(fēng)電出力不確定性且日前-實(shí)時(shí)總運(yùn)行成本取得了最好的經(jīng)濟(jì)性。這是因?yàn)樵谥贫ㄗ顑?yōu)日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略時(shí)，確定性優(yōu)化模型忽略風(fēng)電出力波動(dòng)，傳統(tǒng)魯棒優(yōu)化模型僅考慮風(fēng)電出力最?lèi)毫訄?chǎng)景，而兩階段可調(diào)魯棒優(yōu)化模型通過(guò)風(fēng)電出力區(qū)間及表征最?lèi)毫訄?chǎng)景出現(xiàn)頻次的可調(diào)魯參數(shù)合理考慮風(fēng)電出力的不確定性，平衡了所得調(diào)度方案的魯棒性和經(jīng)濟(jì)性，使其能夠有效應(yīng)對(duì)風(fēng)電出力不確定性，并保證較好的經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié) 論

本文考慮風(fēng)電出力不確定性以及微網(wǎng)用戶的詳細(xì)運(yùn)行調(diào)控行為，采用博弈理論來(lái)分析進(jìn)行電能交易的微網(wǎng)群用戶間復(fù)雜的利益交互關(guān)系，并將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于多微網(wǎng)電能交易中以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效管理與信息交互。結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)和非合作博弈理論提出的多微網(wǎng)系統(tǒng)電能交易架構(gòu)可保證信息的公開(kāi)透明，實(shí)現(xiàn)交易的去中心化。所提兩階段可調(diào)魯棒博弈競(jìng)標(biāo)調(diào)度模型采用不確定集和可調(diào)魯棒參數(shù)對(duì)微網(wǎng)中風(fēng)電出力進(jìn)行建模，合理考慮了風(fēng)電出力不確定性，平衡了各微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性和魯棒性。該模型可分解為對(duì)應(yīng)日前階段的主問(wèn)題以及實(shí)時(shí)階段的子問(wèn)題。主子問(wèn)題無(wú)法直接求解，因此利用二進(jìn)制擴(kuò)充法、對(duì)偶理論、大M法對(duì)其進(jìn)行線性化，并采用C&CG算法對(duì)轉(zhuǎn)化后的主子問(wèn)題進(jìn)行迭代求解。算例表明所提區(qū)塊鏈技術(shù)下的多微網(wǎng)系統(tǒng)兩階段可調(diào)魯棒博弈競(jìng)標(biāo)調(diào)度模型能夠?qū)崿F(xiàn)多微網(wǎng)系統(tǒng)分布式交易、提高多微網(wǎng)系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)性、促進(jìn)風(fēng)電消納、保障各微網(wǎng)主體的利益均衡并有效應(yīng)對(duì)風(fēng)電出力不確定性。