一种结合区块链技术的混合能源交易调度方法及应用

1.本发明涉及智能电网管理调度系统技术领域，特别是涉及一种结合区块链技术的混合能源交易调度方法及应用。


背景技术：

2.近几十年来，传统的基于化石燃料的集中式能源系统面临着碳排放、环境污染和能源危机等多项挑战。而在中国，许多资源型城市自1970年代以来，由于不可持续化的能源消耗，一直走在资源枯竭的道路上，并面临着上述问题。近年来，智能电网作为一种新兴概念，为可再生能源技术融入传统电网提供了一种创新方法。此外，连接互联网的智能电网正在逐步落地实施以确保随时随地获得能源，最终旨在建设可持续发展的社会。迄今为止，受益于能源鼓励政策，可供终端用户安装的光伏系统在世界范围内越来越受欢迎。此外，随着参与电网的用户规模的扩大，边缘计算展示了一种新的能源管理方法来处理智能电网中的巨大交易吞吐量。
3.不幸的是，现有的智能电网面临着若干挑战，例如安全和能源管理问题，现有技术存在的问题及缺陷具体为：
4.(1)虽然边缘计算减轻了骨干网的负担，但处在边缘的电力交易面临着更严重的安全和隐私问题，例如，伪造、隐私泄露。这是由于访问用户身份的风险、收集的边缘信息的不可靠性以及跨边缘节点的服务迁移造成的。因此，智能电网大规模地收集分布式资源受到限制，能源利用率和可靠性的改善微乎其微。
5.(2)现有的智能电网交易模型应考虑效率和满意度。首先，点对点(p2p) 交易模式使能源产消者可以直接交易，通常使用博弈论来获得最佳谈判结果。但是这种方法对终端用户的算力要求较高，处理时间也比较长。其次，点对网 (p2g)交易虽然缓解了用电压力和高峰电压波动，但生产者的收益相对较低，完全由电网调度，忽视了用户满意度。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种结合区块链技术的混合能源交易调度方法备，本发明在智能电网中部署了一个联盟链，高效地处理交易数据，显著改善了计算复杂度和完成交易的时间。
7.为解决此技术问题，本发明的技术方案是：一种结合区块链技术的混合能源交易调度方法，包括以下步骤：
8.s1、构建分层的基于区块链的混合能源交易系统，并明确各层、各个角色的功能；
9.s2、根据生产者参与系统的偏好程度，给出等级划分的方法；leag作为矿工构成区块链网络并参与后续交易过程；
10.s3、提出可行的等级协议的设计原则，具体以订阅方法和定价方法实现混合交易；
11.s4、量化不同等级下生产者的收益，并保证生产者在仅按照等级协议来采取策略的情况下才能使效用最大化；
12.s5、将最大化系统管理员的效用作为最优等级协议的目标，找到对应的订阅方法和定价方法进行混合能源交易。
13.优选s1中构建分层的基于区块链的混合能源交易系统包括物理层和网络层；
14.物理层存在的角色包括：
15.可再生能源产消者表示为rep，是系统的能源交易用户，支持双向电力传输的个体；
16.本地能源聚合者表示为leag，是边缘节点，配备存储和计算服务器，为整个系统网络提供一系列服务；
17.系统管理员表示为so，负责系统中所有用户的授权和认证；
18.网络层由leag作为矿工构成区块链网络的方案，leag收集交易信息并将其打包成区块，从而使后续的挖掘任务和区块验证能够正常进行。
19.本发明中“矿工”即区块链矿工，负责打包区块链网络中的交易，根据共识算法，付出算力资源争夺区块记账权。矿工是区块链的建设者，个体矿工或矿池使用算力在区块链上添加新区块，验证新交易，并在此过程中将新的加密货币带入流通市场。
20.优选s2中leag作为矿工构成区块链网络并参与后续交易过程的步骤：
21.第一步，当rep要充电或放电时，会生成一个交易请求，其标识位能表示购买或出售行为；
22.第二步，leag首先根据其收集的请求匹配响应者，然后制定充放电计划；
23.第三步，响应者通过leag向请求者rep发送回复消息；
24.第四步，双方通过实体电缆连接到电网；
25.第五步，响应者同意交易，则内置智能电表计算并记录其实际充放电能量，并通过网络广播给所有leag；
26.第六步，leag收集所有最近的交易记录，通过pow共识完成挖矿，验证交易的有效性，并打包成区块；
27.第七步，智能合约根据存储服务器中的实际能源交易量对交易进行清算。
28.本发明中一个发起请求的rep是请求者，另一个匹配请求的rep是响应者。
29.leag中部署了存储服务器和计算服务器，为整个系统网络提供了一系列服务。具体如下：
30.一、得益于系统的分布式特点，leag将附近区域中的电力交易信息存储打包为区块，使得后续的挖矿竞争和区块验证能顺利进行。
31.二、leag作为区块链中的矿工，配备计算服务器使其具有一定的边缘计算能力。本系统的联盟链使用pow的共识机制，所有leag需解决一个共同的哈希难题，争夺区块链记账权。
32.三、为每个rep创建交易账户和独立的钱包地址，为了保护隐私，一个rep 账户分配一对随机公钥私钥，随机生成的公钥作为该用户钱包地址，与账户之间存在映射关系，映射表存储在leag的存储服务器中，以此来保护用户隐私。
33.优选s2包括如下步骤：
34.s21，定义生产者偏好，并按照偏好升序排列，分为k个等级，记作集合
35.θ＝{θ1，θ2，...，θk}；
36.s22，计算每个产消者的可售电量；
37.s23，根据可售电量的正负划分生产者和消费者，并根据所有生产者的可售电量将他们聚合到k个等级。
38.每一个生产者理论上希望能自由选择交易模式(p2g或p2p)，但考虑到系统中p2p交易的高效性，so认为当一个生产者的等级较低时(即可售电量较少)，不足以完成一定电量需求的交易订单。因此，为了减少无效订单的生成，so希望存在一个m，使得θk＜m的生产者更愿意成为1类生产者，而θk＞m的pd生产者更愿意成为2类生产者。此举既保障了1类生产者交易的高效性，又保障了2类生产者的交易满意度。
39.本发明首先定义好k个偏好等级，然后根据每个生产者的可售电量，将所有生产者聚类到k个偏好等级。集合表示生产者加入到网络交易的意愿偏好，偏好越大，代表其越愿意加入到能源交易中。偏好大小由可售电量来量化。
40.优选s22中计算每个产消者的可售电量方法如下：
41.令表示系统中n个独立reps的集合，那么对于第n个 rep，其充电阶段soc计算表示为：
[0042][0043]
其中,表示当前可用能量的数量，e
n，max
是电池容量；
[0044]
可售电量ln满足如下限制：
[0045][0046]
其中函数mn(t)表示第n个rep在时间t时消耗的电池百分比，mn(0)＝0表示该rep当天的起始消耗量为0；
[0047]
δt表示每一个区块周期的时长；
[0048]
可得出放电能力
[0049]
从上述计算方式可知，偏好值等于最大可售电量。
[0050]
优选s3提出等级协议，具体以订阅方法和定价方法实现混合交易,包括以下步骤：
[0051]
评级协议p表示为四元组它由四个部分组成：一组等级标签一组偏好θ、订阅方法ψ和定价方法σ；
[0052]
s31，表示等级标签的集合，其中k表示该集合的大小；
[0053]
s32，θ＝{θ1，θ2，...，θk}表示偏好集，即生产者的能源剩余，并有映射过程
[0054]
s33，ψ:定义了so对生产者进行分类的订阅规则；
[0055]
为订阅策略空间；
[0056]
s34，σ:定义了如何根据生产者的评级和订阅状态推导出定价策略
集其中pk，δk分别表示生产者的销售价格和订阅费。
[0057]
本发明通过s32首先定义好k个偏好等级，然后根据每个生产者的可售电量，将所有生产者聚类到k个偏好等级；
[0058]
本发明通过s33指出了订阅规则。
[0059]
优选s33中，so对生产者进行分类的订阅规则如下式：
[0060][0061]
其中a代表1类用户，将富裕电量出售给公共电网，无需支付订阅费；b代表2类用户，将富裕电量出售给其他消费者，但需要向so支付订阅费；m为订阅制度的关键等级。
[0062]
优选s4量化不同等级下生产者的收益，并保证生产者在仅按照等级协议来采取策略的情况下才能使效用最大化，具体子步骤包括如下：
[0063]
s41，量化处于某k等级的1类用户的效用；
[0064]
s42，量化处于某k等级的2类用户的效用；
[0065]
s43，制定生产者必定按照等级协议来采取策略的约束条件；
[0066]
量化不同等级下生产者的收益，并保证生产者在仅按照等级协议来采取策略的情况下才能使效用最大化，所述s41，量化处于某k等级的1类用户的效用：
[0067]
uk(p0，0)＝θkp
0-gc(θk)
[0068]
其中gc(θk)表示产生θk电能的成本函数，此时生产者的可售电量θk将以单价p0直接注入电网；
[0069]
量化不同等级下生产者的收益，并保证生产者在仅按照等级协议来采取策略的情况下才能使效用最大化，所述s42，量化处于某k等级的2类用户的效用：
[0070][0071]
其中表示期望出售电量，表示期望交易收益，且有
[0072]
其中p1≤...≤pk≤
…
pk≤p
max
，其中p
max
表示电网电价；
[0073]
量化不同等级下生产者的收益，并保证生产者在仅按照等级协议来采取策略的情况下才能使效用最大化，所述s43制定生产者必定按照等级协议来采取策略的约束条件：
[0074]
存在一个关键等级m，将集合分为
[0075]
其中表示1类生产者集合，表示2类生产者集合；用nk 表示处于k等级的生产者的数量；
[0076]
合理的等级协议满足以下条件：
[0077][0078]
[0079][0080][0081][0082]
其中，规定了m的取值范围：特别地，当m＝1时，且此时系统中不存在1类生产者，全部生产者属于2类；同理当m＝k+1时，且
[0083][0084]
规定了p0和pk的取值范围，以及表示了pk关于θk的递增关系，其中p
min
和p
max
分别为系统预设的最低电价和最高电价。
[0085]
表示若任一个1类生产者挑选适用于2 类生产者的策略项目，其获得的报酬都将减小。相似地，
[0086]
表示若任一个2类生产者选择加入1类，其获得的报酬也将减小。
[0087]
i＜k的等式关系等价于
[0088][0089]
上式表示，等级k的2类生产者若采取非本等级的策略项目(pi，δi)， i≠k，其获得的报酬都不及采取(pk，δk)时的报酬。
[0090]
当满足以上所有的约束条件时，等级协议的设计具备合理性，即特定等级的生产者只有接受符合自身等级的策略项目时，它的收益才能最大化。
[0091]
优选s5将最大化系统管理员的效用作为最优等级协议的目标，找到对应的订阅方法和定价方法，实现整个混合能源交易系统的社会福利最大化，采用以下公式进行求解：
[0092]
so的收益由三部分组成：
[0093]
从全体1类生产者处获得的电能产生的效用，表示为：
[0094]
支付给全体1类生产者的报酬，表示为：
[0095]
从全体2类生产者处获得的订阅费，表示为：
[0096]
so的收益为：
[0097]
提出目标优化问题如下：
[0098][0099]
s.t.
[0100][0101]
var:
[0102]
其中函数ω(x)表示x单位电量的电能所产生的效用。
[0103][0104]
是量化的so总收益；
[0105]
表示优化目标是求解so总收益的最大值，st是约束条件，var是自变量。即在指定的约束条件下，找到最优的自变量，使得so的总收益最大化。
[0106]
自然对数函数ln(
·
)在经济学中被广泛应用于用户偏好排序的建模和决策，适用于电力用户效用的设计。选择这个函数的原因是，它与效用函数密切相关。是一种典型的修正形式，它避免了函数值趋向于-∞的可能。参数常量ρ表示效用函数的权重。
[0107]
本发明提供一种基于等级协议的混合能源交易最优化的求解方法，按照包括以下步骤的方法进行求解：
[0108]
第一步，预给定订阅制度的关键等级m，得到最优订阅费；
[0109]
第二步，根据最优订阅费和出售价格的关系，转化目标问题为最优定价问题；
[0110]
第三步，采用kkt条件求解最优定价问题，获得此时关键等级m对应的定价方法；
[0111]
第四步，遍历所有关键等级m的可能性，找到社会福利最大的情况，从而明确最优订阅方法和定价方法，完成最优等级协议的设计。
[0112]
本发明的目的在于提供一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以本发明提出的一种结合区块链技术的混合能源交易调度方法。本发明在智能电网中部署了一个联盟链，高效地处理交易数据，显著改善了计算复杂度和完成交易的时间。
[0113]
本发明的目的在于提供一种执行本发明提出的一种结合区块链技术的混合能源交易调度方法的移动设备。本发明在智能电网中部署了一个联盟链，高效地处理交易数据，显著改善了计算复杂度和完成交易的时间。本发明有利于自适应地计算产消者的可售电量，完成等级划分及设计最优等级协议，并动态地结合区块链技术验证交易，从而提高了混合能源交易安全性和吞吐量。
[0114]
通过采用上述技术方案，本发明的有益效果是：
[0115]
本发明的目的在于提供一种结合区块链技术的混合能源交易调度方法，该发明提出了一种在智能电网环境下，运用区块链技术的混合能源交易模型，以支持p2p和p2g能源交易，解决当前交易模式单一的痛点。本发明在智能电网中部署了一个联盟链，以高效地处理交易数据；
[0116]
此外，将基于等级协议的订阅和定价方案制定成一种激励机制，包括订阅和定价方法在内的新型等级协议旨在激励智能电网中的用户生成更多的可再生能源并加强互动。共同最大化产消者的效用和社会福利，产消者可以理性选择交易策略来交易其剩余能量，从而获得更好的回报。此外，从理论上提供了等级协议最优化的解决方案；
[0117]
所提出的等级协议设计简单，实施灵活，可以优化生产者的效用和社会福利；
[0118]
本发明提供的一种新的低算力要求方法，保证生产者效用的公平性和相对稳定的社会福利。即最优等级协议的设计被表述为一个优化问题，其中等级协议的可行性也得到了保证。
[0119]
本发明在应用于智能电网领域，着力解决能源混合交易问题，并结合区块链技术保障交易安全。实验结果表明，本发明提出的等级协议具备有效性和合理性，可以保证so的相对稳定的效用，同时显著改善了计算复杂度和完成交易的时间。
[0120]
从而实现本发明的上述目的。
附图说明
[0121]
图1是本发明涉及的一种结合区块链技术并基于等级协议的混合能源交易系统示意图；
[0122]
图2是本发明发生在系统边缘的交易流程图；
[0123]
图3、4、5和6是本发明在不同实例下各个参数达到最优的效果表现图；
[0124]
图7是本发明与v2g交易方式关于最优so效用的对比图；
[0125]
图8是本发明算法与博弈算法关于时间复杂度的对比图。
具体实施方式
[0126]
为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。
[0127]
本发明公开一种结合区块链技术的混合能源交易调度方法及移动设备，现有的智能电网面临着若干挑战，例如安全和能源管理问题。一方面，虽然边缘计算减轻了骨干网的负担，但处在边缘的电力交易面临着更严重的安全和隐私问题(例如，伪造、隐私泄露)。这是由于访问用户身份的风险、收集的边缘信息的不可靠性以及跨边缘节点的服务迁移造成的。因此，智能电网大规模地收集分布式资源受到限制，能源利用率和可靠性的改善微乎其微。另一方面，现有的智能电网交易模型应考虑效率和满意度。首先，p2p交易模式使能源产消者可以直接交易，通常使用博弈论来获得最佳谈判结果。但是这种方法对终端用户的算力要求较高，处理时间也比较长。其次，p2g交易虽然缓解了用电压力和高峰电压波动，但生产者的收益相对较低，完全由电网调度，忽视了用户满意度。
[0128]
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种结合区块链技术并基于等级协议的混合能源交易优化方法，如图1至图2所示，包括以下步骤：
[0129]
s1、构建分层的基于区块链的混合能源交易系统，并明确各层、各个角色的功能；
[0130]
s2、根据生产者参与系统的偏好程度，给出等级划分的方法；leag作为矿工构成区块链网络对参与后续交易过程；
[0131]
s3、提出可行的等级协议的设计原则，具体以订阅方法和定价方法实现混合交易；
[0132]
s4、量化不同等级下生产者的收益，并保证生产者在仅按照等级协议来采取策略的情况下才能使效用最大化；
[0133]
s5、将最大化系统管理员的效用作为最优等级协议的目标，找到对应的订阅方法和定价方法，实现整个混合能源交易系统的社会福利最大化。
[0134]
以下进一步详细描述所述结合区块链技术并基于等级协议的混合能源交易优化方法：
[0135]
为落实现实应用场景，首先构建了分层的基于区块链的混合能源交易系统，如图1所示：
[0136]
在物理层的各个角色：rep是系统的能源交易用户，可以是支持双向电力传输的各种个体，例如家庭、电动汽车等。将一些剩余电池不足以满足未来时间段的消费需求的rep定义消费者。相反，一些可用电池存储可以满足其未来消耗的rep被定义为生产者。leag是边缘节点，配备存储和计算服务器，为整个系统网络提供一系列服务。so负责系统中所有用户的授权和认证。此外，其目标是为高效和系统化的混合能源交易设计合理的管理方案，同时优化生产者的效用和社会福利。
[0137]
在网络层，采用的是由leag作为矿工构成区块链网络的方案。leag中部署了存储服务器和计算服务器，为整个系统网络提供了一系列服务，具体包括一下：
[0138]
一、得益于系统的分布式特点，leag将附近区域中的电力交易信息存储打包为区块，使得后续的挖矿竞争和区块验证能顺利进行。
[0139]
二、leag作为区块链中的矿工，配备计算服务器使其具有一定的边缘计算能力。本系统的联盟链使用pow的共识机制，所有leag需解决一个共同的哈希难题，争夺区块链记账权；
[0140]
三、为每个rep创建交易账户和独立的钱包地址，为了保护隐私，一个rep 账户分配一对随机公钥私钥，随机生成的公钥作为该用户钱包地址，与账户之间存在映射关系，映射表存储在leag的存储服务器中，以此来保护用户隐私。
[0141]
leag收集交易信息并将其打包成区块，从而使后续的挖掘任务和区块验证能够正常进行。leag作为矿工，配备了计算服务器，以保证一定的边缘计算能力。leag参与后续交易过程的步骤如图2所示：
[0142]
第一步，当产消者想要充电或放电时，它会生成一个交易请求，其标识位能表示购买或出售行为；
[0143]
第二步，leag首先根据其收集的请求匹配响应者，然后制定充放电计划；
[0144]
第三步，响应者通过leag向请求者发送回复消息；
[0145]
第四步，双方通过实体电缆连接到电网。通过这种方式，产消者既可以直接与电网交易能源，也可以使用电网作为中介与其他产消者进行能源交易；
[0146]
第五步，如果响应者同意交易，则内置智能电表计算并记录其实际充放电能量，并通过网络广播给所有leag。
[0147]
第六步，leag收集所有最近的交易记录，通过pow共识完成挖矿，验证交易的有效性，并打包成区块；
[0148]
第七步，智能合约根据存储服务器中的实际能源交易量对交易进行清算。本实施例中s2中的具体子步骤包括如下：
[0149]
s21，定义生产者偏好，并按照偏好升序排列，分为k个等级，记作集合
[0150]
θ＝{θ1，θ2，...，θk}；
[0151]
s22，计算每个产消者的可售电量；
[0152]
本实施例步骤s22中，计算每个产消者的可售电量。令表示系统中n个独立reps的集合，那么对于第n个rep (以不具备移动性的本地发电机为例，如家用或企业级新能源发电装置)，它的 soc计算表示为
[0153]
其中表示当前可用能量的数量，e
n，max
是电池容量。
[0154]
可售电量ln满足如下限制:
[0155][0156]
其中函数mn(t)表示第n个rep在时间t时消耗的电池百分比，mn(0)＝0 表示该rep当天的起始消耗量为0。
[0157]
δt表示每一个区块周期的时长。
[0158]mn
(t)的构造需要结合rep的用电习惯，环境因素等变量。
[0159]
最后可得出放电能力
[0160][0161]
s23，根据可售电量的正负划分生产者和消费者，并根据所有生产者的可售电量将他们聚合到k个等级。
[0162]
每一个生产者理论上希望能自由选择交易模式(p2g或p2p)，但考虑到系统中p2p交易的高效性，so认为当一个生产者的等级较低时(即可售电量较少)，不足以完成一定电量需求的交易订单。因此，为了减少无效订单的生成，so希望存在一个m，使得θk＜m的生产者更愿意成为1类生产者，而θk＞m的pd生产者更愿意成为2类生产者。此举既保障了1类生产者交易的高效性，又保障了2类生产者的交易满意度。
[0163]
s23，根据可售电量的正负划分生产者和消费者，并根据所有生产者的可售电量将他们聚合到k个等级。例如，假设生产者的电量盈余满足正态分布 ln～n(μ，σ2),其中μ＝16，σ＝4，此时系统中ln∈[5,25]。固定生产者总人数n＝100，分别对两种情况k＝5、k＝8进行举例。聚类结果如表1、表2所示。θk表示所有处于等级k的生产者的代表性电量盈余，nk表示处于等级k的生产者人数。
[0164]
表1 k＝5时的聚类结果
[0165]
k12345θk59131721nk51937309
[0166]
表2 k＝8时的聚类结果
[0167]
k12345678θk57.51012.51517.52022.5nk2512212420115
[0168]
本实施例所述s3提出可行的等级协议的设计原则，具体以订阅方法和定价方法实现混合交易,包括以下步骤：
[0169]
评级协议p表示为四元组它由四个部分组成：一组等级标签一组偏好θ、订阅方法ψ和定价方法σ。
[0170]
s31，表示等级标签的集合，其中k表示该集合的大小。
[0171]
s32，θ＝{θ1，θ2，...，θk}表示偏好集，即生产者的能源剩余，并有映射过程
[0172]
s33，ψ:定义了so对生产者进行分类的订阅规则。为订阅策略空间。
[0173][0174]
其中a代表1类用户，将富裕电量出售给公共电网，无需支付订阅费；b代表2类用户，将富裕电量出售给其他消费者，但需要向so支付订阅费。m为订阅制度的关键等级。
[0175]
s34，σ:定义了如何根据生产者的评级和订阅状态推导出定价策略集其中pk，δk分别表示生产者的销售价格和订阅费。
[0176]
本实施例s4中，量化不同等级下生产者的收益，并保证生产者在仅按照等级协议
来采取策略的情况下才能使效用最大化，具体子步骤包括如下：
[0177]
s41，量化处于某k等级的1类用户的效用；
[0178]
uk(p0，0)＝θkp
0-gc(θk)
[0179]
其中gc(θk)表示产生θk电能的成本函数。此时生产者的可售电量θk将以单价p0直接注入电网。
[0180]
s42，量化处于某k等级的2类用户的效用；
[0181][0182]
其中表示期望出售电量，表示期望交易收益，且有规定p1≤...≤pk≤...pk≤p
max
，其中 p
max
表示电网电价。
[0183]
s43，制定生产者必定按照等级协议来采取策略的约束条件。
[0184]
存在一个关键等级m，将集合分为其中表示1类生产者集合，表示2类生产者集合。用nk表示处于k等级的生产者的数量。那么合理的等级协议满足以下条件：
[0185][0186][0187][0188][0189][0190]
本实施例s5中，将最大化系统管理员的效用作为最优等级协议的目标，找到对应的订阅方法和定价方法，实现整个混合能源交易系统的社会福利最大化，采用以下公式进行求解：
[0191]
so的收益由三部分组成：1)从全体1类生产者处获得的电能产生的效用；2) 支付给全体1类生产者的报酬；3)从全体2类生产者处获得的订阅费。
[0192][0193]
提出目标优化问题如下：
[0194]
基于等级协议的混合能源交易最优化的求解方法：
[0195]
problem 1(optimal strategy):
[0196][0197]
s.t.(1),(2),(3),(4),(5)
[0198]
var:
[0199]
对于problem 1，可以看出，so收益的前两项由1类生产者参与而产生，第三项由2类生产者参与而产生，若假设m已知，problem 1可被分为两个独立子问题，而前两项其值不受策略的影响。那么在此条件下，problem 1 的最大值的求解可以转变为最大值的求解。
[0200]
关于最大化订阅费的子问题。问题构建如下
[0201]
problem 2(optimal subscription fees):
[0202][0203]
s.t.(3),(4),(5)
[0204]
var:
[0205]
在此部分，假设其余变量已知，由函数构造可知，problem 2取得最大值时，每一种type对应的δk同样为最大值。根据(3),(4),(5)，以临界type m为起始的所有最优订阅费为
[0206][0207][0208]
至此，pk表示的形式，进而希望找到关于p0和的函数。引入sk用于表示type k至k的所有生产者的总数量，其中
[0209][0210]
so从所有2类生产者处获得的报酬最大值，即收取的最大订阅费可以被重写为
[0211][0212]
其中
[0213][0214]
显然地，每个fk(pk)相互独立，并且只含有单一变量pk。目标问题进一步简化，在下一部分，将给出最优的求解过程。
[0215]
在此部分，将描述的最优策略设计问题，在给定用户标准分界type m已知及最优订阅费的等价替换后，做出问题的重写，并在(2) 表示的价格约束下考虑。
[0216]
problem 3(optimal price assignment)：
[0217][0218]
s.t.(2)
[0219]
var：
[0220]
从problem 3的构成可以看出，若在m确定的情况下，p0是影响前两项取值的唯一变量，且p0与前两项的值呈负相关关系。一方面，p0的取值影响着一类生产者的参与积极性和满意度，若单独考虑so从一类生产者处获得的收益而一味降低p0，一类生产者可能退出该系统；另一方面，p0的取值决定了的取值下限，会影响的调控范围。因此，假设so在充分考虑智能电网与现存物理电网的市场因素，给定了一个符合自身利益的p0＝p
min
，即我们在解决problem 3时候，给定m和p0。需要解决以下问题：
[0221][0222]
st.p0≤pm≤p
m+1
≤
…
≤pk≤p
max
[0223]
因为每个fk(pk)相互独立，并且只含有单一变量pk，若不考虑(6)的限制条件，可以计算满足fk(pk)达到最大值的
[0224][0225]
若此时计算得到的满足(6)的限制条件，则直接得到最优的定价策略但是一般情况下，很可能不满足限制条件。
[0226]
lemma 1：fk(pk)是严格的凹函数，即
[0227]
proof：抽象地指出2类生产者的期望出售电量其中且为了在此处更清晰地展示证明，具体化其中αk和βk为常量参数，且
[0228]
那么，当k＝k时，
[0229][0230][0231]
当k＜k时,
[0232][0233][0234]
综上，fk(pk)是严格的凹函数。
[0235]
根据(6)的线性限制条件，引入拉格朗日常量
[0236][0237]
求解其对偶问题
[0238][0239][0240]
λk≥0，k＝0，m，...，k
[0241]
λ0(p
0-pm)＝0
[0242]
λk(p
k-p
k+1
)＝0，k＝m，...，k-1
[0243]
λk(p
k-p
max
)＝0
[0244]
最后可以得到
[0245]
假设m已知，那么经过后续的求解过程，我们得到的一个最优价格集是关于某个已知m的解。规定m∈{1，...，k+1}，即m的取值是离散有限的，那么通过遍历所有可能的m的取值，得到所有最优策略，便可以找到so受益最大时的m，以及此时的最优策略。
[0246]
下面结合实验评估对本发明作进一步描述。
[0247]
假设生产者的电量盈余满足正态分布ln～n(μ，σ2)，其中μ＝16，σ＝4。如图3所示，显示了so的最优效用关于两个参数k和m的性能。通过实例化 k＝5，8，12，15等四种情况，绘制了一个三维曲面。当m＝k+1时，系统中的每个生产者都成为1类生产者，并且只与公用电网交互。当m＝1 时，表示所有生产者都属于第2类，他们向消费者出售能源，只向公共电网
支付订阅费。根据我们的模拟和计算结果，观察到当k＝5时so效用在 m＝2处达到最佳值，类似地，当 k＝8时得出 m＝3，当 k＝12时得出m＝3，当k＝15时，m＝4。这样的结果验证了本发明提供的算法的正确性和优势，可以实现比单一p2g或p2p交易模型更好的调度。
[0248]
图4显示了生产者在不同等级内接受的最优价格分配，可以从曲线中验证 pk≤p
k+1
，1≤k≤k-1，这表明评级较高的生产商以更高的价格出售能源。这样的分配可以鼓励生产者更积极地加入系统并产生更多可用能量来提高他们目前的评级。图5显示了so从不同等级的生产者那里收取的最优订阅费。所有1类生产者的订阅为0，所有2类生产者的订阅费满足δm≤
…
≤δk≤
…
δk。特别地，出现δk＜0的情况，一般来说so倾向于设置δk＞0来获得更多的收益，但是另一方面考虑到个体生产者的收益，以及激励低等级的生产者，so可能设置δk＜0，即so反向低等级的生产者支付一定的鼓励金，保障他们的利润。具体来说，so会反过来向低评级的生产者以保证积极的效用。
[0249]
比较图4中的价格曲线和图5中的订阅费曲线，观察到，如果不同等级的2 类生产者接受等价策略，他们也会接受等价订阅费。这些模拟结果证实了本发明中提出的等级协议的约束条件，并确保如果任何2类生产者采用非本等级的定价策略，其效用不会增加。图6显示了生产者通过采用最优策略获得的最终效用。本实施例中，保证了等级较高的生产者获得更高的效用奖励。
[0250]
从图7中的效用比较可以看出，运用本发明提供的算法时，so效用并没随着k显著增加，而呈现缓速增加状态。但是，从该图中仍然可以推断出，本发明保证了不同k下so的相对稳定的效用。如果我们制定一个较小k的运用场景，整个系统的计算复杂度和完成交易的时间都会提高。
[0251]
在本发明提供的算法下，一旦so确定了等级划分数，即使加入系统的产消者数量逐渐增加，也不会影响完成最优等级协议的时间复杂度。结果如图8所示，在固定k下，随着n的增加，运行时间几乎没有变化，包含误差；而k越大时，运行时间更长。通过本实施例可以推测，当n相当大时，有一个上限k
°
，对于任何k＜k
°
，本发明提供的算法花费的时间更少。
[0252]
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、cd或dvd-rom的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
[0253]
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。

技术特征：
1.一种结合区块链技术的混合能源交易调度方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：s1、构建分层的基于区块链的混合能源交易系统，并明确各层、各个角色的功能；s2、根据生产者参与系统的偏好程度，给出等级划分的方法；leag作为矿工构成区块链网络并参与后续交易过程；s3、提出可行的等级协议的设计原则，具体以订阅方法和定价方法实现混合交易；s4、量化不同等级下生产者的收益，并保证生产者在仅按照等级协议来采取策略的情况下才能使效用最大化；s5、将最大化系统管理员的效用作为最优等级协议的目标，找到对应的订阅方法和定价方法进行混合能源交易。2.如权利要求1所述的一种结合区块链技术的混合能源交易调度方法，其特征在于：s1中构建分层的基于区块链的混合能源交易系统包括物理层和网络层；物理层存在的角色包括：可再生能源产消者表示为rep，是系统的能源交易用户，支持双向电力传输的个体；本地能源聚合者表示为leag，是边缘节点，配备存储和计算服务器，为整个系统网络提供一系列服务；系统管理员表示为so，负责系统中所有用户的授权和认证；网络层由leag作为矿工构成区块链网络的方案，leag收集交易信息并将其打包成区块，从而使后续的挖掘任务和区块验证能够正常进行。3.如权利要求2所述一种结合区块链技术的混合能源交易调度方法，其特征在于：s2中leag作为矿工构成区块链网络并参与后续交易过程的步骤：第一步，当rep要充电或放电时，会生成一个交易请求，其标识位能表示购买或出售行为；第二步，leag首先根据其收集的请求匹配响应者，然后制定充放电计划；第三步，响应者通过leag向请求者rep发送回复消息；第四步，双方通过实体电缆连接到电网；第五步，响应者同意交易，则内置智能电表计算并记录其实际充放电能量，并通过网络广播给所有leag；第六步，leag收集所有最近的交易记录，通过pow共识完成挖矿，验证交易的有效性，并打包成区块；第七步，智能合约根据存储服务器中的实际能源交易量对交易进行清算。4.如权利要求1所述的一种结合区块链技术的混合能源交易调度方法，其特征在于：s2包括如下步骤：s21，定义生产者偏好，并按照偏好升序排列，分为k个等级，记作集合θ＝{θ1，θ2，...，θ
k
}；s22，计算每个产消者的可售电量；s23，根据可售电量的正负划分生产者和消费者，并根据所有生产者的可售电量将他们聚合到k个等级。5.如权利要求4所述的一种结合区块链技术的混合能源交易调度方法，其特征在于：
s22中计算每个产消者的可售电量方法如下：令表示系统中n个独立reps的集合，那么对于第n个rep，其充电阶段soc计算表示为：其中,表示当前可用能量的数量，e
n，max
是电池容量；可售电量l
n
满足如下限制：其中函数m
n
(t)表示第n个rep在时间t时消耗的电池百分比，m
n
(0)＝0表示该rep当天的起始消耗量为0；δt表示每一个区块周期的时长；可得出放电能力6.如权利要求1所述的一种结合区块链技术的混合能源交易调度方法，其特征在于：s3提出等级协议，具体以订阅方法和定价方法实现混合交易,包括以下步骤：评级协议p表示为四元组它由四个部分组成：一组等级标签一组偏好θ、订阅方法ψ和定价方法σ；s31，表示等级标签的集合，其中k表示该集合的大小；s32，θ＝{θ1，θ2，...，θ
k
}表示偏好集，即生产者的能源剩余，并有映射过程s33，ψ:定义了so对生产者进行分类的订阅规则；为订阅策略空间；s34，σ:定义了如何根据生产者的评级和订阅状态推导出定价策略集其中p
k
，δ
k
分别表示生产者的销售价格和订阅费。7.如权利要求6所述的一种结合区块链技术的混合能源交易调度方法，其特征在于：s33中，so对生产者进行分类的订阅规则如下式：其中a代表1类用户，将富裕电量出售给公共电网，无需支付订阅费；b代表2类用户，将富裕电量出售给其他消费者，但需要向so支付订阅费；m为订阅制度的关键等级。8.如权利要求7所述的一种结合区块链技术的混合能源交易调度方法，其特征在于：s4量化不同等级下生产者的收益，并保证生产者在仅按照等级协议来采取策略的情况
下才能使效用最大化，具体子步骤包括如下：s41，量化处于某k等级的1类用户的效用；s42，量化处于某k等级的2类用户的效用；s43，制定生产者必定按照等级协议来采取策略的约束条件；量化不同等级下生产者的收益，并保证生产者在仅按照等级协议来采取策略的情况下才能使效用最大化，所述s41，量化处于某k等级的1类用户的效用：u
k
(p0，0)＝θ
k
p
0-g
c
(θ
k
)；其中g
c
(θ
k
)表示产生θ
k
电能的成本函数,此时生产者的可售电量θ
k
将以单价p0直接注入电网；量化不同等级下生产者的收益，并保证生产者在仅按照等级协议来采取策略的情况下才能使效用最大化，所述s42，量化处于某k等级的2类用户的效用：其中表示期望出售电量，表示期望交易收益，且有其中p1≤...≤p
k
≤...p
k
≤p
max
，其中p
max
表示电网电价；量化不同等级下生产者的收益，并保证生产者在仅按照等级协议来采取策略的情况下才能使效用最大化，所述s43制定生产者必定按照等级协议来采取策略的约束条件：存在一个关键等级m，将集合分为分为其中表示1类生产者集合，表示2类生产者集合；用n
k
表示处于k等级的生产者的数量；合理的等级协议满足以下条件：条件：条件：条件：条件：9.如权利要求1所述的一种结合区块链技术的混合能源交易调度方法，其特征在于：s5将最大化系统管理员的效用作为最优等级协议的目标，找到对应的订阅方法和定价方法，实现整个混合能源交易系统的社会福利最大化，采用以下公式进行求解：so的收益由三部分组成：从全体1类生产者处获得的电能产生的效用；支付给全体1类生产者的报酬；从全体2类生产者处获得的订阅费；
so的收益为：提出目标优化问题如下：s.t.var:10.一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，其特征在于：提供用户输入接口以实施如权利要求1至9任意一项所述的结合区块链技术的混合能源交易调度方法。11.一种执行权利要求1至9任意一项所述的结合区块链技术的混合能源交易调度方法的移动设备。

技术总结
本发明公开一种结合区块链技术的混合能源交易调度方法及应用；包括以下步骤：S1、构建分层的基于区块链的混合能源交易系统，并明确各层、各个角色的功能；S2、根据生产者参与系统的偏好程度，给出等级划分的方法；S3、提出可行的等级协议的设计原则，具体以订阅方法和定价方法实现混合交易；S4、量化不同等级下生产者的收益，并保证生产者在仅按照等级协议来采取策略的情况下才能使效用最大化；S5、将最大化系统管理员的效用作为最优等级协议的目标，找到对应的订阅方法和定价方法进行混合能源交易；本发明在智能电网中部署了一个联盟链，高效地处理交易数据，显著改善了计算复杂度和完成交易的时间。成交易的时间。成交易的时间。


技术研发人员：郑忠龙 鲍峥 唐长兵 林飞龙 贾日恒
受保护的技术使用者：浙江师范大学
技术研发日：2021.09.18
技术公布日：2022/3/8