Энергия в Обмене: Автоматизированные Рынки для Децентрализованного Энергоснабжения

Автор: Денис Аветисян

Новый подход к организации децентрализованных энергетических рынков позволяет координировать действия производителей и потребителей энергии без централизованного управления.

"Покупай на слухах, продавай на новостях". А потом сиди с акциями никому не известной биотех-компании. Здесь мы про скучный, но рабочий фундаментал.

Бесплатный Телеграм канал

Взаимодействие между энергосистемой и просумерами демонстрирует преобладание продажи избыточной энергии в сеть (отображено зелеными столбцами) над потреблением из сети (красные столбцы), что приводит к положительному сальдо (синяя линия) и указывает на потенциал самообеспечения сообщества энергией.

В статье предложен дизайн децентрализованного энергетического рынка на основе автоматических маркет-мейкеров (AMM), доказывающий его эквивалентность централизованному планировщику с точки зрения общественной полезности.

Несмотря на растущий интерес к децентрализованным энергетическим рынкам, эффективная координация поведения производителей и потребителей энергии остается сложной задачей. В работе ‘Automated Market Making for Energy Sharing’ предложена новая архитектура для локальных энергетических рынков, основанная на автоматизированных маркет-мейкерах (AMM). Показано, что разработанные AMM способны достигать эффективности, эквивалентной централизованному планировщику, обеспечивая при этом баланс бюджета и стимулируя торговлю. Может ли подобный подход стать основой для создания устойчивых и самоорганизующихся энергетических сообществ будущего?

Вызов Распределенной Энергетики

Традиционные энергетические рынки испытывают значительные трудности с появлением распределенных продьюмеров — потребителей, которые одновременно являются и производителями энергии. Данное явление, обусловленное развитием солнечной энергетики, ветроустановок и других локальных источников, нарушает устоявшиеся схемы прогнозирования и управления энергосистемой. Вместо предсказуемого потока энергии от крупных электростанций к потребителям, возникает сложная сеть двунаправленных потоков, что создает проблемы с поддержанием стабильности сети и эффективным распределением ресурсов. Устаревшие модели, ориентированные на централизованное производство, не способны адекватно учитывать изменчивость и непредсказуемость генерации со стороны множества мелких производителей, что приводит к перегрузкам, колебаниям напряжения и снижению общей эффективности системы.

Появление большого количества распределенных источников энергии, таких как солнечные панели и ветряные турбины, создает значительные трудности для поддержания стабильности энергосистемы. Традиционные методы балансировки спроса и предложения, рассчитанные на крупные электростанции, оказываются неэффективными при работе с множеством мелких и непредсказуемых источников. Из-за этого возникают колебания частоты и напряжения в сети, что может привести к сбоям в работе оборудования и даже к авариям. Особенно остро эта проблема проявляется в периоды пиковых нагрузок или при внезапном изменении погодных условий, влияющих на выработку энергии из возобновляемых источников. Поэтому, для обеспечения надежного и эффективного энергоснабжения, необходимы новые подходы к управлению энергосистемой, учитывающие ее распределенный и динамичный характер.

Эффективный локальный энергетический обмен играет ключевую роль в обеспечении стабильности энергосистемы и максимизации интеграции возобновляемых источников энергии. Поскольку все больше домохозяйств и предприятий становятся одновременно потребителями и производителями энергии, традиционные модели управления, ориентированные на централизованное производство, становятся все менее эффективными. Локальный обмен позволяет сглаживать колебания спроса и предложения, оптимизируя использование избыточной энергии, произведенной, например, солнечными панелями или ветрогенераторами. Это не только повышает надежность энергоснабжения, но и способствует снижению потерь при передаче энергии, а также стимулирует развитие локальной «зеленой» энергетики, создавая более устойчивую и децентрализованную энергосистему. Развитие платформ и механизмов для локального обмена энергией, таким образом, является необходимым условием для перехода к более экологичной и надежной энергетической инфраструктуре.

Традиционные подходы к управлению энергосистемами, основанные на централизованном контроле и однонаправленном потоке энергии, оказываются неэффективными в условиях растущего числа распределенных источников генерации. Эти системы, разработанные для крупных электростанций и предсказуемых нагрузок, испытывают трудности при интеграции возобновляемых источников, таких как солнечная и ветровая энергия, характеризующихся переменчивостью и непредсказуемостью. Сложность заключается в том, что централизованное планирование и диспетчеризация не способны оперативно реагировать на локальные изменения в производстве и потреблении энергии, что приводит к перегрузкам сети, снижению качества электроэнергии и увеличению потерь. Более того, существующие модели не учитывают возможности локальных энергетических рынков и участия просумеров в балансировке системы, что ограничивает потенциал для повышения эффективности и устойчивости энергосистемы в целом.

Анализ профилей энергопотребления и генерации для парижских домохозяйств в летнюю и зимнюю недели показывает, что спрос (красная линия) может быть частично удовлетворен солнечной (синяя линия) и ветряной (черная линия) энергией.

Автоматизированные Маркет-Мейкеры для Локальной Торговли Энергией

Автоматизированные маркет-мейкеры (AMM) представляют собой перспективное решение для локальной торговли энергией, обеспечивая непрерывное и динамичное ценообразование, основанное на текущем соотношении спроса и предложения. В отличие от традиционных биржевых механизмов, AMM позволяют определять цену энергии в режиме реального времени, реагируя на изменения в объеме доступной энергии и потребностях пользователей. Этот подход позволяет избежать задержек, связанных с формированием ордербуков и участием посредников, что особенно важно для быстрой реакции на колебания в производстве возобновляемых источников энергии, таких как солнечная или ветровая. Динамическое ценообразование способствует более эффективному распределению ресурсов и снижает необходимость прогнозирования спроса и предложения, оптимизируя использование локальной энергетической инфраструктуры.

Использование автоматизированных маркет-мейкеров (AMM) в локальной торговле энергией позволяет отказаться от централизованных бирж и посредников, что существенно снижает транзакционные издержки и задержки. Традиционные биржи требуют поддержания инфраструктуры для сопоставления ордеров на покупку и продажу, а также оплаты услуг посредников. AMM, напротив, используют математические функции для автоматического определения цен и обеспечения ликвидности, устраняя необходимость в централизованном сопоставлении ордеров и, следовательно, снижая операционные расходы и время исполнения сделок. Отсутствие посредников также уменьшает риски, связанные с контрагентами и задержками в расчетах, что особенно важно для быстрой и эффективной торговли энергией.

Автоматизированные маркет-мейкеры (AMM) используют математические функции, такие как кривые привязки (bonding curves), для определения цен и ликвидности в процессе торговли. Эти функции, изначально разработанные для децентрализованных финансов (DeFi), адаптируются для применения в сфере физической торговли энергией. Кривая привязки устанавливает взаимосвязь между ценой актива и его количеством, автоматически корректируя цену в зависимости от спроса и предложения. Формула, определяющая цену, часто имеет вид $p = f(x)$ , где p — цена, а x — количество актива.

Константный Функциональный Маркет-мейкер (Constant Function Market Maker, CFMM) представляет собой конкретную реализацию автоматизированного маркет-мейкера (AMM), адаптированную для торговли электроэнергией. В основе CFMM лежит математическое уравнение $x \cdot y = k$ , где ‘x’ и ‘y’ представляют количество доступной электроэнергии и ее цену соответственно, а ‘k’ — константа, определяющая ликвидность. Это уравнение обеспечивает поддержание постоянства произведения количества и цены, что позволяет автоматически устанавливать цены в зависимости от спроса и предложения.

Ограничение цен в автоматическом маркет-мейкере (AMM) верхними и нижними границами позволяет контролировать его поведение и предотвращать нежелательные колебания стоимости.

Обеспечение Стабильности и Честности Рынка

Для обеспечения надежной работы автоматизированного рынка энергии (AMM) необходим набор аксиоматических принципов. Эти принципы служат фундаментом для предсказуемого и эффективного функционирования системы. Ключевыми из них являются ‘Индивидуальная Рациональность’ (участие приносит пользу продьюмерам и потребителям), ‘Бюджетный Баланс’ (доходы рынка равны расходам), и ‘Устойчивость к коалициям’ (отсутствие стимулов для группового сговора с целью улучшения результатов). Соблюдение данных принципов позволяет минимизировать риски, повысить доверие участников и создать стабильную основу для развития децентрализованного рынка энергии.

Для обеспечения надежной работы автоматизированного рынка энергии (AMM) необходимы несколько основополагающих принципов. Принцип ‘Индивидуальной рациональности’ гарантирует, что участие в рынке приносит выгоду каждому производителю и потребителю (prosumer). ‘Бюджетный баланс’ подразумевает, что общая выручка рынка равна совокупным издержкам, предотвращая дефицит или профицит средств. Наконец, ‘Устойчивость к коалициям’ означает, что ни одна группа участников не может улучшить свои результаты, отклонившись от установленных правил и действуя совместно, что обеспечивает стабильность и предсказуемость функционирования рынка.

Использование гомотетических и квазивогнутых функций в моделировании рынка энергии обеспечивает пропорциональное изменение цены в зависимости от спроса и стабильность ценовых кривых. Гомотетичность предполагает, что увеличение спроса во всех точках приводит к пропорциональному увеличению цены, сохраняя форму кривой. Квазивогнутость гарантирует, что ценовая кривая не имеет локальных максимумов или минимумов, обеспечивая плавное и предсказуемое изменение цены при изменении спроса. Математически, это выражается в свойствах функций, определяющих взаимосвязь между объемом спроса и ценой, где $\frac{\partial P}{\partial Q} < 0$ (отрицательная производная цены по объему) для квазивогнутой функции и сохранение пропорциональности при масштабировании спроса для гомотетической функции.

Принцип анонимности в контексте функционирования рынка энергии, основанного на автоматизированных маркет-мейкерах (AMM), подразумевает, что вознаграждение участников определяется исключительно их вкладом в систему, без идентификации или учета дополнительных факторов. Это означает, что платежи осуществляются на основе объективных показателей участия, таких как объем предоставленной или потребленной энергии, а не на основе личных связей или иных субъективных критериев. Анонимность, в сочетании с принципами индивидуальной рациональности, бюджетного баланса и устойчивости к коалициям, способствует укреплению доверия к системе, минимизирует риски коррупции и стимулирует широкое участие просумеров и поставщиков энергии.

Симуляция показывает, что цены покупки и продажи автоматического маркет-мейкера (AMM) формируют диапазоны, отражающие межквартильный размах от 10% до 90% вокруг медианных значений (сплошные красные и зеленые линии), в то время как пунктирные и штриховые линии обозначают эталонные цены покупки и продажи для сетки.

Оптимизация Действий Продьюмеров-Потребителей и Рыночное Равновесие

В основе рассматриваемой системы лежит оптимизация действий каждого продьюсера-потребителя, который самостоятельно определяет оптимальную стратегию производства, потребления и торговли энергией. Каждый участник, стремясь к максимизации собственной выгоды, оценивает доступные ресурсы, прогнозирует цены и формирует план действий, учитывающий как собственное потребление, так и возможность продажи излишков энергии другим участникам системы. Данный подход позволяет не только эффективно использовать локальные источники энергии, но и способствует формированию гибкой и адаптивной энергетической сети, где каждый участник вносит вклад в общее благосостояние. Оптимизация стратегий каждого продьюсера-потребителя является ключевым элементом, обеспечивающим стабильность и эффективность всей системы, позволяя достичь сбалансированного состояния спроса и предложения.

Для решения сложных задач оптимизации, возникающих в системе взаимодействия производителей и потребителей энергии, применяются передовые математические методы. Динамическое программирование позволяет последовательно находить оптимальные решения, учитывая будущие последствия каждого действия. Линейное программирование, в свою очередь, эффективно справляется с задачами, где целевая функция и ограничения линейны, обеспечивая быстрый расчет оптимальных стратегий производства и потребления. Метод скользящего горизонта оптимизации, или Rolling Horizon Optimization, позволяет учитывать изменяющиеся условия и неопределенность, пересчитывая оптимальное решение на каждом шаге времени. Комбинация этих подходов обеспечивает надежную и эффективную оптимизацию для каждого участника системы, позволяя максимизировать прибыль и снизить издержки.

Для анализа поведения большого количества взаимодействующих производителей-потребителей, используется методология теории игр, известная как “Среднее Поле Игр”. Этот подход позволяет рассматривать каждого участника как влияющего на общую ситуацию, но одновременно и принимающего её как данность. Вместо решения сложной задачи оптимизации для каждого просуммера в отдельности, модель учитывает среднее поведение популяции, что значительно упрощает расчеты и позволяет предсказывать тенденции рынка. Такой анализ позволяет выявить равновесные стратегии, при которых каждый просуммер максимизирует свою прибыль, учитывая действия других участников, и спрогнозировать стабильное состояние системы, где предложение и спрос находятся в балансе.

Взаимодействие оптимизированных стратегий производителей-потребителей приводит к установлению стабильного рыночного равновесия, характеризующегося балансом спроса и предложения и обеспечивающего устойчивость и эффективность энергетической системы. Проведенные исследования демонстрируют существенный экономический эффект: индивидуальные производители-потребители фиксируют прирост денежных средств в 60%, а общая прибыль сообщества увеличивается на 42% по сравнению с традиционными схемами фиксированных цен. Такой подход к управлению энергосистемой позволяет не только повысить экономическую выгоду для всех участников, но и создать более гибкую и адаптируемую инфраструктуру, способную эффективно реагировать на изменения в потреблении и производстве энергии.

Анализ обобщенных профилей чистой торговли показывает, что потребители, солнечные и ветряные продьюсеры демонстрируют различные паттерны торговли, при этом медианные значения и разброс данных (от 25% до 95% процентилей) позволяют оценить вариативность их торговой активности.

Исследование демонстрирует, что децентрализованные рынки энергии, основанные на принципах автоматизированных маркет-мейкеров, способны достичь эквивалентности благосостояния централизованному планировщику. Этот подход, по сути, представляет собой поиск равновесия в сложной системе взаимодействия производителей и потребителей энергии. В связи с этим, уместно вспомнить слова Гегеля: «Всё реальное — рационально, и всё рациональное — реально». Данное утверждение отражает логику, лежащую в основе предложенной модели: рациональное поведение каждого участника, объединённое механизмом AMM, приводит к рациональному и эффективному распределению ресурсов, подтверждая возможность создания устойчивой и саморегулирующейся энергетической системы. Система, где простота алгоритмов позволяет масштабироваться, а не усложнённость, является ключом к устойчивости.

Куда двигаться дальше?

Предложенная конструкция децентрализованного энергетического рынка, опирающаяся на принципы автоматизированного формирования рыночных цен, безусловно, демонстрирует элегантность в достижении эквивалентности благосостояния централизованному планировщику. Однако, стоит задуматься: оптимизируем ли мы действительно благосостояние, или лишь успешно имитируем его достижение? За кажущейся простотой скрывается сложность учета реальных издержек, связанных с инфраструктурой, потерями при передаче и, что важнее, поведенческими особенностями «просьюмеров».

Очевидным направлением для дальнейших исследований представляется расширение модели с учетом динамики изменения предпочтений и неидеальности информации. Анализ устойчивости системы к стратегическому поведению участников, а также разработка механизмов защиты от манипуляций, представляются критически важными. Необходимо отойти от предположения об идеальной рациональности и включить в модель когнитивные искажения и эвристики, определяющие принятие решений в реальном мире.

В конечном итоге, задача состоит не в создании еще более сложной модели, а в поиске минимально достаточной структуры, способной обеспечить надежное и эффективное функционирование децентрализованного энергетического рынка. Истинная простота заключается не в уменьшении количества параметров, а в четком различении существенного от случайного, необходимого от избыточного. И лишь тогда можно будет говорить о действительно элегантном решении.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2512.24432.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2026-01-01 23:18