劉芯汝,高 輝,張衛(wèi)國,楊鳳坤

1(南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院、人工智能學(xué)院,南京 210023)

2(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司,南京 211106)

2020年4月21日,國家發(fā)改委首次明確“新基建”范圍,區(qū)塊鏈被正式納入其中.區(qū)塊鏈?zhǔn)菚r(shí)下的熱點(diǎn)和焦點(diǎn),作為新一代互聯(lián)網(wǎng)的底層系統(tǒng),區(qū)塊鏈可以融合其他新一代信息技術(shù),加速第三產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和創(chuàng)新.隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展以及分布式能源滲透率的提高,基于區(qū)塊鏈技術(shù)的對(duì)等(Peer to Peer,P2P)能源交易也受到了極大關(guān)注[1].同時(shí),配電網(wǎng)也從原先只能向負(fù)荷提供電能的單相潮流轉(zhuǎn)變?yōu)榧饶芴峁╇娔苡帜芙邮茈娔艿碾p向潮流[2].

文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)地回顧了區(qū)塊鏈在電力和能源領(lǐng)域相關(guān)的應(yīng)用、挑戰(zhàn)和機(jī)遇.文獻(xiàn)[4]在基于能源互聯(lián)網(wǎng)的條件下,建立了具有儲(chǔ)能設(shè)施的分布式光伏電站微電網(wǎng)區(qū)塊鏈交易模型,分析了區(qū)塊鏈在電能交易市場中的應(yīng)用.文獻(xiàn)[5]提出了區(qū)塊鏈應(yīng)用于能源互聯(lián)網(wǎng)的具體架構(gòu),通過仿真和建模定性和定量地分析了區(qū)塊鏈交易的影響因素,并且建立了數(shù)學(xué)模型,實(shí)現(xiàn)進(jìn)行定量,為電力交易區(qū)塊鏈的具體設(shè)計(jì)提供了參考.文獻(xiàn)[6]通過對(duì)典型低壓配電網(wǎng)進(jìn)行詳細(xì)建模和仿真,提出了一種能源交易機(jī)制,使得電力系統(tǒng)更加去中心化運(yùn)營.國內(nèi)外的幾個(gè)項(xiàng)目也證明了在低壓配電網(wǎng)或微電網(wǎng)上使用區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)對(duì)等能源交易的概念[7–9].

上述文獻(xiàn)主要是對(duì)區(qū)塊鏈在能源交易市場上的應(yīng)用以及在去中心化電力交易方面有重要的研究.然而,到目前為止,這一領(lǐng)域的大部分工作都集中在微電網(wǎng)的能源交易機(jī)制,或在多個(gè)電網(wǎng)之間的能源共享.關(guān)于分析基于區(qū)塊鏈的地方電能交易對(duì)配電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施可能產(chǎn)生的影響方面,則存在一個(gè)研究缺口.由于政策環(huán)境、投資、落地標(biāo)準(zhǔn)等因素影響,中國目前落地的電力交易區(qū)塊鏈應(yīng)用極少,并且也面臨著區(qū)塊鏈吞吐量增大問題以及安全性防護(hù)問題等問題和挑戰(zhàn).本文通過提出一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的P2P 電能交易平臺(tái)與配電網(wǎng)的協(xié)同仿真框架來研究其對(duì)配電系統(tǒng)的控制、運(yùn)行和規(guī)劃可能產(chǎn)生的影響.從而為區(qū)塊鏈技術(shù)在電力交易中的落地應(yīng)用提供技術(shù)參考和理論依據(jù).本文采用基于區(qū)塊鏈的分布式雙邊拍賣交易平臺(tái)促進(jìn)用戶之間的P2P 電能交易,并通過OpenDSS (Open Distributed System Simulator)對(duì)某一社區(qū)用戶微電網(wǎng)進(jìn)行了兩個(gè)場景的建模和仿真.通過算例仿真結(jié)果研究分析了P2P 電能交易平臺(tái)對(duì)當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)的影響.

1 協(xié)同仿真方法概述

目前為了使P2P 能源交易模式得到更大規(guī)模的應(yīng)用,需要對(duì)其進(jìn)行建模來研究其對(duì)配電網(wǎng)的性能和可靠性的潛在影響.本文選擇OpenDSS 仿真工具[10].OpenDSS是一個(gè)用于對(duì)三相低壓網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行詳細(xì)建模的開放源代碼工具,并且還能夠通過內(nèi)置的組件對(duì)象模型與Python 或Matlab 軟件包進(jìn)行交互.通過使用Python 或Matlab來管理數(shù)據(jù)輸入/輸出以及使配電網(wǎng)進(jìn)行仿真運(yùn)行.圖1是本文所提出的配電網(wǎng)與P2P 電能交易平臺(tái)協(xié)同仿真方法示意圖.

圖1 配電網(wǎng)與P2P 電能交易平臺(tái)協(xié)同仿真方法示意圖

輸入包括用戶數(shù)據(jù)和配電網(wǎng)數(shù)據(jù).其中用戶數(shù)據(jù)包括用戶的日常需求負(fù)荷以及PV和EV 需求.配電網(wǎng)主要是網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)和支路數(shù)據(jù).配電網(wǎng)數(shù)據(jù)為OpenDSS提供配電網(wǎng)物理結(jié)構(gòu)的必要信息,包括網(wǎng)絡(luò)布局以及變壓器、穩(wěn)壓器等網(wǎng)絡(luò)控制元件的特性參數(shù).在OpenDSS 仿真過程中,使用逗號(hào)分隔值(.csv)文件在每個(gè)元素之間交換數(shù)據(jù).最后,通過Python 或Matlab來管理數(shù)據(jù)輸入/輸出,并提供仿真輸出的后處理和可視化操作.

在本文中,Matlab 用于提供Python與OpenDSS之間的接口,該接口能夠快速解決復(fù)雜的三相不平衡網(wǎng)絡(luò)問題.圖1所示的協(xié)同仿真方法的優(yōu)越性在于OpenDSS中的網(wǎng)絡(luò)模型可以替換為另一個(gè)配電網(wǎng),而無需重新編寫用于電能交易的Python 代碼.同時(shí),也可以在Python中實(shí)現(xiàn)替代的本地能源交易機(jī)制,而不需要在OpenDSS中進(jìn)行更改.并且,考慮到相關(guān)的約束條件,本文所提出的協(xié)同仿真方法可以對(duì)低壓配電網(wǎng)絡(luò)中的P2P 能源交易進(jìn)行全面的數(shù)值仿真,包括電壓、網(wǎng)絡(luò)支路負(fù)載限制、電能質(zhì)量要求和故障等級(jí)等.

2 P2P 電能交易平臺(tái)

2.1 P2P 電能交易平臺(tái)現(xiàn)狀

P2P 電能交易是一種高效協(xié)調(diào)電力系統(tǒng)中分布式能源的手段.隨著分布式能源滲透率的不斷提高,電能市場的交易模式也迎來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn).通常,分時(shí)電價(jià)被用作有效地激勵(lì)需求響應(yīng)的一種手段.但其也面臨著問題,比如如果所有用戶都利用相同的低電價(jià)時(shí)段,則有可能減小負(fù)荷不均性系數(shù)并創(chuàng)造新的需求高峰.所以,就長遠(yuǎn)來看,P2P 電能交易模式更能有效提高配電網(wǎng)的利用率.首先,P2P 電能交易平臺(tái)為分布式能源節(jié)點(diǎn)提供了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,而不是傳統(tǒng)的分層網(wǎng)格結(jié)構(gòu),這有利于配電網(wǎng)與其他軟件或系統(tǒng)環(huán)境進(jìn)行交互.但是,此類項(xiàng)目通常會(huì)受到地區(qū)以及相關(guān)市場法規(guī)的限制.

相關(guān)研究中,目標(biāo)基本都是探索如何進(jìn)行大規(guī)模P2P 能源交易的解決方案.P2P 電能交易的預(yù)期收益主要包括更好地利用電網(wǎng)資源,以及由于更短的傳輸距離而減少的能源損失.在配電網(wǎng)級(jí)別上,P2P 電能交易平臺(tái)可以在有足夠的分布式能源的情況下實(shí)現(xiàn)本地能源平衡.

2.2 分布式雙邊拍賣機(jī)制

本文提出了基于P2P 電能交易平臺(tái)的分布式雙邊拍賣機(jī)制.在分布式雙邊拍賣機(jī)制中,買賣雙方向拍賣商提交他們的保留價(jià)格和購買或出售的能源量.買方的保留價(jià)格是它將為能源支付的最高價(jià)格,而賣方的保留價(jià)格是賣方將其能源出售的最低價(jià)格.拍賣商決定能源交易的價(jià)格和交易的買賣雙方的子集.

相較于集中式拍賣的中心化、不安全性以及交易距離限制等缺點(diǎn),本文提出的基于區(qū)塊鏈的分布式雙邊拍賣機(jī)制則能有效緩解這些問題.首先,加密和分布式共識(shí)協(xié)議保證了區(qū)塊鏈中存儲(chǔ)的交易記錄的安全性.同時(shí)在分布式雙邊拍賣機(jī)制中,任何參與者都可以作為拍賣商,區(qū)塊鏈機(jī)制確保每一個(gè)參與者作為拍賣商都是合法的.

在P2P 電能交易平臺(tái)中,每個(gè)用戶不僅僅是消費(fèi)者,同時(shí)也是生產(chǎn)者.本地能源包括可控制的電能需求,比如電動(dòng)汽車充電器、電動(dòng)熱泵、智能電器、現(xiàn)場發(fā)電設(shè)備以及電池存儲(chǔ)設(shè)備等.圖2給出了基于P2P 電能交易平臺(tái)的分布式雙邊拍賣機(jī)制示意圖.

如圖2所示,任一用戶都可以通過交易將其電能供需情況通知到其他用戶.同時(shí),如果一名用戶從其他用戶處收到多個(gè)供求交易請(qǐng)求,那么此用戶就可以作為拍賣商.如果一名用戶不能解決此雙邊拍賣交易,那么它會(huì)將未完成的交易信息傳遞給另一個(gè)用戶.相反,如果成功進(jìn)行了雙邊拍賣交易,則向交易的另一方發(fā)送交易成功的信號(hào).

圖2 基于P2P 電能交易平臺(tái)的分布式雙邊拍賣機(jī)制示意圖

在交易過程中,能源過剩或不足的信息會(huì)被編碼為區(qū)塊鏈交易,用戶向外部發(fā)送能源過?；虿蛔愕慕灰渍?qǐng)求.例如,N1 將交易T1 發(fā)送到N2表示它有多余的能源,而N3 將交易T3 發(fā)送到N2表示它的能源不足.用戶將根據(jù)實(shí)際需求來創(chuàng)建合適的交易.例如,N2 發(fā)現(xiàn)N3和N5 需要購買能源,而N1在出售多余的能源.所以,N2 就會(huì)創(chuàng)建交易T′1,T′′1和T′3.如果用戶無法完成雙邊拍賣,那么它將把未完成的交易轉(zhuǎn)給其他用戶.例如,N4 通過交易T5 接收到N5的能源不足信息,但無法進(jìn)行雙邊拍賣.因此,N4 將此信息傳遞給N3,即創(chuàng)建交易T′5,由N3 來完成雙邊拍賣交易.

雙邊拍賣的結(jié)果僅表明用戶理論上的能源需求情況.但是,實(shí)際的能源需求情況可能不同,這種情況將被記錄為需求字段為0的交易.因此,本文通過創(chuàng)建智能合約來解決這一問題.

2.3 智能合約

基于每次雙邊拍賣的結(jié)果,用戶之間可以形成一個(gè)智能合約.例如,在時(shí)間[t1,t2]內(nèi),用戶mi想要以價(jià)格y出售x個(gè)單位的能源,而用戶mj想要以價(jià)格y購買x個(gè)單位的能源.這時(shí),mj將會(huì)建立一個(gè)mi和mj之間的加密貨幣值為x?y智能合約.

該智能合約將由mi和mj的交易請(qǐng)求激活,交易信息將決定實(shí)際的支付情況.比如mi只出售了x1個(gè)單位的能源,而x1

最后,每個(gè)用戶根據(jù)實(shí)際情況以及歷史能源供應(yīng)需求信息計(jì)算自己的能源需求.要注意的是,如果用戶發(fā)出的能源需求信息和實(shí)際能源消耗之間故意不匹配的話,則會(huì)影響交易過程.區(qū)塊鏈將會(huì)保存信息記錄,任何此類惡意行為都可以被識(shí)別.圖3為智能合約執(zhí)行流程圖.

(1)假定以5 分鐘作為一個(gè)固定時(shí)間間隔執(zhí)行如圖3所示步驟.

(2)在此智能合約模型中,本文假設(shè)政府或監(jiān)管機(jī)構(gòu)將提供足夠的資金來創(chuàng)建這些智能合約.

(3)在買賣雙方賬號(hào)都被判定為有效賬號(hào)的情況下買賣雙方將通過Hash 算法(SHA256)向智能合約發(fā)送其投標(biāo)的Hash 值.

(4)在一段固定的時(shí)間間隔之后,比如在5 分鐘間隔中的1 分鐘之后,智能合約將執(zhí)行文獻(xiàn)[11]算法來確定拍賣的獲勝者.

(5)用戶的智能電表的數(shù)據(jù)將被輸入智能合約,以驗(yàn)證參與者之間的實(shí)際能源傳輸.

(6)最后,在交易達(dá)成共識(shí)的基礎(chǔ)上,將進(jìn)行能源傳輸以及資金轉(zhuǎn)移,交易數(shù)據(jù)會(huì)被存儲(chǔ)到區(qū)塊鏈上,交易成功.

圖3 智能合約執(zhí)行流程圖

要注意的是,以上智能合約是在區(qū)塊鏈交易結(jié)算與電網(wǎng)運(yùn)營之間進(jìn)行協(xié)同作用的假設(shè)中執(zhí)行的.本文提出的區(qū)塊鏈模擬器可以預(yù)測交易確認(rèn)時(shí)間.該方法的設(shè)計(jì)使得預(yù)期交易確認(rèn)時(shí)間和市場結(jié)算時(shí)間通常小于在分布式網(wǎng)絡(luò)仿真中使用的時(shí)間步長.這確保了區(qū)塊鏈能源交易的執(zhí)行時(shí)間與配電網(wǎng)模擬之間的協(xié)同作用.

本文所描述的分布式雙邊拍賣可以作為能源交易模型的一個(gè)例子,也可以使用任何其他交易模型.其特點(diǎn)之一就是具有收斂性,即拍賣是在有限條件下完成,比如用戶簽訂智能合同的次數(shù)是有限的,如圖4所示.

2.4 區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)仿真

區(qū)塊鏈技術(shù)在拓?fù)湫问揭约斑\(yùn)營方式等方面與新一輪電改下的電力交易市場建設(shè)相契合.本文將區(qū)塊鏈技術(shù)的特性與P2P 電力交易平臺(tái)相結(jié)合,運(yùn)用區(qū)塊鏈技術(shù),對(duì)電能交易過程中各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行身份脫敏處理,匿名交易和數(shù)據(jù)無緩存特征為電能交易和雙向互動(dòng)提供重要保障.區(qū)塊鏈仿真是基于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模擬器ns-3實(shí)現(xiàn)的.區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)將由仿真程序隨機(jī)生成.本文使用區(qū)塊鏈分叉數(shù)和區(qū)塊鏈吞吐量來表示區(qū)塊鏈的仿真特性.交易完成和阻塞所需的時(shí)間取決于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的通信延遲時(shí)間.同時(shí),區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)數(shù)也會(huì)影響區(qū)塊鏈的性能.因?yàn)閰^(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)越多,節(jié)點(diǎn)之間傳播數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間就越多.同時(shí),在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大,創(chuàng)建的交易數(shù)量也會(huì)越多.

圖4 分布式雙邊拍賣的收斂性

區(qū)塊鏈分叉是指區(qū)塊鏈分裂成多個(gè)區(qū)塊鏈的現(xiàn)象.比如在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中,可能會(huì)出現(xiàn)多個(gè)礦工同時(shí)創(chuàng)建一個(gè)新的區(qū)塊的情況.這時(shí),部分區(qū)塊鏈將接收一個(gè)新的區(qū)塊,并駁回另一個(gè)區(qū)塊.區(qū)塊鏈的分叉問題在于使用分叉的區(qū)塊鏈可能會(huì)產(chǎn)生雙重支出.因此,共識(shí)機(jī)制可以用來有效解決區(qū)塊鏈分叉問題.例如,在基于工作量證明機(jī)制中,分叉區(qū)塊鏈的最長分支被認(rèn)為是有效的區(qū)塊鏈,而分叉區(qū)塊鏈的較短分支將被駁回.交易確認(rèn)時(shí)間可以計(jì)算為從創(chuàng)建區(qū)塊鏈到將交易記錄到新的區(qū)塊所需的時(shí)間,它將直接影響區(qū)塊鏈的吞吐量.本文將通過仿真研究通信延遲時(shí)間與區(qū)塊鏈分叉數(shù)以及交易確認(rèn)時(shí)間的關(guān)系.本文模擬了一個(gè)擁有200個(gè)節(jié)點(diǎn)和40個(gè)礦工的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò).圖5是區(qū)塊鏈分叉數(shù)與通信延遲時(shí)間之間的關(guān)系示意圖.

從圖5中可以看出,隨著通信延遲時(shí)間的增加,區(qū)塊鏈的分叉數(shù)也隨之增加.該結(jié)果也支持了所使用的區(qū)塊鏈仿真程序的有效性.因?yàn)殡S著通信延遲時(shí)間的增加,多個(gè)礦工同時(shí)創(chuàng)建新區(qū)塊的概率也會(huì)增加.在創(chuàng)建新區(qū)塊之后,礦工將其發(fā)布到網(wǎng)絡(luò),而其他的礦工在接收到一個(gè)新區(qū)塊后重新開始其挖掘過程.由于通信延遲時(shí)間較長,信息到達(dá)所有礦工的時(shí)間將延長,并且礦工重啟采礦過程的可能性較小.圖6是交易確認(rèn)時(shí)間與通信延遲時(shí)間關(guān)系示意圖.

圖5 分叉數(shù)與通信延遲時(shí)間關(guān)系

圖6 交易確認(rèn)時(shí)間與通信延遲時(shí)間關(guān)系

從圖6中看出,隨著通信延遲時(shí)間的增加,交易確認(rèn)時(shí)間也隨之增加.在本文中,沒有提供關(guān)于區(qū)塊鏈實(shí)施方案的經(jīng)濟(jì)可行性的全面分析.經(jīng)濟(jì)可行性將取決于運(yùn)營區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的成本和執(zhí)行智能合約的成本.然而,區(qū)塊鏈模擬器可以根據(jù)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的計(jì)劃節(jié)點(diǎn)數(shù)和帶寬預(yù)測區(qū)塊鏈的性能.因此,區(qū)塊鏈模擬器可用于估算P2P 電能交易平臺(tái)的運(yùn)營成本以及確定基于區(qū)塊鏈的P2P 對(duì)等能源交易的經(jīng)濟(jì)可行性.使用區(qū)塊鏈模擬器來確定合適的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的流程圖如圖7所示.

圖7 確定區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)流程圖

如圖7所示,在構(gòu)建合適的區(qū)塊鏈的過程中,首先要根據(jù)區(qū)塊鏈的節(jié)點(diǎn)數(shù)和通信延遲時(shí)間確定區(qū)塊鏈屬性.這些參數(shù)被將被用作區(qū)塊鏈仿真器的輸入.然后使用仿真執(zhí)行的結(jié)果確定預(yù)期的區(qū)塊鏈分叉數(shù)和區(qū)塊鏈吞吐量.如果區(qū)塊鏈仿真性能令人不滿意的話,則進(jìn)行修正,比如增加或減少區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)數(shù)以及帶寬等,并重復(fù)上述步驟.

3 P2P 電能交易數(shù)學(xué)模型

3.1 用戶模型

本文定義N為微電網(wǎng)中用戶組成的節(jié)點(diǎn)集合,n個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷需求均不相同,用戶能量管理系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的負(fù)荷需求以及歷史交易數(shù)據(jù)預(yù)測用戶下一個(gè)交易的需求量以及PV和EV 功率,用戶i交易時(shí)的預(yù)測消耗功率可表示如下:

式中,n為微電網(wǎng)中用戶的節(jié)點(diǎn)數(shù)量;T為一個(gè)運(yùn)行周期;i為用戶編號(hào).

用戶i的PV 發(fā)電功率預(yù)測可以表示如下:

因此,用戶i在交易當(dāng)天的凈輸出功率如下式所示:

用戶i在時(shí)段k的凈輸出功率為負(fù)荷與PV 功率之差,如式(4)所示:

當(dāng)k不同值時(shí),有所不同,當(dāng)≥0時(shí),表現(xiàn)為買家;當(dāng)≤0時(shí),表現(xiàn)為賣家;設(shè)M為買家節(jié)點(diǎn)集合,Q為賣家節(jié)點(diǎn)集合,即NM=|M|和NQ=|Q|分別為該微電網(wǎng)內(nèi)買家和賣家的數(shù)量.在P2P 電能交易過程中,買家總購電功率和賣家總售電功率用式(5)和式(6)表示:

式中,TBP表示買家總購電功率,TSP表示賣家總售電功率.

3.2 博弈模型

本文提出的基于區(qū)塊鏈技術(shù)的P2P 電能交易模型的目標(biāo)在保證買賣雙方獲得效益的的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)能源高效利用.電能交易情況分類如下式所示:

式中,當(dāng)eTSP=0時(shí),即用戶PV 功率不足,此用戶以低于電網(wǎng)的售電價(jià)格pgb購電;當(dāng)0 eTBP>0時(shí),即微電網(wǎng)內(nèi)存在過剩的PV 產(chǎn)能,此時(shí)需要向電網(wǎng)出售電能.假設(shè)內(nèi)部電價(jià)定為pg,出售價(jià)格定為pgs.當(dāng)0

式中,賣方用戶NQ根據(jù)買方用戶NM的電價(jià)制定最佳用電策略;Ei為賣家i的用電量的策略集;Ui為賣家的用電效益,i∈NQ;P為既定范圍內(nèi)的內(nèi)部電價(jià)策略集,R為買家購買電能的總費(fèi)用,如下式所示:

在微電網(wǎng)內(nèi)買家用戶集合的購電費(fèi)用C最低時(shí),只要將總售電功率eTSP以負(fù)荷需求比例為依據(jù)分配給各個(gè)買家.此時(shí)買家j購電量wj為:

為了實(shí)現(xiàn)買家的購電費(fèi)用以及賣家的用電效益最大這一目標(biāo),微電網(wǎng)內(nèi)的買方用戶群會(huì)制定最優(yōu)的內(nèi)部電價(jià),同時(shí)賣家也會(huì)根據(jù)這一電價(jià)選取最優(yōu)用電計(jì)劃.該博弈S的貝葉斯納什均衡即該問題的最優(yōu)解[12].

4 算例分析

4.1 算例描述

本文通過一個(gè)社區(qū)微網(wǎng)算例來研究的P2P 電能交易平臺(tái)對(duì)配電網(wǎng)的影響.該社區(qū)微網(wǎng)代表了一個(gè)典型的三相低壓郊區(qū)住宅系統(tǒng),本文選取了5 名用戶作為樣本.圖8是該樣本在一天24 h 內(nèi)需求負(fù)荷曲線圖.饋線首端電壓設(shè)置為固定值,低壓二次網(wǎng)無有功電壓調(diào)節(jié).網(wǎng)絡(luò)由708個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的707個(gè)線路對(duì)組成的串聯(lián)阻抗(由電阻和電抗組成).該社區(qū)微網(wǎng)共有55 名居民用戶,幾乎平均分布在饋線的3 段(A 段21 名用戶,B 段19 名用戶,C 段15 名用戶).仿真過程每隔5 分鐘計(jì)算以下參數(shù):每個(gè)用戶連接點(diǎn)的電壓、電網(wǎng)各支路有功、無功功率、每條支路中的有功功率損耗、低壓違規(guī)次數(shù)、高壓違規(guī)次數(shù)以及三相電壓不平衡度等.

圖8 某日用戶需求負(fù)荷曲線圖

為了研究分布式能源資源滲透率極高的未來網(wǎng)絡(luò)場景,并為P2P 電能交易創(chuàng)造條件,該社區(qū)微網(wǎng)中都增加了光伏(PV)發(fā)電和電動(dòng)汽車(EV)充電需求.住宅光伏單元視為每個(gè)負(fù)載點(diǎn)的有功功率注入.光伏發(fā)電機(jī)組容量在1.6– 4 kW 之間,采用最大功率點(diǎn)跟蹤,并以固定單位功率因數(shù)運(yùn)行.本文使用的電動(dòng)汽車充電數(shù)據(jù)來源于實(shí)際汽車充電數(shù)據(jù),其中每個(gè)電動(dòng)汽車充電器的額定功率為3 kW.表1列出了安裝的PV和EV 容量.

表1 PV和EV 數(shù)量及其額定容量

通過配電網(wǎng)仿真分析某一天中電網(wǎng)的功率流和電壓的變化.本文為了方便進(jìn)行比較研究,分析了以下兩種情況:

場景一.在不進(jìn)行P2P 電能交易的情況下,利用圖7所示的需求負(fù)荷曲線、EV 充電需求和PV 發(fā)電輸出功率進(jìn)行配電網(wǎng)仿真.

場景二.基于P2P 電能交易平臺(tái)的基礎(chǔ)上,采用與場景一相同的輸入數(shù)據(jù),和本文提出的基于分布式雙邊拍賣機(jī)制,進(jìn)行P2P 電能交易與配電網(wǎng)的協(xié)同仿真.

4.2 算例結(jié)果分析

OpenDSS 網(wǎng)絡(luò)仿真中記錄的有功、無功輸入/輸出情況如圖9、圖10所示.由于該算例研究具有非常高的PV 滲透率,因此在一天的中午,變電站有一個(gè)凈輸出,此時(shí)有功及無功功率皆為負(fù)值.本文假設(shè)低壓網(wǎng)絡(luò)能夠適應(yīng)雙向潮流.P2P 電能交易的最大交易量發(fā)生在17:00 到20:00 之間,如圖9和圖10中的虛線所示.可以看出,在這段時(shí)間里,P2P 電能交易對(duì)有功功率和無功功率影響較大.

表2給出了配電網(wǎng)仿真的數(shù)據(jù)結(jié)果.這些結(jié)果表明,在P2P 情況下,配電網(wǎng)的凈輸出在一天中增加了約19 kWh.無功電量減少6 kvarh 以上.P2P 能源交易最大復(fù)功率和網(wǎng)絡(luò)有功功率損失均無顯著變化.P2P能源交易對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響也可以通過電壓不平衡度來測量.本文定義相位電壓不平衡率(PVUR)為平均相位電壓的最大電壓偏差占平均相位電壓的百分比.如表2所示,與場景一相比,場景二的PVUR 略微降低.

表2 配電網(wǎng)仿真結(jié)果

圖9 場景一和場景二有功功率對(duì)比

圖10 場景一和場景二無功功率對(duì)比

圖11是場景一和場景二電壓分布差異示意圖,以百分比值表示.從圖中可以看出,P2P 電能交易對(duì)電壓影響最顯著的時(shí)間段是17:00–20:00.

仿真結(jié)果表明,在該算例中,中等水平的P2P 電能交易對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行性能沒有顯著影響.從表2中可以看出,最大復(fù)功率沒有受到顯著影響,場景一和場景二的差異小于1 kVA.圖11的結(jié)果顯示,即使在P2P 電能交易對(duì)電壓影響最顯著的時(shí)間段,電壓分布也只有微小的差異.

圖11 場景一和場景二電壓分布差異

5 結(jié)論

本文在基于區(qū)塊鏈和能源互聯(lián)網(wǎng)的條件下,提出了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的P2P 電能交易市場機(jī)制與配電網(wǎng)協(xié)同仿真的框架.采用分布式雙邊拍賣技術(shù)和智能合約,通過建立的數(shù)學(xué)模型和博弈模型對(duì)P2P 電能交易機(jī)制進(jìn)行了仿真分析.與傳統(tǒng)的電力市場交易模式相比較,P2P 電能交易模式減少了不必要的電力損耗,使資源成本和交易成本最小化.在算例分析中,設(shè)置了場景一和場景二,通過兩個(gè)場景的仿真分析結(jié)果,從功率和電壓兩個(gè)方面研究了P2P 電能交易對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行的影響并驗(yàn)證了其潛在效益.本研究對(duì)推動(dòng)區(qū)塊鏈在電能交易中的落地應(yīng)用、保證用電安全穩(wěn)定、實(shí)現(xiàn)能源平衡以及使得與區(qū)塊鏈相結(jié)合的P2P 能源交易機(jī)制獲得更大范圍的接受有著重要意義.