唐冬來，郝建維，付世峻，黃璞，楊俏，葉鴻飛

（四川中電啟明星信息技術有限公司，四川成都 610041）

中國農(nóng)村屋頂光伏資源豐富，利用農(nóng)村居民屋頂建設小型光伏發(fā)電站，將助力農(nóng)村實現(xiàn)碳中和目標[1-3]。但屋頂光伏發(fā)電與農(nóng)村居民的勞作時間重疊[4-5]，造成光伏發(fā)電消納困難。

農(nóng)村屋頂光伏消納分為儲能與上網(wǎng)交易兩種。其中，儲能采用裝置對農(nóng)村居民屋頂光伏的剩余電量進行存儲，待用電時段釋放電能[6-7]。但儲能設備投資多，推廣難度大。

上網(wǎng)交易類通過農(nóng)村居民之間的價格驅動、成本分攤等類型的電量交易，實現(xiàn)屋頂光伏剩余電量消納[8-10]。但缺少對不同農(nóng)村居民用戶類型交易策略的分析，光伏消納率低。

針對農(nóng)村居民屋頂光伏消納難的問題，提出了一種基于區(qū)塊鏈的農(nóng)村居民屋頂光伏消納方法，該方法通過能量路由器實現(xiàn)光伏消納的物理連接，并采用區(qū)塊鏈進行農(nóng)村居民屋頂光伏交易。

1 農(nóng)村居民屋頂光伏消納框架

文中所述的基于區(qū)塊鏈的農(nóng)村居民屋頂光伏消納方法框架如圖1 所示，主要包括物理網(wǎng)絡搭建、農(nóng)村居民分類、電量交易定價和交易執(zhí)行四個環(huán)節(jié)。

圖1 農(nóng)村居民屋頂光伏消納策略框架圖

在物理網(wǎng)絡搭建環(huán)節(jié)，首先，根據(jù)輸入的農(nóng)村居民屋頂光伏發(fā)電功率數(shù)據(jù)、10 kV 配網(wǎng)網(wǎng)架數(shù)據(jù)進行發(fā)電約束分析，判斷配電線路的最大發(fā)電傳輸能力。其次，對10 kV 配電網(wǎng)絡的能量路由路徑進行分析，確定各配電臺區(qū)節(jié)點能量路由器的部署原則。最后，進行能量路由器部署。在農(nóng)村居民分類環(huán)節(jié)，首先提取農(nóng)村居民的用電量、用電功率曲線、檔案等特征數(shù)據(jù)；然后對其進行AP 聚類，獲取農(nóng)村居民的用電習慣特性，并建立用戶的細分類別。在電量交易定價環(huán)節(jié)，首先，對上網(wǎng)的農(nóng)村居民屋頂光伏發(fā)電量的電價進行分析，獲取農(nóng)村居民屋頂光伏的上網(wǎng)需求價；其次，對農(nóng)村居民購電價格進行分析；最后，再進行銷售、購買和運營商代理價格博弈，通過納什均衡生成農(nóng)村居民屋頂光伏銷售價格。在交易執(zhí)行環(huán)節(jié)，開展農(nóng)村居民屋頂光伏交易，并執(zhí)行交易結算。

2 農(nóng)村居民屋頂光伏消納建模

2.1 物理網(wǎng)絡搭建

能量路由器是構建能源互聯(lián)網(wǎng)的核心設備，該設備由電力電子變換器構成，可實現(xiàn)電能的多向流動和功率的主動控制。該設備對配電網(wǎng)分布式屋頂光伏電源、負荷等設備進行智能互聯(lián)，實現(xiàn)配電網(wǎng)能量流的主動控制[11]。

農(nóng)村居民屋頂光伏的上網(wǎng)電網(wǎng)等級為0.4 kV，因農(nóng)村配電臺區(qū)下的用戶幾乎都為農(nóng)村居民，而農(nóng)村居民的用電時段幾乎一致，不利于屋頂光伏發(fā)電消納。而10 kV 配電線路下包括城鎮(zhèn)居民用戶、工商業(yè)用戶、農(nóng)村居民用戶等多種類型，城鎮(zhèn)居民用戶、工商業(yè)用戶的用電時段與農(nóng)村居民用戶不一致，所以，可通過10 kV 配電線路內的能量路由實現(xiàn)農(nóng)村居民屋頂光伏與負荷的互聯(lián)。

文中所提方法在配電變壓器側配置能量路由器，以實現(xiàn)10 kV 配電線路下的能源與負荷互聯(lián)。10 kV 配電線路交易區(qū)域內的總功率Pa為：

式中，na為農(nóng)村居民用戶光伏電源個數(shù)；Pi為不同的農(nóng)村居民屋頂光伏電源發(fā)電功率；Li為不同的農(nóng)村居民屋頂光伏的傳輸損耗。

農(nóng)村居民屋頂光伏交易區(qū)域內的總功率Pa滿足約束條件：

式中，Pmax為10 kV 配電線路傳輸?shù)淖畲蠊β?，Pb為10 kV 配電網(wǎng)當前傳輸?shù)呢摵芍怠Ｄ芰柯酚善鞯墓β逝渲肞c為：

式中，nb為單個配電臺區(qū)下的農(nóng)村居民屋頂光伏個數(shù)；Pj為單個配電臺區(qū)下不同的農(nóng)村居民用戶發(fā)電功率；Lj為不同屋頂光伏的傳輸損耗。

2.2 農(nóng)村居民分類

AP 聚類通過在不同農(nóng)村居民用戶之間不斷地傳遞特征信息，最終選出聚類中心；該種聚類方式具有無需指定聚類數(shù)據(jù)、聚類誤差小的特點[12]，因此，文中農(nóng)村居民選用AP 聚類進行分類。

文中農(nóng)村居民用戶的分類特征條目依據(jù)中國可再生能源行業(yè)和電力行業(yè)協(xié)會的典型參考文件制定。農(nóng)村居民的特征條目如表1 所示。

表1 農(nóng)村居民的特征條目表

農(nóng)村居民屋頂光伏發(fā)電AP 聚類相似度矩陣的值Ga為：

式中，sa和sb分別為農(nóng)村居民類型a和類型b的離散特征值；ω為特征屋頂光伏類型的農(nóng)村居民權重系數(shù)。

通過AP 聚類，生成的農(nóng)村用戶居民類型如表2所示。

表2 農(nóng)村居民類型

2.3 電量交易定價

靜態(tài)博弈是一種博弈的方法，在該方法中，有一個領導者，其余的為跟隨者，領導者先開始行動，跟隨者在進行選擇時，并不知道領導者的具體行動步驟；在跟隨者行動完畢后，領導者根據(jù)跟隨者的行動調整自己的策略，直至納什均衡[13-14]。該方法能夠有效解決農(nóng)村居民屋頂光伏交易過程中定價的問題。

農(nóng)村居民屋頂光伏報價集合Va為：

式中，nd為農(nóng)村居民屋頂光伏電源報價策略個數(shù)。v1,v2,…,vnd為不同的農(nóng)村居民屋頂光伏報價策略。

屋頂光伏購電價格集合Jb為：

式中，ne為農(nóng)村居民屋頂光伏購買用戶的策略數(shù)量；j1,j2,…,jne為不同的農(nóng)村居民屋頂光伏購買策略。

交易定價靜態(tài)博弈C為：

式中，Ra為農(nóng)村居民屋頂光伏運營商，該農(nóng)村居民屋頂光伏運營商是屋頂光伏交易的領導者；Rb為跟隨者，即農(nóng)村居民屋頂光伏發(fā)電用戶；Qi為農(nóng)村居民屋頂光伏用電客戶在i時間段的電量；B為農(nóng)村居民屋頂光伏交易區(qū)域內的電價策略；Ua為農(nóng)村居民屋頂光伏運營商的收益；Ya為農(nóng)村居民屋頂光伏發(fā)電用戶的收益。

2.4 交易執(zhí)行

區(qū)塊鏈是一個共享數(shù)據(jù)庫，具有“防止偽造”、“過程痕跡記錄”和“全程追溯”的特征[15-16]，因此，文中所提農(nóng)村居民屋頂光伏消納方法采用區(qū)塊鏈技術進行農(nóng)村居民屋頂光伏交易。

在交易執(zhí)行方面，農(nóng)村居民屋頂光伏運營商組織屋頂光伏電源用戶按照用電策略、光伏出力進行發(fā)電；并組織10 kV 配電網(wǎng)內的居民用戶、工商業(yè)用戶等進行購電。區(qū)塊鏈平臺根據(jù)定價合約輔助控制農(nóng)村居民的用電。

在交易結算方面，按月根據(jù)電表向區(qū)塊鏈平臺傳輸?shù)膶嶋H屋頂光伏發(fā)電量與農(nóng)村居民用電量、電量報價等信息完成合同履約和結算資金的支付，最后，區(qū)塊鏈系統(tǒng)記錄各方農(nóng)村居民交易用電的信譽值。

3 算例分析

3.1 場景與參數(shù)設定

為驗證文中所提基于區(qū)塊鏈的農(nóng)村居民屋頂光伏消納方法的有效性，在某城市鄉(xiāng)村的1 條10 kV 配電線路下進行農(nóng)村居民屋頂光伏消納驗證。該區(qū)域內，交易的農(nóng)村居民屋頂光伏電源用戶有583 戶，購電用戶有3 798 戶，涉及配電臺區(qū)29 個，安裝能量路由器29 個。

該地區(qū)的年平均日照輻射量為36.37 Ht。將文中所用算例部署在某供電公司機房，算例運行服務器的處理器為兩顆四核intel至強E3-1225，處理器主頻為3.2 GHz，4 核心，服務器內存為32 GB，硬盤容量大小為20 T，服務器的操作系統(tǒng)為Windows Server 2016。

文中用于對比的是文獻[17]光伏價格學習曲線的農(nóng)村居民屋頂光伏消納方法，該方法被廣泛使用在農(nóng)村居民屋頂光伏領域。

3.2 算例運行分析

3.2.1 農(nóng)村居民用戶聚類準確率

農(nóng)村居民用戶聚類準確率分析的目的是為了評估農(nóng)村居民用電特征分析的準確性，該指標的計算公式是將聚類分析的數(shù)量與依據(jù)行業(yè)標準人工比對的結果進行分析，一致即為準確，比值即為準確率。

選擇居民用戶為100、200、300、400、500、600、800、1 000 戶，采用文中方法的AP 聚類與光伏價格學習曲線方法的K 值聚類比較農(nóng)村居民用戶聚類分析準確率，比較結果如表3 所示。

表3 農(nóng)村居民用戶聚類準確率

由表3 可知，文中所提方法AP 聚類的農(nóng)村居民用戶聚類準確率高于光伏價格學習曲線方法的K 值聚類。

3.2.2 農(nóng)村居民用戶聚類結果

農(nóng)村居民用戶聚類結果是屋頂光伏電量交易的基礎，通過對不同類別的用戶制定差異化的農(nóng)村居民屋頂光伏交易報價策略，可以提高光伏消納水平。

針對某鄉(xiāng)驗證區(qū)域的3 798 戶聚類結果如表4所示。

表4 農(nóng)村居民用戶聚類結果

3.2.3 農(nóng)村居民屋頂光伏報價博弈分析

農(nóng)村居民屋頂光伏報價博弈分析的目的是為了驗證文中所提方法在運營商、農(nóng)村居民屋頂光伏銷售和購買用戶之間的交易電價博弈結果的有效性。首先，農(nóng)村居民屋頂光伏按照0.452 元的基準價進行報價，然后農(nóng)村居民屋頂光伏銷售和購買用戶按照自身的策略進行博弈，直至納什均衡，農(nóng)村居民屋頂光伏報價博弈結果如圖2 所示。

圖2 農(nóng)村居民屋頂光伏報價博弈結果

由圖2 可見，當博弈次數(shù)在16 次時，運營商、農(nóng)村居民屋頂光伏銷售和購買用戶價格趨于一致，該價格即為當時的交易價格。

3.2.4 農(nóng)村居民屋頂光伏消納分析

農(nóng)村居民屋頂光伏消納分析的目的是為了驗證光伏消納率的有效性。其計算方式為農(nóng)村居民屋頂光伏用電量和發(fā)電量之間的比值。

選擇2021 年7 月1-6 日的發(fā)電數(shù)據(jù)，采用文中所提基于區(qū)塊鏈的農(nóng)村居民屋頂光伏消納方法與光伏價格學習曲線方法比較光伏消納率，結果如圖3所示。

圖3 農(nóng)村居民屋頂光伏消納率圖

由圖3 可見，文中所提方法的光伏消納率達91.6%，高于光伏價格學習曲線方法。

4 結論

文中基于區(qū)塊鏈技術提出了一種農(nóng)村居民屋頂光伏消納方法。在農(nóng)村居民用戶分類的基礎上，采用靜態(tài)博弈進行交易定價，通過區(qū)塊鏈技術記錄交易電量和信譽，具有農(nóng)村居民用戶激勵效果好，屋頂光伏消納率大的特點。算例分析結果表明，所提方法分析了農(nóng)村居民用戶的用電特點，實現(xiàn)了屋頂光伏的有效消納。該方法提高了農(nóng)村居民屋頂光伏消納率，促進了清潔能源的有效利用。