劉玉成, 段煉, 班曉萌, 黃偉, 左欣雅, 張莞嘉

(1.國(guó)網(wǎng)呼倫貝爾供電公司, 內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市 021100；2.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院, 北京市 102206)

0 引 言

為構(gòu)建清潔環(huán)保、高效安全的現(xiàn)代能源體系[1]，異質(zhì)能源協(xié)同利用的綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system，IES)成為近年來(lái)的關(guān)注重點(diǎn)。IES的能量交互作為其中重要的研究方向，也得到了廣泛的探討。

IES的能量交互模式可分為集中式和分散式兩種。當(dāng)前，相關(guān)研究和工程實(shí)踐以集中式的調(diào)度模式為主，即在IES內(nèi)構(gòu)建中央運(yùn)營(yíng)層用于集中計(jì)算并進(jìn)行能量分配[2-4]。由于中央運(yùn)營(yíng)層可獲得全部數(shù)據(jù)并做出決策，無(wú)法維護(hù)能源運(yùn)營(yíng)商的利益和隱私[5]。同時(shí)，決策過(guò)程中數(shù)據(jù)量大、決策變量多造成了IES通信壓力大，運(yùn)行效率低[6]。而分散式的能量交互模式?jīng)]有中心機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)主體的自主運(yùn)行和協(xié)同管理[7-8]。文獻(xiàn)[9]提出了基于主從博弈的社區(qū)綜合能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行策略，以綜合能源銷(xiāo)售商為領(lǐng)導(dǎo)者，新能源冷熱電運(yùn)營(yíng)商和負(fù)荷聚合商為跟隨者，但領(lǐng)導(dǎo)者仍具有過(guò)多中心化機(jī)構(gòu)特性。文獻(xiàn)[10]基于有向圖的通信拓?fù)洌⒘丝紤]需求響應(yīng)的社區(qū)綜合能源系統(tǒng)能量管理模型，使用拉格朗日乘子法解耦成3個(gè)完全平等的子系統(tǒng)，并用一致性協(xié)議求解。但該模式缺少監(jiān)管，各運(yùn)營(yíng)商有足夠的動(dòng)機(jī)為了自身利益而篡改系統(tǒng)參數(shù)，且無(wú)法抵御惡意攻擊。

區(qū)塊鏈作為高度去信任、去中心化的數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算過(guò)程透明化、信息不可篡改，彌補(bǔ)了分散式能量交互的缺點(diǎn)[11-12]。文獻(xiàn)[13]首次將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于微電網(wǎng)中分布式電源間的分散協(xié)調(diào)控制，應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)提高了交替方向乘子法(alternate drection multiplier method，ADMM)運(yùn)算過(guò)程的公平性和可靠性。文獻(xiàn)[14]針對(duì)多個(gè)微電網(wǎng)之間的能量交易和控制，基于區(qū)塊鏈設(shè)計(jì)了包含金融層、網(wǎng)絡(luò)層和物理層的多層控制模型。區(qū)塊鏈可審計(jì)能量流和金融交易的完整性和有效性。以上文獻(xiàn)主要集中于電力系統(tǒng)，很少有文獻(xiàn)研究區(qū)塊鏈技術(shù)在綜合能源系統(tǒng)能量交互中的應(yīng)用。

本文針對(duì)分散的園區(qū)級(jí)熱-電綜合能源系統(tǒng)，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的特點(diǎn)，分析區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于分散式的交互模型和算法的可行性。進(jìn)而提出IES分散式能量交互的雙層結(jié)構(gòu)模型，包含應(yīng)用拉格朗日乘子法解耦的物理層交互模型；以成本增量為一致性變量，以智能合約、分布式記賬、數(shù)字簽名等區(qū)塊鏈技術(shù)為構(gòu)架的信息層數(shù)據(jù)傳遞模型。算例證明，利用區(qū)塊鏈技術(shù)與分散式交互方法可以保障IES能量交互的隱私性、公平性和安全性。

1 區(qū)塊鏈的應(yīng)用可行性

1.1 區(qū)塊鏈的特點(diǎn)

區(qū)塊鏈最初是比特幣交易的核心支撐技術(shù)，是分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、智能合約、加密算法等計(jì)算機(jī)技術(shù)的新型應(yīng)用模式[15]，可視為一個(gè)特殊的分布式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)[16]。在區(qū)塊鏈中，區(qū)塊依據(jù)存儲(chǔ)信息對(duì)應(yīng)生成的哈希密碼有序連接，各節(jié)點(diǎn)都可以參與區(qū)塊信息確認(rèn)、記錄和讀取，運(yùn)行流程分散化、透明化、程序化，具有去中心、去信任和信息不可篡改的特點(diǎn)。

區(qū)塊鏈可分為公有鏈、私有鏈、聯(lián)盟鏈3類(lèi)[17]。公有鏈沒(méi)有監(jiān)管機(jī)構(gòu)，任何節(jié)點(diǎn)都可以參與區(qū)塊的記錄和維護(hù)，節(jié)點(diǎn)間僅依靠既定的規(guī)則運(yùn)行，完全去中心、去信任，但吞吐量受限，運(yùn)行速度很低；私有鏈通常建立在企業(yè)內(nèi)部，節(jié)點(diǎn)是預(yù)先確定的，僅有少量節(jié)點(diǎn)擁有記錄和維護(hù)權(quán)，中心化嚴(yán)重，但運(yùn)行速度快；聯(lián)盟鏈一般由多個(gè)主體共同發(fā)起，參與節(jié)點(diǎn)需通過(guò)聯(lián)盟認(rèn)證，各主體可共同維護(hù)和管理區(qū)塊鏈，具有運(yùn)行速度快、可擴(kuò)展性高、互操作性強(qiáng)和安全性高的特點(diǎn)。由于綜合能源系統(tǒng)由多個(gè)能源運(yùn)營(yíng)主體組成，選擇聯(lián)盟鏈最為合適。

1.2 區(qū)塊鏈與分散式交互模型

在分散式的能量交互模型中，熱、電系統(tǒng)子模型的地位平等。運(yùn)行過(guò)程中，子模型無(wú)需得知其他子模型的運(yùn)行參數(shù)，只需要交換協(xié)同計(jì)算過(guò)程中的一致性變量。各運(yùn)營(yíng)商的求解服務(wù)器均以自身利益最大為目標(biāo)，進(jìn)行IES的能量協(xié)同交互。分散式交互模型維護(hù)了各方利益和隱私，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的去中心化，但無(wú)法保證運(yùn)營(yíng)商忠實(shí)可靠，難以驗(yàn)證分散運(yùn)行過(guò)程的公平性。針對(duì)分散式交互模型的優(yōu)缺點(diǎn)，區(qū)塊鏈技術(shù)對(duì)應(yīng)的相似性和補(bǔ)充性如表1所示，因此區(qū)塊鏈技術(shù)有望成為構(gòu)建分散式IES能量交互的底層技術(shù)構(gòu)架。

表1 分散式交互模型中應(yīng)用區(qū)塊鏈的可行性Table 1 Feasibility of applying blockchain in decentralized interaction model

1.3 區(qū)塊鏈與分散式算法

一致性協(xié)議是分散式算法中的重要分支，一致性變量基于節(jié)點(diǎn)之間的通信而趨于一致，最終可得到分散式優(yōu)化問(wèn)題的最優(yōu)解。關(guān)于一致性協(xié)議收斂性與最優(yōu)性的證明可見(jiàn)文獻(xiàn)[18-19]。基于無(wú)向聯(lián)通圖G(V,S)構(gòu)建分散式熱-電IES的節(jié)點(diǎn)通信拓?fù)?。其中V是節(jié)點(diǎn)集；S是表示節(jié)點(diǎn)間通信線(xiàn)路的邊界集。配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商、熱電聯(lián)產(chǎn)運(yùn)營(yíng)商和鍋爐運(yùn)營(yíng)商的節(jié)點(diǎn)集分別用VE、VCHP、VG表示。無(wú)序節(jié)點(diǎn)對(duì)(i，j)表示S中連接節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j的一條通信線(xiàn)路。假設(shè)n×n階的矩陣A為G(V,S)的鄰接矩陣，可定義一個(gè)矩陣L=[lij]：

(1)

式中：aij表示A的非對(duì)角線(xiàn)元素，即節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j之間的通信邊數(shù)。

定義xi是由節(jié)點(diǎn)i廣播并被區(qū)塊保存的一致性變量，當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)廣播的一致性變量相等時(shí)，即視為系統(tǒng)對(duì)于此次能量分配達(dá)成共識(shí)。由于節(jié)點(diǎn)的通信需要驗(yàn)證過(guò)程，系統(tǒng)的一致性變量的收斂過(guò)程是離散的。

(2)

(3)

式中：t是離散的時(shí)間索引；dij是通信網(wǎng)絡(luò)的隨機(jī)行矩陣中的項(xiàng)。

一致性協(xié)議中應(yīng)用區(qū)塊鏈的可行性如表2所示，一致性協(xié)議與區(qū)塊鏈技術(shù)的理念高度一致，區(qū)塊鏈技術(shù)還彌補(bǔ)了一致性協(xié)議的不足，提高了協(xié)議過(guò)程的安全性。

表2 一致性協(xié)議中應(yīng)用區(qū)塊鏈的可行性Table 2 Feasibility of applying blockchain in consensus protocol

2 IES分散式能量交互雙層結(jié)構(gòu)模型

2.1 IES能量交互雙層結(jié)構(gòu)

基于上述分析，區(qū)塊鏈技術(shù)與分散式的熱-電IES有很高的契合度。如圖1所示，可將分散式IES能量交互劃分為信息層和物理層。信息層是以區(qū)塊鏈技術(shù)為支撐的通信網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，并提高通信的安全性、可靠性，維護(hù)系統(tǒng)的隱私性和公平性。物理層可實(shí)現(xiàn)能量的交互。各運(yùn)營(yíng)商通過(guò)在區(qū)塊鏈上部署服務(wù)器，連接信息層和物理層?；谥悄芎霞s平臺(tái)，能量交互策略由服務(wù)器的信息層計(jì)算后，下達(dá)至物理層執(zhí)行。該策略是以各自運(yùn)行成本最低為目標(biāo)的分散式交互模型。

圖1 IES能量交互雙層結(jié)構(gòu)Fig.1 Two-layer structure of IES energy interaction

2.2 物理層的能量交互模型

2.2.1 IES成本模型

園區(qū)級(jí)熱-電綜合能源系統(tǒng)的能源交互主要包含了3種主體：燃?xì)?燃煤鍋爐運(yùn)營(yíng)商、熱電聯(lián)產(chǎn)運(yùn)營(yíng)商、配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商。燃?xì)?燃煤鍋爐運(yùn)營(yíng)商將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，為園區(qū)供暖；配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商即供電公司，負(fù)責(zé)供應(yīng)園區(qū)大部分電能；熱電聯(lián)產(chǎn)運(yùn)營(yíng)商耦合了電能和熱能，可同時(shí)為園區(qū)供應(yīng)熱、電，主要用于平衡和優(yōu)化系統(tǒng)中的能量供給。三者獨(dú)立運(yùn)營(yíng)，構(gòu)成園區(qū)的供熱網(wǎng)絡(luò)和供電網(wǎng)絡(luò)。

配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商采用耗量成本和線(xiàn)損成本來(lái)表征配電網(wǎng)對(duì)園區(qū)供電的成本模型，在時(shí)間索引t下的供電成本為：

(4)

對(duì)于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，通常認(rèn)為運(yùn)行于最小凝汽工況，這也和實(shí)際運(yùn)行中的一般情況相符[20]。在該工況下采取以熱定電的運(yùn)行模式，其熱電耦合模型可表示為：

(5)

式中：PCHP,i(t)、HCHP,i(t)分別表示熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在時(shí)間索引t下的計(jì)劃供電功率和供熱功率；KCHP表示熱電耦合系數(shù)；ηe表示機(jī)組的電效率；ηh表示機(jī)組的熱效率。最小凝汽工況下，不考慮熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組調(diào)節(jié)特性，KCHP視為一個(gè)常數(shù)[18-19]。

因此，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組索引t下的成本函數(shù)可寫(xiě)為：

(6)

當(dāng)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的負(fù)荷率小于30%時(shí)，機(jī)組不在凝氣工況下，機(jī)組效率低，因此，僅當(dāng)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的負(fù)荷率高于30%時(shí)，該系統(tǒng)才會(huì)啟動(dòng)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組[21]，即：

(7)

式中：Cpi表示i號(hào)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的額定功率。

鍋爐運(yùn)行成本可表示為：

(8)

IES能量交互的運(yùn)行目標(biāo)是系統(tǒng)總成本最低：

(9)

(10)

2.2.2 模型解耦

在分散式的能量交互中，各節(jié)點(diǎn)均以自身成本最低為目標(biāo)。使用拉格朗日乘子法，將上述凸優(yōu)化問(wèn)題解耦成3個(gè)子系統(tǒng)問(wèn)題。為此，先構(gòu)造該問(wèn)題的拉格朗日函數(shù)：

(11)

式中：P(t)表示系統(tǒng)的電功率向量，若節(jié)點(diǎn)n不供電，則Pn(t)=0；H(t)表示系統(tǒng)的熱功率向量，若節(jié)點(diǎn)n不供熱，則Hn(t)=0；λ(t)和μ(t)是拉格朗日乘子，分別表示時(shí)間索引t下電功率和熱功率的成本增量。

由于每個(gè)子系統(tǒng)存在不同的全局約束，可將λ(t)和μ(t)解耦：

(12)

(13)

將系統(tǒng)的拉格朗日函數(shù)解耦成僅包含就地約束的子系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題，存于各節(jié)點(diǎn)的服務(wù)器中單獨(dú)運(yùn)行。

1)配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商子問(wèn)題(i∈VE)：

minCi(t)-λi(t)PE,i(t)

(14)

(15)

2)熱電聯(lián)產(chǎn)運(yùn)營(yíng)商子問(wèn)題(i∈VCHP)：

(16)

(17)

3)鍋爐運(yùn)營(yíng)商子問(wèn)題(i∈VGB)：

(18)

(19)

2.3 信息層的數(shù)據(jù)傳遞模型

2.3.1 一致性變量

系統(tǒng)內(nèi)各運(yùn)營(yíng)商組成能量交互的聯(lián)盟鏈，目標(biāo)是各節(jié)點(diǎn)服務(wù)器使用一致性協(xié)議和分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、智能合約、加密算法等區(qū)塊鏈技術(shù)，使聯(lián)盟對(duì)能量交互達(dá)成共識(shí)，并確保過(guò)程安全可靠。選取交互模型中μ(t)和λ(t)分別作為熱能系統(tǒng)和電能系統(tǒng)的一致性變量，節(jié)點(diǎn)服務(wù)器將基于其余節(jié)點(diǎn)更新自身一致性變量：

(20)

(21)

由于能量交互需要滿(mǎn)足供需平衡，不考慮需求側(cè)響應(yīng)的情況下，當(dāng)供給量超過(guò)需求量，能量交互的收斂方向應(yīng)為負(fù)，即減少供給；當(dāng)需求量超過(guò)供給量，收斂方向應(yīng)為正，即增加供給?？赏ㄟ^(guò)選舉，在熱能系統(tǒng)和電能系統(tǒng)各選取一個(gè)公信力較高的節(jié)點(diǎn)作為領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)iH、iP用于獲取熱、電功率供需差額，判斷μi(t)和λi(t)的收斂方向，該系統(tǒng)直接選取熱電聯(lián)產(chǎn)運(yùn)營(yíng)商作為領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)iH，供電公司作為領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)iP。

(22)

(23)

(24)

(25)

式中：μiH(t+1)、λip(t+1)分別表示領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)iH、iP更新的拉格朗日乘子；ξ、ξ′是收斂系數(shù)(ξ>0，ξ′>0)，表示收斂速度。

2.3.2 信息傳遞構(gòu)架

3 求解流程

圖2 基于區(qū)塊鏈的IES能量交互運(yùn)行構(gòu)架Fig.2 Blockchain-based IES energy interaction operation framework

(26)

式中：ε表示允許的功率偏差；ε′表示μi(t)和λi(t)的收斂精度。

圖3 基于區(qū)塊鏈的一致性算法流程Fig.3 Blockchain-based consensus algorithm flow

4 算例與分析

為驗(yàn)證所提算法的有效性和區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)越性，通過(guò)算例進(jìn)行仿真計(jì)算。假設(shè)某園區(qū)級(jí)IES的能源供給側(cè)含有6個(gè)主體節(jié)點(diǎn)：供電公司、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和4個(gè)小型燃?xì)忮仩t組件，分別為1～6號(hào)節(jié)點(diǎn)。各節(jié)點(diǎn)間可以相互通信，共同構(gòu)成能源供給聯(lián)盟鏈。假設(shè)節(jié)點(diǎn)之間可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接通信，但通信存在一定的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。各節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行參數(shù)和初始功率值如表3所示。

表3 各節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行參數(shù)和初始變量值Table 3 Operating parameters and initial variable values of each node

假設(shè)某次能量交互，IES所需電功率PD=420.15 kW，所需熱功率HD=303.96 kW，允許功率偏差ε=0.01，收斂系數(shù)ξ=0.000 8、ξ′=0.000 2，收斂精度ε′=0.003。

情景1：在此次交互計(jì)算前，3號(hào)節(jié)點(diǎn)鍋爐1為追逐利益，篡改系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)：v3=0.038 7，以提高自身出力。對(duì)比沒(méi)有區(qū)塊鏈技術(shù)支撐的IES分散式能量交互，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程如圖4所示。若沒(méi)有區(qū)塊鏈技術(shù)，節(jié)點(diǎn)3(鍋爐1)出力大幅提升，H3由61.925 9 kW升至80.000 0 kW滿(mǎn)載運(yùn)行。H2由50.261 5 kW降至46.881 7 kW，H4由67.533 9 kW降至62.364 4 kW，H5由58.765 2 kW降至54.601 0 kW，H6由65.475 3 kW降至60.223 9 kW，除鍋爐1外的所有熱網(wǎng)節(jié)點(diǎn)利益均受損。而基于區(qū)塊鏈的IES分散式能量交互中，私鑰數(shù)字串隨3號(hào)節(jié)點(diǎn)(鍋爐1)的系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生改變，在第一次廣播時(shí)驗(yàn)證失敗，迫使3號(hào)節(jié)點(diǎn)修正參數(shù)，從t=2起以正確參數(shù)運(yùn)行，在僅多了一次時(shí)間索引的情況下，記錄本次錯(cuò)誤，得到正確的功率分配，成功維護(hù)了分散式交互系統(tǒng)的公平性。

圖4 子系統(tǒng)參數(shù)遭遇篡改后的系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)比Fig.4 System operation comparison after subsystem parameters tampered

情景2：在此次交互計(jì)算中，該系統(tǒng)受到外部惡意攻擊，λ1和μ3在通信時(shí)遭遇3次隨機(jī)修改：λ1(15)=0.67、μ3(15)=8.42；λ1(60)=1.41、μ3(60)=6.17、λ1(120)=3.47、μ3(120)=12.12。對(duì)比沒(méi)有區(qū)塊鏈技術(shù)支撐的IES分散式能量交互，一致性變量的收斂過(guò)程如圖5所示。若沒(méi)有區(qū)塊鏈技術(shù)支撐，在遭遇攻擊后，節(jié)點(diǎn)的一致性變量均隨之發(fā)生劇烈波動(dòng)，收斂時(shí)間顯著增長(zhǎng)。而基于區(qū)塊鏈的IES分散式能量交互在廣播過(guò)程中，變量遭遇外部修改，但驗(yàn)證失敗，系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)、算法回滾，重新計(jì)算一致性變量，相比于未受攻擊的基于區(qū)塊鏈的迭代計(jì)算過(guò)程僅多了3個(gè)時(shí)間索引。由于存入?yún)^(qū)塊中的數(shù)值是正確的信息，也不會(huì)對(duì)其余節(jié)點(diǎn)造成影響。因此，區(qū)塊鏈技術(shù)也極大提高了分散式交互系統(tǒng)的安全性。

圖5 通信過(guò)程遭遇外部攻擊時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)比Fig.5 System operation comparison when the communication process encounters external attacks

5 總結(jié)與展望

本文所提模型在區(qū)塊鏈技術(shù)與多能交互融合應(yīng)用方面取得了階段性成果。

1)基于區(qū)塊鏈的IES分散式能量交互在保證主體運(yùn)營(yíng)隱私的同時(shí)，能有效避免主體私自篡改子系統(tǒng)參數(shù)的問(wèn)題，既實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)去中心化也提高了系統(tǒng)的公平性。

2)基于區(qū)塊鏈的IES分散式能量交互能抵御外部對(duì)通信信息的攻擊，確保傳遞信息的正確性，顯著提高了系統(tǒng)的安全性。

但對(duì)于應(yīng)用落地，還需從能量流多時(shí)間尺度特性、區(qū)塊鏈技術(shù)局限性以及系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展性等多方面進(jìn)行更深入的探討和研究。