王昊天，孫英云，汪麗偉，趙鵬飛

（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,北京市 102206）

0 引言

隨著可再生能源滲透率不斷提高、電動(dòng)汽車（EV）等柔性負(fù)荷規(guī)模不斷擴(kuò)大,源荷兩側(cè)不確定性使電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定面臨的挑戰(zhàn)越來越嚴(yán)峻,頻率問題正在成為中國電力系統(tǒng)低碳化轉(zhuǎn)型路徑上的重要瓶頸［1］,新型電力系統(tǒng)需要更多形式的靈活性調(diào)節(jié)資源維持系統(tǒng)平衡。

作為具有較大靈活性調(diào)節(jié)潛力的柔性負(fù)荷［2］,受限于電池容量、充電樁控制權(quán)等多方面因素,單輛EV 難于直接參與調(diào)頻等輔助服務(wù)市場,只能通過某種方式聚合參加［3-4］,但現(xiàn)有聚合商體系主要有以下問題:1）聚合商作為第三方實(shí)體,其利益和EV 個(gè)體并不完全一致；2）聚合商收集EV 用電數(shù)據(jù)是對用戶隱私的侵犯,缺乏可信保障,難以保證隱私安全。文獻(xiàn)［5］提出雙層優(yōu)化算法以最小化聚合商參與能量與調(diào)頻市場的凈運(yùn)營成本。文獻(xiàn)［6］以最小化系統(tǒng)運(yùn)行成本為目標(biāo)構(gòu)建了車到家聚合器,提出了從投標(biāo)到實(shí)時(shí)調(diào)度的不同時(shí)間尺度控制框架。文獻(xiàn)［7］考慮電動(dòng)汽車用戶的充電需求,提出即充即走的參與模式,利用Shapley 值法分配調(diào)頻收益。文獻(xiàn)［8-9］利用狀態(tài)空間方法生成全局控制信號(hào),實(shí)現(xiàn)了秒級調(diào)頻控制,但需定時(shí)更新離線數(shù)據(jù)以保證其精確度。上述文獻(xiàn)雖對電網(wǎng)調(diào)度中心-聚合商-EV調(diào)頻框架進(jìn)行了一定研究,但沒有考慮不同運(yùn)營商充電樁的數(shù)據(jù)壁壘［10-12］,也沒有解決聚合商與用戶之間隱私安全與信息透明問題。

區(qū)塊鏈技術(shù)作為新興的去中心化加密交易技術(shù),已在需求響應(yīng)［13］、電力市場交易［14-15］等方面有了廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)［16-18］提出基于以太坊的充電權(quán)交易機(jī)制與模型,實(shí)現(xiàn)了充電站充電需求的最優(yōu)配置。文獻(xiàn)［19］基于Hyperledger Fabric 提出多階段混合拍賣機(jī)制,協(xié)調(diào)微電網(wǎng)中產(chǎn)消者的用電行為,但沒有考慮EV 的數(shù)據(jù)隱私問題。上述文獻(xiàn)主要在聚合商層面進(jìn)行優(yōu)化,解決了聚合商之間的信息透明問題,但聚合商仍作為中心協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)參與電網(wǎng)調(diào)度中心與EV 用戶間的互動(dòng),聚合商與用戶之間的隱私安全與利益沖突問題對用戶積極性的影響更大,缺少多元的車網(wǎng)交互途徑。

綜上所述,聚合商、電網(wǎng)調(diào)度中心、EV 用戶三者在調(diào)頻市場中地位不對等、信息不對稱,隱私安全、第三方利益沖突等問題也影響了用戶參與調(diào)頻市場、提供靈活性資源的積極性。針對這些問題,本文提出虛擬聚合調(diào)頻框架,在Hyperledger Fabric 中部署虛擬聚合商節(jié)點(diǎn),以解決實(shí)際環(huán)境中車樁網(wǎng)商的信任問題,輔助虛擬聚合EV 參與調(diào)頻市場交互,以去中心化的形式實(shí)現(xiàn)虛擬聚合商及虛擬聚合EV間調(diào)頻指令分解,由充電樁運(yùn)營商基于鏈上數(shù)據(jù)輔助EV 完成物理響應(yīng)。最后,通過算例驗(yàn)證了虛擬聚合調(diào)頻框架的可行性與有效性。

1 現(xiàn)有聚合商調(diào)頻框架

1.1 車樁網(wǎng)關(guān)系分析

EV 可分為電動(dòng)私家車、電動(dòng)公交車、電動(dòng)出租車等。電動(dòng)私家車主要在工作單位和居住小區(qū)兩個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行充電,停駛時(shí)間較長；電動(dòng)公交車主要在公交充電站進(jìn)行集中充電,充電時(shí)間比較統(tǒng)一,一般在夜晚末班車結(jié)束運(yùn)營后進(jìn)行充電；電動(dòng)出租車充電時(shí)間、充電地點(diǎn)比較隨機(jī),平均停駛時(shí)間較短［20］。

EV 出行依賴于電池電量的保障,而實(shí)際上充電設(shè)施的增速遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上新能源汽車的增速。據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì),2021 年前3 個(gè)季度,中國新能源汽車保有量達(dá)到678 萬輛,全國充電基礎(chǔ)設(shè)施累計(jì) 數(shù) 量 為238.5 萬 臺(tái)。2021 年1 月 至11 月,新 能 源汽車銷量為299 萬輛,全國充電基礎(chǔ)設(shè)施的增量為

70.4 萬臺(tái)［21］。

充電樁分為公用充電樁、專用充電樁、私人充電樁等,不同于智能電表,充電樁產(chǎn)生的用電數(shù)據(jù)屬于充電樁運(yùn)營商而不屬于電網(wǎng),電網(wǎng)無法直接對每輛EV 的備用容量進(jìn)行評估。由于不同運(yùn)營商的充電樁之間存在信息與數(shù)據(jù)屏障,電網(wǎng)無法直接控制大規(guī)模充電樁調(diào)整EV 充電功率,EV 用戶也無法接入不同運(yùn)營商的充電樁,直接響應(yīng)調(diào)頻指令,在沒有第三方協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)的情況下,車樁網(wǎng)三者之間缺少合適的交互途徑,如附錄A 圖A1 所示。

1.2 現(xiàn)有框架主體與問題

現(xiàn)有聚合商調(diào)頻框架在一定程度上解決了車樁網(wǎng)間溝通問題,主要包含電網(wǎng)調(diào)度中心、聚合商與EV 用戶三類主體,現(xiàn)有研究中常以充電站、停車場、工業(yè)園區(qū)這類擁有一定數(shù)量充電樁的主體作為實(shí)體聚合商［22］。由于EV 電池容量小,EV 用戶只能與聚合商簽訂合同參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場。聚合商作為第三方交易主體,一般以最大化自身利益為目標(biāo),通?？紤]EV 調(diào)頻收益與充電成本［23］、EV 電池老化成本［24］,在滿足用戶充電需求的前提下進(jìn)行調(diào)控。聚合商調(diào)頻框架下,各主體間交互信息如圖1所示。

圖1 現(xiàn)有聚合商調(diào)頻框架示意圖Fig.1 Schematic diagram of existing frequency regulation framework for aggregator

在參與調(diào)頻過程中,聚合商通過充電樁收集用戶的電池電量、充電功率、用電時(shí)間、備用容量等數(shù)據(jù)量化集群備用容量與調(diào)頻能力,達(dá)到了資源聚合的目的,但同時(shí)也容易侵犯用戶的數(shù)據(jù)隱私,使用戶難以信任聚合商提供的調(diào)頻服務(wù)。同時(shí)考慮到EV的出行屬性,為了實(shí)現(xiàn)長時(shí)間、多地點(diǎn)參與調(diào)頻輔助服務(wù),用戶須與多個(gè)聚合商簽訂合同,這也增加了用戶隱私數(shù)據(jù)泄露的風(fēng)險(xiǎn)。在調(diào)頻利益方面,EV 用戶不具有表達(dá)自身參與意愿的權(quán)利,往往處于被動(dòng)調(diào)控地位,聚合商調(diào)頻收益分成機(jī)制也使用戶實(shí)際收益縮水。現(xiàn)有框架難以解決車樁網(wǎng)商四者之間的信任問題,聚合商調(diào)頻框架總結(jié)如表1 所示。

表1 現(xiàn)有聚合商調(diào)頻框架總結(jié)Table 1 Summary of existing frequency regulation framework for aggregator

從長遠(yuǎn)發(fā)展角度來看,現(xiàn)存的利益沖突與隱私安全問題容易打擊用戶參與輔助服務(wù)市場的積極性,EV 用戶雖有直接參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場的需求,但缺少充電樁控制權(quán)也難以獨(dú)立實(shí)現(xiàn)物理響應(yīng)。當(dāng)前,調(diào)頻平臺(tái)尚未建立滿足這種需求的交互通道,這種模式不利于吸引EV 用戶與聚合商簽訂合同參與調(diào)頻輔助服務(wù)。

2 基于聯(lián)盟鏈的虛擬聚合調(diào)頻框架

無論集中式優(yōu)化［25］還是分布式優(yōu)化［26］,傳統(tǒng)聚合商仍屬于調(diào)頻交易主體,通過參與調(diào)頻輔助服務(wù)獲取收益,控制EV 響應(yīng)調(diào)頻指令,缺少可信第三方解決車樁網(wǎng)商之間的互信問題,為EV 用戶提供一種平等參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場、響應(yīng)調(diào)頻指令的途徑。

針對1.2 節(jié)所述現(xiàn)有聚合商調(diào)頻框架存在的問題,本節(jié)提出虛擬聚合商（virtual aggregator,VA）概念及虛擬聚合調(diào)頻框架,使EV 用戶通過虛擬聚合方式與傳統(tǒng)聚合商平等地參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場交互,通過去中心化的方式聯(lián)合充電樁運(yùn)營商響應(yīng)調(diào)頻指令,如圖2 所示。

圖2 去中心化虛擬聚合調(diào)頻框架Fig.2 Decentralized virtual aggregation frequency regulation framework

2.1 虛擬聚合商

虛擬聚合商是無物理實(shí)體的可信第三方服務(wù)代理,以去中心化的形式管理協(xié)調(diào)電網(wǎng)調(diào)度中心、傳統(tǒng)聚合商、充電樁運(yùn)營商與EV 用戶之間的信息流,輔助EV 用戶通過虛擬聚合方式與傳統(tǒng)聚合商平等地參與調(diào)頻市場,響應(yīng)調(diào)頻指令。

與傳統(tǒng)聚合商相比,其不以自身利益最大化為目的,僅負(fù)責(zé)為電網(wǎng)調(diào)度中心、傳統(tǒng)聚合商、EV 用戶提供調(diào)頻資源聚合與調(diào)頻指令分解等服務(wù),既可以作為傳統(tǒng)聚合商的代理,也可以作為EV 用戶虛擬聚合的代理。

2.2 虛擬聚合調(diào)頻框架

基于虛擬聚合商提供的去中心化服務(wù),本文提出去中心化虛擬聚合調(diào)頻框架,將電網(wǎng)調(diào)度中心、聚合商與EV 三者多層級調(diào)度架構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒐蚕?、扁平化的電網(wǎng)調(diào)度中心、傳統(tǒng)聚合商、充電樁運(yùn)營商與EV 用戶的去中心化架構(gòu),如圖2 所示。

虛擬聚合調(diào)頻框架中參與實(shí)體包括:EV 用戶、傳統(tǒng)聚合商（充電站、換電站運(yùn)營商等）、充電樁運(yùn)營商、電網(wǎng)調(diào)度中心,其中EV 用戶特指具有直接參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場意愿的用戶?；痣姟?chǔ)能等其他調(diào)頻資源并不包含在本文所提框架中,因此,本框架僅作為EV 側(cè)調(diào)頻資源與調(diào)頻市場交互、響應(yīng)調(diào)頻指令的支撐,不負(fù)責(zé)調(diào)頻市場出清工作。

現(xiàn)有調(diào)頻市場一般包含日前預(yù)出清、實(shí)時(shí)出清2 個(gè)階段［27］,本文所提框架分以下3 個(gè)階段輔助虛擬聚合EV 參與調(diào)頻市場,完成虛擬聚合商及虛擬聚合EV 間調(diào)頻指令分解及物理響應(yīng)。假設(shè)在此框架下,EV 用戶與傳統(tǒng)聚合商均具有調(diào)頻備用容量與調(diào)頻里程價(jià)格的申報(bào)權(quán)利,接受市場出清的調(diào)頻容量價(jià)格。日前聚合時(shí)間尺度為1 h,實(shí)時(shí)調(diào)頻中實(shí)時(shí)聚合時(shí)間尺度為5 min,調(diào)頻指令時(shí)間間隔為1 min［28］,詳述如下:

1）日前聚合階段:EV 用戶可根據(jù)次日出行計(jì)劃,結(jié)合歷史邊際出清價(jià)格,更新日前每小時(shí)備用容量、調(diào)頻里程價(jià)格,經(jīng)虛擬聚合后形成統(tǒng)一的備用容量與調(diào)頻里程價(jià)格；傳統(tǒng)聚合商通過收集站點(diǎn)信息,更新日前每小時(shí)備用容量與調(diào)頻里程價(jià)格。根據(jù)本框架內(nèi)虛擬聚合商與框架外其他調(diào)頻資源信息,電網(wǎng)調(diào)度中心完成調(diào)頻市場日前預(yù)出清。

2）實(shí)時(shí)調(diào)頻階段:虛擬聚合商及虛擬聚合EV每5 min 根據(jù)實(shí)際入網(wǎng)情況更新實(shí)時(shí)調(diào)頻備用容量、調(diào)頻里程價(jià)格,輔助實(shí)時(shí)出清。電網(wǎng)調(diào)度中心以1 min 為時(shí)間間隔下發(fā)調(diào)頻指令。在去中心化架構(gòu)下,虛擬聚合商通過分布式優(yōu)化完成調(diào)頻指令分解任務(wù),相互之間達(dá)成共識(shí),虛擬聚合EV 對虛擬聚合商的調(diào)頻里程進(jìn)行二次分解,得到調(diào)頻里程分配方案,充電樁運(yùn)營商根據(jù)虛擬聚合EV 的調(diào)頻里程調(diào)整EV 功率。

3）收益結(jié)算階段:結(jié)合充電樁運(yùn)營商上傳的實(shí)際功率調(diào)整數(shù)據(jù),匹配虛擬聚合商及虛擬聚合EV的歷史調(diào)頻里程,以5 min 的時(shí)間尺度,更新虛擬聚合商及虛擬聚合EV 調(diào)頻性能指標(biāo),根據(jù)調(diào)頻市場價(jià)格結(jié)算用戶調(diào)頻收益。

3 基于智能合約的調(diào)頻指令分解策略

3.1 聯(lián)盟鏈與虛擬聚合調(diào)頻框架契合度分析

2.2 節(jié)所述虛擬聚合調(diào)頻框架旨在解決車樁網(wǎng)商四者之間的信任問題,關(guān)鍵在于滿足隱私安全條件下的車樁網(wǎng)商間信息共享、交互結(jié)構(gòu)扁平化以及虛擬聚合功能實(shí)現(xiàn)。聯(lián)盟鏈技術(shù)作為新興的去中心化加密交易技術(shù),具有去信任化、匿名性等特點(diǎn)［29］,其技術(shù)手段與虛擬聚合調(diào)頻框架需求有較高的契合度,如表2 所示。

表2 需求與技術(shù)契合度分析Table 2 Analysis on compatibility between demand and technology

聯(lián)盟鏈中證書頒發(fā)機(jī)構(gòu)（CA）為虛擬聚合商節(jié)點(diǎn)的真實(shí)身份背書,形成節(jié)點(diǎn)之間的信任基礎(chǔ),同一通道內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)共享賬本,虛擬聚合商之間信息透明公開,不同通道內(nèi)賬本不互通,保證用戶隱私不易泄露。其共識(shí)機(jī)制保證所有節(jié)點(diǎn)間具有同一賬本；其組織與通道結(jié)構(gòu)保證了車樁網(wǎng)商四者之間的地位平等；其智能合約向所有節(jié)點(diǎn)提供一致的調(diào)頻優(yōu)化服務(wù),且保證交易不可篡改,結(jié)果可追溯,使虛擬聚合商相互達(dá)成共識(shí)。同時(shí),由于用戶選擇充電樁存在隨機(jī)性,充電樁運(yùn)營商與EV 用戶惡意勾結(jié)的可能性較低,保護(hù)了聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其余節(jié)點(diǎn)的利益,解決了車樁網(wǎng)商之間的信任與信息共享問題。

3.2 基于聯(lián)盟鏈的車輛到電網(wǎng)（V2G）交互網(wǎng)絡(luò)

本文選取Hyperledger Fabric 作為聯(lián)盟鏈平臺(tái),搭建V2G 交互網(wǎng)絡(luò),如圖3 所示。

圖3 基于聯(lián)盟鏈的V2G 交互網(wǎng)絡(luò)Fig.3 V2G interactive network based on consortium blockchain

聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò)由虛擬聚合商節(jié)點(diǎn)、充電樁節(jié)點(diǎn)、調(diào)度節(jié)點(diǎn)和排序節(jié)點(diǎn)組成。各節(jié)點(diǎn)功能如下:

1）虛擬聚合商節(jié)點(diǎn):代表傳統(tǒng)聚合商或EV 用戶在聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò)中參與調(diào)頻交易,其賬本屬性主要包括虛擬聚合商編號(hào)、上下調(diào)頻備用容量、調(diào)頻里程報(bào)價(jià)、調(diào)頻里程、調(diào)頻性能指標(biāo)、已配對充電樁編號(hào)/充電樁組編號(hào)等。對于虛擬聚合的EV 用戶,其鏈上賬本屬性與虛擬聚合商賬本屬性相同。

2）充電樁節(jié)點(diǎn):代表EV 接入充電服務(wù)的充電樁,負(fù)責(zé)記錄EV 接入期間每分鐘的功率變動(dòng)數(shù)據(jù)并上傳至聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò),用于結(jié)算虛擬聚合商調(diào)頻收益,其賬本屬性主要包括充電樁編號(hào)/充電樁組編號(hào)、充電樁每分鐘的功率變動(dòng)數(shù)據(jù)等。

3）調(diào)度節(jié)點(diǎn):代表電網(wǎng)調(diào)度中心,負(fù)責(zé)從聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò)中提取虛擬聚合商的調(diào)頻備用容量以及調(diào)頻里程報(bào)價(jià),并在實(shí)時(shí)調(diào)頻階段發(fā)布調(diào)頻信號(hào)和邊際出清價(jià)格,完成虛擬聚合商的實(shí)時(shí)調(diào)頻指令分解。其賬本屬性主要包括調(diào)度節(jié)點(diǎn)編號(hào)、市場調(diào)頻容量出清價(jià)格、市場調(diào)頻里程出清價(jià)格、調(diào)頻指令等。

4）排序節(jié)點(diǎn):作為聯(lián)盟鏈中的交易打包節(jié)點(diǎn),與其他3 類參與交易的節(jié)點(diǎn)不同。在聯(lián)盟鏈中僅負(fù)責(zé)將不同節(jié)點(diǎn)（虛擬聚合商、電網(wǎng)調(diào)度中心、充電樁運(yùn)營商等）發(fā)起的一定數(shù)量交易按提交順序打包成區(qū)塊,通過聯(lián)盟鏈的Raft 排序服務(wù)保證區(qū)塊一致,并廣播至對應(yīng)通道內(nèi)的各個(gè)節(jié)點(diǎn),區(qū)塊內(nèi)打包的交易是否有效由接收到區(qū)塊的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.3 基于智能合約的V2G 交互流程

1）調(diào)頻資源聚合

對與傳統(tǒng)聚合商,在鏈下完成聚合后,其更新備用容量與調(diào)頻里程報(bào)價(jià)到聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò)中。對于虛擬聚合的EV 用戶,其對應(yīng)虛擬聚合商的調(diào)頻備用容量表示為各EV 備用容量的加權(quán)和,如式（1）所示。調(diào)頻里程報(bào)價(jià)表示為各EV 的調(diào)頻里程報(bào)價(jià)的加權(quán)平均值,如式（2）所示,對應(yīng)圖2 中調(diào)頻資源聚合功能。具體市場日前預(yù)出清工作并不屬于本文研究內(nèi)容,不再贅述。

由于EV 在實(shí)際響應(yīng)過程中存在偏差,需要為每輛EV 設(shè)置調(diào)頻性能指標(biāo)以衡量其調(diào)頻性能,其計(jì)算方式如式（3）所示。

2）調(diào)頻指令分解

對于不同虛擬聚合商之間,本文以最小化調(diào)頻里程成本為目標(biāo)函數(shù),即調(diào)頻里程報(bào)價(jià)更小的虛擬聚合商具有優(yōu)先出清的權(quán)利,建立調(diào)頻指令分解模型。目標(biāo)函數(shù)為:

對于虛擬聚合EV,其需要根據(jù)虛擬聚合商所需調(diào)整的調(diào)頻里程Mj再次進(jìn)行調(diào)頻指令分解得到虛擬聚合EV 的調(diào)頻里程,EV 調(diào)頻里程可用mi表示,具體模型見附錄B。

3）調(diào)頻收益結(jié)算

傳統(tǒng)聚合商模式僅具有單一調(diào)頻性能指標(biāo)pVA,單輛EV 并無衡量指標(biāo),且聚合商需要獲得一定比例收益分成,其收益結(jié)算公式如式（7）所示。虛擬聚合調(diào)頻框架下,虛擬聚合EV 用戶調(diào)頻收益按照其對應(yīng)調(diào)頻性能指標(biāo)結(jié)算,其收益結(jié)算公式如式（8）所示。

3.4 分布式實(shí)時(shí)調(diào)頻指令分解模型

考慮到模型復(fù)雜度提升及變量維度增加的可能性,為使虛擬聚合商及虛擬聚合的EV 用戶在去中心化聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò)中相互達(dá)成共識(shí),分布式方法更適合作為調(diào)頻指令分解任務(wù)的解決方案。本文選取交替方向乘子法（ADMM）［30］將原模型分解為分布式模型。ADMM 基本原理是融合對偶上升法的可分解性與拉格朗日乘子法的收斂性,基于增廣拉格朗日函數(shù)將原問題分解為多個(gè)子問題,利用分塊變量和對偶變量交替迭代優(yōu)化。典型ADMM 問題及分布式求解方法介紹見附錄B。

首先,對式（4）至式（6）構(gòu)成的調(diào)頻指令分解模型進(jìn)行拉格朗日增廣,增廣函數(shù)為:

假設(shè)經(jīng)過I輪迭代收斂,則變量更新次數(shù)為I(K+1)次。隨著規(guī)模擴(kuò)大,每次變量更新均形成共識(shí)容易使求解時(shí)間超過1 min。為解決此問題,每輪迭代由隨機(jī)虛擬聚合商節(jié)點(diǎn)單獨(dú)完成,僅需完成2I次共識(shí)過程,鏈上實(shí)時(shí)調(diào)頻優(yōu)化流程見附錄B 圖B2,此流程也可以套用于虛擬聚合EV 間調(diào)頻指令分解。

4 算例分析

因?yàn)槿涨半A段虛擬聚合商只進(jìn)行基于式（1）、式（2）的調(diào)頻資源聚合,過程較為簡單,所以本文重點(diǎn)對實(shí)時(shí)調(diào)頻階段和收益結(jié)算階段進(jìn)行分析。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于聯(lián)盟鏈的實(shí)時(shí)調(diào)頻階段模擬算例,以驗(yàn)證虛擬聚合調(diào)頻框架的可行性,并對傳統(tǒng)聚合商、虛擬聚合商模式下的調(diào)頻里程收益情況進(jìn)行了分析。虛擬聚合商及EV 用戶調(diào)頻里程報(bào)價(jià)服從［5,15］的均勻分布,單位為元/（MW·h）,每輛EV初始調(diào)頻性能指標(biāo)服從［0.7,1］的均勻分布。虛擬聚合商調(diào)頻指令分解模型懲罰因子設(shè)為0.000 06,虛擬聚合EV 調(diào)頻指令分解模型懲罰因子設(shè)為0.05。本文搭建了20 個(gè)虛擬聚合商參與的聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證模型可行性,其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)共包含1 個(gè)排序節(jié)點(diǎn)、1 個(gè)調(diào)度節(jié)點(diǎn)、20 個(gè)虛擬聚合商節(jié)點(diǎn)（由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境限制,節(jié)點(diǎn)規(guī)模無法繼續(xù)擴(kuò)大,僅生成對應(yīng)充電樁節(jié)點(diǎn)的賬本,不在聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置具體的充電樁節(jié)點(diǎn)）。各虛擬聚合商代理實(shí)體包括充電站運(yùn)營商（編號(hào)1～12）、換電站運(yùn)營商（編號(hào)13～17）、虛擬聚合EV 用戶（編號(hào)18～20）,其調(diào)頻里程報(bào)價(jià)、調(diào)頻備用容量和調(diào)頻性能指標(biāo)見附錄C 表C1。

聯(lián)盟鏈V2G 交互網(wǎng)絡(luò)部署在虛擬機(jī)中,實(shí)驗(yàn)環(huán)境為Ubuntu 18.04,智能合約編程語言為Go,內(nèi)存為16 GB。

4.1 實(shí)時(shí)調(diào)頻指令分解

首先,在同一調(diào)頻指令下利用3 種不同方式進(jìn)行調(diào)頻指令分解。集中式模型對應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度中心集中優(yōu)化方案,分布式模型對應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度中心作為中心協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)的分布式優(yōu)化方案,智能合約對應(yīng)聯(lián)盟鏈去中心化的分布式優(yōu)化方案。前兩者基于Python 運(yùn)行,后者基于Go 運(yùn)行,結(jié)果對比如表3 所示。智能合約與其余2 種方法求解結(jié)果一致,耗時(shí)1.873 s,滿足1 min 調(diào)頻指令間隔,表明虛擬聚合商節(jié)點(diǎn)可在沒有中心協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)的情況下以去中心化協(xié)作的方式完成調(diào)頻指令分解,驗(yàn)證了虛擬聚合調(diào)頻框架的有效性。ADMM 優(yōu)化結(jié)果見附錄C 圖C1。超級賬本交易結(jié)果見附錄C 圖C2。

表3 不同優(yōu)化結(jié)果對比Table 3 Comparison of different optimization results

其次,選取美國PJM 市場單日60 條調(diào)頻指令模擬1 h 內(nèi)實(shí)時(shí)調(diào)頻情況,分析本文所提調(diào)頻指令分解模型表現(xiàn),虛擬聚合商之間實(shí)時(shí)調(diào)頻里程分配結(jié)果如附錄C 圖C3 所示,其優(yōu)化性能如表4 所示。由表4 可知,虛擬聚合商節(jié)點(diǎn)通過去中心化協(xié)作的方式,以平均4.59 s 的速度完成虛擬聚合商一級的調(diào)頻指令分解任務(wù)。虛擬聚合商20 由125 輛EV 虛擬聚合形成,以平均4.07 s 速度完成虛擬聚合EV 用戶一級的調(diào)頻指令分解任務(wù)。剩余時(shí)間足夠充電樁通過聯(lián)盟鏈獲取充電響應(yīng)策略完成物理響應(yīng),滿足所提框架中1 min 調(diào)頻指令時(shí)間間隔,驗(yàn)證了虛擬聚合調(diào)頻框架的可行性。

表4 智能合約分布式優(yōu)化性能Table 4 Distributed optimization performance of smart contracts

4.2 收益結(jié)算分析

參考文獻(xiàn)［31］方法,通過模擬EV 實(shí)際響應(yīng)數(shù)據(jù),以5 min 為收益結(jié)算時(shí)間間隔,60 條調(diào)頻指令共分為12 個(gè)調(diào)頻區(qū)間,選取虛擬聚合商20 中部分用戶調(diào)頻里程收益進(jìn)行分析。市場邊際出清價(jià)格一般為所有參與調(diào)頻主體中的最高報(bào)價(jià),根據(jù)4.1 節(jié)調(diào)頻里程分配結(jié)果,得到12 個(gè)調(diào)頻區(qū)間最高結(jié)算價(jià)格如附錄C 表C2 所示。

首先,選取較高響應(yīng)水平、較低響應(yīng)水平的兩類EV 用戶分析其收益與調(diào)頻性能指標(biāo),變化如圖4 所示。圖4（a）代表EV 用戶14,其初始調(diào)頻性能指標(biāo)為0.75,調(diào)頻里程報(bào)價(jià)為7.49 元/（MW·h）。圖4（b）代表EV 用戶18,其初始調(diào)頻性能指標(biāo)為0.93,調(diào)頻里程報(bào)價(jià)為6.34 元/（MW·h）。圖中,藍(lán)色表示虛擬聚合模式下用戶完全響應(yīng)時(shí)獲得的調(diào)頻里程收益；橙色表示虛擬聚合模式下用戶響應(yīng)有偏差時(shí)獲得的調(diào)頻里程收益；綠色表示在傳統(tǒng)聚合商模式下用戶響應(yīng)有偏差時(shí)獲得的調(diào)頻里程收益。

圖4 不同響應(yīng)水平調(diào)頻里程收益對比Fig.4 Comparison of frequency regulation mileage benefits at different response levels

假設(shè)其余車輛調(diào)頻性能指標(biāo)保持不變,在傳統(tǒng)聚合商模式下,計(jì)算聚合商在12 個(gè)調(diào)頻區(qū)間內(nèi)的調(diào)頻性能指標(biāo),EV 調(diào)頻里程收益按照聚合商調(diào)頻性能指標(biāo)結(jié)算,用戶收益分成比例α按照0.8 計(jì)算［7］。EV 虛擬聚合模式下,EV 用戶14 隨著自身響應(yīng)水平提高,實(shí)際收益與理想收益的差距減小,總體收益高于傳統(tǒng)聚合商模式25.99%。而EV 用戶18 則隨著自身響應(yīng)水平下降,實(shí)際收益與理想收益的差距隨之?dāng)U大,但由于聚合商占有20%分成,其總體收益仍高于傳統(tǒng)聚合商模式19.52%。由此可得,對比傳統(tǒng)聚合商的單一調(diào)頻性能指標(biāo),單輛EV 調(diào)頻性能指標(biāo)對于用戶調(diào)頻里程收益的反饋更明顯、更迅速,表明虛擬聚合模式對提高EV 用戶響應(yīng)水平的引導(dǎo)效果更好。

其次,將125 輛EV 在調(diào)頻過程中分為高調(diào)頻性能指標(biāo)與低調(diào)頻性能指標(biāo)兩組,高調(diào)頻性能指標(biāo)服從［0.9～1］之間的均勻分布（如EV1～EV75）,低調(diào)頻性能指標(biāo)服從［0.7,0.8］之間的均勻分布（如EV76～EV125）,兩種模式下EV 收益對比見圖5。

圖5 不同調(diào)頻框架下里程收益對比Fig.5 Comparison of mileage benefits in different frequency regulation framework

高調(diào)頻性能指標(biāo)用戶群體的調(diào)頻里程收益在本文所提模式下相比傳統(tǒng)聚合模式提高了36.47%；低調(diào)頻性能指標(biāo)用戶群體的調(diào)頻里程收益提高了7.52%。調(diào)頻性能指標(biāo)較高的EV 用戶相比傳統(tǒng)聚合商模式收益更高,而且調(diào)頻性能指標(biāo)較低的EV用戶也未降低,說明虛擬聚合調(diào)頻框架下,調(diào)頻里程收益在EV 用戶之間分配更為合理,有利于引導(dǎo)EV用戶保持高調(diào)頻性能。

5 結(jié)語

本文基于聯(lián)盟鏈搭建了包含車樁網(wǎng)商的去中心化V2G 交互網(wǎng)絡(luò),以鏈上虛擬聚合的方式為EV 用戶提供了直接參與調(diào)頻輔助服務(wù)的途徑,通過鏈上虛擬聚合商節(jié)點(diǎn)的部署使電網(wǎng)調(diào)度中心、充電樁運(yùn)營商、傳統(tǒng)聚合商、虛擬聚合EV 用戶安全地共享信息,通過部署不同交易階段的智能合約,使各方以去中心化形式得到一致的調(diào)頻里程分配方案,并完成物理響應(yīng),解決了實(shí)際環(huán)境中車樁網(wǎng)商的地位不平等、信息不對稱以及聚合商與用戶之間的利益沖突與隱私安全問題。

通過對實(shí)時(shí)調(diào)頻階段進(jìn)行模擬分析,結(jié)果表明在本文所提框架下,虛擬聚合EV 用戶能夠響應(yīng)分鐘級調(diào)頻指令,并通過智能合約得到調(diào)頻里程分配方案,驗(yàn)證了所提虛擬聚合調(diào)頻技術(shù)的可行性與有效性。通過收益對比分析得出,在本文所提虛擬聚合調(diào)頻框架下,調(diào)頻性能指標(biāo)的改變可快速反饋至用戶調(diào)頻里程收益,能有效引導(dǎo)EV 用戶保持在較高的響應(yīng)水平,為提高新型電力系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)能力提供了新的思路。

本文所提框架也適用于時(shí)間尺度更長的能量及備用輔助服務(wù)市場,但目前鏈上智能合約較為簡單,且串行迭代方式可能限制聚合規(guī)模擴(kuò)大,還存在一定不足。后續(xù)研究中可考慮優(yōu)化聯(lián)盟鏈的智能合約及鏈下處理機(jī)制,實(shí)現(xiàn)異步優(yōu)化,提高鏈上交互速度與規(guī)模。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡(luò)全文。