魏文淼，張洪銘，田學(xué)剛，林清萬，林文肖，逯傳林

(1.山東方行智能科技有限公司 山東 濟(jì)南 250000；2.青島大學(xué) 經(jīng)濟(jì)學(xué)院，山東 青島 266000)

隨著分布式電源技術(shù)[1-2]的成熟以及售電市場的不斷完善，未來將有大量具有自主決策的發(fā)電商參與電力市場競爭。在這種新環(huán)境下，配電網(wǎng)中風(fēng)、光、儲、互動負(fù)荷等資源的優(yōu)化配置必然需要更靈活的內(nèi)部交易機(jī)制[3]，然而配電網(wǎng)較傳統(tǒng)輸電網(wǎng)相比有很大不同[4]。首先，配電網(wǎng)用電用戶數(shù)量多，但單筆交易的規(guī)模通常較?。黄浯?，每個(gè)發(fā)電商對發(fā)電設(shè)備擁有完全的控制權(quán)。此外，發(fā)電和報(bào)價(jià)策略的特點(diǎn)存在很大的不確定性和差異性。同時(shí)，生產(chǎn)者和消費(fèi)者的自身利益使得他們對交易的公平性、隱私性和非歧視性提出了更高的要求。

為此，許多研究通過在分布式配電網(wǎng)絡(luò)交易中引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)[5]解決上述問題。張志偉等[6]為了解決配電網(wǎng)電力交易的效率及交易的公平性及透明度等問題，提出了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的配電網(wǎng)電力交易方法。邰雪等[7]利用區(qū)塊鏈技術(shù)以智能合約的形式存儲電力交易信息并自動執(zhí)行資金轉(zhuǎn)移，記錄智能電表采集的電能數(shù)據(jù)，中心機(jī)構(gòu)僅對達(dá)成的交易進(jìn)行安全校核和阻塞管理。王蓓蓓等[8]從點(diǎn)對點(diǎn)(P2P)交易、集合競價(jià)以及連續(xù)雙邊拍賣3個(gè)方面，分析了國內(nèi)外在區(qū)塊鏈交易方面的研究現(xiàn)狀。然而大部分方法在設(shè)計(jì)電力交易系統(tǒng)時(shí)未考慮傳輸能力容量限制，一定程度上影響了系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果。

筆者充分考慮傳輸能力容量限制，在研究電力交易模型基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于區(qū)塊鏈的電力交易方案，并對交易模式、安全檢查及運(yùn)行機(jī)制進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 配電網(wǎng)交易模型

假定供電方和用戶雙方之間存在動態(tài)平衡，即電力交易可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間的靈活交易，消除供應(yīng)方和用戶的實(shí)際輸出(或負(fù)載)和用電規(guī)劃偏差。在電力交易中，分布式電力供應(yīng)商和用戶需要制定出售(購買)規(guī)劃偏離用電量的交易計(jì)劃，從而消除實(shí)際供電發(fā)電量與計(jì)劃用電量不匹配產(chǎn)生的偏差。此時(shí)，電力供應(yīng)商以競買人的身份出售剩余的電力，電力用戶購買投標(biāo)人出售的剩余電力。模型如式(1)所示。

(1)

式中：ΩA為電力銷售商的集合；Ui(·)為投標(biāo)人i的電力銷售收入函數(shù)；Pi,A為售電方i的銷售數(shù)量，且有Pi,A>0，即售電方存在剩余電力。

進(jìn)一步，電力供應(yīng)商和買方之間存在的電力平衡可描述為：

(2)

式中：ΩB為買方用戶的集合；Pi,B為第i個(gè)購電用戶的購電數(shù)量。這種設(shè)計(jì)電力交易系統(tǒng)時(shí)未考慮傳輸能力容量限制。

令Pi,A,max、Pi,A,min分別為電力銷售商出售電力的上限和下限值，則有：

Pi,A,max≤Pi,A≤Pi,A,min

(3)

現(xiàn)實(shí)環(huán)境中需考慮配電網(wǎng)功率限制，故電力平衡公式可更新為：

(4)

2 基于區(qū)塊鏈的電力交易方案

2.1 系統(tǒng)框架

圖1為基于區(qū)塊鏈的電力交易機(jī)制框架圖。該框架包含以下實(shí)體：①電網(wǎng)：電網(wǎng)是當(dāng)?shù)氐哪茉醇庸鏊?。?dāng)系統(tǒng)總能量不能滿足需求時(shí)。電網(wǎng)將為系統(tǒng)供電。當(dāng)系統(tǒng)有多余的電力時(shí)，它可以反饋給電網(wǎng)。電網(wǎng)一般以批發(fā)價(jià)購買分布式電源。②發(fā)電系統(tǒng)：完整的光伏發(fā)電系統(tǒng)包括太陽能電池板、能量處理組件和電池等。③智能電表：智能電表可以反映用戶當(dāng)前的耗電量、電池當(dāng)前的存儲容量、當(dāng)前太陽能電池板發(fā)電量，并完成人機(jī)交互頁面，從而設(shè)置用戶的最小剩余電量。④用戶：小型電能系統(tǒng)中的用戶扮演3種不同的角色：生產(chǎn)者、消費(fèi)者和提供者。每個(gè)用戶是電能系統(tǒng)中一個(gè)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)，具有一定的計(jì)算能力。⑤支付貨幣：電能的交易是通過代幣進(jìn)行的。系統(tǒng)通過改進(jìn)的PoW機(jī)制發(fā)行代幣。代幣可以兌換成真正的貨幣。

圖1 基于區(qū)塊鏈的電力交易機(jī)制框架

分布式電力網(wǎng)中單個(gè)節(jié)點(diǎn)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)用戶需要外部電源時(shí)，可以關(guān)閉S2接收外部電源。當(dāng)用戶有額外的權(quán)力出售，用戶可以關(guān)閉S3。當(dāng)用戶不需要與外部電源進(jìn)行交互時(shí)，關(guān)閉S1、斷開S2、S3，用戶仍然屬于網(wǎng)絡(luò)，就像橋梁一樣，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間沒有直接連接。

圖2 分布式電力網(wǎng)中單個(gè)節(jié)點(diǎn)的基本結(jié)構(gòu)

2.2 交易模式

虛擬貨幣交易面臨兩個(gè)主要問題，其一是二次消費(fèi)，其二是需要建立共識機(jī)制[9-10]。參考較為成熟的比特幣區(qū)塊鏈模型，將P2P交易模型延續(xù)為比特幣模型來解決二次消費(fèi)問題。因此，在區(qū)塊鏈寫入之前，采用時(shí)間戳機(jī)制證明交易的時(shí)間順序，規(guī)定保持6個(gè)阻塞時(shí)間單位的確認(rèn)時(shí)間。

為了根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)條件競爭性地求解最優(yōu)配電方案，求解最優(yōu)輸電方案的用戶節(jié)點(diǎn)獲得下一時(shí)段的計(jì)費(fèi)權(quán)，并獲得每筆交易扣除的一定金額的電費(fèi)和交易費(fèi)，筆者采用一種改進(jìn)的POW機(jī)制。需注意，筆者選取ERC-20 Token作為支付貨幣。通過修改以太幣對Token的匯率，Token的價(jià)值始終為0.01元人民幣，稱為穩(wěn)定幣。在其余部分，Token為價(jià)格的基本單位。

令各節(jié)點(diǎn)智能電網(wǎng)提交發(fā)電量為PGi，功耗為PEi，同時(shí)當(dāng)前的電池儲備為Ei。每T時(shí)計(jì)算一次當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的用電需求，則下一個(gè)T時(shí)用戶的用電需求量ERi的計(jì)算如式(5)所示。

ERi=PGi·T-PEi·T+Ei

(5)

如果ERi為正值，智能電表會提示用戶當(dāng)前期間可出售的電能的瓦數(shù)，用戶可以自由決定出售或以默認(rèn)設(shè)置自動出售多少電能(<100%)，同時(shí)廣播到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)。如果ERi為負(fù)值，智能電表會提示用戶當(dāng)前期間所需的瓦數(shù)，用戶可以自由決定購買量，或在默認(rèn)設(shè)置下自動購買(>100%)，同時(shí)廣播到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)。此時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài)可以根據(jù)前一個(gè)時(shí)段和用戶的自定義設(shè)置來計(jì)算。

2.設(shè)立服務(wù)場所，配套設(shè)施到位。鄉(xiāng)鎮(zhèn)統(tǒng)籌規(guī)劃行政服務(wù)中心區(qū)域位置，在方便企業(yè)和群眾辦事的地點(diǎn)開設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)大廳，分類設(shè)置窗口，實(shí)行開放式集中辦公。行政服務(wù)中心辦事大廳按標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一配置柜臺和辦公設(shè)備，提供等候場所和人性化服務(wù)設(shè)施，面積必須保證窗口設(shè)置需要。各窗口必須統(tǒng)一設(shè)置標(biāo)志牌，標(biāo)明部門名稱，工作人員亮牌上崗。政務(wù)服務(wù)內(nèi)容應(yīng)在大廳按要求公開。

綜上，根據(jù)式(5)建立的多目標(biāo)優(yōu)化模型，如式(6)所示。

(6)

式中：fC(E)為傳輸損耗函數(shù)；fD(E)為用戶的總支出函數(shù)；Emin≤E≤Emax為能量輸入約束，Emin為能量輸入下限，Emax為能量輸入上限。從能源系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)約束、儲能設(shè)備的運(yùn)行約束等方面進(jìn)行分析分布式能量處理約束，目標(biāo)函數(shù)是根據(jù)節(jié)點(diǎn)之間的距離和當(dāng)前電網(wǎng)的實(shí)時(shí)交易價(jià)格，以獲取最小網(wǎng)絡(luò)能量損失和最小用戶節(jié)點(diǎn)總支出為目標(biāo)。該約束問題最終可轉(zhuǎn)化為求解運(yùn)籌學(xué)問題的最優(yōu)解，并通過對圖2中S1、S2、S3的控制，平衡當(dāng)前電網(wǎng)的功率，從而實(shí)現(xiàn)電力能源的充分利用。

2.3 安全檢查

系統(tǒng)運(yùn)行過程中需要檢查用戶節(jié)點(diǎn)計(jì)算方案是否安全。一般情況下，安全檢查有兩種方法。第一種為用戶節(jié)點(diǎn)向中央管理機(jī)構(gòu)報(bào)告臨時(shí)交易。中央管理機(jī)構(gòu)根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和路由參數(shù)，采用潮流方程計(jì)算交易完成后每條線路的潮流，并將其與當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)所能承受的最大電流進(jìn)行比較，以確定交易是否滿足安全檢查的要求。第二種為用戶節(jié)點(diǎn)計(jì)算，根據(jù)計(jì)算出的最優(yōu)解對迭代結(jié)果進(jìn)行修正。首先對分布式計(jì)算線路與自身相連的潮流進(jìn)行反復(fù)迭代，并與最大行流量進(jìn)行比較，以確定交易是否滿足安全檢查條件。第一種方法實(shí)現(xiàn)簡單，但可靠性較低；第二種方法實(shí)現(xiàn)過程復(fù)雜，但是可靠性與效率較第一種提升明顯。因此采用第二種方案并進(jìn)行形式化描述，具體過程如下。

(1)在網(wǎng)絡(luò)中選擇一個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)i，令其相位角設(shè)置為0(所有用戶初始相位角都為0)。

(2)將節(jié)點(diǎn)i連接到節(jié)點(diǎn)集ERi。當(dāng)節(jié)點(diǎn)i可以對其他節(jié)點(diǎn)計(jì)算注入功率P時(shí)，連接到節(jié)點(diǎn)i的節(jié)點(diǎn)向節(jié)點(diǎn)i發(fā)送相位角信息。此時(shí)，根據(jù)式(7)更新相位角。

αi(k+1)=αi(k)·

(7)

式中：αi為節(jié)點(diǎn)i的相位角；k為迭代次數(shù)；Xij為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間的阻抗；β的計(jì)算方法如式(8)所示，其中ω為松弛因子。式(7)和式(8)本質(zhì)上是式(9)的SOR迭代解。

(8)

Bα=P

(9)

式中：B為節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的虛部；α為列向量，表示每個(gè)節(jié)點(diǎn)的相位角；P為向量列，表示每個(gè)節(jié)點(diǎn)的注入功率。

(10)

其中，ε為一個(gè)正數(shù)。

(4)完成交易結(jié)算。結(jié)算單價(jià)按式(9)計(jì)算，且所有用戶按單價(jià)結(jié)算。

3 仿真與分析

基于以太網(wǎng)專用鏈建立分布式電力交易平臺，并對仿真網(wǎng)絡(luò)場景進(jìn)行仿真測試。系統(tǒng)仿真配電網(wǎng)鏈路結(jié)構(gòu)如圖3所示，該結(jié)構(gòu)本質(zhì)為改進(jìn)的IEEE33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)，各節(jié)點(diǎn)接入情況如表1所示。

圖3 系統(tǒng)仿真配電網(wǎng)鏈路結(jié)構(gòu)

表1 配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)接入情況

此外，為簡化計(jì)算過程，仿真環(huán)節(jié)僅考慮實(shí)時(shí)多邊貿(mào)易階段。表2為配電網(wǎng)各支路輸電閾值統(tǒng)計(jì)情況，表3為用戶報(bào)價(jià)與修正后的電力交易情況。

表2 配電網(wǎng)各支路輸電閾值統(tǒng)計(jì)情況

由表3可知，修正流量后，A用戶和H用戶賣出電量分別為4.20 kW·h、1.27 kW·h，未完全賣出投標(biāo)電量；E用戶賣出更多電量達(dá)到1.23 kW·h；G用戶和I用戶作為新賣家賣出，分別賣出2.96 kW·h和3.61 kW·h。

表3 用戶報(bào)價(jià)統(tǒng)計(jì)與修正后電力交易情況

4 結(jié)論

(1)以分布式配電網(wǎng)中電力交易方案為研究對象，構(gòu)建基于區(qū)塊鏈的電力交易模型，針對系統(tǒng)框架、交易模式、安全檢查及運(yùn)行機(jī)制進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

(2)仿真分析結(jié)果表明研究方法能夠在滿足傳輸容量閾值限制下完成節(jié)點(diǎn)的售電，進(jìn)一步驗(yàn)證了研究方法的有效性及實(shí)用性。

(3)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)未考慮用戶隱私及數(shù)據(jù)泄露等安全風(fēng)險(xiǎn)，未來可利用區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)安全，可靠性高等優(yōu)勢對用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，降低用戶隱私泄露風(fēng)險(xiǎn)。