孟 明， 商 聰， 馬思源， 趙慧婷

(新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學(xué))，河北 保定 071003)

0 引 言

近年來,可再生能源以其儲備充足、分布范圍廣、環(huán)境污染小等特點,逐漸成為應(yīng)對全球氣候變化和能源緊缺問題的主要能源消費方式。綜合能源系統(tǒng)(Integrated energy system,IES)將不同品質(zhì)和特性的化石能源和可再生能源轉(zhuǎn)換成冷、熱、電等多種用戶直接需求的能源[1],實現(xiàn)了區(qū)域內(nèi)、跨區(qū)域間能源生產(chǎn)、傳輸、分配、轉(zhuǎn)換、存儲、消費等環(huán)節(jié)的有機(jī)協(xié)調(diào)與協(xié)同優(yōu)化[2],作為提高社會能源利用率、促進(jìn)可再生能源消納、降低用能成本以及節(jié)能減排的有效理念得到了快速發(fā)展。同時,當(dāng)今世界碳排量與日俱增,減少碳排量已成為各國共識,綜合能源系統(tǒng)概念的提出為我國碳減排提供了新的思路,有必要引入碳交易來兼顧綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與低碳環(huán)保性,擴(kuò)大新能源發(fā)電占比,降低碳排量,建設(shè)清潔低碳、安全高效的能源體系。

優(yōu)化IES供給結(jié)構(gòu),實現(xiàn)能源間耦合互補(bǔ)、相互替代是促進(jìn)可再生能源消納,實現(xiàn)節(jié)能減排的重要方式。文獻(xiàn)[3]通過對國內(nèi)外綜合能源系統(tǒng)示范工程的學(xué)習(xí)與對比,總結(jié)了綜合能源系統(tǒng)中分布式發(fā)電設(shè)備的建設(shè)與控制運行方式。文獻(xiàn)[4]選取電氣、煙氣、蒸汽、熱水、空氣作為基本母線,與源、轉(zhuǎn)換裝置、儲能、負(fù)荷聯(lián)接構(gòu)建了綜合能源優(yōu)化調(diào)度通用建模方法。文獻(xiàn)[5]利用場景分析法對可再生能源出力隨機(jī)性進(jìn)行建模并通過建立區(qū)域綜合能源系統(tǒng)模型仿真分析出了可再生能源的波動性對綜合能源系統(tǒng)的影響。文獻(xiàn)[6]將冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)與微電網(wǎng)相結(jié)合,針對含冷熱電連供系統(tǒng)的微網(wǎng)從經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化目標(biāo)和隨機(jī)性處理方法兩方面綜述其優(yōu)化調(diào)度策略并闡述了優(yōu)化模型的求解方法和優(yōu)化調(diào)度策略的具體實施方法。為反映不同能源系統(tǒng)間的相互影響。隨著單一負(fù)荷的需求響應(yīng)已無法滿足多類負(fù)荷需求量增長的現(xiàn)狀,實現(xiàn)多種負(fù)荷聯(lián)合調(diào)度及綜合需求響應(yīng)(Integrated Demand Response,IDR)已成為綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行研究的重要方向。文獻(xiàn)[7]根據(jù)綜合能源系統(tǒng)能源需求側(cè)的特征,構(gòu)建了考慮價格需求響應(yīng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[8]基于需求響應(yīng)量、響應(yīng)波動量、波動幅度在不同用戶激勵水平下的變化特征,構(gòu)建了需求響應(yīng)不確定性云模型。文獻(xiàn)[9]針對綜合能源熱電耦合系統(tǒng)中能量垂直轉(zhuǎn)換與用能負(fù)荷水平轉(zhuǎn)移的協(xié)調(diào)用能優(yōu)化問題,針對智能電網(wǎng)中的電能需求,提出了一種計及用能負(fù)荷側(cè)需求響應(yīng)的智慧能源小區(qū)熱電耦合系統(tǒng)用能供電優(yōu)化方案。文獻(xiàn)[10]對計及綜合需求側(cè)響應(yīng)的電-氣綜合能源協(xié)同優(yōu)化問題進(jìn)行了探討,建立了電-氣聯(lián)合考慮需求模型。文獻(xiàn)[11]針對需求側(cè)負(fù)荷波動以及天然氣動態(tài)特性,采用Wasserstein 距離分布魯棒方法,構(gòu)建了不確定變量合集。以上文獻(xiàn)對于需求側(cè)響應(yīng)的研究較為單一,鮮有考慮冷、熱、電三種柔性負(fù)荷的綜合需求響應(yīng),且均未考慮傳統(tǒng)機(jī)組碳排放對環(huán)境的影響。

在IES和低碳電力的要求下,國家相關(guān)部門已將碳排放作為核心問題,目前碳交易機(jī)制被認(rèn)為是減少碳排放最有效的方式之一。文獻(xiàn)[12]梳理了我國碳排放交易市場的發(fā)展歷程,舉例以北京、上海等地區(qū)為代表的碳排放交易市場試點制度建設(shè)與顯著成果。文獻(xiàn)[13]詳細(xì)解釋了“碳中和”與“碳達(dá)峰”的目標(biāo)內(nèi)涵,并指出電力行業(yè)作為先行行業(yè),其能源結(jié)構(gòu)調(diào)整對實現(xiàn)低碳社會的重要作用。文獻(xiàn)[14] 圍繞碳交易在綜合能源系統(tǒng)中的應(yīng)用,深入分析了碳交易對綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃和運行的影響。文獻(xiàn)[15]引入?yún)^(qū)域碳排放量平衡概念以平衡不同地區(qū)間的污染狀況。文獻(xiàn)[16]針對城市低碳與廢物減量需求,建立了包含碳交易機(jī)制與廢物處理的綜合能源系統(tǒng)能量流轉(zhuǎn)模型,對城市綜合能源系統(tǒng)低碳運行提供了參考價值。

在可再生能源電力占比上升的前提下,電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、控制方式、運行模式等逐漸改變。區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)的不斷涌現(xiàn),極大推動了能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)。區(qū)塊鏈技術(shù)作為一種分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù),擁有去中心化、公開透明、不可篡改、可以追溯等功能,與綜合能源系統(tǒng)具有良好的契合度,將區(qū)塊鏈技術(shù)合理運用到綜合能源系統(tǒng)中,能夠保障綜合能源服務(wù)場景優(yōu)化調(diào)度的公開透明性,提高數(shù)據(jù)的安全性和可靠性,減少信用認(rèn)證成本,提升效益,改善效率,解決目前面臨的多種困難,符合電力改革的發(fā)展需求,有助于智能電網(wǎng)的建設(shè)。文獻(xiàn)[17-18]概述了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能分布式電力能源系統(tǒng)的需求、概念、方法以及展望。文獻(xiàn)[19]為了解決綜合能源系統(tǒng)調(diào)度過程中的信息安全和損耗問題,提出了一種以能源區(qū)塊鏈為基礎(chǔ)的綜合能源系統(tǒng)服務(wù)調(diào)度優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[20]將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于考慮風(fēng)電出力不確定性中,利用區(qū)塊鏈技術(shù)獲取歷史數(shù)據(jù),建立基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的兩階段魯棒優(yōu)化調(diào)度模型,算例結(jié)果表明了所提方法的有效性。文獻(xiàn)[21]分析了區(qū)塊鏈技術(shù)與微電網(wǎng)中電能交易的契合度,提出一種基于智能合約的分布式電能交易方法。文獻(xiàn)[22]在傳統(tǒng)碳排放交易機(jī)制的基礎(chǔ)上引入信用評分機(jī)制,定義了交易優(yōu)先權(quán)值,建立了智能合約模型,從而實現(xiàn)了碳排放權(quán)和貨幣的自動計量。文獻(xiàn)[23]從IDR的基本概念入手,分析了可交易IDR資源的基本特征,分析了將區(qū)塊鏈技術(shù)引入需求響應(yīng)資源市場交易的可行性。文獻(xiàn)[24]設(shè)計了面向用戶側(cè)的基于物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈的能源區(qū)塊鏈平臺,實現(xiàn)了分布式發(fā)電單元與用電單元的協(xié)同優(yōu)化。

基于上述分析,目前多數(shù)文獻(xiàn)僅單獨研究IES經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)環(huán)境效益和信息融合安全問題,很少有將三者結(jié)合后考慮。因此,本文將基于區(qū)塊鏈技術(shù)對同時考慮電、熱、冷綜合需求響應(yīng)和碳交易成本的IES運行優(yōu)化方法進(jìn)行研究。首先建立了面向綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的區(qū)塊鏈總體架構(gòu),分析了區(qū)塊鏈技術(shù)下適用于IES的半中心化運行機(jī)制;然后對IES進(jìn)行典型設(shè)備進(jìn)行數(shù)學(xué)建模;接著,基于設(shè)備模型,考慮電、熱、冷綜合需求響應(yīng)對系統(tǒng)的影響,建立以最小化運行費用和碳交易成本為目標(biāo)的優(yōu)化模型;最后,通過MATLAB進(jìn)行仿真,并采用CPLEX進(jìn)行求解,仿真結(jié)果驗證了所提方法在IES經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運行時的有效性。

1 面向綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的區(qū)塊鏈總體架構(gòu)

1.1 冷熱電聯(lián)供IES結(jié)構(gòu)

IES連接輸運側(cè)與用戶側(cè),結(jié)構(gòu)復(fù)雜,系統(tǒng)內(nèi)包含元件眾多,面對不同的負(fù)荷需求和供能狀況,需要選擇因地制宜、因時制宜地選擇合適的能源供應(yīng)模式[25]。本文研究的冷熱電聯(lián)供IES如圖 1 所示。系統(tǒng)內(nèi)含能源設(shè)備主要包括光伏電源(photovoltaic,PV)、風(fēng)力機(jī)組(wind turbine,WT)、燃料電池(fuel cell,FC)、燃?xì)廨啓C(jī)(gas turbine,GT)和燃?xì)忮仩t(gas boiler,GB);儲能系統(tǒng)主要包括儲電設(shè)備(energy storage,ES)、儲熱設(shè)備(heat storage,HS);能量轉(zhuǎn)換設(shè)備包括余熱鍋爐(waste heat boiler,WHB)、電鍋爐(electric boiler,EB) 、吸收式制冷機(jī)(absorption refrigeratoion,AR)、電制冷機(jī)(electric refrigerator,ER)等。

圖1 冷熱電聯(lián)供綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of combined cooling, heating and power integrated energy system

1.2 基于區(qū)塊鏈輔助決策的IES調(diào)度模型

IES內(nèi)部裝置復(fù)雜,包含多種不同類型能源,若不進(jìn)行合理地能源調(diào)度分配,將會導(dǎo)致部分設(shè)備負(fù)荷率低,影響生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)收益。而采用傳統(tǒng)調(diào)度方法,將無實現(xiàn)高速處理海量系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)據(jù)采集與處理,也無法保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。利用區(qū)塊鏈技術(shù)的信息高度透明開放、可追溯性等特點,將其應(yīng)用到綜合需求響應(yīng)服務(wù)、系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化以及碳排放額等方面上,賦予IES靈活感知、實時通信、智能調(diào)度等能力,有利于加強(qiáng)分布式電源與調(diào)度機(jī)構(gòu)的交互,促進(jìn)發(fā)展綠色電力、減少碳排放?？紤]到我國電力市場的特點,能源區(qū)塊鏈的建設(shè)與發(fā)展仍需借助大電網(wǎng)調(diào)度的物理基礎(chǔ),必然要受到調(diào)度管控限制,若采用完全去中心化的結(jié)構(gòu),對電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性會產(chǎn)生很大的影響,因此,仍需開放調(diào)度中心部分權(quán)限來保障電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行。調(diào)度中心相當(dāng)于樞紐站,雖不作能量流的傳遞,但需與各分布式發(fā)電單元對接,同時對負(fù)荷預(yù)測值等信息進(jìn)行報備、管理。綜合考慮以上因素,本文設(shè)計了一種基于區(qū)塊鏈的IES半中心化調(diào)度運行模型,如圖2所示,引入了作為IES信息交互和數(shù)據(jù)存儲中心的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò),系統(tǒng)中每個節(jié)點都有權(quán)限訪問數(shù)據(jù)信息并儲存于本地,個別能源供需主體的惡意行為不會對系統(tǒng)造成影響,提升了系統(tǒng)的監(jiān)管能力和數(shù)據(jù)共享功能。

圖2 基于區(qū)塊鏈的綜合能源系統(tǒng)調(diào)度模型Fig. 2 Dispatching model of integrated energy system based on blockchain

1.3 基于區(qū)塊鏈的IES半中心化運行機(jī)制

IES中各發(fā)電單元、電力用戶都可視為一個能源節(jié)點,通過智能合約資質(zhì)檢驗函數(shù)進(jìn)行注冊認(rèn)證,獲得其專屬的數(shù)字證書certificate和特定身份ID,作為加入網(wǎng)絡(luò)的唯一身份標(biāo)識,認(rèn)證成功的節(jié)點加入?yún)^(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)時,獲得其對應(yīng)的私鑰和公鑰(PriKEYi,PubKEYi),才可參與到IES調(diào)度運行中。各節(jié)點的狀態(tài)信息通過智能電表采集并進(jìn)行實時監(jiān)控,上傳至網(wǎng)絡(luò)中,系統(tǒng)中每隔一段時間形成一個新的區(qū)塊、每個區(qū)塊儲存當(dāng)前IES的最新狀態(tài)和調(diào)度信息,使綜合能源調(diào)度中心可以從網(wǎng)絡(luò)中獲取準(zhǔn)確的歷史數(shù)據(jù)和最新的狀態(tài)和調(diào)度信息,以保證IES優(yōu)化調(diào)度的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。具體狀態(tài)和調(diào)度信息內(nèi)容見表1,具體步驟如下說明：

表1 區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)存儲的信息Tab.1 Stored information of blockchain network

(1)所有能源節(jié)點向網(wǎng)絡(luò)提交自身特定身份ID,將其作為唯一身份標(biāo)識進(jìn)行驗證,若驗證成功,則可加入網(wǎng)絡(luò),轉(zhuǎn)步驟(2);否則需重新提交身份ID;

(2)各電力用戶訪問歷史數(shù)據(jù)完成對未來目標(biāo)時段用電量等需求預(yù)測,各發(fā)電單元根據(jù)天氣情況、產(chǎn)能信息、市場趨勢等完成未來目標(biāo)時段出力預(yù)測,調(diào)度中心開放部分供、用電計劃;

(3)各節(jié)點廣播并發(fā)布當(dāng)前狀態(tài)信息及預(yù)測信息,利用鏈?zhǔn)降募用軈^(qū)塊驗證存儲備份,保證數(shù)據(jù)的溯源和定位功能,加入時間戳保證區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫是不可篡改和偽造的,同時各節(jié)點接受其他節(jié)點狀態(tài)信息及預(yù)測信息;

(4)各發(fā)電單元根據(jù)預(yù)測信息,考慮各方約束條件基于區(qū)塊鏈進(jìn)行協(xié)商,調(diào)用智能合約完成初步聯(lián)合出力計算,形成調(diào)度方案,并將該調(diào)度方案廣播。IES調(diào)度中心根據(jù)發(fā)布信息,完成方案審核,若方案審核成功,轉(zhuǎn)步驟(5);否則需重新提交調(diào)度方案;

(5)IES調(diào)度中心通知網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點方案通過,并將各類能源電廠的約束條件及已過審的聯(lián)合出力最優(yōu)調(diào)度方案等信息生成區(qū)塊保存,各能源節(jié)點按照保存在區(qū)塊鏈中該目標(biāo)時段的調(diào)度方案運行,本調(diào)度周期結(jié)束。

2 考慮冷熱電綜合需求響應(yīng)的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化模型

2.1 綜合能源系統(tǒng)主要設(shè)備建模

IES包含的設(shè)備主要設(shè)備有燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、燃?xì)忮仩t、蓄電池、電鍋爐、蓄熱槽、制冷設(shè)備及外部配電網(wǎng)等。風(fēng)電場與光伏電站作為分布式電源接入系統(tǒng),其設(shè)備物理模型不再建模。

2.1.1 燃?xì)廨啓C(jī)與余熱鍋爐

冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中的燃?xì)廨啓C(jī)將連續(xù)流動的氣體增壓后與燃料充分反應(yīng),形成高溫高壓的燃?xì)鈳油钙礁咚傩D(zhuǎn),從而輸出機(jī)械功的內(nèi)燃式動力機(jī)械,在發(fā)電的同時,還作為天然氣系統(tǒng)的負(fù)荷,產(chǎn)生的余熱通過余熱鍋爐或者熱源式制冷設(shè)備回收后向用戶輸出熱功率和冷功率,其電、熱出力表達(dá)式為

(1)

GT運行時還需滿足運行功率約束和爬坡約束：

(2)

2.1.2 燃?xì)忮仩t

(3)

2.1.3 儲能設(shè)備

IES中的儲能設(shè)備包含儲電和儲熱設(shè)備,其中蓄電池作為一種電儲能設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用,為避免小功率和低荷電狀態(tài)下充放電對壽命的不利影響,儲電裝置的操作限制主要是對其充放電容量和容量的制約[2],即

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：T為充放電周期。

實際運行時,蓄電池要滿足式(8)所示的充放電爬坡率約束[4]：

(8)

2.1.4 電鍋爐

EB可在電價谷時期把富余的電能轉(zhuǎn)換成熱能滿足用戶熱負(fù)荷需求,要滿足上下限約束[3],即

(9)

(10)

2.1.5 制冷設(shè)備

(1)電制冷機(jī)

(11)

(2)吸收式制冷機(jī)

(12)

2.2 電-熱-冷綜合需求響應(yīng)智能合約模型

2.2.1 IDR資源交易與區(qū)塊鏈技術(shù)

能源互聯(lián)網(wǎng)背景下,將會出現(xiàn)更多形式的需求側(cè)響應(yīng)資源,傳統(tǒng)需求響應(yīng)只調(diào)整電負(fù)荷曲線,而IES的負(fù)荷分為電、熱、冷等多種類型,熱能和冷能這兩種不同的能量都具有系統(tǒng)慣性和溫度變化時滯性。此外,在IES的耦合關(guān)系中,燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生的電和熱將電能和熱負(fù)荷進(jìn)行耦合,而電制冷機(jī)、吸收式制冷機(jī)又將電能和冷負(fù)荷進(jìn)行耦合,因此,電價的變化勢必會對除電負(fù)荷之外的熱、冷負(fù)荷產(chǎn)生影響[26],冷、熱負(fù)荷也可參與需求響應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)。但集中控制策略在分散可控資源過多的情況下存在諸多缺陷：采集數(shù)據(jù)、優(yōu)化計算以及決策量所需要的信息交互量和計算規(guī)模大量增加,優(yōu)化控制過程不能靈活處理,也無法很好保護(hù)用戶隱私,但全分散的能量管理又會造成可控資源運行的不同步,引起系統(tǒng)運行波動和不穩(wěn)定[16],基于區(qū)塊鏈的IES半中心化調(diào)度模型有效解決了上述問題,根據(jù)IES中能源的供應(yīng)和需求情況,區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)可計算并顯示電力銷售和購買價格,使信息在所有單元之間進(jìn)行傳遞,同時,調(diào)度審批中心通過區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)收集和監(jiān)測用戶用能信息,在考慮系統(tǒng)整體運行經(jīng)濟(jì)性可靠性條件下,根據(jù)不同用戶節(jié)點之間交易信息優(yōu)化系統(tǒng)的運行策略,提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。對于用戶側(cè),根據(jù)市場價格信號,在對自身分布式電源出力預(yù)測分析的基礎(chǔ)上,做出有利于自身的用能計劃安排,促進(jìn)了與電力主網(wǎng)的信息交流,激發(fā)了智能電網(wǎng)背景下的用戶行為,實現(xiàn)了系統(tǒng)供需協(xié)同互動。

2.2.2 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的IDR資源交易過程

根據(jù)本文所提出的基于區(qū)塊鏈的IES半中心化調(diào)度模型,首先,通過智能電表實現(xiàn)通信、實時數(shù)據(jù)交互、多種電價計費、與用戶互動等功能,如實反映用戶的需求側(cè)響應(yīng)行為。隨后,區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)規(guī)劃層接收響應(yīng),將交易數(shù)據(jù)打包形成 Merkle樹,并將Merkle Root放入?yún)^(qū)塊頭之中,形成新的區(qū)塊完成記錄。最后,調(diào)度中心驗證當(dāng)前時間段內(nèi)交易調(diào)度數(shù)據(jù)的合理性、準(zhǔn)確性,下發(fā)需求指令,并觸發(fā)智能合約,完成此次調(diào)度過程。

2.2.3 IDR資源交易智能合約模型

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N可信的分布式數(shù)據(jù)存儲模式,各節(jié)點將每隔一段時間收集的數(shù)據(jù)上傳到新生成的空區(qū)塊中,同時鏈接到在區(qū)塊鏈中最長的區(qū)塊鏈上。區(qū)塊頭和區(qū)塊體構(gòu)成了新生成的區(qū)塊,區(qū)塊頭部分包括當(dāng)前區(qū)塊的版本號、前一區(qū)塊的信息、時間戳、Merkle樹根以及該時段對應(yīng)的電力交互容量,區(qū)塊體部分則主要包括智能合約中的交易信息[27]。智能合約是一種預(yù)置響應(yīng)條件和響應(yīng)規(guī)則的運行在區(qū)塊鏈上的代碼。當(dāng)智能合約接收到外部輸入數(shù)據(jù)時,會觸發(fā)預(yù)置響應(yīng)條件,激活預(yù)置響應(yīng)規(guī)則,改變智能合約狀態(tài)。在 IDR 資源交易中,智能合約應(yīng)該能夠根據(jù)交易所確定的響應(yīng)時間和響應(yīng)量,觸發(fā)IDR供應(yīng)節(jié)點的響應(yīng)行為,改變IDR用戶整體的優(yōu)化。具體地,本文構(gòu)建的IDR資源交易智能合約模型如下：

(13)

式中第一部分ID表示用戶加入?yún)^(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)時通過認(rèn)證獲得的唯一身份標(biāo)識;第二部分addk表示合約賬戶地址;第三部分?e表示電量電價彈性矩陣,用需求響應(yīng)曲線上某個點的斜率,可以得出電力市場負(fù)荷的價格彈性系數(shù)[28],其表達(dá)式為

(14)

式中：當(dāng)i=j時,?為自彈性系數(shù);i≠j時,?為互彈性系數(shù),Qpj和△Qpj為用戶初始負(fù)荷需求與其改變量,Pi和△Pi為電力價格初始值及其改變量。在依據(jù)分時電量電價下的價格彈性系數(shù)指標(biāo)下,建立包含自彈性系數(shù)和互彈性系數(shù)矩陣的電力負(fù)荷改變表達(dá)式：

(15)

(16)

對此農(nóng)業(yè)農(nóng)村部表示將進(jìn)一步完善調(diào)運監(jiān)管方案，在確保疫情有效控制的前提下，盡量方便仔豬調(diào)運。對于由于調(diào)運所造成的壓欄情況，后續(xù)將通過調(diào)整屠宰產(chǎn)能分布、加強(qiáng) “點對點”調(diào)運機(jī)制來逐步緩解。

(17)

3 基于區(qū)塊鏈的碳排放交易模型

3.1 碳排放交易與區(qū)塊鏈技術(shù)

隨著全球氣候變暖、化石資源急劇減少,低碳化已成為世界可持續(xù)發(fā)展的重要因素。能源行業(yè)在碳交易中所占比例較大,是我國“2030碳達(dá)峰,2060碳中和”目標(biāo)實現(xiàn)的重要一環(huán)。目前,碳排放市場存在碳排放權(quán)認(rèn)證工作量大,碳排放額記錄追溯困難等問題。區(qū)塊鏈技術(shù)因其公開透明、交易可追溯性強(qiáng)等特點,為目前碳交易市場中出現(xiàn)的問題提供了一種可行途徑。本文所建立的基于區(qū)塊鏈的IES半中心化調(diào)度模型可以利用區(qū)塊鏈分布式賬本功能,通過智能電表實現(xiàn)碳排放權(quán)的認(rèn)證與自動計量,對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密并存儲于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中,并利用其獨特的鏈?zhǔn)絽^(qū)塊架構(gòu)保證了所有信息的可追溯和不可篡改,為碳足跡的追蹤提供了一個可靠的技術(shù)平臺,確保了交易的合法有效性。其次,所有通過認(rèn)證的能源節(jié)點都可以都可以查看彼此的碳配額和碳足跡,區(qū)塊鏈技術(shù)能夠在保證信息的可靠性和一定程度的個人信息保護(hù)的前提下,通過為各能源節(jié)點提供相關(guān)信息來確保交易的公開透明性,方便監(jiān)管。最后,利用智能合約,實現(xiàn)區(qū)塊鏈核心技術(shù)與碳排放補(bǔ)償、懲罰評估管理、交易結(jié)算等過程的結(jié)合運用,保證碳交易信息透明、自動執(zhí)行和數(shù)據(jù)安全,從而減少交易的信用成本,提高管理效率。

3.2 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的碳排放交易流程

目前計及IES的碳交易區(qū)塊鏈技術(shù)研究較少,應(yīng)盡快探索區(qū)塊鏈作為底層技術(shù)優(yōu)勢特點,實現(xiàn)包括碳數(shù)據(jù)存儲、碳配額購買或分配,碳交易決策與競價、碳交易結(jié)算與監(jiān)管等在內(nèi)的功能服務(wù)。

具體地,本文基于區(qū)塊鏈技術(shù)的碳排放交易流程如下：

(1)碳配額認(rèn)證：根據(jù)1.3節(jié),在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點都有屬于自己加入網(wǎng)絡(luò)的唯一身份標(biāo)識ID,并通過智能電表對碳排放進(jìn)行實時監(jiān)測。

(2)碳交易撮合：構(gòu)建基于智能合約的碳排放獎懲評估模型如下：

(18)

第二部分CE表示碳排放總量,表達(dá)式如下：

(19)

式中：Pi,t表示第i臺設(shè)備在時段t的碳排放權(quán)消耗量;N為碳排放設(shè)備調(diào)度時間;NCE為碳排放設(shè)備個數(shù)。

本文設(shè)置若干排放區(qū)間,當(dāng)二氧化碳排放量低于無償自由分配水平,則為負(fù)值,表明能源供應(yīng)企業(yè)可以通過碳交易市場銷售多余的碳配額,并獲得相應(yīng)獎勵;如果碳排放量超過無償自由分配水平,則為正值,表明能源供應(yīng)企業(yè)必須在碳交易市場再購買碳排放權(quán),超出部分實施階梯價格[29],表達(dá)式如下：

(20)

式中：Eci為各設(shè)備的實際碳排放量;c為市場上的碳交易價格;λ表示每個階梯型碳交易價格的增長幅度;Epi表示供能企業(yè)碳排放總量;m表示碳排放區(qū)間長度,Eci表示火電機(jī)組、CCHP機(jī)組和燃?xì)忮仩t的碳排放量。

(3)碳交易成本計算：節(jié)點向網(wǎng)絡(luò)提交碳配額和碳排放總量等信息,廣播并發(fā)布信息,調(diào)度中心及其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點完成驗證當(dāng)前數(shù)據(jù)的合理性、準(zhǔn)確性,調(diào)用智能合約碳交易成本經(jīng)濟(jì)調(diào)度計算,形成調(diào)度方案。

4 基于區(qū)塊鏈輔助決策的IES優(yōu)化調(diào)度計劃

4.1 優(yōu)化運行目標(biāo)函數(shù)

由于計及冷熱電綜合需求響應(yīng)的IES微網(wǎng)中存在多種能源轉(zhuǎn)換、耦合、互補(bǔ)問題,其經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型要在滿足負(fù)荷平衡及相關(guān)運行約束條件前提下,從供需雙側(cè)共同制定各能量間的最佳調(diào)度計劃。本文IES日前調(diào)度優(yōu)化模型為混合整數(shù)線性規(guī)劃問題,以系統(tǒng)日運行費用和碳交易成本最小為目標(biāo),即

(21)

(1)購電成本(CE)

(22)

(2)GT燃料成本(CGT)

(23)

(3)ES充放電老化成本(Ce)

(24)

式中：Ci,main為ES設(shè)備的單位維護(hù)費用。

(4)GB成本(CG)

(25)

式中：εGB為GB的效率系數(shù)。

(5)設(shè)備運行維護(hù)成本(Com)

(26)

4.2 約束條件

系統(tǒng)約束除了考慮設(shè)備運行約束以外,還要滿足式(27)～(35)所示電、熱、冷功率平衡和交換功率約束。

(1)電功率平衡

(27)

(2)熱功率平衡

(28)

(3)冷功率平衡

(29)

(4)交換功率約束

在IES中,考慮到系統(tǒng)與外部的交互關(guān)系與安全運行,必須將系統(tǒng)與外界網(wǎng)絡(luò)的交換量控制在一個特定的區(qū)間之內(nèi)：

(30)

(31)

(5)電力需求響應(yīng)約束

柔性可轉(zhuǎn)移負(fù)荷,是可以根據(jù)分時電價信息自主調(diào)整用電功率和時間[30],受外界因素影響而改變的可變負(fù)荷,需要滿足如下約束：

(32)

(33)

(6)熱/冷需求響應(yīng)約束

(34)

(35)

4.3 求解方法

區(qū)塊鏈技術(shù)通常作為底層分布式賬本數(shù)據(jù)架構(gòu)封裝于以太坊、超級賬本等平臺,本文側(cè)重于在區(qū)塊鏈技術(shù)整體框架下構(gòu)建的IES低碳調(diào)度運行方法研究,因此在統(tǒng)一能量刻度的前提下,對IES內(nèi)各個設(shè)備進(jìn)行線性化建模,將IES日前低碳優(yōu)化調(diào)度問題轉(zhuǎn)換成混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題,通過Yalmip工具箱以及Cplex求解器在Matlab環(huán)境下進(jìn)行仿真并驗證該模式下的有效性和可行性。

5 算例分析

5.1 算例系統(tǒng)參數(shù)

為驗證本文所提的考慮IDR的綜合能源系統(tǒng)低碳優(yōu)化模型在系統(tǒng)優(yōu)化運行、可再生能源消納方面的有效性,各節(jié)點通過讀取區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前狀態(tài)和調(diào)度信息,最終得到圖3所示的日前規(guī)劃層電、熱、冷負(fù)荷及可再生能源預(yù)測出力功率,圖4為系統(tǒng)峰谷分時電價和IDR后的分時氣價,表2為能源購買價格。IES系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備單元及儲能設(shè)備參數(shù)見表3,另外燃?xì)廨啓C(jī)燃耗系數(shù)a、b、c為2.67、65.8、100[1,4]。碳排放區(qū)間長度m取83 000t,獎勵系數(shù)取0.2,碳交易價格取0.064元/ t。

表2 能源購買價格Tab.2 Energy purchase price (元/kW·h)

表3 機(jī)組設(shè)備模型參數(shù)Tab.3 Unit equipment model parameters

圖3 負(fù)荷預(yù)測曲線Fig. 3 Load prediction curves

圖4 能源價格Fig. 4 Energy prices

5.2 優(yōu)化運行結(jié)果及分析

為驗證所提基于區(qū)塊鏈的計及綜合需求響應(yīng)和碳交易的多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)模型的有效性,設(shè)定了以下4種優(yōu)化場景進(jìn)行對比,場景1：只考慮電、熱、冷多能互補(bǔ)的優(yōu)化模型,不考慮IDR和碳交易模型;場景2：考慮電、熱、冷多能互補(bǔ)的優(yōu)化模型和基于區(qū)塊鏈技術(shù)的IDR模型;場景3：考慮常規(guī)碳交易機(jī)制和基于區(qū)塊鏈技術(shù)的IDR模型,考慮電、熱、冷多能互補(bǔ)優(yōu)化模型;場景4：(本文場景)考慮基于區(qū)塊鏈技術(shù)的碳交易機(jī)制和IDR模型,考慮電、熱、冷多能互補(bǔ)優(yōu)化模型。以上場景適用于日前調(diào)度,調(diào)度時長為24h,時間間隔為1h,以各場景綜合運行成本最小化為目標(biāo),得到如下調(diào)度結(jié)果,見表4,圖5、6。

表4 系統(tǒng)各場景下優(yōu)化調(diào)度結(jié)果Tab.4 Optimize scheduling results of system in various scenarios

圖5 不同場景費用優(yōu)化結(jié)果Fig. 5 Cost optimization results in different scenarios

圖6 不同場景碳排放量Fig. 6 Carbon emissions in different scenarios

(1)場景1和場景2對比分析：場景1為只考慮電、熱、冷多能互補(bǔ)的基礎(chǔ)優(yōu)化模型,場景2為考慮基于區(qū)塊鏈技術(shù)的IDR和電、熱、冷多能互補(bǔ)的優(yōu)化模型。由表4可知,場景1由于未考慮IDR,運行成本相比于場景2增加了4.8%,碳排放量增加了1.16%,這是因為場景1需求側(cè)負(fù)荷固定且多集中于高峰時段,而場景2計及需求側(cè)IDR后,用戶通過區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的電價和天然氣價格響應(yīng)信號,在對自身分布式電源出力預(yù)測分析的基礎(chǔ)上,做出合理用能調(diào)度策略改變,根據(jù)自身需求削減或轉(zhuǎn)移負(fù)荷,在電價高峰時期,主動將用能負(fù)荷轉(zhuǎn)移到電價低谷時期,從而進(jìn)一步減輕了設(shè)備供能壓力,有效降低系統(tǒng)運行成本以及碳排放量。

(2)場景2和場景3對比分析：相比于場景2,場景3考慮了常規(guī)型碳交易機(jī)制和基于區(qū)塊鏈技術(shù)的IDR模型。與場景2相比,場景3在考慮了碳交易成本后,燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)忮仩t設(shè)備機(jī)組碳排放量速率有了一定的提高,且其中大部分碳排放量是由電出力增加所導(dǎo)致,這是由于在電價較高時段,外部電網(wǎng)的購電價格高于碳排放成本,從而激勵設(shè)備機(jī)組出力增加,減少了向外部電網(wǎng)的購電量,故降低了碳排放總量。由表3可知,場景3的設(shè)備運行成本增加,這是由于低碳排放機(jī)組供能成本較高,但由于獲得了碳交易收益,所以系統(tǒng)總成本對比于場景2降低了4.04%,且碳排放量減少了6.48%。

(3)場景3和本文場景對比分析：相比于場景3,本文場景采用了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的碳交易機(jī)制,考慮了系統(tǒng)運行經(jīng)濟(jì)性與低碳性最佳綜合優(yōu)化目標(biāo),使系統(tǒng)的運行總成本和碳排放總量相比場景3均有明顯下降,分別減少了4.79%和7.67%,進(jìn)一步靈活控制了IES碳排放總量,對降低系統(tǒng)總的碳排放量具有重要意義,從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)性與低碳性最優(yōu)調(diào)度。

接下來對考慮基于區(qū)塊鏈技術(shù)的IDR模型,對原始電、熱、冷負(fù)荷進(jìn)行需求響應(yīng)處理,得到如圖7、8、9所示負(fù)荷需求曲線。

圖7 響應(yīng)前后電負(fù)荷曲線Fig. 7 Electric load curves before and after response

由圖7、8、9對比可知,基于區(qū)塊鏈技術(shù)的負(fù)荷IDR作用后,電、熱、冷負(fù)荷曲線的最大、最小值之差小于需求響應(yīng)前曲線的最大、最小值之差,即峰谷差分別下降了9.71%、3.95 %和6.33 %,起到了平緩負(fù)荷曲線的作用。由圖7的電負(fù)荷曲線可知,根據(jù)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)規(guī)劃層接收到的分時電價響應(yīng),智能合約預(yù)置響應(yīng)條件滿足,觸發(fā)IDR供應(yīng)節(jié)點的響應(yīng)行為,在滿足系統(tǒng)負(fù)荷需求的同時,激勵用戶表現(xiàn)出“削峰填谷”的趨勢,表現(xiàn)為在09：00～22：00時段,需求響應(yīng)后的負(fù)荷需求低于原始負(fù)荷需求;在22：00～06：00時段,需求響應(yīng)后的負(fù)荷需求高于原始負(fù)荷需求。由圖8和圖9可知,由于用戶對熱、冷負(fù)荷的可靠性較高,冷熱響應(yīng)時段多發(fā)生在負(fù)荷平、峰時段,優(yōu)化之后,用戶的熱、冷負(fù)荷也分別出現(xiàn)了“削峰填谷”的趨勢,在保證用戶舒適度的前提下,為能源間互補(bǔ)提供最大響應(yīng)量,平移負(fù)荷曲線波動,實現(xiàn)了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運行。

圖8 響應(yīng)前后熱負(fù)荷曲線Fig. 8 Heat load curves before and after response

圖9 響應(yīng)前后冷負(fù)荷曲線Fig. 9 Cooling load curves before and after response

圖10、11、12展示了考慮基于區(qū)塊鏈技術(shù)的碳交易機(jī)制和IDR模型,考慮電、熱、冷多能互補(bǔ)優(yōu)化模型,即場景4時,系統(tǒng)各設(shè)備優(yōu)化運行供需平衡情況。

圖10 系統(tǒng)供電優(yōu)化結(jié)果分析Fig. 10 Optimization results of power supply of system

圖11 系統(tǒng)供熱優(yōu)化結(jié)果分析Fig. 11 Optimization results of system heating

由圖10、11、12可以看出,通過區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù),根據(jù)本文所提優(yōu)化調(diào)度方法,IES內(nèi)部各單元能夠更好的協(xié)調(diào)工作狀態(tài),充分發(fā)揮各自作用。首先,在電價低谷時段,用戶電負(fù)荷需求較低,電負(fù)荷主要由燃?xì)廨啓C(jī)和風(fēng)電出力提供,由于該時段燃?xì)廨啓C(jī)供能壓力不大,故出力較多,然后將剩余的電力出售給外部電網(wǎng)獲取收益或者蓄電池儲存。此時電制冷機(jī)和吸收式制冷機(jī)出力的變化較小,系統(tǒng)的冷負(fù)荷需求主要由電制冷設(shè)備滿足,熱負(fù)荷由余熱鍋爐、燃?xì)忮仩t和儲熱設(shè)備三種設(shè)備供應(yīng)。

對于電價平值時段,此時電負(fù)荷主要由燃?xì)廨啓C(jī)和光伏、風(fēng)電提供,燃?xì)廨啓C(jī)逐步降低出力,提供的熱能增加,電負(fù)荷不足的部分從外部電網(wǎng)購買電量。而在電價較高時段(08：00～11：00,17：00～20：00),此時用電量較大,出于降低系統(tǒng)運行成本的目的,用戶電負(fù)荷主要由燃?xì)廨啓C(jī)提供、此時的光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電被全部消納,還需要通過蓄電池放電,然后不足電力部分通過電網(wǎng)購買,燃?xì)廨啓C(jī)出力較大,可以提供的熱量能夠承擔(dān)相應(yīng)熱負(fù)荷,蓄熱槽也開始釋放熱量,同時吸收式制冷機(jī)將一部分熱負(fù)荷轉(zhuǎn)換成冷負(fù)荷,滿足用戶用冷需求,吸收式制冷機(jī)和電制冷機(jī)制冷量增加。

6 結(jié) 論

本文針對綜合能源系統(tǒng)調(diào)度過程中存在的負(fù)荷預(yù)測誤差大、信息透明度低、信息安全風(fēng)險高的問題,提出了一種基于區(qū)塊鏈的IES優(yōu)化運行調(diào)度策略,構(gòu)建了多能互補(bǔ)IES設(shè)備模型,在區(qū)塊鏈技術(shù)整體框架下,利用智能合約技術(shù),計及電、熱、冷綜合需求響應(yīng)和碳交易機(jī)制,建立了一種基于區(qū)塊鏈的綜合能源系統(tǒng)低碳優(yōu)化調(diào)度方法,并通過仿真實驗對所提方法進(jìn)行驗證。分析結(jié)果表明：

(1)各節(jié)點可以充分利用區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的信息,提高相關(guān)預(yù)測的準(zhǔn)確性,實現(xiàn)了將電、熱、冷負(fù)荷作為柔性負(fù)荷共同參與需求響應(yīng),有效降低負(fù)荷峰谷差,減少設(shè)備供能壓力從而優(yōu)化系統(tǒng)運行,能夠有效提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和系統(tǒng)能效利用率。

(2)引入基于區(qū)塊鏈技術(shù)的碳排放交易流程,由此實現(xiàn)了碳排放交易區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)對碳排放權(quán)的自動認(rèn)證計量與碳交易成本計算,合理引導(dǎo)各供能設(shè)備出力并從中獲取收益,有效減少系統(tǒng)碳排放總量并提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性,從而達(dá)到系統(tǒng)環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性的雙贏,實現(xiàn)了碳排放交易政策的落地。

(3)合理利用區(qū)塊鏈技術(shù)特性,保障信息的安全存儲與追溯,將為進(jìn)一步挖掘數(shù)據(jù)價值,促進(jìn)綜合能源系統(tǒng)內(nèi)部信息與能量的交互,提高能源生產(chǎn)利用效率提供新的思路。

本文側(cè)重于區(qū)塊鏈技術(shù)整體框架下IES低碳調(diào)度方案實現(xiàn),有效降低了系統(tǒng)整體能源消耗。在接下來的研究中將重點探討區(qū)塊鏈與IES的深度融合技術(shù),研究針對更多種類型的需求響應(yīng)特性和不同運行環(huán)境的優(yōu)化策略,促進(jìn)可再生能源的更好消納,同時可以考慮提高信息處理速度問題,完成綜合能源區(qū)塊鏈系統(tǒng)節(jié)能降耗與算力耗電相結(jié)合的評價技術(shù)。