金耀, 許健

(1. 國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司營(yíng)銷服務(wù)中心, 安徽, 合肥 230000;2. 國(guó)電南瑞科技股份有限公司, 江蘇, 南京 210000)

0 引言

由于不同區(qū)域中電力生產(chǎn)和傳輸存在不平衡的現(xiàn)象,電能輸送的需求超出電網(wǎng)實(shí)際的傳輸能力,當(dāng)前的實(shí)時(shí)電價(jià)策略無(wú)法保證電力資源的合理分配,從而出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象[1-2]。

針對(duì)上述存在的問(wèn)題,文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)建立了基于電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的價(jià)格DG優(yōu)化模型,求解每個(gè)電力用戶的最優(yōu)功耗,分析機(jī)組運(yùn)行的約束條件對(duì)邊際電價(jià)和系統(tǒng)電價(jià)的影響。文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)采用遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)求解實(shí)時(shí)電價(jià),對(duì)效用函數(shù)進(jìn)行非光滑處理,以最小化電價(jià)成本作為目標(biāo)函數(shù)。然而系統(tǒng)信息在交互過(guò)程中存在一定的時(shí)滯性,影響電力市場(chǎng)的供需匹配。文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)建立實(shí)時(shí)電價(jià)模型,將傾斜快率加入優(yōu)化策略中,并采用內(nèi)點(diǎn)法進(jìn)行求解。文獻(xiàn)[6]系統(tǒng)通過(guò)梯度投影法對(duì)實(shí)時(shí)電價(jià)模型進(jìn)行求解,將線性效用函數(shù)和對(duì)數(shù)效用函數(shù)進(jìn)行加權(quán),使電價(jià)模型具有更好的效果。然而沒(méi)有考慮到用戶對(duì)需求的響應(yīng)以及對(duì)實(shí)時(shí)電價(jià)造成的影響,無(wú)法保證實(shí)時(shí)電價(jià)的有效性。

1 基于區(qū)塊鏈的電網(wǎng)實(shí)時(shí)電價(jià)的電力交易系統(tǒng)

本文系統(tǒng)應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù),采用去中心化、分散記賬的方式,降低了原本中心交易平臺(tái)的人力、物力的運(yùn)維成本,整個(gè)數(shù)據(jù)鏈中個(gè)體沒(méi)有權(quán)限修改其他區(qū)塊的數(shù)據(jù)信息,保證了電力交易的公平公正[7]。電力交易系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于區(qū)塊鏈的電網(wǎng)實(shí)時(shí)電價(jià)的電力交易系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本研究電力交易系統(tǒng)使用Multchain技術(shù),以多鏈的形式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息互聯(lián),在區(qū)塊鏈技術(shù)的支持下電力交易具有安全性和公開性。系統(tǒng)架構(gòu)具有用戶、電網(wǎng)、售電公司和能源4個(gè)主節(jié)點(diǎn)。各主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)之間采用“主-從”架構(gòu),任意節(jié)點(diǎn)通過(guò)P2P網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交換信息[8]。根據(jù)電力交易中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的重要程度不同,加入了共識(shí)機(jī)制POSS(proof of sharing stake),建立一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的交互模式,達(dá)成一致后即可進(jìn)行電力交易相關(guān)服務(wù)。能源、電網(wǎng)和售電公司主節(jié)點(diǎn)之間采用B2B的共識(shí)方式,共識(shí)內(nèi)容包括能量交易和數(shù)據(jù)交易,將可供交易的有價(jià)值數(shù)據(jù)進(jìn)行HASH打包成區(qū)塊后加入節(jié)點(diǎn)并加密上傳到主鏈[9]。系統(tǒng)區(qū)塊鏈中使用哈希算法和RSA函數(shù)、Elgamal函數(shù)、ECC函數(shù)等非對(duì)稱加密函數(shù)來(lái)生成數(shù)字簽名,在電力交易過(guò)程中發(fā)布交易的一方通過(guò)哈希函數(shù)加工生成數(shù)據(jù)摘要,再經(jīng)過(guò)非對(duì)稱加密,生成包含本節(jié)點(diǎn)信息和電力交易需求信息的數(shù)字簽名[10]。

2 基于多主多從博弈的電網(wǎng)實(shí)時(shí)電價(jià)分析

在電力交易系統(tǒng)中售電公司將電價(jià)發(fā)送給用戶,用戶根據(jù)電價(jià)決定自身負(fù)荷,售電公司根據(jù)用戶的需求確定自身策略,電價(jià)和用戶負(fù)荷相互影響。本研究建立多主多從博弈模型,根據(jù)自身情況以最大化支付為目的各自制定電價(jià),與用戶進(jìn)行主從博弈。多主多從博弈結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 多主多從博弈結(jié)構(gòu)

(1)

(2)

(3)

(4)

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3 惡意電力主體識(shí)別與電網(wǎng)實(shí)時(shí)電價(jià)修正優(yōu)化模型

本文提出惡意電力主體識(shí)別和修正策略,對(duì)可能存在惡意攻擊的電力主體進(jìn)行定義,對(duì)于不同的主體提出不同的識(shí)別和處理方式,并對(duì)實(shí)時(shí)電價(jià)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,建立電網(wǎng)實(shí)時(shí)電價(jià)定價(jià)模型實(shí)現(xiàn)電力負(fù)荷峰谷差最小化。

(6)

(7)

其中,pi表示用戶的電力需求量,ΔQi表示所有惡意用戶的需求變化量,wi表示電力購(gòu)買系數(shù),a表示成本系數(shù)。當(dāng)ΔQi大于0時(shí),隨著ΔQi的增加,用戶效益ΔWu(Qi)逐漸減小。惡意用戶篡改用電需求大于真實(shí)需求時(shí),所有電力用戶的總需求增加,使用戶的用電效益減少。惡意用戶識(shí)別流程如圖3所示。

圖3 惡意用戶識(shí)別流程

正常電力用戶根據(jù)售電公司的實(shí)時(shí)電價(jià)計(jì)算用電需求并發(fā)送,本研究對(duì)惡意用戶進(jìn)行識(shí)別,得到:

(8)

圖4 電網(wǎng)實(shí)時(shí)電價(jià)修正優(yōu)化模型算法流程

4 應(yīng)用測(cè)試

為驗(yàn)證本研究電力交易系統(tǒng)的性能,分別使用文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)、文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)和本文系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),比較3種系統(tǒng)電力用戶的用電負(fù)荷和用戶收益?；赬AMPP平臺(tái)使用3臺(tái)64位主機(jī)搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境,實(shí)驗(yàn)環(huán)境中包含4種類型的電力用戶:商業(yè)用戶、工業(yè)用戶、居民用戶和微網(wǎng)用戶。實(shí)驗(yàn)環(huán)境采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的交互模式,售電公司、電網(wǎng)和電力用戶之間采用B2B服務(wù)共識(shí)機(jī)制。實(shí)驗(yàn)環(huán)境結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)環(huán)境結(jié)構(gòu)

搭建好實(shí)驗(yàn)環(huán)境后,將實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的3條鏈命名為Chain01、Chain02、Chain03,選擇Chain01作為主鏈,主鏈IP設(shè)定為192.168.1.1,自動(dòng)配置主鏈端口,設(shè)置主鏈為全節(jié)點(diǎn)鏈。另外2臺(tái)主機(jī)設(shè)為從節(jié)點(diǎn),Chain02IP設(shè)定為192.168.1.2,Chain03IP設(shè)定為192.168.1.3。實(shí)驗(yàn)中使用到的數(shù)據(jù)集如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本集

本文實(shí)驗(yàn)使用了電力市場(chǎng)某地區(qū)內(nèi)2021年10月份的用電數(shù)據(jù),對(duì)電力地區(qū)內(nèi)用戶用電需求響應(yīng)行為進(jìn)行學(xué)習(xí),獲取不同電力用戶在實(shí)時(shí)電價(jià)下的需求彈性系數(shù),有助于更好地計(jì)算實(shí)時(shí)電價(jià)下的各時(shí)段電力用戶的負(fù)荷曲線。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中電力用戶的歷史用電負(fù)荷如表2所示。

表2 歷史用電負(fù)荷

將本文實(shí)時(shí)電價(jià)模型的預(yù)測(cè)參數(shù)設(shè)定為0.5,需求波動(dòng)成本系數(shù)設(shè)定為0.5,迭代補(bǔ)償為0.005,誤差判定系數(shù)為0.000 01,初始迭代次數(shù)為0。為驗(yàn)證本文系統(tǒng)對(duì)電力用戶中惡意用電主體的識(shí)別效果,加入惡意電力用戶,惡意電力用戶給出錯(cuò)誤的電力數(shù)據(jù),設(shè)定惡意電力用戶的概率為0.2。使用3種系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),模擬24 h內(nèi)電力用戶的總用電需求,得到實(shí)時(shí)電價(jià)下的負(fù)荷曲線,如圖6所示。

圖6 實(shí)時(shí)電價(jià)下的負(fù)荷曲線

觀察負(fù)荷曲線變化可知,本文系統(tǒng)實(shí)時(shí)電價(jià)下電力用戶的用電負(fù)荷峰谷不明顯,用戶用電負(fù)荷與電網(wǎng)公司的供電負(fù)荷基本一致。其中,用戶的最大負(fù)荷為2558 MW,最小負(fù)荷為1496 MW,用戶的最大峰谷差較小。

文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)的負(fù)荷曲線最大負(fù)荷達(dá)到2865 MW,最大峰谷差為1663.27 MW,用戶用電負(fù)荷存在明顯的波峰波谷,負(fù)荷波動(dòng)較大,電力資源未被充分利用。文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)的負(fù)荷曲線在0～6時(shí)間段內(nèi)用戶負(fù)荷低于1000 MW,在10～14時(shí)間段內(nèi)用戶負(fù)荷高于2500 MW,用戶用電負(fù)荷的峰谷差率較大,與電網(wǎng)公司的供電負(fù)荷仍存在一定的差距。

經(jīng)過(guò)以上分析可得出,本文系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多主多從博弈模型分析后,在實(shí)時(shí)電價(jià)機(jī)制下電力用戶的用電負(fù)荷更加穩(wěn)定,供電公司提供的電力資源被用電側(cè)充分利用,電力資源在用電用戶中得到有效的分配,并削弱了電力峰谷負(fù)荷差值,用戶的負(fù)荷率提高。在主從博弈中用戶根據(jù)售電公司的實(shí)時(shí)電價(jià)決定最優(yōu)用戶負(fù)荷,在保證具有一定經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí),滿足用戶自身的用電需求,供電商與電力用戶之間存在一種均衡狀態(tài)。

為比較所有電力用戶在3種不同的實(shí)時(shí)電價(jià)機(jī)制下的用電效益,并驗(yàn)證了上文中系統(tǒng)對(duì)惡意電力主體識(shí)別與電網(wǎng)實(shí)時(shí)電價(jià)修正優(yōu)化的效果,使用式(6)計(jì)算不同時(shí)段內(nèi)的用電效益,得到3種系統(tǒng)實(shí)時(shí)電價(jià)下的用戶效益如圖7所示。

圖7 用戶效益

由圖7可以看出,本文系統(tǒng)實(shí)時(shí)電價(jià)下的用戶效益更高,波動(dòng)幅度較小,惡意電力用戶對(duì)用戶總用電效益的影響較小。本文用戶效益始終保持在3000萬(wàn)元以上,用戶效益最高可達(dá)到3685萬(wàn)元,與文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)的用戶效益相比,在14～16時(shí)間段內(nèi)最多超出1434萬(wàn)元。文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)的電力用戶的用戶效益在2000～2500萬(wàn)元范圍內(nèi)波動(dòng),最低低至2192萬(wàn)元。文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)的用戶效益波動(dòng)幅度較大,用戶效益普遍低于2500萬(wàn)元,用戶效益最低為1952萬(wàn)元。電力交易中存在的惡意電力主體對(duì)文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)的用戶效益影響較大,系統(tǒng)沒(méi)有對(duì)其電力數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,導(dǎo)致用戶效益不高。

由此可得出結(jié)論,本文系統(tǒng)能夠?qū)﹄娏?shù)據(jù)進(jìn)行安全識(shí)別和優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)可能存在的惡意電力數(shù)據(jù),對(duì)錯(cuò)誤的電力數(shù)據(jù)進(jìn)行修正后給出具體的實(shí)時(shí)電價(jià)定價(jià)方案。系統(tǒng)識(shí)別到惡意用戶后對(duì)其用電需求進(jìn)行修正,替換為正常用戶的最低用電需求,降低惡意用戶對(duì)用戶效益的影響。對(duì)于不同的惡意主體給出不同的數(shù)據(jù)識(shí)別和處理方式,保證用戶效益受惡意電力數(shù)據(jù)影響最小,從而調(diào)度電力資源的有效分配。

5 總結(jié)

本文建立電網(wǎng)實(shí)時(shí)電價(jià)的電力交易系統(tǒng),應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)去中心化,通過(guò)區(qū)塊鏈分布式計(jì)算、存儲(chǔ)的方式,保證了實(shí)時(shí)電力交易的可靠性和安全性。通過(guò)建立多主多從博弈模型分析售電公司與電力用戶之間的策略互動(dòng),售電公司以最大化自身支付為目標(biāo)與用戶進(jìn)行主從博弈,采用效用函數(shù)描述用戶的用電行為,在主從博弈中用戶根據(jù)售電公司的電價(jià)決定最優(yōu)負(fù)荷,采用分布式算法計(jì)算均衡狀態(tài)。提出一種安全策略對(duì)電力交易中的惡意電力主體進(jìn)行識(shí)別,并對(duì)電力數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,得到最優(yōu)的實(shí)時(shí)電價(jià)定價(jià)方案。本文仍存在一些不足之處還需進(jìn)一步改進(jìn),區(qū)塊鏈底層技術(shù)還不完善,區(qū)塊鏈標(biāo)準(zhǔn)在各領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景不廣泛,還需構(gòu)建可擴(kuò)展性的區(qū)塊鏈。