汪磊,李敬兆,秦曉偉

(安徽理工大學 電氣與信息工程學院,安徽 淮南 232001)

0 引 言

我國是能源消耗大國,現(xiàn)如今正面臨著能源合理利用率低、能源產(chǎn)業(yè)結構較為單一等諸多突出性問題。傳統(tǒng)電網(wǎng)在電力能源產(chǎn)業(yè)中存在并網(wǎng)難、損耗大和電力數(shù)據(jù)利用率低等困境,電網(wǎng)革新勢在必行。智能電網(wǎng)研究是目前電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。

分布式能源以其能效利用合理、損耗小、運行靈活等特點迅速成為智能電網(wǎng)建設中的重要能源體系。但相較于傳統(tǒng)電力能源,分布式能源大規(guī)模并網(wǎng)難和資源難以調度制約著其在電網(wǎng)中的進一步發(fā)展。同時電力企業(yè)在對分布式能源進行管理時,容易出現(xiàn)電力交易雙方難以取得互信、無法實時對電力設備進行監(jiān)管等現(xiàn)象。電力企業(yè)急需一種基于去中心化的、安全可靠的技術來建立一套電力網(wǎng)絡管理系統(tǒng)促進分布式能源的發(fā)展。

區(qū)塊鏈技術作為計算機領域的新應用模式,無需授權即可在分布式系統(tǒng)環(huán)境中建立信任,鏈上數(shù)據(jù)能夠進行實時共享[1]。將區(qū)塊鏈應用到電網(wǎng)管理系統(tǒng)中可以為電力資源的調度和清潔能源的加入與消納提供新思路。國內(nèi)外很多專家學者對此進行了相關研究。

文獻[2]以區(qū)塊鏈技術為基礎,制定了一種能源市場統(tǒng)一價格的雙邊交易機制,在以太坊平臺上設計相關智能合約,利用市場參與者與智能合約進行互動,來保障交易的真實性,但文章未考慮到統(tǒng)一價格會出現(xiàn)波動等因素,該方案不適合用于分布式能源市場。文獻[3]等提出了一種基于區(qū)塊鏈的分布式能源交易方案,在連續(xù)雙邊拍賣、競爭均衡價格等基礎上確立支撐分布式能源P2P交易的分布式能源結算機制。該方案使分布式能源P2P交易透明便捷,同時保證了中心化有效監(jiān)管,但是電網(wǎng)上節(jié)點數(shù)量有限制,會給交易帶來更高的風險,且對分布式能源的資源調度方面沒有涉及,無法合理高效率地利用分布式資源。

針對上述研究存在分布式能源交易管理不完善、電力資源調度缺乏有效方法等問題,文章提出了一種基于區(qū)塊鏈技術的電力網(wǎng)絡管理系統(tǒng)。在以太坊開發(fā)平臺上建立分布式電力交互管理區(qū)塊鏈,依據(jù)PoS(Proof of Stake,股權證明)變異算法來設計分布式電能交易雙方的共識機制,通過K-means聚類算法和PSO(Particle Swarm Optimization,粒子群優(yōu)化)算法制定的分布式電能調度策略使該系統(tǒng)在智能合約環(huán)境架構下具有可信電能交易、電力資源實時調度、電力設備智能監(jiān)管等功能。

1 電力網(wǎng)絡管理系統(tǒng)

基于區(qū)塊鏈技術的電力網(wǎng)絡管理系統(tǒng)分為電能衍生層、交易支付層和數(shù)據(jù)貯存層,如圖1所示。

圖1 電力網(wǎng)絡管理系統(tǒng)層次圖

1.1 電能衍生層

電能衍生層是電力網(wǎng)絡管理系統(tǒng)的基礎。在各分布式電源完成并網(wǎng)后,根據(jù)不同地區(qū)用電量的需求,分布式電源供應方通過發(fā)電設備合理生成電能,在交易支付層完成分布式能源的自動分配[4-6];通過傳感器、無線傳感網(wǎng)絡等對變壓器、開關柜、高壓電纜等電力設備進行狀態(tài)監(jiān)測,并和電能交易數(shù)據(jù)進行“打包”,完成數(shù)據(jù)的上鏈;電網(wǎng)管理人員通過區(qū)塊鏈上數(shù)據(jù)了解電量需求情況和設備運行狀況后,可以決定不同時段發(fā)電機組的工作負荷,實現(xiàn)電力設備的動態(tài)運行。電能衍生層結構圖如圖2所示。

圖2 電能衍生層結構圖

1.2 交易支付層

交易支付層是分布式電能實現(xiàn)合理交易的基礎。電能需求者依據(jù)自身需要,在電力網(wǎng)絡管理系統(tǒng)中提出交易申請,系統(tǒng)依據(jù)智能合約和調度策略,進行合理匹配。在電能衍生層的支撐下,需求者能夠了解供應者的電能來源、電能質量等信息,提高交易雙方的信任度,促成交易快速達成。交易完成后,相關交易數(shù)據(jù)會隨之上鏈。

1.3 數(shù)據(jù)貯存層

數(shù)據(jù)貯存層是將電能交易數(shù)據(jù)、電力設備實時狀態(tài)信息等數(shù)據(jù)進行存儲。電網(wǎng)的管理人員可以對存儲在服務器的信息數(shù)據(jù)進行查閱、提取,以便對整個系統(tǒng)進行管理,保障電力網(wǎng)絡管理系統(tǒng)的正常運行。

2 以太坊與電力交互管理區(qū)塊鏈

2.1 以太坊開發(fā)平臺

以太坊是一個開源區(qū)塊鏈平臺[7-8],捐棄了比特幣中UTXO模型無法賬戶狀態(tài)轉換、缺少循環(huán)語句的缺點,構建了專門的賬戶模型,依靠智能合約,便能夠實現(xiàn)復雜狀態(tài)的轉換。通過參數(shù)設置,在以太坊平臺上運行電力交互管理區(qū)塊鏈,不會同步以太坊公網(wǎng)的數(shù)據(jù)的同時也節(jié)省了存儲空間和成本。

2.2 電力交互管理區(qū)塊鏈

電力交互管理區(qū)塊鏈技術層次包括數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡傳輸層、信息共識層、智能合約層和平臺應用層,如圖3所示。其中,信息共識層和智能合約層是電力交互管理區(qū)塊鏈的核心。

圖3 電力交互管理區(qū)塊鏈技術層次

2.2.1 信息共識層

信息共識是區(qū)塊鏈技術在去中心的環(huán)境下最核心的問題。如今常見的共識算法主要有PoS、PoW(Proof of Work,工作量證明)、DPoS(Delegated Proof of Stake,委任權益證明)、PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance,實用拜占庭容錯)[9-10]等。相關算法的對比如表1所示。

表1 四種算法性能對比

目前涉及電網(wǎng)的區(qū)塊鏈應用中關于數(shù)據(jù)共識大多是采用PoW算法,但這種算法是與公有鏈相搭建的,算法機制耗能過大,共識機制的高效性受到限制[11-13]。電網(wǎng)中數(shù)據(jù)采集節(jié)點較多,而PBFT算法節(jié)點容量只有100以內(nèi),PoS算法節(jié)點吞吐量大且相較于DPoS算法去中心化程度高,但在該算法下每個區(qū)塊的確定性是概率性的,需要其他多個節(jié)點對區(qū)塊進行認證,才能最終生成。故文章采用PoS變異算法,規(guī)定在PoS算法基礎上,免去算法中依靠多節(jié)點生成確立區(qū)塊的規(guī)則,依據(jù)權益證明和選擇函數(shù)確定記賬人生成區(qū)塊,加快交易數(shù)據(jù)打包從而提升生成區(qū)塊的速度,進而提高整個電力網(wǎng)絡管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性。

2.2.2 智能合約層

智能合約層在網(wǎng)絡傳輸層與共識信息層之上,其主要是隱藏電力交互管理區(qū)塊鏈中各節(jié)點的復雜行為,同時也為電力交互管理區(qū)塊鏈的平臺應用層提供了接口。本文的電力交互管理區(qū)塊鏈構建了電力運營智能合約框架,利用合約中的程序達到任務運行的去中心化,形成具有交易信任關聯(lián)的環(huán)境[14-16]。電力設備運營智能合約模型如圖4所示。

圖4 電力設備運營智能合約模型

2.3 區(qū)塊鏈中電力交易的特征

分布式能源交易中的分散決策雖改變了傳統(tǒng)能源售賣時自上而下的集中式?jīng)Q策[17],一定程度上降低了交易的中心化程度,但有關分布式電能交易仍存在信息不公開,交易數(shù)據(jù)難以共享,互信程度低的問題,而在電力交互管理區(qū)塊鏈相關技術的支持下,分布式電能交易可具有如下三個特征。

(1)智慧互信

電力網(wǎng)絡管理系統(tǒng)中的每個層次都可進行互聯(lián),在區(qū)塊鏈中,分布式電能交易中發(fā)用電方又都是單獨的實體,各交易主體可以實現(xiàn)智慧互信;

(2)數(shù)據(jù)共享

交易時,電力交互管理區(qū)塊鏈的客戶端發(fā)布電能供求雙方的信息數(shù)據(jù),交易完成后,交易數(shù)據(jù)生成區(qū)塊存儲在區(qū)塊鏈中,電網(wǎng)監(jiān)管人員和發(fā)用電方均可在交易過程中實時獲取具體交易信息;

(3)透明交易

分布式能源交易強調交易過程中的生態(tài)化運行,有賴于區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡結構,有關分布式電能交易不僅更加透明,而且還可以與其他行業(yè)的信息交流提供平臺。

3 共識機制與分布式電能調度策略

在電力交互管理區(qū)塊鏈中,交易雙方中的記賬人由共識機制來決定。為了解決電能交易雙方的發(fā)電、用電量之間的協(xié)商,推進交易進程,使用PoS變異算法設計利于發(fā)用電雙方共同認證的共識機制,同時提出一種改進的分布式能源調度策略,完成對分布式電能的合理可靠調度,進一步保障交易的可靠性。

3.1 發(fā)用電共識機制

對于電力交互管理區(qū)塊鏈來說,如果發(fā)電方或者用電方儲存有大量的低價電量(電量證明權益異常高),很難保證兩方不會進行大量拋售。為了解決這類現(xiàn)象,設計發(fā)用電雙方共識機制如下:定義區(qū)塊鏈內(nèi)電能交易記賬節(jié)點為Ui,其中Ui滿足Ui∈{U1,U2,…Un},每個Ui對應的公鑰以及發(fā)用電量證明權益為Qt={(k1v,q1),(k2v,q2),…,(knv,qn)},區(qū)塊鏈根據(jù)選擇函數(shù)Q選出指定的記賬人,由其生成新的區(qū)塊。

對整個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡統(tǒng)一將時間劃分成時間段tsi,有tsi∈(ts1,ts2,…,tsR),其中R是周期,由于記賬人列表的定時刷新。在創(chuàng)世區(qū)塊B0中將記賬節(jié)點Ui、對應的簽名公鑰和最初始的電量權益證明機制包含進去。之后每一個時段tsi可以由該時段指定的記賬人生成一個區(qū)塊Bj,由創(chuàng)世區(qū)塊開始延伸,形成B0,B1…,Bn的鏈式結構,不斷延長。記賬權選擇過程中,根據(jù)各個節(jié)點發(fā)用電量的權益比重,采用記賬權選擇函數(shù)Q來進行隨機選擇,對于記賬節(jié)點Ui∈{U1,U2,…Un},在時段tsi被選中的概率為pi,滿足:

(1)

式中n是網(wǎng)絡中全部參與的節(jié)點數(shù)量;qi是電量權益證明人Ui的權益份額。但在記賬過程中可能會遇到惡意節(jié)點,即電量證明權益異常高的節(jié)點,需要對惡意節(jié)點的占比進行統(tǒng)計計算出常規(guī)節(jié)點的占比,式(2)是對常規(guī)節(jié)點的刪選:

(2)

3.2 基于K-means和PSO的電能調度策略

K-means聚類算法將高維數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)的相關特性劃分為k個簇[18],并將每個簇的中心點作為數(shù)據(jù)的原始模型,根據(jù)各個簇不同的中心距對數(shù)據(jù)對象進行分類,對分布式能源的不同的發(fā)電用戶有如下設計:

(1)在中trades={ωt,t∈[1,M]}隨機抽取k個分布式電能供應商作為簇中心,構建有關發(fā)電方的簇中心集合cluster={c1,c2,…,ck};

(2)?ωt∈trades,t∈[1,M],均羅列入簇m。

m=argmin(diu),u=1,2,…,k

(3)

(4)

式中‖‖表示歐氏距離;

(3)簇中心集合中元素進行更新,需滿足:

(5)

式中Nm(t)表示clusterm(t)集合節(jié)點數(shù)量;clusterm(t)表示m時段簇m的節(jié)點集合;

(4)如果cluster被更新則轉至(2),否則結束。

在K-means聚類算法中一個合適的k值對于各電能供應商的分類精度求解質量十分重要,故規(guī)定k值的求解方法為:

(6)

對于用電方來說,其希望發(fā)電方提供在一定價格下所能提供最多的電能,同時盡可能多的資源能被進行高效利用,這就需要對由相同分布式能源發(fā)電的供應商進行調度匹配,PSO算法由于對被優(yōu)化問題的可微、可導等性質沒有要求[19],且具有易收斂,操作簡單等特性,適合于解決能源供應商的交易過程中的實時調配問題。

假設搜索空間的維度為B,將b個相同分布式能源供應商(如:均是小水電發(fā)電供應商)進行排隊編號,形成數(shù)據(jù)隊列,由這b個粒子構成的初始化種群Y為:

Y=(y1,y2,…,yi,…,yb)

(7)

(1)對于每一個粒子,粒子位置都由一個B維的向量表示,包含B個參數(shù)。

yi=(yi1,yi2,…,yiB),i=1,2,…,b

(8)

(2)計算得出種群中各粒子的遷移速度。

vi=(vi1,vi2,…,viB),i=1,2,…,b

(9)

(3)種群中各粒子更新粒子的速度和位置數(shù)據(jù)。

(10)

(11)

供應商調度以同一時間基準各自在相同價格條件下所能獲取的最大電能為優(yōu)化條件,須確定分布式電能供應商種群粒子中的最優(yōu)空間位置yg=(yg1,yg2,…,ygB),i=1,2,…,b,故設計目標優(yōu)化函數(shù)為:

(12)

式中Pit表示第i個粒子在t時刻所產(chǎn)生的電能,確定最優(yōu)分布式電能供應商,完成電能交易過程中的發(fā)用電雙方匹配問題。

4 電力運營智能合約

在以太坊中部署智能合約,通過智能合約編譯器在EVM(Ethereum Virtual Machine,以太坊虛擬機)[18]環(huán)境中運行。電力運營智能合約的主體是電能交易智能合約。在電能交易智能合約中,電網(wǎng)的管理機構被設置為管理員,根據(jù)電網(wǎng)的實時運行情況,發(fā)布調度信息。完成匹配的電量供求雙方通過發(fā)用電共識機制確定相應記賬人,并在合約的環(huán)境下完成交易過程,具體交易流程圖如圖5所示。

圖5 智能合約電能交易流程圖

電力網(wǎng)絡管理系統(tǒng)中分布式電能交易的中心工作是由在以太坊上搭建的電力交互管理區(qū)塊鏈完成的。發(fā)用電雙方在有交易需求的前提下,等待電能調度策略完成供應商與用戶的匹配,電力交互管理區(qū)塊鏈的客戶端進行交易雙方的信息數(shù)據(jù)發(fā)布,依據(jù)設計的共識機制確立發(fā)用電雙方的記賬人,最終在區(qū)塊鏈智能合約的環(huán)境下完成交易的結算、交易數(shù)據(jù)存儲工作,電能交易數(shù)據(jù)整合經(jīng)記賬人生成新的區(qū)塊實現(xiàn)上鏈。

5 實驗分析與應用

為了測試電力網(wǎng)絡管理系統(tǒng)中區(qū)塊鏈相關技術的應用效果,團隊在某市進行了相關實驗。經(jīng)調查發(fā)現(xiàn)在該市接入電網(wǎng)的電壓等級中,35 kV及以下電壓等級占比達到了56%,達到了該市的一半以上。而在35 kV及以下的分布式裝機項目中該市又以光伏發(fā)電、小水電為主,其占比分別為55%和21%,如圖6、圖7所示。

圖6 該市并網(wǎng)電壓等級占比

圖7 該市35 kV及以下電源裝機容量占比

基于以上情況,分別做了以下兩個實驗:

(1)隨機選取了該市的三個光伏發(fā)電站,一個小水電站和一個熱電站來作為電力交互管理區(qū)塊鏈中的分布式發(fā)電方;同時選取相關商鋪、工廠等作為用電方。將選取的結果進行模擬交易,根據(jù)制定的發(fā)用電共識機制和分布式電能調度策略,最終得到表2中各發(fā)電方與客戶的匹配結果和交易數(shù)據(jù)。

(2)對多個分布式發(fā)電方的交易信息進行統(tǒng)計,得出在電能交易智能合約下,最終成功交易的交易量。再依據(jù)平均每一筆交易的耗時,計算出平均S-Ep(交易請求成功比)的值,得到表3。

表3 交易信息分析表

其中S-Ep值的計算公式為式(13):

(13)

由表2可以獲悉,不同的用電方根據(jù)自身耗能需求與分布式能源發(fā)電方進行匹配,經(jīng)共識機制與電能調度策略的處理,用電預期耗能與最終成交量吻合度較高。

由表3不難得知,在智能合約的影響下,分布式電能交易的請求量多數(shù)都轉化成了成交量。而且單筆交易的平均耗時都在8 min以內(nèi),推進了電能交易進程,很大程度上提升了電能交易的效率。同樣根據(jù)表3可以分析出S-Ep值越高,交易達成的成功率越低,隨著交易請求量的不斷增加,交易成功量保持穩(wěn)定,S-Ep值的走勢趨于穩(wěn)定。一定程度上體現(xiàn)出了電力交互管理區(qū)塊鏈中電力運營智能合約運行的可靠性。

6 結束語

電力網(wǎng)絡管理系統(tǒng)依托電力交互管理區(qū)塊鏈的信息共識層和智能合約層,設計分布式電能發(fā)用電共識機制并構建電力運營智能合約環(huán)境,合理選擇并確立了電能交易雙方、有效推動了分布式電能交易進程;使用K均值聚類算法和PSO算法設計分布式電能調度策略,進一步推動和保障了智能合約架構下分布式能源的合理分配。有關區(qū)塊鏈的相關平臺開發(fā)目前已經(jīng)應用到了智慧電網(wǎng)的很多領域,相信在未來,綜合應用區(qū)塊鏈技術能夠實現(xiàn)電網(wǎng)中多源信息的綜合分析與判斷,更加合理地調度分布式電能等目標,更好地服務于智能電網(wǎng)的建設。