基于區塊鏈的配電網能效自動化管理方法

范偉,王東杰,張智遠,劉衛強,沈宏亮,華蕾

(1.國網河北省電力有限公司保定供電分公司,河北 保定071000;2.國網河北省電力有限公司,石家莊050021)

0 引 言

近年來,能源需求持續穩步增長,預計到2030年,其增幅將達40%左右。為滿足能源需求,可再生清潔能源必將逐步發展成為主要能源選擇?？稍偕茉此急壤脑黾訉⒕徑饣茉匆鸬沫h境危機,并將市場由消費者導向轉為產消者導向[1-3]。未來,可再生清潔能源將更多進入居民用戶家中,電力系統也將由傳統配網向新型、智能配網進行過渡轉變[4-5]。

配電自動化及需求側管理是實現智能配網的重要標志[6-7]。過去,在發電和用電負荷方面的大多數工作都是無法管理的,亟需一個智能、安全的能效管理系統,通過其對負荷峰、電價等的管理調控使得社區總能耗及消費者電費支出最少[8-10]。當前,越來越多的電力用戶自行構建太陽能發電裝置以及構建充電樁等設備進行售電[11],允許廣大消費者以及電力生產者針對點對點區塊鏈網絡中的電能實現能量交換成為了發展趨勢。區塊鏈技術則以分布式的方式處理數據,支持區域中心化直接與P2P能源實現交易。區塊鏈技術的成功應用將使得數據傳輸的安全性、用戶的隱私性得到保障[12-19]。

現有的針對電網需求側管理的研究工作側重于公用電網和消費者之間的交互,但未考慮到消費者可轉變為產消者進行能源交易的過程,且不適用于實時環境。在此研究背景下,本文提出了一種基于物聯網智能電能表和社區微電網多戶分布式的需求側管理系統,并可通過所提出的博弈論模型實現能效管理,降低個人家庭用電支出和社區總能耗。

1 配電網調度交易機構模型

1.1 模型概述

基于動態電價政策對家用電器進行設備調度從而實現最小化電費支出的能效管理是本文擬實現的主要目標。圖1給出了基于區塊鏈技術開發的智能社區配電系統的框架。該智能配電系統中包含兩類計劃表,一是社區總計劃表,二是家用的能耗計劃表。社區計劃表不僅將被用于交換定價信號、微電網中的可用電量數據以及向公用電網購買或出售的電量數據,還將保證在整個智能社區中實現供需平衡。能耗計劃表通常由物聯網智能電能表充當,其將用于在市場參與者之間雙向交換信息,在控制家用電器調度的同時也充當分布式市場的控制中心,在這過程中隱私性將得到保障。在此框架下,本文提出了一個基于非合作博弈論的家用負荷設備調度策略[20-23]。一個社區中的部分家庭用戶將被定義為產消者,即指用戶可自行構建太陽能、風能發電裝置進行供售電,同時具有生產者和消費者屬性。在能源未得到充分利用時,他們可以向鄰近出售多余的電能而成為生產者;而在產能不夠或能源需求較大時,他們將向外購買電能因此成為消費者。作為終端用戶,每個用戶都裝有物聯網智能電能表和相應的物聯網配套設備。用戶可通過先進的計量基礎設施實現物聯網設備、智能電能表、社區微電網、公用電網之間的通信。

圖1 含區塊鏈的社區配電網框架

1.2 模型建立

假設一個社區中有N個家庭用戶,每個用戶的一種家用電器設備用A表示,不同家用電器組成的設備集合用Am,nm表示,則有A∈Am,nm。不同用戶的家用電器設備集Am,nm不同,從社區微電網和公用電網購買電價格信號不同,同時每個用戶使用電器的時間段也不同。這些與用戶個體相關的信息在物聯網智能電能表上均具私密性。在此,先將用戶家中智能電器設備分為可調設備和不可調設備兩類?？烧{設備可根據能效管理系統對其使用時間段進行調整,達到錯峰使用減少電費支出的目的,如洗衣機、真空吸塵器、洗碗機和烘干機等;反之則為不可調峰設備,如冰箱、電燈、電視機等。

假設將可調設備的集合表示為Am,n,并且對于每個用戶,有n∈N,am= 1,...,Am,n,其總負荷可用式(1)表示:

(1)

式中Pm,n為可調設備總負荷;PAm,n為單個可調設備負荷。

不可調設備的使用時間不能靈活調整,其能耗在某一固定時間段t∈T內為常數。將用戶n∈N的一系列不可調設備定義為Anm,n,其總負荷可寫為:

(2)

式中Pnm,n為不可調設備總負荷;PAnm,n為單個不可調設備負荷。

(3)

對于整個社區而言,記所有用戶的總功耗為Pt,則某一時間段內PT可寫為:

(4)

該模型的優化目標是讓用戶在有限的能源配置條件下通過調控設備使用時間和用電成本來實現開支最小化。本模型中家用電器的運行電價采用24小時前電價。每個用戶都擁有自己的能源消耗時間表,以便根據自身需求調整高峰時段從而減少電費支出。為此,將功耗峰值和平均值的比值用PAR表示,該值代表了整個系統中所有用戶需求的形狀特征。式(5)給出了功耗峰值Ppeak、平均值Pavg及PAR的計算式。

(5)

除功耗外,電價是影響設備調度的另一個重要因素。定價信號來自于社區微電網和公用配電網,并以社區這一級來進行輸入和輸出電量的核算。社區電網購電采用動態定價方案,假定電力價格是已知的,在宣布后不能改變。電價基于統一費率、分時電價、臨界峰值電價(CPP)或實時電價(RTP)確定,消費者可以自由選擇定價方案。同樣大小的負荷在一天中不同時段的費用可能不同,社區微電網白天用電便宜,公用電網較貴,夜間則相反。最終的能源價格取決于能源消耗和一天中能量的利用時間。

(6)

目標函數是使社區和個人用戶的設備運行成本最小化,如(7)所示。

(7)

社區用戶則根據用電空閑時段給出自身偏好作為約束條件,如式(8)～式(13)所示。約束條件共分為6類,下面分別闡述。

1)決定變量約束。

(8)

2)能量平衡約束。

(9)

3)運行時段偏好約束。

用二元矩陣表示啟用設備的意愿因子,需要提供在時間段t內使用設備a時的意愿度Wn,tla。這些設備的使用根據運行時段偏好進行約束。

(10)

4)設備運行序列約束。

某些設備之間存在著前后運行的聯系,需要被考慮進約束條件中。例如烘干機在洗衣機運行完畢后才會啟動,si即表示這類負荷,決策變量則在每個時間段內從各組中選擇出需要運行的單個設備。

(11)

5)設備持續運行約束。

家用電器設備的功率消耗和運行時長對于計算總功耗來說是必要條件。不同的家電的運行時間不同。約束條件F7中,tla為第a個設備在T時段內的具體運行時間。αn,tla為設備開關狀態的決定變量。有時設備需在完成任務期間保持連續開啟,需給出了設備的啟動時間和結束時間。約束條件F8即是為特定設備在規定的時間段內連續運行而設計的,ts是設備的啟動時間。

(12)

6)移峰填谷約束。

F9代表谷填充。而F10是移峰,表明在需求高峰期間能源消耗負荷的減少。該約束使得調度后的峰值需求小于或等于初始峰值Pmax。

(13)

式(7)和約束條件中的目標函數在此優化問題中是線性的,該問題可采用分支定界算法進行集中求解,并給出唯一解,可使目標社區系統的用戶成本最小化。

1.3 非合作博弈模型

式(7)中,結合式(8)～式(13)中的約束條件,采用集中式優化方法求解,可得到用戶及其調度的最優解,這種集中優化是基于整個社區的總負荷。用戶隱私泄露是集中式方法的主要問題之一,用戶與總計劃表共享所有信息。針對這些問題,以分布式方式求解用戶的目標函數。運用博弈論方法,在家用電能源調控系統和電力公司之間交換最小信息。該方法目標是通過能耗調控器的功能實現基于消費者個人需求的能源配置。當然,激勵用戶使用物聯網智能電能表并利用它來降低電費支出也是非常重要的。本部分研究的重點是個人用戶無隱私泄露的能源成本最小化問題[24-25]。

每個用戶的計費成本取決于所提供的在T時段內的計費價格、可用能源和設備消耗向量。每個用戶都優化自己的能耗計劃,以降低用戶個人成本,而非整體利益最大化,因此在社區用戶之間建立非合作博弈模型。智能社區微網中的所有用戶都是博弈參與者,N是一組參與者。每一種用戶能耗博弈在都涉及到以下三個組成部分:

1)用戶:智能社區微網中的所有用戶,其集合表示為N。

2)策略:每個用戶n(n∈N)的能源消耗調度。

3)收益:根據約束式(8)、式(13),通過最小化能源消耗成,來最大化每個用戶的收益n(Pn,P-n)。

(14)

(15)

2 分布式算法

在用戶之間合作的前提下,物聯網智能儀表可通過合理安排設備使用減少能耗費用支出。用戶之間的能量消耗博弈納什均衡與線性約束問題式(7)的最優解相同。在由N個家庭用戶組成的配電網社區中,可利用家電調度迭代方法使得單個家庭用電成本最小化。當用戶數量N足夠大時采用傳統算法計算慢,分布式計算具有分布性和并發性,可有效提高計算效率。此外,分布式計算可有效防止用戶隱私泄露,因此本文采用了分布式算法。本文采用分布式的方法發開了兩種算法,分別作用于售電公司端和用戶端,共同實現配電網能源交易和調度,算法流程分別如圖2及圖3所示。

圖2 算法1流程圖

圖3 算法2流程圖

其中,算法1用于電力公司端,分別負責更新能源可用性信息、向用戶發送定價信號和實時計算總負荷Pt;算法2則用于用戶端通過博弈論求解對單個用戶設備進行調度計劃更新,分別進行隨機初始化、采用分支定界法求最優解、更新能耗調度計劃、以及信息交互等。其中,算法2鑲嵌在算法1中,算法1中有關N個用戶中總功耗Pt的計算建立在單個用戶n的家庭能耗計劃基礎上。

3 能效管理及調度的區塊鏈應用

能源市場通常會存在價格靈活變化、非均衡能源調度、非均衡能源貿易以及能源交易清算等現象。該系統模型通過智能合約在電力交易系統中進行信息交換和交易結算,使每個用戶的效益最大化。該系統沒有直接優化調度和電力交易,而是為此創建用于社區微電網的用電及交易結算的社區區塊鏈交易鏈(CBTC)。這也用于將設備調度間隔存儲在區塊鏈上或區塊鏈外,以便在電價較低的時刻運行。區塊鏈技術存儲所有節點的數據,包括可再生能源、高峰時段、非高峰時段、負荷需求和電價。

國內用戶與能源管理智能計劃表互聯。在圖1中,虛線表示信息流(資金、調度等),實線表示智能社區中的電力流。每個消費者都有自己的物聯網智能儀表,用于社區微電網中的信息交換。物聯網智能儀表與用戶、能源供應商互動,從智能設備收集信息并自動運行。該計劃表用于管理電力需求,以調度可管理的設備負荷,有助于以P2P方式優化本地能源市場,并與社區微電網或公用事業公司達成定價協議。用戶直接從社區微電網或公用配電網或其他用戶處購買電力,智能合約通過預定義的談判規則處理該過程。智能合約檢查所需電力的可用性,并自動檢查電價,其中智能合約是不可變的。

首先,使用智能合約定義協議,然后將資金發送到作為托管賬戶的預定義地址,電力傳輸過程發生在這個過程之后。物聯網短信控制著來自生產者和消費者的能量流,也控制著消費者的家用智能家電。最后實現適合于區塊鏈技術效率的管理方法。

文本方法的優勢在于:以分布式方式為社區分配能源,傳輸對等事務,降低成本的同時提高安全性,并可提供電力使用的可追溯性,為交易監督提供便利。

4 算例分析

4.1 最佳方案和成本效益分析

在集中式和分布式協同環境下,利用MATLAB求解目標函數,綜合所有約束條件,得到最優調度方案。在本算例中,一天24 h被劃分為96個時間段,1個時間段為15 min。

能源價格是用于家電調度決策的輸入參數,采用動態定價方案對社區微網和公用配電網的能源進行交易。同一負荷在一天中不同時段的費用可能不同,電力在白天較為便宜,而在公用配電網和晚上則較貴。能源價格取決于一天消耗的能源和能源利用的時間,文中電價的選擇取決于可用能源和電力成本,如式(6)及如圖4～圖5所示。電價以元/(kW·h)計算,每個家庭都有不同的時間段以適應不同的運行另一個參數來做出決定?；谑?13)的設備運行的偏好決定時間段,可管理的設備將運行時間段從峰值需求轉移到峰值需求到最小能量消耗。表1給出了可移動設備的能耗概況。

表1 可移動設備能耗表

圖4 可移動設備調度結果

圖5 單用戶家電整體負荷優化調度

圖4和圖5給出了配電網的最佳能源管理,在圖4中僅顯示可移動設備調度結果,結果在需求圖方面區分了本文方案的最優能量管理。在電價較低、分布式電源可用的時段內能源消耗有所增加,這導致能源消費高峰期發生了轉變,也降低了用戶的用電價格。圖5描述了整個單用戶家用電器負載的最優調度,其中所有可移動和無可移動的負載非移動設備,提高了分布式電源價格和可用性較低的情況下的利用率?？梢苿又悄茉O備模式可顯示單個可移動設備的調度。當可再生能源可用且電價較低時,這些智能家電在白天的時段進行轉換。滿足式(11)中的用具序列約束,例如干衣機在完成洗衣機的任務后運行。

此外,考慮了分布式電源的影響,其中光伏采用了2 kW的屋頂太陽能電池板,光伏發電工作時間取決于太陽輻射和溫度。圖6給出了光伏在各個時間段的出力大,圖7顯示了社區微電網或公用配電網的凈最優能源需求和電力輸入,當地的分布式發電減少了電力輸入量,使電費降到最低。設備調度模式與前面討論的相同,但由于本地發電的供電影響和減少凈需求,最終需求曲線有所不同。智能配網中的所有用戶的最優和非最優電費如圖8所示。當智能電能表中啟用物聯網智能儀表時,每個用戶向社區微電網或公用配電網支付較少的電費,因此可提高用戶參與能源需求管理系統的主動性。

圖6 屋頂光伏出力曲線

圖7 能源需求及電力輸入輸出值

圖8 各用戶電費賬單

4.2 區塊鏈技術實施

該系統模型中的每個用戶都能通過電能交易系統中的信息交換使其電能效用最大化。但是該系統不能實現設備調度的優化和電能的直接交易。為此,創建社區區塊鏈交易鏈CBTC用于進行社區微電網內的電力交易和實現交易結算。CBTC也可用于在區塊鏈上或區塊鏈外存儲設備調度間隔,以便系統在電價較低的地方運行。綜上所述,本文使用以太坊區塊鏈框架對所提出的能耗管理系統進行完善。

Remix是以太坊集成開發環境(IDE)。這是一個功能強大的開源工具,可直接通過瀏覽器采用JavaScript編寫。在remix IDE中,支持對不同應用程序的智能合約進行測試、調試和部署。智能合約是采用Solidity語言編寫,這種語言可面向對象,并在以太坊狀態下管理用戶帳戶行為的預定義程序。

MetaMask是一個提供訪問分布式web的橋梁的工具,用于在瀏覽器中運行以太坊dApps,而不運行完整的以太坊節點。元掩碼提供用戶界面來管理主以太坊網絡或某些測試網絡中的身份和提供安全事務。在Chrome瀏覽器中安裝MetaMask插件。為社區微網、配電網和用戶創建錢包帳戶,以便進行交易。Ropsten網絡是一個測試網絡,與以太網運行相同的協議,并在部署到主網絡之前用于測試。MetaMask Ether用于獲取ETHs并在錢包地址中自動發送。系統組成及擬用系統說明如下:

1)使用元掩碼為用戶創建帳戶(錢包地址)。在這項工作中,兩個節點是能源生產者,其余節點是能源消費者。本地運營商(通信控制方)將每個用戶的帳戶指定為能源供應商或能源消費者的新注冊,區塊鏈網絡保留賬本副本并參與共識過程。

2)用戶可以創建自己的可用能源和價格并發送到能源交易P2P市場,其他人可以看到交易信息。

3)用戶可以通過調用函數buyenergy()以最低價格接受報價,在此之后交易完成,并在區塊鏈網絡系統中更新最近的區塊和交易信息。

4)通過前端應用程序進行社區中的智能家庭與區塊鏈交互。這有助于對社區中用于交易和監控的分布式系統進行自動化控制。

5)通過分散數據庫存儲共享數據,包括能源數據,為所有用戶定價。

6)智能合約是基于分類賬數據自動執行的,使能源供給者和能源消費者之間進行能源和金融交易。這將發送控制信號來自動打開/關閉設備以參與智能社區,在沒有第三方參與的情況下,可以在社區微電網和公用配電網之間高效地部署用于能源交易的智能合約系統。智能物聯網設備將數據存儲在分類賬中,其中功能、事件、狀態變量和修飾符是智能合約的主要元素。

整個交易過程和日程安排都是由系統人工干預下自動完成的,這樣運行成本低,信息安全可靠。Etherscan是以太網區塊鏈的區塊瀏覽器,用于驗證本工作中存儲的每個交易信息,可運行用戶在以太網區塊鏈中查找、確認和驗證交易。圖9顯示了在以太網網絡中運行的智能合約、事務流以及Metamask如何使用所有者私鑰對事務進行簽名。圖10為一個區塊鏈交易示例,此事務需公布有關挖掘難度級別、事務哈希函數、在Ethereum上運行時的限制信息,并確保信息永久存儲在區塊鏈中。

圖9 基于Remix的以太網事務工作流

圖10 區塊鏈交易示例

基于區塊鏈技術,以智能合同的形式,實現智能社區能源交易和設備調度系統。智能配電網交易算法采用Solidity編寫,并在Ethereum區塊鏈平臺進行測試。圖11顯示了Ether中的創建交易記錄,可在接下來交易中允許在社區供電市場注冊能源供應商和消費者。在交易中,能源供應商提供能源價格、數量、時間戳和日期,消費者根據能源價格、數量和時間從賣方購買能源。

圖11 區塊鏈分類賬交易記錄

5 結束語

本文提出了一種基于物聯網智能電能表的社區微電網多用戶分布需求側管理系統,建立了非合作博弈論模型。智能家居用戶通過優化用電設備的使用,減小能耗支出來獲得博弈最優解。該模型的參與者包括用戶的自再生發電、社區微電網以及售電公司。每個參與者各個環節都采用最佳策略來最小化能源成本。該方法根據實時電價對配電網中用戶的家庭用電設備進行實時合理調度,降低了家庭用電支出,并通過分布式算法的實現保證了參與用戶能源消耗信息的隱私性。此外,智能契約的執行實現了合約主體之間的自動通信。該方法的實現同樣也建立在區塊鏈技術上,為參與者提供了可靠的通信媒介。社區區塊鏈交易鏈CBTC的使用加強了對智能電器的自主監控,并通過智能合同對用電量進行計費,實現了社區微電網間在沒有第三方參與情況下的電力交易結算。結果表明,該方法可使整個社區的能耗總支出及每個用戶的個體能耗支出最小化,有利于整個社區的節能減排。