基于区块链的智能电网分布式资源管理研究

汪磊,李敬兆,秦晓伟

(安徽理工大学 电气与信息工程学院,安徽 淮南 232001)

0 引 言

我国是能源消耗大国,现如今正面临着能源合理利用率低、能源产业结构较为单一等诸多突出性问题。传统电网在电力能源产业中存在并网难、损耗大和电力数据利用率低等困境,电网革新势在必行。智能电网研究是目前电网系统发展的必然趋势。

分布式能源以其能效利用合理、损耗小、运行灵活等特点迅速成为智能电网建设中的重要能源体系。但相较于传统电力能源,分布式能源大规模并网难和资源难以调度制约着其在电网中的进一步发展。同时电力企业在对分布式能源进行管理时,容易出现电力交易双方难以取得互信、无法实时对电力设备进行监管等现象。电力企业急需一种基于去中心化的、安全可靠的技术来建立一套电力网络管理系统促进分布式能源的发展。

区块链技术作为计算机领域的新应用模式,无需授权即可在分布式系统环境中建立信任,链上数据能够进行实时共享[1]。将区块链应用到电网管理系统中可以为电力资源的调度和清洁能源的加入与消纳提供新思路。国内外很多专家学者对此进行了相关研究。

文献[2]以区块链技术为基础,制定了一种能源市场统一价格的双边交易机制,在以太坊平台上设计相关智能合约,利用市场参与者与智能合约进行互动,来保障交易的真实性,但文章未考虑到统一价格会出现波动等因素,该方案不适合用于分布式能源市场。文献[3]等提出了一种基于区块链的分布式能源交易方案,在连续双边拍卖、竞争均衡价格等基础上确立支撑分布式能源P2P交易的分布式能源结算机制。该方案使分布式能源P2P交易透明便捷,同时保证了中心化有效监管,但是电网上节点数量有限制,会给交易带来更高的风险,且对分布式能源的资源调度方面没有涉及,无法合理高效率地利用分布式资源。

针对上述研究存在分布式能源交易管理不完善、电力资源调度缺乏有效方法等问题,文章提出了一种基于区块链技术的电力网络管理系统。在以太坊开发平台上建立分布式电力交互管理区块链,依据PoS(Proof of Stake,股权证明)变异算法来设计分布式电能交易双方的共识机制,通过K-means聚类算法和PSO(Particle Swarm Optimization,粒子群优化)算法制定的分布式电能调度策略使该系统在智能合约环境架构下具有可信电能交易、电力资源实时调度、电力设备智能监管等功能。

1 电力网络管理系统

基于区块链技术的电力网络管理系统分为电能衍生层、交易支付层和数据贮存层,如图1所示。

图1 电力网络管理系统层次图

1.1 电能衍生层

电能衍生层是电力网络管理系统的基础。在各分布式电源完成并网后,根据不同地区用电量的需求,分布式电源供应方通过发电设备合理生成电能,在交易支付层完成分布式能源的自动分配[4-6];通过传感器、无线传感网络等对变压器、开关柜、高压电缆等电力设备进行状态监测,并和电能交易数据进行“打包”,完成数据的上链;电网管理人员通过区块链上数据了解电量需求情况和设备运行状况后,可以决定不同时段发电机组的工作负荷,实现电力设备的动态运行。电能衍生层结构图如图2所示。

图2 电能衍生层结构图

1.2 交易支付层

交易支付层是分布式电能实现合理交易的基础。电能需求者依据自身需要,在电力网络管理系统中提出交易申请,系统依据智能合约和调度策略,进行合理匹配。在电能衍生层的支撑下,需求者能够了解供应者的电能来源、电能质量等信息,提高交易双方的信任度,促成交易快速达成。交易完成后,相关交易数据会随之上链。

1.3 数据贮存层

数据贮存层是将电能交易数据、电力设备实时状态信息等数据进行存储。电网的管理人员可以对存储在服务器的信息数据进行查阅、提取,以便对整个系统进行管理,保障电力网络管理系统的正常运行。

2 以太坊与电力交互管理区块链

2.1 以太坊开发平台

以太坊是一个开源区块链平台[7-8],捐弃了比特币中UTXO模型无法账户状态转换、缺少循环语句的缺点,构建了专门的账户模型,依靠智能合约,便能够实现复杂状态的转换。通过参数设置,在以太坊平台上运行电力交互管理区块链,不会同步以太坊公网的数据的同时也节省了存储空间和成本。

2.2 电力交互管理区块链

电力交互管理区块链技术层次包括数据采集层、网络传输层、信息共识层、智能合约层和平台应用层,如图3所示。其中,信息共识层和智能合约层是电力交互管理区块链的核心。

图3 电力交互管理区块链技术层次

2.2.1 信息共识层

信息共识是区块链技术在去中心的环境下最核心的问题。如今常见的共识算法主要有PoS、PoW(Proof of Work,工作量证明)、DPoS(Delegated Proof of Stake,委任权益证明)、PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance,实用拜占庭容错)[9-10]等。相关算法的对比如表1所示。

表1 四种算法性能对比

目前涉及电网的区块链应用中关于数据共识大多是采用PoW算法,但这种算法是与公有链相搭建的,算法机制耗能过大,共识机制的高效性受到限制[11-13]。电网中数据采集节点较多,而PBFT算法节点容量只有100以内,PoS算法节点吞吐量大且相较于DPoS算法去中心化程度高,但在该算法下每个区块的确定性是概率性的,需要其他多个节点对区块进行认证,才能最终生成。故文章采用PoS变异算法,规定在PoS算法基础上,免去算法中依靠多节点生成确立区块的规则,依据权益证明和选择函数确定记账人生成区块,加快交易数据打包从而提升生成区块的速度,进而提高整个电力网络管理系统数据传输的时效性。

2.2.2 智能合约层

智能合约层在网络传输层与共识信息层之上,其主要是隐藏电力交互管理区块链中各节点的复杂行为,同时也为电力交互管理区块链的平台应用层提供了接口。本文的电力交互管理区块链构建了电力运营智能合约框架,利用合约中的程序达到任务运行的去中心化,形成具有交易信任关联的环境[14-16]。电力设备运营智能合约模型如图4所示。

图4 电力设备运营智能合约模型

2.3 区块链中电力交易的特征

分布式能源交易中的分散决策虽改变了传统能源售卖时自上而下的集中式决策[17],一定程度上降低了交易的中心化程度,但有关分布式电能交易仍存在信息不公开,交易数据难以共享,互信程度低的问题,而在电力交互管理区块链相关技术的支持下,分布式电能交易可具有如下三个特征。

(1)智慧互信

电力网络管理系统中的每个层次都可进行互联,在区块链中,分布式电能交易中发用电方又都是单独的实体,各交易主体可以实现智慧互信;

(2)数据共享

交易时,电力交互管理区块链的客户端发布电能供求双方的信息数据,交易完成后,交易数据生成区块存储在区块链中,电网监管人员和发用电方均可在交易过程中实时获取具体交易信息;

(3)透明交易

分布式能源交易强调交易过程中的生态化运行,有赖于区块链的网络结构,有关分布式电能交易不仅更加透明,而且还可以与其他行业的信息交流提供平台。

3 共识机制与分布式电能调度策略

在电力交互管理区块链中,交易双方中的记账人由共识机制来决定。为了解决电能交易双方的发电、用电量之间的协商,推进交易进程,使用PoS变异算法设计利于发用电双方共同认证的共识机制,同时提出一种改进的分布式能源调度策略,完成对分布式电能的合理可靠调度,进一步保障交易的可靠性。

3.1 发用电共识机制

对于电力交互管理区块链来说,如果发电方或者用电方储存有大量的低价电量(电量证明权益异常高),很难保证两方不会进行大量抛售。为了解决这类现象,设计发用电双方共识机制如下:定义区块链内电能交易记账节点为Ui,其中Ui满足Ui∈{U1,U2,…Un},每个Ui对应的公钥以及发用电量证明权益为Qt={(k1v,q1),(k2v,q2),…,(knv,qn)},区块链根据选择函数Q选出指定的记账人,由其生成新的区块。

对整个区块链网络统一将时间划分成时间段tsi,有tsi∈(ts1,ts2,…,tsR),其中R是周期,由于记账人列表的定时刷新。在创世区块B0中将记账节点Ui、对应的签名公钥和最初始的电量权益证明机制包含进去。之后每一个时段tsi可以由该时段指定的记账人生成一个区块Bj,由创世区块开始延伸,形成B0,B1…,Bn的链式结构,不断延长。记账权选择过程中,根据各个节点发用电量的权益比重,采用记账权选择函数Q来进行随机选择,对于记账节点Ui∈{U1,U2,…Un},在时段tsi被选中的概率为pi,满足:

(1)

式中n是网络中全部参与的节点数量;qi是电量权益证明人Ui的权益份额。但在记账过程中可能会遇到恶意节点,即电量证明权益异常高的节点,需要对恶意节点的占比进行统计计算出常规节点的占比,式(2)是对常规节点的删选:

(2)

3.2 基于K-means和PSO的电能调度策略

K-means聚类算法将高维数据按照数据的相关特性划分为k个簇[18],并将每个簇的中心点作为数据的原始模型,根据各个簇不同的中心距对数据对象进行分类,对分布式能源的不同的发电用户有如下设计:

(1)在中trades={ωt,t∈[1,M]}随机抽取k个分布式电能供应商作为簇中心,构建有关发电方的簇中心集合cluster={c1,c2,…,ck};

(2)∀ωt∈trades,t∈[1,M],均罗列入簇m。

m=argmin(diu),u=1,2,…,k

(3)

(4)

式中‖‖表示欧氏距离;

(3)簇中心集合中元素进行更新,需满足:

(5)

式中Nm(t)表示clusterm(t)集合节点数量;clusterm(t)表示m时段簇m的节点集合;

(4)如果cluster被更新则转至(2),否则结束。

在K-means聚类算法中一个合适的k值对于各电能供应商的分类精度求解质量十分重要,故规定k值的求解方法为:

(6)

对于用电方来说,其希望发电方提供在一定价格下所能提供最多的电能,同时尽可能多的资源能被进行高效利用,这就需要对由相同分布式能源发电的供应商进行调度匹配,PSO算法由于对被优化问题的可微、可导等性质没有要求[19],且具有易收敛,操作简单等特性,适合于解决能源供应商的交易过程中的实时调配问题。

假设搜索空间的维度为B,将b个相同分布式能源供应商(如:均是小水电发电供应商)进行排队编号,形成数据队列,由这b个粒子构成的初始化种群Y为:

Y=(y1,y2,…,yi,…,yb)

(7)

(1)对于每一个粒子,粒子位置都由一个B维的向量表示,包含B个参数。

yi=(yi1,yi2,…,yiB),i=1,2,…,b

(8)

(2)计算得出种群中各粒子的迁移速度。

vi=(vi1,vi2,…,viB),i=1,2,…,b

(9)

(3)种群中各粒子更新粒子的速度和位置数据。

(10)

(11)

供应商调度以同一时间基准各自在相同价格条件下所能获取的最大电能为优化条件,须确定分布式电能供应商种群粒子中的最优空间位置yg=(yg1,yg2,…,ygB),i=1,2,…,b,故设计目标优化函数为:

(12)

式中Pit表示第i个粒子在t时刻所产生的电能,确定最优分布式电能供应商,完成电能交易过程中的发用电双方匹配问题。

4 电力运营智能合约

在以太坊中部署智能合约,通过智能合约编译器在EVM(Ethereum Virtual Machine,以太坊虚拟机)[18]环境中运行。电力运营智能合约的主体是电能交易智能合约。在电能交易智能合约中,电网的管理机构被设置为管理员,根据电网的实时运行情况,发布调度信息。完成匹配的电量供求双方通过发用电共识机制确定相应记账人,并在合约的环境下完成交易过程,具体交易流程图如图5所示。

图5 智能合约电能交易流程图

电力网络管理系统中分布式电能交易的中心工作是由在以太坊上搭建的电力交互管理区块链完成的。发用电双方在有交易需求的前提下,等待电能调度策略完成供应商与用户的匹配,电力交互管理区块链的客户端进行交易双方的信息数据发布,依据设计的共识机制确立发用电双方的记账人,最终在区块链智能合约的环境下完成交易的结算、交易数据存储工作,电能交易数据整合经记账人生成新的区块实现上链。

5 实验分析与应用

为了测试电力网络管理系统中区块链相关技术的应用效果,团队在某市进行了相关实验。经调查发现在该市接入电网的电压等级中,35 kV及以下电压等级占比达到了56%,达到了该市的一半以上。而在35 kV及以下的分布式装机项目中该市又以光伏发电、小水电为主,其占比分别为55%和21%,如图6、图7所示。

图6 该市并网电压等级占比

图7 该市35 kV及以下电源装机容量占比

基于以上情况,分别做了以下两个实验:

(1)随机选取了该市的三个光伏发电站,一个小水电站和一个热电站来作为电力交互管理区块链中的分布式发电方;同时选取相关商铺、工厂等作为用电方。将选取的结果进行模拟交易,根据制定的发用电共识机制和分布式电能调度策略,最终得到表2中各发电方与客户的匹配结果和交易数据。

(2)对多个分布式发电方的交易信息进行统计,得出在电能交易智能合约下,最终成功交易的交易量。再依据平均每一笔交易的耗时,计算出平均S-Ep(交易请求成功比)的值,得到表3。

表3 交易信息分析表

其中S-Ep值的计算公式为式(13):

(13)

由表2可以获悉,不同的用电方根据自身耗能需求与分布式能源发电方进行匹配,经共识机制与电能调度策略的处理,用电预期耗能与最终成交量吻合度较高。

由表3不难得知,在智能合约的影响下,分布式电能交易的请求量多数都转化成了成交量。而且单笔交易的平均耗时都在8 min以内,推进了电能交易进程,很大程度上提升了电能交易的效率。同样根据表3可以分析出S-Ep值越高,交易达成的成功率越低,随着交易请求量的不断增加,交易成功量保持稳定,S-Ep值的走势趋于稳定。一定程度上体现出了电力交互管理区块链中电力运营智能合约运行的可靠性。

6 结束语

电力网络管理系统依托电力交互管理区块链的信息共识层和智能合约层,设计分布式电能发用电共识机制并构建电力运营智能合约环境,合理选择并确立了电能交易双方、有效推动了分布式电能交易进程;使用K均值聚类算法和PSO算法设计分布式电能调度策略,进一步推动和保障了智能合约架构下分布式能源的合理分配。有关区块链的相关平台开发目前已经应用到了智慧电网的很多领域,相信在未来,综合应用区块链技术能够实现电网中多源信息的综合分析与判断,更加合理地调度分布式电能等目标,更好地服务于智能电网的建设。