基于区块链的配电网能效自动化管理方法

范伟,王东杰,张智远,刘卫强,沈宏亮,华蕾

(1.国网河北省电力有限公司保定供电分公司,河北 保定071000;2.国网河北省电力有限公司,石家庄050021)

0 引 言

近年来,能源需求持续稳步增长,预计到2030年,其增幅将达40%左右。为满足能源需求,可再生清洁能源必将逐步发展成为主要能源选择。可再生能源所占比例的增加将缓解化石能源引起的环境危机,并将市场由消费者导向转为产消者导向[1-3]。未来,可再生清洁能源将更多进入居民用户家中,电力系统也将由传统配网向新型、智能配网进行过渡转变[4-5]。

配电自动化及需求侧管理是实现智能配网的重要标志[6-7]。过去,在发电和用电负荷方面的大多数工作都是无法管理的,亟需一个智能、安全的能效管理系统,通过其对负荷峰、电价等的管理调控使得社区总能耗及消费者电费支出最少[8-10]。当前,越来越多的电力用户自行构建太阳能发电装置以及构建充电桩等设备进行售电[11],允许广大消费者以及电力生产者针对点对点区块链网络中的电能实现能量交换成为了发展趋势。区块链技术则以分布式的方式处理数据,支持区域中心化直接与P2P能源实现交易。区块链技术的成功应用将使得数据传输的安全性、用户的隐私性得到保障[12-19]。

现有的针对电网需求侧管理的研究工作侧重于公用电网和消费者之间的交互,但未考虑到消费者可转变为产消者进行能源交易的过程,且不适用于实时环境。在此研究背景下,本文提出了一种基于物联网智能电能表和社区微电网多户分布式的需求侧管理系统,并可通过所提出的博弈论模型实现能效管理,降低个人家庭用电支出和社区总能耗。

1 配电网调度交易机构模型

1.1 模型概述

基于动态电价政策对家用电器进行设备调度从而实现最小化电费支出的能效管理是本文拟实现的主要目标。图1给出了基于区块链技术开发的智能社区配电系统的框架。该智能配电系统中包含两类计划表,一是社区总计划表,二是家用的能耗计划表。社区计划表不仅将被用于交换定价信号、微电网中的可用电量数据以及向公用电网购买或出售的电量数据,还将保证在整个智能社区中实现供需平衡。能耗计划表通常由物联网智能电能表充当,其将用于在市场参与者之间双向交换信息,在控制家用电器调度的同时也充当分布式市场的控制中心,在这过程中隐私性将得到保障。在此框架下,本文提出了一个基于非合作博弈论的家用负荷设备调度策略[20-23]。一个社区中的部分家庭用户将被定义为产消者,即指用户可自行构建太阳能、风能发电装置进行供售电,同时具有生产者和消费者属性。在能源未得到充分利用时,他们可以向邻近出售多余的电能而成为生产者;而在产能不够或能源需求较大时,他们将向外购买电能因此成为消费者。作为终端用户,每个用户都装有物联网智能电能表和相应的物联网配套设备。用户可通过先进的计量基础设施实现物联网设备、智能电能表、社区微电网、公用电网之间的通信。

图1 含区块链的社区配电网框架

1.2 模型建立

假设一个社区中有N个家庭用户,每个用户的一种家用电器设备用A表示,不同家用电器组成的设备集合用Am,nm表示,则有A∈Am,nm。不同用户的家用电器设备集Am,nm不同,从社区微电网和公用电网购买电价格信号不同,同时每个用户使用电器的时间段也不同。这些与用户个体相关的信息在物联网智能电能表上均具私密性。在此,先将用户家中智能电器设备分为可调设备和不可调设备两类。可调设备可根据能效管理系统对其使用时间段进行调整,达到错峰使用减少电费支出的目的,如洗衣机、真空吸尘器、洗碗机和烘干机等;反之则为不可调峰设备,如冰箱、电灯、电视机等。

假设将可调设备的集合表示为Am,n,并且对于每个用户,有n∈N,am= 1,...,Am,n,其总负荷可用式(1)表示:

(1)

式中Pm,n为可调设备总负荷;PAm,n为单个可调设备负荷。

不可调设备的使用时间不能灵活调整,其能耗在某一固定时间段t∈T内为常数。将用户n∈N的一系列不可调设备定义为Anm,n,其总负荷可写为:

(2)

式中Pnm,n为不可调设备总负荷;PAnm,n为单个不可调设备负荷。

(3)

对于整个社区而言,记所有用户的总功耗为Pt,则某一时间段内PT可写为:

(4)

该模型的优化目标是让用户在有限的能源配置条件下通过调控设备使用时间和用电成本来实现开支最小化。本模型中家用电器的运行电价采用24小时前电价。每个用户都拥有自己的能源消耗时间表,以便根据自身需求调整高峰时段从而减少电费支出。为此,将功耗峰值和平均值的比值用PAR表示,该值代表了整个系统中所有用户需求的形状特征。式(5)给出了功耗峰值Ppeak、平均值Pavg及PAR的计算式。

(5)

除功耗外,电价是影响设备调度的另一个重要因素。定价信号来自于社区微电网和公用配电网,并以社区这一级来进行输入和输出电量的核算。社区电网购电采用动态定价方案,假定电力价格是已知的,在宣布后不能改变。电价基于统一费率、分时电价、临界峰值电价(CPP)或实时电价(RTP)确定,消费者可以自由选择定价方案。同样大小的负荷在一天中不同时段的费用可能不同,社区微电网白天用电便宜,公用电网较贵,夜间则相反。最终的能源价格取决于能源消耗和一天中能量的利用时间。

(6)

目标函数是使社区和个人用户的设备运行成本最小化,如(7)所示。

(7)

社区用户则根据用电空闲时段给出自身偏好作为约束条件,如式(8)～式(13)所示。约束条件共分为6类,下面分别阐述。

1)决定变量约束。

(8)

2)能量平衡约束。

(9)

3)运行时段偏好约束。

用二元矩阵表示启用设备的意愿因子,需要提供在时间段t内使用设备a时的意愿度Wn,tla。这些设备的使用根据运行时段偏好进行约束。

(10)

4)设备运行序列约束。

某些设备之间存在着前后运行的联系,需要被考虑进约束条件中。例如烘干机在洗衣机运行完毕后才会启动,si即表示这类负荷,决策变量则在每个时间段内从各组中选择出需要运行的单个设备。

(11)

5)设备持续运行约束。

家用电器设备的功率消耗和运行时长对于计算总功耗来说是必要条件。不同的家电的运行时间不同。约束条件F7中,tla为第a个设备在T时段内的具体运行时间。αn,tla为设备开关状态的决定变量。有时设备需在完成任务期间保持连续开启,需给出了设备的启动时间和结束时间。约束条件F8即是为特定设备在规定的时间段内连续运行而设计的,ts是设备的启动时间。

(12)

6)移峰填谷约束。

F9代表谷填充。而F10是移峰,表明在需求高峰期间能源消耗负荷的减少。该约束使得调度后的峰值需求小于或等于初始峰值Pmax。

(13)

式(7)和约束条件中的目标函数在此优化问题中是线性的,该问题可采用分支定界算法进行集中求解,并给出唯一解,可使目标社区系统的用户成本最小化。

1.3 非合作博弈模型

式(7)中,结合式(8)～式(13)中的约束条件,采用集中式优化方法求解,可得到用户及其调度的最优解,这种集中优化是基于整个社区的总负荷。用户隐私泄露是集中式方法的主要问题之一,用户与总计划表共享所有信息。针对这些问题,以分布式方式求解用户的目标函数。运用博弈论方法,在家用电能源调控系统和电力公司之间交换最小信息。该方法目标是通过能耗调控器的功能实现基于消费者个人需求的能源配置。当然,激励用户使用物联网智能电能表并利用它来降低电费支出也是非常重要的。本部分研究的重点是个人用户无隐私泄露的能源成本最小化问题[24-25]。

每个用户的计费成本取决于所提供的在T时段内的计费价格、可用能源和设备消耗向量。每个用户都优化自己的能耗计划,以降低用户个人成本,而非整体利益最大化,因此在社区用户之间建立非合作博弈模型。智能社区微网中的所有用户都是博弈参与者,N是一组参与者。每一种用户能耗博弈在都涉及到以下三个组成部分:

1)用户:智能社区微网中的所有用户,其集合表示为N。

2)策略:每个用户n(n∈N)的能源消耗调度。

3)收益:根据约束式(8)、式(13),通过最小化能源消耗成,来最大化每个用户的收益n(Pn,P-n)。

(14)

(15)

2 分布式算法

在用户之间合作的前提下,物联网智能仪表可通过合理安排设备使用减少能耗费用支出。用户之间的能量消耗博弈纳什均衡与线性约束问题式(7)的最优解相同。在由N个家庭用户组成的配电网社区中,可利用家电调度迭代方法使得单个家庭用电成本最小化。当用户数量N足够大时采用传统算法计算慢,分布式计算具有分布性和并发性,可有效提高计算效率。此外,分布式计算可有效防止用户隐私泄露,因此本文采用了分布式算法。本文采用分布式的方法发开了两种算法,分别作用于售电公司端和用户端,共同实现配电网能源交易和调度,算法流程分别如图2及图3所示。

图2 算法1流程图

图3 算法2流程图

其中,算法1用于电力公司端,分别负责更新能源可用性信息、向用户发送定价信号和实时计算总负荷Pt;算法2则用于用户端通过博弈论求解对单个用户设备进行调度计划更新,分别进行随机初始化、采用分支定界法求最优解、更新能耗调度计划、以及信息交互等。其中,算法2镶嵌在算法1中,算法1中有关N个用户中总功耗Pt的计算建立在单个用户n的家庭能耗计划基础上。

3 能效管理及调度的区块链应用

能源市场通常会存在价格灵活变化、非均衡能源调度、非均衡能源贸易以及能源交易清算等现象。该系统模型通过智能合约在电力交易系统中进行信息交换和交易结算,使每个用户的效益最大化。该系统没有直接优化调度和电力交易,而是为此创建用于社区微电网的用电及交易结算的社区区块链交易链(CBTC)。这也用于将设备调度间隔存储在区块链上或区块链外,以便在电价较低的时刻运行。区块链技术存储所有节点的数据,包括可再生能源、高峰时段、非高峰时段、负荷需求和电价。

国内用户与能源管理智能计划表互联。在图1中,虚线表示信息流(资金、调度等),实线表示智能社区中的电力流。每个消费者都有自己的物联网智能仪表,用于社区微电网中的信息交换。物联网智能仪表与用户、能源供应商互动,从智能设备收集信息并自动运行。该计划表用于管理电力需求,以调度可管理的设备负荷,有助于以P2P方式优化本地能源市场,并与社区微电网或公用事业公司达成定价协议。用户直接从社区微电网或公用配电网或其他用户处购买电力,智能合约通过预定义的谈判规则处理该过程。智能合约检查所需电力的可用性,并自动检查电价,其中智能合约是不可变的。

首先,使用智能合约定义协议,然后将资金发送到作为托管账户的预定义地址,电力传输过程发生在这个过程之后。物联网短信控制着来自生产者和消费者的能量流,也控制着消费者的家用智能家电。最后实现适合于区块链技术效率的管理方法。

文本方法的优势在于:以分布式方式为社区分配能源,传输对等事务,降低成本的同时提高安全性,并可提供电力使用的可追溯性,为交易监督提供便利。

4 算例分析

4.1 最佳方案和成本效益分析

在集中式和分布式协同环境下,利用MATLAB求解目标函数,综合所有约束条件,得到最优调度方案。在本算例中,一天24 h被划分为96个时间段,1个时间段为15 min。

能源价格是用于家电调度决策的输入参数,采用动态定价方案对社区微网和公用配电网的能源进行交易。同一负荷在一天中不同时段的费用可能不同,电力在白天较为便宜,而在公用配电网和晚上则较贵。能源价格取决于一天消耗的能源和能源利用的时间,文中电价的选择取决于可用能源和电力成本,如式(6)及如图4～图5所示。电价以元/(kW·h)计算,每个家庭都有不同的时间段以适应不同的运行另一个参数来做出决定。基于式(13)的设备运行的偏好决定时间段,可管理的设备将运行时间段从峰值需求转移到峰值需求到最小能量消耗。表1给出了可移动设备的能耗概况。

表1 可移动设备能耗表

图4 可移动设备调度结果

图5 单用户家电整体负荷优化调度

图4和图5给出了配电网的最佳能源管理,在图4中仅显示可移动设备调度结果,结果在需求图方面区分了本文方案的最优能量管理。在电价较低、分布式电源可用的时段内能源消耗有所增加,这导致能源消费高峰期发生了转变,也降低了用户的用电价格。图5描述了整个单用户家用电器负载的最优调度,其中所有可移动和无可移动的负载非移动设备,提高了分布式电源价格和可用性较低的情况下的利用率。可移动智能设备模式可显示单个可移动设备的调度。当可再生能源可用且电价较低时,这些智能家电在白天的时段进行转换。满足式(11)中的用具序列约束,例如干衣机在完成洗衣机的任务后运行。

此外,考虑了分布式电源的影响,其中光伏采用了2 kW的屋顶太阳能电池板,光伏发电工作时间取决于太阳辐射和温度。图6给出了光伏在各个时间段的出力大,图7显示了社区微电网或公用配电网的净最优能源需求和电力输入,当地的分布式发电减少了电力输入量,使电费降到最低。设备调度模式与前面讨论的相同,但由于本地发电的供电影响和减少净需求,最终需求曲线有所不同。智能配网中的所有用户的最优和非最优电费如图8所示。当智能电能表中启用物联网智能仪表时,每个用户向社区微电网或公用配电网支付较少的电费,因此可提高用户参与能源需求管理系统的主动性。

图6 屋顶光伏出力曲线

图7 能源需求及电力输入输出值

图8 各用户电费账单

4.2 区块链技术实施

该系统模型中的每个用户都能通过电能交易系统中的信息交换使其电能效用最大化。但是该系统不能实现设备调度的优化和电能的直接交易。为此,创建社区区块链交易链CBTC用于进行社区微电网内的电力交易和实现交易结算。CBTC也可用于在区块链上或区块链外存储设备调度间隔,以便系统在电价较低的地方运行。综上所述,本文使用以太坊区块链框架对所提出的能耗管理系统进行完善。

Remix是以太坊集成开发环境(IDE)。这是一个功能强大的开源工具,可直接通过浏览器采用JavaScript编写。在remix IDE中,支持对不同应用程序的智能合约进行测试、调试和部署。智能合约是采用Solidity语言编写,这种语言可面向对象,并在以太坊状态下管理用户帐户行为的预定义程序。

MetaMask是一个提供访问分布式web的桥梁的工具,用于在浏览器中运行以太坊dApps,而不运行完整的以太坊节点。元掩码提供用户界面来管理主以太坊网络或某些测试网络中的身份和提供安全事务。在Chrome浏览器中安装MetaMask插件。为社区微网、配电网和用户创建钱包帐户,以便进行交易。Ropsten网络是一个测试网络,与以太网运行相同的协议,并在部署到主网络之前用于测试。MetaMask Ether用于获取ETHs并在钱包地址中自动发送。系统组成及拟用系统说明如下:

1)使用元掩码为用户创建帐户(钱包地址)。在这项工作中,两个节点是能源生产者,其余节点是能源消费者。本地运营商(通信控制方)将每个用户的帐户指定为能源供应商或能源消费者的新注册,区块链网络保留账本副本并参与共识过程。

2)用户可以创建自己的可用能源和价格并发送到能源交易P2P市场,其他人可以看到交易信息。

3)用户可以通过调用函数buyenergy()以最低价格接受报价,在此之后交易完成,并在区块链网络系统中更新最近的区块和交易信息。

4)通过前端应用程序进行社区中的智能家庭与区块链交互。这有助于对社区中用于交易和监控的分布式系统进行自动化控制。

5)通过分散数据库存储共享数据,包括能源数据,为所有用户定价。

6)智能合约是基于分类账数据自动执行的,使能源供给者和能源消费者之间进行能源和金融交易。这将发送控制信号来自动打开/关闭设备以参与智能社区,在没有第三方参与的情况下,可以在社区微电网和公用配电网之间高效地部署用于能源交易的智能合约系统。智能物联网设备将数据存储在分类账中,其中功能、事件、状态变量和修饰符是智能合约的主要元素。

整个交易过程和日程安排都是由系统人工干预下自动完成的,这样运行成本低,信息安全可靠。Etherscan是以太网区块链的区块浏览器,用于验证本工作中存储的每个交易信息,可运行用户在以太网区块链中查找、确认和验证交易。图9显示了在以太网网络中运行的智能合约、事务流以及Metamask如何使用所有者私钥对事务进行签名。图10为一个区块链交易示例,此事务需公布有关挖掘难度级别、事务哈希函数、在Ethereum上运行时的限制信息,并确保信息永久存储在区块链中。

图9 基于Remix的以太网事务工作流

图10 区块链交易示例

基于区块链技术,以智能合同的形式,实现智能社区能源交易和设备调度系统。智能配电网交易算法采用Solidity编写,并在Ethereum区块链平台进行测试。图11显示了Ether中的创建交易记录,可在接下来交易中允许在社区供电市场注册能源供应商和消费者。在交易中,能源供应商提供能源价格、数量、时间戳和日期,消费者根据能源价格、数量和时间从卖方购买能源。

图11 区块链分类账交易记录

5 结束语

本文提出了一种基于物联网智能电能表的社区微电网多用户分布需求侧管理系统,建立了非合作博弈论模型。智能家居用户通过优化用电设备的使用,减小能耗支出来获得博弈最优解。该模型的参与者包括用户的自再生发电、社区微电网以及售电公司。每个参与者各个环节都采用最佳策略来最小化能源成本。该方法根据实时电价对配电网中用户的家庭用电设备进行实时合理调度,降低了家庭用电支出,并通过分布式算法的实现保证了参与用户能源消耗信息的隐私性。此外,智能契约的执行实现了合约主体之间的自动通信。该方法的实现同样也建立在区块链技术上,为参与者提供了可靠的通信媒介。社区区块链交易链CBTC的使用加强了对智能电器的自主监控,并通过智能合同对用电量进行计费,实现了社区微电网间在没有第三方参与情况下的电力交易结算。结果表明,该方法可使整个社区的能耗总支出及每个用户的个体能耗支出最小化,有利于整个社区的节能减排。