微型電網(wǎng)中基于聯(lián)盟鏈的需求側(cè)競(jìng)價(jià)方案

吳皓敏， 付紹靜， 徐 明， 羅玉川

(國(guó)防科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院 湖南 長(zhǎng)沙 410003)

0 引言

近年來(lái)，隨著新能源發(fā)電設(shè)備的推廣應(yīng)用，具有就地供電、獨(dú)立運(yùn)行特點(diǎn)的微型電網(wǎng)獲得廣泛關(guān)注。微型電網(wǎng)不僅能夠獨(dú)立運(yùn)行，而且可以通過(guò)共同耦合點(diǎn)與大電網(wǎng)連接，甚至與附近的微型電網(wǎng)連接，形成更大范圍的電力交換網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)更加穩(wěn)定、高效的電力供應(yīng)[1]。由于新能源發(fā)電設(shè)備的產(chǎn)能與環(huán)境(光照、風(fēng)速等)關(guān)系密切，具有顯著地間歇性特點(diǎn)，所以容易造成嚴(yán)重的電力供給過(guò)?；蚬┙o不足，進(jìn)而損害相關(guān)設(shè)施，甚至可能導(dǎo)致電力供應(yīng)中斷等問題。因此平衡微型電網(wǎng)的供給和需求是一個(gè)亟待解決的問題。

需求響應(yīng)是一種在市場(chǎng)環(huán)境下解決電力供求平衡問題的有效手段。通過(guò)實(shí)時(shí)電價(jià)或激勵(lì)信號(hào)刺激電力消費(fèi)者在需求側(cè)降低或增加電力需求，實(shí)現(xiàn)供需平衡。微型電網(wǎng)由于其分布式、小型化的特點(diǎn)，能源生產(chǎn)者會(huì)擔(dān)心所提供的獎(jiǎng)勵(lì)被中心私自抽取，而消費(fèi)者會(huì)擔(dān)心得不到應(yīng)有的獎(jiǎng)勵(lì)；同時(shí)，中心可能收取高額手續(xù)費(fèi)。此外，中心化管理還可能會(huì)帶來(lái)大規(guī)模的用戶隱私泄漏風(fēng)險(xiǎn)[2]。

為了解決需求響應(yīng)中心化調(diào)度的固有缺陷，提出一種基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈的需求側(cè)競(jìng)價(jià)方案。方案通過(guò)具有自我強(qiáng)制執(zhí)行特點(diǎn)的智能合約管理競(jìng)價(jià)和分發(fā)激勵(lì)，加強(qiáng)了參與各方的信任。主要挑戰(zhàn)有：1) 安全可信和性能代價(jià)之間的權(quán)衡。區(qū)塊鏈的安全可信依賴大量冗余存儲(chǔ)和冗余計(jì)算，導(dǎo)致交易性能差且存儲(chǔ)計(jì)算代價(jià)大，需求響應(yīng)的計(jì)算過(guò)程復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大，因此，在設(shè)計(jì)區(qū)塊鏈架構(gòu)時(shí)，需要充分考慮性能代價(jià)的問題；2) 建立微型電網(wǎng)的需求側(cè)競(jìng)價(jià)模型；3) 競(jìng)價(jià)快速收斂問題。需要對(duì)競(jìng)價(jià)算法進(jìn)行設(shè)計(jì)，使競(jìng)價(jià)輪次盡可能少，進(jìn)而減少交易次數(shù)，提高需求響應(yīng)的效率。本文主要有以下工作：1) 設(shè)計(jì)微型電網(wǎng)的需求響應(yīng)聯(lián)盟鏈架構(gòu)。通過(guò)多賬本策略有效降低存儲(chǔ)開銷，避免因中心被攻擊導(dǎo)致的大規(guī)模數(shù)據(jù)泄漏風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)域內(nèi)背書策略有效降低智能合約計(jì)算開銷；2) 設(shè)計(jì)面向微型電網(wǎng)的需求側(cè)競(jìng)價(jià)模型。建立各實(shí)體的收益模型，確定競(jìng)價(jià)的優(yōu)化目標(biāo)，并基于智能合約設(shè)計(jì)需求側(cè)競(jìng)價(jià)的過(guò)程。同時(shí)考慮微型電網(wǎng)具有多激勵(lì)提供者的特點(diǎn)，確定激勵(lì)的提供方案；3) 基于仿真模型驗(yàn)證競(jìng)價(jià)算法。通過(guò)仿真比較梯度法以及二分法的收斂效果，優(yōu)化競(jìng)價(jià)輪次。

1 相關(guān)工作

隨著新能源技術(shù)的快速發(fā)展和分布式發(fā)電設(shè)施的推廣應(yīng)用，微型電網(wǎng)獲得了廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[3]指出了微型電網(wǎng)控制問題中的諸多挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢(shì)，其中之一便是微型電網(wǎng)供電的不確定性帶來(lái)的供需平衡問題，需求響應(yīng)是解決電網(wǎng)供需平衡問題的關(guān)鍵技術(shù)之一。文獻(xiàn)[4]針對(duì)可再生能源產(chǎn)生的發(fā)電量受環(huán)境制約無(wú)法應(yīng)對(duì)需求變化這一問題，通過(guò)對(duì)非關(guān)鍵負(fù)荷進(jìn)行需求響應(yīng)控制，來(lái)減輕可再生能源的有害波動(dòng)。文獻(xiàn)[5]提出基于云的需求響應(yīng)架構(gòu)，提高需求響應(yīng)過(guò)程的安全性、可靠性和可擴(kuò)展性，并在此架構(gòu)上研究需求側(cè)競(jìng)價(jià)算法，使競(jìng)價(jià)快速收斂。

區(qū)塊鏈的概念出自比特幣，對(duì)等網(wǎng)絡(luò)中的礦工們基于工作量證明(proof of work，PoW)共識(shí)維護(hù)一致的哈希鏈，即一個(gè)記錄用戶資產(chǎn)的賬本，用戶通過(guò)數(shù)字簽名轉(zhuǎn)賬使用個(gè)人資產(chǎn)，不用擔(dān)心中心不可信任的問題。隨著以太坊[6]在區(qū)塊鏈賬本之上實(shí)現(xiàn)了圖靈完備的智能合約，區(qū)塊鏈快速進(jìn)入人們的視野。而以超級(jí)賬本[7]為代表的聯(lián)盟鏈因其巨大商用潛力，使得眾多企業(yè)投入聯(lián)盟鏈的研發(fā)。具有自我強(qiáng)制執(zhí)行特點(diǎn)的智能合約拓寬了區(qū)塊鏈的應(yīng)用場(chǎng)景，使得其從電子貨幣走向了各行各業(yè)，為解決社會(huì)活動(dòng)中的互信問題提供了解決方案。在能源領(lǐng)域，文獻(xiàn)[8]提出了基于比特幣的哈希鎖定腳本和多重簽名技術(shù)實(shí)現(xiàn)安全、匿名的能源交易。文獻(xiàn)[9]針對(duì)能源交易設(shè)計(jì)了通用的聯(lián)盟區(qū)塊鏈架構(gòu)，并提出基于信用貸款的快速支付方案以及基于博弈均衡的最優(yōu)貸款定價(jià)策略。文獻(xiàn)[10]基于對(duì)現(xiàn)有自動(dòng)需求響應(yīng)業(yè)務(wù)的需求分析,提出了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用方案,并從工作量證明機(jī)制、互聯(lián)共識(shí)、智能合約、信息安全等方面剖析了區(qū)塊鏈在自動(dòng)需求響應(yīng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題。文獻(xiàn)[11]利用區(qū)塊鏈智能合約構(gòu)建電力直接交易供應(yīng)鏈利益分配模型，實(shí)現(xiàn)各方利益最優(yōu)。

聯(lián)盟鏈?zhǔn)怯扇舾山M織或機(jī)構(gòu)共同管理維護(hù)的區(qū)塊鏈，具有多中心、許可進(jìn)入、交易速度快、交易成本低等特點(diǎn)。雖然一定程度上犧牲了去中心化的特性，但是極大地提升了性能與可控性。在本文研究的場(chǎng)景中，由于電網(wǎng)數(shù)據(jù)量大、交易頻繁，對(duì)區(qū)塊鏈的性能提出了很高的要求，公有鏈的處理速度無(wú)法滿足需求；同時(shí)，出于安全與隱私的考慮，具有權(quán)限控制的聯(lián)盟鏈可以更好保障電力系統(tǒng)安全與用電數(shù)據(jù)隱私。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

傳統(tǒng)的需求響應(yīng)依賴配電系統(tǒng)管理員管理中心服務(wù)器，中心收集各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并發(fā)送需求響應(yīng)信號(hào)，從而調(diào)度需求響應(yīng)任務(wù)。微型電網(wǎng)擁有眾多能源生產(chǎn)者，且之間具有相互競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，而區(qū)塊鏈可以有效加強(qiáng)多方合作的相互信任，簡(jiǎn)化合作流程。

2.1 基于聯(lián)盟鏈的微型電網(wǎng)需求響應(yīng)框架

圖1展示了基于聯(lián)盟鏈的微型電網(wǎng)需求響應(yīng)框架。各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集的用電數(shù)據(jù)被上傳并存儲(chǔ)到聯(lián)盟鏈賬本中，當(dāng)發(fā)生供給嚴(yán)重不足時(shí)，本地聚合系統(tǒng)將會(huì)發(fā)現(xiàn)并發(fā)起需求響應(yīng)事件，智能合約將按照既定規(guī)則向能源生產(chǎn)者收取獎(jiǎng)勵(lì)，并與能源消費(fèi)者進(jìn)行協(xié)商安排響應(yīng)任務(wù)，消費(fèi)者根據(jù)分配好的響應(yīng)任務(wù)改變用電計(jì)劃，使電網(wǎng)供給和需求達(dá)到平衡，當(dāng)需求響應(yīng)事件的周期結(jié)束，智能合約將根據(jù)消費(fèi)者完成任務(wù)的質(zhì)量分配獎(jiǎng)勵(lì)。

圖1 基于聯(lián)盟鏈的微型電網(wǎng)需求響應(yīng)框架Figure 1 The consortium blockchain based framework for demand response

雖然在整個(gè)過(guò)程中，聯(lián)盟鏈需要完成的工作與中心服務(wù)器類似。但有兩個(gè)方面的不同：1) 聯(lián)盟鏈以冗余存儲(chǔ)和冗余計(jì)算為代價(jià)，通過(guò)聯(lián)盟節(jié)點(diǎn)對(duì)需求響應(yīng)計(jì)算背書，并通過(guò)共識(shí)機(jī)制達(dá)成一致的、不可篡改的分布式賬本，有效地加強(qiáng)了參與各方的信任，解決中心不可信或中心收取高額手續(xù)費(fèi)的問題；2) 聯(lián)盟鏈可以有效抵抗中心化存在的單點(diǎn)失效風(fēng)險(xiǎn)，如拒絕服務(wù)攻擊等，恰好微型電網(wǎng)作為一個(gè)開放網(wǎng)絡(luò)，容易遭受網(wǎng)絡(luò)攻擊，因此保證需求響應(yīng)系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性十分重要。

2.2 面向微型電網(wǎng)的聯(lián)盟鏈架構(gòu)

微型電網(wǎng)相互連接組成大規(guī)模電力交換網(wǎng)絡(luò)，其物理模型如圖2所示。微型電網(wǎng)將一個(gè)區(qū)域內(nèi)的分布式能源、電能存儲(chǔ)設(shè)備以及負(fù)載連接起來(lái)，通過(guò)本地電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電力交換，同時(shí)通過(guò)共同耦合點(diǎn)與外部連接，共同耦合點(diǎn)由本地聚合系統(tǒng)管理。我們將一個(gè)微型電網(wǎng)視作聯(lián)盟中的一個(gè)組織。每個(gè)組織擁有一個(gè)共識(shí)節(jié)點(diǎn)，參與共識(shí)服務(wù)，由本地聚合系統(tǒng)管理員擔(dān)任，因?yàn)樗鼡碛胸S富的計(jì)算、存儲(chǔ)以及電力資源。分布式能源擁有者出于利益的考量，積極成為組織內(nèi)部的賬本節(jié)點(diǎn)，一是提供智能合約服務(wù)，為交易背書；二是提供賬本服務(wù)，存儲(chǔ)已共識(shí)的區(qū)塊。而用戶以及眾多的智能電網(wǎng)設(shè)備作為客戶端向聯(lián)盟節(jié)點(diǎn)發(fā)送交易。

圖2 微型電網(wǎng)互連物理模型Figure 2 The model of microgrids network

聯(lián)盟鏈框架如圖3所示。當(dāng)客戶端進(jìn)行交易時(shí)，先將交易內(nèi)容發(fā)送給本地的多個(gè)賬本節(jié)點(diǎn)，各賬本節(jié)點(diǎn)根據(jù)交易內(nèi)容調(diào)用智能合約，計(jì)算交易結(jié)果，并添加簽名為交易結(jié)果背書；然后，各賬本節(jié)點(diǎn)將已背書交易返還客戶端，當(dāng)客戶端收集到足夠多的背書，即滿足背書規(guī)則，就可以將該交易結(jié)果及背書提交至共識(shí)節(jié)點(diǎn)；共識(shí)節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證交易背書，并分類打包生成區(qū)塊，進(jìn)行共識(shí)；共識(shí)后的區(qū)塊會(huì)在賬本節(jié)點(diǎn)之間同步，存儲(chǔ)至區(qū)塊鏈賬本，至此交易結(jié)束。

圖3 面向微型電網(wǎng)的聯(lián)盟鏈框架Figure 3 Consortium blockchain architecture applied to microgrids

需求響應(yīng)是一個(gè)微型電網(wǎng)內(nèi)部的行為，因此，需求響應(yīng)的交易記錄僅由域內(nèi)的賬本節(jié)點(diǎn)背書，與全網(wǎng)背書相比，既可以降低計(jì)算冗余，節(jié)省大量的計(jì)算資源，又能夠減小電力數(shù)據(jù)的擴(kuò)散范圍，保護(hù)數(shù)據(jù)隱私。同時(shí)，共識(shí)服務(wù)提供多賬本服務(wù)，將來(lái)自不同微型電網(wǎng)的交易記錄加入不同的區(qū)塊鏈賬本，從而使需求響應(yīng)交易記錄僅在域內(nèi)的賬本節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)，降低存儲(chǔ)冗余，節(jié)省存儲(chǔ)資源。

3 需求側(cè)競(jìng)價(jià)

需求側(cè)競(jìng)價(jià)是一種基于激勵(lì)的需求響應(yīng)方案，該方案鼓勵(lì)能源消費(fèi)者直接參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，通過(guò)競(jìng)價(jià)方式給出愿意降低的負(fù)荷數(shù)量以及希望的獎(jiǎng)勵(lì)價(jià)格，或者由供電方提供獎(jiǎng)勵(lì)價(jià)格，刺激用電方提交愿意降低的負(fù)載。需求側(cè)競(jìng)價(jià)可以看作一個(gè)分布式優(yōu)化過(guò)程。

3.1 競(jìng)價(jià)優(yōu)化模型

考慮一個(gè)微型電網(wǎng)內(nèi)部的需求響應(yīng)任務(wù)。在一個(gè)社區(qū)或鄉(xiāng)村的微型電網(wǎng)中，存在數(shù)量眾多的能源生產(chǎn)者和能源消費(fèi)者，正常天氣情況下，電網(wǎng)內(nèi)部的生產(chǎn)者可以產(chǎn)生足夠的電力供消費(fèi)者使用。但在惡劣天氣下，電力供給不足。這時(shí)可以從外部電網(wǎng)購(gòu)買電力，或者啟用備用柴油發(fā)電機(jī)組，但代價(jià)較高，這部分代價(jià)將由能源生產(chǎn)者承擔(dān)。另一種方式是通過(guò)需求響應(yīng)，降低用戶負(fù)載，使電網(wǎng)能夠平穩(wěn)運(yùn)行。只要提供給用戶的激勵(lì)代價(jià)小于增加電力供給時(shí)的代價(jià)，那么生產(chǎn)者將會(huì)采用需求響應(yīng)方案，保證電力供求平衡。因此，能源生產(chǎn)者希望確定最優(yōu)的激勵(lì)價(jià)格來(lái)降低負(fù)載。

假設(shè)Λk表示微型電網(wǎng)k中的能源生產(chǎn)者為增加單位電力供給而付出的代價(jià)，能源生產(chǎn)者為平衡供求的優(yōu)化問題可以描述為min(λkDk),s.t.∑di=Dk,di=di(λk),λk≤Λk。在所有消費(fèi)者的降低負(fù)載之和等于整個(gè)微型電網(wǎng)的電力赤字這一約束條件下，使得能源生產(chǎn)者付出的代價(jià)最小。所有激勵(lì)將由眾多的能源生產(chǎn)者提供，生產(chǎn)者j提供的激勵(lì)表示為mj，那么有∑mj=λkDk，j∈Pk。因部分生產(chǎn)者導(dǎo)致的供電不足應(yīng)當(dāng)由該部分生產(chǎn)者提供激勵(lì)。假設(shè)生產(chǎn)者j的常規(guī)發(fā)電能力表示為Ej,Baseline，供給不足時(shí)的發(fā)電能力為Ej,Actual，則其應(yīng)當(dāng)提供的激勵(lì)可以表示為Δj=Ej,Baseline-Ej,Actual,mj=λkDk(Δj/∑Δx),x∈Pk。如果Δj<0，則該生產(chǎn)者不提供激勵(lì)。利用以上激勵(lì)征集規(guī)則，將所有能源生產(chǎn)者聯(lián)合起來(lái)，需求側(cè)競(jìng)價(jià)過(guò)程從消費(fèi)者角度看，多個(gè)生產(chǎn)者和一個(gè)生產(chǎn)者沒有什么區(qū)別。

基于上述的競(jìng)價(jià)模型，智能合約的需求側(cè)競(jìng)價(jià)過(guò)程如圖4所示。微型電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)采集的電力數(shù)據(jù)周期性上傳至區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，存儲(chǔ)到區(qū)塊鏈賬本中，本地聚合系統(tǒng)可以根據(jù)電力數(shù)據(jù)監(jiān)控電網(wǎng)狀態(tài)。當(dāng)微型電網(wǎng)k發(fā)生嚴(yán)重的供給不足、威脅電網(wǎng)安全時(shí)，啟動(dòng)需求響應(yīng)，其過(guò)程可以分為4個(gè)階段。

圖4 基于智能合約的需求側(cè)競(jìng)價(jià)過(guò)程Figure 4 The process of demand side bidding based on smart contract

3.2 競(jìng)價(jià)過(guò)程

競(jìng)價(jià)完成后進(jìn)入第三階段，智能合約向本地聚合系統(tǒng)以及能源生產(chǎn)者反饋競(jìng)價(jià)結(jié)果，同時(shí)確認(rèn)各消費(fèi)者的需求響應(yīng)任務(wù)，能源消費(fèi)者根據(jù)需求響應(yīng)信號(hào)削減負(fù)載，完成合約內(nèi)容。

第四階段是獎(jiǎng)勵(lì)結(jié)算階段，當(dāng)電力供給達(dá)到正常水平后，本地聚合系統(tǒng)會(huì)發(fā)送需求響應(yīng)結(jié)束信號(hào)至智能合約，合約啟動(dòng)結(jié)算程序，將預(yù)存獎(jiǎng)勵(lì)分發(fā)到消費(fèi)者賬戶，并將結(jié)余獎(jiǎng)勵(lì)返還至生產(chǎn)者賬戶中。至此，需求響應(yīng)活動(dòng)結(jié)束。需求側(cè)競(jìng)價(jià)更新算法如下。

輸入：Dk，Λk.

2) while true do

6) break

7) end if

10) else

12) end if

13)r←r+1

15) end while

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證二分法競(jìng)價(jià)的收斂效果，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比梯度法和二分法的收斂速度?？紤]一個(gè)簡(jiǎn)單的微型電網(wǎng)k，擁有10個(gè)電力消費(fèi)者參與需求側(cè)競(jìng)價(jià)。假設(shè)每個(gè)消費(fèi)者i都有自己的負(fù)效用函數(shù)ci(di)=aidi+bidi2，其中參數(shù)ai>0，且bi>0，不同消費(fèi)者有不同參數(shù)。假設(shè)電力供給赤字是Dk=100，最大激勵(lì)代價(jià)Λk=100。每一個(gè)消費(fèi)者的負(fù)效用函數(shù)參數(shù)ai從區(qū)間[1,2]隨機(jī)選取，bi從區(qū)間[2,6]中隨機(jī)選取。對(duì)于梯度法，仿真步長(zhǎng)取0.04。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示?？梢钥吹皆诓介L(zhǎng)為0.04時(shí)，梯度法需要迭代80次左右競(jìng)價(jià)才能收斂到最優(yōu)激勵(lì)代價(jià)。當(dāng)步長(zhǎng)增加時(shí)，需要迭代的次數(shù)減少，但是步長(zhǎng)過(guò)大會(huì)導(dǎo)致無(wú)法收斂的情形。消費(fèi)者的負(fù)效用函數(shù)不公開時(shí)，難以找到合適的步長(zhǎng)以達(dá)到快速收斂。而二分法不需要設(shè)置步長(zhǎng)，只需要大概8～10次的迭代，就能收斂到最優(yōu)激勵(lì)價(jià)格，且二分法可以有效降低智能合約的計(jì)算復(fù)雜度。

圖5 梯度競(jìng)價(jià)仿真結(jié)果Figure 5 Simulation results of gradient algorithm

圖6 二分法競(jìng)價(jià)仿真結(jié)果Figure 6 Simulation results of bisection algorithm

5 總結(jié)

為解決微型電網(wǎng)的電力供需平衡問題，提出了一種全新的基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈的需求響應(yīng)管理框架，設(shè)計(jì)了具有多賬本存儲(chǔ)、域內(nèi)節(jié)點(diǎn)背書特點(diǎn)的聯(lián)盟鏈。相比于公有鏈，聯(lián)盟鏈共識(shí)速度快、交易延遲低、具有許可制特點(diǎn)，在用電服務(wù)中具有很好的應(yīng)用前景。該框架通過(guò)不可篡改的聯(lián)盟鏈存儲(chǔ)需求響應(yīng)記錄，并利用自我強(qiáng)制執(zhí)行的智能合約對(duì)各過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，能有效加強(qiáng)微型電網(wǎng)需求響應(yīng)中多方之間的信任?；谠摽蚣?，提出了基于智能合約的去中心化需求側(cè)競(jìng)價(jià)方案，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明采用二分法可以實(shí)現(xiàn)分布式競(jìng)價(jià)的快速收斂。