基于區(qū)塊鏈的農(nóng)村居民屋頂光伏消納方法

唐冬來，郝建維，付世峻，黃璞，楊俏，葉鴻飛

（四川中電啟明星信息技術(shù)有限公司，四川成都 610041）

中國農(nóng)村屋頂光伏資源豐富，利用農(nóng)村居民屋頂建設(shè)小型光伏發(fā)電站，將助力農(nóng)村實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)[1-3]。但屋頂光伏發(fā)電與農(nóng)村居民的勞作時(shí)間重疊[4-5]，造成光伏發(fā)電消納困難。

農(nóng)村屋頂光伏消納分為儲能與上網(wǎng)交易兩種。其中，儲能采用裝置對農(nóng)村居民屋頂光伏的剩余電量進(jìn)行存儲，待用電時(shí)段釋放電能[6-7]。但儲能設(shè)備投資多，推廣難度大。

上網(wǎng)交易類通過農(nóng)村居民之間的價(jià)格驅(qū)動、成本分?jǐn)偟阮愋偷碾娏拷灰祝瑢?shí)現(xiàn)屋頂光伏剩余電量消納[8-10]。但缺少對不同農(nóng)村居民用戶類型交易策略的分析，光伏消納率低。

針對農(nóng)村居民屋頂光伏消納難的問題，提出了一種基于區(qū)塊鏈的農(nóng)村居民屋頂光伏消納方法，該方法通過能量路由器實(shí)現(xiàn)光伏消納的物理連接，并采用區(qū)塊鏈進(jìn)行農(nóng)村居民屋頂光伏交易。

1 農(nóng)村居民屋頂光伏消納框架

文中所述的基于區(qū)塊鏈的農(nóng)村居民屋頂光伏消納方法框架如圖1 所示，主要包括物理網(wǎng)絡(luò)搭建、農(nóng)村居民分類、電量交易定價(jià)和交易執(zhí)行四個(gè)環(huán)節(jié)。

圖1 農(nóng)村居民屋頂光伏消納策略框架圖

在物理網(wǎng)絡(luò)搭建環(huán)節(jié)，首先，根據(jù)輸入的農(nóng)村居民屋頂光伏發(fā)電功率數(shù)據(jù)、10 kV 配網(wǎng)網(wǎng)架數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)電約束分析，判斷配電線路的最大發(fā)電傳輸能力。其次，對10 kV 配電網(wǎng)絡(luò)的能量路由路徑進(jìn)行分析，確定各配電臺區(qū)節(jié)點(diǎn)能量路由器的部署原則。最后，進(jìn)行能量路由器部署。在農(nóng)村居民分類環(huán)節(jié)，首先提取農(nóng)村居民的用電量、用電功率曲線、檔案等特征數(shù)據(jù)；然后對其進(jìn)行AP 聚類，獲取農(nóng)村居民的用電習(xí)慣特性，并建立用戶的細(xì)分類別。在電量交易定價(jià)環(huán)節(jié)，首先，對上網(wǎng)的農(nóng)村居民屋頂光伏發(fā)電量的電價(jià)進(jìn)行分析，獲取農(nóng)村居民屋頂光伏的上網(wǎng)需求價(jià)；其次，對農(nóng)村居民購電價(jià)格進(jìn)行分析；最后，再進(jìn)行銷售、購買和運(yùn)營商代理價(jià)格博弈，通過納什均衡生成農(nóng)村居民屋頂光伏銷售價(jià)格。在交易執(zhí)行環(huán)節(jié)，開展農(nóng)村居民屋頂光伏交易，并執(zhí)行交易結(jié)算。

2 農(nóng)村居民屋頂光伏消納建模

2.1 物理網(wǎng)絡(luò)搭建

能量路由器是構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)的核心設(shè)備，該設(shè)備由電力電子變換器構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)電能的多向流動和功率的主動控制。該設(shè)備對配電網(wǎng)分布式屋頂光伏電源、負(fù)荷等設(shè)備進(jìn)行智能互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)能量流的主動控制[11]。

農(nóng)村居民屋頂光伏的上網(wǎng)電網(wǎng)等級為0.4 kV，因農(nóng)村配電臺區(qū)下的用戶幾乎都為農(nóng)村居民，而農(nóng)村居民的用電時(shí)段幾乎一致，不利于屋頂光伏發(fā)電消納。而10 kV 配電線路下包括城鎮(zhèn)居民用戶、工商業(yè)用戶、農(nóng)村居民用戶等多種類型，城鎮(zhèn)居民用戶、工商業(yè)用戶的用電時(shí)段與農(nóng)村居民用戶不一致，所以，可通過10 kV 配電線路內(nèi)的能量路由實(shí)現(xiàn)農(nóng)村居民屋頂光伏與負(fù)荷的互聯(lián)。

文中所提方法在配電變壓器側(cè)配置能量路由器，以實(shí)現(xiàn)10 kV 配電線路下的能源與負(fù)荷互聯(lián)。10 kV 配電線路交易區(qū)域內(nèi)的總功率Pa為：

式中，na為農(nóng)村居民用戶光伏電源個(gè)數(shù)；Pi為不同的農(nóng)村居民屋頂光伏電源發(fā)電功率；Li為不同的農(nóng)村居民屋頂光伏的傳輸損耗。

農(nóng)村居民屋頂光伏交易區(qū)域內(nèi)的總功率Pa滿足約束條件：

式中，Pmax為10 kV 配電線路傳輸?shù)淖畲蠊β?，Pb為10 kV 配電網(wǎng)當(dāng)前傳輸?shù)呢?fù)荷值。能量路由器的功率配置Pc為：

式中，nb為單個(gè)配電臺區(qū)下的農(nóng)村居民屋頂光伏個(gè)數(shù)；Pj為單個(gè)配電臺區(qū)下不同的農(nóng)村居民用戶發(fā)電功率；Lj為不同屋頂光伏的傳輸損耗。

2.2 農(nóng)村居民分類

AP 聚類通過在不同農(nóng)村居民用戶之間不斷地傳遞特征信息，最終選出聚類中心；該種聚類方式具有無需指定聚類數(shù)據(jù)、聚類誤差小的特點(diǎn)[12]，因此，文中農(nóng)村居民選用AP 聚類進(jìn)行分類。

文中農(nóng)村居民用戶的分類特征條目依據(jù)中國可再生能源行業(yè)和電力行業(yè)協(xié)會的典型參考文件制定。農(nóng)村居民的特征條目如表1 所示。

表1 農(nóng)村居民的特征條目表

農(nóng)村居民屋頂光伏發(fā)電AP 聚類相似度矩陣的值Ga為：

式中，sa和sb分別為農(nóng)村居民類型a和類型b的離散特征值；ω為特征屋頂光伏類型的農(nóng)村居民權(quán)重系數(shù)。

通過AP 聚類，生成的農(nóng)村用戶居民類型如表2所示。

表2 農(nóng)村居民類型

2.3 電量交易定價(jià)

靜態(tài)博弈是一種博弈的方法，在該方法中，有一個(gè)領(lǐng)導(dǎo)者，其余的為跟隨者，領(lǐng)導(dǎo)者先開始行動，跟隨者在進(jìn)行選擇時(shí)，并不知道領(lǐng)導(dǎo)者的具體行動步驟；在跟隨者行動完畢后，領(lǐng)導(dǎo)者根據(jù)跟隨者的行動調(diào)整自己的策略，直至納什均衡[13-14]。該方法能夠有效解決農(nóng)村居民屋頂光伏交易過程中定價(jià)的問題。

農(nóng)村居民屋頂光伏報(bào)價(jià)集合Va為：

式中，nd為農(nóng)村居民屋頂光伏電源報(bào)價(jià)策略個(gè)數(shù)。v1,v2,…,vnd為不同的農(nóng)村居民屋頂光伏報(bào)價(jià)策略。

屋頂光伏購電價(jià)格集合Jb為：

式中，ne為農(nóng)村居民屋頂光伏購買用戶的策略數(shù)量；j1,j2,…,jne為不同的農(nóng)村居民屋頂光伏購買策略。

交易定價(jià)靜態(tài)博弈C為：

式中，Ra為農(nóng)村居民屋頂光伏運(yùn)營商，該農(nóng)村居民屋頂光伏運(yùn)營商是屋頂光伏交易的領(lǐng)導(dǎo)者；Rb為跟隨者，即農(nóng)村居民屋頂光伏發(fā)電用戶；Qi為農(nóng)村居民屋頂光伏用電客戶在i時(shí)間段的電量；B為農(nóng)村居民屋頂光伏交易區(qū)域內(nèi)的電價(jià)策略；Ua為農(nóng)村居民屋頂光伏運(yùn)營商的收益；Ya為農(nóng)村居民屋頂光伏發(fā)電用戶的收益。

2.4 交易執(zhí)行

區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)共享數(shù)據(jù)庫，具有“防止偽造”、“過程痕跡記錄”和“全程追溯”的特征[15-16]，因此，文中所提農(nóng)村居民屋頂光伏消納方法采用區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行農(nóng)村居民屋頂光伏交易。

在交易執(zhí)行方面，農(nóng)村居民屋頂光伏運(yùn)營商組織屋頂光伏電源用戶按照用電策略、光伏出力進(jìn)行發(fā)電；并組織10 kV 配電網(wǎng)內(nèi)的居民用戶、工商業(yè)用戶等進(jìn)行購電。區(qū)塊鏈平臺根據(jù)定價(jià)合約輔助控制農(nóng)村居民的用電。

在交易結(jié)算方面，按月根據(jù)電表向區(qū)塊鏈平臺傳輸?shù)膶?shí)際屋頂光伏發(fā)電量與農(nóng)村居民用電量、電量報(bào)價(jià)等信息完成合同履約和結(jié)算資金的支付，最后，區(qū)塊鏈系統(tǒng)記錄各方農(nóng)村居民交易用電的信譽(yù)值。

3 算例分析

3.1 場景與參數(shù)設(shè)定

為驗(yàn)證文中所提基于區(qū)塊鏈的農(nóng)村居民屋頂光伏消納方法的有效性，在某城市鄉(xiāng)村的1 條10 kV 配電線路下進(jìn)行農(nóng)村居民屋頂光伏消納驗(yàn)證。該區(qū)域內(nèi)，交易的農(nóng)村居民屋頂光伏電源用戶有583 戶，購電用戶有3 798 戶，涉及配電臺區(qū)29 個(gè)，安裝能量路由器29 個(gè)。

該地區(qū)的年平均日照輻射量為36.37 Ht。將文中所用算例部署在某供電公司機(jī)房，算例運(yùn)行服務(wù)器的處理器為兩顆四核intel至強(qiáng)E3-1225，處理器主頻為3.2 GHz，4 核心，服務(wù)器內(nèi)存為32 GB，硬盤容量大小為20 T，服務(wù)器的操作系統(tǒng)為Windows Server 2016。

文中用于對比的是文獻(xiàn)[17]光伏價(jià)格學(xué)習(xí)曲線的農(nóng)村居民屋頂光伏消納方法，該方法被廣泛使用在農(nóng)村居民屋頂光伏領(lǐng)域。

3.2 算例運(yùn)行分析

3.2.1 農(nóng)村居民用戶聚類準(zhǔn)確率

農(nóng)村居民用戶聚類準(zhǔn)確率分析的目的是為了評估農(nóng)村居民用電特征分析的準(zhǔn)確性，該指標(biāo)的計(jì)算公式是將聚類分析的數(shù)量與依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)人工比對的結(jié)果進(jìn)行分析，一致即為準(zhǔn)確，比值即為準(zhǔn)確率。

選擇居民用戶為100、200、300、400、500、600、800、1 000 戶，采用文中方法的AP 聚類與光伏價(jià)格學(xué)習(xí)曲線方法的K 值聚類比較農(nóng)村居民用戶聚類分析準(zhǔn)確率，比較結(jié)果如表3 所示。

表3 農(nóng)村居民用戶聚類準(zhǔn)確率

由表3 可知，文中所提方法AP 聚類的農(nóng)村居民用戶聚類準(zhǔn)確率高于光伏價(jià)格學(xué)習(xí)曲線方法的K 值聚類。

3.2.2 農(nóng)村居民用戶聚類結(jié)果

農(nóng)村居民用戶聚類結(jié)果是屋頂光伏電量交易的基礎(chǔ)，通過對不同類別的用戶制定差異化的農(nóng)村居民屋頂光伏交易報(bào)價(jià)策略，可以提高光伏消納水平。

針對某鄉(xiāng)驗(yàn)證區(qū)域的3 798 戶聚類結(jié)果如表4所示。

表4 農(nóng)村居民用戶聚類結(jié)果

3.2.3 農(nóng)村居民屋頂光伏報(bào)價(jià)博弈分析

農(nóng)村居民屋頂光伏報(bào)價(jià)博弈分析的目的是為了驗(yàn)證文中所提方法在運(yùn)營商、農(nóng)村居民屋頂光伏銷售和購買用戶之間的交易電價(jià)博弈結(jié)果的有效性。首先，農(nóng)村居民屋頂光伏按照0.452 元的基準(zhǔn)價(jià)進(jìn)行報(bào)價(jià)，然后農(nóng)村居民屋頂光伏銷售和購買用戶按照自身的策略進(jìn)行博弈，直至納什均衡，農(nóng)村居民屋頂光伏報(bào)價(jià)博弈結(jié)果如圖2 所示。

圖2 農(nóng)村居民屋頂光伏報(bào)價(jià)博弈結(jié)果

由圖2 可見，當(dāng)博弈次數(shù)在16 次時(shí)，運(yùn)營商、農(nóng)村居民屋頂光伏銷售和購買用戶價(jià)格趨于一致，該價(jià)格即為當(dāng)時(shí)的交易價(jià)格。

3.2.4 農(nóng)村居民屋頂光伏消納分析

農(nóng)村居民屋頂光伏消納分析的目的是為了驗(yàn)證光伏消納率的有效性。其計(jì)算方式為農(nóng)村居民屋頂光伏用電量和發(fā)電量之間的比值。

選擇2021 年7 月1-6 日的發(fā)電數(shù)據(jù)，采用文中所提基于區(qū)塊鏈的農(nóng)村居民屋頂光伏消納方法與光伏價(jià)格學(xué)習(xí)曲線方法比較光伏消納率，結(jié)果如圖3所示。

圖3 農(nóng)村居民屋頂光伏消納率圖

由圖3 可見，文中所提方法的光伏消納率達(dá)91.6%，高于光伏價(jià)格學(xué)習(xí)曲線方法。

4 結(jié)論

文中基于區(qū)塊鏈技術(shù)提出了一種農(nóng)村居民屋頂光伏消納方法。在農(nóng)村居民用戶分類的基礎(chǔ)上，采用靜態(tài)博弈進(jìn)行交易定價(jià)，通過區(qū)塊鏈技術(shù)記錄交易電量和信譽(yù)，具有農(nóng)村居民用戶激勵(lì)效果好，屋頂光伏消納率大的特點(diǎn)。算例分析結(jié)果表明，所提方法分析了農(nóng)村居民用戶的用電特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了屋頂光伏的有效消納。該方法提高了農(nóng)村居民屋頂光伏消納率，促進(jìn)了清潔能源的有效利用。