基于區(qū)塊鏈技術(shù)的園區(qū)級綜合能源系統(tǒng)能量交互

劉玉成, 段煉, 班曉萌, 黃偉, 左欣雅, 張莞嘉

(1.國網(wǎng)呼倫貝爾供電公司, 內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市 021100；2.華北電力大學電氣與電子工程學院, 北京市 102206)

0 引 言

為構(gòu)建清潔環(huán)保、高效安全的現(xiàn)代能源體系[1]，異質(zhì)能源協(xié)同利用的綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system，IES)成為近年來的關(guān)注重點。IES的能量交互作為其中重要的研究方向，也得到了廣泛的探討。

IES的能量交互模式可分為集中式和分散式兩種。當前，相關(guān)研究和工程實踐以集中式的調(diào)度模式為主，即在IES內(nèi)構(gòu)建中央運營層用于集中計算并進行能量分配[2-4]。由于中央運營層可獲得全部數(shù)據(jù)并做出決策，無法維護能源運營商的利益和隱私[5]。同時，決策過程中數(shù)據(jù)量大、決策變量多造成了IES通信壓力大，運行效率低[6]。而分散式的能量交互模式?jīng)]有中心機構(gòu)，可實現(xiàn)運營主體的自主運行和協(xié)同管理[7-8]。文獻[9]提出了基于主從博弈的社區(qū)綜合能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化運行策略，以綜合能源銷售商為領(lǐng)導者，新能源冷熱電運營商和負荷聚合商為跟隨者，但領(lǐng)導者仍具有過多中心化機構(gòu)特性。文獻[10]基于有向圖的通信拓撲，建立了考慮需求響應(yīng)的社區(qū)綜合能源系統(tǒng)能量管理模型，使用拉格朗日乘子法解耦成3個完全平等的子系統(tǒng)，并用一致性協(xié)議求解。但該模式缺少監(jiān)管，各運營商有足夠的動機為了自身利益而篡改系統(tǒng)參數(shù)，且無法抵御惡意攻擊。

區(qū)塊鏈作為高度去信任、去中心化的數(shù)據(jù)庫，能夠?qū)崿F(xiàn)計算過程透明化、信息不可篡改，彌補了分散式能量交互的缺點[11-12]。文獻[13]首次將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于微電網(wǎng)中分布式電源間的分散協(xié)調(diào)控制，應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)提高了交替方向乘子法(alternate drection multiplier method，ADMM)運算過程的公平性和可靠性。文獻[14]針對多個微電網(wǎng)之間的能量交易和控制，基于區(qū)塊鏈設(shè)計了包含金融層、網(wǎng)絡(luò)層和物理層的多層控制模型。區(qū)塊鏈可審計能量流和金融交易的完整性和有效性。以上文獻主要集中于電力系統(tǒng)，很少有文獻研究區(qū)塊鏈技術(shù)在綜合能源系統(tǒng)能量交互中的應(yīng)用。

本文針對分散的園區(qū)級熱-電綜合能源系統(tǒng)，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的特點，分析區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于分散式的交互模型和算法的可行性。進而提出IES分散式能量交互的雙層結(jié)構(gòu)模型，包含應(yīng)用拉格朗日乘子法解耦的物理層交互模型；以成本增量為一致性變量，以智能合約、分布式記賬、數(shù)字簽名等區(qū)塊鏈技術(shù)為構(gòu)架的信息層數(shù)據(jù)傳遞模型。算例證明，利用區(qū)塊鏈技術(shù)與分散式交互方法可以保障IES能量交互的隱私性、公平性和安全性。

1 區(qū)塊鏈的應(yīng)用可行性

1.1 區(qū)塊鏈的特點

區(qū)塊鏈最初是比特幣交易的核心支撐技術(shù)，是分布式數(shù)據(jù)存儲、智能合約、加密算法等計算機技術(shù)的新型應(yīng)用模式[15]，可視為一個特殊的分布式存儲數(shù)據(jù)庫[16]。在區(qū)塊鏈中，區(qū)塊依據(jù)存儲信息對應(yīng)生成的哈希密碼有序連接，各節(jié)點都可以參與區(qū)塊信息確認、記錄和讀取，運行流程分散化、透明化、程序化，具有去中心、去信任和信息不可篡改的特點。

區(qū)塊鏈可分為公有鏈、私有鏈、聯(lián)盟鏈3類[17]。公有鏈沒有監(jiān)管機構(gòu)，任何節(jié)點都可以參與區(qū)塊的記錄和維護，節(jié)點間僅依靠既定的規(guī)則運行，完全去中心、去信任，但吞吐量受限，運行速度很低；私有鏈通常建立在企業(yè)內(nèi)部，節(jié)點是預先確定的，僅有少量節(jié)點擁有記錄和維護權(quán)，中心化嚴重，但運行速度快；聯(lián)盟鏈一般由多個主體共同發(fā)起，參與節(jié)點需通過聯(lián)盟認證，各主體可共同維護和管理區(qū)塊鏈，具有運行速度快、可擴展性高、互操作性強和安全性高的特點。由于綜合能源系統(tǒng)由多個能源運營主體組成，選擇聯(lián)盟鏈最為合適。

1.2 區(qū)塊鏈與分散式交互模型

在分散式的能量交互模型中，熱、電系統(tǒng)子模型的地位平等。運行過程中，子模型無需得知其他子模型的運行參數(shù)，只需要交換協(xié)同計算過程中的一致性變量。各運營商的求解服務(wù)器均以自身利益最大為目標，進行IES的能量協(xié)同交互。分散式交互模型維護了各方利益和隱私，實現(xiàn)了系統(tǒng)的去中心化，但無法保證運營商忠實可靠，難以驗證分散運行過程的公平性。針對分散式交互模型的優(yōu)缺點，區(qū)塊鏈技術(shù)對應(yīng)的相似性和補充性如表1所示，因此區(qū)塊鏈技術(shù)有望成為構(gòu)建分散式IES能量交互的底層技術(shù)構(gòu)架。

表1 分散式交互模型中應(yīng)用區(qū)塊鏈的可行性Table 1 Feasibility of applying blockchain in decentralized interaction model

1.3 區(qū)塊鏈與分散式算法

一致性協(xié)議是分散式算法中的重要分支，一致性變量基于節(jié)點之間的通信而趨于一致，最終可得到分散式優(yōu)化問題的最優(yōu)解。關(guān)于一致性協(xié)議收斂性與最優(yōu)性的證明可見文獻[18-19]?；跓o向聯(lián)通圖G(V,S)構(gòu)建分散式熱-電IES的節(jié)點通信拓撲。其中V是節(jié)點集；S是表示節(jié)點間通信線路的邊界集。配電網(wǎng)運營商、熱電聯(lián)產(chǎn)運營商和鍋爐運營商的節(jié)點集分別用VE、VCHP、VG表示。無序節(jié)點對(i，j)表示S中連接節(jié)點i和節(jié)點j的一條通信線路。假設(shè)n×n階的矩陣A為G(V,S)的鄰接矩陣，可定義一個矩陣L=[lij]：

(1)

式中：aij表示A的非對角線元素，即節(jié)點i和節(jié)點j之間的通信邊數(shù)。

定義xi是由節(jié)點i廣播并被區(qū)塊保存的一致性變量，當所有節(jié)點廣播的一致性變量相等時，即視為系統(tǒng)對于此次能量分配達成共識。由于節(jié)點的通信需要驗證過程，系統(tǒng)的一致性變量的收斂過程是離散的。

(2)

(3)

式中：t是離散的時間索引；dij是通信網(wǎng)絡(luò)的隨機行矩陣中的項。

一致性協(xié)議中應(yīng)用區(qū)塊鏈的可行性如表2所示，一致性協(xié)議與區(qū)塊鏈技術(shù)的理念高度一致，區(qū)塊鏈技術(shù)還彌補了一致性協(xié)議的不足，提高了協(xié)議過程的安全性。

表2 一致性協(xié)議中應(yīng)用區(qū)塊鏈的可行性Table 2 Feasibility of applying blockchain in consensus protocol

2 IES分散式能量交互雙層結(jié)構(gòu)模型

2.1 IES能量交互雙層結(jié)構(gòu)

基于上述分析，區(qū)塊鏈技術(shù)與分散式的熱-電IES有很高的契合度。如圖1所示，可將分散式IES能量交互劃分為信息層和物理層。信息層是以區(qū)塊鏈技術(shù)為支撐的通信網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)節(jié)點間的點對點通信，并提高通信的安全性、可靠性，維護系統(tǒng)的隱私性和公平性。物理層可實現(xiàn)能量的交互。各運營商通過在區(qū)塊鏈上部署服務(wù)器，連接信息層和物理層。基于智能合約平臺，能量交互策略由服務(wù)器的信息層計算后，下達至物理層執(zhí)行。該策略是以各自運行成本最低為目標的分散式交互模型。

圖1 IES能量交互雙層結(jié)構(gòu)Fig.1 Two-layer structure of IES energy interaction

2.2 物理層的能量交互模型

2.2.1 IES成本模型

園區(qū)級熱-電綜合能源系統(tǒng)的能源交互主要包含了3種主體：燃氣/燃煤鍋爐運營商、熱電聯(lián)產(chǎn)運營商、配電網(wǎng)運營商。燃氣/燃煤鍋爐運營商將化學能轉(zhuǎn)化為熱能，為園區(qū)供暖；配電網(wǎng)運營商即供電公司，負責供應(yīng)園區(qū)大部分電能；熱電聯(lián)產(chǎn)運營商耦合了電能和熱能，可同時為園區(qū)供應(yīng)熱、電，主要用于平衡和優(yōu)化系統(tǒng)中的能量供給。三者獨立運營，構(gòu)成園區(qū)的供熱網(wǎng)絡(luò)和供電網(wǎng)絡(luò)。

配電網(wǎng)運營商采用耗量成本和線損成本來表征配電網(wǎng)對園區(qū)供電的成本模型，在時間索引t下的供電成本為：

(4)

對于熱電聯(lián)產(chǎn)機組，通常認為運行于最小凝汽工況，這也和實際運行中的一般情況相符[20]。在該工況下采取以熱定電的運行模式，其熱電耦合模型可表示為：

(5)

式中：PCHP,i(t)、HCHP,i(t)分別表示熱電聯(lián)產(chǎn)機組在時間索引t下的計劃供電功率和供熱功率；KCHP表示熱電耦合系數(shù)；ηe表示機組的電效率；ηh表示機組的熱效率。最小凝汽工況下，不考慮熱電聯(lián)產(chǎn)機組調(diào)節(jié)特性，KCHP視為一個常數(shù)[18-19]。

因此，熱電聯(lián)產(chǎn)機組索引t下的成本函數(shù)可寫為：

(6)

當熱電聯(lián)產(chǎn)機組的負荷率小于30%時，機組不在凝氣工況下，機組效率低，因此，僅當熱電聯(lián)產(chǎn)機組的負荷率高于30%時，該系統(tǒng)才會啟動熱電聯(lián)產(chǎn)機組[21]，即：

(7)

式中：Cpi表示i號熱電聯(lián)產(chǎn)機組的額定功率。

鍋爐運行成本可表示為：

(8)

IES能量交互的運行目標是系統(tǒng)總成本最低：

(9)

(10)

2.2.2 模型解耦

在分散式的能量交互中，各節(jié)點均以自身成本最低為目標。使用拉格朗日乘子法，將上述凸優(yōu)化問題解耦成3個子系統(tǒng)問題。為此，先構(gòu)造該問題的拉格朗日函數(shù)：

(11)

式中：P(t)表示系統(tǒng)的電功率向量，若節(jié)點n不供電，則Pn(t)=0；H(t)表示系統(tǒng)的熱功率向量，若節(jié)點n不供熱，則Hn(t)=0；λ(t)和μ(t)是拉格朗日乘子，分別表示時間索引t下電功率和熱功率的成本增量。

由于每個子系統(tǒng)存在不同的全局約束，可將λ(t)和μ(t)解耦：

(12)

(13)

將系統(tǒng)的拉格朗日函數(shù)解耦成僅包含就地約束的子系統(tǒng)優(yōu)化問題，存于各節(jié)點的服務(wù)器中單獨運行。

1)配電網(wǎng)運營商子問題(i∈VE)：

minCi(t)-λi(t)PE,i(t)

(14)

(15)

2)熱電聯(lián)產(chǎn)運營商子問題(i∈VCHP)：

(16)

(17)

3)鍋爐運營商子問題(i∈VGB)：

(18)

(19)

2.3 信息層的數(shù)據(jù)傳遞模型

2.3.1 一致性變量

系統(tǒng)內(nèi)各運營商組成能量交互的聯(lián)盟鏈，目標是各節(jié)點服務(wù)器使用一致性協(xié)議和分布式數(shù)據(jù)存儲、智能合約、加密算法等區(qū)塊鏈技術(shù)，使聯(lián)盟對能量交互達成共識，并確保過程安全可靠。選取交互模型中μ(t)和λ(t)分別作為熱能系統(tǒng)和電能系統(tǒng)的一致性變量，節(jié)點服務(wù)器將基于其余節(jié)點更新自身一致性變量：

(20)

(21)

由于能量交互需要滿足供需平衡，不考慮需求側(cè)響應(yīng)的情況下，當供給量超過需求量，能量交互的收斂方向應(yīng)為負，即減少供給；當需求量超過供給量，收斂方向應(yīng)為正，即增加供給?？赏ㄟ^選舉，在熱能系統(tǒng)和電能系統(tǒng)各選取一個公信力較高的節(jié)點作為領(lǐng)導節(jié)點iH、iP用于獲取熱、電功率供需差額，判斷μi(t)和λi(t)的收斂方向，該系統(tǒng)直接選取熱電聯(lián)產(chǎn)運營商作為領(lǐng)導節(jié)點iH，供電公司作為領(lǐng)導節(jié)點iP。

(22)

(23)

(24)

(25)

式中：μiH(t+1)、λip(t+1)分別表示領(lǐng)導節(jié)點iH、iP更新的拉格朗日乘子；ξ、ξ′是收斂系數(shù)(ξ>0，ξ′>0)，表示收斂速度。

2.3.2 信息傳遞構(gòu)架

3 求解流程

圖2 基于區(qū)塊鏈的IES能量交互運行構(gòu)架Fig.2 Blockchain-based IES energy interaction operation framework

(26)

式中：ε表示允許的功率偏差；ε′表示μi(t)和λi(t)的收斂精度。

圖3 基于區(qū)塊鏈的一致性算法流程Fig.3 Blockchain-based consensus algorithm flow

4 算例與分析

為驗證所提算法的有效性和區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)越性，通過算例進行仿真計算。假設(shè)某園區(qū)級IES的能源供給側(cè)含有6個主體節(jié)點：供電公司、熱電聯(lián)產(chǎn)機組和4個小型燃氣鍋爐組件，分別為1～6號節(jié)點。各節(jié)點間可以相互通信，共同構(gòu)成能源供給聯(lián)盟鏈。假設(shè)節(jié)點之間可以點對點直接通信，但通信存在一定的網(wǎng)絡(luò)延時。各節(jié)點的運行參數(shù)和初始功率值如表3所示。

表3 各節(jié)點的運行參數(shù)和初始變量值Table 3 Operating parameters and initial variable values of each node

假設(shè)某次能量交互，IES所需電功率PD=420.15 kW，所需熱功率HD=303.96 kW，允許功率偏差ε=0.01，收斂系數(shù)ξ=0.000 8、ξ′=0.000 2，收斂精度ε′=0.003。

情景1：在此次交互計算前，3號節(jié)點鍋爐1為追逐利益，篡改系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)：v3=0.038 7，以提高自身出力。對比沒有區(qū)塊鏈技術(shù)支撐的IES分散式能量交互，系統(tǒng)運行過程如圖4所示。若沒有區(qū)塊鏈技術(shù)，節(jié)點3(鍋爐1)出力大幅提升，H3由61.925 9 kW升至80.000 0 kW滿載運行。H2由50.261 5 kW降至46.881 7 kW，H4由67.533 9 kW降至62.364 4 kW，H5由58.765 2 kW降至54.601 0 kW，H6由65.475 3 kW降至60.223 9 kW，除鍋爐1外的所有熱網(wǎng)節(jié)點利益均受損。而基于區(qū)塊鏈的IES分散式能量交互中，私鑰數(shù)字串隨3號節(jié)點(鍋爐1)的系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生改變，在第一次廣播時驗證失敗，迫使3號節(jié)點修正參數(shù)，從t=2起以正確參數(shù)運行，在僅多了一次時間索引的情況下，記錄本次錯誤，得到正確的功率分配，成功維護了分散式交互系統(tǒng)的公平性。

圖4 子系統(tǒng)參數(shù)遭遇篡改后的系統(tǒng)運行對比Fig.4 System operation comparison after subsystem parameters tampered

情景2：在此次交互計算中，該系統(tǒng)受到外部惡意攻擊，λ1和μ3在通信時遭遇3次隨機修改：λ1(15)=0.67、μ3(15)=8.42；λ1(60)=1.41、μ3(60)=6.17、λ1(120)=3.47、μ3(120)=12.12。對比沒有區(qū)塊鏈技術(shù)支撐的IES分散式能量交互，一致性變量的收斂過程如圖5所示。若沒有區(qū)塊鏈技術(shù)支撐，在遭遇攻擊后，節(jié)點的一致性變量均隨之發(fā)生劇烈波動，收斂時間顯著增長。而基于區(qū)塊鏈的IES分散式能量交互在廣播過程中，變量遭遇外部修改，但驗證失敗，系統(tǒng)報錯、算法回滾，重新計算一致性變量，相比于未受攻擊的基于區(qū)塊鏈的迭代計算過程僅多了3個時間索引。由于存入?yún)^(qū)塊中的數(shù)值是正確的信息，也不會對其余節(jié)點造成影響。因此，區(qū)塊鏈技術(shù)也極大提高了分散式交互系統(tǒng)的安全性。

圖5 通信過程遭遇外部攻擊時系統(tǒng)運行對比Fig.5 System operation comparison when the communication process encounters external attacks

5 總結(jié)與展望

本文所提模型在區(qū)塊鏈技術(shù)與多能交互融合應(yīng)用方面取得了階段性成果。

1)基于區(qū)塊鏈的IES分散式能量交互在保證主體運營隱私的同時，能有效避免主體私自篡改子系統(tǒng)參數(shù)的問題，既實現(xiàn)了系統(tǒng)去中心化也提高了系統(tǒng)的公平性。

2)基于區(qū)塊鏈的IES分散式能量交互能抵御外部對通信信息的攻擊，確保傳遞信息的正確性，顯著提高了系統(tǒng)的安全性。

但對于應(yīng)用落地，還需從能量流多時間尺度特性、區(qū)塊鏈技術(shù)局限性以及系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展性等多方面進行更深入的探討和研究。