劉 楊,劉天羽
(上海電機(jī)學(xué)院,上海 200000)
化石燃料占全球約80%的電能生產(chǎn)來源[1]?;诨剂系哪茉词窃斐森h(huán)境污染并導(dǎo)致環(huán)境退化的主要原因??稍偕茉凑系浆F(xiàn)有能源系統(tǒng)中已成為一種突出的解決方案。可再生能源的出現(xiàn)使一些參與者成為了電能的生產(chǎn)者[2],使傳統(tǒng)的電網(wǎng)方式改變,消費(fèi)者也可以成為電能生產(chǎn)者,這類參與者被稱為生產(chǎn)者。
生產(chǎn)者既可以消費(fèi)又可以產(chǎn)生電能。消費(fèi)者成為生產(chǎn)者的主要?jiǎng)訖C(jī)是經(jīng)濟(jì)誘因、環(huán)境意識和對能源供應(yīng)商的低信任度[3-4]。微電網(wǎng)將本地可再生能源和負(fù)荷與公用電網(wǎng)整合在一起。簡單來說微電網(wǎng)是可以本地控制的小型電力系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)除了整合現(xiàn)場可再生能源的來源外,還可以管理本地負(fù)荷與發(fā)電之間的平衡[5]。
微電網(wǎng)以孤立的方式運(yùn)行(稱為孤島模式),而不是并網(wǎng)連接模式。在以微電網(wǎng)孤島模式進(jìn)行的能源交易中,不能依賴中央機(jī)構(gòu)[6-7],為設(shè)計(jì)基于區(qū)塊鏈的能源交易提供了機(jī)會。區(qū)塊鏈?zhǔn)切屡d的技術(shù)之一,區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N開放式的分布式賬本,可以有效地、可驗(yàn)證的、以永久的方式記錄雙方之間的交易[6]。
文獻(xiàn)[8]提出了使用私有區(qū)塊鏈和拍賣方法確定價(jià)格的去中心化市場機(jī)制。但是,對用戶而言,通過拍賣或招標(biāo)來交易剩余能源都是不現(xiàn)實(shí)的[9-10]。由于時(shí)間有限,缺乏專業(yè)知識,尤其是缺乏技術(shù),一些消費(fèi)者或生產(chǎn)者無法參與交易。文獻(xiàn)[11-12]模型允許第三方充當(dāng)控制器來管理或控制生產(chǎn)者的電池和所有交易信息,需要密集的通信基礎(chǔ)設(shè)施,因此存在單點(diǎn)故障的可能性,未解決信息泄露和安全隱患的威脅。
文獻(xiàn)[13-17]的研究未強(qiáng)調(diào)如何解決隱私和安全挑戰(zhàn)以及單點(diǎn)故障問題。沒有文獻(xiàn)明確考慮解決發(fā)電高峰時(shí)段的能源囤積問題。研究工作沒有考慮將傳統(tǒng)的本地能源市場、微電網(wǎng)系統(tǒng)和區(qū)塊鏈技術(shù)同時(shí)結(jié)合,將其利益集中在一起。本文考慮到滯期機(jī)制,提出了使用私有區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)對等(Peer-to-Peer,P2P)能源交易模型。模型允許生產(chǎn)者和消費(fèi)者以分散、安全、可信任、透明、匿名和可驗(yàn)證的方式管理其資源可持續(xù)性和信息。提出了使用私有區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)P2P 能源交易并考慮滯期機(jī)制和動態(tài)定價(jià)機(jī)制來進(jìn)行能源交易。該機(jī)制使所有參與本地能源交易的成員獲得更好的經(jīng)濟(jì)利益。定價(jià)模型是從供求比(Supply Demand Ratio,SDR)機(jī)制修改而來的。
能源交易系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示,其顯示了從傳統(tǒng)的集中式網(wǎng)格到包含微電網(wǎng)和生產(chǎn)者的分布式網(wǎng)格的過渡。在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中,能量可以通過逆變器之類的電力電子接口從公用電網(wǎng)流向微電網(wǎng),也可以從微電網(wǎng)流向公用電網(wǎng)。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure of energy trading system
這種雙向的能量流動使得向公用電網(wǎng)買賣電能變得可行。圖1 的分布式網(wǎng)絡(luò)允許使用本地微電網(wǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)者之間進(jìn)行能量流動。逐個(gè)生產(chǎn)者之間的能量流的配置導(dǎo)致P2P 能量交易。定義為生產(chǎn)者之間或生產(chǎn)者與消費(fèi)者之間的能源交易[18]。
圖2 給出了微電網(wǎng)P2P 能源交易方式[19-21]。參與者被認(rèn)為是具有光伏(Photovoltaic,PV)裝置和可用電池存儲容量的生產(chǎn)者。當(dāng)光伏發(fā)電量超過負(fù)荷要求時(shí),多余發(fā)電量的一部分將出售給有電能要求的消費(fèi)者,另一部分用于給電池充電。在傍晚時(shí)分,當(dāng)光伏發(fā)電量低于負(fù)荷要求時(shí),部分負(fù)荷要求通過電池填充,其余部分則通過從相鄰微電網(wǎng)購買能源來實(shí)現(xiàn)。也可以將多余的電力出售給電網(wǎng),而無需任何上網(wǎng)電價(jià)計(jì)劃[22]。
圖2 P2P能源交易Fig.2 P2P energy trading
當(dāng)前配電方面的批發(fā)電力市場不支持面向生產(chǎn)者的P2P 電力交易。原因?yàn)椋?/p>
1)批發(fā)電力市場設(shè)定了成為交易參與者的最小能力障礙。生產(chǎn)者是小型發(fā)電機(jī)組,因此在批發(fā)電力市場中是不允許的[23]。
2)在當(dāng)前情況下,獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商(Independent System Operator,ISO)從大型發(fā)電參與者處收集投標(biāo),然后根據(jù)市場許可價(jià)格,相應(yīng)地調(diào)度電力。小型發(fā)電生產(chǎn)者數(shù)量非常龐大,并且對于ISO 而言,管理電力交易市場已經(jīng)不可行。
3)批發(fā)電力市場受限于參與者的集中式結(jié)構(gòu)。如果允許大量生產(chǎn)者參加,那么中央系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)攻擊的可能性就很高,這將造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。
4)生產(chǎn)者并沒有因?yàn)榱⒓磳⑵滟u回電網(wǎng)的能源而獲得金錢回報(bào)。
5)“凈計(jì)量”方法不允許生產(chǎn)者以其想要的價(jià)格出售能源,并且僅對出售的能源提供固定的報(bào)酬。
事實(shí)證明就安全性、透明性和交易的不變記錄而言,區(qū)塊鏈技術(shù)可熟練用于P2P 交易。區(qū)塊鏈技術(shù)的這一特性使其成為在電力市場中實(shí)施P2P 交易的合適選擇。
本文對基于區(qū)塊鏈的架構(gòu)進(jìn)行了建模,如圖3所示。該框架包含網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn),即生產(chǎn)者、消費(fèi)者和公共電網(wǎng)。這些節(jié)點(diǎn)可以通過區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行協(xié)調(diào),以支持能源生產(chǎn)和需求的分散化。此外,在個(gè)人級別(節(jié)點(diǎn))創(chuàng)建區(qū)塊鏈分類賬的副本。P2P 能源交易中的問題為缺乏數(shù)據(jù)安全性和隱私性。但是可以使用分散和分布式的區(qū)塊鏈分類帳功能解決這些問題。以分散的方式,能源交易可以在本地維護(hù)并存儲在區(qū)塊鏈中[24-25]。該過程是在客戶的唯一標(biāo)識符的幫助下完成的,該標(biāo)識符將交易副本共享并復(fù)制到網(wǎng)絡(luò)中的所有對等方以進(jìn)行驗(yàn)證。本文的系統(tǒng)中使用區(qū)塊鏈技術(shù)的好處是信息不變性,自我執(zhí)行的智能合約,安全性等。區(qū)塊鏈技術(shù)中的信息不變性可確保區(qū)塊鏈中存儲的所有信息在驗(yàn)證后保持不變。為了在能源交易參與者之間達(dá)成共識,采用了工作量證明(Proof of Work,PoW)共識機(jī)制。
圖3 基于區(qū)塊鏈的系統(tǒng)框架Fig.3 Blockchain-based system framework
智能合約是一種計(jì)算機(jī)程序,可實(shí)現(xiàn)兩方之間的現(xiàn)實(shí)世界中的合同協(xié)議。借助諸如Solidity 之類的編程語言可以實(shí)現(xiàn)智能合約。包括業(yè)務(wù)應(yīng)用程序的執(zhí)行條件和邏輯。當(dāng)客戶進(jìn)行交易時(shí),如果交易滿足條件,這些執(zhí)行條件將自動執(zhí)行。一旦執(zhí)行了智能合約,則僅將數(shù)據(jù)寫入?yún)^(qū)塊鏈。每個(gè)對等方都保留了不可更改的智能合約副本。每個(gè)存儲在區(qū)塊鏈中的實(shí)體都有一個(gè)唯一的地址。
在本文的模型中,智能合約是指導(dǎo)能源交易機(jī)制(能源銷售和購買)以及監(jiān)視和記錄所有能源交易信息的準(zhǔn)則的集合。除此之外,智能合約還負(fù)責(zé)執(zhí)行生產(chǎn)者、消費(fèi)者和主電網(wǎng)之間的所有支付過程。由于區(qū)塊鏈中用于計(jì)算滯期費(fèi)用的數(shù)學(xué)函數(shù)的有限性,本文在鏈下執(zhí)行算術(shù)計(jì)算,并將結(jié)果傳遞給智能合約。
本文所提模型包括3 個(gè)參與者:生產(chǎn)者、消費(fèi)者和公共電網(wǎng)。生產(chǎn)者和消費(fèi)者將參與當(dāng)?shù)氐哪茉唇灰住DP椭形㈦娋W(wǎng)能源生產(chǎn)者是安裝了可發(fā)電太陽能電池板的用戶,通過智能合約記錄,監(jiān)控和傳輸能源信息(包括發(fā)電量和消耗量)并將其傳輸?shù)絽^(qū)塊鏈,而消費(fèi)者僅可使用智能合約生成能耗信息并將其發(fā)送到區(qū)塊鏈,以供交易使用。當(dāng)?shù)禺a(chǎn)生的能量不足以滿足用戶需求時(shí),主電網(wǎng)將能量供應(yīng)給微電網(wǎng)。通過考慮滯期費(fèi)機(jī)制,使用供求比定義了價(jià)格模型。交易信息、支付流程和市場平臺通過智能合約在私有區(qū)塊鏈上執(zhí)行,以擺脫第三方。區(qū)塊鏈技術(shù)提供了一個(gè)安全、分散、透明、匿名和經(jīng)過驗(yàn)證的信息平臺。
1)在給定的時(shí)間間隔t中,定義微電網(wǎng)中第i個(gè)PV 生產(chǎn)者的生產(chǎn)功率Pi(t)為:
式中:NPV為微電網(wǎng)中的生產(chǎn)者編號。
2)定義在時(shí)間t內(nèi)的生產(chǎn)者或消費(fèi)者的消費(fèi)功率Ci(t)為:
式中:N為微電網(wǎng)中的消費(fèi)者數(shù)量。
3)對于生產(chǎn)者i,定義給定時(shí)間t的凈功率NPi(t)為:
由于所有用戶都有不同的能耗模式,根據(jù)特定時(shí)段的凈功率,用戶可以充當(dāng)賣方或買方。因此,定義微電網(wǎng)的總售賣能力(Total Sales Power,TSP)和總購買能力(Total Purchasing Power,TPP)為:
根據(jù)經(jīng)濟(jì)學(xué)理論,價(jià)格和供需比之間的關(guān)系成反比。價(jià)格模型是基于SDR 制定的。該模型通過引入滯期費(fèi)機(jī)制進(jìn)行了修改??傎徺I能力是生產(chǎn)者或消費(fèi)者的能源消耗,總售賣能力是光伏發(fā)電的能源。因此,定義給定時(shí)間t的SDR 為:
價(jià)格在1 d 中每段時(shí)間內(nèi)變化。定義在時(shí)間t內(nèi)生產(chǎn)者或消費(fèi)者的購買價(jià)格Pb(t)和銷售價(jià)格Ps(t)為:
式中:Pr(t)為微電網(wǎng)P2P 能源交易價(jià)格。
為了激勵(lì)消費(fèi)者和生產(chǎn)者參與能源交易,尤其是在光伏發(fā)電高峰時(shí),生產(chǎn)者或消費(fèi)者的購買價(jià)格Pb(t)小于等于從電網(wǎng)購買價(jià)格PGb(t);生產(chǎn)者的銷售價(jià)格Ps(t)大于等于電網(wǎng)的銷售價(jià)格PGs(t)。
購買價(jià)格Pb(t)和銷售價(jià)格Ps(t)為基于供需比的函數(shù),即:
式中:SP為補(bǔ)償價(jià)格,用來補(bǔ)償生產(chǎn)者,以確保參與本地能源交易時(shí)生產(chǎn)者得到更好的利潤。
確保當(dāng)SDR(t)>1 時(shí),買賣價(jià)格不一樣,并且為生產(chǎn)者提供的經(jīng)濟(jì)利益要大于消費(fèi)者,使參與本地能源交易時(shí)生產(chǎn)者得到更好的利潤。
在本文模型中,生產(chǎn)者或消費(fèi)者積蓄能量或在高峰發(fā)電期內(nèi)拒絕購買能量,就會觸發(fā)滯期費(fèi)機(jī)制。在這種情況下,給定SDR(t)的條件會略有不同,即購買價(jià)格會略高一些,而銷售價(jià)格會略低于公用電網(wǎng)的買賣價(jià)格。這是為了鼓勵(lì)參與者購買高峰時(shí)段產(chǎn)生的本地能源,而在峰值發(fā)電時(shí),價(jià)格應(yīng)遵守SDR 定價(jià)模型。當(dāng)SDR(t)=1 時(shí),附近的購買力和銷售力都是相同的,并且不需要從公用電網(wǎng)導(dǎo)入或?qū)С龅碾娏?。銷售價(jià)格和購買價(jià)格都等于公用電網(wǎng)的銷售價(jià)格加上補(bǔ)償價(jià)格。當(dāng)SDR(t)=0 時(shí),意味著附近沒有銷售能力。所有用戶都必須從主電網(wǎng)購買能源。因此,買進(jìn)和賣出價(jià)格等于主電網(wǎng)的買入價(jià)格。當(dāng)0 <SDR(t)<1 時(shí),買賣價(jià)格將根據(jù)式(10)和式(11)改變。
圖4 為SDR(t)與建議的買入或賣出價(jià)格之間的關(guān)系。根據(jù)式(10)—式(11),SDR(t)決定每個(gè)時(shí)間段的P2P 能源交易價(jià)格。如圖4 所示,買賣價(jià)格隨SDR(t)的增加而變化。當(dāng)功耗增加時(shí),SDR(t)減小。SDR(t)的增加會同時(shí)降低買賣價(jià)格,反之同理。為了提高售價(jià),參與者必須增加能源消耗,而買方也需要降低能源消耗以降低購買價(jià)格。
圖4 買入賣出價(jià)格與供需比的關(guān)系Fig.4 Relationship between buying and selling price and supply-demand ratio
為了阻止能源積蓄者并鼓勵(lì)消費(fèi)者在高峰發(fā)電時(shí)間購買能源,在生產(chǎn)者購買和出售價(jià)格中引入了滯期費(fèi)。滯期費(fèi)是一種用于抑制能源囤積并向客戶傳遞價(jià)格信號的機(jī)制。這種機(jī)制使客戶可以將用電量轉(zhuǎn)移到本地能源產(chǎn)生過剩的時(shí)期。通過滯期機(jī)制,能源支持價(jià)格的贖回價(jià)值會隨著時(shí)間而下降。令δ為滯期值,從滯期機(jī)制得出新的賣出價(jià)格Psδ(t)和買入價(jià)格Pbδ(t)分別為式(13)和式(14),其中,K為常數(shù)。
參與能源交易需求響應(yīng)的生產(chǎn)者和消費(fèi)者預(yù)計(jì)將承擔(dān)一部分可轉(zhuǎn)移的負(fù)荷。由于價(jià)格激勵(lì),參與者改變了他們的能源消耗。這使得初始能耗Ci(t)與實(shí)際值發(fā)生了變化。定義調(diào)節(jié)后的能耗ACi為:
定義更新時(shí)間間隔t上生產(chǎn)者和消費(fèi)者的調(diào)整后凈消耗NCi(t)為:
PV 生產(chǎn)者i在時(shí)間t上的成本函數(shù)定義為:
式中:Pri(t)為時(shí)間t的用戶價(jià)格(買入或賣出價(jià)格)。
因此,定義1 d 的PV 生產(chǎn)者i的總成本為:
價(jià)格由凈功率決定為買入或賣出價(jià)格,即:
能源調(diào)度過程有2 個(gè)約束,即:
其中,假定轉(zhuǎn)移負(fù)載前后的總能量不變;轉(zhuǎn)移的電力負(fù)載必須位于原始用戶配置的最小和最大電力負(fù)載之間[23]。
考慮100 個(gè)家庭微電網(wǎng)進(jìn)行模擬,其中包括有PV 系統(tǒng)和無PV 系統(tǒng)的居民。模擬假設(shè)所有擁有光伏系統(tǒng)的用戶具有相同的光伏發(fā)電容量,并且所有用戶的用電量分布具有相同的模式。模擬時(shí)間1 d(24 h),計(jì)算能源負(fù)荷并生成用戶的個(gè)人資料。擬議的市場機(jī)制通過智能合約在私有區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中實(shí)施。固態(tài)腳本語言和JavaScript 程序用于開發(fā)智能合約和應(yīng)用程序用戶界面(Application Programming Interface,API)。程序允許智能合約和API 之間進(jìn)行通信。本文使用區(qū)塊鏈技術(shù)的基本概念,沒有交易成本和礦工補(bǔ)償。仿真中使用的參數(shù)如表1 所示。其中,[tmintmax]為時(shí)間t差值;T為1 天周期;N為用戶數(shù)量。
表1 仿真參數(shù)設(shè)置Table 1 Simulation parameter setting
圖5 為單個(gè)用戶用電負(fù)荷和光伏產(chǎn)能曲線。顯示了普通家庭的典型能耗以及住宅生產(chǎn)者的PV能源發(fā)電量。為了評估擬議的動態(tài)定價(jià)模型,對比了電網(wǎng)實(shí)時(shí)價(jià)格方案,以表明定價(jià)模型的有效性。
圖5 單個(gè)用戶用電負(fù)荷和光伏產(chǎn)能Fig.5 Electricity load and photovoltaic capacity of a single user
從電網(wǎng)價(jià)格計(jì)劃中,價(jià)格信號大約在19:00—20:00 之間處于峰值。本文鼓勵(lì)客戶在光伏發(fā)電高峰時(shí)段參與本地能源交易,以利用在高峰時(shí)段產(chǎn)生的能源。圖6 為修改后動態(tài)價(jià)格模型,修改后的動態(tài)價(jià)格模型不鼓勵(lì)客戶參與低能耗發(fā)電。此外,將拒絕激勵(lì)在高峰期發(fā)電期間拒絕出售剩余能源的生產(chǎn)者。通過使用滯期機(jī)制來應(yīng)用抑制措施,在這種機(jī)制中,能源支持價(jià)格的贖回價(jià)值會隨著時(shí)間而下降。進(jìn)一步導(dǎo)致售價(jià)的上升或購買價(jià)格的下降,比公用事業(yè)的買賣價(jià)格更無競爭力。原因是當(dāng)消費(fèi)者延遲購買本地能源時(shí)觸發(fā)了滯期費(fèi)機(jī)制,結(jié)果賣出購買價(jià)格都會受到影響。該機(jī)制將通過提高購買者的價(jià)格并降低在囤積能量時(shí)的生產(chǎn)者的售價(jià)對消費(fèi)者進(jìn)行懲罰。通常,SDR(t)的增加會同時(shí)降低買賣價(jià)格,反之亦然。
圖6 修改后的動態(tài)價(jià)格模型Fig.6 Modified dynamic price model
研究結(jié)果表明,除了從16:00—24:00 外,1 d 的平均能量需求在所有小時(shí)中都大致相同,消耗量更高。在16:00—24:00 之間,電費(fèi)仍然較高。為了進(jìn)一步降低用電成本,使用當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的能源進(jìn)行貿(mào)易,而當(dāng)?shù)氐哪茉磧r(jià)格低于公用事業(yè)的電價(jià)。圖7 為動態(tài)定價(jià)和電網(wǎng)價(jià)格比較。
圖7 動態(tài)定價(jià)和電網(wǎng)價(jià)格比較Fig.7 Comparison of dynamic pricing and power grid price
如圖7 所示,與主電網(wǎng)電價(jià)相比,客戶通過本地能源交易實(shí)現(xiàn)了有效的成本節(jié)省。使用本地能源進(jìn)行貿(mào)易的經(jīng)濟(jì)利益不僅對生產(chǎn)者有利,而且也涉及消費(fèi)者。當(dāng)使用純本地產(chǎn)生的能量進(jìn)行交易時(shí)可以節(jié)省電費(fèi)。這是因?yàn)榕c公用事業(yè)價(jià)格相比,微電網(wǎng)P2P 能源交易的動態(tài)價(jià)格始終取決于SDR(t)。
圖8 為消費(fèi)者生產(chǎn)者的成本和利潤。從圖8可知,使用動態(tài)定價(jià)模型的生產(chǎn)者所獲得的經(jīng)濟(jì)收益大約等于消費(fèi)者的總成本。
圖8 消費(fèi)者生產(chǎn)者的成本和利潤Fig.8 Cost and profit of consumer and producer
實(shí)際上所有客戶要參與本地能源交易幾乎是不可能的,因此考慮了參與能源交易的不同數(shù)量的客戶來進(jìn)行評估差異。評估中的客戶數(shù)量從0 到100 不等,間隔為20。數(shù)字100 表示所有客戶均為生產(chǎn)者,數(shù)字0 表示所有客戶均未參與本地能源交易。假設(shè)所有生產(chǎn)者的光伏發(fā)電量相同,并且能耗也相同。圖9 為參與P2P 能源交易的客戶數(shù)量的影響。如圖9 所示,當(dāng)參與能源交易的客戶數(shù)量增加時(shí),能源的自給自足也隨之增加,使微電網(wǎng)中能源利用率極大提高,微電網(wǎng)供電能力和穩(wěn)定性增強(qiáng),降低對公共電網(wǎng)的依賴。
圖9 參與P2P能源交易的客戶數(shù)量的影響Fig.9 Effect of the number of customers participating in P2P energy trading
本文研究了具有許多光伏系統(tǒng)的微電網(wǎng)使用私有區(qū)塊鏈的P2P 能源交易,提出一種簡單的交換機(jī)制并構(gòu)建了動態(tài)定價(jià)模型,以增加微電網(wǎng)和個(gè)人用戶的經(jīng)濟(jì)利益。通過仿真得到以下結(jié)論:
1)引入了滯期機(jī)制,使用私有區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)P2P 能源交易消除拍賣問題。
2)提出的電力交易機(jī)制可以有效地促進(jìn)微電網(wǎng)內(nèi)用戶之間的能源共享,使用戶成本降低利潤增加,總體上提高配電網(wǎng)絡(luò)的能源效率。