配電系統(tǒng)中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電力交易市場(chǎng)設(shè)計(jì)與出清方法

馮昌森，謝方銳，胡嘉驊，文福拴，張有兵

（1. 浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院,浙江省 杭州市 310023；2. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,浙江省 杭州市 310008；3. 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院,浙江省 杭州市 310027）

0 引言

隨著配電系統(tǒng)中用戶側(cè)智能設(shè)備配置逐步增多,一些電力用戶正逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂邪l(fā)電能力的產(chǎn)消用戶［1］。產(chǎn)消用戶為開展點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（P2P）的電力交易帶來可能。這不僅能充分發(fā)揮市場(chǎng)手段對(duì)發(fā)電和儲(chǔ)能資源優(yōu)化配置的作用,而且能促進(jìn)可再生能源發(fā)電的就地消納、緩解配電系統(tǒng)容量壓力、改善負(fù)荷特性,是中國售電側(cè)市場(chǎng)化改革的重要方向之一［2-3］。

目前,P2P 電力交易已具備一定的基礎(chǔ)。在學(xué)術(shù)研究方面,P2P 電力交易主要分為完全型P2P 市場(chǎng)［4］和基于社區(qū)的P2P 市場(chǎng)［5］。在完全型P2P 市場(chǎng)中,用戶之間可以直接議價(jià),在沒有中心機(jī)構(gòu)監(jiān)督的情況下完成電力交易。文獻(xiàn)［4］考慮了完全去中心化的P2P 市場(chǎng),提出基于連續(xù)雙向拍賣機(jī)制的自適應(yīng)P2P 交易策略。由于完全型P2P 電力市場(chǎng)模型未考慮電網(wǎng)安全運(yùn)行約束,導(dǎo)致其實(shí)用性不強(qiáng)。基于社區(qū)的P2P 市場(chǎng)則是由各個(gè)社區(qū)作為市場(chǎng)主體,社區(qū)管理者負(fù)責(zé)社區(qū)內(nèi)部的交易,并作為社區(qū)與其他社區(qū)、上級(jí)網(wǎng)絡(luò)交流的中介。文獻(xiàn)［5］研究虛擬電廠之間的P2P 電力交易,建立了日前與實(shí)時(shí)兩階段市場(chǎng)出清模型。文獻(xiàn)［6］構(gòu)建了包含光伏、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車等多類型配電側(cè)可控資源的智能園區(qū)P2P 電力交易模型,并采用次梯度優(yōu)化方法對(duì)模型進(jìn)行求解。文獻(xiàn)［7］研究購電價(jià)格對(duì)含有分布式發(fā)電的產(chǎn)消者、售電商和一般終端用戶的區(qū)域P2P 電力交易的影響?，F(xiàn)有研究主要側(cè)重經(jīng)濟(jì)性角度,未充分考慮P2P 電力交易對(duì)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的影響,導(dǎo)致研究結(jié)果的實(shí)用性較差。

在工業(yè)實(shí)踐方面,由于具備透明化和適于分布式交易的技術(shù)特點(diǎn),區(qū)塊鏈等分布式賬本技術(shù)可為去中心化的P2P 電力交易提供技術(shù)支撐。區(qū)塊鏈技術(shù)作為一種去中心化、透明化、合約執(zhí)行自動(dòng)化且具有可追溯性的數(shù)據(jù)庫技術(shù),其核心優(yōu)勢(shì)在于能夠保證不同主體之間的相互信任［8］。一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的Exergy 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)能源交易平臺(tái)已投入商業(yè)運(yùn)行［9］,安裝在產(chǎn)消用戶側(cè)的智能電表將供用電數(shù)據(jù)上傳到用戶區(qū)塊鏈賬戶作為代幣,用戶可在Exergy平臺(tái)上進(jìn)行能源交易。印度新德里啟動(dòng)了P2P 太陽能交易項(xiàng)目［10］。由國家電網(wǎng)有限公司牽頭的“區(qū)塊鏈+碳交易”國際標(biāo)準(zhǔn)——《基于區(qū)塊鏈的碳交易應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》也已正式立項(xiàng),成為全球最先立項(xiàng)的碳交易領(lǐng)域的區(qū)塊鏈國際標(biāo)準(zhǔn)［11］。

由于產(chǎn)消用戶接入了可再生能源發(fā)電設(shè)備,其出力存在一定的波動(dòng)性和不確定性,需要設(shè)計(jì)靈活的市場(chǎng)機(jī)制以消納可再生能源出力。文獻(xiàn)［12］在考慮了光伏發(fā)電出力不確定性與負(fù)荷調(diào)度靈活性的前提下,設(shè)計(jì)了本地電力市場(chǎng)的分布式出清機(jī)制。文獻(xiàn)［13］以分布式能源就近消納為原則,設(shè)計(jì)了分布式綜合能源分層市場(chǎng),促進(jìn)了分布式可再生能源交易的市場(chǎng)化。文獻(xiàn)［14］將多微網(wǎng)之間的P2P 電力交易以廣義納什議價(jià)（generalized Nash bargaining）問題建模,并設(shè)計(jì)了收益分配機(jī)制,促進(jìn)微網(wǎng)間的電力交易。在目前關(guān)于P2P 交易機(jī)制的研究中,大多未考慮用戶出力的波動(dòng)性對(duì)P2P 電力交易的影響。文獻(xiàn)［15］考慮了可再生能源出力的時(shí)序波動(dòng)性,建立了基于事件驅(qū)動(dòng)的本地P2P 電力交易市場(chǎng),并采用強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法求解市場(chǎng)模型。

在上述背景下,本文提出了P2P 市場(chǎng)的事件驅(qū)動(dòng)規(guī)則以及運(yùn)行機(jī)制。通過靈敏度法刻畫了P2P 電力交易對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響,進(jìn)而建立P2P 電力交易出清模型,并基于拉格朗日乘子法設(shè)計(jì)分布式出清算法。最后,在區(qū)塊鏈平臺(tái)構(gòu)建了完全去中心化的市場(chǎng)運(yùn)行模式。本文的創(chuàng)新點(diǎn)可以概括為以下3 點(diǎn)：1）考慮了配電網(wǎng)物理約束的P2P 交易市場(chǎng)機(jī)制,采用靈敏度方法將P2P 電能交易產(chǎn)生的網(wǎng)損與電壓偏差融入市場(chǎng)出清模型；2）利用節(jié)點(diǎn)電價(jià)概念設(shè)計(jì)市場(chǎng)出清的交互迭代機(jī)制,通過拉格朗日乘子法與次梯度法將P2P 電力市場(chǎng)中的報(bào)價(jià)迭代過程與節(jié)點(diǎn)電價(jià)結(jié)合,賦予P2P 迭代過程明確的物理意義；3）基于區(qū)塊鏈平臺(tái)運(yùn)行P2P 電力交易市場(chǎng),利用智能合約來代替市場(chǎng)運(yùn)營商的職能,實(shí)現(xiàn)去中心化的市場(chǎng)機(jī)制。

1 市場(chǎng)機(jī)制與建模

1.1 事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制

本文在現(xiàn)有的電力市場(chǎng)機(jī)制之外,建立了一個(gè)事件驅(qū)動(dòng)型本地P2P 電力交易市場(chǎng),其與現(xiàn)有的市場(chǎng)機(jī)制關(guān)系如附錄A 圖A1 所示。該P(yáng)2P 電力交易市場(chǎng)主要輔助接入配電網(wǎng)的電力社區(qū)之間實(shí)現(xiàn)電能互補(bǔ)協(xié)調(diào),滿足短期內(nèi)社區(qū)之間的電力交易請(qǐng)求,為電網(wǎng)終端用戶直接參與電力交易提供平臺(tái),補(bǔ)充現(xiàn)有電力市場(chǎng)沒有覆蓋的短期電能P2P 交易的部分。電力社區(qū)可以由分布式電源、儲(chǔ)能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、負(fù)荷、監(jiān)控和保護(hù)裝置等組成。P2P 電力交易市場(chǎng)成員包括市場(chǎng)運(yùn)營商和社區(qū)運(yùn)營商。按照社區(qū)當(dāng)前對(duì)電能的需求可分為購買方和售賣方兩類。

本文擬利用事件驅(qū)動(dòng)技術(shù)來設(shè)計(jì)本地P2P 市場(chǎng)機(jī)制。與現(xiàn)有的電力現(xiàn)貨批發(fā)市場(chǎng)等運(yùn)行規(guī)則不同,只有在滿足一定條件時(shí),事件驅(qū)動(dòng)器才會(huì)觸發(fā)該地P2P 電力交易市場(chǎng)的啟動(dòng)、運(yùn)行和出清等操作。參與市場(chǎng)的成員通過向事件驅(qū)動(dòng)器發(fā)送交易請(qǐng)求進(jìn)入市場(chǎng),交易請(qǐng)求包括電量、電價(jià)、交易時(shí)段等信息。事件驅(qū)動(dòng)器根據(jù)當(dāng)?shù)毓庹諒?qiáng)度、風(fēng)速等環(huán)境情況,以及當(dāng)前和未來時(shí)段市場(chǎng)存在的交易成員數(shù)量和交易功率來設(shè)定驅(qū)動(dòng)條件。如果事件驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行出清動(dòng)作,需要各個(gè)參與者與市場(chǎng)運(yùn)營商交互信息,直至出清算法收斂。最后,市場(chǎng)運(yùn)營商將出清結(jié)果發(fā)送給社區(qū)運(yùn)營商來執(zhí)行。社區(qū)之間的P2P 電力交易概念如附錄A 圖A2 所示。本文設(shè)計(jì)P2P 電能交易市場(chǎng)的目的是促進(jìn)零售能源交易。除了現(xiàn)有的集中型供電服務(wù),這種市場(chǎng)機(jī)制將提供額外的能源交易機(jī)會(huì),無須全年不間斷開放,可以為社區(qū)用戶作為交易者直接參與本地能源交易提供平臺(tái)。

1.2 P2P 電力交易市場(chǎng)模型

P2P 電力交易市場(chǎng)的出清目標(biāo)函數(shù)為最大化社會(huì)效益,可表示為：

式中：Ui(pi,qi)為購買方效用函數(shù)；Cj(pj,qj)為售賣 方 成 本 函 數(shù)；pi、qi和pj、qj分 別 為 購 買 方 節(jié) 點(diǎn)i與售賣方節(jié)點(diǎn)j注入/流出的有功和無功電量；Nb和Ns分別為購買方和售賣方集合。

需要指出的是,目標(biāo)函數(shù)為與無功電能設(shè)置相對(duì)應(yīng)的成本函數(shù),實(shí)際是考慮產(chǎn)生或消納無功電能的成本。

1）購買方的效用函數(shù)

對(duì)于參與P2P 交易的每個(gè)購買方,其效用函數(shù)Ui(pi) 可以表示為購電、用電的滿意度與便利性［16］：

式中：θp,i和βp,i為購買方i的有功效用參數(shù)。

2）售賣方的成本函數(shù)

假設(shè)售賣方的成本函數(shù)Cj(pj)是有功功率的二次凸函數(shù),如式（3）所示。

式中：ap,j、bp,j、cp,j為售賣方j(luò)的有功成本參數(shù)。

由于配電網(wǎng)電壓水平對(duì)于確保配電網(wǎng)電力的輸送至關(guān)重要,而無功功率是提高系統(tǒng)效率和支撐系統(tǒng)電壓的關(guān)鍵因素。因此,本文所提出的市場(chǎng)出清模型包含了市場(chǎng)參與者提供無功支撐服務(wù),應(yīng)計(jì)及其相應(yīng)的無功成本。無功成本一般包括運(yùn)行成本和機(jī)會(huì)成本,可用二次函數(shù)來建模［17］。本文模型也考慮市場(chǎng)參與者的無功成本,并用二次函數(shù)模擬。市場(chǎng)中的購買方與售賣方均會(huì)產(chǎn)生無功成本,以購買方i為例,其無功成本Ci(qi)可表示為：

式中：θq,i為購買方i的無功成本參數(shù)。

1.3 電力交易約束條件

P2P 電力交易是依托配電系統(tǒng)進(jìn)行的,因而必須考慮其對(duì)配電系統(tǒng)運(yùn)行造成的影響。相較于配電網(wǎng)日常基礎(chǔ)供電功率,P2P 電力交易的功率相對(duì)較小。因此,本文采用靈敏度系數(shù)來描述P2P 電力交易對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行的影響。

1.3.1 電壓靈敏度

以配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i為例,當(dāng)節(jié)點(diǎn)i注入總功率為Si=Pi+jQi時(shí),其中Pi和Qi分別為節(jié)點(diǎn)i注入的有功功率與無功功率,則配電網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)的電壓與注入功率的關(guān)系如式（5）所示。

式中：Vi和Vj分別為節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j的電壓向量；Yij為節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣；*表示共軛；Nset為配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)集合。

電壓靈敏度反映的是電壓幅值與功率的關(guān)系,故在式（5）兩端對(duì)有功功率求偏導(dǎo)數(shù),可得：

通過求解線性方程組可得?Vi/?Pj與?V*i/?Pj的數(shù)值解。電壓幅值Vi對(duì)有功功率的靈敏度為：

式中：Re(·)表示求實(shí)部。

同理可得,電壓幅值對(duì)無功功率的靈敏度為：

通過式（7）和式（8）,可量化P2P 電力交易對(duì)節(jié)點(diǎn)i所帶來的電壓幅值擾動(dòng)量ΔVi(p,q)：

式中：p和q分別為市場(chǎng)參與者參與P2P 電力交易時(shí)所有配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)注入的有功、無功功率向量,其形式為N階 列 向 量,N為 配 電 網(wǎng) 節(jié) 點(diǎn) 總 數(shù)；?Vi/?P和?Vi/?Q為電壓靈敏度,分別表示節(jié)點(diǎn)i由于配電網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)注入有功功率P、無功功率Q而產(chǎn)生的電壓變化,其形式為N階行向量。

1.3.2 網(wǎng)損敏感度

對(duì)于輻射形配電系統(tǒng)可以采用關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)法（incidence structure）對(duì)其建模［18］。定義配電網(wǎng)關(guān)聯(lián)矩陣B為N×N的方陣。定義根節(jié)點(diǎn)編號(hào)為1,子節(jié)點(diǎn)的編號(hào)大于父節(jié)點(diǎn),則關(guān)聯(lián)矩陣元素如式（10）所示：

式中：B(i,j)為關(guān)聯(lián)矩陣中的第i行第j列的元素。

圖1 為配電網(wǎng)支路Lk的單線示意圖。

圖1 支路單線圖Fig.1 Single-line diagram of branch

節(jié)點(diǎn)k與k+1 組成的支路Lk的潮流為：

式中：PLk為支路Lk的有功潮流；QLk為支路Lk的無功潮流；P為除支路Lk外的有功網(wǎng)損；Q為除支路Lk外的無功網(wǎng)損。

支路Lk的有功和無功網(wǎng)損對(duì)節(jié)點(diǎn)i有功和無功注入功率的靈敏度可表示為：

式中：P和Q分別為支路Lk的有功網(wǎng)損和無功網(wǎng)損；rLk和xLk分別為支路Lk的電阻和電抗。

式（11）和式（12）兩側(cè)分別對(duì)Pi、Qi求導(dǎo)并代入式（13）至式（16）,可得網(wǎng)損靈敏度的遞歸表達(dá)式。以?/?Pi為例,可得：

求解由式（17）組成的線性方程組可得網(wǎng)損靈敏度。在此基礎(chǔ)上,系統(tǒng)有功、無功網(wǎng)損PLoss、QLoss可由網(wǎng)損靈敏度近似表示：

式中：?PLoss/?Pi、?PLoss/?Qi、?QLoss/?Pi、?QLoss/?Qi為節(jié)點(diǎn)i的網(wǎng)損靈敏度,分別表示由于注入有功、無功功率而產(chǎn)生的有功、無功網(wǎng)損變化。

1.3.3 社區(qū)用戶本地出力約束

不論購買方或售賣方,每個(gè)參與P2P 交易的社區(qū)用戶均須服從一定的功率限制。對(duì)于社區(qū)用戶i,其所遵守的功率約束可表示為：

式中：p和q分別為社區(qū)用戶i節(jié)點(diǎn)注入的有功、無功功率的最大值。

2 市場(chǎng)交易模型及出清

2.1 P2P 電力交易市場(chǎng)綜合優(yōu)化模型

通過綜合考慮節(jié)點(diǎn)電壓幅值約束和交易過程所產(chǎn)生的網(wǎng)損,電力社區(qū)P2P 電力交易市場(chǎng)優(yōu)化模型可表示為：

式中：λp和λq分別為有功功率、無功功率平衡約束的拉格朗日算子；和分別為電壓上、下限約束的拉格 朗 日 算 子；和分 別 為 電 壓 幅 值Vi的 上、下限；為配電網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)i的運(yùn)行電壓值。

2.2 分布式出清

針對(duì)式（22）,可通過傳統(tǒng)的集中式方法進(jìn)行求解和出清。本文利用拉格朗日乘子法設(shè)計(jì)分布式出清算法,各個(gè)市場(chǎng)參與者僅利用拉格朗日乘子等有限信息在本地求解自身優(yōu)化問題。通過迭代交互機(jī)制完成P2P 電力交易市場(chǎng)的出清。

首先,定義拉格朗日函數(shù)為：

將拉格朗日函數(shù)進(jìn)行分布式求解,以社區(qū)運(yùn)營商n為例,在第t次迭代中,其接收相應(yīng)的拉格朗日乘子信息后求解式（24）。

在迭代出清過程中,還需進(jìn)行拉格朗日乘子的更新。本文采用次梯度法來更新拉格朗日乘子,如式（25）至式（28）所示,直至迭代收斂。

式中：ρ(t)為乘子更新的步長系數(shù)；?表示計(jì)算λp、λq、的拉格朗日函數(shù)?λp、?λq、?μˉ、?-μ的偏導(dǎo)數(shù)；上標(biāo)“+”為取正符號(hào)。

顯然,式（24）缺乏明確的物理意義。本文利用節(jié)點(diǎn)電價(jià)的概念挖掘式（24）的物理意義。定義節(jié)點(diǎn)有功電價(jià)τp與節(jié)點(diǎn)無功電價(jià)τq為：

式 中：?PLoss/?P、?PLoss/?Q、?QLoss/?P、?QLoss/?Q為網(wǎng)損靈敏度；?V/?P和?V/?Q分別為電壓幅值對(duì)有功功率與無功功率的靈敏度。

以購買方為例,此時(shí)式（24）可等價(jià)轉(zhuǎn)化為：

式中：τ和τ分別為上一輪迭代中計(jì)算獲得的節(jié)點(diǎn)有功電價(jià)與節(jié)點(diǎn)無功電價(jià)。

式（31）具有明確的物理意義,即購買者最小化自身總購電成本（購電成本減去其效用函數(shù)）。因此,在迭代過程中,社區(qū)運(yùn)營商接收P2P 市場(chǎng)運(yùn)營商發(fā)布的節(jié)點(diǎn)電價(jià)τ和τ,然后根據(jù)電價(jià)優(yōu)化自身出力,如式（31）所示,并將更新后的出力信息返回給P2P 市場(chǎng)運(yùn)營商。市場(chǎng)運(yùn)營商根據(jù)出力信息來更新節(jié)點(diǎn)電價(jià),如式（25）至式（30）所示?？梢钥闯?節(jié)點(diǎn)電價(jià)僅需要少量解析計(jì)算就能得到。

完成一輪迭代后,若市場(chǎng)運(yùn)營商與社區(qū)運(yùn)營商對(duì)該輪的電價(jià)與電量達(dá)成一致,則P2P 市場(chǎng)以該輪電價(jià)與電量進(jìn)行出清。若雙方未能達(dá)成一致,則根據(jù)式（24）至式（31）進(jìn)行下一輪迭代,直至迭代收斂。

3 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的P2P 市場(chǎng)出清

基于事件驅(qū)動(dòng)型的P2P 電力市場(chǎng)以及分布式出清機(jī)制與區(qū)塊鏈技術(shù)相契合,因而本文用智能合約來代替市場(chǎng)運(yùn)營商的職能,實(shí)現(xiàn)完全去中心化的市場(chǎng)機(jī)制。智能合約［19］是一種部署于區(qū)塊鏈中,在無第三方參與的情況下,以代碼方式形成、驗(yàn)證或執(zhí)行合約的計(jì)算機(jī)協(xié)議。它保障了區(qū)塊鏈在無第三方監(jiān)督的條件下高效執(zhí)行各類腳本算法,適應(yīng)各類應(yīng)用場(chǎng)景的邏輯與需求。

本文編寫相應(yīng)的智能合約,實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)的開啟、運(yùn)行以及結(jié)算,主要包括市場(chǎng)觸發(fā)合約、市場(chǎng)運(yùn)行合約與出清結(jié)算合約。

1）市場(chǎng)觸發(fā)合約

市場(chǎng)觸發(fā)合約以隊(duì)列數(shù)組形式接受社區(qū)運(yùn)營商的報(bào)價(jià)與報(bào)量,即電力交易意向。當(dāng)合約接收到一定數(shù)量的交易請(qǐng)求且交易總功率達(dá)到一定值時(shí)（交易方數(shù)量啟動(dòng)閾值與交易功率量啟動(dòng)閾值為提前寫入合約的常量）,則開啟本地P2P 電力交易市場(chǎng)。

2）市場(chǎng)運(yùn)行合約

在市場(chǎng)運(yùn)行過程中,社區(qū)運(yùn)營商根據(jù)獲得的電價(jià)信息完成自身的更新,并通過SendMessage 函數(shù)將更新后的信息發(fā)布給市場(chǎng)運(yùn)行合約,實(shí)現(xiàn)信息交互。通過獲得的出力功率信息更新乘子與電價(jià)信息,實(shí)現(xiàn)迭代出清機(jī)制。

3）出清結(jié)算合約

在確定參與市場(chǎng)的各方的交易電量與交易電價(jià)后,售電方通過addAsset 函數(shù)進(jìn)行掛單交易,購電方通過buyAsset 函數(shù)認(rèn)購訂單,并支付相應(yīng)數(shù)量的電子貨幣,完成市場(chǎng)中各筆交易的出清結(jié)算。

本文擬借用區(qū)塊鏈的跨鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)本地P2P 電力交易市場(chǎng)運(yùn)營。中繼鏈?zhǔn)且粭l功能完備的區(qū)塊鏈,可以讀取并驗(yàn)證連接到其上的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)信息,中繼機(jī)制可以在不依賴可信第三方的情況下完成交易驗(yàn)證,是一種靈活、易于擴(kuò)展的跨鏈技術(shù)。如圖2和圖3 所示,本地電力交易市場(chǎng)由市場(chǎng)運(yùn)營區(qū)塊鏈、社區(qū)運(yùn)營區(qū)塊鏈以及電力交易中繼鏈3 條鏈構(gòu)成。市場(chǎng)運(yùn)營鏈主要記錄市場(chǎng)中的電價(jià)與對(duì)應(yīng)乘子的迭代更新信息。社區(qū)運(yùn)營鏈主要記錄各個(gè)社區(qū)運(yùn)營商根據(jù)電價(jià)變化而調(diào)整自身的功率信息。中繼交易鏈主要作為2 條鏈的價(jià)值流通與數(shù)據(jù)通信的樞紐,在市場(chǎng)出清過程中,中繼鏈傳遞電價(jià)信息與電量信息。在出清結(jié)束后的結(jié)算階段,通過中繼鏈上的出清結(jié)算合約完成各筆交易的結(jié)算。在鏈上的所有信息均通過SHA-256 算法加密,即在中繼鏈上無法得知具體的電價(jià)電量信息與交易金額,僅作為信息與價(jià)值的傳輸通道。

圖2 區(qū)塊鏈平臺(tái)上P2P 電力交易市場(chǎng)的信息交互Fig.2 Information interaction of P2P power trading market on blockchain platform

圖3 本地P2P 市場(chǎng)區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)Fig.3 Blockchain structure of local P2P market

4 算例與結(jié)果

4.1 參數(shù)設(shè)置

本文基于IEEE 33 節(jié)點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)建本地P2P電力交易市場(chǎng)并進(jìn)行算例分析,其拓?fù)淙绺戒汚 圖A3 所示,社區(qū)用戶的拓?fù)淙鐖DA4 所示。假設(shè)參與市場(chǎng)交易的電力社區(qū)有5 個(gè),分別位于節(jié)點(diǎn)2、9、19、23、33,其中節(jié)點(diǎn)9 與33 為購買方節(jié)點(diǎn),分別用C1與C2表示。節(jié)點(diǎn)2、19、23 為售賣方節(jié)點(diǎn),分別用P1,P2、P3表示。需要說明的是,配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)均擁有基礎(chǔ)負(fù)荷,其值采用測(cè)試系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)。拉格朗日乘子法中迭代步長ρ設(shè)置為0.001,拉格朗日乘子的迭代初值設(shè)置為0。

社區(qū)運(yùn)營商的效用函數(shù)、成本函數(shù)系數(shù)與出力上下限約束參照文獻(xiàn)［20］。無功成本函數(shù)系數(shù)參考文獻(xiàn)［21］,設(shè)定為有功成本函數(shù)系數(shù)的10%,如表1 和表2 所示,其中“-”和“-”分別表示對(duì)應(yīng)變量的上、下限。

表1 市場(chǎng)購買方基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of market buyers

表2 市場(chǎng)售賣方基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of market sellers

4.2 靈敏度誤差分析

本節(jié)進(jìn)行電壓和網(wǎng)損靈敏度誤差分析。首先,在測(cè)試系統(tǒng)中隨機(jī)選取5 個(gè)節(jié)點(diǎn)（分別為節(jié)點(diǎn)5、6、15、16、28）,隨機(jī)注入一定量的有功功率與無功功率,注入功率服從正態(tài)分布,如式（32）所示。

式中：Δi為注入節(jié)點(diǎn)的有功或無功功率；Λi為節(jié)點(diǎn)基礎(chǔ)負(fù)荷功率。

分別使用牛頓-拉夫遜方法與本文靈敏度模型計(jì)算配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)電壓幅值與網(wǎng)損情況,其中牛頓-拉夫遜方法通過Matpower 7.0 工具計(jì)算,所得結(jié)果如表3 所示。由表3 可知,本文所提的靈敏度方法所得電壓幅值誤差不超過0.1%,網(wǎng)損誤差不超過3%,均有較高的精確度。

表3 電壓和網(wǎng)損靈敏度模型誤差分析Table 3 Error analysis of voltage and network loss sensitivity model

4.3 場(chǎng)景分析

為分析配電網(wǎng)P2P 電力交易市場(chǎng)對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行的影響,本文設(shè)置以下3 種場(chǎng)景,分別研究P2P 交易中的電壓約束與網(wǎng)損約束對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行的影響,并對(duì)比分析。

場(chǎng)景1：不考慮電壓約束的P2P 電力交易市場(chǎng)。

場(chǎng)景2：不考慮網(wǎng)損約束的P2P 電力交易市場(chǎng)。

場(chǎng)景3：本文設(shè)計(jì)的P2P 電力交易市場(chǎng)（考慮網(wǎng)損約束與電壓約束）。

3 種場(chǎng)景下的交易電量以及配電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 3 種場(chǎng)景的運(yùn)行數(shù)據(jù)Table 4 Operation data of three scenarios

從表4 可知,場(chǎng)景3 下售賣方P1、P2、P3在P2P 市場(chǎng)中注入的有功功率分別為21.1、7.4、9.1 kW,消納的無功功率分別為14.0、18.5、8.0 kvar；購買方C1、C2在P2P 市場(chǎng)中消耗的有功功率分別為20.0、17.1 kW,注入的無功功率分別為15.9、25.0 kvar?？捎^察到在不考慮電壓約束的情況下（即場(chǎng)景1）,配電網(wǎng)的末端節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)18）的電壓幅值在P2P 電力交易時(shí)跌落至0.909 0 p.u.,低于配電網(wǎng)電壓安全運(yùn)行下限（本文設(shè)為0.910 0 p.u.）,出現(xiàn)了線路末端電壓過低情況。而場(chǎng)景3 中,在考慮電壓約束的情況下,C1和C2社區(qū)無功功率注入較場(chǎng)景1 增加,有效減小了配電網(wǎng)饋線壓降,從而避免末端節(jié)點(diǎn)電壓過低。在僅考慮電壓約束,不考慮網(wǎng)損約束時(shí)（即場(chǎng)景2）,由于忽略了網(wǎng)損約束,其節(jié)點(diǎn)電價(jià)僅受到電壓約束乘子影響,各節(jié)點(diǎn)電價(jià)差異不大,節(jié)點(diǎn)電價(jià)模型逐漸退化為統(tǒng)一出清電價(jià)模型。

通過拉格朗日乘子計(jì)算節(jié)點(diǎn)電價(jià),所得結(jié)果如表5 所示。因?yàn)榭紤]網(wǎng)損和節(jié)點(diǎn)電壓約束,造成各節(jié)點(diǎn)電價(jià)不同。需要指出此處無功電價(jià)有正值和負(fù)值,可以很好地反映網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)無功功率稀缺程度,例如節(jié)點(diǎn)P1處無功電價(jià)為負(fù)值,說明該節(jié)點(diǎn)需要消納過剩無功功率。從前文對(duì)無功成本建模來看,各節(jié)點(diǎn)不論是產(chǎn)生或消納無功功率,均需要一定的成本。結(jié)合表4 和表5 可以看出,不論注入或消納無功功率,各節(jié)點(diǎn)均獲得一定收益,這與無功成本建模一致。而在不考慮網(wǎng)損約束時(shí)（場(chǎng)景2）,僅剩電壓上下限約束會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)電價(jià)機(jī)制造成影響。在配電網(wǎng)絕大部分節(jié)點(diǎn)都沒有發(fā)生電壓越限的情況時(shí)（僅節(jié)點(diǎn)18 處電壓越下限）,電壓約束產(chǎn)生的影響較小。因此,場(chǎng)景2 中所有節(jié)點(diǎn)的電價(jià)在數(shù)值上相差不大。同時(shí)忽略了網(wǎng)損約束的上抬電價(jià)部分,場(chǎng)景2 下的電價(jià)低于場(chǎng)景3 中任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)的電價(jià)。

表5 場(chǎng)景3 的各節(jié)點(diǎn)出清電價(jià)Table 5 Market clearing price of each busin scenario 3

場(chǎng)景3 中各市場(chǎng)參與方的有功與無功功率迭代過程如圖4 所示。有功和無功功率平衡約束所對(duì)應(yīng)的乘子迭代情況如圖5 所示。由圖4 和圖5 可見,市場(chǎng)參與方通過30 次交互迭代達(dá)到收斂。本文所提出的P2P 分布式出清算法具有較好的收斂性。

圖4 場(chǎng)景3 的部分節(jié)點(diǎn)出力Fig.4 Output of partial buses in scenario 3

圖5 場(chǎng)景3 的乘子迭代情況Fig.5 Iteration process of multipliers in scenario 3

4.4 區(qū)塊鏈平臺(tái)的市場(chǎng)運(yùn)行分析

如表6 所示,通過區(qū)塊鏈技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)了P2P電力市場(chǎng)的電價(jià)與電量信息的傳遞交互以及市場(chǎng)結(jié)算等操作。

表6 原始電力信息Table 6 Original power information

1）加密信息的傳遞

在Z-ledger 區(qū)塊鏈平臺(tái)上部署市場(chǎng)運(yùn)行合約。以場(chǎng)景2 中的第9 和57 輪信息交互為例,社區(qū)運(yùn)營商反饋的電量信息如表6 所示。通過SHA-256 算法對(duì)原始電量信息進(jìn)行加密（由ASCII 碼轉(zhuǎn)化為Hash）,再傳遞給市場(chǎng)運(yùn)行智能合約。市場(chǎng)運(yùn)行合約得到加密信息后,通過非對(duì)稱加密技術(shù)進(jìn)行解碼,將Hash 值轉(zhuǎn)化為原本的信息。電量的加密與解密信息如表7 所示。解密信息傳遞的內(nèi)容依次為迭代輪次、有功電量、無功電量。

表7 加密電量信息Table 7 Encrypted electricity information

2）轉(zhuǎn)賬結(jié)算

在Z-ledger 區(qū)塊鏈平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)鏈上交易。該平臺(tái)的交易鏈碼與交易代幣Token 基于Go 語言開發(fā)。假設(shè)Token 和美元的折算匯率為0.7 Token=1 美元,P2P 市場(chǎng)運(yùn)行周期為30 min。市場(chǎng)流程時(shí)序的具體劃分為：0～5 min 為報(bào)價(jià)階段；5～20 min 為市場(chǎng)出清階段；20～30 min 為交易結(jié)算階段。通過SHA-256 算法對(duì)原始交易信息進(jìn)行加密,交易中繼鏈將加密后的交易信息鏈上儲(chǔ)存,便于日后校對(duì)查驗(yàn)。通過非對(duì)稱加密技術(shù)可以將Hash 值轉(zhuǎn)化為原本的信息。交易的加密與解密信息如表8 所示。解密信息的內(nèi)容依次為交易序號(hào)、轉(zhuǎn)賬主體、交易有功電量、交易無功電量、交易貨幣、交易電價(jià)。

表8 加密交易信息Table 8 Encrypted transaction information

各市場(chǎng)參與方在鏈上的地址與公鑰信息如附錄A 表A1 和表A2 所示。全部交易如圖A5 所示,交易后市場(chǎng)運(yùn)營賬戶信息如圖A6 所示。圖A7 所示為3筆有效的鏈上交易的具體信息。這3 筆交易的內(nèi)容分別為：社區(qū)運(yùn)營商P1向市場(chǎng)運(yùn)營商出售有功電能,并消納無功電能獲得收益,市場(chǎng)運(yùn)營向P1轉(zhuǎn)賬5.633 4 Token,約折合為8.047 7 美元；社區(qū)運(yùn)營P2向市場(chǎng)運(yùn)營出售有功電能,并消納無功電能,獲得收益,市場(chǎng)運(yùn)營商向P2轉(zhuǎn)賬2.067 4 Token,約折合為2.953 4 美元；社區(qū)運(yùn)營C2向市場(chǎng)運(yùn)營購買有功電能,并注入無功電能,獲得收益4.562 4 Token,約折合為6.517 8 美元。

5 結(jié)語

本文提出一種考慮配電網(wǎng)運(yùn)行約束的事件驅(qū)動(dòng)型P2P 電力交易市場(chǎng)機(jī)制及出清方法。通過電壓靈敏度和網(wǎng)損靈敏度刻畫了P2P 電力交易對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行的影響,進(jìn)而建立P2P 電力交易的出清模型?；诶窭嗜粘俗臃ㄔO(shè)計(jì)分布式出清算法,保障了用戶的隱私,并利用節(jié)點(diǎn)電價(jià)概念設(shè)計(jì)市場(chǎng)出清交互機(jī)制,明確了P2P 市場(chǎng)行為的實(shí)際物理意義。然后研究了基于區(qū)塊鏈平臺(tái)的本地P2P 電力交易市場(chǎng)的實(shí)現(xiàn),利用智能合約實(shí)現(xiàn)了P2P 電力交易市場(chǎng)的分布式出清,構(gòu)建了完全去中心化的市場(chǎng)運(yùn)行模式。算例表明,本文模型和方法能在保護(hù)配電網(wǎng)安全運(yùn)行的前提下,快速、有效處理配電系統(tǒng)電力社區(qū)之間的P2P 電力交易需求。

由于考慮了網(wǎng)損與電壓約束,節(jié)點(diǎn)電價(jià)體系下必然會(huì)產(chǎn)生結(jié)算盈余。因此,在后續(xù)研究中將繼續(xù)研究本地P2P 電力交易市場(chǎng)的結(jié)算盈余分配方法。

本文研究受到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U1910216)資助，特此感謝！

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡(luò)全文。