基于區(qū)塊鏈和市場機制的新能源消納優(yōu)化調(diào)度策略

孫恒一，趙偉華，陳 然，錢 鋒，曹 武，楊 銘

（1.昆明電力交易中心有限責(zé)任公司，云南昆明 650011；2.南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司，江蘇南京 211102；3.東南大學(xué)，江蘇南京 210096）

0 引言

隨著“雙碳”的提出和新能源發(fā)電的發(fā)展，我國電網(wǎng)正在經(jīng)歷一場深刻的變化，能源系統(tǒng)面臨升級的需求，同時也面臨諸多的困難[1-7]。對于電網(wǎng)調(diào)度和電網(wǎng)穩(wěn)定來說，新能源的大規(guī)模接入帶來的挑戰(zhàn)主要是電能多區(qū)域調(diào)度以及短期快速調(diào)頻調(diào)壓需求的增多。新能源電源主要包括風(fēng)電和光伏機組，電源的分布式特征明顯，依賴于電網(wǎng)進行電能的傳輸，其日內(nèi)的調(diào)度顯然也不能與當前電網(wǎng)的運行情況相脫離，電網(wǎng)各區(qū)域之間對電能的不同需求與新能源天然的分散性存在一定的矛盾；另外風(fēng)電和光伏有很強的隨機性和波動性，雖然當前關(guān)于新能源功率預(yù)測的研究已有了很大進展，但是不可能完全消除新能源波動帶來的影響，因此大規(guī)模新能源的接入必然要求電網(wǎng)進行日內(nèi)的快速調(diào)頻調(diào)壓以穩(wěn)定電網(wǎng)。

依靠靈活的市場機制促進電力能源的生產(chǎn)和消納是電力市場改革的主要目標。鑒于電力交易參與主體類型較多，包括電源主體、負荷主體、監(jiān)管主體等，電力交易頻次高，電網(wǎng)情況實時變化，需要及時恰當?shù)膽?yīng)對措施，因此分布式電力交易機制可以實現(xiàn)對電網(wǎng)情況的高效處理[8-12]，從而實現(xiàn)電力市場促進電能有序生產(chǎn)和消納、增強市場活力的初衷。分布式電力交易的核心包括多電力交易主體的信任水平、透明程度，以及避免惡意競爭等的交易保障。以分布式冗余賬本、加密算法和共識機制為主要技術(shù)特征的區(qū)塊鏈技術(shù)非常適合分布式電力交易的要求，是提高分布式電力交易可靠性的有效方法。

區(qū)塊鏈技術(shù)在電力市場領(lǐng)域的應(yīng)用已有了一定的研究成果。文獻[13]研究電力交易的分布式交易平臺的總體框架；文獻[14]提出一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的綠證和碳聯(lián)合交易市場模式，將綠色發(fā)電企業(yè)與傳統(tǒng)化石能源發(fā)電企業(yè)聯(lián)系起來；文獻[15-16]對區(qū)塊鏈技術(shù)在能源交易方面的理論和實踐進行了總結(jié)。但是當前的研究沒有將分布式交易平臺與新能源消納調(diào)度進行深度結(jié)合，同時關(guān)于新能源消納調(diào)度也有一定的研究，通過發(fā)電權(quán)交易、博弈競價、需求側(cè)激勵以及直接調(diào)度等方式實現(xiàn)高比例新能源電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻目標[17-19]，但這些研究的側(cè)重點也不在基于區(qū)塊鏈的分布式交易機制。

為充分利用區(qū)塊鏈技術(shù)在分布式交易方面的優(yōu)勢，使其適應(yīng)高比例新能源電網(wǎng)的新能源消納的要求，本文提出一種基于區(qū)塊鏈和市場機制的新能源消納優(yōu)化調(diào)度策略，通過區(qū)塊鏈技術(shù)完成電力市場交易的匹配和結(jié)算，實現(xiàn)電力市場交易的快速安全結(jié)算；從發(fā)電類型、價格和輸電損耗方面對電源主體進行分時段評估，提高新能源消納的優(yōu)先級，同時以價格手段引導(dǎo)新能源主體和負荷主體對自身發(fā)電用電行為進行主動管理，協(xié)調(diào)電源和負荷積極參與新能源消納；另一方面針對高比例新能源電網(wǎng)及新能源發(fā)電的波動性，對短期的調(diào)頻電壓需求設(shè)置市場交易機制，協(xié)同電力市場交易各方積極參與電網(wǎng)的穩(wěn)定控制，從而實現(xiàn)依靠快速、靈活、可靠的市場交易機制促進新能源消納和提高高比例新能源電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的目標。

1 優(yōu)化調(diào)度的區(qū)塊鏈電力交易平臺

區(qū)塊鏈（Block Chain）是多節(jié)點分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，其由一串使用密碼學(xué)方法產(chǎn)生的數(shù)據(jù)塊組成，具有不可更改，不可偽造的優(yōu)勢[20-22]，適合于節(jié)點之間的直接交易，對參與主體眾多、交易次數(shù)頻繁的電力市場有很強的管理優(yōu)勢，便于電力市場交易參與主體實現(xiàn)約束下的自治運行，并可利用價格因素激發(fā)主體的能動性并限制其狹隘的趨利性。

基于區(qū)塊鏈的電力市場交易總體框架如圖1所示。將電力市場參與主體分為4 部分，分別為電源主體、負荷主體、電網(wǎng)主體和監(jiān)管主體。電源主體主要提供電能，響應(yīng)電網(wǎng)的調(diào)頻調(diào)壓需求，服從電網(wǎng)調(diào)度和監(jiān)管機構(gòu)的監(jiān)督；負荷主體主發(fā)布電能需求，也可以響應(yīng)電網(wǎng)的調(diào)頻調(diào)壓需求，也服從電網(wǎng)調(diào)度和監(jiān)管機構(gòu)的監(jiān)督；電網(wǎng)主體負責(zé)電網(wǎng)電能調(diào)度，發(fā)布調(diào)頻調(diào)壓需求，維護電網(wǎng)穩(wěn)定運行；監(jiān)管主體對電能交易進行監(jiān)管，避免存在惡意聯(lián)合及集體欺詐的現(xiàn)象。

圖1 基于區(qū)塊鏈的電力市場交易總體框架Fig.1 Framework of power market based on blockchain

本文提出的電力市場交易體制針對不同時段的供需進行調(diào)配和管理，電網(wǎng)根據(jù)電源和負荷的用電計劃制定分時段調(diào)度計劃，并進行安全校核，日內(nèi)根據(jù)實際情況的需求發(fā)布調(diào)頻調(diào)壓需求，電源和負荷主體在執(zhí)行正常調(diào)度任務(wù)的同時可以響應(yīng)電網(wǎng)的調(diào)頻調(diào)壓需求。電力市場交易各主體通過智能合約的方式發(fā)布需求和響應(yīng)，同時電網(wǎng)的各類監(jiān)控設(shè)備對電網(wǎng)實時能量傳輸情況進行采集并發(fā)送給各個交易主體，作為交易匹配、執(zhí)行、結(jié)算和審核的根據(jù)。能源交易平臺的組織管理由電網(wǎng)公司作為主導(dǎo)。

通過對電源發(fā)電類型、價格和輸電損耗的評估確定匹配順序，以此引導(dǎo)電源和負荷安排有利于新能源消納的生產(chǎn)計劃。電力市場交易流程如圖2所示。其中，偏差電量的修正以電網(wǎng)調(diào)度作為主體，即電源和負荷主體的生產(chǎn)和消費需求應(yīng)匹配調(diào)度計劃的要求；若按照匹配原則后的潮流不符合約束，則選擇優(yōu)先級次之的匹配結(jié)果繼續(xù)進行潮流分析，直至滿足潮流約束，同時為提高按照匹配原則后的潮流符合約束的概率，電網(wǎng)在形成調(diào)度時需要考慮多種工況下的潮流分析。

圖2 電力市場交易流程圖Fig.2 Power transaction flow chart

2 基于特征評估的交易匹配策略

當前的電力交易是建立在調(diào)度計劃的基礎(chǔ)上，但當前的調(diào)度計劃以統(tǒng)籌安排為主，并不能盡可能激發(fā)市場參與新能源消納的積極性。本文提出的交易機制中在調(diào)度計劃的基礎(chǔ)上對電源特征進行評估，并將評估結(jié)果寫進智能合約，通過區(qū)塊鏈技術(shù)依據(jù)評估結(jié)果確定匹配順序，提高新能源消納的優(yōu)先級，以價格因素引導(dǎo)和促進電力市場主體積極參與新能源消納。

電網(wǎng)將1 天內(nèi)的電能調(diào)度分為不同的時段，時段的劃分根據(jù)新能源的功率預(yù)測來制定，新能源功率的高峰和低谷劃作不同的調(diào)度時段[23-25]，并依據(jù)調(diào)度時間段的劃分制定日前調(diào)度計劃，并將制定的日前調(diào)度計劃發(fā)送至各電源主體。各電源主體可根據(jù)日前調(diào)度計劃發(fā)布各個調(diào)度時間段內(nèi)的發(fā)電量及價格，在當日的調(diào)度計劃執(zhí)行過程中，通過對電源主體特征的評估確定匹配次序，負荷主體從推薦的電源主體中選擇電能供應(yīng)，進而完成電力交易。

從發(fā)電類型、價格和輸電損耗3 方面對電能的生產(chǎn)和供給進行市場特征的評估，以此作為各種促進新能源消納措施的依據(jù)，為此需要量化3 方面的評估。發(fā)電類型方面的量化主要考慮2 個方面，包括電能來源和發(fā)電量在同時段調(diào)度計劃中的比重，其量化計算為：

式中：αT為發(fā)電類型評估量化值；ω1為發(fā)電性質(zhì)權(quán)值；ω2為發(fā)電量在同時段調(diào)度計劃中的比重權(quán)值；Eu為發(fā)電單元在當前時段的發(fā)電量；Et為當前調(diào)度時段的總發(fā)電量；λσ為發(fā)電類型對應(yīng)的碳環(huán)保因子；σ為發(fā)電類型；p，h，f分別代表新能源發(fā)電、水力發(fā)電、火力發(fā)電，三者的碳環(huán)保因子依次升高。

在電網(wǎng)中詳細地計算線路損耗需要電網(wǎng)采用比較全面信息，對于電源和負荷主體來說比較復(fù)雜，本文對輸電損耗的評估采用電源主體一段時期內(nèi)的損耗評估作為電源主體對輸電損耗的接收程度，輸電損耗評估的量化值αL為：

式中：N為一段時間內(nèi)的交易次數(shù)；ηn為第n次交易的線損率。

價格因素是市場導(dǎo)向機制發(fā)揮的關(guān)鍵，價格因素是相對重要的一項評估項，由于新能源存在隨機性和波動性，在新能源密集的調(diào)度時間段內(nèi)需要將新能源電源主體的供電優(yōu)先級提高，同時也需要負荷主體在新能源密集的調(diào)度時間段內(nèi)提高電能消耗量，因此對于價格因素的評估需要考慮同一調(diào)度時段其他電源主體的價格，對于價格因素的評估量化值αP的計算為：

式中：Pr為當前待評估電源主體的報價；Pu為第u個參與供電競爭電源主體的報價；U為當前調(diào)度時間段參與供電競爭的電源主體數(shù)目。

完成對發(fā)電類型、價格和輸電損耗的分別量化評估后，電源特征的綜合評估量化值α為：

式中：ωT，ωL，ωP分別為發(fā)電類型、價格和輸電損耗的評估權(quán)值。

對于參與同一調(diào)度時間段供電競爭的電源主體，采用式（4）所示的量化評估計算對每個電源主體進行特征評估，按照評估值的大小形成匹配順序，即評估值最大的電源主體將作為第一選擇推薦給用戶，保證評估值較高的電源主體的交易具備高優(yōu)先級。通過對參數(shù)的合適調(diào)整，發(fā)電量較多、價格相對低廉、低碳環(huán)保的電源主體將獲得優(yōu)先的交易優(yōu)勢，可以使得在新能源密集的調(diào)度時間段保證新能源的消納，并通過價格的優(yōu)惠使得負荷主體更積極地在新能源密集的調(diào)度時間段提高電能需求量，促進新能源的生產(chǎn)和消納。

3 短期調(diào)頻調(diào)壓需求交易策略

短期調(diào)頻調(diào)壓作為日前調(diào)度計劃的補充，也是新能源優(yōu)化調(diào)度需要涉及的內(nèi)容。完成調(diào)度計劃匹配后，仍有發(fā)電能力電源主體可以將剩余發(fā)電量參與日內(nèi)電網(wǎng)的調(diào)頻調(diào)壓過程，使得計劃的發(fā)電量可以銷售出去，同時可以保證電網(wǎng)頻率和電壓的平穩(wěn)；對于負荷主體，完成調(diào)度計劃匹配后也可以響應(yīng)電網(wǎng)的調(diào)頻調(diào)壓需求，參與電網(wǎng)穩(wěn)定過程以獲取經(jīng)濟收益。當前電網(wǎng)的調(diào)頻主要依靠自動發(fā)電控制（Automatic Generation Control，AGC）的自動調(diào)節(jié)，調(diào)壓主要依靠自動電壓控制（Automatic Voltage Control，AVC）的自動調(diào)節(jié)，本文提出的短期調(diào)頻調(diào)壓需求交易體制基于AGC 和AVC 的自動調(diào)節(jié)，并將其與區(qū)塊鏈的應(yīng)用相結(jié)合。

短期調(diào)頻調(diào)壓需求交易體制主要包含以下步驟：

1）響應(yīng)能力分析：各個電源主體和負荷主體在完成電網(wǎng)的調(diào)度匹配后，根據(jù)自身的生產(chǎn)經(jīng)營情況，發(fā)布調(diào)頻調(diào)壓響應(yīng)能力，發(fā)布的響應(yīng)內(nèi)容主要包括價格和調(diào)節(jié)量2 個關(guān)鍵指標，電源主體和負荷主體發(fā)布的價格受到電網(wǎng)發(fā)布價格的限制；同時此處發(fā)布的調(diào)節(jié)量指的是所能參與調(diào)節(jié)的最大有功/無功功率。

2）需求發(fā)布：當電網(wǎng)發(fā)生頻率或者電壓變化，電網(wǎng)經(jīng)AGC 和AVC 計算后可以形成針對當前頻率、電壓變化的調(diào)節(jié)需求，電網(wǎng)將需求的總量和交易最高限價發(fā)布至各個電源主體和負荷主體，并將調(diào)頻調(diào)壓需求寫進智能合約，交易限價計算為：

式中：Pgsi為第i調(diào)度時間段內(nèi)電網(wǎng)采購電源主體電能的價格；Pgli為第i調(diào)度時間段內(nèi)電網(wǎng)向負荷主體銷售電能的價格；Pli，max為第i調(diào)度時間段內(nèi)電網(wǎng)向電源主體購買調(diào)頻調(diào)壓電能的價格上限；Pli，max為第i調(diào)度時間段內(nèi)電網(wǎng)向負荷主體購買調(diào)頻調(diào)壓電能的價格上限；msi為第i調(diào)度時間段內(nèi)電網(wǎng)采購電源主體電能的價格補償系數(shù)；mli為第i調(diào)度時間段內(nèi)電網(wǎng)采購負荷主體電能的價格補償系數(shù)。

3）需求響應(yīng)：電網(wǎng)根據(jù)AGC 和AVC 的控制，通常將調(diào)節(jié)量匹配給固定的AGC 調(diào)節(jié)機組或AVC 調(diào)節(jié)機組，如果存在固定調(diào)節(jié)機組之外的機組提出調(diào)頻調(diào)壓能力，能源交易平臺將這些機組和AGC/AVC調(diào)節(jié)機組同時列為需求響應(yīng)主體。

4）交易撮合：因調(diào)頻調(diào)壓調(diào)節(jié)速度的要求，能源交易平臺通過智能合約進行快速交易撮合，撮合原則分為2 種：調(diào)節(jié)量優(yōu)先模式和價格優(yōu)先模式，2種模式依據(jù)當前的頻率/電壓變化量進行選擇，當頻率/電壓變化幅值大于設(shè)定閾值時，選取調(diào)節(jié)量優(yōu)先模式，即按照需求響應(yīng)主體中的電源主體或負荷主體提供的調(diào)節(jié)容量按照從大到小的順序快速確定參與調(diào)節(jié)的主體，達到滿足調(diào)節(jié)容量需求；當頻率/電壓變化幅值小于設(shè)定閾值時，選取價格優(yōu)先模式，即按照電源主體或負荷主體提供的調(diào)節(jié)價格按照從小到大的順序快速確定參與調(diào)節(jié)的主體，達到滿足容量需求的目標。

5）完成交易及結(jié)算：調(diào)頻調(diào)壓過程結(jié)束后，開始交易結(jié)算過程，交易的電能信息包括交易主體、價格、容量等信息需要經(jīng)采集信息校核，經(jīng)交易主體一致通過后，將電力交易的信息加密后保存至區(qū)塊鏈。

4 應(yīng)用實例

本文采用含新能源的某地區(qū)電網(wǎng)作為優(yōu)化對象。對其中電源主體節(jié)點的初始信息進行分析和計算，其特征評估參數(shù)如表1 所示，同時負荷主體提高了在風(fēng)電、光伏密集時間段的電能需求量，新能源發(fā)電主體降低了密集時間段的交易價格。實際應(yīng)用中參數(shù)設(shè)置可以根據(jù)市場環(huán)境實際需求而調(diào)整。

表1 主要評估參數(shù)Table 1 Main evaluation parameters

將本文提出的基于分布式電力交易體制下的電能調(diào)度與傳統(tǒng)的以負荷曲線為主的調(diào)度方式進行比較，從光伏、風(fēng)力、水力和火力4 種能源類型的交易總量的變化量的角度對比新能源消納的變化，對比結(jié)果如圖3 所示。從圖3 中可以看出本文所提的基于電源特征評估的匹配交易機制可以保證新能源優(yōu)先被消納，在調(diào)度區(qū)間內(nèi)由于日前調(diào)度計劃制定中已包含了安全校核，因此2 種調(diào)度方式下電網(wǎng)均可穩(wěn)定運行。

圖3 能源消納對比圖Fig.3 Comparison chart of energy consumption

以其中某一處風(fēng)電場為例，其優(yōu)化前后的出力對比情況如圖4 所示。從圖4 中可以看出，在風(fēng)能資源密集的時間段，風(fēng)電的消納明顯提高，有效降低了棄風(fēng)的容量，實現(xiàn)了對新能源的有效利用。

圖4 某風(fēng)電場出力對比Fig.4 Comparison of wind farm output

本文應(yīng)用實例中針對電源主體節(jié)點響應(yīng)調(diào)頻調(diào)壓需求的價格統(tǒng)一采用降價競價的方式進行模擬，在電網(wǎng)調(diào)頻功率大體不變的情況下，電網(wǎng)的購電的平均價格如圖5 所示。從圖5 中可以看出，在保證電網(wǎng)安全運行的情況下可降低電網(wǎng)總體成本。本文的交易機制總體上以日常調(diào)度為主，以短期的調(diào)頻調(diào)壓需求為輔，相比傳統(tǒng)的以AGC，AVC調(diào)節(jié)方式，集中競價的方式可降低總體調(diào)頻調(diào)壓成本，提高資源配置效率。

圖5 價格對比Fig.5 Price comparison

綜合調(diào)度策略的應(yīng)用仿真結(jié)果可以看出，本文提出的考慮新能源消納調(diào)度的電力市場區(qū)塊鏈分布式交易機制在保證電網(wǎng)安全運行的同時提高了新能源消納的優(yōu)先級，傳統(tǒng)發(fā)電機組可以通過響應(yīng)調(diào)頻調(diào)壓需求提高自身的經(jīng)濟效益，電網(wǎng)也可實現(xiàn)總體的高效運行。

5 結(jié)論

本文對基于區(qū)塊鏈和市場機制的新能源消納優(yōu)化調(diào)度策略進行了研究，將基于區(qū)塊鏈的電力市場交易機制與新能源消納調(diào)度相結(jié)合，將電能按照新能源出力情況分時段進行調(diào)度，通過對電源交易主體的發(fā)電類型、線路損耗、價格等進行量化評估，以評估值作為優(yōu)先匹配交易的依據(jù)，使得新能源消納的優(yōu)先級提高，價格因素可以促進電源主體和負荷主體主動參與到新能源的消納過程；作為日內(nèi)電能調(diào)度的補充，針對電網(wǎng)短期的調(diào)頻調(diào)壓需求，電源主體和負荷主體提出相應(yīng)的報價和調(diào)節(jié)能力參與調(diào)頻調(diào)壓過程，電網(wǎng)根據(jù)實際情況采購所需的調(diào)節(jié)量；日常調(diào)度與短期調(diào)頻調(diào)壓組合，采用區(qū)塊鏈技術(shù)進行分布式交易，適合了電力系統(tǒng)交易主體眾多、交易頻次高，且對保密性、快速性要求高的總體要求，在促進新能源消納的同時保證電網(wǎng)安全，最后的應(yīng)用實例也證明了提出的機制可以促進新能源的消納。