基于聯(lián)盟鏈的電動(dòng)汽車虛擬聚合調(diào)頻

王昊天，孫英云，汪麗偉，趙鵬飛

（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,北京市 102206）

0 引言

隨著可再生能源滲透率不斷提高、電動(dòng)汽車（EV）等柔性負(fù)荷規(guī)模不斷擴(kuò)大,源荷兩側(cè)不確定性使電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定面臨的挑戰(zhàn)越來(lái)越嚴(yán)峻,頻率問(wèn)題正在成為中國(guó)電力系統(tǒng)低碳化轉(zhuǎn)型路徑上的重要瓶頸［1］,新型電力系統(tǒng)需要更多形式的靈活性調(diào)節(jié)資源維持系統(tǒng)平衡。

作為具有較大靈活性調(diào)節(jié)潛力的柔性負(fù)荷［2］,受限于電池容量、充電樁控制權(quán)等多方面因素,單輛EV 難于直接參與調(diào)頻等輔助服務(wù)市場(chǎng),只能通過(guò)某種方式聚合參加［3-4］,但現(xiàn)有聚合商體系主要有以下問(wèn)題:1）聚合商作為第三方實(shí)體,其利益和EV 個(gè)體并不完全一致；2）聚合商收集EV 用電數(shù)據(jù)是對(duì)用戶隱私的侵犯,缺乏可信保障,難以保證隱私安全。文獻(xiàn)［5］提出雙層優(yōu)化算法以最小化聚合商參與能量與調(diào)頻市場(chǎng)的凈運(yùn)營(yíng)成本。文獻(xiàn)［6］以最小化系統(tǒng)運(yùn)行成本為目標(biāo)構(gòu)建了車到家聚合器,提出了從投標(biāo)到實(shí)時(shí)調(diào)度的不同時(shí)間尺度控制框架。文獻(xiàn)［7］考慮電動(dòng)汽車用戶的充電需求,提出即充即走的參與模式,利用Shapley 值法分配調(diào)頻收益。文獻(xiàn)［8-9］利用狀態(tài)空間方法生成全局控制信號(hào),實(shí)現(xiàn)了秒級(jí)調(diào)頻控制,但需定時(shí)更新離線數(shù)據(jù)以保證其精確度。上述文獻(xiàn)雖對(duì)電網(wǎng)調(diào)度中心-聚合商-EV調(diào)頻框架進(jìn)行了一定研究,但沒(méi)有考慮不同運(yùn)營(yíng)商充電樁的數(shù)據(jù)壁壘［10-12］,也沒(méi)有解決聚合商與用戶之間隱私安全與信息透明問(wèn)題。

區(qū)塊鏈技術(shù)作為新興的去中心化加密交易技術(shù),已在需求響應(yīng)［13］、電力市場(chǎng)交易［14-15］等方面有了廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)［16-18］提出基于以太坊的充電權(quán)交易機(jī)制與模型,實(shí)現(xiàn)了充電站充電需求的最優(yōu)配置。文獻(xiàn)［19］基于Hyperledger Fabric 提出多階段混合拍賣機(jī)制,協(xié)調(diào)微電網(wǎng)中產(chǎn)消者的用電行為,但沒(méi)有考慮EV 的數(shù)據(jù)隱私問(wèn)題。上述文獻(xiàn)主要在聚合商層面進(jìn)行優(yōu)化,解決了聚合商之間的信息透明問(wèn)題,但聚合商仍作為中心協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)參與電網(wǎng)調(diào)度中心與EV 用戶間的互動(dòng),聚合商與用戶之間的隱私安全與利益沖突問(wèn)題對(duì)用戶積極性的影響更大,缺少多元的車網(wǎng)交互途徑。

綜上所述,聚合商、電網(wǎng)調(diào)度中心、EV 用戶三者在調(diào)頻市場(chǎng)中地位不對(duì)等、信息不對(duì)稱,隱私安全、第三方利益沖突等問(wèn)題也影響了用戶參與調(diào)頻市場(chǎng)、提供靈活性資源的積極性。針對(duì)這些問(wèn)題,本文提出虛擬聚合調(diào)頻框架,在Hyperledger Fabric 中部署虛擬聚合商節(jié)點(diǎn),以解決實(shí)際環(huán)境中車樁網(wǎng)商的信任問(wèn)題,輔助虛擬聚合EV 參與調(diào)頻市場(chǎng)交互,以去中心化的形式實(shí)現(xiàn)虛擬聚合商及虛擬聚合EV間調(diào)頻指令分解,由充電樁運(yùn)營(yíng)商基于鏈上數(shù)據(jù)輔助EV 完成物理響應(yīng)。最后,通過(guò)算例驗(yàn)證了虛擬聚合調(diào)頻框架的可行性與有效性。

1 現(xiàn)有聚合商調(diào)頻框架

1.1 車樁網(wǎng)關(guān)系分析

EV 可分為電動(dòng)私家車、電動(dòng)公交車、電動(dòng)出租車等。電動(dòng)私家車主要在工作單位和居住小區(qū)兩個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行充電,停駛時(shí)間較長(zhǎng)；電動(dòng)公交車主要在公交充電站進(jìn)行集中充電,充電時(shí)間比較統(tǒng)一,一般在夜晚末班車結(jié)束運(yùn)營(yíng)后進(jìn)行充電；電動(dòng)出租車充電時(shí)間、充電地點(diǎn)比較隨機(jī),平均停駛時(shí)間較短［20］。

EV 出行依賴于電池電量的保障,而實(shí)際上充電設(shè)施的增速遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上新能源汽車的增速。據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì),2021 年前3 個(gè)季度,中國(guó)新能源汽車保有量達(dá)到678 萬(wàn)輛,全國(guó)充電基礎(chǔ)設(shè)施累計(jì) 數(shù) 量 為238.5 萬(wàn) 臺(tái)。2021 年1 月 至11 月,新 能 源汽車銷量為299 萬(wàn)輛,全國(guó)充電基礎(chǔ)設(shè)施的增量為

70.4 萬(wàn)臺(tái)［21］。

充電樁分為公用充電樁、專用充電樁、私人充電樁等,不同于智能電表,充電樁產(chǎn)生的用電數(shù)據(jù)屬于充電樁運(yùn)營(yíng)商而不屬于電網(wǎng),電網(wǎng)無(wú)法直接對(duì)每輛EV 的備用容量進(jìn)行評(píng)估。由于不同運(yùn)營(yíng)商的充電樁之間存在信息與數(shù)據(jù)屏障,電網(wǎng)無(wú)法直接控制大規(guī)模充電樁調(diào)整EV 充電功率,EV 用戶也無(wú)法接入不同運(yùn)營(yíng)商的充電樁,直接響應(yīng)調(diào)頻指令,在沒(méi)有第三方協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)的情況下,車樁網(wǎng)三者之間缺少合適的交互途徑,如附錄A 圖A1 所示。

1.2 現(xiàn)有框架主體與問(wèn)題

現(xiàn)有聚合商調(diào)頻框架在一定程度上解決了車樁網(wǎng)間溝通問(wèn)題,主要包含電網(wǎng)調(diào)度中心、聚合商與EV 用戶三類主體,現(xiàn)有研究中常以充電站、停車場(chǎng)、工業(yè)園區(qū)這類擁有一定數(shù)量充電樁的主體作為實(shí)體聚合商［22］。由于EV 電池容量小,EV 用戶只能與聚合商簽訂合同參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)。聚合商作為第三方交易主體,一般以最大化自身利益為目標(biāo),通?？紤]EV 調(diào)頻收益與充電成本［23］、EV 電池老化成本［24］,在滿足用戶充電需求的前提下進(jìn)行調(diào)控。聚合商調(diào)頻框架下,各主體間交互信息如圖1所示。

圖1 現(xiàn)有聚合商調(diào)頻框架示意圖Fig.1 Schematic diagram of existing frequency regulation framework for aggregator

在參與調(diào)頻過(guò)程中,聚合商通過(guò)充電樁收集用戶的電池電量、充電功率、用電時(shí)間、備用容量等數(shù)據(jù)量化集群備用容量與調(diào)頻能力,達(dá)到了資源聚合的目的,但同時(shí)也容易侵犯用戶的數(shù)據(jù)隱私,使用戶難以信任聚合商提供的調(diào)頻服務(wù)。同時(shí)考慮到EV的出行屬性,為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間、多地點(diǎn)參與調(diào)頻輔助服務(wù),用戶須與多個(gè)聚合商簽訂合同,這也增加了用戶隱私數(shù)據(jù)泄露的風(fēng)險(xiǎn)。在調(diào)頻利益方面,EV 用戶不具有表達(dá)自身參與意愿的權(quán)利,往往處于被動(dòng)調(diào)控地位,聚合商調(diào)頻收益分成機(jī)制也使用戶實(shí)際收益縮水?，F(xiàn)有框架難以解決車樁網(wǎng)商四者之間的信任問(wèn)題,聚合商調(diào)頻框架總結(jié)如表1 所示。

表1 現(xiàn)有聚合商調(diào)頻框架總結(jié)Table 1 Summary of existing frequency regulation framework for aggregator

從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展角度來(lái)看,現(xiàn)存的利益沖突與隱私安全問(wèn)題容易打擊用戶參與輔助服務(wù)市場(chǎng)的積極性,EV 用戶雖有直接參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)的需求,但缺少充電樁控制權(quán)也難以獨(dú)立實(shí)現(xiàn)物理響應(yīng)。當(dāng)前,調(diào)頻平臺(tái)尚未建立滿足這種需求的交互通道,這種模式不利于吸引EV 用戶與聚合商簽訂合同參與調(diào)頻輔助服務(wù)。

2 基于聯(lián)盟鏈的虛擬聚合調(diào)頻框架

無(wú)論集中式優(yōu)化［25］還是分布式優(yōu)化［26］,傳統(tǒng)聚合商仍屬于調(diào)頻交易主體,通過(guò)參與調(diào)頻輔助服務(wù)獲取收益,控制EV 響應(yīng)調(diào)頻指令,缺少可信第三方解決車樁網(wǎng)商之間的互信問(wèn)題,為EV 用戶提供一種平等參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)、響應(yīng)調(diào)頻指令的途徑。

針對(duì)1.2 節(jié)所述現(xiàn)有聚合商調(diào)頻框架存在的問(wèn)題,本節(jié)提出虛擬聚合商（virtual aggregator,VA）概念及虛擬聚合調(diào)頻框架,使EV 用戶通過(guò)虛擬聚合方式與傳統(tǒng)聚合商平等地參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)交互,通過(guò)去中心化的方式聯(lián)合充電樁運(yùn)營(yíng)商響應(yīng)調(diào)頻指令,如圖2 所示。

圖2 去中心化虛擬聚合調(diào)頻框架Fig.2 Decentralized virtual aggregation frequency regulation framework

2.1 虛擬聚合商

虛擬聚合商是無(wú)物理實(shí)體的可信第三方服務(wù)代理,以去中心化的形式管理協(xié)調(diào)電網(wǎng)調(diào)度中心、傳統(tǒng)聚合商、充電樁運(yùn)營(yíng)商與EV 用戶之間的信息流,輔助EV 用戶通過(guò)虛擬聚合方式與傳統(tǒng)聚合商平等地參與調(diào)頻市場(chǎng),響應(yīng)調(diào)頻指令。

與傳統(tǒng)聚合商相比,其不以自身利益最大化為目的,僅負(fù)責(zé)為電網(wǎng)調(diào)度中心、傳統(tǒng)聚合商、EV 用戶提供調(diào)頻資源聚合與調(diào)頻指令分解等服務(wù),既可以作為傳統(tǒng)聚合商的代理,也可以作為EV 用戶虛擬聚合的代理。

2.2 虛擬聚合調(diào)頻框架

基于虛擬聚合商提供的去中心化服務(wù),本文提出去中心化虛擬聚合調(diào)頻框架,將電網(wǎng)調(diào)度中心、聚合商與EV 三者多層級(jí)調(diào)度架構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒐蚕怼⒈馄交碾娋W(wǎng)調(diào)度中心、傳統(tǒng)聚合商、充電樁運(yùn)營(yíng)商與EV 用戶的去中心化架構(gòu),如圖2 所示。

虛擬聚合調(diào)頻框架中參與實(shí)體包括:EV 用戶、傳統(tǒng)聚合商（充電站、換電站運(yùn)營(yíng)商等）、充電樁運(yùn)營(yíng)商、電網(wǎng)調(diào)度中心,其中EV 用戶特指具有直接參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)意愿的用戶?；痣?、儲(chǔ)能等其他調(diào)頻資源并不包含在本文所提框架中,因此,本框架僅作為EV 側(cè)調(diào)頻資源與調(diào)頻市場(chǎng)交互、響應(yīng)調(diào)頻指令的支撐,不負(fù)責(zé)調(diào)頻市場(chǎng)出清工作。

現(xiàn)有調(diào)頻市場(chǎng)一般包含日前預(yù)出清、實(shí)時(shí)出清2 個(gè)階段［27］,本文所提框架分以下3 個(gè)階段輔助虛擬聚合EV 參與調(diào)頻市場(chǎng),完成虛擬聚合商及虛擬聚合EV 間調(diào)頻指令分解及物理響應(yīng)。假設(shè)在此框架下,EV 用戶與傳統(tǒng)聚合商均具有調(diào)頻備用容量與調(diào)頻里程價(jià)格的申報(bào)權(quán)利,接受市場(chǎng)出清的調(diào)頻容量?jī)r(jià)格。日前聚合時(shí)間尺度為1 h,實(shí)時(shí)調(diào)頻中實(shí)時(shí)聚合時(shí)間尺度為5 min,調(diào)頻指令時(shí)間間隔為1 min［28］,詳述如下:

1）日前聚合階段:EV 用戶可根據(jù)次日出行計(jì)劃,結(jié)合歷史邊際出清價(jià)格,更新日前每小時(shí)備用容量、調(diào)頻里程價(jià)格,經(jīng)虛擬聚合后形成統(tǒng)一的備用容量與調(diào)頻里程價(jià)格；傳統(tǒng)聚合商通過(guò)收集站點(diǎn)信息,更新日前每小時(shí)備用容量與調(diào)頻里程價(jià)格。根據(jù)本框架內(nèi)虛擬聚合商與框架外其他調(diào)頻資源信息,電網(wǎng)調(diào)度中心完成調(diào)頻市場(chǎng)日前預(yù)出清。

2）實(shí)時(shí)調(diào)頻階段:虛擬聚合商及虛擬聚合EV每5 min 根據(jù)實(shí)際入網(wǎng)情況更新實(shí)時(shí)調(diào)頻備用容量、調(diào)頻里程價(jià)格,輔助實(shí)時(shí)出清。電網(wǎng)調(diào)度中心以1 min 為時(shí)間間隔下發(fā)調(diào)頻指令。在去中心化架構(gòu)下,虛擬聚合商通過(guò)分布式優(yōu)化完成調(diào)頻指令分解任務(wù),相互之間達(dá)成共識(shí),虛擬聚合EV 對(duì)虛擬聚合商的調(diào)頻里程進(jìn)行二次分解,得到調(diào)頻里程分配方案,充電樁運(yùn)營(yíng)商根據(jù)虛擬聚合EV 的調(diào)頻里程調(diào)整EV 功率。

3）收益結(jié)算階段:結(jié)合充電樁運(yùn)營(yíng)商上傳的實(shí)際功率調(diào)整數(shù)據(jù),匹配虛擬聚合商及虛擬聚合EV的歷史調(diào)頻里程,以5 min 的時(shí)間尺度,更新虛擬聚合商及虛擬聚合EV 調(diào)頻性能指標(biāo),根據(jù)調(diào)頻市場(chǎng)價(jià)格結(jié)算用戶調(diào)頻收益。

3 基于智能合約的調(diào)頻指令分解策略

3.1 聯(lián)盟鏈與虛擬聚合調(diào)頻框架契合度分析

2.2 節(jié)所述虛擬聚合調(diào)頻框架旨在解決車樁網(wǎng)商四者之間的信任問(wèn)題,關(guān)鍵在于滿足隱私安全條件下的車樁網(wǎng)商間信息共享、交互結(jié)構(gòu)扁平化以及虛擬聚合功能實(shí)現(xiàn)。聯(lián)盟鏈技術(shù)作為新興的去中心化加密交易技術(shù),具有去信任化、匿名性等特點(diǎn)［29］,其技術(shù)手段與虛擬聚合調(diào)頻框架需求有較高的契合度,如表2 所示。

表2 需求與技術(shù)契合度分析Table 2 Analysis on compatibility between demand and technology

聯(lián)盟鏈中證書頒發(fā)機(jī)構(gòu)（CA）為虛擬聚合商節(jié)點(diǎn)的真實(shí)身份背書,形成節(jié)點(diǎn)之間的信任基礎(chǔ),同一通道內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)共享賬本,虛擬聚合商之間信息透明公開,不同通道內(nèi)賬本不互通,保證用戶隱私不易泄露。其共識(shí)機(jī)制保證所有節(jié)點(diǎn)間具有同一賬本；其組織與通道結(jié)構(gòu)保證了車樁網(wǎng)商四者之間的地位平等；其智能合約向所有節(jié)點(diǎn)提供一致的調(diào)頻優(yōu)化服務(wù),且保證交易不可篡改,結(jié)果可追溯,使虛擬聚合商相互達(dá)成共識(shí)。同時(shí),由于用戶選擇充電樁存在隨機(jī)性,充電樁運(yùn)營(yíng)商與EV 用戶惡意勾結(jié)的可能性較低,保護(hù)了聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其余節(jié)點(diǎn)的利益,解決了車樁網(wǎng)商之間的信任與信息共享問(wèn)題。

3.2 基于聯(lián)盟鏈的車輛到電網(wǎng)（V2G）交互網(wǎng)絡(luò)

本文選取Hyperledger Fabric 作為聯(lián)盟鏈平臺(tái),搭建V2G 交互網(wǎng)絡(luò),如圖3 所示。

圖3 基于聯(lián)盟鏈的V2G 交互網(wǎng)絡(luò)Fig.3 V2G interactive network based on consortium blockchain

聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò)由虛擬聚合商節(jié)點(diǎn)、充電樁節(jié)點(diǎn)、調(diào)度節(jié)點(diǎn)和排序節(jié)點(diǎn)組成。各節(jié)點(diǎn)功能如下:

1）虛擬聚合商節(jié)點(diǎn):代表傳統(tǒng)聚合商或EV 用戶在聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò)中參與調(diào)頻交易,其賬本屬性主要包括虛擬聚合商編號(hào)、上下調(diào)頻備用容量、調(diào)頻里程報(bào)價(jià)、調(diào)頻里程、調(diào)頻性能指標(biāo)、已配對(duì)充電樁編號(hào)/充電樁組編號(hào)等。對(duì)于虛擬聚合的EV 用戶,其鏈上賬本屬性與虛擬聚合商賬本屬性相同。

2）充電樁節(jié)點(diǎn):代表EV 接入充電服務(wù)的充電樁,負(fù)責(zé)記錄EV 接入期間每分鐘的功率變動(dòng)數(shù)據(jù)并上傳至聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò),用于結(jié)算虛擬聚合商調(diào)頻收益,其賬本屬性主要包括充電樁編號(hào)/充電樁組編號(hào)、充電樁每分鐘的功率變動(dòng)數(shù)據(jù)等。

3）調(diào)度節(jié)點(diǎn):代表電網(wǎng)調(diào)度中心,負(fù)責(zé)從聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò)中提取虛擬聚合商的調(diào)頻備用容量以及調(diào)頻里程報(bào)價(jià),并在實(shí)時(shí)調(diào)頻階段發(fā)布調(diào)頻信號(hào)和邊際出清價(jià)格,完成虛擬聚合商的實(shí)時(shí)調(diào)頻指令分解。其賬本屬性主要包括調(diào)度節(jié)點(diǎn)編號(hào)、市場(chǎng)調(diào)頻容量出清價(jià)格、市場(chǎng)調(diào)頻里程出清價(jià)格、調(diào)頻指令等。

4）排序節(jié)點(diǎn):作為聯(lián)盟鏈中的交易打包節(jié)點(diǎn),與其他3 類參與交易的節(jié)點(diǎn)不同。在聯(lián)盟鏈中僅負(fù)責(zé)將不同節(jié)點(diǎn)（虛擬聚合商、電網(wǎng)調(diào)度中心、充電樁運(yùn)營(yíng)商等）發(fā)起的一定數(shù)量交易按提交順序打包成區(qū)塊,通過(guò)聯(lián)盟鏈的Raft 排序服務(wù)保證區(qū)塊一致,并廣播至對(duì)應(yīng)通道內(nèi)的各個(gè)節(jié)點(diǎn),區(qū)塊內(nèi)打包的交易是否有效由接收到區(qū)塊的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.3 基于智能合約的V2G 交互流程

1）調(diào)頻資源聚合

對(duì)與傳統(tǒng)聚合商,在鏈下完成聚合后,其更新備用容量與調(diào)頻里程報(bào)價(jià)到聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò)中。對(duì)于虛擬聚合的EV 用戶,其對(duì)應(yīng)虛擬聚合商的調(diào)頻備用容量表示為各EV 備用容量的加權(quán)和,如式（1）所示。調(diào)頻里程報(bào)價(jià)表示為各EV 的調(diào)頻里程報(bào)價(jià)的加權(quán)平均值,如式（2）所示,對(duì)應(yīng)圖2 中調(diào)頻資源聚合功能。具體市場(chǎng)日前預(yù)出清工作并不屬于本文研究?jī)?nèi)容,不再贅述。

由于EV 在實(shí)際響應(yīng)過(guò)程中存在偏差,需要為每輛EV 設(shè)置調(diào)頻性能指標(biāo)以衡量其調(diào)頻性能,其計(jì)算方式如式（3）所示。

2）調(diào)頻指令分解

對(duì)于不同虛擬聚合商之間,本文以最小化調(diào)頻里程成本為目標(biāo)函數(shù),即調(diào)頻里程報(bào)價(jià)更小的虛擬聚合商具有優(yōu)先出清的權(quán)利,建立調(diào)頻指令分解模型。目標(biāo)函數(shù)為:

對(duì)于虛擬聚合EV,其需要根據(jù)虛擬聚合商所需調(diào)整的調(diào)頻里程Mj再次進(jìn)行調(diào)頻指令分解得到虛擬聚合EV 的調(diào)頻里程,EV 調(diào)頻里程可用mi表示,具體模型見附錄B。

3）調(diào)頻收益結(jié)算

傳統(tǒng)聚合商模式僅具有單一調(diào)頻性能指標(biāo)pVA,單輛EV 并無(wú)衡量指標(biāo),且聚合商需要獲得一定比例收益分成,其收益結(jié)算公式如式（7）所示。虛擬聚合調(diào)頻框架下,虛擬聚合EV 用戶調(diào)頻收益按照其對(duì)應(yīng)調(diào)頻性能指標(biāo)結(jié)算,其收益結(jié)算公式如式（8）所示。

3.4 分布式實(shí)時(shí)調(diào)頻指令分解模型

考慮到模型復(fù)雜度提升及變量維度增加的可能性,為使虛擬聚合商及虛擬聚合的EV 用戶在去中心化聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò)中相互達(dá)成共識(shí),分布式方法更適合作為調(diào)頻指令分解任務(wù)的解決方案。本文選取交替方向乘子法（ADMM）［30］將原模型分解為分布式模型。ADMM 基本原理是融合對(duì)偶上升法的可分解性與拉格朗日乘子法的收斂性,基于增廣拉格朗日函數(shù)將原問(wèn)題分解為多個(gè)子問(wèn)題,利用分塊變量和對(duì)偶變量交替迭代優(yōu)化。典型ADMM 問(wèn)題及分布式求解方法介紹見附錄B。

首先,對(duì)式（4）至式（6）構(gòu)成的調(diào)頻指令分解模型進(jìn)行拉格朗日增廣,增廣函數(shù)為:

假設(shè)經(jīng)過(guò)I輪迭代收斂,則變量更新次數(shù)為I(K+1)次。隨著規(guī)模擴(kuò)大,每次變量更新均形成共識(shí)容易使求解時(shí)間超過(guò)1 min。為解決此問(wèn)題,每輪迭代由隨機(jī)虛擬聚合商節(jié)點(diǎn)單獨(dú)完成,僅需完成2I次共識(shí)過(guò)程,鏈上實(shí)時(shí)調(diào)頻優(yōu)化流程見附錄B 圖B2,此流程也可以套用于虛擬聚合EV 間調(diào)頻指令分解。

4 算例分析

因?yàn)槿涨半A段虛擬聚合商只進(jìn)行基于式（1）、式（2）的調(diào)頻資源聚合,過(guò)程較為簡(jiǎn)單,所以本文重點(diǎn)對(duì)實(shí)時(shí)調(diào)頻階段和收益結(jié)算階段進(jìn)行分析。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于聯(lián)盟鏈的實(shí)時(shí)調(diào)頻階段模擬算例,以驗(yàn)證虛擬聚合調(diào)頻框架的可行性,并對(duì)傳統(tǒng)聚合商、虛擬聚合商模式下的調(diào)頻里程收益情況進(jìn)行了分析。虛擬聚合商及EV 用戶調(diào)頻里程報(bào)價(jià)服從［5,15］的均勻分布,單位為元/（MW·h）,每輛EV初始調(diào)頻性能指標(biāo)服從［0.7,1］的均勻分布。虛擬聚合商調(diào)頻指令分解模型懲罰因子設(shè)為0.000 06,虛擬聚合EV 調(diào)頻指令分解模型懲罰因子設(shè)為0.05。本文搭建了20 個(gè)虛擬聚合商參與的聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證模型可行性,其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)共包含1 個(gè)排序節(jié)點(diǎn)、1 個(gè)調(diào)度節(jié)點(diǎn)、20 個(gè)虛擬聚合商節(jié)點(diǎn)（由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境限制,節(jié)點(diǎn)規(guī)模無(wú)法繼續(xù)擴(kuò)大,僅生成對(duì)應(yīng)充電樁節(jié)點(diǎn)的賬本,不在聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置具體的充電樁節(jié)點(diǎn)）。各虛擬聚合商代理實(shí)體包括充電站運(yùn)營(yíng)商（編號(hào)1～12）、換電站運(yùn)營(yíng)商（編號(hào)13～17）、虛擬聚合EV 用戶（編號(hào)18～20）,其調(diào)頻里程報(bào)價(jià)、調(diào)頻備用容量和調(diào)頻性能指標(biāo)見附錄C 表C1。

聯(lián)盟鏈V2G 交互網(wǎng)絡(luò)部署在虛擬機(jī)中,實(shí)驗(yàn)環(huán)境為Ubuntu 18.04,智能合約編程語(yǔ)言為Go,內(nèi)存為16 GB。

4.1 實(shí)時(shí)調(diào)頻指令分解

首先,在同一調(diào)頻指令下利用3 種不同方式進(jìn)行調(diào)頻指令分解。集中式模型對(duì)應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度中心集中優(yōu)化方案,分布式模型對(duì)應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度中心作為中心協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)的分布式優(yōu)化方案,智能合約對(duì)應(yīng)聯(lián)盟鏈去中心化的分布式優(yōu)化方案。前兩者基于Python 運(yùn)行,后者基于Go 運(yùn)行,結(jié)果對(duì)比如表3 所示。智能合約與其余2 種方法求解結(jié)果一致,耗時(shí)1.873 s,滿足1 min 調(diào)頻指令間隔,表明虛擬聚合商節(jié)點(diǎn)可在沒(méi)有中心協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)的情況下以去中心化協(xié)作的方式完成調(diào)頻指令分解,驗(yàn)證了虛擬聚合調(diào)頻框架的有效性。ADMM 優(yōu)化結(jié)果見附錄C 圖C1。超級(jí)賬本交易結(jié)果見附錄C 圖C2。

表3 不同優(yōu)化結(jié)果對(duì)比Table 3 Comparison of different optimization results

其次,選取美國(guó)PJM 市場(chǎng)單日60 條調(diào)頻指令模擬1 h 內(nèi)實(shí)時(shí)調(diào)頻情況,分析本文所提調(diào)頻指令分解模型表現(xiàn),虛擬聚合商之間實(shí)時(shí)調(diào)頻里程分配結(jié)果如附錄C 圖C3 所示,其優(yōu)化性能如表4 所示。由表4 可知,虛擬聚合商節(jié)點(diǎn)通過(guò)去中心化協(xié)作的方式,以平均4.59 s 的速度完成虛擬聚合商一級(jí)的調(diào)頻指令分解任務(wù)。虛擬聚合商20 由125 輛EV 虛擬聚合形成,以平均4.07 s 速度完成虛擬聚合EV 用戶一級(jí)的調(diào)頻指令分解任務(wù)。剩余時(shí)間足夠充電樁通過(guò)聯(lián)盟鏈獲取充電響應(yīng)策略完成物理響應(yīng),滿足所提框架中1 min 調(diào)頻指令時(shí)間間隔,驗(yàn)證了虛擬聚合調(diào)頻框架的可行性。

表4 智能合約分布式優(yōu)化性能Table 4 Distributed optimization performance of smart contracts

4.2 收益結(jié)算分析

參考文獻(xiàn)［31］方法,通過(guò)模擬EV 實(shí)際響應(yīng)數(shù)據(jù),以5 min 為收益結(jié)算時(shí)間間隔,60 條調(diào)頻指令共分為12 個(gè)調(diào)頻區(qū)間,選取虛擬聚合商20 中部分用戶調(diào)頻里程收益進(jìn)行分析。市場(chǎng)邊際出清價(jià)格一般為所有參與調(diào)頻主體中的最高報(bào)價(jià),根據(jù)4.1 節(jié)調(diào)頻里程分配結(jié)果,得到12 個(gè)調(diào)頻區(qū)間最高結(jié)算價(jià)格如附錄C 表C2 所示。

首先,選取較高響應(yīng)水平、較低響應(yīng)水平的兩類EV 用戶分析其收益與調(diào)頻性能指標(biāo),變化如圖4 所示。圖4（a）代表EV 用戶14,其初始調(diào)頻性能指標(biāo)為0.75,調(diào)頻里程報(bào)價(jià)為7.49 元/（MW·h）。圖4（b）代表EV 用戶18,其初始調(diào)頻性能指標(biāo)為0.93,調(diào)頻里程報(bào)價(jià)為6.34 元/（MW·h）。圖中,藍(lán)色表示虛擬聚合模式下用戶完全響應(yīng)時(shí)獲得的調(diào)頻里程收益；橙色表示虛擬聚合模式下用戶響應(yīng)有偏差時(shí)獲得的調(diào)頻里程收益；綠色表示在傳統(tǒng)聚合商模式下用戶響應(yīng)有偏差時(shí)獲得的調(diào)頻里程收益。

圖4 不同響應(yīng)水平調(diào)頻里程收益對(duì)比Fig.4 Comparison of frequency regulation mileage benefits at different response levels

假設(shè)其余車輛調(diào)頻性能指標(biāo)保持不變,在傳統(tǒng)聚合商模式下,計(jì)算聚合商在12 個(gè)調(diào)頻區(qū)間內(nèi)的調(diào)頻性能指標(biāo),EV 調(diào)頻里程收益按照聚合商調(diào)頻性能指標(biāo)結(jié)算,用戶收益分成比例α按照0.8 計(jì)算［7］。EV 虛擬聚合模式下,EV 用戶14 隨著自身響應(yīng)水平提高,實(shí)際收益與理想收益的差距減小,總體收益高于傳統(tǒng)聚合商模式25.99%。而EV 用戶18 則隨著自身響應(yīng)水平下降,實(shí)際收益與理想收益的差距隨之?dāng)U大,但由于聚合商占有20%分成,其總體收益仍高于傳統(tǒng)聚合商模式19.52%。由此可得,對(duì)比傳統(tǒng)聚合商的單一調(diào)頻性能指標(biāo),單輛EV 調(diào)頻性能指標(biāo)對(duì)于用戶調(diào)頻里程收益的反饋更明顯、更迅速,表明虛擬聚合模式對(duì)提高EV 用戶響應(yīng)水平的引導(dǎo)效果更好。

其次,將125 輛EV 在調(diào)頻過(guò)程中分為高調(diào)頻性能指標(biāo)與低調(diào)頻性能指標(biāo)兩組,高調(diào)頻性能指標(biāo)服從［0.9～1］之間的均勻分布（如EV1～EV75）,低調(diào)頻性能指標(biāo)服從［0.7,0.8］之間的均勻分布（如EV76～EV125）,兩種模式下EV 收益對(duì)比見圖5。

圖5 不同調(diào)頻框架下里程收益對(duì)比Fig.5 Comparison of mileage benefits in different frequency regulation framework

高調(diào)頻性能指標(biāo)用戶群體的調(diào)頻里程收益在本文所提模式下相比傳統(tǒng)聚合模式提高了36.47%；低調(diào)頻性能指標(biāo)用戶群體的調(diào)頻里程收益提高了7.52%。調(diào)頻性能指標(biāo)較高的EV 用戶相比傳統(tǒng)聚合商模式收益更高,而且調(diào)頻性能指標(biāo)較低的EV用戶也未降低,說(shuō)明虛擬聚合調(diào)頻框架下,調(diào)頻里程收益在EV 用戶之間分配更為合理,有利于引導(dǎo)EV用戶保持高調(diào)頻性能。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于聯(lián)盟鏈搭建了包含車樁網(wǎng)商的去中心化V2G 交互網(wǎng)絡(luò),以鏈上虛擬聚合的方式為EV 用戶提供了直接參與調(diào)頻輔助服務(wù)的途徑,通過(guò)鏈上虛擬聚合商節(jié)點(diǎn)的部署使電網(wǎng)調(diào)度中心、充電樁運(yùn)營(yíng)商、傳統(tǒng)聚合商、虛擬聚合EV 用戶安全地共享信息,通過(guò)部署不同交易階段的智能合約,使各方以去中心化形式得到一致的調(diào)頻里程分配方案,并完成物理響應(yīng),解決了實(shí)際環(huán)境中車樁網(wǎng)商的地位不平等、信息不對(duì)稱以及聚合商與用戶之間的利益沖突與隱私安全問(wèn)題。

通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)調(diào)頻階段進(jìn)行模擬分析,結(jié)果表明在本文所提框架下,虛擬聚合EV 用戶能夠響應(yīng)分鐘級(jí)調(diào)頻指令,并通過(guò)智能合約得到調(diào)頻里程分配方案,驗(yàn)證了所提虛擬聚合調(diào)頻技術(shù)的可行性與有效性。通過(guò)收益對(duì)比分析得出,在本文所提虛擬聚合調(diào)頻框架下,調(diào)頻性能指標(biāo)的改變可快速反饋至用戶調(diào)頻里程收益,能有效引導(dǎo)EV 用戶保持在較高的響應(yīng)水平,為提高新型電力系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)能力提供了新的思路。

本文所提框架也適用于時(shí)間尺度更長(zhǎng)的能量及備用輔助服務(wù)市場(chǎng),但目前鏈上智能合約較為簡(jiǎn)單,且串行迭代方式可能限制聚合規(guī)模擴(kuò)大,還存在一定不足。后續(xù)研究中可考慮優(yōu)化聯(lián)盟鏈的智能合約及鏈下處理機(jī)制,實(shí)現(xiàn)異步優(yōu)化,提高鏈上交互速度與規(guī)模。

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。