基于區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)智能交易與協(xié)同調(diào)度策略研究

付曉琳，王鴻，王致杰

(1.上海電機(jī)學(xué)院 電氣工程學(xué)院， 上海 201306； 2.同濟(jì)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院， 上海 200092)

0 引 言

在深化電力體制改革背景下，微電網(wǎng)作為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，是分布式電能參與市場交易的主要應(yīng)用場景。微電網(wǎng)內(nèi)交易頻繁、產(chǎn)消者供需關(guān)系隨機(jī)變化，現(xiàn)有的連續(xù)雙向拍賣機(jī)制對(duì)本地服務(wù)器的要求較高，很難在去中心化的低成本網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)。且微電網(wǎng)內(nèi)發(fā)電以清潔能源為主，不排放二氧化碳，通過將相應(yīng)的碳排放權(quán)進(jìn)行轉(zhuǎn)讓出售，可降低發(fā)電成本的同時(shí)將其作為電能交易的激勵(lì)手段，提高清潔能源的履約能力和競爭意識(shí)。針對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)分布式交易和調(diào)度策略，目前主要開展以下研究：文獻(xiàn)[1]提出分布式微電網(wǎng)直接交易系統(tǒng)，利用數(shù)字簽名設(shè)計(jì)兩種安全協(xié)議，抵抗篡改攻擊，保證交易結(jié)算安全，但僅研究某一時(shí)刻的安全性，未對(duì)整個(gè)交易周期進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[2]提出基于模型預(yù)測控制算法的主動(dòng)配電網(wǎng)多時(shí)間尺度協(xié)調(diào)調(diào)度策略，最大程度實(shí)現(xiàn)可再生能源消納，盡管多級(jí)協(xié)調(diào)調(diào)度策略能很大程度上消納分布式能源及負(fù)荷的波動(dòng)性，但由于優(yōu)化調(diào)度過程借助開環(huán)狀態(tài)完成，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)際工況下的反饋校正；文獻(xiàn)[3]提出基于分布式凸優(yōu)化的多微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法，以發(fā)電成本最小為優(yōu)化目標(biāo)，未將微電網(wǎng)視為獨(dú)立利益主體，不符合市場發(fā)展趨勢；文獻(xiàn)[4-5]對(duì)不同場景下微電網(wǎng)交易進(jìn)行了分析，但缺少交易主體的安全性分析；文獻(xiàn)[6]以最小切負(fù)荷量作為調(diào)度目標(biāo)，為不同微電網(wǎng)容量配置方案下的可靠性分析提供了統(tǒng)一評(píng)價(jià)基準(zhǔn)，但未對(duì)該指標(biāo)進(jìn)行有效性校驗(yàn)。

上述文獻(xiàn)對(duì)分布式架構(gòu)下的微電網(wǎng)交易和調(diào)度進(jìn)行研究，但均未對(duì)去中心化程度與經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)行效率及調(diào)度結(jié)果間的關(guān)聯(lián)規(guī)律進(jìn)行研究，且隨著微電網(wǎng)內(nèi)分布式能源的增多，在保證效益的同時(shí)提高新能源消納具有重要意義，故需進(jìn)一步對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)智能交易與協(xié)同調(diào)度策略進(jìn)行研究。文章在區(qū)塊鏈技術(shù)支撐下，提出了計(jì)及碳排放權(quán)認(rèn)證的微電網(wǎng)智能交易與調(diào)度模型。區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N由多獨(dú)立節(jié)點(diǎn)參與并共同維護(hù)的分布式底層架構(gòu)，具有去中心化、分布決策、資源共享等特征，在無需節(jié)點(diǎn)間互相信任的分布式系統(tǒng)中，通過數(shù)據(jù)加密、分布式共識(shí)等手段解決目前中心化機(jī)構(gòu)成本高、透明度低的問題，有助于實(shí)現(xiàn)分布式電力市場間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易協(xié)作[7]。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)可總結(jié)如下：

(1)定義去中心化度，量化區(qū)塊鏈參與下的分布式交易和調(diào)度占比，得出其與可靠度、運(yùn)行效率、運(yùn)行成本間的關(guān)聯(lián)規(guī)律；

(2)建立微電網(wǎng)內(nèi)交易-調(diào)度體系，設(shè)計(jì)碳履約函數(shù)充分發(fā)揮新能源清潔綠色的效能，針對(duì)不同交易需求設(shè)計(jì)組合共識(shí)函數(shù)，通過含激勵(lì)機(jī)制的演化博弈算法，提高新能源消納能力；

(3)利用上述模型對(duì)北京某能源互聯(lián)網(wǎng)園區(qū)內(nèi)交易與調(diào)度策略進(jìn)行優(yōu)化。

1 微電網(wǎng)與區(qū)塊鏈融合可行性分析

區(qū)塊鏈除在數(shù)字貨幣等金融領(lǐng)域應(yīng)用外，在電力領(lǐng)域能源交易方面也發(fā)展迅速，其去中心化的特性與電網(wǎng)中購售電主體的分布式特性天然對(duì)應(yīng)，滿足電能直接交易的要求，且數(shù)據(jù)透明、可追溯、防篡改等特點(diǎn)可提高交易的安全性、可靠性。區(qū)塊鏈技術(shù)能夠?yàn)楝F(xiàn)有微電網(wǎng)中若干不能落地的問題提供解決方案[8]，其與智能電網(wǎng)功能可相互融合如表1所示。

表1 微電網(wǎng)與區(qū)塊鏈融合功能表

2 微電網(wǎng)公有鏈模型

微電網(wǎng)公有鏈?zhǔn)峭耆ブ行幕慕Y(jié)構(gòu)，去中心化程度與私有鏈和聯(lián)盟鏈相比最高，任何交易用戶可隨時(shí)加入并讀取區(qū)塊信息，故存儲(chǔ)數(shù)據(jù)透明度較高，適用于用戶數(shù)量種類較多、交易密度更高的微電網(wǎng)內(nèi)部交易，如圖1所示。微電網(wǎng)內(nèi)各分布式電源，如：光伏、風(fēng)機(jī)等可直接與用戶進(jìn)行電能交易，鏈內(nèi)各節(jié)點(diǎn)均存儲(chǔ)著完整的區(qū)塊數(shù)據(jù)以執(zhí)行節(jié)點(diǎn)共識(shí)和交易驗(yàn)證，確保數(shù)據(jù)不會(huì)篡改或丟失，可建立雙向交易安全體系。

圖1 微電網(wǎng)交易公有鏈

由于文中優(yōu)化策略是在完全去中心化交易架構(gòu)和部分去中心化調(diào)度架構(gòu)下進(jìn)行分析，為防止分布式交易和調(diào)度的隨機(jī)性對(duì)微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響，故對(duì)去中心化度作式(1)定義，探究其與調(diào)度結(jié)果、運(yùn)行成本、運(yùn)行效率間關(guān)聯(lián)規(guī)律。

(1)

式中Sbc為分布式調(diào)度數(shù)量；Ssc為單一中心參與下調(diào)度數(shù)量；Dsc=100為完全去中心化；50

3 計(jì)及碳排放權(quán)認(rèn)證的智能交易策略

3.1 碳排放權(quán)認(rèn)證

文獻(xiàn)[9]提出啟動(dòng)全國范圍內(nèi)碳交易市場。碳交易機(jī)制的引入在為電力系統(tǒng)靈活處理各電源碳排放提供有效途徑的同時(shí)，也有效提高了清潔能源的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心化、數(shù)據(jù)安全透明及可追溯的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)碳配額認(rèn)證及自動(dòng)清繳，為碳足跡追蹤提供了良好的技術(shù)平臺(tái)，且可在保持一定可信度和隱私水平的前提下為用戶提供需求信息，保障交易公平合理。

鏈上碳排放權(quán)交易機(jī)制如圖2所示。區(qū)塊鏈?zhǔn)紫扔?jì)量二氧化碳排放，利用分布式賬本技術(shù)對(duì)碳排放權(quán)進(jìn)行公證。賣家將碳排放交易信息發(fā)送到區(qū)塊鏈中，智能合約技術(shù)會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中碳排放量進(jìn)行計(jì)量和監(jiān)管，判斷其是否超過配額要求。在滿足排放要求的范圍內(nèi)由買方讀取交易信息，生成報(bào)價(jià)并進(jìn)行交易對(duì)象選擇；若碳排放量超過額定值，區(qū)塊鏈會(huì)對(duì)其處罰金或要求停產(chǎn)，同時(shí)將處理結(jié)果記入?yún)^(qū)塊鏈中。買賣雙方達(dá)成意向后，交易可通過智能合約自動(dòng)執(zhí)行，記錄交易ID并計(jì)量更新碳排放權(quán)。上述過程結(jié)束認(rèn)為鏈上碳排放權(quán)交易已完成，當(dāng)有新的交易需求時(shí)可開始新一輪的鏈上交易。

圖2 鏈上碳排放權(quán)交易機(jī)制

基于區(qū)塊鏈的去中心化交易中，由于交易過程缺乏第三方管理信息，故需要市場參與者發(fā)揮自身活力收集并尋找合適對(duì)象，造成主動(dòng)市場參與者和被動(dòng)市場參與者的生成[10-11]。為調(diào)動(dòng)各主體參與分布式交易的積極性，同時(shí)提高履約能力，引入履約度(Degree of Compliance,Dcom)的概念，定義在下節(jié)碳履約函數(shù)中詳細(xì)描述，來量化區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中碳排放歷史履約能力，并以此確定參與分布式交易的優(yōu)先順序，履約度越高的信用主體，可獲得的交易信息權(quán)限越大，可優(yōu)先進(jìn)行分布式交易，即在分布式交易中越優(yōu)先考慮；反之，同等出力下，將順序后移。

3.2 基于區(qū)塊鏈的智能交易過程

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中碳排放量的監(jiān)管與計(jì)量通過智能合約實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)的智能合約主要包含六個(gè)功能函數(shù)，其中碳履約函數(shù)和組合共識(shí)函數(shù)為文中創(chuàng)新點(diǎn)，其余四步為常規(guī)步驟，如圖3所示。

圖3 基于區(qū)塊鏈的電能交易流程

(1)碳履約函數(shù)。

各區(qū)塊鏈在驗(yàn)證成功后均處于相同的初始履約度D0。每次智能電能表與區(qū)塊鏈交易后，均會(huì)對(duì)交易進(jìn)行評(píng)價(jià)，用于各履約度的計(jì)算。若智能電能表對(duì)本次交易持認(rèn)同態(tài)度，則評(píng)價(jià)結(jié)果顯示Raccept為正值并添加時(shí)間戳，區(qū)塊鏈接收到私鑰加密后的評(píng)價(jià)結(jié)果(Raccept，T)后連同交易記錄一起全網(wǎng)廣播；若智能電能表對(duì)本次交易持否定態(tài)度，則評(píng)價(jià)結(jié)果顯示Rdeny為負(fù)值并添加時(shí)間戳，區(qū)塊鏈接收到經(jīng)智能電能表私鑰加密后的評(píng)價(jià)結(jié)果(Rdeny，T)后連同交易記錄一同在全網(wǎng)中進(jìn)行廣播。智能電能表發(fā)送給區(qū)塊鏈的評(píng)價(jià)信息是通過私鑰加密后的，不存在評(píng)論造假的問題，同時(shí)添加了時(shí)間戳滿足記錄的即時(shí)性要求。

當(dāng)一個(gè)記賬周期結(jié)束時(shí)，區(qū)塊鏈對(duì)本周期內(nèi)評(píng)價(jià)解密，并通過式(2)得出該周期內(nèi)的總評(píng)價(jià)R：

(2)

式中n為交易次數(shù)；k為獲得評(píng)價(jià)結(jié)果為Raccept的次數(shù)。通過取平均數(shù)的方式降低外部因素影響，求取結(jié)果適用于不同的區(qū)塊鏈形式。

設(shè)第i個(gè)記賬周期時(shí)區(qū)塊主體的履約度為Di，則當(dāng)前第t個(gè)周期的履約度可通過式(3)計(jì)算得出：

(3)

式中第一項(xiàng)為歷史履約度對(duì)當(dāng)前履約能力的影響。為真實(shí)反映當(dāng)前時(shí)刻的履約情況，通過引入遞減函數(shù)e-x來削弱歷史履約度對(duì)當(dāng)前值得影響。區(qū)塊鏈會(huì)在網(wǎng)絡(luò)中廣播各次交易的履約度，并檢驗(yàn)最高履約度主體的可信程度。校核通過后，具有最高履約度的主體獲得本次記賬權(quán)限，完成本輪交易區(qū)塊的生成并獲得獎(jiǎng)勵(lì)。依據(jù)碳排放權(quán)轉(zhuǎn)讓履約度高低確定電能交易的優(yōu)先順序，若發(fā)現(xiàn)偽造履約度的行為則取消該節(jié)點(diǎn)的記賬權(quán)。

(2)多時(shí)間尺度組合共識(shí)函數(shù)。

微電網(wǎng)內(nèi)清潔能源發(fā)電受時(shí)間和環(huán)境影響較大，不同時(shí)間段內(nèi)，對(duì)共識(shí)機(jī)制的需求有所不同。夜間或陰雨天氣下光伏出力為零，當(dāng)僅有風(fēng)電運(yùn)營商給用戶供電時(shí)，分布式電源與用戶之間交易模式為單對(duì)多交易；正午或晴天下光伏和風(fēng)機(jī)同時(shí)出力，供電方與購電方均不唯一，分布式電源與用戶之間交易模式為多對(duì)多交易。因此，基于股權(quán)權(quán)益證明 (Proof-of-Stake, PoS)共識(shí)機(jī)制提出了多時(shí)間尺度的組合共識(shí)機(jī)制。根據(jù)交易主體數(shù)量的不同分為PoS(One-to-Many, O2M)單對(duì)多共識(shí)機(jī)制和PoS(Many-to-Many, M2M)多對(duì)多共識(shí)機(jī)制。

(a)PoS(O2M)共識(shí)機(jī)制。

在單對(duì)多交易模式下，由于受外界環(huán)境影響，參與交易的發(fā)電方在任意時(shí)間段內(nèi)均唯一，交易過程中首先確定各主體報(bào)價(jià)策略，售電方的初始狀態(tài)集合和報(bào)價(jià)策略中均考慮碳履約度，隨后進(jìn)行交易匹配并更新狀態(tài)集合，直至交易額完成。

光伏、風(fēng)機(jī)的售電報(bào)價(jià)策略如下：

(4)

式中Qgrid為上網(wǎng)電價(jià)；Qgrid,min為上網(wǎng)電價(jià)中的最低報(bào)價(jià)；Di,com為清潔能源主體在時(shí)段i內(nèi)的履約度；Ai,total為能源主體在時(shí)段i的產(chǎn)能總量；Ai,load為能源主體在時(shí)段i內(nèi)的負(fù)荷需求量；Agrid為上網(wǎng)電量；Acontrat為合約電量；Qsubsidy為補(bǔ)貼電價(jià)。

常規(guī)用戶的報(bào)價(jià)策略如下：

(5)

式中Qmicrogrid為上一時(shí)刻微電網(wǎng)內(nèi)交易電價(jià)；Qgrid-sale為公共電網(wǎng)售電電價(jià)；Qcost為用戶購電成本；Ademand為用戶總需求量；Amicrogrid為通過微電源的購電電量；Aj,grid為微電源j的上網(wǎng)電量；Aj,contract為微電源j的合約電量。

對(duì)售電方而言，初始報(bào)價(jià)為qj，碳交易履約度為dj，初始狀態(tài)集合為(qj,dj)，首先按照?qǐng)?bào)價(jià)由低至高依次排序，完成后在此序列基礎(chǔ)上按照碳履約能力由高至低進(jìn)行修改，將碳履約值dj作為確定交易優(yōu)先順序的依據(jù)。交易匹配過程中，若匹配到用戶報(bào)價(jià)大于公共電網(wǎng)購電價(jià)格，則可進(jìn)行交易并將更新后的狀態(tài)集合(q′j,d′j) 全網(wǎng)廣播，反之則繼續(xù)尋找下一對(duì)象。對(duì)用戶而言，初始報(bào)價(jià)為qi，初始狀態(tài)集合為(qi,qi)，按照?qǐng)?bào)價(jià)由高至低依次排序，交易匹配過程中，若用戶的最高報(bào)價(jià)高于售電方的最低報(bào)價(jià)，則交易成功可簽訂合約，并將更新后的狀態(tài)集合 全網(wǎng)廣播，反之亦然。最終成交價(jià)格由購售電雙方的平均值確定，即：

(6)

式中Q為最終雙方成交價(jià)格；Qi,maximum為用戶的最高報(bào)價(jià)值；Qj,minimum為售電方的最低報(bào)價(jià)值；

(b)PoS(M2M)共識(shí)機(jī)制。

在多對(duì)多交易模式下，需要各電源端節(jié)點(diǎn)對(duì)某一時(shí)段T內(nèi)的供電量分配達(dá)成共識(shí)[12]，故考慮各節(jié)點(diǎn)在時(shí)間段T內(nèi)的碳交易履約程度D、電能交易量E和報(bào)價(jià)H，分別對(duì)以上三方面進(jìn)行投票排序，各節(jié)點(diǎn)投票權(quán)重值均需低于50% ，如式(7)和式(8)所示。其中當(dāng)碳履約度低于0.6時(shí)放棄該節(jié)點(diǎn)，其余節(jié)點(diǎn)依據(jù)投票結(jié)果決定最終獲得交易權(quán)的主體。

(7)

其中：

(8)

式中Ri為各節(jié)點(diǎn)獲得投票權(quán)的大??；δ為碳履約系數(shù)，當(dāng)x<0.6時(shí)該節(jié)點(diǎn)投票清零，無法獲得最終交易權(quán)；n為售電節(jié)點(diǎn)總數(shù)；Di為第i個(gè)售電節(jié)點(diǎn)的碳履約度；Ei為第i個(gè)售電節(jié)點(diǎn)在時(shí)段T內(nèi)電能交易量；Hi為第i個(gè)售電節(jié)點(diǎn)在時(shí)段T內(nèi)報(bào)價(jià)。

3.3 有效性校驗(yàn)

以北京某能源互聯(lián)網(wǎng)園區(qū)為數(shù)據(jù)來源進(jìn)行方案可行性驗(yàn)證，其中設(shè)備具體參數(shù)如表2所示。

表2 北京某能源互聯(lián)網(wǎng)園區(qū)參數(shù)表

微電網(wǎng)內(nèi)設(shè)有兩臺(tái)風(fēng)機(jī)、兩塊光伏板和五名用戶，各自輸出功率如圖4所示，圖中負(fù)荷曲線表示總負(fù)荷，而風(fēng)機(jī)、光伏輸出功率曲線為一個(gè)電源的輸出量，擬在凌晨4:00和正午12:00對(duì)風(fēng)機(jī)、光伏發(fā)電及負(fù)荷進(jìn)行交易，交易單位電量為50 kWh 。按照2020年國家發(fā)展改革委印發(fā)《通知》確定微電網(wǎng)中各主體報(bào)價(jià)范圍，風(fēng)機(jī)電價(jià)為0.47元/kWh ，光伏電價(jià)為0.35元/kWh ，居民電價(jià)為0.546 9元/kWh，因此報(bào)價(jià)在(0.35, 0.546 9) 范圍內(nèi)產(chǎn)生，報(bào)價(jià)為正表示購電，報(bào)價(jià)為負(fù)表示售電，微電網(wǎng)市場成員的初始信息如表3所示。其中節(jié)點(diǎn)編號(hào)A、B為風(fēng)機(jī)；節(jié)點(diǎn)編號(hào)C、D為光伏；節(jié)點(diǎn)編號(hào)E～I(xiàn)為用戶。

表3 微電網(wǎng)市場成員的初始信息

圖4 微電網(wǎng)內(nèi)各主體輸出功率

在凌晨4:00的時(shí)段，主體E的初始電價(jià)為0.412 5，按照履約度高低優(yōu)先與售電節(jié)點(diǎn)A相匹配，由于E的單位報(bào)價(jià)高于其與A報(bào)價(jià)的平均值，購電節(jié)點(diǎn)E狀態(tài)集合更新為(0.412 5, 0.405 9)；第二輪交易中，購電主體F向售電主體A發(fā)出交易請(qǐng)求，由于F的報(bào)價(jià)為0.410 8，高于E的報(bào)價(jià)0.405 9，故A解除與E的交易，E的狀態(tài)集合恢復(fù)為(0.412 5, 0.412 5)，最終與售電主體B以0.407 8的價(jià)格成交。在正午12:00的時(shí)段，購電主體G分別對(duì)該時(shí)段內(nèi)售電主體A～D的碳交易履約程度、電能交易量和報(bào)價(jià)進(jìn)行投票排序，由于售電節(jié)點(diǎn)C履約度低于0.6，在按照式(7)和式(8)進(jìn)行計(jì)算時(shí)結(jié)果為0，無法獲得交易權(quán)，最終優(yōu)先與三方得票率均超過50%的售電節(jié)點(diǎn)B進(jìn)行交易，雙方更新狀態(tài)集合，之后匹配到售電節(jié)點(diǎn)A，由于此時(shí)A與購電節(jié)點(diǎn)F進(jìn)行交易，且A的投票結(jié)果低于B，故交易不成立，最終投票確定購電節(jié)點(diǎn)G與售電節(jié)點(diǎn)B為最終購電方案。

由圖5可以看出，提出的組合共識(shí)交易機(jī)制針對(duì)不同時(shí)間尺度下交易特征的變化采用不同共識(shí)機(jī)制，有效減少完成電能交易需要的迭代次數(shù)。且隨交易主體數(shù)量的增多，優(yōu)化效果更為明顯，通過更為靈活的共識(shí)交易方式使得降低算力資源消耗，提高交易效率。

圖5 迭代次數(shù)對(duì)比圖

由表4和圖6可知，利用微電網(wǎng)內(nèi)清潔能源優(yōu)勢，將碳排放權(quán)認(rèn)證引入電能交易中，在18:00～21:00的負(fù)荷高峰時(shí)段內(nèi)，通過轉(zhuǎn)讓盈余的碳排放指標(biāo)有效降低運(yùn)行成本，在促進(jìn)能源主體積極參與碳排放權(quán)認(rèn)證、自覺履行合約電量的同時(shí)，提高微電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，降低運(yùn)行成本7.35%。在22:00～次日5:00的低電價(jià)時(shí)段內(nèi)，風(fēng)機(jī)出力較大，火電等傳統(tǒng)能源的碳配額充足，計(jì)及碳排放權(quán)后運(yùn)行成本無明顯變化。

表4 不同機(jī)制下的日運(yùn)行成本

圖6 不同時(shí)段微電網(wǎng)的運(yùn)行成本

4 含聯(lián)合激勵(lì)機(jī)制演化博弈算法的協(xié)同調(diào)度模型

4.1 基于微電網(wǎng)公有鏈的調(diào)度架構(gòu)

微電網(wǎng)在智能電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中既是購電方又是售電方，且涉及用戶數(shù)量種類較多，交易實(shí)時(shí)性更強(qiáng)，交易密度更高，故采用公有鏈的構(gòu)建方式更為科學(xué)[13-14]。微電網(wǎng)公有鏈不僅可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)交易信息記錄，防止惡意篡改和違約，同時(shí)能為售電公司提供數(shù)據(jù)參考，輔助售電公司制定未來的購電計(jì)劃，且公有鏈內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)均可自行選擇是否參與記賬權(quán)競爭，不會(huì)以預(yù)先設(shè)定的方式強(qiáng)制要求，各節(jié)點(diǎn)均通過共識(shí)機(jī)制驗(yàn)證最優(yōu)調(diào)度計(jì)劃并獲得相應(yīng)激勵(lì)。微電網(wǎng)內(nèi)基于區(qū)塊鏈的電力交易與電力調(diào)度關(guān)系如圖7所示，在完成交易結(jié)算過程后，選擇合適的調(diào)度模型制定電力調(diào)度計(jì)劃，按照實(shí)時(shí)發(fā)電狀況對(duì)電力調(diào)度進(jìn)行一定程度上調(diào)整修正。

圖7 基于區(qū)塊鏈的電力調(diào)度流程

基于微電網(wǎng)公有鏈的調(diào)度模型中，調(diào)度區(qū)塊鏈并不決定電能調(diào)度結(jié)果，而僅作為信息匯集整合的中轉(zhuǎn)站和服務(wù)商，打破電源和用戶間信息壁壘降低調(diào)度過程中信用成本。且由于信息公開透明，通過對(duì)分時(shí)用電需求的不斷更新，有效降低能源需求峰谷差值，更有利于能源的穩(wěn)定調(diào)度，如圖8所示。

圖8 調(diào)度區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)示意圖

交易的達(dá)成必須經(jīng)過調(diào)度系統(tǒng)的安全校核，將功率、線損等作為約束。且考慮到目前電網(wǎng)公司體系中仍存在調(diào)度中心，提出“調(diào)度部分去中心化”的弱中心化思想，保留調(diào)度中心職能，通過區(qū)塊鏈共識(shí)機(jī)制選定臨時(shí)調(diào)度中心執(zhí)行各層調(diào)度任務(wù)，同時(shí)微電網(wǎng)公有鏈會(huì)對(duì)交易調(diào)度信息進(jìn)行核準(zhǔn)，通過判斷交易申請(qǐng)功率與現(xiàn)有功率之和是否超出線路設(shè)計(jì)總功率，確定該筆交易是否滿足審核要求，為電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行提供安全監(jiān)管。

弱中心化下的電力交易需設(shè)立臨時(shí)中心，臨時(shí)中心節(jié)點(diǎn)受負(fù)荷位置、供電位置、供電單元、網(wǎng)絡(luò)延遲等因素影響[18]，依據(jù)每筆交易信息的不同，所選取的臨時(shí)中心會(huì)發(fā)生變化，如圖9和圖10所示。

圖9為t1時(shí)刻臨時(shí)中心點(diǎn)選擇過程，提供電能的電廠中包含3個(gè)火電廠、1個(gè)風(fēng)電廠和1個(gè)光伏電站，系統(tǒng)通信節(jié)點(diǎn)對(duì)該輪調(diào)度數(shù)據(jù)中需求解的隨機(jī)數(shù)進(jìn)行廣播并解算反饋，各節(jié)點(diǎn)對(duì)交易數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式存儲(chǔ)的同時(shí)更新本地交易調(diào)度數(shù)據(jù)，能夠優(yōu)先計(jì)算出正確隨機(jī)數(shù)結(jié)果的變電站節(jié)點(diǎn)作為本輪調(diào)度的臨時(shí)中心，執(zhí)行本層調(diào)度任務(wù)并獲得一定獎(jiǎng)勵(lì)收益。圖10所示為t2時(shí)刻臨時(shí)中心點(diǎn)選擇過程，提供電能的電廠中包含兩個(gè)火電廠、兩個(gè)風(fēng)電廠和1個(gè)光伏電站，與t1時(shí)刻所處地理位置、供電情況均不同，故重新選擇臨時(shí)中心節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行隨機(jī)數(shù)計(jì)算。通過上傳數(shù)據(jù)可知該輪交易在變電站內(nèi)申請(qǐng)的有功功率，利用區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)可知該變電站申請(qǐng)時(shí)段內(nèi)的負(fù)荷最大值，因而得出可利用功率和所需總功率，確保電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖9 t1時(shí)刻臨時(shí)中心節(jié)點(diǎn)

圖10 t2時(shí)刻臨時(shí)中心節(jié)點(diǎn)

調(diào)度區(qū)塊鏈的智能合約含式(9)所示數(shù)量關(guān)系：

S=G·Pele·Fstable

(9)

式中S為綜合各方面因素后確定的調(diào)度計(jì)劃；G為分布式電源的日發(fā)電量；Pele為該分布式電源的發(fā)電電價(jià)；Fstable為該電源的發(fā)電穩(wěn)定程度，且發(fā)電側(cè)穩(wěn)定程度必須高于用電側(cè)，才能滿足調(diào)度要求。

調(diào)度效率受完成時(shí)間、實(shí)際調(diào)度功率和預(yù)期調(diào)度功率的影響，表示為式(10)，完成時(shí)間越短、實(shí)際調(diào)度功率與預(yù)期功率偏差越小，效率越高。

(10)

式中tsch為完成時(shí)間；Wactual為實(shí)際調(diào)度功率值；Wexpect為預(yù)期調(diào)度功率值。

4.2 調(diào)度模型

為充分發(fā)揮微電網(wǎng)分布式調(diào)度優(yōu)勢，在確保安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，以負(fù)荷峰值時(shí)段內(nèi)從配電網(wǎng)購電值最小為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解，降低配電網(wǎng)的集中調(diào)度計(jì)算量，鼓勵(lì)用戶優(yōu)先選擇微電網(wǎng)內(nèi)部購電，提高用戶響應(yīng)程度，目標(biāo)函數(shù)如下：

(11)

式中Conbuy為負(fù)荷峰值時(shí)段內(nèi)需通過配電網(wǎng)購電獲得的電量；Contotal為負(fù)荷峰值時(shí)段內(nèi)用戶總的需求電量；EPdiesel為柴油電價(jià)；EPwt為微電網(wǎng)內(nèi)風(fēng)機(jī)單位電價(jià)；EPpv為微電網(wǎng)內(nèi)光伏單位電價(jià)；EPnetwork為配電網(wǎng)購買電價(jià)；Condiesel為柴油耗量；Genwt為風(fēng)機(jī)發(fā)電功率；Genpv為光伏發(fā)電功率。

該目標(biāo)函數(shù)下約束條件包括功率平衡約束、機(jī)組出力限值和機(jī)組爬坡約束。

4.3 含聯(lián)合激勵(lì)機(jī)制的演化博弈算法

演化博弈的核心是演化穩(wěn)定策略和復(fù)制者動(dòng)態(tài)，分別表征演化博弈的穩(wěn)定狀態(tài)及向這種穩(wěn)定狀態(tài)動(dòng)態(tài)收斂的過程。在演化博弈過程中，演化結(jié)果雖很大程度上取決于系統(tǒng)的初始狀態(tài)，但可通過改變獎(jiǎng)懲機(jī)制改變演化走勢，使系統(tǒng)收斂于較好的演化穩(wěn)定策略。以微電網(wǎng)運(yùn)營商和配電網(wǎng)運(yùn)營商為博弈對(duì)象，各自以投資成本最小為支付函數(shù)，引入對(duì)調(diào)度合約失信方的聯(lián)合激勵(lì)機(jī)制，基于區(qū)塊鏈技術(shù)對(duì)調(diào)度進(jìn)行過程中的全部歷史執(zhí)行信息進(jìn)行考量。設(shè)計(jì)包含整體激勵(lì)和部分激勵(lì)的聯(lián)合激勵(lì)函數(shù)，鼓勵(lì)使用新能源，提高新能源消納，更好地分析去中心化度、可靠度在調(diào)度過程中的變化過程，最終確定最優(yōu)演化狀態(tài)策略。調(diào)度去中心化度在前面已進(jìn)行介紹，可靠度是指微電網(wǎng)電力不足概率，定義為：

(12)

式中Ogen為發(fā)電單元的可用容量；Oann為系統(tǒng)年最大負(fù)荷需求，式(12)可真實(shí)反映電力市場供需形勢的同時(shí)，量化系統(tǒng)容量不足的風(fēng)險(xiǎn)，其值越大，說明發(fā)電方越有充足市場。

設(shè)計(jì)的優(yōu)化算法中包含支付函數(shù)、復(fù)制者動(dòng)態(tài)方程、針對(duì)調(diào)度合約失信方的聯(lián)合激勵(lì)函數(shù)和演化穩(wěn)定策略確定四步，微電網(wǎng)運(yùn)營商和配電網(wǎng)運(yùn)營商各自以網(wǎng)內(nèi)各時(shí)段分布式電源輸出功率及柴油發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能電池的功率為策略集合，在最大化演化時(shí)間約束限定下，通過分析聯(lián)合激勵(lì)機(jī)制在博弈群體中的適應(yīng)性，最終確實(shí)演化穩(wěn)定策略。本節(jié)主要介紹支付函數(shù)和聯(lián)合激勵(lì)函數(shù)。

(1)支付函數(shù)代表雙方運(yùn)營商在某一時(shí)間段內(nèi)的經(jīng)濟(jì)效益，微電網(wǎng)運(yùn)營商支付函數(shù)如式(13)所示，配電網(wǎng)運(yùn)營商支付函數(shù)如式(14)所示：

PAmicro=Cinv+Cmain+Cdiesel-Csub-Csale

(13)

式中Cinv為微電網(wǎng)內(nèi)清潔能源及儲(chǔ)能裝置的年投資成本；Cmain為微電網(wǎng)內(nèi)清潔能源及儲(chǔ)能裝置的維護(hù)、檢修成本；Cgas為柴油發(fā)電機(jī)的柴油成本；Csub為清潔能源發(fā)電的補(bǔ)貼費(fèi)用；Csale為微電網(wǎng)運(yùn)營商的售電費(fèi)用;tsch為完成時(shí)間；Wactual為實(shí)際調(diào)度功率值；Wexpect為預(yù)期調(diào)度功率值。

PAdist=Cinv,dist+Closs-Cmicro-Csale,dist

(14)

式中Cinv,dist為配電網(wǎng)年投資成本；Closs為配電網(wǎng)網(wǎng)損成本；Cmicro為微電網(wǎng)運(yùn)營收益；Csale,dist為配電網(wǎng)運(yùn)營商售電費(fèi)用。

(2)在演化博弈過程中，微電網(wǎng)運(yùn)營商期望通過分布式能源容量的合理配置，使內(nèi)部效益最大化，雖然新能源出力受環(huán)境因素影響，存在不確定性，常作為合約失信方，但同時(shí)其具有更高的合同履約潛力，應(yīng)該通過適當(dāng)?shù)募?lì)政策提高履約能力，鼓勵(lì)使用新能源，提高其消納能力。聯(lián)合激勵(lì)機(jī)制包含整體激勵(lì)和部分激勵(lì)，整體激勵(lì)針對(duì)博弈中所有合約失信主體，且激勵(lì)值相同；部分激勵(lì)針對(duì)連續(xù)兩次以上的失信主體，且激勵(lì)值不同。各機(jī)組的歷史執(zhí)行結(jié)果利用區(qū)塊鏈技術(shù)分布式的存儲(chǔ)于各節(jié)點(diǎn)，且以元組的形式表示為：

HERw(e)=[k1,k2,...,kw]

(15)

式中HER為歷史執(zhí)行結(jié)果；ω為博弈進(jìn)行的輪數(shù)；e為博弈單元；kw為博弈進(jìn)行ω次后的執(zhí)行結(jié)果，其值為0表示博弈結(jié)果單次失信，選擇整體激勵(lì)函數(shù)；反之為連續(xù)失信，選擇部分激勵(lì)函數(shù)。

HER整體激勵(lì)函數(shù)：

(16)

HER部分激勵(lì)函數(shù)：

(17)

式中?con為合約電量；?act為實(shí)際電量。|?con-?act|為[k1,k2,…,kw]元組中0的個(gè)數(shù)，激勵(lì)函數(shù)中除包含當(dāng)前博弈周期的執(zhí)行結(jié)果外，還包含歷史結(jié)果。

5 算例分析

在微電網(wǎng)完成分布式交易基礎(chǔ)上，本節(jié)同樣在北京某能源互聯(lián)網(wǎng)園區(qū)參數(shù)下采用含聯(lián)合激勵(lì)機(jī)制的演化博弈算法進(jìn)行分布式調(diào)度，并探究在調(diào)度去中心化度和可靠度的作用下各機(jī)組功率輸出狀態(tài)，以及調(diào)度去中心化度與運(yùn)行成本、運(yùn)行效率間關(guān)聯(lián)規(guī)律，進(jìn)而驗(yàn)證所提策略對(duì)微電網(wǎng)運(yùn)行的有效優(yōu)化。圖11為能源互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)云平臺(tái)，利用互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)將園區(qū)內(nèi)能源負(fù)荷數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，做到實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析并調(diào)控。圖12為系統(tǒng)主接線圖，可以看到在系統(tǒng)內(nèi)有2.5 MW風(fēng)機(jī)、1 MW風(fēng)機(jī)，光伏陣列和柴油發(fā)電機(jī)，可以同時(shí)監(jiān)測當(dāng)下不同發(fā)電單元和負(fù)荷單元的有功功率和無功功率，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。

圖11 能源互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)云平臺(tái)

圖12 系統(tǒng)主接線圖

為探究不同去中心化度對(duì)調(diào)度結(jié)果的影響，保持可靠度一定，改變?nèi)ブ行幕?，調(diào)度結(jié)果如圖13、圖14所示。

圖13 可靠度為0.90，去中心化度0.85下調(diào)度結(jié)果

圖14 可靠度為0.90，去中心化度為0.90下調(diào)度結(jié)果

由圖13和圖14對(duì)比可知，隨去中心化度值的增加，微電網(wǎng)在7:00～10:00和15:00～18:00的電價(jià)平時(shí)段柴油發(fā)電機(jī)出力增加，促進(jìn)微電網(wǎng)內(nèi)部電能調(diào)度，減少從配電網(wǎng)購電總量；在10:00～15:00的電價(jià)峰值時(shí)段柴油發(fā)電機(jī)出力減少，從而降低了系統(tǒng)運(yùn)行成本；在23:00～7:00的電價(jià)谷時(shí)段配電網(wǎng)購電值降低，為避免去中心化度增加對(duì)微電網(wǎng)運(yùn)行可靠度產(chǎn)生影響，通過增加購買備用容量來滿足系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的要求。因而，在去中心化度隨區(qū)塊鏈參與比例的增加而不斷提高的過程中，微電網(wǎng)運(yùn)行成本降低，機(jī)組出力有明顯的優(yōu)化配置。

由圖15可知，在去中心化度介于[0, 53]之間時(shí)，微電網(wǎng)運(yùn)行效率隨調(diào)度去中心化度的增加而增加，存在正相關(guān)性；在去中心化度介于[53, 100]之間時(shí)，微電網(wǎng)運(yùn)行效率隨調(diào)度去中心化度的增加而降低；在去中心化度為53時(shí)，微電網(wǎng)調(diào)度呈現(xiàn)弱中心化，微電網(wǎng)運(yùn)行效率達(dá)峰值76.5%，此時(shí)完成時(shí)間最短、實(shí)際調(diào)度功率與預(yù)期功率偏差最小。因而，應(yīng)控制區(qū)塊鏈參與比例為總需求量的53%附近，使微電網(wǎng)運(yùn)行效率達(dá)到最佳。

圖15 調(diào)度去中心化度與微電網(wǎng)運(yùn)行效率的關(guān)系

由圖16可知，可靠度在[0.48, 0.64]之間，系統(tǒng)運(yùn)行成本隨可靠度增加而逐漸增大，且去中心化度分別為0.85、 0.90和0.95的曲線變化趨勢一致。在維持微電網(wǎng)運(yùn)行成本不變的前提下，提高調(diào)度去中心化度，需減小對(duì)可靠度的要求，進(jìn)而危及微電網(wǎng)的安全運(yùn)行。因此，區(qū)塊鏈的過度參與會(huì)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響，在對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行安全穩(wěn)定性分析時(shí)，需著重平衡可靠度與調(diào)度去中心化度間的關(guān)系，選擇合理的關(guān)系值，在微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，降低運(yùn)行成本。

圖16 不同可靠度下的運(yùn)行成本

6 結(jié)束語

圍繞微電網(wǎng)內(nèi)智能交易與協(xié)同調(diào)度策略展開研究，運(yùn)用區(qū)塊鏈去中心化特征，完成完全去中心化交易和弱中心化調(diào)度，并得出去中心化度、可靠度與運(yùn)行效率和運(yùn)行成本間的關(guān)聯(lián)規(guī)律。通過引入碳排放權(quán)認(rèn)證和組合共識(shí)機(jī)制，發(fā)揮新能源清潔綠色的功效，提高其消納能力。最后通過北京某能源互聯(lián)網(wǎng)園區(qū)運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)所提策略進(jìn)行驗(yàn)證，得到以下有益結(jié)論：

(1)在對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行安全穩(wěn)定性分析時(shí)，需著重平衡可靠度與調(diào)度去中心化度間的關(guān)系，選擇合理的關(guān)系值,保證微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，降低運(yùn)行成本；當(dāng)去中心化度達(dá)53時(shí)，微電網(wǎng)運(yùn)行效率達(dá)到峰值；

(2)搭建的計(jì)及碳排放權(quán)認(rèn)證微電網(wǎng)智能交易模型，可起到降低運(yùn)行成本和提高迭代收斂速度的效果；并在此基礎(chǔ)上，搭建基于微電網(wǎng)公有鏈的弱中心化調(diào)度架構(gòu)，提高新能源消納能力；

(3)文中僅從微電網(wǎng)內(nèi)部研究去中心化度及關(guān)聯(lián)規(guī)律，下一步可將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于多微電網(wǎng)之間，進(jìn)行交易和調(diào)度策略研究，通過資源整合與能量互濟(jì)可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)自治消納，對(duì)外功率優(yōu)化。