基于區(qū)塊鏈的配電網(wǎng)能效自動(dòng)化管理方法

范偉,王東杰,張智遠(yuǎn),劉衛(wèi)強(qiáng),沈宏亮,華蕾

(1.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司保定供電分公司,河北 保定071000;2.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司,石家莊050021)

0 引 言

近年來,能源需求持續(xù)穩(wěn)步增長(zhǎng),預(yù)計(jì)到2030年,其增幅將達(dá)40%左右。為滿足能源需求,可再生清潔能源必將逐步發(fā)展成為主要能源選擇?？稍偕茉此急壤脑黾訉⒕徑饣茉匆鸬沫h(huán)境危機(jī),并將市場(chǎng)由消費(fèi)者導(dǎo)向轉(zhuǎn)為產(chǎn)消者導(dǎo)向[1-3]。未來,可再生清潔能源將更多進(jìn)入居民用戶家中,電力系統(tǒng)也將由傳統(tǒng)配網(wǎng)向新型、智能配網(wǎng)進(jìn)行過渡轉(zhuǎn)變[4-5]。

配電自動(dòng)化及需求側(cè)管理是實(shí)現(xiàn)智能配網(wǎng)的重要標(biāo)志[6-7]。過去,在發(fā)電和用電負(fù)荷方面的大多數(shù)工作都是無法管理的,亟需一個(gè)智能、安全的能效管理系統(tǒng),通過其對(duì)負(fù)荷峰、電價(jià)等的管理調(diào)控使得社區(qū)總能耗及消費(fèi)者電費(fèi)支出最少[8-10]。當(dāng)前,越來越多的電力用戶自行構(gòu)建太陽能發(fā)電裝置以及構(gòu)建充電樁等設(shè)備進(jìn)行售電[11],允許廣大消費(fèi)者以及電力生產(chǎn)者針對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的電能實(shí)現(xiàn)能量交換成為了發(fā)展趨勢(shì)。區(qū)塊鏈技術(shù)則以分布式的方式處理數(shù)據(jù),支持區(qū)域中心化直接與P2P能源實(shí)現(xiàn)交易。區(qū)塊鏈技術(shù)的成功應(yīng)用將使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴⒂脩舻碾[私性得到保障[12-19]。

現(xiàn)有的針對(duì)電網(wǎng)需求側(cè)管理的研究工作側(cè)重于公用電網(wǎng)和消費(fèi)者之間的交互,但未考慮到消費(fèi)者可轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)消者進(jìn)行能源交易的過程,且不適用于實(shí)時(shí)環(huán)境。在此研究背景下,本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)智能電能表和社區(qū)微電網(wǎng)多戶分布式的需求側(cè)管理系統(tǒng),并可通過所提出的博弈論模型實(shí)現(xiàn)能效管理,降低個(gè)人家庭用電支出和社區(qū)總能耗。

1 配電網(wǎng)調(diào)度交易機(jī)構(gòu)模型

1.1 模型概述

基于動(dòng)態(tài)電價(jià)政策對(duì)家用電器進(jìn)行設(shè)備調(diào)度從而實(shí)現(xiàn)最小化電費(fèi)支出的能效管理是本文擬實(shí)現(xiàn)的主要目標(biāo)。圖1給出了基于區(qū)塊鏈技術(shù)開發(fā)的智能社區(qū)配電系統(tǒng)的框架。該智能配電系統(tǒng)中包含兩類計(jì)劃表,一是社區(qū)總計(jì)劃表,二是家用的能耗計(jì)劃表。社區(qū)計(jì)劃表不僅將被用于交換定價(jià)信號(hào)、微電網(wǎng)中的可用電量數(shù)據(jù)以及向公用電網(wǎng)購買或出售的電量數(shù)據(jù),還將保證在整個(gè)智能社區(qū)中實(shí)現(xiàn)供需平衡。能耗計(jì)劃表通常由物聯(lián)網(wǎng)智能電能表充當(dāng),其將用于在市場(chǎng)參與者之間雙向交換信息,在控制家用電器調(diào)度的同時(shí)也充當(dāng)分布式市場(chǎng)的控制中心,在這過程中隱私性將得到保障。在此框架下,本文提出了一個(gè)基于非合作博弈論的家用負(fù)荷設(shè)備調(diào)度策略[20-23]。一個(gè)社區(qū)中的部分家庭用戶將被定義為產(chǎn)消者,即指用戶可自行構(gòu)建太陽能、風(fēng)能發(fā)電裝置進(jìn)行供售電,同時(shí)具有生產(chǎn)者和消費(fèi)者屬性。在能源未得到充分利用時(shí),他們可以向鄰近出售多余的電能而成為生產(chǎn)者;而在產(chǎn)能不夠或能源需求較大時(shí),他們將向外購買電能因此成為消費(fèi)者。作為終端用戶,每個(gè)用戶都裝有物聯(lián)網(wǎng)智能電能表和相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)配套設(shè)備。用戶可通過先進(jìn)的計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、智能電能表、社區(qū)微電網(wǎng)、公用電網(wǎng)之間的通信。

圖1 含區(qū)塊鏈的社區(qū)配電網(wǎng)框架

1.2 模型建立

假設(shè)一個(gè)社區(qū)中有N個(gè)家庭用戶,每個(gè)用戶的一種家用電器設(shè)備用A表示,不同家用電器組成的設(shè)備集合用Am,nm表示,則有A∈Am,nm。不同用戶的家用電器設(shè)備集Am,nm不同,從社區(qū)微電網(wǎng)和公用電網(wǎng)購買電價(jià)格信號(hào)不同,同時(shí)每個(gè)用戶使用電器的時(shí)間段也不同。這些與用戶個(gè)體相關(guān)的信息在物聯(lián)網(wǎng)智能電能表上均具私密性。在此,先將用戶家中智能電器設(shè)備分為可調(diào)設(shè)備和不可調(diào)設(shè)備兩類。可調(diào)設(shè)備可根據(jù)能效管理系統(tǒng)對(duì)其使用時(shí)間段進(jìn)行調(diào)整,達(dá)到錯(cuò)峰使用減少電費(fèi)支出的目的,如洗衣機(jī)、真空吸塵器、洗碗機(jī)和烘干機(jī)等;反之則為不可調(diào)峰設(shè)備,如冰箱、電燈、電視機(jī)等。

假設(shè)將可調(diào)設(shè)備的集合表示為Am,n,并且對(duì)于每個(gè)用戶,有n∈N,am= 1,...,Am,n,其總負(fù)荷可用式(1)表示:

(1)

式中Pm,n為可調(diào)設(shè)備總負(fù)荷;PAm,n為單個(gè)可調(diào)設(shè)備負(fù)荷。

不可調(diào)設(shè)備的使用時(shí)間不能靈活調(diào)整,其能耗在某一固定時(shí)間段t∈T內(nèi)為常數(shù)。將用戶n∈N的一系列不可調(diào)設(shè)備定義為Anm,n,其總負(fù)荷可寫為:

(2)

式中Pnm,n為不可調(diào)設(shè)備總負(fù)荷;PAnm,n為單個(gè)不可調(diào)設(shè)備負(fù)荷。

(3)

對(duì)于整個(gè)社區(qū)而言,記所有用戶的總功耗為Pt,則某一時(shí)間段內(nèi)PT可寫為:

(4)

該模型的優(yōu)化目標(biāo)是讓用戶在有限的能源配置條件下通過調(diào)控設(shè)備使用時(shí)間和用電成本來實(shí)現(xiàn)開支最小化。本模型中家用電器的運(yùn)行電價(jià)采用24小時(shí)前電價(jià)。每個(gè)用戶都擁有自己的能源消耗時(shí)間表,以便根據(jù)自身需求調(diào)整高峰時(shí)段從而減少電費(fèi)支出。為此,將功耗峰值和平均值的比值用PAR表示,該值代表了整個(gè)系統(tǒng)中所有用戶需求的形狀特征。式(5)給出了功耗峰值Ppeak、平均值Pavg及PAR的計(jì)算式。

(5)

除功耗外,電價(jià)是影響設(shè)備調(diào)度的另一個(gè)重要因素。定價(jià)信號(hào)來自于社區(qū)微電網(wǎng)和公用配電網(wǎng),并以社區(qū)這一級(jí)來進(jìn)行輸入和輸出電量的核算。社區(qū)電網(wǎng)購電采用動(dòng)態(tài)定價(jià)方案,假定電力價(jià)格是已知的,在宣布后不能改變。電價(jià)基于統(tǒng)一費(fèi)率、分時(shí)電價(jià)、臨界峰值電價(jià)(CPP)或?qū)崟r(shí)電價(jià)(RTP)確定,消費(fèi)者可以自由選擇定價(jià)方案。同樣大小的負(fù)荷在一天中不同時(shí)段的費(fèi)用可能不同,社區(qū)微電網(wǎng)白天用電便宜,公用電網(wǎng)較貴,夜間則相反。最終的能源價(jià)格取決于能源消耗和一天中能量的利用時(shí)間。

(6)

目標(biāo)函數(shù)是使社區(qū)和個(gè)人用戶的設(shè)備運(yùn)行成本最小化,如(7)所示。

(7)

社區(qū)用戶則根據(jù)用電空閑時(shí)段給出自身偏好作為約束條件,如式(8)～式(13)所示。約束條件共分為6類,下面分別闡述。

1)決定變量約束。

(8)

2)能量平衡約束。

(9)

3)運(yùn)行時(shí)段偏好約束。

用二元矩陣表示啟用設(shè)備的意愿因子,需要提供在時(shí)間段t內(nèi)使用設(shè)備a時(shí)的意愿度Wn,tla。這些設(shè)備的使用根據(jù)運(yùn)行時(shí)段偏好進(jìn)行約束。

(10)

4)設(shè)備運(yùn)行序列約束。

某些設(shè)備之間存在著前后運(yùn)行的聯(lián)系,需要被考慮進(jìn)約束條件中。例如烘干機(jī)在洗衣機(jī)運(yùn)行完畢后才會(huì)啟動(dòng),si即表示這類負(fù)荷,決策變量則在每個(gè)時(shí)間段內(nèi)從各組中選擇出需要運(yùn)行的單個(gè)設(shè)備。

(11)

5)設(shè)備持續(xù)運(yùn)行約束。

家用電器設(shè)備的功率消耗和運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)對(duì)于計(jì)算總功耗來說是必要條件。不同的家電的運(yùn)行時(shí)間不同。約束條件F7中,tla為第a個(gè)設(shè)備在T時(shí)段內(nèi)的具體運(yùn)行時(shí)間。αn,tla為設(shè)備開關(guān)狀態(tài)的決定變量。有時(shí)設(shè)備需在完成任務(wù)期間保持連續(xù)開啟,需給出了設(shè)備的啟動(dòng)時(shí)間和結(jié)束時(shí)間。約束條件F8即是為特定設(shè)備在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)連續(xù)運(yùn)行而設(shè)計(jì)的,ts是設(shè)備的啟動(dòng)時(shí)間。

(12)

6)移峰填谷約束。

F9代表谷填充。而F10是移峰,表明在需求高峰期間能源消耗負(fù)荷的減少。該約束使得調(diào)度后的峰值需求小于或等于初始峰值Pmax。

(13)

式(7)和約束條件中的目標(biāo)函數(shù)在此優(yōu)化問題中是線性的,該問題可采用分支定界算法進(jìn)行集中求解,并給出唯一解,可使目標(biāo)社區(qū)系統(tǒng)的用戶成本最小化。

1.3 非合作博弈模型

式(7)中,結(jié)合式(8)～式(13)中的約束條件,采用集中式優(yōu)化方法求解,可得到用戶及其調(diào)度的最優(yōu)解,這種集中優(yōu)化是基于整個(gè)社區(qū)的總負(fù)荷。用戶隱私泄露是集中式方法的主要問題之一,用戶與總計(jì)劃表共享所有信息。針對(duì)這些問題,以分布式方式求解用戶的目標(biāo)函數(shù)。運(yùn)用博弈論方法,在家用電能源調(diào)控系統(tǒng)和電力公司之間交換最小信息。該方法目標(biāo)是通過能耗調(diào)控器的功能實(shí)現(xiàn)基于消費(fèi)者個(gè)人需求的能源配置。當(dāng)然,激勵(lì)用戶使用物聯(lián)網(wǎng)智能電能表并利用它來降低電費(fèi)支出也是非常重要的。本部分研究的重點(diǎn)是個(gè)人用戶無隱私泄露的能源成本最小化問題[24-25]。

每個(gè)用戶的計(jì)費(fèi)成本取決于所提供的在T時(shí)段內(nèi)的計(jì)費(fèi)價(jià)格、可用能源和設(shè)備消耗向量。每個(gè)用戶都優(yōu)化自己的能耗計(jì)劃,以降低用戶個(gè)人成本,而非整體利益最大化,因此在社區(qū)用戶之間建立非合作博弈模型。智能社區(qū)微網(wǎng)中的所有用戶都是博弈參與者,N是一組參與者。每一種用戶能耗博弈在都涉及到以下三個(gè)組成部分:

1)用戶:智能社區(qū)微網(wǎng)中的所有用戶,其集合表示為N。

2)策略:每個(gè)用戶n(n∈N)的能源消耗調(diào)度。

3)收益:根據(jù)約束式(8)、式(13),通過最小化能源消耗成,來最大化每個(gè)用戶的收益n(Pn,P-n)。

(14)

(15)

2 分布式算法

在用戶之間合作的前提下,物聯(lián)網(wǎng)智能儀表可通過合理安排設(shè)備使用減少能耗費(fèi)用支出。用戶之間的能量消耗博弈納什均衡與線性約束問題式(7)的最優(yōu)解相同。在由N個(gè)家庭用戶組成的配電網(wǎng)社區(qū)中,可利用家電調(diào)度迭代方法使得單個(gè)家庭用電成本最小化。當(dāng)用戶數(shù)量N足夠大時(shí)采用傳統(tǒng)算法計(jì)算慢,分布式計(jì)算具有分布性和并發(fā)性,可有效提高計(jì)算效率。此外,分布式計(jì)算可有效防止用戶隱私泄露,因此本文采用了分布式算法。本文采用分布式的方法發(fā)開了兩種算法,分別作用于售電公司端和用戶端,共同實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)能源交易和調(diào)度,算法流程分別如圖2及圖3所示。

圖2 算法1流程圖

圖3 算法2流程圖

其中,算法1用于電力公司端,分別負(fù)責(zé)更新能源可用性信息、向用戶發(fā)送定價(jià)信號(hào)和實(shí)時(shí)計(jì)算總負(fù)荷Pt;算法2則用于用戶端通過博弈論求解對(duì)單個(gè)用戶設(shè)備進(jìn)行調(diào)度計(jì)劃更新,分別進(jìn)行隨機(jī)初始化、采用分支定界法求最優(yōu)解、更新能耗調(diào)度計(jì)劃、以及信息交互等。其中,算法2鑲嵌在算法1中,算法1中有關(guān)N個(gè)用戶中總功耗Pt的計(jì)算建立在單個(gè)用戶n的家庭能耗計(jì)劃基礎(chǔ)上。

3 能效管理及調(diào)度的區(qū)塊鏈應(yīng)用

能源市場(chǎng)通常會(huì)存在價(jià)格靈活變化、非均衡能源調(diào)度、非均衡能源貿(mào)易以及能源交易清算等現(xiàn)象。該系統(tǒng)模型通過智能合約在電力交易系統(tǒng)中進(jìn)行信息交換和交易結(jié)算,使每個(gè)用戶的效益最大化。該系統(tǒng)沒有直接優(yōu)化調(diào)度和電力交易,而是為此創(chuàng)建用于社區(qū)微電網(wǎng)的用電及交易結(jié)算的社區(qū)區(qū)塊鏈交易鏈(CBTC)。這也用于將設(shè)備調(diào)度間隔存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈上或區(qū)塊鏈外,以便在電價(jià)較低的時(shí)刻運(yùn)行。區(qū)塊鏈技術(shù)存儲(chǔ)所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),包括可再生能源、高峰時(shí)段、非高峰時(shí)段、負(fù)荷需求和電價(jià)。

國(guó)內(nèi)用戶與能源管理智能計(jì)劃表互聯(lián)。在圖1中,虛線表示信息流(資金、調(diào)度等),實(shí)線表示智能社區(qū)中的電力流。每個(gè)消費(fèi)者都有自己的物聯(lián)網(wǎng)智能儀表,用于社區(qū)微電網(wǎng)中的信息交換。物聯(lián)網(wǎng)智能儀表與用戶、能源供應(yīng)商互動(dòng),從智能設(shè)備收集信息并自動(dòng)運(yùn)行。該計(jì)劃表用于管理電力需求,以調(diào)度可管理的設(shè)備負(fù)荷,有助于以P2P方式優(yōu)化本地能源市場(chǎng),并與社區(qū)微電網(wǎng)或公用事業(yè)公司達(dá)成定價(jià)協(xié)議。用戶直接從社區(qū)微電網(wǎng)或公用配電網(wǎng)或其他用戶處購買電力,智能合約通過預(yù)定義的談判規(guī)則處理該過程。智能合約檢查所需電力的可用性,并自動(dòng)檢查電價(jià),其中智能合約是不可變的。

首先,使用智能合約定義協(xié)議,然后將資金發(fā)送到作為托管賬戶的預(yù)定義地址,電力傳輸過程發(fā)生在這個(gè)過程之后。物聯(lián)網(wǎng)短信控制著來自生產(chǎn)者和消費(fèi)者的能量流,也控制著消費(fèi)者的家用智能家電。最后實(shí)現(xiàn)適合于區(qū)塊鏈技術(shù)效率的管理方法。

文本方法的優(yōu)勢(shì)在于:以分布式方式為社區(qū)分配能源,傳輸對(duì)等事務(wù),降低成本的同時(shí)提高安全性,并可提供電力使用的可追溯性,為交易監(jiān)督提供便利。

4 算例分析

4.1 最佳方案和成本效益分析

在集中式和分布式協(xié)同環(huán)境下,利用MATLAB求解目標(biāo)函數(shù),綜合所有約束條件,得到最優(yōu)調(diào)度方案。在本算例中,一天24 h被劃分為96個(gè)時(shí)間段,1個(gè)時(shí)間段為15 min。

能源價(jià)格是用于家電調(diào)度決策的輸入?yún)?shù),采用動(dòng)態(tài)定價(jià)方案對(duì)社區(qū)微網(wǎng)和公用配電網(wǎng)的能源進(jìn)行交易。同一負(fù)荷在一天中不同時(shí)段的費(fèi)用可能不同,電力在白天較為便宜,而在公用配電網(wǎng)和晚上則較貴。能源價(jià)格取決于一天消耗的能源和能源利用的時(shí)間,文中電價(jià)的選擇取決于可用能源和電力成本,如式(6)及如圖4～圖5所示。電價(jià)以元/(kW·h)計(jì)算,每個(gè)家庭都有不同的時(shí)間段以適應(yīng)不同的運(yùn)行另一個(gè)參數(shù)來做出決定?；谑?13)的設(shè)備運(yùn)行的偏好決定時(shí)間段,可管理的設(shè)備將運(yùn)行時(shí)間段從峰值需求轉(zhuǎn)移到峰值需求到最小能量消耗。表1給出了可移動(dòng)設(shè)備的能耗概況。

表1 可移動(dòng)設(shè)備能耗表

圖4 可移動(dòng)設(shè)備調(diào)度結(jié)果

圖5 單用戶家電整體負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度

圖4和圖5給出了配電網(wǎng)的最佳能源管理,在圖4中僅顯示可移動(dòng)設(shè)備調(diào)度結(jié)果,結(jié)果在需求圖方面區(qū)分了本文方案的最優(yōu)能量管理。在電價(jià)較低、分布式電源可用的時(shí)段內(nèi)能源消耗有所增加,這導(dǎo)致能源消費(fèi)高峰期發(fā)生了轉(zhuǎn)變,也降低了用戶的用電價(jià)格。圖5描述了整個(gè)單用戶家用電器負(fù)載的最優(yōu)調(diào)度,其中所有可移動(dòng)和無可移動(dòng)的負(fù)載非移動(dòng)設(shè)備,提高了分布式電源價(jià)格和可用性較低的情況下的利用率?？梢苿?dòng)智能設(shè)備模式可顯示單個(gè)可移動(dòng)設(shè)備的調(diào)度。當(dāng)可再生能源可用且電價(jià)較低時(shí),這些智能家電在白天的時(shí)段進(jìn)行轉(zhuǎn)換。滿足式(11)中的用具序列約束,例如干衣機(jī)在完成洗衣機(jī)的任務(wù)后運(yùn)行。

此外,考慮了分布式電源的影響,其中光伏采用了2 kW的屋頂太陽能電池板,光伏發(fā)電工作時(shí)間取決于太陽輻射和溫度。圖6給出了光伏在各個(gè)時(shí)間段的出力大,圖7顯示了社區(qū)微電網(wǎng)或公用配電網(wǎng)的凈最優(yōu)能源需求和電力輸入,當(dāng)?shù)氐姆植际桨l(fā)電減少了電力輸入量,使電費(fèi)降到最低。設(shè)備調(diào)度模式與前面討論的相同,但由于本地發(fā)電的供電影響和減少凈需求,最終需求曲線有所不同。智能配網(wǎng)中的所有用戶的最優(yōu)和非最優(yōu)電費(fèi)如圖8所示。當(dāng)智能電能表中啟用物聯(lián)網(wǎng)智能儀表時(shí),每個(gè)用戶向社區(qū)微電網(wǎng)或公用配電網(wǎng)支付較少的電費(fèi),因此可提高用戶參與能源需求管理系統(tǒng)的主動(dòng)性。

圖6 屋頂光伏出力曲線

圖7 能源需求及電力輸入輸出值

圖8 各用戶電費(fèi)賬單

4.2 區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)施

該系統(tǒng)模型中的每個(gè)用戶都能通過電能交易系統(tǒng)中的信息交換使其電能效用最大化。但是該系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)設(shè)備調(diào)度的優(yōu)化和電能的直接交易。為此,創(chuàng)建社區(qū)區(qū)塊鏈交易鏈CBTC用于進(jìn)行社區(qū)微電網(wǎng)內(nèi)的電力交易和實(shí)現(xiàn)交易結(jié)算。CBTC也可用于在區(qū)塊鏈上或區(qū)塊鏈外存儲(chǔ)設(shè)備調(diào)度間隔,以便系統(tǒng)在電價(jià)較低的地方運(yùn)行。綜上所述,本文使用以太坊區(qū)塊鏈框架對(duì)所提出的能耗管理系統(tǒng)進(jìn)行完善。

Remix是以太坊集成開發(fā)環(huán)境(IDE)。這是一個(gè)功能強(qiáng)大的開源工具,可直接通過瀏覽器采用JavaScript編寫。在remix IDE中,支持對(duì)不同應(yīng)用程序的智能合約進(jìn)行測(cè)試、調(diào)試和部署。智能合約是采用Solidity語言編寫,這種語言可面向?qū)ο?并在以太坊狀態(tài)下管理用戶帳戶行為的預(yù)定義程序。

MetaMask是一個(gè)提供訪問分布式web的橋梁的工具,用于在瀏覽器中運(yùn)行以太坊dApps,而不運(yùn)行完整的以太坊節(jié)點(diǎn)。元掩碼提供用戶界面來管理主以太坊網(wǎng)絡(luò)或某些測(cè)試網(wǎng)絡(luò)中的身份和提供安全事務(wù)。在Chrome瀏覽器中安裝MetaMask插件。為社區(qū)微網(wǎng)、配電網(wǎng)和用戶創(chuàng)建錢包帳戶,以便進(jìn)行交易。Ropsten網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)測(cè)試網(wǎng)絡(luò),與以太網(wǎng)運(yùn)行相同的協(xié)議,并在部署到主網(wǎng)絡(luò)之前用于測(cè)試。MetaMask Ether用于獲取ETHs并在錢包地址中自動(dòng)發(fā)送。系統(tǒng)組成及擬用系統(tǒng)說明如下:

1)使用元掩碼為用戶創(chuàng)建帳戶(錢包地址)。在這項(xiàng)工作中,兩個(gè)節(jié)點(diǎn)是能源生產(chǎn)者,其余節(jié)點(diǎn)是能源消費(fèi)者。本地運(yùn)營(yíng)商(通信控制方)將每個(gè)用戶的帳戶指定為能源供應(yīng)商或能源消費(fèi)者的新注冊(cè),區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)保留賬本副本并參與共識(shí)過程。

2)用戶可以創(chuàng)建自己的可用能源和價(jià)格并發(fā)送到能源交易P2P市場(chǎng),其他人可以看到交易信息。

3)用戶可以通過調(diào)用函數(shù)buyenergy()以最低價(jià)格接受報(bào)價(jià),在此之后交易完成,并在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中更新最近的區(qū)塊和交易信息。

4)通過前端應(yīng)用程序進(jìn)行社區(qū)中的智能家庭與區(qū)塊鏈交互。這有助于對(duì)社區(qū)中用于交易和監(jiān)控的分布式系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化控制。

5)通過分散數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)共享數(shù)據(jù),包括能源數(shù)據(jù),為所有用戶定價(jià)。

6)智能合約是基于分類賬數(shù)據(jù)自動(dòng)執(zhí)行的,使能源供給者和能源消費(fèi)者之間進(jìn)行能源和金融交易。這將發(fā)送控制信號(hào)來自動(dòng)打開/關(guān)閉設(shè)備以參與智能社區(qū),在沒有第三方參與的情況下,可以在社區(qū)微電網(wǎng)和公用配電網(wǎng)之間高效地部署用于能源交易的智能合約系統(tǒng)。智能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在分類賬中,其中功能、事件、狀態(tài)變量和修飾符是智能合約的主要元素。

整個(gè)交易過程和日程安排都是由系統(tǒng)人工干預(yù)下自動(dòng)完成的,這樣運(yùn)行成本低,信息安全可靠。Etherscan是以太網(wǎng)區(qū)塊鏈的區(qū)塊瀏覽器,用于驗(yàn)證本工作中存儲(chǔ)的每個(gè)交易信息,可運(yùn)行用戶在以太網(wǎng)區(qū)塊鏈中查找、確認(rèn)和驗(yàn)證交易。圖9顯示了在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行的智能合約、事務(wù)流以及Metamask如何使用所有者私鑰對(duì)事務(wù)進(jìn)行簽名。圖10為一個(gè)區(qū)塊鏈交易示例,此事務(wù)需公布有關(guān)挖掘難度級(jí)別、事務(wù)哈希函數(shù)、在Ethereum上運(yùn)行時(shí)的限制信息,并確保信息永久存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈中。

圖9 基于Remix的以太網(wǎng)事務(wù)工作流

圖10 區(qū)塊鏈交易示例

基于區(qū)塊鏈技術(shù),以智能合同的形式,實(shí)現(xiàn)智能社區(qū)能源交易和設(shè)備調(diào)度系統(tǒng)。智能配電網(wǎng)交易算法采用Solidity編寫,并在Ethereum區(qū)塊鏈平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試。圖11顯示了Ether中的創(chuàng)建交易記錄,可在接下來交易中允許在社區(qū)供電市場(chǎng)注冊(cè)能源供應(yīng)商和消費(fèi)者。在交易中,能源供應(yīng)商提供能源價(jià)格、數(shù)量、時(shí)間戳和日期,消費(fèi)者根據(jù)能源價(jià)格、數(shù)量和時(shí)間從賣方購買能源。

圖11 區(qū)塊鏈分類賬交易記錄

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)智能電能表的社區(qū)微電網(wǎng)多用戶分布需求側(cè)管理系統(tǒng),建立了非合作博弈論模型。智能家居用戶通過優(yōu)化用電設(shè)備的使用,減小能耗支出來獲得博弈最優(yōu)解。該模型的參與者包括用戶的自再生發(fā)電、社區(qū)微電網(wǎng)以及售電公司。每個(gè)參與者各個(gè)環(huán)節(jié)都采用最佳策略來最小化能源成本。該方法根據(jù)實(shí)時(shí)電價(jià)對(duì)配電網(wǎng)中用戶的家庭用電設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)合理調(diào)度,降低了家庭用電支出,并通過分布式算法的實(shí)現(xiàn)保證了參與用戶能源消耗信息的隱私性。此外,智能契約的執(zhí)行實(shí)現(xiàn)了合約主體之間的自動(dòng)通信。該方法的實(shí)現(xiàn)同樣也建立在區(qū)塊鏈技術(shù)上,為參與者提供了可靠的通信媒介。社區(qū)區(qū)塊鏈交易鏈CBTC的使用加強(qiáng)了對(duì)智能電器的自主監(jiān)控,并通過智能合同對(duì)用電量進(jìn)行計(jì)費(fèi),實(shí)現(xiàn)了社區(qū)微電網(wǎng)間在沒有第三方參與情況下的電力交易結(jié)算。結(jié)果表明,該方法可使整個(gè)社區(qū)的能耗總支出及每個(gè)用戶的個(gè)體能耗支出最小化,有利于整個(gè)社區(qū)的節(jié)能減排。