李逸超,郭 睿,徐 剛,胥 棟,潘紅光
(國(guó)網(wǎng)上海浦東供電公司,上海 200082)
電力需求的日益增長(zhǎng),導(dǎo)致電網(wǎng)存在電力短缺與調(diào)峰調(diào)頻壓力大等問(wèn)題。為解決這些問(wèn)題,需要挖掘用戶(hù)側(cè)資源。通過(guò)合理控制用戶(hù)側(cè)資源,可以使電力的供給響應(yīng)用戶(hù)需求,從而達(dá)到電力供需平衡狀態(tài)[1]。需求響應(yīng)可以提升用電效率。但傳統(tǒng)需求響應(yīng)采用人工控制方式,導(dǎo)致響應(yīng)不及時(shí)[2]。區(qū)塊鏈技術(shù)是包含分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)加密等功能的集成應(yīng)用,具備不可篡改與可追溯等優(yōu)勢(shì)。區(qū)塊鏈技術(shù)與用戶(hù)側(cè)需求響應(yīng)各業(yè)務(wù)流程具有天然的契合點(diǎn)。因此一些研究者將區(qū)塊鏈應(yīng)用于電力需求響應(yīng)資源調(diào)度,并設(shè)計(jì)用戶(hù)側(cè)需求響應(yīng)控制系統(tǒng),以自動(dòng)完成需求響應(yīng)控制。
楊梓俊等[3]以最小功率削減量與成交量偏差量為目標(biāo),設(shè)計(jì)需求響應(yīng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可有效控制需求響應(yīng),具備較優(yōu)的用戶(hù)友好性。劉建濤等[4]為解決功率缺額導(dǎo)致的頻率跌落問(wèn)題,依據(jù)負(fù)荷響應(yīng)特性設(shè)計(jì)需求響應(yīng)控制系統(tǒng),并按照優(yōu)先級(jí)順序完成電力設(shè)備需求響應(yīng)控制,從而有效降低負(fù)荷功率。王蓓蓓等[5]提出了基于區(qū)塊鏈的電力需求響應(yīng)資源信用管理方法,設(shè)計(jì)集中交易和雙邊交易下考慮信用值的降維(dimensionality reduction,DR)資源交易機(jī)制,以實(shí)現(xiàn)用戶(hù)側(cè)電網(wǎng)調(diào)度。任昊文等[6]將區(qū)塊鏈分布式技術(shù)應(yīng)用于智能電網(wǎng)需求側(cè)響應(yīng)計(jì)劃管理,利用區(qū)塊鏈分布式技術(shù)平衡能源需求與電網(wǎng)能源生產(chǎn)規(guī)模,制定考慮需求響應(yīng)的電網(wǎng)調(diào)度計(jì)劃。但以上方法在控制需求響應(yīng)過(guò)程中無(wú)法確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴阂庥脩?hù)可隨機(jī)篡改系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù),影響需求響應(yīng)控制效果。而且以上方法未考慮用戶(hù)側(cè)電力需求響應(yīng)的優(yōu)先級(jí),制定的用戶(hù)側(cè)電力需求響應(yīng)調(diào)度方案不夠合理,導(dǎo)致用戶(hù)的電力負(fù)荷仍較高。
為了提升電力需求響應(yīng)控制效果,本文設(shè)計(jì)基于區(qū)塊鏈技術(shù)的用戶(hù)側(cè)電力需求響應(yīng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)創(chuàng)新性地利用基于數(shù)據(jù)分割的多級(jí)加密機(jī)制,以提升數(shù)據(jù)的安全性與隱私性。本文根據(jù)家電用電優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)用戶(hù)側(cè)電力需求響應(yīng)控制方案,完成智能家電的通斷電控制,以降低用戶(hù)負(fù)荷功率和用電成本。
本文以區(qū)塊鏈技術(shù)為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)用戶(hù)側(cè)電力需求響應(yīng)控制系統(tǒng)。
用戶(hù)側(cè)電力需求響應(yīng)控制系統(tǒng)如圖1所示。
圖1 用戶(hù)側(cè)電力需求響應(yīng)控制系統(tǒng)
網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集用戶(hù)側(cè)電力設(shè)備負(fù)荷數(shù)據(jù)。能源區(qū)塊鏈包含數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識(shí)層與合約層。數(shù)據(jù)層利用分布式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)全部電力設(shè)備負(fù)荷數(shù)據(jù),形成數(shù)據(jù)區(qū)塊;以多級(jí)加密機(jī)制加密處理存儲(chǔ)的電力設(shè)備負(fù)荷數(shù)據(jù),從而提升數(shù)據(jù)的安全性。網(wǎng)絡(luò)層利用對(duì)等網(wǎng)絡(luò)、驗(yàn)證機(jī)制與傳播機(jī)制,傳輸電力設(shè)備負(fù)荷數(shù)據(jù)至共識(shí)層,以提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜ブ行幕Ч?。共識(shí)層利用實(shí)用拜占庭容錯(cuò)(practical Byzantine fault tolerance,PBFT)算法,處理區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)參與共識(shí)的過(guò)程,得到可信電力設(shè)備負(fù)荷數(shù)據(jù)。合約層負(fù)責(zé)提供智能合約、腳本代碼與協(xié)議,以約束電力設(shè)備負(fù)荷數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程,從而提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性與安全性。
需求響應(yīng)聚合商模塊可以在能源區(qū)塊鏈內(nèi)讀取用戶(hù)實(shí)時(shí)電力設(shè)備負(fù)荷數(shù)據(jù),制定電力需求響應(yīng)合同;同時(shí),以智能合約的方式,將電力需求響應(yīng)合同傳輸至能源區(qū)塊鏈內(nèi)。智能合約的交易機(jī)制如下。
①電力供應(yīng)方和客戶(hù)均提交某一時(shí)段的電力資源供應(yīng)量(需求量)以及價(jià)格。訂單信息和客戶(hù)信用值將被發(fā)送至智能合約。
②交易撮合出清。智能合約結(jié)合信用值將買(mǎi)賣(mài)雙方的訂單進(jìn)行撮合,并在達(dá)成交易共識(shí)后確定供應(yīng)方的響應(yīng)量以及價(jià)格。
③響應(yīng)效果分析和信用值計(jì)算。響應(yīng)事件結(jié)束后,智能電表自動(dòng)將數(shù)據(jù)上傳至區(qū)塊鏈。根據(jù)實(shí)際響應(yīng)情況,智能電表對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打分,進(jìn)而更新信用值。
④資金轉(zhuǎn)移。智能合約根據(jù)智能電表上傳的電力供應(yīng)方的實(shí)際響應(yīng)數(shù)據(jù),向其賬戶(hù)地址中轉(zhuǎn)入相應(yīng)量的以太幣,以完成資金轉(zhuǎn)移。
根據(jù)以上機(jī)制,交易優(yōu)先權(quán)值λ為:
(1)
式中:PR為電力用戶(hù)提交的價(jià)格;CR為電力用戶(hù)的信用值。
在獲取λ的情況下,電網(wǎng)企業(yè)希望供應(yīng)成本最低,故構(gòu)建成本最小化目標(biāo)函數(shù)minQi,o:
minQi,o=∑λiQi
(2)
式中:λi為第i個(gè)供應(yīng)方的交易有限權(quán)值;Qi為第i個(gè)供應(yīng)方的電力報(bào)單量;o為第i個(gè)電力用戶(hù)的響應(yīng)量。
根據(jù)minQi,o,本文設(shè)計(jì)電力資源的交易策略。
能源區(qū)塊鏈網(wǎng)關(guān)可讀取電力需求響應(yīng)合同內(nèi)的響應(yīng)起止時(shí)間、負(fù)荷等數(shù)據(jù),并根據(jù)這些數(shù)據(jù)制定用戶(hù)側(cè)電力需求響應(yīng)控制方案。在電力需求響應(yīng)開(kāi)始時(shí),使用遠(yuǎn)程操作將命令下達(dá)至智能家居產(chǎn)品,并實(shí)時(shí)掌握該產(chǎn)品的運(yùn)行狀態(tài)。電力需求響應(yīng)結(jié)束后,智能家電設(shè)備恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。能源區(qū)塊鏈可按照制定的用戶(hù)側(cè)智能家電設(shè)備控制方案,自動(dòng)控制用戶(hù)側(cè)電力需求響應(yīng)情況。能源區(qū)塊鏈網(wǎng)關(guān)與需求響應(yīng)聚合商模塊可在鏈上讀取用戶(hù)側(cè)電力需求響應(yīng)控制結(jié)果。
能源區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)層利用分布式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù),存儲(chǔ)全部電力設(shè)備負(fù)荷數(shù)據(jù)區(qū)塊。分布式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 分布式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)
區(qū)塊體內(nèi)通過(guò)哈希值標(biāo)記各用戶(hù)電力負(fù)荷數(shù)據(jù)交易單。用戶(hù)電力設(shè)備負(fù)荷數(shù)據(jù)交易過(guò)程中:需對(duì)交易單進(jìn)行數(shù)字簽名,以獲取有效的交易單并構(gòu)建成區(qū)塊;需加蓋時(shí)間戳并存儲(chǔ)至分布式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi),以提升用戶(hù)電力負(fù)荷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的防篡改性能與可追溯性能。區(qū)塊頭內(nèi)的Merkle根屬于非常關(guān)鍵的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。其通過(guò)交易單展開(kāi)分組哈希,以獲取1個(gè)哈希值并記錄存儲(chǔ)至區(qū)塊頭中。能源區(qū)塊鏈接收能源區(qū)塊鏈網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)采集的用戶(hù)電力設(shè)備負(fù)荷數(shù)據(jù)后,在分布式存儲(chǔ)區(qū)塊內(nèi)選取某個(gè)在線存儲(chǔ)區(qū)塊,并以該區(qū)塊為存儲(chǔ)用戶(hù)電力設(shè)備負(fù)荷數(shù)據(jù)服務(wù)的對(duì)象。存儲(chǔ)過(guò)程中,用戶(hù)電力設(shè)備負(fù)荷數(shù)據(jù)在1 min內(nèi)不可選擇變更存儲(chǔ)區(qū)塊;確定存儲(chǔ)區(qū)塊后,用戶(hù)電力設(shè)備負(fù)荷數(shù)據(jù)直接傳輸至確認(rèn)的存儲(chǔ)區(qū)塊內(nèi)。
本文利用基于數(shù)據(jù)分割的多級(jí)加密機(jī)制,加密處理分布式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)用戶(hù)側(cè)電力設(shè)備負(fù)荷數(shù)據(jù),以提升數(shù)據(jù)的安全性與隱私性。用戶(hù)側(cè)電力設(shè)備負(fù)荷數(shù)據(jù)多級(jí)加密機(jī)制結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 用戶(hù)側(cè)電力設(shè)備負(fù)荷數(shù)據(jù)多級(jí)加密機(jī)制結(jié)構(gòu)
身份認(rèn)證單元內(nèi):通過(guò)公鑰加密算法生成公私鑰;通過(guò)公鑰加密分布式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)電力設(shè)備負(fù)荷數(shù)據(jù),以提升數(shù)據(jù)的隱私保護(hù)效果[7-9];通過(guò)私鑰對(duì)電力設(shè)備用戶(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行簽名。數(shù)據(jù)加密上鏈單元完成電力設(shè)備負(fù)荷數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)機(jī)制。加密通信單元依據(jù)安全傳輸協(xié)議棧,避免惡意用戶(hù)非法攔截電力設(shè)備負(fù)荷數(shù)據(jù)。上鏈數(shù)據(jù)哈希提取單元通過(guò)哈希函數(shù),將任意長(zhǎng)度的電力設(shè)備負(fù)荷數(shù)據(jù)映射成指定長(zhǎng)度的二進(jìn)制電力設(shè)備負(fù)荷數(shù)據(jù)。
用戶(hù)側(cè)電力需求響應(yīng)控制方案中,需要控制的智能家電負(fù)荷包括空調(diào)與熱水器等。能源區(qū)塊鏈網(wǎng)關(guān)按照需求響應(yīng)聚合商模塊,制定電力需求響應(yīng)合同內(nèi)的響應(yīng)起止時(shí)間與響應(yīng)負(fù)荷等數(shù)據(jù),并創(chuàng)新性地根據(jù)家電用電優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)用戶(hù)側(cè)電力需求響應(yīng)控制方案。本文以智能家電舒適度指數(shù)KApp描繪智能家電實(shí)時(shí)狀態(tài)。
(3)
智能家電中空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)和室溫設(shè)定相關(guān)。在室溫大于最大值情況下,打開(kāi)空調(diào);在室溫低于最小值情況下,關(guān)閉空調(diào);在室溫位于設(shè)置區(qū)間時(shí),空調(diào)維持當(dāng)下運(yùn)行狀態(tài)不變[10]??照{(diào)的用戶(hù)側(cè)電力需求響應(yīng)控制模型為:
(4)
式中:t為時(shí)段;SA,t為空調(diào)運(yùn)行狀態(tài);TA,z為最低室溫;ΔTA為室溫設(shè)定響應(yīng)增量;TA,t為當(dāng)下室溫;KA,t為空調(diào)舒適度指數(shù)。
當(dāng)SA,t=0時(shí),空調(diào)關(guān)閉;當(dāng)SA,t=1時(shí),空調(diào)打開(kāi)。
在電力需求響應(yīng)合同制定的響應(yīng)起止時(shí)間內(nèi),空調(diào)的用戶(hù)側(cè)電力需求響應(yīng)控制模型按照空調(diào)優(yōu)先級(jí)控制空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)。智能家電中熱水器運(yùn)行狀態(tài)和水溫相關(guān)。電力需求響應(yīng)合同內(nèi)設(shè)置的最高水溫為T(mén)B,z、最低水溫為T(mén)B,l、標(biāo)準(zhǔn)水溫變化響應(yīng)增量為ΔTB、當(dāng)下水溫為T(mén)B,t。當(dāng)TB,t>TB,z時(shí),熱水器關(guān)閉;當(dāng)TB,t (5) 式中:KB,t為熱水器舒適度指數(shù);SB,t為熱水器運(yùn)行狀態(tài)。 當(dāng)SB,t=0時(shí),熱水器關(guān)閉;當(dāng)SB,t=1時(shí),熱水器打開(kāi)。在電力需求響應(yīng)合同制定的響應(yīng)起止時(shí)間內(nèi),熱水器的用戶(hù)側(cè)電力需求響應(yīng)控制模型按照熱水器優(yōu)先級(jí)控制熱水器運(yùn)行狀態(tài)。 (6) 式中:?·」為最小整數(shù)取值函數(shù);N[·]為排序函數(shù);n為用戶(hù)側(cè)電力需求響應(yīng)控制周期;K(t)為動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)。 本文依據(jù)K(t)確定智能家電控制的優(yōu)先級(jí)。K(t)={1,2}。K(t)的數(shù)值越高,說(shuō)明智能家電控制的優(yōu)先級(jí)越高。 ③按照式(2)與式(3)的智能家電控制模型,調(diào)整全部智能家電的功率狀態(tài),并進(jìn)行下一輪用戶(hù)側(cè)電力需求響應(yīng)控制。 用戶(hù)側(cè)電力需求響應(yīng)控制步驟如下。 ①將電力需求響應(yīng)合同內(nèi)的需求響應(yīng)控制起止時(shí)間與電力設(shè)備負(fù)荷等數(shù)據(jù),下發(fā)至能源區(qū)塊鏈網(wǎng)關(guān)。 ③ 能源區(qū)塊鏈網(wǎng)關(guān)按照控制方案,下發(fā)控制指令至智能家電控制器,以完成智能家電的通斷電控制,從而實(shí)現(xiàn)用戶(hù)側(cè)電力需求響應(yīng)控制。 本文以某小區(qū)的電力用戶(hù)為試驗(yàn)對(duì)象。該小區(qū)內(nèi)共有1 573個(gè)電力用戶(hù)。其中,同時(shí)具有空調(diào)與熱水器這2種智能家電的電力用戶(hù)數(shù)量為219個(gè)。試驗(yàn)利用本文系統(tǒng)對(duì)這219個(gè)電力用戶(hù)的智能家電進(jìn)行用戶(hù)側(cè)電力需求響應(yīng)控制。空調(diào)的額定功率為4 kW、額定室溫為23~27 ℃。熱水器的額定功率為6 kW、額定水溫為45~55 ℃。 在219個(gè)電力用戶(hù)內(nèi),試驗(yàn)隨機(jī)選擇1個(gè)電力用戶(hù),利用本文系統(tǒng)控制該電力用戶(hù)的用戶(hù)側(cè)電力需求響應(yīng)。 智能家電的用戶(hù)側(cè)電力需求響應(yīng)控制效果如圖4所示。 圖4 智能家電的用戶(hù)側(cè)電力需求響應(yīng)控制效果 智能家電控制的動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)如圖5所示。 圖5 智能家電控制的動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí) 綜合分析圖4與圖5可知,在12∶00~15∶00時(shí),室溫超過(guò)設(shè)定的室溫范圍。此時(shí),空調(diào)動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)最高。為此,本文系統(tǒng)下發(fā)打開(kāi)空調(diào)的控制指令,使功率升高到3 kW以上。室溫在13∶30左右降至設(shè)定室溫范圍后,本文系統(tǒng)下發(fā)關(guān)閉空調(diào)的控制指令,使功率降低到2 kW以下。這說(shuō)明本文系統(tǒng)可有效根據(jù)用戶(hù)需求靈活調(diào)節(jié)空調(diào)負(fù)荷功率,以完成空調(diào)的用戶(hù)側(cè)電力需求響應(yīng)控制。10∶00~13∶00是熱水器集中使用期,水溫保持較高。此時(shí),熱水器的動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)較高,本文系統(tǒng)加大熱水器功率負(fù)荷達(dá)到4 kW以上。在16∶00~21∶00時(shí),水溫低于設(shè)定范圍。此時(shí),熱水器的動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)最高。為此,本文系統(tǒng)下發(fā)打開(kāi)熱水器的控制指令,使功率調(diào)節(jié)至5 kW以上。當(dāng)水溫升至設(shè)定范圍后,本文系統(tǒng)下發(fā)關(guān)閉熱水器的控制指令,使功率下降。至此,熱水器的用戶(hù)側(cè)電力需求響應(yīng)控制完成。試驗(yàn)結(jié)果表明:本文系統(tǒng)可根據(jù)用戶(hù)側(cè)使用需求靈活調(diào)節(jié)電器的使用負(fù)荷功率,有效控制電力用戶(hù)的智能家電,實(shí)現(xiàn)用戶(hù)側(cè)電力需求響應(yīng)控制。 分析不同參與電力需求響應(yīng)用戶(hù)比例時(shí),應(yīng)用本文系統(tǒng)控制后的電力負(fù)荷如圖6所示。 圖6 應(yīng)用本文系統(tǒng)控制后的電力負(fù)荷 由圖6可知,本文所研究的小區(qū)在10:00~18:00時(shí)的負(fù)荷較高,達(dá)到6 MW以上。應(yīng)用本文系統(tǒng)控制后,該小區(qū)最高負(fù)荷明顯下降,且負(fù)荷曲線較為平滑。隨著參與電力需求響應(yīng)電力用戶(hù)比例的增長(zhǎng),該小區(qū)的負(fù)荷峰值越低、負(fù)荷峰谷差越小。90%參與電力需求響應(yīng)的負(fù)荷峰值降至4.5 MW以下,峰谷差在2.5 MW以下。試驗(yàn)結(jié)果表明:應(yīng)用本文系統(tǒng)可有效降低該小區(qū)的電力負(fù)荷,且參與電力需求響應(yīng)的電力用戶(hù)比例越高,則應(yīng)用本文系統(tǒng)控制后的電力負(fù)荷越低。 試驗(yàn)利用本文系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)采集的電力設(shè)備負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理,以提升數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸?shù)陌踩?。試?yàn)利用吞吐量衡量本文系統(tǒng)加密電力設(shè)備負(fù)荷數(shù)據(jù)的效果。吞吐量越大,說(shuō)明加密效率越高。最低吞吐量為0.55 bit/s。吞吐量P為: (7) 本文系統(tǒng)的電力設(shè)備負(fù)荷數(shù)據(jù)加密效果如圖7所示。 圖7 本文系統(tǒng)的電力設(shè)備負(fù)荷數(shù)據(jù)加密效果 由圖7可知,隨著電力設(shè)備負(fù)荷數(shù)據(jù)量的增長(zhǎng),本文系統(tǒng)加密數(shù)據(jù)時(shí)的吞吐量呈下降趨勢(shì)。當(dāng)數(shù)據(jù)量達(dá)到80 bit時(shí),盡管數(shù)據(jù)量仍舊增長(zhǎng),但本文系統(tǒng)的吞吐量不再降低,并穩(wěn)定在0.61 Gbit/s左右,高于最低吞吐量。這說(shuō)明本文系統(tǒng)具備較優(yōu)的電力設(shè)備負(fù)荷數(shù)據(jù)加密效果,以及較高的加密效率。 在能源互聯(lián)的新形勢(shì)下,電力市場(chǎng)內(nèi)存在大量可獨(dú)立參與響應(yīng)的用戶(hù)。為提升用戶(hù)側(cè)電力需求響應(yīng)控制效果,本文設(shè)計(jì)基于區(qū)塊鏈技術(shù)的用戶(hù)側(cè)電力需求響應(yīng)控制系統(tǒng)。本文首先利用網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)采集負(fù)荷數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)發(fā)送到能源系統(tǒng)進(jìn)行保存;然后對(duì)負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理,根據(jù)電力需求響應(yīng)時(shí)間和負(fù)荷采集電力需求數(shù)據(jù);最后,根據(jù)家電動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)用戶(hù)側(cè)電力需求響應(yīng)方案。仿真測(cè)試結(jié)果表明,本文系統(tǒng)可以有效控制用戶(hù)智能家電的負(fù)荷、降低用戶(hù)的使用負(fù)荷和用電成本,為用戶(hù)側(cè)電力需求響應(yīng)控制領(lǐng)域的發(fā)展提供參考。2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
3 結(jié)論