結合儲能設備的分布式光伏電力交易區(qū)塊鏈應用研究

摘 要：本文提出了一種通過區(qū)塊鏈智能合約來實現(xiàn)微電網(wǎng)內結合儲能設備的產消者之間交易分布式光伏電力的方法。本實驗研究了影響區(qū)塊鏈內交易費用（Gas費用）和節(jié)點處理區(qū)塊的時間（Geth消納時間）的各項因素，并研究了結合儲能設備的區(qū)塊鏈內電力交易需求反饋對電力價格的影響。其中Geth消納時間與公有鏈相比減少了6.672 s。參與鏈內交易需求反饋的電價均值與不參與鏈內交易相比，前者電價均值高于后者32.95%。研究成果可在電力交易市場處理大量的小額訂單，能夠快速地匹配交易雙方，利用區(qū)塊鏈在微電網(wǎng)內尋找能夠進行存儲電力和需求轉換的客戶，為未來電力設備物聯(lián)網(wǎng)的設計和發(fā)展提供了參考。

關鍵詞：電力交易；區(qū)塊鏈；分布式光伏；儲能設備；微電網(wǎng)；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：TP311；F426；TM73 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）03-00-06

0 引 言

根據(jù)可再生能源的電價制度，我國正在大量引進光伏發(fā)電[1]，以光伏為主的分布式發(fā)電正在快速普及和發(fā)展[2]。光伏發(fā)電現(xiàn)在全球許多地區(qū)被作為成本較低的發(fā)電模式[3]。在電力需求較少而光伏發(fā)電量較高的時段，電網(wǎng)正在發(fā)生電力過剩的現(xiàn)象。未來進一步的可行措施是通過轉移電力需求至儲能設備來消耗光伏電力的輸出。為了實現(xiàn)這一目標，必須促使有能力的產消者結合儲能設備將分布式光伏的剩余電力轉為電力需求，或與電網(wǎng)內其他類型的電力需求相匹配[4]。與電力批發(fā)交易相比，這種電力交易需要處理大量的小額訂單，需要匯總訂單在交易所進行交易。針對大規(guī)模引入光伏發(fā)電的協(xié)調能力不足的問題，可使用分布式電力調節(jié)來解決。

為解決上述問題，本文提出了一個結合儲能設備的分布式光伏的電力交易系統(tǒng)。該電力交易系統(tǒng)是基于區(qū)塊鏈[5]和智能合約[6]建立的，能促使大量的小額交易自動匹配，并消除電力公司和其他電力交易運營商的供需不平衡，同時對交易區(qū)域的匹配進行精細管理。分布式光伏電力交易系統(tǒng)中與區(qū)塊鏈直接相關的部分是建立在區(qū)塊鏈平臺[7]以太坊[8]上的。該系統(tǒng)還通過數(shù)值實驗來衡量電力交易中執(zhí)行智能合約的交易費用（Gas費用）和節(jié)點處理區(qū)塊的時間（Geth消納時間）。我們量化了市場在各個情況下需要支付的Gas費用，還評估了該電力交易系統(tǒng)的Geth消納時間是否會影響前一日的交易需求。同時，再結合接入儲能設備統(tǒng)計了不同情況下不同種類的電量情況，使用區(qū)塊鏈內的電力交易需求反饋對電力價格進行比較。

1 研究現(xiàn)狀

在電力行業(yè)很多關于區(qū)塊鏈的研究案例是為了解決安全和隱私問題[9]。其中點對點電力交易是指發(fā)電側和用電側之間的可相互識別的交易及其衍生交易[10]。發(fā)電側和用電側的電力數(shù)據(jù)會附加上信息標簽，并將其以相互鏈接的形式分配[11]。在關于電動汽車的點對點本地電力交易模式中，為了滿足本地的電力平衡而對電動汽車放電時，應用區(qū)塊鏈解決需求反饋的激勵部分的支付安全和隱私問題[12]。還有一些電力交易相關的實驗，通過智能合約驗證電力交易信息是否正確執(zhí)行交易[13-15]。針對目前區(qū)塊鏈或智能合約處理能力和調節(jié)能力不足的問題，提出了如加入電動汽車和家用蓄電池等儲能設備來擴大調節(jié)能力的對策[16]。電動汽車的普及使得家庭消費者能夠靈活使用自己的電動汽車電池參與電網(wǎng)的電力調節(jié)，使得電動汽車在待機時進行充放電控制[17]。也有實驗提出了統(tǒng)一管理來實現(xiàn)電動汽車充電峰值轉換。對于區(qū)塊鏈電力交易的研究，需要放在市場化的環(huán)境中，在一定的條件下進行驗證。

2 區(qū)塊鏈內電力交易框架

本研究針對結合儲能設備調整分布式光伏電力的供需平衡，利用智能合約構建電力交易系統(tǒng)，將原本應接受的光伏電力在區(qū)塊鏈上進行點對點電力交易。參與市場的用戶可以創(chuàng)建區(qū)塊鏈賬戶，通過執(zhí)行指定的智能合約進行電力投標，之后基于智能合約處理執(zhí)行電力交易?；趨^(qū)塊鏈的分布式光伏電力交易示意圖如圖1所示。

2.1 電力交易的智能合約

電力交易的智能合約用于在區(qū)塊鏈上建立電力交易市場的合約和協(xié)議[18]，如圖2所示。市場合約是與市場相關的協(xié)議。執(zhí)行生成權益證明，將分配給所有光伏產消者的權益證明生成到電力公司。分發(fā)權益證明，將生成的權益證明分配給光伏產消者。假設光伏產消者和消費者各自出價，執(zhí)行投標功能。在實際操作中，執(zhí)行投標功能所需的時間由市場參與者設定。執(zhí)行電力交易，對投標信息進行排序，根據(jù)投標的信息來執(zhí)行權益證明兌換。流程實施后，可在以太坊錢包上確認產生的Gas費用，可在Geth客戶端內的區(qū)塊顯示Geth消納時間[19]。合約信息是指將參加市場的光伏用戶在區(qū)塊鏈上的地址或光伏發(fā)電容量儲存在區(qū)塊鏈上的協(xié)議。在一定期間內可通過投標受理參與市場的競標。在競標結束之后實行交易，處理成立的買賣合同并清算交接。

2.2 區(qū)塊鏈內交易需求反饋

在點對點電力交易的區(qū)塊鏈平臺上，產消者電力交易原則是按各個產消者以多邊電力互濟的方式進行電力交易。當市場存在需求反饋的激勵時，電力需求反饋與產消者的類型和反饋能力有關[20]，使用產消者的反饋成本函數(shù)，如式（1）所示。假設反饋帶來可觀的經(jīng)濟效益，那么產消者選擇電力反饋的條件[21]應符合約束條件式（2）和式（3）。

（1）

（2）

（3）

式中：θ為產消者反饋的負荷類型；Q為反饋電量；k1、k2分別為反饋成本系數(shù)；β為政府補貼系數(shù)。

存在滿足產消者的電力需求量對價格變動呈負相關[22]的魯棒系數(shù)ε。其中，εii、εij分別為產消者在本時間區(qū)域和其他時間區(qū)域反饋的不平衡電力的需求程度。

（4）

（5）

（6）

式中，i、j為各個時間區(qū)域。

參考產消者對電力價格的動態(tài)反饋為：

（7）

式中：Qi0、Qi1分別為i時間區(qū)域反饋前和反饋后的用電容量；ρi0、ρi1分別為i時間區(qū)域內對電力需求反饋前和反饋后的電力價格；為i時間區(qū)域的綜合魯棒系數(shù)；i為時間區(qū)域。

產消者在i時間區(qū)域反饋電力需求[23]的魯棒電力價格為：

（8）

式中：為產消者的反饋電量；為產消者的實際負荷電量。

產消者購買電力的價格分為兩種：（1）產消者在內部i時間區(qū)域交易的電力價格ρ1i；（2）產消者向電網(wǎng)購買的電力價格ρ2。二者的表達式分別為：

（9）

（10）

式中：λ、λ'分別為光伏發(fā)電和電網(wǎng)售電的利潤系數(shù)；c、ωc分別為光伏和常規(guī)的發(fā)電成本；Ti（Q）為魯棒電力價格。

產消者向電網(wǎng)購電，剩余電量按光伏并網(wǎng)電力價格C上網(wǎng)。根據(jù)電力交易策略[24]，有：

（1）當產消者的發(fā)電量＜用電量時，其電力費用為：

（11）

（2）當產消者的發(fā)電量＞用電量時，其電力費用為：

（12）

其中，約束條件如下：

（13）

（14）

（15）

（16）

（17）

式中：C為光伏并網(wǎng)電力價；、、分別為不同類型的產消者反饋的不平衡電量；為產消者的總光伏發(fā)電量；為產消者反饋的不平衡電量。

2.3 鏈內智能合約交易流程

電力交易主要流程如圖3所示，具體步驟如下：

（1）提交電力需求：產消者可以通過該平臺在區(qū)塊鏈內提交購電或售電的電量需求。

（2）匹配電力需求：該平臺篩選買方和賣方，依次選擇買方主體，按照報價差再依次匹配賣方，直至買方購買數(shù)量滿足或匹配不到賣方時停止。

（3）修正偏差：該平臺調整電量策略以滿足電量平衡。否則需要向電網(wǎng)購電以滿足電力平衡。

（4）清算不平衡電量：產消者將調整負荷，將不平衡的電量在內部進行消納，優(yōu)先保證自身電量平衡。

（5）執(zhí)行電力交易：雙方進行電力交割，結算交易款項至雙方的賬戶。

3 仿真實驗

本文執(zhí)行了在以太坊環(huán)境中開發(fā)的智能合約，并且測定了執(zhí)行電力交易所需要的Gas費用和生成區(qū)塊所需要的Geth消納時間。以下實驗綜合考慮了電力交易市場上的參與人數(shù)、投標數(shù)量、節(jié)點數(shù)量等可能被影響結果的因素。本實驗采用以太坊作為區(qū)塊鏈平臺是因為以太坊存在構建方案所需的權益證明方法，以及該平臺可以實現(xiàn)處理權益證明所需要的智能合約。同時我們導入了電力交易需求反饋數(shù)據(jù)，研究了結合儲能設備的區(qū)塊鏈內電力價格的影響。區(qū)塊鏈平臺采用了以太坊私有鏈進行實驗。本次使用了6臺計算機作為節(jié)點構建私有鏈。本次實驗所構建的以太坊的私有鏈當中，讓一臺計算機運行生成區(qū)塊，其他的計算機作為節(jié)點負責接收區(qū)塊信息等。本實驗使用以太坊錢包來確認協(xié)議和賬戶情況。節(jié)點計算機性能參數(shù)見表1所列。

3.1 實驗數(shù)據(jù)

本次實驗中，節(jié)點數(shù)量、賬戶數(shù)量以及投標數(shù)量等市場中的參數(shù)見表2所列。將案例1至案例3所計算測量的數(shù)值作為基準，將案例4至案例12中的賬戶數(shù)量從100增加到200和1 000，確認其Gas費用以及Geth消納時間是如何變化的，電力價格會受到怎樣的影響。在案例7至案例12中，本實驗驗證了節(jié)點數(shù)量增加會對其他數(shù)值產生的影響。此外，針對表2中的各種情況進行了10次計算測量，并且將其平均值作為實驗結果進行公布。

假定每個產消者在沒有電力交易的情況下會產生多余的電力，可利用價格機制與有需求的其他用戶進行區(qū)塊鏈內電力交易，或者通過儲能設備吸收剩余電力進行供需調整。在11個時段內產消者的各類型電量數(shù)據(jù)見表3～表5所列。在沒有電力交易的情況下，光伏產消者會產生多余的電力，可利用價格機制與有需求的商業(yè)設施進行交易，或者通過儲能設備吸收剩余電力。這都是通過點對點的分布式光伏發(fā)電和儲能設備來進行供需調整的。

3.2 實驗結果

（1）不同賬戶數(shù)下各數(shù)值的變化。圖4和圖5是指當賬戶數(shù)量變化時，每個執(zhí)行所耗費的Gas費用和Geth消納時間。由圖中可以看出，隨著賬戶數(shù)量的增加，生成權益證明的Gas費用和Geth消納時間的變化不大。分發(fā)權益證明和參與電力交易時產生的Gas費用變化和Geth消納時間略微增加。

（2）不同投標數(shù)下各數(shù)值的變化。圖6和圖7顯示了當投標數(shù)量改變時，每個執(zhí)行所耗費的Gas費用和Geth消納時間。實驗結果表明，運行的Gas費用和Geth消納時間在很大程度上受到投標數(shù)影響。當電力市場上的投標數(shù)從1 000成倍增加到2 000、4 000的時候，Gas費用和Geth消納時間也是大致成倍增加。

（3）不同條件下各數(shù)值的變化。對投標數(shù)以外的參數(shù)進行測試，引起Gas費用和Geth消納時間變化的結果如圖8和圖9所示。實驗結果表明，在分發(fā)權益證明和參與電力交易下，賬戶數(shù)量的增加引起了Gas費用和Geth消納時間的略微增加。在1 000賬戶數(shù)的實驗中觀察到節(jié)點數(shù)量增加引起了Gas費用和Geth消納時間的略微增加。從圖4和圖8觀察各項的Gas費用，節(jié)點數(shù)量的變化或賬戶數(shù)量的變化不會對生成權益證明的Gas費用帶來影響，該Gas費用是固定的。分發(fā)權益證明是把生成的部分分配給參與電力市場的光伏產消者。觀察圖8會發(fā)現(xiàn)，只有賬戶數(shù)的增加引起了Gas費用的變化，與節(jié)點數(shù)的增加關系不大。交換權益證明的賬戶會隨著交易的結果不同產生變化。不同階段Gas費用也不相同。

（4）關于電力價格的變化。如圖10所示，通過調整價格來激勵儲能設備用戶進入市場，進而穩(wěn)定價格波動。當價格波動時，儲能設備用戶會因經(jīng)濟利益激勵而進入電力市場。在用戶容量到達一定數(shù)量后，價格波動將趨于平穩(wěn)。交易平臺在區(qū)塊鏈構建的基礎上使用智能合約進行自動競價和結算來確認電力交易。儲能設備會根據(jù)設定的智能合約吸收分布式光伏發(fā)電的動態(tài)波動，通過價格調整實現(xiàn)接近整體的優(yōu)化。結合儲能設備的光伏產消者在區(qū)塊鏈內可實現(xiàn)全天候實時交易，電力價格波動更小，均價更高。

從Gas費用與所有相關因素的關系中可以看出，生成權益證明的Gas費用最低，用于交易的Gas費用最高。Gas費用越高，需要的Geth消納時間也越長。圖6和圖7包含了不同投標量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計。通過研究可以發(fā)現(xiàn)，Gas費用和Geth消納時間會隨著投標量的增加而增加。從實驗結果來看，電力交易智能合約中的Gas費用與Geth消納時間，雖然隨著賬戶量以及節(jié)點數(shù)的增加而增長，但是增幅較為緩慢。由此可推測，電力交易市場所用Gas費用和Geth消納時間，隨著光伏用戶以及電力需求消費者的數(shù)量增加而成比例增加。分布式光伏電力交易的市場投標數(shù)量，在生成權益證明、分發(fā)權益證明和參與電力交易的環(huán)節(jié)中都會對該市場的Gas費用以及Geth消納時間產生較大影響。

鏈內電力交易需求反饋可以實時匹配，通過價格引導產消者使用儲能設備消納不平衡電量。光伏發(fā)電越多，不平衡電量越大，則儲能設備消納不平衡電量對電力價格的影響就越明顯。產消者接受的電力價格與不平衡電量存在相關關系。當產消者需要用電時，通過提高產消者在微電網(wǎng)內的電力價格，激勵產消者釋放儲能設備內的電力響應調度需要。其中參與鏈內交易需求反饋的產消者接受的最低電力價格為0.14元/kWh，電價均值為0.351元/kWh。而不參與的產消者的最低價格為0.05元/kWh，電價均值為0.264元/kWh。使用儲能設備參與鏈內交易反饋的產消者，能夠降低不平衡電量對電網(wǎng)的沖擊，同時擴大電力交易的可工作時間，減少電力價格的大幅度波動，提高電力價格的均值。

4 結 語

本文提出了一種使用區(qū)塊鏈和智能合約的電力交易系統(tǒng)，并在該系統(tǒng)中使用以太坊進行數(shù)值實驗。該實驗證實在區(qū)塊鏈上可以使用智能合約和權益證明進行結合儲能設備的分布式光伏電力交易。在傳統(tǒng)以太坊公有鏈交易下，生成一個區(qū)塊的平均時間在13 s左右。本實驗中最大投標量為4 000件的交易消納時間均值為6.328 s?？梢娫擁楇娏灰准夹g不會對前一天預告的交易造成影響，并相比公有鏈有顯著的優(yōu)勢。參與鏈內電力交易需求反饋的產消者利用儲能設備可及時轉移各時段不平衡電量，減少光伏發(fā)電對電網(wǎng)的擾動。在用電總量基本不變的情況下能擴大電力交易時間，較大地提高電力價格的均值，使得產消者收益更多。參與鏈內交易需求反饋的電價均值高于不參與鏈內交易32.95%。對于未來發(fā)展新型數(shù)字化電力系統(tǒng)，需要將光伏用戶和儲能設備等電力物聯(lián)設備進行深度融合，并設計出完善的電力交易制度體系。

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