基于區(qū)塊鏈技術(shù)的 P2P 電能交易平臺(tái)與配電網(wǎng) 協(xié)同仿真

　　摘　要: 為了推動(dòng)能源交易公平以及區(qū)塊鏈技術(shù)在電力交易領(lǐng)域的應(yīng)用, 實(shí)現(xiàn) P2P 電能交易平臺(tái)與配電網(wǎng)高效配合, 提出一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的 P2P 電能交易平臺(tái)與配電網(wǎng)的協(xié)同仿真框架. 根據(jù)區(qū)塊鏈去中心化、安全性強(qiáng)、可追溯的特點(diǎn), 提出分布式雙邊拍賣機(jī)制, 結(jié)合智能合約, 建立了能源交易模型并進(jìn)行了仿真分析. 最后, 根據(jù)建立的協(xié)同仿真模型, 通過(guò)兩個(gè)場(chǎng)景下配電網(wǎng)參數(shù)的比較分析, 得出了 P2P 電能交易機(jī)制對(duì)配電網(wǎng)影響的相關(guān)結(jié)論, 為實(shí)現(xiàn)能源高效利用, 電能交易安全穩(wěn)定以及區(qū)塊鏈技術(shù)在電能交易領(lǐng)域的落地推廣提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐.

　　本文源自劉芯汝; 高輝; 張衛(wèi)國(guó); 楊鳳坤， 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用 發(fā)表時(shí)間：2021-04-13 《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用》(月刊)創(chuàng)刊于1991年，由中國(guó)科學(xué)院軟件研究所主辦。辦刊宗旨：宣傳推廣信息技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用。重點(diǎn)是宣傳介紹計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)(包括系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)等方面)、信息技術(shù)的應(yīng)用研究與開(kāi)發(fā)成果以及相關(guān)技術(shù)的分析、探討與應(yīng)用，系統(tǒng)建設(shè)：面向中高層管理人員與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的專業(yè)人員。榮獲中文核心期刊(2000)。

　　關(guān)鍵詞: 區(qū)塊鏈; 分布式雙邊拍賣; 智能合約; P2P 能源交易; 配電網(wǎng); 協(xié)同仿真

　　2020 年 4 月 21 日, 國(guó)家發(fā)改委首次明確“新基建” 范圍, 區(qū)塊鏈被正式納入其中. 區(qū)塊鏈?zhǔn)菚r(shí)下的熱點(diǎn)和焦點(diǎn), 作為新一代互聯(lián)網(wǎng)的底層系統(tǒng), 區(qū)塊鏈可以融合其他新一代信息技術(shù), 加速第三產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和創(chuàng)新. 隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展以及分布式能源滲透率的提高, 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的對(duì)等 (Peer to Peer, P2P) 能源交易也受到了極大關(guān)注[1] . 同時(shí), 配電網(wǎng)也從原先只能向負(fù)荷提供電能的單相潮流轉(zhuǎn)變?yōu)榧饶芴峁╇娔苡帜芙邮茈娔艿碾p向潮流[2] .

　　文獻(xiàn) [3] 系統(tǒng)地回顧了區(qū)塊鏈在電力和能源領(lǐng)域相關(guān)的應(yīng)用、挑戰(zhàn)和機(jī)遇. 文獻(xiàn) [4] 在基于能源互聯(lián)網(wǎng)的條件下, 建立了具有儲(chǔ)能設(shè)施的分布式光伏電站微電網(wǎng)區(qū)塊鏈交易模型, 分析了區(qū)塊鏈在電能交易市場(chǎng)中的應(yīng)用. 文獻(xiàn) [5] 提出了區(qū)塊鏈應(yīng)用于能源互聯(lián)網(wǎng)的具體架構(gòu), 通過(guò)仿真和建模定性和定量地分析了區(qū)塊鏈交易的影響因素, 并且建立了數(shù)學(xué)模型, 實(shí)現(xiàn)進(jìn)行定量, 為電力交易區(qū)塊鏈的具體設(shè)計(jì)提供了參考. 文獻(xiàn) [6] 通過(guò)對(duì)典型低壓配電網(wǎng)進(jìn)行詳細(xì)建模和仿真, 提出了一種能源交易機(jī)制, 使得電力系統(tǒng)更加去中心化運(yùn)營(yíng). 國(guó)內(nèi)外的幾個(gè)項(xiàng)目也證明了在低壓配電網(wǎng)或微電網(wǎng)上使用區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)對(duì)等能源交易的概念[7–9] .

　　上述文獻(xiàn)主要是對(duì)區(qū)塊鏈在能源交易市場(chǎng)上的應(yīng)用以及在去中心化電力交易方面有重要的研究. 然而, 到目前為止, 這一領(lǐng)域的大部分工作都集中在微電網(wǎng)的能源交易機(jī)制, 或在多個(gè)電網(wǎng)之間的能源共享. 關(guān)于分析基于區(qū)塊鏈的地方電能交易對(duì)配電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施可能產(chǎn)生的影響方面, 則存在一個(gè)研究缺口. 由于政策環(huán)境、投資、落地標(biāo)準(zhǔn)等因素影響, 中國(guó)目前落地的電力交易區(qū)塊鏈應(yīng)用極少, 并且也面臨著區(qū)塊鏈吞吐量增大問(wèn)題以及安全性防護(hù)問(wèn)題等問(wèn)題和挑戰(zhàn). 本文通過(guò)提出一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的 P2P 電能交易平臺(tái)與配電網(wǎng)的協(xié)同仿真框架來(lái)研究其對(duì)配電系統(tǒng)的控制、運(yùn)行和規(guī)劃可能產(chǎn)生的影響. 從而為區(qū)塊鏈技術(shù)在電力交易中的落地應(yīng)用提供技術(shù)參考和理論依據(jù). 本文采用基于區(qū)塊鏈的分布式雙邊拍賣交易平臺(tái)促進(jìn)用戶之間的 P2P 電能交易, 并通過(guò) OpenDSS (Open Distributed System Simulator) 對(duì)某一社區(qū)用戶微電網(wǎng)進(jìn)行了兩個(gè)場(chǎng)景的建模和仿真. 通過(guò)算例仿真結(jié)果研究分析了 P2P 電能交易平臺(tái)對(duì)當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)的影響.

　　1 協(xié)同仿真方法概述

　　目前為了使 P2P 能源交易模式得到更大規(guī)模的應(yīng)用, 需要對(duì)其進(jìn)行建模來(lái)研究其對(duì)配電網(wǎng)的性能和可靠性的潛在影響. 本文選擇 OpenDSS 仿真工具[10] . OpenDSS 是一個(gè)用于對(duì)三相低壓網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行詳細(xì)建模的開(kāi)放源代碼工具, 并且還能夠通過(guò)內(nèi)置的組件對(duì)象模型與 Python 或 Matlab 軟件包進(jìn)行交互. 通過(guò)使用 Python 或 Matlab來(lái)管理數(shù)據(jù)輸入/輸出以及使配電網(wǎng)進(jìn)行仿真運(yùn)行. 圖 1是本文所提出的配電網(wǎng)與 P2P 電能交易平臺(tái)協(xié)同仿真方法示意圖.

　　輸入包括用戶數(shù)據(jù)和配電網(wǎng)數(shù)據(jù). 其中用戶數(shù)據(jù)包括用戶的日常需求負(fù)荷以及 PV 和 EV 需求. 配電網(wǎng)主要是網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)和支路數(shù)據(jù). 配電網(wǎng)數(shù)據(jù)為 OpenDSS 提供配電網(wǎng)物理結(jié)構(gòu)的必要信息, 包括網(wǎng)絡(luò)布局以及變壓器、穩(wěn)壓器等網(wǎng)絡(luò)控制元件的特性參數(shù). 在 OpenDSS 仿真過(guò)程中, 使用逗號(hào)分隔值 (.csv) 文件在每個(gè)元素之間交換數(shù)據(jù). 最后, 通過(guò) Python 或 Matlab 來(lái)管理數(shù)據(jù)據(jù)輸入/輸出, 并提供仿真輸出的后處理和可視化操作.

　　在本文中, Matlab 用于提供 Python 與 OpenDSS 之間的接口, 該接口能夠快速解決復(fù)雜的三相不平衡網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題. 圖 1 所示的協(xié)同仿真方法的優(yōu)越性在于 OpenDSS 中的網(wǎng)絡(luò)模型可以替換為另一個(gè)配電網(wǎng), 而無(wú)需重新編寫用于電能交易的 Python 代碼. 同時(shí), 也可以在 Python 中實(shí)現(xiàn)替代的本地能源交易機(jī)制, 而不需要在 OpenDSS 中進(jìn)行更改. 并且, 考慮到相關(guān)的約束條件, 本文所提出的協(xié)同仿真方法可以對(duì)低壓配電網(wǎng)絡(luò)中的 P2P 能源交易進(jìn)行全面的數(shù)值仿真, 包括電壓、網(wǎng)絡(luò)支路負(fù)載限制、電能質(zhì)量要求和故障等級(jí)等.

　　2 P2P 電能交易平臺(tái)

　　2.1 P2P 電能交易平臺(tái)現(xiàn)狀

　　P2P 電能交易是一種高效協(xié)調(diào)電力系統(tǒng)中分布式能源的手段. 隨著分布式能源滲透率的不斷提高, 電能市場(chǎng)的交易模式也迎來(lái)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn). 通常, 分時(shí)電價(jià)被用作有效地激勵(lì)需求響應(yīng)的一種手段. 但其也面臨著問(wèn)題, 比如如果所有用戶都利用相同的低電價(jià)時(shí)段, 則有可能減小負(fù)荷不均性系數(shù)并創(chuàng)造新的需求高峰. 所以, 就長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看, P2P 電能交易模式更能有效提高配電網(wǎng)的利用率. 首先, P2P 電能交易平臺(tái)為分布式能源節(jié)點(diǎn)提供了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境, 而不是傳統(tǒng)的分層網(wǎng)格結(jié)構(gòu), 這有利于配電網(wǎng)與其他軟件或系統(tǒng)環(huán)境進(jìn)行交互. 但是, 此類項(xiàng)目通常會(huì)受到地區(qū)以及相關(guān)市場(chǎng)法規(guī)的限制.

　　相關(guān)研究中, 目標(biāo)基本都是探索如何進(jìn)行大規(guī)模 P2P 能源交易的解決方案. P2P 電能交易的預(yù)期收益主要包括更好地利用電網(wǎng)資源, 以及由于更短的傳輸距離而減少的能源損失. 在配電網(wǎng)級(jí)別上, P2P 電能交易平臺(tái)可以在有足夠的分布式能源的情況下實(shí)現(xiàn)本地能源平衡.

　　2.2 分布式雙邊拍賣機(jī)制

　　本文提出了基于 P2P 電能交易平臺(tái)的分布式雙邊拍賣機(jī)制. 在分布式雙邊拍賣機(jī)制中, 買賣雙方向拍賣商提交他們的保留價(jià)格和購(gòu)買或出售的能源量. 買方的保留價(jià)格是它將為能源支付的最高價(jià)格, 而賣方的保留價(jià)格是賣方將其能源出售的最低價(jià)格. 拍賣商決定能源交易的價(jià)格和交易的買賣雙方的子集.

　　相較于集中式拍賣的中心化、不安全性以及交易距離限制等缺點(diǎn), 本文提出的基于區(qū)塊鏈的分布式雙邊拍賣機(jī)制則能有效緩解這些問(wèn)題. 首先, 加密和分布式共識(shí)協(xié)議保證了區(qū)塊鏈中存儲(chǔ)的交易記錄的安全性. 同時(shí)在分布式雙邊拍賣機(jī)制中, 任何參與者都可以作為拍賣商, 區(qū)塊鏈機(jī)制確保每一個(gè)參與者作為拍賣商都是合法的.

　　在 P2P 電能交易平臺(tái)中, 每個(gè)用戶不僅僅是消費(fèi)者, 同時(shí)也是生產(chǎn)者. 本地能源包括可控制的電能需求, 比如電動(dòng)汽車充電器、電動(dòng)熱泵、智能電器、現(xiàn)場(chǎng)發(fā)電設(shè)備以及電池存儲(chǔ)設(shè)備等. 圖 2 給出了基于 P2P 電能交易平臺(tái)的分布式雙邊拍賣機(jī)制示意圖.

　　如圖 2 所示, 任一用戶都可以通過(guò)交易將其電能供需情況通知到其他用戶. 同時(shí), 如果一名用戶從其他用戶處收到多個(gè)供求交易請(qǐng)求, 那么此用戶就可以作為拍賣商. 如果一名用戶不能解決此雙邊拍賣交易, 那么它會(huì)將未完成的交易信息傳遞給另一個(gè)用戶. 相反, 如果成功進(jìn)行了雙邊拍賣交易, 則向交易的另一方發(fā)送交易成功的信號(hào).

　　在交易過(guò)程中, 能源過(guò)剩或不足的信息會(huì)被編碼為區(qū)塊鏈交易, 用戶向外部發(fā)送能源過(guò)剩或不足的交易請(qǐng)求. 例如, N1 將交易 T1 發(fā)送到 N2 表示它有多余的能源, 而 N3 將交易 T3 發(fā)送到 N2 表示它的能源不足. 用戶將根據(jù)實(shí)際需求來(lái)創(chuàng)建合適的交易. 例如, N2 發(fā)現(xiàn) N3 和 N5 需要購(gòu)買能源, 而 N1 在出售多余的能源. 所以, N2 就會(huì)創(chuàng)建交易 T′1, T′′1 和 T′3. 如果用戶無(wú)法完成雙邊拍賣, 那么它將把未完成的交易轉(zhuǎn)給其他用戶. 例如, N4 通過(guò)交易 T5 接收到 N5 的能源不足信息, 但無(wú)法進(jìn)行雙邊拍賣. 因此, N4 將此信息傳遞給 N3, 即創(chuàng)建交易 T′5, 由 N3 來(lái)完成雙邊拍賣交易.

　　雙邊拍賣的結(jié)果僅表明用戶理論上的能源需求情況. 但是, 實(shí)際的能源需求情況可能不同, 這種情況將被記錄為需求字段為 0 的交易. 因此, 本文通過(guò)創(chuàng)建智能合約來(lái)解決這一問(wèn)題.

　　2.3 智能合約

　　基于每次雙邊拍賣的結(jié)果, 用戶之間可以形成一個(gè)智能合約. 例如, 在時(shí)間 內(nèi), 用戶 想要以價(jià)格出售 個(gè)單位的能源, 而用戶 想要以價(jià)格 購(gòu)買 個(gè)單位的能源. 這時(shí), 將會(huì)建立一個(gè) 和 之間的加密貨幣值為 智能合約.

　　該智能合約將由 和 的交易請(qǐng)求激活, 交易信息將決定實(shí)際的支付情況. 比如 只出售了 個(gè)單位的能源, 而 . 因此, 將會(huì)支付給價(jià)值 的加密貨幣, 剩下的 的加密貨幣將會(huì)返還給 . 這種加密貨幣可以作為區(qū)塊鏈基礎(chǔ)設(shè)施的一部分. 用戶必須用任何其他貨幣購(gòu)買這些代幣. 而用于能源交易信息和拍賣的代幣是免費(fèi)的, 因?yàn)槊總€(gè)用戶都有固定數(shù)量的代幣, 用來(lái)表達(dá)其在固定時(shí)間內(nèi)每天的能源需求和實(shí)際能源消耗.

　　最后, 每個(gè)用戶根據(jù)實(shí)際情況以及歷史能源供應(yīng)需求信息計(jì)算自己的能源需求. 要注意的是, 如果用戶發(fā)出的能源需求信息和實(shí)際能源消耗之間故意不匹配的話, 則會(huì)影響交易過(guò)程. 區(qū)塊鏈將會(huì)保存信息記錄, 任何此類惡意行為都可以被識(shí)別. 圖 3 為智能合約執(zhí)行流程圖.

　　(1) 假定以 5 分鐘作為一個(gè)固定時(shí)間間隔執(zhí)行如圖 3 所示步驟.

　　(2) 在此智能合約模型中, 本文假設(shè)政府或監(jiān)管機(jī)構(gòu)將提供足夠的資金來(lái)創(chuàng)建這些智能合約.

　　(3) 在買賣雙方賬號(hào)都被判定為有效賬號(hào)的情況下買賣雙方將通過(guò) Hash 算法 (SHA256) 向智能合約發(fā)送其投標(biāo)的 Hash 值.

　　(4) 在一段固定的時(shí)間間隔之后, 比如在 5 分鐘間隔中的 1 分鐘之后, 智能合約將執(zhí)行文獻(xiàn) [11] 算法來(lái)確定拍賣的獲勝者.

　　(5) 用戶的智能電表的數(shù)據(jù)將被輸入智能合約, 以驗(yàn)證參與者之間的實(shí)際能源傳輸.

　　(6) 最后, 在交易達(dá)成共識(shí)的基礎(chǔ)上, 將進(jìn)行能源傳輸以及資金轉(zhuǎn)移, 交易數(shù)據(jù)會(huì)被存儲(chǔ)到區(qū)塊鏈上, 交易成功.

　　要注意的是, 以上智能合約是在區(qū)塊鏈交易結(jié)算與電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)之間進(jìn)行協(xié)同作用的假設(shè)中執(zhí)行的. 本文提出的區(qū)塊鏈模擬器可以預(yù)測(cè)交易確認(rèn)時(shí)間. 該方法的設(shè)計(jì)使得預(yù)期交易確認(rèn)時(shí)間和市場(chǎng)結(jié)算時(shí)間通常小于在分布式網(wǎng)絡(luò)仿真中使用的時(shí)間步長(zhǎng). 這確保了區(qū)塊鏈能源交易的執(zhí)行時(shí)間與配電網(wǎng)模擬之間的協(xié)同作用.

　　本文所描述的分布式雙邊拍賣可以作為能源交易模型的一個(gè)例子, 也可以使用任何其他交易模型. 其特點(diǎn)之一就是具有收斂性, 即拍賣是在有限條件下完成, 比如用戶簽訂智能合同的次數(shù)是有限的, 如圖 4 所示.

　　2.4 區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)仿真

　　區(qū)塊鏈技術(shù)在拓?fù)湫问揭约斑\(yùn)營(yíng)方式等方面與新一輪電改下的電力交易市場(chǎng)建設(shè)相契合. 本文將區(qū)塊鏈技術(shù)的特性與 P2P 電力交易平臺(tái)相結(jié)合, 運(yùn)用區(qū)塊鏈技術(shù), 對(duì)電能交易過(guò)程中各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行身份脫敏處理, 匿名交易和數(shù)據(jù)無(wú)緩存特征為電能交易和雙向互動(dòng)提供重要保障. 區(qū)塊鏈仿真是基于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模擬器 ns-3 實(shí)現(xiàn)的. 區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)將由仿真程序隨機(jī)生成. 本文使用區(qū)塊鏈分叉數(shù)和區(qū)塊鏈吞吐量來(lái)表示區(qū)塊鏈的仿真特性. 交易完成和阻塞所需的時(shí)間取決于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的通信延遲時(shí)間. 同時(shí), 區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)數(shù)也會(huì)影響區(qū)塊鏈的性能. 因?yàn)閰^(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)越多, 節(jié)點(diǎn)之間傳播數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間就越多. 同時(shí), 在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大, 創(chuàng)建的交易數(shù)量也會(huì)越多.

　　區(qū)塊鏈分叉是指區(qū)塊鏈分裂成多個(gè)區(qū)塊鏈的現(xiàn)象. 比如在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中, 可能會(huì)出現(xiàn)多個(gè)礦工同時(shí)創(chuàng)建一個(gè)新的區(qū)塊的情況. 這時(shí), 部分區(qū)塊鏈將接收一個(gè)新的區(qū)塊, 并駁回另一個(gè)區(qū)塊. 區(qū)塊鏈的分叉問(wèn)題在于使用分叉的區(qū)塊鏈可能會(huì)產(chǎn)生雙重支出. 因此, 共識(shí)機(jī)制可以用來(lái)有效解決區(qū)塊鏈分叉問(wèn)題. 例如, 在基于工作量證明機(jī)制中, 分叉區(qū)塊鏈的最長(zhǎng)分支被認(rèn)為是有效的區(qū)塊鏈, 而分叉區(qū)塊鏈的較短分支將被駁回. 交易確認(rèn)時(shí)間可以計(jì)算為從創(chuàng)建區(qū)塊鏈到將交易記錄到新的區(qū)塊所需的時(shí)間, 它將直接影響區(qū)塊鏈的吞吐量. 本文將通過(guò)仿真研究通信延遲時(shí)間與區(qū)塊鏈分叉數(shù)以及交易確認(rèn)時(shí)間的關(guān)系. 本文模擬了一個(gè)擁有 200 個(gè)節(jié)點(diǎn)和 40 個(gè)礦工的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò). 圖 5 是區(qū)塊鏈分叉數(shù)與通信延遲時(shí)間之間的關(guān)系示意圖.

　　從圖 5 中可以看出, 隨著通信延遲時(shí)間的增加, 區(qū)塊鏈的分叉數(shù)也隨之增加. 該結(jié)果也支持了所使用的區(qū)塊鏈仿真程序的有效性. 因?yàn)殡S著通信延遲時(shí)間的增加, 多個(gè)礦工同時(shí)創(chuàng)建新區(qū)塊的概率也會(huì)增加. 在創(chuàng)建新區(qū)塊之后, 礦工將其發(fā)布到網(wǎng)絡(luò), 而其他的礦工在接收到一個(gè)新區(qū)塊后重新開(kāi)始其挖掘過(guò)程. 由于通信延遲時(shí)間較長(zhǎng), 信息到達(dá)所有礦工的時(shí)間將延長(zhǎng), 并且礦工重啟采礦過(guò)程的可能性較小. 圖 6 是交易確認(rèn)時(shí)間與通信延遲時(shí)間關(guān)系示意圖.

　　從圖 6 中看出, 隨著通信延遲時(shí)間的增加, 交易確認(rèn)時(shí)間也隨之增加. 在本文中, 沒(méi)有提供關(guān)于區(qū)塊鏈實(shí)施方案的經(jīng)濟(jì)可行性的全面分析. 經(jīng)濟(jì)可行性將取決于運(yùn)營(yíng)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的成本和執(zhí)行智能合約的成本. 然而, 區(qū)塊鏈模擬器可以根據(jù)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的計(jì)劃節(jié)點(diǎn)數(shù)和帶寬預(yù)測(cè)區(qū)塊鏈的性能. 因此, 區(qū)塊鏈模擬器可用于估算 P2P 電能交易平臺(tái)的運(yùn)營(yíng)成本以及確定基于區(qū)塊鏈的 P2P 對(duì)等能源交易的經(jīng)濟(jì)可行性. 使用區(qū)塊鏈模擬器來(lái)確定合適的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的流程圖如圖 7 所示.

　　如圖 7 所示, 在構(gòu)建合適的區(qū)塊鏈的過(guò)程中, 首先要根據(jù)區(qū)塊鏈的節(jié)點(diǎn)數(shù)和通信延遲時(shí)間確定區(qū)塊鏈屬性. 這些參數(shù)被將被用作區(qū)塊鏈仿真器的輸入. 然后使用仿真執(zhí)行的結(jié)果確定預(yù)期的區(qū)塊鏈分叉數(shù)和區(qū)塊鏈吞吐量. 如果區(qū)塊鏈仿真性能令人不滿意的話, 則進(jìn)行修正, 比如增加或減少區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)數(shù)以及帶寬等, 并重復(fù)上述步驟.

　　3 P2P 電能交易數(shù)學(xué)模型

　　3.1 用戶模型

　　本文定義 為微電網(wǎng)中用戶組成的節(jié)點(diǎn)集合, 個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷需求均不相同, 用戶能量管理系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的負(fù)荷需求以及歷史交易數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)用戶下一個(gè)交易的需求量以及 PV 和 EV 功率, 用戶 交易時(shí)的預(yù)測(cè)消耗功率可表示如下: eL,i = [ e 1 L,i , e 2 L,i , e 3 L,i ,··· , e T L,i ] i = 1,2,··· ,n (1) n i 式中, 為微電網(wǎng)中用戶的節(jié)點(diǎn)數(shù)量; T 為一個(gè)運(yùn)行周期; 為用戶編號(hào).

　　用戶 i 的 PV 發(fā)電功率預(yù)測(cè)可以表示如下: ePV,i = [ e 1 PV,i , e 2 PV,i ,··· , e k PV,i ,··· , e 24 PV,i ] (2)因此, 用戶 i 在交易當(dāng)天的凈輸出功率如下式所示: enet,i = [ e 1 net,i , e 2 net,i ,··· , e k net,i ,··· , e 24 net,i ] (3)

　　用戶 i 在時(shí)段 k 的凈輸出功率為負(fù)荷與 PV 功率之差, 如式 (4) 所示: e k net,i = e k L,i −e k PV,i (4) k e k net,i e k net,i ≥ 0 e k net,i ≤ 0 Q NM = |M| NQ = |Q| 當(dāng) 不同值時(shí), 有所不同, 當(dāng) 時(shí), 表現(xiàn)為買家; 當(dāng) 時(shí), 表現(xiàn)為賣家; 設(shè) M 為買家節(jié)點(diǎn)集合, 為賣家節(jié)點(diǎn)集合, 即 和 分別為該微電網(wǎng)內(nèi)買家和賣家的數(shù)量. 在 P2P 電能交易過(guò)程中, 買家總購(gòu)電功率和賣家總售電功率用式 (5) 和式 (6) 表示: e k TBP = ∑ NM i=1 e k net,i (5) e k TSP = ∑ NQ j=1 e k net, j (6) 式中, TBP 表示買家總購(gòu)電功率, TSP 表示賣家總售電功率.

　　3.2 博弈模型

　　本文提出的基于區(qū)塊鏈技術(shù)的 P2P 電能交易模型的目標(biāo)在保證買賣雙方獲得效益的的基礎(chǔ)上, 實(shí)現(xiàn)能源高效利用. 電能交易情況分類如下式所示: ????????????? eTSP = 0 (無(wú)內(nèi)部電力交易) 0 < eTSP < eTBP (非合作不完全信息博弈) eTSP > eTBP ≥ 0 (內(nèi)部電力交易電價(jià)為pg)

　　式中, 當(dāng) 時(shí), 即用戶 PV 功率不足, 此用戶以低于電網(wǎng)的售電價(jià)格 購(gòu)電; 當(dāng) 時(shí), 即同時(shí)存在需要購(gòu)電和需要售電的用戶, 此時(shí)則應(yīng)使得內(nèi)部電價(jià)盡量滿足買賣雙方的購(gòu)售電效益; 當(dāng)時(shí), 即微電網(wǎng)內(nèi)存在過(guò)剩的 PV 產(chǎn)能, 此時(shí)需要向電網(wǎng)出售電能. 假設(shè)內(nèi)部電價(jià)定為 , 出售價(jià)格定為 . 當(dāng) 時(shí), 買賣雙方形成了非合作不完全靜態(tài)博弈模型, 其中買家為引領(lǐng)者, 賣家根據(jù)電價(jià)制定最佳用電策略. 該博弈模型 表示如下: S = { (NM ∪NQ),{Ei}i∈NQ ,{Ui}i∈NQ ,P,R } (8)

　　式中, 賣方用戶 根據(jù)買方用戶 的電價(jià)制定最佳用電策略; 為賣家 的用電量的策略集; 為賣家的用電效益, ; P 為既定范圍內(nèi)的內(nèi)部電價(jià)策略集, R 為買家購(gòu)買電能的總費(fèi)用, 如下式所示:

　　R = ∑ j∈NM Rj = p ∑ i∈NQ (ePV,i −eL,i) + pgs ????????? ∑ j∈NM (eL, j −ePV, j)− ∑ i∈NQ (ePV,i −eL,i) ????????? (9) C eTSP j wj 在微電網(wǎng)內(nèi)買家用戶集合的購(gòu)電費(fèi)用 最低時(shí), 只要將總售電功率 以負(fù)荷需求比例為依據(jù)分配給各個(gè)買家. 此時(shí)買家 購(gòu)電量 為: wj = eTSP eL, j −ePV, j eTBP j ∈ NM (10) S 為了實(shí)現(xiàn)買家的購(gòu)電費(fèi)用以及賣家的用電效益最大這一目標(biāo), 微電網(wǎng)內(nèi)的買方用戶群會(huì)制定最優(yōu)的內(nèi)部電價(jià), 同時(shí)賣家也會(huì)根據(jù)這一電價(jià)選取最優(yōu)用電計(jì)劃. 該博弈 的貝葉斯納什均衡即該問(wèn)題的最優(yōu)解[12] .

　　4 算例分析

　　4.1 算例描述

　　本文通過(guò)一個(gè)社區(qū)微網(wǎng)算例來(lái)研究的 P2P 電能交易平臺(tái)對(duì)配電網(wǎng)的影響. 該社區(qū)微網(wǎng)代表了一個(gè)典型的三相低壓郊區(qū)住宅系統(tǒng), 本文選取了 5 名用戶作為樣本. 圖 8 是該樣本在一天 24 h 內(nèi)需求負(fù)荷曲線圖. 饋線首端電壓設(shè)置為固定值, 低壓二次網(wǎng)無(wú)有功電壓調(diào)節(jié). 網(wǎng)絡(luò)由 708 個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的 707 個(gè)線路對(duì)組成的串聯(lián)阻抗 (由電阻和電抗組成). 該社區(qū)微網(wǎng)共有 55 名居民用戶, 幾乎平均分布在饋線的 3 段 (A 段 21 名用戶, B 段 19 名用戶, C 段 15 名用戶). 仿真過(guò)程每隔 5 分鐘計(jì)算以下參數(shù): 每個(gè)用戶連接點(diǎn)的電壓、電網(wǎng)各支路有功、無(wú)功功率、每條支路中的有功功率損耗、低壓違規(guī)次數(shù)、高壓違規(guī)次數(shù)以及三相電壓不平衡度等.

　　為了研究分布式能源資源滲透率極高的未來(lái)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景, 并為 P2P 電能交易創(chuàng)造條件, 該社區(qū)微網(wǎng)中都增加了光伏 (PV) 發(fā)電和電動(dòng)汽車 (EV) 充電需求. 住宅光伏單元視為每個(gè)負(fù)載點(diǎn)的有功功率注入. 光伏發(fā)電機(jī)組容量在 1.6 – 4 kW 之間, 采用最大功率點(diǎn)跟蹤, 并以固定單位功率因數(shù)運(yùn)行. 本文使用的電動(dòng)汽車充電數(shù)據(jù)來(lái)源于實(shí)際汽車充電數(shù)據(jù), 其中每個(gè)電動(dòng)汽車充電器的額定功率為 3 kW. 表 1 列出了安裝的 PV 和 EV 容量.

　　通過(guò)配電網(wǎng)仿真分析某一天中電網(wǎng)的功率流和電壓的變化. 本文為了方便進(jìn)行比較研究, 分析了以下兩種情況:

　　場(chǎng)景一. 在不進(jìn)行 P2P 電能交易的情況下, 利用圖 7 所示的需求負(fù)荷曲線、EV 充電需求和 PV 發(fā)電輸出功率進(jìn)行配電網(wǎng)仿真.

　　場(chǎng)景二. 基于 P2P 電能交易平臺(tái)的基礎(chǔ)上, 采用與場(chǎng)景一相同的輸入數(shù)據(jù), 和本文提出的基于分布式雙邊拍賣機(jī)制, 進(jìn)行 P2P 電能交易與配電網(wǎng)的協(xié)同仿真.

　　4.2 算例結(jié)果分析

　　OpenDSS 網(wǎng)絡(luò)仿真中記錄的有功、無(wú)功輸入/輸出情況如圖 9、圖 10 所示. 由于該算例研究具有非常高的 PV 滲透率, 因此在一天的中午, 變電站有一個(gè)凈輸出, 此時(shí)有功及無(wú)功功率皆為負(fù)值. 本文假設(shè)低壓網(wǎng)絡(luò)能夠適應(yīng)雙向潮流. P2P 電能交易的最大交易量發(fā)生在 17:00 到 20:00 之間, 如圖 9 和圖 10 中的虛線所示. 可以看出, 在這段時(shí)間里, P2P 電能交易對(duì)有功功率和無(wú)功功率影響較大.

　　表 2 給出了配電網(wǎng)仿真的數(shù)據(jù)結(jié)果. 這些結(jié)果表明, 在 P2P 情況下, 配電網(wǎng)的凈輸出在一天中增加了約 19 kWh. 無(wú)功電量減少 6 kvarh 以上. P2P 能源交易最大復(fù)功率和網(wǎng)絡(luò)有功功率損失均無(wú)顯著變化. P2P 能源交易對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響也可以通過(guò)電壓不平衡度來(lái)測(cè)量. 本文定義相位電壓不平衡率 (PVUR) 為平均相位電壓的最大電壓偏差占平均相位電壓的百分比. 如表 2 所示, 與場(chǎng)景一相比, 場(chǎng)景二的 PVUR 略微降低.

　　圖 11 是場(chǎng)景一和場(chǎng)景二電壓分布差異示意圖, 以百分比值表示. 從圖中可以看出, P2P 電能交易對(duì)電壓影響最顯著的時(shí)間段是 17:00–20:00.

　　仿真結(jié)果表明, 在該算例中, 中等水平的 P2P 電能交易對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行性能沒(méi)有顯著影響. 從表 2 中可以看出, 最大復(fù)功率沒(méi)有受到顯著影響, 場(chǎng)景一和場(chǎng)景二 的差異小于 1 kVA. 圖 11 的結(jié)果顯示, 即使在 P2P 電能交易對(duì)電壓影響最顯著的時(shí)間段, 電壓分布也只有微小的差異.

　　5 結(jié)論

　　本文在基于區(qū)塊鏈和能源互聯(lián)網(wǎng)的條件下, 提出了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的 P2P 電能交易市場(chǎng)機(jī)制與配電網(wǎng)協(xié)同仿真的框架. 采用分布式雙邊拍賣技術(shù)和智能合約, 通過(guò)建立的數(shù)學(xué)模型和博弈模型對(duì) P2P 電能交易機(jī)制進(jìn)行了仿真分析. 與傳統(tǒng)的電力市場(chǎng)交易模式相比較, P2P 電能交易模式減少了不必要的電力損耗, 使資源成本和交易成本最小化. 在算例分析中, 設(shè)置了場(chǎng)景一和場(chǎng)景二, 通過(guò)兩個(gè)場(chǎng)景的仿真分析結(jié)果, 從功率和電壓兩個(gè)方面研究了 P2P 電能交易對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行的影響并驗(yàn)證了其潛在效益. 本研究對(duì)推動(dòng)區(qū)塊鏈在電能交易中的落地應(yīng)用、保證用電安全穩(wěn)定、實(shí)現(xiàn)能源平衡以及使得與區(qū)塊鏈相結(jié)合的 P2P 能源交易機(jī)制獲得更大范圍的接受有著重要意義.