配電網(wǎng)安全導(dǎo)向的分布式資源P2P區(qū)塊鏈交易機(jī)制研究

許 倫，王蓓蓓，李雅超，許洪華，劉少君，朱 紅

（1. 東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096；2. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司 南京供電分公司，江蘇 南京 210019）

0 引言

實(shí)現(xiàn)分布式能源DERs（Distributed Energy Re?sources）的有效開(kāi)發(fā)是未來(lái)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要途經(jīng)，DERs的快速發(fā)展使得傳統(tǒng)的電力用戶(hù)成為兼具發(fā)電能力的產(chǎn)銷(xiāo)者［1］。因此，積極開(kāi)發(fā)配電系統(tǒng)電力市場(chǎng)，可以?xún)?yōu)化配電系統(tǒng)內(nèi)的DERs 利用效率，緩解配電系統(tǒng)內(nèi)部DERs 的消納壓力，解決新形勢(shì)下DERs的高滲透率問(wèn)題［2-3］。

事實(shí)上，由于信息和通信技術(shù)的新進(jìn)展，區(qū)塊鏈以及其他分布式賬本技術(shù)的出現(xiàn)，為配電系統(tǒng)電力交易提供了一種合適的交易平臺(tái)及架構(gòu)，許多學(xué)者已將區(qū)塊鏈技術(shù)視為實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)P2P（Peer-to-Peer）交易的基礎(chǔ)。文獻(xiàn)［4］針對(duì)傳統(tǒng)的集中交易模型存在成本高、效率低、透明度低等問(wèn)題，提出基于區(qū)塊鏈技術(shù)的P2P 交易機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)［5-6］分別針對(duì)P2P 市場(chǎng)交易模式在微電網(wǎng)、需求響應(yīng)等方面的應(yīng)用進(jìn)行了進(jìn)一步探索，證明了區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)的可行性。

然而，不同于普通商品交換，在配電系統(tǒng)中開(kāi)放分散的P2P 市場(chǎng)缺乏統(tǒng)一調(diào)度中心協(xié)調(diào)的情況下允許用戶(hù)彼此交易能源，必然會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生影響甚至?xí)＜跋到y(tǒng)安全運(yùn)行，因此文獻(xiàn)［7］認(rèn)為在配電網(wǎng)中進(jìn)行P2P 交易需要設(shè)置配電網(wǎng)的物理約束。

目前，針對(duì)P2P 交易對(duì)配電網(wǎng)安全運(yùn)行的影響，國(guó)內(nèi)學(xué)者大多采用傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商DSO（Distribution System Operator）安全校驗(yàn)的方法，需要在交易匹配結(jié)束后再進(jìn)行集中的安全校核過(guò)程，違背了P2P 交易的初衷，降低了P2P 交易的效率。國(guó)外學(xué)者雖然針對(duì)分布式安全校驗(yàn)進(jìn)行了研究，但很少基于區(qū)塊鏈的運(yùn)算能力進(jìn)行建模分析，判斷交易安全影響的過(guò)程需要對(duì)每筆交易進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算［8-9］，計(jì)算復(fù)雜度高，運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)，難以通過(guò)區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)［10］通過(guò)Node.js 模塊實(shí)現(xiàn)了區(qū)塊鏈平臺(tái)和數(shù)值優(yōu)化平臺(tái)的聯(lián)動(dòng)，將復(fù)雜的安全判斷和交易撮合計(jì)算通過(guò)鏈下平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，解決了區(qū)塊鏈平臺(tái)運(yùn)算能力限制的問(wèn)題，但帶來(lái)了隱私泄露的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，部分學(xué)者基于直流模型在配電網(wǎng)中展開(kāi)研究，使計(jì)算模型轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)線(xiàn)性化模型，降低了運(yùn)算難度，但造成了誤差［11-12］。在配電市場(chǎng)開(kāi)展P2P 交易，由于配電網(wǎng)的輻射狀結(jié)構(gòu)，線(xiàn)路阻塞不再是系統(tǒng)運(yùn)行的首要約束［13］，節(jié)點(diǎn)電壓越限成為配電網(wǎng)安全校核的主要對(duì)象，但目前的文獻(xiàn)主要從阻塞和網(wǎng)損角度進(jìn)行考慮［14］，對(duì)電壓質(zhì)量問(wèn)題考慮不足。

為此，本文設(shè)計(jì)了一種以配電網(wǎng)安全為導(dǎo)向的分布式資源P2P 交易機(jī)制，其核心思想是將配電網(wǎng)安全校核過(guò)程加入分布式資源P2P 交易撮合模型中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)交易匹配和安全校核，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，提高交易完成效率；同時(shí)，為了保證交易模型能夠部署在區(qū)塊鏈上，實(shí)現(xiàn)利用區(qū)塊鏈有限的運(yùn)算能力完成交易過(guò)程全鏈上求解，基于配電網(wǎng)的物理和運(yùn)行特征進(jìn)行P2P 交易對(duì)于配電網(wǎng)安全影響的靈敏度模型推導(dǎo)，基于靈敏度模型對(duì)P2P 交易過(guò)程實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性化和簡(jiǎn)化；最后，針對(duì)本文提出的P2P 交易機(jī)制設(shè)計(jì)了相關(guān)智能合約，并在以太坊平臺(tái)上進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 配電網(wǎng)安全導(dǎo)向的P2P市場(chǎng)交易架構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)前在配電網(wǎng)開(kāi)展的電力交易涉及多種類(lèi)型的市場(chǎng)機(jī)制，至少包含存在DSO 的集中式交易機(jī)制以及基于分布式的P2P 交易機(jī)制。考慮到P2P 市場(chǎng)運(yùn)行初期，其交易量和規(guī)模均不大，因此配電網(wǎng)的電力交易主要由集中式市場(chǎng)完成，P2P 市場(chǎng)更多地是作為集中式交易的補(bǔ)充，本文聚焦于配電網(wǎng)集中式市場(chǎng)完成后，利用集中式市場(chǎng)交易結(jié)果的潮流斷面信息對(duì)配電網(wǎng)安全運(yùn)行進(jìn)行評(píng)估，指導(dǎo)P2P 市場(chǎng)展開(kāi)以配電網(wǎng)安全為導(dǎo)向的市場(chǎng)出清過(guò)程。此時(shí)，由于集中式市場(chǎng)完成了配電網(wǎng)絕大多數(shù)能源交易，交易規(guī)模較小的P2P 交易在當(dāng)前斷面下，配電網(wǎng)尚存的可輸送能力是一個(gè)隨P2P 交易配對(duì)路徑變化的線(xiàn)性系統(tǒng)［15］，通過(guò)對(duì)配電網(wǎng)執(zhí)行集中交易結(jié)果的潮流斷面信息可以推導(dǎo)出P2P 交易對(duì)電網(wǎng)影響的靈敏度模型，用以衡量P2P 交易對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)損以及節(jié)點(diǎn)電壓的影響，對(duì)應(yīng)參數(shù)分別為網(wǎng)損靈敏系數(shù)CLS和電壓靈敏系數(shù)CVS。

配電網(wǎng)安全導(dǎo)向的P2P 市場(chǎng)交易架構(gòu)如圖1 所示，在集中式交易結(jié)果的執(zhí)行過(guò)程后，DSO利用潮流斷面信息可以計(jì)算各個(gè)節(jié)點(diǎn)的CVS和CLS，用戶(hù)P2P交易對(duì)電網(wǎng)的影響可以視為關(guān)于CVS和CLS的線(xiàn)性化模型，因此可以利用DSO 傳輸?shù)某绷鲾嗝嫘畔㈤_(kāi)展以配電網(wǎng)安全為導(dǎo)向的P2P交易。

圖1 配電網(wǎng)安全導(dǎo)向的P2P市場(chǎng)交易架構(gòu)Fig.1 P2P market transaction architecture oriented by distribution network security

在DSO 集中出清之后，用戶(hù)購(gòu)、售電的剩余交易意愿可以通過(guò)區(qū)塊鏈平臺(tái)支撐的P2P 市場(chǎng)完成，通過(guò)在P2P交易過(guò)程中嵌入CVS和CLS，簡(jiǎn)化了交易安全校驗(yàn)過(guò)程，使得校驗(yàn)過(guò)程融入P2P 撮合過(guò)程，提升了交易效率，并且支撐P2P 交易的區(qū)塊鏈平臺(tái)不再需要接入額外的優(yōu)化軟件，避免了鏈下求解的隱私泄露問(wèn)題。因此下文基于以太坊Remix 平臺(tái)搭建配電網(wǎng)安全導(dǎo)向的P2P 市場(chǎng)交易平臺(tái)，同時(shí)考慮到平臺(tái)運(yùn)算能力的限制，在用戶(hù)的智能合約中嵌入CVS和CLS，設(shè)計(jì)基于區(qū)塊鏈技術(shù)的P2P交易機(jī)制。

2 P2P交易靈敏度模型推導(dǎo)

區(qū)塊鏈平臺(tái)的運(yùn)算能力限制使得傳統(tǒng)的潮流計(jì)算方法難以適用。本文考慮到在P2P 交易規(guī)模較小的情況下，配電網(wǎng)尚存可輸送能力是一個(gè)線(xiàn)性系統(tǒng)，因此通過(guò)線(xiàn)性化潮流推導(dǎo)，得到評(píng)估P2P 交易安全影響的靈敏度模型，降低安全校驗(yàn)難度。

2.1 電壓靈敏系數(shù)模型

本文通過(guò)DSO 傳輸?shù)某绷鲾嗝嫘畔ⅲü?jié)點(diǎn)注入功率、電壓）以及配電網(wǎng)公布的系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)行CVS的推導(dǎo)，得到可以反映節(jié)點(diǎn)負(fù)荷功率變化對(duì)系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓影響的靈敏度模型，假設(shè)支路的首、末節(jié)點(diǎn)分別為i、j，支路首、末節(jié)點(diǎn)的電壓及其相角分別為（Vi，δi）、（Vj，δj），支路阻抗為Zij=rij+jxij。

基于前期工作［16］，已知節(jié)點(diǎn)i的注入功率可拆分為只與節(jié)點(diǎn)電壓幅值有關(guān)的前項(xiàng)以及只與節(jié)點(diǎn)電壓相角有關(guān)的后項(xiàng)，因此可以寫(xiě)成如下矩陣形式：

式中：P′、Q′、δ′、V′分別為不包含根節(jié)點(diǎn)的有功功率、無(wú)功功率、電壓相角、電壓幅值的向量；B′1、B′2分別為矩陣B1、B2去除第一行和第一列后的矩陣；Bc1、Bc2分別為矩陣B1、B2的第一列元素去除第一行后的向量；BE為由B1、B2組成的矩陣；V1、δ1分別為根節(jié)點(diǎn)的電壓幅值、相角。

B1、B2的元素可以表示為：

式中：NB為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目。

因此，當(dāng)配電系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，其對(duì)配電系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓的影響可以進(jìn)行量化，即CVS：

2.2 網(wǎng)損靈敏系數(shù)模型

假定線(xiàn)路功率的正方向?yàn)楦腹?jié)點(diǎn)流向子節(jié)點(diǎn)，流過(guò)支路Lk的潮流可以表示為：

同時(shí)，節(jié)點(diǎn)i負(fù)荷有功變化對(duì)支路Lk有功網(wǎng)損的影響可以表示為：

因此，對(duì)于DSO 傳輸?shù)某绷鲾?shù)據(jù)，通過(guò)式（4）—（6）的前推回代，可以推導(dǎo)得出節(jié)點(diǎn)i負(fù)荷有功變化對(duì)于系統(tǒng)網(wǎng)損的影響，即CLS：

式中：NL為系統(tǒng)支路數(shù)。

由式（3）及式（7）可以看出，對(duì)于特定的潮流斷面，各個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷的單位變化對(duì)系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓及系統(tǒng)總網(wǎng)損的影響是線(xiàn)性的，且靈敏系數(shù)可以通過(guò)集中式交易的潮流斷面得到。

3 基于靈敏系數(shù)的P2P市場(chǎng)交易機(jī)制設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)在去中心化的區(qū)塊鏈平臺(tái)上進(jìn)行P2P交易，本文利用CVS、CLS量化P2P 交易對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行的影響從而調(diào)整交易的報(bào)價(jià)排序，實(shí)現(xiàn)在P2P 交易撮合過(guò)程融入交易的安全校核，使得有利于系統(tǒng)運(yùn)行的交易優(yōu)先被撮合，危及系統(tǒng)安全運(yùn)行的交易不被撮合。主要步驟分為：價(jià)格調(diào)整；交易匹配；出清和結(jié)算。

3.1 價(jià)格調(diào)整過(guò)程

本文交易次序的優(yōu)化體現(xiàn)在價(jià)格的調(diào)整，具體過(guò)程如下：

1）DSO 根據(jù)配電網(wǎng)物理參數(shù)以及潮流斷面數(shù)據(jù)，通過(guò)式（3）和式（7）確定參與交易的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的CVS、CLS，并下傳到P2P交易區(qū)塊鏈平臺(tái)；

2）區(qū)塊鏈平臺(tái)內(nèi)嵌的智能合約依據(jù)各個(gè)購(gòu)電用戶(hù)、售電商的報(bào)價(jià)和報(bào)量以及購(gòu)電用戶(hù)、售電商所在節(jié)點(diǎn)的CVS和CLS，對(duì)報(bào)價(jià)進(jìn)行調(diào)整以?xún)?yōu)化各個(gè)交易方的優(yōu)先級(jí)。

以節(jié)點(diǎn)m處的售電商為例，在智能合約中的報(bào)價(jià)調(diào)整過(guò)程如下。

假設(shè)節(jié)點(diǎn)m處的售電商通過(guò)智能合約申報(bào)出售功率ΔPm，根據(jù)節(jié)點(diǎn)m的CVS可以計(jì)算得到節(jié)點(diǎn)m的功率變化引起節(jié)點(diǎn)i的電壓變化量ΔVi為：

因此，智能合約更新節(jié)點(diǎn)i的電壓Vi為：

式中：V為P2P交易開(kāi)展前DSO公布的節(jié)點(diǎn)i的電壓。

若電壓越限，則記錄越限量為di，節(jié)點(diǎn)m處的售電商導(dǎo)致的電壓越限總量與其出售功率的比值記為電壓靈敏度因子，即：

式中：Ndv為電壓越限節(jié)點(diǎn)集合。

同時(shí)，智能合約通過(guò)ΔPm以及節(jié)點(diǎn)m的網(wǎng)損靈敏系數(shù)模型，可以計(jì)算得到節(jié)點(diǎn)m處的售電商出售功率引起的系統(tǒng)總網(wǎng)損變化量ΔPLoss為：

節(jié)點(diǎn)m處的售電商導(dǎo)致的網(wǎng)損增量與其出售功率的比值記為網(wǎng)損靈敏度因子，即：

為了對(duì)所有參與P2P 交易的交易方的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行調(diào)整，智能合約對(duì)各靈敏度因子進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算，即：

3.2 交易匹配過(guò)程

由于智能合約調(diào)整后的報(bào)價(jià)包含了配電網(wǎng)安全約束部分，因此通過(guò)報(bào)價(jià)的高低匹配可以同時(shí)表示交易的撮合過(guò)程和安全校驗(yàn)過(guò)程。本文假定P2P 交易匹配的目標(biāo)設(shè)置為調(diào)整后價(jià)格的社會(huì)福利最大化，即：

通過(guò)平衡約束將最優(yōu)匹配的尋優(yōu)過(guò)程等效為將購(gòu)電用戶(hù)調(diào)整后的報(bào)價(jià)按從高到低進(jìn)行排序，將售電商調(diào)整后的報(bào)價(jià)按從低到高進(jìn)行排序，并尋找相交點(diǎn)（出清點(diǎn)）的過(guò)程，簡(jiǎn)化了交易的復(fù)雜程度。

3.3 出清和結(jié)算過(guò)程

考慮到P2P 市場(chǎng)中各個(gè)購(gòu)電用戶(hù)、售電商的交易意愿，以及現(xiàn)有的Uplift 成本分?jǐn)倷C(jī)制［17］，在出清過(guò)程中智能合約按照匹配結(jié)果中各個(gè)購(gòu)電用戶(hù)、售電商的初始報(bào)價(jià)進(jìn)行出清，在結(jié)算過(guò)程中智能合約按照Uplift機(jī)制進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)維護(hù)成本的分?jǐn)偂?/p>

由于在交易匹配過(guò)程是考慮配電網(wǎng)安全物理約束后的匹配結(jié)果，而實(shí)際出清過(guò)程中按原有的報(bào)價(jià)進(jìn)行出清，可能會(huì)出現(xiàn)社會(huì)福利的損失，如圖2 所示。圖中、分別為出清點(diǎn)附近的購(gòu)電用戶(hù)、售電商報(bào)價(jià)。

圖2 P2P出清機(jī)制Fig.2 Clearing mechanism for P2P transaction

因此，智能合約需要對(duì)如下2種情形進(jìn)行判斷。

1）情形1：負(fù)成本，即所有的P2P 交易對(duì)電網(wǎng)的影響都是正面的，社會(huì)福利反而得到增大。出清結(jié)果如圖2（a）所示，此時(shí)智能合約按照邊際購(gòu)電商報(bào)價(jià)的平均值進(jìn)行市場(chǎng)出清和結(jié)算。

2）情形2：正成本，即存在部分交易對(duì)電網(wǎng)的影響是負(fù)面的。出清結(jié)果如圖2（b）所示，此區(qū)域的售電投標(biāo)價(jià)格已經(jīng)高于購(gòu)電投標(biāo)價(jià)格，執(zhí)行此區(qū)域交易無(wú)疑會(huì)增加交易的經(jīng)濟(jì)成本，因此規(guī)定P2P 市場(chǎng)按出清點(diǎn)進(jìn)行出清，同時(shí)智能合約需要判斷補(bǔ)償區(qū)的結(jié)算成本是否滿(mǎn)足小于執(zhí)行補(bǔ)償區(qū)匹配交易后網(wǎng)損及電壓優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)收益，若滿(mǎn)足，則按照Uplift 機(jī)制，智能合約向全網(wǎng)購(gòu)電用戶(hù)收取系統(tǒng)維護(hù)成本，并執(zhí)行補(bǔ)償區(qū)的匹配結(jié)果。

式中：CUp為需要各個(gè)購(gòu)電用戶(hù)承擔(dān)的維護(hù)成本；Eco為執(zhí)行補(bǔ)償區(qū)匹配交易后配電網(wǎng)網(wǎng)損及節(jié)點(diǎn)電壓優(yōu)化得到的經(jīng)濟(jì)收益。

4 基于以太坊智能合約的交易機(jī)制設(shè)計(jì)

4.1 智能合約設(shè)計(jì)

通過(guò)式（3）和式（7）得到的CVS、CLS，可以在P2P交易撮合機(jī)制中考慮配電網(wǎng)的安全校驗(yàn)過(guò)程，依據(jù)第3 節(jié)的機(jī)制設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)利用區(qū)塊鏈有限的運(yùn)算能力完成交易過(guò)程全鏈上求解，規(guī)避區(qū)塊鏈平臺(tái)無(wú)法實(shí)現(xiàn)高復(fù)雜度的計(jì)算的難題［18-19］。本文設(shè)計(jì)了以下智能合約以支撐配電網(wǎng)安全導(dǎo)向的P2P交易。

1）申報(bào)合約：各交易方需要在區(qū)塊鏈平臺(tái)上提交報(bào)價(jià)、報(bào)量信息以及節(jié)點(diǎn)地址。

2）匹配合約：根據(jù)申報(bào)合約上傳至鏈上的信息以及交易節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的CVS、CLS信息，考慮配電網(wǎng)安全物理約束的成本，對(duì)報(bào)價(jià)進(jìn)行調(diào)整，確定交易的優(yōu)先級(jí)，同時(shí)依據(jù)式（16）得到優(yōu)化求解結(jié)果，將允許交易的各個(gè)交易方以及匹配交易量上傳至鏈上。

3）出清合約：根據(jù)匹配合約上傳至鏈上的信息，按各個(gè)交易方的真實(shí)報(bào)價(jià)進(jìn)行出清，同時(shí)根據(jù)圖2確定具體的出清策略。

4）結(jié)算合約：根據(jù)出清合約上傳的信息，依據(jù)不同的出清策略執(zhí)行不同的結(jié)算方式。

5）執(zhí)行合約：執(zhí)行市場(chǎng)結(jié)算結(jié)果。

4.2 交易流程

依據(jù)上文提出的交易模型以及制定的智能合約，可以在以太坊平臺(tái)按照如圖3 所示的交易流程部署配電網(wǎng)P2P交易平臺(tái)。

圖3 基于以太坊的P2P交易流程圖Fig.3 Flowchart of P2P transaction based on Ethereum

5 算例分析

本文在如圖4 所示的IEEE 33 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中進(jìn)行仿真，假設(shè)系統(tǒng)包括8 個(gè)購(gòu)電用戶(hù)和8 個(gè)售電商，其申報(bào)信息如附錄A表A1、A2所示。

圖4 IEEE 33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)拓?fù)銯ig.4 Topology of IEEE 33-bus system

5.1 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

將第4 節(jié)設(shè)計(jì)的智能合約發(fā)布至以太坊Remix平臺(tái)上，以驗(yàn)證考慮系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的P2P 市場(chǎng)交易機(jī)制的有效性，各個(gè)智能合約在Remix 平臺(tái)的輸出結(jié)果如附錄B 表B1—B3 所示。本文以購(gòu)電用戶(hù)B1為例，分析各個(gè)智能合約的執(zhí)行效果，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 智能合約執(zhí)行結(jié)果Fig.5 Execution result of intelligent contract

由于Remix 平臺(tái)不支持浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算，因此本文將各個(gè)數(shù)據(jù)放大10000倍，可以看出，各個(gè)智能合約通過(guò)合約地址實(shí)現(xiàn)了交互數(shù)據(jù)，由虛擬匹配合約和出清合約的計(jì)算結(jié)果可以看出B1（節(jié)點(diǎn)2）得到了出清，由執(zhí)行合約可以得到，B1（節(jié)點(diǎn)2）的出清量為0.074 MW，出清價(jià)格為350 元／MW，補(bǔ)償成本總量為0.095元。

同時(shí)為了進(jìn)行對(duì)比分析，本文在同樣的環(huán)境下驗(yàn)證了高低價(jià)匹配的撮合結(jié)果，具體如表1、圖6 所示（圖中電壓為標(biāo)幺值）。

表1 P2P交易后系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)Table 1 Operation status of system after P2P transaction

圖6 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果Fig.6 Operation result of system

通過(guò)表1、圖6 中的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，相比本文提出的配電網(wǎng)安全導(dǎo)向的模型，以高低價(jià)匹配的方式進(jìn)行P2P 市場(chǎng)的出清，對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)損和節(jié)點(diǎn)電壓偏移有很大的負(fù)面影響，節(jié)點(diǎn)12 出現(xiàn)了嚴(yán)重電壓越限（0.9232 p.u.），系統(tǒng)網(wǎng)損增加了10.664 kW。

5.2 P2P交易優(yōu)先級(jí)調(diào)整

為了進(jìn)一步分析P2P 交易結(jié)果對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的影響，本文計(jì)算各個(gè)購(gòu)、售電節(jié)點(diǎn)單位功率變化對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行成本的影響，并與各個(gè)交易節(jié)點(diǎn)的初始報(bào)價(jià)進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。

圖7 交易方初始報(bào)價(jià)Fig.7 Initial quotation of transaction party

通過(guò)圖7 中節(jié)點(diǎn)的各個(gè)購(gòu)、售電節(jié)點(diǎn)單位功率變化對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行成本的影響以及與各個(gè)購(gòu)、售電節(jié)點(diǎn)的初始報(bào)價(jià)的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)12 處的負(fù)荷增加對(duì)系統(tǒng)的負(fù)面影響最大，但節(jié)點(diǎn)12 處的購(gòu)電用戶(hù)報(bào)價(jià)要高于節(jié)點(diǎn)6、26 處的購(gòu)電用戶(hù)報(bào)價(jià)，可以通過(guò)高于節(jié)點(diǎn)6、26 的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行成交，使系統(tǒng)為了維持運(yùn)行付出更高的成本；同理，節(jié)點(diǎn)10 處的分布式電源出力對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的積極影響僅低于節(jié)點(diǎn)16，但節(jié)點(diǎn)10 處的售電商報(bào)價(jià)最高，優(yōu)先級(jí)最低，在P2P市場(chǎng)中容易因?yàn)檩^高的報(bào)價(jià)流標(biāo)。這表明單純以高低價(jià)匹配進(jìn)行交易而忽略配電網(wǎng)安全的物理約束，會(huì)使得配電網(wǎng)為了維持安全運(yùn)行付出高昂的運(yùn)行成本，甚至威脅系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

針對(duì)以上情況，本文通過(guò)線(xiàn)性化推導(dǎo)得到反映P2P 交易對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行影響的靈敏系數(shù)，即CVS和CLS。在匹配合約中，通過(guò)式（8）—（15）對(duì)各個(gè)交易方的報(bào)價(jià)進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化各個(gè)交易的優(yōu)先次序，結(jié)果如圖8所示。

圖8（a）中，對(duì)比節(jié)點(diǎn)12 與節(jié)點(diǎn)24 可以發(fā)現(xiàn)，由于節(jié)點(diǎn)12 處的負(fù)荷增加會(huì)顯著增加系統(tǒng)的網(wǎng)損和節(jié)點(diǎn)電壓越限的趨勢(shì)，因此CVS、CLS調(diào)整部分都對(duì)節(jié)點(diǎn)12 處購(gòu)電用戶(hù)的報(bào)價(jià)進(jìn)行了下調(diào)，降低了交易的優(yōu)先級(jí)，同時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)24 負(fù)荷增加對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)損和節(jié)點(diǎn)電壓的影響較小，CVS、CLS調(diào)整部分上調(diào)節(jié)點(diǎn)24的報(bào)價(jià)以提高交易優(yōu)先級(jí)。圖8（b）中，對(duì)比節(jié)點(diǎn)16與節(jié)點(diǎn)19 可以發(fā)現(xiàn)，由于本文售電商出力對(duì)配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓主要起到支撐作用，因此CVS調(diào)整部分都下調(diào)了節(jié)點(diǎn)16 與節(jié)點(diǎn)19 處售電商的報(bào)價(jià)以增加交易優(yōu)先級(jí)，但節(jié)點(diǎn)16 處售電商的出力可以有效降低系統(tǒng)網(wǎng)損，CLS調(diào)整部分通過(guò)降低其報(bào)價(jià)以提高交易優(yōu)先級(jí)，節(jié)點(diǎn)19 處售電商的出力對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)損降低的作用很小，CLS調(diào)整部分通過(guò)提高其報(bào)價(jià)來(lái)降低交易優(yōu)先級(jí)，最終通過(guò)報(bào)價(jià)的調(diào)整，節(jié)點(diǎn)16 處售電商的交易優(yōu)先級(jí)要高于節(jié)點(diǎn)19。

圖8 價(jià)格調(diào)整過(guò)程Fig.8 Price adjustment process

5.3 P2P交易出清結(jié)算

按照第3 節(jié)設(shè)計(jì)的交易機(jī)制，在匹配階段得到交易方的匹配結(jié)果和出清量，通過(guò)出清合約和結(jié)算合約對(duì)匹配結(jié)果按照各個(gè)交易方的實(shí)際報(bào)價(jià)進(jìn)行出清結(jié)算，可得結(jié)算過(guò)程的出清點(diǎn)為［0.336 MW，350 元／MW］，結(jié)算過(guò)程存在的補(bǔ)償成本Csumup為5.705 元，由于交易次序的優(yōu)化使得系統(tǒng)網(wǎng)損下降10.664 kW，節(jié)點(diǎn)12 電壓越限被消除，按照購(gòu)電用戶(hù)平均購(gòu)電價(jià)格對(duì)網(wǎng)損優(yōu)化進(jìn)行計(jì)算，按照越限負(fù)荷成本為0.07元／kW 對(duì)電壓優(yōu)化進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)濟(jì)收益Eco為9.22 元，因此對(duì)補(bǔ)償區(qū)匹配的交易進(jìn)行出清，且補(bǔ)償成本由全網(wǎng)購(gòu)電用戶(hù)共同承擔(dān)，Cup為0.952元，各個(gè)購(gòu)電用戶(hù)、售電商的中標(biāo)情況分別如附錄C表C1、C2所示。

同時(shí)，為了分析出清結(jié)果的優(yōu)化情況，對(duì)高低價(jià)匹配的出清結(jié)果以及本文配電網(wǎng)安全導(dǎo)向的出清結(jié)果進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖9所示。

由圖9 可知，通過(guò)本文模型對(duì)P2P 交易優(yōu)先級(jí)的調(diào)整，節(jié)點(diǎn)12 處購(gòu)電用戶(hù)的中標(biāo)量由節(jié)點(diǎn)6 處購(gòu)電用戶(hù)取代，節(jié)點(diǎn)19 處售電商的部分中標(biāo)量由節(jié)點(diǎn)30 處的售電商取代，同時(shí)由圖7 可以發(fā)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)12處的負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的單位成本高于節(jié)點(diǎn)6，節(jié)點(diǎn)30 處的分布式電源出力對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的單位收益高于節(jié)點(diǎn)19。這證明了本文模型對(duì)P2P交易匹配的調(diào)整符合配電網(wǎng)安全運(yùn)行導(dǎo)向。

圖9 P2P交易出清結(jié)果Fig.9 Clearing result of P2P transaction

5.4 效益分析

為了說(shuō)明P2P 交易模型對(duì)配電系統(tǒng)運(yùn)行的影響，設(shè)置如式（20）—（22）所示的3 個(gè)指標(biāo)，得到P2P交易對(duì)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓的影響、P2P 交易中購(gòu)電節(jié)點(diǎn)對(duì)交易量的有效消納、系統(tǒng)對(duì)P2P 出清量的有效消納，同時(shí)將本文模型與高低價(jià)匹配的P2P 模型進(jìn)行對(duì)比。

1）累計(jì)電壓偏移量。

式中：ΔU為配電系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓的累計(jì)偏移量；Ui為節(jié)點(diǎn)i的電壓；Uspec為節(jié)點(diǎn)期望電壓；N為除松弛節(jié)點(diǎn)以外的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

2）購(gòu)電節(jié)點(diǎn)最低有效消納率。

3）系統(tǒng)等效消納率。

表2 給出了P2P 交易效益分析。可以看出，高低價(jià)匹配的P2P 交易撮合模型中購(gòu)電用戶(hù)的盈余要高于本文模型，但是由此帶來(lái)的對(duì)配電系統(tǒng)的負(fù)面影響十分顯著，與無(wú)P2P 交易時(shí)的情況相比，網(wǎng)損增加了41.3%，累計(jì)電壓偏移增加了1.11%，并出現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)電壓越限，購(gòu)電節(jié)點(diǎn)的最低有效消納率只有85.9%，系統(tǒng)對(duì)出清電量的等效消納率為97.36%。相比之下，本文配電網(wǎng)安全導(dǎo)向的交易撮合模型考慮了P2P 交易對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行的影響，可以利用P2P 交易正面效益促進(jìn)配電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行，系統(tǒng)網(wǎng)損與無(wú)P2P 交易時(shí)的情況相比下降了0.75%，累計(jì)電壓偏移下降了3.93%，同時(shí)消除了節(jié)點(diǎn)電壓越限；與高低價(jià)匹配的P2P 交易模型對(duì)比，購(gòu)電節(jié)點(diǎn)的最低有效消納率從85.9%上升到91.5%，配電系統(tǒng)對(duì)出清電量的等效消納率從97.36% 上升到100.05%。這表明了本文模型對(duì)出清電量具備高效消納的能力。

表2 P2P交易效益分析Table 2 Benefit analysis of P2P transaction

6 結(jié)論

考慮到“雙碳”目標(biāo)下未來(lái)配電系統(tǒng)的發(fā)展，本文提出一種配電網(wǎng)安全導(dǎo)向的分布式資源P2P 交易機(jī)制，通過(guò)將配電網(wǎng)安全運(yùn)行約束加入P2P 交易撮合模型中，在配電網(wǎng)進(jìn)行P2P 交易的過(guò)程中保證了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性；同時(shí)通過(guò)區(qū)塊鏈平臺(tái)部署本文交易機(jī)制，以降低P2P 交易的執(zhí)行成本，考慮到區(qū)塊鏈平臺(tái)運(yùn)算能力的限制，本文設(shè)計(jì)了具有簡(jiǎn)單計(jì)算特性的P2P 交易智能合約，通過(guò)配電網(wǎng)潮流斷面的線(xiàn)性化推導(dǎo)出靈敏度模型，用以衡量P2P 交易對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)損和節(jié)點(diǎn)電壓的影響，在此基礎(chǔ)上通過(guò)匹配階段的價(jià)格調(diào)整實(shí)現(xiàn)了P2P交易撮合的優(yōu)化調(diào)整。

本文模型適用于P2P 交易初期、交易規(guī)模較小的場(chǎng)景，隨著交易規(guī)模的增大，局部的配電網(wǎng)安全線(xiàn)性化約束將被打破，后續(xù)擬針對(duì)交易規(guī)模較大的場(chǎng)景展開(kāi)研究，考慮較大規(guī)模的P2P 交易情景下，針對(duì)配電網(wǎng)物理安全約束的非線(xiàn)性化場(chǎng)景，引入線(xiàn)路容量、節(jié)點(diǎn)電壓偏移裕度的極限水平的概念，尋找非線(xiàn)性場(chǎng)景的邊界變化條件，對(duì)邊際條件外的約束進(jìn)行分步線(xiàn)性化，同時(shí)在較大規(guī)模的P2P 交易場(chǎng)景中通過(guò)博弈理論分析交易主體報(bào)價(jià)策略對(duì)交易結(jié)果的影響，得到考慮交易主體報(bào)價(jià)行為和配電網(wǎng)安全約束的撮合模型。

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