基于區塊鏈技術的園區級綜合能源系統能量交互

劉玉成, 段煉, 班曉萌, 黃偉, 左欣雅, 張莞嘉

(1.國網呼倫貝爾供電公司, 內蒙古自治區呼倫貝爾市 021100；2.華北電力大學電氣與電子工程學院, 北京市 102206)

0 引 言

為構建清潔環保、高效安全的現代能源體系[1]，異質能源協同利用的綜合能源系統(integrated energy system，IES)成為近年來的關注重點。IES的能量交互作為其中重要的研究方向，也得到了廣泛的探討。

IES的能量交互模式可分為集中式和分散式兩種。當前，相關研究和工程實踐以集中式的調度模式為主，即在IES內構建中央運營層用于集中計算并進行能量分配[2-4]。由于中央運營層可獲得全部數據并做出決策，無法維護能源運營商的利益和隱私[5]。同時，決策過程中數據量大、決策變量多造成了IES通信壓力大，運行效率低[6]。而分散式的能量交互模式沒有中心機構，可實現運營主體的自主運行和協同管理[7-8]。文獻[9]提出了基于主從博弈的社區綜合能源系統協同優化運行策略，以綜合能源銷售商為領導者，新能源冷熱電運營商和負荷聚合商為跟隨者，但領導者仍具有過多中心化機構特性。文獻[10]基于有向圖的通信拓撲，建立了考慮需求響應的社區綜合能源系統能量管理模型，使用拉格朗日乘子法解耦成3個完全平等的子系統，并用一致性協議求解。但該模式缺少監管，各運營商有足夠的動機為了自身利益而篡改系統參數，且無法抵御惡意攻擊。

區塊鏈作為高度去信任、去中心化的數據庫，能夠實現計算過程透明化、信息不可篡改，彌補了分散式能量交互的缺點[11-12]。文獻[13]首次將區塊鏈技術應用于微電網中分布式電源間的分散協調控制，應用區塊鏈技術提高了交替方向乘子法(alternate drection multiplier method，ADMM)運算過程的公平性和可靠性。文獻[14]針對多個微電網之間的能量交易和控制，基于區塊鏈設計了包含金融層、網絡層和物理層的多層控制模型。區塊鏈可審計能量流和金融交易的完整性和有效性。以上文獻主要集中于電力系統，很少有文獻研究區塊鏈技術在綜合能源系統能量交互中的應用。

本文針對分散的園區級熱-電綜合能源系統，基于區塊鏈技術的特點，分析區塊鏈技術應用于分散式的交互模型和算法的可行性。進而提出IES分散式能量交互的雙層結構模型，包含應用拉格朗日乘子法解耦的物理層交互模型；以成本增量為一致性變量，以智能合約、分布式記賬、數字簽名等區塊鏈技術為構架的信息層數據傳遞模型。算例證明，利用區塊鏈技術與分散式交互方法可以保障IES能量交互的隱私性、公平性和安全性。

1 區塊鏈的應用可行性

1.1 區塊鏈的特點

區塊鏈最初是比特幣交易的核心支撐技術，是分布式數據存儲、智能合約、加密算法等計算機技術的新型應用模式[15]，可視為一個特殊的分布式存儲數據庫[16]。在區塊鏈中，區塊依據存儲信息對應生成的哈希密碼有序連接，各節點都可以參與區塊信息確認、記錄和讀取，運行流程分散化、透明化、程序化，具有去中心、去信任和信息不可篡改的特點。

區塊鏈可分為公有鏈、私有鏈、聯盟鏈3類[17]。公有鏈沒有監管機構，任何節點都可以參與區塊的記錄和維護，節點間僅依靠既定的規則運行，完全去中心、去信任，但吞吐量受限，運行速度很低；私有鏈通常建立在企業內部，節點是預先確定的，僅有少量節點擁有記錄和維護權，中心化嚴重，但運行速度快；聯盟鏈一般由多個主體共同發起，參與節點需通過聯盟認證，各主體可共同維護和管理區塊鏈，具有運行速度快、可擴展性高、互操作性強和安全性高的特點。由于綜合能源系統由多個能源運營主體組成，選擇聯盟鏈最為合適。

1.2 區塊鏈與分散式交互模型

在分散式的能量交互模型中，熱、電系統子模型的地位平等。運行過程中，子模型無需得知其他子模型的運行參數，只需要交換協同計算過程中的一致性變量。各運營商的求解服務器均以自身利益最大為目標，進行IES的能量協同交互。分散式交互模型維護了各方利益和隱私，實現了系統的去中心化，但無法保證運營商忠實可靠，難以驗證分散運行過程的公平性。針對分散式交互模型的優缺點，區塊鏈技術對應的相似性和補充性如表1所示，因此區塊鏈技術有望成為構建分散式IES能量交互的底層技術構架。

表1 分散式交互模型中應用區塊鏈的可行性Table 1 Feasibility of applying blockchain in decentralized interaction model

1.3 區塊鏈與分散式算法

一致性協議是分散式算法中的重要分支，一致性變量基于節點之間的通信而趨于一致，最終可得到分散式優化問題的最優解。關于一致性協議收斂性與最優性的證明可見文獻[18-19]。基于無向聯通圖G(V,S)構建分散式熱-電IES的節點通信拓撲。其中V是節點集；S是表示節點間通信線路的邊界集。配電網運營商、熱電聯產運營商和鍋爐運營商的節點集分別用VE、VCHP、VG表示。無序節點對(i，j)表示S中連接節點i和節點j的一條通信線路。假設n×n階的矩陣A為G(V,S)的鄰接矩陣，可定義一個矩陣L=[lij]：

(1)

式中：aij表示A的非對角線元素，即節點i和節點j之間的通信邊數。

定義xi是由節點i廣播并被區塊保存的一致性變量，當所有節點廣播的一致性變量相等時，即視為系統對于此次能量分配達成共識。由于節點的通信需要驗證過程，系統的一致性變量的收斂過程是離散的。

(2)

(3)

式中：t是離散的時間索引；dij是通信網絡的隨機行矩陣中的項。

一致性協議中應用區塊鏈的可行性如表2所示，一致性協議與區塊鏈技術的理念高度一致，區塊鏈技術還彌補了一致性協議的不足，提高了協議過程的安全性。

表2 一致性協議中應用區塊鏈的可行性Table 2 Feasibility of applying blockchain in consensus protocol

2 IES分散式能量交互雙層結構模型

2.1 IES能量交互雙層結構

基于上述分析，區塊鏈技術與分散式的熱-電IES有很高的契合度。如圖1所示，可將分散式IES能量交互劃分為信息層和物理層。信息層是以區塊鏈技術為支撐的通信網絡，可以實現節點間的點對點通信，并提高通信的安全性、可靠性，維護系統的隱私性和公平性。物理層可實現能量的交互。各運營商通過在區塊鏈上部署服務器，連接信息層和物理層。基于智能合約平臺，能量交互策略由服務器的信息層計算后，下達至物理層執行。該策略是以各自運行成本最低為目標的分散式交互模型。

圖1 IES能量交互雙層結構Fig.1 Two-layer structure of IES energy interaction

2.2 物理層的能量交互模型

2.2.1 IES成本模型

園區級熱-電綜合能源系統的能源交互主要包含了3種主體：燃氣/燃煤鍋爐運營商、熱電聯產運營商、配電網運營商。燃氣/燃煤鍋爐運營商將化學能轉化為熱能，為園區供暖；配電網運營商即供電公司，負責供應園區大部分電能；熱電聯產運營商耦合了電能和熱能，可同時為園區供應熱、電，主要用于平衡和優化系統中的能量供給。三者獨立運營，構成園區的供熱網絡和供電網絡。

配電網運營商采用耗量成本和線損成本來表征配電網對園區供電的成本模型，在時間索引t下的供電成本為：

(4)

對于熱電聯產機組，通常認為運行于最小凝汽工況，這也和實際運行中的一般情況相符[20]。在該工況下采取以熱定電的運行模式，其熱電耦合模型可表示為：

(5)

式中：PCHP,i(t)、HCHP,i(t)分別表示熱電聯產機組在時間索引t下的計劃供電功率和供熱功率；KCHP表示熱電耦合系數；ηe表示機組的電效率；ηh表示機組的熱效率。最小凝汽工況下，不考慮熱電聯產機組調節特性，KCHP視為一個常數[18-19]。

因此，熱電聯產機組索引t下的成本函數可寫為：

(6)

當熱電聯產機組的負荷率小于30%時，機組不在凝氣工況下，機組效率低，因此，僅當熱電聯產機組的負荷率高于30%時，該系統才會啟動熱電聯產機組[21]，即：

(7)

式中：Cpi表示i號熱電聯產機組的額定功率。

鍋爐運行成本可表示為：

(8)

IES能量交互的運行目標是系統總成本最低：

(9)

(10)

2.2.2 模型解耦

在分散式的能量交互中，各節點均以自身成本最低為目標。使用拉格朗日乘子法，將上述凸優化問題解耦成3個子系統問題。為此，先構造該問題的拉格朗日函數：

(11)

式中：P(t)表示系統的電功率向量，若節點n不供電，則Pn(t)=0；H(t)表示系統的熱功率向量，若節點n不供熱，則Hn(t)=0；λ(t)和μ(t)是拉格朗日乘子，分別表示時間索引t下電功率和熱功率的成本增量。

由于每個子系統存在不同的全局約束，可將λ(t)和μ(t)解耦：

(12)

(13)

將系統的拉格朗日函數解耦成僅包含就地約束的子系統優化問題，存于各節點的服務器中單獨運行。

1)配電網運營商子問題(i∈VE)：

minCi(t)-λi(t)PE,i(t)

(14)

(15)

2)熱電聯產運營商子問題(i∈VCHP)：

(16)

(17)

3)鍋爐運營商子問題(i∈VGB)：

(18)

(19)

2.3 信息層的數據傳遞模型

2.3.1 一致性變量

系統內各運營商組成能量交互的聯盟鏈，目標是各節點服務器使用一致性協議和分布式數據存儲、智能合約、加密算法等區塊鏈技術，使聯盟對能量交互達成共識，并確保過程安全可靠。選取交互模型中μ(t)和λ(t)分別作為熱能系統和電能系統的一致性變量，節點服務器將基于其余節點更新自身一致性變量：

(20)

(21)

由于能量交互需要滿足供需平衡，不考慮需求側響應的情況下，當供給量超過需求量，能量交互的收斂方向應為負，即減少供給；當需求量超過供給量，收斂方向應為正，即增加供給。可通過選舉，在熱能系統和電能系統各選取一個公信力較高的節點作為領導節點iH、iP用于獲取熱、電功率供需差額，判斷μi(t)和λi(t)的收斂方向，該系統直接選取熱電聯產運營商作為領導節點iH，供電公司作為領導節點iP。

(22)

(23)

(24)

(25)

式中：μiH(t+1)、λip(t+1)分別表示領導節點iH、iP更新的拉格朗日乘子；ξ、ξ′是收斂系數(ξ>0，ξ′>0)，表示收斂速度。

2.3.2 信息傳遞構架

3 求解流程

圖2 基于區塊鏈的IES能量交互運行構架Fig.2 Blockchain-based IES energy interaction operation framework

(26)

式中：ε表示允許的功率偏差；ε′表示μi(t)和λi(t)的收斂精度。

圖3 基于區塊鏈的一致性算法流程Fig.3 Blockchain-based consensus algorithm flow

4 算例與分析

為驗證所提算法的有效性和區塊鏈技術應用的優越性，通過算例進行仿真計算。假設某園區級IES的能源供給側含有6個主體節點：供電公司、熱電聯產機組和4個小型燃氣鍋爐組件，分別為1～6號節點。各節點間可以相互通信，共同構成能源供給聯盟鏈。假設節點之間可以點對點直接通信，但通信存在一定的網絡延時。各節點的運行參數和初始功率值如表3所示。

表3 各節點的運行參數和初始變量值Table 3 Operating parameters and initial variable values of each node

假設某次能量交互，IES所需電功率PD=420.15 kW，所需熱功率HD=303.96 kW，允許功率偏差ε=0.01，收斂系數ξ=0.000 8、ξ′=0.000 2，收斂精度ε′=0.003。

情景1：在此次交互計算前，3號節點鍋爐1為追逐利益，篡改系統內部參數：v3=0.038 7，以提高自身出力。對比沒有區塊鏈技術支撐的IES分散式能量交互，系統運行過程如圖4所示。若沒有區塊鏈技術，節點3(鍋爐1)出力大幅提升，H3由61.925 9 kW升至80.000 0 kW滿載運行。H2由50.261 5 kW降至46.881 7 kW，H4由67.533 9 kW降至62.364 4 kW，H5由58.765 2 kW降至54.601 0 kW，H6由65.475 3 kW降至60.223 9 kW，除鍋爐1外的所有熱網節點利益均受損。而基于區塊鏈的IES分散式能量交互中，私鑰數字串隨3號節點(鍋爐1)的系統參數發生改變，在第一次廣播時驗證失敗，迫使3號節點修正參數，從t=2起以正確參數運行，在僅多了一次時間索引的情況下，記錄本次錯誤，得到正確的功率分配，成功維護了分散式交互系統的公平性。

圖4 子系統參數遭遇篡改后的系統運行對比Fig.4 System operation comparison after subsystem parameters tampered

情景2：在此次交互計算中，該系統受到外部惡意攻擊，λ1和μ3在通信時遭遇3次隨機修改：λ1(15)=0.67、μ3(15)=8.42；λ1(60)=1.41、μ3(60)=6.17、λ1(120)=3.47、μ3(120)=12.12。對比沒有區塊鏈技術支撐的IES分散式能量交互，一致性變量的收斂過程如圖5所示。若沒有區塊鏈技術支撐，在遭遇攻擊后，節點的一致性變量均隨之發生劇烈波動，收斂時間顯著增長。而基于區塊鏈的IES分散式能量交互在廣播過程中，變量遭遇外部修改，但驗證失敗，系統報錯、算法回滾，重新計算一致性變量，相比于未受攻擊的基于區塊鏈的迭代計算過程僅多了3個時間索引。由于存入區塊中的數值是正確的信息，也不會對其余節點造成影響。因此，區塊鏈技術也極大提高了分散式交互系統的安全性。

圖5 通信過程遭遇外部攻擊時系統運行對比Fig.5 System operation comparison when the communication process encounters external attacks

5 總結與展望

本文所提模型在區塊鏈技術與多能交互融合應用方面取得了階段性成果。

1)基于區塊鏈的IES分散式能量交互在保證主體運營隱私的同時，能有效避免主體私自篡改子系統參數的問題，既實現了系統去中心化也提高了系統的公平性。

2)基于區塊鏈的IES分散式能量交互能抵御外部對通信信息的攻擊，確保傳遞信息的正確性，顯著提高了系統的安全性。

但對于應用落地，還需從能量流多時間尺度特性、區塊鏈技術局限性以及系統可持續發展性等多方面進行更深入的探討和研究。