能源區塊鏈網絡中的虛擬電廠運行與調度模式

陳凱玲，顧 聞，王海群

(國網上海市電力公司 經濟技術研究院，上海 200090)

以新能源技術和互聯網技術為代表的第三次工業革命正在興起，推動了電網由智能電網向能源互聯網進化的進程[1-2]。未來能源互聯網將是以分布式能源(Distributed Energy Resources，DER)為主的一次能源。隨著DER的快速發展，需求側管理和虛擬電廠(Virtual Power Plant，VPP)已經成為由智能電網向能源互聯網邁進的關鍵因素，其中虛擬電廠技術最為重要[3-4]。虛擬電廠聚合多樣化的DER進行協調控制并調度，以滿足電力系統的電能需求。在實時電價的驅動下，將會出現大量DER隨時并網的行為。在這種情境下，虛擬電廠既要滿足海量DER實時參與電力市場逐利，又要有效控制DER并網行為以確保電力系統安全、可靠地運行。同時，虛擬電廠中不同用電主體的用電要求也有較大差異。因此，如何設計高效的電力交易策略和調度機制對于虛擬電廠的安全可靠運行具有重要意義。

安全性和透明性是構建高效電力交易體系和調度機制的關鍵，目前虛擬電廠在參與電力市場交易的過程中大多是通過交易中心直接交易，這種交易方式不僅不透明，而且一旦中心節點被惡意攻擊，非常容易造成數據的泄露，給交易體系的維護帶來相當大的挑戰。除此之外，虛擬電廠中各個部分信息與數據的調度存在關鍵數據的非授權獲取和惡意篡改風險。因此，在DER快速發展的背景下，傳統虛擬電廠的交易和調度存在如下問題:①DER和虛擬電廠之間無法形成信息對稱的雙向選擇，使得電力交易過程中信用成本增加，交易成本較高;②缺乏一套針對虛擬電廠的信息安全保障體系。

區塊鏈具有去中心化、去信任、可追溯等特點，為解決上述交易和調度中存在的高成本和高風險問題提供了方向[5]。目前，國內外對于虛擬電廠和區塊鏈的研究已經有不少成果。周國亮等[6]利用區塊鏈共識機制虛擬電廠分布式調度，同時結合等耗量微增率準則，實現虛擬電廠的最優經濟調度。王蓓蓓等[7]探索了基于區塊鏈的分布式能源交易方法，并給出了中國在區塊鏈參與消納分布式能源、建設需求響應管理等方面的建議。Swan[8]建立了基于區塊鏈的虛擬電廠模型，通過區塊鏈的激勵機制實現虛擬電廠高效的分布式調度計算。在總結現有研究成果的基礎上，發現國內外學者對此問題的研究還存在如下問題:①沒有結合能源互聯網對虛擬電廠和區塊鏈進行分析;②未考慮虛擬電廠中不同用電主體的多樣化需求。

針對上述問題，本文基于能源區塊鏈網絡提出一種多元用電主體的虛擬電廠運行與調度模式，以使虛擬電廠在能源區塊鏈的環境下可靠、高效和經濟運行，在滿足不同用電主體要求的同時保證數據的安全性和可追溯性。

1 能源區塊鏈與虛擬電廠

1.1 區塊鏈

區塊鏈技術本質上是一個由集體維護的去中心化且公開透明的分布式數據庫[9-10]，整體上沒有中心化的管理機構參與管理，由所有對等節點更新和監督數據，同時所有節點共享數據，體現了公開透明性。區塊鏈以區塊為單位而產生和存儲，并按照時間順序首尾相連形成鏈式結構。區塊是鏈式結構的基本數據單元，聚合了所有交易的相關信息，主要包含區塊頭和區塊體兩部分。區塊頭主要由父區塊哈希值、時間戳、默克爾樹根等信息構成;區塊體則主要包括智能合約中的交易信息。區塊鏈具體的鏈式結構信息如圖1所示。

區塊鏈中每個區塊的區塊頭所保存的父區塊哈希值，唯一指定了該區塊的父區塊，在區塊間構成了連接關系，從而組成了區塊鏈的基本數據結構，實現區塊鏈中的信息防篡改可追溯、隱私安全有保障、系統高度可靠。

1.2 虛擬電廠

虛擬電廠技術是指通過虛擬控制中心將可控負荷、分布式電源和儲能系統有機結合起來，讓它們在電網中以特殊電廠的身份參與運行[11-12]。虛擬電廠將多種分布式能源聚合在一起，形成一個虛擬主體參與電網管理和電力市場，實現其整體出力的穩定可靠性，為電網提供高效的電能，從而保證其并網的穩定性和安全性。與傳統電廠相比，虛擬電廠的構成資源更具多樣化和環保性，在電力市場中也更具競爭力，為電力行業的轉型及整個電力系統的發展提供了新的思路。

虛擬電廠主要由可控機組、不可控機組(風、光等分布式能源)、儲能設備、負荷、電動汽車、通信設備等聚合而成，進一步可考慮需求響應、不確定性等要素，通過與控制中心、云中心、電力交易中心等進行信息通信，實現與大電網的能量交互?？偠灾?，虛擬電廠可以認為是分布式能源的聚合并參與電網運行的一種形式。虛擬電廠的框架如圖2所示。

1.3 虛擬電廠在能源區塊鏈中的應用

能源互聯網是融合先進的互聯網信息技術和可再生能源發電技術，進而實現多種能源廣域智能優化配置的網絡[13-14]。能源互聯網的建立將克服大規模清潔能源在接入、傳輸和控制等方面的瓶頸，推動清潔能源的大規模利用與分享，以實現多種能源的可持續開發利用。虛擬電廠是能源互聯網的一類子網，主要服務于一定區域內的終端用戶，實現一定區域內電、水、熱、氣等分布式能源高效利用。與能源互聯網主網相比，虛擬電廠更靠近能源系統的用戶側，能源交易的種類更加多樣化，能源傳輸和消納的方法也更加便捷。同時，它具有獨立的交易和結算功能，為能源傳輸、能源消納和電動汽車儲能等提供了便捷通道，大幅度提高了能源利用率。

區塊鏈技術在能源互聯網和虛擬電廠中扮演著重要角色，是能源互聯網的神經記憶中樞，它能完全記錄能源生產、消費全過程[15-16]。區塊鏈技術具有不可偽造且難以篡改的特點，能夠有效解決復雜系統中各主體間的信任問題，能夠涉及更多樣的能源形式和更廣泛的參與主體在信息交互模式上進行改革。總而言之，區塊鏈技術將在能源網絡和虛擬電廠的構建、發展與升級過程中發揮重要作用，使能源網絡和虛擬電廠發揮其最大效益。

區塊鏈系統中，不存在中心化的數據庫，每個節點都保存著區塊鏈的全部信息、權利和義務。能源互聯網中分布式能源和虛擬電廠將成為重要的組成部分，它們強調個體之間平等進行能源分享，其中的個體既是消費者又是生產者。這種分享契合了區塊鏈的去中心化思想，同時能夠建立公平開放的市場機制，確保交易安全高效。

虛擬電廠與區塊鏈技術的融合構成了能源區塊鏈，能源區塊鏈是以區塊鏈技術為支撐，以共識算法為信用基礎，以點對點能源交易為技術核心，以智能合約為自動化執行手段，以密碼學知識保證信息安全，融合能源市場、金融系統、計算法律學等先進技術，促進能源系統高效管理、公平交易的一種全新分布式基礎架構。能源區塊鏈的具體模式如圖3所示。

在能源利用方面，能源區塊鏈通過智能合約使得用戶把對人的信任轉變為對算法和機器的信任，增強了可信度。同時，將電能、熱能、電動汽車、儲能等聯系起來，通過多種能源之間的分配轉化，以滿足自身能源需求，達到用能成本最低的目標。在能源供應方面，采用集中式能源和分布式能源相結合的方式，既保證用戶的用能需求，又能調動用戶的產能積極性，減少能源在傳輸過程中的流失，提高能源的利用率。在能源傳輸方面，能源區塊鏈通過能源信息、交易信息等搭建了多種能源網絡的溝通平臺，在不改變系統管理交易方式的前提下，促進了不同能源系統間的協同優化，達到傳輸費用低、損耗小、信息傳輸安全等目標。

2 基于能源區塊鏈的電力交易共識算法

能源區塊鏈網絡(Energy Blockchain Network，EBN)中共有兩類基礎節點，分別為供電節點(Power Supply Node，PSN)和用電節點(Power Consumption Node，PCN)，因為有的節點既可以作為供電節點，又可以作為用電節點，所以節點的總數小于供電節點和用電節點的數量之和。每一個PSN和PCN在加入EBN時都要提交基本信息，包括身份ID、節點賬戶、最大發(耗)電額度、能源類型以及地理位置等，用于EBN的認證并獲得特定ID作為唯一的身份標識，從而參與到EBN中虛擬電廠的運行與調度過程。

2.1 供電索引算法

供電索引算法適用于能源區塊鏈網絡中用電節點尋找合適供電節點的過程。區塊鏈數據的防篡改性和可追溯性能夠保證索引過程安全透明，具體步驟如下:

(1)某個時段具備供電能力的供電節點向EBN全網持續廣播供電信息數據，并附上發送者的ID。

(2)所有節點均獨立監聽并記錄EBN全網數據。

(3)經過時間間隔t后，各供電節點將自身信息發送到EBN，信息包括發電能力、發電穩定程度、環保程度和售電價格。4種信息指標的權重可以根據不同用電主體的需求實時調整，其權重對應關系如表1所示。

表1 供電索引信息指標權重

(4)各節點根據表1和供電節點發送到EBN中的信息，計算各供電節點的綜合權值，并挑選出綜合權值大于臨界值λ(λ的取值由用電節點根據自身情況決定)的節點，同時向EBN反饋這些節點的信息{ID，x1，x2，x3，x4，w}，其中w為節點綜合權值。

(5)任意節點收到超過m(m的取值與參與的節點總數有關)個相同的反饋信息后，供電索引達成共識并發布新區塊。

(6)供電索引區塊完成后，被挑選出的供電節點準備進入用電索引過程，其他節點刪除自身信息準備下一輪供電索引。

2.2 用電索引算法

用電索引算法適用于能源區塊鏈網絡中供電節點與用電節點進行匹配的過程，在用電節點根據供電索引算法挑選出合適的供電節點后，供電節點即可根據自身容量、供電成本、交易價格、收益等因素匹配合適的用電節點。具體步驟如下:

(1)某個時段需要用電的用電節點向EBN全網持續廣播用電信息數據，并附上發送者的ID。

(2)所有被挑選出的供電節點和有需求的用電節點均獨立監聽EBN全網數據并記錄。

(3)經過時間間隔t后，各用電節點將自己的信息發送到EBN，信息包括需求電量、負載穩定程度、單位損耗量和購電價格。4種信息指標的權重可以根據不同供電主體的需求實時調整，其權重對應關系如表2所示。

(4)各節點根據表2和用電節點發送到EBN中的信息，計算各用電節點的綜合權值，并挑選出于臨界值λ′(λ′的取值由供電節點根據自身情況決定)的節點，同時向EBN反饋這些節綜合權值大點的信息{ID，x′1，x′2，x′3，x′4，w′}，其中w′為節點綜合權值。某個供電節點在挑選用電節點時，挑選的范圍僅限于供電索引后選擇了該供電節點的用電節點。

表2 用電索引信息指標權重

(5)任意節點收到超過m′(m′的取值與參與的節點總數有關)個相同的反饋信息后，用電索引達成共識并發布新區塊。

(6)用電索引區塊完成后，被挑選出的用電節點準備進入基于智能合約的交易過程，其他節點刪除自身信息準備下一輪供電索引。

2.3 電力交易共識算法

電力交易是虛擬電廠運行過程中極為重要的部分。當PCN通過供電索引算法找到合適的PSN后，PSN會根據用電索引算法從選擇自己的PCN中進行匹配，匹配成功后即可在區塊鏈智能合約的基礎上進行交易，電力交易共識算法(Power Transaction Consensus Algorithm，PTCA)的流程如圖4所示。

步驟1PCN通過供電索引算法在EBN中尋找合適的PSN。

步驟2判斷是否存在未被PCN選擇的PSN，若存在，則未被選擇的PSN需優化自身信息，等待下一輪共識。已被PCN選擇的PSN轉步驟3。

步驟3PSN根據供電索引算法在選擇自己的PCN中進行匹配。

步驟4判斷是否存在未匹配的PCN，若存在，則未匹配的PCN需優化自身信息，等待下一輪共識。已匹配的PCN和PSN轉步驟5。

步驟5已匹配的PCN和PSN在智能合約的基礎上進行交易。

步驟6交易完成后生成區塊。

3 基于多元用電主體的虛擬電廠運行調度策略

3.1 用電主體分類

根據用戶中斷供電危害程度和供電可靠性要求將用電主體主要分為3類，分別為1級用電主體、2級用電主體和3級用電主體。

1級用電主體在任何時候都不能中斷供電，并且需要選擇可靠性高、質量好的供電來源，否則可能會造成極為嚴重的后果，如危及人身安全、使得關鍵儀器設備遭到難以修復的損壞。這一類的典型代表有醫院、重要網絡數據存儲中心等。因此，該用電主體在選擇供電來源時需要重點考慮發電穩定程度，保證安全可靠用電。

2級用電主體要盡量不停電，如果中斷供電將會造成大量財產損失，影響廣大居民的正常生活。這一類的典型代表有工廠、市政府辦公樓等。該用電主體在選擇供電來源時不僅需要考慮發電穩定程度，還應考慮其經濟性。

3級用電主體可以根據系統的運行需要實施停電，且停電不會造成太大影響。這一類的典型代表有工廠的附屬車間、居民用戶等。該用電主體在選擇供電來源時應重點考慮經濟性。

3.2 虛擬電廠運行調度模型

根據能源區塊鏈網絡和電力交易共識算法，本文提出一種改進的虛擬電廠運行與調度模型(Virtual Power Plant Model Based on EBN and PTCA，VPP-EBN&PTCA)，如圖5所示。

VPP-EBN&PTCA模型在傳統虛擬電廠的運行過程中融入了能源區塊鏈網絡EBN和電力交易共識算法PTCA，使得EBN成為整個虛擬電廠的信息交互和數據存儲中心，有效地將區塊鏈在數據存儲、信息安全、數據互操作性中的優勢引入到虛擬電廠中。此外，通過EBN中PTCA進行虛擬電廠的自適應調度和運行，可以有效彌補傳統虛擬電廠在整體運行效率和信息安全保障方面的不足。VPPEBN&PTCA的運行過程主要分為4個部分:

(1)將參與VPP系統的各個PCN的用電需求信息提交到交易市場，或者通過智能電表將該PCN之前的用電信息自動上傳，通過交易市場的輔助服務將用電信息經過計算而形成科學的用電需求，再提交到交易市場，從而形成一個初步的發電計劃。

(2)各交易市場中的PSN將自身信息發布至EBN網絡，不同等級的PCN通過供電索引算法挑選符合自身要求的PSN。為了提高PCN查找的效率和發電計劃的準確性，可以不斷豐富信息指標，不斷優化和改善算法。

(3)PCN挑選出合適的PSN之后，發電計劃中的各PSN開始根據用電索引算法進行匹配。在匹配過程中綜合考慮具體的用電場景以及交易價格，制定一個智能合約，通過智能合約自動進行交易，最后生成交易區塊鏈。

(4)PCN與PSN雙方成功達成交易之后，各PSN完成自己的發電任務，通過輸電線路進行電力配送，最終將電能信息輸送到相應的PCN。

通過上述VPP-EBN&PTCA模型的運行過程可知其具有如下優點:①考慮到了不同用電主體的需求，能夠提高能源利用率;②根據海量數據進行環境友好的發電計劃調整;③有利于虛擬電廠的信息透明和穩定調度;④確保數據安全和存儲安全。

4 案例分析

為了驗證本文設計的VPP-EBN&PTCA模型的特點，本節構建了一個微型能源區塊鏈網絡進行驗證，網絡中包含12個節點，其中，4個為供電節點，7個為用電節點，剩余1個節點既可以作為供電節點，也可以作為用電節點，12個節點的具體信息列于表3、4。使用Matlab仿真程序進行實驗與分析。表中PSN/PCN-0節點為特殊節點，其既可以作為供電節點，也可以作為用電節點。某一時刻12個供電節點的供電信息和用電信息如表3、4所示，假設此時PSN/PCN-0節點有用電需求，則在實驗中將它視為用電節點。

表3 供電節點信息

由表3可以看出，4個節點分別對應4種能源發電類型:x1表示4個節點在該時間段內的最大發電容量;x2表示4個節點的發電穩定程度，其值越接近于1，說明穩定程度越好;x3表示4個節點的環保程度，其值越接近于1，說明越環保;x4表示4個節點在該時段的最低售電價格，可以根據實際情況做出調整。由表4可以看出，8個用電節點分別對應3種用電主體:x′1表示4個節點在該時間段內的需求電量;x′2表示負載穩定程度，其值越接近于1，說明越穩定;x′3表示單位損耗量;x′4表示4個節點在該時間段的最高購電價格。根據PTCA算法，12個節點在VPPEBN&PTCA中交易，交易結果如表5所示。

表4 用電節點信息

表5 交易結果

由表5可以看出，根據VPP-EBN&PTCA中的PTCA算法，網絡中的12個節點基本上能根據自身需要達成交易。從用電節點的角度看，1級用電主體PCN-1和PCN-2因為更加注重供電可靠性，所以主要選擇了供電比較可靠的火電和水電;2級供電主體PCN-4和PCN-5在注重供電可靠性的同時，還需要兼顧經濟性，所以選擇了供電相對可靠但是價格比火電便宜的水電，另1、2級供電主體PCN-3未能成功交易，主要是因為其給出的購電價格太低，能夠滿足其供電可靠性要求的供電節點無法接受;3級供電主體PCN-6、PCN-7和PSN/PCN-0主要關注經濟性，所以選擇了售電價格便宜的風電和光伏發電。從供電節點角度看，在火電和水電可靠性相差不大的情況下，水電全部交易完成，沒有剩余容量，主要是因為水電相對便宜且環保;風力發電和光伏發電相比，光伏發電的可靠性更好，因此，光伏發電全部交易完成，沒有剩余容量。

由上述實驗結果可以看出，本文構建的VPPEBN&PTCA模型可以對虛擬電廠中的分布式能源進行有效交易與調度，并且信息保存在電力交易區塊鏈中能夠確保其可追溯，保證了虛擬電廠運行與調度信息的安全性。

5 結語

針對未來能源互聯網DER大規模發展的問題，本文設計了基于能源區塊鏈網絡的虛擬電廠運行與調度模型。首先提出電力交易共識算法，該算法由用電索引算法和供電索引算法組成，可以根據供電主體和用電主體的需求進行內部調整，實現交易的智能匹配?；诖怂惴?，將用電主體進行分類，設計改進的虛擬電廠運行調度模型，在可靠運行的基礎上提高交易效率和運行經濟性，保證數據存儲的安全性及信息的透明。案例分析結果表明，本文所述模式能夠對虛擬電廠中的DER進行高效交易與分配，可以為虛擬電廠的運行與調度實踐提供參考。