基于需求响应的电力交易区块链跨链协调调度算法

沈杨

(内蒙古巴彦淖尔市临河区乌拉特后旗供电分局,内蒙古 巴彦淖尔 015543)

随着智能电网的逐步完善以及售电侧的放开,大量负荷聚合商、服务供应商以及电力用户作为需求侧资源参与电网的互动环节,交易数量、规模以及信息数据随之增加,集中决策的方法会提高交易中心的运行成本和处理时间。另外,在大规模实施需求响应（demand response,DR）业务时,若仍然采用中心化的管控手段,将很难大规模参与用户的交互。区块链技术作为一种去中心化的分布式记账系统,需第三方参与即可通过分布式方法构建不易篡改的信任数据库,将区块链与DR 资源交易相结合有着重要的意义。另一方面,随着智能电网建设的推进,未来需求侧资源参与市场的组合更多样,手段更复杂,所受到的影响因素也更多,有很大的不确定性。而电力系统规模日益扩大,系统复杂性与地域分布广度也越来越大,系统运行极易受到外部因素的影响。

一、区块链在电力交易需求响应中的应用分析

区块链技术作为一种新型信息化技术，可以实现防伪造不可篡改等特点，其中代表性的技术包括比特币、以太坊区块链被广泛应用。区块链技术主要适用于分布式的网络，可以有效地解决分布式网络中不同的参与实体之间的互信和共识问题，其技术本质相当于是采用一个区域中心的数据库、存储原来集中式数据库存储的内容，通过分布式的共识机制保障不同的参与实体，在不可信网络空间中能够实现互信互认，最终达成共识。类似于OSI 的7 层模型，目前区块链分层标准架构包括5 层，分别为数据层、网络层、共识层、激励层和智能合约层。从激励层向下基本上都是区块链的标准机制，对于具体的业务应用而言，则主要是设计业务的智能合约。通过约定交易双方或多方之间的业务规则，确保业务的逻辑能够正常执行。目前也有不少学者针对区块链技术的网络层和共识层开展相关研究，期望结合特定的业务应用场景需求，能够将各自的业务系统进行优化。区块链技术本身的去中心化信任、共识、不可篡改记录数据和复杂交易的实现机理，备受社会广泛关注与认可。目前在区块链的共识层、网络层已经有很多的研究，可以灵活地产生多种不同版本的区块链技术，非常适用于综合能源领域的不同场景的应用，但是也需要注意在不同的版本之间保持标准的继承性和互操作性。

目前，我国也已经完成了海岛微电网、虹桥商务核心区多能系统、上海世博园等综合能源优化示范工程，但关于跨平台、多系统间的协作交易与服务结算相关的研究较少，导致无法将现有示范工程的成果直接大规模推广应用。

在互联网信息技术快速发展的过程中，能源行业也逐步发生变革，综合能源在传统的电能源的基础上引入了热冷气等多种能源形式，通过多能耦合形成了开放互联的能源系统，进而随着售电市场逐步放开综合能源服务，也将产生多种形式的能源服务。传统的供电服务衍生出供热功能服务，其参与主体也将更加的多元化，包括了分布式电源、电动汽车、分散式储能冷热电、三联供、蓄冷蓄热设备等。在综合能源广义需求响应下，除了常规的可削减负荷可以根据价格或者激励调整用量之外，还存在多种能量转换设备，可以在需求侧实现不同时间段的能量替代，从某种意义上可以缓解特定能源品种的短缺了基于区块链的综合能源网络架构，在不同的能源系统中，可以采用不同的子链进行管理，为了达成在区域综合能源系统内分布式的市场化交易，不同的用能单元和供能单元之间两两可以随机发起交易，当区域范围内的能源需求无法满足时，也可以选择通过外部功能系统提供。多能供需协调作为未来能源互联实现的核心业务，在一定程度上支撑了能源集成互联互补的应用推广，可以通过区块链智能合约实现不同能源系统互联及综合能源服务过程中的跨平台自动结算。在不同的子链中可能存在不同的结算货币和不同的共识机制，这也是在综合能源广义需求响应能量管理系统中需要考虑的，为此在能源区块链网络中需要考虑易购区块链系统的互联，以满足多能互补、即时交易的需求。

二、基于需求响应的电力交易区块链跨链协调调度算法

（一）电力跨链交易

电力跨链交易由一组区块作为保证不同跨链完整性区块主体，存储一组有效电力资产交易结果，有电力交易信息，因此，每个节点在整个区块链中都保留完整电力交易信息备份。整个交易区块没有集中管理组织，导致每个节点都是点对点的，既可以作为客户端，也可以作为服务端。所有参与交易的用户都可以共享、管理节点交易信息，以此保证电力交易区块链跨链稳定性HJ。主要保证系统安全，就可以保障区块链系统具有良好追溯性，交易者信息绑定每个电力用户区块链交易记录，使系统完整跟踪交易目标。由于电力市场交易逻辑复杂，任务调度场景类型多种多样，尤其是引入区块链跨链形式，使得任务调度在电力市场中的应用变得更为迫切怕一。针对电网应用场景的特点，现有区块链跨链的特点及技术要求，参考成熟解决方案，分析基于需求响应的电力跨链交易模式，电力需求响应即当电力批发市场价格上涨或系统可靠性受到威胁时，电力用户收到直接补偿的关注信号，可以归纳出负荷减少的供电方式或电价提高的信号，进而改变其固有的习惯用电量模式，减少或转移一定时间内的用电负荷，进行电力响应，从而保证电网稳定运行，抑制电价突发上涨行为发生该跨链交易模式主要是由管理界面、任务调度中心和任务调度客户端组成的。其中管理界面为用户提供了登录和编辑功能；任务调度中心为用户提供任务分配功能；而任务调度客户端负责触发任务。

（二）跨链调度算法

根据上述分析结果，明确区块链跨链方式与基于需求响应的电力跨链交易模式，接下来对电力交易区块链跨链调度算法进行研究。确定电力跨链调度优先级可以保证调度算法的精准性，在完成优先级确定后，设计电力交易区块链跨链调度算法，并对算法进行求解，获得精准的调度结电力交易区块链跨链调度通过一条区块链连接不同区域，定义两个区块边界节点依次根据获得的不同区块耦合约束条件，将等待延时数据包按照最接近阈值的顺序进行1—9 级数据包为最高优先级划分，得到服务优先级划分结果。在电力交易需求响应之下，电力交易信道质量可以等效为对应信噪比用户局队列中等待交易数据，则在耦合约束调价下的电力用户服务优先级。需求响应下调度结果为电力交易数据包的发送有效衔接，根据每个电力用户信道情况动态分配子信道。在满足不同用户的同时，使频谱效率达到最大化。上述过程完电力交易区块链跨链调度算法研究，通过求解调度算法获得调度方案。在完成电力交易区块链跨链协调调度算法后，为进一步实现对算法求解获取最佳调度方案。因此，根据算法特点，使用线性规划方法求解，得到与用户满意度相关的负荷曲线，并将其分解。

（三）选择一个面积为5000m×5000m 电力交易区域，将基于需求响应的电力交易区块链跨链协调调度算法应用到该区域的电力交易区块链跨链调度中

其中普通节点为5 台，执行控制器为3 台，任务执行成功率高达99%，未发生因用户切换失败而失效情况。根据上述电力电量需求与发电机组运行情况，进行跨链调度算法的性能验证。验证过程中，以优先级确定、调度数据分配、调度算法求解为验证指标，将所提算法与基于灰色模糊预测算法以及基于风场高维相依性调度算法进行对比研究。分别采用所提出算法与两种传统算法对电力交易区块链跨链协调调度过程展开分析。其中，优先级确定过程受到同频干扰和邻频干扰共存干扰影响，导致优先级确定不准确，现就三种协调调度算法的优先级计算准确率进行对比分析。其中，实际测量结果是通过检测排队数据包与阈值的相近关系得到的。优先级计算结果在电力交易数量不断上升的基础上，所提算法的优先级计算结果与实际测量结果基本保持一致，说明所提出的调度算法具有较高的优先级计算准确性，能够实现电力交易数据优先级的精准计算，从而提高电力交易区块链跨链调度。而两种传统算法的优先级变化结果与实际测量结果相差较大，不符合实际的测量情况，因此两种传统算法的优先级计算结果存在严重误差。提取电力交易区块链跨链调度数据分配精准性平均值曲线，分别使用三种算法进行对比分析，与两种传统算法相比，所提算法调度数据分配精准性较高，所提算法的调度数据分配精准性保持在80%以上，而两种传统算法的最高分配精度分别为79%、66%调度算法求解调度算法的求解精度对获得的最终调度方案有着关键性影响，因此以调度算法的求解精度为对比指标，将所提算法与两种文献对比算法进行验证，所提算法的求解精度远高于两种传统对比算法，在电力交易数据量为4GB 后，而两种传统算法的求解精度波动幅度较大，难以保持求解结构的精准性。由此可知，基于需求响应的电力交易区块链跨链协调调度算法具有良好的调度效果。

（四）区块链技术作为战略创新的重要突破口，在我国良好政策支持下迅速发展，但仍有很大上升空间

区块链技术能否继续趋向成熟，这依赖于具体应用过程中的不断发掘、攻关。随着综合能源广义需求响应业务的推进，后续发展趋势将主要体现在以下方面。可扩展性。在综合能源需求响应广义需求响应中，参数实体的类型、数量都比传统的电力业务要多，参与交易的终端数量规模也异常庞大。区块链系统每秒处理交易数目的多少直接决定了能源系统交易的性能，通过每秒钟的事务数量可以有效反应是交易处理的性能参数。事实上，每笔交易在每个节点达成共识以及各节点参与竞争所带来的巨大成本，已经限制了该性能的提升。从技术上促进区块链的可扩展化将成为今后工作的一个重点，主要解决途径在于改变共识机制、采取多链技术、集成分片技术等。区块链使用具有一定范围限制，必须与其他技术融合才能解决安全、存储等诸多问题。随着新型信息化技术的发展，越来越多的信息化新技术被应用在能源区块链领域中，机器学习、大数据挖掘等技术在能源区块链领域也有相关的研究。区块链与人工智能相结合形成去中心化云计算，数据支持有助于突破人工智能发展的瓶颈。物联网也可作为区块链的落地应用，借由可靠的分布式信用保障机制可挖掘物联网大规模应用的商业模式。此外，还有区块链与分布式存储等的创新融合，多技术融合协同运作已成为未来发展的一大趋势。

结束语：为了适应新形势下多分配的科学管理要求，提出了基于需求响应的电力交易区块链跨链协调调度算法，为解决分布式体系结构中任务调度的复杂性，对电力交易业务和电力交易系统的分析，较好解决了基于需求响应的互斥任务调度问题。该算法为多样化的电力交易提供了灵活的支持，通过方案验证，该算法不仅能够较好解决当前问题，而且在面临更大的交易需求时能够很好地运行。