基于区块链和市场机制的新能源消纳优化调度策略

孙恒一，赵伟华，陈 然，钱 锋，曹 武，杨 铭

（1.昆明电力交易中心有限责任公司，云南昆明 650011；2.南京南瑞继保工程技术有限公司，江苏南京 211102；3.东南大学，江苏南京 210096）

0 引言

随着“双碳”的提出和新能源发电的发展，我国电网正在经历一场深刻的变化，能源系统面临升级的需求，同时也面临诸多的困难[1-7]。对于电网调度和电网稳定来说，新能源的大规模接入带来的挑战主要是电能多区域调度以及短期快速调频调压需求的增多。新能源电源主要包括风电和光伏机组，电源的分布式特征明显，依赖于电网进行电能的传输，其日内的调度显然也不能与当前电网的运行情况相脱离，电网各区域之间对电能的不同需求与新能源天然的分散性存在一定的矛盾；另外风电和光伏有很强的随机性和波动性，虽然当前关于新能源功率预测的研究已有了很大进展，但是不可能完全消除新能源波动带来的影响，因此大规模新能源的接入必然要求电网进行日内的快速调频调压以稳定电网。

依靠灵活的市场机制促进电力能源的生产和消纳是电力市场改革的主要目标。鉴于电力交易参与主体类型较多，包括电源主体、负荷主体、监管主体等，电力交易频次高，电网情况实时变化，需要及时恰当的应对措施，因此分布式电力交易机制可以实现对电网情况的高效处理[8-12]，从而实现电力市场促进电能有序生产和消纳、增强市场活力的初衷。分布式电力交易的核心包括多电力交易主体的信任水平、透明程度，以及避免恶意竞争等的交易保障。以分布式冗余账本、加密算法和共识机制为主要技术特征的区块链技术非常适合分布式电力交易的要求，是提高分布式电力交易可靠性的有效方法。

区块链技术在电力市场领域的应用已有了一定的研究成果。文献[13]研究电力交易的分布式交易平台的总体框架；文献[14]提出一种基于区块链技术的绿证和碳联合交易市场模式，将绿色发电企业与传统化石能源发电企业联系起来；文献[15-16]对区块链技术在能源交易方面的理论和实践进行了总结。但是当前的研究没有将分布式交易平台与新能源消纳调度进行深度结合，同时关于新能源消纳调度也有一定的研究，通过发电权交易、博弈竞价、需求侧激励以及直接调度等方式实现高比例新能源电网的调峰调频目标[17-19]，但这些研究的侧重点也不在基于区块链的分布式交易机制。

为充分利用区块链技术在分布式交易方面的优势，使其适应高比例新能源电网的新能源消纳的要求，本文提出一种基于区块链和市场机制的新能源消纳优化调度策略，通过区块链技术完成电力市场交易的匹配和结算，实现电力市场交易的快速安全结算；从发电类型、价格和输电损耗方面对电源主体进行分时段评估，提高新能源消纳的优先级，同时以价格手段引导新能源主体和负荷主体对自身发电用电行为进行主动管理，协调电源和负荷积极参与新能源消纳；另一方面针对高比例新能源电网及新能源发电的波动性，对短期的调频电压需求设置市场交易机制，协同电力市场交易各方积极参与电网的稳定控制，从而实现依靠快速、灵活、可靠的市场交易机制促进新能源消纳和提高高比例新能源电网安全稳定运行的目标。

1 优化调度的区块链电力交易平台

区块链（Block Chain）是多节点分布式数据库系统，其由一串使用密码学方法产生的数据块组成，具有不可更改，不可伪造的优势[20-22]，适合于节点之间的直接交易，对参与主体众多、交易次数频繁的电力市场有很强的管理优势，便于电力市场交易参与主体实现约束下的自治运行，并可利用价格因素激发主体的能动性并限制其狭隘的趋利性。

基于区块链的电力市场交易总体框架如图1所示。将电力市场参与主体分为4 部分，分别为电源主体、负荷主体、电网主体和监管主体。电源主体主要提供电能，响应电网的调频调压需求，服从电网调度和监管机构的监督；负荷主体主发布电能需求，也可以响应电网的调频调压需求，也服从电网调度和监管机构的监督；电网主体负责电网电能调度，发布调频调压需求，维护电网稳定运行；监管主体对电能交易进行监管，避免存在恶意联合及集体欺诈的现象。

图1 基于区块链的电力市场交易总体框架Fig.1 Framework of power market based on blockchain

本文提出的电力市场交易体制针对不同时段的供需进行调配和管理，电网根据电源和负荷的用电计划制定分时段调度计划，并进行安全校核，日内根据实际情况的需求发布调频调压需求，电源和负荷主体在执行正常调度任务的同时可以响应电网的调频调压需求。电力市场交易各主体通过智能合约的方式发布需求和响应，同时电网的各类监控设备对电网实时能量传输情况进行采集并发送给各个交易主体，作为交易匹配、执行、结算和审核的根据。能源交易平台的组织管理由电网公司作为主导。

通过对电源发电类型、价格和输电损耗的评估确定匹配顺序，以此引导电源和负荷安排有利于新能源消纳的生产计划。电力市场交易流程如图2所示。其中，偏差电量的修正以电网调度作为主体，即电源和负荷主体的生产和消费需求应匹配调度计划的要求；若按照匹配原则后的潮流不符合约束，则选择优先级次之的匹配结果继续进行潮流分析，直至满足潮流约束，同时为提高按照匹配原则后的潮流符合约束的概率，电网在形成调度时需要考虑多种工况下的潮流分析。

图2 电力市场交易流程图Fig.2 Power transaction flow chart

2 基于特征评估的交易匹配策略

当前的电力交易是建立在调度计划的基础上，但当前的调度计划以统筹安排为主，并不能尽可能激发市场参与新能源消纳的积极性。本文提出的交易机制中在调度计划的基础上对电源特征进行评估，并将评估结果写进智能合约，通过区块链技术依据评估结果确定匹配顺序，提高新能源消纳的优先级，以价格因素引导和促进电力市场主体积极参与新能源消纳。

电网将1 天内的电能调度分为不同的时段，时段的划分根据新能源的功率预测来制定，新能源功率的高峰和低谷划作不同的调度时段[23-25]，并依据调度时间段的划分制定日前调度计划，并将制定的日前调度计划发送至各电源主体。各电源主体可根据日前调度计划发布各个调度时间段内的发电量及价格，在当日的调度计划执行过程中，通过对电源主体特征的评估确定匹配次序，负荷主体从推荐的电源主体中选择电能供应，进而完成电力交易。

从发电类型、价格和输电损耗3 方面对电能的生产和供给进行市场特征的评估，以此作为各种促进新能源消纳措施的依据，为此需要量化3 方面的评估。发电类型方面的量化主要考虑2 个方面，包括电能来源和发电量在同时段调度计划中的比重，其量化计算为：

式中：αT为发电类型评估量化值；ω1为发电性质权值；ω2为发电量在同时段调度计划中的比重权值；Eu为发电单元在当前时段的发电量；Et为当前调度时段的总发电量；λσ为发电类型对应的碳环保因子；σ为发电类型；p，h，f分别代表新能源发电、水力发电、火力发电，三者的碳环保因子依次升高。

在电网中详细地计算线路损耗需要电网采用比较全面信息，对于电源和负荷主体来说比较复杂，本文对输电损耗的评估采用电源主体一段时期内的损耗评估作为电源主体对输电损耗的接收程度，输电损耗评估的量化值αL为：

式中：N为一段时间内的交易次数；ηn为第n次交易的线损率。

价格因素是市场导向机制发挥的关键，价格因素是相对重要的一项评估项，由于新能源存在随机性和波动性，在新能源密集的调度时间段内需要将新能源电源主体的供电优先级提高，同时也需要负荷主体在新能源密集的调度时间段内提高电能消耗量，因此对于价格因素的评估需要考虑同一调度时段其他电源主体的价格，对于价格因素的评估量化值αP的计算为：

式中：Pr为当前待评估电源主体的报价；Pu为第u个参与供电竞争电源主体的报价；U为当前调度时间段参与供电竞争的电源主体数目。

完成对发电类型、价格和输电损耗的分别量化评估后，电源特征的综合评估量化值α为：

式中：ωT，ωL，ωP分别为发电类型、价格和输电损耗的评估权值。

对于参与同一调度时间段供电竞争的电源主体，采用式（4）所示的量化评估计算对每个电源主体进行特征评估，按照评估值的大小形成匹配顺序，即评估值最大的电源主体将作为第一选择推荐给用户，保证评估值较高的电源主体的交易具备高优先级。通过对参数的合适调整，发电量较多、价格相对低廉、低碳环保的电源主体将获得优先的交易优势，可以使得在新能源密集的调度时间段保证新能源的消纳，并通过价格的优惠使得负荷主体更积极地在新能源密集的调度时间段提高电能需求量，促进新能源的生产和消纳。

3 短期调频调压需求交易策略

短期调频调压作为日前调度计划的补充，也是新能源优化调度需要涉及的内容。完成调度计划匹配后，仍有发电能力电源主体可以将剩余发电量参与日内电网的调频调压过程，使得计划的发电量可以销售出去，同时可以保证电网频率和电压的平稳；对于负荷主体，完成调度计划匹配后也可以响应电网的调频调压需求，参与电网稳定过程以获取经济收益。当前电网的调频主要依靠自动发电控制（Automatic Generation Control，AGC）的自动调节，调压主要依靠自动电压控制（Automatic Voltage Control，AVC）的自动调节，本文提出的短期调频调压需求交易体制基于AGC 和AVC 的自动调节，并将其与区块链的应用相结合。

短期调频调压需求交易体制主要包含以下步骤：

1）响应能力分析：各个电源主体和负荷主体在完成电网的调度匹配后，根据自身的生产经营情况，发布调频调压响应能力，发布的响应内容主要包括价格和调节量2 个关键指标，电源主体和负荷主体发布的价格受到电网发布价格的限制；同时此处发布的调节量指的是所能参与调节的最大有功/无功功率。

2）需求发布：当电网发生频率或者电压变化，电网经AGC 和AVC 计算后可以形成针对当前频率、电压变化的调节需求，电网将需求的总量和交易最高限价发布至各个电源主体和负荷主体，并将调频调压需求写进智能合约，交易限价计算为：

式中：Pgsi为第i调度时间段内电网采购电源主体电能的价格；Pgli为第i调度时间段内电网向负荷主体销售电能的价格；Pli，max为第i调度时间段内电网向电源主体购买调频调压电能的价格上限；Pli，max为第i调度时间段内电网向负荷主体购买调频调压电能的价格上限；msi为第i调度时间段内电网采购电源主体电能的价格补偿系数；mli为第i调度时间段内电网采购负荷主体电能的价格补偿系数。

3）需求响应：电网根据AGC 和AVC 的控制，通常将调节量匹配给固定的AGC 调节机组或AVC 调节机组，如果存在固定调节机组之外的机组提出调频调压能力，能源交易平台将这些机组和AGC/AVC调节机组同时列为需求响应主体。

4）交易撮合：因调频调压调节速度的要求，能源交易平台通过智能合约进行快速交易撮合，撮合原则分为2 种：调节量优先模式和价格优先模式，2种模式依据当前的频率/电压变化量进行选择，当频率/电压变化幅值大于设定阈值时，选取调节量优先模式，即按照需求响应主体中的电源主体或负荷主体提供的调节容量按照从大到小的顺序快速确定参与调节的主体，达到满足调节容量需求；当频率/电压变化幅值小于设定阈值时，选取价格优先模式，即按照电源主体或负荷主体提供的调节价格按照从小到大的顺序快速确定参与调节的主体，达到满足容量需求的目标。

5）完成交易及结算：调频调压过程结束后，开始交易结算过程，交易的电能信息包括交易主体、价格、容量等信息需要经采集信息校核，经交易主体一致通过后，将电力交易的信息加密后保存至区块链。

4 应用实例

本文采用含新能源的某地区电网作为优化对象。对其中电源主体节点的初始信息进行分析和计算，其特征评估参数如表1 所示，同时负荷主体提高了在风电、光伏密集时间段的电能需求量，新能源发电主体降低了密集时间段的交易价格。实际应用中参数设置可以根据市场环境实际需求而调整。

表1 主要评估参数Table 1 Main evaluation parameters

将本文提出的基于分布式电力交易体制下的电能调度与传统的以负荷曲线为主的调度方式进行比较，从光伏、风力、水力和火力4 种能源类型的交易总量的变化量的角度对比新能源消纳的变化，对比结果如图3 所示。从图3 中可以看出本文所提的基于电源特征评估的匹配交易机制可以保证新能源优先被消纳，在调度区间内由于日前调度计划制定中已包含了安全校核，因此2 种调度方式下电网均可稳定运行。

图3 能源消纳对比图Fig.3 Comparison chart of energy consumption

以其中某一处风电场为例，其优化前后的出力对比情况如图4 所示。从图4 中可以看出，在风能资源密集的时间段，风电的消纳明显提高，有效降低了弃风的容量，实现了对新能源的有效利用。

图4 某风电场出力对比Fig.4 Comparison of wind farm output

本文应用实例中针对电源主体节点响应调频调压需求的价格统一采用降价竞价的方式进行模拟，在电网调频功率大体不变的情况下，电网的购电的平均价格如图5 所示。从图5 中可以看出，在保证电网安全运行的情况下可降低电网总体成本。本文的交易机制总体上以日常调度为主，以短期的调频调压需求为辅，相比传统的以AGC，AVC调节方式，集中竞价的方式可降低总体调频调压成本，提高资源配置效率。

图5 价格对比Fig.5 Price comparison

综合调度策略的应用仿真结果可以看出，本文提出的考虑新能源消纳调度的电力市场区块链分布式交易机制在保证电网安全运行的同时提高了新能源消纳的优先级，传统发电机组可以通过响应调频调压需求提高自身的经济效益，电网也可实现总体的高效运行。

5 结论

本文对基于区块链和市场机制的新能源消纳优化调度策略进行了研究，将基于区块链的电力市场交易机制与新能源消纳调度相结合，将电能按照新能源出力情况分时段进行调度，通过对电源交易主体的发电类型、线路损耗、价格等进行量化评估，以评估值作为优先匹配交易的依据，使得新能源消纳的优先级提高，价格因素可以促进电源主体和负荷主体主动参与到新能源的消纳过程；作为日内电能调度的补充，针对电网短期的调频调压需求，电源主体和负荷主体提出相应的报价和调节能力参与调频调压过程，电网根据实际情况采购所需的调节量；日常调度与短期调频调压组合，采用区块链技术进行分布式交易，适合了电力系统交易主体众多、交易频次高，且对保密性、快速性要求高的总体要求，在促进新能源消纳的同时保证电网安全，最后的应用实例也证明了提出的机制可以促进新能源的消纳。