基于区块链和边缘代理的电力资源动态监测调度系统

2023-03-01毛文照雷彦辉

机械与电子 2023年2期

刘岩，詹隽，王新，毛文照，雷彦辉

(1.深圳供电局有限公司,广东深圳 5180000;2.北京清大科越股份有限公司,北京 100102)

0 引言

电力系统调度以及调度数据监视是保证电力系统安全稳定运行的重要方面。随着可再生能源进入电网，与电网连接的设备以及负荷大量增加，传统系统难以有效解决分布式电源数据监视的问题。在区块链、云计算等信息技术发展的背景下，利用区块链以及边缘计算技术能够有效提升部署在网络各节点数据的提取、分析，能够解决可再生能源接入电网带来的数据量剧增问题。

目前,针对区块链与调度结合的研究并不多，文献[1]提出了基于区块链的调控运行关键技术;文献[2]提出基于区块链的大用户直购电交易及安全算法；文献[3]提出了基于区块链的能源电力供需网调度优化模型;文献[4]提出了基于区块链的电能交易平台设计;文献[5]提出了基于区块链的微电网系统。上述文献并未针对区块链技术以及边缘代理技术再调度资源以及调度数据监视中的应用进行研究。为此，本文利用区块链和边缘代理技术在电力系统中的应用进行详细分析，根据电力系统调度的基本原理以及调度资源监视的基本数据需求进行建模，利用区块链和边缘代理实现上述功能。

1 区块链和边缘代理

1.1 区块链

区块链是分布式存储和管理数据的一种方式，是由加密签名和分布式共识机制组合而成，按照时间顺序形成区块的流存储形式。区块链网络中的代理能够在每个时间节点满足全局系统协议，不受网络攻击和参与进入或退出网络的影响。因此，区块链网络允许代理在不依赖第三方操作平台的条件下以安全方式产生连接。区块链中区块的结构如图1所示。

图1 区块结构

区块主要由区块头和区块体组成。前者包含当前区块号、生成区块时间和上一区块哈希值等，后者包括具体交易记录。区块链的关键技术包括哈希算法、哈希树和分布式共识机制等。

1.2 边缘代理

边缘代理是一种新兴的智能边缘计算设备，欧洲电信标准协会(ETSI)对边缘计算定义为在靠近人、物或数据源头的网络边缘侧，通过融合了网络、计算、存储和应用等核心能力的开放平台，就近提供边缘智能服务。

边缘计算主要应用于电力物联网，在电力物联网中，需要对数据任务进行部署，提升物联终端的计算能力，因此，边缘计算的边缘代理之间存在的相互依存关系，可以实现数据的高效部署，从而实现计算性能的提升。边缘计算需要在边缘部署多个物联网代理节点，通过分布式的决策整合使得边缘服务器的资源容量得到扩大，提供最优的部署服务。与数据中心连接的骨干网则负责边缘节点的数据通信，根据边缘计算框架实现相应的异构数据处理，结合电力物联网的计算、存储和应用等需求,提供就近一体化的平台服务，实现网络的快速响应。边缘代理示意如图2所示。

图2 边缘代理

1.3 基于区块链的能源互联网

基于区块链的能源互联网是针对多种能源体系整合而成的终端网络，可实现电力资源的优化配置以及电力资源的交易运行。与当下分布式光伏发电、分布式风力发电和水力发电等拥有自主交易权的设备进行整合，形成具有与用户需求密切相关的动态联系网络，利用区块链技术实现能源局域网与能源互联网之间的设备和信息整合，在去中心的结构下提供个性化的供电和用电服务，包括微电网、社区电网等区域分布是自治的形式实现去中心化交易，疏通多种能源的传输渠道，提升分布式电源的管理水平。其具体结构如图3所示。

图3 区块链能源网络示意

基于区块链的能源互联网主要包括各类能源节点以及区块代理路由器，采用边缘计算之后，代理路由器可以体现边缘代理的作用。能源节点是具有发电设备以及用电负荷连接的节点总称，包括能源生产者、能源消费者以及具有双重属性的能源产消者。利用相关自利性、经济性等关系，实现在区域电网稳定运行的前提下优化各节点的经济效益。能源区块代理路由器称为边缘代理，是统筹电力资源调度、实现电力信息传输、优化多种能源交流的载体，能够有效释放市场活力的代理，也是参与市场竞争的重要枢纽。

边缘代理与区块链系统的运行机制密切配合，提供以共识机制和分布式用于计算为基础的系统优化能力，包括发电调度、电能质量控制和上网交易方式等个性化服务。分布式边缘代理能够提升区域范围内的电力传输能力，具有空间和地域双重维度特性，统筹自治区域中的用户和设备需求，通过区域能源互联网形成多代理系统。将多个独立决策的代理进行统筹优化，实现实时能源的消纳环境变化灵活快速响应，提升用户体验，减少系统冗余度。以能源路由器为物理基础的能源区块链互联网能够满足发电商以及用户的多种能源流动需求，提供自动化交易结算服务。能源路由器和区块处理模块针对边缘代理提供信息和载体支撑，最大化各方在能源物联网中的收益。

2 电力资源监测调度模型

2.1 电力调度资源模型

a.风机出力[6]计算式为

(1)

Pri为额定容量；vcin、vcout、vr分别为切入风速、切出风速、额定风速。

b.光伏模块的有功出力[7]计算式为

PDGPV(s)=NPV·FF·Vy·Iy

(2)

s为光辐射强度；FF为填充因子；Vy和Iy分别为光伏模块的输出电压和输出电流。

c.连网电池储能系统出力为

(3)

Pch为电池充电功率；Pdch为电池放电功率。

d.负荷需求侧响应模型，即可转移负荷模型为：

(4)

(5)

转移负荷需满足上下限约束，其使用时间从t转移到t′，用户的参与度可由式(4)和式(5)求得。

e.传统机组调度一般由出力上下限确定，需要以最大经济性进行调度[8]，即

(6)

上述模型经过整理后得到含有目标函数、约束条件的调度模型，包括出力平衡约束、潮流约束、运行节点电压约束和安全运行约束等。

2.2 可调度资源监测

电力调度资源监测主要是针对电力系统运行服务的数据采集以及后续处理，基于应用软件实现对系统资源的统一调配。基于计算机通信技术和控制技术等，系统资源实现在线收集，从而对系统运行情况进行分析决策。调度系统是整合发电、输电和配电各环节的处理系统，而调度资源监测是利用调度自动化主站系统实现数据的遥测、遥信和收发等功能，体现对系统资源的集中调配控制功能。系统的在线监测面向调度生产业务，实现集成、集约化系统，具体的功能包括电网运行监视、电力调度数据分析、调度信息控制、调度计划编制和调度结果评估等。动态资源的监视利用相应的软件、硬件架构以及数据采集和分析处理等系统进行实现。

3 基于区块链和边缘代理的调度资源系统

3.1 系统架构

系统架构如图4所示。基于区块链和边缘代理的系统调度架构体系主要涉及到电力调度中心与电力交易中心之间的信息流和能量流，涉及到的发电企业、终端用户以区块链的方式形成区块链联盟，利用服务器实现区块和账本等信息存储，以电力调度的基本模型为依据进行市场调度和市场交易。在交易体系中，调度节点、交易中心、调度中心、服务端、能源聚合器和终端用户是主要的实体。

图4 系统架构

从图4可以看出，区块链以电力交易中心、发电企业和终端用户的数据为核心，电力调度中心通过上述三者的联系形成区块链数据的整体上传，利用服务端的区块链和账本对电力交易中心下发的区块模块进行整合处理，形成信息流，该闭环信息流与能源聚合器形成完整的调度和交易体系。

3.2 边缘代理硬件结构

边缘代理位于电力系统调度和交易的终端感知层，利用相应的联网方式获取与其他中心和业务系统的联系，在感知层利用信息汇聚、边缘计算和区域自治形成与区块链内容相匹配的数据采集、数据连接、设备监视、数据模型一体化等与调度业务相关的数据功能。其硬件架构如图5所示,主要包括主控单元、存储单元、通信单元、供电系统以及扩展单元等。边缘代理是实现边缘计算的主要边端设备，通过对部署在发电企业、网络结构和终端用户之间的边缘代理，形成统一的通信网络和数据传输网络，实现以区块链为基础的系统调度和资源监视。

图5 硬件结构

3.3 基于边缘代理的资源监视

调动资源的监视主要依靠部署在边端的边缘代理，采取监视对象主动汇报的方式获取相应调度资源和交易信息，即通过对服务端涉及到的通信端口进行监听，在相应的软件架构上对数据进行收集和整理，进一步将数据进行传输得到相应的监视结果。而针对未部署边缘代理的情况，需要采用系统主动监视的方法进行数据查询，通过相应的通信协议获取监视对象的信息，实现数据的进一步上传。

3.4 数据对比分析流程

边缘代理一方面负责对终端数据进行汇集，将各类终端的信息汇总上传，另一方面这类数据在进行与平台交互之前需要进行相应的数据处理，将数据的异常情况进行检测分析，与历史数据进行对比并且与同类终端进行数据对比，实现异常分析，从而有效筛选数据。数据对比分析流程如图6所示。

图6 数据分析流程

4 应用分析

本文将该系统应用于某地示范工程，该工程为微网示范项目，含有电动汽车、光伏用户、小型机组，包括普通用户和产消者。假设基于用户出行规律统计后的充电需求为7 kW·h。按照本文提出的模型进行成本最小为目标的优化，将各节点部署边缘代理。其软件结构如图7所示。

图7 软件结构

4.1 系统调度结果

系统计算后的机组出力和电动汽车调度情况如图8所示。

由图8可知，利用基于区块链和边缘代理得到的调度结果符合实际情况，其中分布式光伏和风电出力在调度周期内能与电动汽车充电需求形成互补，一方面满足基本负荷的需求，另一方面还能满足充电需求，同时在总电量优化方面，能充分利用夜间的风电反调峰特性进行电源出力，达到平滑曲线的作用。在调度过程中，边缘节点和边缘代理部署于分布式风电和光伏的节点，能对这类波动性能源的出力进行有效监视，减少电网调度的误判风险，同时能减低这类能源调度分析的计算成本。