基于能源区块链网络的微电网共享储能调度模型

罗 凡, 李建锦, 余向前, 陈剑华

(国网甘肃省电力公司 电力科学研究院, 甘肃 兰州 730050)

我国电网跨度大,在电能输送过程中存在耗损较大且分布式电能源耗损量不断增加的问题[1-2]。为解决这一问题,微电网应用范围逐渐增大。微电网也称微网,是一种由分布式电源储能装置、能量转换装置和保护装置构成的发配电系统[3]。微电网可以通过提高分布式电源的灵活性,解决分布式电源并网问题,促进分布式电能的大量输送,保证输出电能不会在输送过程中过度消耗。因为电能源输送具有反调性,微电网的共享储能调度可对电能源起到调峰作用,进而完善电能源运输,但不能忽视电能源储存能耗问题[4]。

近年来,微电网储能调度成本的降低可为国家能源发展带来较高效益,降低存储能耗成为目前研究的一个重要课题。陈科彬等[5]提出了含可再生能源的微电网分时间尺度储能调度方法,这种方法只适用于小规模微电网系统,该方法对庞大电力系统的调度能力明显降低且消耗功率较高。为此,本文提出了基于能源区块链网络的微电网共享储能调度模型,从该模型设计框架出发,完善储能调度模型工作流程,以期保证电能源的储存效果,提高调度能力的同时减少功率消耗。

1 微电网共享储能调度模型

微电网共享储能调度模型主要由能源区块链网络和微网储存调度模型组成。由于能源区块链网络和微电网系统是两个独立个体,两个结构不存在共性[6-7],为了建立能源区块链网络和微电网储存调度模型的内在联系以使两个独立个体成为一个完整能源调度模型,本文将能源区块链网络和微电网储存调度模型设置为分层储存调度模型,上层为能源区块链网络模型,下层为微电网储存调度模型。

1.1 能源区块链网络结构

能源区块链是一种包含分布式能源储存、点对点传输、共识加密机制的新型应用分布式能源库。能源区块链内部由众多节点、时间戳和put密钥构成。每个节点都是一个小型区块链结构,每一个节点都可以识别信息密码,验证执行信息真伪,然后再执行电能调度命令[8]。当能源区块链受到非法攻击时,能源区块链会自动进行警防处理。如果攻击程度严重,能源区块链立即自动抛去一层节点,重新启动装置并进行正常工作。能源区块链的基本结构如图1所示。

图1 能源区块链的基本结构Fig.1 Basic structure of energy blockchain

能源区块链包括多个小区块体,这些区块体包括多个区块头,这些区块头可以实时记录微电网共享储能调度模型的执行命令信息、电能源的输送记录与电能源输送时的密钥[9]。输入信息将经过智能加密以March形式存储在微电网共享储能调度模型中,微电网以put密钥形式输出调度指令,从而增加能源区块链的指令校验和执行次数,防止出现指令传递错误的情况。能源区块链中的时间戳记录微电网共享储能调度电能源的时间点,每次电能源的调度都必须记录完整、准确的时间,能源区块链网络会根据调度时间和调度方式进行排序,连接成一个完整能源区块链。

相关人员每隔一段时间需要检查能源区块链,从而预防微电网共享储能调度模型发生故障[10]。因为电能源储存调度信息量巨大且在电源流通过程中分布式电源本身存在辐射,电能源长时间在一个能源区块链中工作时,将增加能源区块链的能源渗透率,所以经过一段时间就要归纳微电网共享储能规划模型中的能源区块链网络信息,将最新能源储存调度信息存储到新的能源区块链网络中,提高微电网共享储能调度的高效性[11],能源区块链具体网络结构如图2所示。

图2 能源区块链网络结构Fig.2 Network structure of energy blockchain

能源区块链网络由能源区块链组成,能源区块链网络中的各个能源区块链是按照能源储存调度的时间顺序排列并通过节点连接而成,即能源区块网络是能源区块链的一个收纳柜。能源区块链网络包括电能源的储存状态信息和调度信息。能源储存状态信息包括发电单位、发电额度、能源类型、天气情况等。电能源调度信息包括电能源的输送额度、输送方向、发电单元、调度密钥等。

1.2 能源储存调度指令校验

每一个新的能源储存调度指令都会生成一个节点,因为有关电能源已经执行指令,所以该节点会自动存储能源的发电单元地址、能源类型和指令密钥。每一个新节点加入时,能源区块链网络都将校验新节点信息,防止出现能源丢失和其他错误,校验合格后节点才能成为能源区块链网络的一部分[12]。校验过程分为两部分:

1) 微电网共享储能调度系统中,由于电能源需求量大,决策者来自不同领域,为了保证微电网共享储能调度指令的真实性,本文对微电网共享储能调度模型设置了唯一性指令,即所有申请电能源储存调度指令均先转交给能源区块链网络工作端,微电网共享储能调度指令均带有专有密钥,能源区块链网络执行指令时,检验指令的专有密钥,检验合格才能进入能源的区块链网络中[13]。

2) 能源区块链网络和微电网共享储存调度模型之间的连接是通过两个独立个体的信号源完成的。微电网储存调度模型将分布式电能源的储存和调度参数传输给微电网储存调度模型的信号接收器中,接收器将接收到的参数通过人工智能转化为March代码并发出指令。能源区块链网络直接接收追踪到的信号源,将接收到的信号源参数进行put代码转换。随后能源区块链网络通过自身信号源连接微电网模型信号源,寻找到信息后将代码输送到微电网储存调度模型中,微电网共享储能调度模型将整合能源储存调度申请,最终向能源储存调度提出申请审批,根据审批结果执行相对应的能源储存调度指令。

2 能源区块链网络调度模型

能源区块链网络可将独立的能源区块链网络和微电网共享储能调度模型整合为一个功能全面的能源储存调度模型。因此,基于能源区块链网络的微电网共享储能调度模型以能源区块链网络结构为基础,提高了能源区块链网络兼容性,使得电能源微电网储存和调度工作能够有秩序进行。以能源块链网络为基础的微电网共享储能调度模型工作原理为:外界向微电网提供电能源的存储调度申请,微电网将接收到的申请进行简化并传递到微电网的信息交互中心,信息交互中心确定申请的有效性,继而将电能源储存调度的数据输送到能源区块链网络中心并执行能源合理储存调度指令。能源储存调度指令在微电网共享储能调度模型的智能约束中生成,具体工作原理如图3所示。

图3 微电网共享储能调度模型工作原理Fig.3 Working principle of shared energy storage and scheduling model of microgrid

微电网共享储能调度模型的智能约束从日前能源储存调度合约和日内能源储存调度合约两个方面进行调度方案约束。日前能源储存调度合约约束分为预测能源流通量、发布可调度能源地址信息和下发能源储存调度指令三个阶段。日前能源储存调度合约的一般约束条件在每天凌晨公布,微电网共享储能调度模型将在日前能源储存调度合约生效前1 h关闭能源储存调度信号源,即不接收信息,能源区块链网络将此阶段的申请储存调度指令保存至后台,当微电网共享储能调度模型接收信号后再传送到微电网的信息控制中心。能源区块链网络整合24 h内的微电网共享储能调度指令,能源区块链网络控制中心快速整理出前24 h内的能源流通情况,计算出微电网系统中可储存调度的能源总量,整合完毕后打开能源储存调度信号源。

日前能源储存调度合约计算系统中,通过能源区块链网络各个节点将24 h内能源调度情况发送到微电网系统的控制中心,输送格式为

DG=(DDG,MDG,GDG)

(1)

式中:DG为可控分布式电源信息;DDG为可控分布式电源加入能源区块链网络时通过认证获得的唯一身份标识;MDG为微电网发电能力;GDG为能源类型。

能源区块链网络的微电网共享储能调度指令所消耗能源的输送格式为

Pc=(PPc,MPc,CPc)

(2)

式中:Pc为能源区块链网络和微电网调度模型的连接点信息;PPc为连接点指令真伪核实的验证代码;MPc为能源区块链网络的微电网共享储能调度输出功率;CPc为微电网完成调度消耗功率。

日内能源储存调度合约处理过程包括:计算能源储存调度的能源流通量,发布能源储存调度的地址信息,发送生产调度方法至微电网共享储能调度模型的控制中心并存储记录。日内能源储存调度合约仅执行一次,计算方法与日前能源储存调度计算方法相同。日内能源储存调度合约需要校验微电网每一次的能源调度,避免在能源调度过程中出现能源不足、调度中断等现象,进而保证能源在能源储存调度运输过程中自身消耗量最小。日前能源储存调度合约监测一段时间内的能源储存调度情况,如果发生能源大量缺失的情况,根据每天的日前能源储存调度信息可以快速找到能源储存调度指令并进行追踪。基于能源区块链网络的微电网共享储能调度模型的工作流程如图4所示。

图4 微电网共享储能调度模型工作流程Fig.4 Working flow chart of shared energy storage and scheduling model of microgrid

微电网共享储能调度模型工作流程为:

1) 依据每天的固定时间Tk,检测微电网发电系统和接收信号源控制中心的能源区块链网络能源数据流通信息,检测函数有助于检查能源区块链网络中所有节点的工作性能,其表达式为

PO=Tk/kO

(3)

式中,kO为能源区块链网络能源数据流通检测节点信息。

2) 微电网共享储能调度系统自动备份24 h内的能源调度信息PI,备份函数表达式为

PI=Pcd/N(c=1,2,…,I)

(4)

式中:Pcd为存储到能源区块链网络中的能源调度指令个数d的阈值;N为备份成功次数。

3) 当微电网共享储能调度模型接收到能源调度申请时,计算能源区块链网络中各个节点的储存能源,预测是否存在可调度能源量并将计算结果传送到微电网控制中心。

4) 根据提交的调度结果AG,结合日前能源储存调度合约Z1和日内能源储存调度合约Z2,判断是否存在合理能源调度形式,判断函数表达式为

F=Z1AG/Z2

(5)

5) 利用微电网储存调度模型对能源储存调度方案进行校验,校验成功后为能源调度方案设置一个特有的安全密钥形成指令Bi,最后输送到能源区块链网络并执行能源储存调度指令,输送次数约束函数表示为

Xi(j)=PjPI/Bi

(6)

式中,Pj为执行过程中的指令输送形式阈值。

6) 如果能源储存调度方案校验不成功,则微电网系统返回能源调度申请。

3 实验结果分析

为了验证基于能源区块链网络的微电网共享储能调度模型的高效性和节能性,将含有可再生能源的微电网分时间尺度储能方案[5]作为对照方法,对两个调度方案下日前调度合约电价、日内调度合约消耗功率与燃料电池能量状态进行对比。

3.1 实验过程

用于调度与分析的微电网结构如图5所示。微电网呈辐射状,包含电池、各类用户、微燃机、风力发电机、蓄电池储能系统以及与大电网的公共连接点。

图5 微电网结构Fig.5 Microgrid structure

图5中将以燃料电池为基础的微燃机、以蓄电池为主的商业用户、工业用户、住宅用户和热电联产作为可控负荷,光伏发电与风力发电作为不可控负荷,须在调度前给出预测出力信息,燃料电池、蓄电池的基本参数如表1所示。根据表1设置能量区块链网络结构参数完成实验准备,在两个相同范围内分别发送相同能源调度指令。相关人员记录两种方法最终输出的能源调度合约电价和调度能源微电网系统消耗功率。

表1 电池基本参数Tab.1 Basic parameters of batteries

3.2 实验结果

微电网共享储能调度模型调度过程中采用峰谷平电价,根据实验得出燃料电池、蓄电池合约电价,结果如图6所示。由图6可知,以4 h为时间节点,本文方法和文献[5]方法蓄电池合约电价分别为0.2元和0.95元,燃料电池合约电价分别为0.4元和1.2元,可见,基于能源区块链网络的微电网共享储能调度模型日前调度合约电价较小,这是因为本文方法完善了储能调度模型的工作流程,能够依靠电能源储存效果快速变通能源调度方案,进而准确筛选出最佳能源调度结果。

图6 微电网日前调度合约电价对比Fig.6 Comparison of electricity prices of microgrid day-ahead scheduling contract

调用日内调度智能合约获得图7所示的微电网日内调度方案消耗功率对比结果,燃料电池能量状态如图8所示。

图7 微电网日内调度合约消耗功率对比Fig.7 Comparison of power consumption of microgrid daily scheduling contract

图8 燃料电池能量状态对比Fig.8 Comparison of energy state of fuel battery

由图7和图8可知,文献[5]能源调度方案所消耗功率高于本文能源调度方案,且蓄电池消耗功率差距较大,燃料电池消耗功率差距较小。文献[5]中微电网储存调度模型在查找合适能源时,必须同时调度整个微电网系统,消耗了大量微电网内部运行功率。利用本文方案进行日内能源查找时,只需要运行能源区块链网络结构,有效降低了消耗功率,即基于能源区块链网络的微电网共享储能调度模型调度效率更高,更加节约能源。

4 结束语

通过对能源区块链网络和微电网共享储能规划模型进行研究,设计了基于能源区块链网络的微电网共享储能调度模型。微电网共享储能调度模型首先对能源调度申请进行核实,利用能源区块链网络对微电网储存的能源进行预测并提出能源调度方案,之后由微电网控制系统计算出最优方案。利用能源区块链对最优方案进行安全校验,如果校验成功,则执行能源调度方案。实验结果表明,基于能源区块链网络的微电网共享储能调度模型对能源的调度具有高效性和节能性。