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區塊鏈在能源交易與協同調度的應用前景:提升電力交易的自由度和實時響應效率

2019-11-04 16:31:01 能源情報  點擊量: 評論 (0)
我國新能源發展已經走在了世界前列,水電、風電、太陽能發電裝機已均居世界第一。為了進一步構建清潔、高效、安全、可持續的現代能源體系,...
我國新能源發展已經走在了世界前列,水電、風電、太陽能發電裝機已均居世界第一。為了進一步構建清潔、高效、安全、可持續的現代能源體系,國家大力推進能源互聯網的試點與示范工程,積極探索支撐能源互聯的新技術、新模式、新業態。能源互聯網是促進我國能源轉型的重要手段,而特高壓、云計算、大數據、物聯網、區塊鏈等被認為是能源互聯網的關鍵支撐技術。
 
(來源:微信公眾號“能源情報”ID:eipress 作者:龔鋼軍 張桐 魏沛芳 蘇暢 王慧娟 吳秋新 劉韌 張帥)
 
能源互聯網是能源網絡和互聯網深度融合的產物,能源互聯網集合智能電網、智能石油網、智能燃氣網、智能水網等多個行業,包括二次能源的電力和產生電力的一次能源風能、太陽能、核電、生物質能等,以及傳統石化能源、環保節能、排放控制、垃圾發電、余熱利用等的多元互動、優化配置的能源網絡。目前,由于我國能源的生產、調度、運維等屬于不同行業部門,存在管理權限和利益劃分等問題,致使能源互聯網的研究設計與示范工程建設往往是針對局部、小范圍的規模開展的,具體面臨的制約因素主要體現在以下方面:
 
1)調度交易方面的橫向分布:交易完全去中心化后能源端多源互補的智能交易方式,以及清潔能源與化石能源的互備與平衡制約因素;
 
2)調度交易方面的縱向分布:調度部分去中心化后源、網、荷、儲下的協同調度模式與物理約束因素;
 
3)網絡層:能量流與信息流的路由交換與分配模式,以及不同行業的能量流物理承載網絡和信息流通信網絡的專網專用安全隔離體系的制約因素;
 
4)用戶層:售電側放開后售電公司和大客戶直購電、微網交易、多表合一、儲能設備的充放電、基礎設施的信息物理融合等模式及制約因素。能源互聯網具有“網架堅強、廣泛互聯、高度智能、開放互動”的四大特征,實現了以開放為基礎的對等互聯式的能量交換與分享,以及能量流和信息流的高度融合與智能控制。區塊鏈作為一個分布式的數據庫和去中心化的P2P對等網絡,具有智能合約、分布決策、協同自治、防篡改的高安全性和公開透明性等特征,天然上在運行方式、拓撲形態、安全防護等方面與能源互聯網有相似之處,可以很好的支撐能源互聯體系的建設。
 
文獻中提到麥肯錫研究報告(2016年7月)指出了區塊鏈技術是繼蒸汽機、電力、信息和互聯網科技之后最有潛力觸發第五輪顛覆性革命浪潮的核心技術。文獻提出了一種利用區塊鏈技術實現能源互聯網多模塊系統分布式決策和協調自治的機制框架,探討了區塊鏈和能源互聯網融合的關鍵技術;文獻提出了能源互聯網中基于區塊鏈的弱中心化管理電力交易方法,使得各市場參與者基于智能合約自發交易;文獻提出了一種基于區塊鏈的去中心化的儲能系統自動需求響應方案,能源互聯網中各響應主體根據系統的實時運行情況及參數,按照既定準則自動調整自身功率需求;文獻針對能源互聯網以及分散能量市場的條件下需求側響應資源參與市場交易中存在的問題,提出了基于區塊鏈技術的綜合需求側響應資源交易整體框架。文獻結合電力市場中大用戶直購電的需求與特點,構建了基于區塊鏈技術的大用戶直購電交易框架,從市場準入、交易、結算和物理約束等 4 個方面闡述了區塊鏈技術在大用戶直購電中的應用模式。以上文獻在電力市場交易、自動需求響應、多模塊系統分布式決策和協調自治等方面闡述了能源互聯網下區塊鏈的去中心化、智能合約、分布式決策、協同自治、交易的物理約束等應用模式,但并沒有完全結合現階段我國能源互聯面臨的制約因素,通過將區塊鏈的架構與節點映射到能源互聯網的層次架構模型和關鍵功能節點,構建基于區塊鏈的能源互聯網模型,以及能源互聯網在交易完全去中心化后的智能交易模式和調度部分去中心化后的垂直分級調度系統和多級變電站的協同調度模式。因此,本文針對區塊鏈與能源互聯網的相似網絡拓撲形態,從區塊鏈與能源互聯網的技術融合角度出發,研究在區塊鏈技術的區塊鏈支撐下能源互聯網的層次架構模型和關鍵功能節點,構建了具有“交易完全去中心化,調度部分去中心化”特點的基于區塊鏈的能源互聯網智能交易與協同調度模式,力求實現能量流和信息流的安全傳輸與分配。
 
1 能源互聯網網絡模型與區塊鏈應用場景模型
 
1.1 能源互聯網網絡模型
 
能源互聯網為扁平化的能源體系結構,在拓撲形態上更加接近于互聯網。文獻借鑒開放系統互連(opensystem interconnection,OSI)模型,提出了由接入層、配控層、傳輸層、策略層和應用層等組成的能源互聯網 5 層參考模型,用于指導任意兩個能源開放系統之間的互連。為了更好的分析能源互聯網的結構特點,本文認為應從物理架構層次和邏輯協議層次 2 個角度分析能源互聯網的層次模型。
 
1)物理架構層次角度:能源互聯網強調各個能源體系之間的相互協調與互聯互通。從能源交易層講,能源互聯網主要包括煤、石油、天然氣化石能源,以及水、風、光、生物質、潮汐和核能等清潔能源;從調度傳輸層講,包括電網、天然氣管網、石油管網等行業網絡;從用戶層講,包括微網、售電公司、工商業用戶、居民用戶、電動汽車等具有虛擬電廠功能的儲能設施。具體如圖1所示。
 
區塊鏈在能源交易與協同調度的應用前景:提升電力交易的自由度和實時響應效率
 
能源互聯網的物理功能架構模型應包括:能源交易層、調度傳輸層和用戶層。其中,①能源交易層主要包括各類能源的生產模塊和總體分配交易模塊。能源生產模塊如電力行業的各類電廠、石油行業的石油精煉廠等;分配交易模塊如電網調度、石油調度、天然氣調度等。各類能源在該層結構中可實現多向交易,如石油電廠、天然氣電廠、石油精煉廠用電等。②調度傳輸層主要包括各類能源專屬的傳輸通道,如石油行業的管道傳輸站、天然氣供應領域的升壓站以及電力行業的國調、網調、省調、市調、縣調及各級變電站構成的調度傳輸體系。調度系統依照分配交易模塊在上一層級達成的交易協議以及自身調控需求進行能源調度分配,在該層結構中,各行業能源之間實行專網隔離,傳輸通道和調度系統均不互相干擾,以保障能源調度傳輸的高效性和安全性。③用戶層主要包括各類能源的消費者。消費者并非僅使用單一能源,且存在微網、儲能節點等,以及開放式售電的逐步推進,故存在應用端之間的數據交互和交易。該物理架構下的能源交易層和用戶層實現了多類能源的橫向互補,因此網絡上是互聯互通的。但調度傳輸層需要行業專網專用,故為橫向隔離的。原因在于,國家發改委頒布的《電力監控系統安全防護規定》(發改委第14號令)、《電力監控系統安全防護總體方案》等6個配套文件(國能安全[2015]36號);工信部也頒布的《工業控制系統信息安全防護指南》(工信軟函[2016]338號)、《工業控制系統信息安全事件應急管理工作指南》(工信部信軟[2017]122號)等文件均要求能源行業安全防護遵循“安全分區、網絡專用、橫向隔離、縱向認證”的十六字方針。因此,圖1中能源互聯實現了“源端橫向各行業能源的互聯互補、縱向相互隔離的各行業源網荷儲的協同調度、用戶端用戶負荷的橫向互聯互補”的架構,即能源互聯網可分別在能源交易層和用戶層橫向互聯,而不能在調度傳輸層互聯互通,否則違背信息安全防護要求。
 
2)邏輯協議層次角度:能源互聯網綜合運用云計算、物聯網、大數據與自動化等方面的技術,將大量由分布式能量采集與儲存裝置和各種類型負載所構成的新型電力網絡節點互聯起來,實現能量與信息雙向流動的能源交易與共享。能源互聯網結構上類似于互聯網,強調網絡體系的廣泛互聯與信息處理的高度智能,需要實現能量流的智能交易、協同調度、路由傳輸與分配等,以及信息流和業務流的路由傳輸與交換。因此,借鑒 TCP/IP四層模型,本文認為能源互聯網參考模型應由信息物理融合層、網絡傳輸層、信息融合層、調度交易層等組成的。其中,①信息物理融合層:強調能源互聯網的發展也是遵循工業化和信息化融合的思路,為了滿足能源互聯網廣泛互聯、高度智能、開放互動的特點,信息物理融合是必須的。信息物理層涉及配用電系統涵蓋的分布式光伏、分布式風電、儲能裝置及電動汽車等,完成分布式能源及儲能設備的即插即用,電動汽車負載,并通過計算、通信以及控制技術實現了能源互聯網一次系統與二次系統的深度融合,也是能源互聯網的智能數據采集與控制的關鍵基礎層。②網絡傳輸層涉及能源路由器、匯聚能源交換機、本地能源交換機以及能源交換機通過對設備模型的自動辨識,完成電網內部電能和信息的交換和管理、網絡運行的安全可靠、能源使用的高效經濟。③信息融合層基于大數據分析能源互聯網的海量數據,通過對典型應用建模,提取數據特征,實現智能化、精細化決策與管理,與網絡傳輸層和信息物理融合層共同支撐應用層面的調度交易層。④調度交易層采用“互聯網+”技術,實現能源互聯網源端的各類能源與用戶之間的中遠期和實時競價交易、能源協同調度、運營效益評估、設備狀態評估和用戶互動服務。
 
1.2 能源互聯網與區塊鏈融合點分析
 
能源互聯網基于化石能源和清潔能源的混合互補模式,打破了傳統能源產業之間的供需界限,極大程度地促進電力、石油、天然氣、熱等能源的互聯、互通和互補。電力系統是能源傳輸的最主要和成本最低的首選方式,也是能源互聯網的基礎,但現有電力管理體制下,各電力調度部門因掌控調度權而處于行業強勢地位。同時,為了確保電網的安全穩定,在電網多級調度中心的調控下承載能量流的電網與不同發電企業通過統一的電力交易平臺進行電量的中長期或日前交易,不符合能源互聯網“開放、對等、互聯、分享”的特性。而區塊鏈除了數字貨幣領域的規模化應用外,在能源交易、銀行間聯合貸款清算等領域的應用正處于快速發展階段。區塊鏈技術的分布式、智能性、市場性以及融合性與能源互聯網理念不謀而合,基于區塊鏈技術可以將能源互聯網概念升級到能源互聯網2.0時代,即能源區塊鏈時代。區塊鏈能夠為現有能源互聯網一些不能落地的問題提供有效的解決方案,具體如表1所示。
 
區塊鏈在能源交易與協同調度的應用前景:提升電力交易的自由度和實時響應效率
 
1.3基于區塊鏈的能源互聯網模型
 
區塊鏈與能源互聯網具有相似網絡拓撲形態,可從區塊鏈與能源互聯網的技術融合角度出發,將區塊鏈架構與節點映射到能源互聯網的層次架構模型和關鍵功能節點,構建了具有“交易完全去中心化,調度部分去中心化”特點的基于區塊鏈的能源互聯網模型(如圖 2 所示)。
 
區塊鏈在能源交易與協同調度的應用前景:提升電力交易的自由度和實時響應效率
 
首先,針對區塊鏈技術在運行方式、拓撲形態與能源互聯網有天然相似之處,該模型借鑒了區塊鏈技術明確能源互聯網節點的功能與類型。區塊鏈技術旨在確保網絡中每一個節點都參與數據交互及記錄管理等工作,以此實現去中心化的特點及節點間的相互信任。然而,節點之間不可避免地存在算力差異,不能要求所有節點都能提供等量的算力資源,故節點類型分為以下兩類:
 
1)全節點:傳統意義上的區塊鏈節點,包含有完整的區塊鏈數據,支持全部區塊鏈節點的功能;
 
2)輕型節點:依靠全節點而存在的節點,無需為區塊鏈網絡提供算力,僅需保留區塊鏈的部分數據,參與對交易數據的驗證。
 
因此,該模型參照區塊鏈節點類型,并依據能源互聯網中源–網–荷–儲–調度等各節點的計算能力、交易特性、調度特性和數據重要性等特點,將能源互聯網各節點作如下分類:1)能源端節點、各類售電公司節點定位為交易類全節點,該類節點計算和存儲能力最強,具有計費和結算、保存完整區塊、路由、查詢和驗證等完整功能;
 
2)能源傳輸網絡中各級調度、各級變電站、天然氣調壓站、石油泵站等定位為調度類全節點,該類節點在計算和存儲能力上與交易類全節點類似,同樣具有保存完整區塊、計費和結算、路由、查詢和驗證等完整的區塊鏈功能;此外該類節點又獨有協同調度功能,因此與交易類全節點分開命名以示區分;
 
3)用戶側常規的用能節點,如居民用戶、商業用戶、工業用戶、混合用能用戶、加油站、液化氣站、微網節點、儲能節點等定位為輕節點,該類節點算力輸出十分有限,且存儲空間不足以保留完整區塊鏈,因此僅具有保存數個月內區塊鏈、路由、查詢及驗證等基礎功能。其次,針對區塊鏈作為一個分布式的數據庫和去中心化的點對點對等網絡的特點,該模型基于區塊鏈技術實現交易的完全去中心化,并以智能合約的方式部署在區塊鏈上,實現不依賴任何中心機構自動化地代表各簽署方執行合約進行交易,具有自治、去中心化等特點。
 
目前,電力市場的中長期交易和日前交易屬于非實時性交易操作,因此完全可通過區塊鏈技術構建基于信任機制的能源互聯網售電公司與源端間的完全去中心化的交易模式。交易完全去中心化有利于使源–售兩端溝通協商更加便捷,提升交易時效性和需求匹配性。最后,針對電能作為一種特殊的商品形式,必然要受到調度管控限制的特點,該模型基于分布式決策和協同自治模式,突破現有垂直多級集中式調度的約束,通過區塊鏈技術實現源–網–荷–儲等各類節點共同參與系統調度,使電力系統具備大規模分布式實時協同自治的能力,將從廣域協同調度模式過渡到集群智能,有利于解決大規模分布式節點的實時調度優化問題。同時,考慮到電網安全性的保障是首要前提,因此在實踐中尚不能完全放棄調度機構,不可仿照交易的完全去中心化模式,只能開放部分權限,實現調度部分去中心化。調度對于電網安全運行的保障主要體現在對物理條件的約束與阻塞管理,相對于石油和天然氣而言,電能只能實時傳輸、尚不能實現大容量和高效存儲,電能商品的生產和消費大多是以具有一定持續時間的“能量塊”的形式進行。基于區塊鏈的能源互聯網在交易完全去中心化后,源–網–荷–儲等各節點基于智能合約達成的中長期交易和日前交易的順利執行必須滿足能源傳輸網絡的物理約束條件,方能避免能量流的阻塞。電力系統中物理約束條件有功率約束、商業收益約束、網損約束等,功率平衡在潮流方程中為電力系統運行的主要物理約束。因此,基于區塊鏈的能源互聯網在實現智能交易時,必須遵循源–網–荷–儲–調度等各節點協同調度的物理約束條件,方能有效保證能量流的高效、合理、有序的路由傳輸與交換分配。
 
2 基于區塊鏈的能源互聯網智能交易與協同調度模型
 
在現有區塊鏈分類體系下,比特幣和以太坊是公共鏈,區塊鏈聯盟R3和超級賬本(Hyperledger)是聯盟鏈,而專注于為企業提供區塊鏈服務的CoinScience和 Eris Industries 是私有鏈。能源互聯網中橫向多源互補、配電側售電公司和大用戶與能源端的縱向交易,以及與微網的橫向交易、電網的縱向協同調度、用戶端的能源替代等具有不同的特點,采用單一的區塊鏈模式進行搭建,無法滿足模型的正常運作,應根據需求分別采用聯盟鏈、私有鏈或公共鏈進行模型的搭建。圖2中基于區塊鏈的能源互聯網模型將區塊鏈架構與節點映射到能源互聯網的層次架構模型和關鍵功能節點,有助于進一步探討能源互聯網在交易完全去中心化后的智能交易模式和調度部分去中心化后的垂直分級調度系統和多級變電站的協同調度模式,以及相應的電網安全校核與物理約束條件。因此,結合基于區塊鏈的能源互聯網模型,本文構建了基于區塊鏈的能源互聯網智能交易與協同調度模型,形成了包含源-售交易鏈(BC1)、變電站自治鏈(BC2)、電網調度鏈(BC3)、石油調度鏈(BC4)、燃氣調度鏈(BC5)和用戶交易鏈(BC6)的體系結構,具體如圖 3 所示。
 
區塊鏈在能源交易與協同調度的應用前景:提升電力交易的自由度和實時響應效率
 
1)為滿足交易完全去中心化的要求,能源交易層的各類能源模塊不僅需要與調度對接,更需要與各類售電公司在可信的環境下形成點對點的直接電能交易,因此需要以各類能源模塊和售電公司為網絡節點,搭建源–售交易鏈(BC1)。該區塊鏈負責各類能源節點和售電公司節點的身份驗證與注冊、點對點交易和分布式決策,并以智能合約方式存儲和管理由源–售雙邊交易方案和數據,構建完全去中心化下的可信交易環境;此外,通過對前一區塊數據的分析,可指導下一階段能源互補的分配和點對點交易方案的形成。源–售交易鏈(BC1)中涉及能源模塊和售電公司兩類節點,不同節點分屬不同企業,該區塊鏈的類型定義為聯盟鏈。源–售交易鏈(BC1)需要保障節點之間有足夠時間形成交易方案,可依照實際運行環境及具體實時性要求預設區塊生成時間間隔(如:數小時、天、月、季)。
 
2)能源各行業“安全分區、網絡專用”的安全要求致使調度傳輸層無法實現由一條區塊鏈涵蓋整層數據儲備,原則上每類能源分配一條區塊鏈,視實際需求可酌情添加或合并。例如電力行業可分設變電站自治鏈和電網調度鏈。其中,①變電站自治鏈(BC2)的節點由各級變電站組成,對生產數據的管理、分析以及對交易的核準通過等工作也由變電站自治鏈完成,各級調度負責數據傳輸、匯總、備份,以及指導變電站自治等工作;②電網調度鏈(BC3)的節點由各級調度中心組成,在該鏈運作狀態下,變電站主要負責提供生產數據,參與部分運算和校驗,決定權仍在調度。以電網調度為例,其各級調度均具備全節點所需的算力水平、存儲性能等綜合屬性,所以各級調度均可視為全節點。但在現有體系下,國調、網調、省調在算力等屬性上很明顯高于市調、縣調,故電網調度鏈(BC3)在制定決策、生成區塊等工作的算力分配問題上,不會以傳統區塊鏈記賬權競爭的方式進行分配,而是會視實際調度節點等級而有所側重。此外,由于專網隔離的實際需求,調度傳輸層的區塊鏈均為私有鏈,所以,石油調度鏈(BC4)和燃氣調度鏈(BC5)的主營業務都是化石能源,但由于調度建制不同,依然需要視為兩個網絡分設管理。
 
3)用戶層存在多種角色,居民用戶、商業用戶、工業用戶等一般不存在售電行為,而儲能節點、虛擬電廠、微網用戶既是購電方也是售電方。而且該層級涉及用戶數量龐大,交易實時性更強,交易密度也更高,因此采取公共鏈的構建方式更為科學。用戶交易鏈(BC6)中所有節點均可自行選擇是否參與記賬權競爭,無需預先設定。售電公司等擁有服務器集群的大型節點具備該層級最高的算力及存儲能力,一般作為全節點運作,負責輸出算力等各類工作;而用戶擁有的平板電腦、手機、PC等終端設備不具備與大型服務器集群競爭的算力性能,故絕大多數作為輕型節點使用,僅參與校驗等工作。其中,售電公司有其特殊性,既需要參與用戶交易鏈(BC6)的構成,又需要與能源交易層的源端節點構成源–售交易鏈(BC1)。用戶交易鏈不僅實現網絡內交易信息記錄,防止惡意篡改和違約,同時能為售電公司提供數據參考,輔助售電公司制定未來的購電計劃。
 
3 基于區塊鏈的能源互聯網物理約束管控策略研究
 
基于區塊鏈技術的雙邊智能交易極大地提升了電力交易的自由度和實時響應效率,但在基于區塊鏈構建的交易完全去中心化和調度部分去中心化的智能交易與協同調度模型中,交易的達成必須經過調度系統的安全校核,其中包括有功功率、無功功率、線損等約束條件。因此,如何在盡量滿足用戶交易需求的同時,對物理約束限制帶來的風險進行有效管控,保障電網安全穩定高效運行,成為了必不可少的研究內容。基于此,本文提出了一種基于區塊鏈的變電站自治與調度監管協同作用的能源互聯網物理約束管控策略。
 
3.1變電站自治的物理約束管控策略
 
當用戶 A(售電公司或大型企業)和電廠 B 以雙邊交易的方式,基于智能合約達成交易共識后, 源–售交易鏈(BC1)會結合該筆交易的相關信息,先對該交易方案的可行性進行初步解析,分析內容包括方案已提交次數、距首次被駁回的時間(若方案為首次提交則跳過該步驟)。為提升交易成功率,減少不必要的算力支出,每套交易方案僅允許在單次交易申請周期Δt 內提交3次,若超過3次或在Δt 內未能形成滿足物理約束的方案,則該方案作廢,方案所涉及的源、售端節點將不能于本時段再次申請交易。該步驟起到了約束各節點慎重提交交易方案的作用,相對低頻但高效的申請狀態有利于提升模型整體的運作效率,同時能在一定程度上預防潛在的DDoS攻擊風險。在調度約束的許可范圍之內,交易申請周期Δt 可依據實際應用環境進行自定義。此外,在保障調度有足夠的算力和資源維持電網安全穩定運行的前提下,為了滿足交易頻次要求較高的現貨市場的交易需求,可將交易申請周期Δt 縮短至小時級別,減少因交易方案未能及時通過帶來的經濟損失。
 
(具體的演算過程,這里省略掉了,需要深入學習的請私信交流)
 
4、總結
 
能源互聯網融合了多種能源、多類信息,是今后能源行業發展的必然趨勢;而區塊鏈技術因其獨特的去中心化、防篡改、去信任等特性,在應用于能源互聯網建設的問題上,具備天然的適應性和契合性。
 
本文在簡要概括了這一特性的基礎上,提出了基于區塊鏈技術的能源互聯網物理層次架構和邏輯協議層模型;設計了能源互聯網在交易完全去中心化后的智能交易模式;探討了在調度部分去中心化后,基于區塊鏈的垂直分級調度系統和多級變電站的協同調度模式;定義了該模式下各級調度、電廠、變電站、售電公司與各類用戶的節點屬性和任務職能,以及處在不同層級、由不同節點所構成的各區塊鏈的類型;探究了變電站自治與調度監管申請協同作用的物理約束管控及電網安全校核策略;最后,形成了以“交易完全去中心化,調度部分去中心化”為特點,基于區塊鏈技術構建的智能交易與協同調度模式,為實現能源互聯網高效安全運行貢獻了方案及思路。目前針對區塊鏈和能源互聯網的研究尚處于初級階段,望本文能對相關技術領域的發展起到積極地推進作用。
 
原標題:區塊鏈在能源交易與協同調度的應用前景

 

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責任編輯:葉雨田

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