基于區塊鏈的農村居民屋頂光伏消納方法

唐冬來，郝建維，付世峻，黃璞，楊俏，葉鴻飛

（四川中電啟明星信息技術有限公司，四川成都 610041）

中國農村屋頂光伏資源豐富，利用農村居民屋頂建設小型光伏發電站，將助力農村實現碳中和目標[1-3]。但屋頂光伏發電與農村居民的勞作時間重疊[4-5]，造成光伏發電消納困難。

農村屋頂光伏消納分為儲能與上網交易兩種。其中，儲能采用裝置對農村居民屋頂光伏的剩余電量進行存儲，待用電時段釋放電能[6-7]。但儲能設備投資多，推廣難度大。

上網交易類通過農村居民之間的價格驅動、成本分攤等類型的電量交易，實現屋頂光伏剩余電量消納[8-10]。但缺少對不同農村居民用戶類型交易策略的分析，光伏消納率低。

針對農村居民屋頂光伏消納難的問題，提出了一種基于區塊鏈的農村居民屋頂光伏消納方法，該方法通過能量路由器實現光伏消納的物理連接，并采用區塊鏈進行農村居民屋頂光伏交易。

1 農村居民屋頂光伏消納框架

文中所述的基于區塊鏈的農村居民屋頂光伏消納方法框架如圖1 所示，主要包括物理網絡搭建、農村居民分類、電量交易定價和交易執行四個環節。

圖1 農村居民屋頂光伏消納策略框架圖

在物理網絡搭建環節，首先，根據輸入的農村居民屋頂光伏發電功率數據、10 kV 配網網架數據進行發電約束分析，判斷配電線路的最大發電傳輸能力。其次，對10 kV 配電網絡的能量路由路徑進行分析，確定各配電臺區節點能量路由器的部署原則。最后，進行能量路由器部署。在農村居民分類環節，首先提取農村居民的用電量、用電功率曲線、檔案等特征數據；然后對其進行AP 聚類，獲取農村居民的用電習慣特性，并建立用戶的細分類別。在電量交易定價環節，首先，對上網的農村居民屋頂光伏發電量的電價進行分析，獲取農村居民屋頂光伏的上網需求價；其次，對農村居民購電價格進行分析；最后，再進行銷售、購買和運營商代理價格博弈，通過納什均衡生成農村居民屋頂光伏銷售價格。在交易執行環節，開展農村居民屋頂光伏交易，并執行交易結算。

2 農村居民屋頂光伏消納建模

2.1 物理網絡搭建

能量路由器是構建能源互聯網的核心設備，該設備由電力電子變換器構成，可實現電能的多向流動和功率的主動控制。該設備對配電網分布式屋頂光伏電源、負荷等設備進行智能互聯，實現配電網能量流的主動控制[11]。

農村居民屋頂光伏的上網電網等級為0.4 kV，因農村配電臺區下的用戶幾乎都為農村居民，而農村居民的用電時段幾乎一致，不利于屋頂光伏發電消納。而10 kV 配電線路下包括城鎮居民用戶、工商業用戶、農村居民用戶等多種類型，城鎮居民用戶、工商業用戶的用電時段與農村居民用戶不一致，所以，可通過10 kV 配電線路內的能量路由實現農村居民屋頂光伏與負荷的互聯。

文中所提方法在配電變壓器側配置能量路由器，以實現10 kV 配電線路下的能源與負荷互聯。10 kV 配電線路交易區域內的總功率Pa為：

式中，na為農村居民用戶光伏電源個數；Pi為不同的農村居民屋頂光伏電源發電功率；Li為不同的農村居民屋頂光伏的傳輸損耗。

農村居民屋頂光伏交易區域內的總功率Pa滿足約束條件：

式中，Pmax為10 kV 配電線路傳輸的最大功率，Pb為10 kV 配電網當前傳輸的負荷值。能量路由器的功率配置Pc為：

式中，nb為單個配電臺區下的農村居民屋頂光伏個數；Pj為單個配電臺區下不同的農村居民用戶發電功率；Lj為不同屋頂光伏的傳輸損耗。

2.2 農村居民分類

AP 聚類通過在不同農村居民用戶之間不斷地傳遞特征信息，最終選出聚類中心；該種聚類方式具有無需指定聚類數據、聚類誤差小的特點[12]，因此，文中農村居民選用AP 聚類進行分類。

文中農村居民用戶的分類特征條目依據中國可再生能源行業和電力行業協會的典型參考文件制定。農村居民的特征條目如表1 所示。

表1 農村居民的特征條目表

農村居民屋頂光伏發電AP 聚類相似度矩陣的值Ga為：

式中，sa和sb分別為農村居民類型a和類型b的離散特征值；ω為特征屋頂光伏類型的農村居民權重系數。

通過AP 聚類，生成的農村用戶居民類型如表2所示。

表2 農村居民類型

2.3 電量交易定價

靜態博弈是一種博弈的方法，在該方法中，有一個領導者，其余的為跟隨者，領導者先開始行動，跟隨者在進行選擇時，并不知道領導者的具體行動步驟；在跟隨者行動完畢后，領導者根據跟隨者的行動調整自己的策略，直至納什均衡[13-14]。該方法能夠有效解決農村居民屋頂光伏交易過程中定價的問題。

農村居民屋頂光伏報價集合Va為：

式中，nd為農村居民屋頂光伏電源報價策略個數。v1,v2,…,vnd為不同的農村居民屋頂光伏報價策略。

屋頂光伏購電價格集合Jb為：

式中，ne為農村居民屋頂光伏購買用戶的策略數量；j1,j2,…,jne為不同的農村居民屋頂光伏購買策略。

交易定價靜態博弈C為：

式中，Ra為農村居民屋頂光伏運營商，該農村居民屋頂光伏運營商是屋頂光伏交易的領導者；Rb為跟隨者，即農村居民屋頂光伏發電用戶；Qi為農村居民屋頂光伏用電客戶在i時間段的電量；B為農村居民屋頂光伏交易區域內的電價策略；Ua為農村居民屋頂光伏運營商的收益；Ya為農村居民屋頂光伏發電用戶的收益。

2.4 交易執行

區塊鏈是一個共享數據庫，具有“防止偽造”、“過程痕跡記錄”和“全程追溯”的特征[15-16]，因此，文中所提農村居民屋頂光伏消納方法采用區塊鏈技術進行農村居民屋頂光伏交易。

在交易執行方面，農村居民屋頂光伏運營商組織屋頂光伏電源用戶按照用電策略、光伏出力進行發電；并組織10 kV 配電網內的居民用戶、工商業用戶等進行購電。區塊鏈平臺根據定價合約輔助控制農村居民的用電。

在交易結算方面，按月根據電表向區塊鏈平臺傳輸的實際屋頂光伏發電量與農村居民用電量、電量報價等信息完成合同履約和結算資金的支付，最后，區塊鏈系統記錄各方農村居民交易用電的信譽值。

3 算例分析

3.1 場景與參數設定

為驗證文中所提基于區塊鏈的農村居民屋頂光伏消納方法的有效性，在某城市鄉村的1 條10 kV 配電線路下進行農村居民屋頂光伏消納驗證。該區域內，交易的農村居民屋頂光伏電源用戶有583 戶，購電用戶有3 798 戶，涉及配電臺區29 個，安裝能量路由器29 個。

該地區的年平均日照輻射量為36.37 Ht。將文中所用算例部署在某供電公司機房，算例運行服務器的處理器為兩顆四核intel至強E3-1225，處理器主頻為3.2 GHz，4 核心，服務器內存為32 GB，硬盤容量大小為20 T，服務器的操作系統為Windows Server 2016。

文中用于對比的是文獻[17]光伏價格學習曲線的農村居民屋頂光伏消納方法，該方法被廣泛使用在農村居民屋頂光伏領域。

3.2 算例運行分析

3.2.1 農村居民用戶聚類準確率

農村居民用戶聚類準確率分析的目的是為了評估農村居民用電特征分析的準確性，該指標的計算公式是將聚類分析的數量與依據行業標準人工比對的結果進行分析，一致即為準確，比值即為準確率。

選擇居民用戶為100、200、300、400、500、600、800、1 000 戶，采用文中方法的AP 聚類與光伏價格學習曲線方法的K 值聚類比較農村居民用戶聚類分析準確率，比較結果如表3 所示。

表3 農村居民用戶聚類準確率

由表3 可知，文中所提方法AP 聚類的農村居民用戶聚類準確率高于光伏價格學習曲線方法的K 值聚類。

3.2.2 農村居民用戶聚類結果

農村居民用戶聚類結果是屋頂光伏電量交易的基礎，通過對不同類別的用戶制定差異化的農村居民屋頂光伏交易報價策略，可以提高光伏消納水平。

針對某鄉驗證區域的3 798 戶聚類結果如表4所示。

表4 農村居民用戶聚類結果

3.2.3 農村居民屋頂光伏報價博弈分析

農村居民屋頂光伏報價博弈分析的目的是為了驗證文中所提方法在運營商、農村居民屋頂光伏銷售和購買用戶之間的交易電價博弈結果的有效性。首先，農村居民屋頂光伏按照0.452 元的基準價進行報價，然后農村居民屋頂光伏銷售和購買用戶按照自身的策略進行博弈，直至納什均衡，農村居民屋頂光伏報價博弈結果如圖2 所示。

圖2 農村居民屋頂光伏報價博弈結果

由圖2 可見，當博弈次數在16 次時，運營商、農村居民屋頂光伏銷售和購買用戶價格趨于一致，該價格即為當時的交易價格。

3.2.4 農村居民屋頂光伏消納分析

農村居民屋頂光伏消納分析的目的是為了驗證光伏消納率的有效性。其計算方式為農村居民屋頂光伏用電量和發電量之間的比值。

選擇2021 年7 月1-6 日的發電數據，采用文中所提基于區塊鏈的農村居民屋頂光伏消納方法與光伏價格學習曲線方法比較光伏消納率，結果如圖3所示。

圖3 農村居民屋頂光伏消納率圖

由圖3 可見，文中所提方法的光伏消納率達91.6%，高于光伏價格學習曲線方法。

4 結論

文中基于區塊鏈技術提出了一種農村居民屋頂光伏消納方法。在農村居民用戶分類的基礎上，采用靜態博弈進行交易定價，通過區塊鏈技術記錄交易電量和信譽，具有農村居民用戶激勵效果好，屋頂光伏消納率大的特點。算例分析結果表明，所提方法分析了農村居民用戶的用電特點，實現了屋頂光伏的有效消納。該方法提高了農村居民屋頂光伏消納率，促進了清潔能源的有效利用。