基于需求響應的電力交易區塊鏈跨鏈協調調度算法

沈楊

(內蒙古巴彥淖爾市臨河區烏拉特后旗供電分局,內蒙古 巴彥淖爾 015543)

隨著智能電網的逐步完善以及售電側的放開,大量負荷聚合商、服務供應商以及電力用戶作為需求側資源參與電網的互動環節,交易數量、規模以及信息數據隨之增加,集中決策的方法會提高交易中心的運行成本和處理時間。另外,在大規模實施需求響應（demand response,DR）業務時,若仍然采用中心化的管控手段,將很難大規模參與用戶的交互。區塊鏈技術作為一種去中心化的分布式記賬系統,需第三方參與即可通過分布式方法構建不易篡改的信任數據庫,將區塊鏈與DR 資源交易相結合有著重要的意義。另一方面,隨著智能電網建設的推進,未來需求側資源參與市場的組合更多樣,手段更復雜,所受到的影響因素也更多,有很大的不確定性。而電力系統規模日益擴大,系統復雜性與地域分布廣度也越來越大,系統運行極易受到外部因素的影響。

一、區塊鏈在電力交易需求響應中的應用分析

區塊鏈技術作為一種新型信息化技術，可以實現防偽造不可篡改等特點，其中代表性的技術包括比特幣、以太坊區塊鏈被廣泛應用。區塊鏈技術主要適用于分布式的網絡，可以有效地解決分布式網絡中不同的參與實體之間的互信和共識問題，其技術本質相當于是采用一個區域中心的數據庫、存儲原來集中式數據庫存儲的內容，通過分布式的共識機制保障不同的參與實體，在不可信網絡空間中能夠實現互信互認，最終達成共識。類似于OSI 的7 層模型，目前區塊鏈分層標準架構包括5 層，分別為數據層、網絡層、共識層、激勵層和智能合約層。從激勵層向下基本上都是區塊鏈的標準機制，對于具體的業務應用而言，則主要是設計業務的智能合約。通過約定交易雙方或多方之間的業務規則，確保業務的邏輯能夠正常執行。目前也有不少學者針對區塊鏈技術的網絡層和共識層開展相關研究，期望結合特定的業務應用場景需求，能夠將各自的業務系統進行優化。區塊鏈技術本身的去中心化信任、共識、不可篡改記錄數據和復雜交易的實現機理，備受社會廣泛關注與認可。目前在區塊鏈的共識層、網絡層已經有很多的研究，可以靈活地產生多種不同版本的區塊鏈技術，非常適用于綜合能源領域的不同場景的應用，但是也需要注意在不同的版本之間保持標準的繼承性和互操作性。

目前，我國也已經完成了海島微電網、虹橋商務核心區多能系統、上海世博園等綜合能源優化示范工程，但關于跨平臺、多系統間的協作交易與服務結算相關的研究較少，導致無法將現有示范工程的成果直接大規模推廣應用。

在互聯網信息技術快速發展的過程中，能源行業也逐步發生變革，綜合能源在傳統的電能源的基礎上引入了熱冷氣等多種能源形式，通過多能耦合形成了開放互聯的能源系統，進而隨著售電市場逐步放開綜合能源服務，也將產生多種形式的能源服務。傳統的供電服務衍生出供熱功能服務，其參與主體也將更加的多元化，包括了分布式電源、電動汽車、分散式儲能冷熱電、三聯供、蓄冷蓄熱設備等。在綜合能源廣義需求響應下，除了常規的可削減負荷可以根據價格或者激勵調整用量之外，還存在多種能量轉換設備，可以在需求側實現不同時間段的能量替代，從某種意義上可以緩解特定能源品種的短缺了基于區塊鏈的綜合能源網絡架構，在不同的能源系統中，可以采用不同的子鏈進行管理，為了達成在區域綜合能源系統內分布式的市場化交易，不同的用能單元和供能單元之間兩兩可以隨機發起交易，當區域范圍內的能源需求無法滿足時，也可以選擇通過外部功能系統提供。多能供需協調作為未來能源互聯實現的核心業務，在一定程度上支撐了能源集成互聯互補的應用推廣，可以通過區塊鏈智能合約實現不同能源系統互聯及綜合能源服務過程中的跨平臺自動結算。在不同的子鏈中可能存在不同的結算貨幣和不同的共識機制，這也是在綜合能源廣義需求響應能量管理系統中需要考慮的，為此在能源區塊鏈網絡中需要考慮易購區塊鏈系統的互聯，以滿足多能互補、即時交易的需求。

二、基于需求響應的電力交易區塊鏈跨鏈協調調度算法

（一）電力跨鏈交易

電力跨鏈交易由一組區塊作為保證不同跨鏈完整性區塊主體，存儲一組有效電力資產交易結果，有電力交易信息，因此，每個節點在整個區塊鏈中都保留完整電力交易信息備份。整個交易區塊沒有集中管理組織，導致每個節點都是點對點的，既可以作為客戶端，也可以作為服務端。所有參與交易的用戶都可以共享、管理節點交易信息，以此保證電力交易區塊鏈跨鏈穩定性HJ。主要保證系統安全，就可以保障區塊鏈系統具有良好追溯性，交易者信息綁定每個電力用戶區塊鏈交易記錄，使系統完整跟蹤交易目標。由于電力市場交易邏輯復雜，任務調度場景類型多種多樣，尤其是引入區塊鏈跨鏈形式，使得任務調度在電力市場中的應用變得更為迫切怕一。針對電網應用場景的特點，現有區塊鏈跨鏈的特點及技術要求，參考成熟解決方案，分析基于需求響應的電力跨鏈交易模式，電力需求響應即當電力批發市場價格上漲或系統可靠性受到威脅時，電力用戶收到直接補償的關注信號，可以歸納出負荷減少的供電方式或電價提高的信號，進而改變其固有的習慣用電量模式，減少或轉移一定時間內的用電負荷，進行電力響應，從而保證電網穩定運行，抑制電價突發上漲行為發生該跨鏈交易模式主要是由管理界面、任務調度中心和任務調度客戶端組成的。其中管理界面為用戶提供了登錄和編輯功能；任務調度中心為用戶提供任務分配功能；而任務調度客戶端負責觸發任務。

（二）跨鏈調度算法

根據上述分析結果，明確區塊鏈跨鏈方式與基于需求響應的電力跨鏈交易模式，接下來對電力交易區塊鏈跨鏈調度算法進行研究。確定電力跨鏈調度優先級可以保證調度算法的精準性，在完成優先級確定后，設計電力交易區塊鏈跨鏈調度算法，并對算法進行求解，獲得精準的調度結電力交易區塊鏈跨鏈調度通過一條區塊鏈連接不同區域，定義兩個區塊邊界節點依次根據獲得的不同區塊耦合約束條件，將等待延時數據包按照最接近閾值的順序進行1—9 級數據包為最高優先級劃分，得到服務優先級劃分結果。在電力交易需求響應之下，電力交易信道質量可以等效為對應信噪比用戶局隊列中等待交易數據，則在耦合約束調價下的電力用戶服務優先級。需求響應下調度結果為電力交易數據包的發送有效銜接，根據每個電力用戶信道情況動態分配子信道。在滿足不同用戶的同時，使頻譜效率達到最大化。上述過程完電力交易區塊鏈跨鏈調度算法研究，通過求解調度算法獲得調度方案。在完成電力交易區塊鏈跨鏈協調調度算法后，為進一步實現對算法求解獲取最佳調度方案。因此，根據算法特點，使用線性規劃方法求解，得到與用戶滿意度相關的負荷曲線，并將其分解。

（三）選擇一個面積為5000m×5000m 電力交易區域，將基于需求響應的電力交易區塊鏈跨鏈協調調度算法應用到該區域的電力交易區塊鏈跨鏈調度中

其中普通節點為5 臺，執行控制器為3 臺，任務執行成功率高達99%，未發生因用戶切換失敗而失效情況。根據上述電力電量需求與發電機組運行情況，進行跨鏈調度算法的性能驗證。驗證過程中，以優先級確定、調度數據分配、調度算法求解為驗證指標，將所提算法與基于灰色模糊預測算法以及基于風場高維相依性調度算法進行對比研究。分別采用所提出算法與兩種傳統算法對電力交易區塊鏈跨鏈協調調度過程展開分析。其中，優先級確定過程受到同頻干擾和鄰頻干擾共存干擾影響，導致優先級確定不準確，現就三種協調調度算法的優先級計算準確率進行對比分析。其中，實際測量結果是通過檢測排隊數據包與閾值的相近關系得到的。優先級計算結果在電力交易數量不斷上升的基礎上，所提算法的優先級計算結果與實際測量結果基本保持一致，說明所提出的調度算法具有較高的優先級計算準確性，能夠實現電力交易數據優先級的精準計算，從而提高電力交易區塊鏈跨鏈調度。而兩種傳統算法的優先級變化結果與實際測量結果相差較大，不符合實際的測量情況，因此兩種傳統算法的優先級計算結果存在嚴重誤差。提取電力交易區塊鏈跨鏈調度數據分配精準性平均值曲線，分別使用三種算法進行對比分析，與兩種傳統算法相比，所提算法調度數據分配精準性較高，所提算法的調度數據分配精準性保持在80%以上，而兩種傳統算法的最高分配精度分別為79%、66%調度算法求解調度算法的求解精度對獲得的最終調度方案有著關鍵性影響，因此以調度算法的求解精度為對比指標，將所提算法與兩種文獻對比算法進行驗證，所提算法的求解精度遠高于兩種傳統對比算法，在電力交易數據量為4GB 后，而兩種傳統算法的求解精度波動幅度較大，難以保持求解結構的精準性。由此可知，基于需求響應的電力交易區塊鏈跨鏈協調調度算法具有良好的調度效果。

（四）區塊鏈技術作為戰略創新的重要突破口，在我國良好政策支持下迅速發展，但仍有很大上升空間

區塊鏈技術能否繼續趨向成熟，這依賴于具體應用過程中的不斷發掘、攻關。隨著綜合能源廣義需求響應業務的推進，后續發展趨勢將主要體現在以下方面。可擴展性。在綜合能源需求響應廣義需求響應中，參數實體的類型、數量都比傳統的電力業務要多，參與交易的終端數量規模也異常龐大。區塊鏈系統每秒處理交易數目的多少直接決定了能源系統交易的性能，通過每秒鐘的事務數量可以有效反應是交易處理的性能參數。事實上，每筆交易在每個節點達成共識以及各節點參與競爭所帶來的巨大成本，已經限制了該性能的提升。從技術上促進區塊鏈的可擴展化將成為今后工作的一個重點，主要解決途徑在于改變共識機制、采取多鏈技術、集成分片技術等。區塊鏈使用具有一定范圍限制，必須與其他技術融合才能解決安全、存儲等諸多問題。隨著新型信息化技術的發展，越來越多的信息化新技術被應用在能源區塊鏈領域中，機器學習、大數據挖掘等技術在能源區塊鏈領域也有相關的研究。區塊鏈與人工智能相結合形成去中心化云計算，數據支持有助于突破人工智能發展的瓶頸。物聯網也可作為區塊鏈的落地應用，借由可靠的分布式信用保障機制可挖掘物聯網大規模應用的商業模式。此外，還有區塊鏈與分布式存儲等的創新融合，多技術融合協同運作已成為未來發展的一大趨勢。

結束語：為了適應新形勢下多分配的科學管理要求，提出了基于需求響應的電力交易區塊鏈跨鏈協調調度算法，為解決分布式體系結構中任務調度的復雜性，對電力交易業務和電力交易系統的分析，較好解決了基于需求響應的互斥任務調度問題。該算法為多樣化的電力交易提供了靈活的支持，通過方案驗證，該算法不僅能夠較好解決當前問題，而且在面臨更大的交易需求時能夠很好地運行。