基于能源區塊鏈的虛擬電廠分布式調度策略

王海群,費 斐,陳凱玲

(國網上海市電力公司 經濟技術研究院,上海 200090)

隨著電力市場化改革的進一步推進,電力市場中可再生能源滲透率進一步提高,電力系統將迎來前所未有的升級改造。能源互聯網充分考慮可再生能源出力的不確定性,進行有效的互聯互補,為新能源就地消納提供了一種有效的途徑[1]。在這種發展趨勢下,虛擬電廠(Virtual Power Plant,VPP)應運而出。微電網在消納分布式能源時,通常會受到地理位置的限制,而虛擬電廠卻沒有這種限制,打破了發電側、用電側的阻隔。虛擬電廠的提出,實現了區域性多能源的互聯,達到能源系統智能化管理的目的[2],有利于新能源的消納,提高了新能源的利用率,有效遏制了棄風棄光現象[3]。然而,目前VPP控制中心具有絕對的權限,VPP在聚合發電、用電單元時,缺乏信息安全的保障體系[4],同時存在著信任缺失問題[5]。多能源協同管控,提高能源利用率是目前能源市場的發展趨勢。但是多能源協同管控帶來的信息安全、信任缺失等成為亟待解決的問題。

區塊鏈是一種去中心化的網絡,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,區塊鏈技術對于微電網分布式電能交易具有較好的適用性,可以有效提高分布式能源的消納,進一步促進分布式能源的發展[6]。國內外學者在區塊鏈技術應用于電力市場中的研究及應用尚處在起步階段。Suda等[7]構建了基于區塊鏈技術的大用戶直購電交易框架。李劍峰[8]在區塊鏈的基礎上構建微電網運行優化模型,并以最小運行總成本為目標實現了電力出力波動的平抑。任建文等[9]基于區塊鏈與微電網相似的拓撲結構,探討了微電網分布式電能交易的總體架構。雖然這些研究利用區塊鏈技術形成了去中心化的模型框架,但是將區塊鏈與電力系統相結合進行調度優化方面的研究較少。

基于上述考慮,本文分析了VPP 模型的特點,提出了改進實用拜占庭容錯(Practical Byzantine Fault Tolerance,PBFT)算法的共識機制。PBFT算法適用于VPP運行特征,可以實現虛擬電廠的有效調度。在等耗量微增率準則的基礎上,將微增量特征作為一致性變量,實現虛擬電廠的最優經濟調度。最后,通過算例仿真驗證了本文所提出的方法的有效性,為未來虛擬電廠的進一步發展提供了可信的參考。

1 能源區塊鏈架構

1.1 區塊鏈技術與VPP

區塊鏈由一串基于密碼學原理產生的數據塊組成,每一個數據塊包含區塊頭以及區塊體[10-11]。區塊體負責記錄前一段時間內的所有交易信息,由區塊頭實現區塊鏈的大部分功能。

在能源互聯網中引入區塊鏈技術形成能源區塊鏈網絡(Energy Blockchain Net-work,EBN)。在能源區塊鏈中,利用智能合約、共識機制等技術特征[12-13],實現了點對點直接可信交易。能源區塊鏈具有去中心化、去信任、開放共享的特點契合能源互聯網的發展目標,將區塊鏈技術引入VPP的可行性分析如圖1所示。

1.2 基于EBN 的VPP運行機制

在能源區塊鏈連中,VPP的每個分布式能源節點作為一個單元將擁有特定ID 作為唯一的身份標識。每個能源區塊儲存該網絡中一段時間內的信息,具體如表1所示。

表1 EBN存儲的信息

在EBN 與VPP 進行協同調度時,新的分布式單元將憑借其特定的ID 才能參與調度協作,具體步驟如圖2所示。

2 區塊鏈機制下的調度策略

2.1 聯盟鏈中的共識機制

聯盟鏈[14-15]對一個特定的行業組織開放,每個新加人的節點都需要經過驗證和審核。在虛擬電廠的實際調度運行中,由于分布式能源節點發力的不確定性將導致無法實現經濟最優化調度。在聯盟鏈中,可以適應包含少量故障節點或作惡節點的情況,適用于虛擬電廠的運行特點。在區塊鏈系統中,當共識節點數量較少時,可采用實用拜占庭容錯算法(PBFT)以有效提高共識的效率及共識結果的準確性。PBFT 的運行環境要求是一個相對封閉的集群,每一次共識需要多次兩兩節點進行通信。PBFT 適合行業、政府等主導的聯盟鏈,是節點數量有限系統并不需要具備數字貨幣發行機制時的理想選擇。因此,基于虛擬電廠的運行特性,本文選擇聯盟鏈并采用PBFT 算法。

研究可知,密碼學技術可保證各分布式能源節點之間信息通信不可篡改,這是運用PBFT 算法的前提條件。假設系統中的總節點數|n|=3f+1,則在系統正常運轉的狀態下,需要有2f+1個正常節點,整個系統中無效或惡意節點的數目的最大值為f個,進而知PBFT 的最大容錯率為30%。PBFT 算法的執行分為3個時間段,分別為預準備(Pre-prepare)、準備(Prepare)和確認(Commit)。經過3個階段的共識運作,可以確保所有參與共識的分布式能源節點目標具有一致性。

2.2 基于PBFT算法的VPP共識機制

共識機制的原則是少數服從多數,PBFT 采用這一原則進行共識記賬,總體過程包括如下4個步驟[16-17](見圖3)。

通過分析可以發現,PBFT 算法具有4個顯著優點:①在低耗能的前提下,它具備權限分級能力;②它是專業化的記賬人;③可以容忍任何類型的錯識,記賬由多人協同完成,每一個區塊都有最終性,不會分叉;④具有嚴格的數學證明保證算法的可靠性。

在共識過程中,PBFT 算法可保證各分布式能源節點的靈活性、安全性,同時可提供(N-1)/3的容錯性[18]。PBFT 共識算法具有契合聯盟鏈的運行機制,同時也能夠降低共識信息丟失、延遲、被偽造篡改的風險性。在包含N個節點的系統中,PBFT 算法可容許出現f(N≥3f)個錯誤節點或惡意節點,即在含有N個節點的系統中,容許出現f(N＞3f)個拜占庭節點錯誤,可有效提高原始拜占庭容錯算法效率。在VPP運行調度過程中需要考慮分布式能源出力的波動性,為使算法與VPP調度運行具有更高的契合性,對PBFT 算法進行改進,改進后的算法流程分為5個階段,即Request階段、Pre-prepare階段、Prepare階段、Commit 1階段以及Commit 2階段。

(1)Request階段。需求側向VPP控制中心發送請求,需求側節點單元形成集合〈Request,o,t,c〉。其中:o為請求執行的操作;t為時間戳,確保客戶端的請求被有序單次的執行;c為需求側請求方。

(2)Pre-prepare階段。VPP 控制中心根據接收到的請求,形成預調度方案并將方案信息生成新區塊,然后進行全網廣播。新區塊集合為〈Pre-pare,v,n,d0＞m0〉。其中:v為VPP控制中心的編號;n為請求信息的序號;m0包含需求側發送的請求及VPP形成的預調度方案消息;d0為m0的摘要。VPP控制中心將需求側的每一次請求信息編上序號存儲于控制中心內,防止未來VPP控制中心發生變更,請求信息丟失無法溯源。

(3)Prepare階段。此階段是分布式能源節點的接收共識過程,即當分布式單元節點在接收到調度執行指令時,首先驗證指令信息是否由VPP控制中心發出,驗證通過后,各分布式單元節點對調度方案的可行性進行共識,若方案滿足約束條件,則通過驗證并對全網進行廣播,廣播各分布式能源節點的驗證結果〈Prepare,v,n,,i〉,其中:為能源節點對m0的驗證簽名;i為該節點的序號,同時等待接收超過2/3的節點廣播驗證結果,若驗證未獲通過,則不廣播。在Prepare階段,所有的分布式能源節點具有參與運行調度的能力及實際操作條件。

(4)Commit 1 階段。等待最終的共識結果。當整個系統內有超過2/3的分布式能源節點廣播自身驗證通過的結果后,所有分布式能源節點達成共識。達成共識后,利用區塊鏈技術追溯和共享歷史數據,根據歷史樣本計算初始場景概率,并根據預調度方案d0形成初始調控方案,再次發送廣播〈Commit1,v,n,d0,,di,i,mi〉。其中:mi為該能源節點提供的初始調控方案及該場景的初始概率;di為mi的摘要,同時再次等待接收超過2/3的節點的廣播驗證結果。

(5)Commit 2階段。對最終待執行的調度方案進行最后的驗證,并廣播〈Commit1,v,n,d0,,di,i,mi〉,其中,為能源節點對mi的驗證簽名,當整個系統內有超過2/3的分布式能源節點達成共識而通過驗證時,則驗證完成并執行具體的調度方案。

3 分布式調度執行過程

在改進的PBFT 算法基礎上,依據等耗量微增率準則,系統內分布式能源節點的調度方案形成過程如圖4所示。

當系統內的負荷總量發生變化時,所有機組將收到功率調整需求。各個機組在收到請求后將利用PBFT 算法進行共識。共識通過后,系統內各個機組重新計算本單元出力功率以及微增量特征值λ,各機組根據計算值調整機組實際功率并且向全網廣播微增量特征λ。所有機組將其更新后的出力功率值記錄在區塊鏈上,為下一次的調度做準備。具體流程如下:

圖4中DERs表示能源節點,其中DERs1意為主節點。

(1)當系統內總負荷發生改變時,主節點DERs1被激活,主節點接收到功率計算請求的信息后,將對信息進行預處理。

(2)當主節點DERs1對接收到的信息預處理完成后,將基于分布式調度三階段的具體規則向系統內各個分布式能源節點廣播信息。

(3)請求的序號分配階段,主節點DERs1給分布式能源節點的請求按照時間附上相應的序號值,不同時間段的請求得到不同的序號,利用序號和請求操作構造Pre-Prepare消息,并廣播給各DERs節點。在序號分配完成后,主節點DERs1將總的變化負荷PLD和功率計算請求發送到全網進行廣播,各分布式能源節點接收具體信息。

(4)信息交互階段,各DERs 節點接收Pre-Prepare消息,每個節點向其他分布式能源節點廣播消息,如果節點收到2f個不同節點的消息,根據PBFT 的規定,共識已經達成,Prepare階段已經完成,系統內各節點獲得更新后的負荷值。此時各節點初步具有計算能力,具備參與調度的條件。

(5)序號確認階段,各節點對視圖內的請求和次序進行驗證后,如果節點收到了2f +1 個Commit提交消息,代表大多數節點已經進入Commit階段,這一階段已達成共識。共識達成后,系統內各個分布式能源節點將會執行請求。

下面以區塊鏈中第i個節點的計算過程為例,說明等耗量微增率準則的計算過程。

依據分布式調度準則,要求所有節點微增量特征值λ一致,即滿足

將所有節點功率用Pi表示,于是有:

一般情況下,總負荷功能PLD是已知的,因此,有

由于PLD已知,從而可計算得到新的Pi,然后將其代人式(2)得到所有節點的新的功率值,并更新到區塊鏈中,同時計算λ值并發送給任務的發起節點。

(6)任務發起者接收來自不同節點的響應,若有2f+1個響應微增量特征值λ相同,則系統內所有節點對于本次負荷波動的計算值已經達成共識。該響應結果即為本次請求計算的結果,本次分布式功率分配調整將按照上述計算值完成具體操作,實現最優經濟調度。

分布式能源系統的不穩定性導致當有新的能源節點加入時,系統內在審核通過新節點的加入請求后,廣播自身參數及功率值,完成新節點的功率分配。當有節點退出時,采用類似操作更新鏈上數據和調整功率,保證整個系統運行狀態平穩。

4 算例分析

為驗證本文所提出算法的有效性,通過實驗進行仿真驗證。假設在某VPP 系統內分散了4 個DERs,類型為微型燃氣發電機(Micro Gas Generators,MGG),MGG 通過區塊鏈網絡連接,每個MGG 是網絡中的一個節點,并假設該網絡存在一定網絡延時,但保證點對點直接通信。機組的運行參數和初始功率如表2所示。

表2 機組的運行參數和初始功率

存在網絡延時的情況下,測試一致性變量λ的變化情況。由圖5可知,在初始t=1時刻,各機組的λ值不同,不滿足等耗量微增率準則,系統的運行沒有達到最優狀態。

圖5展示了在共識過程中,總負荷功率PLD與機組發電總功率SUM(Pi)的對比情形。由圖5可以發現,雖然網絡延時和共識計算造成了系統波動,但最終達到了功率平衡。

圖6展示了各個MGG 機組的有功功率調整情況,最終功率值穩定在最優運行狀態。

5 結語

虛擬電廠有助于優化資源配置,提高新能源的利用率。本文分析了能源區塊鏈與VPP之間的契合互補特性,建立了基于EBN 的VPP 調度運行機制。基于區塊鏈技術去中心化、自治等技術特點,針對虛擬電廠的運行特征,采用等耗量微增率準則,實現虛擬電廠的完全分布式運行控制。后續將進一步探討區塊鏈與虛擬電廠的深度融合技術,促進可再生能源的吸納。