基于能源區塊鏈網絡的微電網共享儲能調度模型

羅 凡, 李建錦, 余向前, 陳劍華

(國網甘肅省電力公司 電力科學研究院, 甘肅 蘭州 730050)

我國電網跨度大,在電能輸送過程中存在耗損較大且分布式電能源耗損量不斷增加的問題[1-2]。為解決這一問題,微電網應用范圍逐漸增大。微電網也稱微網,是一種由分布式電源儲能裝置、能量轉換裝置和保護裝置構成的發配電系統[3]。微電網可以通過提高分布式電源的靈活性,解決分布式電源并網問題,促進分布式電能的大量輸送,保證輸出電能不會在輸送過程中過度消耗。因為電能源輸送具有反調性,微電網的共享儲能調度可對電能源起到調峰作用,進而完善電能源運輸,但不能忽視電能源儲存能耗問題[4]。

近年來,微電網儲能調度成本的降低可為國家能源發展帶來較高效益,降低存儲能耗成為目前研究的一個重要課題。陳科彬等[5]提出了含可再生能源的微電網分時間尺度儲能調度方法,這種方法只適用于小規模微電網系統,該方法對龐大電力系統的調度能力明顯降低且消耗功率較高。為此,本文提出了基于能源區塊鏈網絡的微電網共享儲能調度模型,從該模型設計框架出發,完善儲能調度模型工作流程,以期保證電能源的儲存效果,提高調度能力的同時減少功率消耗。

1 微電網共享儲能調度模型

微電網共享儲能調度模型主要由能源區塊鏈網絡和微網儲存調度模型組成。由于能源區塊鏈網絡和微電網系統是兩個獨立個體,兩個結構不存在共性[6-7],為了建立能源區塊鏈網絡和微電網儲存調度模型的內在聯系以使兩個獨立個體成為一個完整能源調度模型,本文將能源區塊鏈網絡和微電網儲存調度模型設置為分層儲存調度模型,上層為能源區塊鏈網絡模型,下層為微電網儲存調度模型。

1.1 能源區塊鏈網絡結構

能源區塊鏈是一種包含分布式能源儲存、點對點傳輸、共識加密機制的新型應用分布式能源庫。能源區塊鏈內部由眾多節點、時間戳和put密鑰構成。每個節點都是一個小型區塊鏈結構,每一個節點都可以識別信息密碼,驗證執行信息真偽,然后再執行電能調度命令[8]。當能源區塊鏈受到非法攻擊時,能源區塊鏈會自動進行警防處理。如果攻擊程度嚴重,能源區塊鏈立即自動拋去一層節點,重新啟動裝置并進行正常工作。能源區塊鏈的基本結構如圖1所示。

圖1 能源區塊鏈的基本結構Fig.1 Basic structure of energy blockchain

能源區塊鏈包括多個小區塊體,這些區塊體包括多個區塊頭,這些區塊頭可以實時記錄微電網共享儲能調度模型的執行命令信息、電能源的輸送記錄與電能源輸送時的密鑰[9]。輸入信息將經過智能加密以March形式存儲在微電網共享儲能調度模型中,微電網以put密鑰形式輸出調度指令,從而增加能源區塊鏈的指令校驗和執行次數,防止出現指令傳遞錯誤的情況。能源區塊鏈中的時間戳記錄微電網共享儲能調度電能源的時間點,每次電能源的調度都必須記錄完整、準確的時間,能源區塊鏈網絡會根據調度時間和調度方式進行排序,連接成一個完整能源區塊鏈。

相關人員每隔一段時間需要檢查能源區塊鏈,從而預防微電網共享儲能調度模型發生故障[10]。因為電能源儲存調度信息量巨大且在電源流通過程中分布式電源本身存在輻射,電能源長時間在一個能源區塊鏈中工作時,將增加能源區塊鏈的能源滲透率,所以經過一段時間就要歸納微電網共享儲能規劃模型中的能源區塊鏈網絡信息,將最新能源儲存調度信息存儲到新的能源區塊鏈網絡中,提高微電網共享儲能調度的高效性[11],能源區塊鏈具體網絡結構如圖2所示。

圖2 能源區塊鏈網絡結構Fig.2 Network structure of energy blockchain

能源區塊鏈網絡由能源區塊鏈組成,能源區塊鏈網絡中的各個能源區塊鏈是按照能源儲存調度的時間順序排列并通過節點連接而成,即能源區塊網絡是能源區塊鏈的一個收納柜。能源區塊鏈網絡包括電能源的儲存狀態信息和調度信息。能源儲存狀態信息包括發電單位、發電額度、能源類型、天氣情況等。電能源調度信息包括電能源的輸送額度、輸送方向、發電單元、調度密鑰等。

1.2 能源儲存調度指令校驗

每一個新的能源儲存調度指令都會生成一個節點,因為有關電能源已經執行指令,所以該節點會自動存儲能源的發電單元地址、能源類型和指令密鑰。每一個新節點加入時,能源區塊鏈網絡都將校驗新節點信息,防止出現能源丟失和其他錯誤,校驗合格后節點才能成為能源區塊鏈網絡的一部分[12]。校驗過程分為兩部分:

1) 微電網共享儲能調度系統中,由于電能源需求量大,決策者來自不同領域,為了保證微電網共享儲能調度指令的真實性,本文對微電網共享儲能調度模型設置了唯一性指令,即所有申請電能源儲存調度指令均先轉交給能源區塊鏈網絡工作端,微電網共享儲能調度指令均帶有專有密鑰,能源區塊鏈網絡執行指令時,檢驗指令的專有密鑰,檢驗合格才能進入能源的區塊鏈網絡中[13]。

2) 能源區塊鏈網絡和微電網共享儲存調度模型之間的連接是通過兩個獨立個體的信號源完成的。微電網儲存調度模型將分布式電能源的儲存和調度參數傳輸給微電網儲存調度模型的信號接收器中,接收器將接收到的參數通過人工智能轉化為March代碼并發出指令。能源區塊鏈網絡直接接收追蹤到的信號源,將接收到的信號源參數進行put代碼轉換。隨后能源區塊鏈網絡通過自身信號源連接微電網模型信號源,尋找到信息后將代碼輸送到微電網儲存調度模型中,微電網共享儲能調度模型將整合能源儲存調度申請,最終向能源儲存調度提出申請審批,根據審批結果執行相對應的能源儲存調度指令。

2 能源區塊鏈網絡調度模型

能源區塊鏈網絡可將獨立的能源區塊鏈網絡和微電網共享儲能調度模型整合為一個功能全面的能源儲存調度模型。因此,基于能源區塊鏈網絡的微電網共享儲能調度模型以能源區塊鏈網絡結構為基礎,提高了能源區塊鏈網絡兼容性,使得電能源微電網儲存和調度工作能夠有秩序進行。以能源塊鏈網絡為基礎的微電網共享儲能調度模型工作原理為:外界向微電網提供電能源的存儲調度申請,微電網將接收到的申請進行簡化并傳遞到微電網的信息交互中心,信息交互中心確定申請的有效性,繼而將電能源儲存調度的數據輸送到能源區塊鏈網絡中心并執行能源合理儲存調度指令。能源儲存調度指令在微電網共享儲能調度模型的智能約束中生成,具體工作原理如圖3所示。

圖3 微電網共享儲能調度模型工作原理Fig.3 Working principle of shared energy storage and scheduling model of microgrid

微電網共享儲能調度模型的智能約束從日前能源儲存調度合約和日內能源儲存調度合約兩個方面進行調度方案約束。日前能源儲存調度合約約束分為預測能源流通量、發布可調度能源地址信息和下發能源儲存調度指令三個階段。日前能源儲存調度合約的一般約束條件在每天凌晨公布,微電網共享儲能調度模型將在日前能源儲存調度合約生效前1 h關閉能源儲存調度信號源,即不接收信息,能源區塊鏈網絡將此階段的申請儲存調度指令保存至后臺,當微電網共享儲能調度模型接收信號后再傳送到微電網的信息控制中心。能源區塊鏈網絡整合24 h內的微電網共享儲能調度指令,能源區塊鏈網絡控制中心快速整理出前24 h內的能源流通情況,計算出微電網系統中可儲存調度的能源總量,整合完畢后打開能源儲存調度信號源。

日前能源儲存調度合約計算系統中,通過能源區塊鏈網絡各個節點將24 h內能源調度情況發送到微電網系統的控制中心,輸送格式為

DG=(DDG,MDG,GDG)

(1)

式中:DG為可控分布式電源信息;DDG為可控分布式電源加入能源區塊鏈網絡時通過認證獲得的唯一身份標識;MDG為微電網發電能力;GDG為能源類型。

能源區塊鏈網絡的微電網共享儲能調度指令所消耗能源的輸送格式為

Pc=(PPc,MPc,CPc)

(2)

式中:Pc為能源區塊鏈網絡和微電網調度模型的連接點信息;PPc為連接點指令真偽核實的驗證代碼;MPc為能源區塊鏈網絡的微電網共享儲能調度輸出功率;CPc為微電網完成調度消耗功率。

日內能源儲存調度合約處理過程包括:計算能源儲存調度的能源流通量,發布能源儲存調度的地址信息,發送生產調度方法至微電網共享儲能調度模型的控制中心并存儲記錄。日內能源儲存調度合約僅執行一次,計算方法與日前能源儲存調度計算方法相同。日內能源儲存調度合約需要校驗微電網每一次的能源調度,避免在能源調度過程中出現能源不足、調度中斷等現象,進而保證能源在能源儲存調度運輸過程中自身消耗量最小。日前能源儲存調度合約監測一段時間內的能源儲存調度情況,如果發生能源大量缺失的情況,根據每天的日前能源儲存調度信息可以快速找到能源儲存調度指令并進行追蹤。基于能源區塊鏈網絡的微電網共享儲能調度模型的工作流程如圖4所示。

圖4 微電網共享儲能調度模型工作流程Fig.4 Working flow chart of shared energy storage and scheduling model of microgrid

微電網共享儲能調度模型工作流程為:

1) 依據每天的固定時間Tk,檢測微電網發電系統和接收信號源控制中心的能源區塊鏈網絡能源數據流通信息,檢測函數有助于檢查能源區塊鏈網絡中所有節點的工作性能,其表達式為

PO=Tk/kO

(3)

式中,kO為能源區塊鏈網絡能源數據流通檢測節點信息。

2) 微電網共享儲能調度系統自動備份24 h內的能源調度信息PI,備份函數表達式為

PI=Pcd/N(c=1,2,…,I)

(4)

式中:Pcd為存儲到能源區塊鏈網絡中的能源調度指令個數d的閾值;N為備份成功次數。

3) 當微電網共享儲能調度模型接收到能源調度申請時,計算能源區塊鏈網絡中各個節點的儲存能源,預測是否存在可調度能源量并將計算結果傳送到微電網控制中心。

4) 根據提交的調度結果AG,結合日前能源儲存調度合約Z1和日內能源儲存調度合約Z2,判斷是否存在合理能源調度形式,判斷函數表達式為

F=Z1AG/Z2

(5)

5) 利用微電網儲存調度模型對能源儲存調度方案進行校驗,校驗成功后為能源調度方案設置一個特有的安全密鑰形成指令Bi,最后輸送到能源區塊鏈網絡并執行能源儲存調度指令,輸送次數約束函數表示為

Xi(j)=PjPI/Bi

(6)

式中,Pj為執行過程中的指令輸送形式閾值。

6) 如果能源儲存調度方案校驗不成功,則微電網系統返回能源調度申請。

3 實驗結果分析

為了驗證基于能源區塊鏈網絡的微電網共享儲能調度模型的高效性和節能性,將含有可再生能源的微電網分時間尺度儲能方案[5]作為對照方法,對兩個調度方案下日前調度合約電價、日內調度合約消耗功率與燃料電池能量狀態進行對比。

3.1 實驗過程

用于調度與分析的微電網結構如圖5所示。微電網呈輻射狀,包含電池、各類用戶、微燃機、風力發電機、蓄電池儲能系統以及與大電網的公共連接點。

圖5 微電網結構Fig.5 Microgrid structure

圖5中將以燃料電池為基礎的微燃機、以蓄電池為主的商業用戶、工業用戶、住宅用戶和熱電聯產作為可控負荷,光伏發電與風力發電作為不可控負荷,須在調度前給出預測出力信息,燃料電池、蓄電池的基本參數如表1所示。根據表1設置能量區塊鏈網絡結構參數完成實驗準備,在兩個相同范圍內分別發送相同能源調度指令。相關人員記錄兩種方法最終輸出的能源調度合約電價和調度能源微電網系統消耗功率。

表1 電池基本參數Tab.1 Basic parameters of batteries

3.2 實驗結果

微電網共享儲能調度模型調度過程中采用峰谷平電價,根據實驗得出燃料電池、蓄電池合約電價,結果如圖6所示。由圖6可知,以4 h為時間節點,本文方法和文獻[5]方法蓄電池合約電價分別為0.2元和0.95元,燃料電池合約電價分別為0.4元和1.2元,可見,基于能源區塊鏈網絡的微電網共享儲能調度模型日前調度合約電價較小,這是因為本文方法完善了儲能調度模型的工作流程,能夠依靠電能源儲存效果快速變通能源調度方案,進而準確篩選出最佳能源調度結果。

圖6 微電網日前調度合約電價對比Fig.6 Comparison of electricity prices of microgrid day-ahead scheduling contract

調用日內調度智能合約獲得圖7所示的微電網日內調度方案消耗功率對比結果,燃料電池能量狀態如圖8所示。

圖7 微電網日內調度合約消耗功率對比Fig.7 Comparison of power consumption of microgrid daily scheduling contract

圖8 燃料電池能量狀態對比Fig.8 Comparison of energy state of fuel battery

由圖7和圖8可知,文獻[5]能源調度方案所消耗功率高于本文能源調度方案,且蓄電池消耗功率差距較大,燃料電池消耗功率差距較小。文獻[5]中微電網儲存調度模型在查找合適能源時,必須同時調度整個微電網系統,消耗了大量微電網內部運行功率。利用本文方案進行日內能源查找時,只需要運行能源區塊鏈網絡結構,有效降低了消耗功率,即基于能源區塊鏈網絡的微電網共享儲能調度模型調度效率更高,更加節約能源。

4 結束語

通過對能源區塊鏈網絡和微電網共享儲能規劃模型進行研究,設計了基于能源區塊鏈網絡的微電網共享儲能調度模型。微電網共享儲能調度模型首先對能源調度申請進行核實,利用能源區塊鏈網絡對微電網儲存的能源進行預測并提出能源調度方案,之后由微電網控制系統計算出最優方案。利用能源區塊鏈對最優方案進行安全校驗,如果校驗成功,則執行能源調度方案。實驗結果表明,基于能源區塊鏈網絡的微電網共享儲能調度模型對能源的調度具有高效性和節能性。