CN110826940A - 一种可扩展的多微网环境下的分布式电力交易方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可扩展的多微网环境下的分布式电力交易方法，包括：S1：构建区块链网络；S2：审查用户准入交易市场许可；S3：分配公私密钥和钱包地址；S4：在每个交易间隙前，消费者提交报价信息；产销者提交投标信息；所有的报价信息和投标信息均由公私密钥进行加密；S5：根据双向拍卖机制完成投标匹配；S6：判断是否满足交易规则，若满足，则进行S7，若不满足则返回S4；S7：进行电力传输，智能电表实时监测节点的电能传输；S8：完成市场清算；S9：各微电网运营商根据工作量证明机制竞争记账权，获胜者作为记账者制作区块，嵌入到区块链网络中。本发明可使分布式能源交易系统实现的能源交易效率更高、稳定性更强。

Description

一种可扩展的多微网环境下的分布式电力交易方法
技术领域
本发明涉及电力交易系统领域，更具体地，涉及一种可扩展的多微网环境下的分布式电力交易方法。
背景技术
随着积极利用清洁能源代替传统化石能源的迫切要求，以及我国能源结构转型升级的需要，当前的电能市场面临着两大难题，第一、发展光伏、小型风机、电动汽车等分布式电源由于补贴费用降低等问题，导致发展较缓慢；第二、由于分布式能源的不稳定性，电网无法充分利用这部分清洁能源，导致弃光、弃风等问题。随着我国售电侧改革的进行，为了加快分布式能源的发展速度、提高清洁能源的利用率，需要建立分布式能源市场，实现对售电侧电力市场的改革。
现有的分布式能源的设计方案中，存在隐私保护、维护成本高、可扩展性差等问题，如：通过中心机构完成分布式电能交易，可能会导致用户隐私泄露的问题；完全分布式的公有链使得区块链的维护成本极高，电力交易需要满足的多种网络约束无法满足；仅在一个小型的居民社区的交易网络，由于光伏发电及居民的消费习惯的相似性，导致交易效率低、可扩展性差等问题。
区块链技术由于耦合了智能合约、共识算法、链式存储结构等技术特性，该技术实质目标是建立一个去中心化、公开透明的分布式数据库，为建立分布式市场结构提供有效的技术支持。可以实现低准入门槛、交易安全、公开透明等分布式市场所需的特性。自首个区块链系统建立以来，区块链已经深入应用到物流、金融、税务等领域，并发挥重要作用。区块链应用在分布式电力市场中将为市场参与者的隐私保护、交易的公开公正透明、结算速度的提升等方面发挥重要作用。
区块链可分为三种形式：公有区块链、联盟区块链和私有区块链。本发明使用的联盟区块链是由群体中预先选定的多个节点为记账人(miner)，每个区块由预先选定的记账人参与共识过程而产生，分布式用户经过注册后成为区块链网络的一个节点参与交易，但没有记账权。联盟区块链的应用将适应当前电力终端的实际情况，即由微电网运营商协调管理微电网的安全运行。
微电网是指由由分布式电源、储能装置、负荷、监控与保护装置等组成的小型发配电系统。微电网的提出为众多小型分布式电源的消纳、灵活高效利用给出新的解决方法。随着微电网的大规模接入电网,一定区域内多个邻近微网互联形成多微网系统。多微网系统中存在如光伏、小型风机、电动汽车等多种形式的产销者，也存在工业、商业、居民等多种不同的终端用户，为建立一个高效的分布式电力交易市场提供重要基础。
现有提出的分布式能源市场方案没有明确所使用的区块链类型，没有提出有效的市场监管制度；分布式能源市场交易效率低且稳定性差。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的分布式能源市场交易效率低且稳定性差的缺陷，提供一种可扩展的多微网环境下的分布式电力交易方法。
所述方法包括以下步骤：
S1：由多微网中的众多产销者和消费者作为区块链网络的节点，多个不同的微电网运营商作为区块链中可信的节点参与电力交易并作为记账人，从而形成一个区块链网络；
S2：微电网运营商审查用户准入交易市场许可，满足相关技术标准的用户，即满足安全可靠标准、电能质量要求、服从微电网运营商调度，才被准许进入市场交易，否则，将被限制进入市场；
S3：进入市场后每个用户获得由椭圆曲线数字签名算法(ECDSA)生成的一对公私密钥和一个钱包地址，分别用于信息加密交流和记录收支账单；
S4：在每个交易间隙前，消费者向微电网运营商提交报价信息；产销者向微电网运营商提交投标信息；所有的报价信息和投标信息均由公私密钥进行加密；
S5：根据双向拍卖机制完成投标匹配；
S6：判断(产销者和消费者)是否满足交易规则，若满足，则进行S7，若不满足则返回S4；
S7：进行电力传输，智能电表实时监测节点的电能传输；
S8：各微电网运营商完成市场清算；
S9：各微电网运营商根据工作量证明机制竞争记账权，获胜者作为记账者制作区块，嵌入到区块链网络中。
本发明所提出的分布式能源市场中，抛弃了传统的分布式能源所有者将过剩的清洁能源以较低的汇入电价卖给电网，而建立在微电网中的分布式电力市场，以双边交易的形式，实现产销者与消费者之间的电能交易，产销者将自身过剩的清洁能源卖给需要的消费者。由此不仅可以提高清洁能源的利用率，也降低了不稳定的清洁能源的调度难度，减少分布式能源对电网造成的不利影响。
优选地，S4中消费者向微电网运营商提交的报价信息包括：所需购买的电量和购买价格。
优选地，S4中产销者向微电网运营商提交的投标信息包括：所能出售的电量和出售价格。
优选地，S5中双向拍卖机制具体为：
设消费者的报价信息为
Figure BDA0002296569740000031
产销这的投标信息为
Figure BDA0002296569740000032
微电网在一个交易时隙中，共收到购买投标M个，卖出投标N个；
其中，
Figure BDA0002296569740000033
消费者的购买价格，
Figure BDA0002296569740000034
为消费者的购买电量，
Figure BDA0002296569740000035
为产销者的出售价格，
Figure BDA0002296569740000036
为产销者的出售电量；
在微电网中，微电网运营商首先将按购买报价价格从高到低、卖出投标价格从低到高的原则进行排序；
按照报价价格最高的买方和投标价格最低的卖方进行匹配，成交价为两者平均价格，平均价格的计算公式为
Figure BDA0002296569740000037
以此类推，逐步匹配报价与投标，完成下一轮交易；
若微电网内部总的需求量超过总的出售量时，即
Figure BDA0002296569740000038
则微电网运营商可以与总量过剩的另一个微电网运营商即
Figure BDA0002296569740000039
进行交易以保证电力需求。
优选地，S7中智能电表实时监测具体为：
消费者在交易前的一个时间间隙内，根据智能电表记录的消费习惯预测下一个时间间隙的负荷需求；产销者则根据天气等信息预测电力盈余，以此为依据形成报价和投标信息，并提交到各微电网运营商，然后根据双向拍卖机制进行匹配；智能电表监测各节点的功率值，确定电力的实际使用和生产，形成负荷曲线，确保电力交易与传输安全进行。
优选地，S9中工作量证明机制具体为：
微电网运营商竞相计算满足预设的难度值的哈希值，当最先计算出的哈希值经全网校验通过后，将有权产生新的区块，并将此区块按时间顺序连接到区块链中；区块链中的一个区块包含两个部分：区块头和区块体，其中区块头包括：前一个区块的哈希值、包含各种交易信息的默克尔树、时间戳、难度值和随机数；区块体包括交易的位数、交易个数和具体交易信息。
本发明提出基于联盟区块链与智能合约技术实现无第三方中介的双边交易市场，其中每个电力用户将作为区块链网络中的节点，微电网运营商或称为微电网聚合器作为可信的节点，负责交易信息的收集、记录并形成区块嵌入到区块链中。联盟区块链的应用符合当前的售电侧市场结构，为电力交易的安全有序进行提供保证。而公有区块链由于所有节点一律平等，将会导致售电市场的混乱，电力交易需要满足的多种网络约束无法满足；私有区块链也不符合分布式市场的公平公正透明的原则；
在多微网环境下，不仅可以实现微电网内部的电力交易，而且可以实现微电网之间的电力交易，交易的参与者既可以是拥有光伏或小风机的能源产销者，也可以是电动汽车或充电桩，甚至可以是电网公司，因此本发明具有广泛的可扩展性。同时也保证了能源交易市场的效率和稳定性，避免了市场参与者属性的单一化；
同时，本发明提出微电网运行商作为分布式能源市场的监督管理机制，负责审核市场成员的准入，在每一个交易间隙前，收集电力消费者和产销者的招投标信息，通过智能合约设置投标匹配规则，并完成市场清算，对不符合交易规则用户进行惩罚，对违反网络约束的交易进行调整，从而实现分布式能源市场的有序进行。同时，使用智能合约完成投标的匹配，避免人为干预交易的进行，从而保证了交易的公平性。
此外，本发明运用双边拍卖(double auction)机制实现供需双方的能源匹配，为了保证交易的公平性，使用智能合约建立一个自动交易市场进行电力清算，并完成资金的结算，而不需要第三方中介的介入。智能电表、监控与数据采集系统等IoT设备的运用将保证电力交易的安全进行。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明所述方法使分布式能源交易系统实现的能源交易效率更高、稳定性更强；不仅可以保证分布式能源交易的安全性，也可以保证系统的可扩展性。
附图说明
图1为实施例1所述可扩展的多微网环境下的分布式电力交易方法流程图。
图2(a)和图2(b)为区块链的结构信息示意图。
图3为多微网系统结构示意图。
图4为分布式能源交易系统流程图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本实施例提供一种可扩展的多微网环境下的分布式电力交易方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：
S1：由多微网中的众多产销者和消费者作为区块链网络的节点，多个不同的微电网运营商作为区块链中可信的节点参与电力交易并作为记账人，从而形成一个区块链网络；
S2：微电网运营商审查用户准入交易市场许可，满足相关技术标准的用户才被准许进入市场交易，否则，将被限制进入市场；
S3：进入市场后每个用户获得由椭圆曲线数字签名算法(ECDSA)生成的一对公私密钥和一个钱包地址，分别用于信息加密交流和记录收支账单；
S4：在每个交易间隙前，消费者向微电网运营商提交报价信息；产销者向微电网运营商提交投标信息；所有的报价信息和投标信息均由公私密钥进行加密；
S5：根据双向拍卖机制完成投标匹配；
S6：判断(产销者和消费者)是否满足交易规则，若满足，则进行S7，若不满足则返回S4；
S7：进行电力传输，智能电表实时监测节点的电能传输；
S8：各微电网运营商完成市场清算；
S9：各微电网运营商根据工作量证明机制竞争记账权，获胜者作为记账者制作区块，嵌入到区块链网络中。
本实施例具体可从以下三个部分进行详细描述：
第一部分：面向多微电网电力交易的联盟区块链。
由多微网中的众多产销者和消费者作为区块链网络的节点，多个不同的微电网运营商作为区块链中可信的节点参与电力交易并作为记账人，从而形成一个区块链网络，多微网的系统结构如图3所示。微电网运营商审查用户准入交易市场许可，满足相关技术标准的用户才被准许进入市场交易，进入市场后每个用户将获得由椭圆曲线数字签名算法(ECDSA)生成的一对公私密钥和一个钱包地址，分别用于信息加密交流和记录收支账单。每个电力消费者在每个交易发生的前一个交易时隙中，向微电网运营商提交报价信息，包括：所需购买的电量和购买价格；同理，每个产销者也在相同时间间隙向微电网运营商提交投标信息，包括：所能出售的电量和出售价格。所有的报价信息均由公私密钥进行加密，如：产销者和消费者用私钥进行加密信息，并通过网络传输给微电网运营商，微电网运营商通过用户的公钥对信息进行解密，在完成投标的匹配后再用该用户的公钥对信息进行加密，传递给用户，用户通过私钥解密信息，获取交易的结果，从而保证了信息交流的安全。
交易的匹配在第二部分完成。在完成招投标后的交易是否符合满足网络约束要求与电量传输检测将在第三部分完成。分布式能源的交易系统流程图如图4所示。
完成交易后，共识过程采用工作量证明机制(PoW),多个微电网运营商为了获得利益相互竞争记账权。微电网运营商竞相计算满足预设的难度值的哈希值，当最先计算出的哈希值经全网校验通过后，将有权产生新的区块，并将此区块按时间顺序连接到区块链中。一个区块包含两个部分区块头和区块体，其中区块头包括：前一个区块的哈希值、包含各种交易信息的默克尔树、时间戳、难度值和随机数；区块体包括交易的位数、交易个数和具体交易信息。区块链的结构信息如图2所示。
第二部分：双向拍卖机制。
利用拍卖市场实现消费者报价和产销者投标的匹配，这些报价
Figure BDA0002296569740000061
和投标
Figure BDA0002296569740000062
将在交易发生的前一个交易间隙进行双向拍卖，为了保证负荷预测的准确性，可以设置交易时间为交易发生前的一个小时进行。假设微电网在一个交易时隙中，共收到购买投标M个，卖出投标N个，则双向拍卖机制的进行步骤如下：
在一个微电网中，微电网运营商首先将按购买报价价格(bid)从高到低、卖出投标价格(offer)从低到高的原则进行排序；
按照报价价格最高的买方和投标价格最低的卖方进行匹配，成交价为两者平均价格
Figure BDA0002296569740000071
以此类推，逐步匹配报价与投标，完成下一轮交易；
若微电网内部总的需求量超过总的出售量时，即
Figure BDA0002296569740000072
则微电网运营商可以与总量过剩的另一个微电网运营商即
Figure BDA0002296569740000073
进行交易以保证电力需求；
完成以上步骤后进入下一次交易迭代。
此双向拍卖过程可以由智能合约编写并自动执行，以保证交易的公平性。
第三部分：数据监测与交易监管。
由电力线、保护装置等建立起来的电力系统将各个终端用户连接成一个电力网络，微电网中的电量数据由智能电表监测。消费者在交易前的一个时间间隙内(如一小时)，根据智能电表记录的消费习惯预测下一个时间间隙的负荷需求；产销者则根据天气等信息预测电力盈余，然后上传到第二部分进行匹配。智能电表监测各节点的功率值，确定电力的实际使用和生产，形成负荷曲线，确保电力交易与传输安全进行。
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种可扩展的多微网环境下的分布式电力交易方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：由多微网中的众多产销者和消费者作为区块链网络的节点，多个不同的微电网运营商作为区块链中可信的节点参与电力交易并作为记账人，从而形成一个区块链网络；
S2：微电网运营商审查用户准入交易市场许可，满足相关技术标准的用户才被准许进入市场交易，否则，将被限制进入市场；
S3：进入市场后每个用户获得由椭圆曲线数字签名算法生成的一对公私密钥和一个钱包地址，分别用于信息加密交流和记录收支账单；
S4：在每个交易间隙前，消费者向微电网运营商提交报价信息；产销者向微电网运营商提交投标信息；所有的报价信息和投标信息均由公私密钥进行加密；
S5：根据双向拍卖机制完成投标匹配；
S6：判断是否满足交易规则，若满足，则进行S7，若不满足则返回S4；
S7：进行电力传输，智能电表实时监测节点的电能传输；
S8：各微电网运营商完成市场清算；
S9：各微电网运营商根据工作量证明机制竞争记账权，获胜者作为记账者制作区块，嵌入到区块链网络中。
2.根据权利要求1所述的可扩展的多微网环境下的分布式电力交易方法，其特征在于，S4中消费者向微电网运营商提交的报价信息包括：所需购买的电量和购买价格。
3.根据权利要求1或2所述的可扩展的多微网环境下的分布式电力交易方法，其特征在于，S4中产销者向微电网运营商提交的投标信息包括：所能出售的电量和出售价格。
4.根据权利要求3所述的可扩展的多微网环境下的分布式电力交易方法，其特征在于，S5中双向拍卖机制具体为：
设消费者的报价信息为
Figure FDA0002296569730000011
产销这的投标信息为
Figure FDA0002296569730000012
微电网在一个交易时隙中，共收到购买投标M个，卖出投标N个；
其中，
Figure FDA0002296569730000013
消费者的购买价格，
Figure FDA0002296569730000014
为消费者的购买电量，
Figure FDA0002296569730000015
为产销者的出售价格，为产销者的出售电量；
在微电网中，微电网运营商首先将按购买报价价格从高到低、卖出投标价格从低到高的原则进行排序；
按照报价价格最高的买方和投标价格最低的卖方进行匹配，成交价为两者平均价格，平均价格的计算公式为
Figure FDA0002296569730000022
以此类推，逐步匹配报价与投标，完成下一轮交易；
若微电网内部总的需求量超过总的出售量时，即
Figure FDA0002296569730000023
则微电网运营商可以与总量过剩的另一个微电网运营商即
Figure FDA0002296569730000024
进行交易以保证电力需求。
5.根据权利要求4所述的可扩展的多微网环境下的分布式电力交易方法，其特征在于，S7中智能电表实时监测具体为：
消费者在交易前的一个时间间隙内，根据智能电表记录的消费习惯预测下一个时间间隙的负荷需求；产销者则预测电力盈余，以此为依据形成报价和投标信息，并提交到各微电网运营商，然后根据双向拍卖机制进行匹配；智能电表监测各节点的功率值，确定电力的实际使用和生产，形成负荷曲线，确保电力交易与传输安全进行。
6.根据权利要求1或5所述的可扩展的多微网环境下的分布式电力交易方法，其特征在于，S9中工作量证明机制具体为：
微电网运营商竞相计算满足预设的难度值的哈希值，当最先计算出的哈希值经全网校验通过后，将有权产生新的区块，并将此区块按时间顺序连接到区块链中；区块链中的一个区块包含两个部分：区块头和区块体，其中区块头包括：前一个区块的哈希值、包含各种交易信息的默克尔树、时间戳、难度值和随机数；区块体包括交易的位数、交易个数和具体交易信息。
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