CN112348370A - 一种区块链技术支撑的实时交易能量调度平台 - Google Patents

一种区块链技术支撑的实时交易能量调度平台 Download PDF

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CN112348370A CN202011254667.6A CN202011254667A CN112348370A CN 112348370 A CN112348370 A CN 112348370A CN 202011254667 A CN202011254667 A CN 202011254667A CN 112348370 A CN112348370 A CN 112348370A
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胡俊杰
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Abstract

本发明公开了一种区块链技术支撑的实时交易平台，先建立产消者的资源量化模型，并对产消者节点提出功率约束；再是各个电能需求者广播需电信息,购电请求者广播公钥和需电信息，竞标者发布电能裕量和竞标价信息摘要；而后行竞标阶段，竞标者发布公钥和原始报价信息，各个产消者节点执行竞标函数并发布至各个产消者；最后执行交易阶段，各产消者根据交易价格函数确定价格并达成共识，各个产消者根据功率计划执行并结算。

Description

一种区块链技术支撑的实时交易能量调度平台
技术领域
本发明属于区块链领域，具体涉及一种区块链技术支撑的实时交易能量调度平台。
背景技术
随着可再生能源发电技术及相关产业的进步以及新一轮电力体制改革的有序推进，拥有独立决策能力的产消者将大量涌入售电侧市场参与竞争。已有文献指出对产消者进行合理资源调度和能量管理可以实现局部电能共享，具有能源就地消纳、配网扩容、降低运行成本的优点。
然而，配网交易中一个关键问题在于如何设计灵活、有效的交易机制，实现能源资源的有效配置。随着交互能源(transactive energy，TE)机制引入电力系统市场化运行，产消者可以利用市场激励规则，通过价值信号协调优化调度和控制集群产消者参与电力市场运行。由于配网中产消者数量庞大，单笔交易规模小，配网传统的集中式交易会面临运行效率低、决策耗时长的问题，而TE机制支撑的点对点模式(peer-to-peer，P2P)市场交易运行可以通过合理的机制使产消者进行自管理运行，从而避免产消者集中运算乏力的问题。
P2P交易运行策略针对日前与实时两个阶段的不同特征主要分为两类：其一是包括拉格朗日松弛法和乘子交替方向法在内的P2P直接交易策略，这种基于对偶价格变量更新的策略在实际中可以直接形成产消者功率计划与交易价格。但是由于算法迭代次数较多，运算时间过长，不适用于电力市场实时运行；其二是基于经济机制设计理论，以VCG(vickrey-clarke-groves)机制、连续拍卖理论、均衡占优策略为代表的智能合约实现终端用户P2P多边交易运行，具有决策时间短、信任成本低的特点，可以解决产消者的自利性对交易公平性、用户隐私性以及无歧视性带来的不利影响。
为保证配网的安全、高效运行，可以在配网交易中引入区块链技术实现去中心化管理运行。区块链是通过密码学串接并保护的分布式数据库，它不易篡改且由全体成员维护数据，因而具有很高的安全性和透明性。近年来，能源领域一直被认为是区块链技术最具发展前景的领域之一，能源交易、辅助服务、信用评价等均为区块链可能应用的场景。由于区块链技术可以有效解决能量交易中常常出现产消者隐私信息暴露问题以及产消者与交易平台之间的信任问题，学术界关于区块链在配网交易中的讨论已掀起热潮。因此，如何使用区块链技术来支撑去中心化电能交易机制仍是一个重要的科学问题。
发明目的
本发明的目的在于，在分布式资源比例在配电网中不断提高的情形下，为电改背景下拥有源荷二重属性的高自利性产消者提供低信任成本的交易平台和经济性高的交易方法。
发明内容
本发明提供了一种区块链技术支撑的实时交易平台，包含如下步骤：
步骤A：对含有PV和微型燃气轮机的两种分布式能源建立产消者的资源量化模型，并对产消者节点提出功率约束。
步骤B：各个电能需求者广播需电信息,购电请求者广播公钥和需电信息，竞标者发布电能裕量和竞标价信息摘要。
步骤C：执行竞标阶段，竞标者发布公钥和原始报价信息，各个产消者节点执行竞标函数并发布至各个产消者。
步骤D：执行交易阶段，各产消者根据交易价格函数确定价格并达成共识，各个产消者根据功率计划执行并结算。
优选的，在步骤A中，对含有PV和微型燃气轮机的两种分布式能源建立产消者的资源量化模型，并对产消者节点提出功率约束。对于区块链中全部产消者集群
Figure 854155DEST_PATH_IMAGE001
，若第m个产消者拥有光伏发电系统 (Photovoltaic energy， PV) ，则其出力模型如下：
Figure 78463DEST_PATH_IMAGE002
（1）
光伏发电系统的发电成本主要受制于设备成本、使用寿命以及日照水平，在不考虑通货膨胀率等经济因素的前提下其成本模型如下：
Figure 139960DEST_PATH_IMAGE003
（2）
微型燃气轮机是一种以燃料和空气为介质，利用燃烧形成的高温高压燃气推动轮机做功。一般微型燃气轮机发电机组采用永磁发电机输出交流电。其成本模型如下：
Figure 34097DEST_PATH_IMAGE004
Figure 446624DEST_PATH_IMAGE005
。为保证线路安全，需要为产消者在交易中购买和售出的能量进行约束。
Figure 474623DEST_PATH_IMAGE006
（3）
Figure 593889DEST_PATH_IMAGE007
（4）
Figure 783562DEST_PATH_IMAGE008
（5）
对于每个产消者，对于任意时段的功率计划应满足如下功率平衡约束：
Figure 683384DEST_PATH_IMAGE009
（6）
对于全体产消者集群，在任意时段应该满足产消者功率平衡约束条件。即在任一时段产消者群体售出电能的总和应该等于全体产消者中从其他产消者购电电量总和，如下：
Figure 515074DEST_PATH_IMAGE010
（7）
更优选的，在步骤B中，各个电能需求者根据EMS信息来广播私钥加密后的需电信息摘要。购电申请时间截止后，购电请求者广播公钥和需电信息，竞标者发布加密后的电能裕量和竞标价信息摘要。同时，建立电能偏差成本函数，在保证全部购电请求得到满足的同时使消除偏差电量的总成本最小化，如式(8)-(10)所示：
Figure 429459DEST_PATH_IMAGE011
（8）
Figure 55613DEST_PATH_IMAGE012
（9）
Figure 442732DEST_PATH_IMAGE013
（10）
进一步优选的，在步骤C中，执行竞标阶段竞标者发布公钥和原始报价信息，各个节点得到各函数求解所需全部数据信息；各个产消者节点从链上获取信息后转到链下执行竞标函数，通过验证后的交易队列和功率计划得到共识并发布至各个产消者。
最优选的，在步骤D中，各产消者根据交易价格函数确定价格并达成共识，各个产消者根据功率计划执行能量交割。通过交易拟定函数对各个产消者进行资产结算，并生成新的账单区块；率先完成PoW（Proof of work， 工作量证明）计算并完成打包的节点获得打包奖励。
附图说明
图1是本发明基于区块链技术支撑的实时交易平台方法流程图；
图2是EMS执行合约内容流程图。
具体实施方式
下面结合附图详细描述本发明。
图1是本发明基于区块链技术支撑的实时交易平台方法流程图，本发明中EMS执行合约内容流程图如图2所示。本发明在P2P实时合约中，全体产消者基于满足激励相容理论的VCG规则对可能存在的功率偏差进行P2P电能交易，并将达成共识后的交易结果计入账单。
步骤A：对含有PV和微型燃气轮机的两种分布式能源建立产消者的资源量化模型，并对产消者节点提出功率约束。
步骤A1:建立PV光伏模型。对于区块链中全部产消者集群
Figure 812533DEST_PATH_IMAGE014
，若第
Figure 312916DEST_PATH_IMAGE015
个产消者拥有光伏发电系统 (Photovoltaic energy， PV) ，则其出力模型如下：
Figure 109970DEST_PATH_IMAGE002
（1）
其中，
Figure 341975DEST_PATH_IMAGE016
是
Figure 781047DEST_PATH_IMAGE017
时段中第
Figure 791728DEST_PATH_IMAGE018
个产消者的实际光伏出力功率，为模型中的变量；
Figure 759684DEST_PATH_IMAGE019
为
Figure 855816DEST_PATH_IMAGE017
时段产消者
Figure 177207DEST_PATH_IMAGE015
的光伏预测最大出力功率值。
光伏发电系统的发电成本主要受制于设备成本、使用寿命以及日照水平，在不考虑通货膨胀率等经济因素的前提下其成本模型如下：
Figure 42395DEST_PATH_IMAGE003
（2）
其中，
Figure 446832DEST_PATH_IMAGE020
是产消者
Figure 30260DEST_PATH_IMAGE018
的光伏发电成本单价，
Figure 279975DEST_PATH_IMAGE021
是该产消者的光伏设备成本，
Figure 202932DEST_PATH_IMAGE022
为该光伏设备平均年发电量(与光伏产品特点与当地日照水平有关)，
Figure 512691DEST_PATH_IMAGE023
为该光伏设备寿命年限。
步骤A2:建立微型燃气轮机模型。微型燃气轮机是一种以燃料和空气为介质，利用燃烧形成的高温高压燃气推动轮机做功。一般微型燃气轮机发电机组采用永磁发电机输出交流电。其成本模型如下：
Figure 583415DEST_PATH_IMAGE024
（3）
Figure 246608DEST_PATH_IMAGE025
（4）
其中，
Figure 86389DEST_PATH_IMAGE026
为产消者
Figure 567048DEST_PATH_IMAGE018
的微型燃气轮机在时段
Figure 859490DEST_PATH_IMAGE017
内的出力(有功功率)；
Figure 716587DEST_PATH_IMAGE027
为相应状态下的总成本；a、b和d是与成本相关的燃气轮机参数，其数值分别为5×10-4、0.24和0.1；
Figure 676453DEST_PATH_IMAGE028
和
Figure 328014DEST_PATH_IMAGE029
分别为该轮机输出有功功率的上限和下限。
步骤A3：产消者节点功率约束。为保证线路安全，需要为产消者在交易中购买和售出的能量进行约束。
Figure 373330DEST_PATH_IMAGE030
（5）
Figure 768540DEST_PATH_IMAGE031
（6）
Figure 255016DEST_PATH_IMAGE032
（7）
式中
Figure 343058DEST_PATH_IMAGE033
、
Figure 610091DEST_PATH_IMAGE034
及
Figure 808991DEST_PATH_IMAGE035
分别为任意产消者m在t时段从电网买入、从其他产消者买入以及售出的电量；
Figure 141185DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 400128DEST_PATH_IMAGE037
和
Figure 154457DEST_PATH_IMAGE038
分别为产消者从其他产消者买入电量、向其他产消者卖出电量以及从电网买入电量的上限值。
对于每个产消者，对于任意时段的功率计划应满足如下功率平衡约束：
Figure 891469DEST_PATH_IMAGE039
（8）
其中
Figure 352537DEST_PATH_IMAGE040
为产消者
Figure 782381DEST_PATH_IMAGE018
该时段负荷功率。
对于全体产消者集群，在任意时段应该满足产消者功率平衡约束条件。即在任一时段产消者群体售出电能的总和应该等于全体产消者中从其他产消者购电电量总和，如下：
Figure 758428DEST_PATH_IMAGE010
（9）
步骤B:各个电能需求者广播需电信息,购电请求者广播公钥和需电信息，竞标者发布电能裕量和竞标价信息摘要。
步骤B1:各个电能需求者根据EMS信息来广播私钥加密后的需电信息摘要。
步骤B2：购电申请时间截止后，购电请求者广播公钥和需电信息，竞标者发布加密后的电能裕量和竞标价信息摘要。在保证全部购电请求得到满足的同时使消除偏差电量的总成本最小化，建立电能偏差成本函数，如式(10)—(12)所示：
Figure 299130DEST_PATH_IMAGE011
（10）
Figure 552388DEST_PATH_IMAGE012
（11）
Figure 887555DEST_PATH_IMAGE041
（12）
设
Figure 616476DEST_PATH_IMAGE042
为全部购电请求发起者集合，
Figure 695291DEST_PATH_IMAGE043
为全部竞标者。
Figure 458847DEST_PATH_IMAGE044
为全部中标者集合，
Figure 964915DEST_PATH_IMAGE044
为
Figure 181133DEST_PATH_IMAGE043
的子集。式(10)为优化目标函数，其中
Figure 1321DEST_PATH_IMAGE045
是产消者集群消除偏差电量的总成本，
Figure 353805DEST_PATH_IMAGE046
为求购者
Figure 296353DEST_PATH_IMAGE047
的购电功率，
Figure 671971DEST_PATH_IMAGE048
是中标者的收益，
Figure 92588DEST_PATH_IMAGE049
为第
Figure 565158DEST_PATH_IMAGE018
个中标者中标的卖出功率。式(11)用于保证所有偏差电量得到消除。式(12)为全部竞标者可对外出售电能多少的约束条件。
步骤C:执行竞标阶段，竞标者发布公钥和原始报价信息，各个产消者节点执行竞标函数并发布至各个产消者。
步骤C1:执行竞标阶段竞标者发布公钥和原始报价信息，各个节点得到各函数求解所需全部数据信息。
步骤C2：各个产消者节点从链上获取信息后转到链下执行竞标函数，通过验证后的交易队列和功率计划得到共识并发布至各个产消者。VCG拍卖规则具有激励竞标者按照真实成本进行理性报价的特点，符合减小消除偏差成本同时增大竞标者利益的激励相容的目标，故基于VCG规则确定出清队列确定竞标函数函数。函数功能为：在竞标者提交报价阶段结束后，使全部竞标者的有效报价由低到高依次进入出清队列，直到式(11)中的偏差电量平衡得到满足。
步骤D：执行交易阶段，各产消者根据交易价格函数确定价格并达成共识，各个产消者根据功率计划执行并结算。
步骤D1：执行交易价格函数,各产消者根据交易价格函数确定价格并达成共识，各个产消者根据功率计划执行能量交割。
交易价格函数：本函数功能在于确定出清队列的成交价格，而各中标者的收益按该中标者给其余投标者带来的损失计算，如式(13)所示：
Figure 288394DEST_PATH_IMAGE050
（13）
其中，
Figure 148378DEST_PATH_IMAGE051
为第
Figure 372686DEST_PATH_IMAGE018
个竞标者中标后获得的收益；将
Figure 699763DEST_PATH_IMAGE015
剔除在竞标集合之后，全部竞标者参与竞标形成新的中标队列，
Figure 984113DEST_PATH_IMAGE052
为该队列所获得的收益总和；
Figure 334323DEST_PATH_IMAGE043
中全部竞标者参与竞标时形成中标队列(包含
Figure 96743DEST_PATH_IMAGE015
)，
Figure 278325DEST_PATH_IMAGE053
为除
Figure 733578DEST_PATH_IMAGE054
外其他中标者所获得收益总和。
最终交易价格如式(14)所示：
Figure 571084DEST_PATH_IMAGE055
（14）
Figure 137194DEST_PATH_IMAGE056
为各购电请求者请求的功率，
Figure 173283DEST_PATH_IMAGE057
为最终单位电价。
步骤D2:执行交易拟定函数,通过交易拟定函数对各个产消者进行资产结算，并生成新的账单区块；率先完成PoW计算并完成打包的节点获得打包奖励。
交易拟定函数：在实时交易运行中，各个节点同时进行上述函数的求解，计算结果率先获得共识的节点成为打包节点，将交易信息存入区块账单中并获得打包奖励。
发明效果
相较于现有技术，本发明具有如下优点：
1.由于实时交易具有时限要求，故实时阶段产消者通过基于VCG规则的智能合约自行开展相互交易，调整实际发用电与计划的偏差值，既规避了预测偏差带来的高额备用成本，又可通过相互交易获取利润，实现了系统的帕累托改进。
2.所提模型解决了高比例分布式能源的配网环境下的功率就地平衡问题，通过求解过程中各方的集体共识实现区块链平台下能量交易的低信任成本，此外，区块链账单内容的可追溯性和方便完善的结算功能也是所提机制的优势所在。
3.基于满足激励相容理论的VCG拍卖方法编写了实时交易合约与实时交割合约，对产消者存在的实时功率偏差进行电能交易，保证了实时运行的快速求解，维护了用户的隐私安全。

Claims (5)

1.一种区块链技术支撑的实时交易平台，包括如下步骤：
步骤A.建立产消者的资源量化模型，并对产消者节点提出功率约束；
步骤B.各个电能需求者广播需电信息,购电请求者广播公钥和需电信息，竞标者发布电能裕量和竞标价信息摘要；
步骤C.执行竞标阶段，竞标者发布公钥和原始报价信息，各个产消者节点执行竞标函数并发布至各个产消者；
步骤D.执行交易阶段，各产消者根据交易价格函数确定价格并达成共识，各个产消者根据功率计划执行并结算。
2.根据权利要求1所述的一种区块链技术支撑的实时交易平台，在步骤A中，对含有PV和微型燃气轮机的两种分布式能源建立产消者的资源量化模型，并对产消者节点提出功率约束；对于全体产消者集群，在任意时段应该满足产消者功率平衡约束条件；即在任一时段产消者群体售出电能的总和应该等于全体产消者中从其他产消者购电电量总和。
3.根据权利要求2所述的一种区块链技术支撑的实时交易平台，在步骤B中，各个电能需求者根据EMS信息来广播私钥加密后的需电信息摘要；购电申请时间截止后，购电请求者广播公钥和需电信息，竞标者发布加密后的电能裕量和竞标价信息摘要；同时，建立电能偏差成本函数，在保证全部购电请求得到满足的同时使消除偏差电量的总成本最小化，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
（1）
Figure DEST_PATH_IMAGE004
（2）
Figure DEST_PATH_IMAGE006
（3）
如式(1)-(3)所示。
4.根据权利要求3所述的一种区块链技术支撑的实时交易平台，在步骤C中，执行竞标阶段竞标者发布公钥和原始报价信息，各个节点得到各函数求解所需全部数据信息；各个产消者节点从链上获取信息后转到链下执行竞标函数，通过验证后的交易队列和功率计划得到共识并发布至各个产消者。
5.根据权利要求4所述的一种区块链技术支撑的实时交易平台，在步骤D中，执行交易价格函数，各产消者根据交易价格函数确定价格并达成共识，各个产消者根据功率计划执行能量交割；
交易价格函数：本函数功能在于确定出清队列的成交价格，而各中标者的收益按该中标者给其余投标者带来的损失计算，如式(4)所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
（4）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为第
Figure DEST_PATH_IMAGE012
个竞标者中标后获得的收益；将
Figure DEST_PATH_IMAGE012A
剔除在竞标集合之后，全部竞标者参与竞标形成新的中标队列，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为该队列所获得的收益总和；
Figure DEST_PATH_IMAGE016
中全部竞标者参与竞标时形成中标队列(包含
Figure DEST_PATH_IMAGE012AA
)，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为除
Figure DEST_PATH_IMAGE012AAA
外其他中标者所获得收益总和，最终交易价格如式(5)所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE020
（5）
Figure DEST_PATH_IMAGE022
为各购电请求者请求的功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
为最终单位电价；
执行交易拟定函数,通过交易拟定函数对各个产消者进行资产结算，并生成新的账单区块；率先完成PoW计算并完成打包的节点获得打包奖励；
交易拟定函数：在实时交易运行中，各个节点同时进行上述函数的求解，计算结果率先获得共识的节点成为打包节点，将交易信息存入区块账单中并获得打包奖励。
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CN202011254667.6A Pending CN112348370A (zh) 2020-11-11 2020-11-11 一种区块链技术支撑的实时交易能量调度平台

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113689295A (zh) * 2021-08-27 2021-11-23 华北电力大学（保定） 一种多元参与主体间的分布式能源交易方法及系统

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Application publication date: 20210209