CN112734238A - 一种基于区块链的弱中心化产消用户电量协调方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于区块链的弱中心化产消用户电量协调方法及系统，该方法包括：S1：构建产消用户的竞价策略模型以及供需匹配模型，形成电能匹配临时数据；S2：结合产消用户的弱中心化特性，构建分布式安全校验迭代模型；采用分布式安全校验迭代模型对电能匹配临时数据开展分布式安全校验，得到最终电能协调结果；S3：根据产消用户的实际发、用电情况，结合最终电能协调结果，采用产消用户的信誉值评估模型及惩罚电价模型，对产消用户进行信誉值评估及相关费用的结算。本发明综合考虑产消用户的经济利益与市场行为，在各个时段实现各产消用户偏差电量的匹配，在提高分布式能源设备利用率的同时使得产消用户相较于直接并网均能获得更好的收益。
Description
技术领域
本发明涉及电力市场技术领域，具体涉及一种基于区块链的弱中心化产消用户电量协调方法及系统。
背景技术
随着全球能源互联网相关技术的不断发展，分布式清洁能源发电迎来高速发展时期，用户从单向消费者逐渐向生产消费者转变，由此产生了新的商业契机：产消用户可根据自身的发/用电需求，以实现实时电量供求平衡为目的来参与电量协调服务。然而，传统的集中式模式并不能很好地适用于开展产消用户之间的电量协调服务：首先，产消者的大量出现使得配网内的参与主体数量增加，信息趋于海量化。其次，产消者之间的单笔订单通常电量规模较小，但在发用电数量、报价策略上存在更大的差异性。这使得传统的集中式模式开始显现出运行成本较高、交易公平性难以保证等问题。
因此亟需寻求一种安全、高效、公平的产消用户电量协调方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有的产消用户电量协调方法易存在电量偏差，整体存在协调效果不佳、不高效的问题。本发明的目的在于提供一种基于区块链的弱中心化产消用户电量协调方法及系统，通过弱中心化的多边电量协调方式，尽量消除各产消用户在各个时段产生的偏差电量，使得分布式能源设备利用率提高的同时为产消用户创造了更好的收益，促进园区能源供给的平衡。
本发明通过下述技术方案。现：
一种基于区块链的弱中心化产消用户电量协调方法，该方法包括以下步骤：
S1：构建产消用户的竞价策略模型以及供需匹配模型，当产消用户存在偏差电量时，所述偏差电量输入产消用户的竞价策略模型得到偏差电价；所述偏差电价输入供需匹配模型进行数据匹配，形成电能匹配临时数据；
S2：结合产消用户的弱中心化特性，构建分布式安全校验迭代模型；采用所述分布式安全校验迭代模型对所述电能匹配临时数据开展分布式安全校验；(这里即对电量进行优化)
若通过安全校验，则所述电能匹配临时数据作为最终电能协调结果，记录于配网区块链中；若未通过安全校验，则采用中心机构进行阻塞管理优化，并将优化后的匹配结果作为最终电能协调结果，记录于配网区块链中；
S3：根据产消用户的实际发、用电情况，结合所述最终电能协调结果，采用产消用户的信誉值评估模型及惩罚电价模型，进而指导产消用户进行信誉值评估及相关费用的结算。
其中：产消用户包括购电产消用户和售电产消用户，同一时段产消用户只有以上一种身份。
工作原理是：基于区块链作为一种非对称加密的分布式记账系统，具有去中心化、不可篡改、匿名性等特点，能够很好地适应配网侧这种分散化的系统结构，与产消者之间的电量协调的诉求相契合。将区块链技术引入到弱中心化的产消用户电量协调方法中，可以实现电能协调订单的发起、记录、匹配以及结算，中心化机构仅对匹配订单进行安全校验以及阻塞管理，限制了中心机构的权力，在满足配网安全可靠运行的同时也保证了公平性，可以极大地提高分布式能源设备的利用率，降低产消用户的用能成本，促进社会的可持续发展。
本发明建立了一种基于区块链的弱中心化产消用户电量协调方法，其：建立了弱中心化的产消用户电量协调方式的服务架构与服务流程，包括产消用户竞价策略和供需匹配机制等，明确了各主体在不同阶段的操作内容；及建立了分布式安全校验模型、考虑竞价意愿的阻塞管理优化模型，可充分考虑产消用户参与电量协调的意愿度，从而有针对性的进行订单优化；及建立了产消用户信誉值评估模型、惩罚电价模型，约束产消用户严格按照合约内容保持良好的发用电行为；过匹配各时段产消用户的多余电量与用能需求，在满足产消用户的能源需求的同时降低了产消用户的用能成本，提升了产消用户的收益率。
具体地：本发明包括：(1)条款说明阶段：由区块链平台公布服务条款后，各产消用户接受服务条款、签订相应合约。(2)产消用户报价阶段：在此阶段中，当产消用户存在偏差电量时，可参与分布式电能协调服务；通过选取竞价策略，上报偏差电量以消除偏差值。(3)供需匹配阶段：区块链平台将该时段产消用户上报的竞价信息根据供需匹配机制进行订单匹配，形成电能匹配临时数据。(4)中心机构优化阶段：弱中心化机构对电能匹配临时数据开展分布式安全校验；若通过安全校验，则该临时订单成为最终电能协调结果，记录于配网区块链中；若未通过安全校验，则由中心机构进行阻塞管理，并将优化后的匹配结果记录于配网区块链中。(5)结算阶段：各参与主体在此阶段中进行信誉值评估及相关费用的结算。
本发明建立的弱中心化产消用户电量协调方法，综合考虑了产消用户的竞价意愿与经济利益，通过将各时段市场上的多余电量与用能需求进行匹配，在满足需求用户的能源需求的同时降低了产消用户的用能成本，提高了产消用户的经济效益。
进一步地，所述的步骤S1中产消用户的竞价策略模型表达式为：
设定如下市场运营参数，psell.w为产消用户向电网出售的电能单价；pbuy.w为产消用户直接向电网购电的价格；将价格区间[psell.w，pbuy.w]以
为间隔等分，其中n为价格区间参数，表明在订单上报阶段有n个竞标价格(n≥2)：
对于售电产消用户(即余电方用户)，有S(1),S(2),…,S(n)共n个竞价策略，其中选择S(r)策略的报价采用如下公式表示：
对于购电产消用户(缺电方用户)，有B(1),B(2),…,B(n)共n个竞价策略，其中选择B(r)策略的报价采用如下公式表示：
其中，r为用户选择上报的竞价策略等级；引入竞价意愿度来衡量用户购售电的意愿强烈程度，采用如下公式表示：
χ(r)＝εtw·r
其中，εtw为意愿因子。
进一步地，所述的步骤S1中构建产消用户的供需匹配模型，并通过供需匹配模型进行订单匹配，形成电能匹配临时数据；具体包括：
根据产消用户上报的订单信息，按照竞价意愿度、用户信誉值、上报时间的优先级形成供需匹配队列，匹配成功的临时订单的成交价格采用如下公式表示：
其中，
为第t轮时段中，购电产消用户(缺电方用户)i与售电产消用户(即余电方用户)j形成临时匹配订单的成交电价；
所述产消用户上报的订单信息采用如下公式表示：
其中，①，②分别为购电产消用户(缺电方用户)i与售电产消用户(即余电方用户)j上报的订单信息；Δt为第t轮交易时段的时间间隔；Δt-1为上一轮时段的时间间隔；
分别为购电产消用户(缺电方用户)i与售电产消用户(即余电方用户)j的报价；
分别为购电产消用户(缺电方用户)i、售电产消用户(即余电方用户)j在上一轮时段结束时的信誉值；
分别为购电产消用户(缺电方用户)i、售电产消用户(即余电方用户)j在第t轮时段的订单信息上报时间；
分别为购电产消用户(缺电方用户)i、售电产消用户(即余电方用户)j的上报电量；
所述匹配队列的优先级采用如下公式表示：
其中③，④分别为购电与售电队列的匹配优先级。
进一步地，所述的步骤S2中构建分布式安全校验迭代模型的具体过程为：
S21：在配网区块链网络中选取一个参考节点，设参考节点相角θ0＝0，其余节点的初始相角设置为0；在迭代开始前，各节点将根据网络结构参数，计算收敛因子λi，采用如下公式表示：
其中，Ωi表示与节点i相连的所有节点的集合；γij为节点i与节点j间的阻抗的倒数，即γij＝1/Xij；ω为松弛因子，且满足0＜ω＜2；
S22：在配网区块链网络中进行迭代，直至迭代终止，由各节点相角最终结果计算出各支路潮流分布，其中ij支路的潮流
采用如下公式表示：
其中：配网区块链网络中各节点的相角迭代公式采用如下公式表示：
式中，Pi Δt表示节点i的注入功率；
表示节点i在第k+1次迭代中的相角值；
表示节点i在第k次迭代中的相角值；α为改进的迭代因子，且满足
其中：迭代终止条件采用如下公式表示：
其中ε>0，为一很小的正数。
进一步地，节点i的注入功率Pi Δt根据如下计算得到：
根据所述电能匹配临时数据，得到临时电能匹配矩阵，采用如下公式表示：
其中，矩阵内元素tij表示产消用户i给产消用户j提供的电能；
由临时订单计算各节点的注入功率，采用如下公式表示：
qinj＝M×Ttemp×u
其中，u为一单位列向量，其维数等于网络中的参与主体数；M为网络主体关联矩阵，矩阵中元素mij采用如下公式表示：
进一步地，所述的步骤S2中若未通过安全校验，则采用中心机构进行阻塞管理优化，并将优化后的匹配结果作为最终电能协调结果，记录于配网区块链中；其中，所述阻塞管理优化采用考虑竞价意愿度的阻塞管理优化模型，所述考虑竞价意愿度的阻塞管理优化模型是在考虑竞价意愿度的条件下以最小化电量匹配调整量的平方和为目标建立优化模型求得经过阻塞管理优化后的匹配矩阵TL；其目标函数为：
其中，χi、χj分别为购电产消用户与售电产消用户选择的竞价策略所对应的竞价意愿度；tLij为阻塞管理优化后的匹配矩阵TL中的元素；
所述目标函数的约束条件为网络功率传输容量约束，采用如下公式表示：
-Pl max≤YA(ATYA)-1q′inj.L＝HPTDFq′inj.L≤Pl max
其中，Pl max为当前时段支路的潮流裕度矢量；Y为对角矩阵，对角元素为1/xij，其中xij为ij线路的电抗；A为去除松弛节点相应行的降阶节点关联矩阵；q′inj.L为优化后的匹配矩阵TL所对应的去除松弛节点后的节点注入功率向量；HPTDF＝YA(ATYA)-1为功率传输分布因子。
进一步地，所述的步骤S3中当产消用户实际发用电量与所述最终电能协调结果(即合约规定电量)的偏差在一定范围内时，产消用户不受信誉值惩罚；反之，则会扣除产消用户信誉值；所述信誉值的计算采用如下公式表示：
其中，
为第t轮时段中产消用户i的信誉值；
为第t轮时段中产消用户i按照合约应当成交的电量；
为第t轮时段中产消用户i的实际发用电偏差电量；αrvc为信誉值系数；μpdtv为电量偏差阈值。
进一步地，所述的步骤S3中若产消用户被扣除信誉值，在结算电费时还将在成交电价的基础上增加一定的惩罚费用，惩罚电价采用如下公式表示：
其中，
分别为第t轮时段中对购电产消用户/售电产消用户i的惩罚电价；
为第t轮时段中购电产消用户(缺电方用户)i与售电产消用户(即余电方用户)j达成的成交电价；βpc为惩罚系数。
进一步地，所述的步骤S3中进行结算时，产消用户i的最终结算电价为成交电价与惩罚电价之和，采用如下公式表示：
其中，
分别为第t轮时段中购电产消用户/售电产消用户i的结算电价。
另一方面，本发明还提供了一种基于区块链的弱中心化产消用户电量协调系统，该系统支持所述的一种基于区块链的弱中心化产消用户电量协调方法，该系统包括：
电能匹配临时数据构建单元，用于构建产消用户的竞价策略模型以及供需匹配模型，当产消用户存在偏差电量时，所述偏差电量输入产消用户的竞价策略模型得到偏差电价；所述偏差电价输入供需匹配模型进行数据匹配，形成电能匹配临时数据；
电能匹配临时数据优化单元，用于结合产消用户的弱中心化特性，构建分布式安全校验迭代模型；采用所述分布式安全校验迭代模型对所述电能匹配临时数据开展分布式安全校验；若通过安全校验，则所述电能匹配临时数据作为最终电能协调结果，记录于配网区块链中；若未通过安全校验，则采用中心机构进行阻塞管理优化，并将优化后的匹配结果作为最终电能协调结果，记录于配网区块链中；
评估及结算单元，用于根据产消用户的实际发、用电情况，结合所述最终电能协调结果，采用产消用户的信誉值评估模型及惩罚电价模型，对产消用户进行信誉值评估及相关费用的结算。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明通过建立基于区块链的弱中心化的产消用户分布式电量协调方式，通过实时多边电量协调尽量消除各产消用户在各个时段产生的偏差电量，使得分布式能源设备利用率提高的同时为产消用户创造了更好的收益，促进园区能源供给的平衡。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1示意性地示出了本发明的总体架构图。
图2示意性地示出了本发明的方法流程图。
图3示意性地示出了本发明中配网的节点示意图。
图4示意性地示出了本发明中分布式订单匹配队列图。
图5示意性地示出了本发明中经阻塞管理后的匹配订单优化结果图。
图6示意性地示出了本发明中区块链平台记录匹配订单信息的形式图。
图7示意性地示出了本发明中各产消用户相较并网的相对收益率图。
图8示意性地示出了本发明一种基于区块链的弱中心化产消用户电量协调系统框架示意图。
具体实施方式
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1至图7所示，本发明一种基于区块链的弱中心化产消用户电量协调方法，该方法包括以下步骤：
S1：构建产消用户的竞价策略模型以及供需匹配模型，当产消用户存在偏差电量时，所述偏差电量输入产消用户的竞价策略模型得到偏差电价；所述偏差电价输入供需匹配模型进行数据匹配，形成电能匹配临时数据；
S2：结合产消用户的弱中心化特性，构建分布式安全校验迭代模型；采用所述分布式安全校验迭代模型对所述电能匹配临时数据开展分布式安全校验；(这里即对电量进行优化)
若通过安全校验，则所述电能匹配临时数据作为最终电能协调结果，记录于配网区块链中；若未通过安全校验，则采用中心机构进行阻塞管理优化，并将优化后的匹配结果作为最终电能协调结果，记录于配网区块链中；
S3：根据产消用户的实际发、用电情况，结合所述最终电能协调结果，采用产消用户的信誉值评估模型及惩罚电价模型，对产消用户进行信誉值评估及相关费用的结算。
其中：产消用户包括购电产消用户和售电产消用户，同一时段产消用户只有以上一种身份。
如图2所述的弱中心化分布式电量协调的服务流程，明晰各参与主体在不同阶段应完成的工作。本发明具体包括：(1)条款说明阶段：在此阶段中，首先由区块链平台公布服务条款，条款中包含产消用户的权利与义务、条款违反措施等信息。之后，各产消用户可以接受条款并签订相应合约。(2)产消用户报价阶段：产消用户报价为实时阶段，在此阶段中，当用户实际发用电计划与既定计划存在偏差时，可参与分布式电能协调服务，选取竞价策略，上报意愿电价及电量以消除偏差值。(3)供需匹配阶段：区块链平台收集该时段所有产消用户上报的电能订单，将订单按照匹配队列优先级进行排序，并根据供需匹配机制进行订单匹配，形成产消用户的临时匹配订单。(4)中心机构优化阶段：弱中心化机构依据匹配临时订单，开展分布式安全校验。若通过安全校验，则该临时订单成为最终电力合约，数据记录于配网区块链中。若未通过安全校验，则由中心机构进行阻塞管理优化，优化匹配订单以消除潮流越限，并将经过安全校验的电力合约记录于配网区块链中。(5)结算阶段：整个过程中，各产消用户的电能数据将由智能电表进行记录；开始进行清算时，智能合约将读取智能电表数据，确认用户实际出力或用电量，从而对本轮分布式电量协调中各产消用户的信誉值进行评估，对于存在违约的用户扣除信誉值并收取一定违约金进行惩罚，并对全部产消用户进行账户资金增减结算。
步骤S1：对参与产消用户的市场行为进行分析，构建产消用户的竞价策略模型以及供需匹配模型；
(11)针对用户的订单上报阶段，设定如下市场运营参数：psell.w为产消用户向电网出售的电能单价；pbuy.w为产消用户直接向电网购电的价格。将价格区间[psell.w，pbuy.w]以
为间隔等分，其中n为价格区间参数，表明在订单上报阶段有n个竞标价格(n≥2)：
对于售电产消用户(即余电方用户)，有S(1),S(2),…,S(n)共n个竞价策略，其中选择S(r)策略的报价采用如下公式表示：
对于购电产消用户(缺电方用户)，有B(1),B(2),…,B(n)共n个竞价策略，其中选择B(r)策略的报价采用如下公式表示：
其中，r为用户选择上报的竞价策略等级。
引入竞价意愿度来衡量用户购售电的意愿强烈程度，采用如下公式表示：
χ(r)＝εtw·r
其中，εtw为意愿因子。
在本实施例中，取产消用户向电网出售的电能单价psell.w为0.4元/kWh，产消用户直接向电网购电的价格pbuy.w为1.2元/kWh，价格区间参数n为21，意愿因子εtw为1。
(12)产消用户上报的订单信息可采用如下公式表示：
其中，①，②分别为购电产消用户(缺电方用户)i与售电产消用户(即余电方用户)j上报的订单信息；Δt为第t轮交易时段的时间间隔；Δt-1为上一轮时段的时间间隔；
分别为购电产消用户(缺电方用户)i与售电产消用户(即余电方用户)j的报价；
分别为购电产消用户(缺电方用户)i、售电产消用户(即余电方用户)j在上一轮时段结束时的信誉值；
分别为购电产消用户(缺电方用户)i、售电产消用户(即余电方用户)j在第t轮时段的订单信息上报时间；
分别为购电产消用户(缺电方用户)i、售电产消用户(即余电方用户)j的上报电量。
在本实施例中，价格区间参数n取21；配网网络节点示意图如图3所示。各产消用户本时段的上报信息参照下表1所示。
表1各产消用户本时段的上报信息表
各产消用户上报的订单按照“意愿电价、用户信誉值、上报时间”的优先级形成供需匹配队列，匹配队列的优先级采用如下公式表示：
其中③，④分别为购电与售电队列的匹配优先级。
匹配成功的临时订单的成交电价采用如下公式表示：
其中，
为第t轮时段中，购电用户i与售电用户j形成临时订单的成交电价。
根据产消用户上报的信息形成的电量匹配队列如图4所示。各产消用户匹配的临时匹配订单信息参照下表2所示，其中W为配网运营商，当产消用户的偏差电量无法通过分布式电量协调完全消除时视为向配网运营商购买或出售电量。
表2各产消用户匹配的临时匹配订单信息表
(13)在本时段中，产消用户的竞价策略信息将储存在对应时段的区块链账本中，所记录的区块体抽象函数采用如下公式表示：
其中，⑤，⑥分别为购电与售电用户所对应的区块体抽象函数。
匹配成功的临时订单将经过双方的私钥签名认证后储存在对应的区块链账本中，记录临时匹配订单的区块体抽象函数采用如下公式表示：
步骤S2：结合产消用户的弱中心化特性，构建分布式安全校验迭代模型；采用所述分布式安全校验迭代模型对所述电能匹配临时数据开展分布式安全校验；
对于供需匹配达成的临时订单开展建立分布式安全校验迭代，具体过程为：
在配网区块链网络中选取一个参考节点，设参考节点相角θ0＝0，其余节点的初始相角设置为0。在迭代开始前，各节点将根据网络结构参数，计算收敛因子λi，采用如下公式表示：
其中，Ωi表示与节点i相连的所有节点的集合；γij为节点i与节点j间的阻抗的倒数，即γij＝1/Xij；ω为松弛因子，且满足0＜ω＜2。
各节点的相角迭代公式采用如下公式表示：
其中，Pi Δt表示节点i的注入功率；
表示节点i在第k+1次迭代中的相角值；
表示节点i在第k次迭代中的相角值；α为改进的迭代因子，且满足
迭代终止条件采用如下公式表示：
其中ε>0，为一很小的正数。
由各节点相角最终结果可计算出各支路潮流分布，其中ij支路的潮流
采用如下公式表示：
在本实施例中，对本轮时段所形成的临时匹配订单进行分布式安全校验，所得信息参照下表3所示。
表3对本轮时段所形成的临时匹配订单进行分布式安全校验所得信息表
S3：根据产消用户的实际发、用电情况，结合所述最终电能协调结果，采用产消用户的信誉值评估模型及惩罚电价模型，对产消用户进行信誉值评估及相关费用的结算。
具体地，建立考虑竞价意愿度的阻塞管理优化模型，具体过程为：
(31)根据供需匹配阶段达成的临时订单，可得到临时匹配矩阵，采用如下公式表示：
其中，矩阵内元素tij表示产消用户i给j提供的电能。
由临时订单计算各节点的注入功率，采用如下公式表示：
qinj＝M×Ttemp×u
其中，u为一单位列向量，其维数等于网络中的参与主体数；M为网络主体关联矩阵，矩阵中元素mij采用如下公式表示：
(32)在考虑竞价意愿度的条件下以最小化电量匹配调整量的平方和为目标建立优化模型求得经过阻塞管理优化后的匹配矩阵TL。目标函数为：
其中，χi、χj分别为缺电、余电用户选择的竞价策略所对应的竞价意愿度；tLij为阻塞管理优化后的匹配矩阵TL中的元素。
约束条件为网络功率传输容量约束，采用如下公式表示：
-Pl max≤YA(ATYA)-1q′inj.L＝HPTDFq′inj.L≤Pl max
其中，Pl max为当前时段支路的潮流裕度矢量；Y为对角矩阵，对角元素为1/xij，其中xij为ij线路的电抗；A为去除松弛节点相应行的降阶节点关联矩阵；q′inj.L为优化后的匹配矩阵TL所对应的去除松弛节点后的节点注入功率向量；HPTDF＝YA(ATYA)-1为功率传输分布因子。
(33)通过阻塞管理后会使得电量匹配订单数据发生一定变化，因此需将调整过后的匹配信息及时更新至区块链，通过分布式节点认证后才能成为有效的电量匹配合约，在电力交割与结算阶段将按照新的电力合约执行。分布式节点认证的抽象函数采用如下公式表示：
Num[Fi(pass)]-Num[Fi(fail)]＞0
其中，Num[Fi(pass)]表示认证通过的节点数；Num[Fi(fail)]表示认证未通过的节点数，即有51％以上的节点认证该订单通过验证时，该合约便被认证为有效电力合约。
在本实施例中，经阻塞管理后的匹配订单优化结果如图5所示，优化后形成的最终电力合约在区块链平台的记录形式如图6所示，图中虚线部分表示当电量协调信息被恶意节点篡改时，通过逐一比较Merkle树叶子节点的哈希值，从而进行被篡改信息的位置寻找的路径。
具体地，在结算阶段，根据用户实际电能交割情况，建立产消用户的信誉值评估模型及惩罚电价模型，具体过程为：
(34)当用户实际发用电量与合约规定电量的偏差在一定范围内时，用户不受信誉值惩罚；反之，则会扣除用户信誉值。信誉值的计算采用如下公式表示：
其中，
为第t轮时段中用户i的信誉值；
为第t轮时段中用户i按照合约应当成交的电量；
为第t轮时段中用户i的实际发用电偏差电量；αrvc为信誉值系数；μpdtv为电量偏差阈值。
(35)在本轮时段中，若用户被扣除信誉值，在结算电费时还将在成交电价的基础上增加一定的惩罚费用，惩罚电价采用如下公式表示：
其中，
分别为第t轮时段中对购电/售电用户i的惩罚电价；
为第t轮时段中用户i与用户j达成的成交电价；βpc为惩罚系数。
进行结算时，用户i的最终结算电价为成交电价与惩罚电价之和，采用如下公式表示：
其中，
分别为第t轮时段中购电/售电用户i的结算电价。
在本实施例中，惩罚系数βpc取0.8；电量偏差阈值μpdtv取0.2；信誉值系数αrvc取1；假设发电用户B由于自身分布式发电设备故障，导致实际发电量为12.06kWh，各产消用户信誉值变更及清算情况参照下表4所示。
表4各产消用户信誉值变更及清算情况表
| 参与主体 | 实际电能交割/kWh | 偏差电量/kWh | 信誉值 | 违约金/元 | 账户余额增减/元 |
| A | 28.068 | 0 | 100 | 0 | +21.2130 |
| B | 12.060 | 4.545 | 73 | 3.5686 | +6.4920 |
| C | -11.468 | 2.813 | 100 | 0 | -9.8625 |
| D | 15.461 | 0 | 100 | 0 | +13.2965 |
| E | -7.906 | 1.732 | 100 | 0 | -8.2949 |
| F | -30.463 | 0 | 100 | 0 | -24.1580 |
| G | -11.066 | 0 | 100 | 0 | -8.6315 |
| W | 5.314 | 0 | 100 | 0 | +6.3768 |
在本实施例中，各产消用户通过参与本轮分布式电量协调，相较于直接并网购(售)电所获得的相对收益率如图7所示。
从图7可以看出，引入基于区块链的弱中心化产消用户电量协调方法后，无论是购电产消用户还是售电产消用户所获得的收益均高于直接并网的收益。其中，卖方用户A虽然选择了较低的售电竞价策略，但其相对收益率却较高，是因为A用户虽然售电报价低，但是按照供需匹配机制将位于匹配队列的前面，从而与购电报价较高的用户进行匹配，获得不太低的成交电价。同时A用户选择的竞价策略具有较高的竞价意愿度，在阻塞管理时的匹配削减量更少，从而间接提升了A用户的售电收益。其次，用户B、D选择了相同的售电竞价策略，而最终B用户的相对收益率比D用户更低，主要原因是D用户的订单上报时间更短，从而在电量匹配队列中位于B用户的前方，能够进行优先匹配；其次，B用户在发电中由于设备故障而存在发电违约行为，产生了一定的违约金，也使得B用户的相对收益率比D用户更低。
由以上分析可知，在双向竞争的机制下，意愿电价低并不意味着最终结算电价及用户相对收益率低，还与匹配对象的意愿电价、产消用户的信誉值、竞价意愿度有关。这便要求产消用户应提升自身参与分布式电量协调服务的积极性，同时还应保持良好的发用电行为，避免产生违约情况，以争取获得最大收益率。
本发明建立的弱中心化产消用户电量协调方法，综合考虑了产消用户的竞价意愿与经济利益，通过将各时段市场上的多余电量与用能需求进行匹配，在满足需求用户的能源需求的同时降低了产消用户的用能成本，提高了产消用户的经济效益。
实施例2
如图1至图8所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例提供了一种基于区块链的弱中心化产消用户电量协调系统，该系统支持所述的一种基于区块链的弱中心化产消用户电量协调方法，如图8所示，该系统包括：
电能匹配临时数据构建单元，用于构建产消用户的竞价策略模型以及供需匹配模型，当产消用户存在偏差电量时，所述偏差电量输入产消用户的竞价策略模型得到偏差电价；所述偏差电价输入供需匹配模型进行数据匹配，形成电能匹配临时数据；
电能匹配临时数据优化单元，用于结合产消用户的弱中心化特性，构建分布式安全校验迭代模型；采用所述分布式安全校验迭代模型对所述电能匹配临时数据开展分布式安全校验；若通过安全校验，则所述电能匹配临时数据作为最终电能协调结果，记录于配网区块链中；若未通过安全校验，则采用中心机构进行阻塞管理优化，并将优化后的匹配结果作为最终电能协调结果，记录于配网区块链中；
评估及结算单元，用于根据产消用户的实际发、用电情况，结合所述最终电能协调结果，采用产消用户的信誉值评估模型及惩罚电价模型，对产消用户进行信誉值评估及相关费用的结算。
其中，一种基于区块链的弱中心化产消用户电量协调方法按照实施例1中的方法步骤执行。在此不再一一赘述。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于区块链的弱中心化产消用户电量协调方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1：构建产消用户的竞价策略模型以及供需匹配模型，当产消用户存在偏差电量时，所述偏差电量输入产消用户的竞价策略模型得到偏差电价；所述偏差电价输入供需匹配模型进行数据匹配，形成电能匹配临时数据；
S2：构建分布式安全校验迭代模型，采用所述分布式安全校验迭代模型对所述电能匹配临时数据开展分布式安全校验；
若通过安全校验，则所述电能匹配临时数据作为最终电能协调结果，记录于配网区块链中；若未通过安全校验，则进行阻塞管理优化，并将优化后的匹配结果作为最终电能协调结果，记录于配网区块链中；
S3：根据产消用户的实际发、用电情况，结合所述最终电能协调结果，采用产消用户的信誉值评估模型及惩罚电价模型，进而指导产消用户进行信誉值评估及相关费用的结算。
2.根据权利要求1所述的一种基于区块链的弱中心化产消用户电量协调方法，其特征在于，所述的步骤S1中产消用户的竞价策略模型表达式为：
设定如下市场运营参数，psell.w为产消用户向电网出售的电能单价；pbuy.w为产消用户直接向电网购电的价格；将价格区间[psell.w，pbuy.w]以
为间隔等分，其中n为价格区间参数，表明在订单上报阶段有n个竞标价格(n≥2)：
对于售电产消用户，有S(1),S(2),…,S(n)共n个竞价策略，其中选择S(r)策略的报价采用如下公式表示：
对于购电产消用户，有B(1),B(2),…,B(n)共n个竞价策略，其中选择B(r)策略的报价采用如下公式表示：
其中，r为用户选择上报的竞价策略等级；引入竞价意愿度来衡量用户购售电的意愿强烈程度，采用如下公式表示：
χ(r)＝εtw·r
其中，εtw为意愿因子。
3.根据权利要求2所述的一种基于区块链的弱中心化产消用户电量协调方法，其特征在于，步骤S1中构建产消用户的供需匹配模型，并通过供需匹配模型进行数据匹配，形成电能匹配临时数据；具体包括：
根据产消用户上报的订单信息，按照竞价意愿度、用户信誉值、上报时间的优先级形成供需匹配队列，匹配成功的临时订单的成交价格采用如下公式表示：
其中，
为第t轮时段中，购电产消用户i与售电产消用户j形成临时匹配订单的成交电价；
所述产消用户上报的订单信息采用如下公式表示：
其中，①，②分别为购电产消用户i与售电产消用户j上报的订单信息；Δt为第t轮交易时段的时间间隔；Δt-1为上一轮时段的时间间隔；
分别为购电产消用户i与售电产消用户j的报价；
分别为购电产消用户i、售电产消用户j在上一轮时段结束时的信誉值；
分别为购电产消用户i、售电产消用户j在第t轮时段的订单信息上报时间；
分别为购电产消用户i、售电产消用户j的上报电量；
所述匹配队列的优先级采用如下公式表示：
其中③，④分别为购电与售电队列的匹配优先级。
4.根据权利要求1所述的一种基于区块链的弱中心化产消用户电量协调方法，其特征在于，所述的步骤S2中构建分布式安全校验迭代模型的具体过程为：
S21：在配网区块链网络中选取一个参考节点，设参考节点相角θ0＝0，其余节点的初始相角设置为0；在迭代开始前，各节点将根据网络结构参数，计算收敛因子λi，采用如下公式表示：
其中，Ωi表示与节点i相连的所有节点的集合；γij为节点i与节点j间的阻抗的倒数，即γij＝1/Xij；ω为松弛因子，且满足0＜ω＜2；
S22：在配网区块链网络中进行迭代，直至迭代终止，由各节点相角最终结果计算出各支路潮流分布，其中ij支路的潮流
采用如下公式表示：
其中：配网区块链网络中各节点的相角迭代公式采用如下公式表示：
式中，Pi Δt表示节点i的注入功率；
表示节点i在第k+1次迭代中的相角值；
表示节点i在第k次迭代中的相角值；α为改进的迭代因子，且满足
其中：迭代终止条件采用如下公式表示：
其中ε>0。
5.根据权利要求4所述的一种基于区块链的弱中心化产消用户电量协调方法，其特征在于，节点i的注入功率Pi Δt根据如下计算得到：
根据所述电能匹配临时数据，得到临时电能匹配矩阵，采用如下公式表示：
其中，矩阵内元素tij表示产消用户i给产消用户j提供的电能；
由临时订单计算各节点的注入功率，采用如下公式表示：
qinj＝M×Ttemp×u
其中，u为一单位列向量，其维数等于网络中的参与主体数；M为网络主体关联矩阵，矩阵中元素mij采用如下公式表示：
6.根据权利要求1所述的一种基于区块链的弱中心化产消用户电量协调方法，其特征在于，所述的步骤S2中若未通过安全校验，则采用中心机构进行阻塞管理优化，并将优化后的匹配结果作为最终电能协调结果，记录于配网区块链中；其中，所述阻塞管理优化采用考虑竞价意愿度的阻塞管理优化模型，所述考虑竞价意愿度的阻塞管理优化模型是在考虑竞价意愿度的条件下以最小化电量匹配调整量的平方和为目标建立优化模型求得经过阻塞管理优化后的匹配矩阵TL；其目标函数为：
其中，χi、χj分别为购电产消用户与售电产消用户选择的竞价策略所对应的竞价意愿度；tLij为阻塞管理优化后的匹配矩阵TL中的元素；
所述目标函数的约束条件为网络功率传输容量约束，采用如下公式表示：
-Plmax≤YA(ATYA)-1q'inj.L＝HPTDFq'inj.L≤Plmax
其中，Plmax为当前时段支路的潮流裕度矢量；Y为对角矩阵，对角元素为1/xij，其中xij为ij线路的电抗；A为去除松弛节点相应行的降阶节点关联矩阵；q'inj.L为优化后的匹配矩阵TL所对应的去除松弛节点后的节点注入功率向量；HPTDF＝YA(ATYA)-1为功率传输分布因子。
7.根据权利要求1所述的一种基于区块链的弱中心化产消用户电量协调方法，其特征在于，所述的步骤S3中当产消用户实际发用电量与所述最终电能协调结果的偏差在一定范围内时，产消用户不受信誉值惩罚；反之，则会扣除产消用户信誉值；所述信誉值的计算采用如下公式表示：
其中，
为第t轮时段中产消用户i的信誉值；
为第t轮时段中产消用户i按照合约应当成交的电量；
为第t轮时段中产消用户i的实际发用电偏差电量；αrvc为信誉值系数；μpdtv为电量偏差阈值。
8.根据权利要求1或7所述的一种基于区块链的弱中心化产消用户电量协调方法，其特征在于，所述的步骤S3中若产消用户被扣除信誉值，在结算电费时还将在成交电价的基础上增加一定的惩罚费用，惩罚电价采用如下公式表示：
其中，
分别为第t轮时段中对购电产消用户/售电产消用户i的惩罚电价；
为第t轮时段中购电产消用户i与售电产消用户j达成的成交电价；βpc为惩罚系数。
9.根据权利要求1或7所述的一种基于区块链的弱中心化产消用户电量协调方法，其特征在于，所述的步骤S3中进行结算时，产消用户i的最终结算电价为成交电价与惩罚电价之和，采用如下公式表示：
其中，
分别为第t轮时段中购电产消用户/售电产消用户i的结算电价。
10.一种基于区块链的弱中心化产消用户电量协调系统，其特征在于，该系统支持如权利要求1至9中任意一项所述的一种基于区块链的弱中心化产消用户电量协调方法，该系统包括：
电能匹配临时数据构建单元，用于构建产消用户的竞价策略模型以及供需匹配模型，当产消用户存在偏差电量时，所述偏差电量输入产消用户的竞价策略模型得到偏差电价；所述偏差电价输入供需匹配模型进行数据匹配，形成电能匹配临时数据；
电能匹配临时数据优化单元，用于结合产消用户的弱中心化特性，构建分布式安全校验迭代模型；采用所述分布式安全校验迭代模型对所述电能匹配临时数据开展分布式安全校验；若通过安全校验，则所述电能匹配临时数据作为最终电能协调结果，记录于配网区块链中；若未通过安全校验，则采用中心机构进行阻塞管理优化，并将优化后的匹配结果作为最终电能协调结果，记录于配网区块链中；
评估及结算单元，用于根据产消用户的实际发、用电情况，结合所述最终电能协调结果，采用产消用户的信誉值评估模型及惩罚电价模型，对产消用户进行信誉值评估及相关费用的结算。
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| CN116307875A (zh) * | 2023-03-08 | 2023-06-23 | 重庆伏特猫科技有限公司 | 基于大数据的电力订单管理系统 |
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| CN111754307A (zh) * | 2020-06-28 | 2020-10-09 | 铭数科技(青岛)有限公司 | 基于区块链的多因素电量交易匹配方法及装置 |
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2021
- 2021-01-12 CN CN202110038225.6A patent/CN112734238A/zh active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN111754307A (zh) * | 2020-06-28 | 2020-10-09 | 铭数科技(青岛)有限公司 | 基于区块链的多因素电量交易匹配方法及装置 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
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| 邰雪 等: "能源互联网中基于区块链的电力交易和阻塞管理方法", 《电网技术》 * |
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