CN112950404B - 一种基于区块链的分布式热负荷优化及群体热结算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于区块链的分布式热负荷优化及群体热结算方法，该方法按热量收费可以促使各个热用户在保证自己供热舒适性的同时尽可能地减少供暖的能源消耗，也能促进节能型建筑的需求，进一步安装相关智能仪表和通信设施可以实现热力公司对各热用户的信息收集分析和各热用户之间的用热负荷协调，构建一个能源通信网络，此外为了保护各热用户的隐私，采用区块链技术对能源通信网络进行加密。本发明方法在保障热力公司的收费的同时唤起公众的节能意识，实现了对各热用户的热负荷优化，并保证了热用户的数据隐私安全。
Description
技术领域
本发明属于供热系统的先进控制领域，具体涉及到一种基于区块链的分布式热负荷优化及群体热结算方法。
背景技术
我国目前的城镇供暖采用按面积收费的方式，对于供暖面积大但保温性较好，用热量少的热用户收费多，而对于供热面积小但建筑保温性不好的用户收费过少，无法达到供暖收费的公平性，部分热力公司因此也遇到了热用户拒缴热费用的情形，且按面积收费的机制也无法唤起公众的节能意识，此外用户与用户之间缺少协调，供热管网负荷的峰均比值较大，增加了供热管网运行和调控的负担。
发明内容
为了达到上述目的，本发明主要包括以下步骤：
一种基于区块链的分布式热负荷优化及群体热计量结算方法，包括如下步骤：
步骤S1，对热网中的所有热用户进行类别划分，识别出能够配合热网参与供热负荷调度的用户。
步骤S2，参与负荷调度的热用户与热力公司安装配备相关硬件设施，包括智能仪表、电调控制阀、区块链通信网络设施以及数据输入、计算及存储设施等，构建起一个能源通信网络。
步骤S3，热力公司确定热网在不同总负荷下的单位供热成本，生成热费用计算函数发送至网络中每个用户的数据计算终端。
步骤S4，网络中的各热用户根据自己的热使用情况，在智能仪表中设置可参与热负荷调度的时间段，智能仪表中有默认的每个用热设备的日总耗能设定值，在进行优化时维持每个设备的日总耗能值一定。
步骤S5，在新一代热网中，具备产热的热用户可以将热输入热网，从而获得收益，并按照向热网中输入热量时的单位热价计算收益，同时区块链通信网络设施将供热数据加密之后封装到整个热网的交易信息区块链中。
步骤S6，以热网中的总能源消耗成本为目标函数，用户用能与费用成正比，使用内点法等优化方法依次迭代优化每个热用户未来一定时间尺度内的各小时热负荷，优化过程之间各用户之间的通信使用区块链通信网络设施进行，各热用户优化后的最优解保存在本地中。
步骤S7，各用户按照最优方案使用电调控制阀对自己的用能负荷进行调整，使得整个热网的运行成本最低。
步骤S8，热力公司生成用于信息加密和解密的公钥和私钥，各热用户将自己的用能负荷数据使用热力公司的公钥加密后发送给热力公司，热力公司使用自己的私钥来进行解密，随后根据各热用户的负荷数据以及成本函数进行收费。
上述技术方案中，进一步地，步骤S1，对热网中的所有热用户进行类别划分，识别出能够配合热网参与供热负荷调度的用户。热网中的热负荷主要可以分为：采暖热负荷、通风热负荷、热水供应热负荷以及生产工艺热负荷这几类，除生产工艺所需的热负荷可调性不大之外，其余三者均可利用热网的大热容特性来进行一定范围内的调整，因此将热网中属于采暖热负荷、通风热负荷、热水供应热负荷的热用户划分为能够参与供热负荷调度的用户。
进一步地，步骤S2，为了实现所有热用户之间以及与热力公司之间的信息沟通，所有热用户与热力公司安装配备相关硬件设施，包括智能仪表、电调控制阀、区块链通信网络设施以及数据输入、计算及存储设施等。智能仪表用于计量热用户在小时尺度内的负荷；电调控制阀用于热用户对自己在不同时刻的热负荷大小进行调节；数据输入、计算及存储设备能够接受用户信息的输入以及基于此进行计算和优化，并能将计算和优化的结果存储在本地；区块链通信网络用于用户与用户之间，以及用户与热力公司之间数据通信，同时保护每一个热用户隐私和用能数据安全。
进一步地，步骤S3，热力公司确定热网在不同总负荷下的单位供热成本，生成计算函数发送至每个用户。在实际应用中，供热成本函数C(h)随着热负荷增加而增加的，且是一个凸函数，即满足如下关系：
h1与h2是两个不同的热网总热负荷状态，C(h1)和C(h2)分别是二者负荷状态下对应的单位供热成本。
进一步地，步骤S4，各热用户根据自己的使用情况，在智能仪表中设置可参与热负荷调度的时间段，智能仪表中有默认的每个用热设备的日总耗能设定值，在进行优化时维持每个设备的日总耗能值一定。
用户可以自定义参与负荷调度的时间段，例如用户n接受在时段[α,β]内参与负荷调度，α＜β，且α,β取0到24中的整数，代表一天中的某个时间段。
为了避免用户负荷欠供和过供的情况出现，在该时段内的优化后的总耗能值应该与优化前相同，优化前的总耗能可以由热用户所配备的用热器件正常工作时的历史数据得到，则在优化时需要满足：
表示用户n在一天中的第h个小时内的耗能情况。
进一步地，步骤S5，在新一代热网中，具备产热的热用户可以将热输入热网，从而获得收益，并按照向热网中输入热量时的单位热价计算收益，同时热用户的通信装置将输入热量数据加密之后封装到整个热网的交易信息区块链中。其中：
步骤S51，在新一代热网中，具备产热的热用户可以将热输入热网，从而获得收益，并按照向热网中输入热量时的单位供热成本计费获取收益。向热网中输入热量的热用户能够获得的收益可按照下式进行计算：
其中，时能产热的热用户n在向热网供热的时段[α,β]内的供热收益，C(h)为整个热网中在第h个小时内的单位供热成本；Q(h)为该热用户在第h个小时内向热网中输入的热量。
步骤S52，热用户的通信装置将输入热量数据加密之后封装到整个热网的交易信息区块链中。具体地，热用户数据采集设备实时采集向热网供热的数据，计算得到各小时的供热数据之后传输到通信装置，通信装置使用区块链加密技术将供热数据加密之后广播到整个热网交易系统中，实现当前交易区块的封装。
进一步地，步骤S6，以热网中的总能源消耗成本为目标函数，用户用能与费用成正比，使用内点法等优化方法依次迭代优化每个热用户未来一定时间尺度内的各小时热负荷，优化过程之间各用户之间的通信使用区块链进行，各热用户优化后的最优解保存在本地中。
热网中的总能源消耗成本为：
在进行迭代优化时，依次按顺序从第一位用户到最后一位用户来进行优化。计算开始时初始化每一位热用户为历史用能情况，这时利用区块链网络广播此时热网中的总负荷，随后使用内点法IPM来进行优化每一位用户的优化完之后再广播一遍热网总负荷，一直迭代，直到热网的总负荷不再减小。最终的优化结果存储在每一位热用户的本地，用户可以随时查看。
进一步地，步骤S7，各用户按照最优方案使用电调控制阀对自己的用能负荷进行调整，使得整个热网的运行成本最低。更进一步，热用户可以将调控方案输入到电调控制阀的控制系统中去，使其自动在各个时刻调节阀门大小，减轻人工操作的复杂性。
进一步地，步骤S8，热力公司生成用于信息加密和解密的公钥和私钥，各热用户将自己的用能负荷数据使用热力公司的公钥加密后发送给热力公司，热力公司使用自己的私钥来进行解密，随后根据各热用户的负荷数据以及成本函数进行收费。
其中，具备产热的热用户指的是能将自己生成的热量向热网输送的用户，比如利用自家的太阳能产热的热用户连接热网，在太阳能不足时使用热网中的供热满足热需求，而在太阳能产热富余的时候将热量(温度达标)反向输送至热网。
本发明的发明原理为：
在本发明中，按热量收费可以促使各个热用户在保证自己供热舒适性的同时尽可能地减少供暖的能源消耗，也能促进节能型建筑的需求，进一步安装相关智能仪表和通信设施可以实现热力公司对各热用户的信息收集分析和各热用户之间的用热负荷协调，构建一个能源通信网络，此外为了保护各热用户的隐私，采用区块链这一新一代数据存储和通信技术对能源通信网络进行加密。
本发明的有益效果在于：
本发明的基于区块链的分布式热负荷的优化及群体热结算方法在按热量收费的背景下进一步优化热网中各热用户不同时段的用热负荷，在保证热用户供热舒适性的同时降低供热能耗，降低热网中的峰均比，提高供热系统的稳定性，此外考虑了未来新一代供热管网中热用户可以将自己产生的热量反向输送到管网中获得收益的情形。本发明方法在保障热力公司的收费的同时唤起公众的节能意识，实现了对各热用户的热负荷优化，并保证了热用户的数据隐私安全。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
图1是本发明方法的主要步骤。
图2是本发明所述的能源信息流结构示意图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此起仅显示与本发明有关的构成。
结合图1和图2，本发明的一种基于区块链的分布式热负荷优化及群体热结算方法，具体包括以下步骤：
步骤S1，对热网中的所有热用户进行类别划分，识别出能够配合热网参与供热负荷调度的用户。
步骤S2，参与负荷调度的热用户与热力公司安装配备相关硬件设施，包括智能仪表、电调控制阀、区块链通信网络设施以及数据输入、计算及存储设施等，构建起一个能源通信网络。
步骤S3，热力公司确定热网在不同总负荷下的单位供热成本，生成热费用计算函数发送至网络中每个用户的数据计算终端。
步骤S4，网络中的各热用户根据自己的热使用情况，在智能仪表中设置可参与热负荷调度的时间段，智能仪表中有默认的每个用热设备的日总耗能设定值，在进行优化时维持每个设备的日总耗能值一定。
步骤S5，在新一代热网中，具备产热的热用户可以将热输入热网，从而获得收益，并按照向热网中输入热量时的单位热价计算收益，同时区块链通信网络设施将输入热量数据加密之后封装到整个热网的交易信息区块链中。
步骤S6，以热网中的总能源消耗成本为目标函数，用户用能与费用成正比，使用内点法等优化方法依次迭代优化每个热用户未来一定时间尺度内的各小时热负荷，优化过程之间各用户之间的通信使用区块链进行，各热用户优化后的最优解保存在本地中。
步骤S7，各用户按照最优方案使用电调控制阀对自己的用能负荷进行调整，使得整个热网的运行成本最低。
步骤S8，热力公司生成用于信息加密和解密的公钥和私钥，各热用户将自己的用能负荷数据使用热力公司的公钥加密后发送给热力公司，热力公司使用自己的私钥来进行解密，随后根据各热用户的负荷数据以及成本函数进行收费。
步骤S1中，对热网中的所有热用户进行类别划分，识别出能够配合热网参与供热负荷调度的用户。热网中的热负荷主要可以分为：采暖热负荷、通风热负荷、热水供应热负荷以及生产工艺热负荷这几类，除生产工艺所需的热负荷可调性不大之外，其余三者均可利用热网的大热容特性来进行一定范围内的调整，因此将热网中属于采暖热负荷、通风热负荷、热水供应热负荷的热用户划分为能够参与供热负荷调度的用户。
步骤S2中，为了实现所有热用户之间以及与热力公司之间的信息沟通，如图2所示，所有热用户与热力公司安装配备相关硬件设施，包括智能仪表、电调控制阀、区块链通信网络设施以及数据输入、计算及存储设施等。智能仪表用于计量热用户在小时尺度内的负荷；电调控制阀用于热用户对自己在不同时刻的热负荷大小进行调节；数据输入、计算及存储设备能够接受用户信息的输入以及基于此进行计算和优化，并能将计算和优化的结果存储在本地；区块链通信网络用于用户与用户之间，以及用户与热力公司之间数据通信，同时保护每一个热用户隐私和用能数据安全。
步骤S3中，热力公司确定热网在不同总负荷下的单位供热成本，生成计算函数发送至每个用户。在实际应用中，供热成本函数C(h)随着热负荷增加而增加的，且是一个凸函数，即满足如下关系：
h1与h2是两个不同的热网总热负荷状态，C(h1)和C(h2)分别是二者负荷状态下对应的单位供热成本。
步骤S4中，各热用户根据自己的使用情况，在智能仪表中设置可参与热负荷调度的时间段，智能仪表中有默认的每个用热设备的日总耗能设定值，在进行优化时维持每个设备的日总耗能值一定。
用户可以自定义参与负荷调度的时间段，例如用户n接受在时段[α,β]内参与负荷调度，α＜β，且α,β取0到24中的整数，代表一天中的某个时间段。
为了避免用户负荷欠供和过供的情况出现，在该时段内的优化后的总耗能值应该与优化前相同，优化前的总耗能可以由热用户所配备的用热器件正常工作时的历史数据得到，则在优化时需要满足：
表示用户n在一天中的第h个小时内的耗能情况。
步骤S5中，在新一代热网中，具备产热的热用户可以将热输入热网，从而获得收益，并按照向热网中输入热量时的单位热价计算收益，同时热用户的通信装置将输入热量数据加密之后封装到整个热网的交易信息区块链中。其中：
步骤S51，在新一代热网中，具备产热的热用户可以将热输入热网，从而获得收益，并按照向热网中输入热量时的单位供热成本计费获取收益。向热网中输入热量的热用户能够获得的收益可按照下式进行计算：
其中，时能产热的热用户n在向热网供热的时段[α,β]内的供热收益，C(h)为整个热网中在第h个小时内的单位供热成本；Q(h)为该热用户在第h个小时内向热网中输入的热量。
步骤S52，热用户的通信装置将输入热量数据加密之后封装到整个热网的交易信息区块链中。具体地，热用户数据采集设备实时采集向热网供热的数据，计算得到各小时的供热数据之后传输到通信装置，通信装置使用区块链加密技术将供热数据加密之后广播到整个热网交易系统中，实现当前交易区块的封装。
步骤S6中，以热网中的总能源消耗成本为目标函数，用户用能与费用成正比，使用内点法等优化方法依次迭代优化每个热用户未来一定时间尺度内的各小时热负荷，优化过程之间各用户之间的通信使用区块链进行，各热用户优化后的最优解保存在本地中。
热网中的总能源消耗成本为：
在进行迭代优化时，依次按顺序从第一位用户到最后一位用户来进行优化。计算开始时初始化每一位热用户为历史用能情况，这时利用区块链网络广播此时热网中的总负荷，随后使用内点法IPM来进行优化每一位用户的优化完之后再广播一遍热网总负荷，一直迭代，直到热网的总负荷不再减小。最终的优化结果存储在每一位热用户的本地，用户可以随时查看。
步骤S7中，各用户按照最优方案使用电调控制阀对自己的用能负荷进行调整，使得整个热网的运行成本最低。更进一步，热用户可以将调控方案输入到电调控制阀的控制系统中去，使其自动在各个时刻调节阀门大小，减轻人工操作的复杂性。
步骤S8中，热力公司生成用于信息加密和解密的公钥和私钥，各热用户将自己的用能负荷数据使用热力公司的公钥加密后发送给热力公司，热力公司使用自己的私钥来进行解密，随后根据各热用户的负荷数据以及成本函数进行收费。
Claims (8)
1.一种基于区块链的分布式热负荷优化及群体热结算方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，对热网中的所有热用户进行类别划分，识别出能够配合热网参与供热负荷调度的用户；
步骤S2，参与供热负荷调度的热用户与热力公司安装配备相关硬件设施，构建一个能源通信网络；所述硬件设施包括智能仪表、电调控制阀、区块链通信网络设施以及数据输入、计算及存储设施；
步骤S3，热力公司确定热网在不同总负荷下的单位供热成本，生成热费用计算函数发送至网络中每个热用户的数据计算终端；
步骤S4，热网中的各热用户根据自己的热使用情况，在智能仪表中设置参与热负荷调度的时间段，智能仪表中有默认的每个用热设备的日总耗能设定值，在进行优化时维持每个设备的日总耗能值一定；
步骤S5，在新一代热网中，具备产热的热用户可以将热输入热网，从而获得收益，并按照向热网中输入热量时的单位热价计算收益，同时区块链通信网络设施将输入热量数据加密之后封装到整个热网的交易信息区块链中；
步骤S6，以热网的总能源消耗成本为目标函数，用户用能与费用成正比，依次迭代优化每个热用户未来一定时间尺度内的各小时热负荷，优化过程中各热用户之间的通信使用区块链通信网络设施进行，各热用户优化后的最优解保存在本地中；
步骤S7，各热用户按照最优方案使用电调控制阀对自己的用能负荷进行调整，使得整个热网的运行成本最低；
步骤S8，热力公司生成用于信息加密和解密的公钥和私钥，各热用户将自己的用能负荷数据使用热力公司的公钥加密后发送给热力公司，热力公司使用自己的私钥来进行解密，随后根据各热用户的负荷数据以及成本函数进行收费。
2.根据权利要求1所述的基于区块链的分布式热负荷优化及群体热结算方法，其特征在于，所述步骤S1中，将热网中属于采暖热负荷、通风热负荷、热水供应热负荷的热用户划分为能够参与供热负荷调度的用户。
3.根据权利要求1所述的基于区块链的分布式热负荷优化及群体热结算方法，其特征在于，所述的步骤S2中，智能仪表用于计量热用户在小时尺度内的负荷；电调控制阀用于热用户对自己在不同时刻的热负荷大小进行调节；数据输入、计算及存储设备用于接受用户信息的输入以及基于此进行计算和优化，并能将计算和优化的结果存储在本地；区块链通信网络设施用于用户与用户之间，用户与热力公司之间数据通信，同时保护每一个热用户隐私和用能数据安全。
4.根据权利要求1所述的基于区块链的分布式热负荷优化及群体热结算方法，其特征在于，所述的步骤S3中，单位供热成本函数C(h)随着热负荷增加而增加，且是一个凸函数，即满足如下关系：
h1与h2是两个不同的热网总热负荷状态，C(h1)和C(h2)分别是二者负荷状态下对应的单位供热成本。
5.根据权利要求1所述的基于区块链的分布式热负荷优化及群体热结算方法，其特征在于，步骤S4中维持每个设备的日总耗能值一定，具体为：用户n在时段[α,β]内参与负荷调度，α＜β，且α,β取0到24中的整数，代表一天中的某个时间段；在该时段内优化后的总耗能值与优化前相同，优化前的总耗能由热用户所配备的用热器件正常工作时的历史数据得到，则在优化时需要满足：
表示用户n在一天中的第h个小时内的耗能情况。
6.根据权利要求1所述的基于区块链的分布式热负荷优化及群体热结算方法，其特征在于，步骤S5中：
向热网中输入热量的热用户能够获得的收益可按照下式进行计算：
其中，时能产热的热用户n在向热网供热的时段[α,β]内的供热收益，C(h)为整个热网中在第h个小时内的单位供热成本；Q(h)为该热用户在第h个小时内向热网中输入的热量；
热用户的通信装置将输入热量数据加密之后封装到整个热网的交易信息区块链中，具体为，热用户数据采集设备实时采集向热网供热的数据，计算得到各小时的供热数据之后传输到通信装置，通信装置使用区块链加密技术将供热数据加密之后广播到整个热网交易系统中，实现当前交易区块的封装。
7.根据权利要求1所述的基于区块链的分布式热负荷优化及群体热结算方法，其特征在于，所述的步骤S6中，热网中的总能源消耗成本为：
其中，Ch为第h个小时内的单位供热成本；表示用户n在一天中的第h个小时内的耗能情况；
在进行迭代优化时，依次按顺序从第一位用户到最后一位用户来进行优化；计算开始时初始化每一位热用户为历史用能情况，并利用区块链网络广播此时热网中的总负荷；随后使用内点法IPM来优化优化完之后再广播一遍热网总负荷，一直迭代，直到热网的总负荷不再减小；最终的优化结果存储在每一位热用户的本地，用户可以随时查看。
8.根据权利要求1所述的基于区块链的分布式热负荷优化及群体热结算方法，其特征在于，步骤S7中，热用户将调控方案输入到电调控制阀的控制系统中，使其自动在各个时刻调节阀门大小，减轻人工操作的复杂性。
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2021
- 2021-02-01 CN CN202110137292.3A patent/CN112950404B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2019196375A1 (zh) * | 2018-04-13 | 2019-10-17 | 华南理工大学 | 基于需求侧响应的微电网最优机组及分时电价的优化方法 |
| CN109034480A (zh) * | 2018-07-31 | 2018-12-18 | 湘潭大学 | 一种基于智能合约的互联微网分布式优化调度方法 |
| CN111563828A (zh) * | 2020-04-14 | 2020-08-21 | 浙江大学 | 一种基于需求响应的蒸汽热网调度优化方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 采用基于市场控制的微网分布式能量优化方法;季珉杰;张沛超;姚垚;方陈;黄宏声;电力系统自动化;第41卷(第15期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112950404A (zh) | 2021-06-11 |
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Legal Events
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