基于區(qū)塊鏈技術(shù)的 P2P 電能交易平臺與配電網(wǎng) 協(xié)同仿真

　　摘　要: 為了推動能源交易公平以及區(qū)塊鏈技術(shù)在電力交易領(lǐng)域的應(yīng)用, 實現(xiàn) P2P 電能交易平臺與配電網(wǎng)高效配合, 提出一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的 P2P 電能交易平臺與配電網(wǎng)的協(xié)同仿真框架. 根據(jù)區(qū)塊鏈去中心化、安全性強(qiáng)、可追溯的特點, 提出分布式雙邊拍賣機(jī)制, 結(jié)合智能合約, 建立了能源交易模型并進(jìn)行了仿真分析. 最后, 根據(jù)建立的協(xié)同仿真模型, 通過兩個場景下配電網(wǎng)參數(shù)的比較分析, 得出了 P2P 電能交易機(jī)制對配電網(wǎng)影響的相關(guān)結(jié)論, 為實現(xiàn)能源高效利用, 電能交易安全穩(wěn)定以及區(qū)塊鏈技術(shù)在電能交易領(lǐng)域的落地推廣提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐.

　　本文源自劉芯汝; 高輝; 張衛(wèi)國; 楊鳳坤， 計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用 發(fā)表時間：2021-04-13 《計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用》(月刊)創(chuàng)刊于1991年，由中國科學(xué)院軟件研究所主辦。辦刊宗旨：宣傳推廣信息技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用。重點是宣傳介紹計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)(包括系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計與開發(fā)等方面)、信息技術(shù)的應(yīng)用研究與開發(fā)成果以及相關(guān)技術(shù)的分析、探討與應(yīng)用，系統(tǒng)建設(shè)：面向中高層管理人員與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的專業(yè)人員。榮獲中文核心期刊(2000)。

　　關(guān)鍵詞: 區(qū)塊鏈; 分布式雙邊拍賣; 智能合約; P2P 能源交易; 配電網(wǎng); 協(xié)同仿真

　　2020 年 4 月 21 日, 國家發(fā)改委首次明確“新基建” 范圍, 區(qū)塊鏈被正式納入其中. 區(qū)塊鏈?zhǔn)菚r下的熱點和焦點, 作為新一代互聯(lián)網(wǎng)的底層系統(tǒng), 區(qū)塊鏈可以融合其他新一代信息技術(shù), 加速第三產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和創(chuàng)新. 隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展以及分布式能源滲透率的提高, 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的對等 (Peer to Peer, P2P) 能源交易也受到了極大關(guān)注[1] . 同時, 配電網(wǎng)也從原先只能向負(fù)荷提供電能的單相潮流轉(zhuǎn)變?yōu)榧饶芴峁╇娔苡帜芙邮茈娔艿碾p向潮流[2] .

　　文獻(xiàn) [3] 系統(tǒng)地回顧了區(qū)塊鏈在電力和能源領(lǐng)域相關(guān)的應(yīng)用、挑戰(zhàn)和機(jī)遇. 文獻(xiàn) [4] 在基于能源互聯(lián)網(wǎng)的條件下, 建立了具有儲能設(shè)施的分布式光伏電站微電網(wǎng)區(qū)塊鏈交易模型, 分析了區(qū)塊鏈在電能交易市場中的應(yīng)用. 文獻(xiàn) [5] 提出了區(qū)塊鏈應(yīng)用于能源互聯(lián)網(wǎng)的具體架構(gòu), 通過仿真和建模定性和定量地分析了區(qū)塊鏈交易的影響因素, 并且建立了數(shù)學(xué)模型, 實現(xiàn)進(jìn)行定量, 為電力交易區(qū)塊鏈的具體設(shè)計提供了參考. 文獻(xiàn) [6] 通過對典型低壓配電網(wǎng)進(jìn)行詳細(xì)建模和仿真, 提出了一種能源交易機(jī)制, 使得電力系統(tǒng)更加去中心化運營. 國內(nèi)外的幾個項目也證明了在低壓配電網(wǎng)或微電網(wǎng)上使用區(qū)塊鏈實現(xiàn)對等能源交易的概念[7–9] .

　　上述文獻(xiàn)主要是對區(qū)塊鏈在能源交易市場上的應(yīng)用以及在去中心化電力交易方面有重要的研究. 然而, 到目前為止, 這一領(lǐng)域的大部分工作都集中在微電網(wǎng)的能源交易機(jī)制, 或在多個電網(wǎng)之間的能源共享. 關(guān)于分析基于區(qū)塊鏈的地方電能交易對配電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施可能產(chǎn)生的影響方面, 則存在一個研究缺口. 由于政策環(huán)境、投資、落地標(biāo)準(zhǔn)等因素影響, 中國目前落地的電力交易區(qū)塊鏈應(yīng)用極少, 并且也面臨著區(qū)塊鏈吞吐量增大問題以及安全性防護(hù)問題等問題和挑戰(zhàn). 本文通過提出一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的 P2P 電能交易平臺與配電網(wǎng)的協(xié)同仿真框架來研究其對配電系統(tǒng)的控制、運行和規(guī)劃可能產(chǎn)生的影響. 從而為區(qū)塊鏈技術(shù)在電力交易中的落地應(yīng)用提供技術(shù)參考和理論依據(jù). 本文采用基于區(qū)塊鏈的分布式雙邊拍賣交易平臺促進(jìn)用戶之間的 P2P 電能交易, 并通過 OpenDSS (Open Distributed System Simulator) 對某一社區(qū)用戶微電網(wǎng)進(jìn)行了兩個場景的建模和仿真. 通過算例仿真結(jié)果研究分析了 P2P 電能交易平臺對當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)的影響.

　　1 協(xié)同仿真方法概述

　　目前為了使 P2P 能源交易模式得到更大規(guī)模的應(yīng)用, 需要對其進(jìn)行建模來研究其對配電網(wǎng)的性能和可靠性的潛在影響. 本文選擇 OpenDSS 仿真工具[10] . OpenDSS 是一個用于對三相低壓網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行詳細(xì)建模的開放源代碼工具, 并且還能夠通過內(nèi)置的組件對象模型與 Python 或 Matlab 軟件包進(jìn)行交互. 通過使用 Python 或 Matlab來管理數(shù)據(jù)輸入/輸出以及使配電網(wǎng)進(jìn)行仿真運行. 圖 1是本文所提出的配電網(wǎng)與 P2P 電能交易平臺協(xié)同仿真方法示意圖.

　　輸入包括用戶數(shù)據(jù)和配電網(wǎng)數(shù)據(jù). 其中用戶數(shù)據(jù)包括用戶的日常需求負(fù)荷以及 PV 和 EV 需求. 配電網(wǎng)主要是網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點和支路數(shù)據(jù). 配電網(wǎng)數(shù)據(jù)為 OpenDSS 提供配電網(wǎng)物理結(jié)構(gòu)的必要信息, 包括網(wǎng)絡(luò)布局以及變壓器、穩(wěn)壓器等網(wǎng)絡(luò)控制元件的特性參數(shù). 在 OpenDSS 仿真過程中, 使用逗號分隔值 (.csv) 文件在每個元素之間交換數(shù)據(jù). 最后, 通過 Python 或 Matlab 來管理數(shù)據(jù)據(jù)輸入/輸出, 并提供仿真輸出的后處理和可視化操作.

　　在本文中, Matlab 用于提供 Python 與 OpenDSS 之間的接口, 該接口能夠快速解決復(fù)雜的三相不平衡網(wǎng)絡(luò)問題. 圖 1 所示的協(xié)同仿真方法的優(yōu)越性在于 OpenDSS 中的網(wǎng)絡(luò)模型可以替換為另一個配電網(wǎng), 而無需重新編寫用于電能交易的 Python 代碼. 同時, 也可以在 Python 中實現(xiàn)替代的本地能源交易機(jī)制, 而不需要在 OpenDSS 中進(jìn)行更改. 并且, 考慮到相關(guān)的約束條件, 本文所提出的協(xié)同仿真方法可以對低壓配電網(wǎng)絡(luò)中的 P2P 能源交易進(jìn)行全面的數(shù)值仿真, 包括電壓、網(wǎng)絡(luò)支路負(fù)載限制、電能質(zhì)量要求和故障等級等.

　　2 P2P 電能交易平臺

　　2.1 P2P 電能交易平臺現(xiàn)狀

　　P2P 電能交易是一種高效協(xié)調(diào)電力系統(tǒng)中分布式能源的手段. 隨著分布式能源滲透率的不斷提高, 電能市場的交易模式也迎來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn). 通常, 分時電價被用作有效地激勵需求響應(yīng)的一種手段. 但其也面臨著問題, 比如如果所有用戶都利用相同的低電價時段, 則有可能減小負(fù)荷不均性系數(shù)并創(chuàng)造新的需求高峰. 所以, 就長遠(yuǎn)來看, P2P 電能交易模式更能有效提高配電網(wǎng)的利用率. 首先, P2P 電能交易平臺為分布式能源節(jié)點提供了一個網(wǎng)絡(luò)環(huán)境, 而不是傳統(tǒng)的分層網(wǎng)格結(jié)構(gòu), 這有利于配電網(wǎng)與其他軟件或系統(tǒng)環(huán)境進(jìn)行交互. 但是, 此類項目通常會受到地區(qū)以及相關(guān)市場法規(guī)的限制.

　　相關(guān)研究中, 目標(biāo)基本都是探索如何進(jìn)行大規(guī)模 P2P 能源交易的解決方案. P2P 電能交易的預(yù)期收益主要包括更好地利用電網(wǎng)資源, 以及由于更短的傳輸距離而減少的能源損失. 在配電網(wǎng)級別上, P2P 電能交易平臺可以在有足夠的分布式能源的情況下實現(xiàn)本地能源平衡.

　　2.2 分布式雙邊拍賣機(jī)制

　　本文提出了基于 P2P 電能交易平臺的分布式雙邊拍賣機(jī)制. 在分布式雙邊拍賣機(jī)制中, 買賣雙方向拍賣商提交他們的保留價格和購買或出售的能源量. 買方的保留價格是它將為能源支付的最高價格, 而賣方的保留價格是賣方將其能源出售的最低價格. 拍賣商決定能源交易的價格和交易的買賣雙方的子集.

　　相較于集中式拍賣的中心化、不安全性以及交易距離限制等缺點, 本文提出的基于區(qū)塊鏈的分布式雙邊拍賣機(jī)制則能有效緩解這些問題. 首先, 加密和分布式共識協(xié)議保證了區(qū)塊鏈中存儲的交易記錄的安全性. 同時在分布式雙邊拍賣機(jī)制中, 任何參與者都可以作為拍賣商, 區(qū)塊鏈機(jī)制確保每一個參與者作為拍賣商都是合法的.

　　在 P2P 電能交易平臺中, 每個用戶不僅僅是消費者, 同時也是生產(chǎn)者. 本地能源包括可控制的電能需求, 比如電動汽車充電器、電動熱泵、智能電器、現(xiàn)場發(fā)電設(shè)備以及電池存儲設(shè)備等. 圖 2 給出了基于 P2P 電能交易平臺的分布式雙邊拍賣機(jī)制示意圖.

　　如圖 2 所示, 任一用戶都可以通過交易將其電能供需情況通知到其他用戶. 同時, 如果一名用戶從其他用戶處收到多個供求交易請求, 那么此用戶就可以作為拍賣商. 如果一名用戶不能解決此雙邊拍賣交易, 那么它會將未完成的交易信息傳遞給另一個用戶. 相反, 如果成功進(jìn)行了雙邊拍賣交易, 則向交易的另一方發(fā)送交易成功的信號.

　　在交易過程中, 能源過剩或不足的信息會被編碼為區(qū)塊鏈交易, 用戶向外部發(fā)送能源過剩或不足的交易請求. 例如, N1 將交易 T1 發(fā)送到 N2 表示它有多余的能源, 而 N3 將交易 T3 發(fā)送到 N2 表示它的能源不足. 用戶將根據(jù)實際需求來創(chuàng)建合適的交易. 例如, N2 發(fā)現(xiàn) N3 和 N5 需要購買能源, 而 N1 在出售多余的能源. 所以, N2 就會創(chuàng)建交易 T′1, T′′1 和 T′3. 如果用戶無法完成雙邊拍賣, 那么它將把未完成的交易轉(zhuǎn)給其他用戶. 例如, N4 通過交易 T5 接收到 N5 的能源不足信息, 但無法進(jìn)行雙邊拍賣. 因此, N4 將此信息傳遞給 N3, 即創(chuàng)建交易 T′5, 由 N3 來完成雙邊拍賣交易.

　　雙邊拍賣的結(jié)果僅表明用戶理論上的能源需求情況. 但是, 實際的能源需求情況可能不同, 這種情況將被記錄為需求字段為 0 的交易. 因此, 本文通過創(chuàng)建智能合約來解決這一問題.

　　2.3 智能合約

　　基于每次雙邊拍賣的結(jié)果, 用戶之間可以形成一個智能合約. 例如, 在時間 內(nèi), 用戶 想要以價格出售 個單位的能源, 而用戶 想要以價格 購買 個單位的能源. 這時, 將會建立一個 和 之間的加密貨幣值為 智能合約.

　　該智能合約將由 和 的交易請求激活, 交易信息將決定實際的支付情況. 比如 只出售了 個單位的能源, 而 . 因此, 將會支付給價值 的加密貨幣, 剩下的 的加密貨幣將會返還給 . 這種加密貨幣可以作為區(qū)塊鏈基礎(chǔ)設(shè)施的一部分. 用戶必須用任何其他貨幣購買這些代幣. 而用于能源交易信息和拍賣的代幣是免費的, 因為每個用戶都有固定數(shù)量的代幣, 用來表達(dá)其在固定時間內(nèi)每天的能源需求和實際能源消耗.

　　最后, 每個用戶根據(jù)實際情況以及歷史能源供應(yīng)需求信息計算自己的能源需求. 要注意的是, 如果用戶發(fā)出的能源需求信息和實際能源消耗之間故意不匹配的話, 則會影響交易過程. 區(qū)塊鏈將會保存信息記錄, 任何此類惡意行為都可以被識別. 圖 3 為智能合約執(zhí)行流程圖.

　　(1) 假定以 5 分鐘作為一個固定時間間隔執(zhí)行如圖 3 所示步驟.

　　(2) 在此智能合約模型中, 本文假設(shè)政府或監(jiān)管機(jī)構(gòu)將提供足夠的資金來創(chuàng)建這些智能合約.

　　(3) 在買賣雙方賬號都被判定為有效賬號的情況下買賣雙方將通過 Hash 算法 (SHA256) 向智能合約發(fā)送其投標(biāo)的 Hash 值.

　　(4) 在一段固定的時間間隔之后, 比如在 5 分鐘間隔中的 1 分鐘之后, 智能合約將執(zhí)行文獻(xiàn) [11] 算法來確定拍賣的獲勝者.

　　(5) 用戶的智能電表的數(shù)據(jù)將被輸入智能合約, 以驗證參與者之間的實際能源傳輸.

　　(6) 最后, 在交易達(dá)成共識的基礎(chǔ)上, 將進(jìn)行能源傳輸以及資金轉(zhuǎn)移, 交易數(shù)據(jù)會被存儲到區(qū)塊鏈上, 交易成功.

　　要注意的是, 以上智能合約是在區(qū)塊鏈交易結(jié)算與電網(wǎng)運營之間進(jìn)行協(xié)同作用的假設(shè)中執(zhí)行的. 本文提出的區(qū)塊鏈模擬器可以預(yù)測交易確認(rèn)時間. 該方法的設(shè)計使得預(yù)期交易確認(rèn)時間和市場結(jié)算時間通常小于在分布式網(wǎng)絡(luò)仿真中使用的時間步長. 這確保了區(qū)塊鏈能源交易的執(zhí)行時間與配電網(wǎng)模擬之間的協(xié)同作用.

　　本文所描述的分布式雙邊拍賣可以作為能源交易模型的一個例子, 也可以使用任何其他交易模型. 其特點之一就是具有收斂性, 即拍賣是在有限條件下完成, 比如用戶簽訂智能合同的次數(shù)是有限的, 如圖 4 所示.

　　2.4 區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)仿真

　　區(qū)塊鏈技術(shù)在拓?fù)湫问揭约斑\營方式等方面與新一輪電改下的電力交易市場建設(shè)相契合. 本文將區(qū)塊鏈技術(shù)的特性與 P2P 電力交易平臺相結(jié)合, 運用區(qū)塊鏈技術(shù), 對電能交易過程中各節(jié)點進(jìn)行身份脫敏處理, 匿名交易和數(shù)據(jù)無緩存特征為電能交易和雙向互動提供重要保障. 區(qū)塊鏈仿真是基于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模擬器 ns-3 實現(xiàn)的. 區(qū)塊鏈節(jié)點拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)將由仿真程序隨機(jī)生成. 本文使用區(qū)塊鏈分叉數(shù)和區(qū)塊鏈吞吐量來表示區(qū)塊鏈的仿真特性. 交易完成和阻塞所需的時間取決于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的通信延遲時間. 同時, 區(qū)塊鏈節(jié)點數(shù)也會影響區(qū)塊鏈的性能. 因為區(qū)塊鏈節(jié)點越多, 節(jié)點之間傳播數(shù)據(jù)所需要的時間就越多. 同時, 在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大, 創(chuàng)建的交易數(shù)量也會越多.

　　區(qū)塊鏈分叉是指區(qū)塊鏈分裂成多個區(qū)塊鏈的現(xiàn)象. 比如在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中, 可能會出現(xiàn)多個礦工同時創(chuàng)建一個新的區(qū)塊的情況. 這時, 部分區(qū)塊鏈將接收一個新的區(qū)塊, 并駁回另一個區(qū)塊. 區(qū)塊鏈的分叉問題在于使用分叉的區(qū)塊鏈可能會產(chǎn)生雙重支出. 因此, 共識機(jī)制可以用來有效解決區(qū)塊鏈分叉問題. 例如, 在基于工作量證明機(jī)制中, 分叉區(qū)塊鏈的最長分支被認(rèn)為是有效的區(qū)塊鏈, 而分叉區(qū)塊鏈的較短分支將被駁回. 交易確認(rèn)時間可以計算為從創(chuàng)建區(qū)塊鏈到將交易記錄到新的區(qū)塊所需的時間, 它將直接影響區(qū)塊鏈的吞吐量. 本文將通過仿真研究通信延遲時間與區(qū)塊鏈分叉數(shù)以及交易確認(rèn)時間的關(guān)系. 本文模擬了一個擁有 200 個節(jié)點和 40 個礦工的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò). 圖 5 是區(qū)塊鏈分叉數(shù)與通信延遲時間之間的關(guān)系示意圖.

　　從圖 5 中可以看出, 隨著通信延遲時間的增加, 區(qū)塊鏈的分叉數(shù)也隨之增加. 該結(jié)果也支持了所使用的區(qū)塊鏈仿真程序的有效性. 因為隨著通信延遲時間的增加, 多個礦工同時創(chuàng)建新區(qū)塊的概率也會增加. 在創(chuàng)建新區(qū)塊之后, 礦工將其發(fā)布到網(wǎng)絡(luò), 而其他的礦工在接收到一個新區(qū)塊后重新開始其挖掘過程. 由于通信延遲時間較長, 信息到達(dá)所有礦工的時間將延長, 并且礦工重啟采礦過程的可能性較小. 圖 6 是交易確認(rèn)時間與通信延遲時間關(guān)系示意圖.

　　從圖 6 中看出, 隨著通信延遲時間的增加, 交易確認(rèn)時間也隨之增加. 在本文中, 沒有提供關(guān)于區(qū)塊鏈實施方案的經(jīng)濟(jì)可行性的全面分析. 經(jīng)濟(jì)可行性將取決于運營區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的成本和執(zhí)行智能合約的成本. 然而, 區(qū)塊鏈模擬器可以根據(jù)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的計劃節(jié)點數(shù)和帶寬預(yù)測區(qū)塊鏈的性能. 因此, 區(qū)塊鏈模擬器可用于估算 P2P 電能交易平臺的運營成本以及確定基于區(qū)塊鏈的 P2P 對等能源交易的經(jīng)濟(jì)可行性. 使用區(qū)塊鏈模擬器來確定合適的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的流程圖如圖 7 所示.

　　如圖 7 所示, 在構(gòu)建合適的區(qū)塊鏈的過程中, 首先要根據(jù)區(qū)塊鏈的節(jié)點數(shù)和通信延遲時間確定區(qū)塊鏈屬性. 這些參數(shù)被將被用作區(qū)塊鏈仿真器的輸入. 然后使用仿真執(zhí)行的結(jié)果確定預(yù)期的區(qū)塊鏈分叉數(shù)和區(qū)塊鏈吞吐量. 如果區(qū)塊鏈仿真性能令人不滿意的話, 則進(jìn)行修正, 比如增加或減少區(qū)塊鏈節(jié)點數(shù)以及帶寬等, 并重復(fù)上述步驟.

　　3 P2P 電能交易數(shù)學(xué)模型

　　3.1 用戶模型

　　本文定義 為微電網(wǎng)中用戶組成的節(jié)點集合, 個節(jié)點的負(fù)荷需求均不相同, 用戶能量管理系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的負(fù)荷需求以及歷史交易數(shù)據(jù)預(yù)測用戶下一個交易的需求量以及 PV 和 EV 功率, 用戶 交易時的預(yù)測消耗功率可表示如下: eL,i = [ e 1 L,i , e 2 L,i , e 3 L,i ,··· , e T L,i ] i = 1,2,··· ,n (1) n i 式中, 為微電網(wǎng)中用戶的節(jié)點數(shù)量; T 為一個運行周期; 為用戶編號.

　　用戶 i 的 PV 發(fā)電功率預(yù)測可以表示如下: ePV,i = [ e 1 PV,i , e 2 PV,i ,··· , e k PV,i ,··· , e 24 PV,i ] (2)因此, 用戶 i 在交易當(dāng)天的凈輸出功率如下式所示: enet,i = [ e 1 net,i , e 2 net,i ,··· , e k net,i ,··· , e 24 net,i ] (3)

　　用戶 i 在時段 k 的凈輸出功率為負(fù)荷與 PV 功率之差, 如式 (4) 所示: e k net,i = e k L,i −e k PV,i (4) k e k net,i e k net,i ≥ 0 e k net,i ≤ 0 Q NM = |M| NQ = |Q| 當(dāng) 不同值時, 有所不同, 當(dāng) 時, 表現(xiàn)為買家; 當(dāng) 時, 表現(xiàn)為賣家; 設(shè) M 為買家節(jié)點集合, 為賣家節(jié)點集合, 即 和 分別為該微電網(wǎng)內(nèi)買家和賣家的數(shù)量. 在 P2P 電能交易過程中, 買家總購電功率和賣家總售電功率用式 (5) 和式 (6) 表示: e k TBP = ∑ NM i=1 e k net,i (5) e k TSP = ∑ NQ j=1 e k net, j (6) 式中, TBP 表示買家總購電功率, TSP 表示賣家總售電功率.

　　3.2 博弈模型

　　本文提出的基于區(qū)塊鏈技術(shù)的 P2P 電能交易模型的目標(biāo)在保證買賣雙方獲得效益的的基礎(chǔ)上, 實現(xiàn)能源高效利用. 電能交易情況分類如下式所示: ????????????? eTSP = 0 (無內(nèi)部電力交易) 0 < eTSP < eTBP (非合作不完全信息博弈) eTSP > eTBP ≥ 0 (內(nèi)部電力交易電價為pg)

　　式中, 當(dāng) 時, 即用戶 PV 功率不足, 此用戶以低于電網(wǎng)的售電價格 購電; 當(dāng) 時, 即同時存在需要購電和需要售電的用戶, 此時則應(yīng)使得內(nèi)部電價盡量滿足買賣雙方的購售電效益; 當(dāng)時, 即微電網(wǎng)內(nèi)存在過剩的 PV 產(chǎn)能, 此時需要向電網(wǎng)出售電能. 假設(shè)內(nèi)部電價定為 , 出售價格定為 . 當(dāng) 時, 買賣雙方形成了非合作不完全靜態(tài)博弈模型, 其中買家為引領(lǐng)者, 賣家根據(jù)電價制定最佳用電策略. 該博弈模型 表示如下: S = { (NM ∪NQ),{Ei}i∈NQ ,{Ui}i∈NQ ,P,R } (8)

　　式中, 賣方用戶 根據(jù)買方用戶 的電價制定最佳用電策略; 為賣家 的用電量的策略集; 為賣家的用電效益, ; P 為既定范圍內(nèi)的內(nèi)部電價策略集, R 為買家購買電能的總費用, 如下式所示:

　　R = ∑ j∈NM Rj = p ∑ i∈NQ (ePV,i −eL,i) + pgs ????????? ∑ j∈NM (eL, j −ePV, j)− ∑ i∈NQ (ePV,i −eL,i) ????????? (9) C eTSP j wj 在微電網(wǎng)內(nèi)買家用戶集合的購電費用 最低時, 只要將總售電功率 以負(fù)荷需求比例為依據(jù)分配給各個買家. 此時買家 購電量 為: wj = eTSP eL, j −ePV, j eTBP j ∈ NM (10) S 為了實現(xiàn)買家的購電費用以及賣家的用電效益最大這一目標(biāo), 微電網(wǎng)內(nèi)的買方用戶群會制定最優(yōu)的內(nèi)部電價, 同時賣家也會根據(jù)這一電價選取最優(yōu)用電計劃. 該博弈 的貝葉斯納什均衡即該問題的最優(yōu)解[12] .

　　4 算例分析

　　4.1 算例描述

　　本文通過一個社區(qū)微網(wǎng)算例來研究的 P2P 電能交易平臺對配電網(wǎng)的影響. 該社區(qū)微網(wǎng)代表了一個典型的三相低壓郊區(qū)住宅系統(tǒng), 本文選取了 5 名用戶作為樣本. 圖 8 是該樣本在一天 24 h 內(nèi)需求負(fù)荷曲線圖. 饋線首端電壓設(shè)置為固定值, 低壓二次網(wǎng)無有功電壓調(diào)節(jié). 網(wǎng)絡(luò)由 708 個節(jié)點之間的 707 個線路對組成的串聯(lián)阻抗 (由電阻和電抗組成). 該社區(qū)微網(wǎng)共有 55 名居民用戶, 幾乎平均分布在饋線的 3 段 (A 段 21 名用戶, B 段 19 名用戶, C 段 15 名用戶). 仿真過程每隔 5 分鐘計算以下參數(shù): 每個用戶連接點的電壓、電網(wǎng)各支路有功、無功功率、每條支路中的有功功率損耗、低壓違規(guī)次數(shù)、高壓違規(guī)次數(shù)以及三相電壓不平衡度等.

　　為了研究分布式能源資源滲透率極高的未來網(wǎng)絡(luò)場景, 并為 P2P 電能交易創(chuàng)造條件, 該社區(qū)微網(wǎng)中都增加了光伏 (PV) 發(fā)電和電動汽車 (EV) 充電需求. 住宅光伏單元視為每個負(fù)載點的有功功率注入. 光伏發(fā)電機(jī)組容量在 1.6 – 4 kW 之間, 采用最大功率點跟蹤, 并以固定單位功率因數(shù)運行. 本文使用的電動汽車充電數(shù)據(jù)來源于實際汽車充電數(shù)據(jù), 其中每個電動汽車充電器的額定功率為 3 kW. 表 1 列出了安裝的 PV 和 EV 容量.

　　通過配電網(wǎng)仿真分析某一天中電網(wǎng)的功率流和電壓的變化. 本文為了方便進(jìn)行比較研究, 分析了以下兩種情況:

　　場景一. 在不進(jìn)行 P2P 電能交易的情況下, 利用圖 7 所示的需求負(fù)荷曲線、EV 充電需求和 PV 發(fā)電輸出功率進(jìn)行配電網(wǎng)仿真.

　　場景二. 基于 P2P 電能交易平臺的基礎(chǔ)上, 采用與場景一相同的輸入數(shù)據(jù), 和本文提出的基于分布式雙邊拍賣機(jī)制, 進(jìn)行 P2P 電能交易與配電網(wǎng)的協(xié)同仿真.

　　4.2 算例結(jié)果分析

　　OpenDSS 網(wǎng)絡(luò)仿真中記錄的有功、無功輸入/輸出情況如圖 9、圖 10 所示. 由于該算例研究具有非常高的 PV 滲透率, 因此在一天的中午, 變電站有一個凈輸出, 此時有功及無功功率皆為負(fù)值. 本文假設(shè)低壓網(wǎng)絡(luò)能夠適應(yīng)雙向潮流. P2P 電能交易的最大交易量發(fā)生在 17:00 到 20:00 之間, 如圖 9 和圖 10 中的虛線所示. 可以看出, 在這段時間里, P2P 電能交易對有功功率和無功功率影響較大.

　　表 2 給出了配電網(wǎng)仿真的數(shù)據(jù)結(jié)果. 這些結(jié)果表明, 在 P2P 情況下, 配電網(wǎng)的凈輸出在一天中增加了約 19 kWh. 無功電量減少 6 kvarh 以上. P2P 能源交易最大復(fù)功率和網(wǎng)絡(luò)有功功率損失均無顯著變化. P2P 能源交易對配電網(wǎng)電壓的影響也可以通過電壓不平衡度來測量. 本文定義相位電壓不平衡率 (PVUR) 為平均相位電壓的最大電壓偏差占平均相位電壓的百分比. 如表 2 所示, 與場景一相比, 場景二的 PVUR 略微降低.

　　圖 11 是場景一和場景二電壓分布差異示意圖, 以百分比值表示. 從圖中可以看出, P2P 電能交易對電壓影響最顯著的時間段是 17:00–20:00.

　　仿真結(jié)果表明, 在該算例中, 中等水平的 P2P 電能交易對配電網(wǎng)運行性能沒有顯著影響. 從表 2 中可以看出, 最大復(fù)功率沒有受到顯著影響, 場景一和場景二 的差異小于 1 kVA. 圖 11 的結(jié)果顯示, 即使在 P2P 電能交易對電壓影響最顯著的時間段, 電壓分布也只有微小的差異.

　　5 結(jié)論

　　本文在基于區(qū)塊鏈和能源互聯(lián)網(wǎng)的條件下, 提出了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的 P2P 電能交易市場機(jī)制與配電網(wǎng)協(xié)同仿真的框架. 采用分布式雙邊拍賣技術(shù)和智能合約, 通過建立的數(shù)學(xué)模型和博弈模型對 P2P 電能交易機(jī)制進(jìn)行了仿真分析. 與傳統(tǒng)的電力市場交易模式相比較, P2P 電能交易模式減少了不必要的電力損耗, 使資源成本和交易成本最小化. 在算例分析中, 設(shè)置了場景一和場景二, 通過兩個場景的仿真分析結(jié)果, 從功率和電壓兩個方面研究了 P2P 電能交易對配電網(wǎng)運行的影響并驗證了其潛在效益. 本研究對推動區(qū)塊鏈在電能交易中的落地應(yīng)用、保證用電安全穩(wěn)定、實現(xiàn)能源平衡以及使得與區(qū)塊鏈相結(jié)合的 P2P 能源交易機(jī)制獲得更大范圍的接受有著重要意義.