区块链在能源交易与协同调度的应用前景:提升电力交易的自由度和实时响应效率

2019-11-04 16:31:01 能源情报  点击量: 评论 (0)
我国新能源发展已经走在了世界前列,水电、风电、太阳能发电装机已均居世界第一。为了进一步构建清洁、高效、安全、可持续的现代能源体系,...
我国新能源发展已经走在了世界前列,水电、风电、太阳能发电装机已均居世界第一。为了进一步构建清洁、高效、安全、可持续的现代能源体系,国家大力推进能源互联网的试点与示范工程,积极探索支撑能源互联的新技术、新模式、新业态。能源互联网是促进我国能源转型的重要手段,而特高压、云计算、大数据、物联网、区块链等被认为是能源互联网的关键支撑技术。
 
(来源:微信公众号“能源情报”ID:eipress 作者:龚钢军 张桐 魏沛芳 苏畅 王慧娟 吴秋新 刘韧 张帅)
 
能源互联网是能源网络和互联网深度融合的产物,能源互联网集合智能电网、智能石油网、智能燃气网、智能水网等多个行业,包括二次能源的电力和产生电力的一次能源风能、太阳能、核电、生物质能等,以及传统石化能源、环保节能、排放控制、垃圾发电、余热利用等的多元互动、优化配置的能源网络。目前,由于我国能源的生产、调度、运维等属于不同行业部门,存在管理权限和利益划分等问题,致使能源互联网的研究设计与示范工程建设往往是针对局部、小范围的规模开展的,具体面临的制约因素主要体现在以下方面:
 
1)调度交易方面的横向分布:交易完全去中心化后能源端多源互补的智能交易方式,以及清洁能源与化石能源的互备与平衡制约因素;
 
2)调度交易方面的纵向分布:调度部分去中心化后源、网、荷、储下的协同调度模式与物理约束因素;
 
3)网络层:能量流与信息流的路由交换与分配模式,以及不同行业的能量流物理承载网络和信息流通信网络的专网专用安全隔离体系的制约因素;
 
4)用户层:售电侧放开后售电公司和大客户直购电、微网交易、多表合一、储能设备的充放电、基础设施的信息物理融合等模式及制约因素。能源互联网具有“网架坚强、广泛互联、高度智能、开放互动”的四大特征,实现了以开放为基础的对等互联式的能量交换与分享,以及能量流和信息流的高度融合与智能控制。区块链作为一个分布式的数据库和去中心化的P2P对等网络,具有智能合约、分布决策、协同自治、防篡改的高安全性和公开透明性等特征,天然上在运行方式、拓扑形态、安全防护等方面与能源互联网有相似之处,可以很好的支撑能源互联体系的建设。
 
文献中提到麦肯锡研究报告(2016年7月)指出了区块链技术是继蒸汽机、电力、信息和互联网科技之后最有潜力触发第五轮颠覆性革命浪潮的核心技术。文献提出了一种利用区块链技术实现能源互联网多模块系统分布式决策和协调自治的机制框架,探讨了区块链和能源互联网融合的关键技术;文献提出了能源互联网中基于区块链的弱中心化管理电力交易方法,使得各市场参与者基于智能合约自发交易;文献提出了一种基于区块链的去中心化的储能系统自动需求响应方案,能源互联网中各响应主体根据系统的实时运行情况及参数,按照既定准则自动调整自身功率需求;文献针对能源互联网以及分散能量市场的条件下需求侧响应资源参与市场交易中存在的问题,提出了基于区块链技术的综合需求侧响应资源交易整体框架。文献结合电力市场中大用户直购电的需求与特点,构建了基于区块链技术的大用户直购电交易框架,从市场准入、交易、结算和物理约束等 4 个方面阐述了区块链技术在大用户直购电中的应用模式。以上文献在电力市场交易、自动需求响应、多模块系统分布式决策和协调自治等方面阐述了能源互联网下区块链的去中心化、智能合约、分布式决策、协同自治、交易的物理约束等应用模式,但并没有完全结合现阶段我国能源互联面临的制约因素,通过将区块链的架构与节点映射到能源互联网的层次架构模型和关键功能节点,构建基于区块链的能源互联网模型,以及能源互联网在交易完全去中心化后的智能交易模式和调度部分去中心化后的垂直分级调度系统和多级变电站的协同调度模式。因此,本文针对区块链与能源互联网的相似网络拓扑形态,从区块链与能源互联网的技术融合角度出发,研究在区块链技术的区块链支撑下能源互联网的层次架构模型和关键功能节点,构建了具有“交易完全去中心化,调度部分去中心化”特点的基于区块链的能源互联网智能交易与协同调度模式,力求实现能量流和信息流的安全传输与分配。
 
1 能源互联网网络模型与区块链应用场景模型
 
1.1 能源互联网网络模型
 
能源互联网为扁平化的能源体系结构,在拓扑形态上更加接近于互联网。文献借鉴开放系统互连(opensystem interconnection,OSI)模型,提出了由接入层、配控层、传输层、策略层和应用层等组成的能源互联网 5 层参考模型,用于指导任意两个能源开放系统之间的互连。为了更好的分析能源互联网的结构特点,本文认为应从物理架构层次和逻辑协议层次 2 个角度分析能源互联网的层次模型。
 
1)物理架构层次角度:能源互联网强调各个能源体系之间的相互协调与互联互通。从能源交易层讲,能源互联网主要包括煤、石油、天然气化石能源,以及水、风、光、生物质、潮汐和核能等清洁能源;从调度传输层讲,包括电网、天然气管网、石油管网等行业网络;从用户层讲,包括微网、售电公司、工商业用户、居民用户、电动汽车等具有虚拟电厂功能的储能设施。具体如图1所示。
 
区块链在能源交易与协同调度的应用前景:提升电力交易的自由度和实时响应效率
 
能源互联网的物理功能架构模型应包括:能源交易层、调度传输层和用户层。其中,①能源交易层主要包括各类能源的生产模块和总体分配交易模块。能源生产模块如电力行业的各类电厂、石油行业的石油精炼厂等;分配交易模块如电网调度、石油调度、天然气调度等。各类能源在该层结构中可实现多向交易,如石油电厂、天然气电厂、石油精炼厂用电等。②调度传输层主要包括各类能源专属的传输通道,如石油行业的管道传输站、天然气供应领域的升压站以及电力行业的国调、网调、省调、市调、县调及各级变电站构成的调度传输体系。调度系统依照分配交易模块在上一层级达成的交易协议以及自身调控需求进行能源调度分配,在该层结构中,各行业能源之间实行专网隔离,传输通道和调度系统均不互相干扰,以保障能源调度传输的高效性和安全性。③用户层主要包括各类能源的消费者。消费者并非仅使用单一能源,且存在微网、储能节点等,以及开放式售电的逐步推进,故存在应用端之间的数据交互和交易。该物理架构下的能源交易层和用户层实现了多类能源的横向互补,因此网络上是互联互通的。但调度传输层需要行业专网专用,故为横向隔离的。原因在于,国家发改委颁布的《电力监控系统安全防护规定》(发改委第14号令)、《电力监控系统安全防护总体方案》等6个配套文件(国能安全[2015]36号);工信部也颁布的《工业控制系统信息安全防护指南》(工信软函[2016]338号)、《工业控制系统信息安全事件应急管理工作指南》(工信部信软[2017]122号)等文件均要求能源行业安全防护遵循“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”的十六字方针。因此,图1中能源互联实现了“源端横向各行业能源的互联互补、纵向相互隔离的各行业源网荷储的协同调度、用户端用户负荷的横向互联互补”的架构,即能源互联网可分别在能源交易层和用户层横向互联,而不能在调度传输层互联互通,否则违背信息安全防护要求。
 
2)逻辑协议层次角度:能源互联网综合运用云计算、物联网、大数据与自动化等方面的技术,将大量由分布式能量采集与储存装置和各种类型负载所构成的新型电力网络节点互联起来,实现能量与信息双向流动的能源交易与共享。能源互联网结构上类似于互联网,强调网络体系的广泛互联与信息处理的高度智能,需要实现能量流的智能交易、协同调度、路由传输与分配等,以及信息流和业务流的路由传输与交换。因此,借鉴 TCP/IP四层模型,本文认为能源互联网参考模型应由信息物理融合层、网络传输层、信息融合层、调度交易层等组成的。其中,①信息物理融合层:强调能源互联网的发展也是遵循工业化和信息化融合的思路,为了满足能源互联网广泛互联、高度智能、开放互动的特点,信息物理融合是必须的。信息物理层涉及配用电系统涵盖的分布式光伏、分布式风电、储能装置及电动汽车等,完成分布式能源及储能设备的即插即用,电动汽车负载,并通过计算、通信以及控制技术实现了能源互联网一次系统与二次系统的深度融合,也是能源互联网的智能数据采集与控制的关键基础层。②网络传输层涉及能源路由器、汇聚能源交换机、本地能源交换机以及能源交换机通过对设备模型的自动辨识,完成电网内部电能和信息的交换和管理、网络运行的安全可靠、能源使用的高效经济。③信息融合层基于大数据分析能源互联网的海量数据,通过对典型应用建模,提取数据特征,实现智能化、精细化决策与管理,与网络传输层和信息物理融合层共同支撑应用层面的调度交易层。④调度交易层采用“互联网+”技术,实现能源互联网源端的各类能源与用户之间的中远期和实时竞价交易、能源协同调度、运营效益评估、设备状态评估和用户互动服务。
 
1.2 能源互联网与区块链融合点分析
 
能源互联网基于化石能源和清洁能源的混合互补模式,打破了传统能源产业之间的供需界限,极大程度地促进电力、石油、天然气、热等能源的互联、互通和互补。电力系统是能源传输的最主要和成本最低的首选方式,也是能源互联网的基础,但现有电力管理体制下,各电力调度部门因掌控调度权而处于行业强势地位。同时,为了确保电网的安全稳定,在电网多级调度中心的调控下承载能量流的电网与不同发电企业通过统一的电力交易平台进行电量的中长期或日前交易,不符合能源互联网“开放、对等、互联、分享”的特性。而区块链除了数字货币领域的规模化应用外,在能源交易、银行间联合贷款清算等领域的应用正处于快速发展阶段。区块链技术的分布式、智能性、市场性以及融合性与能源互联网理念不谋而合,基于区块链技术可以将能源互联网概念升级到能源互联网2.0时代,即能源区块链时代。区块链能够为现有能源互联网一些不能落地的问题提供有效的解决方案,具体如表1所示。
 
区块链在能源交易与协同调度的应用前景:提升电力交易的自由度和实时响应效率
 
1.3基于区块链的能源互联网模型
 
区块链与能源互联网具有相似网络拓扑形态,可从区块链与能源互联网的技术融合角度出发,将区块链架构与节点映射到能源互联网的层次架构模型和关键功能节点,构建了具有“交易完全去中心化,调度部分去中心化”特点的基于区块链的能源互联网模型(如图 2 所示)。
 
区块链在能源交易与协同调度的应用前景:提升电力交易的自由度和实时响应效率
 
首先,针对区块链技术在运行方式、拓扑形态与能源互联网有天然相似之处,该模型借鉴了区块链技术明确能源互联网节点的功能与类型。区块链技术旨在确保网络中每一个节点都参与数据交互及记录管理等工作,以此实现去中心化的特点及节点间的相互信任。然而,节点之间不可避免地存在算力差异,不能要求所有节点都能提供等量的算力资源,故节点类型分为以下两类:
 
1)全节点:传统意义上的区块链节点,包含有完整的区块链数据,支持全部区块链节点的功能;
 
2)轻型节点:依靠全节点而存在的节点,无需为区块链网络提供算力,仅需保留区块链的部分数据,参与对交易数据的验证。
 
因此,该模型参照区块链节点类型,并依据能源互联网中源–网–荷–储–调度等各节点的计算能力、交易特性、调度特性和数据重要性等特点,将能源互联网各节点作如下分类:1)能源端节点、各类售电公司节点定位为交易类全节点,该类节点计算和存储能力最强,具有计费和结算、保存完整区块、路由、查询和验证等完整功能;
 
2)能源传输网络中各级调度、各级变电站、天然气调压站、石油泵站等定位为调度类全节点,该类节点在计算和存储能力上与交易类全节点类似,同样具有保存完整区块、计费和结算、路由、查询和验证等完整的区块链功能;此外该类节点又独有协同调度功能,因此与交易类全节点分开命名以示区分;
 
3)用户侧常规的用能节点,如居民用户、商业用户、工业用户、混合用能用户、加油站、液化气站、微网节点、储能节点等定位为轻节点,该类节点算力输出十分有限,且存储空间不足以保留完整区块链,因此仅具有保存数个月内区块链、路由、查询及验证等基础功能。其次,针对区块链作为一个分布式的数据库和去中心化的点对点对等网络的特点,该模型基于区块链技术实现交易的完全去中心化,并以智能合约的方式部署在区块链上,实现不依赖任何中心机构自动化地代表各签署方执行合约进行交易,具有自治、去中心化等特点。
 
目前,电力市场的中长期交易和日前交易属于非实时性交易操作,因此完全可通过区块链技术构建基于信任机制的能源互联网售电公司与源端间的完全去中心化的交易模式。交易完全去中心化有利于使源–售两端沟通协商更加便捷,提升交易时效性和需求匹配性。最后,针对电能作为一种特殊的商品形式,必然要受到调度管控限制的特点,该模型基于分布式决策和协同自治模式,突破现有垂直多级集中式调度的约束,通过区块链技术实现源–网–荷–储等各类节点共同参与系统调度,使电力系统具备大规模分布式实时协同自治的能力,将从广域协同调度模式过渡到集群智能,有利于解决大规模分布式节点的实时调度优化问题。同时,考虑到电网安全性的保障是首要前提,因此在实践中尚不能完全放弃调度机构,不可仿照交易的完全去中心化模式,只能开放部分权限,实现调度部分去中心化。调度对于电网安全运行的保障主要体现在对物理条件的约束与阻塞管理,相对于石油和天然气而言,电能只能实时传输、尚不能实现大容量和高效存储,电能商品的生产和消费大多是以具有一定持续时间的“能量块”的形式进行。基于区块链的能源互联网在交易完全去中心化后,源–网–荷–储等各节点基于智能合约达成的中长期交易和日前交易的顺利执行必须满足能源传输网络的物理约束条件,方能避免能量流的阻塞。电力系统中物理约束条件有功率约束、商业收益约束、网损约束等,功率平衡在潮流方程中为电力系统运行的主要物理约束。因此,基于区块链的能源互联网在实现智能交易时,必须遵循源–网–荷–储–调度等各节点协同调度的物理约束条件,方能有效保证能量流的高效、合理、有序的路由传输与交换分配。
 
2 基于区块链的能源互联网智能交易与协同调度模型
 
在现有区块链分类体系下,比特币和以太坊是公共链,区块链联盟R3和超级账本(Hyperledger)是联盟链,而专注于为企业提供区块链服务的CoinScience和 Eris Industries 是私有链。能源互联网中横向多源互补、配电侧售电公司和大用户与能源端的纵向交易,以及与微网的横向交易、电网的纵向协同调度、用户端的能源替代等具有不同的特点,采用单一的区块链模式进行搭建,无法满足模型的正常运作,应根据需求分别采用联盟链、私有链或公共链进行模型的搭建。图2中基于区块链的能源互联网模型将区块链架构与节点映射到能源互联网的层次架构模型和关键功能节点,有助于进一步探讨能源互联网在交易完全去中心化后的智能交易模式和调度部分去中心化后的垂直分级调度系统和多级变电站的协同调度模式,以及相应的电网安全校核与物理约束条件。因此,结合基于区块链的能源互联网模型,本文构建了基于区块链的能源互联网智能交易与协同调度模型,形成了包含源-售交易链(BC1)、变电站自治链(BC2)、电网调度链(BC3)、石油调度链(BC4)、燃气调度链(BC5)和用户交易链(BC6)的体系结构,具体如图 3 所示。
 
区块链在能源交易与协同调度的应用前景:提升电力交易的自由度和实时响应效率
 
1)为满足交易完全去中心化的要求,能源交易层的各类能源模块不仅需要与调度对接,更需要与各类售电公司在可信的环境下形成点对点的直接电能交易,因此需要以各类能源模块和售电公司为网络节点,搭建源–售交易链(BC1)。该区块链负责各类能源节点和售电公司节点的身份验证与注册、点对点交易和分布式决策,并以智能合约方式存储和管理由源–售双边交易方案和数据,构建完全去中心化下的可信交易环境;此外,通过对前一区块数据的分析,可指导下一阶段能源互补的分配和点对点交易方案的形成。源–售交易链(BC1)中涉及能源模块和售电公司两类节点,不同节点分属不同企业,该区块链的类型定义为联盟链。源–售交易链(BC1)需要保障节点之间有足够时间形成交易方案,可依照实际运行环境及具体实时性要求预设区块生成时间间隔(如:数小时、天、月、季)。
 
2)能源各行业“安全分区、网络专用”的安全要求致使调度传输层无法实现由一条区块链涵盖整层数据储备,原则上每类能源分配一条区块链,视实际需求可酌情添加或合并。例如电力行业可分设变电站自治链和电网调度链。其中,①变电站自治链(BC2)的节点由各级变电站组成,对生产数据的管理、分析以及对交易的核准通过等工作也由变电站自治链完成,各级调度负责数据传输、汇总、备份,以及指导变电站自治等工作;②电网调度链(BC3)的节点由各级调度中心组成,在该链运作状态下,变电站主要负责提供生产数据,参与部分运算和校验,决定权仍在调度。以电网调度为例,其各级调度均具备全节点所需的算力水平、存储性能等综合属性,所以各级调度均可视为全节点。但在现有体系下,国调、网调、省调在算力等属性上很明显高于市调、县调,故电网调度链(BC3)在制定决策、生成区块等工作的算力分配问题上,不会以传统区块链记账权竞争的方式进行分配,而是会视实际调度节点等级而有所侧重。此外,由于专网隔离的实际需求,调度传输层的区块链均为私有链,所以,石油调度链(BC4)和燃气调度链(BC5)的主营业务都是化石能源,但由于调度建制不同,依然需要视为两个网络分设管理。
 
3)用户层存在多种角色,居民用户、商业用户、工业用户等一般不存在售电行为,而储能节点、虚拟电厂、微网用户既是购电方也是售电方。而且该层级涉及用户数量庞大,交易实时性更强,交易密度也更高,因此采取公共链的构建方式更为科学。用户交易链(BC6)中所有节点均可自行选择是否参与记账权竞争,无需预先设定。售电公司等拥有服务器集群的大型节点具备该层级最高的算力及存储能力,一般作为全节点运作,负责输出算力等各类工作;而用户拥有的平板电脑、手机、PC等终端设备不具备与大型服务器集群竞争的算力性能,故绝大多数作为轻型节点使用,仅参与校验等工作。其中,售电公司有其特殊性,既需要参与用户交易链(BC6)的构成,又需要与能源交易层的源端节点构成源–售交易链(BC1)。用户交易链不仅实现网络内交易信息记录,防止恶意篡改和违约,同时能为售电公司提供数据参考,辅助售电公司制定未来的购电计划。
 
3 基于区块链的能源互联网物理约束管控策略研究
 
基于区块链技术的双边智能交易极大地提升了电力交易的自由度和实时响应效率,但在基于区块链构建的交易完全去中心化和调度部分去中心化的智能交易与协同调度模型中,交易的达成必须经过调度系统的安全校核,其中包括有功功率、无功功率、线损等约束条件。因此,如何在尽量满足用户交易需求的同时,对物理约束限制带来的风险进行有效管控,保障电网安全稳定高效运行,成为了必不可少的研究内容。基于此,本文提出了一种基于区块链的变电站自治与调度监管协同作用的能源互联网物理约束管控策略。
 
3.1变电站自治的物理约束管控策略
 
当用户 A(售电公司或大型企业)和电厂 B 以双边交易的方式,基于智能合约达成交易共识后, 源–售交易链(BC1)会结合该笔交易的相关信息,先对该交易方案的可行性进行初步解析,分析内容包括方案已提交次数、距首次被驳回的时间(若方案为首次提交则跳过该步骤)。为提升交易成功率,减少不必要的算力支出,每套交易方案仅允许在单次交易申请周期Δt 内提交3次,若超过3次或在Δt 内未能形成满足物理约束的方案,则该方案作废,方案所涉及的源、售端节点将不能于本时段再次申请交易。该步骤起到了约束各节点慎重提交交易方案的作用,相对低频但高效的申请状态有利于提升模型整体的运作效率,同时能在一定程度上预防潜在的DDoS攻击风险。在调度约束的许可范围之内,交易申请周期Δt 可依据实际应用环境进行自定义。此外,在保障调度有足够的算力和资源维持电网安全稳定运行的前提下,为了满足交易频次要求较高的现货市场的交易需求,可将交易申请周期Δt 缩短至小时级别,减少因交易方案未能及时通过带来的经济损失。
 
(具体的演算过程,这里省略掉了,需要深入学习的请私信交流)
 
4、总结
 
能源互联网融合了多种能源、多类信息,是今后能源行业发展的必然趋势;而区块链技术因其独特的去中心化、防篡改、去信任等特性,在应用于能源互联网建设的问题上,具备天然的适应性和契合性。
 
本文在简要概括了这一特性的基础上,提出了基于区块链技术的能源互联网物理层次架构和逻辑协议层模型;设计了能源互联网在交易完全去中心化后的智能交易模式;探讨了在调度部分去中心化后,基于区块链的垂直分级调度系统和多级变电站的协同调度模式;定义了该模式下各级调度、电厂、变电站、售电公司与各类用户的节点属性和任务职能,以及处在不同层级、由不同节点所构成的各区块链的类型;探究了变电站自治与调度监管申请协同作用的物理约束管控及电网安全校核策略;最后,形成了以“交易完全去中心化,调度部分去中心化”为特点,基于区块链技术构建的智能交易与协同调度模式,为实现能源互联网高效安全运行贡献了方案及思路。目前针对区块链和能源互联网的研究尚处于初级阶段,望本文能对相关技术领域的发展起到积极地推进作用。
 
原标题:区块链在能源交易与协同调度的应用前景

 

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责任编辑:叶雨田

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