摘要:
售电侧市场环境逐渐开放和分布式能源(distributed energy resources,DER)的发展给微网(micro-grid,MG)运行带来了机遇与挑战。端对端(peerto peer,P2P)电能交易可以优化能源结构,充分发挥分布式能源的优势,提高能源系统的效率。文章以微网P2P电能交易系统为研究对象,在考虑我国现有电力改革政策的前提下,在稳态层面提出亟需解决的三大关键问题:分布式能量流如何优化传输,高效通信系统如何建立,P2P电能交易过程中涉及到用户支付问题如何解决。就这些问题,从能量流,信息流,货币流的角度,阐述微网端对端电能交易系统相关分析的解决办法,从工程角度分析新形势下微网P2P电能交易过程中的关键设备及核心软件平台,为推动我国分布式发电市场化交易及落地提供一些建议。
关键词:售电侧改革;微网;电能交易;博弈论;端对端(P2P);区块链
来源：电力建设 作者：王丹1.2、苏朋飞1.2、桂勋3、刘博1.2、王伟亮1、马喜然1.2
(1.天津大学智能电网教育部重点实验室,天津市300072;
2.天津大学青岛海洋技术研究院,山东省青岛市266235;
3.电子科技大学能源科学与工程学院,成都市610031)
0引 言
在中国新型城镇化建设过程中,清洁能源的高效利用是其重要特征。随着分布式能源(distributed energy resources,DER)在电网边缘的扩散,分布式高比例新能源消纳问题成为了新型城镇化建设过程中的一个核心问题,而端对端微网(micro grid,MG)电能交易作为解决这一问题的新思路正逐渐被广泛研究。但是,由于现有电力系统的发电和供电模式都是以集中式方式设计,分布式发电所需的电网公共服务和电力市场交易机制还不完善,未能充分发挥分布式发电在电能利用方面的经济性,安全性等优势。
针对上述问题,近年来,国家出台了一些支持政策,鼓励分布式发电市场化交易[1],鼓励微网内就近用户之间通过端对端(peerto peer,P2P)电能交易来优化自身能源结构,最大限度减少能源损失并降低电力成本,从而减少对主电网的依赖及对环境的危害。新电改9号文中提出鼓励社会资本(含个人)通过建设合格的分布式电源等途径直接参与售电业务,在满足自身用电需求后,可以通过向电网缴纳一定数量的过网费后获取收益。此外,在政府监督与电网公司的优质服务环境下,用户的满意度也得到提高。但由于微网内用户各自具有不同的发电,储能,用电设备,以及不同的电能需求,不同的用能偏好等,导致用户在家庭内部电能管理方面有着各自的优化目标。
为此,国内外的专家学者已经对微网P2P电能交易技术进行了一些研究,其中,微网P2P电能交易系统稳态分析是相关领域研究的基础,是探究分布式发电耦合特性,电能优化调度,协同规划,安全管理等方面的核心所在 。本文以微网P2P电能交易系统为研究对象,首先在考虑我国现有电力改革政策的前提下,结合信息互联网领域P2P技术特性,设计售电放开政策下微网P2P电能交易系统,并就该系统在稳态层面提出亟需解决的三大关键问题:分布式能量流如何优化管理,高效的双向通信系统如何设计,P2P电能交易过程中涉及到用户支付问题如何解决。其目的是提出一种分析微网分布式电能交易系统的新思路,并分析工程上实现P2P电能交易所需关键设备及软件平台,为推动我国分布式发电市场化交易及落地提供一些建议。
1售电侧市场开放环境下微网 P2P电能交易系统设计
近年来,随着售电市场逐渐放开,在能源格局,交易对象,用户选择权等方面将发生巨大变化[3]。
在此背景下,P2P电能交易因其有助于降低电能交易门槛和用户使用能源的费用,被大量研究用于帮助用户实现自由的电能交易,建立更加开放,对等,透明的分布式发电交易市场,提升DER消纳率,提高能源系统的效率
在P2P电能交易领域,分布式发电市场化交易系统中的各终端用户节点对等,当一个节点有剩余电能时可以与网络中其他节点直接交易。与信息互联
网P2P技术不同的是,电力系统因其自身特点,P2P电能交易系统稳态建模方面主要面临以下问题:面对分布式发电间歇性,波动性的供能环境,如何在现有实体电网结构下,充分发挥DER在电能利用方面的节能,经济和安全等优势。表1为集中式和分布式电网架构对比。
表1集中式电网架构和分布式电网架构对比
为解决上述问题,本文采用在集中式电网架构下,构建微网内用户之间分布式网络架构的异构混合网络,如图1所示。系统整体仍然是集中式的分层架构,但是在微网层,用户之间采用分布式的网络架构。这里的分布式指电能传输的分布式,信息通信的分布式,电能交易的分布式。在分布式的网络架构下,各个用户地位对等,不需要控制中心统一控制,各节点之间对等地交互自家的电量和电价信息。
相比传统集中式电网内控制中心统一管理所有用户数据,分布式网络架构将控制中心的权利下放给微网内各用户,各用户有权利直接进行一些决策。当用户发出电能需求时,微网内用户通过智能电表进行电力信息交互,然后选择最合适的方法进行电能购买。一方面,大大减轻了配电网控制中心的业务量,减轻了控制中心的负荷,提高了用户侧需求响应的效率,使得整个系统更加灵活;另一方面,用户利用自身分布式发电及储能装置,通过自主发电或储能,在分布式发电市场化交易中获取经济收益,并减少了对主网的依赖。
在该网络架构下,构建P2P电能交易系统稳态分析模型主要解决以下3个关键问题。
(1)从电能流的角度:分布式架构下,系统内电能流动也是分布式的,采用何种电能调度策略能减少传输损耗,最大化用户收益,是P2P电能交易系统的一个关键问题。
(2)从信息流的角度:由于DER位置的不确定
性及DER发电的不可控性,将给微网的通信网络带来挑战。因此,研究高效的双向通信系统将有助于利用可靠,实时的信息提高电网系统性能。
(3)从货币流的角度:P2P电能交易过程中涉及到用户支付问题,可以采用区块链技术来实现分布式记账,同时利用区块链技术本身特点,保障用户的隐私及交易安全,提高网络可靠性。
图1未来新型架构下的分布式微网P2P电能交易系统
2基于博弈论分布式电能优化调度策略
DER在微网渗透率的提高,使得在微网中电力流动呈现多样性的特点 用户不再只是从电网购电,还可以从自家的DER以及通过P2P电能交易系统从其他有多余电能的用户获取电能。相比于传统集中式电网,分布式电网电能调度更为复杂。可以将P2P电能交易系统看作一类自适应的分布式网络。此类网络具备自学习,自组织和自优化的特点[6]。前2个特点是自适应分布式网络本身具备的,而第3个特点则需要相应的分布式优化算法实现。相对于传统的分布式优化算法,博弈论考虑优化目标中多方对抗或合作的因素,基于博弈论模型研究分布式发电市场主体能更接近实际情况,反映了网侧与用户侧的独立决策过程,避免人的主观偏见,很好地体现参与者的主观能动性与个体理性,有助于解决分布式发电市场不同利益主体之间冲突问题,在一定程度上提高了微网的灵活性和智能性图为基于博弈论电能优化调度框架。
近年来相关研究已取得一定进展,促进了分布式发电市场化交易的发展。本文按照分布式发电市场参与者是否互相联合,分别采用合作博弈论模型和非合作博弈论模型进行讨论,并针对博弈论模型给出求解算法。
2.1基于博弈论原理的分布式电能调度模型
2.1.1基于合作博弈论分布式电能调度模型
在合作博弈中,具有相似目标函数的博弈者能够相互沟通,形成联盟。由于可再生能源供应间歇性和随机性等特点,使得这些电源仅依靠自身的调节能力于非合作博弈理论用户间零售电力市场电能交易模型,仿真结果验证了该非合作博弈模型的有效性。在研究产消者之间储能单元的非合作博弈时,文献[21]制定了一个MG间交易储能电能的非合作博弈论模型。文献[22]则考虑了包括电网公司,MG和电力用户在内的所有相关方之间的相互作用,并提出了一个两阶段Stackelberg博弈:第1阶段,电网公司和MG作为博弈的领导者将电价作为发电成本,电力损失和电力销售收入的函数,博弈解即为设定电价;第2阶段,消费者根据设定的价格调整他们的需求。通过该博弈模型,有效提升了分布式能源的利用效率。
2.2分布式电能调度博弈模型策略学习算法
针对不同的应用场景,所设计的博弈模型为微网内分布式电能优化调度问题提供了有效的求解框架 然而博弈模型中的参与者如何在博弈阶段的动态决策过程中收敛到均衡状态,是博弈设计中的第2方面问题:设计策略学习算法。本节介绍2种常用的策略学习算法。
2.2.1剔除劣势策略方法
在任何情况下,其他策略的收益都大于该策略,则该策略是劣势策略。纳什均衡即逐步剔除劣势策略后的最佳结果。文献[24]将微网内风,光,储,燃等分布式能源的规划问题定性为发电设备投资商之间的决策和均衡问题,建立DER的博弈规划模型,用剔除劣势策略方法寻找纳什均衡点,具体方法如下:
通过对各微电源的收益函数曲线拟合可以观察到收益是配置容量的连续凹函数。对于完全信息静态博弈,信息透明,不同投资商为得到最大收益,会不断根据其他投资商的策略调整自己配置容量,并根据收益的大小不断剔除收益较小的策略,不断迭代,最终得到纳什均衡,每位投资商选择收益最大所对应的配置容量。
2.2.2迭代搜索方法
文献[25]基于电力市场功率平衡约束,微电网联盟等供电商出力上⁄下限约束等约束条件作为迭代搜索法的单轮迭代结束条件。迭代过程是个动态过程,直到市场竞标博弈达到纳什均衡状态或最大迭代次数时结束迭代搜索过程。具体迭代过程如下:
在第1轮迭代中,各个投标者根据自身状态信息,向竞价系统提交初始化竞标信息,竞价系统在满足系统安全水平等约束前提下,依据相关优化算法得出首轮迭代结果,并把相关结果信息通过投标者之间的交互反馈到各投标者,各投标者根据反馈的信息对投标信息进行修改再投标,完成一轮迭代。
此时没有任何一个投标者愿意改变自己的投标电量,此时的解可看作博弈纳什均衡解。
3微网P2P电能交易系统信息流优化技术
P2P通信系统是由大量在动态环境中运行的异构和相互依存的组件组成的一个复杂的分布式通信系统 但是 微网内每个用户的系统规模只能观察和测量网络局部信息,通过分布式控制很难实现全局优化。若想获得各设备实时,可靠的数据信息,需要用户之间高效的信息交流策略支撑 迄今为止,将多个分布式通信集成在一起的一个主要方法是通过多智能体系统(multi-agentsystem,MAS)技术 其中每个参与者可以被建模为能够通过消息传递进行交互的自治代理。是一个由多个智能代理彼此交互?并对环境变化作出反应?以完成给定任务的软件系统。
考虑到每个智能体的系统规模只能观察和测量网络局部信息?微网内每个智能体间必须自主地进行本地决策，同时相互协调实现分布式管理，从而确保MG的灵活性和稳定性。文献【33】使用分布式P2P多代理框架来管理MG中的功率共享，提出基于图论模型，适用于电动汽车的Ziegler-Nichols算法,性能分析表明,信息交换提高了系统性能,在文献[34]的研究中使用循环技术模拟了代理人之间的交流,然而,循环技术的主要障碍是随着代理数量的增加,通信次数急剧增加,系统不可扩展。另外,文献【35】的研究人员使用MG控制的最小生成树算法实现基于代理的通信。在MST中，代理之间传播信息的通信路径是最小路径形成的函数。然而，MST算法的缺点是代理之间的通信只能在树形成之后才开始，而且，每增加一个代理人，都必须重建mst，这大大降低了系统效率。鉴于此，文献[32]提出了一个基于智能物理代理的新通信算法，与其他现有P2P结构（如循环技术和MST)相比,该算法具有通信步骤少,响应速度快,复杂度低等特点,较适用于微网P2P电能交易系统信息流优化。
4微网P2P电能交易系统货币流分析
4.1区块链在P2P电能交易系统应用可行性
分析
区块链是一种由多独立节点参与并共同维护的分布式账簿。在无需节点之间互相信任的分布式系统中，通过数据加密、时间戳、经济激励和分布式共识等手段，解决中心化机构存在的交易成本高、透明度低和潜在的交易数据被更改的风险等问题，为实现基于去中心化信用的分布式发电市场P2P协作与交易提供解决方案。
P2P电能交易相较于传统电力系统,缺少控制中心统一管理,表现为去中心化特征,通过区块链记录电能交易过程中的信息,可以保证交易过程高效透明,且交易数据高度安全[38]。区块链技术的特点与P2P电能交易技术的特点在一定程度上具有相似性 表从去中心化协同自治市场化和智能化等4个角度说明P2P电能交易技术与区块链技术对应关系,具体叙述如下。
表2 P2P电能交易技术与区块链技术对应关系
(1)区块链和P2P电能交易技术都体现了去中心化的思想。区块链系统中,所有节点对等,各节点共享所有存储的历史数据,但只有被赋予权限的节点才可以查看,这一特性可以解决P2P电能交易系统中各主体间电能交易既要公正透明,同时又要保护用户隐私的问题。
(2)区块链和P2P电能交易技术都体现了协同自治性。区块链系统由网络中的各对等节点共同维护,不存在中心化的管理机构;P2P电能交易系统内各主体之间高效协作,实现各主体自适应调度和生态化运行。
(3)区块链和P2P电能交易技术都能够促进市场化。利用区块链技术有利于建立更加公正开放的市场机制,并很好地为市场内金融产品的交易提供服务;P2P电能交易技术则强调建立公正开放的分布式发电交易市场。
(4)区块链和P2P电能交易技术都呈现智能化的趋势。区块链会自动判断符合条件的智能合约程序,当判定满足时自动执行合约,提高了执行效率 电能交易技术则需要通过一系列的合约保证能源系统交易等的自动执行。
4.2基于区块链P2P电能交易分布式记账系统
根据.关于开展分布式发电市场化交易试点的通知/,微网P2P能源交易市场主体划分为终端电力用户,分布式发电项目单位(含个人),电网公司,在直接交易模式下,电网企业,分布式发电项目单位和电力用户共同签订三方供用电合同,以合同方式约定交易规则交易过程中电网企业作为输电服务方,在同一接入点上一级变压器供电范围内,售电用户选择符合交易条件的就近购电用户,并按照合同约定的交易规则进行电能直接交易。
在电能交易过程中,必须能清晰地记录电能流转过程中电能交易信息,同时保证用户的隐私安全性。
本文在文献[43]记账系统的基础上设计适用于P2P电能交易记账系统架构(见图3)。该记账系统架构下,根据电改后实体电网内市场主体功能将全网节点划分为中心节点,区域节点和记账节点[43]。
该架构下,记账节点负责记录进行电能交易的用户发生的电能交易信息,并将该交易信息广播至所有的区域节点。在记账节点中,一些记账节点由电网公司授权,被选出充当区域节点,负责收集,校验该区域内记账节点广播的电能交易信息,形成分时区域账本,并向其他区域节点转发,同时提交给中心节点 中心节点在实体电网架构下主要是指电网公司,负责汇总各区域节点提交的分时区域账本,链接成分时全局账本,各分时全局账本再以时序链接生成全局总账,同时各记账节点更新全局总账,作为其下个时间段电能交易信息记录的基础账本。
4.3基于区块链的微网P2P电能交易模型
区块链技术发源于比特币,本质上是一个分布式账本,具有天然的去中心化的支付模式[44]。将区块链技术应用到微网P2P电能交易,利用区块链非篡改,可追溯和交易透明的特点可以进一步保证微网P2P电能交易的安全性和可靠性。
文献[44]设计了“支付区块链”,并根据区块链架构对应将支付区块链划分为分别执行不同功能的5层架构:数据层,网络层,共识层,激励层和合约层 各层之间高效协同 为各个运营实体记录分账方式和收支账本,以及最后交易的方案与最终结果。
区块链技术和微网系统的耦合应基于电力系统本身的物理模型,因此,若将区块链应用到电力系统解决货币流问题,需要对系统进行安全校核。为此,文献[46]基于区块链技术提出一种“弱中心化管理电力交易的办法”。基于区块链技术,将电力交易规则通过智能合约以代码的形式预先记录在区块链中,当交易时间到达时,根据智能电表上传至区块链上的电能数据,各用户节点之间依据智能合约自动完成用户之间资金的转移。最后,由中心机构负责对达成的交易进行安全校核和阻塞管理,保障了电网交易的安全性。
4.4区块链在微网P2P电能共享及交易实践
最近,区块链被认为是可用于实施P2P电能交易的新兴技术之一 目前 国内外已经有不少基于区块链在P2P电能交易中的应用实践案例。
世界上第一个基于区块链的可交互电网平台YransActiveGrid,由美国能源公司LO3 Energy与比特币开发公司ConsensusSystems合作,在布鲁克林街区建设完成欧盟Scanergy项目基于区块链旨在实现小区用户分布式清洁能源的直接交易。该项目预计每15 min检测1次交易系统内电能生产与消费状态,为解决能源产品支付问题,Scanergy项目设计了一种类似于比特币的NRG币作为能源生产的奖励。
比利时的区块链专家MikeMihaylov基于微网的物理结构和信息模型,提出使用NRG coin货币以去中心化方式来进行微网内P2P电能交易。NRG Coin是一种数字货币,它被定义为一种用于奖励绿色能源的去中心化智能合约机制。生产者会收到与所产生的电能成比例的货币,同样地,消费者需为消耗的能源支付与消耗能源成比例的货币。
5支撑微网P2P电能交易系统核心设备与软件平台
电能公平,公正,公开的交易是分布式发电市场化交易的重要目标之一,为实现这一目标,需要核心设备及软件平台的支撑。
5.1高级量测体系
高 级 量 测 体 系 (advanced measurement infrastructure,AMI)是一个由智能电表和各种双向
交互终端,通信网络和计算机软件系统共同构成的集成系统,该系统主要用于测量,收集,存储,分析,使用电能消耗和运行数据 主要由智能电表 双向通信网络,量测数据管理系统(metering data managementsystem,MDMS)和用户户内网(home areanetwork,HAN)等[52]部分组成。
智能电表,作为AMI基础元件和核心设备,以微处理器应用和通信技术为核心的智能化仪表 具有电功率计量,计时,计费,与上位机通信,用电管理等功能双向通信网络,提供了智能电表至AMI前端设备的信息通道 负责把表计信息近于实时地从电表传送至数据中心。
MDMS,是AMI的量测数据管理和通信管理中心 主要负责数据深入处理 存储和分析 通过操作网关向智能电网其它系统模块提供有效的数据信息用户室内网是整个AMI体系的最末端环节[54]。户内网的目标是将用户室内各智能终端无缝地连接起来,与智能电表的通信网关相连,依据网内用户用电信息及外部电价信息,根据分布式发电市场的要求调整网内负荷用电量,实现节约用电的目的。
5.2电能路由器
分布式供能技术可实现对典型分布式供能环境下能源的高效利用。通过表3分析了P2P电能交易功能需求与电能路由器功能的对应关系,可以看出电能路由器可以满足P2P电能交易系统的功能需求。同时,电能路由器作为微网P2P电能交易系统的核心设备,近几年,受到国内外学者的大量研究。
表3 P2P电能交易功能需求与电能路由器功能对应关系
文献[57]首次借鉴Internet中交换设备的设计理念,基于电能传输技术,存储技术,信息通信以及高性能计算技术,设计能够实现电能网络互联,调度和控制的电能路由器模型;为高效地进行能量管理,文献[58]设计了一种由电力电子,通信平台,分布式网络智能管理3个主要功能模块组成的电能路由器架构。电能路由器依靠通信模块从电网实时收集电力需求和供应信息,并由分布式电网智能管理模块根据需求和供应信息动态调整电力分配,对电网中的能源管理做出优化的决策,电力电子模块作为智能管理模块和电能路由器中的固态变压器之间的接口,快速可靠地执行智能管理模块发出的命令。
5.3基于区块链的分布式发电记账平台
针对集中式电能交易过程中存在的单点故障威胁及用户隐私性和匿名性较低的问题 采用基于区块链分布式账本,以防篡改的方式,存储从AMI智能计量设备收集的电能消耗信息 通过自我执行的智能合约以编程方式定义端对端电能交易规则 基于共识算法记录每位用户电能交易过程中接受的的相关奖励或处罚信息,并提供适当的财务结算。基于区块链的分布式发电记账平台,可以实现无需第三方中介机构参与微网P2P电能交易。
基于区块链的分布式发电记账平台由哈希指针列表链接的一组区块组成,每个区块中记录一组交易信息,若某一区块信息发生更改,则该块的散列指针将改变。如果需要更改前一个块的内容,则需要重新链接所有后续块,以获得一致的更新数据结构,以此,保证了所有交易信息的防篡改性能 端对端电能应用,因此其应用不能脱离其本身的物理模型。尤其是当前分布式能源系统物理模型还比较薄弱,区块链技术在微网P2P电能交易领域的应用目前只是基于电力系统稳态,对于暂态故障的处理还存在需要解决的问题。
6微网P2P电能交易技术面临的挑战
实现P2P电能共享及交易技术的关键前提是掌握其关键技术。在本节中,讨论当前实现微网P2P电能共享及交易技术面临的挑战。
(1)通信系统待完善。
由于P2P电能交易对通信系统的要求比较高,需要进一步研究通信系统的可扩展架构,使通信系统不仅无处不在,而且还能提供低延迟并支持与不同代的功率与信息和通信技术 (information and communication technology,ICY)系统兼容。此外,为了实现通信基础设施内的用户通信,需要研究统一的消息传递框架。
(2)DER物理模型薄弱。
区块链技术和微网系统的耦合应基于电力系统本身的物理模型:电力系统网络是一个受电压,电流物理定律约束的网络,微网P2P电能交易平台是基于区块链技术在电力系统信息平台上构建的金融文呈现了微网层面P2P电能交易系统,并就其体系架构,优化技术和核心支撑设备阐述了P2P电能交易技术的亟需突破的方向。
P2P电能交易技术在分布式电能多边交易市场中的运用值得深入研究,后续可能的研究方向包括:适用于微网电能多边交易的区块链共识机制设计,基于区块链的微网多边交易最优规模研究和微网电能流的双向流动对配电网重构问题研究等。
(3)商业模式不健全。
新电改后,售电侧市场逐步放开,除电网公司以外,拥有分布式电源的社会资本投资增量配电网的企业及个人也均可从事市场化售电业务 在此背景下,电力用户可根据自身的意愿选择不同的供电商,电网的盈利模式也将由传统购销差价模式转变为收取过网费的盈利模式 在新型多元购售电主体的市场框架下,探索如何构建一种实现各主体利益最佳分配的源网荷协调优化运营商业模式,对于推动电力市场均衡,有序发展至关重要。
7结论
随着用户端DER渗透率的不断提高,传统的集中式供用电模式已不再适用,灵活的P2P电能交易机制更加符合新经济下共享,平等,开放,协作的“互联网+”精神,将成为微网发展的必然方向。文章综合评述了涉及P2P能源交易问题的关键技术,认为解决P2P电能交易技术问题主要是解决P2P电能交易过程中的电能流,信息流和货币流问题。为此,本交易规则由智能合约来实现 。这些合约被登记在分布式帐本的块中,并由交易调用触发,交易调用要求每个节点根据运行智能合约后获得的结果更新其状态,并通过网络中的所有对等节点来验证。
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作者简介:
王丹(1981),男,博士,副教授,主要从事分布式发电系统建模与仿真,综合能源系统分析,需求侧响应等方面的研究工作;
苏朋飞(1992),男,硕士研究生,主要研究方向为微网端对端电能交易;
桂勋(1978),男,副教授,主要研究方向为智能电网和电力大数据;
刘博(1996),男,硕士研究生,主要研究方向为微网端对端电能交易;
王伟亮(1990),男,博士研究生,主要研究方向为综合能源系统分析,智能优化计算;
马喜然(1994),男,硕士研究生,主要研究方向为分布式发电与微电网控制。
