周國亮，李 剛

1.國網(wǎng)冀北電力有限公司 技能培訓中心，河北 保定 071051

2.華北電力大學 控制與計算機工程學院，河北 保定 071003

1 引言

虛擬電廠（Virtual Power Plant，VPP）是未來能源互聯(lián)網(wǎng)的重要形式之一，是利用先進信息通信技術，實現(xiàn)分布式能源、儲能系統(tǒng)、可控負荷、電動汽車等DERs（Distributed Energy Resources）的聚合和協(xié)調優(yōu)化，以作為一個特殊電廠參與電力市場和電網(wǎng)運行的電源協(xié)調管理系統(tǒng)，被認為是能源互聯(lián)網(wǎng)的終極組態(tài)[1]。虛擬電廠將多種DERs聚合在一起，實現(xiàn)其整體出力的穩(wěn)定可靠，為電網(wǎng)提供高效的電能，從而保證并網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性。虛擬電廠依據(jù)運行控制模式可分為集中式、集中-分散式和完全分散式三種[2]，其中集中式架構不僅對通信系統(tǒng)具有較高的要求，而且難以應對眾多“安裝即忘記（fit and forget）”分布式能源的管理，因此為更好地實現(xiàn)DERs的管理，虛擬電廠的調度策略從傳統(tǒng)集中式向分布式轉換[3]，分散型虛擬電廠獲得了更多關注，其具有更好的可擴展性和開放性。在分散型虛擬電廠中，通常利用多智能體技術實現(xiàn)DERs的分布式通信，通過智能體與鄰居節(jié)點之間的信息交互，實現(xiàn)自我調節(jié)，并最終趨向于一致性變量[4-5]。但多智能體技術由于無法高效準確獲取全局信息，需要通過不斷迭代逼近一致性結果，存在計算不夠準確和效率偏低等問題。

以多智能體一致性理論為基礎的電力系統(tǒng)分散協(xié)同模式和當前主流區(qū)塊鏈技術的理念高度一致，為基于區(qū)塊鏈的分布式能源系統(tǒng)架構設計提供了良好的理論和實踐基礎[6]。區(qū)塊鏈有望成為能源互聯(lián)網(wǎng)信息基礎架構的核心部分之一，相關學者研究了區(qū)塊鏈技術在配電網(wǎng)去中心化交易機制[7]、自動需求響應系統(tǒng)[8]、能源互聯(lián)網(wǎng)多模塊協(xié)同自治模式[9]、配電網(wǎng)電力交易[10]等領域的應用。區(qū)塊鏈與分散式虛擬電廠在去中心化、分散協(xié)同、區(qū)域自治等方面相吻合，比如在分散式虛擬電廠中沒有中心控制機構，各DERs通過直接數(shù)據(jù)交換獲取全局信息，然后自主完成本節(jié)點的調控運行?；趨^(qū)塊鏈共識機制，實現(xiàn)單元間高效的分布式通信，利用數(shù)據(jù)廣播、信息交互，進而達到各單元運行特性的一致性，因此應用區(qū)塊鏈共識機制實現(xiàn)分布式調度策略及虛擬電廠最優(yōu)運行具有可行性。

針對區(qū)塊鏈在虛擬電廠中應用，文獻[11]展望了區(qū)塊鏈技術在虛擬電廠中的應用前景，分析了區(qū)塊鏈技術應用于虛擬電廠的可行性，構建了區(qū)塊鏈技術應用于虛擬電廠的模型。文獻[12]基于能源區(qū)塊鏈網(wǎng)絡實現(xiàn)了虛擬電廠運行與調度模型，模型可準確反映需求側實時信息，有助于VPP進行環(huán)境友好、信息透明的穩(wěn)定調度，并提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全性和存儲安全性。文獻[13]針對以實時電價為驅動的能源互聯(lián)網(wǎng)，結合區(qū)塊鏈安全、透明、去中心化等特性，建立基于區(qū)塊鏈的虛擬電廠模型。區(qū)塊鏈根據(jù)應用場景劃分為公有鏈、聯(lián)盟鏈和私有鏈，上述研究基于公有鏈開展，而虛擬電廠由多個不同主體構成，采用聯(lián)盟鏈及相關技術更為合適。

國內外機構也開始探索基于區(qū)塊鏈的虛擬電廠實踐，美國通用電氣公司（GE）利用區(qū)塊鏈構建虛擬發(fā)電廠，將IBM開發(fā)的區(qū)塊鏈平臺Hyperledger集成到公司的Predix平臺中，用區(qū)塊鏈控制分布式發(fā)電廠，也是為了應對大型中央發(fā)電廠向分布式發(fā)電轉變的發(fā)展趨勢。日本電子零組件大廠京瓷（Kyocera）進行區(qū)塊鏈技術的虛擬電廠實驗，基于P2P交易平臺，將太陽能發(fā)電設備的電力，在各用戶間有效分配。在國內，國家電網(wǎng)有限公司利用自主研發(fā)的區(qū)塊鏈平臺開展分布式能源交易，該平臺后續(xù)將應用到能效管理、綠證、碳交易、虛擬電廠等應用場景。

綜上所述，本文針對完全分散型虛擬電廠，基于其與區(qū)塊鏈在去中心化、點對點交互和分散協(xié)同等方面的一致性，提出利用區(qū)塊鏈技術實現(xiàn)虛擬電廠分布式調度，結合等耗量微增率準則，將微增量特征作為一致性變量，實現(xiàn)虛擬電廠的最優(yōu)經(jīng)濟調度。結合區(qū)塊鏈共識算法，每個分布式能源節(jié)點獨立計算各個機組的新功率，并將新功率數(shù)據(jù)上鏈存儲，同時保持微增量特征全局一致性，實現(xiàn)負荷在機組間的合理分配。

2 相關知識

2.1 VPP分布式調度模型

本文以有功功率負荷最優(yōu)分配為例開展，所謂最優(yōu)分配是在滿足一定量負荷持續(xù)供電的前提下，使發(fā)電設備在產(chǎn)生電能的過程中單位時間內消耗的能源最少，通常采用“等耗量微增率準則”在機組間分配負荷[14]。為簡化描述，采用不計網(wǎng)損的有功最優(yōu)分配方案。

假設有DERs中的發(fā)電機組成本函數(shù)為二次型，用Fi(Pi)表示成本函數(shù)，實現(xiàn)VPP最小發(fā)電成本為：

其中，n表示VPP中DERs機組的個數(shù)，Pi表示機組i的輸出功率，VPP的總成本記為F，F(xiàn)i(Pi)，ai、bi和ci表示成本函數(shù)的系數(shù)。

VPP內部的所有DERs機組在運行時滿足整個系統(tǒng)的有功功率平衡，不考慮網(wǎng)損的情況下，即有：

PLD表示所有用戶的負荷總需求量。

依據(jù)“等耗量微增率準則”在機組間分配負荷，當達到最優(yōu)運行時，所有機組的微增量特征λ一致，λ可以用一階微分計算得到，即：

因此，可以將λ作為區(qū)塊鏈中各節(jié)點間的一致性變量，隨著負荷的變化進行調整，但全網(wǎng)保持一致。

2.2 聯(lián)盟鏈中共識機制

依據(jù)區(qū)塊鏈所服務對象的不同，一般區(qū)塊鏈劃分為：公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈。公有鏈對所有用戶開放，節(jié)點可以隨意進出；私有鏈由單個組織控制，只對本單位開放；聯(lián)盟鏈介于公有鏈和私有鏈之間，對一個特定的行業(yè)組織開放，且要求每個新加入的節(jié)點都需要經(jīng)過驗證和審核。聯(lián)盟鏈可以適應包含少量故障或作惡節(jié)點的情況，具有一定容錯特性。

一般不同類型的區(qū)塊鏈采用不同的共識機制，拜占庭容錯（Byzantine Fault Tolerance，BFT）是區(qū)塊鏈共識算法中需要解決的核心問題之一。比特幣的POW和以太坊的POS等是公有鏈算法，解決的是包括眾多共識節(jié)點情況下的BFT。而實用拜占庭容錯算法（Practical Byzantine Fault Tolerance，PBFT）是在聯(lián)盟鏈共識節(jié)點較少的情況下BFT的一種解決方案。相較于公有鏈的POW、POS等，PBFT采用各個節(jié)點投票來達成共識的機制，可以解決分叉問題并提升效率。PBFT的運行環(huán)境要求是一個相對封閉的集群，每一次共識需要多次兩兩節(jié)點進行通信，通信量是O(n2)，n是集群中節(jié)點的個數(shù)。PBFT適合行業(yè)、政府等主導的聯(lián)盟鏈，是節(jié)點數(shù)量有限且不需要虛擬貨幣激勵機制系統(tǒng)的理想選擇?；谔摂M電廠的運行特性，本文選擇聯(lián)盟鏈，并采用PBFT共識算法。

PBFT算法前提是通過密碼學技術保證節(jié)點之間的消息通信是不可篡改的。PBFT具有一定容錯特性，假設系統(tǒng)中的總節(jié)點數(shù)為：|n|=3f+1，f為PBFT容忍故障或者惡意節(jié)點數(shù)，也就是為了保障整個系統(tǒng)正常運轉，需要有2f+1個正常節(jié)點。PBFT執(zhí)行過程包括三個階段：預準備（pre-prepare）、準備（prepare）和確認（commit），通過三階段執(zhí)行方式保證一致性。聯(lián)盟鏈中，經(jīng)典的代表項目是IBM Hyperledger組織下的Fabric項目，F(xiàn)abric0.6版本使用PBFT算法。

表1 多智能體與區(qū)塊鏈技術的異同點

3 區(qū)塊鏈與多智能體技術

多智能體技術是分布式人工智能的重要分支，是20世紀末至21世紀初國際上人工智能的前沿學科，其研究的目的在于采用自底向上的方式解決大型、復雜的現(xiàn)實問題。多智能體技術具有自主性、分布性、協(xié)調性等特征，可實現(xiàn)系統(tǒng)的自組織、自學習及推理能力。當采用多智能體技術解決實際應用問題時，具有魯棒性、可靠性和較高的問題求解效率，在能源電力行業(yè)獲得了廣泛應用和研究，如實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)化控制策略[15]、交流微網(wǎng)電流保護[16]、電力市場環(huán)境下的電源規(guī)劃[17]等。

但多智能體技術在20世紀提出，受當時的設備存儲能力和網(wǎng)絡通信帶寬限制，其采用智能體和鄰居節(jié)點之間的不斷迭代方式去逼近最優(yōu)解或最終所有智能體達到近似一致性。隨著近年來理念與多智能體技術相近的區(qū)塊鏈技術出現(xiàn)，為類似問題提供了更高效解決方案。隨著硬件設備存儲容量的提高，在每個節(jié)點中可以存儲更多的數(shù)據(jù)，如果只存儲關鍵數(shù)據(jù)，可以適應更大規(guī)模系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲需求；另外網(wǎng)絡環(huán)境及帶寬有了極大改善，隨著5G等的普及，帶寬及通信延遲對系統(tǒng)的影響將越來越小。這樣每個節(jié)點可以存儲全網(wǎng)關鍵數(shù)據(jù)，并通過共識機制和智能合約更新數(shù)據(jù)，實現(xiàn)全網(wǎng)數(shù)據(jù)一致，從而獲取整體全景數(shù)據(jù)，為每個節(jié)點單獨決策提供準確數(shù)據(jù)依據(jù)，并盡而不用迭代逼近，可以通過計算直接獲取。

以多智能體一致性理論為基礎的電力系統(tǒng)分散協(xié)同模式和當前主流區(qū)塊鏈技術的理念高度一致，為基于區(qū)塊鏈的分布式能源系統(tǒng)架構設計提供了良好的理論和實踐基礎，區(qū)塊鏈系統(tǒng)中每個節(jié)點都可以認為是分布式系統(tǒng)中的一個自主和自治的智能體，區(qū)塊鏈的工作模式是基于智能體之間談判、協(xié)調與協(xié)作的去中心化共識算法，其管理規(guī)則是智能合約。表1比較了多智能體與區(qū)塊鏈技術的異同點。

4 區(qū)塊鏈分布式調度模型

完全分散結構的虛擬電廠，不存在中心化的控制機構，各發(fā)電和用電單元通過直接交互和多次迭代最終完成決策過程。與分散型虛擬電廠理念相似，在區(qū)塊鏈中不存在中心化的節(jié)點，任意節(jié)點的權利和義務平等，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)由整個系統(tǒng)中具有維護功能的節(jié)點來共同管理，且任一節(jié)點停止工作都不會影響系統(tǒng)整體的工作?；陔p方理念和需求的一致性，使區(qū)塊鏈有望成為構建分散型虛擬電廠的底層架構之一，實現(xiàn)虛擬電廠的調控運行。虛擬電廠與區(qū)塊鏈技術的特性比較如表2所示。

基于區(qū)塊鏈與虛擬電廠特性的吻合，可以利用區(qū)塊鏈構建分散型虛擬電廠的底層信息架構。各DERs組成區(qū)塊鏈網(wǎng)絡，可實現(xiàn)點對點通信；利用共識機制，計算一致性變量；通過智能合約執(zhí)行控制決策。具體結構如圖1所示。

表2 區(qū)塊鏈與虛擬電廠特性比較

圖1 基于區(qū)塊鏈的虛擬電廠信息架構

如圖1所示，由物理的能量傳輸網(wǎng)和區(qū)塊鏈信息網(wǎng)組成，其中能量網(wǎng)負責電力傳輸，連接各個DERs。每個DERs單元對應區(qū)塊鏈信息網(wǎng)絡中一個節(jié)點，區(qū)塊鏈節(jié)點與DER之間可以傳輸數(shù)據(jù)和控制信號，節(jié)點與節(jié)點之間組成點對點網(wǎng)絡。整個虛擬電廠的調控策略由區(qū)塊鏈網(wǎng)絡計算，并下發(fā)物理網(wǎng)絡執(zhí)行。

5 分布式調度策略執(zhí)行過程

5.1 鏈上數(shù)據(jù)

依據(jù)經(jīng)濟調度“等耗量微增率準則”在機組間分配負荷，當達到最優(yōu)運行配置時，所有機組的微增量特征λ值相等，因此選擇λ為區(qū)塊鏈平臺的狀態(tài)信息，通過共識機制完成計算，并保持一致性。

依據(jù)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)存儲特點，每個節(jié)點保存一份完整全局狀態(tài)數(shù)據(jù)備份，并與其他節(jié)點數(shù)據(jù)保持同步。依據(jù)調度策略，每個發(fā)電機組需要保存全網(wǎng)中所有機組的功率信息Pi（單位：kW）和對應機組的成本函數(shù)系數(shù)(ai,bi,ci)，通常成本函數(shù)保持不便，每次功率調整后新的功率上鏈存儲。利用區(qū)塊鏈技術使每個機組可以準確獲取全局狀態(tài)信息。每個節(jié)點的數(shù)據(jù)存儲結構大致如圖2所示。

圖2 上鏈存儲的數(shù)據(jù)

5.2 分布式調度執(zhí)行過程

依據(jù)PBFT共識執(zhí)行過程，結合等耗量微增率準則，分布式調度計算過程如圖3所示。當負荷總需求發(fā)生變化后，將功率調整需求廣播到所有機組，經(jīng)過PBFT共識，每個機組單獨計算新的功率和λ，并調整機組功率和廣播λ。同時將所有機組新的功率上鏈存儲，以備下次調整應用。

圖3 分布式計算

具體流程如下：

（1）當總負荷發(fā)生變化，激活主節(jié)點DER1的功率計算請求操作，主節(jié)點選取按照PBFT約定算法規(guī)則完成。

（2）主節(jié)點收到請求后，按照三階段協(xié)議規(guī)則向網(wǎng)絡內各DERs節(jié)點廣播請求。

首先是序號分配階段，主節(jié)點給請求賦值序號，不同請求具有不同的賦值序號，利用序號和請求操作構造pre-prepare消息，并廣播給各DERs節(jié)點，在本階段將總的變化負荷PLD和功率計算請求發(fā)送到各節(jié)點。

然后是交互階段，各DERs節(jié)點接收pre-prepare消息，每個節(jié)點向其他DERs節(jié)點廣播prepare消息；如果節(jié)點收到了2f個不同節(jié)點的消息，代表該節(jié)點的prepare階段已經(jīng)完成，至此每個節(jié)點得到了變化后總的負荷PLD，具備計算新功率的條件。

最后是序號確認階段，各節(jié)點對視圖內的請求和次序進行驗證后，如果節(jié)點收到了2f+1個commit提交消息，代表大多數(shù)節(jié)點已經(jīng)進入commit階段，這一階段已達成共識。于是節(jié)點會執(zhí)行請求，運行結果。下面以區(qū)塊鏈中第i個節(jié)點的計算過程為例，說明按等耗量微增率準則的功率分配計算過程。

依據(jù)分布式調度準則，要求所有節(jié)點λ一致，即滿足公式（4）：

將公式（5）代入公式（2），得到公式（6）：

由于PLD已知，可計算得到DERsi新功率的，然后將代入公式（5），得到所有節(jié)點新的功率值，并將新的值更新到區(qū)塊鏈中；同時計算λ值，并將其發(fā)送給任務發(fā)起節(jié)點；驅動DERs機組按照新的功率值工作。

（3）任務發(fā)起者接收來自不同的節(jié)點響應，若有2f+1個響應λ值相等，則該響應即為本次請求計算的結果，是全網(wǎng)一致性變量，本次分布式功率分配調整完成，實現(xiàn)最優(yōu)經(jīng)濟調度。

由于分布式能源存在隨時加入和退出的問題，當有新的節(jié)點加入時，節(jié)點廣播自身參數(shù)及當前功率值，請求完成新節(jié)點加入和功率再分配操作。基于PBFT機制，每個節(jié)點將新節(jié)點參數(shù)添加到鏈上存儲，同時基于準則調整功率，保證系統(tǒng)運行在最優(yōu)狀態(tài)。當有節(jié)點退出時，采用類似操作更新鏈上數(shù)據(jù)和調整功率。

6 實驗驗證

為驗證本文所提算法的有效性，通過實驗進行仿真驗證。假設在某VPP系統(tǒng)內分散了四個DERs，類型為微型燃氣發(fā)電機（Micro Gas Generators，MGGs），MGGs通過區(qū)塊鏈網(wǎng)絡連接，每個MGG是網(wǎng)絡中的一個節(jié)點，并假設該網(wǎng)絡存在一定網(wǎng)絡延時，但保證點對點直接通信。機組的運行參數(shù)和初始功率如表3所示[18]。

存在網(wǎng)絡時延的情況下，測試一致性變量λ的變化情況。從圖4可知，在初始t=1時刻，各機組的λ值不同，不滿足等耗量微增率準則，系統(tǒng)沒有運行在最優(yōu)狀態(tài)。通過一次PBFT共識后，在t=8時刻λ變量達到一致，系統(tǒng)達到最優(yōu)運行狀態(tài)。

表3 機組的運行參數(shù)和初始功率

圖4 微增量特征λ值的變化情況

圖5 展示了在共識過程中，總負荷功率PLD與機組發(fā)電總功率sum(Pi)的對比，從圖中可以發(fā)現(xiàn)由于網(wǎng)絡延時和共識計算造成的系統(tǒng)波動，但最終達到了功率平衡。

圖5 負荷總功率和發(fā)電總功率對比

圖6 展示了各個MGGs機組的有功功率調整情況，最終功率值穩(wěn)定在最優(yōu)運行狀態(tài)。

圖6 各機組功率變化情況

7 結語

虛擬電廠將是未來能源互聯(lián)網(wǎng)的終極形態(tài)之一，實現(xiàn)更大范圍內的資源優(yōu)化配置，促進分布式能源的消納。針對分散型虛擬電廠的優(yōu)化運行，采用等耗量微增率準則，結合分布式、去中心化、自治的區(qū)塊鏈技術，實現(xiàn)虛擬電廠的完全分布式運行控制，并對通信、節(jié)點故障等因素具有一定的容錯能力，提升了虛擬電廠的安全等級。后續(xù)將進一步探討區(qū)塊鏈與虛擬電廠的深度融合技術，研究針對更多種DERs特性和運行環(huán)境的優(yōu)化運行，實現(xiàn)虛擬的優(yōu)化調度運行，促進可再生能源的吸納。