李逸超,郭 睿,徐 剛,胥 棟,潘紅光

(國網(wǎng)上海浦東供電公司,上海 200082)

0 引言

電力需求的日益增長,導(dǎo)致電網(wǎng)存在電力短缺與調(diào)峰調(diào)頻壓力大等問題。為解決這些問題,需要挖掘用戶側(cè)資源。通過合理控制用戶側(cè)資源,可以使電力的供給響應(yīng)用戶需求,從而達到電力供需平衡狀態(tài)[1]。需求響應(yīng)可以提升用電效率。但傳統(tǒng)需求響應(yīng)采用人工控制方式,導(dǎo)致響應(yīng)不及時[2]。區(qū)塊鏈技術(shù)是包含分布式數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)加密等功能的集成應(yīng)用,具備不可篡改與可追溯等優(yōu)勢。區(qū)塊鏈技術(shù)與用戶側(cè)需求響應(yīng)各業(yè)務(wù)流程具有天然的契合點。因此一些研究者將區(qū)塊鏈應(yīng)用于電力需求響應(yīng)資源調(diào)度,并設(shè)計用戶側(cè)需求響應(yīng)控制系統(tǒng),以自動完成需求響應(yīng)控制。

楊梓俊等[3]以最小功率削減量與成交量偏差量為目標(biāo),設(shè)計需求響應(yīng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可有效控制需求響應(yīng),具備較優(yōu)的用戶友好性。劉建濤等[4]為解決功率缺額導(dǎo)致的頻率跌落問題,依據(jù)負荷響應(yīng)特性設(shè)計需求響應(yīng)控制系統(tǒng),并按照優(yōu)先級順序完成電力設(shè)備需求響應(yīng)控制,從而有效降低負荷功率。王蓓蓓等[5]提出了基于區(qū)塊鏈的電力需求響應(yīng)資源信用管理方法,設(shè)計集中交易和雙邊交易下考慮信用值的降維(dimensionality reduction,DR)資源交易機制,以實現(xiàn)用戶側(cè)電網(wǎng)調(diào)度。任昊文等[6]將區(qū)塊鏈分布式技術(shù)應(yīng)用于智能電網(wǎng)需求側(cè)響應(yīng)計劃管理,利用區(qū)塊鏈分布式技術(shù)平衡能源需求與電網(wǎng)能源生產(chǎn)規(guī)模,制定考慮需求響應(yīng)的電網(wǎng)調(diào)度計劃。但以上方法在控制需求響應(yīng)過程中無法確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴阂庥脩艨呻S機篡改系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù),影響需求響應(yīng)控制效果。而且以上方法未考慮用戶側(cè)電力需求響應(yīng)的優(yōu)先級,制定的用戶側(cè)電力需求響應(yīng)調(diào)度方案不夠合理,導(dǎo)致用戶的電力負荷仍較高。

為了提升電力需求響應(yīng)控制效果,本文設(shè)計基于區(qū)塊鏈技術(shù)的用戶側(cè)電力需求響應(yīng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)創(chuàng)新性地利用基于數(shù)據(jù)分割的多級加密機制,以提升數(shù)據(jù)的安全性與隱私性。本文根據(jù)家電用電優(yōu)先級設(shè)計用戶側(cè)電力需求響應(yīng)控制方案,完成智能家電的通斷電控制,以降低用戶負荷功率和用電成本。

1 用戶側(cè)電力需求響應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

本文以區(qū)塊鏈技術(shù)為基礎(chǔ),設(shè)計用戶側(cè)電力需求響應(yīng)控制系統(tǒng)。

用戶側(cè)電力需求響應(yīng)控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 用戶側(cè)電力需求響應(yīng)控制系統(tǒng)

網(wǎng)關(guān)負責(zé)實時采集用戶側(cè)電力設(shè)備負荷數(shù)據(jù)。能源區(qū)塊鏈包含數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識層與合約層。數(shù)據(jù)層利用分布式存儲數(shù)據(jù)庫存儲全部電力設(shè)備負荷數(shù)據(jù),形成數(shù)據(jù)區(qū)塊;以多級加密機制加密處理存儲的電力設(shè)備負荷數(shù)據(jù),從而提升數(shù)據(jù)的安全性。網(wǎng)絡(luò)層利用對等網(wǎng)絡(luò)、驗證機制與傳播機制,傳輸電力設(shè)備負荷數(shù)據(jù)至共識層,以提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜ブ行幕Ч?。共識層利用實用拜占庭容錯(practical Byzantine fault tolerance,PBFT)算法,處理區(qū)塊鏈節(jié)點參與共識的過程,得到可信電力設(shè)備負荷數(shù)據(jù)。合約層負責(zé)提供智能合約、腳本代碼與協(xié)議,以約束電力設(shè)備負荷數(shù)據(jù)傳輸過程,從而提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性與安全性。

需求響應(yīng)聚合商模塊可以在能源區(qū)塊鏈內(nèi)讀取用戶實時電力設(shè)備負荷數(shù)據(jù),制定電力需求響應(yīng)合同;同時,以智能合約的方式,將電力需求響應(yīng)合同傳輸至能源區(qū)塊鏈內(nèi)。智能合約的交易機制如下。

①電力供應(yīng)方和客戶均提交某一時段的電力資源供應(yīng)量(需求量)以及價格。訂單信息和客戶信用值將被發(fā)送至智能合約。

②交易撮合出清。智能合約結(jié)合信用值將買賣雙方的訂單進行撮合,并在達成交易共識后確定供應(yīng)方的響應(yīng)量以及價格。

③響應(yīng)效果分析和信用值計算。響應(yīng)事件結(jié)束后,智能電表自動將數(shù)據(jù)上傳至區(qū)塊鏈。根據(jù)實際響應(yīng)情況,智能電表對數(shù)據(jù)進行打分,進而更新信用值。

④資金轉(zhuǎn)移。智能合約根據(jù)智能電表上傳的電力供應(yīng)方的實際響應(yīng)數(shù)據(jù),向其賬戶地址中轉(zhuǎn)入相應(yīng)量的以太幣,以完成資金轉(zhuǎn)移。

根據(jù)以上機制,交易優(yōu)先權(quán)值λ為:

(1)

式中:PR為電力用戶提交的價格;CR為電力用戶的信用值。

在獲取λ的情況下,電網(wǎng)企業(yè)希望供應(yīng)成本最低,故構(gòu)建成本最小化目標(biāo)函數(shù)minQi,o:

minQi,o=∑λiQi

(2)

式中:λi為第i個供應(yīng)方的交易有限權(quán)值;Qi為第i個供應(yīng)方的電力報單量;o為第i個電力用戶的響應(yīng)量。

根據(jù)minQi,o,本文設(shè)計電力資源的交易策略。

能源區(qū)塊鏈網(wǎng)關(guān)可讀取電力需求響應(yīng)合同內(nèi)的響應(yīng)起止時間、負荷等數(shù)據(jù),并根據(jù)這些數(shù)據(jù)制定用戶側(cè)電力需求響應(yīng)控制方案。在電力需求響應(yīng)開始時,使用遠程操作將命令下達至智能家居產(chǎn)品,并實時掌握該產(chǎn)品的運行狀態(tài)。電力需求響應(yīng)結(jié)束后,智能家電設(shè)備恢復(fù)正常運行狀態(tài)。能源區(qū)塊鏈可按照制定的用戶側(cè)智能家電設(shè)備控制方案,自動控制用戶側(cè)電力需求響應(yīng)情況。能源區(qū)塊鏈網(wǎng)關(guān)與需求響應(yīng)聚合商模塊可在鏈上讀取用戶側(cè)電力需求響應(yīng)控制結(jié)果。

1.2 基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)

能源區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)層利用分布式存儲數(shù)據(jù)庫,存儲全部電力設(shè)備負荷數(shù)據(jù)區(qū)塊。分布式存儲數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 分布式存儲數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

區(qū)塊體內(nèi)通過哈希值標(biāo)記各用戶電力負荷數(shù)據(jù)交易單。用戶電力設(shè)備負荷數(shù)據(jù)交易過程中:需對交易單進行數(shù)字簽名,以獲取有效的交易單并構(gòu)建成區(qū)塊;需加蓋時間戳并存儲至分布式存儲數(shù)據(jù)庫內(nèi),以提升用戶電力負荷數(shù)據(jù)存儲的防篡改性能與可追溯性能。區(qū)塊頭內(nèi)的Merkle根屬于非常關(guān)鍵的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。其通過交易單展開分組哈希,以獲取1個哈希值并記錄存儲至區(qū)塊頭中。能源區(qū)塊鏈接收能源區(qū)塊鏈網(wǎng)關(guān)實時采集的用戶電力設(shè)備負荷數(shù)據(jù)后,在分布式存儲區(qū)塊內(nèi)選取某個在線存儲區(qū)塊,并以該區(qū)塊為存儲用戶電力設(shè)備負荷數(shù)據(jù)服務(wù)的對象。存儲過程中,用戶電力設(shè)備負荷數(shù)據(jù)在1 min內(nèi)不可選擇變更存儲區(qū)塊;確定存儲區(qū)塊后,用戶電力設(shè)備負荷數(shù)據(jù)直接傳輸至確認的存儲區(qū)塊內(nèi)。

1.3 數(shù)據(jù)多級加密機制

本文利用基于數(shù)據(jù)分割的多級加密機制,加密處理分布式存儲數(shù)據(jù)庫內(nèi)用戶側(cè)電力設(shè)備負荷數(shù)據(jù),以提升數(shù)據(jù)的安全性與隱私性。用戶側(cè)電力設(shè)備負荷數(shù)據(jù)多級加密機制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 用戶側(cè)電力設(shè)備負荷數(shù)據(jù)多級加密機制結(jié)構(gòu)

身份認證單元內(nèi):通過公鑰加密算法生成公私鑰;通過公鑰加密分布式存儲數(shù)據(jù)庫內(nèi)電力設(shè)備負荷數(shù)據(jù),以提升數(shù)據(jù)的隱私保護效果[7-9];通過私鑰對電力設(shè)備用戶數(shù)據(jù)進行簽名。數(shù)據(jù)加密上鏈單元完成電力設(shè)備負荷數(shù)據(jù)的安全存儲機制。加密通信單元依據(jù)安全傳輸協(xié)議棧,避免惡意用戶非法攔截電力設(shè)備負荷數(shù)據(jù)。上鏈數(shù)據(jù)哈希提取單元通過哈希函數(shù),將任意長度的電力設(shè)備負荷數(shù)據(jù)映射成指定長度的二進制電力設(shè)備負荷數(shù)據(jù)。

1.4 用戶側(cè)電力需求響應(yīng)控制方案

用戶側(cè)電力需求響應(yīng)控制方案中,需要控制的智能家電負荷包括空調(diào)與熱水器等。能源區(qū)塊鏈網(wǎng)關(guān)按照需求響應(yīng)聚合商模塊,制定電力需求響應(yīng)合同內(nèi)的響應(yīng)起止時間與響應(yīng)負荷等數(shù)據(jù),并創(chuàng)新性地根據(jù)家電用電優(yōu)先級設(shè)計用戶側(cè)電力需求響應(yīng)控制方案。本文以智能家電舒適度指數(shù)KApp描繪智能家電實時狀態(tài)。

(3)

智能家電中空調(diào)運行狀態(tài)和室溫設(shè)定相關(guān)。在室溫大于最大值情況下,打開空調(diào);在室溫低于最小值情況下,關(guān)閉空調(diào);在室溫位于設(shè)置區(qū)間時,空調(diào)維持當(dāng)下運行狀態(tài)不變[10]?？照{(diào)的用戶側(cè)電力需求響應(yīng)控制模型為:

(4)

式中:t為時段;SA,t為空調(diào)運行狀態(tài);TA,z為最低室溫;ΔTA為室溫設(shè)定響應(yīng)增量;TA,t為當(dāng)下室溫;KA,t為空調(diào)舒適度指數(shù)。

當(dāng)SA,t=0時,空調(diào)關(guān)閉;當(dāng)SA,t=1時,空調(diào)打開。

在電力需求響應(yīng)合同制定的響應(yīng)起止時間內(nèi),空調(diào)的用戶側(cè)電力需求響應(yīng)控制模型按照空調(diào)優(yōu)先級控制空調(diào)運行狀態(tài)。智能家電中熱水器運行狀態(tài)和水溫相關(guān)。電力需求響應(yīng)合同內(nèi)設(shè)置的最高水溫為TB,z、最低水溫為TB,l、標(biāo)準水溫變化響應(yīng)增量為ΔTB、當(dāng)下水溫為TB,t。當(dāng)TB,t>TB,z時,熱水器關(guān)閉;當(dāng)TB,t

(5)

式中:KB,t為熱水器舒適度指數(shù);SB,t為熱水器運行狀態(tài)。

當(dāng)SB,t=0時,熱水器關(guān)閉;當(dāng)SB,t=1時,熱水器打開。在電力需求響應(yīng)合同制定的響應(yīng)起止時間內(nèi),熱水器的用戶側(cè)電力需求響應(yīng)控制模型按照熱水器優(yōu)先級控制熱水器運行狀態(tài)。

(6)

式中:?·」為最小整數(shù)取值函數(shù);N[·]為排序函數(shù);n為用戶側(cè)電力需求響應(yīng)控制周期;K(t)為動態(tài)優(yōu)先級。

本文依據(jù)K(t)確定智能家電控制的優(yōu)先級。K(t)={1,2}。K(t)的數(shù)值越高,說明智能家電控制的優(yōu)先級越高。

③按照式(2)與式(3)的智能家電控制模型,調(diào)整全部智能家電的功率狀態(tài),并進行下一輪用戶側(cè)電力需求響應(yīng)控制。

用戶側(cè)電力需求響應(yīng)控制步驟如下。

①將電力需求響應(yīng)合同內(nèi)的需求響應(yīng)控制起止時間與電力設(shè)備負荷等數(shù)據(jù),下發(fā)至能源區(qū)塊鏈網(wǎng)關(guān)。

③ 能源區(qū)塊鏈網(wǎng)關(guān)按照控制方案,下發(fā)控制指令至智能家電控制器,以完成智能家電的通斷電控制,從而實現(xiàn)用戶側(cè)電力需求響應(yīng)控制。

2 試驗結(jié)果與分析

本文以某小區(qū)的電力用戶為試驗對象。該小區(qū)內(nèi)共有1 573個電力用戶。其中,同時具有空調(diào)與熱水器這2種智能家電的電力用戶數(shù)量為219個。試驗利用本文系統(tǒng)對這219個電力用戶的智能家電進行用戶側(cè)電力需求響應(yīng)控制?？照{(diào)的額定功率為4 kW、額定室溫為23～27 ℃。熱水器的額定功率為6 kW、額定水溫為45～55 ℃。

在219個電力用戶內(nèi),試驗隨機選擇1個電力用戶,利用本文系統(tǒng)控制該電力用戶的用戶側(cè)電力需求響應(yīng)。

智能家電的用戶側(cè)電力需求響應(yīng)控制效果如圖4所示。

圖4 智能家電的用戶側(cè)電力需求響應(yīng)控制效果

智能家電控制的動態(tài)優(yōu)先級如圖5所示。

圖5 智能家電控制的動態(tài)優(yōu)先級

綜合分析圖4與圖5可知,在12∶00～15∶00時,室溫超過設(shè)定的室溫范圍。此時,空調(diào)動態(tài)優(yōu)先級最高。為此,本文系統(tǒng)下發(fā)打開空調(diào)的控制指令,使功率升高到3 kW以上。室溫在13∶30左右降至設(shè)定室溫范圍后,本文系統(tǒng)下發(fā)關(guān)閉空調(diào)的控制指令,使功率降低到2 kW以下。這說明本文系統(tǒng)可有效根據(jù)用戶需求靈活調(diào)節(jié)空調(diào)負荷功率,以完成空調(diào)的用戶側(cè)電力需求響應(yīng)控制。10∶00～13∶00是熱水器集中使用期,水溫保持較高。此時,熱水器的動態(tài)優(yōu)先級較高,本文系統(tǒng)加大熱水器功率負荷達到4 kW以上。在16∶00～21∶00時,水溫低于設(shè)定范圍。此時,熱水器的動態(tài)優(yōu)先級最高。為此,本文系統(tǒng)下發(fā)打開熱水器的控制指令,使功率調(diào)節(jié)至5 kW以上。當(dāng)水溫升至設(shè)定范圍后,本文系統(tǒng)下發(fā)關(guān)閉熱水器的控制指令,使功率下降。至此,熱水器的用戶側(cè)電力需求響應(yīng)控制完成。試驗結(jié)果表明:本文系統(tǒng)可根據(jù)用戶側(cè)使用需求靈活調(diào)節(jié)電器的使用負荷功率,有效控制電力用戶的智能家電,實現(xiàn)用戶側(cè)電力需求響應(yīng)控制。

分析不同參與電力需求響應(yīng)用戶比例時,應(yīng)用本文系統(tǒng)控制后的電力負荷如圖6所示。

圖6 應(yīng)用本文系統(tǒng)控制后的電力負荷

由圖6可知,本文所研究的小區(qū)在10:00～18:00時的負荷較高,達到6 MW以上。應(yīng)用本文系統(tǒng)控制后,該小區(qū)最高負荷明顯下降,且負荷曲線較為平滑。隨著參與電力需求響應(yīng)電力用戶比例的增長,該小區(qū)的負荷峰值越低、負荷峰谷差越小。90%參與電力需求響應(yīng)的負荷峰值降至4.5 MW以下,峰谷差在2.5 MW以下。試驗結(jié)果表明:應(yīng)用本文系統(tǒng)可有效降低該小區(qū)的電力負荷,且參與電力需求響應(yīng)的電力用戶比例越高,則應(yīng)用本文系統(tǒng)控制后的電力負荷越低。

試驗利用本文系統(tǒng)對實時采集的電力設(shè)備負荷數(shù)據(jù)進行加密處理,以提升數(shù)據(jù)存儲與傳輸?shù)陌踩?。試驗利用吞吐量衡量本文系統(tǒng)加密電力設(shè)備負荷數(shù)據(jù)的效果。吞吐量越大,說明加密效率越高。最低吞吐量為0.55 bit/s。吞吐量P為:

(7)

本文系統(tǒng)的電力設(shè)備負荷數(shù)據(jù)加密效果如圖7所示。

圖7 本文系統(tǒng)的電力設(shè)備負荷數(shù)據(jù)加密效果

由圖7可知,隨著電力設(shè)備負荷數(shù)據(jù)量的增長,本文系統(tǒng)加密數(shù)據(jù)時的吞吐量呈下降趨勢。當(dāng)數(shù)據(jù)量達到80 bit時,盡管數(shù)據(jù)量仍舊增長,但本文系統(tǒng)的吞吐量不再降低,并穩(wěn)定在0.61 Gbit/s左右,高于最低吞吐量。這說明本文系統(tǒng)具備較優(yōu)的電力設(shè)備負荷數(shù)據(jù)加密效果,以及較高的加密效率。

3 結(jié)論

在能源互聯(lián)的新形勢下,電力市場內(nèi)存在大量可獨立參與響應(yīng)的用戶。為提升用戶側(cè)電力需求響應(yīng)控制效果,本文設(shè)計基于區(qū)塊鏈技術(shù)的用戶側(cè)電力需求響應(yīng)控制系統(tǒng)。本文首先利用網(wǎng)關(guān)節(jié)點采集負荷數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)發(fā)送到能源系統(tǒng)進行保存;然后對負荷數(shù)據(jù)進行加密處理,根據(jù)電力需求響應(yīng)時間和負荷采集電力需求數(shù)據(jù);最后,根據(jù)家電動態(tài)優(yōu)先級設(shè)計用戶側(cè)電力需求響應(yīng)方案。仿真測試結(jié)果表明,本文系統(tǒng)可以有效控制用戶智能家電的負荷、降低用戶的使用負荷和用電成本,為用戶側(cè)電力需求響應(yīng)控制領(lǐng)域的發(fā)展提供參考。