基于需求響應(yīng)的電力交易區(qū)塊鏈跨鏈協(xié)調(diào)調(diào)度算法

沈楊

(內(nèi)蒙古巴彥淖爾市臨河區(qū)烏拉特后旗供電分局,內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015543)

隨著智能電網(wǎng)的逐步完善以及售電側(cè)的放開,大量負(fù)荷聚合商、服務(wù)供應(yīng)商以及電力用戶作為需求側(cè)資源參與電網(wǎng)的互動(dòng)環(huán)節(jié),交易數(shù)量、規(guī)模以及信息數(shù)據(jù)隨之增加,集中決策的方法會(huì)提高交易中心的運(yùn)行成本和處理時(shí)間。另外,在大規(guī)模實(shí)施需求響應(yīng)（demand response,DR）業(yè)務(wù)時(shí),若仍然采用中心化的管控手段,將很難大規(guī)模參與用戶的交互。區(qū)塊鏈技術(shù)作為一種去中心化的分布式記賬系統(tǒng),需第三方參與即可通過分布式方法構(gòu)建不易篡改的信任數(shù)據(jù)庫,將區(qū)塊鏈與DR 資源交易相結(jié)合有著重要的意義。另一方面,隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn),未來需求側(cè)資源參與市場(chǎng)的組合更多樣,手段更復(fù)雜,所受到的影響因素也更多,有很大的不確定性。而電力系統(tǒng)規(guī)模日益擴(kuò)大,系統(tǒng)復(fù)雜性與地域分布廣度也越來越大,系統(tǒng)運(yùn)行極易受到外部因素的影響。

一、區(qū)塊鏈在電力交易需求響應(yīng)中的應(yīng)用分析

區(qū)塊鏈技術(shù)作為一種新型信息化技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)防偽造不可篡改等特點(diǎn)，其中代表性的技術(shù)包括比特幣、以太坊區(qū)塊鏈被廣泛應(yīng)用。區(qū)塊鏈技術(shù)主要適用于分布式的網(wǎng)絡(luò)，可以有效地解決分布式網(wǎng)絡(luò)中不同的參與實(shí)體之間的互信和共識(shí)問題，其技術(shù)本質(zhì)相當(dāng)于是采用一個(gè)區(qū)域中心的數(shù)據(jù)庫、存儲(chǔ)原來集中式數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)的內(nèi)容，通過分布式的共識(shí)機(jī)制保障不同的參與實(shí)體，在不可信網(wǎng)絡(luò)空間中能夠?qū)崿F(xiàn)互信互認(rèn)，最終達(dá)成共識(shí)。類似于OSI 的7 層模型，目前區(qū)塊鏈分層標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)包括5 層，分別為數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識(shí)層、激勵(lì)層和智能合約層。從激勵(lì)層向下基本上都是區(qū)塊鏈的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制，對(duì)于具體的業(yè)務(wù)應(yīng)用而言，則主要是設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)的智能合約。通過約定交易雙方或多方之間的業(yè)務(wù)規(guī)則，確保業(yè)務(wù)的邏輯能夠正常執(zhí)行。目前也有不少學(xué)者針對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)層和共識(shí)層開展相關(guān)研究，期望結(jié)合特定的業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景需求，能夠?qū)⒏髯缘臉I(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。區(qū)塊鏈技術(shù)本身的去中心化信任、共識(shí)、不可篡改記錄數(shù)據(jù)和復(fù)雜交易的實(shí)現(xiàn)機(jī)理，備受社會(huì)廣泛關(guān)注與認(rèn)可。目前在區(qū)塊鏈的共識(shí)層、網(wǎng)絡(luò)層已經(jīng)有很多的研究，可以靈活地產(chǎn)生多種不同版本的區(qū)塊鏈技術(shù)，非常適用于綜合能源領(lǐng)域的不同場(chǎng)景的應(yīng)用，但是也需要注意在不同的版本之間保持標(biāo)準(zhǔn)的繼承性和互操作性。

目前，我國也已經(jīng)完成了海島微電網(wǎng)、虹橋商務(wù)核心區(qū)多能系統(tǒng)、上海世博園等綜合能源優(yōu)化示范工程，但關(guān)于跨平臺(tái)、多系統(tǒng)間的協(xié)作交易與服務(wù)結(jié)算相關(guān)的研究較少，導(dǎo)致無法將現(xiàn)有示范工程的成果直接大規(guī)模推廣應(yīng)用。

在互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)快速發(fā)展的過程中，能源行業(yè)也逐步發(fā)生變革，綜合能源在傳統(tǒng)的電能源的基礎(chǔ)上引入了熱冷氣等多種能源形式，通過多能耦合形成了開放互聯(lián)的能源系統(tǒng)，進(jìn)而隨著售電市場(chǎng)逐步放開綜合能源服務(wù)，也將產(chǎn)生多種形式的能源服務(wù)。傳統(tǒng)的供電服務(wù)衍生出供熱功能服務(wù)，其參與主體也將更加的多元化，包括了分布式電源、電動(dòng)汽車、分散式儲(chǔ)能冷熱電、三聯(lián)供、蓄冷蓄熱設(shè)備等。在綜合能源廣義需求響應(yīng)下，除了常規(guī)的可削減負(fù)荷可以根據(jù)價(jià)格或者激勵(lì)調(diào)整用量之外，還存在多種能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，可以在需求側(cè)實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間段的能量替代，從某種意義上可以緩解特定能源品種的短缺了基于區(qū)塊鏈的綜合能源網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在不同的能源系統(tǒng)中，可以采用不同的子鏈進(jìn)行管理，為了達(dá)成在區(qū)域綜合能源系統(tǒng)內(nèi)分布式的市場(chǎng)化交易，不同的用能單元和供能單元之間兩兩可以隨機(jī)發(fā)起交易，當(dāng)區(qū)域范圍內(nèi)的能源需求無法滿足時(shí)，也可以選擇通過外部功能系統(tǒng)提供。多能供需協(xié)調(diào)作為未來能源互聯(lián)實(shí)現(xiàn)的核心業(yè)務(wù)，在一定程度上支撐了能源集成互聯(lián)互補(bǔ)的應(yīng)用推廣，可以通過區(qū)塊鏈智能合約實(shí)現(xiàn)不同能源系統(tǒng)互聯(lián)及綜合能源服務(wù)過程中的跨平臺(tái)自動(dòng)結(jié)算。在不同的子鏈中可能存在不同的結(jié)算貨幣和不同的共識(shí)機(jī)制，這也是在綜合能源廣義需求響應(yīng)能量管理系統(tǒng)中需要考慮的，為此在能源區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中需要考慮易購區(qū)塊鏈系統(tǒng)的互聯(lián)，以滿足多能互補(bǔ)、即時(shí)交易的需求。

二、基于需求響應(yīng)的電力交易區(qū)塊鏈跨鏈協(xié)調(diào)調(diào)度算法

（一）電力跨鏈交易

電力跨鏈交易由一組區(qū)塊作為保證不同跨鏈完整性區(qū)塊主體，存儲(chǔ)一組有效電力資產(chǎn)交易結(jié)果，有電力交易信息，因此，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在整個(gè)區(qū)塊鏈中都保留完整電力交易信息備份。整個(gè)交易區(qū)塊沒有集中管理組織，導(dǎo)致每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的，既可以作為客戶端，也可以作為服務(wù)端。所有參與交易的用戶都可以共享、管理節(jié)點(diǎn)交易信息，以此保證電力交易區(qū)塊鏈跨鏈穩(wěn)定性HJ。主要保證系統(tǒng)安全，就可以保障區(qū)塊鏈系統(tǒng)具有良好追溯性，交易者信息綁定每個(gè)電力用戶區(qū)塊鏈交易記錄，使系統(tǒng)完整跟蹤交易目標(biāo)。由于電力市場(chǎng)交易邏輯復(fù)雜，任務(wù)調(diào)度場(chǎng)景類型多種多樣，尤其是引入?yún)^(qū)塊鏈跨鏈形式，使得任務(wù)調(diào)度在電力市場(chǎng)中的應(yīng)用變得更為迫切怕一。針對(duì)電網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景的特點(diǎn)，現(xiàn)有區(qū)塊鏈跨鏈的特點(diǎn)及技術(shù)要求，參考成熟解決方案，分析基于需求響應(yīng)的電力跨鏈交易模式，電力需求響應(yīng)即當(dāng)電力批發(fā)市場(chǎng)價(jià)格上漲或系統(tǒng)可靠性受到威脅時(shí)，電力用戶收到直接補(bǔ)償?shù)年P(guān)注信號(hào)，可以歸納出負(fù)荷減少的供電方式或電價(jià)提高的信號(hào)，進(jìn)而改變其固有的習(xí)慣用電量模式，減少或轉(zhuǎn)移一定時(shí)間內(nèi)的用電負(fù)荷，進(jìn)行電力響應(yīng)，從而保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，抑制電價(jià)突發(fā)上漲行為發(fā)生該跨鏈交易模式主要是由管理界面、任務(wù)調(diào)度中心和任務(wù)調(diào)度客戶端組成的。其中管理界面為用戶提供了登錄和編輯功能；任務(wù)調(diào)度中心為用戶提供任務(wù)分配功能；而任務(wù)調(diào)度客戶端負(fù)責(zé)觸發(fā)任務(wù)。

（二）跨鏈調(diào)度算法

根據(jù)上述分析結(jié)果，明確區(qū)塊鏈跨鏈方式與基于需求響應(yīng)的電力跨鏈交易模式，接下來對(duì)電力交易區(qū)塊鏈跨鏈調(diào)度算法進(jìn)行研究。確定電力跨鏈調(diào)度優(yōu)先級(jí)可以保證調(diào)度算法的精準(zhǔn)性，在完成優(yōu)先級(jí)確定后，設(shè)計(jì)電力交易區(qū)塊鏈跨鏈調(diào)度算法，并對(duì)算法進(jìn)行求解，獲得精準(zhǔn)的調(diào)度結(jié)電力交易區(qū)塊鏈跨鏈調(diào)度通過一條區(qū)塊鏈連接不同區(qū)域，定義兩個(gè)區(qū)塊邊界節(jié)點(diǎn)依次根據(jù)獲得的不同區(qū)塊耦合約束條件，將等待延時(shí)數(shù)據(jù)包按照最接近閾值的順序進(jìn)行1—9 級(jí)數(shù)據(jù)包為最高優(yōu)先級(jí)劃分，得到服務(wù)優(yōu)先級(jí)劃分結(jié)果。在電力交易需求響應(yīng)之下，電力交易信道質(zhì)量可以等效為對(duì)應(yīng)信噪比用戶局隊(duì)列中等待交易數(shù)據(jù)，則在耦合約束調(diào)價(jià)下的電力用戶服務(wù)優(yōu)先級(jí)。需求響應(yīng)下調(diào)度結(jié)果為電力交易數(shù)據(jù)包的發(fā)送有效銜接，根據(jù)每個(gè)電力用戶信道情況動(dòng)態(tài)分配子信道。在滿足不同用戶的同時(shí)，使頻譜效率達(dá)到最大化。上述過程完電力交易區(qū)塊鏈跨鏈調(diào)度算法研究，通過求解調(diào)度算法獲得調(diào)度方案。在完成電力交易區(qū)塊鏈跨鏈協(xié)調(diào)調(diào)度算法后，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)算法求解獲取最佳調(diào)度方案。因此，根據(jù)算法特點(diǎn)，使用線性規(guī)劃方法求解，得到與用戶滿意度相關(guān)的負(fù)荷曲線，并將其分解。

（三）選擇一個(gè)面積為5000m×5000m 電力交易區(qū)域，將基于需求響應(yīng)的電力交易區(qū)塊鏈跨鏈協(xié)調(diào)調(diào)度算法應(yīng)用到該區(qū)域的電力交易區(qū)塊鏈跨鏈調(diào)度中

其中普通節(jié)點(diǎn)為5 臺(tái)，執(zhí)行控制器為3 臺(tái)，任務(wù)執(zhí)行成功率高達(dá)99%，未發(fā)生因用戶切換失敗而失效情況。根據(jù)上述電力電量需求與發(fā)電機(jī)組運(yùn)行情況，進(jìn)行跨鏈調(diào)度算法的性能驗(yàn)證。驗(yàn)證過程中，以優(yōu)先級(jí)確定、調(diào)度數(shù)據(jù)分配、調(diào)度算法求解為驗(yàn)證指標(biāo)，將所提算法與基于灰色模糊預(yù)測(cè)算法以及基于風(fēng)場(chǎng)高維相依性調(diào)度算法進(jìn)行對(duì)比研究。分別采用所提出算法與兩種傳統(tǒng)算法對(duì)電力交易區(qū)塊鏈跨鏈協(xié)調(diào)調(diào)度過程展開分析。其中，優(yōu)先級(jí)確定過程受到同頻干擾和鄰頻干擾共存干擾影響，導(dǎo)致優(yōu)先級(jí)確定不準(zhǔn)確，現(xiàn)就三種協(xié)調(diào)調(diào)度算法的優(yōu)先級(jí)計(jì)算準(zhǔn)確率進(jìn)行對(duì)比分析。其中，實(shí)際測(cè)量結(jié)果是通過檢測(cè)排隊(duì)數(shù)據(jù)包與閾值的相近關(guān)系得到的。優(yōu)先級(jí)計(jì)算結(jié)果在電力交易數(shù)量不斷上升的基礎(chǔ)上，所提算法的優(yōu)先級(jí)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果基本保持一致，說明所提出的調(diào)度算法具有較高的優(yōu)先級(jí)計(jì)算準(zhǔn)確性，能夠?qū)崿F(xiàn)電力交易數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)的精準(zhǔn)計(jì)算，從而提高電力交易區(qū)塊鏈跨鏈調(diào)度。而兩種傳統(tǒng)算法的優(yōu)先級(jí)變化結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果相差較大，不符合實(shí)際的測(cè)量情況，因此兩種傳統(tǒng)算法的優(yōu)先級(jí)計(jì)算結(jié)果存在嚴(yán)重誤差。提取電力交易區(qū)塊鏈跨鏈調(diào)度數(shù)據(jù)分配精準(zhǔn)性平均值曲線，分別使用三種算法進(jìn)行對(duì)比分析，與兩種傳統(tǒng)算法相比，所提算法調(diào)度數(shù)據(jù)分配精準(zhǔn)性較高，所提算法的調(diào)度數(shù)據(jù)分配精準(zhǔn)性保持在80%以上，而兩種傳統(tǒng)算法的最高分配精度分別為79%、66%調(diào)度算法求解調(diào)度算法的求解精度對(duì)獲得的最終調(diào)度方案有著關(guān)鍵性影響，因此以調(diào)度算法的求解精度為對(duì)比指標(biāo)，將所提算法與兩種文獻(xiàn)對(duì)比算法進(jìn)行驗(yàn)證，所提算法的求解精度遠(yuǎn)高于兩種傳統(tǒng)對(duì)比算法，在電力交易數(shù)據(jù)量為4GB 后，而兩種傳統(tǒng)算法的求解精度波動(dòng)幅度較大，難以保持求解結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)性。由此可知，基于需求響應(yīng)的電力交易區(qū)塊鏈跨鏈協(xié)調(diào)調(diào)度算法具有良好的調(diào)度效果。

（四）區(qū)塊鏈技術(shù)作為戰(zhàn)略創(chuàng)新的重要突破口，在我國良好政策支持下迅速發(fā)展，但仍有很大上升空間

區(qū)塊鏈技術(shù)能否繼續(xù)趨向成熟，這依賴于具體應(yīng)用過程中的不斷發(fā)掘、攻關(guān)。隨著綜合能源廣義需求響應(yīng)業(yè)務(wù)的推進(jìn)，后續(xù)發(fā)展趨勢(shì)將主要體現(xiàn)在以下方面?？蓴U(kuò)展性。在綜合能源需求響應(yīng)廣義需求響應(yīng)中，參數(shù)實(shí)體的類型、數(shù)量都比傳統(tǒng)的電力業(yè)務(wù)要多，參與交易的終端數(shù)量規(guī)模也異常龐大。區(qū)塊鏈系統(tǒng)每秒處理交易數(shù)目的多少直接決定了能源系統(tǒng)交易的性能，通過每秒鐘的事務(wù)數(shù)量可以有效反應(yīng)是交易處理的性能參數(shù)。事實(shí)上，每筆交易在每個(gè)節(jié)點(diǎn)達(dá)成共識(shí)以及各節(jié)點(diǎn)參與競(jìng)爭(zhēng)所帶來的巨大成本，已經(jīng)限制了該性能的提升。從技術(shù)上促進(jìn)區(qū)塊鏈的可擴(kuò)展化將成為今后工作的一個(gè)重點(diǎn)，主要解決途徑在于改變共識(shí)機(jī)制、采取多鏈技術(shù)、集成分片技術(shù)等。區(qū)塊鏈?zhǔn)褂镁哂幸欢ǚ秶拗?，必須與其他技術(shù)融合才能解決安全、存儲(chǔ)等諸多問題。隨著新型信息化技術(shù)的發(fā)展，越來越多的信息化新技術(shù)被應(yīng)用在能源區(qū)塊鏈領(lǐng)域中，機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)在能源區(qū)塊鏈領(lǐng)域也有相關(guān)的研究。區(qū)塊鏈與人工智能相結(jié)合形成去中心化云計(jì)算，數(shù)據(jù)支持有助于突破人工智能發(fā)展的瓶頸。物聯(lián)網(wǎng)也可作為區(qū)塊鏈的落地應(yīng)用，借由可靠的分布式信用保障機(jī)制可挖掘物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模應(yīng)用的商業(yè)模式。此外，還有區(qū)塊鏈與分布式存儲(chǔ)等的創(chuàng)新融合，多技術(shù)融合協(xié)同運(yùn)作已成為未來發(fā)展的一大趨勢(shì)。

結(jié)束語：為了適應(yīng)新形勢(shì)下多分配的科學(xué)管理要求，提出了基于需求響應(yīng)的電力交易區(qū)塊鏈跨鏈協(xié)調(diào)調(diào)度算法，為解決分布式體系結(jié)構(gòu)中任務(wù)調(diào)度的復(fù)雜性，對(duì)電力交易業(yè)務(wù)和電力交易系統(tǒng)的分析，較好解決了基于需求響應(yīng)的互斥任務(wù)調(diào)度問題。該算法為多樣化的電力交易提供了靈活的支持，通過方案驗(yàn)證，該算法不僅能夠較好解決當(dāng)前問題，而且在面臨更大的交易需求時(shí)能夠很好地運(yùn)行。