基于能源區(qū)塊鏈的虛擬電廠分布式調(diào)度策略

王海群,費(fèi) 斐,陳凱玲

(國(guó)網(wǎng)上海市電力公司 經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,上海 200090)

隨著電力市場(chǎng)化改革的進(jìn)一步推進(jìn),電力市場(chǎng)中可再生能源滲透率進(jìn)一步提高,電力系統(tǒng)將迎來前所未有的升級(jí)改造。能源互聯(lián)網(wǎng)充分考慮可再生能源出力的不確定性,進(jìn)行有效的互聯(lián)互補(bǔ),為新能源就地消納提供了一種有效的途徑[1]。在這種發(fā)展趨勢(shì)下,虛擬電廠(Virtual Power Plant,VPP)應(yīng)運(yùn)而出。微電網(wǎng)在消納分布式能源時(shí),通常會(huì)受到地理位置的限制,而虛擬電廠卻沒有這種限制,打破了發(fā)電側(cè)、用電側(cè)的阻隔。虛擬電廠的提出,實(shí)現(xiàn)了區(qū)域性多能源的互聯(lián),達(dá)到能源系統(tǒng)智能化管理的目的[2],有利于新能源的消納,提高了新能源的利用率,有效遏制了棄風(fēng)棄光現(xiàn)象[3]。然而,目前VPP控制中心具有絕對(duì)的權(quán)限,VPP在聚合發(fā)電、用電單元時(shí),缺乏信息安全的保障體系[4],同時(shí)存在著信任缺失問題[5]。多能源協(xié)同管控,提高能源利用率是目前能源市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。但是多能源協(xié)同管控帶來的信息安全、信任缺失等成為亟待解決的問題。

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N去中心化的網(wǎng)絡(luò),具有智能合約、分布決策、協(xié)同自治、防篡改的高安全性和公開透明性等特征,區(qū)塊鏈技術(shù)對(duì)于微電網(wǎng)分布式電能交易具有較好的適用性,可以有效提高分布式能源的消納,進(jìn)一步促進(jìn)分布式能源的發(fā)展[6]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于電力市場(chǎng)中的研究及應(yīng)用尚處在起步階段。Suda等[7]構(gòu)建了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的大用戶直購(gòu)電交易框架。李劍峰[8]在區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)上構(gòu)建微電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化模型,并以最小運(yùn)行總成本為目標(biāo)實(shí)現(xiàn)了電力出力波動(dòng)的平抑。任建文等[9]基于區(qū)塊鏈與微電網(wǎng)相似的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),探討了微電網(wǎng)分布式電能交易的總體架構(gòu)。雖然這些研究利用區(qū)塊鏈技術(shù)形成了去中心化的模型框架,但是將區(qū)塊鏈與電力系統(tǒng)相結(jié)合進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化方面的研究較少。

基于上述考慮,本文分析了VPP 模型的特點(diǎn),提出了改進(jìn)實(shí)用拜占庭容錯(cuò)(Practical Byzantine Fault Tolerance,PBFT)算法的共識(shí)機(jī)制。PBFT算法適用于VPP運(yùn)行特征,可以實(shí)現(xiàn)虛擬電廠的有效調(diào)度。在等耗量微增率準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上,將微增量特征作為一致性變量,實(shí)現(xiàn)虛擬電廠的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)調(diào)度。最后,通過算例仿真驗(yàn)證了本文所提出的方法的有效性,為未來虛擬電廠的進(jìn)一步發(fā)展提供了可信的參考。

1 能源區(qū)塊鏈架構(gòu)

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)與VPP

區(qū)塊鏈由一串基于密碼學(xué)原理產(chǎn)生的數(shù)據(jù)塊組成,每一個(gè)數(shù)據(jù)塊包含區(qū)塊頭以及區(qū)塊體[10-11]。區(qū)塊體負(fù)責(zé)記錄前一段時(shí)間內(nèi)的所有交易信息,由區(qū)塊頭實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈的大部分功能。

在能源互聯(lián)網(wǎng)中引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)形成能源區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)(Energy Blockchain Net-work,EBN)。在能源區(qū)塊鏈中,利用智能合約、共識(shí)機(jī)制等技術(shù)特征[12-13],實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接可信交易。能源區(qū)塊鏈具有去中心化、去信任、開放共享的特點(diǎn)契合能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo),將區(qū)塊鏈技術(shù)引入VPP的可行性分析如圖1所示。

1.2 基于EBN 的VPP運(yùn)行機(jī)制

在能源區(qū)塊鏈連中,VPP的每個(gè)分布式能源節(jié)點(diǎn)作為一個(gè)單元將擁有特定ID 作為唯一的身份標(biāo)識(shí)。每個(gè)能源區(qū)塊儲(chǔ)存該網(wǎng)絡(luò)中一段時(shí)間內(nèi)的信息,具體如表1所示。

表1 EBN存儲(chǔ)的信息

在EBN 與VPP 進(jìn)行協(xié)同調(diào)度時(shí),新的分布式單元將憑借其特定的ID 才能參與調(diào)度協(xié)作,具體步驟如圖2所示。

2 區(qū)塊鏈機(jī)制下的調(diào)度策略

2.1 聯(lián)盟鏈中的共識(shí)機(jī)制

聯(lián)盟鏈[14-15]對(duì)一個(gè)特定的行業(yè)組織開放,每個(gè)新加人的節(jié)點(diǎn)都需要經(jīng)過驗(yàn)證和審核。在虛擬電廠的實(shí)際調(diào)度運(yùn)行中,由于分布式能源節(jié)點(diǎn)發(fā)力的不確定性將導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化調(diào)度。在聯(lián)盟鏈中,可以適應(yīng)包含少量故障節(jié)點(diǎn)或作惡節(jié)點(diǎn)的情況,適用于虛擬電廠的運(yùn)行特點(diǎn)。在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中,當(dāng)共識(shí)節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少時(shí),可采用實(shí)用拜占庭容錯(cuò)算法(PBFT)以有效提高共識(shí)的效率及共識(shí)結(jié)果的準(zhǔn)確性。PBFT 的運(yùn)行環(huán)境要求是一個(gè)相對(duì)封閉的集群,每一次共識(shí)需要多次兩兩節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。PBFT 適合行業(yè)、政府等主導(dǎo)的聯(lián)盟鏈,是節(jié)點(diǎn)數(shù)量有限系統(tǒng)并不需要具備數(shù)字貨幣發(fā)行機(jī)制時(shí)的理想選擇。因此,基于虛擬電廠的運(yùn)行特性,本文選擇聯(lián)盟鏈并采用PBFT 算法。

研究可知,密碼學(xué)技術(shù)可保證各分布式能源節(jié)點(diǎn)之間信息通信不可篡改,這是運(yùn)用PBFT 算法的前提條件。假設(shè)系統(tǒng)中的總節(jié)點(diǎn)數(shù)|n|=3f+1,則在系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下,需要有2f+1個(gè)正常節(jié)點(diǎn),整個(gè)系統(tǒng)中無效或惡意節(jié)點(diǎn)的數(shù)目的最大值為f個(gè),進(jìn)而知PBFT 的最大容錯(cuò)率為30%。PBFT 算法的執(zhí)行分為3個(gè)時(shí)間段,分別為預(yù)準(zhǔn)備(Pre-prepare)、準(zhǔn)備(Prepare)和確認(rèn)(Commit)。經(jīng)過3個(gè)階段的共識(shí)運(yùn)作,可以確保所有參與共識(shí)的分布式能源節(jié)點(diǎn)目標(biāo)具有一致性。

2.2 基于PBFT算法的VPP共識(shí)機(jī)制

共識(shí)機(jī)制的原則是少數(shù)服從多數(shù),PBFT 采用這一原則進(jìn)行共識(shí)記賬,總體過程包括如下4個(gè)步驟[16-17](見圖3)。

通過分析可以發(fā)現(xiàn),PBFT 算法具有4個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn):①在低耗能的前提下,它具備權(quán)限分級(jí)能力;②它是專業(yè)化的記賬人;③可以容忍任何類型的錯(cuò)識(shí),記賬由多人協(xié)同完成,每一個(gè)區(qū)塊都有最終性,不會(huì)分叉;④具有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明保證算法的可靠性。

在共識(shí)過程中,PBFT 算法可保證各分布式能源節(jié)點(diǎn)的靈活性、安全性,同時(shí)可提供(N-1)/3的容錯(cuò)性[18]。PBFT 共識(shí)算法具有契合聯(lián)盟鏈的運(yùn)行機(jī)制,同時(shí)也能夠降低共識(shí)信息丟失、延遲、被偽造篡改的風(fēng)險(xiǎn)性。在包含N個(gè)節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)中,PBFT 算法可容許出現(xiàn)f(N≥3f)個(gè)錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)或惡意節(jié)點(diǎn),即在含有N個(gè)節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)中,容許出現(xiàn)f(N＞3f)個(gè)拜占庭節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤,可有效提高原始拜占庭容錯(cuò)算法效率。在VPP運(yùn)行調(diào)度過程中需要考慮分布式能源出力的波動(dòng)性,為使算法與VPP調(diào)度運(yùn)行具有更高的契合性,對(duì)PBFT 算法進(jìn)行改進(jìn),改進(jìn)后的算法流程分為5個(gè)階段,即Request階段、Pre-prepare階段、Prepare階段、Commit 1階段以及Commit 2階段。

(1)Request階段。需求側(cè)向VPP控制中心發(fā)送請(qǐng)求,需求側(cè)節(jié)點(diǎn)單元形成集合〈Request,o,t,c〉。其中:o為請(qǐng)求執(zhí)行的操作;t為時(shí)間戳,確?？蛻舳说恼?qǐng)求被有序單次的執(zhí)行;c為需求側(cè)請(qǐng)求方。

(2)Pre-prepare階段。VPP 控制中心根據(jù)接收到的請(qǐng)求,形成預(yù)調(diào)度方案并將方案信息生成新區(qū)塊,然后進(jìn)行全網(wǎng)廣播。新區(qū)塊集合為〈Pre-pare,v,n,d0＞m0〉。其中:v為VPP控制中心的編號(hào);n為請(qǐng)求信息的序號(hào);m0包含需求側(cè)發(fā)送的請(qǐng)求及VPP形成的預(yù)調(diào)度方案消息;d0為m0的摘要。VPP控制中心將需求側(cè)的每一次請(qǐng)求信息編上序號(hào)存儲(chǔ)于控制中心內(nèi),防止未來VPP控制中心發(fā)生變更,請(qǐng)求信息丟失無法溯源。

(3)Prepare階段。此階段是分布式能源節(jié)點(diǎn)的接收共識(shí)過程,即當(dāng)分布式單元節(jié)點(diǎn)在接收到調(diào)度執(zhí)行指令時(shí),首先驗(yàn)證指令信息是否由VPP控制中心發(fā)出,驗(yàn)證通過后,各分布式單元節(jié)點(diǎn)對(duì)調(diào)度方案的可行性進(jìn)行共識(shí),若方案滿足約束條件,則通過驗(yàn)證并對(duì)全網(wǎng)進(jìn)行廣播,廣播各分布式能源節(jié)點(diǎn)的驗(yàn)證結(jié)果〈Prepare,v,n,,i〉,其中:為能源節(jié)點(diǎn)對(duì)m0的驗(yàn)證簽名;i為該節(jié)點(diǎn)的序號(hào),同時(shí)等待接收超過2/3的節(jié)點(diǎn)廣播驗(yàn)證結(jié)果,若驗(yàn)證未獲通過,則不廣播。在Prepare階段,所有的分布式能源節(jié)點(diǎn)具有參與運(yùn)行調(diào)度的能力及實(shí)際操作條件。

(4)Commit 1 階段。等待最終的共識(shí)結(jié)果。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)有超過2/3的分布式能源節(jié)點(diǎn)廣播自身驗(yàn)證通過的結(jié)果后,所有分布式能源節(jié)點(diǎn)達(dá)成共識(shí)。達(dá)成共識(shí)后,利用區(qū)塊鏈技術(shù)追溯和共享歷史數(shù)據(jù),根據(jù)歷史樣本計(jì)算初始場(chǎng)景概率,并根據(jù)預(yù)調(diào)度方案d0形成初始調(diào)控方案,再次發(fā)送廣播〈Commit1,v,n,d0,,di,i,mi〉。其中:mi為該能源節(jié)點(diǎn)提供的初始調(diào)控方案及該場(chǎng)景的初始概率;di為mi的摘要,同時(shí)再次等待接收超過2/3的節(jié)點(diǎn)的廣播驗(yàn)證結(jié)果。

(5)Commit 2階段。對(duì)最終待執(zhí)行的調(diào)度方案進(jìn)行最后的驗(yàn)證,并廣播〈Commit1,v,n,d0,,di,i,mi〉,其中,為能源節(jié)點(diǎn)對(duì)mi的驗(yàn)證簽名,當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)有超過2/3的分布式能源節(jié)點(diǎn)達(dá)成共識(shí)而通過驗(yàn)證時(shí),則驗(yàn)證完成并執(zhí)行具體的調(diào)度方案。

3 分布式調(diào)度執(zhí)行過程

在改進(jìn)的PBFT 算法基礎(chǔ)上,依據(jù)等耗量微增率準(zhǔn)則,系統(tǒng)內(nèi)分布式能源節(jié)點(diǎn)的調(diào)度方案形成過程如圖4所示。

當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)的負(fù)荷總量發(fā)生變化時(shí),所有機(jī)組將收到功率調(diào)整需求。各個(gè)機(jī)組在收到請(qǐng)求后將利用PBFT 算法進(jìn)行共識(shí)。共識(shí)通過后,系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)機(jī)組重新計(jì)算本單元出力功率以及微增量特征值λ,各機(jī)組根據(jù)計(jì)算值調(diào)整機(jī)組實(shí)際功率并且向全網(wǎng)廣播微增量特征λ。所有機(jī)組將其更新后的出力功率值記錄在區(qū)塊鏈上,為下一次的調(diào)度做準(zhǔn)備。具體流程如下:

圖4中DERs表示能源節(jié)點(diǎn),其中DERs1意為主節(jié)點(diǎn)。

(1)當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)總負(fù)荷發(fā)生改變時(shí),主節(jié)點(diǎn)DERs1被激活,主節(jié)點(diǎn)接收到功率計(jì)算請(qǐng)求的信息后,將對(duì)信息進(jìn)行預(yù)處理。

(2)當(dāng)主節(jié)點(diǎn)DERs1對(duì)接收到的信息預(yù)處理完成后,將基于分布式調(diào)度三階段的具體規(guī)則向系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)分布式能源節(jié)點(diǎn)廣播信息。

(3)請(qǐng)求的序號(hào)分配階段,主節(jié)點(diǎn)DERs1給分布式能源節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求按照時(shí)間附上相應(yīng)的序號(hào)值,不同時(shí)間段的請(qǐng)求得到不同的序號(hào),利用序號(hào)和請(qǐng)求操作構(gòu)造Pre-Prepare消息,并廣播給各DERs節(jié)點(diǎn)。在序號(hào)分配完成后,主節(jié)點(diǎn)DERs1將總的變化負(fù)荷PLD和功率計(jì)算請(qǐng)求發(fā)送到全網(wǎng)進(jìn)行廣播,各分布式能源節(jié)點(diǎn)接收具體信息。

(4)信息交互階段,各DERs 節(jié)點(diǎn)接收Pre-Prepare消息,每個(gè)節(jié)點(diǎn)向其他分布式能源節(jié)點(diǎn)廣播消息,如果節(jié)點(diǎn)收到2f個(gè)不同節(jié)點(diǎn)的消息,根據(jù)PBFT 的規(guī)定,共識(shí)已經(jīng)達(dá)成,Prepare階段已經(jīng)完成,系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)獲得更新后的負(fù)荷值。此時(shí)各節(jié)點(diǎn)初步具有計(jì)算能力,具備參與調(diào)度的條件。

(5)序號(hào)確認(rèn)階段,各節(jié)點(diǎn)對(duì)視圖內(nèi)的請(qǐng)求和次序進(jìn)行驗(yàn)證后,如果節(jié)點(diǎn)收到了2f +1 個(gè)Commit提交消息,代表大多數(shù)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)進(jìn)入Commit階段,這一階段已達(dá)成共識(shí)。共識(shí)達(dá)成后,系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)分布式能源節(jié)點(diǎn)將會(huì)執(zhí)行請(qǐng)求。

下面以區(qū)塊鏈中第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算過程為例,說明等耗量微增率準(zhǔn)則的計(jì)算過程。

依據(jù)分布式調(diào)度準(zhǔn)則,要求所有節(jié)點(diǎn)微增量特征值λ一致,即滿足

將所有節(jié)點(diǎn)功率用Pi表示,于是有:

一般情況下,總負(fù)荷功能PLD是已知的,因此,有

由于PLD已知,從而可計(jì)算得到新的Pi,然后將其代人式(2)得到所有節(jié)點(diǎn)的新的功率值,并更新到區(qū)塊鏈中,同時(shí)計(jì)算λ值并發(fā)送給任務(wù)的發(fā)起節(jié)點(diǎn)。

(6)任務(wù)發(fā)起者接收來自不同節(jié)點(diǎn)的響應(yīng),若有2f+1個(gè)響應(yīng)微增量特征值λ相同,則系統(tǒng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)對(duì)于本次負(fù)荷波動(dòng)的計(jì)算值已經(jīng)達(dá)成共識(shí)。該響應(yīng)結(jié)果即為本次請(qǐng)求計(jì)算的結(jié)果,本次分布式功率分配調(diào)整將按照上述計(jì)算值完成具體操作,實(shí)現(xiàn)最優(yōu)經(jīng)濟(jì)調(diào)度。

分布式能源系統(tǒng)的不穩(wěn)定性導(dǎo)致當(dāng)有新的能源節(jié)點(diǎn)加入時(shí),系統(tǒng)內(nèi)在審核通過新節(jié)點(diǎn)的加入請(qǐng)求后,廣播自身參數(shù)及功率值,完成新節(jié)點(diǎn)的功率分配。當(dāng)有節(jié)點(diǎn)退出時(shí),采用類似操作更新鏈上數(shù)據(jù)和調(diào)整功率,保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)。

4 算例分析

為驗(yàn)證本文所提出算法的有效性,通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。假設(shè)在某VPP 系統(tǒng)內(nèi)分散了4 個(gè)DERs,類型為微型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)(Micro Gas Generators,MGG),MGG 通過區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)連接,每個(gè)MGG 是網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn),并假設(shè)該網(wǎng)絡(luò)存在一定網(wǎng)絡(luò)延時(shí),但保證點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接通信。機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)和初始功率如表2所示。

表2 機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)和初始功率

存在網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的情況下,測(cè)試一致性變量λ的變化情況。由圖5可知,在初始t=1時(shí)刻,各機(jī)組的λ值不同,不滿足等耗量微增率準(zhǔn)則,系統(tǒng)的運(yùn)行沒有達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

圖5展示了在共識(shí)過程中,總負(fù)荷功率PLD與機(jī)組發(fā)電總功率SUM(Pi)的對(duì)比情形。由圖5可以發(fā)現(xiàn),雖然網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和共識(shí)計(jì)算造成了系統(tǒng)波動(dòng),但最終達(dá)到了功率平衡。

圖6展示了各個(gè)MGG 機(jī)組的有功功率調(diào)整情況,最終功率值穩(wěn)定在最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

虛擬電廠有助于優(yōu)化資源配置,提高新能源的利用率。本文分析了能源區(qū)塊鏈與VPP之間的契合互補(bǔ)特性,建立了基于EBN 的VPP 調(diào)度運(yùn)行機(jī)制?；趨^(qū)塊鏈技術(shù)去中心化、自治等技術(shù)特點(diǎn),針對(duì)虛擬電廠的運(yùn)行特征,采用等耗量微增率準(zhǔn)則,實(shí)現(xiàn)虛擬電廠的完全分布式運(yùn)行控制。后續(xù)將進(jìn)一步探討區(qū)塊鏈與虛擬電廠的深度融合技術(shù),促進(jìn)可再生能源的吸納。