分布式能源系统运营与区块链
http://www.31ddgj.com 2018-02-09 16:19:53 飞利信大数据研究院

分布式能源系统是新能源技术和储能技术逐渐成熟后出现的新型能源生产-供应-消费体系。分布式能源系统的能源生产和消费结构是典型的“无中心”、多节点状况,一般存在三类节点:能源生产节点、能源消费节点、复合节点。鉴于此,分布式能源运营难以简单套用现有能源运营模式,需要利用新的技术进行创新。区块链提供无中心信任机制,原则上适合应用于分布式能源运营。本文讨论的分布式能源系统运营选择大型封闭社区电力系统进行研究,所谓封闭,系指传统能源供应的“需求侧”,例如电力供应与大电网关联但管理自治,与大电网的交互仅通过配电节点实现。

一、 分布式能源模型

分布式能源采用建立在用户端的本地化能源生产-供应-消费方式,一般为独立运营,是以资源、环境效益最大化确定运营模式和容量的系统。将用户多种能源需求、以及资源配置状况进行系统整合优化,采用需求应对式设计和模块化配置的新型能源系统,是相对于集中供能的分散式供能和分散式消费方式。

一般意义上的分布式能源系指多态能源系统,例如冷、热、电联合供应,为简化模型,本文仅讨论供电。处理多态能源系统时,可以通过能源当量的折算和供应网络的抽象,采用本文推导的模型与解决方案。

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上图是以物联网技术为基础建立的智能型分布式能源体系的物理模型,其中冷热电联产通过标准当量的换算折算为电量,供应网络通过功能抽象统一为“能源输送网络”。

基于上述模型建立的分布式供供电网络的运行原则是:

网络节点平等,自治式管理,能量中心仅提供服务,可以是传统意义的中心式服务,也可以是弱中心或去中心式服务(例如协议型区块链)

优先使用区域内能源系统供电,供电收益用电付费,用电费用=供电费用 公摊费用

区域能能源系统供应冗余时,利用储能系统进行能源存储,储能成本计入公摊费用

区域电力需求大于供电能力时,输入电网电力,电网电力计入公摊费用,以用电量为计算权重进行摊销

在峰谷电价差具备储能用电经济效益的地区(典型如京津冀地区),在储能系统能力富余时在电网供电谷段进行策略储能。注:储能策略由确定,通过本分布电网的供需数据对智能机器进行训练。此问题将另文讨论,此处不展开。

基于物理模型对分布式能源运营过程进行抽象,可建立分布式能源系统运行矩阵。

系统内节点总数K,其中供电节点数N、消费节点数M(同一物理节点为混合节点时,拆分为一个纯供电节点和一个纯消费节点,一般而言,拆分开的节点不会同时出现,供电与消费具有时效性)。{N,M}max≦K

电网视作纯电力输入节点(如果区域新能源向电网输出,则可以把电网抽象为特殊的消费节点)。

定义节点能力传递函数,Cij(t),是随时间变化的,节点i与节点j之间的传输功率Pij,。易于得出,Pij=0,节点间无能力交换,Pij>0,节点i向节点j输送电力,反之输入。某一时间段内,节点i与节点j之间的传输电量为:

Wij=∫Cij(t)dt 积分区域为TO-T1,T0为记录起始,TI为记录终结

系统运行矩阵(电力流向矩阵):

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该矩阵定量描述分布式能源系统某一时刻的能源流向,对角线上元素反映节点自供自用的水平(例如居民使用太阳能),若矩阵的秩小于N,则表明存在故障节点或停用节点,需要做出调整。类似,可以建立支持结算的电能矩阵(Wij),需要注意的是,由于区域内供电电价低于消费电价,每个节点需要建立一个供电电量矩阵,一个消费电量矩阵,方法是对C矩阵元素按流向进行分时段积分。

二、 分布式能源运行需要解决的基本问题

分布式能源在运行中由于节点众多且随时间变化,电力供应与消费存在随机性,其规律只能用随机过程进行描述。关于分布式能源随机过程及决策机制,另文讨论,此处给出分布式能源运行需要解决的基本问题。

激励机制:包括新能源应用的激励机制和利用峰谷电价差的转移电量激励机制,使得各节点建立绿色能源理念,通过建立新能源系统和改变电力消费模式达成低碳发展目标并降低用电成本。

分布式能源的管理成本和管理技术:分布式能源运营无论采用区域自主运营模式(例如物业运营)或合同能源管理模式皆存在管理成本过高的问题,该项成本抵消新能源应用和转移电量带来的经济收益,成为制约分布式能源发展的因素之一。此外传统的管理技术也不能适应分布式能源系统的复杂场景,引入区块链可以解决电能监管和解算的困难,而人工智能的引入可以解决分布式能源调度策略问题。

分布式节点之间的交易费用问题:基本思路是利用上节所述的运行矩阵建立监控算法和智能化控制机制,利用区块链技术解决交易信用和结算问题。

能源供需双方的资源速配和信任度问题:分布式能源运营过程中,不能采用传统的一对一资源速配,实际上是通过人工智能、基于运行矩阵实施的实时速配策略。供应方和消费方并无之间交易,交易过程透明,用户只需关注自身的输出量和消费量。节点信任度由管理体系自动评估,按照时段进行划分同时赋予一定的信任权重(类似金融信用),以区块链技术为核心的供需匹配自动导入该项权重并影响供方的交易机会获得概率。

调度策略最优化问题:应用人工智能机器进行调度,调度策略基于分布式网络数据、通过机器学习持续进行优化。

电力损耗问题:电力损耗是电力供应的难题,此处所言为非正常损耗(故障、泄漏),例如储能策略错误造成的能源损耗。通过区块链建立不可抵赖交易记录,通过运行矩阵建立全局及微观节点自动监控机制,可以较为精准的发现人为和技术漏洞,为降低损耗提供支持(具体解决问题需要人工介入,不在此讨论)。

三、 基于区块链的分布式能源运营解决方案

在分布式能源运营中利用区块链分布式算法建立分布于各个节点的分布式数据库与记账机制,通过互联网实现全网数据同步,通过功能维度、对象维度和属性维度来最大程度匹配分布式能源体系的特点。解决交易计价、风险测量、损耗评估、调度策略和结算等方面的技术瓶颈。分布式能源运营区块链的基本模型如下图:

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基本模型与比特币等公有链相似,但本解决方案采用协议链模式,加入节点需要经过实体管理中心许可,或者说所有节点都是实名制的,不存在随意加入的机制。此外,由于电力供应的实时性要求,本解决方案采用的是实时动态分布式机制,实现该机制的技术方法难度较大,需要与比特币完全不同的快速记录验证方法。

分布式能源运营区块链可以保存所有节点和网络重要参数的数据(见运行矩阵),如电力/电量流向数据、调度数据、解算付费数据等。

其次,区块链能够辅助实现用配电的分散化决策。分散化决策取决于分布式能源体系各个节点和调度模块的互相协调,可确保整个系统始终处于高效运转的水平。实现模式多模块协同自治,决策数据基于区块链记录,决策机制由人工智能机器给出并通过物理网联动执行设备完成。分布式能源运营技术系统的主要模块包括:能源流向监控模块、电力调度模块、能量供应策略供应模块、计费解算模块。各模块的协同自治,借助区块链的底层加密技术原理和分布式存储数据库。各个模块基于流向验证共识机制,通过链式优化实现最优运行策略。

区块链上的能源交易不涉及到共同对手方的问题,因此很大程度上解决了交易信任度,降低了信用风险,也提高了能源交易主体的公信力(链上公信力)。区块链上的能源交易形成形形色色的“能源区块”,区块记录的数据包括流向数据、调度数据、计费解算和节点信任度评估数据。数据统一封装分布记录保存在链上,数据一旦上链即具有不可篡改性、可追溯性和非对称加密特性。

例子:冗余供电

在运营矩阵显示的节点供电电力总和超出节点申请消费电力总和时,需要采用一定的决策机制选择供电节点。基本的方法类似比特币,但由于实时性和动态性要求,调查策略需要快速决策供电节点以保持供电网络的稳定,为此而研发了专门的决策算法(可类比比特币的挖矿)。同时,不同于比特币的等权竞争,本系统根据各节点的信任度导入权重,高信任度节点具有较高的获得概率。

后记

分布式能源运营问题较为复杂,导入区块链技术需要解决诸多难题。

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