分布式能源系統(tǒng)運(yùn)營與區(qū)塊鏈

分布式能源系統(tǒng)是新能源技術(shù)和儲(chǔ)能技術(shù)逐漸成熟后出現(xiàn)的新型能源生產(chǎn)-供應(yīng)-消費(fèi)體系。分布式能源系統(tǒng)的能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)是典型的“無中心”、多節(jié)點(diǎn)狀況，一般存在三類節(jié)點(diǎn)：能源生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)、能源消費(fèi)節(jié)點(diǎn)、復(fù)合節(jié)點(diǎn)。鑒于此，分布式能源運(yùn)營難以簡(jiǎn)單套用現(xiàn)有能源運(yùn)營模式，需要利用新的技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新。區(qū)塊鏈提供無中心信任機(jī)制，原則上適合應(yīng)用于分布式能源運(yùn)營。本文討論的分布式能源系統(tǒng)運(yùn)營選擇大型封閉社區(qū)電力系統(tǒng)進(jìn)行研究，所謂封閉，系指?jìng)鹘y(tǒng)能源供應(yīng)的“需求側(cè)”，例如電力供應(yīng)與大電網(wǎng)關(guān)聯(lián)但管理自治，與大電網(wǎng)的交互僅通過配電節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。

一、 分布式能源模型

分布式能源采用建立在用戶端的本地化能源生產(chǎn)-供應(yīng)-消費(fèi)方式，一般為獨(dú)立運(yùn)營，是以資源、環(huán)境效益最大化確定運(yùn)營模式和容量的系統(tǒng)。將用戶多種能源需求、以及資源配置狀況進(jìn)行系統(tǒng)整合優(yōu)化，采用需求應(yīng)對(duì)式設(shè)計(jì)和模塊化配置的新型能源系統(tǒng)，是相對(duì)于集中供能的分散式供能和分散式消費(fèi)方式。

一般意義上的分布式能源系指多態(tài)能源系統(tǒng)，例如冷、熱、電聯(lián)合供應(yīng)，為簡(jiǎn)化模型，本文僅討論供電。處理多態(tài)能源系統(tǒng)時(shí)，可以通過能源當(dāng)量的折算和供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的抽象，采用本文推導(dǎo)的模型與解決方案。

上圖是以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)建立的智能型分布式能源體系的物理模型，其中冷熱電聯(lián)產(chǎn)通過標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量的換算折算為電量，供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)通過功能抽象統(tǒng)一為“能源輸送網(wǎng)絡(luò)”。

基于上述模型建立的分布式供供電網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行原則是：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平等，自治式管理，能量中心僅提供服務(wù)，可以是傳統(tǒng)意義的中心式服務(wù)，也可以是弱中心或去中心式服務(wù)(例如協(xié)議型區(qū)塊鏈)

優(yōu)先使用區(qū)域內(nèi)能源系統(tǒng)供電，供電收益用電付費(fèi)，用電費(fèi)用=供電費(fèi)用+公攤費(fèi)用

區(qū)域能能源系統(tǒng)供應(yīng)冗余時(shí)，利用儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行能源存儲(chǔ)，儲(chǔ)能成本計(jì)入公攤費(fèi)用區(qū)域電力需求大于供電能力時(shí)，輸入電網(wǎng)電力，電網(wǎng)電力計(jì)入公攤費(fèi)用，以用電量為計(jì)算權(quán)重進(jìn)行攤銷

在峰谷電價(jià)差具備儲(chǔ)能用電經(jīng)濟(jì)效益的地區(qū)(典型如京津冀地區(qū))，在儲(chǔ)能系統(tǒng)能力富余時(shí)在電網(wǎng)供電谷段進(jìn)行策略儲(chǔ)能。注:儲(chǔ)能策略由確定，通過本分布電網(wǎng)的供需數(shù)據(jù)對(duì)智能機(jī)器進(jìn)行訓(xùn)練。此問題將另文討論，此處不展開。

基于物理模型對(duì)分布式能源運(yùn)營過程進(jìn)行抽象，可建立分布式能源系統(tǒng)運(yùn)行矩陣。

系統(tǒng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)總數(shù)K，其中供電節(jié)點(diǎn)數(shù)N、消費(fèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)M(同一物理節(jié)點(diǎn)為混合節(jié)點(diǎn)時(shí)，拆分為一個(gè)純供電節(jié)點(diǎn)和一個(gè)純消費(fèi)節(jié)點(diǎn)，一般而言，拆分開的節(jié)點(diǎn)不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，供電與消費(fèi)具有時(shí)效性)。{N，M}max≦K

電網(wǎng)視作純電力輸入節(jié)點(diǎn)(如果區(qū)域新能源向電網(wǎng)輸出，則可以把電網(wǎng)抽象為特殊的消費(fèi)節(jié)點(diǎn))。

定義節(jié)點(diǎn)能力傳遞函數(shù)，Cij(t),是隨時(shí)間變化的，節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間的傳輸功率Pij,。易于得出，Pij=0，節(jié)點(diǎn)間無能力交換，Pij>0,節(jié)點(diǎn)i向節(jié)點(diǎn)j輸送電力，反之輸入。某一時(shí)間段內(nèi)，節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間的傳輸電量為：Wij=∫Cij(t)dt 積分區(qū)域?yàn)門O-T1,T0為記錄起始，TI為記錄終結(jié)

系統(tǒng)運(yùn)行矩陣(電力流向矩陣)：

該矩陣定量描述分布式能源系統(tǒng)某一時(shí)刻的能源流向，對(duì)角線上元素反映節(jié)點(diǎn)自供自用的水平(例如居民使用太陽能)，若矩陣的秩小于N，則表明存在故障節(jié)點(diǎn)或停用節(jié)點(diǎn)，需要做出調(diào)整。類似，可以建立支持結(jié)算的電能矩陣(Wij)，需要注意的是，由于區(qū)域內(nèi)供電電價(jià)低于消費(fèi)電價(jià)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要建立一個(gè)供電電量矩陣，一個(gè)消費(fèi)電量矩陣，方法是對(duì)C矩陣元素按流向進(jìn)行分時(shí)段積分。

二、 分布式能源運(yùn)行需要解決的基本問題

分布式能源在運(yùn)行中由于節(jié)點(diǎn)眾多且隨時(shí)間變化，電力供應(yīng)與消費(fèi)存在隨機(jī)性，其規(guī)律只能用隨機(jī)過程進(jìn)行描述。關(guān)于分布式能源隨機(jī)過程及決策機(jī)制，另文討論，此處給出分布式能源運(yùn)行需要解決的基本問題。

激勵(lì)機(jī)制：包括新能源應(yīng)用的激勵(lì)機(jī)制和利用峰谷電價(jià)差的轉(zhuǎn)移電量激勵(lì)機(jī)制，使得各節(jié)點(diǎn)建立綠色能源理念，通過建立新能源系統(tǒng)和改變電力消費(fèi)模式達(dá)成低碳發(fā)展目標(biāo)并降低用電成本。

分布式能源的管理成本和管理技術(shù)：分布式能源運(yùn)營無論采用區(qū)域自主運(yùn)營模式(例如物業(yè)運(yùn)營)或合同能源管理模式皆存在管理成本過高的問題，該項(xiàng)成本抵消新能源應(yīng)用和轉(zhuǎn)移電量帶來的經(jīng)濟(jì)收益，成為制約分布式能源發(fā)展的因素之一。此外傳統(tǒng)的管理技術(shù)也不能適應(yīng)分布式能源系統(tǒng)的復(fù)雜場(chǎng)景，引入?yún)^(qū)塊鏈可以解決電能監(jiān)管和解算的困難，而人工智能的引入可以解決分布式能源調(diào)度策略問題。

分布式節(jié)點(diǎn)之間的交易費(fèi)用問題：基本思路是利用上節(jié)所述的運(yùn)行矩陣建立監(jiān)控算法和智能化控制機(jī)制，利用區(qū)塊鏈技術(shù)解決交易信用和結(jié)算問題。

能源供需雙方的資源速配和信任度問題：分布式能源運(yùn)營過程中，不能采用傳統(tǒng)的一對(duì)一資源速配，實(shí)際上是通過人工智能、基于運(yùn)行矩陣實(shí)施的實(shí)時(shí)速配策略。供應(yīng)方和消費(fèi)方并無之間交易，交易過程透明，用戶只需關(guān)注自身的輸出量和消費(fèi)量。節(jié)點(diǎn)信任度由管理體系自動(dòng)評(píng)估，按照時(shí)段進(jìn)行劃分同時(shí)賦予一定的信任權(quán)重(類似金融信用)，以區(qū)塊鏈技術(shù)為核心的供需匹配自動(dòng)導(dǎo)入該項(xiàng)權(quán)重并影響供方的交易機(jī)會(huì)獲得概率。調(diào)

度策略最優(yōu)化問題：應(yīng)用人工智能機(jī)器進(jìn)行調(diào)度，調(diào)度策略基于分布式網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、通過機(jī)器學(xué)習(xí)持續(xù)進(jìn)行優(yōu)化。

電力損耗問題：電力損耗是電力供應(yīng)的難題，此處所言為非正常損耗(故障、泄漏)，例如儲(chǔ)能策略錯(cuò)誤造成的能源損耗。通過區(qū)塊鏈建立不可抵賴交易記錄，通過運(yùn)行矩陣建立全局及微觀節(jié)點(diǎn)自動(dòng)監(jiān)控機(jī)制，可以較為精準(zhǔn)的發(fā)現(xiàn)人為和技術(shù)漏洞，為降低損耗提供支持(具體解決問題需要人工介入，不在此討論)。

三、 基于區(qū)塊鏈的分布式能源運(yùn)營解決方案

在分布式能源運(yùn)營中利用區(qū)塊鏈分布式算法建立分布于各個(gè)節(jié)點(diǎn)的分布式數(shù)據(jù)庫與記賬機(jī)制，通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)數(shù)據(jù)同步，通過功能維度、對(duì)象維度和屬性維度來最大程度匹配分布式能源體系的特點(diǎn)。解決交易計(jì)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)測(cè)量、損耗評(píng)估、調(diào)度策略和結(jié)算等方面的技術(shù)瓶頸。分布式能源運(yùn)營區(qū)塊鏈的基本模型如下圖：

基本模型與比特幣等公有鏈相似，但本解決方案采用協(xié)議鏈模式，加入節(jié)點(diǎn)需要經(jīng)過實(shí)體管理中心許可，或者說所有節(jié)點(diǎn)都是實(shí)名制的，不存在隨意加入的機(jī)制。此外，由于電力供應(yīng)的實(shí)時(shí)性要求，本解決方案采用的是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分布式機(jī)制，實(shí)現(xiàn)該機(jī)制的技術(shù)方法難度較大，需要與比特幣完全不同的快速記錄驗(yàn)證方法。

分布式能源運(yùn)營區(qū)塊鏈可以保存所有節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)重要參數(shù)的數(shù)據(jù)(見運(yùn)行矩陣)，如電力/電量流向數(shù)據(jù)、調(diào)度數(shù)據(jù)、解算付費(fèi)數(shù)據(jù)等。

其次，區(qū)塊鏈能夠輔助實(shí)現(xiàn)用配電的分散化決策。分散化決策取決于分布式能源體系各個(gè)節(jié)點(diǎn)和調(diào)度模塊的互相協(xié)調(diào)，可確保整個(gè)系統(tǒng)始終處于高效運(yùn)轉(zhuǎn)的水平。實(shí)現(xiàn)模式多模塊協(xié)同自治，決策數(shù)據(jù)基于區(qū)塊鏈記錄，決策機(jī)制由人工智能機(jī)器給出并通過物理網(wǎng)聯(lián)動(dòng)執(zhí)行設(shè)備完成。分布式能源運(yùn)營技術(shù)系統(tǒng)的主要模塊包括：能源流向監(jiān)控模塊、電力調(diào)度模塊、能量供應(yīng)策略供應(yīng)模塊、計(jì)費(fèi)解算模塊。各模塊的協(xié)同自治，借助區(qū)塊鏈的底層加密技術(shù)原理和分布式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫。各個(gè)模塊基于流向驗(yàn)證共識(shí)機(jī)制，通過鏈?zhǔn)絻?yōu)化實(shí)現(xiàn)最優(yōu)運(yùn)行策略。區(qū)塊鏈上的能源交易不涉及到共同對(duì)手方的問題，因此很大程度上解決了交易信任度，降低了信用風(fēng)險(xiǎn)，也提高了能源交易主體的公信力(鏈上公信力)。

區(qū)塊鏈上的能源交易形成形形色色的“能源區(qū)塊”，區(qū)塊記錄的數(shù)據(jù)包括流向數(shù)據(jù)、調(diào)度數(shù)據(jù)、計(jì)費(fèi)解算和節(jié)點(diǎn)信任度評(píng)估數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)統(tǒng)一封裝分布記錄保存在鏈上，數(shù)據(jù)一旦上鏈即具有不可篡改性、可追溯性和非對(duì)稱加密特性。

例子：冗余供電

在運(yùn)營矩陣顯示的節(jié)點(diǎn)供電電力總和超出節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)消費(fèi)電力總和時(shí)，需要采用一定的決策機(jī)制選擇供電節(jié)點(diǎn)。基本的方法類似比特幣，但由于實(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)性要求，調(diào)查策略需要快速?zèng)Q策供電節(jié)點(diǎn)以保持供電網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定，為此而研發(fā)了專門的決策算法(可類比比特幣的挖礦)。同時(shí)，不同于比特幣的等權(quán)競(jìng)爭(zhēng)，本系統(tǒng)根據(jù)各節(jié)點(diǎn)的信任度導(dǎo)入權(quán)重，高信任度節(jié)點(diǎn)具有較高的獲得概率。

后記

分布式能源運(yùn)營問題較為復(fù)雜，導(dǎo)入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)需要解決諸多難題。