分布式能源系統(tǒng)運營與區(qū)塊鏈

2018-02-09 15:13:10 飛利信大數(shù)據(jù)研究院　點擊量：評論 (0)

分布式能源系統(tǒng)是新能源技術和儲能技術逐漸成熟后出現(xiàn)的新型能源生產-供應-消費體系。分布式能源系統(tǒng)的能源生產和消費結構是典型的無中心、

分布式能源系統(tǒng)是新能源技術和儲能技術逐漸成熟后出現(xiàn)的新型能源生產-供應-消費體系。分布式能源系統(tǒng)的能源生產和消費結構是典型的“無中心”、多節(jié)點狀況，一般存在三類節(jié)點：能源生產節(jié)點、能源消費節(jié)點、復合節(jié)點。鑒于此，分布式能源運營難以簡單套用現(xiàn)有能源運營模式，需要利用新的技術進行創(chuàng)新。區(qū)塊鏈提供無中心信任機制，原則上適合應用于分布式能源運營。本文討論的分布式能源系統(tǒng)運營選擇大型封閉社區(qū)電力系統(tǒng)進行研究，所謂封閉，系指傳統(tǒng)能源供應的“需求側”，例如電力供應與大電網(wǎng)關聯(lián)但管理自治，與大電網(wǎng)的交互僅通過配電節(jié)點實現(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-供應-消費方式，一般為獨立運營，是以資源、環(huán)境效益最大化確定運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行系統(tǒng)整合優(yōu)化，采用需求應對式設計和模塊化配置的新型能源系統(tǒng)，是相對于集中供能的分散式供能和分散式消費方式。

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，為簡化模型，本文僅討論供電。處理多態(tài)能源系統(tǒng)時，可以通過能源當量的折算和供應網(wǎng)絡的抽象，采用本文推導的模型與解決方案。

上圖是以物聯(lián)網(wǎng)技術為基礎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)產通過標準當量的換算折算為電量，供應網(wǎng)絡通過功能抽象統(tǒng)一為“能源輸送網(wǎng)絡”。

基于上述模型建立的分布式供供電網(wǎng)絡的運行原則是：

網(wǎng)絡節(jié)點平等，自治式管理，能量中心僅提供服務，可以是傳統(tǒng)意義的中心式服務，也可以是弱中心或去中心式服務(例如協(xié)議型區(qū)塊鏈)

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

區(qū)域能能源系統(tǒng)供應冗余時，利用儲能系統(tǒng)進行能源存儲，儲能成本計入公攤費用

區(qū)域電力需求大于供電能力時，輸入電網(wǎng)電力，電網(wǎng)電力計入公攤費用，以用電量為計算權重進行攤銷

在峰谷電價差具備儲能用電經(jīng)濟效益的地區(qū)(典型如京津冀地區(qū))，在儲能系統(tǒng)能力富余時在電網(wǎng)供電谷段進行策略儲能。注:儲能策略由確定，通過本分布電網(wǎng)的供需數(shù)據(jù)對智能機器進行訓練。此問題將另文討論，此處不展開。

基于物理模型對分布式能源運營過程進行抽象，可建立分布式能源系統(tǒng)運行矩陣。

系統(tǒng)內節(jié)點總數(shù)K，其中供電節(jié)點數(shù)N、消費節(jié)點數(shù)M(同一物理節(jié)點為混合節(jié)點時，拆分為一個純供電節(jié)點和一個純消費節(jié)點，一般而言，拆分開的節(jié)點不會同時出現(xiàn)，供電與消費具有時效性)。{N，M}max≦K

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

定義節(jié)點能力傳遞函數(shù)，Cij(t),是隨時間變化的，節(jié)點i與節(jié)點j之間的傳輸功率Pij,。易于得出，Pij=0，節(jié)點間無能力交換，Pij>0,節(jié)點i向節(jié)點j輸送電力，反之輸入。某一時間段內，節(jié)點i與節(jié)點j之間的傳輸電量為：

Wij=∫Cij(t)dt 積分區(qū)域為TO-T1,T0為記錄起始，TI為記錄終結

系統(tǒng)運行矩陣(電力流向矩陣)：

該矩陣定量描述分布式能源系統(tǒng)某一時刻的能源流向，對角線上元素反映節(jié)點自供自用的水平(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)點或停用節(jié)點，需要做出調整。類似，可以建立支持結算的電能矩陣(Wij)，需要注意的是，由于區(qū)域內供電電價低于消費電價，每個節(jié)點需要建立一個供電電量矩陣，一個消費電量矩陣，方法是對C矩陣元素按流向進行分時段積分。

二、分布式能源運行需要解決的基本問題

分布式能源在運行中由于節(jié)點眾多且隨時間變化，電力供應與消費存在隨機性，其規(guī)律只能用隨機過程進行描述。關于分布式能源隨機過程及決策機制，另文討論，此處給出分布式能源運行需要解決的基本問題。

激勵機制：包括新能源應用的激勵機制和利用峰谷電價差的轉移電量激勵機制，使得各節(jié)點建立綠色能源理念，通過建立新能源系統(tǒng)和改變電力消費模式達成低碳發(fā)展目標并降低用電成本。

分布式能源的管理成本和管理技術：分布式能源運營無論采用區(qū)域自主運營模式(例如物業(yè)運營)或合同能源管理模式皆存在管理成本過高的問題，該項成本抵消新能源應用和轉移電量帶來的經(jīng)濟收益，成為制約分布式能源發(fā)展的因素之一。此外傳統(tǒng)的管理技術也不能適應分布式能源系統(tǒng)的復雜場景，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度策略問題。

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

能源供需雙方的資源速配和信任度問題：分布式能源運營過程中，不能采用傳統(tǒng)的一對一資源速配，實際上是通過人工智能、基于運行矩陣實施的實時速配策略。供應方和消費方并無之間交易，交易過程透明，用戶只需關注自身的輸出量和消費量。節(jié)點信任度由管理體系自動評估，按照時段進行劃分同時賦予一定的信任權重(類似金融信用)，以區(qū)塊鏈技術為核心的供需匹配自動導入該項權重并影響供方的交易機會獲得概率。

調度策略最優(yōu)化問題：應用人工智能機器進行調度，調度策略基于分布式網(wǎng)絡數(shù)據(jù)、通過機器學習持續(xù)進行優(yōu)化。

電力損耗問題：電力損耗是電力供應的難題，此處所言為非正常損耗(故障、泄漏)，例如儲能策略錯誤造成的能源損耗。通過區(qū)塊鏈建立不可抵賴交易記錄，通過運行矩陣建立全局及微觀節(jié)點自動監(jiān)控機制，可以較為精準的發(fā)現(xiàn)人為和技術漏洞，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營解決方案

在分布式能源運營中利用區(qū)塊鏈分布式算法建立分布于各個節(jié)點的分布式數(shù)據(jù)庫與記賬機制，通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)全網(wǎng)數(shù)據(jù)同步，通過功能維度、對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。解決交易計價、風險測量、損耗評估、調度策略和結算等方面的技術瓶頸。分布式能源運營區(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)點需要經(jīng)過實體管理中心許可，或者說所有節(jié)點都是實名制的，不存在隨意加入的機制。此外，由于電力供應的實時性要求，本解決方案采用的是實時動態(tài)分布式機制，實現(xiàn)該機制的技術方法難度較大，需要與比特幣完全不同的快速記錄驗證方法。

分布式能源運營區(qū)塊鏈可以保存所有節(jié)點和網(wǎng)絡重要參數(shù)的數(shù)據(jù)(見運行矩陣)，如電力/電量流向數(shù)據(jù)、調度數(shù)據(jù)、解算付費數(shù)據(jù)等。

其次，區(qū)塊鏈能夠輔助實現(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節(jié)點和調度模塊的互相協(xié)調，可確保整個系統(tǒng)始終處于高效運轉的水平。實現(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，決策機制由人工智能機器給出并通過物理網(wǎng)聯(lián)動執(zhí)行設備完成。分布式能源運營技術系統(tǒng)的主要模塊包括：能源流向監(jiān)控模塊、電力調度模塊、能量供應策略供應模塊、計費解算模塊。各模塊的協(xié)同自治，借助區(qū)塊鏈的底層加密技術原理和分布式存儲數(shù)據(jù)庫。各個模塊基于流向驗證共識機制，通過鏈式優(yōu)化實現(xiàn)最優(yōu)運行策略。

區(qū)塊鏈上的能源交易不涉及到共同對手方的問題，因此很大程度上解決了交易信任度，降低了信用風險，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)、調度數(shù)據(jù)、計費解算和節(jié)點信任度評估數(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、可追溯性和非對稱加密特性。

例子：冗余供電

在運營矩陣顯示的節(jié)點供電電力總和超出節(jié)點申請消費電力總和時，需要采用一定的決策機制選擇供電節(jié)點。基本的方法類似比特幣，但由于實時性和動態(tài)性要求，調查策略需要快速決策供電節(jié)點以保持供電網(wǎng)絡的穩(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，不同于比特幣的等權競爭，本系統(tǒng)根據(jù)各節(jié)點的信任度導入權重，高信任度節(jié)點具有較高的獲得概率。

后記

分布式能源運營問題較為復雜，導入?yún)^(qū)塊鏈技術需要解決諸多難題。

原標題:分布式能源系統(tǒng)運營與區(qū)塊鏈