虚拟电厂的可信交易研究

虚拟电厂可信交易研究 上海交通大学艾芊教授 2023年5月30日上海交通大学 SHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITY 上海交通大学 团队负责人介绍 艾芊教授 上海交通大学电气工程系长聘教授，博士生导师，担任电网技术、电力系统自动化等国内电力领域重点杂志的编委：中国电机工程学会能源互联网专委会委员，中国 自动化学会能源互联网专委会委员，IEEESeniorMember。 Page. 【研究方向】 电力系统元件建模，电能质量，分布式发电，人工智能以及在电力系统中的应用等 【项目合作】 国家自然科学基金、重点研发计划、863项目等纵向项目和多项横向课题 【科研成果】 ·编著与专著：形成编著和专著8部 论文：发表学术论文白余篇，其中SCI36篇，E33篇（近三年 科研项目：承担和完成纵向课题5个，横向课题15个（近三年 、合作单位：国家电网、南方电网、中国电科院、南网科学研究院、广州供电局、上海电力公司、华东电力 设计院、山东电科院、湖北电科院、许继集团 汇报提纲 虚拟电厂及其交易模式 区块链与可信交易技术 适用于虚拟电厂的可信交易技术总结与展望 上海交通大学 SHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITY 上海交通大学 HATRAOTONG 虚拟电厂： 虚拟电厂可定义为：由可控机组、不可控机组（风、光等分布式能源）、储能设备、负荷、电动汽车通信设备等聚合而成，并进一步考虑需求响应、不确定性等要素，通过与控制中心、云中心、电力交易中心等进行信息通信，实现与大电网的能量交互。 微网 风力发电 光伏发电 虚拟电厂控制中心 电池云中心 电力交易中心 电动汽车 智能楼字 信惠流 能量流 上海交通大学 自治”与“共享”是虚拟电厂的两大关键特征 虚拟电厂的“自治”即通过对内运营管理实现有效聚合、市场运行与精准调控的有机统一 虚拟电厂的“共享”即通过不同利益主体间的协调互动和随机互补特性实现多种异构分布式资源的协 作共享与利益共赢。 自治发挥系统集群优势共享 有效聚合云储能 准入条件资源构成 获利空间实现手段 剩余容量充 分利用 模式拓展 支撑 提升资源配置效率 交易指令 保障安全稳定运行 虚拟电厂 市场运行竞标约束精准调控 异构资源特性 互补协作共赢 上海交通大学 CHATRAOTONGNIVERHT 虚拟电厂组织分布式交易： P2P交易：虚拟电厂为内部电源运营商和用户等多利益主体提供内部交易平台。任意发用电主体按照 约定好的内容进行交易，无需第三方参加 光伏量充电 #用户 聚合商2 光伏罩储能光伏商业储能 风电楼宇 聚合商1 聚合商N 上海交通大学 虚拟电厂参与统一电力市场交易： 日前市场 虚拟电厂作为独立个体，可以以整体参与电力市场交易目标函数：运行成本最小或经济效益最大 >从市场功能来看，虚拟电厂可参与的市场模式有能量市场、辅助服约束条件：系统功率平衡约束、机组出 力约束、机组爬坡约束、系统旋转备用 务市场等。约束、弃风量、弃光量约束、网络潮流 >从时间尺度上来看，虚拟电厂可参与的市场模式有中长期合同市场 约束、网络节点电压约束、传统机组启 停时间约束。 日前市场、日内市场和实时市场。日内市场 目标函数：运行成本最小或经济效益 时间尺度最大 能量常用的模型考虑电网安全约束，经济效益最优。约束条件：系统功率平衡约束：机组 市场出力约束；机组爬坡约束；系统旋转 备用约束：弃风量、弃光量约束：网 络潮流约束：网络节点电压约束 辅助常用的模型考虑备用容量约束、调峰容量约束等实时市场 服务社会支付服务成本最小。目标函数：最小化调整成本 市场系统功率平衡约束；出力调整量约束； 系统旋转备用约束：弃风量、弃光量约束：网络潮流约束：网络节点电压约束 上海交通大学 传统中心化交易模式缺陷： 虚拟电厂特点虚拟电厂成员需求传统交易模式缺陷 有效技术手段 满足虚拟电厂实时高频交易业务中对于交易公平、透明和隐私性的要求 交易频次高公平性 交易全局信息难获取 区块链 成员数量多透明性 中心化决策效智能合约 率低 主体种类多隐私性 中心机构存在信息安全隐患 分布式计算 上海文通大学 CRAERAOTONGUNIVERHT 虚拟电厂可信交易内涵： 交易主客体信息真实交易过程安全可信交易可信度评价透明 业务服务符合监管要求和安全规范 汇报提纲 虚拟电厂及其交易模式 区块链与可信交易技术 适用于虚拟电厂的可信交易技术总结与展望 上海交通大学 SHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITY 上海交通大学 区块链： 这块链的本质是使用现代密码学技术将共识机制确认的区块按时间顺序追加形成的分布式账本。区块链的应用前提是“去中心化，目前存在两种主流的应用场景：其一是在信任薄弱或缺失的场景中建立数字信任机制；其二是作为数据共享手段，依靠已有的中心化机构简化烦琐流程，提高协作效率，降低运行成本。 应用行业去中心化解决方案 解决问题信任问题记账问题数据溯源问题 特点公开透明不可算改 底层技术共识机制加密技术分布式存储智能合约 分布式能源交易是区块链在能源领域的主要应用场景 上海交通大学 区块链平台： 区块链自身具有不可篡改、全程留痕、可以追溯的技术优势，自前已推广至资源共享、供应链、交 通运输、智慧城市等多个应用场景。企业级以太坊（EnterpriseEthereum)和超级账本 (Hyperledger)Fabric是两类最具吸引力的企业级区块链平台。 以太坊得益于其拥有世界上最大的区块链开发社区和较低的部署、配置及维护成本，应用更厂 泛。 PowerLedger公司在以太坊运营的能源区块链平台致力于提供可持续能源的灵活交易和实时跟 踪服务。但由于交易速度和吞吐量的限制，PowerLedger已经宣布将其区块链平台迁移到Solana。 >Fabric支持共识算法、成员管理服务等许多即插即用”功能，便于模块化和通用化设计。VIBM公司基于Fabric开发了私有区块链平台，确保分布式光伏与电动汽车、家庭储能等小型灵活 资源之间能源交互的有效性。 上海交通大学 共识机制： 区块链通过共识机制，为众多主体获得公平的信息读取权限提供了保障，用户可以随时上线参与交易，对 这块信息进行读写，同时也降低了信用成本和管理成本。 共识机制即分布式系统中达成一致的过程，保证各个节点之间协作管理链上信息，适用于VPP与其他机构的交易、结算以及P2P场景，有利于实时交易清算，避免款项拖欠。 典型的联盟链共识算法包括拜占庭容错（BFT）、实用拜占庭容错（PBFT）等拜占庭故障类共识算法 联盟链共识典型步骤： 接受客户端（需求侧）发送的交易记录请求消息； 选择主节点（VPP调控中心）。主节点接收到需求侧的消息后，将交易进行排序整理后转发给区块链的其他节点。 各VPP资源节点根据算法步骤进行多阶段信息验证并反馈。主节点接收反馈记录上链。 上海交通大学 智能合约： 智能合约是计算机程序的一种授权技术，可以保证VPP在交易时不引入第三方权威机构使得交易双方履行合约，只要满足交易条件就可以触发交易，并且交易代码不会被修改，减少了人为修改的可能，实现VPP分布式灵活交易与自动结算 基本合约代码等用于交易过程中的计算。各种代码的触发都是基于“交易事件触 发”，智能合约会经过所有代码，将运行的代码事件触发，同时执行。 典型的区块链智能合约部署平台有以太坊、HyperledgerFabric、enterpriseoperationsystem（Eos）等，其中，最流行的区块链开发平台是以太坊，因为它提供了内置成熟的图灵完备的Solidity编程语言，用于创建智能合约 汇报提纲 虚拟电厂及其交易模式 区块链与可信交易技术 适用于虚拟电厂的可信交易技术总结与展望 上海交通大学 SHANGHALJIAOTONGUNIVERSITY 上海交通大学 基于区块链的虚拟电厂总体架构： 利用区块链的技术优势，将虚拟电厂多层级多主体交易架构与区块链结合，弱化中间机构的市场主导权，简化交易流程，同时解决交易参与方之间的信任问题。部署基于主侧联盟链形式的一主多从扁平式和多主多从立体式的区块链治理结构。 多主多侧立体式结构主多侧扇平式结构 大容量电源 省调木 ★省级运营商 ★ 省级平台-主链市级大用户大规模储前市调 送营商VPP交易平台-生链 资源聚合层 市级平台1市级平台M产消者1产消者产消者 大规模储能市级运营商 大用户三侧链数据交互 产消者1产消者2 聘罐2 商业增储能 解链！侧链N热电：风电居民 侧链2分布式资源层 ★省级主链共识节点：E市级主链其识节点：主侧链错定节点：O侧链轻节点 镭定节点对应关系：一主链：侧链：主链区块：侧链区块：一区快链式结构 上海交通大学 AIAOTOR 信用评价指标体系： 考虑主侧链节点工作特性确定主侧链节点多维度信用评价指标，构建面向不同治理结构的差异化虚拟电厂信用评价指标体系：针对两种治理结构分别建立“底层侧链节点-上层主链节点与“底层侧链节点-区域交易主链节点-广域交易主链节点的信用评价体系架构 【特性分析】 【评价指标】 申源电话率损价格 执行电量 指标权重 O-O 主节点/双重节点 共识节点监督节点 主节点/双重节点 共识节点监督节点 文晨系 普通节点 从链节点分布 普通节点 主链节点分布 基于主从结构区块链的市场主体信用评价机制 主节点/双主节点/双主节点 重节点重节点 主链分布式共识机制设计 共识节点共识节点 共识节点 共识节点逸取共识信息养定共识方法 主书点 带点交品信用增设监捷市点 监督节点普通节点 监督节点监督节点 普通节点普通节点 从链节点分布 市级主链节省级主链节 点分布点分布 上海交通大学 RAOTOP 分布式共识算法： 针对联盟链吞叶量低，不能支撑大规模高并发电力交易业务场景的问题，设计适应于虚拟电厂不同利益主体的 区块链节点部署方法，设计缩短交易共识和执行时间的区块链共识算法。 Theouchputatenc 需求分析方案设计 1000 实验仿真008 存在问题： 区块链分片，提升吞吐量 400- 区块链春吐量低，可扩展性差，200- 难以满足大规模高并发电力交易初始化片内交易 需求。 优化目标： 周期重置跨片交易Figure1:Th 口10节点交易共识时间1秒根委员会分片网络 口满足数万级市场主体规模 600 口支撑高井发交易场景 HyperLedgerFabric区块链 针对区块链账本吞叶量低，难以满足大#通过初始化配置 根委员会实现节点的分片：在片内，使用DPOS算人中使用PBFT算法共识出块，提升片内共识效率；在片间，基于二次提交实现了高效跨片机制。本课题对上述方法进行了仿真实结果表明方案可以很好的支撑高并发场景， Shards Figue2Troughuscalabityofshardcountaneercou 上海交通大学 IAETAOTON 基于主侧链的虚拟电厂交易流程： 基于主侧链的虚拟电厂架构满足虚拟电厂参与能量及辅助服务市场交易的业务需求，既可支撑集中式电力市场交易又可以支撑地区分布式电力市场交易。 V主链由各聚合商、TSO/DSO和监管机构运营，协调大范围内的电力市场交易 Powear userDLT 交易价格 System clients购电出价 DLT主链交易DLI 育 上下边界 DLT DLT DLT 交互功率 售电报价上下边界 DSO/TSO 购电AGG 发起进行广播 交易过程 共识过程 记录上链 申报电量电价 共识节点选取 分布式存储 结算电量电价 节点验证 信息更新 共识共识记录 售电AGG 出清结果 出清结果 监管机构 上海交通大学 基于主侧链的虚拟电厂交易流程： √各条侧链由聚合商引导，聚合商内部各小规模市场主体共同运营，协调小范围内的电力市场交易 Power user 侧链交易 交易价格 System clients购电出价 聚合商1E DLTDLDLT上下边界 购电主体 售电主体 DLTDLT交互功率 聚合商N D