基于区块链的智能电网分布式资源管理研究

基于区块链的智能电网分布式资源管理研究

岳立聪 1魏昕宇 2

国网山东省电力公司平邑县供电公司  山东平邑   273300

摘要：分布式能源以其能效利用合理、损耗小、运行灵活等特点迅速成为智能电网建设中的重要能源体系。但相较于传统电力能源，分布式能源大规模并网难和资源难以调度制约着其在电网中的进一步发展。同时电力企业在对分布式能源进行管理时，容易出现电力交易双方难以取得互信、无法实时对电力设备进行监管等现象。电力企业急需一种基于去中心化的、安全可靠的技术来建立一套电力网络管理系统促进分布式能源的发展。

关键词：智能电网；分布式能源；电力网络管理系统

引言

高渗透率分布式电源的并网运行使得传统单电源辐射状配电系统转换为多电源供电网络，并且分布式电源复杂的接口特性以及负荷的多样性导致传统网络重构方法不再适用，需要考虑不同类型的DG对于网络重构等配电网运行调控效果的影响，以提高配电网运行的可靠性和经济性。

1区块链

1.1含义

区块链，即去中心化的，公开且透明的数据库，其去中心化的特点最早应用于货币以及支付手段。其数据公开透明，具有很高的可信度，在货币及支付手段外也开始在其他类型资产和领域得到应用，如货币、市场外的医疗、学历鉴定、网络安全、公证、租赁等众多领域。

1.2特征

1.2.1开放、共识

区块链网络不限制界限，任何人都可以参与其中，每台设备都是众多节点中的一部分，其数据库拷贝所有节点共享。共识机制使整个区块链被各个节点共同维护，即使其中某一节点出现问题也不影响其他节点的运作。

1.2.2去中心化

去中心化是区块链最核心的特点之一，因为它作为端到端的网络不需要中心化的设备，也不需要中心化的管理机构，节点之间仅需要通过数字签名进行数据交换，流程也严格遵守系统规则，节点之间根本无法做到互相欺骗，去信任的特点得以体现。

1.2.3透明、匿名

区块链中的所有数据都是公开透明的，运行的规则也向所有人公开，这就使得区块链中的所有交易都在大众视野范围内。且其去中心、去信任的特点使得各节点都是匿名状态，无需公开身份。

2电力网络管理系统

2.1电能衍生层

电能衍生层是电力网络管理系统的基础。在各分布式电源完成并网后，根据不同地区用电量的需求，分布式电源供应方通过发电设备合理生成电能，在交易支付层完成分布式能源的自动分配；通过传感器、无线传感网络等对变压器、开关柜、高压电缆等电力设备进行状态监测，并和电能交易数据进行“打包”，完成数据的上链；电网管理人员通过区块链上数据了解电量需求情况和设备运行状况后，可以决定不同时段发电机组的工作负荷，实现电力设备的动态运行。

2.2交易支付层

交易支付层是分布式电能实现合理交易的基础。电能需求者依据自身需要，在电力网络管理系统中提出交易申请，系统依据智能合约和调度策略，进行合理匹配。在电能衍生层的支撑下，需求者能够了解供应者的电能来源、电能质量等信息，提高交易双方的信任度，促成交易快速达成。交易完成后，相关交易数据会随之上链。

2.3数据贮存层

数据贮存层是将电能交易数据、电力设备实时状态信息等数据进行存储。电网的管理人员可以对存储在服务器的信息数据进行查阅、提取，以便对整个系统进行管理，保障电力网络管理系统的正常运行。

3共识算法比较以及物联网场景适应性分析

任何共识算法均需要考虑效率、能耗、资源占有率、算法实现难度、去中心化程度等多维度的要求。在物联网应用中，节点难以“作恶”或高度“可信”情况下，如何采用共识算法实现各分布式节点中的数据一致性，通过相关指标分析，得出共识算法是否适应于物联网使用场景。

为了判断上述各共识算法是否适合物联网应用，本文采用层次分析法分析区块链共识算法，结合物联网应用需求，提出满足物联网应用的共识算法。

3.1层次分析法

层次分析法（AnalyticalHierarchyProcess，AHP）是美国匹兹堡大学教授A.L.Saaty于20世纪80年代提出的一种系统分析方法，它综合了定性与定量分析，模拟人的决策思维过程，是分析多目标、多因素、多准则的复杂大系统的有力工具。层次分析法的基本原理简单说就是用下一层次因素的相对排序求得上一层次因素的相对排序。

应用层次分析法首先把要解决的问题分出系列层次，然后对模型中每一层次每一因素的相对重要性给予定量表示，再利用数学方法确定每一层次全部因素相对重要性次序的权值，最后通过综合计算得到最低层相对于较高层和最高层的相对重要性次序的组合权值，以此进行方案排序，作为评价依据。

3.2层次分析法应用于区块链共识算法建模与计算

为了分析各共识算法是否适合物联网应用，将各共识算法按照专家打分法，通过相互比较确定各准则对于目标的权重，构造判断矩阵。在层次分析法中，为使矩阵中各要素的重要性能够进行定量显示，引进了矩阵判断标度，分为同样重要、一般重要、重要、非常重要、极端重要5个级别，按照1，3，5，7，9来打分，2，4，6，8表示相邻判断的中间值。

4应用前景

4.1应用现状

能源互联网领域的区块链技术发展已经有了新的进展，部分欧美发达国家如德国、美国比利时等已经在能源领域取得进展。我国的区块链发展起步较晚，但是我国区块链技术应用成果也相当显著:(1)匹配分析能源互联网以及区块链特征，探索能源和互联网中区块链技术的实际运用模式，设计出区块链技术在市场交易、需求侧管理、电力市场、电能计量等领域的实际运用场景。(2)我国部分企业以及一些科研机构已经建立实验室专门研究分析能源互联网中的区块链技术运用。

4.2发展前景

(1)能源供给。能源供给的发展趋势为分布与集中两相结合，区块链中信息更新的实时性可以实现分布式与集中式间信息共享的实时性，有效避免重复建设多种能源造成的浪费。

(2)能源输送。能源输送领域中的参与者众多，竞争极为强烈，区块链的去中心化和去信任使得参与者之间的交易透明公开，参与者之间强制信任，这样有利于提升多种能源的协调性以及整个输送系统的效率。

(3)能源分配。能源分布式特征使能源分配结构造成了改变，能源系统计量也因多种能源转化而被提出更高的要求。区块链技术的应用自动执行能源分配，使能源广泛共享，显著提升能源分配效率以及合理性。

结语

通过标准测试系统，得到配电网重构策略，验证了所提重构模型的有效性，并与其它方法效果对比，具有较高的精确度和计算效率。通过考虑不同DG接入特性影响，使得重构结果的电压指标更优，保证了配电网运行的电压水平，并通过松弛精度分析检验了二阶锥规划的准确度。

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