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如图 1 所示,本文所设计的分布式电力交易平台架构中,电力资源作为可交易的数字资产, 在 P2P( peer-to-peer)交易市场中完成针对报价和数量的购售交易,同时通过区块链完成在电力产消者之间的信息交互和价值转移。由于无法及时获取未来时段电力产消者的准确电力需求,本文将一天划分为 48 个时段,在每个时段交易下一个时段的电力资源。考虑安全约束,基于区块链的分布式电力交易流程如下。
(1))配电网中各用户拟定自身用电量、发电量计划,通过智能合约提交区块链,由区块链矿工将信息写入区块记录。
(2))当某用户实际用电量或发电量与既定计划有偏差时,该用户将通过智能合约发起交易, 如果供电过剩,则请求卖电;如果耗电过多, 则请求买电。请求周边用户改变供电量或耗电量计划,协助消除偏差值。
(3))周边用户收到交易请求,计算配电网供求总偏差值,并根据总供/用电量偏差值,给出卖电或买电的报价。
(4))区块链矿工收集所有产消者的报价并对报价集合排序,在买方市场中,将供电方的有效报价由低至高排序;在卖方市场,将用电方的有效报价由高至低排序。在出清队列中按照报价排序结果,选择供电量/用电量交易额度并且选择输送线路,直至满足供电量/用电量平衡约束。
(5))此时所有产消者可开展 P2P交易,该阶段可开展 3种交易行为。①限价交易:买/卖方指定成交价格及电能数量,出现等于或高于该价格的卖方/买方报价,则成交,成交价格为双方报价的平均值;②市价交易:买/卖方不设定价格但指定数量,以当前市场最优卖/买方报价成交;③ 撤单:放弃出售/购买电能,清除自身报价信息。
所有产消者可查看公布在区块链上的买卖双方投标数量及价格。若 P2P 市场参与者放弃电力交易,则可选择撤单,清除自身报价信息;若自身下一阶段电力需求发生变化,则可发布限价订单,修改报价及数量,在市场中等待响应;若购售需求非常急迫,则可发布市价订单,指定成交数量而不限定价格,区块链可为其选择当前市场最优报价完成交易配对。
(5))考虑线路裕度对输送的限制。首先根据功率转移分布因子,计算配电网潮流。若不存在线路裕度越限情况,则通过安全校核,确定交易结果;若存在线路裕度越限情况,则未通过安全校核,调整潮流,结合各方报价、可供/求电量分析,重新计算配电网潮流。
(6))经过安全校核,若产消者无法通过内部交易维持平衡,则系统备用被调用,以弥补该产消者的偏差。
(7))交易主体之间完成多边交易结算,费用结算在区块链上完成。
(8))配电网中所有用户按照电力 P2P交易的结果调整自身发用电,各个用户安装可运行区块链节点的智能电表,由智能电表检测产消者的发用电情况,并通过内置的通信模块与区块链上的智能合约产生数据交互,由矿工对数据打包并写入区块链,该过程由智能电表自主完成,无需电网公司的参与。若分布式发电方实际发电数量少于交易结果,则给予一定的经济处罚,以此维护配电网的安全稳定运行。
对于一个 n 节点的配电网络树图,其中包含n–1 条线路,可以利用如下方法计算线路潮流。
( 1) 对 n– 1 条线路编号 1~n–1 ,另规定有n– 1 行 n 列的二维数组 A。每一行代表一条线路, n 列则表示 n 个节点。
( 2)规定线路正方向,本文选定从根节点向叶节点延伸的方向为正方向,即潮流流向为从根节点到叶节点,靠近根节点的节点为上游;反之为下游。
( 3)在二维数组 A 对应行列中填入 0 或 1, 第 i 行第 j 列填入 0 代表第 j 个节点处在第 i 条线路的上游, 第 i 行第 j 列填入 1 代表第 j 个节点处在第 i 条线路的下游。其中 1≤i≤n–1,1≤j≤n。
( 4) 创建 n 行 1 列的一维数组 B, 第 n 行元素代表该节点计划流入的电能,数值为正表示用电方流入电能,数值为负表示供电方供出电能。
(5)将二维数组 A与一维数组 B 相乘,得到一个 n– 1行 1列的一维数组 C,其中每 k(1≤k≤ n–1)行的元素代表第 k 条线路的潮流流向,若为正,则表示从上游到下游;若为负,表示从下游到上游;若为 0,则该条线路不存在潮流裕度越限隐患。
至此,可以得到无线路容量裕度下的潮流理论计算值,比对线路的安全裕度与潮流理论计算值,发现有越限的线路则修正潮流。设 Pαβ为线路 αβ的潮流数值,按如下方法描述为:(1)对于 一 条 正 向 越 限 , 即 P αβ> 0 的 线 路 而 言 , Pαβ> Pαβ,移除上游的供电方,按照报价从低到高排序,选择已加入供电范围的最高价投标者, 降低其输出电量,同时在越限线路下游增加最低价供电方的输出电量(若最低价投标者已经达到最大输出,则选取第二低价者)。如此往复循环,直至目标越限线路的潮流达到安全裕度范围内。(2)对于一条负向越限, 即 Pαβ< 0的线路而言,– Pαβ> Pαβ,移除下游的供电方,按照报价从低到高排序,选择已加入供电范围的最高价投标者,降低其输出电量,同时在越限线路上游增加最低价供电方的输出电量(若最低价投标者已经达到最大输出,则选取第二低价者)。如此往复循环,直至目标越限线路的潮流达到安全裕度范围内。
对于一个正向越限的线路而言,上述方法将减小线路上游某一投标者(最高价为最优)的输出电量,增大下游某一投标者(最低价为最优) 的输出电量,以上步骤均需确保不增加更多的越限支路,否则考察优先级队列中下一顺位者。这样的调整将降低上、下游这两个节点之间的线路传输功率,最终达到安全裕度范围内。
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