一种基于区块链和分散交易理论的共享储能联合调频交易方法

1.本发明涉及区块链和储能技术领域，更具体地，涉及一种基于区块链和分散交易理论的共享储能联合调频交易方法


背景技术：

2.全球能源转型深入的背景下，可再生能源发电占比不断提高。由于风力、光伏发电存在天然的不稳定性，使得电力系统转动惯量减小，调频压力增加。储能尤其是电池储能系统具有快速和精确的响应能力，单位功率的调频效率较高，可降低电力系统旋转备用的容量，减少火电碳排放。目前国内针对小微储能的调频运营模式和交易机制尚未成熟，导致大量的分布式储能资源没有得到有效利用。相关研究提出了共享储能模式，通过分离储能的所有权和使用权，储能所有者将闲置储能租赁给有需求的客户，实现设备共享。但目前国内外还没有针对共享储能参与调频的交易方法研究。因此有必要提出一种基于区块链和分散交易理论的共享储能联合调频交易方法，提高储能资源利用率。


技术实现要素：

3.本发明提出一种区块链架构下共享储能参与火储联合调频的分散交易方法。该方法先提出了分布式储能以共享储能形式参与火电联合调频的运营模式，并基于此模式设计了一种计及分布式储能和火电机组偏好的联合调频分散交易机制；构建包含共识机制、智能合约的联盟链架构，并提出了考虑交易主体隐私的交易信息分类管理方法；构建基于分散交易理论的交易方法，并模拟市场交易结果。
4.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
5.一种基于区块链和分散交易理论的共享储能联合调频交易方法，包括以下步骤：
6.步骤1：提出共享储能与火电机组联合调频的运营模式，构建基于调频性能的火电机组储能配置量模型；
7.步骤2：针对共享储能与火电机组的联合调频运营模式，提出基于分散交易理论的交易方法；
8.步骤3：构建基于多项logit模型的共享储能报价对象选择模型和基于鲁宾斯坦恩模型的价格谈判模型；
9.步骤4：构建火电机组的最优采购决策模型，求解确定成交对象。
10.上述技术方案中，进一步地，所述的步骤1中，基于调频性能的火电机组储能配置量模型如下：
11.上述模型以火电机组的调频性能增长函数表示，火电机组调频性能k
p
提升百分比α与机组配置储能比例β的关系表达式如下，在一定范围内大致呈二次函数的关系。若机组配置储能比例超出最大储能配置比则调频性能进入饱和区，且不再提升。
[0012][0013]
式中，x1，x2，x3为调频性能函数的系数值；α
max
为机组调频性能极限值；β
max
为机组配置储能比例。
[0014]
火电机组参与二次调频(agc)获得的收益与其调频性能相关，则火电机组j进行火储联合调频得到的额外收益为
[0015][0016]
式中，为火电机组j单独运行时调频性能；p为调频市场的出清单价；d
j
为火电机组j的调频里程；α
j
为火电机组j的调频性能提升百分比。
[0017]
更进一步地，所述的步骤2中基于分散交易理论的交易方法为：
[0018]
相对火电机组所需储能容量而言，单个分布式储能容量较小，因此结合实际控制问题，假设共享储能容量不可分割，须整体出租，且交易达成后不允许更改，交易标的为共享储能设备使用权，报价为单位功率每小时的租赁价格，租赁时长为4小时，交易截止期为租赁周期开始前1小时。分散交易模式下，由于信息和时间限制，交易主体实际接触的交易对象数目有限，假设每个交易时段每个储能所有者最多有机会跟t
n
个火电机组谈判，定义每个谈判机会为一个交易轮次，则最大交易轮次为t
n
。
[0019]
交易时段开始，火电机组节点在区块链平台发布对储能的需求信息，储能节点发布可租赁容量信息，并从区块链平台中查询火电机组的需求量、信用等信息，根据自己交易偏好和历史成交记录，选择一个火电机组作为报价对象。接着，交易双方进行若干回合价格谈判。火电机组根据谈判结果，以自身效益最大化为目标选择租赁的共享储能。每轮交易结束后，火电机组更新需求信息，未成交的储能继续选择报价对象。市场各主体通过不断更新的市场信息，持续进行分散交易，直到交易时段结束。
[0020]
所述的区块链为基于联盟链架构的联合调频区块链，其具体架构为：
[0021]
(1)认证节点：在区块链网络中设置一个认证(certificate authority，ca)节点负责调频交易通道中所有共享储能节点、火电机组节点的准入和授权，向链上节点颁发唯一的数字签名。这些共享储能节点和火电机组节点被称为对等(peer)节点。
[0022]
(2)智能合约：所述的智能合约包括结算合约、资源共享合约和信用分合约；a.结算合约，在交易时段结束后，达成交易的火电机组和共享储能分别用数字签名对交易进行确认，智能合约进行验证后自动完成费用结算以及储能控制权的转移。火电机组节点上的结算合约通过读取交易单价和交易量，对交易费用进行清算，将租赁费用从火电机组账户中转移到共享储能账户。b.资源共享合约，储能设备均通过物联网技术接入到区块链网络中，并拥有唯一资源定位符和对应访问控制策略，访问控制策略决定了特定地址的节点才能控制储能的充放电功率。在验证费用到达账户后，储能节点上的资源共享合约通过修改访问控制策略，将火电机组节点的地址添加到可访问地址中，并在租赁时间结束后自动失效，实现有时限的储能控制权限转移。c.信用分合约，在租赁时间结束后，信用分合约根据火电机组和储能节点的行为更新各个节点的交易信用分。信用分评判依据为储能设备在火电机组节点的控制下是否越过约定soc限值，共享储能节点是否私自控制储能的充放电功率。
[0023]
(3)共识算法：设置调频交易市场中交易信用最高的m个储能节点和n个火电机组节点为排序节点，通常，这类高信用节点有更强的意愿去维护市场稳定运行。raft排序服务启动时会在参与共识的m+n个节点中随机产生一个主节点，其余的m+n
‑
1个节点为从节点。
[0024]
(4)私有数据的管理：按照数据的隐私性将数据分为公共数据和私有数据两类，并通过集合技术将每个节点上的分布式账本分为公共账本和私有账本，实现数据分类存储。
[0025]
其中，公共数据是在交易过程中公开的交易信息，包括火电机组对储能的需求量和交易信用分、共享储能的出售容量及其他属性。这些信息需要所有节点进行备份存储，且所有节点都有查询权限。私有数据包括每个节点自身的交易记录和报价信息，仅存储在交易双方节点的账本上，不对其他节点公开。私有数据上链同样需要排序服务验证，但排序节点仅能查询到数据加密后的hash值，无法直接读取数据内容。
[0026]
更进一步地，所述的步骤3中基于多项logit模型的共享储能报价对象选择模型和基于鲁宾斯坦恩模型的价格谈判模型的构建方法如下：
[0027]
基于多项logit模型的共享储能报价对象选择模型：
[0028]
在选择报价对象时，共享储能作为决策者，备选方案个数为火电机组数量，方案属性包括成交记录、信用度、火电机组需求量和随机因素。
[0029]
共享储能在选择报价对象时会考虑最近h次的成交情况，且成交记录的影响程度遵循“重近轻远”的信息处理原则，则共享储能i和火电机组j的交易记录匹配分为
[0030][0031][0032]
式中，r
i,j,h
为成交分，为成交分基准值，其在各种情况{首轮成交，非首轮成交，报价未成交，未报价}下的取值分别为{2,1,
‑
1,0}；为成交单价；为储能i的平均成交单价。
[0033]
每个共享储能i均有一个信用接受下限当火电机组j的信用分低于时，即认为两者在信任上完全不匹配，则共享储能i和火电机组j的信用匹配分为
[0034][0035]
共享储能具有需求量偏好，其报价选择会受到火电机组需求量和已购买储能量影响。为提高成交概率，此类偏好的共享储能在首轮交易中会向需求量更大的火电机组报价。而在后续交易轮次中，储能购买比例小的火电机组会更倾向于继续购买储能，故主要考虑火电机组已购买的储能量。第t轮交易时共享储能i和火电机组j的需求匹配分为
[0036][0037]
式中，t为当前的交易轮次；为共享储能的容量，为火电机组的需求量，为火电机组j在第t轮交易中向储能i购买的容量，m
j,t
为火电机组j在第t轮交易中购买的共享储能数量。
[0038]
共享储能会根据交易忠诚度、交易信任度和需求量等三种偏好选择报价对象。为体现共享储能选择火电机组的不同偏好，采用交易忠诚度权重值交易信任度权重值和需求量权重值量化上述3种属性的影响程度，即共享储能i的权重向量ω
i
为
[0039][0040]
则在第t轮交易中共享储能i选择向火电机组j报价的偏好函数u
i,j,t
为
[0041]
u
i,j,t
＝v
i,j,t
+ε
i,j
[0042][0043]
式中，v
i,j,t
为综合匹配偏好值；ε
i,j
为市场随机因素。
[0044]
多项logit模型假设随机项ε
i,j
服从二重指数分布，则第t轮交易中共享储能i向火电机组j的报价概率p
i,j,t
为
[0045][0046]
基于鲁宾斯坦恩模型的价格谈判模型：
[0047]
共享储能采用线性报价策略，共享储能和火电机组之间就单位价格进行谈判，设最大谈判回合为k
max
，共享储能i价格接受范围为最低接受价格与共享储能调频成本有关，储能单次调频成本即为储能电池损耗成本，可用等效充放电循环次数n
eq
进行计算，其价格谈判模型为：
[0048][0049][0050][0051][0052]
式中，c
in
为一次性投资成本；c
ma
为运行维护费用；n
fail
为最大充放电循坏次数；和分别为共享储能i的最低和最高期望收益率，k为当前谈判回合；
[0053]
火电机组根据自身期望获得的最高收益率和最低收益率构建报价区间
并采用考虑交易完成度和交易轮次的修正报价策略，定义交易完成度χ为火电机组已购买储能量与其最大需求量的比值，火电机组在不同交易轮次t会有预期达成的交易完成度χ。当火电机组在当前交易轮次下没有达到预期的交易完成度，火电机组会提高价格让步幅度以提高成交几率从而快速购买到储能。反之则会缩短价格让步幅度。用价格修正因子δ
j
修正火电机组的报价策略。其价格谈判模型为：
[0054][0055][0056][0057][0058]
式中，分别为火电机组j的最低、最高期望收益率；δr
j
为火电机组j购买所需最大容量储能获得的收益；φ
j
为影响因子常数，表示火电机组j报价策略受到市场交易情况的影响程度。m
t
为火电机组第t轮购买的储能数量。
[0059]
更进一步地，所述的步骤4中火电机组最优采购决策模型如下：
[0060]
若共享储能报价低于火电机组出价，则认为双方谈判成功，经k轮价格谈判后的成交价格为：
[0061][0062]
火电机组以收益最大化决定是否最终成交，且总购买量不超出其最大需求量。对于谈判成功的共享储能i，火电机组j可根据其额外收益和成交价格，以收益最大化为目标，最终决定签约或者拒绝，最优采购策略表示为：
[0063][0064][0065]
式中，f
j
为火电机组j的调频性能增长函数；x
i,t
表示火电机组在第t轮交易是否采
购储能i，x
i,t
∈{0,1}。
[0066]
本发明的有益效果是：
[0067]
其一、该方法提出了分布式小储能以共享储能形式参与火储联合调频的商业模式，有效降低储能参与调频的容量门槛，并构建了基于调频性能的火电机组储能配置量模型；
[0068]
其二、该方法设计了共享储能与火电机组之间基于分散理论的交易方法，设计了基于联盟链架构的调频交易链；
[0069]
其三、该方法构建分散交易模型，模拟了共享储能与火电机组确定成交对象和成交价格的过程。该方法能够充分考虑不同市场主体的交易偏好，并有效促成火电机组与共享储能的交易，将闲置储能资源应用于电网调频。
[0070]
其四、该方法易于操作，为共享储能调频运营模式的实践推广和配套的交易机制设计提供了参考，具有一定的现实意义。
附图说明
[0071]
图1为本发明基于区块链的整体交易架构示意图。
[0072]
图2为火电机组调频性能提升与示意图。
[0073]
图3为火电机组与共享储能分散交易流程图。
[0074]
图4为计及共享储能与火电机组信用匹配度的共识流程示意图。
具体实施方式
[0075]
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
[0076]
发明的一种基于区块链和分散交易理论的共享储能联合调频交易方法，其实现流程包括以下步骤：
[0077]
步骤1：提出共享储能与火电机组联合调频的运营模式，构建了基于调频性能的火电机组储能配置量模型。本步骤的具体实现方法如下：
[0078]
火电机组调频性能k
p
提升百分比α与机组配置储能比例β的关系表达式如下，在一定范围内大致呈二次函数的关系。若机组配置储能比例超出最大储能配置比则调频性能进入饱和区，且不再提升。
[0079][0080]
式中，x1，x2，x3为调频性能函数的系数值；α
max
为机组调频性能极限值；β
max
为机组配置储能比例。
[0081]
火电机组j进行火储联合调频得到的额外收益为
[0082][0083]
式中，为火电机组j单独运行时调频性能；p为调频市场的出清单价；d
j
为火电机组j的调频里程；α
j
为火电机组j的调频性能提升百分比。
[0084]
步骤2：提出了基于分散交易理论的交易方法，并设计了基于联盟链架构的联合调频区块链。本步骤的具体实现方法如下：
[0085]
相对火电机组所需储能容量而言，单个分布式储能容量较小，因此结合实际控制问题，假设共享储能容量不可分割，须整体出租，且交易达成后不允许更改，交易标的为共享储能设备使用权，报价为单位功率每小时的租赁价格，租赁时长为4小时，交易截止期为租赁周期开始前1小时。分散交易模式下，由于信息和时间限制，交易主体实际接触的交易对象数目有限，假设每个交易时段每个储能所有者最多有机会跟t
n
个火电机组谈判，定义每个谈判机会为一个交易轮次，则最大交易轮次为t
n
。
[0086]
交易时段开始，火电机组节点在区块链平台发布对储能的需求信息，储能节点发布可租赁容量信息，并从区块链平台中查询火电机组的需求量、信用等信息，根据自己交易偏好和历史成交记录，选择一个火电机组作为报价对象。接着，交易双方进行若干回合价格谈判。火电机组根据谈判结果，以自身效益最大化为目标选择租赁的共享储能。每轮交易结束后，火电机组更新需求信息，未成交的储能继续选择报价对象。市场各主体通过不断更新的市场信息，持续进行分散交易，直到交易时段结束。
[0087]
基于联盟链架构的联合调频区块链为：
[0088]
(1)在区块链网络中设置一个认证(certificate authority，ca)节点负责调频交易通道中所有共享储能节点、火电机组节点的准入和授权，向链上节点颁发唯一的数字签名。这些共享储能节点和火电机组节点被称为对等(peer)节点。
[0089]
(2)在交易时段结束后，达成交易的火电机组和共享储能分别用数字签名对交易进行确认，智能合约进行验证后自动完成费用结算以及储能控制权的转移。火电机组节点上的结算合约通过读取交易单价和交易量，对交易费用进行清算，将租赁费用从火电机组账户中转移到共享储能账户。储能设备均通过物联网技术接入到区块链网络中，并拥有唯一资源定位符和对应访问控制策略，访问控制策略决定了特定地址的节点才能控制储能的充放电功率。在验证费用到达账户后，储能节点上的资源共享合约通过修改访问控制策略，将火电机组节点的地址添加到可访问地址中，并在租赁时间结束后自动失效，实现有时限的储能控制权限转移。在租赁时间结束后，智能合约根据火电机组和储能节点的行为更新各个节点的交易信用分。信用分评判依据为储能设备在火电机组节点的控制下是否越过约定soc限值，共享储能节点是否私自控制储能的充放电功率。
[0090]
(3)设置调频交易市场中交易信用最高的m个储能节点和n个火电机组节点为排序节点，通常，这类高信用节点有更强的意愿去维护市场稳定运行。raft排序服务启动时会在参与共识的m+n个节点中随机产生一个主节点，其余的m+n
‑
1个节点为从节点。
[0091]
(4)按照数据的隐私性将数据分为公共数据和私有数据两类，并通过集合技术将每个节点上的分布式账本分为公共账本和私有账本，实现数据分类存储。
[0092]
其中，公共数据是在交易过程中公开的交易信息，包括火电机组对储能的需求量和交易信用分、共享储能的出售容量及其他属性。这些信息需要所有节点进行备份存储，且所有节点都有查询权限。私有数据包括每个节点自身的交易记录和报价信息，仅存储在交易双方节点的账本上，不对其他节点公开。私有数据上链同样需要排序服务验证，但排序节点仅能查询到数据加密后的hash值，无法直接读取数据内容。
[0093]
步骤3：构建了基于多项logit模型的共享储能报价对象选择模型和基于鲁宾斯坦
恩模型的价格谈判模型。本步骤的具体实现方法如下：
[0094]
在选择报价对象时，共享储能作为决策者，备选方案个数为火电机组数量，方案属性包括成交记录、信用度、火电机组需求量和随机因素。
[0095]
共享储能在选择报价对象时会考虑最近h次的成交情况，且成交记录的影响程度遵循“重近轻远”的信息处理原则，则共享储能i和火电机组j的交易记录匹配分为
[0096][0097][0098]
式中，r
i,j,h
为成交分，为成交分基准值，其在各种情况{首轮成交，非首轮成交，报价未成交，未报价}下的取值分别为{2,1,
‑
1,0}；为成交单价；为储能i的平均成交单价。
[0099]
每个共享储能i均有一个信用接受下限当火电机组j的信用分低于时，即认为两者在信任上完全不匹配，则共享储能i和火电机组j的信用匹配分为
[0100][0101]
共享储能具有需求量偏好，其报价选择会受到火电机组需求量和已购买储能量影响。为提高成交概率，此类偏好的共享储能在首轮交易中会向需求量更大的火电机组报价。而在后续交易轮次中，储能购买比例小的火电机组会更倾向于继续购买储能，故主要考虑火电机组已购买的储能量。第t轮交易时储能i和火电机组j的需求匹配分为
[0102][0103]
式中，t为当前的交易轮次；为共享储能的容量，为火电机组的需求量，为火电机组j在第t轮交易中向储能i购买的容量，
mj,t
为火电机组j在第t轮交易中购买的共享储能数量。
[0104]
综上，本技术认为共享储能会根据交易忠诚度、交易信任度和需求量等三种偏好选择报价对象。为体现共享储能选择火电机组的不同偏好，采用交易忠诚度权重值交易信任度权重值和需求量权重值量化上述3种属性的影响程度，即共享储能i的属性权重向量ω
i
为
[0105]
[0106]
则在第t轮交易中共享储能i选择向火电机组j报价的偏好函数u
i,j,t
为
[0107]
u
i,j,t
＝v
i,j,t
+ε
i,j
[0108][0109]
式中，v
i,j,t
为综合匹配偏好值；ε
i,j
为市场随机因素。
[0110]
多项logit模型假设随机项ε服从二重指数分布，则第t轮交易中共享储能i向火电机组j的报价概率p
i,j,t
为
[0111][0112]
共享储能采用线性报价策略，共享储能和火电机组之间就单位价格进行谈判，设最大谈判回合为k
max
，共享储能i价格接受范围为最低接受价格与共享储能调频成本有关，储能单次调频成本即为储能电池损耗成本，可用等效充放电循环次数n
eq
进行计算，其价格谈判模型为：
[0113][0114][0115][0116][0117]
式中，c
in
为一次性投资成本；c
ma
为运行维护费用；n
fail
为最大充放电循坏次数；和分别为共享储能i的最低和最高期望收益率，k为当前谈判回合。
[0118]
火电机组根据自身期望获得的最高收益率和最低收益率构建报价区间并采用考虑交易完成度和交易轮次的修正报价策略，定义交易完成度χ为火电机组已购买储能量与其最大需求量的比值，火电机组在不同交易轮次t会有预期达成的交易完成度χ。当火电机组在当前交易轮次下没有达到预期的交易完成度，火电机组会提高价格让步幅度以提高成交几率从而快速购买到储能。反之则会缩短价格让步幅度。用价格修正因子δ
j
修正火电机组的报价策略。其价格谈判模型为：
[0119][0120]
[0121][0122][0123]
式中，分别为火电机组j的最低、最高期望收益率；δr
j
为火电机组j购买所需最大容量储能获得的收益；φ
j
为影响因子常数，表示火电机组j报价策略受到市场交易情况的影响程度。m
t
为火电机组第t轮购买的储能数量。
[0124]
步骤4：构建了火电机组的最优采购决策模型，求解确定成交对象。本步骤的具体实现方法如下：
[0125]
若共享储能报价低于火电机组出价，则认为双方谈判成功，经k轮价格谈判后的成交价格为：
[0126][0127]
火电机组以收益最大化决定是否最终成交，且总购买量不超出其最大需求量。对于谈判成功的共享储能i，火电机组j可根据其效用函数和成交价格，以收益最大化为目标，最终决定签约或者拒绝，最优采购策略表示为：
[0128][0129][0130]
式中，f
j
为火电机组j的调频性能增长函数；x
i,t
表示火电机组在第t轮交易是否采购储能i，x
i,t
∈{0,1}。