去中心化EV虚拟聚合调频系统和方法

去中心化ev虚拟聚合调频系统和方法
技术领域
1.本发明属于电动汽车技术领域，具体涉及一种去中心化ev虚拟聚合调频系统和方法。


背景技术：

2.可再生能源发电的间歇性、波动性和电动汽车(electric vehicles,ev)充电的无序性，对当前电力系统稳定运行造成了很大影响。v2g(vehicle to grid)技术的发展让电动汽车从单纯负荷角色转变成为具有源-荷双重属性的产消者角色，虽然单辆电动汽车的电池容量小，但经过聚合商聚合后，大规模电动汽车的总备用容量非常可观，可以达到兆瓦级以上。现有研究已经对电动汽车聚合商参与电网调频、削峰填谷、消纳可再生能源出力等问题进行了大量仿真分析，如何有效利用电动汽车储能资源平抑电网频率波动具有重要研究意义。
3.目前大部分研究对电动汽车参与电网调度建模采用聚合商代理的集中管理模式，对电动汽车的充电功率进行调度优化。聚合商对大量电动汽车用户的用电数据进行收集和存储，存在很高的数据泄露风险，大规模集中式优化也存在求解算力要求高的问题，聚合商的意愿也难以体现电动汽车用户的真实意愿，同时电动汽车用户在交易过程中往往作为价格接受者，不具有主动报价能力。一些研究利用分布式优化的方法如拉格朗日松弛法、辅助问题原理、交替方向乘子法等等，将优化问题分解为多个子问题求解，借此减少聚合商与电动汽车间的数据交换。而实际上，聚合商作为中间第三方，并不能作为可信第三方进行交易担保，电动汽车用户与电网之间的信任问题还需要新的技术解决。
4.总的来说，对于电动汽车参与调频交易问题，缺少一种考虑电动汽车用户意愿、去中心化、分布式的解决方法。
5.目前针对电动汽车单辆容量小无法直接提供调频备用的问题，主要依靠传统的聚合商管理模式实现。具体形式如下：
6.电动汽车聚合商通过充电桩，获取电动汽车的实时充电功率以及最大充放电功率等用电数据，从而计算每辆电动汽车的上、下调频备用容量，通过简单加和计算聚合商的总备用容量，参与电网调频交易。
7.该技术聚合商集中收集大规模电动汽车用电数据，容易造成电动汽车用户的隐私数据泄露。并且电动汽车用户只能作为价格接受者，没有权利提出自己的报价与备用容量。各电动汽车之间、电动汽车与电网之间信息无法互通共享，聚合商作为电网与电动汽车之间的第三方可以从中赚取差价。
8.另外，针对电动汽车调频指令分配问题，主要依靠聚合商进行集中式优化实现。具体形式如下：聚合商收集全部电动汽车用电数据，在接收到电网调频指令后，以最大化聚合商利益为目标函数，在满足电动汽车期望电量、最大充放电功率限制等约束的条件下，通过集中式优化模型求解得到所有电动汽车的各时段充放电功率。这种集中式优化应用于大规模电动汽车参与调频交易问题存在求解算力需求高、求解时间长的问题。聚合商在交易中
需要获取一定的利益，不会将全部调频收益分配给电动汽车。


技术实现要素：

9.针对现有技术的缺点之一，本发明利用联盟链技术解决。联盟链技术本质上是一个分布式记账技术，联盟链具有透明公开、匿名、去中心化的特点，在同一通道内的节点具有平等地位，拥有完全一致的分布式账本，且不可篡改，用户将数据上传至链上后，所有信息在所有用户间是一致、透明的。电网和电动汽车可以直接进行信息交互，不需要聚合商在中间协调，实现去中心化调频交易架构。
10.针对现有技术的缺点之二，本发明利用交替方向乘子法和智能合约机制解决。交替方向乘子法是一种分布式优化算法，将原优化问题分解为若干个子优化问题，通过不同变量之间交替迭代得到最优解。智能合约是联盟链上所有节点都认可的计算机算法，允许在没有第三方的情况下进行可信交易，这些交易可追踪且不可逆转，其余节点可以验证交易执行结果的正确性。设计基于admm的智能合约可以替代聚合商原来在电网与电动汽车之间协调的作用，以智能合约作为虚拟聚合手段，将调频收益全部分配给电动汽车用户。
11.具体的技术方案为：
12.本发明通过联盟链技术以及交替方向乘子法实现。
13.去中心化ev虚拟聚合调频系统，为联盟链基础架构；依次包括设备层、数据层、网络层、智能合约层、共识机制层、应用层；
14.设备层，表示需要参与联盟链的实体设备，包括电网调度中心、电动汽车、充电桩。
15.数据层，表示存储联盟链账本及历史交易数据的数据库；
16.网络层，表示实体设备映射到联盟链网络中的节点，包含调度节点、电动汽车节点、充电桩节点、排序节点，不同节点之间通过gossip协议传播数据。
17.其中：
18.调度节点，代表电网调度中心，负责从联盟链网络中提取不同电动汽车集群的聚合调频备用容量以及调频里程报价，完成日前预出清后将中标调频容量、调频市场边际出清价格对应交易结果发布至联盟链网络，并在实时交易阶段发布调频信号和边际出清价格，完成电动汽车集群的实时功率调整。其账本所包含的属性包括调度节点id、调频市场容量边际出清价格、调频市场里程边际出清价格、调频指令。
19.电动汽车节点，代表电动汽车用户在联盟联网络中参与交易，在考虑自身能量需求、效用、参与意愿的前提下，将自身调频里程报价、上、下调频备用容量数据上传至链上。其账本所包含的属性包括电动汽车id、接入充电桩id、上、下调频备用容量、调频里程报价、调频里程、优化迭代次数、收敛标志、调频性能指标
20.充电桩节点，代表电动汽车接入充电服务的充电桩，主要记录电动汽车接入期间每1分钟的功率变动情况，用于次日验证、结算电动汽车用户参与调频收益。其账本所包含的属性包括充电桩id、实际变动功率。
21.排序节点，作为联盟链网络中对交易进行打包的节点，不参与三种节点之间的交易，仅将三种节点之间发起的交易打包成区块，并分发至同一通道内的所有组织。
22.智能合约层，表示部署在联盟链网络中的智能合约，包括聚合智能合约、优化智能合约、性能指标智能合约、结算智能合约以及辅助更新参数的智能合约。
23.聚合智能合约，用于将同一集群内所有电动汽车的调频里程报价、上、下调频备用容量进行聚合。表示如下：
[0024][0025][0026]
式中：n表示电动汽车集群包含的电动汽车数目，i表示电动汽车序号，pi表示第i辆电动汽车的调频性能指标，ci表示第i辆电动汽车的调频备用容量，λ
m,i
表示第i辆电动汽车的调频里程报价，c
ao
、λ
ao
分别表示电动汽车集群的聚合调频备用容量以及聚合调频里程报价。
[0027]
优化智能合约，用于在调度节点发布调频指令后，同一集群内所有电动汽车进行分布式优化求解调频里程。表示如下：
[0028][0029]
约束条件为：
[0030][0031]
收敛判据为：
[0032][0033]
式中：mi表示第i辆电动汽车的理想调频里程。s表示调度中心发送给电动汽车集群的调频信号，c
ao
表示对应调频信号s下的聚合调频备用容量。u为对应等式约束的对偶变量。
[0034]
性能指标智能合约用于根据充电桩上报的实际调整功率，计算各电动汽车的调频性能指标。表示为：
[0035][0036]
式中：t表示5分钟内电动汽车集群接受到的调频信号数量，δpi表示第i辆电动汽车的实际调整功率(由充电桩上传)，m
i,t
表示t时刻调频信号下分配给第i辆电动汽车的调
频里程。
[0037]
结算智能合约用于根据电动汽车调频性能指标、调频里程、调频市场边际出清价格等数据结算电动汽车收益。表示为：
[0038][0039][0040]
式中：分别表示电动汽车集群的聚合调频备用容量以及聚合调频里程报价，p
ao
表示电动汽车集群的调频性能指标，c
up,i
、c
down,i
分别表示第i辆电动汽车的上调频备用容量和下调频备用容量，y
m,i
、y
c,i
分别表示第i辆电动汽车的调频里程收益和调频容量收益。
[0041]
共识机制层，表示使不同节点账本保持一致的共识算法。联盟链采用raft共识算法，保证链上内所有节点从不同排序节点获得的交易块包含的内容是一致的。
[0042]
应用层，表示将智能合约、共识算法集成的功能模块，以供电动汽车用户、充电桩所有者、电网调度人员方便参与联盟链调频交易。包括但不限于数据上传模块、容量聚合模块、报价聚合模块、调频优化模块等。
[0043]
利用上述系统，本发明还提供去中心化ev虚拟聚合调频方法，包括以下步骤：调度中心和电动汽车在联盟链网络中上传对应数据，联盟链中部署的聚合、优化智能合约，替代传统聚合商进行虚拟聚合与分配功能；充电桩仅负责上传实际功率变动数据，不参与调频过程；
[0044]
调频交易流程包括日前交易、实时交易、日后结算三个阶段。具体步骤如下：
[0045]
(1)日前交易阶段，电动汽车节点上传次日每1小时的调频里程报价和上、下调频备用容量，调度节点执行聚合智能合约得到电动汽车集群的聚合里程报价以及聚合上、下备用容量，完成链下日前调频市场出清；
[0046]
(2)实时交易阶段，电动汽车节点每1小时修正或更新当日调频里程报价和上、下调频备用容量，调度节点每1分钟发布一次调频信号，执行优化智能合约得到电动汽车集群内每辆电动汽车的调频功率；
[0047]
(3)日后结算阶段，充电桩节点上传前一日内每1分钟的功率变动情况，电动汽车节点执行性能指标智能合约更新自身调频性能指标。电动汽车节点执行结算智能合约，得到前一日调频收益。
[0048]
本发明技术方案带来的有益效果：
[0049]
1)联盟链技术可以实现电动汽车用户、充电桩所有者匿名上链，链上身份与真实身份不挂钩，保护实体隐私，实现电网与电动汽车、充电桩直接信息交互。
[0050]
2)电动汽车用户拥有自主上报调频里程价格和调频备用容量的权利，体现自身意愿。
[0051]
3)智能合约机制可以替代传统聚合商的聚合与信号分配功能，取代传统的聚合商管理模式，将调频收益全部分配给电动汽车用户。
[0052]
4)交替方向乘子法实现电动汽车分布式优化，减小各节点算力需求。
附图说明
[0053]
图1为本发明的联盟链基础架构；
[0054]
图2为本发明的基于联盟链的去中心化调频交易系统；
[0055]
图3为本发明的联盟链调频交易流程。
具体实施方式
[0056]
结合附图说明本发明的具体技术方案、
[0057]
如图1所示，去中心化ev虚拟聚合调频系统，为联盟链基础架构；依次包括设备层、数据层、网络层、智能合约层、共识机制层、应用层；
[0058]
设备层，表示需要参与联盟链的实体设备，包括电网调度中心、电动汽车、充电桩。
[0059]
数据层，表示存储联盟链账本及历史交易数据的数据库，包括leveldb、couchdb等数据库。
[0060]
网络层，表示实体设备映射到联盟链网络中的节点，包含调度节点、电动汽车节点、充电桩节点、排序节点，排序节点不参与前三种节点之间的交易，仅负责将前三者产生的交易进行打包，并传播给整个联盟链网络。不同节点之间通过gossip协议传播数据。
[0061]
其中：
[0062]
调度节点，代表电网调度中心，负责从联盟链网络中提取不同电动汽车集群的聚合调频备用容量以及调频里程报价，完成日前预出清后将中标调频容量、调频市场边际出清价格等对应交易结果发布至联盟链网络，并在实时交易阶段发布调频信号和边际出清价格，完成电动汽车集群的实时功率调整。其账本所包含的属性包括调度节点id、调频市场容量边际出清价格、调频市场里程边际出清价格、调频指令。
[0063]
电动汽车节点，代表电动汽车用户在联盟联网络中参与交易，在考虑自身能量需求、效用、参与意愿的前提下，将自身调频里程报价、上、下调频备用容量等数据上传至链上。其账本所包含的属性包括电动汽车id、接入充电桩id、上、下调频备用容量、调频里程报价、调频里程、优化迭代次数、收敛标志、调频性能指标
[0064]
充电桩节点，代表电动汽车接入充电服务的充电桩，主要记录电动汽车接入期间每1分钟的功率变动情况，用于次日验证、结算电动汽车用户参与调频收益。其账本所包含的属性包括充电桩id、实际变动功率。
[0065]
排序节点，作为联盟链网络中对交易进行打包的节点，不参与三种节点之间的交易，仅将三种节点之间发起的交易打包成区块，并分发至同一通道内的所有组织。
[0066]
智能合约层，表示部署在联盟链网络中的智能合约，包括聚合智能合约、优化智能合约、性能指标智能合约、结算智能合约以及一些辅助更新参数的智能合约。
[0067]
聚合智能合约，用于将同一集群内所有电动汽车的调频里程报价、上、下调频备用容量进行聚合。可表示如下：
[0068][0069][0070]
式中：n表示电动汽车集群包含的电动汽车数目，i表示电动汽车序号，pi表示第i辆电动汽车的调频性能指标，ci表示第i辆电动汽车的调频备用容量(代表上调频备用容量或下调频备用容量)，λ
m,i
表示第i辆电动汽车的调频里程报价，c
ao
、λ
ao
分别表示电动汽车集群的聚合调频备用容量以及聚合调频里程报价。
[0071]
优化智能合约，用于在调度节点发布调频指令后，同一集群内所有电动汽车进行分布式优化求解调频里程。可表示如下：
[0072][0073]
约束条件为：
[0074][0075]
收敛判据为：
[0076][0077]
式中：mi表示第i辆电动汽车的理想调频里程。s表示调度中心发送给电动汽车集群的调频信号，c
ao
表示对应调频信号s下的聚合调频备用容量。u为对应等式约束的对偶变量。
[0078]
性能指标智能合约用于根据充电桩上报的实际调整功率，计算各电动汽车的调频性能指标。可表示为：
[0079][0080]
式中：t表示5分钟内电动汽车集群接受到的调频信号数量，δpi表示第i辆电动汽车的实际调整功率(由充电桩上传)，m
i,t
表示t时刻调频信号下分配给第i辆电动汽车的调频里程。
[0081]
结算智能合约用于根据电动汽车调频性能指标、调频里程、调频市场边际出清价
格等数据结算电动汽车收益。可表示为：
[0082][0083][0084]
式中：分别表示电动汽车集群的聚合调频备用容量以及聚合调频里程报价，p
ao
表示电动汽车集群的调频性能指标，c
up,i
、c
down,i
分别表示第i辆电动汽车的上调频备用容量和下调频备用容量，y
m,i
、y
c,i
分别表示第i辆电动汽车的调频里程收益和调频容量收益。
[0085]
共识机制层，表示使不同节点账本保持一致的共识算法。联盟链采用raft共识算法，保证链上内所有节点从不同排序节点获得的交易块包含的内容是一致的。
[0086]
应用层，表示将智能合约、共识算法等集成的功能模块，以供电动汽车用户、充电桩所有者、电网调度人员方便参与联盟链调频交易。包括但不限于数据上传模块、容量聚合模块、报价聚合模块、调频优化模块等。
[0087]
通过联盟链实现的去中心化调频交易系统如图2所示。调度中心和电动汽车在联盟链网络中上传对应数据，联盟链中部署的聚合、优化智能合约，替代传统聚合商进行虚拟聚合与分配功能。充电桩仅负责上传实际功率变动数据，不参与调频过程。
[0088]
调频交易流程包括日前交易、实时交易、日后结算三个阶段。具体流程如图3所示。
[0089]
具体步骤如下：
[0090]
(1)日前交易阶段，电动汽车节点上传次日每1小时的调频里程报价和上、下调频备用容量，调度节点执行聚合智能合约得到电动汽车集群的聚合里程报价以及聚合上、下备用容量，完成链下日前调频市场出清。
[0091]
(2)实时交易阶段，电动汽车节点每1小时修正(更新)当日调频里程报价和上、下调频备用容量，调度节点每1分钟发布一次调频信号，执行优化智能合约得到电动汽车集群内每辆电动汽车的调频功率。
[0092]
(3)日后结算阶段，充电桩节点上传前一日内每1分钟的功率变动情况，电动汽车节点执行性能指标智能合约更新自身调频性能指标。电动汽车节点执行结算智能合约，得到前一日调频收益。