基于区块链技术的微电网分布式电源协同控制方法

1.本发明涉及微电网控制技术领域，特别是涉及一种基于区块链技术的微电网分布式电源协同控制方法。


背景技术：

2.随着能源危机和环境污染问题不断加剧的背景下，电能作为清洁能源，使得太阳能风能等可再生能源受到广泛关注。微电网作为一种新型网络结构，通过微电网将分布式能源集成，再接入大电网，已成为一个良好的解决方案。随着低碳目标的逐步推进，分布式发电因效率高、绿色环保等优点受到广泛关注。然而，分布式发电设备布置分散，单独并入大电网成本高，且可能会给大电网带来谐波污染，引起系统波动；同时，在大电网环境下很难实现dgs的统一调度。为了充分利用分布式发电，新兴的微电网技术将一个区域内的dgs组织起来，对外作为一个整体与大电网完成整体调度；对内通过控制策略协调各dg的合理调度，增强多能互补，降低运行成本。微电网技术以更加分散的方式促进各dg的合理利用，逐渐成为dg调度问题的有效解决方案。
3.微电网实施的关键是系统运行的控制方式和控制策略。由于微电网中接入的分布式能源种类多样、运行状态不同、输出特性及控制方法各异，而传统下垂控制存在电压、频率不稳定、功率分配不均衡问题，由于通信环境逐渐复杂，导致数据在交互困难，且存在数据安全隐患。集中式管理方式通过采集系统内部信息集中计算，实现整个微网系统的监视和控制。集中式控制中心化严重，对通信线路依赖高，一旦线路出现故障会影响全局判断，如果中心控制器出现管理缺陷或遭到攻击，则会导致数据泄露，同时中心化数据管理模式也增加了中心节点安全监控负载。随着各设备不断加入到微电网，必然对数据交互效率和完整性产生负面影响。分散式管理方式是指微电网中各dg仅依据自己的本地信息各单元独立地进行功率的局部计量和补偿。但分散式控制没有信息交流，很难实现系统级的目标。而在分布式控制中，通过各单元相互通信实现协商决策，但很难保证信息的安全和正确。同时，微电网多dg协同优化的实现还面临着诸多技术层面的障碍，如交互主体之间的信任、数据的真实性及隐私性、系统协同算法的高效性、复杂系统的分散决策及分布式调度等。这些问题的解决需要吸纳其他技术予以支撑。
4.区块链技术作为一种具有普适性的底层框架，结合了分布式数据存储、智能合约、共识机制、加密等技术，能够确保调度计算过程的对等、智能、安全和数据防篡改、可追溯。目前，区块链技术在微电网中的应用大多集中于电能交易方面，解决交易信任问题，降低交易成本，提升交易效率。采用实用拜占庭容错共识算法，增强多能源交互主体间的信任。基于智能合约的多时间尺度微电网经济调度方法，保障调度过程的安全和智能。有学者用工作量证明机制优化能源系统运行，论证了区块链应用于多能协同的可行性，但资源耗费大。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于区块链技术的微电网分布式电源协同控制方法，通
过对等网络通信实现各dg协同自治、保障功率分配平衡并优化系统运行成本，同时提高系统调度的高效性、安全性和可靠性。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.基于区块链技术的微电网分布式电源协同控制方法，包括：
8.构建微电网区块链网络，计算微电网优化的最小总运行成本与系统功率的供需关系，构建拉格朗日函数，获得微增率最优解电价；
9.通过微增率一致性原则，对所述微增率最优解电价进行偏差修正，获得最优系统经济。
10.优选地，计算所述微电网优化的最小总运行成本，包括：
11.以微电网中各可控dg的有功功率优化为目标，计算所述微电网优化的最小总运行成本；其中，所述各可控dg的运行成本包括燃料成本和维护成本，通过有功功率的二次函数表示所述燃料成本和维护成本：
12.ci(pi)＝ai+bipi+cip
i2
13.式中，pi为可控dgi的有功功率；ai、bi、ci为发电成本系数；ci(pi)为dgi的成本函数。
14.优选地，基于所述可控dgi的有功功率pi，计算所述微电网优化的最小总运行成本：
[0015][0016]
式中，n为可控dg的个数。
[0017]
优选地，获得所述系统功率的供需关系，包括：
[0018]
基于微增率一致性算法，计算所述系统功率的供需关系：
[0019][0020]
式中，n为区块链网络内的节点个数，p
t
为微电网总有功负载，p
grid
代表微电网与大电网交换的功率；其中，p
i,min
≤pi≤p
i,max
，p
i,min
和p
i,max
为dgi的功率下限和上限。
[0021]
优选地，基于所述系统功率的供需关系，计算所述系统的最小总发电成本：
[0022][0023]
其中，e为购电价格。
[0024]
优选地，构建所述拉格朗日函数，包括：
[0025]
基于所述系统的最小总发电成本与所述系统功率的供需关系，构建所述拉格朗日函数：
[0026][0027]
式中，x为拉格朗日乘子。
[0028]
优选地，所述微增率一致性原则，包括：
[0029]
将一致性迭代控制规则写入智能合约自动执行，通过若干次迭代，获得最优经济运行状态。
[0030]
优选地，所述微增率最优解电价进行偏差修正，包括：
[0031]
分别对pi、p
grid
和x求偏导，确定极值，得到：
[0032][0033]
对上述方程进行求解，得到：
[0034]
xi＝2cipi+bi＝e＝x
*
[0035]
式中，x
*
为拉格朗日函数最优解。
[0036]
优选地，对所述微增率最优解电价进行偏差修正，还包括：通过共识算法实现各节点达到目标微增率，即各节点对目标微增率达成共识。
[0037]
优选地，所述共识算法中还包括join协议和quit协议，用于在网络正常运行的情况下，实现节点的动态加入与退出。
[0038]
本发明的有益效果为：
[0039]
(1)本发明提供的基于区块链的一致性迭代控制策略，在区块链特有的网络路由方式下，各节点通过邻近节点获取数据，基于低通信有效协调各dg实现微电网的最优经济调度，得益于区块链技术的去中心、防篡改、可追溯等特性，与传统的架构方式相比，改善了分散控制中dg间无法协调通信的问题，解决了集中式控制中通信压力及单点故障的问题，增强了分布式控制中各节点间的可信性，保障了数据的安全性、准确性和可溯源性；
[0040]
(2)本发明提供的基于pbft算法的共识控制策略，由共识过程取代了繁琐的迭代计算过程，通过三阶段验证，使各dg对目标微增率快速精准的达成共识，实现最优经济运行状态。同时，pbft算法具有一定的容错性，可有效解决dg节点作恶问题。在pbft算法的基础上，加入了join协议和quit协议，实现了dg节点的动态加入与退出，提高了算法的实用性，使pbft网络具有良好的可扩展性。相较于传统控制策略，提高了调度计算的智能性及高效性，并减小了主体恶意篡改数据的影响。
附图说明
[0041]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0042]
图1为本发明实施例中基于区块链的微电网控制架构示意图；
[0043]
图2为本发明实施例中一致性迭代流程图；
[0044]
图3为本发明实施例中基于pbft算法的微增率共识流程图；
[0045]
图4为本发明实施例中基于区块链技术的微电网分布式电源协同控制方法流程图。
具体实施方式
[0046]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0047]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0048]
以微电网中的dgs作为区块链节点的微电网控制架构如图1所示。此架构划分为五层，数据层基于哈希算法、非对称加密等技术，将设备参数及调度数据等信息加密并进行分布式存储，确保数据的安全、完整、可追溯。网络层封装了数据传播机制和验证机制，多dg节点基于对等网络通信，传递相关变量信息，其点对点的通信方式可有效避免单节点故障对全局调度的影响。共识层通过pbft共识算法和区块同步机制使各节点达成对调度数据及计算结果的共识与同步，增强交互主体互信、实现数据共享并大幅提升网络可靠性。在合约层，将协同策略写入智能合约，保证调度计算的智能性及高效性。在应用层，针对微电网多dg协同的不同应用场景，提供多种调用接口，实现系统的智能调控。
[0049]
本发明提供基于区块链技术的微电网分布式电源协同控制方法，针对微电网存在的交互数据真伪难辨、微网隐私保护困难、系统整体安全性和可靠性低等问题，设计了融合区块链架构模式、智能合约、共识机制、加密技术的微电网调度架构如图1，构建了以微增率一致性为原则的微电网经济调度模型，分别基于一致性迭代算法和实用拜占庭容错(pbft)共识机制设计了两种控制策略，部署在微电网多dg区块链网络中运行，实现多dg目标微增率协同，用于自身出力计算，获得系统最优经济，实现微电网多dg协同经济运行。主要流程如图4所示。
[0050]
具体包括：
[0051]
1、基于区块链的微电网控制策略
[0052]
微电网的总运行成本主要包含功率可控dg和功率不可控dg的运行成本。由于不可控型dg多是利用可再生能源发电，通常采用最大功率点跟踪方式(mppt)运行，优化模型中未考虑其运行成本。本发明以微电网中各可控dg的运行成本优化为目标，各可控dg的运行成本主要包含两部分，燃料成本和维护成本，分别由有功功率的二次函数及线性函数来表示，如公式(1)所示。微电网优化的最小总运行成本如公式(2)所示：
[0053]ci
(pi)＝ai+bipi+cip
i2 (1)
[0054][0055]
式中：pi为可控dgi的有功功率；ai、bi、ci为发电成本系数；n为可控dg的个数；ci(pi)为dgi的成本函数。
[0056]
当微电网中所有可控dg微增率一致收敛到售电价格e时，系统的成本达到最优。因此要保证系统的各个dg协同运行，即保证各dg微增率一致性。
[0057]
1.1、基于区块链的一致性迭代控制策略
[0058]
1.1.1、一致性算法
[0059]
一致性算法是指通过设定规则，使各个节点进行信息交流并逐渐在某一指标上达成一致。即满足式(3)：
[0060]
x1＝x2＝x3＝...＝xnꢀꢀ
(3)
[0061]
式中：xi表示节点i的某一指标。
[0062]
在实际应用中，由于通讯过程是离散的，采用离散一致性算法，其第k步迭代形式如公式(4)所示：
[0063][0064]
式中：i＝1,2,
…
,n，表示一致性系统中的节点个数；k为离散时间指数；d
ij
为行随机矩阵dn的(i,j)项；l
ij
为系统拓扑图对应的laplace矩阵ln的(i,j)项。
[0065]
1.1.2、微增率一致性算法
[0066]
设区块链网络内有n个节点，微电网总有功负载为p
t
，系统功率的供需关系如公式(1)所示：
[0067][0068]
式中：p
grid
代表微电网与大电网交换的功率。
[0069]
功率约束如公式(2)所示：
[0070]
p
i,min
≤pi≤p
i,max
ꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0071]
式中：p
i,min
和p
i,max
为dgi的功率下限和上限。
[0072]
在式(1)和(2)约束下，系统最小的总发电成本如公式(3)所示：
[0073][0074]
式中：e为购电价格。
[0075]
构造拉格朗日函数求最优解，如公式(4)所示：
[0076][0077]
式中：x为拉格朗日乘子。
[0078]
分别对pi、p
grid
和x求偏导以确定极值，可得公式(5)：
[0079][0080]
解方程可得公式(6)：
[0081]
xi＝2cipi+bi＝e＝x
*
ꢀꢀ
(6)
[0082]
式中：x
*
为拉格朗日函数最优解。
[0083]
以xi为dgi的成本微增率，当微电网中所有可控dg微增率一致收敛到售电价格e时，系统的成本达到最优。
[0084]
各dg微增率xi收敛依据如公式(7)：
[0085][0086]
迭代过程中，采用领导者-跟随者机制，领导者引领跟随者节点的微增率逐渐向目标微增率靠近。领导者节点更新规则如公式(8)所示：
[0087][0088]
定义跟随者节点更新规则如公式(9)所示：
[0089][0090]
式中：xi(k)为dgi第k次迭代的微增率；ε为调节系数，控制收敛速度。
[0091]
1.1.3、一致性迭代控制策略
[0092]
以微电网的各可控dg作为区块链节点，构建区块链网络。将一致性迭代控制规则写入智能合约自动执行，通过多次迭代，获得最优经济运行状态。基于区块链的一致性迭代流程如图2所示。调度过程可描述为以下步骤：
[0093]
步骤1：根据公式(10)由当前电价e确定目标微增率x
*
，将x
*
，各dg的初始微增率xi(0)，成本系数ai、bi、ci，初始功率pi(0)，交换功率p
grid
(0)，总负载需求p
t
写入初始区块b0。
[0094]
步骤2：各dg节点读取区块b0，领导者节点和跟随者节点分别根据公式(12)和(13)，计算并更新微增率xi(k)，根据公式(9)更新有功功率pi(k)，根据公式(5)更新交换功率p
grid
(k)。
[0095]
步骤3：各dg分别暂存第k次更新后的信息，通过私钥加密并附上数字签名，将其在网络内广播，广播方式为邻居转发方式，当验证通过，写入区块bk分布式存储。
[0096]
步骤4：各dg节点根据公式(11)验证微增率x是否收敛，若是，结束迭代，否则继续迭代。
[0097]
1.2、基于pbft算法的控制策略
[0098]
1.2.1、pbft算法控制策略
[0099]
上述一致性迭代控制策略在迭代过程中，由领导者引领跟随者，通过计算、修正、迭代多次，以实现各节点达到目标微增率，即各节点对目标微增率达成共识，因此可以通过共识算法来实现。
[0100]
在pbft算法中，主节点-从节点机制与上述领导者-跟随者机制相对应，客户端将请求发送到主节点，主节点向从节点发送共识请求，通过预准备、准备、确认三阶段验证保证数据的正确性，实现各节点对请求达成共识，共识过程可以替代迭代，省略计算和修正的部分，通过发起对目标微增率的共识请求，快速达到各dg节点微增率共识。
[0101]
在pbft网络中，设在一个视图内，有n个dg节点分别表示为(dg1,dg2,
…
,dgn)，通过(v+1)modn选出主节点，其他为从节点，v为当前视图号，当发现主节点故障时，会更新视图。
[0102]
基于pbft算法的微增率共识主要流程如下，参照附图3，(以下每个阶段的消息都包含发送方的签名)：
[0103]
1)request：设dg1当选主节点，客户端向dg1发送共识目标微增率的请求，请求格式为《request,o,c,t》。o代表请求的操作，c代表客户端信息，t是时间戳。
[0104]
2)pre-prepare阶段：dg1收到请求，组装预准备消息《《pre-prepare,v＝1,s＝1,d＝data》,m》，其中v表示当前视图号，m是客户端的请求消息，s是给m分配的序号,d是m的摘要。dg1将预准备消息广播给各dg从节点；从节点收到预准备消息后，进行签名验证，视图验证，序号验证。验证通过后，接受预准备消息并进入prepare阶段。
[0105]
3)prepare阶段：从节点生成准备消息，其格式为《prepare,v＝1,s＝1,d＝data,i》，其中i表示节点编号。从节点向全网广播准备消息。当节点接受了2f+1(包括自己，f为可容忍的拜占庭节点数，f＝(n-1)/3)个准备消息时，进入commit阶段。
[0106]
4)commit阶段：各节点生成确认消息，格式为《commit,v＝1,s＝1,d＝data,i》。各节点分别向全网广播确认消息。当节点接受了2f+1(包括自己)个确认消息时，各自执行请求，全网节点对目标微增率达成共识，更新区块链并回复客户端。
[0107]
各节点达成微增率共识后，分别按照公式(9)计算出其最优有功功率。按照公式(5)计算优化后的交换功率，执行调度，此时系统经济成本最优。
[0108]
1.2.2、pbft可扩展性改进
[0109]
微电网中，dg的加入与退出十分常见，而pbft算法的可扩展性较弱，一般是通过修改节点配置并重启网络来实现节点的加入与退出。为加强其可扩展性，本实施例在pbft算法的基础上，加入join协议和quit协议，在网络正常运行的情况下，实现节点的动态加入与退出。
[0110]
1)join协议
[0111]
(1)当节点z加入，发送request-join《z》消息到pbft网络请求加入。
[0112]
(2)各节点收到消息，验证消息并进行投票，发送消息pre-join《z》到主节点，当主节点收到2f+1消息后，验证消息，反馈join《z》消息给各从节点。
[0113]
(3)各节点收到消息后，发送end-join《z》到节点z，当节点z收到2f+1个有效消息后，节点z成功加入pbft网络。
[0114]
2)quit协议
[0115]
(1)当节点z退出，全网广播request-quit《z》消息。
[0116]
(2)各节点收到消息，验证消息并进行投票，从节点发送消息quit《z》到主节点，当主节点收到2f+1个消息后，验证消息，反馈end-quit《z》消息给各节点。
[0117]
(3)各节点收到消息后，此时系统中的所有节点对于节点z的退出达成了共识，节点z成功退出pbft网络。
[0118]
针对微电网传统控制策略和控制方式存在的不足，将区块链技术引入微电网多dg协同控制，提出了两种控制策略，与以往技术相比的有益效果如下。
[0119]
(1)基于区块链的一致性迭代控制策略，在区块链特有的网络路由方式下，各节点通过邻近节点获取数据，基于低通信有效协调各dg实现微电网的最优经济调度。得益于区块链技术的去中心、防篡改、可追溯等特性，与传统的架构方式相比，改善了分散控制中dg间无法协调通信的问题，解决了集中式控制中通信压力及单点故障的问题，增强了分布式控制中各节点间的可信性，保障了数据的安全性、准确性和可溯源性。
[0120]
(2)基于pbft算法的共识控制策略，由共识过程取代了繁琐的迭代计算过程，通过
三阶段验证，使各dg对目标微增率快速精准的达成共识，实现最优经济运行状态。同时，pbft算法具有一定的容错性，可有效解决dg节点作恶问题。在pbft算法的基础上，加入了join协议和quit协议，实现了dg节点的动态加入与退出，提高了算法的实用性，使pbft网络具有良好的可扩展性。相较于传统控制策略，提高了调度计算的智能性及高效性，并减小了主体恶意篡改数据的影响。
[0121]
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。