基于P2P交易的完全去中心化的分布式电能交易方法及系统

本发明涉及电力系统优化调度领域，尤其涉及一种基于p2p交易的完全去中心化的分布式电能交易方法。

背景技术：

1、近年来，光伏发电(pv)、热电联产机组(chp)等分布式能源的快速发展，使得电能的生产、传输和消费模式发生了巨大变化，具有发用电能力的产消者在配电系统中的比例逐渐提升。在新一轮电力体制改革不断推进的形势下，这些拥有独立决策能力的电能产消者将积极参与电力市场竞争，因此在配电系统中采用更加灵活有效的电能交易机制能有效优化资源配置，提高式分布式发电的收益。这意味着产消者不仅可以通过自身的分布式能源发电降低其电能成本，还可以通过出售过剩电能获得收入。

2、p2p交易是配网电能交易的一个重要模式。将包含分布式能源的产消者看作分布式交易主体，p2p交易允许各主体相互之间交易剩余的电能，这既能提高配电系统中可再生能源的利用率，又能为配电系统运营商(dso)带来一定的利益，例如降低配电系统最大需量、削减备用需求、提高系统可靠性等。在配电系统中，现有的传统集中式交易模式面临两个主要问题：一是大量分布式交易主体参与市场将导致交易中心的运行成本过高且效率低下；二是集中式交易模式需要所有市场参与者与交易中心进行双向通信，无法满足其隐私保护的需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于p2p交易的完全去中心化的分布式电能交易方法及系统，本发明的方法能够在满足配电系统运行物理可行性及市场参与者隐私保护的需求下，实现完全去中心化的分布式电能交易。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

3、一种基于p2p交易的完全去中心化的分布式电能交易方法，包括：

4、获得所需的系统基本技术数据、市场参与者的运行参数、价格数据；

5、构造配电系统中p2p交易的基础模型，包括以所有分布式交易主体所在配电系统的总电能成本最小为目标函数的优化目标，以及分布式交易主体出力约束、电能交易约束以及基于二阶锥规划的多时段交流潮流约束；

6、基于标准交替方向乘子法，将基础模型重构为标准一致性优化问题，并引入基于ccp原理的非凸约束；

7、在标准交替方向乘子法的基础上，引入完全去中心化的通信机制，在不需要交易中心的情况下，进行各分布式主体间的信息交换，得到完全去中心化的admm算法，在保护个体数据隐私的情况下以最小的通信成本迭代求解，获得各分布式主体与电网及p2p交易的最优交易策略。

8、作为本发明的进一步改进，目标函数为：

9、目标函数为最小化分布式主体所在配电系统的总电能成本：

10、

11、式中：i是所有分布式交易主体所在节点的集合；是主体j从电网购买电能的成本；是主体j通过p2p交易支付的电能成本；是主体j拥有的热电联产机组发电产生的天然气消耗成本，其中：

12、

13、

14、

15、式(2)中：从电网购买电能的成本由电度电费和需量电费两部分组成，为t时刻的分时电价；为主体j从电网的购电量；λm为需量电费单位成本；为最大需量；式(3)中：为主体j从h买电的p2p交易价格；为主体j与h交易的购电量；为过网费；式(4)中：λgas为天然气单位成本；为天然气消耗量。

16、作为本发明的进一步改进，所述构造配电系统中p2p交易的基础模型还构建约束条件，包括：

17、分布式交易主体出力约束，包括：热电联产机组的技术约束、光伏面板的出力上下限约束、无功功率平衡和热负荷的供应充分性约束；

18、各主体的电能交易约束，包括：净负荷运行需求及其电能交易约束、与电网交易的最大需量约束、p2p交易的双边约束；

19、基于二阶锥规划的多时段交流潮流约束，包括：节点功率平衡约束、节点电压方程、松弛后的branch flow线路潮流约束、节点电压幅值平方约束、线路电流幅值平方约束；

20、构建约束条件具体包括：

21、分布式发电主体出力约束为：

22、

23、

24、

25、

26、

27、

28、

29、

30、其中，式(5)表示主体j的无功功率平衡和热负荷的供应充分性，是svg的输出无功功率，是光伏的输出无功功率，是无功负荷，是svg的无功容量，是chp机组输出的热能，为热负荷；式(6)为chp机组的技术约束，限制了其电能输出范围，天然气消耗特性，以及输出电能与热能之间的关系，为chp机组输出的电能，和为输出电能的上下限值，ρlhv为天然气的低热值，为chp机组的效率因数，为损耗系数；式(7)为光伏出力约束，光伏输出的电能，为光伏输出的预测值，和是光伏的视在容量和有功容量；

31、各主体的电能交易约束为：

32、

33、

34、

35、其中，式(8)表示主体j与电网的交易量及p2p交易量满足其净负荷需求；式(9)为最大需量限制，是最大需量；式(10)表示用户间p2p交易的双边约束，为主体j从h的购电量；

36、基于二阶锥规划的多时段交流潮流约束为：

37、

38、

39、

40、

41、

42、

43、

44、

45、

46、

47、其中，式(11)表示终端用户节点和中间节点的节点注入功率约束以及节点无功功率平衡约束，θ(j)为线路中拥有相同送出节点j的接收节点集合，pij,k,t和qij,k,t为线路(i,j)的有功和无功潮流，rij和xij为线路电阻和电抗，lij,k,t为线路电流平方；式(12)表示不考虑相角的节点电压方程，vj,k,t为节点j的电压平方，b为系统线路集合；式(13)为branchflow线路潮流约束lij,k,tvi,k,t＝(pij,k,t)2+qij,k,t)2松弛后的二阶锥约束；式(14)为与电网连接的根节点有功/无功功率平衡约束，和是电网提供的有功/无功功率，为电网限制功率因数；式(15)为节点电压幅值平方约束，和uj为节点电压幅值上下限；式(16)为线路电流幅值平方约束，为线路最大电流。

48、作为本发明的进一步改进，所述基于标准交替方向乘子法，将基础模型重构为标准一致性优化问题，并引入基于ccp原理的非凸约束，包括以下步骤：

49、将配电系统按照适当的分区策略划分为若干区域，每个分布式交易主体属于一个区域，负责依据指定到本区域的局部变量进行本地计算；

50、基于变量复制规则，将基础模型中的耦合约束按区域进行分离，包括：

51、划分送出边界节点、接收边界节点，确定相邻区域中边界节点处的局部变量以及对应的复制变量，将各个区域的耦合约束重新表述为本区域内局部变量和复制变量的约束，使得所有约束均按区可分；并引入全局变量将复制变量和相邻区域的原始局部变量连接起来，确保复制变量和相邻区域对应的原始局部变量值相同；

52、基于标准交替方向乘子法以及变量复制规则，将基础模型重构为紧凑格式下的标准一致性优化问题，定义和λm分别表示区域m的所有局部变量、全局变量以及对应的拉格朗日乘子，基于admm求解算法，重构后模型将按照λm-update这三个步骤进行迭代求解；

53、基于ccp原理，在模型中引入与凸松弛后的线路潮流约束相对应的非凸约束，并将该非凸约束在最优解处进行一阶泰勒展开，将非凸约束线性化，后续在模型求解的过程中将进行迭代求解。

54、作为本发明的进一步改进，将基础模型中的耦合约束按区域进行分离，用到的变量复制规则：

55、定义连接两相邻区域的线路为联络线，联络线上潮流流出节点为送出边界节点，则联络线上另一个节点为接收边界节点；定义边界节点处的耦合变量为局部变量，复制到相邻区域后的局部变量为复制变量；

56、规则1：对于送出边界节点，将接收边界节点所在区域中的局部变量复制到送出边界节点所在区域，作为送出边界节点的复制变量；

57、规则2：对于接收边界节点，将送出边界节点所在区域中的局部变量复制到接收边界节点所在区域，作为接收边界节点的复制变量；

58、规则3：引入全局变量将复制变量和原始局部变量连接起来，确保复制变量和相邻区域对应的局部变量值相同。

59、作为本发明的进一步改进，基于标准交替方向乘子法，将基础模型重构得到标准的一致性优化问题为：

60、

61、

62、s.t.(2)-(9),(14)-(16)

63、

64、

65、

66、

67、

68、

69、

70、

71、

72、

73、

74、

75、

76、

77、

78、

79、其中，式(17)为重构的p2p交易双边约束，sm是区域m所有节点的集合，j是区域m中分布式主体所在节点，是h所在区域的p2p交易量对应的区域m中的复制变量；式(18)-(20)为重构的交流潮流约束，为传递到区域m中的复制变量；式(21)-(24)是通过全局变量将复制变量和原始局部变量对应起来的约束，为全局变量；

80、将上述标准的一致性优化问题写成紧凑形式：

81、首先定义三个向量，

82、

83、

84、

85、其中和λm分别表示区域m的所有局部变量、全局变量和拉格朗日乘子；重构后模型将基于传统amdd算法，按照λm-update这三个步骤进行迭代求解；

86、

87、s.t.(2)-(9)，(14-16)，(17-20)  (25b)

88、

89、

90、

91、

92、

93、λm-update

94、

95、其中，式(25)可以在各个区域中进行并行计算；式(26)表示更新后，将全局变量更新为复制变量和原始局部变量的平均值；式(27)更新所有拉格朗日乘子。

96、作为本发明的进一步改进，基于ccp原理，引入与凸松弛后的线路潮流约束相对应的非凸约束，并线性化展开后的为：

97、

98、s.t.(2)-(9),(14)-(16),(17)-(20)

99、

100、

101、其中，γ为ccp当前迭代次数，δ()为惩罚因子，其增长系数为θ，εij,,为松弛变量；式(29)为非凸约束在每次迭代最优解处进行一阶泰勒展开后，得到的线性化约束。

102、作为本发明的进一步改进，在标准交替方向乘子法的基础上，引入完全去中心化的通信机制，在不需要交易中心的情况下，进行各分布式主体间的信息交换，得到完全去中心化的admm算法，在保护个体数据隐私的情况下以最小的通信成本迭代求解，获得各分布式主体与电网及p2p交易的最优交易策略，包括：

103、设定迭代算法的相关基础参数，设定和λm相关变量的迭代初值；将迭代参数与基础数据输入至重构的基于admm算法的优化模型进行迭代求解；求解过程中产生的全局变量以及对应的拉格朗日乘子数据采用完全去中心化的通信策略在分布式交易主体间进行传递，直至获得满足收敛精度及松弛精确性的系统运行及交易结果；

104、求解结果包括：各主体与电网的电能交易量、各主体的p2p电能交易量、目标函数值、各主体的分布式发电量。

105、作为本发明的进一步改进，完全去中心化的通信机制为：

106、定义与全局变量对应的原始局部变量为主导变量，主导变量所在的区域为主导区域，完全去中心化的通信机制遵循如下：

107、将求解出的复制变量的值送到主导区域；

108、主导区域通过更新全局变量；

109、将主导区域中更新后的全局变量送回相应的相邻区域；

110、完全去中心化的admm迭代算法求解流程为：

111、a输入数据：

112、读入步骤1中获得的配电系统基本技术数据、市场参与者的运行参数、价格数据，如和以及价格数据λm,和λgas；

113、b初始化：

114、设定完全去中心化的admm迭代过程为外循环，其中求解所需的ccp迭代过程为内循环；

115、设定外循环的迭代次数为τ＝0；设定全局变量和拉格朗日乘子λm的初值为0；设定惩罚参数为ρ；设定迭代停止条件的原始残差和对偶残差这两项的收敛精度分别为∈pri和∈dual；

116、设定内循环的迭代次数为γ＝0；设定迭代初值为设定初始惩罚系数为δ(0)；设定惩罚系数增长因子为θ>1；设定最大惩罚系数为δmax；设定迭代停止条件的最大容许松弛间隙为∈ccp；

117、c求解外循环：

118、接收到全局变量和拉格朗日乘子tm后，系统按照θm-update这三个步骤进行迭代求解；

119、d求解内循环：

120、各区域并行求解得到

121、e内循环判敛：

122、若满足停止条件(30)，则说明内循环结果已经能满足松弛的精确性，内循环停止迭代；否则令γ＝γ+1，并按式(31)更新惩罚系数，继续分区执行

123、

124、δ(γ+1)＝min{θδ(γ),δmax}                                     (31)

125、f完全去中心化的数据通信：

126、将求解出的各区域复制变量的值送到主导区域，主导区域通过更新全局变量，得到

127、随后将主导区域更新后的全局变量送回相应的相邻区域，再分区进行λm-update，得到

128、g外循环判敛：

129、若满足停止条件(32)和(33)，则说明外循环结果已经能满足admm算法的收敛条件，外循环停止迭代；否则令τ＝τ+1，并继续执行外循环；

130、

131、

132、h输出结果：

133、输出结果包括系统运行及交易结果，包括：各主体与电网的电能交易量各主体的p2p电能交易量目标函数值、各主体的分布式发电量以及系统潮流结果。

134、一种基于p2p交易的完全去中心化的分布式电能交易系统，包括：

135、获取模块，用于获得所需的系统基本技术数据、市场参与者的运行参数、价格数据：

136、构造模块，用于构造配电系统中p2p交易的基础模型，包括以所有分布式交易主体所在配电系统的总电能成本最小为目标函数的优化目标，以及分布式交易主体出力约束、电能交易约束以及基于二阶锥规划的多时段交流潮流约束；

137、重构模块，用于基于标准交替方向乘子法，将基础模型重构为标准一致性优化问题，并引入基于ccp原理的非凸约束；

138、求解模块，用于在标准交替方向乘子法的基础上，引入完全去中心化的通信机制，在不需要交易中心的情况下，进行各分布式主体间的信息交换，得到完全去中心化的admm算法，在保护个体数据隐私的情况下以最小的通信成本迭代求解，获得各分布式主体与电网及p2p交易的最优交易策略。

139、本发明的有益效果在于：本发明基于配电网交流潮流约束，在满足p2p交易物理可行性的基础上，建立完全去中心化的分布式交易模式，由配网中进行p2p交易的各主体自行决策、交易以及结算。能有效解决产消者比例不断提升的配电系统中，传统集中式电能交易方法存在的交易效率低下、交易成本过高、无法保护市场参与者隐私数据、可再生能源利用率不足、经济效益较低、非最优解等弊端，提供一种更为经济且隐私的交易方法。基于配电网交流潮流约束，引入ccp原理保证二阶锥松弛的准确性，在满足p2p交易物理可行性的基础上，建立分布式交易模型，通过完全去中心化的admm算法对模型进行重构并求解，使得进行p2p交易的各主体能够自行决策、交易以及结算，在保护个体数据隐私的基础上以最小的通信成本，实现有效优化资源配置，提高分布式发电的收益及可再生能源的利用率，并通过降低最大需量、削减备用需求等方式为配电系统运营商(dso)也带来一定的利益。通过采用本发明提出的方法，可以获得配网中各分布式交易主体与电网及p2p交易的最优交易策略，实现基于p2p的完全去中心化的分布式电能交易。