智能电网中基于分布式管理请求相应程序的区块链的应用

Title：智能电网中基于分布式管理请求相应程序的区块链的应用 Abstract：在本文中，我们研究了使用分布式区块链机制，以适应能源生产商的能源需求为形式，向所有涉及弹性市场的利益相关者（主要是配电系统运营商，零售商，集成商等），提供透明、安全、可靠、和及时的能源灵活性。在我们的解决方案中， 一个防篡改的基于区块链的分布式分类账，存储从物联网设备收集的能源消耗信息，同时自我执行的智能合约以编程的方式在每个生产商的水平上定义预期的能源灵活性、相关的奖励或惩罚，以及在电网水平上平衡能源需求和能源生产的规则。基于验证的共识将被用于需求响应程序的验证，并且为灵活性供应商激活适当的财务结算。该方法通过在以太坊平台上实现的原型进行验证，该原型使用了文献数据集中多个建筑物的能耗和生产记录。结果表明，基于分布式需求侧管理的区块链，可用于匹配能源需求和智能电网级生产，需求响应信号跟踪精度高，同时降低了收敛所需的能量灵活性。 Keywords：区块链技术，智能合约，需求响应，智能电网 Introduction:在中低压级智能电网的管理和运行中，实时控制和监控扮演着重要的角色。最近，由于分布式能源生产商（DEP）的快速发展，智能电网管理问题再也不能依靠集中式方法进行有效的解决。因此，人们普遍认识到需要有远见的分布式方法和体系结构 [1-4]。物联网智能计量装置的发展和新可再生能源一体化的前景，提高了分布式能源网络的采用水平，由于缺乏电网规模的储能能力，发电时必须使用电能[5]。然而，新再生能源的整合增加了一定水平的不确定性，由于生产本身的间歇性和不可预测性的本质[6]。能源生产的变化，不管是过剩的还是不稳定的，都可能威胁到能源供应的安全，导致能源部件过载，最终导致停电或服务中断。图1显示了这样一种情况，在这种情况下，由于智能电网中不可预见的可再生能源生产峰值，能源需求和能源生产不平衡。能源需求不足以覆盖整个能源生产。由于缺乏储能能力，迫使配电系统运营商（DSO）频繁削减（减少）能源生产源，以免危及整个电网运行，这一问题更加严重。当然，这不是一个危及提高可再生能源整合份额和减少排放目标的最佳战略。解决这些问题的一个更好的方法是需求侧管理，其目的是通过激励DEPs减少或转移能源需求以应对高峰负荷期，从而使能源需求与生产相匹配[7,8]。 图一：在智能电网中，请求响应程序的集中式管理，以达到能源需求管理。DEP=分布式能源生产商。 在该背景下，配电系统运营商定义了需求相应程序，通过调整他们的能源需求，以满足各种电网水平的目标并且获得交换财务利益[9]，使分布式能源生产商在电网运行中起到重要作用。通常情况下，配电系统运营商（DSO）初始化DR事件，在一个计算周期开始的时候，通过发送一个调节信号[10,11](DR signal)给每一个分布式能源生产商（DEP）（见图一），指定一个请求去修改消费（例如一个期望的能量分布）在有限的时间内和相关的财务激励措施（例如，参与项目的信用证）。分布式能源生产商（DEPs）将以他们意愿减少的能量发送投标书或增加他们的需求，然后配电系统运营商（DSO）接受投标并且检查总能源需求和电网水平的生产是否已经达到平衡。之后，DEPs将自主的安排他们的运行，以符合达成协议的配置书，通过时间转移一些需要一些电能的任务或通过转换一部分他们的消费成可替代的资源，例如现场柴油发电机。因此，DR程序提供一些好处给能源系统，包括增加资产利用的效率，增加可再生资源的穿透力且不需要降低稳定性，通过缓解分布式网络的容量问题，促进分布式生产的进一步摄取在本地拥塞的网络上，减少必须的发电利润率和调度传统储备的开销，并且包括相关的环境好处通过减少排放。 在过去的几年里，学术，研究和工业领域已经在分布式分类账和区块链技术获得了很多利益，并且它们对管理复杂系统的潜力。分布式分类账由一系列区块组成，使用哈希指针的链表链接起来，每一个块储存了一系列数字资产的有效交易（见图2）。该链表是一种只能增加的数据结构，因此，可能出现在之前注册块中的任何改变都会导致不一致（例如块的哈希指针将改变）。如果有人需要改变一个之前的块的内容，后面的所有块都需要被重新哈希计算并且链接起来以获得一致的更新的数据结构。该结构带来的好处是包含在块中的所有交易信息的防篡改日志。所有交易信息和块都分布（例如被复制）在P2P网络的节点中（见图2）。注册的新交易将被发送到所有的成员节点并且他们将验证和传播到更远。如果任何矛盾或无效的情况出现，交易将不会被转发。避免网络中成环，一个节点可以决定不去转发之前已经注册过的交易。因为没有权力中心创造新的区块并且每一个节点保存一份分类帐的本地副本，共识算法用来被确定所有节点都同意关于有效分类账状态的全局事实。共识算法通常依靠证明协议，该证明协议定义了难以解决和难以利用简单的相关性去验证的计算密集性问题。每个包含发布在网络中的最新交易信息的的新区块被一个找到该解决方案的节点所开采和验证（见表格2中的绿色块）。区块被传播到网络中的所有其他节点以被证实和验证，所以任何不正确的交易数据或交易被立刻检测并且区块将被丢弃。 区块链技术实施的新版本支持智能合约的实现[13]。智能合约是一些实现不同业务规则的代码，这些规则需要被证实和被网络中所有成员节点认同。这些合约被注册到分类帐的块中并且被交易调用所触发，即在运行智能合约之后，要求每个节点基于获得的结果更新自己的状态。因为他们也被复制到网络中的所有节点，所以提供了很好的控制权力下放的潜能。它们充当的代理可以具有状态和功能，并且可以在成功部署后的任何时间点触发，从而取代交易世界中的第三方中间实体（法官，诉讼律师，托管，等等）。 在我们的愿景中，区块链技术有潜力为灾难恢复计划和能源交易提供一种颠覆性的创新方法，为基于加密技术的智能电网的安全分散管理铺平道路。 在这个背景下，本论文的主要贡献如下： · 一个基于区块链的模型，用于分布式管理、控制和验证中低压智能电网中的灾难恢复事件； ·基于区块链的分布式账本，用于以安全和防篡改的方式将从计量设备获取的数据存储为能源交易； ·实施自我强制智能合约，以跟踪和检查DR计划中登记的每个DEP是否符合所需的需求能源概况，以计算相关奖励。以及惩罚，并检测需要定义新灾难恢复事件的电网能量不平衡； ·最后，一种基于共识的灾难恢复验证方法，激活对灵活供应商的适当财务解决方案，并提高智能电网运行的可靠性。 我们基于区块链的方法的主要好处是对能源需求的分布式管理、实施近乎实时的自动化灾难恢复事件程序、近乎实时的金融结算和事件验证、安全的能源交易以及全球能源组合中分布式发电比例的可扩展性。此外，它还确保能源网络更加安全，而且由于所有智能电网节点将独立工作，以实现能源电网平衡，而无需对DSO进行集中的监督和控制。 论文的其余部分结构如下：第2节展示了智能电网去中心化和区块链技术应用领域的相关工作，第3节介绍了基于去中心化区块链的能源电网管理的提议架构，第4节介绍了为灾难恢复事件管理定义和实施的智能合约。第5节介绍了测试场景和验证结果，第6节总结了本文并介绍了未来的工作。 Conclusion：在本文中，我们提出了一种在智能电网环境下管理需求响应程序的分散解决方案。我们将电网要素与区块链架构和相关智能合约相结合，以确保实现预期能源灵活性水平的程序化定义、灾难恢复协议的验证以及能源需求和能源生产之间的平衡。以太坊中实现了一个原型，利用英国建筑数据集的能源轨迹验证和测试基于区块链的分散管理。结果是有希望的，表明电网能够通过制定预期的能源灵活性水平并验证所有的灾难恢复协议，以近乎实时的方式及时调整能源需求。此外，它还为建立一个纯粹的点对点分散的能源交易机制铺平了道路，该机制不包括任何中间第三方，如DSO，对能源交易成本降低产生影响。因此，未来的改进目标是利用我们的区块链点对点需求响应管理平台实现多利益相关者市场（DSO、TSO、零售商作为竞争对手或合作伙伴，以实现相同的能源灵活性）。