智慧電網中基於分散式管理請求相應程式的區塊鏈的應用
Title：智慧電網中基於分散式管理請求相應程式的區塊鏈的應用 Abstract：在本文中，我們研究了使用分散式區塊鏈機制，以適應能源生產商的能源需求為形式，向所有涉及彈性市場的利益相關者（主要是配電系統運營商，零售商，整合商等），提供透明、安全、可靠、和及時的能源靈活性。在我們的解決方案中， 一個防篡改的基於區塊鏈的分散式分類賬，儲存從物聯網裝置收集的能源消耗資訊，同時自我執行的智慧合約以程式設計的方式在每個生產商的水平上定義預期的能源靈活性、相關的獎勵或懲罰，以及在電網水平上平衡能源需求和能源生產的規則。基於驗證的共識將被用於需求響應程式的驗證，並且為靈活性供應商啟用適當的財務結算。該方法通過在以太坊平臺上實現的原型進行驗證，該原型使用了文獻資料集中多個建築物的能耗和生產記錄。結果表明，基於分散式需求側管理的區塊鏈，可用於匹配能源需求和智慧電網級生產，需求響應訊號跟蹤精度高，同時降低了收斂所需的能量靈活性。 Keywords：區塊鏈技術，智慧合約，需求響應，智慧電網 Introduction:在中低壓級智慧電網的管理和執行中，實時控制和監控扮演著重要的角色。最近，由於分散式能源生產商（DEP）的快速發展，智慧電網管理問題再也不能依靠集中式方法進行有效的解決。因此，人們普遍認識到需要有遠見的分散式方法和體系結構 [1-4]。物聯網智慧計量裝置的發展和新可再生能源一體化的前景，提高了分散式能源網路的採用水平，由於缺乏電網規模的儲能能力，發電時必須使用電能[5]。然而，新再生能源的整合增加了一定水平的不確定性，由於生產本身的間歇性和不可預測性的本質[6]。能源生產的變化，不管是過剩的還是不穩定的，都可能威脅到能源供應的安全，導致能源部件過載，最終導致停電或服務中斷。圖1顯示了這樣一種情況，在這種情況下，由於智慧電網中不可預見的可再生能源生產峰值，能源需求和能源生產不平衡。能源需求不足以覆蓋整個能源生產。由於缺乏儲能能力，迫使配電系統運營商（DSO）頻繁削減（減少）能源生產源，以免危及整個電網執行，這一問題更加嚴重。當然，這不是一個危及提高可再生能源整合份額和減少排放目標的最佳戰略。解決這些問題的一個更好的方法是需求側管理，其目的是通過激勵DEPs減少或轉移能源需求以應對高峰負荷期，從而使能源需求與生產相匹配[7,8]。 圖一：在智慧電網中，請求響應程式的集中式管理，以達到能源需求管理。DEP=分散式能源生產商。 在該背景下，配電系統運營商定義了需求相應程式，通過調整他們的能源需求，以滿足各種電網水平的目標並且獲得交換財務利益[9]，使分散式能源生產商在電網執行中起到重要作用。通常情況下，配電系統運營商（DSO）初始化DR事件，在一個計算週期開始的時候，通過傳送一個調節訊號[10,11](DR signal)給每一個分散式能源生產商（DEP）（見圖一），指定一個請求去修改消費（例如一個期望的能量分佈）在有限的時間內和相關的財務激勵措施（例如，參與專案的信用證）。分散式能源生產商（DEPs）將以他們意願減少的能量傳送投標書或增加他們的需求，然後配電系統運營商（DSO）接受投標並且檢查總能源需求和電網水平的生產是否已經達到平衡。之後，DEPs將自主的安排他們的執行，以符合達成協議的配置書，通過時間轉移一些需要一些電能的任務或通過轉換一部分他們的消費成可替代的資源，例如現場柴油發電機。因此，DR程式提供一些好處給能源系統，包括增加資產利用的效率，增加可再生資源的穿透力且不需要降低穩定性，通過緩解分散式網路的容量問題，促進分散式生產的進一步攝取在本地擁塞的網路上，減少必須的發電利潤率和排程傳統儲備的開銷，並且包括相關的環境好處通過減少排放。 在過去的幾年裡，學術，研究和工業領域已經在分散式分類賬和區塊鏈技術獲得了很多利益，並且它們對管理複雜系統的潛力。分散式分類賬由一系列區塊組成，使用雜湊指標的連結串列連結起來，每一個塊儲存了一系列數字資產的有效交易（見圖2）。該連結串列是一種只能增加的資料結構，因此，可能出現在之前註冊塊中的任何改變都會導致不一致（例如塊的雜湊指標將改變）。如果有人需要改變一個之前的塊的內容，後面的所有塊都需要被重新雜湊計算並且連結起來以獲得一致的更新的資料結構。該結構帶來的好處是包含在塊中的所有交易資訊的防篡改日誌。所有交易資訊和塊都分佈（例如被複制）在P2P網路的節點中（見圖2）。註冊的新交易將被髮送到所有的成員節點並且他們將驗證和傳播到更遠。如果任何矛盾或無效的情況出現，交易將不會被轉發。避免網路中成環，一個節點可以決定不去轉發之前已經註冊過的交易。因為沒有權力中心創造新的區塊並且每一個節點儲存一份分類帳的本地副本，共識演算法用來被確定所有節點都同意關於有效分類賬狀態的全域性事實。共識演算法通常依靠證明協議，該證明協議定義了難以解決和難以利用簡單的相關性去驗證的計算密集性問題。每個包含釋出在網路中的最新交易資訊的的新區塊被一個找到該解決方案的節點所開採和驗證（見表格2中的綠色塊）。區塊被傳播到網路中的所有其他節點以被證實和驗證，所以任何不正確的交易資料或交易被立刻檢測並且區塊將被丟棄。 區塊鏈技術實施的新版本支援智慧合約的實現[13]。智慧合約是一些實現不同業務規則的程式碼，這些規則需要被證實和被網路中所有成員節點認同。這些合約被註冊到分類帳的塊中並且被交易呼叫所觸發，即在執行智慧合約之後，要求每個節點基於獲得的結果更新自己的狀態。因為他們也被複制到網路中的所有節點，所以提供了很好的控制權力下放的潛能。它們充當的代理可以具有狀態和功能，並且可以在成功部署後的任何時間點觸發，從而取代交易世界中的第三方中間實體（法官，訴訟律師，託管，等等）。 在我們的願景中，區塊鏈技術有潛力為災難恢復計劃和能源交易提供一種顛覆性的創新方法，為基於加密技術的智慧電網的安全分散管理鋪平道路。 在這個背景下，本論文的主要貢獻如下： · 一個基於區塊鏈的模型，用於分散式管理、控制和驗證中低壓智慧電網中的災難恢復事件； ·基於區塊鏈的分散式賬本，用於以安全和防篡改的方式將從計量裝置獲取的資料儲存為能源交易； ·實施自我強制智慧合約，以跟蹤和檢查DR計劃中登記的每個DEP是否符合所需的需求能源概況，以計算相關獎勵。以及懲罰，並檢測需要定義新災難恢復事件的電網能量不平衡； ·最後，一種基於共識的災難恢復驗證方法，啟用對靈活供應商的適當財務解決方案，並提高智慧電網執行的可靠性。 我們基於區塊鏈的方法的主要好處是對能源需求的分散式管理、實施近乎實時的自動化災難恢復事件程式、近乎實時的金融結算和事件驗證、安全的能源交易以及全球能源組合中分散式發電比例的可擴充套件性。此外，它還確保能源網路更加安全，而且由於所有智慧電網節點將獨立工作，以實現能源電網平衡，而無需對DSO進行集中的監督和控制。 論文的其餘部分結構如下：第2節展示了智慧電網去中心化和區塊鏈技術應用領域的相關工作，第3節介紹了基於去中心化區塊鏈的能源電網管理的提議架構，第4節介紹了為災難恢復事件管理定義和實施的智慧合約。第5節介紹了測試場景和驗證結果，第6節總結了本文並介紹了未來的工作。 Conclusion：在本文中，我們提出了一種在智慧電網環境下管理需求響應程式的分散解決方案。我們將電網要素與區塊鏈架構和相關智慧合約相結合，以確保實現預期能源靈活性水平的程式化定義、災難恢復協議的驗證以及能源需求和能源生產之間的平衡。以太坊中實現了一個原型，利用英國建築資料集的能源軌跡驗證和測試基於區塊鏈的分散管理。結果是有希望的，表明電網能夠通過制定預期的能源靈活性水平並驗證所有的災難恢復協議，以近乎實時的方式及時調整能源需求。此外，它還為建立一個純粹的點對點分散的能源交易機制鋪平了道路，該機制不包括任何中間第三方，如DSO，對能源交易成本降低產生影響。因此，未來的改進目標是利用我們的區塊鏈點對點需求響應管理平臺實現多利益相關者市場（DSO、TSO、零售商作為競爭對手或合作伙伴，以實現相同的能源靈活性）。