基于区块链的综合能源能量管理系统研究

来源 :华北电力大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:yangxiaoxi21
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综合能源系统是整合多个异构能源子系统并提供多元化能源服务的物理载体,对实现能源梯级利用、促进可再生能源消纳、降低污染物排放具有重要意义。具有去中心化和分布式决策特点的区块链技术,可为综合能源系统的能量管理提供支撑。本论文引入区块链技术对综合能源系统的能量管理开展研究,重构了能源区块链的共识机制与数据通讯方式,提出了基于区块链技术的分布式能量管理模型,并应用于多能源交互及能源与交通耦合场景。主要的研究工作如下:(1)基于综合能源系统中各节点的运行贡献与能量交互行为,动态选取部分能量贡献值较高的共识节点,提出了一种降低能源区块链网络延迟的共识机制。首先,将能源节点的可信交易、减排量和能源需求响应等能量交互行为表征为能量贡献值,并结合节点的运行贡献,提出了基于能量贡献证明的区块链共识机制。该机制通过动态选取超过能量贡献阈值的少量共识节点用来验证和传输能源数据,可提高综合能源系统的数据交互效率。其次,利用该共识机制对纽约布鲁克林能源区块链项目进行了仿真测算,结果表明系统总结点数量对网络延迟影响不大,共识节点数量和新区块内信息量的增加都将降低系统运行效率。同时,证明所提共识机制可使网络延迟降低至2000 ms以内,较以太坊PoS共识机制下能源区块链系统运行效率提高一倍以上。(2)利用区块链跨链互操作技术,将环映射身份认证与信用激励应用到能源数据跨系统交互模式中,构建了高信用度的点对点能量管理模型。一方面,将区块链跨链互操作技术引入综合能源系统中进行能量管理,形成了能源数据的跨系统通讯模式。在跨系统通讯模式中引入环映射身份认证,屏蔽了不可信节点干扰,并基于动态竞价策略与信用行为激励构建了高信用度的能量管理模型。另一方面,对区块链SM2加密算法的模型反演过程进行优化,实现了跨系统通讯模式中密钥管理流程的简化。然后,将能量管理模型实际应用于我国二连浩特分布式电力市场后,该模型展现出了数据通讯中屏蔽恶意节点与有效监管的优势;与刚性竞价策略相比,所提动态竞价策略使分布式电力市场可再生能源消纳提高了约12%,并实现了高信用度节点的正向经济激励。(3)为实现电、热、冷多能源的有效交互,采用保留价调整和环境效益补偿的竞价策略,构建了基于区块链技术的实时自适应能量管理系统。首先,在多种能源的连续双向拍卖交易中,根据综合能源系统的实时信息开展竞价与保留价调整;并利用区块链分布式数据结构对能源系统信息进行实时更新与传递,进而构建综合能源的实时能量管理系统。与此同时,该能量管理系统可对化石能源产生的污染物排放量和所在地区的环境治理成本进行量化,实现了能源供给方环境效益的动态补偿,提高了可再生能源交易的成交率。仿真结果表明,在并网型综合能源系统场景下,所开发的基于区块链技术的该能量管理系统,其保留价的动态调整策略可提高综合能源系统的能量利用效率,使社会福利与市场效率均提高了12%以上;另外,该能量管理系统中的环境效益补偿机制使可再生能源本地消纳率提高了 50.2%,CO2、SO2及NOx等污染物排放量降低达18%。(4)将所研究的能量管理方法拓展到以氢能为枢纽的交通系统,通过多重倾向因子表征电力与氢能交易策略,建立了电-氢双向动态能量管理系统。首先,针对能源与交通系统耦合联动的应用场景,将可再生能源电力竞价、普通电力用户竞价、加氢站电力竞价及氢能定价中各类交易策略表征为多重倾向因子,获得了动态调整电力竞价与氢能定价的交易方法。其次,在以加氢站为中心的综合能源系统中,将所提交易方法嵌入到双链式区块链系统中,形成了对电力与氢能可以进行双向管理的电-氢动态能量管理系统。然后,以高比例利用可再生能源的加氢站为实例对象,进行了区块链应用程序的开发部署,仿真结果证明了电-氢动态能量管理系统的交易方法提高了可再生能源消纳量15%以上,加氢站日交易收益提高约12.98%。这表明了基于多重倾向因子表征能源交易策略的电-氢双向动态能量管理系统的技术优势,可显著提升能源与交通耦合系统的能源利用效率。
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