基于区块链共识一致性算法的分布式能源协同控制系统

1.本发明涉及电力系统技术领域，更具体涉及一种基于区块链共识一致性算法的分布式能源协同控制系统。


背景技术：

2.区块链是比特币底层的核心技术，区块链技术是互联网时代的新兴信息产业技术，其通过分布式对等网络、链式区块结构、共识机制、非对称加密和智能合约等创新性技术，实现去中心化和去信任的点对点直接交易，交易信息由网络其他用户共同监督和维护，交易记录可追溯、不可篡改。区块链去中心化的分布式价值传输协议具有高效、低廉、公开、可信等应用优势，可为去中心化的点对点能源交易提供技术支持。
3.虽然区块链在能源领域的应用研究获得了广泛关注，但目前的主要研究内容多聚焦在顶层设计、可再生能源消纳、电力分布式交易、电动汽车充放电等方面，未下沉到硬件设备调控层面。而集中式管理的方法集中控制中心的绝对控制权和中心可能失效而造成的系统决策混乱。
4.因此充分利用区块链自治、集体维护、安全及容错等特征，结合分布式能源运行特性，设计适应分布式能源控制和优化需求的共识机制及智能合约，构建区域能源自治系统，实现分布式能源协同控制和自主优化运行的区块链方案，是新形势下能源互联网迫切需要重点突破的技术。


技术实现要素：

5.本发明需要解决的技术问题是提供一种基于区块链共识一致性算法的分布式能源协同控制系统，以解决背景技术中的问题，具有在去中心的自组织模式下实现大规模协作的潜力，顺应传统自上而下的集中式能源系统向自动执行的双向分布式能源系统转变的趋势，为解决分布式能源系统中的一致性问题提供了全新方法。
6.为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
7.基于区块链共识一致性算法的分布式能源协同控制系统，包括能量传输网和区块链网络；
8.能量传输网，用于负责电力传输；
9.区块链网络，用于连接各分布式能源相关设备；
10.所述能量传输网连接各个ders单元，每个ders单元对应区块链网络中一个区块链节点，区块链节点与ders单元之间能够传输数据和控制信号，区块链节点与ders单元之间组成点对点网络；
11.结合区块链分层架构，将分布式能源控制策略融入区块链各层，并与硬件设备集成联动，形成融合协同控制功能的区块链体系结构。
12.进一步优化技术方案，所述系统是将分布式能源网络映射到区块链网络，为分布式能源多主体参与提供可信、共识、共治、共享的分布式决策平台，每个能源设备对应区块
链网络中一个区块链节点，各区块链节点依据系统运行需求提出决策方案，并基于共识算法就决策方案达成一致共识，实现一致共识基础上的统一行动，完成分布式能源的协同控制。
13.进一步优化技术方案，所述融合协同控制功能的区块链体系结构包括：
14.数据层，用于在各分布式能源相关设备或外置模块中实现数据一致性存储，保证各区块链节点的数据一致性；
15.网络层，用于与各分布式能源相关设备的通讯模块集成，方便构建点对点网络；
16.合约层，用于与分布式能源相关设备的控制功能整合，通过智能合约自动驱动分布式能源相关设备运行和调整；
17.共识层，基于点对点网络，用于完成一致性变量的计算和协调，实现分布式能源的协同控制和自主优化。
18.进一步优化技术方案，所述合约层能够进行有功-频率及无功-电压的计算，完成区块链微网下垂控制策略，实现频率、电压的调整及功率按比例的分配；
19.所述共识层中的共识算法能够完成控制过程中所需的一致性变量计算和同步，完成频率和电压控制策略，消除由下垂控制产生的频率和电压的偏差，将频率和电压维持在额定值附近。
20.进一步优化技术方案，所述区块链微网下垂控制策略是分别通过p/ω和q/u下垂控制来获取稳定的频率和电压，对微网中的分布式电源输出的有功、无功功率分别进行控制，且各分布式电源间不需要通信协调，通过自主调整实现分布式电源即插即用和对等控制的目标；下垂控制可用公式表示为：
[0021][0022][0023]
式中：ω
i,ref
和u
i,ref
为由下垂方程计算出的第i台分布式电源逆变器输出频率和电压幅值的参考值，用于生成控制参考信号；p
i*
和为额定有功和无功功率；和为逆变器在额定情况下的输出角频率和电压幅值；mi》0、ni》0为下垂系数；pi和qi为逆变器i输出的有功和无功功率；
[0024]
假设各条下垂曲线空载角频率相等，即当逆变器并联时，各逆变器输出频率ω
i,re
f也相等，通过设置适当的下垂系数mi，使将上述条件带入公式(1)，则有：
[0025][0026]
m1p1＝m2p2＝
…
＝mnpn＝c1ꢀꢀꢀ
(3)
[0027]
其中，为常数；逆变器输出功率pi与其下垂系数mi成反比，通过调整各下垂系数的值，实现逆变器输出功率的按比例调整；
[0028]
与有功类似，将系统的运行条件代入公式(2)，得到无功率功qi与下垂系数ni的关系；
[0029]
[0030]
n1q1＝n2q2＝
…
＝n
nqn
＝c2ꢀꢀꢀ
(4)
[0031]
其中，通过改变下垂系数ni实现无功功率的按比例分配。
[0032]
进一步优化技术方案，所述频率和电压控制策略是将各台逆变器补偿量的平均值作为各台逆变器的频率和电压补偿量，其中频率偏差可由公式(5)计算获取；
[0033][0034]
同理，计算各逆变器的电压偏差公式(6)为：
[0035][0036]
在区块链环境中，通过多次两两交互的共识算法获取所需数据并完成计算。
[0037]
进一步优化技术方案，所述频率和电压控制策略是基于区块链点对点网络，利用pbft共识算法，实现频率和电压偏差的计算。
[0038]
进一步优化技术方案，所述频率和电压偏差的计算过程为：依据pbft执行过程，主逆变器节点发起共识算法，通过多次两两交互通信，每个节点收集到所有其他主逆变器节点的功率pi、qi数据，并利用存储在区块链上的额定功率信息及自身数据，计算频率和电压偏差，并调整逆变器下垂参数。
[0039]
由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。
[0040]
本发明基于区块链共识算法的特征，可以利用共识算法实现分布式能源系统的一致性变量计算，从而采用去中心化方式准确获取全局状态量，克服集中式管理中的各项问题，避免集中控制中心的绝对控制权和中心可能失效而造成的系统决策混乱，同时也改变以往利用多智能体技术迭代逼近系统状态量平均值的计算模式，提高计算的准确度，利用区块链共识一致性算法在分布式能源系统内各主体之间建立可信、自主、自动的交互协调机制，实现自组织、自调节的能源系统。有助于提高能源效率、降低管理成本，实现基于区块链的分布式能源系统，为分布式能源系统控制优化运行提供区块链解决方案。
附图说明
[0041]
图1为本发明分布式控制模式示意图；
[0042]
图2为本发明区块链实现分布式控制模式示意图；
[0043]
图3为本发明分布式能源协同控制示意图；
[0044]
图4为本发明融合协同控制功能的区块链体系结构示意图；
[0045]
图5为本发明区块链微网控制系统架构图；
[0046]
图6为本发明频率偏差计算过程示意图。
具体实施方式
[0047]
下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
[0048]
区块链属于大规模分布式系统，共识问题本质是针对存在故障和恶意节点的薄弱分布式系统的一致性问题。共识算法是区块链技术的核心要素，是保证分布式系统一致性
的解决方案，旨在提高薄弱分布式系统的可靠性，实现针对存在各种差错、恶意攻击、可能不同步等问题的点对点网络中，不需要中央协调，确保数据在不同节点上的一致性。
[0049]
分布式能源与区块链技术在分散、协同、自治等方面特征吻合，表1比较了两者的主要特征。基于双方理念和需求的一致性，使区块链有望成为分布式能源系统的底层架构之一，实现其调控运行。各ders组成区块链网络，可实现点对点通信；利用共识算法，计算一致性变量；通过智能合约执行控制决策。
[0050]
表1区块链与分布式能源系统特性比较
[0051][0052]
基于区块链共识一致性算法的分布式能源协同控制系统，结合图1和图2所示，括能量传输网和区块链网络。
[0053]
能量传输网，用于负责电力传输。
[0054]
区块链网络，用于连接各分布式能源相关设备。
[0055]
能量传输网连接各个ders单元，每个ders单元对应区块链网络中一个区块链节点，区块链节点与ders单元之间能够传输数据和控制信号，区块链节点与ders单元之间组成点对点网络。
[0056]
整个分布式能源系统的调控策略由区块链网络计算，并下发物理网络执行。区块链网络为分布式能源多主体参与提供可信、共识、共治的决策平台，区块链系统中各节点既是系统的决策者，也是方案的执行者，可就系统运行提出决策方案，并基于共识算法就分布式能源控制等运行策略达成一致共识，实现基于一致共识的统一行动，进而实现建立在共识算法基础上的分布式能源共治。
[0057]
通过区块链网络连接各分布式能源相关设备，包括光伏、储能、负荷用户、电网等，为相关设备增加区块链模块，负责将设备调控和区块链网络连接，具体结构如图3所示。通过区块链模块，基于共识一致性算法，实现一致性变量的准确计算，并下发各硬件设备自动执行，实现共识、共治的能源系统。
[0058]
结合区块链分层架构，将分布式能源控制策略融入区块链各层，并与硬件设备集成联动，形成融合协同控制功能的区块链体系结构，具体结构如图4所示。当前硬件设备也方便集成区块链模块，首先，硬件设备存储容量不断提高、价格显著下降，在每个节点中可以存储更多的数据，如果只存储关键数据，可以适应更大规模系统数据存储需求；其次，网络环境及带宽有了极大改善，随着5g、光纤等通信技术的发展和普及，带宽及通信延迟对系统的影响将越来越小，比如5g具有超高带宽、超低延迟和超大数量连接等一系列优势，将成为分布式网络的核心通信技术；最后，硬件设备的智能化水平不断提高，嵌入式芯片等具有更高的计算能力，支持具有复杂业务逻辑智能合约的高效处理。
[0059]
融合协同控制功能的区块链体系结构包括：
[0060]
数据层，用于在各分布式能源相关设备或外置模块中实现数据一致性存储，保证
各区块链节点的数据一致性。
[0061]
网络层，用于与各分布式能源相关设备的通讯模块集成，方便构建点对点网络。
[0062]
合约层，用于与分布式能源相关设备的控制功能整合，通过智能合约自动驱动分布式能源相关设备运行和调整。
[0063]
共识层，基于点对点网络，用于完成一致性变量的计算和协调，实现分布式能源的协同控制和自主优化。
[0064]
系统是将分布式能源网络映射到区块链网络，为分布式能源多主体参与提供可信、共识、共治、共享的分布式决策平台，每个能源设备对应区块链网络中一个区块链节点，各区块链节点依据系统运行需求提出决策方案，并基于共识算法就决策方案达成一致共识，实现一致共识基础上的统一行动，完成分布式能源的协同控制。以微网下垂控制执行过程为例，利用共识算法快速计算频率和电压补偿量、可调量比例等一致性变量，利用智能合约自动执行下垂控制策略，从而保证微网内频率和电压运行在合理区间，实现有功和无功功率的按比例分配，此结构不需要集中式的控制中心，具有一定容错能力和较高的安全等级，适用于分布式运行的微网。
[0065]
一、区块链微网控制系统架构
[0066]
基于区块链与分布式能源系统运行模式相吻合的特性，设计区块链环境下的分布式能源系统架构，以含有分布式光伏电源的微网为例开展论述。如图5所示，每一台分布式电源逆变器对应区块链网络中的一个节点，各台逆变器并联后组成点对点网络，可以实现任意两点间的直接通信。整体上划分为两层：电气设备层(硬件层)和区块链网络层(软件层)，构成一个信息物理系统(cps,cyber-physical systems)，区块链节点和硬件物理设备组成一对一映射关系，区块链节点可以读取设备状态数据和下发控制指令，驱动电气设备运行。任一区块链节点涵盖三部分功能。
[0067]
①
智能合约
[0068]
设备节点内置智能合约，进行有功-频率及无功-电压的计算，完成基于传统的分布式电源下垂控制策略，实现频率、电压的调整及功率按比例的分配。输入电气量测值，输出为经过下垂控制计算后的频率和电压参考值。
[0069]
②
共识算法
[0070]
共识算法完成控制过程中所需的一致性变量计算和同步，在此模块包括配置消差环节和功率分配功能，主要目的在于消除由下垂控制产生的频率和电压的偏差，将频率和电压维持在额定值附近。根据获取的全局逆变器功率出力信息，实现变化负荷功率的按比例分配。
[0071]
③
数据存储
[0072]
每个节点存储全网关键数据并同步，数据由共识算法计算完成，由智能合约实现数据的添加，存储的数据主要包括所有dg(distributed generation，分布式电源)的额定有功和无功功率、系统参考频率及电压值。
[0073]
当微网内负荷发生变化时，内置区块链节点的各台逆变器利用共识算法进行点对点通信，获取全网当前的状态量，并进行一致性状态量的计算，实现负荷的自主按比例分配。通过构建基于区块链的微网下垂控制体系架构，实现了微网完全分布式控制，避免了集中式的计算和控制中心带来的各项问题。并利用区块链技术进一步提升了电气设备的安全
性、保密性，实现抵御网络攻击，进而提升整个系统的安全性。任一节点失效或遭受攻击，系统正常运行，构建完全分布式的微网系统。
[0074]
二、区块链微网下垂控制策略
[0075]
2.1微网下垂控制
[0076]
所谓下垂控制是指微网选择与传统发电机相似的频率一次下垂特性曲线(droop character)作为分布式电源的控制方式，即分别通过p/ω和q/u下垂控制来获取稳定的频率和电压，这种控制方法对微网中的分布式电源输出的有功、无功功率分别进行控制，且各分布式电源间不需要通信协调，通过自主调整实现了分布式电源即插即用和对等控制的目标，保证了孤岛下微电网内电力平衡和频率的统一，并将系统不平衡的功率动态分配给各个机组承担，具有简单可靠的特点。下垂控制可用公式表示为：
[0077][0078][0079]
式中：ω
i,ref
和u
i,ref
为由下垂方程计算出的第i台分布式电源逆变器输出频率和电压幅值的参考值，用于生成控制参考信号；p
i*
和为额定有功和无功功率；和为逆变器在额定情况下的输出角频率和电压幅值；mi》0、ni》0为下垂系数；pi和qi为逆变器i输出的有功和无功功率。
[0080]
通常，微网下垂控制中，通过调整下垂系数可以实现各台互相并联的逆变器输出功率按照要求合理分配。假设各条下垂曲线空载角频率相等，即当逆变器并联时，各逆变器输出频率ω
i,ref
也相等，通过设置适当的下垂系数mi，使将上述条件带入公式(1)，则有：
[0081][0082]
m1p1＝m2p2＝
…
＝mnpn＝c1ꢀꢀꢀ
(3)
[0083]
其中，为常数。从公式(3)中不难发现逆变器输出功率pi与其下垂系数mi成反比，通过调整各下垂系数的值，也就是调整下垂曲线的斜率实现逆变器输出功率的按比例调整。
[0084]
与有功类似，将系统的运行条件代入公式(2)，可以得到无功率功qi与下垂系数ni的关系。
[0085][0086]
n1q1＝n2q2＝
…
＝n
nqn
＝c2ꢀꢀꢀ
(4)
[0087]
其中，通过改变下垂系数ni实现无功功率的按比例分配。
[0088]
2.2频率和电压控制策略
[0089]
通过下垂控制可以实现多台并联逆变器的有功和无功功率按照要求合理分配，其功率分配的环节主要靠调整下垂系数mi、ni来实现。下垂控制是有差控制技术，运行过程中会出现频率、电压偏差，也就是频率和电压偏离额定值，使系统处于不稳定状态，因此需要各个逆变器之间通信交互，完成对频率、电压的偏差的修正，保证其运行在某一合理区间。
为了避免并联各台逆变器频率及电压补偿量不一致，将各台逆变器补偿量的平均值作为各台逆变器的频率和电压补偿量，其中频率偏差可由公式(5)计算获取。
[0090][0091]
公式中需要计算微网中各逆变器有功功率pi和额定功率p
i*
比值的平均值对于微网中每台逆变器节点，需要获取全网其他所有逆变器的功率数据，并结合自身节点存储的所有额定功率进行计算。
[0092]
同理，计算各逆变器的电压偏差公式(6)为：
[0093][0094]
同样，需要计算无功功率和额定值的比率平均值。但在完全分布式环境中，每个节点只能获取自身的功率及额定功率，无法直接获取其他节点的数据，但在区块链环境中，可以通过多次两两交互的共识算法获取所需数据并完成计算。2.3频率和电压偏差计算过程
[0095]
在完全分布式环境中，各逆变器节点需要通过点对点相互通信获取其他节点的有功和无功值。基于区块链点对点网络，利用pbft共识算法，实现频率和电压偏差的计算。依据pbft执行过程，计算过程如图5所示。主逆变器节点发起共识算法，通过多次两两交互通信，每个节点收集到所有其他节点的功率pi、qi数据，并利用存储在区块链上的额定功率信息及自身数据，计算频率和电压偏差，并调整逆变器下垂参数，保证频率和电压运行在合理区间。
[0096]
依据pbft执行过程，对应图6的示例主要包括5个步骤。
[0097]
1)选取主节点发起共识算法，主节点由所有节点轮流担任，其选举采用vmod n计算完成，其中v是系统的视图编号，mod是取余运算，n表示网络中所有节点的个数。当主节点失效时，启动视图更换(view change)过程，即v＝v 1。如图5所示，dg1为主节点并发起共识。
[0098]
2)预准备：主节点将自己的有功p1和无功q1功率向全网广播，发起计算请求，节点dg2、dg3、dg4分别接收到主节点的广播数据。
[0099]
3)准备：每个节点接收到频率和电压偏差计算请求后，对请求及接收的数据进行验证，并附上自身节点的有功pi和无功qi值，广播到其他节点，比如dg2发送给dg1、3、4，dg3发送给dg1、2、4。
[0100]
4)提交：每个节点根据已收集的其他节点的有功和无功值，读取自身区块链中存储的额定值，利用本节点的下垂系数分别计算k1、k2，然后基于公式(5)和(6)分别计算频率偏差δω和电压偏差δu。如果一个节点收到的2
×
f个其它节点发送的数据并一致，就向全网广播δω和δu。
[0101]
5)应答(reply)：如果一个节点收到2
×
f 1个相同的δω和δu，则确认本次偏差计算完成，所有节点同步执行智能合约，完成频率和电压的调整。
[0102]
2.4下垂控制中的有功及无功功率分配
[0103]
在负荷突然增加或减小后，由于微网内各分布式电源最大额定有功、无功功率不
同，有功、无功可调整量也不同，若不对功率和无功进行合理分配，会造成某些分布式电源已达到最大额定功率出力，而另一部分分布式电源则工作在较低的出力状态，这种情况下一方面不能准确及时响应负荷变化，另一方面也影响小容量分布式电源的工作寿命和效率。
[0104]
首先，假设负荷有功和无功的总变化量分别为pd、qd，微网内总有功可调量p
total,adj
和无功可调量q
total,adj
分别定义为公式(7-8)，即微网内每个逆变器设备可调量的总和。
[0105][0106][0107]
为计算微网内总有功和无功，选取主节点dg发起请求，将总变化量广播到所有节点，并应用pbft共识算法，通过两两交互，汇总得到总可调量，具体过程与图6类似。
[0108]
然后，每个dg节点独立完成调整量的计算，根据自身可调量，将总变化量按比例进行分配，并且使每个dg的调整量与其可调量的比例等于总变化量与总可调整量的比例，即满足δpi/p
i,adj
＝pd/p
total,adj
和δqi/q
i,adj
＝qd/q
total,adj
，其中δpi和δqi分别表示第i个dg的有功和无功调整量。
[0109]
最后，每个dg节点独立计算下垂系数，负荷调整后各dg的有功功率和无功功率分别为p
′i＝pi δpi，q
′i＝qi δqi。通过调整下垂控制系数mi、ni，进而改变各台逆变器的输出功率。新的下垂系数m
′i、n
′i分别满足m
′ip
′i＝c
′1和n
′iq
′i＝c
′2，c
′1、c
′2为常数。进一步可计算出各dg应调整的下垂系数分别为和在各个区块链节点计算出新的下垂系数值后，将新的下垂系数值发送至下垂控制模块，驱动分布式电源按新的下垂系数运行，从而实现功率的按比例分配。