基于区块链的农村居民屋顶光伏消纳方法

唐冬来，郝建维，付世峻，黄璞，杨俏，叶鸿飞

（四川中电启明星信息技术有限公司，四川成都 610041）

中国农村屋顶光伏资源丰富，利用农村居民屋顶建设小型光伏发电站，将助力农村实现碳中和目标[1-3]。但屋顶光伏发电与农村居民的劳作时间重叠[4-5]，造成光伏发电消纳困难。

农村屋顶光伏消纳分为储能与上网交易两种。其中，储能采用装置对农村居民屋顶光伏的剩余电量进行存储，待用电时段释放电能[6-7]。但储能设备投资多，推广难度大。

上网交易类通过农村居民之间的价格驱动、成本分摊等类型的电量交易，实现屋顶光伏剩余电量消纳[8-10]。但缺少对不同农村居民用户类型交易策略的分析，光伏消纳率低。

针对农村居民屋顶光伏消纳难的问题，提出了一种基于区块链的农村居民屋顶光伏消纳方法，该方法通过能量路由器实现光伏消纳的物理连接，并采用区块链进行农村居民屋顶光伏交易。

1 农村居民屋顶光伏消纳框架

文中所述的基于区块链的农村居民屋顶光伏消纳方法框架如图1 所示，主要包括物理网络搭建、农村居民分类、电量交易定价和交易执行四个环节。

图1 农村居民屋顶光伏消纳策略框架图

在物理网络搭建环节，首先，根据输入的农村居民屋顶光伏发电功率数据、10 kV 配网网架数据进行发电约束分析，判断配电线路的最大发电传输能力。其次，对10 kV 配电网络的能量路由路径进行分析，确定各配电台区节点能量路由器的部署原则。最后，进行能量路由器部署。在农村居民分类环节，首先提取农村居民的用电量、用电功率曲线、档案等特征数据；然后对其进行AP 聚类，获取农村居民的用电习惯特性，并建立用户的细分类别。在电量交易定价环节，首先，对上网的农村居民屋顶光伏发电量的电价进行分析，获取农村居民屋顶光伏的上网需求价；其次，对农村居民购电价格进行分析；最后，再进行销售、购买和运营商代理价格博弈，通过纳什均衡生成农村居民屋顶光伏销售价格。在交易执行环节，开展农村居民屋顶光伏交易，并执行交易结算。

2 农村居民屋顶光伏消纳建模

2.1 物理网络搭建

能量路由器是构建能源互联网的核心设备，该设备由电力电子变换器构成，可实现电能的多向流动和功率的主动控制。该设备对配电网分布式屋顶光伏电源、负荷等设备进行智能互联，实现配电网能量流的主动控制[11]。

农村居民屋顶光伏的上网电网等级为0.4 kV，因农村配电台区下的用户几乎都为农村居民，而农村居民的用电时段几乎一致，不利于屋顶光伏发电消纳。而10 kV 配电线路下包括城镇居民用户、工商业用户、农村居民用户等多种类型，城镇居民用户、工商业用户的用电时段与农村居民用户不一致，所以，可通过10 kV 配电线路内的能量路由实现农村居民屋顶光伏与负荷的互联。

文中所提方法在配电变压器侧配置能量路由器，以实现10 kV 配电线路下的能源与负荷互联。10 kV 配电线路交易区域内的总功率Pa为：

式中，na为农村居民用户光伏电源个数；Pi为不同的农村居民屋顶光伏电源发电功率；Li为不同的农村居民屋顶光伏的传输损耗。

农村居民屋顶光伏交易区域内的总功率Pa满足约束条件：

式中，Pmax为10 kV 配电线路传输的最大功率，Pb为10 kV 配电网当前传输的负荷值。能量路由器的功率配置Pc为：

式中，nb为单个配电台区下的农村居民屋顶光伏个数；Pj为单个配电台区下不同的农村居民用户发电功率；Lj为不同屋顶光伏的传输损耗。

2.2 农村居民分类

AP 聚类通过在不同农村居民用户之间不断地传递特征信息，最终选出聚类中心；该种聚类方式具有无需指定聚类数据、聚类误差小的特点[12]，因此，文中农村居民选用AP 聚类进行分类。

文中农村居民用户的分类特征条目依据中国可再生能源行业和电力行业协会的典型参考文件制定。农村居民的特征条目如表1 所示。

表1 农村居民的特征条目表

农村居民屋顶光伏发电AP 聚类相似度矩阵的值Ga为：

式中，sa和sb分别为农村居民类型a和类型b的离散特征值；ω为特征屋顶光伏类型的农村居民权重系数。

通过AP 聚类，生成的农村用户居民类型如表2所示。

表2 农村居民类型

2.3 电量交易定价

静态博弈是一种博弈的方法，在该方法中，有一个领导者，其余的为跟随者，领导者先开始行动，跟随者在进行选择时，并不知道领导者的具体行动步骤；在跟随者行动完毕后，领导者根据跟随者的行动调整自己的策略，直至纳什均衡[13-14]。该方法能够有效解决农村居民屋顶光伏交易过程中定价的问题。

农村居民屋顶光伏报价集合Va为：

式中，nd为农村居民屋顶光伏电源报价策略个数。v1,v2,…,vnd为不同的农村居民屋顶光伏报价策略。

屋顶光伏购电价格集合Jb为：

式中，ne为农村居民屋顶光伏购买用户的策略数量；j1,j2,…,jne为不同的农村居民屋顶光伏购买策略。

交易定价静态博弈C为：

式中，Ra为农村居民屋顶光伏运营商，该农村居民屋顶光伏运营商是屋顶光伏交易的领导者；Rb为跟随者，即农村居民屋顶光伏发电用户；Qi为农村居民屋顶光伏用电客户在i时间段的电量；B为农村居民屋顶光伏交易区域内的电价策略；Ua为农村居民屋顶光伏运营商的收益；Ya为农村居民屋顶光伏发电用户的收益。

2.4 交易执行

区块链是一个共享数据库，具有“防止伪造”、“过程痕迹记录”和“全程追溯”的特征[15-16]，因此，文中所提农村居民屋顶光伏消纳方法采用区块链技术进行农村居民屋顶光伏交易。

在交易执行方面，农村居民屋顶光伏运营商组织屋顶光伏电源用户按照用电策略、光伏出力进行发电；并组织10 kV 配电网内的居民用户、工商业用户等进行购电。区块链平台根据定价合约辅助控制农村居民的用电。

在交易结算方面，按月根据电表向区块链平台传输的实际屋顶光伏发电量与农村居民用电量、电量报价等信息完成合同履约和结算资金的支付，最后，区块链系统记录各方农村居民交易用电的信誉值。

3 算例分析

3.1 场景与参数设定

为验证文中所提基于区块链的农村居民屋顶光伏消纳方法的有效性，在某城市乡村的1 条10 kV 配电线路下进行农村居民屋顶光伏消纳验证。该区域内，交易的农村居民屋顶光伏电源用户有583 户，购电用户有3 798 户，涉及配电台区29 个，安装能量路由器29 个。

该地区的年平均日照辐射量为36.37 Ht。将文中所用算例部署在某供电公司机房，算例运行服务器的处理器为两颗四核intel至强E3-1225，处理器主频为3.2 GHz，4 核心，服务器内存为32 GB，硬盘容量大小为20 T，服务器的操作系统为Windows Server 2016。

文中用于对比的是文献[17]光伏价格学习曲线的农村居民屋顶光伏消纳方法，该方法被广泛使用在农村居民屋顶光伏领域。

3.2 算例运行分析

3.2.1 农村居民用户聚类准确率

农村居民用户聚类准确率分析的目的是为了评估农村居民用电特征分析的准确性，该指标的计算公式是将聚类分析的数量与依据行业标准人工比对的结果进行分析，一致即为准确，比值即为准确率。

选择居民用户为100、200、300、400、500、600、800、1 000 户，采用文中方法的AP 聚类与光伏价格学习曲线方法的K 值聚类比较农村居民用户聚类分析准确率，比较结果如表3 所示。

表3 农村居民用户聚类准确率

由表3 可知，文中所提方法AP 聚类的农村居民用户聚类准确率高于光伏价格学习曲线方法的K 值聚类。

3.2.2 农村居民用户聚类结果

农村居民用户聚类结果是屋顶光伏电量交易的基础，通过对不同类别的用户制定差异化的农村居民屋顶光伏交易报价策略，可以提高光伏消纳水平。

针对某乡验证区域的3 798 户聚类结果如表4所示。

表4 农村居民用户聚类结果

3.2.3 农村居民屋顶光伏报价博弈分析

农村居民屋顶光伏报价博弈分析的目的是为了验证文中所提方法在运营商、农村居民屋顶光伏销售和购买用户之间的交易电价博弈结果的有效性。首先，农村居民屋顶光伏按照0.452 元的基准价进行报价，然后农村居民屋顶光伏销售和购买用户按照自身的策略进行博弈，直至纳什均衡，农村居民屋顶光伏报价博弈结果如图2 所示。

图2 农村居民屋顶光伏报价博弈结果

由图2 可见，当博弈次数在16 次时，运营商、农村居民屋顶光伏销售和购买用户价格趋于一致，该价格即为当时的交易价格。

3.2.4 农村居民屋顶光伏消纳分析

农村居民屋顶光伏消纳分析的目的是为了验证光伏消纳率的有效性。其计算方式为农村居民屋顶光伏用电量和发电量之间的比值。

选择2021 年7 月1-6 日的发电数据，采用文中所提基于区块链的农村居民屋顶光伏消纳方法与光伏价格学习曲线方法比较光伏消纳率，结果如图3所示。

图3 农村居民屋顶光伏消纳率图

由图3 可见，文中所提方法的光伏消纳率达91.6%，高于光伏价格学习曲线方法。

4 结论

文中基于区块链技术提出了一种农村居民屋顶光伏消纳方法。在农村居民用户分类的基础上，采用静态博弈进行交易定价，通过区块链技术记录交易电量和信誉，具有农村居民用户激励效果好，屋顶光伏消纳率大的特点。算例分析结果表明，所提方法分析了农村居民用户的用电特点，实现了屋顶光伏的有效消纳。该方法提高了农村居民屋顶光伏消纳率，促进了清洁能源的有效利用。