区块链技术支撑下的能源互联网超网络建模与优化

Energy Internet (EI) is a typical cyber-physical system with supernetwork structure. Based on Internet and block-chain technology, multi-energy system and large quantities of entities that integrate energy production, consumption, and storage participate in energy exchange autonomously with the backing of the power network. The networks of cyber and physical system (energy) deeply interact with each other and exhibit abundant individual behaviors and complicated system dynamic characteristics, which offer severe challenge to energy supply and demand balance and trade mechanism design. In this program, we will investigate the operation mechanism of integrated energy entities including centralized power supply, smart Microgrid, Virtual Power Plant, non-electric energy (gas, thermal, etc.) system and demand response side. Based on studying the individual behaviors (energy exchange behaviors and market transaction behaviors), which are complex, dynamic, various, and random, we will discuss the coupling among entities and networks, and establish the block-chain based EI supernetwork model, reveal the impact of micro-behaviors on the macro-performances. By establishing quantized EI index evaluation system, we will study optimization of energy exchange modes, price formation mechanism and design of entity behavior restriction, implement the balance of energy supply and demand, so as to provide theoretical foundation on construction and operation management of future EI.

能源互联网是典型的具有超网络结构的信息物理系统，其中大量发/用/储一体化主体和多能源系统在互联网和区块链技术支撑下，依托电力网自主参与能量交互。此时能源互联网信息网络与物理系统网络（能源网）深度耦合，互为因果，表现出丰富的个体行为和复杂的系统动态特征，对能量供需平衡和交易机制设计提出严峻挑战。本课题分析集中式供电、智能微网、虚拟电厂、非电力能源（燃气、热力等）系统、需求侧响应端等发/用/储一体化主体的运行机理，研究各主体复杂、动态、多样、随机的个体行为（能量交互行为和市场交易行为），探讨各主体间、网络间的复杂耦合关系，建立区块链技术支撑下的能源互联网超网络模型，揭示模型中个体微观行为对系统整体宏观表现的影响规律。研究建立量化的能源互联网指标评价体系，探讨基于区块链技术的能量交互模式优化、价格形成机制及主体行为约束设计，以达到能量供需平衡，为未来能源互联网建设与运营管理提供理论依据。

区块链技术支撑下的能源互联网中能源交易呈现出更为明显的市场化特性，能源交易市场由传统的“中心化”结构向“弱中心化”甚至“去中心化”结构演化，支撑各能量主体复杂、动态、多样、随机的能量交互行为和市场交易行为。本项目针对区块链技术支撑下能源互联网超网络的模型建立、复杂动态行为分析、能量交互模式优化和主体智能合约设计3个方面开展了具有创新性的科研探索：按照主体-关系-网络的顺序依次完成了能量交互主体模型和交互关系模型的建立，形成了多层网络耦合的、多主体自由能源交易的能源互联网超网络模型；基于大规模数值仿真研究了能源互联网超网络模型中多种分布式可再生能源的协同调度、并网消纳问题及多种能量主体的合作与非合作博弈机制；建立了基于区块链技术的能源互联网点对点能源交易框架，对分布式可再生能源灵活消纳、多主体直接能源竞标的场景进行了深入研究，设计了区域能源交易市场中多主体间、多层级间、多阶段、多种竞标意愿的自由能量交易机制；设计了支撑区域能源点对点交易的区块链多链框架及信用证明共识机制，通过私有化部署以太坊区块链的方式模拟并优化了能量交易主体智能合约，并利用贵州电网红枫湖基地的14个微网进行原型系统搭建和模拟仿真，凝练出针对一类具有超网络特性的能源互联网系统的理论体系和研究方法。本项目着眼于国家需求，符合未来区域能源交易模式的发展方向，研究形成了一系列成体系、高质量的科研成果，具有重要的学术价值和应用前景。