基于P2P交易的完全去中心化的分布式电能交易方法及系统

技术领域

本发明涉及电力系统优化调度领域，尤其涉及一种基于P2P交易的完全去中心化的分布式电能交易方法。

背景技术

近年来，光伏发电(PV)、热电联产机组(CHP)等分布式能源的快速发展，使得电能的生产、传输和消费模式发生了巨大变化，具有发用电能力的产消者在配电系统中的比例逐渐提升。在新一轮电力体制改革不断推进的形势下，这些拥有独立决策能力的电能产消者将积极参与电力市场竞争，因此在配电系统中采用更加灵活有效的电能交易机制能有效优化资源配置，提高式分布式发电的收益。这意味着产消者不仅可以通过自身的分布式能源发电降低其电能成本，还可以通过出售过剩电能获得收入。

P2P交易是配网电能交易的一个重要模式。将包含分布式能源的产消者看作分布式交易主体，P2P交易允许各主体相互之间交易剩余的电能，这既能提高配电系统中可再生能源的利用率，又能为配电系统运营商(DSO)带来一定的利益，例如降低配电系统最大需量、削减备用需求、提高系统可靠性等。在配电系统中，现有的传统集中式交易模式面临两个主要问题：一是大量分布式交易主体参与市场将导致交易中心的运行成本过高且效率低下；二是集中式交易模式需要所有市场参与者与交易中心进行双向通信，无法满足其隐私保护的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于P2P交易的完全去中心化的分布式电能交易方法及系统，本发明的方法能够在满足配电系统运行物理可行性及市场参与者隐私保护的需求下，实现完全去中心化的分布式电能交易。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种基于P2P交易的完全去中心化的分布式电能交易方法，包括：

获得所需的系统基本技术数据、市场参与者的运行参数、价格数据；

构造配电系统中P2P交易的基础模型，包括以所有分布式交易主体所在配电系统的总电能成本最小为目标函数的优化目标，以及分布式交易主体出力约束、电能交易约束以及基于二阶锥规划的多时段交流潮流约束；

基于标准交替方向乘子法，将基础模型重构为标准一致性优化问题，并引入基于CCP原理的非凸约束；

在标准交替方向乘子法的基础上，引入完全去中心化的通信机制，在不需要交易中心的情况下，进行各分布式主体间的信息交换，得到完全去中心化的ADMM算法，在保护个体数据隐私的情况下以最小的通信成本迭代求解，获得各分布式主体与电网及P2P交易的最优交易策略。

作为本发明的进一步改进，目标函数为：

目标函数为最小化分布式主体所在配电系统的总电能成本：

式中：I是所有分布式交易主体所在节点的集合；

式(2)中：从电网购买电能的成本由电度电费和需量电费两部分组成，

作为本发明的进一步改进，所述构造配电系统中P2P交易的基础模型还构建约束条件，包括：

分布式交易主体出力约束，包括：热电联产机组的技术约束、光伏面板的出力上下限约束、无功功率平衡和热负荷的供应充分性约束；

各主体的电能交易约束，包括：净负荷运行需求及其电能交易约束、与电网交易的最大需量约束、P2P交易的双边约束；

基于二阶锥规划的多时段交流潮流约束，包括：节点功率平衡约束、节点电压方程、松弛后的Branch Flow线路潮流约束、节点电压幅值平方约束、线路电流幅值平方约束；

构建约束条件具体包括：

分布式发电主体出力约束为：

/>

其中，式(5)表示主体j的无功功率平衡和热负荷的供应充分性，

各主体的电能交易约束为：

其中，式(8)表示主体j与电网的交易量

基于二阶锥规划的多时段交流潮流约束为：

/>

其中，式(11)表示终端用户节点和中间节点的节点注入功率约束以及节点无功功率平衡约束，Θ(j)为线路中拥有相同送出节点j的接收节点集合，P

作为本发明的进一步改进，所述基于标准交替方向乘子法，将基础模型重构为标准一致性优化问题，并引入基于CCP原理的非凸约束，包括以下步骤：

将配电系统按照适当的分区策略划分为若干区域，每个分布式交易主体属于一个区域，负责依据指定到本区域的局部变量进行本地计算；

基于变量复制规则，将基础模型中的耦合约束按区域进行分离，包括：

划分送出边界节点、接收边界节点，确定相邻区域中边界节点处的局部变量以及对应的复制变量，将各个区域的耦合约束重新表述为本区域内局部变量和复制变量的约束，使得所有约束均按区可分；并引入全局变量将复制变量和相邻区域的原始局部变量连接起来，确保复制变量和相邻区域对应的原始局部变量值相同；

基于标准交替方向乘子法以及变量复制规则，将基础模型重构为紧凑格式下的标准一致性优化问题，定义

基于CCP原理，在

作为本发明的进一步改进，将基础模型中的耦合约束按区域进行分离，用到的变量复制规则：

定义连接两相邻区域的线路为联络线，联络线上潮流流出节点为送出边界节点，则联络线上另一个节点为接收边界节点；定义边界节点处的耦合变量为局部变量，复制到相邻区域后的局部变量为复制变量；

规则1：对于送出边界节点，将接收边界节点所在区域中的局部变量复制到送出边界节点所在区域，作为送出边界节点的复制变量；

规则2：对于接收边界节点，将送出边界节点所在区域中的局部变量复制到接收边界节点所在区域，作为接收边界节点的复制变量；

规则3：引入全局变量将复制变量和原始局部变量连接起来，确保复制变量和相邻区域对应的局部变量值相同。

作为本发明的进一步改进，基于标准交替方向乘子法，将基础模型重构得到标准的一致性优化问题为：

s.t.(2)-(9),(14)-(16)

/>

其中，式(17)为重构的P2P交易双边约束，S

将上述标准的一致性优化问题写成紧凑形式：

首先定义三个向量，

其中

s.t.(2)-(9)，(14-16)，(17-20)(25b)

λ

其中，式(25)可以在各个区域中进行并行计算；式(26)表示更新

作为本发明的进一步改进，基于CCP原理，引入与凸松弛后的线路潮流约束相对应的非凸约束，并线性化展开后的

s.t.(2)-(9),(14)-(16),(17)-(20)

其中，γ为CCP当前迭代次数，δ

作为本发明的进一步改进，在标准交替方向乘子法的基础上，引入完全去中心化的通信机制，在不需要交易中心的情况下，进行各分布式主体间的信息交换，得到完全去中心化的ADMM算法，在保护个体数据隐私的情况下以最小的通信成本迭代求解，获得各分布式主体与电网及P2P交易的最优交易策略，包括：

设定迭代算法的相关基础参数，设定

求解结果包括：各主体与电网的电能交易量、各主体的P2P电能交易量、目标函数值、各主体的分布式发电量。

作为本发明的进一步改进，完全去中心化的通信机制为：

定义与全局变量对应的原始局部变量为主导变量，主导变量所在的区域为主导区域，完全去中心化的通信机制遵循如下：

将

主导区域通过

将主导区域中更新后的全局变量送回相应的相邻区域；

完全去中心化的ADMM迭代算法求解流程为：

a输入数据：

读入步骤1中获得的配电系统基本技术数据、市场参与者的运行参数、价格数据，如

b初始化：

设定完全去中心化的ADMM迭代过程为外循环，其中求解

设定外循环的迭代次数为τ＝0；设定全局变量

设定内循环的迭代次数为γ＝0；设定迭代初值为

c求解外循环：

接收到全局变量

d求解内循环：

各区域并行求解

e内循环判敛：

若满足停止条件(30)，则说明内循环结果已经能满足松弛的精确性，内循环停止迭代；否则令γ＝γ+1，并按式(31)更新惩罚系数，继续分区执行

δ

f完全去中心化的数据通信：

将

随后将主导区域更新后的全局变量

g外循环判敛：

若满足停止条件(32)和(33)，则说明外循环结果已经能满足ADMM算法的收敛条件，外循环停止迭代；否则令τ＝τ+1，并继续执行外循环；

h输出结果：

输出结果包括系统运行及交易结果，包括：各主体与电网的电能交易量

一种基于P2P交易的完全去中心化的分布式电能交易系统，包括：

获取模块，用于获得所需的系统基本技术数据、市场参与者的运行参数、价格数据：

构造模块，用于构造配电系统中P2P交易的基础模型，包括以所有分布式交易主体所在配电系统的总电能成本最小为目标函数的优化目标，以及分布式交易主体出力约束、电能交易约束以及基于二阶锥规划的多时段交流潮流约束；

重构模块，用于基于标准交替方向乘子法，将基础模型重构为标准一致性优化问题，并引入基于CCP原理的非凸约束；

求解模块，用于在标准交替方向乘子法的基础上，引入完全去中心化的通信机制，在不需要交易中心的情况下，进行各分布式主体间的信息交换，得到完全去中心化的ADMM算法，在保护个体数据隐私的情况下以最小的通信成本迭代求解，获得各分布式主体与电网及P2P交易的最优交易策略。

本发明的有益效果在于：本发明基于配电网交流潮流约束，在满足P2P交易物理可行性的基础上，建立完全去中心化的分布式交易模式，由配网中进行P2P交易的各主体自行决策、交易以及结算。能有效解决产消者比例不断提升的配电系统中，传统集中式电能交易方法存在的交易效率低下、交易成本过高、无法保护市场参与者隐私数据、可再生能源利用率不足、经济效益较低、非最优解等弊端，提供一种更为经济且隐私的交易方法。基于配电网交流潮流约束，引入CCP原理保证二阶锥松弛的准确性，在满足P2P交易物理可行性的基础上，建立分布式交易模型，通过完全去中心化的ADMM算法对模型进行重构并求解，使得进行P2P交易的各主体能够自行决策、交易以及结算，在保护个体数据隐私的基础上以最小的通信成本，实现有效优化资源配置，提高分布式发电的收益及可再生能源的利用率，并通过降低最大需量、削减备用需求等方式为配电系统运营商(DSO)也带来一定的利益。通过采用本发明提出的方法，可以获得配网中各分布式交易主体与电网及P2P交易的最优交易策略，实现基于P2P的完全去中心化的分布式电能交易。

附图说明

图1为本发明所述的基于P2P交易的完全去中心化的分布式电能交易方法的求解流程示意图；

图2为以四节点系统为例的变量复制规则示意图；

图3为以四节点系统为例的完全去中心化的通信机制示意图；

图4为完全去中心化的ADMM算法迭代求解流程图；

图5为本发明所述的基于P2P交易的完全去中心化的分布式电能交易系统图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明涉及一种基于点对点(Peer-to-Peer,P2P)交易的完全去中心化的分布式电能交易方法，能够在无需交易中心的情况，以分布式的形式优化配电系统中具有发用电能力的产消者的电能交易策略，同时有效保护各交易主体的数据隐私。包括以下步骤：从相关部门获得所需的基本数据；构造配电系统中P2P交易的基础模型，包括模型的目标函数和约束条件；基于标准交替方向乘子法(ADMM)这个分布式优化算法，将基础模型重构为紧凑形式下的一致性优化问题，同时引入基于Convex-concave Procedure(CCP)原理的非凸约束来保证二阶锥松弛的准确性；在传统ADMM算法的基础上，引入完全去中心化的通信机制，实现各交易主体相互之间的信息交换，在保护个体数据隐私的情况下以最小的通信成本迭代求解，获得各主体与电网及P2P的最优交易策略，实现基于P2P的完全去中心化的分布式电能交易。

如图1所示，本发明提供一种基于P2P交易的完全去中心化的分布式电能交易方法，包括：

获得所需的系统基本技术数据、市场参与者的运行参数、价格数据：

构造配电系统中P2P交易的基础模型，包括以所有分布式交易主体所在配电系统的总电能成本最小为目标函数的优化目标，以及分布式交易主体出力约束、电能交易约束以及基于二阶锥规划的多时段交流潮流约束等约束条件；

基于标准交替方向乘子法，将基础模型重构为标准一致性优化问题，并引入基于CCP原理的非凸约束来保证潮流结果的可行性；

在标准交替方向乘子法的基础上，引入完全去中心化的通信机制，在不需要交易中心的情况下，进行各分布式主体间的信息交换，得到完全去中心化的ADMM算法，在保护个体数据隐私的情况下以最小的通信成本迭代求解，获得各分布式主体与电网及P2P交易的最优交易策略。

本发明不仅有效优化了配电系统的资源配置，提高了分布式发电的收益及可再生能源的利用率，而且能够满足隐私保护的需求，使得进行P2P交易的各主体能够自行决策、交易以及结算。

以下结合具体实施例对本发明的方法进行详细说明：

本发明提供一种基于P2P交易的完全去中心化的分布式电能交易方法，包括以下步骤：

步骤1：从相关部门获得所需的系统基本技术数据、市场参与者的运行参数、价格数据：

系统基本技术数据：配电系统节点数、线路数、分布式主体所在节点、节点负载、网络拓扑、线路阻抗及最大载流量等。

市场参与者的运行参数：系统运行时段数据、分布式交易主体的负载需求、热电联产机组参数、光伏出力上下限值等。

价格数据：配电系统与电网进行电能交易的两部制价格数据、各主体间进行P2P交易的价格数据、分布式发电机组的成本数据等。

步骤2：构造配电系统中P2P交易的基础模型，包括以下步骤：

第2.1步：构建优化目标：以所有分布式交易主体所在配电系统的总电能成本最小为目标函数，包括从电网购买电能的成本、通过P2P交易支付的电能成本，以及分布式发电机组的发电成本；

第2.2步：构建约束条件，包括：

分布式交易主体出力约束，包括：热电联产机组的技术约束、光伏面板的出力上下限约束、无功功率平衡和热负荷的供应充分性约束；

各主体的电能交易约束，包括：净负荷运行需求及其电能交易约束、与电网交易的最大需量约束、P2P交易的双边约束；

基于二阶锥规划的多时段交流潮流约束，包括：节点功率平衡约束、节点电压方程、松弛后的Branch Flow线路潮流约束、节点电压幅值平方约束、线路电流幅值平方约束。

步骤3：基于标准交替方向乘子法(ADMM)这个分布式优化算法，将步骤2中构建的基础模型重构为紧凑形式下的标准一致性优化问题；并考虑到P2P交易可能导致反向潮流，造成二阶锥松弛的不精确，引入基于Convex-concave Procedure(CCP)原理的非凸约束，来保证潮流结果的可行性，包括以下步骤：

第3.1步：将配电系统按照适当的分区策略划分为若干区域，每个分布式交易主体属于一个区域，负责依据指定到本区域的局部变量进行本地计算。

第3.2步：基于本发明提出的变量复制规则，将基础模型中的耦合约束按区域进行分离，包括：

划分送出边界节点、接收边界节点，确定相邻区域中边界节点处的局部变量以及对应的复制变量，将各个区域的耦合约束重新表述为本区域内局部变量和复制变量的约束，使得所有约束均按区可分。并引入全局变量将复制变量和相邻区域的原始局部变量连接起来，确保复制变量和相邻区域对应的原始局部变量值相同。

第3.3步：基于标准交替方向乘子法(ADMM)以及变量复制规则，将步骤2中的基础模型重构为紧凑格式下的标准一致性优化问题，定义

第3.4步：基于CCP原理，在

步骤4：在传统ADMM算法的基础上，引入完全去中心化的通信机制，在不需要交易中心的情况下，进行各分布式主体间的信息交换，得到完全去中心化的ADMM算法，在保护个体数据隐私的情况下以最小的通信成本迭代求解，获得各分布式主体与电网及P2P交易的最优交易策略，实现基于P2P的完全去中心化的分布式电能交易，包括：

设定迭代算法的相关基础参数，如迭代次数索引、模型收敛精度等，设定

下面结合附图对本发明作进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于此。

参见图1，一种基于P2P交易的完全去中心化的分布式电能交易方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：应用本发明所提模型时，需要首先从相关部门获得所需的系统基本技术数据、市场参与者的运行参数、价格数据。

系统基本技术数据：配电系统节点数、线路数、分布式主体所在节点、节点负载、网络拓扑、线路阻抗及最大载流量等。

市场参与者的运行参数：系统运行时段数据、分布式主体的负载需求、热电联产机组参数、光伏出力上下限值等。

价格数据：配电系统与电网进行电能交易的两部制价格数据、各主体间进行P2P交易的价格数据、分布式发电机组的成本数据等。

步骤2：构造配电系统中P2P交易的基础模型，包括构建优化目标函数以及约束条件。

目标函数为最小化分布式主体所在配电系统的总电能成本：

式中：I是所有分布式交易主体所在节点的集合；

式(2)中：从电网购买电能的成本由电度电费和需量电费两部分组成，

分布式发电主体出力约束为：

/>

其中，式(5)表示主体j的无功功率平衡和热负荷的供应充分性，

各主体的电能交易约束为：

其中，式(8)表示主体j与电网的交易量

基于二阶锥规划的多时段交流潮流约束为：

/>

其中，式(11)表示终端用户节点和中间节点的节点注入功率约束以及节点无功功率平衡约束，Θ(j)为线路中拥有相同送出节点j的接收节点集合，P

最终构造出配电系统中基于P2P的基础交易模型：

s.t.(2)-(16)

步骤3：上述基础模型适用于集中式求解，要实现分布式求解还需要基于标准交替方向乘子法(ADMM)这个分布式优化算法，将步骤2中构建的基础模型重构为一个紧凑形式下的标准的一致性优化问题；并引入基于Convex-concave Procedure(CCP)原理的非凸约束，来保证二阶锥松弛的精确性和潮流结果的可行性：

首先按照适当的分区策略将系统划分为若干区域，每个交易主体属于一个区域，负责依据指定到本区域的局部变量进行分布式计算。

已知步骤2构建的基础模型中，P2P交易的双边约束(10)和交流潮流约束(11)-(13)为不可按区域自然划分的耦合约束，需要基于本发明提出的两个变量复制规则，将一个区域中边界节点的部分局部变量复制到相邻区域，使得耦合约束能够按区域进行分离。以图3的四节点系统为例，具体说明变量复制规则：

将该四节点系统分为两个区域，区域1有节点i,j，区域2有节点n,w，定义连接两区域的线路为联络线(j,n)，当潮流方向由j到n时，j为送出边界节点，n为接收边界节点。

规则1：对于送出边界节点j，将n所在区域2中的局部变量P

规则2:对于接收边界节点n，将j所在区域1中的局部变量v

规则3:引入全局变量将复制变量和原始局部变量连接起来。例如，用全局变量

在各个区域中加入复制变量后，耦合约束在每个区域内可以重新表述为本区域局部变量和复制变量的约束，使得所有约束均按区可分。引入全局变量后，可以确保复制变量和相邻区域对应的原始局部变量值相同，满足重构模型的可行性。

基于标准交替方向乘子法(ADMM)这个分布式优化算法以及变量复制规则，将步骤2中的基础模型重构为标准的一致性优化问题：

s.t.(2)-(9),(14)-(16)

/>

其中，式(17)为重构的P2P交易双边约束，S

将上述标准的一致性优化问题写成紧凑形式：

首先定义三个向量，

其中

s.t.(2)-(9),(14)-(16),(17)-(20)(25b)

λ

其中，式(25)可以在各个区域中进行并行计算；式(26)表示更新

考虑到P2P交易可能导致反向潮流，造成二阶锥松弛的不精确，引入基于CCP原理的非凸约束，来保证二阶锥松弛的精确性和潮流结果的可行性，将

s.t.(2)-(9),(14)-(16),(17)-(20)

其中，γ为CCP当前迭代次数，δ

步骤4：在传统ADMM算法的基础上，引入完全去中心化的通信机制，在不需要交易中心的情况下，进行各分布式主体间的信息交换，得到完全去中心化的ADMM算法，在保护个体数据隐私的情况下以最小的通信成本迭代求解，获得各分布式主体与电网及P2P交易的最优交易策略，实现基于P2P的完全去中心化的分布式电能交易。

以图3为例，对完全去中心化的通信机制进行说明：

首先，定义与全局变量对应的原始局部变量为主导变量，主导变量所在的区域为主导区域。对应图2中的四节点系统，可以看出对于全局变量

将

主导区域通过

将主导区域中更新后的全局变量送回相应的相邻区域，例如蓝色箭头所示，

上述通信机制可以在不需要交易中心的情况下，实现两个区域之间的数据交换，且它们彼此之间交换的数据是不敏感的，可以有效保护各个区域自身的信息隐私。

最后结合图4所示迭代求解流程图，采用完全去中心化的ADMM算法对模型进行求解，获得最优交易策略，实现基于P2P的完全去中心化的分布式电能交易，具体流程如下：

a.输入数据：

读入步骤1中获得的配电系统网架数据、市场参与者的运行参数、价格数据，如

b.初始化：

设定完全去中心化的ADMM迭代过程为外循环，其中求解

设定外循环的迭代次数为τ＝0；设定全局变量

设定内循环的迭代次数为γ＝0；设定迭代初值为

c.求解外循环：

接收到全局变量

d.求解内循环：

各区域并行求解

e.内循环判敛：

若满足停止条件(30)，则说明内循环结果已经能满足松弛的精确性，内循环停止迭代；否则令γ＝γ+1，并按式(31)更新惩罚系数，继续分区执行

δ

f.完全去中心化的数据通信：

将

随后将主导区域更新后的全局变量

g.外循环判敛：

若满足停止条件(32)和(33)，则说明外循环结果已经能满足ADMM算法的收敛条件，外循环停止迭代；否则令τ＝τ+1，并继续执行外循环。

h.输出结果：

输出结果包括系统运行及交易结果，如：各主体与电网的电能交易量

如图5所示，本发明还提供一种基于P2P交易的完全去中心化的分布式电能交易系统，包括：

获取模块，用于获得所需的系统基本技术数据、市场参与者的运行参数、价格数据：

构造模块，用于构造配电系统中P2P交易的基础模型，包括以所有分布式交易主体所在配电系统的总电能成本最小为目标函数，包括从电网购买电能的成本、通过P2P交易支付的电能成本，以及分布式发电机组的发电成本；

重构模块，用于基于标准交替方向乘子法，将基础模型重构为标准一致性优化问题，并基于CCP原理的非凸约束；

求解模块，用于在标准交替方向乘子法的基础上，引入完全去中心化的通信机制，在不需要交易中心的情况下，进行各分布式主体间的信息交换，得到完全去中心化的ADMM算法，在保护个体数据隐私的情况下以最小的通信成本迭代求解，获得各分布式主体与电网及P2P交易的最优交易策略。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。