[论文解读] Blockchain-Assisted Crowdsourced Energy Systems

Shen Wang, Ahmad F. Taha+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2018

Smart Grid Energy Management参考文献 16被引用 6

一句话总结

本文提出了一种集成区块链的众包能源系统（CES）框架，实现了分布式能源资源、电动汽车和可调节负荷之间安全、去中心化的能源交易与调度。通过将最优潮流模型与智能合约及激励机制相结合，该系统在确保可扩展性、安全性和用户自主性的同时，实现了市场均衡，其轻量级Hyperledger Fabric部署进一步提升了性能。

ABSTRACT

Crowdsourcing relies on people's contributions to meet product- or system-level objectives. Crowdsourcing-based methods have been implemented in various cyber-physical systems and realtime markets. This paper explores a framework for Crowdsourced Energy Systems (CES), where small-scale energy generation or energy trading is crowdsourced from distributed energy resources, electric vehicles, and shapable loads. The merits/pillars of energy crowdsourcing are discussed. Then, an operational model for CESs in distribution networks with different types of crowdsourcees is proposed. The model yields a market equilibrium depicting traditional and distributed generator and load setpoints. Given these setpoints, crowdsourcing incentives are designed to steer crowdsourcees to the equilibrium. As the number of crowdsourcees and energy trading transactions scales up, a secure energy trading platform is required. To that end, the presented framework is integrated with a lightweight Blockchain implementation and smart contracts. Numerical tests are provided to showcase the overall implementation.

研究动机与目标

• 设计一种可扩展、安全且去中心化的能源众包框架，用于配电网，利用区块链与智能合约技术。
• 对各类分布式能源资源（DERs），包括电池、太阳能板和可调节负荷，建模并优化其能源交易与发电调度。
• 设计动态货币激励机制，引导众包参与者向市场均衡靠拢，同时尊重电网约束与用户偏好。
• 将运行模型与轻量级区块链实现（Hyperledger Fabric）集成，以实现安全、透明且可审计的能源交易。
• 通过在56节点配电网上的数值测试验证该框架，展示其可行性及实时激励动态。

提出的方法

• 构建一个多时段最优潮流（CES-OPF）模型，用于在24小时内计算发电机与负荷的市场均衡设定点。
• 引入两种激励机制：针对第一类众包参与者（如固定协议）采用长期智能合约，针对第二类众包参与者（实时市场参与）采用动态、随时间变化的货币激励。
• 采用ADMM-based分解方法，以分布式方式高效求解大规模CES-OPF问题。
• 使用Hyperledger Fabric实现轻量级区块链网络，其中节点维护账本和世界状态，链码在用户承诺后执行智能合约。
• 部署基于Web的用户界面，使众包参与者能够提交偏好，并通过区块链实时接收激励更新。
• 应用迭代激励调整算法：若用户拒绝某项报价，则在预算上限内逐步提高激励，之后切换至传统发电方式。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一种去中心化、可扩展的能源众包框架，以整合配电网中的多样化分布式能源资源？
• RQ2 何种激励结构能有效引导众包参与者实现全局市场均衡，同时尊重运行与稳定性约束？
• RQ3 区块链技术如何提升分布式能源资源之间点对点能源交易中的安全性、透明度与信任度？
• RQ4 用户偏好与接受意愿对众包机制收敛性与效率有何影响？
• RQ5 智能合约与实时激励的集成如何影响能源市场运营的可扩展性与可靠性？

主要发现

• 所提出的CES-OPF模型在56节点配电网中成功计算出24小时内可行的发电机与负荷设定点，确保电网安全与可再生能源渗透目标。
• 数值结果表明，电池系统在太阳能发电高峰期充电，在负荷高峰时段放电，有效实现能量套利并提供电网支撑。
• 第二类众包参与者的时间可变货币激励表现出动态调整模式，如图3（右）所示，在需求高峰或供应短缺期间奖励更高。
• 激励机制有效推动用户参与：所有模拟的众包参与者均接受了所提供的激励，表明在测试条件下该设计具有有效性。
• Hyperledger Fabric的集成实现了安全、可审计且实时的交易处理，智能合约在用户承诺后自动触发。
• 基于Web的原型系统展示了该框架在实际部署中的可行性，用户可通过区块链支持的界面提交偏好并实时获取更新的激励信息。