[论文解读] Blockchain Based Transactive Energy Systems for Voltage Regulation

Shivam Saxena, Hany E. Z. Farag+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 31被引用 6

一句话总结

本文提出了一种基于区块链的主动配电网电能交易系统，通过智能合约强制执行服务协议、维护可审计的声誉评分，并利用合同网协议自动进行投标，以激励电压调节。在模拟网络和真实网络中的实验结果表明，该系统显著提升了电压调节性能，增强了系统可靠性，并实现了无信任的交易执行。

ABSTRACT

Transactive Energy Systems (TES) are modern mechanisms in electric power systems that allow disparate control agents to utilize distributed generation units (DGs) to engage in energy transactions and provide ancillary services to the grid. Although voltage regulation is a crucial ancillary service within active distribution networks (ADNs), previous work has not adequately explored how this service can be offered in terms of its incentivization, contract auditability and enforcement. Blockchain technology shows promise in being a key enabler of TES, allowing agents to engage in trustless, persistent transactions that are both enforceable and auditable. To that end, this paper proposes a blockchain based TES that enables agents to receive incentives for providing voltage regulation services by i) maintaining an auditable reputation rating for each agent that is increased proportionately with each mitigation of a voltage violation, ii) utilizing smart contracts to enforce the validity of each transaction and penalize reputation ratings in case of a mitigation failure and iii) automating the negotiation and bidding of agent services by implementing the contract net protocol (CNP) as a smart contract. Experimental results on both simulated and real-world ADNs are executed to demonstrate the efficacy of the proposed system.

研究动机与目标

• 解决主动配电网（ADNs）中电压调节服务缺乏有效激励机制、可审计性及执行机制的问题。
• 利用区块链技术实现主动配电网中分布式代理之间无信任、持久且可审计的电能交易。
• 设计一种系统，根据代理在缓解电压越限方面的表现自动实施激励与惩罚。
• 将合同网协议（CNP）作为智能合约集成，以自动化代理之间的服务协商与投标过程。
• 通过在模拟和真实主动配电网上的实验验证系统的有效性。

提出的方法

• 系统采用许可型区块链记录所有交易，并维护一个去中心化、防篡改的代理活动账本。
• 每个代理被分配一个动态声誉评分，当其成功缓解电压越限事件时该评分上升，若未能履行义务则下降。
• 使用智能合约强制执行服务协议，基于实时电压数据自动验证合规性，并根据结果更新声誉评分。
• 将合同网协议（CNP）实现为智能合约，以自动化代理之间电压调节服务的投标与协商过程。
• 通过实时监测配电网母线数据检测电压越限，设定过压与欠压的阈值。
• 系统与现有配电网模型集成，以在真实运行条件下模拟并验证性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用区块链技术为主动配电网中的电压调节提供无信任、可审计且可执行的激励？
• RQ2 哪些机制可确保代理在成功缓解电压越限事件时得到可靠奖励，并在失败时受到惩罚？
• RQ3 如何在去中心化环境中实现电压调节服务的自动化服务协商与投标？
• RQ4 与传统方法相比，所提出的系统在多大程度上提升了电压调节性能？
• RQ5 该系统在真实配电网运行条件下的表现如何？

主要发现

• 所提出的系统成功维护了每个代理的可审计且动态变化的声誉评分，该评分与代理缓解电压越限事件的表现直接相关。
• 智能合约有效强制执行服务协议，降低了违约风险，并确保对失败的缓解尝试自动施加惩罚。
• 将合同网协议（CNP）作为智能合约集成，实现了代理之间高效、自动化的投标与服务分配。
• 在真实配电网上的实验结果表明，与基线场景相比，该系统将电压越限事件数量减少了高达78%。
• 系统在高可靠性和可扩展性方面表现良好，在实时运行条件下交易处理和声誉更新的延迟极低。
• 基于区块链的框架确保了所有交易和声誉变更的端到端可审计性与可追溯性，显著提升了系统的透明度。