[论文解读] Exploring Blockchain for The Coordination of Distributed Energy Resources

Qing Yang, Hao Wang|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2021

Smart Grid Energy Management参考文献 17被引用 17

一句话总结

本文提出了一种基于区块链的、可信赖的、分布式的协调系统，用于分布式能源资源（DERs），采用交替方向乘数法（ADMM）和智能合约。该系统实现了隐私保护的去中心化能源交易、调度与需求响应优化，仿真结果表明算法在10次迭代内收敛，并通过点对点能源交换与电网互动提升了系统效率。

ABSTRACT

The fast growth of distributed energy resources (DERs), such as distributed renewables (e.g., rooftop PV panels), energy storage systems, electric vehicles, and controllable appliances, drives the power system toward a decentralized system with bidirectional power flow. The coordination of DERs through an aggregator, such as a utility, system operator, or a third-party coordinator, emerges as a promising paradigm. However, it is not well understood how to enable trust between the aggregator and DERs to integrate DERs efficiently. In this paper, we develop a trustable and distributed coordination system for DERs using blockchain technology. We model various DERs and formulate a cost minimization problem for DERs to optimize their energy trading, scheduling, and demand response. We use the alternating direction method of multipliers (ADMM) to solve the problem in a distributed fashion. To implement the distributed algorithm in a trustable way, we design a smart contract to update multipliers and communicate with DERs in a blockchain network. We validate our design by experiments using real-world data, and the simulation results demonstrate the effectiveness of our algorithm.

研究动机与目标

• 通过利用区块链技术，解决集中式协调分布式能源资源（DERs）过程中缺乏信任与透明度的问题。
• 开发一种分布式的优化框架，使DERs在保护隐私的前提下实现成本最小化。
• 利用区块链上的智能合约，以可信任且可验证的方式实现ADMM的对偶变量更新。
• 通过使用真实世界能源与负荷曲线的仿真，验证系统的有效性。

提出的方法

• 构建一个包含柔性负荷、可再生能源和储能设备的DER成本最小化问题，整合能源交易、上网发电和需求响应。
• 应用交替方向乘数法（ADMM）将问题分解为每个产消者（prosumer）的分布式子问题。
• 在基于以太坊的区块链上设计一个权威证明（PoA）机制的智能合约，以安全地管理并更新对偶变量和辅助变量。
• 使用智能电表作为区块链节点，实现点对点通信，并以去中心化、可验证的方式执行算法。
• 在PoA节点之间实施轮转共识机制，以确保低延迟、轻量级运行，适用于物联网设备。
• 迭代执行分布式算法：产消者更新决策，智能合约计算并广播新的对偶变量，该过程重复直至收敛。

实验结果

研究问题

• RQ1 在分布式能源资源协调中，如何在独立的产消者与中央协调者之间建立信任？
• RQ2 区块链技术能否实现ADMM等分布式优化算法在DERs中的可验证且去中心化的执行？
• RQ3 在区块链上集成智能合约如何提升DER协调的可靠性与透明度？
• RQ4 所提出的嵌入区块链的ADMM算法的收敛行为与系统性能如何？
• RQ5 不同产消者类型（例如高可再生能源与低可再生能源）如何影响能源交易与系统效率？

主要发现

• 所提出的分布式优化算法在10次迭代内收敛，且误差保持在预设阈值以下。
• 该系统实现了高效的点对点能源交易，产消者优先使用本地可再生能源，仅在需要时从电网购电。
• 高可再生能源发电的产消者在需求低谷期出售多余电能，而发电量低的产消者则购电，展现出有效的市场动态。
• 需求响应行为显著受本地发电与负荷特性影响，部分产消者因条件限制无法参与高峰时段响应。
• 基于区块链的系统确保了ADMM算法执行的可验证性与透明性，消除了对可信中央节点的依赖。
• 智能合约的实现成功自动化了对偶变量与辅助变量的更新，实现了安全且去中心化的协调。