[论文解读] Novel paradigms for advanced distribution grid energy management

José Horta, Daniel Kofman+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2017

Smart Grid Energy ManagementEngineering参考文献 6被引用 18

一句话总结

本文提出了一种名为虚拟化配电网络（VDG）的新架构，用于高级配电网络的能源管理，通过区块链支持的智能合约实现灵活资源的去中心化、基于市场的协调。该系统采用基于代理的分层框架，管理家庭用户、聚合商与配电系统运营商（DSO）之间的能源与灵活性交易，确保智能家电设备的无冲突控制，同时在不升级基础设施的前提下提升电网稳定性与可再生能源（RES）的承载能力。

ABSTRACT

The electricity distribution grid was not designed to cope with load dynamics imposed by high penetration of electric vehicles, neither to deal with the increasing deployment of distributed Renewable Energy Sources. Distribution System Operators (DSO) will increasingly rely on flexible Distributed Energy Resources (flexible loads, controllable generation and storage) to keep the grid stable and to ensure quality of supply. In order to properly integrate demand-side flexibility, DSOs need new energy management architectures, capable of fostering collaboration with wholesale market actors and pro-sumers. We propose the creation of Virtual Distribution Grids (VDG) over a common physical infrastructure , to cope with heterogeneity of resources and actors, and with the increasing complexity of distribution grid management and related resources allocation problems. Focusing on residential VDG, we propose an agent-based hierarchical architecture for providing Demand-Side Management services through a market-based approach, where households transact their surplus/lack of energy and their flexibility with neighbours, aggregators, utilities and DSOs. For implementing the overall solution, we consider fine-grained control of smart homes based on Inter-net of Things technology. Homes seamlessly transact self-enforcing smart contracts over a blockchain-based generic platform. Finally, we extend the architecture to solve existing problems on smart home control, beyond energy management.

研究动机与目标

• 应对高渗透率分布式能源资源（DERs）与电动汽车接入配电网络所带来的日益严峻挑战。
• 克服现有配电网络能源管理系统在配电系统运营商（DSOs）、产消者与市场参与者之间缺乏协调的局限性。
• 提出一种新型架构范式——虚拟化配电网络（VDG），将物理基础设施与运行控制解耦，实现灵活资源的协调管理。
• 通过基于市场的机制，实现家庭层面灵活DER（如储能、可控负荷）的端到端协调。
• 利用区块链平台上的自执行智能合约，解决因控制领域重叠（如能源、舒适度、安全性）引发的智能家居控制冲突。

提出的方法

• 将虚拟化配电网络（VDG）作为物理配电网络之上的逻辑抽象，用于管理异构参与者与资源。
• 设计一种分层的、基于代理的架构，使家庭用户、聚合商、电力公司与DSO能够参与去中心化的能源与灵活性市场。
• 实施基于区块链的平台，通过自执行智能合约强制执行设备控制与交易结算。
• 采用权益证明与声誉代币，而非加密货币，以确保家庭级网络中的共识与安全性。
• 通过本地执行的事件-条件-动作（ECA）规则，利用智能合约协调控制器，无需依赖集中式云服务。
• 将架构扩展至管理非能源控制冲突（如舒适度与能源之间的冲突），通过多领域控制器的基于策略的协调机制实现。

实验结果

研究问题

• RQ1 配电系统运营商（DSOs）如何在不依赖昂贵基础设施升级的前提下，协调跨多样化参与者的灵活分布式能源资源（DERs）？
• RQ2 何种架构框架能够实现家庭用户、聚合商与DSO之间去中心化、基于市场的能源与灵活性交易协调？
• RQ3 当管理同一台智能家居设备时，如何解决来自独立服务提供商（如能源、舒适度、安全性）的控制策略冲突？
• RQ4 何种基于区块链的机制可确保家庭设备在实时能源管理中实现安全、低延迟且一致的控制？
• RQ5 如何设计一种轻量级、保护隐私的共识机制，以支持家庭规模的能源交易，且不依赖工作量证明或数字货币？

主要发现

• 所提出的VDG架构实现了分布式能源资源的协调、基于市场的管理，在不加固基础设施的前提下降低了网络阻塞并改善了电压质量。
• 基于区块链的智能合约通过在边缘执行ECA规则，确保了设备控制的无冲突与自执行性，消除了控制器之间的竞争条件。
• 智能合约在本地执行，相比基于云的方案，提升了安全性与隐私性，同时降低了设备的长期运行成本。
• 使用声誉代币而非加密货币，使共识机制在家庭网络中可行且高效，有效应对Sybil攻击，并激励设备制造商参与。
• 系统支持实时微交易与动态资源分配，实现了大规模响应式需求侧管理。
• 该架构成功扩展至能源管理之外，可协调非能源控制策略（如舒适度、安全性），解决了多控制器环境中的冲突问题。