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2021年10月26日 星期二
区块链在新型电力系统中的应用研究
所属分类:技术前沿
来源:能源研究俱乐部
作者: 何昇轩
更新日期:2021-10-11

中央财经委员会第九次会议部署未来能源领域重点工作时强调:要构建清洁低碳安全高效的能源体系,控制化石能源总量,着力提高利用效能,实施可再生能源替代行动,深化电力体制改革,构建以新能源为主体的新型电力系统。构建以新能源为主体的新型电力系统是实现电力行业高质量发展的重要途径,是顺应能源技术进步趋势、促进系统转型升级的必然要求,是推动能源清洁低碳转型,助力碳达峰、碳中和的迫切需要。区块链作为新一代信息技术的翘楚,在电力系统的升级过程中将提供有力支撑并为新型电力系统提供全生命周期服务。

一、新型电力系统面临的挑战

随着电力系统的发展,在供给侧,新能源逐渐成为装机和电量主体,煤电将逐步演变为调节性和保障性电源;在用户侧,参与主体兼具发电和用电双重属性,网荷互动能力和需求侧响应能力不断提升;在电网侧,配电网成为有源网,微电网、分布式能源系统、电网侧储能、局部直流电网等与大电网互通互济、协调运行。电力系统的技术基础、控制基础和运行机理深刻变化,平衡模式转变为源网荷储协调互动的非完全实时平衡。面对这些深刻变化,新型电力系统的建设面临不少挑战。

(一)去中心化

随着新能源在我国能源结构中的比重不断上升,新能源将逐步从补充型电源变为主力型电源,能源供给也将从传统单一纵向延伸的集中式能源发展模式逐步演变为集中式与分布式兼容的新能源发展模式,形成具有能源供给主体数量多、生产信息数量大、地理位置分散等特点的电力生产模式。构建以新能源为主体的新型电力系统将推助电力系统向清洁低碳化深入发展,推动可再生能源为主的分布式能源的广泛建设。伴随着能源供给中可再生能源比例上升,去中心化将成为新型电力系统的特征之一。为了促进具有显著间歇性、波动性、随机性特点的新能源进行消纳,降低弃风弃光率,提升去中心化的分布式能源高度自治与协同运行的能力,将成为新型电力系统建设中面临的重要问题。

(二)高韧性

1.开放互动的电网

新能源消纳方式多样化和源网荷储各端设备效率的提升需求,都对电网韧性提出了更高的要求。新能源具有分布分散、发电波动性大、地理位置受限等特点,以新能源为主体电源的输电网中,在交直流混联大电网作为资源配置主导的同时,有源配电网、微电网、局部直流电网、分布式能源系统等电网运行模式快速发展。特高压骨干网架建设将促使新能源跨区域远距离传输和就地消纳的交替出现,新能源呈多元消纳。另外,随着源网荷储各环节接入智能化设备数量快速增长,电网各方逐渐呈现多向互动、多类型能源互补、发用电角色智能变换特点,输电网与配电网将进一步发挥枢纽平台的作用,以更为智能灵活的方式实现各类能源设施的便捷接入,提升使用效率。

2.需求侧响应

需求侧特性变化和智能响应程度将影响新型电力系统的调峰韧性。随着分布式电源、多元负荷和储能的快速发展,需求侧发用电产消者大量涌现,需求侧的特性也由传统刚性与纯消费型,向柔性与产消兼具型转变,导致需求侧负荷强度的不可预测性增加。需求侧响应作为削峰填谷保障电网安全运行的重要措施,是增强新型电力系统韧性的重要抓手,成为促进新型电力系统经济高效运营的有效途径。充分挖掘需求侧可调节资源,通过对需求侧的调节能力与负荷特性进行改善,扩充可调负荷容量,调动网荷互动潜力,引导需求侧响应能力释放,增强电力系统的调峰韧性。但是,需求侧用户响应数据管理水平不高、信息互联与数据共享困难、激励机制较弱等问题,将直接影响新型电力系统的调峰韧性。

3.电力电量互动平衡

高比例新能源电力系统中电力生产的随机性与波动性将为电力系统的电力电量平衡带来巨大压力。在传统电力系统中,电力系统生产模式是源随荷动,发电侧常规发电机组的发电量可以根据经验和大数据按照负荷需求预测进行精准生产控制,以精准可控匹配准确预测,实现电力系统的安全可靠运行。但接入大量新能源发电系统后,源随荷动的运行模式被打破,电源的随机性与波动性将直接影响发电侧生产控制能力。同时,新能源的就地消纳将新能源发电的波动性传递到负荷侧,降低了负荷侧的可预测性。源荷双向随机波动加剧了负荷高峰时期新能源电力支撑不足的问题,将逐渐形成常规发电机组辅助新能源进行电力平衡。面对这一变动,新型电力系统需要建立具有全网协同、数字驱动、智能决策的新型调控体系,提高电力设施利用效率,提升整体韧性,促进电力供给与电力需求的相对动稳态平衡。

(三)适应市场变革

为适应政策和市场需要,调节系统各环节适应电力市场和碳市场的变革将成为新型电力系统面临的重要问题。

首先,以新能源为主体的新型电力系统的建设将推动电力市场的发展完善。为适应新能源为主要能源的电力环境,提升电力系统的灵活可靠程度,还原电力的商品属性、体现电力的价值将成为电力市场化建设的重点。其中,新能源电价机制和交易机制将成为建设电力市场的主要发展重点。在电价机制方面,新备案光伏发电、风电已进入实行平价上网的无补贴时代。绿证交易和可再生能源消纳将成为新能源电力价值发现的主要影响途径。在交易机制方面,现有交易中跨省跨区送受双方直接交易市场化程度较低、电力交易组织不合理、合同和协议管理不严格、信息披露和报送不及时等问题,降低了市场有效性,阻碍了资源优化。建立中长期交易与现货交易互补的电力交易模式以及跨省跨区域交易将成为构建新型电力系统电力交易机制的重点。新能源发电受天气影响显著,存在间歇性和区域差异等特点,与中长期合同交易曲线匹配度差,因此需在较大范围内统一优化配置,建立全国性的电力交易市场,以多时间尺度建立与新能源特性匹配的交易周期,并建立新能源参与现货交易的机制,以市场韧性提升现货市场发现价格的能力。

其次,火电作为新能源的调节和保障电源,仍在新型电力系统中占有重要的地位,而全国碳排放权交易市场的运营将能够以市场化手段有效促进电力生产企业进行清洁低碳转型,推动建设清洁低碳的新型电力系统。碳交易能够有效挖掘二氧化碳的商品属性和金融属性,有效提升发现碳价的能力,促进电力生产企业技术研发和创新,减少排放,以碳价促进电力系统清洁低碳转型。

(四)安全稳定运行控制

提升新型电力系统的抗冲击能力和信息化控制水平将是确保电力系统安全稳定运行控制的重要问题。

首先,随着火电的有序退出,电力系统惯量将随新能源发电机组占比的提升呈现下降趋势,当负荷变化引起电网系统频率快速变化时,新能源机组将无法提供有效的惯量支撑,以减少电网冲击。同时,新能源机组的接入也导致大量电子电力设备接入电力系统。受电子电力设备的耐受能力的限制,在电网扰动时可能引起发电机组脱网,影响电力系统的安全稳定运行。因此,新能源机组的占比提升为新型电力系统的控制运行模式提出了新的要求。

其次,电力电子设备的接入也为新型电力系统的发展提供除挖掘能源领域本身技术潜力外的新思路,电力信息通信领域的发展与接入的电力电子设备一起,从大数据、人工智能、云计算、区块链等技术出发,通过挖掘海量数据,建立数字化信息系统,以信息技术提升资源配置的效率,改善电力系统的控制运行模式,提升资源配置效率,提升风险控制水平,突破新型电力系统因大量接入新能源发电机组带来的技术困难。

二、区块链的解决方案

区块链作为新一代信息技术的代表,在建设新型电力系统的过程中能够从自身特性出发,与新型电力系统的特征和面临的挑战相结合,形成具有优良匹配的解决方案,助推电力系统的转型升级。

(一)属性匹配

区块链不需要传统的中心化结构,而是通过加密算法、共识机制、时间戳等技术手段,在分布式的系统中实现了不依赖于某个信用中心的点对点交易、协调和协作,从而规避中心化机构普遍存在的数据安全、协同效率和风险控制等问题。区块链具有分布式对等、数据块链式关联、不可伪造和防篡改、透明可信、高可靠性等特点,与新型电力系统去中心化的特性自然匹配,能够在逐渐分布式化的新型电力系统建设中通过共识机制、智能合约等区块链技术解决系统参与者众多、数据信息多样化带来的系统问题。通过由系统参与方共同构建的去中心化的信任系统和数据分享系统,实现各方协作,达到更高效的协作方式。

(二)系统韧性

1.区块链的可再生能源消纳

以新能源为主体的新型电力系统中,可再生能源的消纳能力与消纳方式,将直接影响电网韧性。而区块链技术在可再生能源消纳领域能够提供良好的解决方案,区块链技术可将自身多方协作、数据可追溯性和不可篡改的特点与消纳责任权重计算公式、消纳责任权重、凭证等信息相融合,提升市场主体消纳积极性;凭证的发行和交易通过智能合约自动执行也将降低成本,提高消纳;凭证上链存证可以实现全程溯源,解决凭证核发流程繁琐问题,防止虚假交易和重复交易,促进可再生能源消纳。

2.区块链的需求侧响应

在新型电力系统中,需求侧响应依旧作为实现调峰的重要手段,针对需求侧响应存在的问题,区块链可聚拢参与需求响应的各方共同部署平台建设,实现数据共享,将策略发布、响应确认、即时执行、成效评估、补贴发放等业务数据全部上链,结合数据挖掘技术做出需求侧响应的策略制定。通过将可追溯、实时共享的特点与智能合约技术深度融合,区块链技术可以在协议签订、事件发布、负荷分配、响应反馈、实施与检测、核证与认定中实现响应发布、响应分配、响应执行、响应监管,达到调峰提效,提升新型电力系统的调峰韧性。

3.区块链的综合能源服务

综合能源服务是一种新型的、为满足终端客户多元化能源供应与消费的能源服务方式,在新型电力系统中综合服务能够提升系统整体韧性。基于区块链的综合能源服务覆盖源网荷储与能源管理中心全环节,能够实现能源生产信息、能源网分布信息、能耗数据、储能信息等数据的上链可信背书,全面优化业务流程。在多链技术的基础上,采用私链+联盟链的模式,打破数据壁垒,构建多链+综合能源调度机制,通过链上信息结合大数据智能分析,对企业负荷的需求、能源供给和储备进行匹配,提升供给与相应速度,提升综合协同效应,实现电力电量的动稳态平衡。

(三)市场交易

1.区块链的分布式电力交易

随着新型电力系统中分布式新能源电力机组占比提高,电力交易的类型也由传统按计划需求统一组织的计划式向直接交易、就近消纳转变的分布式转变,区块链技术的去中心化特性能够与电力交易的适应性转变契合,提升新能源电力交易的即时性,推动新能源参与现货交易市场并构建中长期交易机制。分布式电力交易中,参与者众多导致信息不透明、利益不对等、流程复杂等问题杂生,而区块链技术则能够通过数字签名、共识机制、智能合约、非对称加密算法等关键技术提供匹配的解决方案。基于区块链的分布式交易中各节点地位平等,以报价加密传输、智能合约和共识机制达到电力自动交易、自动结算和良性竞争,实现交易安全透明、产销利益最大化和交易均衡竞争,有效支撑电力交易的市场化运作,提高市场效率,有利于交易市场的长期稳定发展。

2.区块链的碳排放权交易

碳排放权的市场化交易能够推动电力的清洁低碳生产,是电力系统低碳运作的重要保障。但是,碳排放权交易仍存在碳排放数据的真实性鉴定和可信记录、碳指标发放与交易的可信溯源、监管不完善等问题,基于区块链的碳排放交易解决方案可以实现碳交易配额分配、交易、消耗等过程的全流程数据实时跟踪记录,并且将企业信息、交易价格等各种数据附加在配额数据中,实现后期对各项数据的综合分析,有效解决了现有交易中存在的数据不真实、追溯难、监管难等问题。

(四)能源大数据管理

电子信息通信技术的迭代已成为电力系统发展的另一动力,随着信息化技术和电子电力设备在电力系统中的广泛使用,发输变配用各环节数据海量增加,但各专业系统间信息无法实现互联互通,形成数据孤岛,造成电网运行的穿透式管控无法顺利实施,因此,对数据的存储、确权、共享和处理将成为提升新型电力系统资源配置和安全运行的重要抓手。基于区块链的能源大数据管理能够利用区块链的分布式存储、多方共同维护、不可以伪造和篡改等特性达成数据的安全存储、确权溯源以及公开共享。同时,能够与其他新一代信息技术融通,将信息系统从供给侧和需求侧采集的数据进行预处理、拆分、计算、检索、分发,实现供需自动撮合、绿色电力溯源、能源态势感知和能源自动转换,为政府监管、需求侧用能、能源调度和用能分析提供有效支撑,实现供给侧气、电、热多能互补,需求侧居民和工业用能综合可控,提升新型电力系统的安全稳定控制能力。

三、区块链在新型电力系统中的发展展望

以新能源为主体的新型电力系统作为传统电力的跨越升级,是清洁低碳、安全可控、灵活高效、智能友好、开放互动的系统,将以科技创新、管理创新、商业模式创新为重要抓手,增强系统调节能力,创新电网发展模式。区块链将在提升智能化、适应市场机制和服务双碳等方面助力新型电力系统建设。

助力新型电力系统提升智能化水平。在新型电力系统中,源网荷储各环节需要更为紧密的衔接和协调的互动,实现高度的智能运行控制。区块链技术需在深化已有应用的基础上,拓展对运行风险预判、新型负荷双向互动等场景的创新应用,通过技术手段提升电网韧性,在发用电产消者涌现的情况下,发展区块链在微电网、虚拟电厂、新型储能等方面的应用,着力提升电力系统调节能力,实现灵活调节,强化数字技术的融合应用,释放电力大数据价值,以提高电力系统的数字化、信息化和网络化水平,实现电力系统的智能调度。

助力新型电力系统适应市场机制变化。随着高比例新能源消纳、碳排放权交易、电碳市场协同等领域的不断演进,区块链与新型电力系统的结合需要与电力市场转变相匹配,在继续构建电力市场信任机制的基础上,深化新能源的电力现货和中长期交易的模式创新,提出电碳市场联动的区块链解决方案,积极融入全国统一电力市场建设,共同推动电力市场、碳市场、电价机制等多种政策与市场工具完善,形成对能源电力、碳市场创新的强大牵引,以区块链为动力,构建能源数字新生态,提升电力市场的兼容性。

助力新型电力系统服务双碳目标。大规模、高比例的新能源机组接入新型电力系统中将导致绿电交易、新能源消纳等高负载型智能双边交易场景的处理需求不断提升,虽然区块链在这些场景已有成熟的解决方案,但是区块链运算处理性能及存储容量将成为限制大规模短时交易的重要节点。因此,区块链技术在混合型存储、多级缓存、内置合约、分层共识、跨链技术等方面的优化将成为新型电力系统服务双碳目标的重要途径。同时,区块链也应发挥自身信任传导优势,全面融入碳排放智能监测、精准计量等服务体系,加强数据溯源与接入,提升对碳监测、碳金融等功能的支撑。创新区块链的双碳服务解决方案,有效提升新型电力系统的环境效益。


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