基于区块链的电动汽车去中心化交易研究.pdf

第 51 卷 第 2 期2024 年北京化工大学学报(自然科学版)Journal of Beijing University of Chemical Technology(Natural Science)Vol.51,No.22024引用格式:赵思翔,郑思达,彭鑫霞,等.基于区块链的电动汽车去中心化交易研究J.北京化工大学学报(自然科学版),2024,51(2):101-108.ZHAO SiXiang,ZHENG SiDa,PENG XinXia,et al.A decentralized transaction method based on block chain in V2GJ.Journal of Beijing University of Chemical Technology(Natural Science),2024,51(2):101-108.基于区块链的电动汽车去中心化交易研究赵思翔1摇 郑思达1摇 彭鑫霞1摇 郑世强2,3摇 褚凤鸣4*(1.国网冀北营销服务中心(计量中心、电力负荷管理中心),北京摇 102208;2.南瑞集团有限公司,南京摇 211106;3.北京科东电力控制系统有限责任公司,北京摇 100194;4.北京化工大学 机电工程学院,北京摇 100029)摘摇 要:随着分布式电源技术和新能源技术快速发展,参与电力交易的电动汽车和新能源发电用户数量不断增多。由于电动汽车和新能源具有随机性和不确定性,现有交易模式无法支撑交易需求。区块链具有去中心化、不可篡改等特点,可以有效解决车网互联系统(vehicle鄄to鄄grid,V2G)电力交易遇到的挑战。首先,基于区块链技术,提出基于组合拍卖和滚动撮合交易的交易规则,设计了滚动撮合交易模型。随后,基于组合拍卖和滚动撮合交易机制规则,设计了 V2G 的电力交易智能合约。最后,为验证所提方案的可行性,将智能合约发布到趣链区块链平台上,进行模拟实验。实验结果表明,本文所提方法能够有效提高交易成功率。关键词:车网互联系统(vehicle鄄to鄄grid,V2G);区块链;组合拍卖;智能合约;电动汽车中图分类号:TM76摇 摇 DOI:10.13543/j.bhxbzr.2024.02.011收稿日期:2023-03-23第一作者:男,1989 年生,硕士*通信联系人E鄄mail:cfm 引摇 言电动汽车不会排放污染大气的有害气体,可以有效缓解全球能源危机,因此各国政府都在积极推动电动汽车的发展1-3。根据国家发改委公布的数据4,截至 2022 年 12 月底,我国的新能源电动汽车持有量超过 1 310 万,且呈高速增长态势。随着电动汽车充电基础设施的不断完善,电动汽车将在电网中占很大的负荷,同时电动汽车还兼有储能的功能,在能源互联网的建设过程中必将发挥重要作用5-6。在能源互联网中,电动汽车不再单纯只向电网购电,而是成为生产投资型消费者。电动汽车利用晚间用电低谷时的富余的电力充电,在用电高峰时放电,通过参与电力交易过程起到降低电网损耗、削峰填谷的作用7。在车网互联系统(vehicle鄄to鄄grid,V2G)中,参与交易用户主要是电动汽车、光伏等个人用户,具有交易频率高和交易时间不确定等特点。此外,电动汽车、光伏等用户没有第三方机构提供信用支撑,需要选择合适的技术实现 V2G 电量交易。区块链技术凭借去中心化、数据加密、时间戳、分布式共识和经济激励等手段,在节点无需互相信任的分布式系统中实现去中心化的点对点交易,为解决中心化机构普遍存在的高成本、低效率和数据存储不安全等问题提供了解决方案8。随着分布式电源技术和新能源技术快速发展,国内外一些组织和机构以及一些专家学者围绕电动汽车并网后对电网的影响和基于区块链技术的电力交易进行了一系列的探索。已有学者将区块链技术应用于绿证交易9、电力辅助服务10、分布式电能交易11、发电权交易12、电动汽车13等方面。文献14-16对能源互联网中去中心的电力交易进行了研究,文献17探讨了点对点的电动汽车电力交易模型。然而目前的文献工作主要集中于区块链技术在电力交易中的理论研究,尚缺乏区块链和智能合约技术协同构建安全可信的电力交易模型和透明高效的交易方式的相关研究。本文设计了一种 V2G 网络去中心化的交易模式,提出了基于组合拍卖去中心化的电力交易模型和交易规则,对组合拍卖的交易过程和定价策略进行深入分析,提出了动态定价算法。基于联盟链设计 V2G 电力交易智能合约,解决了交易双方的信任问题,实现了 V2G 电力交易流程的自动执行,保证了电力交易的安全和公平。最后,搭建了可实际运行的趣链电力交易平台,将滚动撮合交易智能合约发布在交易平台上,并进行仿真实验验证,证明了本文方案的可行性和有效性。1摇 去中心化的交易机制与模型1郾 1摇 V2G 中去中心化的交易模式在 V2G 网络中,电动汽车的购电和售电需求以及新能源发电量的随机性和波动性非常大,所以需要设计灵活的交易机制来满足 V2G 网络中用户的交易需求。在本文设计的 V2G 去中心化的交易模式(见图1)中,售电电动汽车、购电电动汽车、光伏发电用户、风力发电用户都会向离自己最近的公共运营商节点申报交易需求,公共运营商节点每隔 30 min 对用户的报价信息进行一次滚动撮合。撮合成功后,双边确认达成交易,生成交易合同智能合约;撮合失败,则进入下一轮交易。图 1摇 V2G 去中心化的交易模式图Fig.1摇 V2G decentralized trading model diagram摇在 V2G 去中心化的交易模式中电力交易包括以下实体。电动汽车 根据交易角色不同,电动汽车可分为售电电动汽车、购电电动汽车。在电网用电高峰期间,电动汽车出售在低谷时期购买的电力来获取收益。每个电动汽车可以根据自身实际情况选择在电力交易中的角色。新能源发电用户 新能源发电用户包括光伏发电用户和风力发电用户,向 V2G 网络提供清洁能源。在新能源发电量高时,新能源发电用户将电能卖给电动汽车存储,在电网用电高峰时,电动汽车可将存储的电能卖出去,从而有效提高绿色电能的使用率。公共运营商节点 公共运营商节点负责组织运营范围内的电动汽车电力交易,是区块链网络中的记账节点,参与区块链共识。参与电力交易的电动汽车将电力交易需求发给最近的运营商节点。运营商节点对运营范围内的电力需求进行统计,并向其他电动汽车和新能源发电用户发布用电需求。售电用户向运营商节点提交报价信息,运营商节点每隔30 min 进行一次电力交易的撮合。电动汽车充电桩 充电桩分为电网公司运营的公共充电桩和非电网公司运营的充电桩。充电桩的内置智能电表会实时计算并记录用户的交易电量。电动汽车和新能源交易用户根据智能电表中的交易记录和提前达成的交易合同智能合约完成交易。电网公司 为电力交易用户提供购电、售电、输电的服务。停车场管理方 为电力交易用户提供停车位,满足电动汽车用户的停车需求,通过租赁的方式向电动汽车收取停车费。对于个人充电桩主,其不仅是电力交易服务方,也是停车服务方。1郾 2摇 基于组合拍卖的交易规则1郾 2郾 1摇 基于组合拍卖的交易方法在 V2G 电动汽车电力交易中,电力交易费用由电费、服务费和停车费 3 部分组成。电力购买方完成购电需要购买电力、支付充电服务费和停车服务费,并且这 3 种资源之间是互补关系,缺少其中任何一个就无法完成充电。购电方需综合考虑电费、服务费和停车费,选择购电成本低的方案进行交易。现有电动汽车交易只考虑电费、服务费,未将停车费考虑进来;此外,电动汽车电力交易主要采取静态价格机制,电费、服务费和停车费无法根据市场变化灵活调整。因此,可以采用组合拍卖的方式对现有交易流程进行简化,提高电动汽车电力交易的效率。基于组合拍卖的 V2G 电动汽车电力交易参与方包括电力销售方、电力购买方、充电桩主、停车场管理方和运营商节点。基于组合拍卖的交易流程如下。1)购电方向运营商节点提交自己的电力需求201北京化工大学学报(自然科学版)摇 摇 摇 摇 摇 摇摇摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 2024 年信息,其中包括购电时间段和购电量。2)运营商节点收到需求后,将需求信息整理成一个二元组的形式 Ri(purchaseEnergyi,timei),其中,i沂(1,2,n),purchaseEnergyi为电力购买量,timei为购电时间段。最后,运营商向电力销售方、充电桩主和停车场管理方发布需求。3)电力销售方、充电桩主和停车场管理方收到需求后,将资源信息组合(saleEnergyi,timei,sale鄄Pricei,servicePricei,pathPricei)后发送给运营商节点。其中,i沂(1,2,n),saleEnergyi是售电量,timei是售电时间段,salePricei是电力价格,servicePri鄄cei是电力服务费,pathPricei是停车费。4)运营商节点收到售方发出的竞标信息后,会开始组织交易。按照滚动撮合交易规则,每隔30 min 进行一次撮合。撮合成功,会向成功交易双方发送交易信息;对于未成交的交易,运营商会发送失败信息。在交易中失败的售方会对电价进行调整,重复上述步骤,直至达成交易。1郾 2郾 2摇 滚动撮合交易模型在 V2G 交易模型中,电动汽车不再单纯只向电网购电,而是在用电低谷时间段购买电力,在用电高峰时间段售卖电力。电动汽车不再是单纯的能源消费者,而是成为生产投资型消费者。通过电动汽车参与交易,可以起到削峰填谷的作用。本文提出基于区块链技术的滚动撮合交易模型,如图 2 所示。售电电动汽车、购电电动汽车、光伏发电用户和风力发电用户向附近运营商节点提交电力交易需求。运营商节点会将用户报价信息发送给区块链网络。其中电力交易方的报价信息包括交易申报电量、交易申报时间段和交易申报电价。当区块链接受到交易双方发送的报价信息后,会整理这些需求信息,之后将每个报价信息形成一个三元组。Quotationi(tradeTimei,energyi,pricei)(1)其中,i沂(1,2,n),tradeTimei表示电力交易的时间段,enengyi表示报价电量,pricei表示报价电价。运营商节点每隔 30 min 对用户报价信息进行一次滚动撮合,匹配成功,则由用户进行再次确认,达成交易,生成交易合同智能合约,交易信息同时会存储到区块链上;匹配失败,进入下一轮交易。1郾 2郾 3摇 定价策略传统的定价策略主要依靠固定电价,即在交易时预先确定价格,这使得电价不能实时反映市场的图 2摇 基于区块链技术的滚动撮合交易模型Fig.2摇 Rolling aggregated transaction modelbased on blockchain technology摇实际情况。本文根据市场的实际状况动态确定电价:首先确定初始电价,然后在每轮交易中未成功售出电能的输家按一定比例降低电价,增加成功完成交易的可能性。为了惩罚提供虚假信息的电力交易者,当卖方未能按规定提供电力时,将按一定标准减少卖方最终的收入,并进行罚款。在定价策略中,主要涉及初始电价、最低电价和实时调整电价的策略。交易中的电价根据前一轮拍卖后的交易进行调整。如果卖方 A 是前一轮拍卖的赢家,那么这一轮的电价将不会调整;如果卖方 A 输了前一轮拍卖,则本次拍卖的电价将按一定比例降低,但不能低于提前制定的最低价格。式(2)显示了每轮拍卖后电价的调整方案。pcur忆A=pcurA,if A 是赢家pcurA.(1-r),if A 是输家且 pcurA.r precAprecA,if A 是输家且 pcurA.r precA(2)式中,pcur忆A是调整后的电价,pcurA是当前电价,r 是电价的降低率,precA是最低价。r 由报价方根据期望参与轮数、初始报价及最低电价确定。1郾 2郾 4摇 交易出清规则交易出清是交易中的关键环节。系统每隔30 min 进行一次滚动撮合。具体出清规则实现步骤如下。1)按照价格升序排序售电用户的报价信息,降序排序购电用户的报价信息。301第 2 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 赵思翔等:基于区块链的电动汽车去中心化交易研究2)针对报价相同的用户报价信息,按照申报时间先后顺序进行排序。3)比较售电用户队列的最小值和购方用户队列的最大值,若售电用户报价小于等于购电用户报价,匹配成功,交易价格为报价双方的算术平均值,电量是交易双方申报的小值;否则,匹配失败。4)对于输家而言,需要在一定程度上降低价格,按照式(2)调整报价。当价格降为最低价格时,将不会再调整。5)重复步骤 1)4),对用户报价队列进行交易匹配,直到所有用户均已成交或购电方报价的最高值低于售电方报价的最低值为止。2摇 基于智能合约的电动汽车交易方法2郾 1摇 区块链技术与智能合约技术区块链是一种开放的分布式账本,以可验证和永久的方式有效记录双方之间的交易。区块链系统结合证明工作机制、点对点(P2P)网络、分布式网络、密码学等技术,保证数据不会被篡改18。智能合约可以根据预定协议在没有第三方的情况下,在预定条件发生时执行相应的合同条款,这些操作是可追踪且不可逆的。智能合约不仅安全性比传统合同高,而且交易所需的其他成本要比传统合同低19。区块链技术根据其去中心化程度和应用场景的不同,可分为公有链、联盟链和私有链 3 类。公有链允许任何节点生成、读取数据,参与共识,但其没有准入审核,安全性和可控性无法保证。私有链仅适合在企业内使用。联盟链仅限于联盟成员参与,节点需要得到授权后方可加入,不同节点所拥有的信息查看权限不同。典型的联盟链区块链项目包括超级账本、趣链等,其中趣链具有分散化和图灵完备性20的特点,为搭建 V2G 电力交易平台提供了良好的支撑。在趣链区块链基础上,本文设计了可实现基于滚动撮合交易机制的 V2G 电力交易智能合约,是 V2G 电力交易平台的核心部分。2郾 2摇 V2G 电力交易智能合约参与 V2G 电力交易的用户需要满足以下 3 个条件:(1)售电电动汽车、购电电动汽车、光伏发电用户、风力发电用户、充电桩主和停车场管理方根据自愿原则参与交易;(2)用户报价信息在滚动撮合成交前属于保密信息;(3)交易达成后,用户要按照交易结果执行,未履约用户将受到惩罚。V2G 电力交易按照执行顺序划分为密封报价、报价校验、滚动撮合、交易执行与结算共 4 个阶段21,分别设计密封报价函数、报价校验函数、滚动撮合函数、交易执行与结算函数等 4 个主要功能函数。本文设计的基于联盟链的 V2G 电力交易流程如图 3 所示。图 3摇 基于联盟链的 V2G 电力交易流程图Fig.3摇 Flow chart of V2G power tradingbased on a consortium blockchain摇4 个主要功能函数介绍如下。1)密封报价函数 售电电动汽车、购电电动汽车、光伏发电用户和风力发电用户都可以在交易平台上提交报价信息。为保证报价有效性,交易用户在缴纳保证金后才能正式参加交易。智能合约将记录全部报价信息,并按报价时间排序。为防止用户的报价信息被泄露和篡改,设计了一种基于 SM4 区块数据加密方法。首先,使用哈希函数计算用户报价信息的哈希值,如式(3)所示。H=SHA(m)(3)401北京化工大学学报(自然科学版)摇 摇 摇 摇 摇 摇摇摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 2024 年式中,H 为密封报价;SHA(,)为 SM3 国产哈希函数;m 为真实报价信息。随后,使用 SM4 加密算法对报价信息和哈希值进行加密,作为密封报价信息。2)报价校验函数 在报价校验阶段,对密封报价信息进行解密,获取报价信息和哈希值。智能合约通过式(3)计算用户报价信息的哈希值,比较两个哈希值是否一致。如果不一致,说明用户报价信息被篡改,报价信息无效,不能参与滚动撮合阶段。报价信息全部校验成功后,智能合约将按照滚动撮合交易规则执行。3)滚动撮合函数 智能合约每隔 30 min 按照滚动撮合交易规则将有效报价信息进行出清。若撮合成功,系统会向交易成交双方发送交易信息。用户需要在 15 min 内完成确认,确认完成后,达成交易,生成交易合同智能合约。确认失败或未在规定时间内完成确认,则撮合失败。撮合失败后,进入下一轮交易。4)交易执行与结算函数 达成交易后,交易双方将在约定时间内按照计划进行交易。充电桩中的智能电表将交易实际信息发送给平台,平台按照实际交易情况和交易合同智能合约进行结算。交易结算后,给电力交易用户返回保证金,完成交易。3摇 实验验证为验证所提方案的可行性,本文在趣链区块链平台上部署基于滚动撮合交易规则的电力交易智能合约,进行仿真实验。新能源电动汽车充满电需要约20 30 kW h 的电能,当电量少于 20%后,会出现电池过放现象,直接影响电动汽车的使用寿命和整体性能,所以电动汽车的交易电量定为 16 24 kW h。电动汽车电力交易价格由电费、服务费和停车费构成。电动汽车电费在 0郾 4 1 元/(kWh)之间浮动,服务费在 0郾 8 1郾 5 元之间浮动,停车费在0 5 元之间浮动。假设 V2G 网络中存在 8 个购电用户和 7 个售电用户,表 1 为购电用户的报价信息,表 2 为售电用户的报价信息。摇 摇 根据上述设定进行仿真实验,可得交易价格和交易量如图 4 所示。系统进行了两次滚动撮合交易,完成了 8 轮交易,达成 8 笔交易。交易完成次序摇 摇表 1摇 购电用户报价信息Table 1摇 Information for power purchase customer offers用户类型交易时间段电量/(kW h)费用/元报价时间电动汽车 109:0010:001931郾 608:15电动汽车 209:0010:001728郾 508:05电动汽车 309:0010:002034郾 008:10电动汽车 410:0011:001622郾 408:10电动汽车 509:0010:001928郾 608:20电动汽车 610:0011:002439郾 809:10电动汽车 710:0011:001632郾 009:20电动汽车 809:0010:001930郾 608:25表 2摇 售电用户报价信息Table 2摇 Information for power salescustomer offers组合交易时间段电量/(kW h)用户最高价格/(元(kW h)-1)最低价格/(元(kW h)-1)报价时间109:0010:0020电动汽车 10郾 90郾 5充电桩 11郾 20郾 8停车场 1428:15209:0010:0019电动汽车 20郾 80郾 45充电桩 21郾 10郾 8停车场 2318:05310:0011:0023电动汽车 30郾 850郾 55充电桩 310郾 8停车场 1429:10410:0011:0040光伏发电 40郾 650郾 4充电桩 11郾 20郾 8停车场 1428:20509:0010:0030光伏发电 50郾 550郾 3充电桩 21郾 10郾 8停车场 2318:25610:0011:0060风力发电 60郾 70郾 45充电桩 11郾 20郾 8停车场 1428:10709:0010:0040风力发电 70郾 60郾 35充电桩 310郾 8停车场 1428:15摇 摇 停车场报价单位为元,按充电次数计费。如表 3 所示。在电力交易中,交易出清顺序受到交易时间段、电价和交易时间的影响。由表 3 可知,售501第 2 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 赵思翔等:基于区块链的电动汽车去中心化交易研究电用户的组合1、组合2、组合4、组合5、组合6、组合7 完成交易。因为组合 5 报价较低,所以最先完成交易,而组合 3 报价较高,滚动撮合失败。图 4摇 V2G 交易成交价和成交量变化曲线Fig.4摇 Variation in V2G trading price and volume摇表 3摇 成交结果信息Table 3摇 Result information购电用户售电用户交易时间段电量/(kW h)费用/元电动汽车 2组合 509:0010:001724郾 84电动汽车 3组合 709:0010:002028郾 80电动汽车 1组合 709:0010:001927郾 52电动汽车 5组合 209:0010:001926郾 81电动汽车 8组合 109:0010:001928郾 78电动汽车 6组合 410:0011:002438郾 72电动汽车 7组合 610:0011:001626郾 88电动汽车 4组合 410:0011:001622郾 08摇 摇 在本次模拟交易中,共成交清洁能源480 kW h,平均成交电价为 0郾 508 元/(kWh),达成社会绿电效益 244郾 05 元。可见本文设计的电力交易方案可以促进清洁能源就近消纳,减少碳排放。为了验证本文所提方案的效率,将所提方案与传统交易方案22进行对比实验。图 5 展示的是随着用户数量增加,交易成功率的变化趋势。可以看出,本文方案的成功率明显高于传统方案,并且随着用户数量的增加,优势更加明显,这表明基于组合拍卖的去中心化交易算法可以提高交易成功率。4摇 结论针对现有的交易模式无法支撑 V2G 中电动汽车、新能源发电用户之间交易的问题,本文引入区块链技术,提出去中心化的 V2G 电力交易模式,设计图 5摇 不同方案的交易匹配成功率曲线Fig.5摇 Transaction matching success ratecurves for different methods摇了基于组合拍卖的交易方法,构建了基于联盟链的V2G 电力交易智能合约。在趣链区块链平台上发布智能合约,与传统电力交易方案的对比实验结果验证了本文方案的可行性。下一步,将研究电动汽车交易过程中的隐私和安全保护问题。参考文献:1摇 刘晋源,吕林,高红均,等.计及分布式电源和电动汽车特性的主动配电网规划J.电力系统自动化,2020,44(12):41-48.LIU J Y,LYU L,GAO H J,et al.Planning of active dis鄄tribution network considering characteristics of distributedgenerator and electric vehicleJ.Automation of ElectricPower Systems,2020,44(12):41-48.(in Chinese)2摇 李彬,覃秋悦,祁兵,等.基于区块链的分布式能源交易方案设计综述J.电网技术,2019,43(3):961-972.LI B,QIN Q Y,QI B,et al.Design of distributed energytrading scheme based on blockchainJ.Power SystemTechnology,2019,43(3):961-972.(in Chinese)3摇 SINGH J,TIWARI R.Cost benefit analysis for V2G im鄄plementation of electric vehicles in distribution systemJ.IEEE Transactions on Industry Applications,2020,56(5):5963-5973.4摇 中华人民共和国国家发展和改革委员会.国家发展改革委5 月新闻发布会EB/OL.(2023-05-16).https:椅 Development and Reform 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transaction method based onblock chain in V2GZHAO SiXiang1摇 ZHENG SiDa1摇 PENG XinXia1摇 ZHENG ShiQiang2,3摇 CHU FengMing4*(1.State Grid Jibei Marketing Service Center(Metrology Center and Power Load Management Center),Beijing 102208;2.NARI Group Corporation,Nanjing 211106;3.Beijing Kedong Electric Power Control System Co.,Ltd.,Beijing 100194;4.College of Mechanical and Electrical Engineering,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China)Abstract:With the rapid development of distributed power and new energy technology,the number of electric vehi鄄cles and new energy generation users participating in power trading is increasing.Due to the randomness and uncer鄄tainty of electric vehicles and new energy,the existing trading model cannot support the trading demand.Block鄄chain has the characteristics of decentralization and non鄄tampering,which can effectively solve the challenges en鄄countered in vehicle鄄to鄄grid(V2G)electricity trading.Based on blockchain technology,a transaction rule basedon combinatorial auction and rolling aggregation transactions is first proposed and a rolling aggregation transactionmodel is subsequently designed.The