CN111106620A - 基于区块链的电动汽车充电分布式管理方案 - Google Patents

基于区块链的电动汽车充电分布式管理方案 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于区块链的电动汽车充电分布式***。本发明包括电动汽车、基于区块链架构的P2P充电桩网络以及电网；所述的电动汽车作为存储***，储存电网多余的电量；所述充电桩网络可实现各电力***之间实时共享电力需求信息以及实时价格，网络中的每个充电桩作为一个单独的节点，节点从电网获取需求信息与实时放电奖励价格并调度相应的电动汽车执行充放电行为，并根据电动汽车的充放电行为产生相应的交易记录并写入区块链中；所述电网是***中的需求发布者，电网根据自身的状态，向充电桩网络发送实时需求信息与实时放电奖励价格，并调节电网自身***的运转。本发明对电力******朝着清洁化、高效化的方向发展，建立一个良好的电力生态网络。

Description

基于区块链的电动汽车充电分布式管理方案
技术领域
本发明涉及基于区块链的电动汽车充电分布式管理方案，涉及电力大数据、区块链、分布式***、电气工程与电网技术等领域。
背景技术
现今的电力网络存在两个明显的不足之处：高成本和大量的浪费，这两者是导致现今电力网络效率低下的最主要原因。现今的一种解决思路是采用间歇性可再生能源(太阳能、风能以及水能)作为电网的辅助，但由于可再生能源的问题在于其所产生的电力能源是不稳定不连续的，不能达到稳定供电的目的。基于以上情况，相关研究提出了电动汽车-电网这一概念。即利用现今大量的电动汽车(EV)作为分布式能源存储***并作为电网的缓冲，当电网负荷过高时，电动汽车向电网馈电；而当电网负荷低时，用电动汽车来存储电网过剩的发电量避免造成浪费。由于电动汽车近年来发展规模不断扩大，再加之先进的锂离子电池和充电基础设施的发展，因此V2G具有巨大潜力。
发明内容
本发明的目的是解决现有电力网络效率低下的问题，提供一种基于区块链的电动汽车充电分布式管理方案。
本发明的技术方案包括：电动汽车、基于区块链架构的P2P充电桩网络以及电网。
所述的电动汽车作为存储***，储存电网多余的电量，拥有充电和放电两种行为且可自行设置预期充电时长与预期放电时长，电动汽车既可以通过向电网放电来缓解电网压力并根据实时价格获取奖励金，也可以选择充电来保证正常的使用或者存储电网的多余能源；
所述充电桩网络是整个***的调度中心，其核心是一个基于区块链的P2P网络，采用区块链为基础的调度***，可实现各电力***之间实时共享电力需求信息以及实时价格，网络中的每个充电桩作为一个单独的节点，节点从电网获取需求信息与实时放电奖励价格并调度相应的电动汽车执行充放电行为，并根据电动汽车的充放电行为产生相应的交易记录并写入区块链中；
所述电网是***中的需求发布者，电网根据自身的状态，向充电桩网络发送实时需求信息与实时放电奖励价格，并调节电网自身***的运转；
当电网负载较高时，所述的作为存储***的电动汽车通过所述充电桩网络将储存的电能传送到负载处，而当电网负载较低时，作为存储***电动汽车通过充电桩网络将多余的电量存储下来。
发明有益效果
本发明通过利用区块链P2P的特性，充分合理调配电力资源在电网中流动，实现信息流与能源流的结合，充分利用电力资源，并提高电动汽车用户的使用体验，极大提高智能电网的运转效率。通过分析用户用电数据之间的内在联系，给出代表每一个用户的异常分数以评估该用户的疑似异常概率，这些异常分数将成为电力公司的重要参考，以提高用电异常排查工作的效率，降低运营成本，在进行用电数据的异常检测时，不仅能够快速地处理大量的数据，而且能够适应缺乏训练样本的情况，能够更好地满足于电力部门的实践需求。
本发明利用块链式数据结构来验证与存储数据、利用分布式节点共识算法来生成和更新数据、利用密码学的方式保证数据传输和访问的安全、利用由自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据。实现智能电网中信息流的可编程性、去中心化、自治性、不可篡改性。控制好电动汽车、充电桩以及电网之间的组织结构关系和交互问题，做到电动汽车和电网各取所需，对电力******朝着清洁化、高效化的方向发展，建立一个良好的电力生态网络。
附图说明
图1为本发明的区块结构设计如图；
图2为充电桩与汽车、电网交互过程示意图；
图3为本发明***示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员能更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对其具体实施方式进行详细地说明：
如图1-3所示，本发明的技术方案包括：电动汽车、基于区块链架构的P2P充电桩网络以及电网。
所述的电动汽车作为存储***，储存电网多余的电量，拥有充电和放电两种行为且可自行设置预期充电时长与预期放电时长，电动汽车既可以通过向电网放电来缓解电网压力并根据实时价格获取奖励金，也可以选择充电来保证正常的使用或者存储电网的多余能源；
所述充电桩网络是整个***的调度中心，其核心是一个基于区块链的P2P网络，采用区块链为基础的调度***，可实现各电力***之间实时共享电力需求信息以及实时价格，网络中的每个充电桩作为一个单独的节点，节点从电网获取需求信息与实时放电奖励价格并调度相应的电动汽车执行充放电行为，并根据电动汽车的充放电行为产生相应的交易记录并写入区块链中；
所述电网是***中的需求发布者，电网根据自身的状态，向充电桩网络发送实时需求信息与实时放电奖励价格，并调节电网自身***的运转；
当电网负载较高时，所述的作为存储***的电动汽车通过所述充电桩网络将储存的电能传送到负载处，而当电网负载较低时，作为存储***电动汽车通过充电桩网络将多余的电量存储下来；
充电桩网络作为本模型中电网与电动汽车交互的通道，同样也是模型中的核心，其整体划分为软件层和硬件层两个部分：
硬件层规定了充放电过程的电气特性并实现了充放电的硬件接口。硬件层一方面与电网和电动汽车进行交互，实现具体的充放电过程；另一方面硬件层与软件层进行交互，接受具体的充放电命令。
软件层由三部分组成，分别是底层区块链、以太坊平台以及智能合约。其中：
2-1、底层区块链作为整个项目的基础，负责记录和维护整个控制模型中发生的交易记录。
所有的充放电会形成单独的充放电交易记录(transaction)，由充电桩网络的软件层记录在底层区块链之中，并通过区块链技术全网同步更新。底层区块链中的区块结构信息如图1所示：
其中transcation中相关字段定义如表1所示：
Figure RE-GDA0002425198000000041
表1
2-2、以太坊平台为智能合约提供运行基础。在本模型中电网和电动汽车与充电桩网络的软件层交互主要通过三个合约完成：充电交易合约、放电交易合约、需求状态与价值更新合约。其中需求状态与价值更新合约负责向充电桩发布需求信息和当前的放电奖励信息。充电交易合约负责记录电网对电动汽车放电的交易信息，放电交易合约负责记录电动汽车对电网放电的交易信息。
电网向充电桩发布的具体需求信息分为两类：
电网负载高，需要电动汽车向电网放电以减轻电网的压力，此种定义为放电需求。
电网负载低，允许电动汽车存储电网多余的能量，此种定义为充电需求。
根据需求的不同，充电桩之中不同的智能合约会接受来自电网的需求信息，并转换为相应的指令，并传送给连接在其上的电动汽车，电动汽车接收到来自充电桩的指令之后，然后执行相应的充放电操作，电动汽车每次的充放电操作会形成一条交易记录，该交易记录由底层区块链***负责打包处理并生成区块，然后在全网进行更新。电动汽车所有的充放电记录将采用数学加密的形式在区块中存储，并且是可追溯的。
当电动汽车与充电桩连接时，充电桩的软件层会收集电动汽车的相关状态。表2列举了单台电动汽车的相关状态变量。
Figure RE-GDA0002425198000000051
表2
预计充电结束时间Trated可通过如下公式计算：
Trated＝(SOCexp-SOCstart)Battery/(Pratedηrated) (1)
Td可以通过如下公式计算：
Td＝Tset-Trated (2)
假设用户日行驶里程M与SOC当前值x成线性关系并参考[11]，得如下公式：
M＝-1.128x+112.64 (3)
根据(3)定义最低SOC保证值λ：
Figure RE-GDA0002425198000000061
最低SOC保证值λ是由用户日行驶里程M所计算得出的最低SOC 状态，此时的SOC状态可以满足用户的最低出行要求，只有电动汽车的SOC状态大于λ时才允许进行放电且放电后的SOC状态不能低于λ。
假设电网放电所得的奖励电力单价Price为固定值，则用户放电所得奖励R可通过如下公式计算：
R＝Td*Price (5)
s.t.Td>0
软件层会与电网每隔固定的时间间隔进行交互(例如30分钟)，来获取电网当前的需求信息：
当前电网处于高负载状态时，此时需要电动汽车向电网进行放电。根据用户的需求分为以下情况：
用户初始设定为充电行为：
Td≤0
此时电动汽车只会进行时长Trated的充电。
Td>0
此时电动汽车首先进行时长为Trated的充电，并在剩余Td时间内进行放电，并获得相应的奖励R，放电行为确保Td结束时SOCend≥λ。
用户初始设定为放电行为：
SOCstart≤λ
此时不允许电动汽车进行放电，避免影响用户日常出行以及对电池造成损耗。
SOCstart>λ
此时电动汽车会持续进行放电，直到SOCi＝λ时，停止放电行为，用户获得奖励R。
当电网处于低负载状态时，则充电桩会发出充电命令：
用户初始设定为充电行为：此时电动汽车会执行时长为 min(Tset,Trated)的充电行为。
用户初始设定为放电行为：由于此时电网处于低负载状态，对于通过电动汽车放电行为来缓解电网压力的需求小，将不允许用户进行放电。
通过以上交互流程，可以达到本模型最初的目的，即当电网负载高时，通过电动汽车的放电行为来缓解电网压力，并通过奖励机制来提高用户参与的积极性，而当电网负载较低时，将电动汽车作为分布式能源存储设备，避免能源的浪费；整个流程切合了用户的实际出行要求，在满足用户基本出行要求的基础之上，促进了电网与电动汽车之间的能源流动，使电网***朝着高效化、弹性化的发展。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (5)

1.一种基于区块链的电动汽车充电分布式***，其特征在于包括电动汽车、基于区块链架构的P2P充电桩网络以及电网；
所述的电动汽车作为存储***，储存电网多余的电量，拥有充电和放电两种行为且可自行设置预期充电时长与预期放电时长，电动汽车既能够通过向电网放电来缓解电网压力并根据实时价格获取奖励金，也能够选择充电来保证正常的使用或者存储电网的多余能源；
所述充电桩网络是整个***的调度中心，其核心是一个基于区块链的P2P网络，采用区块链为基础的调度***，可实现各电力***之间实时共享电力需求信息以及实时价格，网络中的每个充电桩作为一个单独的节点，节点从电网获取需求信息与实时放电奖励价格并调度相应的电动汽车执行充放电行为，并根据电动汽车的充放电行为产生相应的交易记录并写入区块链中；
所述电网是***中的需求发布者，电网根据自身的状态，向充电桩网络发送实时需求信息与实时放电奖励价格，并调节电网自身***的运转；
当电网负载较高时，所述的作为存储***的电动汽车通过所述充电桩网络将储存的电能传送到负载处，而当电网负载较低时，作为存储***电动汽车通过充电桩网络将多余的电量存储下来。
2.根据权利要求1所述的一种基于区块链的电动汽车充电分布式***，其特征在于所述的充电桩网络划分为软件层和硬件层两个部分：
硬件层规定了充放电过程的电气特性并实现了充放电的硬件接口，同时硬件层一方面通过接口与电网和电动汽车进行交互，实现具体的充放电过程；另一方面硬件层与软件层进行交互，接收充放电命令；
软件层由底层区块链、以太坊平台以及智能合约组成；
2-1、底层区块链负责记录和维护发生的交易记录；
所有的充放电会形成单独的充放电交易记录，由充电桩网络的软件层记录在底层区块链之中，并通过区块链技术全网同步更新；
所述交易记录中相关字段定义如表1所示：
字段名称 字段描述 字段值 From 交易发起方地址 由公钥经过单向的Hash函数生成 To 交易收取方地址 由公钥经过单向的Hash函数生成 Type 交易类型 0(放电交易)、1(充电交易) Dare 交易时间 交易完成的时间戳 Data 交易备注 交易中的备注信息
2-2、以太坊平台为智能合约提供运行基础；电网和电动汽车与充电桩网络的软件层交互通过三个合约完成：充电交易合约、放电交易合约、需求状态与价值更新合约；其中需求状态与价值更新合约负责向充电桩发布需求信息和当前的放电奖励信息；充电交易合约负责记录电网对电动汽车放电的交易信息，放电交易合约负责记录电动汽车对电网放电的交易信息。
3.根据权利要求2所述的一种基于区块链的电动汽车充电分布式***，其特征在于：
电网向充电桩网络发布的需求信息分为两类：
电网负载高，需要电动汽车向电网放电以减轻电网的压力，此种定义为放电需求；
电网负载低，允许电动汽车存储电网多余的能量，此种定义为充电需求；
根据需求的不同，充电桩之中不同的智能合约会接受来自电网的需求信息，并转换为相应的指令，并传送给连接在其上的电动汽车，电动汽车接收到来自充电桩的指令之后，然后执行相应的充放电操作，电动汽车每次的充放电操作会形成一条交易记录，该交易记录由底层区块链负责打包处理并生成区块，然后在全网进行更新；电动汽车所有的充放电记录将采用数学加密的形式在区块中存储，并且是可追溯的。
4.根据权利要求3所述的一种基于区块链的电动汽车充电分布式***，其特征在于：
当电动汽车与充电桩连接时，充电桩的软件层会收集电动汽车的相关状态变量；
所述的单台电动汽车的相关状态变量如下表2所示：
Figure FDA0002197188780000031
所述的集电动汽车的相关状态变量计算如下：
预计充电结束时间Trated通过如下公式计算：
Trated＝(SOCexp-SOCstart)Battery/(Pratedηrated) (1)
Td可以通过如下公式计算：
Td＝Tset-Trated (2)
假设用户日行驶里程M与SOC当前值x成线性关系，得如下公式：
M＝-1.128x+112.64 (3)
根据公式(3)定义最低SOC保证值λ：
Figure FDA0002197188780000041
最低SOC保证值λ是由用户日行驶里程M所计算得出的最低SOC状态，此时的SOC状态可以满足用户的最低出行要求，只有电动汽车的SOC状态大于λ时才允许进行放电且放电后的SOC状态不能低于λ；
假设电网放电所得的奖励电力单价Price为固定值，则用户放电所得奖励R可通过如下公式计算：
R＝Td＊Price (5)
s.t.Td＞0。
5.根据权利要求4所述的一种基于区块链的电动汽车充电分布式***，其特征在于：
软件层与电网每隔固定的时间间隔进行交互，从而获取电网当前的需求信息：
①当前电网处于高负载状态时，此时需要电动汽车向电网进行放电；根据用户的需求分为以下情况：
a.用户初始设定为充电行为：
Td≤0
此时电动汽车只会进行时长Trated的充电；
Td＞0
此时电动汽车首先进行时长为Trated的充电，并在剩余Td时间内进行放电，并获得相应的奖励R，放电行为确保Td结束时SOCend≥λ；
b.用户初始设定为放电行为：
SOCstart≤λ
此时不允许电动汽车进行放电，避免影响用户日常出行以及对电池造成损耗；
SOCstart＞λ
此时电动汽车会持续进行放电，直到SOCi＝λ时，停止放电行为，用户获得奖励R；
②当电网处于低负载状态时，则充电桩会发出充电命令：
用户初始设定为充电行为：此时电动汽车会执行时长为min(Tset，Trated)的充电行为；
用户初始设定为放电行为：由于此时电网处于低负载状态，对于通过电动汽车放电行为来缓解电网压力的需求小，将不允许用户进行放电。
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