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基於區塊鏈技術解決分散式電網中車聯網 (V2G) 的信任問題


核心概念
本文旨在探討如何利用區塊鏈技術解決分散式電網中車聯網 (V2G) 所面臨的信任問題,並提出一個基於區塊鏈的去中心化 V2G 交易框架,以提高交易安全性和透明度。
摘要

文獻回顧

車聯網協調
  • 車聯網協調高度依賴有效的排程,可以是集中式或分散式。
  • 集中式框架允許電網營運商直接控制和協調充電活動,減輕與未協調充電相關的風險,例如電網壅塞和電壓波動。
  • 然而,集中式方法的實際應用由於電動汽車充電需求的時間和空間變異性以及得出最佳解決方案持續存在的計算複雜性而遇到障礙,這在現實世界的 V2G 情景中構成了相當大的挑戰。
  • 同時,分散式 V2G 方案通過讓網路互連的智慧充電點參與並動態響應當地條件和需求,納入了分散式計算能力。
  • 這些分散式方法為集中式方法的局限性提供了有希望的解決方案,在 V2G 協調方面提供了更大的靈活性。
能源區塊鏈
  • 區塊鏈技術憑藉其安全性、透明度和自動化能力,成為增強 V2G 系統信任和效率的有希望的解決方案,它利用了其固有的網路物理能力。
  • 例如,區塊鏈可以促進安全和去中心化的能源交易,允許消費者直接相互交易能源,其中區塊鏈技術促進了分散式或批發能源交易,並創建了虛擬電網。
  • 此外,將區塊鏈與物聯網設備集成以實時監控和管理能源消耗是另一個有希望的應用,為解決能源互聯網中的安全和隱私挑戰提供了解決方案。
  • 此外,提出了一種基於區塊鏈技術的綠色充電站之間的分散式充電權交易機制。
  • 通過結合分散式計算和區塊鏈,該系統通過完整的 P2P 交易流程處理充電權分配,動態響應當地條件和交易風險因素。
  • 總之,需要定制區塊鏈以滿足 V2G 系統的特定要求,以獲得更好的性能。

方法

V2G 系統
  • 電動汽車:在 V2G 系統中,電動汽車被視為生產者和消費者,即生產和消費能源的實體。電動汽車配備了儲能能力,可以根據需要將能量回饋到電網或從電網中獲取能量。它們的決策過程受經濟激勵的影響,根據動態定價和需求信號調整其能量調度。每輛電動汽車都配備了固有的計量功能,可以跟踪能源消耗和注入。
  • 電力公司:電力公司充當聚合器,在個別電動汽車車主和電網之間進行中介。它匯集了大量電動汽車的能源容量,以批量購買或出售能源,增強了能源管理的灵活性和可靠性,並產生了利潤。聚合器管理合約、將付款重新分配給電動汽車車主,並通過 V2G 管理費賺取利潤。它還與上級系統運營商協商,以確保履行輔助服務義務的激勵措施。
  • 電網運營商:電網運營商負責多個發電來源的整合,並管理單向和雙向的電力流動,這促進了來自能源產消者實體(如電動汽車聚合器 (EVA))的貢獻,同時確保了對包括住宅和公共設施在內的普通消費者的持續供應。電網運營商採用計量基礎設施來監控能源流動,並利用其計算能力來優化電網運營。此外,電網運營商還充當上級系統運營商,為能源市場設定各種價格,包括電力生產價格、電力零售價格、輔助服務價格和其他關稅。這些定價機制對於平衡供求關係、激勵物理和虛擬發電廠的參與以及確保 V2G 系統中能源交易的財務可行性至關重要。
定價策略
  • 認識到電動汽車車主、電力公司和電網運營商之間的不同利益,我們採用斯塔克伯格博弈模型來模擬這些互動,重點關注電動汽車和電力公司之間的戰略互動。在這個模型中,電力公司充當領導者,設定價格和激勵措施,而電動汽車車主則作為追隨者做出響應,根據提供的價格信號調整其能源消耗和生產。
去中心化 V2G 交易方案
  • 為了設計一個適合區塊鏈特性的去中心化 V2G 交易方案,我們將 SCP 視為擬議的去中心化 V2G 系統中的關鍵組成部分,因為它們具有監控、通信、存儲、計算和控制能力。基於這些能力,SCP 能夠充當區塊鏈網路中的節點,每輛電動汽車都配備了一個數位錢包。
  • 這種設置促進了區塊鏈交易,而無需存儲整個區塊鏈。因此,允許電動汽車有效地參與區塊鏈交易,僅驗證基本信息(如區塊頭),而無需存儲整個區塊鏈。每輛電動汽車都被賦予了唯一的數位簽名,確保了交易的真實性並防止了抵賴。SCP 作為完整節點,維護區塊鏈的完整副本,執行並行計算,驗證交易和區塊,並代表與 SCP 物理鏈接的 PEV 進行操作交易。預言機將系統與外部世界連接起來,提供安全、可靠和及時的數據輸入,例如零售市場中的實時電價。

案例研究

  • 案例研究使用了從中國廣東電力市場內的南方科技大學獲得的歷史電動汽車路線數據。
  • 主要參數設置詳見表一。
  • 本研究調查了 2,000 輛電動汽車的數據集,包括電動巴士和私家電動汽車。
  • 該數據集包括關鍵的電動汽車參數,例如電池容量(以千瓦時為單位)、初始電池充電狀態(以千瓦時為單位)以及電動汽車到達和離開時間(以小時為單位),如表二所示,其中包含六個代表性樣本。
  • 實時充電電價模型遵循深圳市政府實施的峰谷電價方案,該方案具有三個不同的定價等級:峰值、谷值和平坦費率,每個等級適用於一天中的特定時段。這些費率的分配詳見表三。
  • 圖 3 顯示了 2021 年 5 月 27 日 07:00 至 2021 年 5 月 28 日 07:00 期間南方科技大學校園的實際負載以及模擬的輔助服務需求。
  • 圖 4 說明了參與擬議的 V2G 方案的聚合電動汽車的雙向潮流、深圳的實時峰谷電價以及計算出的最佳放電價格。放電價格與實時電價之間的相關性表明,EVA 有能力響應市場條件調整價格。能源交換量表明 SCP 有能力代表插入式電動汽車的利益進行調度和交易。
  • 最後,圖 5 使用第三節中介紹的符號說明了與擬議的 V2G 方案相關的財務動態,包括成本和收入。從 EVA 的角度來看,該方案可以有效利用電動汽車來滿足輔助服務需求,從而產生利潤並減少罰款。然而,在電價最低的時期(“谷”階段),EVA 利用輔助服務市場獲利的空間會變小。

結論

  • 本研究探討了分散式電網環境下基於區塊鏈的 V2G 交易方案。
  • 提出了一種去中心化的 V2G 交易方案,利用區塊鏈技術來增強能源交易的安全、透明和效率,從而促進利益相關者之間的信任。
  • 通過利用智慧充電樁 (SCP) 作為中介,所提出的框架允許電動汽車參與安全的資訊傳輸並提交其能源需求,而無需大量的計算和存儲能力。
  • 提出了一種基於斯塔克伯格博弈的定價策略,該策略專為區塊鏈的去中心化特性以及 EVA 和電動汽車的利益而設計。
  • 使用來自南方科技大學的真實數據進行的案例研究驗證了所提出方案的有效性。
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統計資料
2023 年全球售出近 1400 萬輛電動汽車,比上一年增長 35%,使道路上的電動汽車總數達到 4000 萬輛。 預計到 2024 年,電動汽車銷量將達到約 1700 萬輛,佔全球汽車銷量的五分之一以上。 到 2030 年,電動汽車電池的儲能容量可能足以滿足短期電網儲能需求。
引述
“雖然區塊鏈本身是安全的,但利益相關者(例如,電動汽車車主、電力公司、電網運營商)之間的信任問題仍需要得到充分解決。” “區塊鏈在 V2G 應用中缺乏監管框架和標準化是一個重大障礙。” “此外,區塊鏈在 V2G 網路中部署的定制化去中心化隱私保護協調方案仍需要改進,這對於在確保高效、透明的能源交易的同時保護用戶隱私至關重要。”

深入探究

未來隨著電動汽車普及率的提高,區塊鏈技術如何應對更大規模的 V2G 交易數據處理需求?

隨著電動汽車普及率提高,V2G 交易數據規模將大幅增長,區塊鏈技術需要應對以下挑戰: 可擴展性: 區塊鏈的交易吞吐量有限,難以處理大量 V2G 交易。 儲存容量: 區塊鏈節點需要儲存所有交易數據,儲存容量將成為瓶頸。 交易速度: 區塊鏈交易確認時間較長,難以滿足 V2G 交易的實時性需求。 為了解決這些挑戰,可以採用以下方法: 分片技術 (Sharding): 將區塊鏈網路分割成多個分片,每個分片處理一部分交易,提高整體吞吐量。 側鏈技術 (Sidechain): 將部分 V2G 交易轉移到側鏈處理,減輕主鏈負擔。 閃電網路 (Lightning Network): 建立支付通道,實現鏈下交易,提高交易速度和吞吐量。 更高效的共識機制: 採用權益證明 (PoS) 或委託權益證明 (DPoS) 等共識機制,取代工作量證明 (PoW),提高交易速度和效率。 數據壓縮和儲存優化: 採用數據壓縮技術,減少數據儲存量,並優化數據庫結構,提高數據讀寫效率。 此外,還可以結合其他技術,例如: 分佈式儲存: 採用 IPFS 等分佈式儲存技術,解決數據儲存瓶頸。 邊緣計算: 將部分數據處理和交易驗證放到邊緣節點,減輕區塊鏈網路負擔。 通過不斷發展和優化,區塊鏈技術能夠應對未來更大規模的 V2G 交易數據處理需求,為 V2G 技術的普及提供安全可靠的保障。

如果區塊鏈系統本身出現故障或受到攻擊,如何確保 V2G 交易的安全性?

區塊鏈系統雖然具有較高的安全性,但並非絕對安全,仍可能出現故障或遭受攻擊。為了確保 V2G 交易安全,需要採取以下措施: 提高區塊鏈系統的容錯性: 採用分佈式部署,避免單點故障。 設置多個備份節點,確保系統在部分節點故障時仍能正常運作。 使用多重簽名等技術,提高交易安全性。 加強網路安全防護: 部署防火牆、入侵檢測等安全設備,防止惡意攻擊。 定期進行安全漏洞掃描和修復,降低系統風險。 應急預案: 制定應急預案,明確在系統出現故障或遭受攻擊時的處理流程。 定期進行演練,提高應急響應能力。 數據備份和恢復: 定期備份區塊鏈數據,確保數據安全。 建立數據恢復機制,以便在數據丟失或損壞時能夠快速恢復。 監管和審計: 建立健全的監管機制,對區塊鏈系統進行監管和審計。 引入第三方審計機構,對系統安全性進行評估。 此外,還可以結合其他技術,例如: 零知識證明: 在不洩露交易細節的情況下,驗證交易的有效性,提高交易隱私和安全性。 安全多方計算: 在多個參與方之間安全地進行計算,保護數據隱私和安全性。 通過綜合運用各種技術手段,可以有效降低區塊鏈系統故障或遭受攻擊的風險,保障 V2G 交易的安全性。

除了區塊鏈技術,還有哪些新興技術可以應用於解決 V2G 系統中的信任問題?

除了區塊鏈技術,以下新興技術也能應用於解決 V2G 系統中的信任問題: 聯邦學習 (Federated Learning): 允許多個參與方在不共享數據的情況下協作訓練模型,保護數據隱私,可應用於 V2G 數據分析和預測,例如充電需求預測、電網穩定性分析等。 安全多方計算 (Secure Multi-Party Computation): 允許多個參與方在不洩露各自數據的情況下共同計算結果,保護數據隱私,可應用於 V2G 交易結算、電價協商等場景。 零知識證明 (Zero-Knowledge Proof): 允許一方在不洩露任何信息的情況下,向另一方證明自己知道某個秘密,可應用於 V2G 身份驗證、數據完整性驗證等方面。 可信執行環境 (Trusted Execution Environment, TEE): 提供一個安全的執行環境,保護代碼和數據不被篡改,可應用於 V2G 交易數據的儲存和處理,提高數據安全性。 分佈式身份識別 (Decentralized Identity, DID): 允許用戶擁有和控制自己的身份信息,可應用於 V2G 系統中的身份認證,提高系統安全性和隱私性。 這些新興技術與區塊鏈技術可以相互補充,共同構建更加安全、可靠、可信的 V2G 生態系統。例如,可以結合區塊鏈和聯邦學習,構建去中心化的 V2G 數據共享平台,既能保護數據隱私,又能實現數據價值的最大化。
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