基于區(qū)塊鏈的電動(dòng)汽車充電樁兩階段交易優(yōu)化

趙思翔，王亞超，巨漢基，胡天舒，褚鳳鳴

(1. 國(guó)網(wǎng)冀北營(yíng)銷服務(wù)中心(資金集約中心、計(jì)量中心)，北京市 102208；2. 北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京市 100029)

0 引 言

在2030年實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”、2060年實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)背景下，低碳化、清潔化、電氣化成為未來主要的能源利用形式[1]。在國(guó)家政策的支持下，具備能源利用效率高、污染氣體排放少等特性的電動(dòng)汽車大規(guī)模發(fā)展[2]。但是隨著電動(dòng)汽車大規(guī)模的發(fā)展，由于電動(dòng)汽車充電的隨機(jī)性與不確定性，拉大了電網(wǎng)的峰谷差，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了新的挑戰(zhàn)[3]。因此，通過研究電動(dòng)汽車的協(xié)調(diào)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)安全穩(wěn)定發(fā)展成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)。

關(guān)于電動(dòng)汽車的協(xié)調(diào)運(yùn)行主要集中于電動(dòng)汽車的有序充放電方面，文獻(xiàn)[4]考慮充電連續(xù)與滿足充電需求等約束條件，以公交電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，構(gòu)建了結(jié)合最優(yōu)車次鏈的有序充電模型。文獻(xiàn)[5]基于分時(shí)電價(jià)，以電動(dòng)公交汽車運(yùn)行成本最小化為目標(biāo)函數(shù)，設(shè)計(jì)最優(yōu)充電策略。除了對(duì)電動(dòng)公交車進(jìn)行研究，文獻(xiàn)[6]同樣考慮分時(shí)電價(jià)，提出了一種私人電動(dòng)汽車有序充放電策略，用以解決居民區(qū)額定容量不足的問題。文獻(xiàn)[7]優(yōu)化分時(shí)電價(jià)機(jī)制，提出一種電價(jià)與充放電負(fù)荷實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)的實(shí)時(shí)電價(jià)機(jī)制，優(yōu)化私人電動(dòng)車的充放電策略。文獻(xiàn)[8-9]在信息間隙決策理論的基礎(chǔ)上，考慮電動(dòng)汽車充電的不確定性，構(gòu)建了考慮電動(dòng)汽車的主動(dòng)配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型，用以降低峰谷差?，F(xiàn)有研究在分時(shí)電價(jià)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)考慮電動(dòng)汽車的集中協(xié)調(diào)控制調(diào)度，但是隨著電動(dòng)汽車的不斷發(fā)展，規(guī)模不斷提升，集中協(xié)調(diào)控制將帶來運(yùn)行效率低下、中心化運(yùn)行成本提高、信息泄露、信任風(fēng)險(xiǎn)等問題[10-11]。

而區(qū)塊鏈技術(shù)具備去中心化、不容易篡改的特性，各學(xué)者逐漸將區(qū)塊鏈技術(shù)引入到電動(dòng)汽車的管理及充電交易過程中[12-13]。文獻(xiàn)[14]以電動(dòng)汽車與充電站為研究對(duì)象，利用區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行兩者之間的充電交易結(jié)算。在文獻(xiàn)[14]的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[15]將電動(dòng)車聯(lián)盟集合成電動(dòng)汽車聚合商，應(yīng)用區(qū)塊鏈平臺(tái)設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車聚合商與充電站之間的充電交易策略，并通過算例驗(yàn)證了應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)給電動(dòng)汽車車主帶來極大的便利，但是缺乏對(duì)電動(dòng)汽車有序充電的考慮，給電網(wǎng)的運(yùn)行帶來了安全問題。文獻(xiàn)[16]則將區(qū)塊鏈中的智能合約引入電動(dòng)汽車聚合商與電動(dòng)汽車車主的交易中，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車聚合商收益最大化與電動(dòng)汽車車主購(gòu)電成本最小化，但是忽略了電動(dòng)汽車聚合商與電動(dòng)汽車充電站之間的交互關(guān)系。文獻(xiàn)[17-18]在區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)上，提出考慮多電動(dòng)汽車代理商管理電動(dòng)汽車車主的交易策略，但關(guān)于具體的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)并未闡述。文獻(xiàn)[19-20]結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)與多重簽名對(duì)配電網(wǎng)與充電站之間的交易進(jìn)行了研究。

現(xiàn)有研究證實(shí)了區(qū)塊鏈引入電動(dòng)汽車交易的有效性，但是在研究過程中一方面缺少對(duì)電動(dòng)汽車車主充電的有序引導(dǎo)；另一方面研究主體未涉及到配電系統(tǒng)、充電站、電動(dòng)汽車車主三方交易的協(xié)調(diào)優(yōu)化，現(xiàn)有研究?jī)H涉及其中兩方。

基于此，本文以電網(wǎng)、電動(dòng)汽車充電站、電動(dòng)汽車車主為研究對(duì)象，首先基于區(qū)塊鏈設(shè)計(jì)電網(wǎng)-充電站-車主協(xié)同的兩階段交易優(yōu)化框架；然后，在第一階段構(gòu)建基于充電權(quán)的電網(wǎng)-電動(dòng)汽車充電樁交易優(yōu)化模型，確定充電樁的充電權(quán)；其次在第二階段構(gòu)建基于需求響應(yīng)的電動(dòng)汽車充電樁-車主交易優(yōu)化模型，確定車主的需求響應(yīng)，引導(dǎo)電動(dòng)汽車車主有序充電；最后進(jìn)行算例分析，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)、電動(dòng)汽車充電站、電動(dòng)汽車車主三方的協(xié)同優(yōu)化。

1 基于區(qū)塊鏈的電動(dòng)汽車充電樁兩階段交易優(yōu)化框架

由于區(qū)塊鏈技術(shù)具有不易篡改、去中心化特點(diǎn)，適用于交易規(guī)模大、交易次數(shù)多、注重隱私保護(hù)的充電服務(wù)場(chǎng)景。因此引入?yún)^(qū)塊鏈解決大規(guī)模電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)給電網(wǎng)帶來的有序控制難題，以及現(xiàn)有充電站充電設(shè)備閑置、電動(dòng)汽車車主充電難、隱私泄露等問題?；趨^(qū)塊鏈，分兩階段優(yōu)化電動(dòng)汽車充電站的充電交易策略，交易優(yōu)化框架如圖1所示。在電動(dòng)汽車充電樁兩階段交易優(yōu)化中涉及電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、電動(dòng)汽車充電樁節(jié)點(diǎn)、電動(dòng)汽車車主節(jié)點(diǎn)，僅授權(quán)的節(jié)點(diǎn)能接入到優(yōu)化系統(tǒng)中。

圖1 電動(dòng)汽車充電樁兩階段交易優(yōu)化框架Fig.1 Two-stage transaction optimization framework for electric vehicle charging piles

第一階段為電網(wǎng)-充電站交易優(yōu)化模型，當(dāng)區(qū)域電網(wǎng)中接入大規(guī)模電動(dòng)汽車充電負(fù)荷后，由于電動(dòng)汽車充電負(fù)荷具有較大的不確定性，容易造成輸變電設(shè)備過載。因此在第一階段中以充電裕度為約束條件，若各充電站提交的充電需求未超過充電裕度，則按照各充電站提交的充電需求分配充電權(quán)；若超過充電裕度，則電網(wǎng)按照各充電站提交的功率需求與總功率需求的比值以及信譽(yù)值的占比分配充電權(quán)。但是由于各充電站之間需求不一致，充電需求強(qiáng)烈的充電站可向充電需求較弱的其他充電站購(gòu)買充電權(quán)，據(jù)此引入雙向交易與P2P交易，使得各充電站之間可開展充電權(quán)交易，關(guān)于充電權(quán)交易具體見第2節(jié)。

第二階段為充電站-車主交易優(yōu)化模型。由于安裝在充電站處的智能電表(可運(yùn)行區(qū)塊鏈)能夠檢測(cè)充電站的實(shí)際充電需求，當(dāng)充電站獲得的充電權(quán)與實(shí)際的充電需求不一致時(shí)，電網(wǎng)為了維持穩(wěn)定運(yùn)行，會(huì)對(duì)充電站進(jìn)行罰款。而充電站為了避免高額罰款，通過設(shè)計(jì)分時(shí)電價(jià)，引導(dǎo)電動(dòng)汽車車主調(diào)整充電需求，實(shí)行需求響應(yīng)，據(jù)此在充電站與電動(dòng)汽車車主之間引入雙向交易，關(guān)于需求響應(yīng)交易具體見第3節(jié)。

2 基于充電權(quán)的電網(wǎng)-電動(dòng)汽車充電樁交易優(yōu)化模型

為了滿足電網(wǎng)設(shè)備容量裕度的約束條件，對(duì)電網(wǎng)-電動(dòng)汽車充電樁交易進(jìn)行優(yōu)化，具體包括充電權(quán)交易匹配階段、充電權(quán)交易執(zhí)行階段、充電權(quán)交易結(jié)算階段。

2.1 充電權(quán)交易匹配模型

以07:00—07:20對(duì)07:30—08:00之間的充電權(quán)分配為例，其中交易匹配階段完成時(shí)間段為07:00—07:05。根據(jù)圖1可知，電網(wǎng)與電動(dòng)汽車充電樁在交易匹配階段，主要分成4個(gè)步驟。

第1步：各充電站根據(jù)歷史充電情況對(duì)充電需求進(jìn)行預(yù)測(cè)，并提交充電功率以及身份信息。以此發(fā)起電網(wǎng)與各充電站之間的交易。

第2步：根據(jù)各充電站發(fā)起的交易申請(qǐng)，交易背書節(jié)點(diǎn)對(duì)各充電站的身份信息進(jìn)行驗(yàn)證，并由礦工計(jì)算各充電站的信譽(yù)值。各充電站的信譽(yù)值由分配信譽(yù)值與支出信譽(yù)值組成。

(1)

(2)

2)支出信譽(yù)值。支出信譽(yù)值衡量充電站支付守信程度，用支出偏差率表征，當(dāng)實(shí)際支付的費(fèi)用等于應(yīng)該支出的費(fèi)用，則對(duì)電動(dòng)充電樁予以獎(jiǎng)勵(lì)，支出信譽(yù)值加1分；當(dāng)兩者不相等時(shí)，對(duì)累積的支出信譽(yù)值進(jìn)行扣減，具體如式(3)所示：

(3)

(4)

(5)

式中：φi,cp,t為充電站i在t時(shí)刻的信譽(yù)補(bǔ)償費(fèi)用；αcp為單位信譽(yù)值偏差的補(bǔ)償費(fèi)用。

第3步：根據(jù)礦工計(jì)算的充電裕度與信譽(yù)值分配初始充電權(quán)。當(dāng)充電裕度大于提交的充電需求時(shí)，按照各充電站提交的充電需求分配充電權(quán)；否則，按照各充電站信譽(yù)值占總體信譽(yù)值的比例與額定功率占總功率的比例進(jìn)行分配，具體如式(6)、(7)所示：

(6)

(7)

第4步：由于初始充電權(quán)按照信譽(yù)值與額定功率進(jìn)行分配，未考慮各充電站充電的意愿程度，所以基于初始充電權(quán)，各充電站可以決定是否繼續(xù)參加充電權(quán)的雙向交易。若繼續(xù)進(jìn)行雙向交易，則進(jìn)入到雙向交易環(huán)節(jié)，否則進(jìn)入交易結(jié)算環(huán)節(jié)，在區(qū)塊鏈中進(jìn)行交易結(jié)算。

2.2 充電權(quán)交易執(zhí)行模型

充電權(quán)交易執(zhí)行時(shí)間為07:05—07:15之間，具體執(zhí)行過程分成4個(gè)步驟。

第1步：在07:05，繼續(xù)參加雙向交易的充電站提交需要購(gòu)買或售出的充電權(quán)數(shù)量與報(bào)價(jià)。其中充電站數(shù)量與報(bào)價(jià)是如下優(yōu)化問題的結(jié)果，目標(biāo)函數(shù)為充電站收益最大化。

maxRi,cp,t=max(Si,cp.t-Ci,cp,t-φi,cp,t)

(8)

(9)

充電站參與雙向交易還受到充電權(quán)交易守恒、容量裕度、交易上限等約束，其中充電權(quán)交易守恒約束是指各充電站之間出售的充電權(quán)應(yīng)該等于購(gòu)買的充電權(quán)，如式(10)所示；容量裕度約束是指所有充電站參與雙向交易后最新獲得的充電權(quán)應(yīng)該不大于電網(wǎng)此時(shí)的容量裕度，如式(11)所示；交易上限約束是指出售方出售的充電權(quán)應(yīng)該不大于其擁有的充電權(quán)，如式(12)所示：

(10)

(11)

(12)

第2步：礦工將購(gòu)方的充電權(quán)按照?qǐng)?bào)價(jià)從高到低進(jìn)行排列，將售方的充電權(quán)報(bào)價(jià)從低到高進(jìn)行排列，取購(gòu)方最高價(jià)格與售方最低價(jià)格的算術(shù)平均值為最后成交價(jià)格，具體如式(13)所示。區(qū)塊鏈按照此規(guī)則在07:05—07:10進(jìn)行雙向交易出清，當(dāng)購(gòu)方最高價(jià)格低于售方最低價(jià)格時(shí)，雙向交易停止，并根據(jù)交易結(jié)果更新各充電站的充電權(quán)數(shù)量。

(13)

第3步：雙向交易出清后，無法出清的購(gòu)方與售方?jīng)Q定是否調(diào)整報(bào)價(jià)，若修改報(bào)價(jià)則進(jìn)入P2P交易；否則結(jié)束交易，進(jìn)入交易結(jié)算階段。進(jìn)入P2P交易的購(gòu)方與售方于07:10提交參與P2P交易的充電權(quán)數(shù)量與價(jià)格，若在P2P交易市場(chǎng)上購(gòu)方和售方均不調(diào)整，則P2P市場(chǎng)上沒有交易量；若有調(diào)整，則有可能達(dá)成交易。其中充電站充電權(quán)數(shù)量與報(bào)價(jià)的修改是如下優(yōu)化問題的結(jié)果，目標(biāo)函數(shù)為充電站收益最大化，約束條件同式(10)—(12)。

maxR′i,cp,t=max(S′i,cp,t-C′i,cp,t-φi,cp,t)

(14)

(15)

第4步：根據(jù)購(gòu)方與售方調(diào)整結(jié)果，于07:10—07:15在區(qū)塊鏈上進(jìn)行交易。當(dāng)調(diào)整后的購(gòu)方最高價(jià)格低于售方最低價(jià)格時(shí)，P2P交易停止，并在區(qū)塊鏈上更新各充電站的充電權(quán)數(shù)量。

2.3 充電權(quán)交易結(jié)算模型

P2P交易停止后，進(jìn)入充電權(quán)交易結(jié)算階段，交易結(jié)算時(shí)間為07:15—07:20。具體結(jié)算過程分為4個(gè)步驟。

(16)

(17)

(18)

第4步：由礦工確認(rèn)向電網(wǎng)、在雙向交易市場(chǎng)、P2P市場(chǎng)付款情況，若付款成功，則在區(qū)塊鏈上充電站相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)地址修改為True，否則為False。同時(shí)根據(jù)付款結(jié)果，在區(qū)塊鏈上調(diào)用充電站信譽(yù)值函數(shù)，更新各充電站的綜合信譽(yù)值。

3 基于需求響應(yīng)的電動(dòng)汽車充電樁-車主交易優(yōu)化模型

基于電網(wǎng)-電動(dòng)汽車充電樁優(yōu)化結(jié)果，可得到電動(dòng)汽車充電樁的充電權(quán)，為了降低充電樁的懲罰費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)充電樁收益最大化，進(jìn)一步進(jìn)行電動(dòng)汽車充電樁與車主之間的交易優(yōu)化。本節(jié)將電動(dòng)汽車充電樁-車主之間的交易優(yōu)化模型分為交易匹配階段、交易執(zhí)行階段、交易結(jié)算階段。

3.1 交易匹配模型

電動(dòng)汽車充電樁與車主在交易匹配階段，主要分成3個(gè)步驟。

第1步：由用戶提交充電需求，包括充電時(shí)間、充電功率以及身份信息。為了防止用戶虛報(bào)充電需求，用戶充電需求不能超過電動(dòng)汽車容量的最大值，如式(19)所示。以此發(fā)起電動(dòng)汽車充電樁與車主之間的交易申請(qǐng)。

PEV,m·Δt≤EEV,m

(19)

式中：PEV,m為電動(dòng)汽車m上報(bào)的充電需求功率；Δt為充電時(shí)長(zhǎng)；EEV,m為電動(dòng)汽車m的電池容量。

第2步：根據(jù)車主發(fā)起的交易申請(qǐng)，交易背書節(jié)點(diǎn)對(duì)車主的身份信息進(jìn)行驗(yàn)證，并由礦工計(jì)算車主的信譽(yù)值。車主信譽(yù)值由行為信譽(yù)值、充電信譽(yù)值、支出信譽(yù)值三方面構(gòu)成。

1)行為信譽(yù)值。行為信譽(yù)值衡量車主到達(dá)充電站充電的準(zhǔn)時(shí)情況，用行為偏差率來表征，行為偏差率即為實(shí)際充電時(shí)間與預(yù)約充電時(shí)間的差值與預(yù)約充電時(shí)間的比值。行為信譽(yù)值的計(jì)算如式(20)所示。當(dāng)行為偏差率在[-3%,3%]之內(nèi)，則對(duì)電動(dòng)車主予以獎(jiǎng)勵(lì)，行為信譽(yù)值加1分；當(dāng)偏差率在(-10%,-3%]∪(3%,10%]，則行為信譽(yù)值不增不減；當(dāng)偏差率大于10%或小于-10%時(shí)，對(duì)累積的行為信譽(yù)值進(jìn)行扣減。

(20)

(21)

3)支付信譽(yù)值。支付信譽(yù)值衡量電動(dòng)汽車車主支付守信程度，用支出偏差率表征，當(dāng)實(shí)際支付的費(fèi)用等于應(yīng)該支出的費(fèi)用，則對(duì)電動(dòng)汽車車主予以獎(jiǎng)勵(lì)，支出信譽(yù)值加1分；當(dāng)兩者不相等時(shí)，對(duì)累積的支出信譽(yù)值進(jìn)行扣減，具體如式(22)所示：

(22)

(23)

第3步：判斷電動(dòng)汽車車主信譽(yù)值與交易信譽(yù)門檻值，當(dāng)車主信譽(yù)值高于門檻值時(shí)，車主可以順利進(jìn)行充電交易；否則會(huì)受到一定懲罰——繳納信譽(yù)補(bǔ)償，來完成本次充電交易，如式(24)所示：

(24)

3.2 交易執(zhí)行模型

電動(dòng)汽車電池壽命主要受工作環(huán)境、電解液、電池內(nèi)部層析結(jié)構(gòu)等因素影響，且一次充電過程中多次暫停充電并不會(huì)影響電池壽命。本文假設(shè)電動(dòng)汽車車主根據(jù)區(qū)塊鏈平臺(tái)信息中發(fā)布充電樁當(dāng)時(shí)的分時(shí)電價(jià)制定電動(dòng)汽車停車時(shí)段內(nèi)的充電交易策略，具體可以分為4個(gè)步驟。

第1步：充電站根據(jù)用戶提交的充電需求信息與獲得的充電權(quán)，在07:20—07:23制定多時(shí)段分時(shí)電價(jià)，最終使得充電站在保證較大交易量的同時(shí)獲得最大收益，優(yōu)化變量為充電站發(fā)布的需求響應(yīng)量，其目標(biāo)函數(shù)為：

(25)

(26)

第2步：電動(dòng)汽車根據(jù)自身充電時(shí)長(zhǎng)，選擇是否參與需求響應(yīng)。首先計(jì)算電動(dòng)汽車m充電至期望荷電狀態(tài)的充電時(shí)長(zhǎng)，如式(27)所示。根據(jù)充電時(shí)長(zhǎng)判斷是否有充足的停靠充電時(shí)間參與需求響應(yīng)，如式(28)所示。

(27)

(28)

當(dāng)電動(dòng)汽車?？繒r(shí)間滿足式(28)，表明該電動(dòng)汽車可以參與需求響應(yīng)，否則無法參與需求響應(yīng)，并按照接入時(shí)段的充電電價(jià)進(jìn)行交易。

第3步：在07:23—07:25，電動(dòng)汽車車主制定參與需求響應(yīng)策略。車主會(huì)根據(jù)充電接入時(shí)段[tm,0,tm,1]內(nèi)的充電站公布的分時(shí)電價(jià)序列，制定車主所能接受的充電價(jià)格閾值pm,M，在充電過程中電價(jià)低于閾值進(jìn)行充電，電價(jià)高于閾值則斷開充電，直至電量達(dá)到期望值，具體如式(29)所示：

(29)

第4步：當(dāng)電動(dòng)汽車?yán)塾?jì)充電達(dá)到期望荷電狀態(tài)時(shí)，則充電完成，此時(shí)累計(jì)充電負(fù)荷EEV,m(t)如式(30)所示，并將所有充電信息上傳至區(qū)塊鏈，完成交易結(jié)算。

(30)

3.3 交易結(jié)算模型

電動(dòng)汽車充電交易結(jié)束后，進(jìn)入繳費(fèi)結(jié)算階段，具體結(jié)算過程分為3個(gè)步驟。

(31)

(32)

式中：ηn、PC,n分別為參與需求響應(yīng)的電動(dòng)汽車n的充電效率和充電功率；tn,0、tn,1分別為電動(dòng)汽車n的到達(dá)時(shí)間和離開時(shí)間。

由此得到一天內(nèi)充電站向電動(dòng)汽車售電獲得的收益為：

(33)

式中：N1、N2分別表示一天內(nèi)不參與和參與需求響應(yīng)的電動(dòng)汽車數(shù)量。

第3步：在07:28—07:30，由礦工確認(rèn)充電站付款情況，若付款成功，則在區(qū)塊鏈上將充電站相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)地址修改為True，否則為False。同時(shí)根據(jù)付款結(jié)果，在區(qū)塊鏈上調(diào)用充電站信譽(yù)值函數(shù)更新各電動(dòng)汽車的綜合信譽(yù)值。

4 算例分析

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

以某地區(qū)10 kV的配電網(wǎng)進(jìn)行算例分析，該配電網(wǎng)的容量為630 kV·A，變壓器的最大負(fù)載為560 kW，常規(guī)負(fù)荷為300 kW，則充電負(fù)荷的最大值為260 kW。在其中接入8個(gè)充電站，分別用C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8表示，各充電站的初始分配信譽(yù)值、支出信譽(yù)值、綜合信譽(yù)值分別如表1所示。

表1 各信譽(yù)值初始結(jié)果Table 1 Allocation result of initial reputation values

同時(shí)設(shè)置充電站信譽(yù)值門檻值為145，由表1可知，8個(gè)充電站全部通過信譽(yù)檢驗(yàn)，能夠參與充電權(quán)交易。

充電站向電網(wǎng)購(gòu)電價(jià)格實(shí)行峰谷分時(shí)電價(jià)，具體參數(shù)如表2所示[21]。單位偏差電量的分配信譽(yù)值扣減系數(shù)與單位偏差費(fèi)用的支出信譽(yù)值扣減系數(shù)均為2。

表2 充電站向電網(wǎng)購(gòu)電價(jià)格Table 2 Electricity purchase price of charging station from the grid

系統(tǒng)典型日基礎(chǔ)負(fù)荷曲線如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)典型日基礎(chǔ)負(fù)荷曲線Fig.2 Typical daily base load curve of the system

4.2 結(jié)果分析

基于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)兩階段的交易結(jié)果進(jìn)行分析。

4.2.1 電網(wǎng)-充電站交易結(jié)果分析

1)交易結(jié)果。

根據(jù)電網(wǎng)的最大負(fù)荷負(fù)載260 kW以及各充電站的信譽(yù)值，按照式(6)—(7)對(duì)8個(gè)充電站進(jìn)行初始充電權(quán)分配，如表3所示。

表3 初始充電權(quán)分配結(jié)果Table 3 Allocation result of initial charging rights

由表3可知，由于8個(gè)充電站提交的總體充電需求為375 kW，超過了電網(wǎng)的最大負(fù)載。因此，根據(jù)各充電站的額定功率與信譽(yù)值進(jìn)行充電權(quán)的初始分配。

進(jìn)行初始充電權(quán)分配后，充電站C1、C3、C6、C8購(gòu)買充電權(quán)；充電站C2、C4、C5、C7出售充電權(quán)。得到充電站雙向交易結(jié)果，如表4所示。

表4 雙向交易結(jié)果Table 4 Results of two-way transaction

由表4可知，購(gòu)方充電站C1、C8與售方充電站C2未能在雙向交易市場(chǎng)完成交易，這是因?yàn)榇藭r(shí)購(gòu)方充電站的最優(yōu)價(jià)格0.61元/(kW·h)小于售方最優(yōu)價(jià)格0.62元/(kW·h)，由此雙向交易市場(chǎng)停止，進(jìn)入P2P市場(chǎng)。

由于充電站C1具有較強(qiáng)的購(gòu)買充電權(quán)想法，于是在P2P市場(chǎng)C1調(diào)整自身充電權(quán)報(bào)價(jià)為0.62元/(kW·h)，C8報(bào)價(jià)不變，于是在P2P市場(chǎng)上C1與C2達(dá)成交易，交易量為C2的剩余量5.67 kW·h，C2獲得收入3.515 4元。

2)雙向市場(chǎng)與P2P市場(chǎng)對(duì)充電站影響。

為了分析雙向交易市場(chǎng)與P2P交易市場(chǎng)引入對(duì)各充電站的影響情況，設(shè)置如表5所示的3種情景進(jìn)行分析。

相對(duì)于情景1，情景2與情景3中各充電站收益的變化情況如圖3所示。

表5 情景設(shè)置Table 5 Scenarios setting

圖3 充電站收益變化情況Fig.3 Changes in the revenue of charging stations

由圖3可知，與不引入雙向交易市場(chǎng)與P2P交易市場(chǎng)的情景1相比，引入雙向交易市場(chǎng)的情景2中，充電站C2、C3、C4、C5、C6、C7的收益均提高，這是因?yàn)橘?gòu)買充電權(quán)的C3、C6充電站能夠滿足更多的電動(dòng)汽車充電需求，從而提高收益。而銷售充電權(quán)的充電站C2、C4、C5、C7能夠通過銷售充電權(quán)獲取額外收入，因此收益均提高，其中充電站C7收益率提高達(dá)7.26%。引入P2P市場(chǎng)的情景3與情景2相比，情景3中的充電站C1、C2收益提高，這是因?yàn)橐隤2P市場(chǎng)后，充電站C1與C2達(dá)成了更進(jìn)一步的交易。由此說明同時(shí)引入雙向交易市場(chǎng)能提高充電站收益。

4.2.2 充電站-電動(dòng)汽車交易結(jié)果分析

根據(jù)該地區(qū)內(nèi)的典型日負(fù)荷曲線，通過公式(25)計(jì)算得到充電站所制定的全天分階段分時(shí)電價(jià)策略，如圖4所示(以充電站C3為例)。

由圖4可以看到，本文所提出的充電站全天多時(shí)段分時(shí)電價(jià)在傳統(tǒng)峰谷電價(jià)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了細(xì)分，更加精確地反映當(dāng)天基礎(chǔ)負(fù)荷的起伏情況。

為了探究本文第二階段所提出來的基于需求響應(yīng)的充電站-電動(dòng)汽車交易模型的應(yīng)用效果，分別設(shè)置電動(dòng)汽車車主參與需求響應(yīng)(情景4)與不參與需求響應(yīng)(情景5)2種情景進(jìn)行對(duì)比。分別對(duì)2種情景下的當(dāng)?shù)刎?fù)荷變化情況進(jìn)行對(duì)比分析，設(shè)置電動(dòng)汽車車主參與需求響應(yīng)時(shí)所接受的價(jià)格閾值pm,M=0.95元/(kW·h)，結(jié)果如圖5所示。

圖4 電動(dòng)汽車分時(shí)電價(jià)對(duì)比Fig.4 Comparison of electric vehicle time-of-use price

圖5 地區(qū)分情景負(fù)荷曲線對(duì)比Fig.5 Comparison of load curves in regional scenarios

從圖5中可以看出該地區(qū)在電動(dòng)汽車負(fù)荷加入后，情景4和情景5都大大降低了峰谷差。在傳統(tǒng)峰谷電價(jià)即情景5的情況下，電動(dòng)汽車充電主要集中在00:00—08:00和20:00—24:00，在進(jìn)入峰時(shí)段后，有電動(dòng)汽車車主會(huì)選擇在此時(shí)段充電，由此使得系統(tǒng)負(fù)荷峰谷差由原來的248 kW降低至156 kW，有效降低了峰谷差距。在情景4下，通過設(shè)置各個(gè)時(shí)段分時(shí)電價(jià)，可以看出在00:00—08:00時(shí)段，此時(shí)充電價(jià)格較低，電動(dòng)汽車充電負(fù)荷基本與情景5相同；進(jìn)入10:00—13:00和17:00—21:00，由于受到充電價(jià)格閾值的限制，充電負(fù)荷明顯降低，所以此時(shí)充電負(fù)荷小于情景5下的充電負(fù)荷；在22:00之后充電價(jià)格不斷降低，電動(dòng)汽車充電負(fù)荷開始快速增加，由此使得系統(tǒng)峰谷差由248 kW降低至128 kW，削峰填谷效果優(yōu)于情景5。

分別對(duì)比2種情境下充電站C3典型日內(nèi)的收益情況，如表6所示。

從表6可以看出，在情景4下，分時(shí)電價(jià)進(jìn)一步細(xì)分到每個(gè)時(shí)段，絕大多數(shù)電動(dòng)汽車車主會(huì)選擇采取充電價(jià)格閾值作為充電限制。由此導(dǎo)致電動(dòng)汽車負(fù)荷在谷時(shí)段和部分平時(shí)段大幅增加，而此階段內(nèi)的電價(jià)高于谷電價(jià)，同時(shí)在傳統(tǒng)峰谷電價(jià)的基礎(chǔ)上，充電負(fù)荷更多集中在谷時(shí)段，最終形成情景4下充電站的售電收益略高于情景5下的。

表6 不同情景下充電站售電收益對(duì)比Table 6 Comparison of electricity sales revenue of charging stations under different scenarios

同時(shí)為了探究不同充電價(jià)格閾值情況下的充電站售電收益情況，將充電價(jià)格閾值作為變量進(jìn)行仿真訓(xùn)練，結(jié)果如圖6所示。

圖6 充電價(jià)格閾值敏感性分析Fig.6 Sensitivity analysis of charging price threshold

由圖6可以看到，隨著充電價(jià)格閾值不斷增加，充電站的售電收益呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，在價(jià)格閾值小于0.9元/(kW·h)時(shí)，隨著價(jià)格閾值不斷增加，充電站收益快速增加，在[0.90,1.03]元/(kW·h)區(qū)間內(nèi)，收益增速明顯放緩，在1.03元/(kW·h)之后開始不斷下降。

4.2.3 信譽(yù)值與補(bǔ)償設(shè)置對(duì)充電站和電動(dòng)汽車主的影響

圖7給出了分配信譽(yù)值、支出信譽(yù)值、信譽(yù)補(bǔ)償校驗(yàn)對(duì)充電站的影響以及行為信譽(yù)值、充電信譽(yù)值、支付信譽(yù)值校驗(yàn)對(duì)電動(dòng)汽車車主的影響(分配信譽(yù)值、支出信譽(yù)值取8個(gè)電動(dòng)汽車充電站分配信譽(yù)值、支出信譽(yù)值的平均值；行為信譽(yù)值、充電信譽(yù)值、支付信譽(yù)值取100輛電動(dòng)汽車對(duì)應(yīng)類型信譽(yù)值的平均值)。

由圖7可知，信譽(yù)值與信譽(yù)補(bǔ)償校驗(yàn)后，充電站和電動(dòng)汽車車主的綜合信譽(yù)值提高。這是因?yàn)榇鎯?chǔ)在區(qū)塊鏈上的信息具有不易篡改的特性，數(shù)據(jù)具有可追溯特性。因此充電站和車主為了使自身與電網(wǎng)和充電站之間的交易不受信譽(yù)門檻值的影響，會(huì)盡力提高自身的綜合信譽(yù)值，同時(shí)信譽(yù)補(bǔ)償值的設(shè)置能夠提高充電站和車主的違約成本，由此激勵(lì)充電站按要求分配充電權(quán)與支付充電權(quán)購(gòu)買費(fèi)用，同時(shí)激勵(lì)車主根據(jù)自身實(shí)際情況進(jìn)行預(yù)約充電，提高社會(huì)秩序。

圖7 信譽(yù)值設(shè)置對(duì)充電站和車主的影響Fig.7 The influence of reputation value setting on charging stations and car owners

5 結(jié) 論

本文圍繞含區(qū)塊鏈技術(shù)的電動(dòng)汽車充電樁交易展開研究，設(shè)計(jì)了兩階段的交易優(yōu)化模型：第一階段引入雙向交易市場(chǎng)、P2P交易市場(chǎng)，在各個(gè)充電站之間進(jìn)行充電權(quán)交易，構(gòu)建了電網(wǎng)與電動(dòng)汽車充電樁交易模型；第二階段基于用戶需求響應(yīng)構(gòu)建了電動(dòng)汽車充電樁與車主的交易模型，具體結(jié)論如下：

1)在各充電站之間引入雙向交易市場(chǎng)與P2P市場(chǎng)能提高各充電站收益。

2)在充電站與電動(dòng)汽車車主的交易過程中將傳統(tǒng)分時(shí)電價(jià)進(jìn)一步精確細(xì)分，車主根據(jù)自身需求響應(yīng)，通過充電價(jià)格閾值的設(shè)置，有效緩解了地區(qū)負(fù)荷峰谷差加劇的問題，同時(shí)提高了充電站的售電收益。

3)給電動(dòng)汽車充電站與車主設(shè)置信譽(yù)值門檻，能夠提高各主體的綜合信譽(yù)值與社會(huì)秩序。