基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電動(dòng)汽車(chē)和分布式能源并網(wǎng)協(xié)調(diào)策略

唐學(xué)用，姚俊榮，劉文霞，顏霞，李震

（1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司，貴陽(yáng) 550003；2.貴州大學(xué)，貴陽(yáng) 550025；3.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，貴陽(yáng) 550003）

0 引言

我國(guó)在“十三五”規(guī)劃草案增加環(huán)境質(zhì)量考核指標(biāo)，明確我國(guó)碳排放2030年達(dá)峰值［1］。國(guó)務(wù)院于2021年10月正式印發(fā)了關(guān)于2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案［2-3］，明確了相關(guān)舉措，大力推動(dòng)發(fā)展新能源，提高電網(wǎng)新能源的吸納能力和占比；推動(dòng)運(yùn)輸工具裝備低碳轉(zhuǎn)型，大力推廣新能源汽車(chē)［4］。

分布式能源作為一種新能源，由于受地域和環(huán)境的影響嚴(yán)重，具有清潔、可再生等諸多環(huán)境友好型的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也具有分散性、隨機(jī)性等眾多不利于并網(wǎng)使用的缺點(diǎn)［5-8］。電動(dòng)汽車(chē)作為電網(wǎng)新型負(fù)荷，其接入時(shí)間和位置與電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主的使用情況和人為意識(shí)有關(guān)，具有分散性、隨機(jī)性，同時(shí)又具有可引導(dǎo)性和聚集性［9-11］。

綜合新能源和新能源汽車(chē)特征，不難發(fā)現(xiàn)二者在并網(wǎng)時(shí)都具有隨機(jī)性和分散性。為了降低并網(wǎng)的沖擊，大量學(xué)者針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)和分布式能源的并網(wǎng)策略進(jìn)行了廣泛研究［12-15］。對(duì)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行引導(dǎo)充電，滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)的供電要求，又能最大化消納分布式電源，并維持電網(wǎng)的穩(wěn)定性［16-18］。在并網(wǎng)協(xié)調(diào)中必須有一個(gè)公正的第三方，維護(hù)所有電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主的和分布式電源的權(quán)益［18-20］。傳統(tǒng)方式中的第三方一般由公信力高的機(jī)構(gòu)擔(dān)任，但是仍存在為了局部或某些人的利益而人為操作的合謀風(fēng)險(xiǎn)［21-23］。

區(qū)塊鏈技術(shù)作為一種新技術(shù)，最早應(yīng)用于比特幣，并在金融領(lǐng)域進(jìn)行了大力推廣，近年來(lái)也逐漸在各領(lǐng)域進(jìn)行嘗試性應(yīng)用［23-25］。區(qū)塊鏈技術(shù)無(wú)第三方信任機(jī)構(gòu)存在，采用的是全民參與和監(jiān)督機(jī)制，所有節(jié)點(diǎn)均參與交易的記錄和監(jiān)督。區(qū)塊鏈技術(shù)全民參與的特性，配合電動(dòng)汽車(chē)和分布式能源數(shù)量不斷增多的發(fā)展趨勢(shì)，可以有效地規(guī)避電動(dòng)汽車(chē)和分布式能源并網(wǎng)中的利益合謀問(wèn)題，保障全體利益［26-28］。

為解決電動(dòng)汽車(chē)和分布式能源并網(wǎng)中的合謀問(wèn)題，本文提出一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的并網(wǎng)協(xié)調(diào)策略。利用區(qū)塊鏈技術(shù)弱化或消除第三方，基于智能合約實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)、充電站和電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主三方的共同參與和監(jiān)督的電能交易，保障了各充電站價(jià)格透明，避免了人為意志的干擾。理論上可實(shí)現(xiàn)分布式能源的全部消納并保障電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)促進(jìn)充電站之間的良性競(jìng)爭(zhēng)，有效保障區(qū)域范圍內(nèi)所有充電站的利益，消除了部分主體為了個(gè)人利益而合謀風(fēng)險(xiǎn)。

1 電動(dòng)汽車(chē)和分布式能源并網(wǎng)模型

1.1 模型假設(shè)和約束

為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，取某一區(qū)域范圍內(nèi)一天的電網(wǎng)供電、基本負(fù)荷、分布式電源、充電站和電動(dòng)汽車(chē)為主體構(gòu)建模型，并對(duì)各主體的特性進(jìn)行部分理想化假設(shè)。采用周期制時(shí)間計(jì)量法，將一天分為n個(gè)周期T，每個(gè)周期時(shí)長(zhǎng)為th，t=24/n，在1個(gè)周期T內(nèi)發(fā)電量、用電量及電價(jià)恒定不變。以天為單位的區(qū)域外部電網(wǎng)供電、分布式電源發(fā)電、基本負(fù)荷用電和電動(dòng)汽車(chē)充電的電量保持平衡。

1）外部電網(wǎng)為此區(qū)域提供的電量PGrid(t)（除分布式電源，此區(qū)域不存在其他發(fā)電設(shè)備）以及此區(qū)域內(nèi)基本負(fù)荷日用電量PLoad(t)（不包括電動(dòng)汽車(chē)）可提前預(yù)測(cè)，電網(wǎng)供電的分時(shí)電價(jià)KGrid(t)至少提前一天制定，并在執(zhí)行當(dāng)天不調(diào)整。

2）分布式電源每日的發(fā)電量PDG(t)（包括光伏發(fā)電量PPho(t)和風(fēng)力發(fā)電量PWind(t)）及變化規(guī)律可預(yù)測(cè)。為保持電網(wǎng)供電穩(wěn)定，任意時(shí)刻區(qū)域內(nèi)分布式電源的發(fā)電量PDG(t)、區(qū)域外部電網(wǎng)供電量PGrid(t)與區(qū)域內(nèi)基本負(fù)荷用電量PLoad(t)滿(mǎn)足：

式中PRed(t)為區(qū)域電網(wǎng)總?cè)哂嚯娏?，也是所能夠?yàn)殡妱?dòng)汽車(chē)提供的電能電量上限值，即

區(qū)域電網(wǎng)的理想狀態(tài)為PRed(t)=PEV(t)，任意時(shí)刻區(qū)域電網(wǎng)總?cè)哂嚯娏縋Red(t)與接入的電動(dòng)汽車(chē)總需求電量PEV(t)相等，既保證分布式能源的發(fā)電量PDG(t)全部被消納，也滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)的充電需求PEV(t)，還能維持電網(wǎng)的穩(wěn)定。

3）每臺(tái)電動(dòng)汽車(chē)所需電量pEV(t)為當(dāng)天消耗電能，且在當(dāng)天進(jìn)行補(bǔ)充。車(chē)主可以選擇區(qū)域范圍內(nèi)任意充電站進(jìn)行充電。電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)入充電站時(shí)刻為一個(gè)周期結(jié)束或開(kāi)始時(shí)刻，進(jìn)入充電站立即接入開(kāi)始充電，充電時(shí)常為周期時(shí)常t的整數(shù)倍。所有電動(dòng)汽車(chē)實(shí)行恒功率充電，且瞬時(shí)功率相同，每臺(tái)電動(dòng)汽車(chē)需求電量pEV的差異在于充電所需充電周期T的數(shù)量。電動(dòng)汽車(chē)任意時(shí)刻的總需求電量PEV(t)與并網(wǎng)充電的電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量m相關(guān)，即

充電站任意時(shí)刻能夠接入的電動(dòng)汽車(chē)受其充電樁設(shè)備功率pSta(t)限制，但區(qū)域范圍內(nèi)所有充電站的總設(shè)備功率PSta(t)（能夠同時(shí)接入的電動(dòng)汽車(chē)充電功率）滿(mǎn)足：

保證任意時(shí)刻區(qū)域電網(wǎng)總?cè)哂嚯娏縋Red(t)能夠全部通過(guò)充電站轉(zhuǎn)化為電動(dòng)汽車(chē)所能利用的電能。

4）電動(dòng)汽車(chē)電能的補(bǔ)充規(guī)律與車(chē)主的用車(chē)習(xí)慣有關(guān)。在無(wú)電價(jià)調(diào)整引導(dǎo)情況下，車(chē)主習(xí)慣性前往距離近的（或熟悉的）充電站，按照自己的時(shí)間規(guī)劃進(jìn)行充電，區(qū)域內(nèi)所有電動(dòng)汽車(chē)具有相對(duì)固定的充電規(guī)律f(t，d)，充電時(shí)刻和位置相對(duì)固定。

當(dāng)采用充電價(jià)格引導(dǎo)時(shí)，主要是調(diào)整電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主的充電時(shí)刻和前往的充電站，以滿(mǎn)足PRed(t)=PEV(t)。假設(shè)充電價(jià)格變化對(duì)所有車(chē)主的影響相同，也就是在相同價(jià)格變化引導(dǎo)下，愿意前往的充電站距離和充電時(shí)刻調(diào)節(jié)意愿相同，則此時(shí)受充電價(jià) 格引導(dǎo)的區(qū)域內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)充電規(guī)律為f(t(KSta))，d(KSta)。充電站電價(jià)KSta(t)的調(diào)s節(jié)在時(shí)間上受區(qū)域電網(wǎng)總?cè)哂嚯娏縋Red(t)和電動(dòng)汽車(chē)總需求電量PEV(t)的影響，在空間位置上與需進(jìn)行電能補(bǔ)充的電動(dòng)汽車(chē)分布和充電站分布有關(guān)，受時(shí)間和空間的雙重約束。

1.2 目標(biāo)函數(shù)

電動(dòng)汽車(chē)和分布式能源并網(wǎng)的前提是電網(wǎng)穩(wěn)定，任意時(shí)刻區(qū)域范圍內(nèi)用電量和發(fā)電量平衡PRed(t)=PEV(t)，確保分布式能源的全部消納。目標(biāo)保障區(qū)域范圍內(nèi)所有充電站每天的收益DSta，j，即

1.3 特性分析

圖1（a）所示為區(qū)域范圍某一天的各主體（不包括電動(dòng)汽車(chē)）的發(fā)電量和耗電量隨時(shí)間的變化規(guī)律。由式（2）可知區(qū)域外部電網(wǎng)供電量PGrid(t)、區(qū)域內(nèi)光伏發(fā)電量PPho(t)和風(fēng)力發(fā)電量PWind(t)總和扣除區(qū)域內(nèi)基本負(fù)荷用電量PLoad(t)則為區(qū)域電網(wǎng)總?cè)哂嚯娏縋Red(t)，也就是可供電動(dòng)汽車(chē)充電的電量，如圖1（b）綠色曲線(xiàn)所示。圖1（b）中另一條曲線(xiàn)（紅色）顯示的是區(qū)域內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)總需求電量PEV(t)隨時(shí)間的變化。兩條曲線(xiàn)所包圍面積相交部分（區(qū)域）為區(qū)域電網(wǎng)總?cè)哂嚯娏縋Red(t)被電動(dòng)汽車(chē)及時(shí)消納部分，區(qū)域?yàn)閰^(qū)域電網(wǎng)總?cè)哂嚯娏縋Red(t)被電動(dòng)汽車(chē)消納后剩余電量，區(qū)域?yàn)閰^(qū)域電網(wǎng)總?cè)哂嚯娏縋Red(t)滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)需求所缺少的電量。

圖1 區(qū)域內(nèi)某一天的電量隨時(shí)間變化Fig.1 Power changes with time in a region within a day

1.3.1 無(wú)電價(jià)引導(dǎo)

在充電站電價(jià)保持恒定，不隨時(shí)間和位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主更趨向?qū)ふ易罱模ɑ蚋虻模┏潆娬窘o電動(dòng)汽車(chē)充電，按照相對(duì)固定的充電規(guī)律f(t，d)給電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行電能補(bǔ)充，會(huì)造成局部充電站持續(xù)高負(fù)荷運(yùn)行，甚至車(chē)輛長(zhǎng)時(shí)間排隊(duì)現(xiàn)象，而另一部分充電站利用率低的情況。區(qū)域電網(wǎng)總電量冗余與電動(dòng)汽車(chē)總需求電量PEV()t隨時(shí)間變化如圖1（b）所示，無(wú)法在時(shí)間上保持動(dòng)態(tài)平衡，必然會(huì)導(dǎo)致分布式電源發(fā)電量PDG(t)無(wú)法全部并網(wǎng)消納以及某些時(shí)間段電動(dòng)汽車(chē)總需求電量PEV(t)不足等問(wèn)題，甚至造成電網(wǎng)的波動(dòng)。

1.3.2 電價(jià)動(dòng)態(tài)引導(dǎo)

由式（1）可知區(qū)域電網(wǎng)總?cè)哂嚯娏縋Red(t)和區(qū)域電網(wǎng)總?cè)哂嚯娏縋Red(t)相等，充電站價(jià)格依據(jù)時(shí)間和充電站所處位置進(jìn)行調(diào)整，一方面是引導(dǎo)區(qū)域范圍內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)的充電需求電量在時(shí)間上進(jìn)行調(diào)整，修正區(qū)域電網(wǎng)總?cè)哂嚯娏縋Red(t)在時(shí)間和幅度（電動(dòng)汽車(chē)總需求電量PEV(t)在時(shí)間上）上重新排布，與區(qū)域電網(wǎng)總?cè)哂嚯娏縋Red(t)完全重合，實(shí)現(xiàn)PRed(t)=PEV(t)，區(qū)域電網(wǎng)總?cè)哂嚯娏縋Red(t)與電動(dòng)汽車(chē)總需求電量PEV(t)動(dòng)態(tài)平衡，確保分布式能源發(fā)電量PDG(t)全部并網(wǎng)消納以及電網(wǎng)穩(wěn)定。另一方面由于每個(gè)充電站所能提供的充電功率pSta受限于安裝的充電樁數(shù)量和線(xiàn)路能夠承受的負(fù)荷，任意時(shí)刻可接入的電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量有限。充電站的充電價(jià)格根據(jù)空間位置分布進(jìn)行差異化調(diào)整，引導(dǎo)車(chē)主前往不同充電站進(jìn)行電能補(bǔ)充，避免局部聚集性充電現(xiàn)象，滿(mǎn)足區(qū)域電網(wǎng)總?cè)哂嚯娏縋Red(t)的消納以及電動(dòng)汽車(chē)接入數(shù)量的要求，保障區(qū)域內(nèi)所有充電站的效益。

上述模型特性分析中，區(qū)域范圍內(nèi)分布的充電站需要統(tǒng)一進(jìn)行差異化電價(jià)的調(diào)整，才能合理地引導(dǎo)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行分時(shí)分散的充電，保障分布式能源的全部消納和電動(dòng)汽車(chē)的充電需求，以及區(qū)域范圍內(nèi)所有充電站的利益。如何進(jìn)行充電站電價(jià)統(tǒng)一的波動(dòng)調(diào)整是該策略實(shí)施的關(guān)鍵。傳統(tǒng)方式是委派公正的第三方，采用中心制的協(xié)調(diào)策略；新方案是基于全民參與和監(jiān)督機(jī)制的區(qū)塊鏈技術(shù)，所有節(jié)點(diǎn)（區(qū)域內(nèi)分散的充電站）均參與交易的記錄和監(jiān)督，進(jìn)行協(xié)商調(diào)價(jià)。

2 中心制協(xié)調(diào)策略及潛在合謀風(fēng)險(xiǎn)

2.1 中心制協(xié)調(diào)方案

基于公正的第三方所采用的中心制協(xié)調(diào)策略對(duì)充電站電價(jià)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而引導(dǎo)電動(dòng)汽車(chē)及分散式充電的執(zhí)行方案示意圖如圖2所示。調(diào)價(jià)中心依據(jù)區(qū)域電網(wǎng)總?cè)哂嚯娏?、充電站分布、電?dòng)汽車(chē)總需求電量和分布等信息對(duì)區(qū)域內(nèi)的充電站電價(jià)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)整，然后統(tǒng)一發(fā)送給所有充電站和車(chē)主，引導(dǎo)車(chē)主前往不同充電站進(jìn)行充電。

圖2 基于中心制充電站電價(jià)協(xié)調(diào)引導(dǎo)下的電動(dòng)汽車(chē)充電執(zhí)行方案Fig.2 Charging scheme of electric vehicles coordinated by the charging station electricity prices based on unified system

調(diào)價(jià)中心對(duì)充電站電價(jià)的調(diào)整主要有兩種模式，如圖3所示。一種方式是調(diào)價(jià)中心依據(jù)每個(gè)充電站正在充電的電動(dòng)汽車(chē)信息，結(jié)合區(qū)域電網(wǎng)總?cè)哂嚯娏俊⑾乱恢芷谛枰M(jìn)行充電的電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量和分布，綜合調(diào)整不同位置充電站的電價(jià)。另一種方式是區(qū)域內(nèi)充電站根據(jù)站內(nèi)充電的電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量以及電價(jià)等信息，主動(dòng)向調(diào)價(jià)中心申請(qǐng)?jiān)撜镜膬r(jià)格調(diào)整，調(diào)價(jià)中心對(duì)調(diào)價(jià)申請(qǐng)予以評(píng)估后進(jìn)行批準(zhǔn)或拒絕，從而確定下一周期該站的價(jià)格是否發(fā)生變動(dòng)。

2.2 特性及潛在合謀風(fēng)險(xiǎn)

圖3所示為中心制協(xié)調(diào)策略中的充電站電價(jià)調(diào)整流程，調(diào)價(jià)中心作為唯一的信息收集和充電價(jià)格發(fā)布中心，信息上傳和下發(fā)流程相對(duì)簡(jiǎn)潔，能夠提升相應(yīng)信息傳遞的速度，確保信息更新的及時(shí)性。調(diào)價(jià)中心還能夠全局掌控區(qū)域內(nèi)所有充電站的實(shí)時(shí)信息狀態(tài)，迅速對(duì)不同位置充電站價(jià)格進(jìn)行調(diào)整，有利于區(qū)域電網(wǎng)總?cè)哂嚯娏康南{和電網(wǎng)穩(wěn)定。

圖3 中心制的充電站電價(jià)調(diào)整流程Fig.3 Adjustment flowchart of charging station electricity prices based on unified system

信息全部集中于調(diào)價(jià)中心，調(diào)價(jià)中心需要具備相應(yīng)的硬件設(shè)備對(duì)海量信息進(jìn)行處理、判斷及存儲(chǔ)。隨著區(qū)域范圍內(nèi)充電站及電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量的增加，充電站的算力和存儲(chǔ)容量也需同步增加。由于調(diào)價(jià)中心作為唯一的充電站電價(jià)調(diào)整決策機(jī)構(gòu)，一方面難以實(shí)現(xiàn)信息完全公開(kāi)透明，另一方面電價(jià)的調(diào)整不可避免受工作人員意識(shí)的影響。電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)允許一定范圍內(nèi)的波動(dòng)，如只滿(mǎn)足區(qū)域電網(wǎng)總?cè)哂嚯娏康娜肯{，利用充電站的充電價(jià)格引導(dǎo)電動(dòng)汽車(chē)充電的調(diào)價(jià)方案將有多種。調(diào)價(jià)中心的工作人員在進(jìn)行方案制定時(shí)更趨向于簡(jiǎn)單或熟悉的調(diào)價(jià)策略，以確保方案的正確并減少工作量，難以保證每次都最利于區(qū)域內(nèi)所用充電站的利益。若調(diào)價(jià)中心工作人員與某充電站有關(guān)聯(lián)時(shí)，無(wú)論是基于綜合調(diào)度還是充電站申請(qǐng)審批形式的調(diào)價(jià)方案制定，該工作人員總會(huì)在允許范圍內(nèi)更偏向與自己有關(guān)聯(lián)的充電站，提升該充電站的利益，從而形成合謀。受工作人員的主觀意識(shí)或者是合謀干擾下的調(diào)價(jià)方案，都只會(huì)有利于局部充電站的利益，而損耗區(qū)域范圍內(nèi)其他充電站的利益。不同充電站之間為了利益，也可能組成小團(tuán)體形成合謀，通過(guò)私下協(xié)商電價(jià)、向中心傳遞誤導(dǎo)信息等形式謀取自身利益。

3 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的協(xié)調(diào)策略

3.1 合約制協(xié)調(diào)策略

本文所提出的基于區(qū)塊鏈技術(shù)的充電站電價(jià)協(xié)調(diào)引導(dǎo)電動(dòng)汽車(chē)充電方案如圖4所示。

圖4 基于區(qū)塊鏈技術(shù)合約制的充電站電價(jià)協(xié)調(diào)引導(dǎo)下的電動(dòng)汽車(chē)充電執(zhí)行方案Fig.4 Charging scheme of electric vehicle coordinated by charging station electricity prices based on blockchain contract system

利用區(qū)塊技術(shù)替代傳統(tǒng)公正的第三方監(jiān)管和統(tǒng)一價(jià)格調(diào)整，實(shí)施全民參與制，區(qū)域范圍內(nèi)的所有充電站遵循智能合約，并參與充電站電價(jià)調(diào)整的審查、記錄和監(jiān)管。各充電站的電價(jià)都是通過(guò)“電價(jià)調(diào)整申請(qǐng)-智能合約審批-全民記錄和監(jiān)督-電價(jià)調(diào)整下發(fā)”的方式進(jìn)行調(diào)整，無(wú)調(diào)價(jià)中心的統(tǒng)一管控。

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的充電站電價(jià)調(diào)整機(jī)制的具體流程如圖5所示。智能合約以區(qū)域電網(wǎng)總?cè)哂嚯娏颗c電動(dòng)汽車(chē)所需電量在任意時(shí)刻保持動(dòng)態(tài)平衡為基礎(chǔ)，電網(wǎng)穩(wěn)定為前提，由區(qū)域內(nèi)所有充電站參與制定并遵守。區(qū)域內(nèi)充電站根據(jù)目前及下一周期電動(dòng)汽車(chē)在站充電情況及電價(jià)信息發(fā)起調(diào)價(jià)申請(qǐng)。智能合約實(shí)時(shí)收集區(qū)域內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)充電信息、區(qū)域電網(wǎng)總?cè)哂嚯娏恳约半妱?dòng)汽車(chē)總充電需求等信息為參考，對(duì)調(diào)價(jià)申請(qǐng)進(jìn)行審批，當(dāng)調(diào)價(jià)申請(qǐng)滿(mǎn)足既定的智能合約要求即通過(guò)，否則予以駁回。調(diào)價(jià)申請(qǐng)被智能合約審批通過(guò)后，所提出申請(qǐng)的充電站需構(gòu)建新區(qū)塊，用以保存此次該站的調(diào)整記錄并通告區(qū)域范圍內(nèi)所有充電站，所用充電站將參與新區(qū)塊信息的記錄和監(jiān)督。

圖5 基于區(qū)塊鏈技術(shù)合約制的充電站電價(jià)協(xié)調(diào)策略Fig.5 Adjustment strategy of charging station electricity prices based on blockchain contract system

某一充電站提出調(diào)價(jià)申請(qǐng)，必然是該價(jià)格在下一個(gè)充電周期更有利于該站的收益，故區(qū)域范圍內(nèi)所有充電站相互之間都是競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。當(dāng)某一充電站的充電價(jià)格變化必然會(huì)影響其他充電站的利益，因此其他充電站也會(huì)提出調(diào)價(jià)申請(qǐng)，只有當(dāng)區(qū)域范圍內(nèi)所有充電站的利益均衡，都得到保障，各充電站的價(jià)格方案才能夠被確定下來(lái)，然后傳遞到區(qū)域范圍內(nèi)各充電站和電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主，引導(dǎo)電動(dòng)汽車(chē)前往不同的充電站進(jìn)行充電。

3.2 智能合約

在圖5所示的基于區(qū)塊鏈技術(shù)合約制的充電站電價(jià)協(xié)調(diào)策略中，智能合約是核心，是調(diào)價(jià)方案制定的公平性、速度性和有效性的保障，也是區(qū)域范圍內(nèi)所有充電站利益的保障，還關(guān)系到區(qū)域電網(wǎng)的穩(wěn)定以及電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主的利益。故在智能合約的制定初期將由區(qū)域電網(wǎng)、電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主和充電站共同協(xié)商制定，將充電價(jià)格制定在一個(gè)電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主和充電站都能接受的范圍內(nèi)，也是后續(xù)價(jià)格調(diào)整引導(dǎo)電動(dòng)汽車(chē)分散充電方案能夠順利執(zhí)行的前提。隨著區(qū)域電動(dòng)汽車(chē)和充電站的發(fā)展，智能合約需要修改時(shí)也必須取得三方同意。智能合約制定后，將由區(qū)域范圍內(nèi)所有充電站遵守執(zhí)行，參與記錄和監(jiān)督，電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主和區(qū)域電網(wǎng)參與監(jiān)督。

各充電站的價(jià)格都是為了保障自身利益采用“申請(qǐng)-審批-通告”的方式進(jìn)行調(diào)整。為了提升價(jià)格調(diào)整方案確定的速率，在智能合約中須對(duì)各充電站一個(gè)充電周期內(nèi)總申請(qǐng)次數(shù)、有效申請(qǐng)時(shí)間段、不合理申請(qǐng)?zhí)幜P等制定相關(guān)規(guī)定，以此提升每次申請(qǐng)的有效性和合理性，減少需處理的信息量。各充電站在允許時(shí)間內(nèi)所審批通過(guò)的價(jià)格調(diào)整只在各充電站之間進(jìn)行通告，當(dāng)價(jià)格調(diào)整方案確定以及允許提出調(diào)價(jià)申請(qǐng)時(shí)間結(jié)束以后，才將調(diào)整后的各充電站價(jià)格統(tǒng)一下發(fā)至各充電站和電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主，精簡(jiǎn)信息傳遞流程，也避免價(jià)格信息混亂。

3.3 合謀緩解

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的合約制充電站電價(jià)協(xié)調(diào)策略無(wú)中心制的調(diào)價(jià)中心，由智能合約依據(jù)既定條款對(duì)各充電站的調(diào)價(jià)申請(qǐng)進(jìn)行審批，避免了人為意志對(duì)調(diào)價(jià)方案的干擾，消除了人為合謀風(fēng)險(xiǎn)?；趨^(qū)塊鏈技術(shù)的協(xié)調(diào)策略中形成合謀的條件是有超過(guò)半數(shù)的參與主體達(dá)成一致。充電站的充電價(jià)格統(tǒng)一按照“申請(qǐng)-審批-通告”的方式進(jìn)行調(diào)整，各充電站的充電價(jià)格彼此透明，為了維護(hù)本站的利益，各站之間處于相互競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系，在公平競(jìng)爭(zhēng)調(diào)價(jià)策略限制下，各站都會(huì)盡力爭(zhēng)取本站利益。另一方面，智能合約由電網(wǎng)、充電站和電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主共同參與制定，各參與主體之間的利益相悖，特別是充電站和車(chē)主之間。因此隨著充電站和電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量的增多，聯(lián)合部分充電站進(jìn)行合謀獲利的可能性不斷降低。另外由于智能合約由區(qū)域電網(wǎng)、電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主和充電站共同制定和監(jiān)督，并且每次調(diào)價(jià)記錄都會(huì)在各充電站進(jìn)行記錄，也能夠保障電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主的利益以及電網(wǎng)的穩(wěn)定，各充電站每次的調(diào)價(jià)信息可追溯，且能防篡改，為不正當(dāng)?shù)恼{(diào)價(jià)判定提供可靠證明，避免惡性競(jìng)爭(zhēng)。

4 案例分析

為了驗(yàn)證本文所提出策略的正確性，采用相關(guān)案例進(jìn)行驗(yàn)證。由于部分實(shí)際數(shù)據(jù)無(wú)法獲取或使用，案例中的數(shù)據(jù)都是在合理范圍內(nèi)的假設(shè)數(shù)據(jù)和處理后數(shù)據(jù)。對(duì)電量數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)段時(shí)間均值化，就是在一段時(shí)間內(nèi)假設(shè)其數(shù)據(jù)保持不變。圖6所示為區(qū)段時(shí)間t=1 h的區(qū)域電網(wǎng)總?cè)哂嚯娏颗c電動(dòng)汽車(chē)總需求電量隨時(shí)間變化。

圖6 電量數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)段時(shí)間均值化后的區(qū)域電網(wǎng)總?cè)哂嚯娏颗c電動(dòng)汽車(chē)總需求電量隨時(shí)間變化Fig.6 Change of totalpower demand of electric vehicle and reluctant power of regionalpower grid with time after sectional averaging of power data

為了簡(jiǎn)化驗(yàn)證過(guò)程，還做進(jìn)行了如下假設(shè)：

1）假設(shè)電網(wǎng)供給充電站的電價(jià)保持不變?yōu)?.5元/kWh，電動(dòng)汽車(chē)充電的基礎(chǔ)電價(jià)為1.51元/kWh，充電價(jià)的調(diào)節(jié)幅度為±0.5元/kWh。

2）假設(shè)電動(dòng)汽車(chē)分散，在價(jià)格引導(dǎo)時(shí)最近的充電站就有剩余充電位滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)充電要求，無(wú)需行駛更遠(yuǎn)距離。

3）區(qū)塊鏈技術(shù)的作用是保證各主體共同參與電價(jià)的制定，避免局部合謀的惡性競(jìng)爭(zhēng)。已假設(shè)所有受調(diào)節(jié)的電動(dòng)汽車(chē)都可以到就近的充電站進(jìn)行充電，故可以假設(shè)所有電站電價(jià)都相同，由各主體依據(jù)電網(wǎng)總?cè)哂嚯娏抗餐瑓f(xié)商制定。

4）任意時(shí)刻充電價(jià)格的變化與能夠調(diào)節(jié)的電動(dòng)汽車(chē)功率之間的關(guān)系保持不變。

5）區(qū)域電網(wǎng)總?cè)哂嚯娏颗c電動(dòng)汽車(chē)總需求電量相等。這個(gè)假設(shè)可以通過(guò)調(diào)節(jié)電網(wǎng)輸入此區(qū)域的基礎(chǔ)電量予以滿(mǎn)足。

基于以上假設(shè)，可得出任意時(shí)刻需要進(jìn)行調(diào)節(jié)的電動(dòng)汽車(chē)功率為

式中：P1為任意時(shí)刻區(qū)域電網(wǎng)總?cè)哂喙β?；P2為電動(dòng)汽車(chē)總需求功率；ΔP＞0表明區(qū)域電網(wǎng)總?cè)哂喙β蚀笥陔妱?dòng)汽車(chē)總需求功率，需要更多的電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行充電；ΔP＜0則表明需要減少進(jìn)行充電的電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量。

基于基礎(chǔ)電價(jià)的充電站電價(jià)為：

式中：M為實(shí)際的充電價(jià)格；ΔM為電價(jià)調(diào)價(jià)量；當(dāng)ΔM＞0表明充電價(jià)格上漲，ΔM＜0為下降。

定義充電站電價(jià)與能夠調(diào)節(jié)的電動(dòng)汽車(chē)功率之間的關(guān)系為：

已知任意時(shí)刻需要調(diào)節(jié)的電動(dòng)汽車(chē)功率和電價(jià)的調(diào)節(jié)范圍。在電價(jià)調(diào)節(jié)功率最大時(shí)達(dá)到電價(jià)最大調(diào)節(jié)值時(shí)最佳。依據(jù)圖6以及前面的假設(shè)可求得ξ=|ΔPmax|/0.5=19.32 MW/元，則P3=-19.32ΔM。

基于以上的假設(shè)和相關(guān)定義，在保證區(qū)域電網(wǎng)總?cè)哂嚯娏吭谌我鈺r(shí)刻恰好全部被電動(dòng)汽車(chē)充電所消耗情況下，需要調(diào)節(jié)的電動(dòng)汽車(chē)充電量與充電站電價(jià)的變化關(guān)系如圖7所示。本文的假設(shè)中電價(jià)調(diào)節(jié)與能夠引導(dǎo)的電量之間為線(xiàn)性關(guān)系，圖7中充電站電價(jià)變化與電動(dòng)汽車(chē)充電量變化之間為堆成關(guān)系。在利用電價(jià)引導(dǎo)電動(dòng)汽車(chē)充電過(guò)程中，關(guān)于電價(jià)與充電量變動(dòng)之間的關(guān)系需考慮電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主的意愿、時(shí)間成本、距離充電站的距離等多種主觀和客觀影響因素，是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖7 需要調(diào)節(jié)的電動(dòng)汽車(chē)充電量與充電站電價(jià)的變化關(guān)系Fig.7 Relationship between the capacities of electric vehicle to be regulated and the charging station electricity prices

在保持充電站充電價(jià)格不變和根據(jù)區(qū)域電網(wǎng)總?cè)哂嚯娏颗c電動(dòng)汽車(chē)總需求電量之間的關(guān)系進(jìn)行充電價(jià)格調(diào)節(jié)引導(dǎo)后的電動(dòng)汽車(chē)全天充電量變化如圖8所示。充電站電價(jià)的調(diào)整主要目的是全部消納區(qū)域電網(wǎng)總?cè)哂嚯娏浚释ㄟ^(guò)電價(jià)調(diào)整，電動(dòng)汽車(chē)充電量與區(qū)域電網(wǎng)總?cè)哂嚯娏咳我鈺r(shí)刻正好相等。在保持充電站電價(jià)不變情況下，電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主按照自己的充電習(xí)慣進(jìn)行充電。當(dāng)區(qū)域電網(wǎng)總?cè)哂嚯娏看笥诖藭r(shí)電動(dòng)汽車(chē)總需求電量，則可以滿(mǎn)足所有電動(dòng)汽車(chē)充電需求；當(dāng)區(qū)域電網(wǎng)總?cè)哂嚯娏啃∮诖藭r(shí)電動(dòng)汽車(chē)總需求電量時(shí)，只能滿(mǎn)足部分車(chē)主充電需求，此時(shí)充電功率為區(qū)域電網(wǎng)所冗余功率。在這個(gè)過(guò)程中我們未考慮由于區(qū)域電網(wǎng)充電功率限制而被迫轉(zhuǎn)移其他時(shí)間段進(jìn)行充電的情況。

圖8 電動(dòng)汽車(chē)充電量與充電價(jià)格之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.8 Relationship between the capacities of electric vehicle with charging prices

圖9為電價(jià)調(diào)節(jié)引導(dǎo)前后區(qū)域所有充電站收益的變化。在區(qū)域電網(wǎng)總?cè)哂嚯娏看笥陔妱?dòng)汽車(chē)總需求電量時(shí)間段內(nèi)，價(jià)格變化引導(dǎo)更多的車(chē)主充電。降低了充電價(jià)格，但充電總量上升，總收益和凈收益也提升。當(dāng)區(qū)域電網(wǎng)總?cè)哂嚯娏坎蛔銜r(shí)，通過(guò)充電價(jià)格的提升來(lái)提升收益。故充電價(jià)格變化后在全天任意時(shí)刻的總收益和凈收益都要高于價(jià)格未發(fā)生變化的收益。所需調(diào)節(jié)的電動(dòng)汽車(chē)功率ΔP越大，也就是價(jià)格調(diào)整得越多，這種差異越明顯。充電價(jià)格不變情況下，區(qū)域所有充電站一天的總收益為22.23萬(wàn)元，凈收益為14.82萬(wàn)元；采用價(jià)格引導(dǎo)策略后總收益為28.19萬(wàn)元，凈收益為18.21萬(wàn)元。

圖9 電價(jià)調(diào)節(jié)引導(dǎo)前后區(qū)域所有充電站的收益變化曲線(xiàn)Fig.9 Income before and after the adjustment of electricity price

由于案例中價(jià)格調(diào)整引導(dǎo)電動(dòng)汽車(chē)充電的前提條件就是全部消納區(qū)域電網(wǎng)總?cè)哂嚯娏?，故價(jià)格調(diào)整策略受限保障了電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。從案例分析的結(jié)果中還可以發(fā)現(xiàn)，此策略對(duì)提升區(qū)域所有充電站總體收益和滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主充電需求也有重要作用。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的充電站電價(jià)協(xié)調(diào)策略，用以解決電動(dòng)汽車(chē)和分布式能源并網(wǎng)導(dǎo)致電網(wǎng)波動(dòng)的問(wèn)題。通過(guò)區(qū)域范圍內(nèi)充電站電價(jià)的協(xié)調(diào)，改變電動(dòng)汽車(chē)固有充電規(guī)律，引導(dǎo)電動(dòng)汽車(chē)調(diào)整充電時(shí)段前往不同的充電站進(jìn)行充電，保持區(qū)域電網(wǎng)總?cè)哂嚯娏颗c電動(dòng)汽車(chē)總需求電量的動(dòng)態(tài)平衡，實(shí)現(xiàn)分布式電源發(fā)電量全部被電網(wǎng)消納，維持電網(wǎng)穩(wěn)定。以智能合約為約束，“申請(qǐng)-審批-通告”式的充電站電價(jià)調(diào)整策略，實(shí)現(xiàn)了各充電站價(jià)格透明，避免了人為意志的干擾，促進(jìn)了充電站之間的良性競(jìng)爭(zhēng)，能夠有效保障區(qū)域范圍內(nèi)所有充電站的利益，降低合謀風(fēng)險(xiǎn)。