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基于区块链和机器学习的分散式电力交易研究.pdf
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1、【136】第45卷 第08期 2023-08收稿日期:2022-04-25基金项目:浙江华云信息科技有限公司科技项目(p202001-010153-0076)作者简介:陈江尧(1982-),男,浙江杭州人,工程师,学士,主要从事电力系统自动化工作。基于区块链和机器学习的分散式电力交易研究Decentralized power trading based on blockchain and machine learning陈江尧1*,穆海伦2,裘雨音3,俞佳乐1,翁胜平1CHEN Jiang-yao1*,MU Hai-lun2,QIU Yu-yin3,YU Jia-le1,WENG Sheng-
2、ping1(1.浙江华云信息科技有限公司,杭州 310012;2.杭州电子科技大学计算机学院,杭州 310018;3.国网浙江省电力有限公司,杭州 310012)摘 要:联网电动汽车可以通过其充电或放电操作来帮助电网稳定,还能够用来进行分散式电力交易。所以提出了一种基于区块链、机器学习和博弈论模型的联网电动汽车停车场进行电力交易研究。在提出的能源交易系统中,假设使用具有安全隐私保护机制的高效通信网络系统来链接交易系统中的所有参与者。设计了一个基于随机竞价流程的分布式智能合约解决方案,帮助联网电动汽车以最大的盈利能力买卖电力,优化了联网电动汽车的利润率,提高了智能合约的效率。模型考虑了电力交易系
3、统中结合区块链、机器学习和博弈论的模型,提出了在联网电动汽车之间的停车场采用分散的电力交易框架(DETF)。将为了证明方案的性能,提出的HLProfitX算法与PETCON进行了比较,并证明了解决方案的有效性。关键词:电力市场;区块链;机器学习;联网电动汽车;移动发电厂中图分类号:TP311.13;F426.61 文献标志码:A 文章编号:1009-0134(2023)08-0136-050 引言目前电动汽车保有量逐年递增,2015年我国新能源汽车保有量42万辆,其中纯电动汽车33万辆。到2019年新能源汽车达到381万辆,其中纯电动汽车310辆。到2020年由于受到疫情的影响,截至6月份新能
4、源汽车保有量417万辆1。随着电动汽车保有量的逐年递增,其智能性和安全性越来越受到人们的重视。这些要求都可以通过智能的电池管理系统来完成2。并且联网电动汽车可以帮助城市管理公共安全、公共服务、公共交通和电力能源相关的几个问题。联网电动汽车可以通过其充电或放电操作来帮助电网稳定3,4。联网电动汽车还可以减少变压器的过载情况,并提供辅助服务,如频率和电压波动调节5,6。区块链可以简单地用于促进微电网和联网电动汽车之间的电力交易从而成为城市中的移动发电厂7。博弈论(GT)模型基于竞价策略和个人偏好,可以深入的了解市场的竞争态势8。此外,双重拍卖模型呈现出非线性,与实证方法相比,分析阶段的复杂性增加9
5、。通过分析执行过程机器学习机制有望通过新功能来识别或更新变量并将其合并到迭代中,从而提高迭代算法的效率10,13。在电力交易中将机器学习添加到区块链中可以对市场数据提供更深入分析,并且可以为智能合约带来更高的效率,从而提高参与者的盈利能力。在本文中,提出了一个基于区块链和机器学习的联网电动汽车停车场交易电力框架。本文是第一个考虑在电力交易系统中结合区块链、机器学习和博弈论的模型,提出了在联网电动汽车之间的停车场采用分散的电力交易框架(DETF)。1 电力交易1.1 联网电动汽车根据国际能源署(IEA)的数据,到2016年底,全球混合动力和电池电动汽车的数量增长到200万辆电动汽车。预计到203
6、0年,这一数字将达到6000万。因此,联网电动汽车的高渗透率使电力管理更具挑战性14。为了解决这一想法,联网电动汽车整合到智慧城市的设施必须以围绕数据交换和电力管理,然后从促进经济和社会福利问题的方式进行设计。联网电动汽车可以轻松的成为电力交易部署以及围绕充电需求的高效新商业模式的绝佳候选者。它可以通过取代微电网系统中的中央服务(如负载平衡、DR管理、频率和电压调节等)来被视为电力和数据分散的推动者。目前电力系统是邻国之间建立有效的能源交易过程的主要障碍。首先,因为它使用了一个集中式架构,该架构要求邻国在低价支付之前将电力卖回电网。其次,它迫使卖家和买家在交易过程中暴露他们的真实个人资料信息,
7、这对于联网电动汽车用户的隐私和停车场安全至关重要,这是该市全球安全的一部分。通过吸引投资者和政府的区块链技术就有望解决这些问题并改变开展业务的方式。最近,智能电网背景下能源交易的文献综述非常广泛,以集中和分布式的方式涵盖了能源管理的各个方面。这些机制显示了它们的局限性,特别是当个人参与者希望第45卷 第08期 2023-08【137】买卖双方之间的竞标过程在公开市场中交易具有实时约束。事实上,强迫所有参与者使用受监管的电价时,除了非竞争性业务流程之外,用户的个人数据保护也存在一个真正的问题。因此本文提出了一种基于博弈论方法的微电网能源交易模型。除了所有参与者之间使用的聚合机制外,该方案的经济策
8、略还考虑了降低电压稳定性对每个参与者的影响。为了应对集中式架构的问题,一些研究集中在点对点(P2P)交易能源上。事实上,为了降低电动汽车渗透率对智能电网的影响及其每日总能源成本,提出了电动汽车之间的P2P能源交易系统。该计划没有考虑到在适用业务模式的背景下为提供商提供最大化利益。1.2 区块链的电力交易区块链作为一种新的分布式网络,突出了四个主要特征:数据完整性、安全性、可信性和分散化方法。区块链有望通过发展电力交易,特别是P2P能源交易,实现电网现代化,并成为能源行业的一部分15。许多使用区块链解决分散式电力管理的工业方法已经开始。事实上,太阳能电池板提供的电力可以在家庭邻居之间进行交易,并
9、且基于以区块链的智能合约用于能源和支付交易。使用区块链来开发公共供应站和电动汽车(EV)之间的互动。有一些研究将能源管理与区块链技术相匹配,提出了基于区块链的虚拟分布式电网,允许家庭与邻居进行能源交易。还介绍了能源互联网(IoE)背景下的区块链应用。由于现在并没有完整的系统使得电动汽车之间进行直接的交易。基于此,本文提出了一种能够通过区块链交换能源的车联网(IoV)系统,以监督和管理能源交易过程。用于智能社区中的安全电动汽车充电。在本文中,提出了一种基于区块链、机器学习和博弈论模型,建立了使用随机方法的联网电动汽车停车场之间的新型DETF。2 区块链在本节中,考虑一个如图1所示的系统,其中许多
10、联网电动汽车卖家和联网电动汽车电力竞标者共享区块链服务器配备的停车基础设施区域。此外,假设联网电动汽车可以在彼此之间进行无线通信,并且假设每个联网电动汽车都配备了自己的智能电表,该电表决定了一段时间内销售或购买的电量。此外,联网电动汽车卖家和投标人可以向区块链服务器发送和接收消息。假设一个基于Hyperledger平台的区块链,它提供了一种加密货币作为一种新的数字货币,用于管理能源信用,并在联网电动汽车之间货币化,可用于交易任何服务和商品。假设每个联网电动汽车都有一个唯一的标识号(IdN),该标识号在开始时被传送到区块链服务器当中。此外,所有参与者从区块链服务器接收用于寻址和发送签名交易的私有
11、加密密钥。并且区块链服务器可以验证和认图1 DETF的概念区块链架构证联网电动汽车的身份。此外,它还可以验证任何交易的真实性和隐私性。在本文中,将重点介绍拍卖机制,作为用于分散式电力交易系统的智能合约的一部分。本文的模型基于三个要素:联网电动汽车卖方、联网电动汽车投标人和智能合约。图1显示了DETF的电力交易架构。图2显示了DETF中使用的概念数据块。交易字段指定联网电动汽车买方和卖方之间的交换过程。当前块的创建时间和大小分别存储在时间戳和大小字段中。图2 DETF 中的概念数据块对于区块构建机制,在创建第一个区块之后,对停车场的电力交易感兴趣的参与者确保其身份后,它可以创建一个新的区块,将其
12、链接在网络上传播。由其他参与者接收此块,通过验证签名,检查哈希值并检查负载的有效性来继续验证。最后一个操作用于确保数据受到保护,防止未经授权的修改。有效的块将被添加到链中,并且不能被篡改。无效的块将从链中丢弃。在提出的能源交易系统中,假设使用具有安全隐私保护机制的高效通信网络系统来链接交易系统中的所有参与者。因此,认为联网电动汽车在本文中的隐私没有问题。在可靠性、性能和智能管理方面,DETF可能导致安全和隐私问题,例如网络攻击的风险,这对停车场的电力交易系统来说是一个具有挑战性的问题。联网电动汽车的隐私是保护有关联网电动汽车利益的做法,其他人无权查看此类数据。从技术上讲,隐私是一种保护个人数据
13、的机制,通常通过匿名化、混淆、差分隐私和加密来实现。在现实情况下,联网电动汽车的隐私问题可能会减慢DETF部署速度。DETF的通信系统需要提供安全的环境,使用隐私数据在联网电动汽车之间进行正确的执行交易。3 智能合约模型智能合约是一种数字协议,通过施加预定义的条款来简化不同参与者之间的协议流程。【138】第45卷 第08期 2023-08该合同必须由所有剩余方(联网电动汽车卖方和买方)接受,它是在与停车场的区块链服务器连接开始时签署。如图3所示,数据投标人由投标人配置文件,请求的电量、交易时间和价格组成。数据卖方由卖方配置文件表示联网电动汽车所有权的加密密钥,要出售的剩余电量和交易时间组成。每
14、个联网电动汽车买家都会向区块链提交多个投标。联网电动汽车买方最多需要一个卖方,假设同一个联网电动汽车卖方上不能存在重复出价。图3 CEV智能合约在下文中,将介绍本文中使用的拍卖技术的详细信息。假设一组联网电动汽车买家和相应的能量请求量、联网电动汽车卖家和相应的能量出售可以写如下:b1,2,N bNC=(1)12,bbbbNbPPPP=(2)1,2,N ssNC=(3)12,ssssNsPPPP=(4)每个联网电动汽车通过考虑其当前电池寿命、退化系数和放电深度(DoD)来计算购买或准备出售所需的功率量。为了简化模型,假设本文不考虑影响联网电动汽车电池寿命的因素,例如极端温度、过度充电、充电和放电
15、速率。3.1 拍卖模型在开放的本地电力市场中的能源交易将在收到以下信息后发生:1)联网电动汽车卖家专用于销售的能源;2)联网电动汽车买家所需的电力。联网电动汽车卖家的能源交易在很大程度上取决于所有参与者的行为以及他们在关税结构和时间方面的个人偏好。每个联网电动汽车卖家通常在公开市场的能源交易之前计算自己的收益。联网电动汽车卖家需要考虑不同的价格政策进行成本收益分析。如费率低于公用电价(rg)和价格高于公用电价后应该如何决战。因此,本地能源交易的速率(rfg)可以写如下:(5)在停车场开放的本地电力市场中,能源交易的优先级是基于不同汽车的能源短缺。事实上,要求能源最少的联网电动汽车在同一停车场从
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