基于区块链智能合约的充电站充电权优化配置系统的制作方法

本发明涉及的是一种电动汽车充电站充电控制领域的技术，具体是一种基于区块链智能合约的充电站充电权优化配置系统。
背景技术：
：随着化石燃料的逐渐枯竭，在国家新能源政策的扶持之下，电动汽车的保有量将不断攀升，大规模电动汽车接入电网充电将加大配网负荷峰谷差，导致变压器过载，威胁配网运行的安全稳定。但现有研究主要着眼于电动汽车个体的集中控制协调，然而随着电动汽车数量的迅速增长，该模式存在两个问题：一是控制中心运行成本高、运行效率低、决策耗时长，难以满足配网实时安全运行的需求；二是难以保证有序充电的公平性、透明性与信息对称性。技术实现要素：本发明针对现有电动汽车集中控制方法效率低，成本高，不安全透明的问题，提出一种基于区块链智能合约的充电站充电权优化配置系统，充电站需通过智能合约提交未来时段的充电需求，根据该时段的配电变压器容量限制，区块链首先以公平的方式按照配电容量计划分配初始充电权(充电功率配额)并确保设备不过载；为满足不同充电站的用电急迫性和弹性差异，区块链随后组织充电权的交易市场，利用双向拍卖与点对点(peer-to-peer，p2p)交易机制的激励，对于买方报价大于等于卖方报价的部分，由双向拍卖市场撮合匹配；无法通过双向拍卖撮合的报价通过p2p市场挂牌匹配。最终通过计划分配与市场激励的方式实现对充电权这一数字资产的优化配置，达到充电站充电优化控制的目的。本发明是通过以下技术方案实现的：本发明涉及一种基于区块链智能合约的充电站充电权优化配置系统，包括：充电权计划分配模块、双向拍卖模块、p2p配对模块以及交割结算模块，其中：充电权计划分配模块与双向拍卖模块相连并传输充电站用户充电权计划分配信息，双向拍卖模块与p2p配对模块并传输充电站用户充电权双向匹配信息，p2p配对模块与交割结算模块相连并传输充电站用户充电权p2p配对信息，交割结算模块完成充电权的交易结算及记录，从而实现信息的公开透明记录以及充电权的优化配置。所述的充电权计划分配模块通过部署在充电权优化配置系统中区块链上的智能合约实现功能，该充电权计划分配模块包括：标准设定单元、需求获取单元、裕度获取单元及充电权分配单元，其中：标准设定单元完成市场电价的设定以及充电权优化配置区块链内结算货币的发布，需求获取单元与裕度获取单元分别收集充电站的充电需求、保证金及变压器的容量裕度，充电权分配单元计划分配充电权。所述的双向拍卖模块通过部署在充电权优化配置系统中区块链上的智能合约实现功能，该双向拍卖模块包括：报价单元和匹配单元，其中：报价单元收集充电权购/售报价后，匹配单元对满足匹配条件的充电站进行充电权的转移和结算。所述的p2p配对模块通过部署在充电权优化配置系统中区块链上的智能合约实现功能，该p2p配对模块包括：查询单元、市价配对单元、限价配对单元及撤单单元，其中：查询单元反馈当前充电权最优投标，用户可选择自主利用市价配对单元、限价配对单元及撤单单元进行相应配对交易行为。所述的交割结算模块通过部署在充电权优化配置系统中区块链上的智能合约实现功能，该交割结算模块包括：电费结算单元和保证金结算单元。用户通过电费结算单元按照市场电价向电网公司结算与当前充电权对应的电费，并通过保证金退还单元取回剩余保证金。本发明涉及上述系统的实现方法，电网公司首先在区块链上部署实现上述模块的智能合约，并利用标准设定单元确定交割时段市场电价，同时发布充电权结算数字货币token，设定以太币与token的汇率，之后充电站用户在充电需求提交时间结束前，将交割时段内的充电需求通过需求获取单元提交区块链，区块链将充电需求记录，自动计算并收取用户所需缴纳的保证金，同时实时返回总充电需求功率；电网公司通过裕度获取单元提交交割时段变压器容量裕度，充电权分配单元根据总充电需求及变压器容量裕度限制计算充电需求满足率，并按照充电需求满足率的大小对所有充电站进行充电权计划分配及市场优化配置。当充电需求满足率为1，即总充电需求小于或等于变压器容量限制，此时充电站获得的充电权和申报的需求相同，则直接进入交割时段，由充电站需按照既定的充电权分配结果开展充电服务，由智能电表实时向区块链交易平台反馈各充电站充电功率；当充电需求满足率小于1，即总充电需求大于变压器容量限制，则区块链按照充电站的买/卖报价情况依次开启双向拍卖市场和p2p交易市场，经过充电权的市场化配置之后，充电站按照区块链上已更新的交割时段最终充电权，通过电费结算单元向电网公司付款，由区块链记录其付款成功标志符；在充电交割时段内由充电站需按照更新后的充电权分配结果开展充电服务，由智能电表实时向区块链优化配置平台反馈各充电站实际充电功率。当有参与者交割时段实际充电功率高于充电权(分配功率)，则保证金结算单元自动扣除该充电站的剩余保证金。遵守充电权约定且付款成功标志符为true的参与者可在交割时段结束时通过保证金结算单元申请退还剩余保证金。通过充电权计划分配模块、双向拍卖模块、p2p配对模块以及交割结算模块及区块链的交互协作，保证了信息的公开透明，充电权的安全转移结算及输配电设备不越限，维护了配电网的安全稳定运行，激励充电站通过计划分配及市场交易的充电权优化配置方法，实现自主效益最大化。所述的智能合约，由电网公司于交易时段初始在区块链上创建以实现系统各模块功能，该交易时段优选为30分钟。所述的充电需求满足率其中：pm为电网公司下发的未来某时段的最大充电功率，ωe为充电站集合；pi为第i个充电站的充电需求。所述的充电权是指：充电站在某时段内的可用最大充电功率，也即为充电功率配额。所述的按照充电需求满足率大小进行充电权计划分配及市场优化配置是指：其中：为第i个充电站根据充电需求满足率所分配得到的初始充电权。当总充电需求功率未超过充电裕度时，充电需求满足率β为1，此时充电站获得的充电权和申报的需求相同，只对充电权进行计划分配；当总充电需求功率大于充电裕度，充电需求满足率小于1，影响电网安全运行时，各充电站按照各自提交充电需求的比例计划分配充电权，并开启双向拍卖及p2p交易市场激励充电站对充电权进行自主市场优化配置。所述的双向拍卖市场是指：充电站根据自身需求，在双向拍卖投标时间结束之前，通过充电权报价单元向区块链提交充电权购买/出售报价。由双向匹配单元将购买/出售报价队列按照双向拍卖机制匹配交易，为匹配成功的充电站实时结算转账，结算价格为双方报价平均值。同时在区块链上记录投标充电站的成交信息。所述的p2p交易市场是指：充电站可在p2p配对投标时间结束之前，利用查询单元获取当前市场最优报价(即卖方最低报价与买方最高报价)，通过市价配对单元、限价配对单元及撤单单元完成市价交易、限价交易及撤单。所述的交割时段是指：将全天分为48个时段，单个时段时长为30分钟，充电站在交易时段提交下一个时段即交割时段的充电需求，并在交易时段内完成交易分配充电权，在交割时段需按照充电权分配结果提供充电服务。所述的以太币及token是指：以太币是为以太坊区块链上的原生代币，用于在该区块链上支付手续费或者交易。因以太币市场价格波动较大，因此本发明选择基于以太坊erc20协议的token作为支付货币，由电网公司发布在充电权优化配置平台上。通过电网公司在每个交易周期初期根据以太币与人民币的汇率实时修正以太币(单位为eth，以太币与人民币的汇率在2018年10月15日约为1eth＝1349元)与token的汇率，将充电站优化配置平台内token的价格锚定在1元＝100token，平抑以太币的价格波动。所述的充电需求是指：充电站在某时间段内的充电功率需求。所述的保证金用于双向拍卖、p2p配对交易市场中，充电站之间充电权的支付结算；用于交易时段最后向电网公司支付交割时段充电费用；用于交割时段，充电站充电功率大小限制的保证。若充电站充电功率高于所获得的充电权，则保证金扣除；该保证金di＝πt×pi×δt×2，其中：di为区块链计算得到的保证金，πt为电网公司在交易时段开始时设定的标准成交电价，pi为充电站提交的交割时段充电需求，δt为交割时段时长，本文中将全天分为48个时段，因此该时长应为30分钟。所述的变压器容量裕度是指：电网公司根据交割时段预测常规负荷及变压器额定容量，计算得到的充电站充电最大功率，确保输配电设备不越限。所述的按照充电站的买/卖报价情况是指：买方报价高于卖方报价的部分以双向拍卖的方式撮合交易，成交价格为双方报价的均值；经过双向拍卖市场交易撮合后，剩余买方报价均低于卖方报价，这些尚未出清的报价进入p2p市场挂牌交易。所述的双向拍卖机制是指：取买家报价队列的最高价格为最优买价，卖家报价队列的最低价格为最优卖价，只有最优买价大于或者等于最优卖价的时候，才能成功匹配。匹配成功时，成交价格取双方报价的算术平均值，成交量取双方申报交易数量的较小值，交易达成后双方投标数量中将扣去成交量，投标数量变为0的投标信息将被自动清除出报价队列。以上过程不断迭代，直到买卖双方有一方的报价队列全部成交并清空，或者最优卖价大于最优买价时，双向匹配停止。以上双向拍卖流程通过区块链自动完成，双向匹配成功时，所有充电权交易主体之间将在区块链上实时交易结算，并根据交易结果更新区块链上所获未来时段充电权数量。所述的p2p配对是指：如果经过双向拍卖市场交易后，依然剩余未成功匹配的报价，充电站可采取以下三种交易行为：限价交易：买/卖方向区块链提交指定成交价格及充电权数量，区块链进行实时检测，如果出现等于或高于该价格的卖方/买方报价，则成交，成交价格为双方报价的平均值。市价交易：买/卖方不设定价格但向区块链提交指定数量，以当前市场最优卖/买方报价成交，区块链自动进行匹配交易，直到成交指定数量或者无新的卖/买方报价为止。撤单：放弃出售/购买充电权，清除自身报价信息。以上p2p交易通过区块链自动完成，p2p交易匹配成功时，所有充电权交易主体之间将在区块链上实时交易结算，并根据交易结果在区块链上更新所获未来时段充电权数量。所述的充电站利用双向拍卖与p2p配对机制进行充电权的交易匹配的过程中需满足：其中：pi,j为第i个充电站和第j个充电站之间的充电权交易量,pi,j>0代表第i个充电站买进充电权，pi,j<0代表第i个充电站出售充电权；pi,e为第i个充电站已获得的在未来某时段内的总充电权。所述的最终获得的充电权其中：ωis为所有与第i个充电站开展充电权交易的充电站集合。因此充电站最终获得的总充电权为区块链根据总充电需求及当前配电变压器容量裕度初始分配的充电权，以及充电站在双向拍卖与p2p交易阶段自主买/卖获得的充电权。所述的付款成功标志符是指：智能合约中为每个充电站设定的布尔类型的变量，如果成功向电网公司付款，则更新为true，默认为false。所述的充电站效益最大化是指：其中ui(·)为第i个充电站的售电收入函数；ci(·)为第i个充电站的售电成本函数。通过双向拍卖模块及p2p匹配模块，激励充电站自主进行充电权的交易优化配置，以追求自身效益最大化。技术效果与现有技术相比，本发明将充电站充电权的概念及充电权优化配置方法引入电动汽车充电控制领域，取代传统上对电动汽车进行集中优化控制的方法，解决传统机制效率低、成本高、信息不公开透明的缺陷。提出在充电站之间利用初始分配、双向拍卖及p2p配对交易实现充电权优化配置的机制与模型，确保在充分满足充电站个体需求的情况下，总充电功率不造成变压器过载，保证配网的安全运行；构建了基于区块链智能合约的充电权多边优化配置技术，实现充电站分布式、去信任化的点对点充电权交易。本发明设计的基于区块链智能合约的充电权优化配置方法可用于复杂场景下电动汽车的有序充电控制，且具备高效智能，公开透明，安全稳定等优点。附图说明图1为本发明提出的充电权优化配置总体架构；图2为本发明提出的基于区块链的充电权优化配置合约模型示意图；图3为本发明提出的充电权双向拍卖模块的流程示意图。图4为本发明提出的双向拍卖及p2p交易市场的转换原理图；图5为本发明提出的充电权p2p交易模块的流程示意图。具体实施方式如图2所示，为本实施例基于图1所示架构下的基于区块链智能合约的充电站充电权优化配置系统流程，具体步骤如下：1.电网公司首先在区块链上部署实现系统各模块的智能合约，并利用标准设定单元确定交割时段市场电价，同时发布充电权结算数字货币token，设定以太币与token的汇率。2.充电站用户在充电需求提交时间结束前，将交割时段内的充电需求通过需求获取单元提交区块链，区块链记录充电需求并收取用户所需缴纳的保证金。3.电网公司向裕度获取单元提交交割时段变压器容量裕度，充电权分配单元根据充电需求满足率对所有充电站计划分配充电权。若充电需求满足率为1，则直接进入步骤6；若充电需求满足率不为1，则进入步骤4。4.充电站根据自身需求，在双向拍卖投标时间结束之前，通过报价单元向区块链提交充电权购买/出售报价及数量。由匹配单元将购买/出售报价队列按照双向拍卖机制匹配交易并记录在区块链上。双向拍卖匹配交易机制如图3所示5.如图4所示，买方报价高于卖方报价的部分以双向拍卖的方式撮合交易；经过双向拍卖市场交易撮合后，剩余买方报价均低于卖方报价，这些尚未出清的报价可进入p2p市场挂牌交易。若充电站需要进一步买卖充电权，可在p2p交易投标时间结束之前，利用查询单元获取当前市场最优报价(即卖方最低报价与买方最高报价)，通过市价配对单元、限价配对单元、撤单单元向区块链提交市价交易、限价交易、撤单等三种请求，由上述单元完成配对及充电权的转移结算。p2p配对交易的流程如图5所示。6.充电站按照区块链上最终充电权，利用电网结算单元以当前标准市场电价向电网公司付款，由智能合约更新其付款成功标志符。在规定的充电交割时段，充电站需按照既定的充电权分配结果开展充电服务，由智能电表实时向区块链优化配置平台反馈各充电站充电功率，若有参与者实际充电功率高于充电权(分配功率)，则保证金结算单元自动扣除该充电站的剩余保证金。遵守充电权约定且付款成功标志符为true的参与者可在交割时段结束时向区块链申请退还剩余保证金。本实施例中，所述的双向拍卖模块、p2p配对模块通过目标函数使充电站的总收益最大化，该目标函数为：其中，ωe为充电站集合；pi,e为第i个充电站在某时段内最终获得的充电权，pi,e＞0；ui(·)为第i个充电站的售电收入函数；ci(·)为第i个充电站的售电成本函数。所述的目标函数的约束条件包括：1)充电站所获充电权约束：其中：ωis为所有与第i个充电站开展充电权交易的充电站集合；pi,j为第i个充电站和第j个充电站之间的充电权交易量，pi,j>0代表第i个充电站买进充电权，pi,j<0代表第i个充电站出售充电权。2)变压器容量约束：其中：l0,t为该时段内的常规负荷；pm为变压器最大负载能力；ωe为充电站集合。某时段内所有充电站的总充电权(即总充电负荷)与常规负荷之和应小于等于变压器的最大负载能力。3)充电权交易数量约束：即充电站之间交易充电权的数量应小于出售方此时拥有的总充电权。在本实施例中，电力系统场景选择设置位于上海某一35kv片区配电网，该区域变压器总额定容量pr为800kva，充电站数量为6个，假定变压器的功率因数cosφ为0.85、效率ηt为0.95，则该变压器的最大负载pmax可以根据pmax＝ηtprccosφ计算，为646kw基于本实施例的电力系统场景，根据本发明所设计的方法搭建充电权交易区块链，测试本发明设计的充电权优化配置模型的性能。本实施例依托的电脑配置环境如下：软/硬件版本/型号操作系统windows10内存8gbramcpuintelcorei5-45903.1ghzgeth1.10市场电价参考《上海市鼓励电动汽车充换电设施发展扶持办法》及《上海市物价局关于降低工商业电价有关事项的通知》，充电站向电网购电电价πt具体参数如下：充电站利用需求提交模块初始分配充电权，该时段常规负荷占变压器最大负载的一半，则剩余最大充电负荷为323kw，因此各充电站的充电需求满足率β＝0.8，参数如下：充电站利用双向拍卖模块参与充电权报价，投标参数和匹配结果如下表：其中a、c、f为卖方投标者，b、d、e为买方投标者，b、c、d、f之间完成双向拍卖交易，并通过区块链结算；a因出售报价过高，e因购买报价过低未能匹配到合适的成交者，c经过双向匹配还有0.3kw的充电权未能出售，则剩余投标转入p2p交易阶段开展双边交易。充电站利用p2p交易模块参与充电权交易，交易行为及成交结果如下：其中a下调报价至20token/kw发布了限价订单，由e按照市价交易成交5.3kw，c放弃交易选择撤单。充电站利用交割结算模块进行电费支付及保证金取回，具体参数如下：其中结算金额的负值代表充电站的支出，正值代表充电站的收入，f充电站因在交割时段充电功率高于充电权配额，未能取回剩余保证金。与现有技术相比，本方法通过区块链可对数字资产开展交易结算的特性，将充电权作为数字资产的经济激励可促进充电站分散决策，调整充电需求，实现自身效益最大化。例如，a、c、f自主判断，选择下调预期充电需求，出售充电权分别获得了106token，229.7token，270token的收益；b、d、e选择上调充电需求预期，买入充电权，以利于交割阶段满足汽车充电需求。智能合约对充电站之间充电权的实时结算以及充电站与电网间的电费结算，保证了充电权的安全可信优化配置。遵从“外部整体约束，内部自主协调”的充电权优化配置原则，在满足变压器容量不越限的情况下，尽可能满足充电站的充电需求，同时设计双向拍卖及p2p交易机制，激励充电权的自主报价交易，实现帕累托改进。从结果可知，变压器功率限制为323kw，所有充电站最终获得的总充电权为323kw，实现了变压器容量不越限下的社会福利最大化。上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。当前第1页12