面向城市PHEV的能量交易系统的架构设计与算法研究

摘要

随着汽车工业以及车联网的不断发展，作为移动存储电池的电动汽车给V2X（Vehicle-to-X，X可以是车、路、人等）技术的发展带来了新的契机与挑战。针对城市车联网的特殊环境，插电式混合动力汽车（Plug in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）的能量调度主要存在以下两个方面的难题，一是城市区域社会热点远离主干电网，车辆到电网（Vehicle-to-Grid，V2G）的发展存在覆盖面小、损耗大、时间成本高、供需不匹配的问题；二是中心化V2G模式存在单点攻击、垄断妥协的隐患，PHEV因面临安全威胁和无利益激励而拒绝贡献富余能量。 基于大部分车辆95%的时间是处于停驶状态且社会热点地区停放车辆数量庞大的统计特性，有学者提出将停放车辆作为分布式移动电池加入车联网能量系统。然而，目前该方向的研究工作尚不充足，而且架构多局限于远端云计算支持的微电网。本文深入分析上述问题并给出了有效的解决方案，主要贡献及创新点陈述如下： （1）针对实时感知和广泛地理分布，本文利用雾计算位于云和物联网设备之间，可完成靠近终端用户的处理和存储任务的优势，提出了一种基于雾计算的新型车联网架构，以节省V2G场景下绕道充电的时间成本和能量损失。新架构引入了新的实体雾计算能量中心，本文针对以下两种情况提出了不同的效用最大化模型和求解算法：1）非利益驱动的雾计算能量中心，其目标仅仅是使PHEV从本地充放电操作中受益；2）利益驱动的雾计算能量中心，其目标是最大化自己的利润，同时保证每个PHEV获得非负的交易效用。仿真表明，模型公平、节能，所提算法的算法复杂度较低，改进算法在收敛速度、最终值以及Pareto解集的均匀性等方面均优于原算法。 （2）针对用户隐私保护以及交易记录防篡改问题，本文提出在基于雾计算的车联网架构下利用联盟区块链减少系统对可信第三方的依赖。此外，通过改进实用拜占庭容错（Practical Byzantine Fault Tolerance，PBFT）算法，并将其结合到股权委托证明（Delegated Proof of stake，DPOS）算法中，形成一种更高效可靠的共识算法DPOSP。为了鼓励PHEV参与本地能量交易，设计了能量迭代双向拍卖（Energy Iteration Double Auction，EIDA）算法求解社会福利最大化问题，以获得最优的充放电决策和能量定价。最后以遗传算法和拉格朗日算法实现EIDA。仿真表明，共识算法有很好的节能、容错和坏节点处理能力，模型求解算法性能较好。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 研究现状

1.2.1 IoV发展现状

1.2.2 PHEV发展现状

1.2.3 PHEV的充放电管理现状

1.3 研究背景与意义

1.4 论文组织结构

第二章 相关技术及架构设计

2.1 相关技术

2.1.1 车联网

2.1.2 雾计算

2.1.3 社会热点

2.1.4 V2G模式

2.2 体系架构

2.3 交互过程

2.4 本章小结

第三章 基于雾计算的PHEV能量优化交易机制

3.1 问题描述

3.1.1 异构的能量交易市场

3.1.2 充电PHEV供需建模

3.1.3 供电PHEV供需建模

3.1.4 不同类型的雾计算能量中心

3.2 非利益驱动的优化模型

3.2.1 问题建模

3.2.2 求解算法

3.2.3 仿真分析

3.3 利益驱动的优化模型

3.3.1 问题建模

3.3.2 求解算法

3.3.3 仿真分析

3.4 本章小结

第四章 基于区块链的PHEV能量安全交易机制

4.1 问题描述

4.1.1 区块链技术

4.1.2 架构实体

4.1.3 能量区块链

4.2 能量安全交易机制

4.2.1 机制概览

4.2.2 系统初始化

4.2.3 角色选择

4.2.4 能量交易

4.2.5 能量币划转

4.2.6 区块生成

4.2.7 DPOSP共识

4.3 优化模型

4.3.1 问题建模

4.3.2 迭代双向拍卖机制

4.3.3 定价规律

4.4 求解算法

4.5 仿真分析

4.5.1 DPOSP算法的仿真分析

4.5.2 优化模型的仿真分析

4.6 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 本文工作总结

5.2 未来工作展望

致谢

参考文献

附录Ⅰ文中性质证明

攻读硕士学位期间的研究成果