A Secure Charging Scheme for Electric VehiclesWith Smart Communities in Energy Blockchain

Posted 2023-03-31 天乔巴夏丶

IEEE INTERNET OF THINGS JOURNAL, VOL. 6, NO. 3, JUNE 2019

文章目录

• • 摘要
  • 介绍
  • 贡献
  • 相关工作
  • • A. 智慧社区
    • B. 能源区块链
    • C. 电动汽车充电调度
  • 系统模型
  • • A. 网络模型
    • B. 效用函数
    • C. 攻击模型
  • 能源区块链
  • • A. 智能合约
    • B. 共识过程
  • 最佳合约设计
  • • A. 合约制定
    • B. 合约的可行性
    • C. 合约的最优化
    • D. 能源分配
  • 性能评估
  • • A. 仿真配置
    • B. 仿真结果
  • 结论和未来工作

摘要

智慧社区（SC）作为能源互联网（IoE）的重要组成部分，可以促进分布式可再生能源和电动汽车（EV）在智能电网中的集成。然而，由于不受信任和不透明的能源市场带来的潜在安全和隐私问题，如何优化调度SC中具有不同能耗偏好的电动汽车的充电行为成为一个巨大的挑战。

在本文中，我们提出了一种基于合约的能源区块链，用于在SC中对EV进行安全充电。

• 首先，引入了一个被许可的能源区块链系统，以通过执行智能合约来实现电动汽车的安全充电服务。
• 其次，提出了基于假设的委托拜占庭容错共识（DBFT）算法，以有效地实现区块链中的共识。
• 第三，基于合约理论，对最优合约进行了分析和设计，以满足电动汽车对能源的个性化需求，同时使运营商的效用最大化。
• 此外，还提出了一种新的能源分配机制，将有限的可再生能源分配给电动汽车。
• 最后，通过与其他传统方案的比较，进行了大量的数值计算，以评估和证明所提方案的有效性和效率。

关键词：合约理论，电动汽车，能源区块链，能源互联网，智慧社区。

介绍

可再生能源（RES）和电动汽车（EV）在缓解化石燃料危机和减少气体排放方面具有巨大潜力，这吸引了全世界的关注。

为了整合和协调大量分布式RES和EVs，能源互联网（IoE）已成为提高能源效率和可持续性的一种有前途的创新方法。

此外，配备RES的智能社区（SC）可以被视为IoE的重要组成部分，它可以实现内部能源的生成、存储和分配，并可以与外部能源实体进行能源交换，例如电网和电动汽车。在SC中，最好使用分布式RES以经济高效的方式对一组电动汽车充电。

微电网是由分布式可再生能源（如太阳能、风能、水力发电等）供电的小型电力系统，已被证明是将本地可用可再生能源整合到智能电网的可行有效策略。在与微电网集成的SC中，它允许能源供应商和消费者直接交易能源。这种本地电力交易不仅减少了输电过程中的电力损失，还减轻了电网的负担。因此，SC的电动汽车充电框架涉及三个能源方，即电网、微电网和电动汽车。

存在的问题：

• 大部分文献仅考虑了电动汽车与微电网或电网之间的双向互动，不能直接应用于SC中电动汽车的充电管理。
• 电动汽车用户对SC中的各种能源（清洁能源、传统能源或两者的混合）有不同的充电偏好。（因此既需要电网提供传统能源，也需要微店网提供清洁能源）

能源市场的恶意运营商将通过各种恶意手段严重威胁电动汽车的安全和隐私，例如隐私泄露、伪造、节点入侵、广告欺诈收费服务等。区块链通过使用不可变账本、加密货币和执行智能合约，为分布式网络中无可信代理的安全能源交易提供了独特的技术。然而，广泛使用的工作证明共识协议浪费了大量精力，并且在传统区块链应用程序（如比特币）中的交易确认速度较慢。因此，它不适用于许可的能源区块链。因此，解决电动汽车充电的安全问题仍然是一个公开而重要的问题。

在本文中，为了解决上述问题，我们在SC中开发了一种基于合约理论的电动汽车充电方案，该方案由许可的区块链技术提供安全保障。

• 首先，通过在SC中引入一个新的许可能源区块链系统，预选的EV可以公开审计和共享交易记录，而无需依赖可信的中介。
• 随后，提出了一种基于信誉的委托拜占庭容错（DBFT）共识算法，以有效地在允许的能量块链中达成一致。
• 此外，基于合约理论，垄断经营者分析和设计了最优合约，以满足电动汽车的个人能源需求偏好。
• 最后，提出了一种新的能量分配机制，在最大化运营商效用的同时，为电动汽车分配有限的可再生能源。

贡献

• 首先，基于许可的区块链技术，我们在智慧社区的能源区块链系统中提出了一个安全电动汽车充电框架，其中预选的EVs可以公开审计和共享交易记录，而不依赖于可信的中介。为了降低在能源受限的EVs中建立区块链的成本，我们提出了一种基于信誉的DBFT共识算法。
• 第二，我们利用合约博弈模型来模拟信息不对称情况下，集成商和电动汽车之间的决策过程。在我们提出的的合约博弈中，聚合者设计合约菜单，其中包含针对所有类型电动汽车的交易策略。在我们的框架内，电动汽车可以选择传统能源、清洁能源或两者的混合，以满足其个人的能源偏好，同时最大限度地提高运营商的效用。
• 第三，我们提出了一种动态最优合约分配和能源分配算法，以实现最优合约，并解决了“由于可再生能源供应的间歇性和不稳定，所有电动汽车的最优策略可能并不总是满足”的问题。我们进行了大量的仿真实验，以验证所建议方案的有效性和效率。与传统方案相比，我们的方案可以提高运营商和电动汽车的效用。

相关工作

A. 智慧社区

B. 能源区块链

C. 电动汽车充电调度

系统模型

A. 网络模型

1. 电动汽车电力零售商（Aggregator）：电力零售商可以从电网和本地微电网（即光伏（PV）系统）获取能量。一方面，该它负责管理太阳能电池板，并将收集的太阳能出售给电动汽车。另一方面，它以单价从电网购买能源，并将传统能源出售给电动汽车。
2. 电动汽车（EVs）：作为能源消费者，具有不同的能源消费偏好（比如可以从电网或PV系统购买能源，也可以从SC的混合系统购买能源），电动汽车表示为$L=(1,...i,...I)$，定义${\theta }_i$为电动汽车$i$的能源消费偏好，对应的是$\Theta =({\theta }_1,{\theta }_2,...{\theta }_I)$。
3. 智能电表（Smart Meters）：每辆电动汽车中都有一个内置的智能电表记录能耗量，以验证交易是否已完成，从而授权付款。
4. 微电网（Microgrid）: 光伏（PV）系统作为SC的本地微电网，由安装在社区建筑屋顶上的多个太阳能电池板组成。

B. 效用函数

垄断运营商为消费者提供了一组能源$x({\theta }_i)\in \Omega$和相应的价格$\pi ({\theta }_i)\in \Pi$，由能源和价格组成的合约项目集合定义为：$\Psi =(x({\theta }_i),\pi ({\theta }_i))|\forall {\theta }_i\in \Theta$。

显然，电动汽车的能源需求既不能为负，也不能为无穷大，即有：$\Omega =x({\theta }_i)|0\le x({\theta }_i)\le (C_i/{\eta }_i)$，这里${\eta }_i$表示EV $i$的充电效率，$C_i$表示EV $i$的容量。此外，电动汽车可以决定是否从零售商购买电力，如果$x({\theta }_i)=0$表示没有购买，也就不需要支付任何价格的费用。

在能源市场中，电动汽车的效用函数应该是其能源需求的凹函数，而不是递减函数。如果EV $i$选择的合约项目为$(x({\theta }_i),\pi ({\theta }_i))$，那么它的效用函数可以定义为：$$U({\theta }_i,x({\theta }_i))=V({\theta }_i,x({\theta }_i))-\pi ({\theta }_i)\text{\hspace{1em}(3)}$$
其中，$V({\theta }_i,x({\theta }_i))$是EV $i$从能源消耗中获得的满意度系数。

基于论文【31，47，48】，目前自然对数函数在能源购买者效用建模中已经被广泛接受。因此，我们使用对数函数来建模电动汽车满意度与需求之间的关系，包括清洁能源需求和传统能源需求，如论文【49】所示：$$V({\theta }_i,x({\theta }_i))=\alpha ln[1+\omega {\theta }_{i}x({\theta }_i)+{\omega }_0(1-{\theta }_i)x({\theta }_i)]\text{\hspace{1em}(4)}$$
式中，$\alpha$是非负满意度系数，$\omega$是代表可再生能源发电清洁度的环境友好系数，而${\omega }_0$表示传统化石能源的清洁度。一般来说，假设$\omega >{\omega }_0>0$。很容易看出$([\partial V({\theta }_i，x({\theta }_i))]/\partial {\theta }_i)\ge 0,([\partial V({\theta }_i，x({\theta }_i))]/\partial x({\theta }_i)>0$，以及 ( [ ∂ 2 V ( θ i ， x ( θ i ) ) ] / ∂ x ( θ i ) 2 ) < 0 ([∂^2V(θ_i，x(θ_i))]/∂x(θ_i)^2)<0 ([∂2V(θi​，x(<

off charging mode flow

/system/core/init/init.cpp

.....
.....
.....
int main(int argc, char** argv) {
.....
.....
.....
    // Don‘t mount filesystems or start core system services in charger mode.
    std::string bootmode = GetProperty("ro.bootmode", "");
    if (bootmode == "charger") {
        am.QueueEventTrigger("charger");
    } else {
        am.QueueEventTrigger("late-init");
    }
.....
.....
.....

/system/core/rootdir/init.rc

.....
.....
.....
on charger
    class_start charger
.....
.....
.....

/system/core/healthd/Android.mk

.....
.....
.....
LOCAL_SRC_FILES :=     charger.cpp 
LOCAL_MODULE := charger
.....
.....
.....

/system/core/healthd/charger.cpp

int healthd_charger_main(int argc, char** argv) {
    int ch;

    healthd_mode_ops = &charger_ops;

    while ((ch = getopt(argc, argv, "cr")) != -1) {
        switch (ch) {
            case ‘c‘:
                // -c is now a noop
                break;
            case ‘r‘:
                // force nops for recovery
                healthd_mode_ops = &healthd_nops;
                break;
            case ‘?‘:
            default:
                KLOG_ERROR(LOG_TAG, "Unrecognized charger option: %c
",
                        optopt);
                exit(1);
        }
    }

    return healthd_main();
}


int main(int argc, char** argv) {
    return healthd_charger_main(argc, argv);
}

[To Be Continued]