エネルギーブロックチェーンのスマートコミュニティによる電気自動車の安全な充電スキーム

IEEE モノのインターネット ジャーナル、VOL. 6、いいえ。2019 年 6 月 3 日

まとめ

エネルギーのインターネット (IoE) の重要な部分として、スマート コミュニティ (SC) は、分散型再生可能エネルギーと電気自動車 (EV) のスマート グリッドへの統合を促進できます。しかし、信頼できず不透明なエネルギー市場によってもたらされる潜在的なセキュリティとプライバシーの問題のため、SC内で異なるエネルギー消費の好みを持つEVの充電動作をどのように最適に送信するかが大きな課題となります。

本稿では、SCにおけるEVの安全な充電のための契約ベースのエネルギーブロックチェーンを提案します。

• まず、スマートコントラクトを実行することで電気自動車の安全な充電サービスを可能にするために、許可型エネルギーブロックチェーンシステムが導入されます。
• 次に、ブロックチェーンで効率的にコンセンサスを達成するために、仮説に基づく委任ビザンチン フォールト トレラント コンセンサス (DBFT) アルゴリズムが提案されています。
• 第三に、契約理論に基づいて、事業者の効用を最大化しながら電気自動車の個々のエネルギー需要を満たす最適な契約を分析および設計します。
• さらに、限られた再生可能エネルギーを電気自動車に割り当てるための新しいエネルギー割り当てメカニズムが提案されています。
• 最後に、提案されたスキームを他の従来のスキームと比較することにより、その有効性と効率性を評価および実証するために広範な数値計算が実行されます。

キーワード: 契約理論、電気自動車、エネルギーブロックチェーン、エネルギーインターネット、スマートコミュニティ。

導入

化石燃料危機を緩和し、ガス排出量を削減する再生可能エネルギー源（RES）と電気自動車（EV）の大きな可能性が世界的な注目を集めています。

多数の分散型 RES および EV を統合および調整するために、エネルギー効率と持続可能性を向上させる有望な革新的なアプローチとして、エネルギーのインターネット(IoE) が浮上しています。

さらに、RESを備えたスマートコミュニティ（SC）は、内部エネルギーの生成、貯蔵、分配を実現し、電力網や電気自動車などの外部エネルギー主体とエネルギー交換を行うことができるIoEの重要な部分とみなすことができます。 。SC では、分散型 RES を使用して、コスト効率の高い方法で EV 群を充電することが望ましいです。

マイクログリッドは、分散型再生可能エネルギー (太陽光、風力、水力など) を利用した小規模電力システムであり、地域で利用可能な再生可能エネルギーをスマート グリッドに統合するための実現可能かつ効果的な戦略であることが証明されています。マイクログリッドと統合された SC では、エネルギー供給者と消費者がエネルギーを直接取引できるようになります。この地域電力取引は、送電時の電力損失を減らすだけでなく、送電網への負担も軽減します。したがって、 SC の EV 充電フレームワークには、グリッド、マイクログリッド、EV という3 つのエネルギー関係者が関与します。

既存の問題:

• ほとんどの文献では、EV とマイクログリッドまたはグリッド間の双方向の相互作用のみが考慮されており、これを SC の EV の充電管理に直接適用することはできません。
• EV ユーザーは、SC のさまざまなエネルギー源 (クリーン エネルギー、従来型エネルギー、または両方の混合) に対して異なる充電の好みを持っています。(したがって、従来のエネルギーを提供するグリッドとクリーン エネルギーを提供する Weidian.com の両方が必要です)

エネルギー市場の悪意のある事業者は、プライバシーの開示、偽造、ノード侵入、広告詐欺による課金サービスなど、さまざまな悪意のある手段を通じて電気自動車の安全性とプライバシーを深刻に脅かします。ブロックチェーンは、不変の台帳、暗号通貨、スマート コントラクトの実行を使用して、分散ネットワーク内で信頼できるエージェントなしで安全なエネルギー取引を行うための独自のテクノロジーを提供します。ただし、広く使用されている Proof-of-Work コンセンサス プロトコルは多大な労力を無駄にし、ビットコインなどの従来のブロックチェーン アプリケーションでのトランザクションの確認には時間がかかります。したがって、許可型エネルギーブロックチェーンには適していません。したがって、EV 充電の安全性の問題への対処は依然として未解決の重要な課題です。

本稿では、上記の問題に対処するために、許可型ブロックチェーン技術によって保護されたSCにおける契約理論に基づいたEV充電スキームを開発します。

• まず、SC に新しい許可型エネルギー ブロックチェーン システムを導入することで、事前に選択された EV が、信頼できる仲介者に依存せずに取引記録を公的に監査し、共有できるようになります。
• その後、許可されたエネルギーブロックのブロックチェーンで効率的にコンセンサスに達するために、レピュテーションベースの Delegated Byzantine Fault Tolerance (DBFT) コンセンサス アルゴリズムが提案されています。
• さらに、独占事業者は、契約理論に基づいて、電気自動車の個別のエネルギー需要の好みに合わせて最適な契約を分析および設計します。
• 最後に、オペレーターの効用を最大化しながら、限られた再生可能エネルギーを EV に割り当てるための新しいエネルギー割り当てメカニズムが提案されています。

助ける

• まず、許可されたブロックチェーン技術に基づいて、スマートコミュニティ向けのエネルギーブロックチェーンシステムで電気自動車を安全に充電するためのフレームワークを提案します。このフレームワークでは、事前に選択されたEVが公的に監査され、信頼できる仲介者に依存せずに取引記録を共有できます。エネルギーに制約のあるEVでブロックチェーンを構築するコストを削減するために、DBFTと呼ばれる評判に基づくコンセンサスアルゴリズムを提案します。
• 次に、契約ゲームモデルを使用して、情報の非対称性の条件下でのインテグレーターとEVの間の意思決定プロセスをシミュレートします。私たちが提案する契約ゲームでは、アグリゲーターはあらゆる種類の電気自動車の取引戦略を含む契約のメニューを設計します。私たちのフレームワーク内で、EV は従来のエネルギー源、クリーン エネルギー源、またはその両方の混合を選択して、オペレーターの利便性を最大化しながら、個々のエネルギーの好みを満たすことができます。
• 第三に、常に満足される最適な質問を達成するための動的な最適な契約割り当てとエネルギー割り当てアルゴリズムを提案します。提案したスキームの有効性と効率性を検証するために、広範なシミュレーション実験を実施します。従来のスキームと比較して、私たちのスキームはオペレーターと電気自動車のユーティリティを向上させることができます。

関連作業

A. スマートコミュニティ

B. エネルギーブロックチェーン

C. EV充電スケジュール

システムモデル

A. ネットワークモデル

1. EV 電力小売業者 (アグリゲーター): 電力小売業者は、グリッドおよびローカル マイクログリッド (つまり、太陽光発電 (PV) システム) からエネルギーを調達できます。一方では、ソーラーパネルを管理し、収集した太陽エネルギーを電気自動車に販売します。一方で、電力網から単価でエネルギーを購入し、従来のエネルギーを電気自動車に販売します。
2. 電気自動車 (EV): エネルギー消費者として、エネルギー消費の好みは異なります (たとえば、エネルギーはグリッドまたは PV システムから購入でき、エネルギーは SC のハイブリッド システムから購入できます)。電気自動車は次のように表現されます。 L = ( 1 , . $L=(1、...私、...I)$，定义${私}_{}$電気自動車用$i$のエネルギー消費の好み。$Th=({私は}_{}、{私}_{}、...{私}_{}）$。
3. スマート メーター: すべての EV に組み込まれたスマート メーターは、エネルギー消費を記録して、取引が完了したことを確認し、それによって支払いを承認します。
4. マイクログリッド: 太陽光発電 (PV) システムは、SC のローカル マイクログリッドとして機能し、コミュニティの建物の屋根に設置された複数のソーラー パネルで構成されます。

B. ユーティリティ機能

独占オペレーターは、消費者に一連のエネルギー$\left\{x\right({私}_{})\in \Omega \}$と対応する価格$\left\{p\right(i_{})\in \Pi \}$、エネルギーと価格で構成される契約項目のセットは次のように定義されます:$追伸=\{(x(i_{}）、p({私}_{}\left)\right)|\forall \theta {}_{}\in \Theta \}$。

明らかに、電気自動車のエネルギー需要は負でも無限でもあり得ません。つまり、$おお=\left\{x\right({私}_{})|0\le x({私}_{})\le (C_{}/n_{})\}$，这里${の}_{}$表示EV $i$ 、 C i C_iの充電効率$C_{}$表示EV $私は$容量。さらに、$x\left({私}_{}\right)=0\; は$購入しないことを意味し、価格は請求されません。

エネルギー市場では、電気自動車の効用関数は、エネルギー需要の減少関数ではなく、凹関数である必要があります。EVⅡなら$i$选择的合约项目为$\left(x\right(i_{}）、p({私}_{}))$，那么它的效用函数可以定义为：$$U({私}_{}、x({私}_{}))=V({\theta }_{}、x({私}_{}))-p\left({私}_{}\right)\text{\hspace{1em}(3)}$$
其中，$V({\theta }_{}、x({私}_{}))$はEV$i$エネルギー消費量から得られる満足度係数。

論文 [31、47、48] に基づいて、自然対数関数は現在、エネルギー購入者の実用モデリングで広く受け入れられています。したがって、論文 [49] に示されているように、対数関数を使用して電気自動車の満足度と需要 (クリーン エネルギー需要と従来型エネルギー需要を含む) の関係をモデル化します。 V ( θ i , x ( θ i ) ) = α $$V({\theta }_{}、x({私}_{}))=\alpha ln[1+ああ、{私は}_{}x({私}_{})+{おお}_{}(1-{私}_{})\times ({私}_{})]\text{\hspace{1em}( 4 )}$$
式中、$\alpha$は非負の満足度係数、$\omega$は再生可能エネルギー発電のクリーン度を表す環境係数であり、${おお}_{}$従来の化石エネルギーのクリーン度を示します。一般に、$おお>{おお}_{}>0$。読みやすい$([\partial V(i_{}、x({私}_{}))]/\partial {\theta }_{})\ge 0、([\partial V(i_{}、x({私}_{}))]/\partial x(i_{})>0$、および$([{\partial }^{2V}(i\_{}_{}、x({私}_{}))]/\partial x\left(i_{}{)}^2\right)<0$。効用がマイナスの場合、EV$契約期間を選択し$ます$（x\left(i_{}\right)=0，p\left(i_{}\right)=0）$。很明显，$V({\theta }_{}，0）=0，U(i_{}，0）=0$。

ここでは、 R ( x ( θ i ) ) R(x(θ_i))とします。$R\left(x\right(i_{}))$は EV iiから定義されます$i$的合约项$\left(x\right(i_{}）、p({私}_{}))$で得られた小売電気事業者の効用。R$$R\left(x\right(i_{}))=p\left({私}_{}\right)-C（{私}_{}、x({私}_{}))\text{\hspace{1em}( 5 )}$$明らかに、小売業者は悪影響を受け入れません。つまり、次の条件を満たすことになります。$円周率=\left\{p\right(i_{})|\pi \left(i_{}\right)\ge C（{私}_{}、x({私}_{}))\}$。

コスト関数は、発電コスト、系統から電力を購入するコスト、および政府が提供する補助金で構成され、次のように表すことができます。$$C（{私}_{}、x({私}_{}))=(c_{PV}-r_{PV}\left){私}_{}x\right({私}_{})+p_{}(1-{私}_{})\times ({私}_{})+c_{}\text{\hspace{1em}( 6 )}$$ここで$c_{PV}$そして$r_{PV}$は、それぞれ太陽光パネルによる発電の単価と補助金単価です。$c_{}>0$は固定費で、主に取引コスト、保管コストなどが含まれます。一般に、$0\le c_{PV}-r_{PV}\le p_{}$、これは、再生可能エネルギー発電の最終的な単価が系統の電力市場価格を超えないことを意味します。次に、 ([ ∂ C ( θ i , x ( θ i ) ) ] / ∂ θ i ) ≤ 0 , ( [ ∂ C ( θ i , x ( θ i ) ) ] / ∂ x ( θ i ) ≥ を得ることができます。$([\partial C(i_{}、x({私}_{}))]/\partial {\theta }_{})\le 0、([\partial C(i_{}、x({私}_{}))]/\partial x(i_{})\ge 0$，および$([{\partial }^{2C}(私\_{}_{}、x({私}_{}))]/\partial x\left(i_{}{)}^2\right)=0$であるため、電力小売業者の場合、すべての効用関数は次のように書くことができます。$$R=\sum _{i=1}{t}_{{私}_{}}\left(p\right(i_{})-C（{私}_{}、x({私}_{})))\text{\hspace{1em}(7)}$$
其中：$t_{{私}_{}}$表現タイプは${私}_{}$EVの総台数に対するEVの台数の割合。さらに、小売業者と特定の電気自動車の間のエネルギー取引の社会余剰を、2 つの電力会社の合計として定義します。$$S（{私}_{}、x({私}_{}))=R(x(i_{}))+U({私}_{}、x({私}_{}))=V({\theta }_{}、x({私}_{}))-C（{私}_{}、x({私}_{}))\text{\hspace{1em}( 8 )}$$ (4) と (6) によれば、$([{\partial }^{2S}(\theta \_{}_{}、x({私}_{}))]/\partial x\left(i_{}{)}^2\right)<0$，同样，能源市场的整体社会剩余可以写作：$$S=\sum _{i=1}{t}_{{私}_{}}\left(V\right({\theta }_{}、x({私}_{}))-C（{私}_{}、x({私}_{})))\text{\hspace{1em}( 9 )}$$簡単のため、以下の内容では、$t_{{私}_{}}、N_{{私}_{}}、x({私}_{}）、p({私}_{})$変更$t_{}、N_{}、{バツ}_{}、{円周率}_{}$。

C. 攻撃モデル

1. 悪意のあるエネルギープロバイダー: 太陽光発電の不足を宣伝する詐欺的なサービス料金。
2. 悪意のあるエネルギー消費者: EV は支払いを拒否します。
3. 悪意のある信頼できる第三者: 電気自動車のプライバシーを漏洩したり、利益のために電気自動車の評判を改ざんしたりする可能性があります。

エネルギーブロックチェーン

A. スマートコントラクト

ブロックチェーンのコンテキストでは、スマート コントラクトは、ブロックチェーン上に存在し、すべての契約参加者によって同意される一連のデジタル コミットメントです。スマート コントラクトを使用すると、信頼できるトランザクションを、第三者を介さずに、匿名の異なる当事者間で所定の方法で自動的に実行できます。アルゴリズム 1 は、スマート コントラクトの実装の詳細な概要を示しています。

1. Init(): システムの初期化。信頼できる機関に登録した後、EV ii証明書C eri Cer_i を$取得します$$Cer{\_}_{}$、一意の$ID{\_}_{}$とライセンス番号$pNum\_{\_}_{}$、ブロックチェーン ネットワークに参加し、公開鍵/秘密鍵のペア ( $PK{\_}_{}、S{・K}_{}$) とウォレットアドレス$追加の解像度{\_}_{}$。各 EV アカウントには以下が含まれます: ウォレット アドレス$追加の解像度{\_}_{}$、口座残高、$バランス\_\_\_{\_}_{}$、現在のクレジット値$c{r}_{}$、名声値$レ{\_}_{}$、証明書$Cer{\_}_{}$および公開鍵/秘密鍵のペア ( $PK{\_}_{}、S{・K}_{}$）。(非対称暗号化技術を使用)
2. Create(): 小売業者と車両 EV i がそれぞれ契約項目に同意し、秘密鍵で署名した後、create() 関数は新しいスマート コントラクトをブロックチェーンにデプロイします。ブロックチェーン ネットワークで合意に達すると、スマート コントラクトは正常に展開され、各スマート コントラクトは、売り手と買い手のアカウント アドレス ( accounts 、 accounti account_s 、 account_i )を含む一連の状態変数を維持します。$アカウント\_\_\_{\_}_{}、アカウント\_\_\_{\_}_{}$)、エネルギー需要${バツ}_{}$、対応する支払い${円周率}_{}$、トランザクション時間$tTime\; 、タイム$スタンプtスタンプ t$スタンプ$$tStampと罰金の$価格$価格$。$\_$$\_$$\_$
3. Invoke(): Invoke 関数は、合意に達した後に呼び出されます。1 回$t>=tTime$になると自動的に契約が締結され、エネルギー取引や財務決済が行われます。スマート コントラクトは、家の売買のスマート メーターを読み取ります (${メートル}_{}、{メートル}_{}$)、発電量と消費電力をそれぞれ検証します。Penalty 関数は、必要なペナルティを実装します。その後、システムは、買い手のアカウントの残高、売り手のアカウントの残りのエネルギー、スマート コントラクトの状態変数など、ブロックチェーンの状態台帳を定期的に更新します。

充電プロセスは次のように簡略化されます。

• EVは、エネルギーブロックチェーンネットワークを通じてアグリゲーターと新しいスマートコントラクトを締結します。
• EV は SC の充電ステーションに移動し、充電されるのを待ちます。
• 取引条件が満たされると、スマートコントラクトが自動的に実行され、対応するエネルギーと暗号通貨が所定の方法で買い手と売り手の間で交換されます。

B. 合意プロセス

各ノードが元帳全体の特定されたバージョンのコピーを確実に保持するには、公開監査、つまりコンセンサスプロセスを実行する必要があります。[52] に基づいて、エネルギー ブロック チェーンで効率的にコンセンサスに達するために、アルゴリズム 2 で仮説ベースの DBFT コンセンサス アルゴリズムが提案されています。合意プロセスでは、次の手順を実行する必要があります。

1. リーダーの選出: EV には、V2V ネットワーク内で通常のノードとコンセンサス ノードの 2 種類の役割があります。各ノードは投票して代表 (コンセンサス ノード) を選出することができ、投票の重みはそのチップ (評判値) に基づきます。[ 1 , . . . m , . . . M ] [1,...m,...M] で表される上位 M 人の代表者を投票によって選択します。$[1、...m、...M]$、[52] に基づき、$M>=3f\_\_+1$、ここで$f$は、V2V ネットワーク内の悪意のあるノードの最大数です。リーダー p は次の式に従って決定されます:$$p=(h-v)モード\_\_M+1$$ h は現在のブロックの高さ、v はビューのインデックス、v の初期化は 0 から始まります。
2. ブロックの同時構築:

詳細なプロセスはステップ 3-17 に示されています。Qm はトランザクション セット、Sm は状態セット、tx はトランザクション レコード、Stx はトランザクション tx で指定されたスマート コントラクトの実行後に変更された状態です。 。Bm はノード m によって作成されたローカル ブロックです。verifyTx (tx) はトランザクション tx の有効性を検証するために使用され、simulator (tx) はトランザクション tx で指定されたスマート コントラクトの実行をシミュレートするために使用されます。buildBlock (Qm, Sm) はパスします。トランザクション セット Qm と状態セット Sm はローカル ブロックを構築します。

EV と小売業者の間でスマート コントラクトが締結されると、EV はそれをネットワークにブロードキャストします。すべてのコンセンサス ノードは、一定期間のすべてのトランザクションを収集し、中継する前に各トランザクションを個別に検証します。また、検証が無効なトランザクションは破棄されます。次に、コンセンサス ノードはスマート コントラクトの実行をシミュレートし、変更された状態をローカルの状態台帳に個別に記録します。

すべての有効なトランザクションは、一定期間内に各コンセンサス ノードによって収集され、タイムスタンプによって並べ替えられ、同時にブロックにパッケージ化されます。各ブロックには、前のブロックへの暗号化ハッシュが含まれています。すべての非リーダーコンセンサスノードがこのプロセスを完了した後、委任されたリーダーはステップ 16 で ProposalMsg をブロードキャストし、その候補ブロックを他のコンセンサスノードに送信します。

逐次モデル [53] (リーダーが最初に候補ブロックを構築し、その後、他のコンセンサスノードがローカルブロックを構築する) と比較して、本論文で提案する同時実行モデルでは、コンセンサスノードが並行してローカルブロックを構築するため、時間を大幅に短縮できます。候補ブロックを検証します。

3、候補ブロックの検証

詳細なプロセスをステップ 18 ～ 42 に示します。ここで、$S_{}$は受信ブロックの状態セットであり、verifyBlock(B) は受信ブロックの有効性を検証するために使用され、getState(B) は受信ブロックから状態を取得するために使用されます。

各非リーダー コンセンサス ノードはローカル状態セットと受け入れられたブロックの状態セットを比較し、検証に合格した場合、各非リーダー コンセンサス ノードはステップ 25 で独自の署名を取得し、ネットワーク中間に確認メッセージをブロードキャストします。それ以外の場合、ビュー変更がトリガーされ、非リーダーコンセンサスノードがステップ 34 でchangeviewMsgをブロードキャストします。いずれかのコンセンサスノードが少なくとも$M-f$同一$v_{}$、その後、このラウンドの見解変更が完了し、次のラウンドの合意プロセスが開始されます。リーダーｐから受信したメッセージもビュー変更を引き起こすだろうとコンセンサスノードｍが疑う場合、コンセンサスノードと現在のリーダーのクレジット値がステップ３６でそれぞれ変更される。

四、新しいブロックの公開

Δ T 1 \Delta T_1内の任意のコンセンサス ノード$\Delta T{\_}_{}$M − f M−f以上を受け取りました$M-さまざまなコンセンサスノードからのf\; 個$の確認メッセージの後、コンセンサスに達し、新しいブロックが公開されます。すると、最終的にブロックを生成する各コンセンサスノード m とリーダー p' のクレジット値が$D_{}$和$D_{}$。合意に達した後、前のブロックの暗号ハッシュを含む新しいブロックが線形かつ時系列の順序でブロックチェーンに追加されます。どのノードも、ブロックチェーンのローカル コピーを新しいブロックと同期し、コンセンサス プロセスの次のラウンドに備えます。

[52] に従って、ルール$f=\lfloor (M-1)/3\rfloor$ M 個のコンセンサス ノードを含むシステムのフォールト トレランス。

スマートコントラクトの実行を通じて、トラストレスなエネルギー市場で取引プロセス、つまりエネルギーと暗号通貨の交換を自動的かつ安全に実行できます。悪意のある小売業者が十分な RES を持たずに詐欺的な有料広告を公開した場合、スマート コントラクトに従って適切に罰せられます。さらに、各トランザクションはブロックチェーン内の識別可能な台帳に記録されます。

エネルギーブロックチェーンシステムでは、すべての評判値は集中型のトラストセンターではなくブロックチェーンに記録されます。

• 一方で、莫大なコストがかかるため、ブロックチェーン ネットワーク内のすべてのコンセンサス ノードを比較して現在の評判値を改ざんすることは困難です。
• 一方で、各ブロックは以前のブロック ハッシュ チェーンに接続されているため、各ブロック内の履歴の評判値とトランザクションは偽造できません。

最優秀契約デザイン

このセクションでは、契約理論に基づいて、セクション IV.A のインテグレーターと各 EV 間の最適な契約を分析し、両当事者の効用を最大化します。まずは契約の実現可能性をご提案します。次に、最適な契約が分析されます。最後に,限られたエネルギー取引市場におけるエネルギー配分メカニズムを設計した。

A. 契約の締結

[54] で提案されている啓示原則によると: 実現可能な契約とは、特別な優先権を持つ各電気自動車が、その有用性を最大化するために、独自のタイプに応じて対応する契約項目を選択できることを指します。
[55] によって提案された契約理論によれば、実行可能な契約とは、すべてのタイプの電気自動車が次の 2 つの制約を同時に満たすことを指します。

• 個別合理性 ( IR ) 制約、タイプは${私}_{}$約定項目( xi , π i )を選択することによる EV (x_i, \pi_i)$({\times }_{}、{円周率}_{})$接收到的非负效用。$$\alpha ln[1+(w{\theta }_{}+w_{}(1-{私}_{})){\times }_{}】-{円周率}_{}\ge 0\forall {私}_{}\in Th\text{\hspace{1em}( 15 )}$$
• インセンティブ互換性 ( IC ) 制約、タイプ${私}_{}$対応する契約項目、タイプは${私}_{}$EV はタイプ${私}_{}$微小関数$$\alpha ln[1+(w{\theta }_{}+w_{}(1-{私}_{})){\times }_{}】-{円周率}_{}\ge \alpha ln[1+(w{\theta }_{}+w_{}(1-{私}_{})){\times }_{}】-{円周率}_{}\forall {私}_{}\ne {私}_{}\text{\hspace{1em}( 16 )}$$

そこで、電力小売事業者は契約設計者として、あらゆるタイプのEVに対して最適な契約を結び、その効用を最大化します。

B. 契約の実現可能性

C. 契約の最適化

D. エネルギーの分配

最適な契約では、電気自動車の充電に利用可能な RES の総量が十分であると仮定します。つまり、$E_{}\ge {\sum }_{i=1}^{}{N}_{}{私}_{}{バツ}_{私}^{}$ここで、E は EV の充電に必要な利用可能な太陽エネルギーの合計です。ただし、実際の応用では、SC での太陽光発電は常に制限されます。つまり、$E_{}<{\sum }_{i=1}^{}{N}_{}{私}_{}{バツ}_{私}^{}$特に多数の EV を含むシステムの場合。したがって、限られた再生可能エネルギーをEVに効率的に割り当てるには、適切なエネルギー割り当てスキームを設計する必要があります。

ここで、各タイプは${私}_{}$EVは電力小売事業者が設計した最適な契約$({\times }_{私}^{}、{円周率}_{私}^{})$、(5) に従って、エネルギー${バツ}_{私}^{}$小売業者の効用を実現するには: $$R\left({\times }_{私}^{}\right)={円周率}_{私}^{}-C（{私}_{}、{バツ}_{私}^{})$$私たちはxi ^ \hat{x_i}します${バツ}_{}$タイプ θi の${私}_{}$の社会的最適エネルギー需要、すなわち: ${バツ}_{}=最大値\_\_{\_}_{{バツ}_{}}S（{私}_{}、{バツ}_{})$，而$S（{私}_{}、{バツ}_{})\; は$(8) で定義された社会余剰であり、${バツ}_{}$S を${バツ}_{}$求一最優先条件：$([\partial S(i_{}、{バツ}_{})]/\partial x_{})=([\partial V(i_{}、{バツ}_{})]/\partial x_{})-([\partial C(i_{}、{バツ}_{})]/\partial x_{})=0$。ここでは、小売業者もEVも利己的かつ合理的であるため、どちらも社会的に最適なニーズを採用することはできません。ただし、最大社会余剰は、両当事者の効用の合計に上限を提供します。小売業者の EV i+1 および EV i とのユーティリティの差は次のように記述できます。
$$\begin{array}{c}\begin{array}{rl}R\left({\times }_{私+1\_}^{}\right)-R\left({\times }_{私}^{}\right)& ={円周率}_{私+1\_}^{}-{円周率}_{私}^{}-C（{私}_{私+}、{バツ}_{私+1\_}^{})+C（{私}_{}、{バツ}_{私}^{})\\ & =V({\theta }_{私+}、{バツ}_{私+1\_}^{})-V({\theta }_{私+}、{バツ}_{私}^{})-C（{私}_{私+}、{バツ}_{私+1\_}^{})+C（{私}_{}、{バツ}_{私}^{})\\ & =S（{私}_{私+}、{バツ}_{私+1\_}^{})-S（{私}_{私+}、{バツ}_{私}^{})+C（{私}_{}、{バツ}_{私}^{})-C（{私}_{私+}、{バツ}_{私}^{}\end{array}\end{array}$$
解析後、 R ( xi + 1 ∗ ) ≥ R ( xi ∗ ) R(x^∗_{i+1})\geq R(x^∗_i) が得られます。$R\left({\times }_{私+1\_}^{}\right)\ge R\left({\times }_{私}^{}\right)$、これは、最適な契約では、小売業者はより高い種類の EV からより高い効用を得ることができることを意味します。つまり、小売業者は、限られたエネルギー取引市場で再生可能エネルギーをより高級な電気自動車に販売することで、その効用を最大限に高めることができます。

θ c ∈ Θ \theta_c\in\Thetaを定義します。${私}_{}\in \Theta$作为满足${\sum }_{i=c}^{}{N}_{}{私}_{}{バツ}_{私}^{}\ge E_{}$和${\sum }_{i=c+1}^{}{N}_{}{私}_{}{バツ}_{私}^{}<E_{}$クリティカルタイプ。小売業者は限られた RES を重要なタイプの EV に販売するため、限られたエネルギー取引では、最適な契約は次の式で与えられます:
$$({\stackrel{～}{バツ}}_{}、{\stackrel{～}{円周率}}_{})=\{\begin{array}{llc}(0,0)& 、私は& {私}_{}<{私}_{}\\ ({\times }_{私}^{}、{円周率}_{私}^{}& 、私& {私}_{}\ge {私}_{}\end{array}\text{\hspace{1em}( 51 )}$$
明らかに、限られたエネルギー取引における電気自動車タイプのセットは次のとおりです:$\stackrel{～}{Th}=\{{私は}_{}、{私}_{c+}、...、{私}_{}\}$ . 電気自動車には小売業者からエネルギーを得ることができない部分があるはずなので、小売業者の全体的な効用は (7) を使用しなくなりますが、次のようになります。 R ~ = ∑ θ i ∈ Θ ~ τ θ i (
$$\stackrel{～}{R}=\underset{{私}_{}\in \stackrel{～}{Th}}{}{t}_{{私}_{}}(p_{私}^{}-C（{私}_{}、{バツ}_{私}^{}))\text{\hspace{1em}ここでは、アルゴリズム 3 のステップ12 ～ 14 に示すように、限られたエネルギー取引}$$
市場で最適な契約を取得するために、動的な最適な契約割り当ておよびエネルギー割り当てアルゴリズムが提案されています。

性能評価

A. シミュレーション構成

私たちは、電力小売業者がコミュニティ内の 100 台の電気自動車に対して実行可能な契約を提供するというシナリオを考えます。EV タイプの上限と下限は、それぞれ 1 と 0 に設定されます。追加のパラメータを表 I に示します。

B. シミュレーション結果

図 2 と図 3 は、さまざまな環境配慮係数 ω に対する最適な需要と価格をそれぞれ示しています。最適な契約における需要と価格の両方が、ω およびタイプ値 θc とともに増加することが観察されます。その理由は、ωが大きいほどエネルギー消費に対する満足度が高くなり、その結果エネルギー需要が増大し、各電気自動車が小売電気事業者に支払わなければならない価格が高くなるからである。

図 4 と図 5 は、それぞれ異なる電気自動車タイプの分布における最適なエネルギー需要と価格を示しています。(a) の場合、EV の種類 θ は独立しており、一様分布に従います。ケース (b) では、EV のタイプ θ は独立しており、パラメーター p = 0.5 の二項分布に従います。

図 4 と図 5 は、それぞれ社会的余剰の最大化のための社会的最適需要とそれに関連する社会的最適価格を示しています。非最適な契約の需要は社会の最適な需要よりも小さいことがわかります。経済的な観点から見ると、電気小売業者は、社会余剰を最大化するのと比較して、その有用性を最大化するために、ロータイプ電気自動車の需要を減らし、それに応じてハイタイプ電気自動車の価格を引き上げる傾向があります。

図 6 と 7 では、提案されたスキームを 2 つの従来のスキーム、T (2 部料金スキーム) および F (Flast スキーム) と比較しています。

• T では、電力需要とそれに対応する価格の関係は、$p\left(i\right)=P\cdot \_x\left(\theta \right)+Z$。ここで、オペレータは各電気自動車の電気料金単価 P と定額充電料金 Z を指定するだけです。
• Fでは、どのタイプの電気自動車でも本体価格と充電料金は同一です。

図6と図7は、それぞれ異なるωにおけるオペレータとEVの有用性を示しています。ωが大きいほど再生可能エネルギーによるクリーンな発電を意味し、電気自動車のエネルギー消費に対する満足度が高くなります。

図 6 から、他の 2 つのスキームと比較して、本スキームが高い電力小売ユーティリティを達成していることがわかります。提案方式および T 方式では効用は ω とともに増加するが、F 方式では効用は基本的に変化しない。

• プランFでは、すべてのタイプの電気自動車の単価が固定されているため、事業者はユーティリティを高めるために単価を調整することができません。
• T スキームでは、エネルギー価格はエネルギー需要と線形関係にあり、その結果、事業者のユーティリティの成長が遅くなります。
• 私たちのスキームでは、エネルギー価格とエネルギー需要の関係は非線形であるため、事業者の効用は比較的高く、最適な契約を設計することで最大化することができます。

図 7 から、私たちのスキームは他の 2 つのスキームよりも高い EV ユーティリティを達成していることがわかります。3 つのスキームにおける効用は、ω が増加するにつれて増加します。その理由は、ωが大きいほど電気自動車のエネルギー消費に対する満足度が高くなり、電気自動車の有用性が高くなるからである。

• スキーム T では、単価や料金を調整できるため、電気自動車の利便性が相対的に向上します。
• 私たちのスキームでは、最適な契約を選択することで電気自動車の効用を最大化することができます。

上記の結果によれば、私たちのスキームは限られたエネルギー取引市場において最適な契約を獲得することができます。さらに、提案されたスキームでは、小売電気事業者とEVがそれぞれユーティリティを向上させることができます。

結論と今後の取り組み

本稿では、エネルギーブロックチェーンシステムにおける電気自動車向けの契約ベースの安全な充電スキームを提案します。

• まず、SC内のEVとRESを統合したエネルギーブロックチェーンシステムを構築します。
• 第二に、ブロックチェーン内で効率的にコンセンサスを達成するために、レピュテーションベースの DBFT アルゴリズムが提案されています。
• 第三に、契約理論に基づいて最適な契約を分析し、電気自動車のエネルギー消費の好みを満たし、事業者の効用を最大化します。
• 最後に、シミュレーション結果は、私たちのスキームが従来のスキームよりも最適な契約を獲得し、オペレーターとEVにとってより高いユーティリティを達成することを示しています。

今後の作業として、この文書を競争上の影響を伴うマルチ事業者市場にさらに拡張する予定です。