唐学用，姚俊荣，刘文霞，颜霞，李震

（1.贵州电网有限责任公司，贵阳 550003；2.贵州大学，贵阳 550025；3.贵州电网有限责任公司电网规划研究中心，贵阳 550003）

0 引言

我国在“十三五”规划草案增加环境质量考核指标，明确我国碳排放2030年达峰值［1］。国务院于2021年10月正式印发了关于2030年前碳达峰行动方案［2-3］，明确了相关举措，大力推动发展新能源，提高电网新能源的吸纳能力和占比；推动运输工具装备低碳转型，大力推广新能源汽车［4］。

分布式能源作为一种新能源，由于受地域和环境的影响严重，具有清洁、可再生等诸多环境友好型的优势，同时也具有分散性、随机性等众多不利于并网使用的缺点［5-8］。电动汽车作为电网新型负荷，其接入时间和位置与电动汽车车主的使用情况和人为意识有关，具有分散性、随机性，同时又具有可引导性和聚集性［9-11］。

综合新能源和新能源汽车特征，不难发现二者在并网时都具有随机性和分散性。为了降低并网的冲击，大量学者针对电动汽车和分布式能源的并网策略进行了广泛研究［12-15］。对电动汽车进行引导充电，满足电动汽车的供电要求，又能最大化消纳分布式电源，并维持电网的稳定性［16-18］。在并网协调中必须有一个公正的第三方，维护所有电动汽车车主的和分布式电源的权益［18-20］。传统方式中的第三方一般由公信力高的机构担任，但是仍存在为了局部或某些人的利益而人为操作的合谋风险［21-23］。

区块链技术作为一种新技术，最早应用于比特币，并在金融领域进行了大力推广，近年来也逐渐在各领域进行尝试性应用［23-25］。区块链技术无第三方信任机构存在，采用的是全民参与和监督机制，所有节点均参与交易的记录和监督。区块链技术全民参与的特性，配合电动汽车和分布式能源数量不断增多的发展趋势，可以有效地规避电动汽车和分布式能源并网中的利益合谋问题，保障全体利益［26-28］。

为解决电动汽车和分布式能源并网中的合谋问题，本文提出一种基于区块链技术的并网协调策略。利用区块链技术弱化或消除第三方，基于智能合约实现电网、充电站和电动汽车车主三方的共同参与和监督的电能交易，保障了各充电站价格透明，避免了人为意志的干扰。理论上可实现分布式能源的全部消纳并保障电网稳定运行，同时促进充电站之间的良性竞争，有效保障区域范围内所有充电站的利益，消除了部分主体为了个人利益而合谋风险。

1 电动汽车和分布式能源并网模型

1.1 模型假设和约束

为了简化分析过程，取某一区域范围内一天的电网供电、基本负荷、分布式电源、充电站和电动汽车为主体构建模型，并对各主体的特性进行部分理想化假设。采用周期制时间计量法，将一天分为n个周期T，每个周期时长为th，t=24/n，在1个周期T内发电量、用电量及电价恒定不变。以天为单位的区域外部电网供电、分布式电源发电、基本负荷用电和电动汽车充电的电量保持平衡。

1）外部电网为此区域提供的电量PGrid(t)（除分布式电源，此区域不存在其他发电设备）以及此区域内基本负荷日用电量PLoad(t)（不包括电动汽车）可提前预测，电网供电的分时电价KGrid(t)至少提前一天制定，并在执行当天不调整。

2）分布式电源每日的发电量PDG(t)（包括光伏发电量PPho(t)和风力发电量PWind(t)）及变化规律可预测。为保持电网供电稳定，任意时刻区域内分布式电源的发电量PDG(t)、区域外部电网供电量PGrid(t)与区域内基本负荷用电量PLoad(t)满足：

式中PRed(t)为区域电网总冗余电量，也是所能够为电动汽车提供的电能电量上限值，即

区域电网的理想状态为PRed(t)=PEV(t)，任意时刻区域电网总冗余电量PRed(t)与接入的电动汽车总需求电量PEV(t)相等，既保证分布式能源的发电量PDG(t)全部被消纳，也满足电动汽车的充电需求PEV(t)，还能维持电网的稳定。

3）每台电动汽车所需电量pEV(t)为当天消耗电能，且在当天进行补充。车主可以选择区域范围内任意充电站进行充电。电动汽车进入充电站时刻为一个周期结束或开始时刻，进入充电站立即接入开始充电，充电时常为周期时常t的整数倍。所有电动汽车实行恒功率充电，且瞬时功率相同，每台电动汽车需求电量pEV的差异在于充电所需充电周期T的数量。电动汽车任意时刻的总需求电量PEV(t)与并网充电的电动汽车数量m相关，即

充电站任意时刻能够接入的电动汽车受其充电桩设备功率pSta(t)限制，但区域范围内所有充电站的总设备功率PSta(t)（能够同时接入的电动汽车充电功率）满足：

保证任意时刻区域电网总冗余电量PRed(t)能够全部通过充电站转化为电动汽车所能利用的电能。

4）电动汽车电能的补充规律与车主的用车习惯有关。在无电价调整引导情况下，车主习惯性前往距离近的（或熟悉的）充电站，按照自己的时间规划进行充电，区域内所有电动汽车具有相对固定的充电规律f(t，d)，充电时刻和位置相对固定。

当采用充电价格引导时，主要是调整电动汽车车主的充电时刻和前往的充电站，以满足PRed(t)=PEV(t)。假设充电价格变化对所有车主的影响相同，也就是在相同价格变化引导下，愿意前往的充电站距离和充电时刻调节意愿相同，则此时受充电价 格引导的区域内电动汽车充电规律为f(t(KSta))，d(KSta)。充电站电价KSta(t)的调s节在时间上受区域电网总冗余电量PRed(t)和电动汽车总需求电量PEV(t)的影响，在空间位置上与需进行电能补充的电动汽车分布和充电站分布有关，受时间和空间的双重约束。

1.2 目标函数

电动汽车和分布式能源并网的前提是电网稳定，任意时刻区域范围内用电量和发电量平衡PRed(t)=PEV(t)，确保分布式能源的全部消纳。目标保障区域范围内所有充电站每天的收益DSta，j，即

1.3 特性分析

图1（a）所示为区域范围某一天的各主体（不包括电动汽车）的发电量和耗电量随时间的变化规律。由式（2）可知区域外部电网供电量PGrid(t)、区域内光伏发电量PPho(t)和风力发电量PWind(t)总和扣除区域内基本负荷用电量PLoad(t)则为区域电网总冗余电量PRed(t)，也就是可供电动汽车充电的电量，如图1（b）绿色曲线所示。图1（b）中另一条曲线（红色）显示的是区域内电动汽车总需求电量PEV(t)随时间的变化。两条曲线所包围面积相交部分（区域）为区域电网总冗余电量PRed(t)被电动汽车及时消纳部分，区域为区域电网总冗余电量PRed(t)被电动汽车消纳后剩余电量，区域为区域电网总冗余电量PRed(t)满足电动汽车需求所缺少的电量。

图1 区域内某一天的电量随时间变化Fig.1 Power changes with time in a region within a day

1.3.1 无电价引导

在充电站电价保持恒定，不随时间和位置进行动态调整时，电动汽车车主更趋向寻找最近的（或更偏向的）充电站给电动汽车充电，按照相对固定的充电规律f(t，d)给电动汽车进行电能补充，会造成局部充电站持续高负荷运行，甚至车辆长时间排队现象，而另一部分充电站利用率低的情况。区域电网总电量冗余与电动汽车总需求电量PEV()t随时间变化如图1（b）所示，无法在时间上保持动态平衡，必然会导致分布式电源发电量PDG(t)无法全部并网消纳以及某些时间段电动汽车总需求电量PEV(t)不足等问题，甚至造成电网的波动。

1.3.2 电价动态引导

由式（1）可知区域电网总冗余电量PRed(t)和区域电网总冗余电量PRed(t)相等，充电站价格依据时间和充电站所处位置进行调整，一方面是引导区域范围内电动汽车的充电需求电量在时间上进行调整，修正区域电网总冗余电量PRed(t)在时间和幅度（电动汽车总需求电量PEV(t)在时间上）上重新排布，与区域电网总冗余电量PRed(t)完全重合，实现PRed(t)=PEV(t)，区域电网总冗余电量PRed(t)与电动汽车总需求电量PEV(t)动态平衡，确保分布式能源发电量PDG(t)全部并网消纳以及电网稳定。另一方面由于每个充电站所能提供的充电功率pSta受限于安装的充电桩数量和线路能够承受的负荷，任意时刻可接入的电动汽车数量有限。充电站的充电价格根据空间位置分布进行差异化调整，引导车主前往不同充电站进行电能补充，避免局部聚集性充电现象，满足区域电网总冗余电量PRed(t)的消纳以及电动汽车接入数量的要求，保障区域内所有充电站的效益。

上述模型特性分析中，区域范围内分布的充电站需要统一进行差异化电价的调整，才能合理地引导电动汽车进行分时分散的充电，保障分布式能源的全部消纳和电动汽车的充电需求，以及区域范围内所有充电站的利益。如何进行充电站电价统一的波动调整是该策略实施的关键。传统方式是委派公正的第三方，采用中心制的协调策略；新方案是基于全民参与和监督机制的区块链技术，所有节点（区域内分散的充电站）均参与交易的记录和监督，进行协商调价。

2 中心制协调策略及潜在合谋风险

2.1 中心制协调方案

基于公正的第三方所采用的中心制协调策略对充电站电价进行动态调整，从而引导电动汽车及分散式充电的执行方案示意图如图2所示。调价中心依据区域电网总冗余电量、充电站分布、电动汽车总需求电量和分布等信息对区域内的充电站电价进行统一调整，然后统一发送给所有充电站和车主，引导车主前往不同充电站进行充电。

图2 基于中心制充电站电价协调引导下的电动汽车充电执行方案Fig.2 Charging scheme of electric vehicles coordinated by the charging station electricity prices based on unified system

调价中心对充电站电价的调整主要有两种模式，如图3所示。一种方式是调价中心依据每个充电站正在充电的电动汽车信息，结合区域电网总冗余电量、下一周期需要进行充电的电动汽车数量和分布，综合调整不同位置充电站的电价。另一种方式是区域内充电站根据站内充电的电动汽车数量以及电价等信息，主动向调价中心申请该站的价格调整，调价中心对调价申请予以评估后进行批准或拒绝，从而确定下一周期该站的价格是否发生变动。

2.2 特性及潜在合谋风险

图3所示为中心制协调策略中的充电站电价调整流程，调价中心作为唯一的信息收集和充电价格发布中心，信息上传和下发流程相对简洁，能够提升相应信息传递的速度，确保信息更新的及时性。调价中心还能够全局掌控区域内所有充电站的实时信息状态，迅速对不同位置充电站价格进行调整，有利于区域电网总冗余电量的消纳和电网稳定。

图3 中心制的充电站电价调整流程Fig.3 Adjustment flowchart of charging station electricity prices based on unified system

信息全部集中于调价中心，调价中心需要具备相应的硬件设备对海量信息进行处理、判断及存储。随着区域范围内充电站及电动汽车数量的增加，充电站的算力和存储容量也需同步增加。由于调价中心作为唯一的充电站电价调整决策机构，一方面难以实现信息完全公开透明，另一方面电价的调整不可避免受工作人员意识的影响。电网实际运行时允许一定范围内的波动，如只满足区域电网总冗余电量的全部消纳，利用充电站的充电价格引导电动汽车充电的调价方案将有多种。调价中心的工作人员在进行方案制定时更趋向于简单或熟悉的调价策略，以确保方案的正确并减少工作量，难以保证每次都最利于区域内所用充电站的利益。若调价中心工作人员与某充电站有关联时，无论是基于综合调度还是充电站申请审批形式的调价方案制定，该工作人员总会在允许范围内更偏向与自己有关联的充电站，提升该充电站的利益，从而形成合谋。受工作人员的主观意识或者是合谋干扰下的调价方案，都只会有利于局部充电站的利益，而损耗区域范围内其他充电站的利益。不同充电站之间为了利益，也可能组成小团体形成合谋，通过私下协商电价、向中心传递误导信息等形式谋取自身利益。

3 基于区块链技术的协调策略

3.1 合约制协调策略

本文所提出的基于区块链技术的充电站电价协调引导电动汽车充电方案如图4所示。

图4 基于区块链技术合约制的充电站电价协调引导下的电动汽车充电执行方案Fig.4 Charging scheme of electric vehicle coordinated by charging station electricity prices based on blockchain contract system

利用区块技术替代传统公正的第三方监管和统一价格调整，实施全民参与制，区域范围内的所有充电站遵循智能合约，并参与充电站电价调整的审查、记录和监管。各充电站的电价都是通过“电价调整申请-智能合约审批-全民记录和监督-电价调整下发”的方式进行调整，无调价中心的统一管控。

基于区块链技术的充电站电价调整机制的具体流程如图5所示。智能合约以区域电网总冗余电量与电动汽车所需电量在任意时刻保持动态平衡为基础，电网稳定为前提，由区域内所有充电站参与制定并遵守。区域内充电站根据目前及下一周期电动汽车在站充电情况及电价信息发起调价申请。智能合约实时收集区域内电动汽车充电信息、区域电网总冗余电量以及电动汽车总充电需求等信息为参考，对调价申请进行审批，当调价申请满足既定的智能合约要求即通过，否则予以驳回。调价申请被智能合约审批通过后，所提出申请的充电站需构建新区块，用以保存此次该站的调整记录并通告区域范围内所有充电站，所用充电站将参与新区块信息的记录和监督。

图5 基于区块链技术合约制的充电站电价协调策略Fig.5 Adjustment strategy of charging station electricity prices based on blockchain contract system

某一充电站提出调价申请，必然是该价格在下一个充电周期更有利于该站的收益，故区域范围内所有充电站相互之间都是竞争关系。当某一充电站的充电价格变化必然会影响其他充电站的利益，因此其他充电站也会提出调价申请，只有当区域范围内所有充电站的利益均衡，都得到保障，各充电站的价格方案才能够被确定下来，然后传递到区域范围内各充电站和电动汽车车主，引导电动汽车前往不同的充电站进行充电。

3.2 智能合约

在图5所示的基于区块链技术合约制的充电站电价协调策略中，智能合约是核心，是调价方案制定的公平性、速度性和有效性的保障，也是区域范围内所有充电站利益的保障，还关系到区域电网的稳定以及电动汽车车主的利益。故在智能合约的制定初期将由区域电网、电动汽车车主和充电站共同协商制定，将充电价格制定在一个电动汽车车主和充电站都能接受的范围内，也是后续价格调整引导电动汽车分散充电方案能够顺利执行的前提。随着区域电动汽车和充电站的发展，智能合约需要修改时也必须取得三方同意。智能合约制定后，将由区域范围内所有充电站遵守执行，参与记录和监督，电动汽车车主和区域电网参与监督。

各充电站的价格都是为了保障自身利益采用“申请-审批-通告”的方式进行调整。为了提升价格调整方案确定的速率，在智能合约中须对各充电站一个充电周期内总申请次数、有效申请时间段、不合理申请处罚等制定相关规定，以此提升每次申请的有效性和合理性，减少需处理的信息量。各充电站在允许时间内所审批通过的价格调整只在各充电站之间进行通告，当价格调整方案确定以及允许提出调价申请时间结束以后，才将调整后的各充电站价格统一下发至各充电站和电动汽车车主，精简信息传递流程，也避免价格信息混乱。

3.3 合谋缓解

基于区块链技术的合约制充电站电价协调策略无中心制的调价中心，由智能合约依据既定条款对各充电站的调价申请进行审批，避免了人为意志对调价方案的干扰，消除了人为合谋风险。基于区块链技术的协调策略中形成合谋的条件是有超过半数的参与主体达成一致。充电站的充电价格统一按照“申请-审批-通告”的方式进行调整，各充电站的充电价格彼此透明，为了维护本站的利益，各站之间处于相互竞争的关系，在公平竞争调价策略限制下，各站都会尽力争取本站利益。另一方面，智能合约由电网、充电站和电动汽车车主共同参与制定，各参与主体之间的利益相悖，特别是充电站和车主之间。因此随着充电站和电动汽车数量的增多，联合部分充电站进行合谋获利的可能性不断降低。另外由于智能合约由区域电网、电动汽车车主和充电站共同制定和监督，并且每次调价记录都会在各充电站进行记录，也能够保障电动汽车车主的利益以及电网的稳定，各充电站每次的调价信息可追溯，且能防篡改，为不正当的调价判定提供可靠证明，避免恶性竞争。

4 案例分析

为了验证本文所提出策略的正确性，采用相关案例进行验证。由于部分实际数据无法获取或使用，案例中的数据都是在合理范围内的假设数据和处理后数据。对电量数据进行区段时间均值化，就是在一段时间内假设其数据保持不变。图6所示为区段时间t=1 h的区域电网总冗余电量与电动汽车总需求电量随时间变化。

图6 电量数据进行区段时间均值化后的区域电网总冗余电量与电动汽车总需求电量随时间变化Fig.6 Change of totalpower demand of electric vehicle and reluctant power of regionalpower grid with time after sectional averaging of power data

为了简化验证过程，还做进行了如下假设：

1）假设电网供给充电站的电价保持不变为0.5元/kWh，电动汽车充电的基础电价为1.51元/kWh，充电价的调节幅度为±0.5元/kWh。

2）假设电动汽车分散，在价格引导时最近的充电站就有剩余充电位满足电动汽车充电要求，无需行驶更远距离。

3）区块链技术的作用是保证各主体共同参与电价的制定，避免局部合谋的恶性竞争。已假设所有受调节的电动汽车都可以到就近的充电站进行充电，故可以假设所有电站电价都相同，由各主体依据电网总冗余电量共同协商制定。

4）任意时刻充电价格的变化与能够调节的电动汽车功率之间的关系保持不变。

5）区域电网总冗余电量与电动汽车总需求电量相等。这个假设可以通过调节电网输入此区域的基础电量予以满足。

基于以上假设，可得出任意时刻需要进行调节的电动汽车功率为

式中：P1为任意时刻区域电网总冗余功率；P2为电动汽车总需求功率；ΔP＞0表明区域电网总冗余功率大于电动汽车总需求功率，需要更多的电动汽车进行充电；ΔP＜0则表明需要减少进行充电的电动汽车数量。

基于基础电价的充电站电价为：

式中：M为实际的充电价格；ΔM为电价调价量；当ΔM＞0表明充电价格上涨，ΔM＜0为下降。

定义充电站电价与能够调节的电动汽车功率之间的关系为：

已知任意时刻需要调节的电动汽车功率和电价的调节范围。在电价调节功率最大时达到电价最大调节值时最佳。依据图6以及前面的假设可求得ξ=|ΔPmax|/0.5=19.32 MW/元，则P3=-19.32ΔM。

基于以上的假设和相关定义，在保证区域电网总冗余电量在任意时刻恰好全部被电动汽车充电所消耗情况下，需要调节的电动汽车充电量与充电站电价的变化关系如图7所示。本文的假设中电价调节与能够引导的电量之间为线性关系，图7中充电站电价变化与电动汽车充电量变化之间为堆成关系。在利用电价引导电动汽车充电过程中，关于电价与充电量变动之间的关系需考虑电动汽车车主的意愿、时间成本、距离充电站的距离等多种主观和客观影响因素，是一个相对复杂的对应关系。

图7 需要调节的电动汽车充电量与充电站电价的变化关系Fig.7 Relationship between the capacities of electric vehicle to be regulated and the charging station electricity prices

在保持充电站充电价格不变和根据区域电网总冗余电量与电动汽车总需求电量之间的关系进行充电价格调节引导后的电动汽车全天充电量变化如图8所示。充电站电价的调整主要目的是全部消纳区域电网总冗余电量，故通过电价调整，电动汽车充电量与区域电网总冗余电量任意时刻正好相等。在保持充电站电价不变情况下，电动汽车车主按照自己的充电习惯进行充电。当区域电网总冗余电量大于此时电动汽车总需求电量，则可以满足所有电动汽车充电需求；当区域电网总冗余电量小于此时电动汽车总需求电量时，只能满足部分车主充电需求，此时充电功率为区域电网所冗余功率。在这个过程中我们未考虑由于区域电网充电功率限制而被迫转移其他时间段进行充电的情况。

图8 电动汽车充电量与充电价格之间的对应关系Fig.8 Relationship between the capacities of electric vehicle with charging prices

图9为电价调节引导前后区域所有充电站收益的变化。在区域电网总冗余电量大于电动汽车总需求电量时间段内，价格变化引导更多的车主充电。降低了充电价格，但充电总量上升，总收益和净收益也提升。当区域电网总冗余电量不足时，通过充电价格的提升来提升收益。故充电价格变化后在全天任意时刻的总收益和净收益都要高于价格未发生变化的收益。所需调节的电动汽车功率ΔP越大，也就是价格调整得越多，这种差异越明显。充电价格不变情况下，区域所有充电站一天的总收益为22.23万元，净收益为14.82万元；采用价格引导策略后总收益为28.19万元，净收益为18.21万元。

图9 电价调节引导前后区域所有充电站的收益变化曲线Fig.9 Income before and after the adjustment of electricity price

由于案例中价格调整引导电动汽车充电的前提条件就是全部消纳区域电网总冗余电量，故价格调整策略受限保障了电网运行的稳定性。从案例分析的结果中还可以发现，此策略对提升区域所有充电站总体收益和满足电动汽车车主充电需求也有重要作用。

5 结语

本文提出了一种基于区块链技术的充电站电价协调策略，用以解决电动汽车和分布式能源并网导致电网波动的问题。通过区域范围内充电站电价的协调，改变电动汽车固有充电规律，引导电动汽车调整充电时段前往不同的充电站进行充电，保持区域电网总冗余电量与电动汽车总需求电量的动态平衡，实现分布式电源发电量全部被电网消纳，维持电网稳定。以智能合约为约束，“申请-审批-通告”式的充电站电价调整策略，实现了各充电站价格透明，避免了人为意志的干扰，促进了充电站之间的良性竞争，能够有效保障区域范围内所有充电站的利益，降低合谋风险。