摘要
V2G (vehicle-to-grid)是电动汽车与智能电网的双向互动技术，可将电动汽车当做分布式储能单元来优化电动汽车与电网之间的双向能量交互。然而V2G网络中电动汽车充放电调度具有极大的复杂性，面临来自优化调度问题本身和环境高度动态性方面的挑战。为了对电动汽车充放电调度过程进行实时监测和智能控制，系统需要不断收集电动汽车充放电数据，而这些数据会暴露电动汽车用户的隐私信息。隐私保护数据聚合技术可以解决该难题，在不泄露电动汽车用户隐私信息的情况下收集充放电数据，然而该技术还存在仅支持求和聚合、不支持容错和控制中心这样的内部攻击者仍然可侵害用户隐私的问题。电动汽车充放电调度以及最后的电力交易过程都需要身份认证，但是传统的身份认证方式中电动汽车提供的认证数据会泄露隐私信息。隐私保护身份认证技术可以解决该难题，然而只能保证外部攻击者不能侵害电动汽车用户隐私，内部攻击者仍然可以泄露用户隐私。本文针对以上V2G网络电力交易中面临的充放电调度、数据聚合和身份认证的安全与隐私保护问题开展研究，具体研究工作和成果如下: (1)提出了一个使用联盟链的电动汽车迭代双层优化充放电交易方案。方案设计了基于联盟链的去中心化电力交易架构和交易流程来保障电动汽车与电网双向电力交易的安全性;引入分层和分区域调度的理念，设计了一种迭代双层优化模型，在满足电动汽车用户出行需求和电网安全约束条件并考虑动态环境因素的情况下优化调度电动汽车的充放电过程。此外，针对模型中的大规模混合整数规划问题，采用改进的磷虾群算法求解。仿真实验表明方案可以有效平缓电网负荷波动，改进的磷虾群算法能有效提高模型求解效率。安全分析论证了方案有利于提高电动汽车电力交易的安全性。基于联盟链搭建的系统证明方案具有较好的性能和可扩展性。 (2)提出了一个支持多功能的雾和联盟链辅助的V2G网络隐私保护数据聚合方案，无需可信第三方。方案基于BGN加密算法设计了支持多种统计值计算、满足差分隐私的隐私保护数据聚合函数，并结合BLS短签名算法确保电动汽车充放电数据的机密性、完整性和认证。采用Shamir秘密共享算法来支持部分雾节点和用户端异常情况下的容错以及抵抗来自控制中心的内部攻击。此外对采用的联盟链进行改进以减少系统开销。最终实现将多个功能特性纳入到一个数抛聚合隐私保护方案中。安全性分析表明方案能保护数据聚合的安全和隐私。性能评估显示控制中心的计算开销得到极大减小，对联盟链的改进是有效的。 (3)提出了一个基于匿名凭证和联盟链的V2G网络电力交易隐私保护认证方案。方案采用基于CL签名和零知识证明设计的匿名凭证，在不泄露电动汽车及用户秘密属性的前提下，通过属性的零知识证明来验证身份的合法性，从而保障电动汽车充放电交易中的身份认证隐私，同时实现抵抗内部和外部攻击者。此外方案整合联盟链来设计安全的、分散的和可扩展的身份认证协议，无需依赖可信第三方。安全性分析表明提出的方案能满足电动汽车电力交易身份认证的安全性和隐私保护需求。性能分析表明提出的方案是有效的，可以满足电动汽车实时电力交易场景下的身份认证需求。 综上，本文针对V2G网络充放电调度这个前瞻性问题及充放电交易存在的安全与隐私保护问题，以现有的电动汽车充电调度和智能电网的隐私保护方案为基础，从功能性、安全性和性能几个方面进行改进，提出了三个解决方案，对促进V2G网络发展具有重要的理论和实践意义。
NETL