呂詩寧， 顏 擁， 丁 麒， 文福拴， 趙俊華

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；2.浙江大學電氣工程學院，杭州 310027；3.文萊科技大學電機與電子工程系，文萊斯里巴加灣 BE1410；4.香港中文大學（深圳）理工學院，廣東 深圳 518100）

綜述

能源互聯(lián)網(wǎng)中的區(qū)塊鏈應(yīng)用：優(yōu)勢、場景與案例

呂詩寧1， 顏 擁1， 丁 麒1， 文福拴2，3， 趙俊華4

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；2.浙江大學電氣工程學院，杭州 310027；3.文萊科技大學電機與電子工程系，文萊斯里巴加灣 BE1410；4.香港中文大學（深圳）理工學院，廣東 深圳 518100）

區(qū)塊鏈技術(shù)將解決能源互聯(lián)網(wǎng)中的信任問題，引導(dǎo)能源互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建、發(fā)展與升級。從區(qū)塊鏈的去中心化、信息完備公開透明、分布式記錄存儲、可編程腳本4大核心應(yīng)用優(yōu)勢出發(fā)，分別討論了區(qū)塊鏈在能源交易、電子數(shù)據(jù)保全、物聯(lián)網(wǎng)、負荷側(cè)響應(yīng)中的應(yīng)用場景，并介紹了相應(yīng)的應(yīng)用案例，展現(xiàn)了區(qū)塊鏈技術(shù)在能源行業(yè)廣闊的應(yīng)用前景。

能源互聯(lián)網(wǎng)；區(qū)塊鏈；應(yīng)用優(yōu)勢；應(yīng)用場景；案例

0 引言

隨著傳統(tǒng)燃料的日益枯竭以及全球環(huán)境的逐漸惡化，分布式能源、電動汽車、智能家居等設(shè)備漸漸進入人們的生活。構(gòu)建一張能消納新型電氣設(shè)備、實現(xiàn)點對點能源共享的能源互聯(lián)網(wǎng)（En-ergy Internet）是傳統(tǒng)電網(wǎng)轉(zhuǎn)型方向之一。然而，如何在系統(tǒng)中建立信用機制仍是構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)的一大挑戰(zhàn)。

區(qū)塊鏈技術(shù)是比特幣（Bitcoin）的底層技術(shù)，具有去中心化、透明化、數(shù)據(jù)安全性、系統(tǒng)自治性的特點，在金融、教育就業(yè)、文化娛樂、公共服務(wù)、信息安全、醫(yī)療健康、供應(yīng)鏈、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域已有了較為廣泛的應(yīng)用。然而，區(qū)塊鏈在能源行業(yè)的應(yīng)用才剛起步，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

以下從區(qū)塊鏈的核心應(yīng)用優(yōu)勢出發(fā)，討論區(qū)塊鏈在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用場景，并結(jié)合目前區(qū)塊鏈在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用案例，進一步闡述區(qū)塊鏈技術(shù)在能源行業(yè)的發(fā)展前景。

1 能源互聯(lián)網(wǎng)概述

能源互聯(lián)網(wǎng)概念首次出現(xiàn)在《第三次工業(yè)革命》一書中[1]。該書提出隨著傳統(tǒng)燃料的日益枯竭以及全球環(huán)境的逐漸惡化，人類將進入一種結(jié)合了新能源技術(shù)和新信息技術(shù)的能源互聯(lián)網(wǎng)體系。在此基礎(chǔ)上，能源互聯(lián)網(wǎng)被初步定義為“以電力系統(tǒng)為核心，以互聯(lián)網(wǎng)及其他前沿信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以分布式可再生能源為主要一次能源，與天然氣網(wǎng)絡(luò)、交通網(wǎng)絡(luò)等其他系統(tǒng)緊密耦合而形成的復(fù)雜多網(wǎng)流系統(tǒng)”[2]。文獻[3]則進一步闡述了其利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)消納可再生能源、電動汽車、分布式存儲裝備等設(shè)備，從而形成一張能源共享網(wǎng)絡(luò)的愿景。

相比現(xiàn)有的電網(wǎng)，能源互聯(lián)網(wǎng)涉及了更多樣的能源形式和更廣泛的參與主體[4]，并在信息的交互模式上進行了改革。首先在能源形式上，它不僅包含了電能，也包括了可再生能源、天然氣等；參與主體方面，它不再局限于傳統(tǒng)的“發(fā)電、輸電、配電、用電”環(huán)節(jié)，一系列新的角色諸如售電商、代理商、運營商以及基于信息等增值服務(wù)的承包商也都加入其中；此外，為促進能源綜合利用率，能源互聯(lián)網(wǎng)還旨在實現(xiàn)去中心化、點對點的泛在交互。

多樣的能源形式、多元的參與主體、去中心化的交互模式，這些維度的升級不僅增加了能源互聯(lián)網(wǎng)的復(fù)雜性，也對系統(tǒng)內(nèi)信任的建立提出了很大的挑戰(zhàn)。而另一方面，由于其內(nèi)生的理念和概念缺陷，能源互聯(lián)網(wǎng)所提倡的“精確計量、泛在交互、自律控制、優(yōu)化決策、廣域協(xié)調(diào)”五大特征在缺乏共識與信任的情況下也難以得到保障[5]。由此可見，能源互聯(lián)網(wǎng)亟需一種能構(gòu)建去中心化、可信交互的技術(shù)支撐。

2 區(qū)塊鏈簡介

區(qū)塊鏈，顧名思義就是一條指由數(shù)據(jù)區(qū)塊有序連接而形成的鏈式數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)區(qū)塊之間的連接通過密碼學方法保護，數(shù)據(jù)庫由網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點共同保存、共同維護，因而具有不可偽造、難以篡改的特點，有效解決復(fù)雜系統(tǒng)中各主體之間的信任問題。此外，區(qū)塊鏈技術(shù)在去中心化、協(xié)同自治、市場化、智能合約等方面的特點也與能源互聯(lián)網(wǎng)的理念具有一定程度的相似性[4]。因此，區(qū)塊鏈技術(shù)將在能源互聯(lián)網(wǎng)升級構(gòu)建中發(fā)揮巨大潛能。

2.1 區(qū)塊鏈的起源

2008年11月，一篇署名為中本聰（Satoshi Nakamoto）的論文《比特幣：一種點對點電子現(xiàn)金系統(tǒng)》提出了一種基于P2P網(wǎng)絡(luò)、密碼學的數(shù)字貨幣，并將其命名為比特幣。該貨幣體系創(chuàng)新性地構(gòu)建了一套無需第三方公證即可完成交易的信任機制。自2009年1月創(chuàng)世區(qū)塊誕生以來，比特幣的全球認可度與自身價值逐漸攀高，現(xiàn)在已成為一種全球范圍內(nèi)可交易的電子貨幣。然而，作為比特幣的底層技術(shù)，區(qū)塊鏈技術(shù)卻在2013年以后才逐漸受到關(guān)注。

2.2 區(qū)塊鏈的含義

區(qū)塊鏈由一系列數(shù)據(jù)塊（即區(qū)塊）以密碼學方法按時間順序有序連接，構(gòu)成一條鏈條（即數(shù)據(jù)庫），其結(jié)構(gòu)如圖1所示[6]。在比特幣的應(yīng)用場景中，每個區(qū)塊數(shù)據(jù)中都記錄著一定時間范圍內(nèi)由參與節(jié)點發(fā)布的系統(tǒng)交易數(shù)據(jù)信息（圖 1中的Trans）。這些交易信息包括發(fā)送和接受方的身份證明、交易金額、交易時間以及其他附加信息等。每個數(shù)據(jù)區(qū)塊中除了上述交易數(shù)據(jù)之外，還包含了區(qū)塊ID、時間戳（圖1中Timestamp）、與上一區(qū)塊的連接關(guān)系（圖1中Reference）等其他信息，使其相互連接成一條記錄了整個網(wǎng)絡(luò)所有歷史交易信息的鏈條。這些數(shù)據(jù)塊被實時廣播到整個共享網(wǎng)絡(luò)中，一旦通過確認并加入到鏈條之后便具有不可抵賴、難以篡改的特點，從而保證了整個數(shù)據(jù)庫的透明性和可靠性。

文獻[7]分別從狹義、廣義2個層面對區(qū)塊鏈這一概念做出描述：狹義上將其界定為一種數(shù)據(jù)區(qū)塊按時間順序組合相連的鏈式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并由密碼學保證該分布式賬本的不可篡改性與不可偽造性；廣義上則將這一技術(shù)拓寬到一種分布式數(shù)據(jù)存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法等計算機技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)時代的創(chuàng)新應(yīng)用模式。文獻[8]進一步給出如下定義：區(qū)塊鏈技術(shù)是基于時間戳的“區(qū)塊+鏈式”數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來驗證與存儲數(shù)據(jù)、利用分布式節(jié)點共識算法來添加和更新數(shù)據(jù)、利用密碼學方法保證數(shù)據(jù)傳輸和訪問的安全、利用由自動化腳本代碼組成的智能合約來編程和操作數(shù)據(jù)的一種全新分布式基礎(chǔ)架構(gòu)與計算范式。

2.3 區(qū)塊鏈的特點

區(qū)塊鏈技術(shù)具有4個主要特點[4，5，8]：去中心化、透明化、數(shù)據(jù)安全性、系統(tǒng)自治性。

（1）去中心化：區(qū)塊鏈技術(shù)基于P2P的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不存在中心節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點的地位均等，互為備份，增加數(shù)據(jù)庫的魯棒性。

（2）透明化：區(qū)塊鏈系統(tǒng)對所有人開放，所有數(shù)據(jù)除被加密的節(jié)點隱私信息之外對任何參與者公開，整個系統(tǒng)運作規(guī)則高度透明。

（3）數(shù)據(jù)安全性：區(qū)塊鏈通過鏈式結(jié)構(gòu)、數(shù)字加密、共識算法等技術(shù)保證了區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)不可虛構(gòu)，不可偽造，不可篡改，不可刪除，保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠、安全且可追溯。

（4）系統(tǒng)自治性：區(qū)塊鏈通過共識算法、智能合約等技術(shù)保證了系統(tǒng)無需信任背書或第三方監(jiān)督也能正確執(zhí)行、自行運轉(zhuǎn)。

圖1 區(qū)塊鏈的構(gòu)成[6]

3 區(qū)塊鏈在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

區(qū)塊鏈技術(shù)源自比特幣，毋庸置疑，比特幣是區(qū)塊鏈的第一個應(yīng)用。隨著其去中心化、透明化、數(shù)據(jù)安全性、系統(tǒng)自治性的優(yōu)勢逐漸突顯，它迅速延伸到諸如數(shù)字貨幣、跨境支付、股票交易、貿(mào)易清結(jié)算、客戶識別、共享經(jīng)濟等眾多金融領(lǐng)域。同時，數(shù)字資產(chǎn)的形式也從現(xiàn)金貨幣拓寬到包括學歷證書、知識產(chǎn)權(quán)、土地資產(chǎn)、選舉投票權(quán)、個人信息等方面，從而在教育就業(yè)、文化娛樂、公共服務(wù)、信息安全、醫(yī)療健康、供應(yīng)鏈、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域都發(fā)揮作用[6-9]。

而在能源領(lǐng)域，區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化、公開透明、協(xié)同自治與能源互聯(lián)網(wǎng)的理念相吻合[4]。利用區(qū)塊鏈技術(shù)，有望進一步推動將精確計量、泛在交互、自律控制、優(yōu)化決策、廣域協(xié)調(diào)的能源互聯(lián)網(wǎng)升級為可信計量、可信交互、智能控制、民主決策、集群智能的能源區(qū)塊鏈[5]。

文獻[9]提出了區(qū)塊鏈4個核心應(yīng)用優(yōu)勢：去中心化、信息完備公開透明、分布式記錄存儲、可編程腳本。以下將結(jié)合目前區(qū)塊鏈技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用案例，對上述4方面在能源行業(yè)的應(yīng)用場景作進一步的介紹。所列案例既包括已投入運轉(zhuǎn)或正在優(yōu)化的應(yīng)用項目，也包括尚在研發(fā)或計劃階段的概念模型。

3.1 去中心化與能源交易

區(qū)塊鏈解決了價值交換中的中間成本問題，保證了系統(tǒng)高效率、低成本運營[9]。這一優(yōu)勢可廣泛應(yīng)用于能源交易領(lǐng)域，替代原本由中心機構(gòu)處理的交易流程，轉(zhuǎn)向P2P交易的新模式。

分布式能源及存儲設(shè)備憑借其靈活、清潔的特點，在提高局部供電可靠性、降低輸電損耗、增加能源利用以及減少環(huán)境污染方面具有很好的應(yīng)用前景[10]?；趨^(qū)塊鏈的P2P能源交易模式能為含有分布式能源、分布式存儲設(shè)備的微網(wǎng)系統(tǒng)提供高效、低廉、公開、可信的交易平臺。

美國能源公司LO3 Energy和基于以太坊區(qū)塊鏈創(chuàng)業(yè)公司 ConsenSy合作開展 Trans Active Grid項目。該項目在美國布魯克林的一個微網(wǎng)中建立了全球第一個基于區(qū)塊鏈技術(shù)的能源市場，通過智能電表實時獲得發(fā)、用電量等相關(guān)數(shù)據(jù)，并利用區(qū)塊鏈使居民可以成功地將屋頂太陽能生產(chǎn)的余電以點對點形式賣給鄰居。

Tans Active Grid的成功引來了行業(yè)的巨大興趣與投資熱情。目前荷蘭Vattenfall能源公司旗下的Powerpeers平臺也基于區(qū)塊鏈技術(shù)推出了一個網(wǎng)站，以滿足發(fā)電者和購電者繞過中間機構(gòu)完成點對點線上互動交易的需求；歐盟的Scanergy項目也有意基于Trans Active Grid的原型建立一個實時能源市場系統(tǒng)NRG-X-Change，基于NRG幣（原理同比特幣）以15 min為單位結(jié)算社區(qū)內(nèi)各用戶的能源交易；奧地利最大的公用事業(yè)公司W(wǎng)ien Energy近日也宣布將于2017年3月開展與溫哥華區(qū)塊鏈公司BTL集團的合作試點項目，在能源交易中引入BLT公司的匯款平臺（Interbit Remittance Platform），希望探索能源資產(chǎn)追蹤的新途徑，從而達到降低成本的目的。

此外，奧地利的Grid Singularity公司希望結(jié)合“能源市場+數(shù)據(jù)服務(wù)”的組合模式，在打造去中心化的能源交易平臺的同時，進一步利用該平臺的交易數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)分析、智能電網(wǎng)管理、投資交易決策建議等一系列增值服務(wù)。

3.2 信息完備公開透明與電子數(shù)據(jù)保全

區(qū)塊鏈的信息完備公開透明。一方面，它獨特的加密方式和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保證了其數(shù)據(jù)不可虛構(gòu)，不可篡改，任何數(shù)據(jù)都可追本溯源，保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠；另一方面，它的透明性又進一步增進了公眾對它的信任。

隨著電力市場改革的推進，市場主體也將日益增多，電力交易也將更加活躍。傳統(tǒng)的電力交易都是由電網(wǎng)公司背書，而在電力市場環(huán)境下如何在做到信息公開的同時又能保護數(shù)據(jù)安全是電力市場推進中面臨的重要難題。尤其是像電力交易中心、調(diào)度中心這種作為第三方參與者的公信力是保證電力市場有序健康發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

國網(wǎng)浙江省電力公司正在大力開展“互聯(lián)網(wǎng)+電力營銷”工作，單據(jù)電子化是其中重要的工作內(nèi)容，今后將會出現(xiàn)大量的電子合同、電子發(fā)票、電子票據(jù)等。電子化單據(jù)存在容易篡改、丟失等問題，而如何防止這些數(shù)據(jù)被惡意攻擊或篡改，增加其真實性與可信度則是未來能源互聯(lián)網(wǎng)將要面臨的挑戰(zhàn)。

基于區(qū)塊鏈的電子數(shù)據(jù)保全技術(shù)可提升能源互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)信息安全性，避免由于外部黑客攻擊或內(nèi)部管理不當導(dǎo)致的電子數(shù)據(jù)丟失或篡改，可為電力市場參與者提供信用背書。

3.3 分布式記錄儲存與物聯(lián)網(wǎng)

區(qū)塊鏈不存在中心節(jié)點，由每個節(jié)點記錄、存儲信息，所有參與節(jié)點共同維護數(shù)據(jù)庫，保證了數(shù)據(jù)的高可持續(xù)性，從而解決了物聯(lián)網(wǎng)的核心缺陷[9]。事實上，區(qū)塊鏈與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合在構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)上具有很好的前景。

電動汽車以電代油，它的大力推行將有效緩解能源枯竭與環(huán)境問題，然而自問世以來，其充電難問題一直是制約該行業(yè)發(fā)展的瓶頸之一[11]。德國基于以太坊區(qū)塊鏈創(chuàng)業(yè)公司Slock.it開發(fā)了一款名為Share&Charge的產(chǎn)品，利用定制插頭、手機APP、以及基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能合約和分布式總賬技術(shù)，以實現(xiàn)充電樁資產(chǎn)經(jīng)濟共享，并完成該應(yīng)用場景下認證、充電、付款的自動化管理。在最新的測試版本中，該款產(chǎn)品除了其合作伙伴德國能源公司RWE的充電樁以外，還允許私人用戶在手機APP上共享個人充電樁。

美國公司Filament利用“區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)”的組合，計劃對澳洲的輸電設(shè)備進行以下創(chuàng)新：在電線桿上裝設(shè)傳感設(shè)備，將其轉(zhuǎn)化為物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)節(jié)點，并將數(shù)據(jù)通過區(qū)塊鏈以點對點方式向全網(wǎng)傳播，從而保證電力及其設(shè)備的安全管理。此外，F(xiàn)ilament公司還和美國IDEO Colab、納斯達克建立合作關(guān)系，共同研發(fā)一款基于區(qū)塊鏈技術(shù)的太陽能電池板設(shè)備，以追蹤記錄設(shè)備產(chǎn)能，并實時生成可再生能源證書，從而將太陽能發(fā)電、新能源補貼、去中心化電力支付三大應(yīng)用結(jié)合起來。

另外，德國西門子的Next-47項目也將物聯(lián)網(wǎng)方向列入其區(qū)塊鏈白皮書。

3.4 可編程腳本與負荷側(cè)響應(yīng)

由于區(qū)塊鏈中記錄的每筆交易信息基于可編程原理內(nèi)嵌了腳本的概念，基于區(qū)塊鏈的交易活動都具有升級為可編程智能合約模式的潛能。智能合約自動判斷預(yù)寫入的條件，在所有條件都滿足時自動執(zhí)行合約內(nèi)容，可有效提高合約執(zhí)行效率，規(guī)范市場秩序，實現(xiàn)系統(tǒng)的自協(xié)作。

未來的能源互聯(lián)網(wǎng)將會迎接大量智慧用電負荷的接入，如智能電家居、電動汽車等。芬蘭的Fortum公司計劃開展基于區(qū)塊鏈的智能負荷需求側(cè)響應(yīng)項目，根據(jù)發(fā)電市場的實時信息，借助區(qū)塊鏈技術(shù)解決計劃確定、負荷考核、收益分配等問題，調(diào)動智能電器動態(tài)參與負荷側(cè)響應(yīng)。

4 結(jié)語

構(gòu)建“精確計量、泛在交互、自律控制、優(yōu)化決策、廣域協(xié)調(diào)”的能源互聯(lián)網(wǎng)，必須提供一種能構(gòu)建去中心化、可信交互的技術(shù)支撐。區(qū)塊鏈技術(shù)憑借其創(chuàng)新的技術(shù)架構(gòu)以及去中心化、透明化、數(shù)據(jù)安全性、系統(tǒng)自治性的特點，能有效解決能源區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的信用問題。

從區(qū)塊鏈的去中心化、信息完備公開透明、分布式記錄存儲、可編程腳本4大核心應(yīng)用優(yōu)勢出發(fā)，分別討論了區(qū)塊鏈在能源交易、電子數(shù)據(jù)保全、物聯(lián)網(wǎng)、負荷側(cè)響應(yīng)中的應(yīng)用場景，并介紹了相應(yīng)的應(yīng)用案例。所列案例既包括已投入運轉(zhuǎn)或正在優(yōu)化的應(yīng)用項目，也包括尚在研發(fā)或計劃階段的概念模型，為區(qū)塊鏈技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用提供了寶貴的經(jīng)驗與啟發(fā)，展現(xiàn)了區(qū)塊鏈技術(shù)在能源行業(yè)廣闊的應(yīng)用前景。

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)中區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用的逐步深化，能源互聯(lián)網(wǎng)或?qū)⒂瓉?.0時代，從“精確計量、泛在交互、自律控制、優(yōu)化決策、廣域協(xié)調(diào)”進一步升級為“可信計量、可信交互、智能控制、民主決策、集群智能”的能源區(qū)塊鏈[5]。

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Application of Blockchain in Energy Internet:Advantage,Scenario and Case

LYU Shining1，YAN Yong1，DING Qi1，WEN Fushuang2，3，ZHAO Junhua4
（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.College of Electrical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China；3.Department of Electrical&Electronic Engineering，Universiti Teknologi Brunei，Bandar Seri Begawan BE1410，Brunei；4.School of Science and Technology，The Chinese University of Hong Kong（Shenzhen），Shenzhen Guangdong 518100，China）

Blockchain technology can solve the issue of trust in energy internet，helping its process of building，developing and upgrading.It has four core advantages in application，which are decentralization，the integrity and transparency of information，distributed recording and storage as well as programmable script. Based on these advantages，this paper introduces the potential application of blockchain technology in the areas of energy trade，electronic data storage，Internet of Things，demand response at load side as well as the corresponding application cases，revealing the promising future of blockchain in energy internet.

energy Internet；blockchain；application advantage；application scenario；case

TM71；TP399

：A

：1007-1881（2017）03-0001-04

2017-02-24

呂詩寧（1991），女，主要從事“互聯(lián)網(wǎng)+”電力營銷、區(qū)塊鏈研究。

（本文編輯：方明霞）

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目（973計劃）（2013CB228202）；國家自然科學基金資助項目（51477151）；國家電網(wǎng)公司科技項目（5211DS17002D）