協(xié)鑫集團(tuán)設(shè)計研究總院 ■ 王惠 李義強(qiáng) 潘俊

0 引言

區(qū)塊鏈技術(shù)脫胎于比特幣，在2008年中本聰發(fā)表的《比特幣：一種點(diǎn)對點(diǎn)的電子現(xiàn)金系統(tǒng)》一文中，區(qū)塊(Block)和鏈(Chain)作為比特幣系統(tǒng)的核心技術(shù)被提出[1]。區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N廣泛應(yīng)用于新興數(shù)字加密貨幣的去中心化基礎(chǔ)架構(gòu)，并隨著比特幣的逐漸被接受而受到關(guān)注和研究，基于區(qū)塊鏈技術(shù)所構(gòu)建的共享經(jīng)濟(jì)生態(tài)環(huán)境能夠促進(jìn)分散化系統(tǒng)的發(fā)展和趨優(yōu)[2]。區(qū)塊鏈技術(shù)的突出優(yōu)勢在于去中心化設(shè)計，通過運(yùn)用加密算法、時間戳、樹形結(jié)構(gòu)、共識機(jī)制和獎勵機(jī)制，在節(jié)點(diǎn)無需第三方信任的分布式網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)基于去中心化信用的點(diǎn)到點(diǎn)交易[3]。該技術(shù)是由區(qū)塊有序鏈接起來形成的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中，區(qū)塊是指數(shù)據(jù)的集合，相關(guān)信息和記錄都包括在里面，是形成區(qū)塊鏈的基本單元，為了保證區(qū)塊鏈的可追溯性，每個區(qū)塊都會帶有時間戳，作為獨(dú)特的標(biāo)記[4]。

里夫金在《第三次工業(yè)革命》一書中指出：第三次工業(yè)革命以眾多的能源采集點(diǎn)收集起來的可再生能源為基礎(chǔ)，通過智能網(wǎng)絡(luò)整合、分配，最大限度地實(shí)現(xiàn)能源的高效利用并維持經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展[5]。該書中提出，可再生能源和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合起來的革命將改變整個世界，此觀點(diǎn)也得到相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜液投鄧I(lǐng)導(dǎo)人的肯定。當(dāng)前，隨著我國遴選了眾多“多能互補(bǔ)”和“能源微網(wǎng)”等示范項目，并頒布了相關(guān)扶持政策來大力發(fā)展“能源互聯(lián)網(wǎng)”，越來越多的能源企業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)開始加入到能源互聯(lián)網(wǎng)的大軍中。

區(qū)塊鏈技術(shù)可解決目前中心化交易模式中可靠性差、安全性低、成本高、效率低等問題，并具有可追溯性[3]。將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于能源系統(tǒng)中，尤其是應(yīng)用于區(qū)域能源微網(wǎng)中，對于能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義。

1 研究發(fā)展現(xiàn)狀

區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展可分為3個階段：區(qū)塊鏈1.0，屬于數(shù)字貨幣，主要是解決貨幣和支付手段的去中心化問題；區(qū)塊鏈2.0，通過智能合約的方式實(shí)現(xiàn)其他類別資產(chǎn)的轉(zhuǎn)換，突破了僅在貨幣領(lǐng)域的區(qū)塊鏈應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了市場交易的去中心化；區(qū)塊鏈3.0，在前2個階段的基礎(chǔ)上發(fā)展了分布式人工智能和組織，充分發(fā)揮了網(wǎng)絡(luò)的自組織、分布式互信特征，可解決自動需求響應(yīng)市場中的一切信用行為，現(xiàn)有的征信模式將被徹底重構(gòu)[6]。目前區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展正處于第2個階段，在金融領(lǐng)域的應(yīng)用研究較多，相關(guān)企業(yè)也在不斷增多，而在能源領(lǐng)域的應(yīng)用才剛剛受到關(guān)注。

國際上關(guān)于區(qū)塊鏈的研究與應(yīng)用表現(xiàn)出聯(lián)盟化、金融級、全盤布局的特點(diǎn)，主要參與對象既有大型商業(yè)銀行、銀行卡組織，也有科技公司、咨詢公司，意在對金融基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行優(yōu)化和重構(gòu)。國際上主要的區(qū)塊鏈聯(lián)盟是由R3CEV公司發(fā)起的R3區(qū)塊鏈聯(lián)盟，該聯(lián)盟由全球主要銀行財團(tuán)共同參與，目前其成員機(jī)構(gòu)數(shù)量超過70家；除了有一批國內(nèi)金融機(jī)構(gòu)相繼加入外，也出現(xiàn)了個別金融巨頭的退出(部分行業(yè)巨頭的相繼退出，可能與未在R3融資中獲得更大權(quán)益有關(guān)，也可能與聯(lián)盟溝通成本提高、影響商業(yè)化效率有關(guān) )。

金融機(jī)構(gòu)通過與區(qū)塊鏈科技公司合作，協(xié)助業(yè)務(wù)設(shè)計和開發(fā)。瑞士銀行、德意志銀行、桑坦德銀行、紐約梅隆銀行和ICAP宣布與區(qū)塊鏈企業(yè)Clearmatics共同發(fā)行基于區(qū)塊鏈技術(shù)的新型“結(jié)算專用幣”(Utility Settlement Coin)，用于金融市場交易結(jié)算及清算過程，希望有效減少支付清算成本、加快清算速度、保證資金安全；三菱東京日聯(lián)銀行與IBM進(jìn)行區(qū)塊鏈合同管理試驗(yàn)，利用區(qū)塊鏈技術(shù)開展與合作伙伴簽署合同時的設(shè)計、運(yùn)營和執(zhí)行；富國銀行與澳新銀行合作開發(fā)區(qū)塊鏈平臺，以創(chuàng)建和共享大量關(guān)系銀行賬戶，提高跨境關(guān)系銀行的支付和結(jié)算速度。

傳統(tǒng)科技公司和咨詢公司也展開了對區(qū)塊鏈技術(shù)的研究與應(yīng)用，為了增強(qiáng)合作的基礎(chǔ)和吸引力，部分企業(yè)選擇將區(qū)塊鏈源代碼開源。IBM以區(qū)塊鏈技術(shù)為基礎(chǔ)，通過Linux基金會發(fā)起了開源項目Hyperledger，意在提供金融級別的區(qū)塊鏈解決方案，推進(jìn)區(qū)塊鏈行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)形成；2016年12月，R3向全球(不僅限聯(lián)盟成員)公開發(fā)布分布式賬本平臺Corda源代碼，并在Corda.net網(wǎng)站為開發(fā)者和愛好者提供補(bǔ)充材料。

2016年，國內(nèi)對區(qū)塊鏈的研究熱度也出現(xiàn)了爆發(fā)式增長。中國人民銀行、商業(yè)銀行等金融機(jī)構(gòu)均展開了相關(guān)研究，但仍主要處于概念性驗(yàn)證和原型實(shí)驗(yàn)階段，市場主體紛紛采取不同策略、基于不同業(yè)務(wù)場景，推動該技術(shù)的應(yīng)用和普及。國內(nèi)也成立多個區(qū)塊鏈聯(lián)盟，如中關(guān)村區(qū)塊鏈產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、ChinaLedger聯(lián)盟、金融區(qū)塊鏈合作聯(lián)盟、陸家嘴區(qū)塊鏈金融發(fā)展聯(lián)盟等。

國內(nèi)商業(yè)銀行及其他金融機(jī)構(gòu)開始通過與區(qū)塊鏈科技公司合作，協(xié)同探索基于區(qū)塊鏈的創(chuàng)新型業(yè)務(wù)場景。中國郵政儲蓄銀行與IBM合作推出基于區(qū)塊鏈技術(shù)的資產(chǎn)托管系統(tǒng)；浙商銀行與趣鏈科技合作推出基于區(qū)塊鏈技術(shù)的移動數(shù)字匯票應(yīng)用；招商銀行實(shí)現(xiàn)將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于全球現(xiàn)金管理領(lǐng)域的跨境直連清算、全球賬戶統(tǒng)一視圖及跨境資金歸集3大場景。

國內(nèi)的一些創(chuàng)業(yè)科技公司和開發(fā)者也相繼發(fā)布區(qū)塊鏈應(yīng)用。螞蟻金服推出區(qū)塊鏈公益項目，主要應(yīng)用于支付寶的愛心捐贈平臺，以解決善款去向透明度的問題；萬達(dá)網(wǎng)絡(luò)與百望股份合作推進(jìn)“區(qū)塊鏈+電子發(fā)票”財稅一體化解決方案、“區(qū)塊鏈+供應(yīng)鏈”解決方案的POC驗(yàn)證。此外，萬向區(qū)塊鏈實(shí)驗(yàn)室、小蟻、布比科技等均實(shí)施了較有影響力的區(qū)塊鏈創(chuàng)業(yè)項目[7]。

雖然區(qū)塊鏈技術(shù)在能源領(lǐng)域的相關(guān)研究主要集中在近一年內(nèi)，但國內(nèi)的專家學(xué)者對區(qū)塊鏈技術(shù)在我國能源領(lǐng)域的應(yīng)用分析已經(jīng)取得了一定的研究成果[8]：

1)學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域：在對區(qū)塊鏈和能源互聯(lián)網(wǎng)典型特征進(jìn)行匹配分析的基礎(chǔ)上，對區(qū)塊鏈技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用模式進(jìn)行了初探，提出了區(qū)塊鏈在需求側(cè)管理、電能計量和市場交易、電力市場輔助服務(wù)等領(lǐng)域的應(yīng)用場景。

2)研究團(tuán)隊建設(shè)方面：部分企業(yè)和科研院所已經(jīng)建立了針對區(qū)塊鏈在能源領(lǐng)域應(yīng)用分析的實(shí)驗(yàn)室，如，北京能鏈眾合科技有限責(zé)任公司建立的能源區(qū)塊鏈實(shí)驗(yàn)室、大同市政府投資建立的北京大同區(qū)塊鏈技術(shù)研究院、浙江省電力公司電力科學(xué)研究院創(chuàng)立的能源區(qū)塊鏈研究團(tuán)隊等。

本文主要對區(qū)塊鏈技術(shù)在區(qū)域能源微網(wǎng)中的應(yīng)用及交易模式進(jìn)行了總結(jié)，并總結(jié)了區(qū)塊鏈技術(shù)及其推廣所面臨的問題。

2 區(qū)塊鏈技術(shù)在區(qū)域能源微網(wǎng)中的應(yīng)用

區(qū)塊鏈?zhǔn)遣捎面準(zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)存儲方式，具有防篡改的特性。區(qū)塊頭中記錄上一區(qū)塊的信息，并且當(dāng)前時段之前的所有交易信息都會以鏈?zhǔn)絽^(qū)塊的形式在系統(tǒng)中進(jìn)行記錄，這樣的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)可使用戶對交易信息進(jìn)行查詢和追蹤。如果區(qū)塊鏈中某一用戶(包括系統(tǒng)管理員)想要篡改某一區(qū)塊的信息，就需要對當(dāng)前區(qū)塊之后的所有區(qū)塊中記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行篡改，區(qū)塊鏈中所有的用戶便會知曉。區(qū)塊鏈的這種防篡改特性使得區(qū)塊鏈中存儲了大量的分布式數(shù)據(jù)，如果區(qū)塊鏈中的用戶過多，便會面臨存儲空間的問題。因此，在能源微網(wǎng)中采用區(qū)塊鏈技術(shù)，可充分發(fā)揮區(qū)塊鏈技術(shù)的優(yōu)勢，并可避免存儲空間的問題。圖1為中心化和區(qū)塊鏈去中心化網(wǎng)絡(luò)圖[9]。

圖1 中心化和去中心化示意圖

微網(wǎng)中所有用戶的區(qū)塊鏈管理平臺構(gòu)成了區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，在該網(wǎng)絡(luò)中沒有數(shù)據(jù)中心，每一個用戶的區(qū)塊鏈管理平臺都是一個獨(dú)立的管理中心，每一個用戶都有一個獨(dú)一無二的公鑰地址和私鑰地址。公鑰地址為對外交易的窗口，包含用戶所有參與交易的數(shù)據(jù)信息，每個用戶將自己的交易需求發(fā)送到想要交易對象的公鑰地址，雙方同意交易后，通過各自的私鑰簽名并加蓋時間戳方可完成交易，交易信息存儲在區(qū)塊鏈中，每一個用戶均可看到并追溯。圖2為基于區(qū)塊鏈技術(shù)的微網(wǎng)架構(gòu)。

圖2 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的微網(wǎng)架構(gòu)

2.1 區(qū)塊鏈技術(shù)在能源交易中的應(yīng)用

未來，區(qū)塊鏈中每一個用戶都既是能源消費(fèi)者，亦是能源生產(chǎn)者，微網(wǎng)中不同用戶之間可實(shí)現(xiàn)能源的自由交易。

以發(fā)電為例，目前能源的交易方式為：用戶購買供電局認(rèn)可的電表，將所發(fā)電力賣給電網(wǎng)，其他用戶再從電網(wǎng)購買?，F(xiàn)有交易方式以電網(wǎng)為中心，且發(fā)電量靠人工(或遠(yuǎn)程)讀取，這些中間環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確性難以保證。隨著我國電力市場改革的不斷推進(jìn)、售電側(cè)的逐漸放開，以及未來能源網(wǎng)中新能源、電動汽車、分布式儲能等以虛擬電廠的形式接入電網(wǎng)，能源交易將變得越來越開放，越來越復(fù)雜，如何設(shè)計安全、高效、透明、信息對稱的交易模式和交易方法變得尤為重要。

采用區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行能源交易的方式，用戶區(qū)塊鏈設(shè)備采集能源生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行非對稱的加密存儲，記錄在區(qū)塊鏈中，每一個用戶均可通過自己的區(qū)塊鏈管理平臺看到微網(wǎng)中所有用戶的數(shù)據(jù)，并選擇交易對象，雙方同意后便可采用上述方式進(jìn)行能源(冷、熱、電、沼氣等)和資金交易。在能源交易中采用區(qū)塊鏈技術(shù)既可保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，又實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對點(diǎn)交易，省去了中間環(huán)節(jié)。

紐約布魯克林Gowanus 和 Park Slope 街區(qū)為少數(shù)住戶建立了一個基于區(qū)塊鏈系統(tǒng)的可交互電網(wǎng)平臺“Trans Active Grid”。平臺上每一個用戶均可不依賴第三方而自由的進(jìn)行綠色能源直接交易[3,10]。

美國Filament公司在澳大利亞內(nèi)陸的電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上實(shí)驗(yàn)性地布置了一套被稱作“taps”的檢測裝置，并基于區(qū)塊鏈系統(tǒng)為這些檢測裝置建立了相應(yīng)的通信機(jī)制。“taps”檢測裝置可以檢測電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，并可以將信息傳送給200英尺外的下一個檢測裝置；所有的用戶都可以通過電話、平板電腦和個人電腦連接這些裝置，并在區(qū)塊鏈系統(tǒng)上發(fā)布和共享數(shù)據(jù)信息；最終，政府、媒體、電網(wǎng)維護(hù)公司，以及消費(fèi)者都將獲得這些信息[3,11]。

歐盟Scanergy項目旨在基于區(qū)塊鏈系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)小用戶綠色能源的直接交易，設(shè)想在交易系統(tǒng)中每15 min 檢測一次網(wǎng)絡(luò)的生產(chǎn)與消費(fèi)狀態(tài)[3,12]，但該項目目前尚未投入實(shí)際運(yùn)行。

通過以上案例可知，目前區(qū)塊鏈技術(shù)在能源交易中的應(yīng)用尚處于探索階段。

2.2 區(qū)塊鏈技術(shù)在綠證和碳排放交易中的應(yīng)用

目前，政府部門結(jié)合我國的總體碳減排目標(biāo)，根據(jù)各行業(yè)的碳排放情況，為每個主體分配一定的碳配額，排放主體碳排放超過配額要進(jìn)行罰款，多余的碳配額可進(jìn)行交易，以獲取利潤[5]。目前的碳排放交易需要有專門的第三方機(jī)構(gòu)進(jìn)行排放量認(rèn)證，并在指定的碳排放交易中心進(jìn)行交易。現(xiàn)有模式存在第三方認(rèn)證的可信任度和交易流程繁瑣的問題。

綠證交易亦是如此，目前我國對可再生能源發(fā)電企業(yè)頒發(fā)綠色電力證書，首先需要這些企業(yè)到運(yùn)行管理機(jī)構(gòu)登記注冊，經(jīng)運(yùn)行管理機(jī)構(gòu)審核無誤后，方可頒發(fā)綠色電力證書，認(rèn)證流程繁瑣。未來，若綠證普及到戶用分布式發(fā)電、家用沼氣等普通家庭中，上述認(rèn)證及交易中出現(xiàn)的問題將更加凸顯。

在微網(wǎng)中可采用區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行碳排放和綠色證書的認(rèn)證、交易。用戶區(qū)塊鏈管理平臺采集碳排放和綠色發(fā)電數(shù)據(jù)，進(jìn)行加密并存儲于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，所有用戶都可看到彼此的碳配額、碳排放量、綠色電力信息，可自由選擇合適的交易對象進(jìn)行交易。針對碳排放交易和綠證交易中存在的第三方認(rèn)證可信度和交易流程繁瑣的問題，區(qū)塊鏈防篡改和點(diǎn)對點(diǎn)交易的特點(diǎn)可以很好地解決這些問題。

專利“區(qū)塊鏈分布式光伏計量與碳交易系統(tǒng)及方法”(申請公布號CN 106897923A)通過單獨(dú)采集光伏組件的發(fā)電量，并將其處理成分布式賬單，再將分布式賬單送至運(yùn)營管理工作站節(jié)點(diǎn)，與運(yùn)營管理工作站節(jié)點(diǎn)共處于同一區(qū)塊鏈模塊中的投資人工作節(jié)點(diǎn)和碳交易工作站節(jié)點(diǎn)之間可共享各節(jié)點(diǎn)的信息，可通過碳交易工作節(jié)點(diǎn)對分布式賬單進(jìn)行碳交易，并將交易收益通過投資人工作站節(jié)點(diǎn)投放至投資人[13]。

2.3 區(qū)塊鏈技術(shù)在需求側(cè)的應(yīng)用

需求側(cè)管理和需求側(cè)響應(yīng)的概念有一定的相關(guān)和重疊，需求側(cè)響應(yīng)需要供、需兩側(cè)共同參與，重在用戶基于市場價格和激勵機(jī)制去做出響應(yīng)，在短期內(nèi)調(diào)整用電模式，削峰填谷，其主要目的是保護(hù)電網(wǎng)；需求側(cè)管理重在采用更為廣泛的一些措施，如利用各種節(jié)能技術(shù)等，引導(dǎo)用戶長期改變能源需求方式，目的不僅是保護(hù)電網(wǎng)，還可以節(jié)約資源，提高社會效益和環(huán)境效益[14]。本文主要討論采用區(qū)塊鏈技術(shù)引導(dǎo)用戶的用能模式，削峰填谷，減少微網(wǎng)的波動和運(yùn)行成本。

需求側(cè)響應(yīng)控制主要有基于價格和基于激勵2種?；趦r格是指根據(jù)電力(冷、熱、氣同樣適用)需求的峰谷情況，實(shí)行實(shí)時電價，需求高峰時電價亦為高峰，以此來削減高峰用能負(fù)荷?；诩钍侵肝⒕W(wǎng)直接對用戶的可控負(fù)荷(空調(diào)、熱水器等)進(jìn)行控制，根據(jù)微網(wǎng)的運(yùn)行情況和用戶的需求情況，通過一系列邏輯算法，對其中某些用戶的可控設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)制控制(提前開啟、延遲開啟、強(qiáng)制關(guān)閉等)，并給予這些用戶一些資金激勵或價格優(yōu)惠等，以達(dá)到削峰填谷、維持電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的目的。

以上的需求側(cè)管理策略均可以通過區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)微網(wǎng)中能源的供需情況，區(qū)塊鏈實(shí)時計算并顯示賣電和購電價格，用電高峰時，賣電和購電價格均較高，以鼓勵用戶在高峰時多發(fā)電，少用電；對一些用電需求不是很急切的用戶設(shè)備，區(qū)塊鏈自動給出提前開啟或延遲開啟的控制建議，用戶可有選擇的接受并執(zhí)行，如此一來，用戶用電增加的成本將轉(zhuǎn)換為接受控制的用戶賣電的收益。采用區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行需求響應(yīng)控制，可在不增加額外成本的前提下，將基于價格和基于激勵的需求響應(yīng)控制結(jié)合在一起。

3 結(jié)論

微網(wǎng)中每個用戶的區(qū)塊鏈管理平臺可實(shí)現(xiàn)用戶的資金交易，可將用戶的能源生產(chǎn)、消費(fèi)、碳排放等信息進(jìn)行采集、加密存儲，并作為記錄顯示于區(qū)塊鏈中，既是對外的交易平臺又是用戶自己資產(chǎn)(資金和能源)的管理平臺。

在微網(wǎng)中采用區(qū)塊鏈技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)可實(shí)現(xiàn)去中心化的點(diǎn)對點(diǎn)交易，減少能源浪費(fèi)，省去繁瑣的中間環(huán)節(jié)，提高交易效率；

2)可實(shí)現(xiàn)各種交易信息的透明化，并具有時間戳記錄，可追溯，任何人不得篡改，省去了第三方的認(rèn)證環(huán)節(jié)，提高了數(shù)據(jù)的可信度；

3)在多種能源形式交叉的微網(wǎng)中，區(qū)塊鏈可使交易快速、準(zhǔn)確，并可根據(jù)微網(wǎng)中能源的供需情況，自動實(shí)現(xiàn)對用戶的需求響應(yīng)控制。

區(qū)塊鏈技術(shù)目前仍處于應(yīng)用探索階段，面臨的問題還很多，主要有：

1)目前區(qū)塊鏈技術(shù)仍不夠成熟，存儲空間和存儲效率的問題需要解決；

2)在能源領(lǐng)域還沒有成功的應(yīng)用，只是處于探索階段；

3)商業(yè)模式、政府監(jiān)管、法律法規(guī)、政策等還需通過不斷摸索來逐步完善。

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