丁騰波，劉宏波，陶佳，郭創(chuàng)新

區(qū)塊鏈技術在智慧能源體系中的應用研究

丁騰波1，劉宏波1，陶佳1，郭創(chuàng)新2

（1．中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司，浙江省 杭州市 310012；2．浙江大學電氣工程學院，浙江省 杭州市 310027）

區(qū)塊鏈是目前打通物理實體、虛擬數據直至價值層面最合適的技術手段之一，其核心是依靠分布式共識機制實現價值的可靠重構和轉移。區(qū)塊鏈的技術原理和價值特性與智慧能源的內在訴求不謀而合，匹配智慧能源的多主體應用場景?；趨^(qū)塊鏈的技術特性，對其在智慧能源體系中的適用性進行分析，提出具體的技術選型和構架設計方案，促進能源區(qū)塊鏈技術在智慧能源、能源互聯(lián)網領域的發(fā)展。

區(qū)塊鏈；智慧能源；信息通信技術

0 引言

區(qū)塊鏈是一種隨著比特幣、以太坊等數字加密貨幣的普及而逐漸興起的一項具有顛覆性意義的技術。區(qū)塊鏈來源于數字貨幣，是數字貨幣的底層技術，但其提供了一種去中心化的、無需信任積累的信用建立模式，已經引起了世界范圍內各行各業(yè)，尤其是金融、商業(yè)、政府、醫(yī)療、能源領域的高度重視。如果說互聯(lián)網技術、移動互聯(lián)網技術解決的是機器之間的信任問題(通過TCP/IP等通信協(xié)議)，那么區(qū)塊鏈技術是解決網絡中人與人之間的信任問題，提供了傳統(tǒng)的“信息”互聯(lián)網至“價值”互聯(lián)網的技術演進路線，也因此被人們稱為繼“互聯(lián)網+”之后的下一代“價值互聯(lián)網”[1-5]。

本文將根據智慧能源體系的發(fā)展訴求，從信息通信技術及應用層面切入，提出基于區(qū)塊鏈的智慧能源技術解決方案，研究其應用場景、技術特性，通過能源體系能量流、信息流和價值流的高度融合，實現智慧能源體系的價值重構和轉移。

1 現狀概況

1.1 技術特性

區(qū)塊鏈是基于區(qū)塊鏈技術所形成的公共數據庫(公共賬本)，是指多個參與方之間基于現代密碼學、分布式一致性協(xié)議、P2P通信網絡技術、智能合約技術等形成的數據交換、處理和存儲的技術組合。區(qū)塊鏈的鏈式賬本中，每一頁“賬本”都是一個“區(qū)塊”，系統(tǒng)依靠分布式的共識機制決定每一頁賬本的記賬權，賬本內的數據通過密碼學簽名和哈希等加密算法確保不可被篡改，依靠鏈式記錄確保所有數據可追溯[6]。

區(qū)塊鏈的去中心化構架思路，避免了傳統(tǒng)集中式構架的弊端，比如業(yè)務性能瓶頸、易遭受網絡攻擊、人為篡改風險、單一故障率等，而是依靠分布式的思路分擔整個系統(tǒng)的性能需求、成本需求、風控需求。區(qū)塊鏈被廣泛提及的“去中心化”描述并不準確，嚴格意義上來說應該是“分布式”。區(qū)塊鏈的網絡中不存在唯一的中心節(jié)點，而是存在多個節(jié)點，甚至所有的節(jié)點共同負責賬本的處理、維護和存儲工作。最典型的表現就是區(qū)塊鏈的分類，如公共鏈就是典型的完全去中心化的機制，而聯(lián)盟鏈和私有鏈則是多中心和少中心的機制，系統(tǒng)的利益分配在系統(tǒng)建立之初由場外博弈完成[7]。

區(qū)塊鏈根據鏈條的參與方可以分為公共鏈、聯(lián)盟鏈和私有鏈，不同的鏈條所適應的應用場景不同、內部實現機制也存在很大的差異。對于一個比較成熟、穩(wěn)定、高效、成本可控的中心化機制，或者僅僅是為尋求一種數據存儲和傳輸的解決方案，區(qū)塊鏈技術未必是最好的選擇，但是在一個存在多方共同參與、信息不透明、互動過程復雜且又難以構建一個統(tǒng)一的信任中心時，區(qū)塊鏈則提供了一條目前最有效的出路。區(qū)塊鏈的典型結構如圖1所示。

圖1 區(qū)塊鏈的典型結構

1.2 技術適用性

區(qū)塊鏈作為一種技術本身并不歸屬于任何行業(yè)，這種以低廉成本通過數學算法和協(xié)議在陌生網絡中建立信用的機制，特別適合于金融行業(yè)，尤其是非現金交易這類跨區(qū)域的數字資產轉移，因此首先被應用于金融領域。

從技術角度而言，區(qū)塊鏈是大量傳統(tǒng)技術的巧妙結合，例如P2P網絡技術、數字加密算法、Merkle等數據庫技術等。不同于傳統(tǒng)數據庫構建的分布式賬本，區(qū)塊鏈的核心是引入了基于數學算法的共識機制和智能合約，共識機制是智能合約執(zhí)行的基礎，智能合約是共識機制所要達到的目的。與其說區(qū)塊鏈是一種技術型的生產力，不如說是利用技術手段來保障的生產關系，并且維護成本相對低廉得多，而以往只能通過合同、合約、法律、規(guī)則等手段，以高額的信任維護代價和違約處理程序來確保不同利益主體之間的既定生產關系。

正因如此，區(qū)塊鏈作為一種分布式機制，天然適用于多方參與協(xié)作的環(huán)境或場景。而在多方參與的情況下，由于不同的利益訴求，導致達成共識和信任的成本較為高昂，且很難構建一個中心化的中介來完成共識的建立。簡單而言，是成本、效率以及信任之間的平衡問題。在比較成熟穩(wěn)定、成本可控的中心化應用場景中，區(qū)塊鏈僅僅是作為一種數據存儲和傳輸的手段，且并不一定是最優(yōu)的，比如數據存儲完全可以用云存儲來解決中心化存儲的風險。

隨著國家電改政策的逐步落實和新能源技術的不斷發(fā)展，節(jié)能減排的訴求日益強烈，放開電力市場的呼聲越來越高，傳統(tǒng)電力行業(yè)多中心化的特征逐步開始顯現。國家電網公司已經把人工智能和區(qū)塊鏈提到了建設泛在電力物聯(lián)網的核心技術手段高度[8-13]，從而形成“云大物移智鏈”的技術格局。

目前國內能源體系的直接參與方分為3類：大中小型能源企業(yè)，處于產業(yè)核心的電網公司以及大中小型用戶負荷。國內能源體系是典型的兩頭市場化結構，對于市場化的電力交易機制有著天然訴求，但是作為國家命脈，電網的核心主導地位不會改變。因此，電改的切入點放在配網側，民間資本最適合進入的領域在配網，同時智慧能源對于能源參與方雙向互動的需求也正是配網側一直以來的訴求[14-18]。

對于主網而言，區(qū)塊鏈一旦進入實施，且不論實施成本、技術難度等問題，就其必要性而言也是不足的。區(qū)塊鏈技術并不適用于一個非常成熟的中心化、單個參與方的場景，但是對于提升電網公司服務質量，降低運營成本，為電網公司轉型綜合能源乃至智慧能源服務公司具有一定的助力作用。

對于配網而言，網內可能存在多個不同的參與方，參與方的角色可能是雙重的，比如既是能源供給方又是能源消費者。傳統(tǒng)電網公司構建 配電網絡及供能服務的成本是高昂的，經濟回報和社會效益被擺在了同樣重要的位置上。因此，配網是目前區(qū)塊鏈技術進入能源體系最好的入口之一[19-26]。

2 場景描述

根據美國IT領域咨詢公司Gartner的預測，引領未來的三大趨勢分別是人工智能、透明化體驗以及數字化平臺，其中區(qū)塊鏈攜同量子計算、物聯(lián)網平臺、神經形態(tài)硬件等屬于數字化平臺趨勢中的重點關注技術。這種基于大數據的卓越計算能力以及無處不在的技術生態(tài)構成了新興技術的基礎，這種從技術結構向生態(tài)支持的數字平臺的轉變提供了人與技術之間的橋梁，即新商業(yè)模式的崛起[27-28]。

區(qū)塊鏈的技術特性確保了一旦經過群體確認后的信息將得到近乎永久的保存，信息被篡改的成本可能遠遠高于篡改后所獲得的收益，并且通過一種巧妙的共識獎勵機制組織活動的參與各方能夠自覺地維護和遵守既定的規(guī)則，或者說“作弊”本身的成本過于巨大且不可承受。區(qū)塊鏈雖起源于金融領域的數字貨幣，但已開始廣泛進入到各個非金融領域，如同今天“互聯(lián)網+”的思想已深入人心，下一代“互聯(lián)網+區(qū)塊鏈+行業(yè)”的時代已經悄然到來。

對于智慧能源而言，區(qū)塊鏈最容易導入的應用是透明的能源交易多邊市場和碳排放交易市場，為其提供高效、可信的實時交易手段。以電力為例，區(qū)塊鏈可以用來方便地記錄發(fā)電、配電、輸電、調度、用電、售電等各個環(huán)節(jié)的數據，提供公正、可追溯、透明的審計、監(jiān)管記錄，依靠區(qū)塊鏈的智能合約技術，實現發(fā)、輸、變、配、用、調等全過程的資源協(xié)調配置，大大提高能源體系運維管理的效率[29]。

3 解決方案

3.1 能源區(qū)塊鏈的設計方向

區(qū)塊鏈本質上是基于信息通信技術的跨界技術，并不局限于某一個特定的領域。在分析區(qū)塊鏈和智慧能源之前，首先可以從技術構架的演變中找到兩者的相似之處。整個IT的技術構架經歷了大型機集中式到CS分布式，再到云計算集中式的發(fā)展，最后又走向基于區(qū)塊鏈的分布式，看似分久必合、合久必分，實則是一種螺旋式的上升發(fā)展軌跡。而縱觀整個能源體系的發(fā)展史，由最初的廠網分離、主輔分離，到現在的電力市場改革、輸配分離嘗試，再到現在的配網試點模式，基于市場和技術的雙重需求，正在經歷一個集中式向分布式發(fā)展的過程[30]。

智慧能源應用場景中，往往存在多個不同的利益主體，如配售電公司、調控運維機構、儲能電廠、分布式的新能源電廠、傳統(tǒng)能源電廠、大中小型負荷用戶等，而參與能源交互的雙方屬性也不同于傳統(tǒng)的電網，比如負荷用戶本身也可能是分布式能源的提供者。能量流的流向不同于傳統(tǒng)電網的單向流通，而是電源與負荷之間的雙向流通。信息流的流向也不同于傳統(tǒng)電網的單向控制，而是管理方與被管理方的雙向協(xié)調控制。因此，需要從功能層面和技術層面重新設計基于“能源+區(qū)塊鏈”的智慧能源。

能源區(qū)塊鏈首先要實現的是多方參與情況下的信任機制建立，并基于該種信任機制來實現多邊市場實時交易，其次是基于能源區(qū)塊鏈的各類高級應用，如數據的安全存儲、分布式抗攻擊的調控機制、電網資產數字化，以及提供多種配置靈活的ICO融資手段等。

3.2 技術選型

能源區(qū)塊鏈的主要技術選型分為鏈的型式、系統(tǒng)構架、節(jié)點部署、共識機制、網絡通信、安全機制等。

1） 鏈的型式。

根據區(qū)塊鏈的參與方構成形式，可以分為公共鏈、聯(lián)盟鏈和私有鏈。

公共鏈中所有的網絡節(jié)點都是完全平等的，均具備完整的區(qū)塊鏈賬本記錄和存儲能力，而且是完全對外公開，用戶無需注冊，可以匿名參與，是完全意義上的去中心化區(qū)塊鏈。通過數字加密和算法激勵機制在完全陌生的網絡環(huán)境下建立一種非最終一致性的共識。其準匿名性以及基于POW或POS的共識機制，存在一定的安全性和效率問題，并不適用于能源應用的領域。

聯(lián)盟鏈中的網絡節(jié)點(全節(jié)點)由聯(lián)盟成員構成，是一種需要注冊許可獲得授權方能加入的許可鏈，參與節(jié)點較少，一般不采用PoW的算法共識機制，而是通過預先設定好的共識機制如PBFT、RAFT等，利益分配在場外博弈完成，不需要類似公共鏈的算法激勵機制，對于信息的確認同步、安全性等方面明顯要優(yōu)于公共鏈，因此最為適合智慧能源的多方參與場景。

私有鏈和聯(lián)盟鏈比較類似，只是其參與方一般由企業(yè)內部的不同機構來組成，應用于企業(yè)內部場景，如數據庫的管理、審計等。私有鏈的價值主要是提供安全、可追溯、不可篡改、自動執(zhí)行的運算平臺，同時可以有效防范來自內部和外部的安全攻擊。就能源領域而言，私有鏈的模式較適合集中式管理的應用場景，如電網公司內部。

根據上述差異性分析可知，在智慧能源領域優(yōu)先考慮的是聯(lián)盟鏈的形式。

由于單一的智慧能源應用場景中，往往只存在單一的電網運行管理企業(yè)，因此在區(qū)域性的智慧能源體系中，設計單層次的區(qū)塊鏈(主鏈)即可。若需要考慮跨區(qū)域的智慧能源應用場景，由于存在大范圍的不同資產主體間的跨區(qū)交易，宜按多層次的區(qū)塊鏈(主鏈和側鏈)進行設計，跨區(qū)應用，如跨區(qū)交易在主鏈上完成，而區(qū)域內部的應用則在側鏈上完成。

2）系統(tǒng)構架。

最初的區(qū)塊鏈構架來源于世界上第一個區(qū)塊鏈應用——比特幣的構架，被認為從最底層重構了傳統(tǒng)金融業(yè)的IT構架，并自此得到發(fā)展。典型的區(qū)塊鏈構架分為3層，分別是網絡層、數據層和應用層。目前區(qū)塊鏈的構架演進到了3.0版本，其中區(qū)塊鏈1.0的構架即比特幣的系統(tǒng)構架，區(qū)塊鏈2.0的構架則是以以太坊的系統(tǒng)構架為典型代表，區(qū)塊鏈3.0的構架目前并沒有一個公認的典型代表，由于是跨越了貨幣、金融范疇的區(qū)塊鏈應用，因此意味著區(qū)塊鏈3.0的平臺必須具備企業(yè)級的行業(yè)屬性。由于更多地考慮了系統(tǒng)的安全性，因為往往會采用許可鏈的模式，同時必須具備圖靈完備的智能合約平臺，并對網絡、共識算法以及每秒處理信息的能力(transactions per second，TPS)提出較高要求。

適用于智慧能源的區(qū)塊鏈系統(tǒng)構架依舊遵循網絡、數據、應用框架原則，分為系統(tǒng)前端和后端。系統(tǒng)前端是各類面向用戶的應用接口，如桌面客戶端、移動客戶端、瀏覽器客戶端等。系統(tǒng)后端則是依據網絡、數據、應用的基礎框架結構進行設計，最底層的是分布式的支撐體系，如分布式計算、分布式存儲、分布式網絡等；中間層是區(qū)塊鏈的核心支撐功能，如智慧合約、區(qū)塊鏈管理、共識模塊等；最上層是行業(yè)級應用及各類接入網關。能源區(qū)塊鏈的系統(tǒng)構架如圖2所示。

3）節(jié)點部署。

理論上，區(qū)塊鏈的網絡節(jié)點是完全平等的，擁有相同的權限。但是實際應用過程中，根據不用的應用需求，以及節(jié)點參與區(qū)塊鏈認證的方式，會對網絡節(jié)點做一些不同的功能區(qū)分。比如根據賬本數據的完整程度，將網絡節(jié)點分為全節(jié)點和輕節(jié)點，前者參與共識過程并存儲完整的區(qū)塊鏈賬本數據，后者指參與認證并存儲部分區(qū)塊鏈數據，甚至只保存區(qū)塊鏈的區(qū)塊頭信息用于驗證交易即可。由于區(qū)塊鏈是一種鏈式數據庫結構，隨著應用時間的增長，公共賬本的數據會越來越大，在實際應用中，并不需要每個參與的網絡節(jié)點都保存完整的數據賬本。能源區(qū)塊鏈的網絡節(jié)點情況如圖3所示。

智慧能源的應用場景由于直接面向終端用戶，同時又承擔了大量分布式能源的接入，因此涉及大量的能源交互參與方，如調控機構、運維機構、不同的能源供給、儲能電站、電動汽車、大中小型負荷等，若將每個參與方都作為完全平等的網絡節(jié)點來考慮，在功能上是不必要的，在經濟性上是不合算的，應根據實際的應用場景有選擇性地進行網絡節(jié)點的歸類，并做好遠景智慧功能擴建預留接口即可。能源根據應用場景中不同參與方的屬性確立權重，并分別賦予全節(jié)點、中轉節(jié)點和輕節(jié)點的角色功能。

圖2 能源區(qū)塊鏈的系統(tǒng)構架

圖3 能源區(qū)塊鏈的網絡節(jié)點

全節(jié)點的主要功能：具備完整的賬本記錄及共識能力，完成數據的驗證、同步功能；具備完整的區(qū)塊鏈數據存儲能力。全節(jié)點一般由能源網絡內主要的、重要的參與方組成，如電網公司、電廠(分布式、新能源、儲能)、調度控制機構等組成，要求具備網內最好的通信資源。

中轉節(jié)點的主要功能：具備數據需求的收集和轉發(fā)能力，完成轄區(qū)內數據的采集、分發(fā)功能，提供網內其他參與方互動信息的中轉分發(fā)功能；具備完整或部分區(qū)塊鏈數據存儲能力。中轉節(jié)點一般由網內的主要變、配電設備，要求具備良好的通信資源。

輕節(jié)點的主要功能：具備各類應用的入口功能，完成原始數據的采集、上送功能，接受網內其他參與方的互動信息；不具備區(qū)塊鏈數據的存儲能力，僅存儲相鄰節(jié)點地址信息和區(qū)塊頭信息，具備完成簡化認證協(xié)議(security protocol verifier，SPV)的能力即可。輕節(jié)點一般由網內的大中小型負荷組成，要求具備良好的通信資源。

4）共識機制。

共識機制是區(qū)塊鏈系統(tǒng)的核心關鍵技術，在一個分布式的網絡環(huán)境中確保每個誠實的網絡節(jié)點賬本數據的一致性，依靠的是合理的共識機制，但需要注意的是共識機制可以用算法(即共識算法)來實現，也可以通過事先商定的協(xié)議來完成，根據應用的場景差異來進行設計。

目前主流的共識機制分為4類：PoW、PoS、DPoS和分布式一致性算法。

PoW即工作量證明機制，典型的如比特幣所采用的挖礦算法，依靠全網節(jié)點比拼算力的方式來競爭每一輪的記賬權，尤其適用于公有鏈這種節(jié)點完全平等且自由進出的場合。PoW避免了建立和維護中心化信用機構的成本，只要確保全網51%以上的節(jié)點是安全的，即可依靠算力來保持區(qū)塊鏈的一致性。但是這種機制一來造成了大量的算力浪費，二來日益集中化的算力違背了區(qū)塊鏈的建立初衷，且信息處理速率有限，并不適用于智慧能源的應用場景。

PoS即權益證明機制，典型的如點點幣所采用的鏈齡機制，依靠節(jié)點所提供的代幣證明來競爭每一輪的記賬權。PoS避免了算力浪費，一定程度上縮短了共識達成的時間周期，但也降低了網絡的被攻擊成本，同時也避免不了權益過于集中所帶來的中心化問題。在智慧能源的應用場景中，由于利益博弈在場外完成，并不需要基于代幣的激勵機制，同時對安全性的要求較高，因此這類共識機制也不適用于智慧能源的應用場景。

DPoS即股份授權證明機制，典型的如比特股所采用的見證人機制，依靠持股者投票選舉一定的見證人，由見證人輪流記賬。DPoS大幅縮小了參與驗證和記賬的節(jié)點數量，實現了秒級的驗證速率，但是本質上存在和PoS一樣的問題，同樣也不適用于智慧能源的應用場景。

分布式一致性算法是一類基于傳統(tǒng)的分布式一致性技術而演變過來的，比如解決拜占庭將軍問題的拜占庭容錯算法(PBFT)和解決非拜占庭將軍問題的分布式一致性算法(Paxos、Raft)等。這類算法能夠實現秒級的快速共識，雖然去中心化的程度不如其他共識機制，但由于其實最終一致性或接近最終一致性的算法，更加容易滿足聯(lián)盟鏈、私有鏈的應用場景。

綜上所述，在智慧能源的諸多應用場景中，應把安全性和可靠性作為首選考慮因素，因此采用分布式一致性算法以適用于優(yōu)選聯(lián)盟鏈的智慧能源應用場景。

5）網絡通信。

區(qū)塊鏈的網絡構架可以根據智慧能源的網絡構架建設同步開展，針對不同應用場合、通道物理條件靈活選取組網方式和通道協(xié)議。需要注意的是，由于不同的網絡節(jié)點對于通道資源的需求不同，應區(qū)分對待。具體網絡設計時可以考慮 采用分層分區(qū)的建設思路，將主節(jié)點納入到核心的主干網中，優(yōu)先采用混合型的組網方案，確保最優(yōu)質的通信資源。而中轉節(jié)點和輕節(jié)點對于 通道的資源需求相對較少，可以靈活地結合智 慧能源配電網絡開展建設，采用星型、總線型的物理構架或者是采用無線組網方案，手段較為多樣化。

6）安全機制。

區(qū)塊鏈之所以被稱為“價值互聯(lián)網”技術，在于其通過構架和技術體制來確保了網上數據的安全可靠，因此安全性是區(qū)塊鏈技術的核心優(yōu)勢。智慧能源的應用場景雖然靈活多樣，但是本質上依舊擺脫不了電網的基本屬性，尤其是在復雜的電網運行控制依靠詳實可靠、可信的電網基礎數據。同時，基于能源本身的社會基礎支撐屬性，其對于安全性的要求較傳統(tǒng)電網結構而言有過之而無不及。

能源區(qū)塊鏈的安全機制，除了傳統(tǒng)電網數據網絡構架內采用的諸如二次安全防護等措施外，主要依靠區(qū)塊鏈本身所提供的安全機制，即分布式的網絡構架、哈希算法、非對稱加密算法、零知識證明機制等。

分布式的網絡構架確保了網絡中不存在唯一的中心節(jié)點，從而提高整個系統(tǒng)的抗攻擊能力。傳統(tǒng)電網采用完全中心化的調控管理機制，依靠異地容災備份的模式提供“雙活”的中心節(jié)點來提高安全性，成本巨大。智慧能源的應用場景中，宜采用分階段分層設計。首先在調控層面，鑒于目前的技術水平和可操作性，建議還是按照集中式的模式建設，待相關技術成熟后實行分布式的調控機制建設。在營銷、數據存儲等層面，可以采用聯(lián)盟鏈的形式構建電網上層應用的區(qū)塊鏈，將網內的重要參與節(jié)點納入進聯(lián)盟鏈。

3.3 建模原則

能源區(qū)塊鏈適用于區(qū)域內的能源、信息、數字資產的價值轉移，主要設計建模原則如下：

1）區(qū)域內的能源交互依靠區(qū)塊鏈技術實現價值的轉移，遵循扁平化、離散化、分布式的設計原則，跨區(qū)能源服務場景部署能源區(qū)塊鏈主鏈，單個區(qū)域部署能源區(qū)塊鏈子鏈。不同區(qū)域間的能源區(qū)塊鏈子鏈根據通道狀況及功能需求實現與主鏈的靈活互聯(lián)和解列。

2）能源區(qū)塊鏈作為一種重要的公用服務基礎資源，將安全性作為首要考慮目標，同時考慮智慧能源應用場景下的多方主體訴求，以聯(lián)盟鏈形式構建，并遵循嚴格的用戶準入認證機制。

3）鑒于能源網絡的重資產屬性、能源安全需求以及國家政策要求，單個區(qū)域內的能源運營只存在單個服務運營商。

4）單個區(qū)域內的通信網絡支撐體系應以自建網絡為主、公共網絡為輔，并確保各類數據的接入管控安全性，重點確保能源網內調控數據的安全存儲及可靠通信。

5）跨區(qū)域的通信網絡支撐體系以公共網絡為主、自建網絡為輔，優(yōu)先采用獨立的運營商通道資源租賃。

6）鑒于分布式調控技術的成熟程度，暫不考慮跨區(qū)域的分布式調控，主要應用以跨區(qū)能源交易及結算為主。在單個區(qū)域內嘗試驗證分布式調控技術及策略。

7）單個區(qū)域通信網絡承載數據包括維持 配網運行的調控實時數據和管理非實時數據，能源交易數據，以及其他區(qū)塊鏈+行業(yè)應用的交互數據。

8）跨區(qū)域通信網絡承載數據包括跨區(qū)能源交易數據以及其他區(qū)塊鏈+行業(yè)應用的交互數據。

根據上述建模原則，能源區(qū)塊鏈由跨區(qū)域的能源區(qū)塊鏈主鏈和單個區(qū)域內的能源區(qū)塊鏈子鏈所構成。主鏈和子鏈均是由多個參與實體所構成的聯(lián)盟鏈，技術上可以完全獨立，但兩者是側鏈的關系。主鏈主要服務于跨區(qū)身份認證、資產轉移、能源交易、數據交互，子鏈主要服務于單個區(qū)域內的一切區(qū)塊鏈應用服務。完整的能源區(qū)塊鏈主鏈下可以存在多個區(qū)域的不同的子鏈，子鏈之間并不直接進行數據交互，所有的數據交互必須經網絡安全防護設備(如防火墻)接入主鏈，由主鏈完成數據交互。同時，子鏈和子鏈之間、子鏈和主鏈之間的運行安全性不相互影響，具備靈活的接入和解列功能。此外，能源區(qū)塊鏈和其他行業(yè)區(qū)塊鏈的關系是互聯(lián)鏈的關系。

3.4 構架設計及實施

能源區(qū)塊鏈建設按聯(lián)盟鏈形式搭建，主要服務對象為供能區(qū)域內的價值轉移以及遠景的跨區(qū)交易結算。即前期主要服務于區(qū)域內的分布式能源點對點交易、能源合同管理、能源網絡數據安全，后期開放基于能源屬性的金融產品服務。其整體設計模型如圖4所示，核心構架如圖5所示。

圖4 能源區(qū)塊鏈的總體設計模型

圖5 能源區(qū)塊鏈的核心構架

核心構架如下：

1）底層支撐：配網層面結合物聯(lián)網接入技術，部署完備的智能終端，其中被選為區(qū)塊鏈節(jié)點的終端設備支持區(qū)塊鏈節(jié)點功能。

2）應用支撐：依托基于云平臺的大數據應用。

3）網絡接入：基于有線和無線相結合的網絡接入能力。

4）鏈條選型：由區(qū)域內的核心節(jié)點構成聯(lián) 盟鏈。

5）代幣生態(tài)：為規(guī)避政策風險，不發(fā)Token，不進行資產ICO。

6）節(jié)點形態(tài)：全節(jié)點(核心節(jié)點)、中轉節(jié)點和輕節(jié)點。

7）全節(jié)點選擇：能源服務公司、電廠(分布式、新能源、儲能)、調度控制機構、大型負荷等構成核心節(jié)點。

8）中轉節(jié)點選擇：網內主要變、配電設備，大中型負荷構成中轉節(jié)點。

9）輕節(jié)點選擇：網內中小型負荷、充電樁構成輕節(jié)點。

10）共識算法：基于拜占庭容錯算法(PBFT)、分布式一致性算法(Paxos、Raft)等。

11）生態(tài)支持：依靠智能合約搭建生態(tài)，前期以分布式點對點交易為主，后期轉向能源屬性的金融產品。

區(qū)塊鏈用于智慧能源體系建設，獨立于智慧能源的協(xié)控系統(tǒng)。后者類似于傳統(tǒng)的調控機構，其主要職責是確保區(qū)域能源網絡的安全、穩(wěn)定、可靠運行，確保與主網的穩(wěn)定連接，不解列，不孤網運行，在此基礎上開展區(qū)域范圍內的智慧能源業(yè)務。不同于傳統(tǒng)調控機構，其主要生產、管理部門依托技術、業(yè)務的特性進行精簡規(guī)定，遵循一體化平臺、數據共享、流程高效、業(yè)務靈活的設計思路，底層構架為獨立的云平臺分別服務于安全等級要求不同的核心業(yè)務和非核心業(yè)務。

智慧能源協(xié)控平臺作為能源區(qū)塊鏈的核心節(jié)點，單獨建設區(qū)塊鏈核心節(jié)點設備，和供能區(qū)域內的其他節(jié)點構成分布式能源點對點交易的服務體系。能源區(qū)塊鏈的實施方案如圖6所示。

圖6 能源區(qū)塊鏈的實施方案

4 結論

經過近兩年的探索，去除大量的偽需求和偽區(qū)塊鏈項目后，越來越多的行業(yè)人士開始著眼于區(qū)塊鏈技術研究和商業(yè)邏輯的嚴格論證。從落地層面講，項目落地最有可能突破的是面向特定場景或特定應用的區(qū)塊鏈項目，而非通用型的全民參與的區(qū)塊鏈項目(公鏈項目)。從技術層面講，最有可能突破的是新的高效率的共識機制和更加安全的數字加密手段。

區(qū)塊鏈技術在智慧能源領域的研究重點和在其他行業(yè)領域的研究重點有一定的共通性，也存在能源行業(yè)的特殊要求，分為技術和場景。技術層面的研究重點在于數據安全、共識效率等細分方向，如應對頻繁的信息和價值交互；場景層面的研究重點在于尋找合適、合規(guī)的落地場景和配套支撐的商業(yè)模式，如當下熱門的智慧園區(qū)和電動汽車充電網絡等。

如果說人工智能和云計算代表著生產力的演進方向，區(qū)塊鏈則代表著生產關系的演進方向。區(qū)塊鏈技術所蘊含的分布式協(xié)同機制天然匹配分布式能源的系統(tǒng)構架，以低成本、低延時、高效率、高可靠的去中心化機制實現分布式能源場景下的P2P交易，有效促進清潔能源的就地消納，提高能源和價值的交換效率，促進電力市場改革。

[1] 唐塔普斯科特， 亞力克斯·塔普斯科特．區(qū)塊鏈革命：比特幣底層技術如何改變貨幣、商業(yè)和世界[M]．凱爾，孫銘，周沁園，譯．北京：中信出版社，2016：10．

[2] 阿爾文德×納拉亞南，納什×貝努，愛德華×費爾頓，等，區(qū)塊鏈：技術驅動金融[M]．林華，王勇，帥初，譯．北京：中信出版社，2016：08．

[3] 侯周國，梁歡．區(qū)塊鏈技術發(fā)展現狀及特色應用研究[J]．科技創(chuàng)新與應用，2019(30)：18-20，23．

[4] 王君宇，吳清烈，曹卉宇．國內區(qū)塊鏈典型應用研究綜述[J]．科技與經濟，2019(5)：1-6．

[5] 梁月婷．以區(qū)塊鏈為基礎打造智慧城市大數據基礎平臺研究[J]．科技經濟導刊，2019(28)：24-27．

[6] 鄒均，張海寧，唐屹，等．區(qū)塊鏈技術指南[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2017．

[7] 陶佳，丁騰波，寧康紅，等．智慧能源戰(zhàn)略框架及全過程實施方案[J]．發(fā)電技術，2018，39(2)：129-134．

[8] 浙江杭州供電公司．推進泛在電力物聯(lián)網建設探索企業(yè)轉型發(fā)展之路[N]．國家電網報，2019-10-14 (003)．

[9] 李欽豪，張勇軍，陳佳琦，等．泛在電力物聯(lián)網發(fā)展形態(tài)與挑戰(zhàn)[J/OL]．電力系統(tǒng)自動化：1-10[2019-10-22]．http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20191010.1539.002.html．

[10] 瞿君．泛在電力物聯(lián)網關鍵技術探討[J]．科技創(chuàng)新與應用，2019(29)：157-158．

[11] 李蘇秀，劉林，王雪，等．泛在電力物聯(lián)網商業(yè)模式理論體系與設計架構[J/OL]．中國電力：1-9[2019-10-22].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.3265.TM.20190904.1235.004.html．

[12] 沈博，蔡澤祥，戴觀權，等．面向泛在電力物聯(lián)網的智能配用電信息采集業(yè)務通信分析[J]．電力建設，2019，40(9)：27-34．

[13] 廖會敏，玄佳興，甄平，等．泛在電力物聯(lián)網信息安全綜述[J]．電力信息與通信技術，2019，17(8)：18-23．

[14] 顏擁，趙俊華，文福拴，等．能源系統(tǒng)中的區(qū)塊鏈：概念、應用與展望[J]．電力建設，2017，38(2)：12-17．

[15] 蔡金棋，李淑賢，樊冰，等．能源互聯(lián)網中基于區(qū)塊鏈的能源交易[J]．電力建設，2017，38(9)：24-31．

[16] 張寧，王毅，康重慶，等．能源互聯(lián)網中的區(qū)塊鏈技術：研究框架與典型應用初探[J]．中國電機工程學報，2016，36(15)：4011-4023．

[17] 趙文會，李阮，付強．能源互聯(lián)網下可再生能源項目規(guī)劃研究[J]．電網與清潔能源，2018，34(2)：142-148，156.．

[18] 肖振鋒，辛培哲，凌明娟，等．我國能源互聯(lián)網發(fā)展模式及規(guī)劃方案探索[J]．分布式能源，2018，3(5)：1-10．

[19] 國網天津市電力公司電力科學研究院，國網天津節(jié)能服務有限公司．智慧能源服務技術與商業(yè)模式[M]．北京：中國電力出版社，2018．

[20] 李剛，孟歡，周國亮，等．基于區(qū)塊鏈技術的微網能量管理探析與方案設計[J]．電力建設，2018，39(2)：43-47．

[21] 婁清輝，牛洪海，耿欣，等．大型玻璃企業(yè)智慧能源系統(tǒng)研究[J]．分布式能源，2019，4(1)：27-31．

[22] 邰雪，孫宏斌，郭慶來．能源互聯(lián)網中基于區(qū)塊鏈的電力交易和阻塞管理方法[J]．電力技術，2016，40(12)：3630-3638．

[23] 謝紅玲，鄭雅男，李燕青．基于能源區(qū)塊鏈網絡的微電網經濟調度模型[J]．華北電力大學學報(自然科學版)，2019，46(3)：17-25．

[24] 葉明，王剛，周振，等．區(qū)塊鏈技術在分布式電源電費結算中的應用研究[J]．中國電力，2019，52(6)：140-146．

[25] 方響，馬笛，侯偉宏，等．分布式新能源接入下的區(qū)塊鏈共識機制研究[J]．浙江電力，2019，38(7)：1-6．

[26] 馮慶東．能源互聯(lián)網與智慧能源[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2015：10．

[27] 郭永偉，程傲南．“互聯(lián)網+”智慧能源：未來能源發(fā)展方向[J]．經濟問題，2015(11)：61-64．

[28] 顧為東．能源4.0：重塑經濟結構：互聯(lián)網技術與智慧能源[J]．中國工程科學，2016(3)：4-9．

[29] 袁勇，王飛躍．區(qū)塊鏈技術發(fā)展現狀與展望[J]．自動化學報，2016，42(4)：481-494．

[30] 李偉，朱燁東．區(qū)塊鏈藍皮書：中國區(qū)塊鏈發(fā)展報告(2018)[M]．北京：社會科學文獻出版社，2018：12．

Application of Block Chain Technology in Intelligent Energy System

DING Tengbo1, LIU Hongbo1, TAO Jia1, GUO Chuangxin2

(1. CEEC Zhejiang Electric Power Design Institute, Hangzhou 310012, Zhejiang Province, China; 2. School of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang Province, China)

Block chain, as the popular tuyere technology at present, is one of the most suitable technological means to get through physical entities, virtual data and value level. Its core is to realize reliable reconstruction and transfer of value by means of distributed consensus mechanism. The technological principle and value characteristics of the block chain coincide with the intrinsic demands and the multi-agent application scenari of intelligent energy. Based on the technical characteristics of block chains, the applicability of block chains in intelligent energy system was analyzed, and the specific technology selection and architecture design scheme were put forward to promote the development of energy block chains technology in the field of intelligent energy and energy internet.

block chain;smart energy; information communications technology(ICT)

10.12096/j.2096-4528.pgt.19046

國家自然科學基金項目(51877190)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51877190)

2019-04-08。

丁騰波(1983)，男，碩士，高級工程師，從事電力系統(tǒng)二次、智慧能源等領域設計與咨詢方面工作，dingtengbo@sina.com。

陶佳(1979)，男，博士，高級工程師，主要研究方向為智慧能源及其技術路線規(guī)劃，jack.seaver@163.com。

丁騰波

(責任編輯 辛培裕)