蔡興國 王娟

摘? ?要：隨著物聯(lián)網(wǎng)應用與電網(wǎng)智能化的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)與技術相結(jié)合的應用對電力系統(tǒng)各種問題的解決方案也越來越多元化，隨之產(chǎn)生的應用也不斷的在推陳出新。文章提出將區(qū)塊鏈技術應用于電力市場來解決電力市場的弊端，先是簡介區(qū)塊鏈技術的基本概念以及運作原理，然后分析了區(qū)塊鏈技術應用于當前的電力市場可能性以及當前的可再生能源電力市場，與加入?yún)^(qū)塊鏈的可再生能源電力市場進行對比分析。

關鍵詞：區(qū)塊鏈;電力市場;可再生能源

中圖分類號：T-013/-017? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Application of blockchain technology in power market

Cai Xingguo1， Wang Juan2

（1.CETHIK Group Corporation， ZhejiangHangzhou 310012;

2. Xian University of Posts & Telecommunications， ShaanxiXian 710121）

Abstract： With the continuous development of the application of the Internet of things and the intelligentization of the power grid， the application of the combination of the power system and the technology has become more and more diversified for the solutions to various problems of the power system， and the resulting applications are constantly being developed. This article proposes to apply blockchain technology to the power market to solve the shortcomings of the power market. It first explains the basic concepts and operating principles of blockchain technology， analyzes the possibility of applying blockchain technology to the current power market， and compares the current renewable energy power market with the renewable energy power market that introduces the blockchain technology.

Key words： blockchain; power market; renewable energy

1 引言

隨著區(qū)塊鏈技術的不斷發(fā)展，更多基于區(qū)塊鏈技術的應用場景不斷落地，為行業(yè)融合發(fā)展提供了有力的支撐，如區(qū)塊鏈在金融、科教、保險、物流等行業(yè)應用的實現(xiàn)，成為推動金融服務產(chǎn)業(yè)發(fā)展升級以及互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等應用高質(zhì)量發(fā)展的關鍵推手，促進了行業(yè)的欣欣向榮發(fā)展[1]。能源產(chǎn)業(yè)作為國民經(jīng)濟支柱型產(chǎn)業(yè)，能源產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新升級成為當前關注的熱點。近年，電力行業(yè)中能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速，但目前仍存在一系列難題。而區(qū)塊鏈具有的去中心化、不可篡改和合約化等特點，則是解決這些問題的有力手段，能夠為未來的能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供重要的支撐[2]。區(qū)塊鏈技術在能源互聯(lián)網(wǎng)的應用中已展開了相關的探索研究，李彬等[3]人設計出一種基于區(qū)塊鏈的供需互動系統(tǒng)架構(gòu)。這個架構(gòu)是以區(qū)塊鏈技術為支撐，以信息監(jiān)控、采集、錄入、統(tǒng)計為中心，以需求相應服務、負荷集成商、用戶群為框架的一體化信息平臺設計思路，通過區(qū)塊鏈的不可篡改性確保數(shù)據(jù)的安全性。歐陽旭等人[4]構(gòu)架了基于區(qū)塊鏈技術大用戶的直購電交易框架，然后從市場準入、交易、結(jié)算和物理四個方面來進行說明。

目前，國際社會已經(jīng)將區(qū)塊鏈技術應用于分布式發(fā)電電力交易，已在美國、德國、荷蘭、南非、澳大利亞、新西蘭等地開展小規(guī)模試點項目。其中，歐盟無疑是全球最活躍的地區(qū)，他們更關注核心網(wǎng)絡的開發(fā)。歐洲學者MIike Mihaylow就提出可以將區(qū)塊鏈技術應用于能源領域的交易。2016年11月，美國紐約州的LO3公司與西門子數(shù)字電網(wǎng)（Siemens Digital Grid）以及區(qū)域鏈開發(fā)商ConsenSys合資成立了TransActive Grid公司，通過運營微網(wǎng)項目實現(xiàn)社區(qū)居民之間的電力交易。即使居民家中沒有發(fā)電設備，也可以通過居民用戶家中接入智能儀表實現(xiàn)與其他分布式家庭互聯(lián)，購買電力。Grid Singularity公司運用區(qū)塊鏈技術開發(fā)一種利用比特幣，就可以進行捐贈的能源支付捐贈平臺，不需要任何的中介組織，同時也會保障資金安全。

2? 我國電力市場現(xiàn)狀

2.1 我國電力市場問題

電力的發(fā)展是推動我國經(jīng)濟發(fā)展的重大元素之一，電力改革是我國經(jīng)濟體制和能源體制改革的重要組成部分。但是，我國電力市場仍存在著很多問題，根據(jù)2017年中國電力企業(yè)聯(lián)合發(fā)布的《中國電力行業(yè)發(fā)展報告2017》可知，目前我國電力市場需求在不斷增加，如圖1所示，我國2010年到2016年的電力需求逐年遞增，意味著我國電力市場改革迫切[5]。

我國電力需求在穩(wěn)步增長，但是電力需求的增長率卻在下降，與此同時每年的發(fā)電裝機容量仍在快速增長，而且增長持續(xù)，快于用電需求增長，這導致了電力產(chǎn)能過剩問題日益嚴重。2016年的輸電線路損失率達到6.47%，輸電線路的損失意味著許多電力未傳送到終端消費者，而是在輸送的過程中損耗，導致潛在收入的損失。我國在發(fā)展清潔能源的同時，清潔能源帶來的消納問題也日趨嚴重。我國水能、風能、太陽能發(fā)電大基地與用電負荷地區(qū)逆向分布的特點，決定了清潔能源資源富集地區(qū)的大規(guī)模開發(fā)，需要在全國范圍配置消納。

2.2 區(qū)塊鏈應用于電力的可行性分析

在面對我國電力市場的一系列問題時，最終的問題要落實到解決電力市場的供需平衡問題上，同時實現(xiàn)電力市場的市場化，加快我國清潔能源的發(fā)展。將區(qū)塊鏈技術應用到電網(wǎng)建設，可以有效地解決電力市場面臨的問題，同時加快我國清潔能源的發(fā)展。首先區(qū)塊鏈具有去中心化的特點，在交易的過程中不需要第三方，對電網(wǎng)系統(tǒng)來說就意味著不需要電力部門的監(jiān)督，降低了監(jiān)督成本，提高監(jiān)督效率;其次區(qū)塊鏈技術有利于解決電力市場供需不平衡的現(xiàn)狀，消費者之間可以通過區(qū)塊鏈技術實現(xiàn)電力資源等價交易，這樣不僅可以保證電力資源的平衡，還可以在一定程度上降低消費者的電力資源費用。

3? 區(qū)塊鏈技術

3.1 區(qū)塊鏈技術的概念

最早的關于區(qū)塊鏈的描述性是中本聰在2008年發(fā)布的一篇名為《Bitcoin：peer to peer electronic system》的文獻。在這篇文獻中，中本聰首次提出比特幣的概念，而作為比特幣核心技術的區(qū)塊鏈也隨之產(chǎn)生，但是這時并沒有明確提出區(qū)塊鏈的定義，只是將其作為用于記錄比特幣交易的賬目歷史。雖然區(qū)塊鏈技術在2008年就被提出，但是區(qū)塊鏈技術是最近幾年才開始引起廣泛關注。區(qū)塊鏈本質(zhì)上是一種基于非對稱加密的分布式賬本技術，并且只有被區(qū)塊鏈上的全部節(jié)點的共同機制檢驗通過之后的交易才能記錄[7]。該技術是以密碼學技術為支撐，并且參與系統(tǒng)中的任意多個節(jié)點都通過哈希密碼算法將信息記錄到鏈狀的順序區(qū)塊中，每個節(jié)點的地位都是公平的，都可以參與交易認證，并且通過加密算法保證交易的真實可靠以及不可篡改。由于每個節(jié)點都可以根據(jù)共識機制來進行新區(qū)塊的確認和獎勵，沒有第三方仲裁的參與，所以區(qū)塊鏈又可以被看成一個去中心化的分布式賬本[8]。區(qū)塊鏈的核心優(yōu)勢就是能夠去中心化，同時能夠運用數(shù)據(jù)加密、時間戳、分布式共識等手段，在節(jié)點無需互相信任的分布式系統(tǒng)中實現(xiàn)交易、協(xié)調(diào)與協(xié)作，從而為解決中心化機構(gòu)中普遍存在的高成本、低效率和數(shù)據(jù)儲備不安全等問題提供了解決方案[6]。

這里更要注意比特幣的區(qū)塊鏈是為比特幣而服務，比特幣的區(qū)塊鏈技術并不完全等同于區(qū)塊鏈技術，如圖2所示，區(qū)塊鏈的區(qū)塊中要包含數(shù)據(jù)記錄、當前的哈希值、前一區(qū)塊根哈希、時間戳和其他的信息[9]。

數(shù)據(jù)記錄的內(nèi)容可以根據(jù)實際的應用出發(fā)決定，比如資產(chǎn)發(fā)行記錄、清算記錄等。數(shù)據(jù)記錄的存儲組織形式一般為樹形狀，而區(qū)塊根哈希其實是數(shù)據(jù)記錄樹的根節(jié)點哈希。時間戳為區(qū)塊生成時間證明，而其他信息中包括區(qū)塊的簽名信息、隨機值等信息，根據(jù)不同的實際需求，其他信息的內(nèi)容也不盡相同。

3.2 區(qū)塊鏈技術架構(gòu)

隨著區(qū)塊鏈技術的不斷發(fā)展和應用的拓展，區(qū)塊鏈的架構(gòu)也在不斷地進行變化，根據(jù)區(qū)塊鏈的本質(zhì)特征以及發(fā)展現(xiàn)狀，如圖3所示，區(qū)塊鏈技術架構(gòu)可分為三個層次：網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)層和應用層[10]。

網(wǎng)絡層主要是通過P2P網(wǎng)絡技術實現(xiàn)網(wǎng)絡節(jié)點之間的連接與通信，不同于具有中心服務器的中央網(wǎng)絡，對等網(wǎng)絡的用戶即是服務器，又是一個接入用戶，用戶群體通過交換信息組成一個互聯(lián)網(wǎng)體系。

交易層主要有兩個功能，一個是相關數(shù)據(jù)的存儲，另一個是賬戶和交易的安全和實現(xiàn)。數(shù)據(jù)儲存于默克爾樹，通過區(qū)塊的方式和鏈式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。賬戶和交易基于數(shù)字簽名，非對稱加密技術，多重簽字技術等多種密碼學算法和技術，保證交易能在去中心化的情況下安全的進行。

應用層主要是基于區(qū)塊鏈技術來構(gòu)建類型和豐富的應用。目前，最典型的應用是各種數(shù)字貨幣，還有將區(qū)塊鏈應用于電子票據(jù)、金融業(yè)、保險和醫(yī)療等行業(yè)。在教育行業(yè)，區(qū)塊鏈系統(tǒng)的透明化、數(shù)據(jù)不可篡改等特征，完全適用于學生征信管理、升學就業(yè)、學術、資質(zhì)證明、產(chǎn)學合作等方面。許濤[11]設想?yún)^(qū)塊鏈技術在教育教學中的應用，從區(qū)塊鏈成績單、基于區(qū)塊鏈技術的學習者資源管理和學習賬本等三個方面來構(gòu)建。王海隆[12]認為區(qū)塊鏈技術可以應用于中醫(yī)藥領域，在多個方面如醫(yī)療、科研、教學、中藥產(chǎn)品防偽等改變現(xiàn)有的中醫(yī)藥模式，并能很好地服務于中醫(yī)藥。具體的可以表現(xiàn)在電子健康檔案安全建設方面上。在支付領域，各家商業(yè)銀行希望利用區(qū)塊鏈技術方面上，在解決互信的基礎上，構(gòu)建扁平化的全球一體化清算體系，突破現(xiàn)有的系統(tǒng)間割裂的現(xiàn)狀，以及額度等監(jiān)管限制，降低成本[13]。

3.3 區(qū)塊鏈技術特點

3.3.1 去中心化、去信任化

在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，整個網(wǎng)絡是沒有第三方仲裁，利用一套公開透明的加密數(shù)學算法使整個系統(tǒng)中的節(jié)點能夠去信任化地自動安全地進行交易。任意節(jié)點之間的權力和義務是相等的，任何節(jié)點的損壞或失效都不會影響整個系統(tǒng)的運作。

3.3.2 公開透明，集體維護

區(qū)塊鏈中處理賬戶的隱私被加密之外，其他的數(shù)據(jù)是公開并且對所有人開放。任何參與者都可以通過公開的接口進行查看，并且每位參與者都可以參與維護。

3.3.3 不可篡改性

區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)具有開源的特點，每位參與者都可以從接口復制一份完整的數(shù)據(jù)信息。但只有控制系統(tǒng)中達成共識的節(jié)點超過51%，才能進行數(shù)據(jù)的篡改。

4 基于區(qū)塊鏈的電網(wǎng)系統(tǒng)

能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展以及電力改革的推進將會改變消費者的身份，利用區(qū)塊鏈技術可以建立一個去中心的電力市場，區(qū)塊鏈技術和通信技術的結(jié)合，可以促進數(shù)百萬的參與者之間進行更安全的交易和支付，同時區(qū)塊鏈分布式特征可以讓分布式的能源用戶無縫地將電力賣給附近的消費者，使可再生能源實現(xiàn)局部消納，減少電力傳輸中的損耗，實現(xiàn)“零邊際成本社會”[14]。以可再生能源為例，說明區(qū)塊鏈技術對電力市場的影響，如圖4所示。

傳統(tǒng)的可再生能源市場中將可再生能源電表將信息記錄到數(shù)據(jù)表格中，由監(jiān)管部門將這些信息錄入另一個數(shù)據(jù)庫，這些信息與監(jiān)管部門共享。然后認證機構(gòu)根據(jù)數(shù)據(jù)庫手動簽發(fā)可再生能源“證書”，而交易中間商再利用這些數(shù)據(jù)將買賣雙方聯(lián)系起來，到此才完成一筆交易。整個交易過程中需要花費很長的時間，并且在此過程中還涉及許多人為因素、流程等問題，存在很多的不足。但在加入?yún)^(qū)塊鏈技術后，就會減少許多的步驟，使得市場更加簡明。

如圖5所示的區(qū)塊鏈技術應用于可再生能源市場中，電表將直接與區(qū)塊鏈相連，同時區(qū)塊鏈作為一個公共賬本將匯集所有的數(shù)據(jù)信息，取代了之前的數(shù)據(jù)人工傳遞的過程，區(qū)塊鏈的去中心化和不可篡改的特征確保了數(shù)據(jù)安全性和市場透明度。所有的參與者根據(jù)區(qū)塊鏈存儲的信息行使自己的職責，實現(xiàn)目前系統(tǒng)大多數(shù)過程的自動化，同時這樣省去一些繁瑣的中間環(huán)節(jié)，讓更多的用戶更容易進入市場。區(qū)塊鏈技術實現(xiàn)了本地生產(chǎn)者可以在能源市場上進行交易，將會吸引更多的資源投入分布式電網(wǎng)的建設中。

5? 結(jié)束語

在我國的電力改革過程中，智能電網(wǎng)的建設成為我國電力系統(tǒng)建設的一大趨勢，而區(qū)塊鏈技術可以為整個智能電網(wǎng)的建設帶來創(chuàng)新。區(qū)塊鏈的去中心化、去信任化以及不可篡改的特征，保證了電網(wǎng)在交易、對賬、信息發(fā)送、結(jié)賬等過程中的安全性和真實性，同時能夠降低監(jiān)督成本，提高運營效率。當前，區(qū)塊鏈技術在融入電網(wǎng)建設的過程中仍面臨很多問題和挑戰(zhàn)，如區(qū)塊鏈可擴展性問題、比特幣和以太坊等公共區(qū)塊鏈當前每秒只能處理7至30筆交易，如果全球范圍內(nèi)所有電力消費和生產(chǎn)設備都實現(xiàn)數(shù)字化，并且按照分鐘級以下為單位進行追蹤，大家則需要能夠每秒處理數(shù)百萬筆交易的運算能力，而這是當今的區(qū)塊鏈技術無法實現(xiàn)的。下一步，需要圍繞區(qū)塊鏈技術融入電網(wǎng)建設開展更深層次的研究，才能保證智能化電網(wǎng)建設的順利進行。

基金項目：

1.工業(yè)和信息化部通信軟科學項目《區(qū)塊鏈技術下數(shù)字票據(jù)業(yè)務研究》（項目編號：2018R24）;

2.教育部“天誠匯智”創(chuàng)新促教基金《區(qū)塊鏈技術下新能源充電樁智慧平臺建設》（項目編號：2018A05005）。

參考文獻

[1] 王毛路，葉灝文，李莉莉.基于區(qū)塊鏈技術應用選型的關鍵問題研究[J].網(wǎng)絡空間安全， 2018， 9（4）： 1-6.

[2] 黃忠義.區(qū)塊鏈技術在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺安全領域探索應用[J]. 網(wǎng)絡空間安全， 2018， 9（10）： 22-25+33.

[3] 李彬，張潔，祁兵，等.區(qū)塊鏈：需求側(cè)資源參與電網(wǎng)互動的支撐技術[J].電力建設， 2017， 38（3）： 1-8.

[4] 歐陽旭，朱向前，葉倫，姚建剛.區(qū)塊鏈技術在大用戶直購電中的應用初探[J].中國電機工程學報， 2017， 37（13）： 3737-3745.

[5] 黃海舫.電力行業(yè)工業(yè)控制系統(tǒng)安全防護技術應用[J].網(wǎng)絡空間安全， 2018， 9（3）： 14-18.

[6] Nakamoto S. Bitcoin： A peer-to-peer electronic cash system[EB/OL]. https：//bitcoin.org/bitcoin.pdf， 2008.

[7] 尹冠喬.區(qū)塊鏈技術發(fā)展現(xiàn)狀及其潛在問題文獻綜述[J].時代金融， 2017（6）： 299+301.

[8]? 譚磊，陳剛.區(qū)塊鏈2.0[M].北京：電子工業(yè)出版社，2016.

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

[10] 祝烈煌，高峰，沈蒙，等.區(qū)塊鏈隱私保護研究綜述[J].計算機研究與發(fā)展， 2017， 54（10）： 2170-2186.

[11] 許濤.區(qū)塊鏈技術在教育教學中的應用與挑戰(zhàn)[J].現(xiàn)代教育技術， 2017， 27（1）： 110-116.

[12] 王海隆.區(qū)塊鏈技術在中醫(yī)藥領域中的應用展望[J].貴陽中醫(yī)學院學報， 2017， 39（3）： 1-4.

[13] 林曉軒.區(qū)塊鏈技術在金融業(yè)的應用[J].中國金融，2016， （8）： 17-18.

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

作者簡介：

蔡興國（1991-），男，漢族，山東臨沂人，中國科學技術大學，碩士，中電?？导瘓F研究院，工程師;主要研究方向和關注領域：區(qū)塊鏈技術、智慧城市、物聯(lián)網(wǎng)。

王娟（1981-），女，漢族，陜西西安人，西安交通大學，博士，西安郵電大學，副教授;主要研究方向和關注領域：區(qū)塊鏈技術、金融科技。