張晉賓，張子立，李云波

ZHANG Jinbin1，ZHANG Zili2，LI Yunbo3

（1.電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京100120；2.謝菲爾德大學(xué)電子和電氣工程系，謝菲爾德S1 4DE；3.北京航空航天大學(xué)杭州創(chuàng)新研究院，杭州310051）

（1.Electric Power Planning&Engineering Institute，Beijing 100120，China；2.Department of Electronic and Electrical Engineering，the University of Sheffield，Sheffield S1 4DE，UK；3.Hangzhou Innovation Research Institute，Beihang University，Hangzhou 310051，China）

0 引言

區(qū)塊鏈技術(shù)或分布式賬簿技術(shù)（DLT）是分布式數(shù)據(jù)存儲、點(diǎn)對點(diǎn)傳輸、共識機(jī)制、加密算法等計(jì)算機(jī)技術(shù)的新型集成應(yīng)用范式，被稱為第5 次創(chuàng)新革命［1］。

作為新生事物，了解和掌握區(qū)塊鏈及DLT 的概念、特征、國際標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀，并把握其客觀發(fā)展規(guī)律，對糾正當(dāng)前出現(xiàn)的與區(qū)塊鏈相關(guān)的片面認(rèn)知錯誤至關(guān)重要。

能源領(lǐng)域是當(dāng)前區(qū)塊鏈研究應(yīng)用的全球熱點(diǎn)，能源區(qū)塊鏈也是國際能源領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一。系統(tǒng)地研究能源區(qū)塊鏈的應(yīng)用場景、潛在應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對手段，對我國能源領(lǐng)域應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)具有重要的參考價(jià)值。當(dāng)前國內(nèi)該方面的系統(tǒng)性研究文獻(xiàn)尚不多見。

本文介紹了區(qū)塊鏈技術(shù)的起源和歷史背景，描述并分析了區(qū)塊鏈及DLT 的概念、典型特征、類別和發(fā)展歷程；系統(tǒng)性地介紹了國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO），國際電信聯(lián)盟（ITU）和電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）等區(qū)塊鏈及DLT 國際標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀及進(jìn)程；分析了發(fā)展能源區(qū)塊鏈的必要性，指出了在能源生產(chǎn)、交易、投融資、利用等過程中區(qū)塊鏈的11個(gè)應(yīng)用場景，分析研究了能源區(qū)塊鏈的6 個(gè)應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)及其應(yīng)對措施，以期促進(jìn)我國能源區(qū)塊鏈技術(shù)研究與應(yīng)用的健康與快速發(fā)展。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)概覽

1.1 起源及背景

原貝爾通信研究所（Bellcore）科學(xué)家Stuart Haber 和W.Scott Stornetta 于1991 年發(fā)表了《如何為數(shù)字文檔建立時(shí)間戳》的論文，提出了可信時(shí)間戳服務(wù)，首次闡述了采用哈希和數(shù)字簽名等建立的時(shí)間戳塊鏈功能［2］。3 年后，他們基于Linked TSA（鏈接的時(shí)間戳機(jī)構(gòu)）架構(gòu)成立了Surety公司，這是世界上首個(gè)商業(yè)化的區(qū)塊鏈服務(wù)提供者，是當(dāng)之無愧的區(qū)塊鏈先驅(qū)［3］，因而兩位又被稱之為“區(qū)塊鏈技術(shù)之父”［4］。

爆發(fā)于2007 年8 月的美國次貸危機(jī)金融風(fēng)暴，對世界金融市場和全球經(jīng)濟(jì)都造成了極大的沖擊和惡劣影響。由此促使人們開始反思金融監(jiān)管制度存在的問題，并積極探索形成新的監(jiān)管機(jī)制。在此大背景下，并受Linked TSA、hashcash（哈?，F(xiàn)金）［5］、公鑰密碼系統(tǒng)協(xié)議［6］等系列研究啟發(fā)，化名為“中本聰”（Satoshi Nakamoto）的學(xué)者于2008 年在bitcoin.org 網(wǎng)站發(fā)表了《比特幣:一種點(diǎn)對點(diǎn)電子現(xiàn)金系統(tǒng)》的論文，提出創(chuàng)建一套“基于密碼證明而不是基于信用，使得任何自愿的雙方在符合條件的情況下能夠直接進(jìn)行互相交易，而不需要可信第三方機(jī)構(gòu)的參與”的新型電子支付系統(tǒng)［7］，并于次年發(fā)布了基于區(qū)塊鏈技術(shù)數(shù)字平臺之上的比特幣。在這之前，曾出現(xiàn)過“chain of blocks”（塊之鏈）和“blocks are chained”（塊被鏈接）等類似說法，而“blockchain”（區(qū)塊鏈）用語是第1 次在“Cryptography Mailing List”（加密郵件列表）類別內(nèi)的“Bitcoin P2P e-cash paper”（比特幣P2P 電子現(xiàn)金論文）［8］之下的后續(xù)討論郵件列表中提出的。

1.2 概念、特征、類型及發(fā)展

1.2.1 區(qū)塊鏈和分布式賬簿的概念

典型的區(qū)塊鏈?zhǔn)纠鐖D1所示。區(qū)塊鏈由數(shù)據(jù)集構(gòu)成，而數(shù)據(jù)集又由多個(gè)鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)包（區(qū)塊）所構(gòu)成。在每一個(gè)區(qū)塊中，又包含時(shí)間戳、Nonce（用于驗(yàn)證哈希的隨機(jī)數(shù)）、多次交易數(shù)據(jù)（即TX1，TX2，…，TXn）。在創(chuàng)建新的區(qū)塊時(shí)，提取當(dāng)前鏈中最后一個(gè)區(qū)塊的哈希，并與自身的一組消息組合，從而為新創(chuàng)建的區(qū)塊生成新的哈希，由此通過哈希鏈形成區(qū)塊的鏈?zhǔn)浇M合。

圖1 典型區(qū)塊鏈?zhǔn)纠鼺ig.1 Example of a typical blockchain

早期，區(qū)塊鏈和分布式賬簿兩個(gè)術(shù)語常不加區(qū)別地互用。但在私有鏈和聯(lián)盟鏈等許可賬簿（permissioned ledger）技術(shù)出現(xiàn)后，這樣的互用狀態(tài)發(fā)生了改變。這是因?yàn)樵谠S可賬簿中普通節(jié)點(diǎn)需先得到管理節(jié)點(diǎn)的授權(quán)，才可以查看、修改和加入網(wǎng)絡(luò)。這種仍保留管理中心，沒有完全“去中心化”的特征，引起國際上區(qū)塊鏈研究者們就許可賬簿究竟是否可被認(rèn)為從屬于區(qū)塊鏈類別而進(jìn)行了長久持續(xù)地爭論。由此之后，“區(qū)塊鏈”和“分布式賬簿”2 個(gè)用語在國際學(xué)術(shù)界開始區(qū)分使用。至今，國際上仍有不少學(xué)者堅(jiān)持“許可賬簿不是真正的區(qū)塊鏈”的觀點(diǎn)，但國內(nèi)似仍對“區(qū)塊鏈”和“分布式賬簿”2個(gè)概念沒有完全加以區(qū)分地應(yīng)用。

實(shí)際從內(nèi)涵上看，區(qū)塊鏈和分布式賬簿是有區(qū)別的。區(qū)塊鏈?zhǔn)侵敢环N去中心化的賬簿類型，而分布式賬簿則包含區(qū)塊鏈，指的是更大的數(shù)據(jù)庫類。ITU 將“區(qū)塊鏈”定義為“一種由以連續(xù)增長的數(shù)據(jù)塊鏈排列并以數(shù)字方式來記錄的數(shù)據(jù)所組成的分布式賬簿類型。其中每個(gè)數(shù)據(jù)塊均以加密方式鏈接并加固，以防被篡改和修改”；將“分布式賬簿”定義為“一種以分布式和去中心化方式共享、復(fù)制和同步的賬簿類型”［9］。從廣義上講，還可認(rèn)為區(qū)塊鏈技術(shù)是指利用塊鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來驗(yàn)證與存儲數(shù)據(jù)，利用分布式節(jié)點(diǎn)共識算法來生成和更新數(shù)據(jù)，利用密碼學(xué)的方式保證數(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)的一種全新的分布式基礎(chǔ)架構(gòu)與計(jì)算范式［10］。

1.2.2 區(qū)塊鏈典型特征

區(qū)塊鏈基本架構(gòu)如圖2所示。區(qū)塊鏈技術(shù)的工作有效性取決于分布式網(wǎng)絡(luò)、分布式共識和密碼安全算法等主要部分。分布式網(wǎng)絡(luò)位于區(qū)塊鏈的最底層，采用P2P 結(jié)構(gòu)，主要負(fù)責(zé)點(diǎn)對點(diǎn)通信；基于密碼學(xué)賬簿體系之上，在將塊加入公共賬簿前，需采用分布式網(wǎng)絡(luò)之上的共識規(guī)約來驗(yàn)證交易的有效性，如此，分布式網(wǎng)絡(luò)就變成了分布式賬簿。

圖2 區(qū)塊鏈基本架構(gòu)Fig.2 Basic blockchain architecture

區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心化、數(shù)據(jù)不可篡改、共同維護(hù)、信息公開透明、智能合約、可追溯性、開放性、無須可信系統(tǒng)等特點(diǎn)。由此可見，典型區(qū)塊鏈系統(tǒng)具有如下主要特征。

（1）去中心化/去中介（獨(dú)立性）。區(qū)塊鏈系統(tǒng)基于分布式網(wǎng)絡(luò)、共識機(jī)制（包括規(guī)范、協(xié)議或算法等）、加密算法等，建立了各個(gè)分布式節(jié)點(diǎn)間的信任關(guān)系，所有節(jié)點(diǎn)均能夠在系統(tǒng)內(nèi)自動安全地驗(yàn)證、交換數(shù)據(jù)而不需要任何人為的干預(yù)。整個(gè)區(qū)塊鏈系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)作不依賴第三方，形成了不再需要任何中介或中央管理控制機(jī)制（如中心硬件設(shè)施或第三方管理平臺等）的去中心化、去中介、高度信任的分布式系統(tǒng)。

（2）透明互信。整個(gè)區(qū)塊鏈系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)則公開透明，且除交易各方被加密的私有信息外，區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)對所有節(jié)點(diǎn)開放，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都擁有帶系統(tǒng)中完整交易記錄的相同賬簿（數(shù)據(jù)副本），整個(gè)系統(tǒng)信息高度透明。在系統(tǒng)指定的規(guī)則范圍和時(shí)間范圍內(nèi)，惡意節(jié)點(diǎn)難以或無法欺騙其他節(jié)點(diǎn)，參與系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間可以在無須建立信任的前提下進(jìn)行數(shù)據(jù)的可信交互。

（3）數(shù)據(jù)安全性（不可篡改性）。區(qū)塊鏈采用“區(qū)塊+鏈”的結(jié)構(gòu)，并按照時(shí)間順序持續(xù)增加區(qū)塊的數(shù)量。要想修改某區(qū)塊中的數(shù)據(jù)，就需要重新生成它之后的所有區(qū)塊，加之所采用的共識機(jī)制也使得修改大量區(qū)塊的算力成本極高，因而對數(shù)據(jù)的篡改幾乎是不可能的。另外，每個(gè)分布式節(jié)點(diǎn)都擁有完全相同的賬簿（即完整的數(shù)據(jù)副本），單個(gè)或部分節(jié)點(diǎn)的崩潰都不會對賬簿的數(shù)據(jù)安全造成破壞。

（4）匿名性。除非有法律規(guī)范要求，單從技術(shù)上來講，各區(qū)塊節(jié)點(diǎn)的身份信息不需要公開或驗(yàn)證，信息傳遞可以匿名進(jìn)行。

（5）高容錯性和可靠性。區(qū)塊鏈技術(shù)依靠其共識機(jī)制等可保持各分布式節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的一致性，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都擁有完全相同的賬簿（即完整的數(shù)據(jù)副本），原則上即使系統(tǒng)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)或少部分節(jié)點(diǎn)遭受網(wǎng)絡(luò)/硬件/軟件等故障、錯誤、崩潰或者網(wǎng)絡(luò)攻擊，也不會影響其他參與節(jié)點(diǎn)及整個(gè)區(qū)塊鏈系統(tǒng)的正常工作。故障節(jié)點(diǎn)在故障排除并完成數(shù)據(jù)同步后，也可再加入系統(tǒng)繼續(xù)工作。

1.2.3 區(qū)塊鏈的分類

區(qū)塊鏈目前主要分為公有鏈、私有鏈（也稱專有鏈）和聯(lián)盟鏈（也稱混合鏈）3種，見表1。3種鏈各有側(cè)重點(diǎn)、應(yīng)用場景和實(shí)現(xiàn)的功能，以及對應(yīng)的經(jīng)濟(jì)生態(tài)模式［11］。

隨著區(qū)塊鏈應(yīng)用的日益廣泛，跨鏈（包括同類鏈或異類鏈、同構(gòu)鏈或異構(gòu)鏈）數(shù)據(jù)交互需求增多。目前常用的有公證人機(jī)制、側(cè)鏈/中繼、哈希鎖定、分布式私鑰控制等跨鏈技術(shù)。但總體而言，跨鏈交互技術(shù)仍不成熟，還處于發(fā)展階段。

1.2.4 區(qū)塊鏈的發(fā)展歷程

區(qū)塊鏈技術(shù)依托于已有技術(shù)，并加以獨(dú)創(chuàng)性地組合和創(chuàng)新，從而實(shí)現(xiàn)了重大功能性突破。迄今為止，區(qū)塊鏈技術(shù)大體經(jīng)歷了4 個(gè)發(fā)展階段，如圖3 所示，并仍處于不斷地發(fā)展進(jìn)化中。

圖3 區(qū)塊鏈演進(jìn)總覽Fig.3 Overview of blockchain evolution

區(qū)塊鏈1.0 技術(shù)誕生于2008 年，比特幣為其重要代表，具有以區(qū)塊為單位的鏈狀數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)，全網(wǎng)共享完整一致的賬簿，賬戶體系采用非對稱加密，以及共識機(jī)制和規(guī)則等在內(nèi)的源代碼開源等特征。

表1 區(qū)塊鏈類別Tab.1 Categories of blockchains

區(qū)塊鏈2.0 技術(shù)誕生于2014 年，以太坊為其重要代表，具有智能合約、DApps、虛擬機(jī)等特性。其中，智能合約是已編碼的、可自動運(yùn)行的業(yè)務(wù)邏輯程序，用戶可以將智能合約上傳到區(qū)塊鏈并調(diào)用它們。智能合約的發(fā)展引出了與區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)交互的DApps，其界面通?？梢栽跒g覽器中運(yùn)行。

區(qū)塊鏈3.0 是仍處于發(fā)展中的技術(shù)，旨在改進(jìn)或提升區(qū)塊鏈的可擴(kuò)展性、互操作性、監(jiān)管性或治理性、安全性或可持續(xù)性等性能，并更易于與交互式網(wǎng)絡(luò)等相集成；同時(shí)擴(kuò)大其應(yīng)用面，使其可應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、醫(yī)療、智慧城市、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等人類生活的各個(gè)方面。

2 區(qū)塊鏈和DLT相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)

2.1 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）

ISO 作為目前世界上最大、最有影響力的國際標(biāo)準(zhǔn)化專門機(jī)構(gòu)?？紤]到區(qū)塊鏈技術(shù)和DLT 的迅猛發(fā)展和國際標(biāo)準(zhǔn)化的需要，ISO 于2016 年成立了專門的區(qū)塊鏈及DLT 技術(shù)委員會，即ISO/TC 307“Blockchain and distributed ledger technologies”（區(qū)塊鏈和分布式賬簿技術(shù)）技術(shù)委員會。

截至2020年4月底，ISO已發(fā)布了1項(xiàng)區(qū)塊鏈相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，即ISO/TR 23455:2019《Blockchain and distributed ledger technologies — Overview of and interactions between smart contracts in blockchain and distributed ledger technology systems》（區(qū)塊鏈和分布式賬簿技術(shù)——區(qū)塊鏈和分布式賬簿技術(shù)系統(tǒng)中智能合約概覽和智能合約間的交互作用）。該標(biāo)準(zhǔn)一是總覽性地介紹了智能合約，描述了智能合約的歷史，理解智能合約的幾種方法；二是從智能合約的概念、收益及挑戰(zhàn)、部署和執(zhí)行相關(guān)鏈上和鏈下智能合約的異同、信息訪問、生命周期（創(chuàng)建、執(zhí)行、終止）、信息安全等6個(gè)維度描述了智能合約工作的各個(gè)方面；三是簡略介紹了具有約束力且可強(qiáng)制執(zhí)行的智能合約，用于區(qū)塊鏈（交叉鏈和側(cè)鏈交易）間信息傳送的智能合約［12］。此外，ISO 正在制定的區(qū)塊鏈技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還有12項(xiàng)，見表2。

2.2 國際電信聯(lián)盟（ITU）

作為與ISO、國際電工委員會（IEC）齊名的三大國際標(biāo)準(zhǔn)化組織之一，ITU 主要負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程通信、信息和通信技術(shù)方面的國際標(biāo)準(zhǔn)化，旨在促進(jìn)國際上通信網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。早在2017 年5 月，國際電信聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)化部門（ITU-T）成立了分布式賬簿技術(shù)應(yīng)用焦點(diǎn)組（FG DLT），以識別并分析基于DLT 的應(yīng)用和服務(wù)，提出DLT 相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)化工作建議。近期，ITU發(fā)布的區(qū)塊鏈相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見表3。

ITU-T X. 1401 標(biāo)準(zhǔn)從攻擊的目標(biāo)、手段、影響及可能性等維度，分析了DLT 在規(guī)約、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)等方面所面臨的安全威脅，并為DLT 系統(tǒng)設(shè)計(jì)、部署和運(yùn)營的安全評估及加固提供了技術(shù)指導(dǎo)［13］。

ITU-T Y. 2342 標(biāo)準(zhǔn)介紹了下一代網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)（NGNe）的背景、動因及NGNe-區(qū)塊鏈概覽，給出了NGNe-區(qū)塊鏈應(yīng)用場景、要求及用例，提出了NGNe-區(qū)塊鏈的通用架構(gòu)和能力要求，以滿足網(wǎng)絡(luò)場景下的區(qū)塊鏈應(yīng)用、運(yùn)營、監(jiān)管等需求［14］。

ITU-T Y.4464標(biāo)準(zhǔn)介紹了去中心化的IoT 服務(wù)平臺和物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈（BoT），分析了BoT 的概念、通用特征和高級要求，提供了BoT的通用能力和功能、規(guī)程、相關(guān)用例等［15］。

表2 區(qū)塊鏈相關(guān)ISO標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Blockchain-related ISO standards

表3 區(qū)塊鏈相關(guān)ITU標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Blockchain-related ITU standards

此外，ITU也于2019年7月發(fā)布了4份區(qū)塊鏈相關(guān)技術(shù)規(guī)范，即ITU-T TR D3.5《Overview of blockchain for supporting IoT and SC&C in DPM aspects》（支持物聯(lián)網(wǎng)和智慧城市&社區(qū)的數(shù)據(jù)處理和管理方面的區(qū)塊鏈總覽），ITU-T TS D3.6《Blockchain-based data exchange and sharing for supporting IoT and SC&C》（支持物聯(lián)網(wǎng)和智慧城市&社區(qū)的基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)交換和共享），ITU-T TS D3.7《Blockchain-based data management for supporting IoT and SC&C》（支持物聯(lián)網(wǎng)和智慧城市&社區(qū)的基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)管理）和ITU-T TS D3.8 《Identity framework in blockchain to support DPM for IoT and SC&C》（支持物聯(lián)網(wǎng)和智慧城市&社區(qū)數(shù)據(jù)處理和管理的區(qū)塊鏈身份框架）。于2019年10月發(fā)布了2份區(qū)塊鏈相關(guān)技術(shù)報(bào)告，即ITU-T HSTP. DLT-RF《Distributed ledger technologies:Regulatory framework》（分布式賬簿技術(shù):監(jiān)管框架）和ITU-T HSTP. DLT-UC《Distributed ledger technologies:Use cases》（分布式賬簿技術(shù):用例）。

2.3 電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）

IEEE 是總部位于美國紐約的電氣、電子和計(jì)算領(lǐng)域，以及構(gòu)成現(xiàn)代文明的其他相關(guān)科技領(lǐng)域的技術(shù)協(xié)會，也是全球推動技術(shù)進(jìn)步的最大專業(yè)性技術(shù)組織。因IEEE 所發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)在世界范圍具有廣泛的影響，且被眾多國家和產(chǎn)業(yè)界廣泛認(rèn)同和應(yīng)用，故通常也將IEEE標(biāo)準(zhǔn)稱為“事實(shí)上的國際標(biāo)準(zhǔn)”。

當(dāng)前，IEEE 已批準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目授權(quán)申請書（PAR），正在起草的區(qū)塊鏈相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目清單見表4。

表4 中，正在起草的IEEE P2418.5 標(biāo)準(zhǔn)擬提供一個(gè)開放、通用和可互操作的能源區(qū)塊鏈參考框架模型。該標(biāo)準(zhǔn)擬包括3個(gè)方面。

（1）作為電力行業(yè)、石油天然氣行業(yè)和可再生能源行業(yè)及其相關(guān)服務(wù)業(yè)的區(qū)塊鏈用例指南。

（2）通過構(gòu)建開放的規(guī)約和技術(shù)不可知的分層框架，建立能源區(qū)塊鏈應(yīng)用的參考體系架構(gòu)、互操作性、術(shù)語和系統(tǒng)接口等方面的標(biāo)準(zhǔn)。

（3）通過評估用于能源行業(yè)的共識算法、智能合約和區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)類型等，提供能源區(qū)塊鏈的可擴(kuò)展性、性能、信息安全性和互操作性方面的導(dǎo)則。

3 能源區(qū)塊鏈

3.1 能源轉(zhuǎn)型需求

國際可再生能源署在其2020年發(fā)布的《全球可再生能源展望:能源轉(zhuǎn)型2050》報(bào)告中指出，面向2050 年國際能源轉(zhuǎn)型有6 個(gè)迫切需求或關(guān)鍵驅(qū)動力。

（1）降低約70%的碳排放。

（2）改善大氣質(zhì)量，獲得更大經(jīng)濟(jì)收益。

（3）降低能源成本，使可再生能源具備全面競爭力。

（4）降低約64%的化石燃料需求，改善能源安全。

（5）普及清潔能源，甚至邊遠(yuǎn)地區(qū)也可用上可再生能源。

（6）增加多于700萬的工作機(jī)會［16］。

當(dāng)前，包括區(qū)塊鏈、人工智能等新一代信息通信技術(shù)的進(jìn)步正賦能于能源轉(zhuǎn)型，并成為能源轉(zhuǎn)型和模式進(jìn)化的催化劑和強(qiáng)大助推器。正如馬克思在《機(jī)器·自然力和科學(xué)的應(yīng)用》中所言——“火藥、指南針、印刷術(shù)——這是預(yù)告資產(chǎn)階級到來的三大發(fā)明。火藥把騎士階層炸得粉碎”一樣［17］，預(yù)計(jì)區(qū)塊鏈技術(shù)/分布式賬簿技術(shù)和由可再生能源、儲能、配電網(wǎng)所構(gòu)成的微電網(wǎng)組合在一起后，將會對有百年歷史的傳統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)營模式等造成極大的沖擊。能源區(qū)塊鏈用例如圖4所示。在區(qū)塊鏈分布式應(yīng)用、智能合約、IoT（包括智能電表等）、加密貨幣支付（如比特幣、以太幣等）、分布配電網(wǎng)等支持下，電力用戶（如普通家庭用戶、工商業(yè)用戶等）可選擇、訂閱、驗(yàn)證任一智能合約，從而選擇不同的供電方。每一智能合約與不同供電方（如發(fā)電站、電力生產(chǎn)/消費(fèi)一體者等）相關(guān)聯(lián)。每一電力用戶可通過加密貨幣錢包，按智能合約所約定的供電方和用電方的支付條款，由能源區(qū)塊鏈系統(tǒng)自主判定約定條件滿足時(shí)，自動將電費(fèi)支付給所選擇的供電方。

圖4 能源區(qū)塊鏈用例示意Fig.4 Use case of energy blockchain

3.2 能源區(qū)塊鏈應(yīng)用場景

能源領(lǐng)域當(dāng)前發(fā)展趨勢是3D，即Digitalization（數(shù)字化）、Decarbonization（去碳化）和Decentralization（去中心化）。區(qū)塊鏈技術(shù)/分布式賬簿技術(shù)所具有的去中心化、數(shù)據(jù)安全、智能合約等特征恰好與能源轉(zhuǎn)型及3D發(fā)展可結(jié)合為天然聯(lián)盟。據(jù)高盛研究，區(qū)塊鏈技術(shù)通過“創(chuàng)造性地破壞”作用而重新分配市場，可通過在區(qū)域內(nèi)互聯(lián)就地發(fā)電商和當(dāng)?shù)叵M(fèi)者，建立分布式、實(shí)時(shí)電力市場。區(qū)塊鏈賦能后的電力市場還可以提高電網(wǎng)安全性，并促進(jìn)智能電網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。預(yù)計(jì)由此開創(chuàng)的美國分布式電力新市場可為新的市場參與者（指非公用事業(yè)公司）創(chuàng)造高達(dá)25 億～70 億美元的潛在電力收入［18］。

區(qū)塊鏈技術(shù)/分布式賬簿技術(shù)可應(yīng)用于能源價(jià)值鏈的生產(chǎn)、交易、投融資等多個(gè)環(huán)節(jié)，主要應(yīng)用場景如下。

（1）可再生能源的原產(chǎn)地證明（包括可再生能源類型、地點(diǎn)和發(fā)電時(shí)間）、實(shí)時(shí)工況監(jiān)測、綠色電力證書認(rèn)購、可再生能源消納量核算及轉(zhuǎn)讓或交易等。

（2）能源控制和電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，特別是在可再生能源高滲透下。

（3）能源生產(chǎn)及消費(fèi)中計(jì)費(fèi)流程的自動化。包括跨行業(yè)或跨部門間的收費(fèi)、費(fèi)用支付等。

（4）宏觀和中觀層面的能源交易。包括能源大

宗商品交易、批發(fā)能源市場交易、分布式能源生產(chǎn)/消費(fèi)一體者與其鄰近電力用戶間的P2P交易等。

表4 IEEE正在起草的區(qū)塊鏈相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)Tab.4 Blockchain-related IEEE standards in draft

（5）智慧城市（物聯(lián)網(wǎng)）聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備的能耗行為（如負(fù)載控制）等的實(shí)時(shí)控制。

（6）能源部門相關(guān)數(shù)據(jù)。如安全生產(chǎn)、電力監(jiān)管、環(huán)保排放、能耗、可再生能源產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)等的可靠、透明地采集、分析和發(fā)布。

（7）供水、供氣、供電等公用設(shè)施。如城市水網(wǎng)、天然氣管網(wǎng)、配電網(wǎng)或微網(wǎng)等的資產(chǎn)管理等。

（8）有限的能源資源在多用戶間的共享和共用。如電動汽車充電樁的共享，電動汽車電池電能的共享，以及可響應(yīng)電網(wǎng)信號，為電網(wǎng)提供調(diào)頻、負(fù)荷響應(yīng)等輔助服務(wù)等。

（9）供應(yīng)鏈管理。如可對供應(yīng)商資質(zhì)及其證書等企業(yè)信息、加工材料、貨物運(yùn)輸?shù)茸粉櫥蛩菰础?/p>

（10）面向能源的金融產(chǎn)品。如交易代幣化、產(chǎn)業(yè)鏈上下游金融服務(wù)等。

（11）信息安全及身份管理。如數(shù)據(jù)機(jī)密性、用戶信息私密性的防護(hù)等。

此外，德國慕尼黑能源經(jīng)濟(jì)研究中心對區(qū)塊鏈技術(shù)在能源轉(zhuǎn)型中的作用進(jìn)行了專門研究，對能源價(jià)值鏈進(jìn)行了全面的分析，指出區(qū)塊鏈和智能合約技術(shù)可應(yīng)用于標(biāo)簽、共享經(jīng)濟(jì)/貿(mào)易、會計(jì)/金融、加密貨幣、系統(tǒng)服務(wù)、資產(chǎn)管理、自動化/優(yōu)化等類別［19-20］。英國赫瑞瓦特大學(xué)等按其目的和活動子類，對140 多個(gè)能源行業(yè)區(qū)塊鏈創(chuàng)新項(xiàng)目和研究行動計(jì)劃用例進(jìn)行了分類，各類用例占比從高到低分別為:分布式能源交易（占33%），加密貨幣、通證與投資（占19%），物聯(lián)網(wǎng)、智能設(shè)備、自動化與資產(chǎn)管理（占11%），計(jì)量、抄表與安全（占9%），電網(wǎng)管理（占8%），綠證與碳交易（占7%），電動汽車（占7%）；其他通用目的的行動計(jì)劃占6%［21］。

有2點(diǎn)需要注意，一是區(qū)塊鏈技術(shù)不是萬能的，它難以獨(dú)立實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上數(shù)據(jù)和網(wǎng)下實(shí)體的結(jié)合。例如在對環(huán)保排放量進(jìn)行監(jiān)管時(shí)，需要智能環(huán)保排放量監(jiān)視儀表對數(shù)據(jù)準(zhǔn)確測量，并通過可靠通信鏈路傳輸?shù)絽^(qū)塊鏈線上，才能充分發(fā)揮區(qū)塊鏈的優(yōu)勢。二是要結(jié)合具體應(yīng)用場景的特點(diǎn)，選擇適當(dāng)?shù)膮^(qū)塊鏈應(yīng)用模式。例如，共享機(jī)制的選擇（PoW 或PoA，或?qū)嵱玫陌菡纪ト蒎e等）；許可賬簿技術(shù)與非許可賬簿技術(shù)的選擇；采用許可賬簿技術(shù)時(shí)設(shè)置中心的數(shù)量；針對敏感數(shù)據(jù)的公開權(quán)限設(shè)置方法等。

3.3 風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)

區(qū)塊鏈具有的信息共享、流通和交易及安全機(jī)制為全球能源轉(zhuǎn)型提供了一種有效的解決方案。但當(dāng)前能源區(qū)塊鏈的應(yīng)用項(xiàng)目規(guī)模都較小，尚處于實(shí)驗(yàn)、研究、探索階段。

從應(yīng)用視角看，區(qū)塊鏈技術(shù)還是一個(gè)新生事物，仍處于快速上升階段。經(jīng)典的區(qū)塊鏈技術(shù)尚存以下主要風(fēng)險(xiǎn)或不足。

（1）資源消耗量大。當(dāng)采用PoW 共享算法時(shí)，消耗的計(jì)算機(jī)算力和電能較高。據(jù)劍橋大學(xué)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，采用PoW 共享算法的比特幣網(wǎng)絡(luò)年耗電量高達(dá)76 TW·h［22］。同時(shí)，因全部區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)均冗余復(fù)制相關(guān)數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)越多，數(shù)據(jù)的冗余度越高，所占用的數(shù)據(jù)存儲空間越大。這點(diǎn)對于虛擬數(shù)字貨幣（如比特幣）而言提供了更高的安全性，但對于能源行業(yè)應(yīng)用而言似乎不必要為保證如此高的安全性而占用過多資源。

（2）信息安全風(fēng)險(xiǎn)尚存，責(zé)任還需進(jìn)一步明晰。一是復(fù)雜的智能合約存在漏洞的風(fēng)險(xiǎn)較高，當(dāng)智能合約存在哪怕是較小的編程漏洞時(shí)，也易帶來較大的網(wǎng)絡(luò)攻擊風(fēng)險(xiǎn)。如新加坡國立大學(xué)和倫敦大學(xué)學(xué)院的5 位學(xué)者用Maian 工具對近100 萬個(gè)以太坊智能合約掃描發(fā)現(xiàn)，有34 200 個(gè)合約存在漏洞，可被黑客用來竊取以太幣，甚至凍結(jié)或刪除用戶的數(shù)字資產(chǎn)［23-24］。二是能源網(wǎng)絡(luò)覆蓋地域廣，聯(lián)接千家萬戶，極易接入不安全的信息技術(shù)（IT）部件，存在分布式拒絕服務(wù)（DDoS）攻擊的脆弱性。三是當(dāng)攻擊者掌握了51%以上的區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)時(shí)，就可惡意修改區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)。四是公有鏈上每個(gè)節(jié)點(diǎn)通常都可看到全部數(shù)據(jù)，因而可能帶來數(shù)據(jù)防護(hù)、責(zé)任事務(wù)和消費(fèi)者權(quán)益的含糊不清。例如，從數(shù)據(jù)安全防護(hù)角度看，以去中心化方式存儲加密數(shù)據(jù)，每一位參與者均可將所加密數(shù)據(jù)保存在自己身邊，待條件具備或時(shí)機(jī)成熟時(shí)（如強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)問世）再解密數(shù)據(jù)，或利用數(shù)據(jù)挖掘或其他人工智能（AI）數(shù)據(jù)分析手段來獲取有關(guān)用戶或應(yīng)用的敏感數(shù)據(jù)，由此可能會帶來安全風(fēng)險(xiǎn)。五是區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的去中心化本質(zhì)決定了幾乎不可能判定何人應(yīng)該對P2P網(wǎng)絡(luò)的錯誤負(fù)責(zé)，特別是對公有鏈而言。

（3）可擴(kuò)展性和性能之間的矛盾。如分布式區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)越多，其數(shù)據(jù)完整性越易得到保護(hù)，但同時(shí)也會帶來達(dá)成共識的時(shí)間變長，導(dǎo)致性能下降等。

（4）對去中心化的區(qū)塊鏈代碼等的變更難度偏大。如若需對已部署的區(qū)塊鏈代碼進(jìn)行升級，則需先獲得大多數(shù)節(jié)點(diǎn)認(rèn)可后才可實(shí)施。

（5）缺乏區(qū)塊鏈應(yīng)用程序接口（API）標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致不同技術(shù)之間的互操作性難以實(shí)現(xiàn)。

（6）私鑰管理難題。若丟失私鑰，則不可能再訪問區(qū)塊鏈上個(gè)人的數(shù)字資產(chǎn)。

此外，跨鏈、側(cè)鏈等區(qū)塊鏈互聯(lián)互通技術(shù)成熟度還較低，仍處于試驗(yàn)和試用階段。

總之，區(qū)塊鏈在能源行業(yè)大規(guī)模應(yīng)用前，還需解決其復(fù)雜性、不確定性、缺乏標(biāo)準(zhǔn)化及能源監(jiān)管不便利等方面的挑戰(zhàn)。

3.4 機(jī)遇

區(qū)塊鏈技術(shù)是一種仍處于發(fā)展中的新興技術(shù)，盡管還不成熟，但其蘊(yùn)藏的巨大優(yōu)勢已在金融市場、P2P交易、供應(yīng)鏈等方面顯露出來。

對于區(qū)塊鏈應(yīng)用中的一些風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)前通過選擇恰當(dāng)?shù)膮^(qū)塊鏈模式和技術(shù)，可以一定程度地減輕，如能源區(qū)塊鏈采用私有鏈或聯(lián)盟鏈技術(shù)，可消除或大大減小交易運(yùn)營成本，改善網(wǎng)絡(luò)性能，極大降低能耗。通過多中心化管理和限于可識別的參與者，又可大大提升其數(shù)據(jù)安全水平。但不可否認(rèn)的是，在這種情況下其可信度和透明性等指標(biāo)是低于采用公有鏈的能源區(qū)塊鏈的。

此外，隨著技術(shù)的發(fā)展，區(qū)塊鏈技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)也可逐步得以管控或徹底解決。例如，通過深度學(xué)習(xí)與區(qū)塊鏈的有機(jī)結(jié)合可解決數(shù)據(jù)權(quán)方面的挑戰(zhàn)，使網(wǎng)絡(luò)參與者可自主控制其個(gè)人數(shù)據(jù)；利用態(tài)勢感知技術(shù)，可檢測數(shù)據(jù)方面的異常，識別可疑的行為；采用零知識證明方法，不僅可使交易安全，而且也可保證敏感信息的私密性。

相信通過AI，IIoT 與區(qū)塊鏈等先進(jìn)技術(shù)的融合集成，定會構(gòu)建一個(gè)自主、安全、自治的新一代能源區(qū)塊鏈生態(tài)系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

建立在分布式數(shù)據(jù)存儲、P2P 傳輸、共識機(jī)制、加密算法等基礎(chǔ)上的區(qū)塊鏈技術(shù)，是推動能源向低碳綠色轉(zhuǎn)型的強(qiáng)大助推器，也是增加能源安全性、透明性和靈活性的重要使能技術(shù)。

能源區(qū)塊鏈?zhǔn)钱?dāng)今全球能源領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展和應(yīng)用方向，我國應(yīng)加快加強(qiáng)能源區(qū)塊鏈的底層技術(shù)（如共識機(jī)制、數(shù)據(jù)存儲、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、加密算法、隱私保護(hù)、智能合約等）和工程技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)和項(xiàng)目示范，做到能源區(qū)塊鏈技術(shù)的自主可控，從而積極推動全球能源轉(zhuǎn)型。

能源區(qū)塊鏈的成功，不僅取決于科研院所等的核心關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、標(biāo)準(zhǔn)化及平臺建設(shè)和工程應(yīng)用示范，更取決于能源政府部門的積極引導(dǎo)、有序推動與合理監(jiān)管。