喻小寶，鄭丹丹

YU Xiaobao，ZHENG Dandan

（上海電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，上海200090）

（School of Economics and Management，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China）

0 引言

2008 年，比特幣創(chuàng)始人中本聰在論文《Bitcoin:A peer-to-peer electronic cash system》［1］中首次提出區(qū)塊鏈的概念，標(biāo)志著比特幣的支撐技術(shù)——區(qū)塊鏈的誕生。隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的不斷發(fā)展，區(qū)塊鏈技術(shù)紛紛應(yīng)用于電力、金融、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。電力作為一種清潔高效、使用便捷安全、應(yīng)用范圍廣泛的二次能源，是現(xiàn)代社會應(yīng)用最為廣泛的能源。能源產(chǎn)業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)支柱型產(chǎn)業(yè)，其升級創(chuàng)新成為當(dāng)前關(guān)注的熱點［2］。隨著我國工業(yè)化水平的不斷發(fā)展，國民對電力的需求也日益增加，區(qū)塊鏈技術(shù)和能源電力的融合將會改善目前能源電力交易過程中存在的效率、信任等問題，為我國電力能源行業(yè)發(fā)展提供新的可能。因此，研究區(qū)塊鏈技術(shù)在能源電力領(lǐng)域的應(yīng)用顯得尤為重要。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對區(qū)塊鏈在能源電力領(lǐng)域的應(yīng)用做了很多研究。在區(qū)塊鏈的發(fā)展上，何蒲等［3］從關(guān)鍵技術(shù)、原理等方面介紹了區(qū)塊鏈技術(shù)，并對未來區(qū)塊鏈的前景和應(yīng)用進(jìn)行了展望。李斌［4］從美國的區(qū)塊鏈監(jiān)管策略入手，分析了我國區(qū)塊鏈技術(shù)的風(fēng)險、監(jiān)管困境等。在能源電力應(yīng)用方面，張妍等［5］分析了構(gòu)建能源和區(qū)塊鏈系統(tǒng)需要面對的問題與挑戰(zhàn)，對未來基于區(qū)塊鏈的能源發(fā)展進(jìn)行了展望。李彬等［6］對分布式能源交易模式進(jìn)行了研究，將區(qū)塊鏈與分布式能源交易模式的特點結(jié)合起來，對現(xiàn)有的交易模式進(jìn)行了改進(jìn)并提出了建議方案。胡偉等［7］提出了基于區(qū)塊鏈的能源電力供需網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型，可將運營成本降低9.9%，提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。龔鋼軍等［8］在綜合能源服務(wù)的基礎(chǔ)上建立了基于區(qū)塊鏈的綜合能源服務(wù)框架，證明了區(qū)塊鏈在綜合能源服務(wù)方面的適用性。Sana等［9］將區(qū)塊鏈技術(shù)融入電力能源需求側(cè)管理中，保證了所提出方案的有效性并安全實施。周洪益等［10］基于區(qū)塊鏈的特點和能源現(xiàn)狀總結(jié)了各種場景的能源區(qū)塊鏈模式，并對今后的發(fā)展進(jìn)行了展望。Huang等［11］提出了基于區(qū)塊鏈的電動汽車充電最優(yōu)收費調(diào)度框架，保證了電力交易的安全性和隱私性。Andoni 等［12］研究了140 個區(qū)塊鏈研究項目，構(gòu)建了能源領(lǐng)域應(yīng)用區(qū)塊鏈的潛力和相關(guān)性地圖。龔鋼軍等［13］基于區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫螒B(tài)，設(shè)計了基于區(qū)塊鏈的電力現(xiàn)貨市場交易模式，實現(xiàn)了最優(yōu)購電方案的制定。

目前，世界各國主要將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于電動汽車充電樁、綠證交易等。本文在借鑒以往區(qū)塊鏈技術(shù)在能源電力領(lǐng)域的研究成果及應(yīng)用案例的基礎(chǔ)上，結(jié)合能源電力領(lǐng)域的特點及發(fā)展現(xiàn)狀，分析區(qū)塊鏈技術(shù)在能源電力領(lǐng)域面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，展望區(qū)塊鏈技術(shù)在電力領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)與能源電力

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)

1.1.1 基本定義

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N分布式數(shù)據(jù)庫，通過去中心化和去信任的方式集體維護(hù)一個可靠數(shù)據(jù)庫［14］。不同的角度對區(qū)塊鏈有不同的定義:從數(shù)據(jù)層面看，可以把區(qū)塊鏈看作是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，由一個個區(qū)塊按順序連接形成一條鏈，每個區(qū)塊就是一個單元數(shù)據(jù)；從記賬層面看，可以把區(qū)塊鏈看作是一個賬本，對應(yīng)區(qū)塊鏈去中心化的特點，這個賬本不只出現(xiàn)在一個節(jié)點，區(qū)塊是賬本的每一頁，區(qū)塊里的一個節(jié)點就是一位記賬人［15］。

1.1.2 基本結(jié)構(gòu)與特點

區(qū)塊鏈可以將數(shù)據(jù)塊組合成鏈結(jié)構(gòu)并對其加密，加強(qiáng)了區(qū)塊鏈的安全性能。區(qū)塊鏈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的最底層是數(shù)據(jù)層［16］，存儲了底層數(shù)據(jù)塊、非對稱加密算法以及一些函數(shù)；第2 層是網(wǎng)絡(luò)層，包括對等（Peer to Peer，P2P）網(wǎng)絡(luò)機(jī)制、數(shù)據(jù)傳播機(jī)制等；第3層是共識層，主要封裝網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的各類共識算法；第4 層是激勵層，主要包括應(yīng)用到各領(lǐng)域激勵的發(fā)行機(jī)制和分配機(jī)制；第5層是合約層，是區(qū)塊鏈可編程的體現(xiàn)，主要包括一些腳本代碼、算法機(jī)制等；最頂層是應(yīng)用層，是區(qū)塊鏈應(yīng)用到各領(lǐng)域的應(yīng)用場景和案例。

區(qū)塊鏈技術(shù)擁有以下幾個特點。

（1）去中心化。去中心化是相對于中心化提出的，兩者的具體區(qū)別如圖1 所示。中心化的缺點是會帶來信任危機(jī)，而區(qū)塊鏈的出現(xiàn)則解決了這個問題，通過分布式核算和存儲，各個節(jié)點實現(xiàn)了信息的自我驗證、傳遞和管理。去中心化是區(qū)塊鏈最突出最本質(zhì)的特征［17］。

（2）開放性。區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)和技術(shù)源等是開放透明的，數(shù)據(jù)的公開性和不可篡改性能夠增強(qiáng)交易雙方甚至多方的信任感，減少由于信息不對稱帶來的損失，促進(jìn)交易市場持續(xù)、健康地發(fā)展。

（3）安全性能高。區(qū)塊鏈所應(yīng)用的非對稱加密技術(shù)大大增加了系統(tǒng)的安全性能，區(qū)塊鏈結(jié)合密碼學(xué)技術(shù)，可以保證交易的可追溯性、不可篡改性、不可否認(rèn)性和不可偽造性，有效提升數(shù)據(jù)的安全性［18］，由于沒有第三方的介入，降低了交易過程中的泄露風(fēng)險。

1.2 能源電力面臨的問題及對區(qū)塊鏈技術(shù)的需求

1.2.1 能源消納

近年來，我國新能源裝機(jī)容量逐年增加，2015年到2019 年我國風(fēng)電裝機(jī)容量增加了44.8%，光伏發(fā)電裝機(jī)容量增加了367.0%，新能源發(fā)展勢頭良好，但需要密切關(guān)注能源之間的消納問題。2018 年10 月國家發(fā)改委、國家能源局發(fā)布《清潔能源消納行動計劃（2018—2020 年）》，提出了最近幾年的棄風(fēng)、棄光比率要求。目前，能源消納仍然存在一些問題:首先，由于風(fēng)和光是特殊的發(fā)電資源，新能源出力存在一定的波動和隨機(jī)性［19-20］，新能源大量并網(wǎng)使得電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到干擾，系統(tǒng)調(diào)峰壓力大，若想實現(xiàn)系統(tǒng)平衡，棄風(fēng)、棄光比例會增大，因此要實現(xiàn)能源之間良好的消納需要有一個穩(wěn)定的能源電力系統(tǒng)；其次，由于風(fēng)、水等資源在我國分布不均勻，各地電力需求也不均勻，由此會產(chǎn)生能源匹配不均的問題，跨省區(qū)輸電壓力大。

區(qū)塊鏈技術(shù)的信息開放透明、去中心化、采用加密技術(shù)等特性，能夠?qū)⒛茉聪到y(tǒng)多方主體連接起來，實現(xiàn)多地信息共享，減輕系統(tǒng)調(diào)度的不穩(wěn)定性，幫助工作人員識別信息，計算各省區(qū)能源承受能力，高效完成新能源并網(wǎng)調(diào)度分配，減少棄風(fēng)、棄光率，有效解決新能源的消納問題。

1.2.2 電網(wǎng)配套服務(wù)

電動汽車具有環(huán)保、性價比高、安全等優(yōu)點，受到市場的青睞，近年來發(fā)展迅猛。隨著電動汽車數(shù)量的增加，電動汽車充電樁數(shù)量不夠的問題也隨之暴露出來，截至2019 年年底，我國純電動汽車保有量為310萬臺，但截至2020年1月，我國已建成的基礎(chǔ)充電樁只有120 萬個，公共充電樁數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電動汽車數(shù)量，并且已有的公共充電樁還有分配不均、部分閑置的問題。若想解決充電樁數(shù)量不夠的問題，一是建設(shè)大量的公共充電樁，二是將私人充電樁商業(yè)化［21］。建設(shè)大量公共充電樁面臨如何合理選址、如何統(tǒng)籌管理各充電點、如何有效利用已有充電樁、大量充電樁接入會給電力系統(tǒng)帶來沖擊等問題；私人充電樁商業(yè)化面臨私人利益與公共利益沖突、主體之間信任等問題。

圖1 區(qū)塊鏈去中心化系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.1 Blockchain system structure

由于區(qū)塊鏈技術(shù)的各項特點，運營商、電動汽車用戶加入?yún)^(qū)塊鏈，能夠掌握同樣有效的信息，通過區(qū)塊鏈來選擇合理區(qū)域建設(shè)電動汽車充電樁，為充電用戶合理分配已有充電樁，緩解電力系統(tǒng)壓力；同時，可以有效提升各主體交易時的信任度，幫助私人充電樁商業(yè)化，平衡各方利益等。電動汽車+區(qū)塊鏈交易形式如圖2所示。

1.2.3 電力市場

圖2 電動汽車+區(qū)塊鏈交易示意Fig.2 Process of electric vehicle+blockchain transaction

自電改以來，我國電力市場涌入大量售電公司，市場主體變得復(fù)雜多樣（如圖3所示），市場的活躍帶來了一些問題:首先，各主體間會產(chǎn)生信任問題，如何在保持市場活躍的情況下，降低各主體間的信任危機(jī)值得關(guān)注；其次是電力市場交易的風(fēng)險防范問題，不管是現(xiàn)貨交易、短期交易還是中長期交易，供需雙方都要承擔(dān)一定的風(fēng)險，如何降低交易風(fēng)險成為電力市場需要解決的問題；最后，交易主體的多樣化、交易量的增加都會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，對信息內(nèi)容的豐富性、發(fā)布的及時性和安全性要求也進(jìn)一步提高。

圖3 我國電力市場主體變化Fig.3 Main players of power market in China

區(qū)塊鏈技術(shù)可實現(xiàn)各方信息的透明共享，市場各主體可以清晰地知道對方的成交量、信用度等信息，區(qū)塊鏈的可追溯性和信息不可篡改特性降低了交易過程中的潛在風(fēng)險，能夠增強(qiáng)參與主體之間的信任；區(qū)塊鏈實現(xiàn)了交易不需要第三方機(jī)構(gòu)的參與，保護(hù)了交易過程中的信息，降低了交易風(fēng)險；區(qū)塊鏈非對稱加密技術(shù)中的私鑰識別大大增加了交易的安全性，就算交易過程中公鑰泄露沒有私鑰也無法解密［22］。非對稱加密技術(shù)如圖4所示。

圖4 非對稱加密技術(shù)Fig.4 Asymmetric cryptography

2 區(qū)塊鏈在能源電力領(lǐng)域的應(yīng)用案例分析

2.1 國外應(yīng)用案例

國外部分能源電力區(qū)塊鏈應(yīng)用案例見表1。

從美國布魯克林微電網(wǎng)項目可以看出，雖然該項目很新穎，利用區(qū)塊鏈技術(shù)提高了效益、效率，交易過程中的安全性能也有所增加，但該項目的用戶只有10 個家庭（如圖5 所示）［23］，要想將該技術(shù)應(yīng)用到更大范圍還需要一段時間。該項目給我國電力交易提供了一個參考形式，可以考慮開展多種交易方式，以節(jié)約交易成本、提高交易效率。Greeneum network 智慧能源投資平臺具體的實現(xiàn)形式如圖6所示，雖然該項目利用人工智能、區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)了綠電認(rèn)證和碳證核發(fā)，但項目中用到了替代貨幣，替代貨幣在交易中是否安全，是否能夠保證交易雙方的利潤都值得進(jìn)一步研究。2020 年，我國廣東珠海有將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到綠證交易中的案例，可以借鑒Greeneum network 智慧能源投資平臺的一些經(jīng)驗來完善自身服務(wù)。德國的電動汽車充電樁項目大大緩解了充電樁數(shù)量不夠的現(xiàn)狀，為解決我國目前電動汽車充電樁供給問題提供了參考。澳大利亞的智能城市項目給我們提供了城市發(fā)展新思路，但可行性還有待查證。

圖5 布魯克林微電網(wǎng)交易Fig.5 Transaction on Brooklyn power grid

表1 區(qū)塊鏈在能源電力領(lǐng)域應(yīng)用的國外案例Tab.1 Foreign cases of blockchain applied in energy and power industry

圖6 Greeneum network智慧能源平臺Fig.6 Greeneum network smart energy platform

2.2 國內(nèi)應(yīng)用案例

國內(nèi)部分能源電力區(qū)塊鏈應(yīng)用案例見表2。

傳統(tǒng)的電力交易多采取雙邊交易或多邊交易形式，效率低、程序復(fù)雜、成本高，青海電網(wǎng)將區(qū)塊鏈與傳統(tǒng)電力交易結(jié)合，提高了交易效率，降低了交易成本；同時，通過區(qū)塊鏈交易平臺提高了綠色電力的交易量，有效解決了能源消納問題。我國第1 個基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電動汽車充電鏈?zhǔn)痉俄椖繛殡妱悠嚺c充電樁比例失調(diào)問題提供了解決方案，可最大限度利用已有的充電樁。廣東深圳的第1張區(qū)塊鏈電子發(fā)票提高了稅務(wù)辦事效率，完善了監(jiān)管流程，降低了稅務(wù)成本，實現(xiàn)了無紙化管理。山東的區(qū)塊鏈分布式能源交易平臺實現(xiàn)了發(fā)電、電網(wǎng)、儲能等多主體之間的購售電交易，降低了交易成本，提高了交易的透明度。

表2 區(qū)塊鏈在能源電力領(lǐng)域應(yīng)用的國內(nèi)案例Tab.2 Domestic cases of blockchain applied in energy and power industry

綜上所述，目前區(qū)塊鏈技術(shù)在國內(nèi)外已經(jīng)用于解決很多能源電力市場交易過程出現(xiàn)的問題中，國外發(fā)達(dá)地區(qū)在電網(wǎng)配套服務(wù)和電力市場交易方面的應(yīng)用研究較國內(nèi)成熟，比國內(nèi)更早將區(qū)塊鏈應(yīng)用到綠色電力認(rèn)證上并提出了智能城市的概念，但國內(nèi)外在區(qū)塊鏈與能源消納的應(yīng)用方面均處于初級階段，還需要各國積極探索研究。

3 區(qū)塊鏈在能源電力領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)

隨著未來能源電力的發(fā)展，區(qū)塊鏈技術(shù)將面臨綜合能源服務(wù)需要包含更多的項目、電力市場的交易方式更加多樣化等變化，如何更好地適應(yīng)這些變化成為今后需要關(guān)注的重點。

3.1 安全隱私問題

首先，區(qū)塊鏈技術(shù)允許區(qū)塊中的節(jié)點加入自定義信息，只要區(qū)塊被確認(rèn)，信息將不可再更改［24］，但如果在自定義信息中有黑客加入破解信息，整個區(qū)塊將面臨巨大風(fēng)險，嚴(yán)重時可能會導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓；其次，隨著我國電力需求的不斷變化，能源系統(tǒng)中的各類主體越來越豐富，電力市場交易方式更加多樣化，區(qū)塊鏈中的節(jié)點數(shù)就會增加，而現(xiàn)有的區(qū)塊鏈場景下整個系統(tǒng)的運行可能會出現(xiàn)不穩(wěn)定等問題，現(xiàn)有的技術(shù)能否支持現(xiàn)實的需要也值得關(guān)注；第三是賬戶隱私問題，雖然區(qū)塊鏈去中心化的特點解決了主體之間的信任問題，但分布式賬本存在各個節(jié)點的隱私信息會被惡意傳播的風(fēng)險。

3.2 政策適應(yīng)性問題

區(qū)塊鏈的優(yōu)勢并不僅僅在于技術(shù)本身，而是通過利用該技術(shù)來體現(xiàn)組織優(yōu)勢，建立多方市場參與者共同維護(hù)的系統(tǒng)。為了更好地推進(jìn)區(qū)塊鏈技術(shù)在能源行業(yè)的應(yīng)用，必須通過制度和政策來進(jìn)行約束。一種新技術(shù)的引入必然會給能源行業(yè)以往的制度和政策帶來顯而易見的影響:一方面，我國對能源電力行業(yè)的監(jiān)管越來越嚴(yán)，區(qū)塊鏈與能源電力的結(jié)合要在政策允許的基礎(chǔ)上進(jìn)行；另一方面，我國頒布了一些關(guān)于區(qū)塊鏈技術(shù)的監(jiān)管政策，對區(qū)塊鏈的監(jiān)管更加成熟，因而不得不考慮該技術(shù)相關(guān)政策和能源發(fā)展相關(guān)政策間的匹配和適應(yīng)問題。

3.3 效率問題

效率問題也可以說是技術(shù)層面的問題。2012年區(qū)塊鏈支撐的比特幣交易中，每天最高交易量為62 000個［25］，對于龐大的電力市場來說效率很低；同時，同步信息的效率也有待提升，各主體的網(wǎng)絡(luò)情況不同，信息的接收時間會有一定誤差，導(dǎo)致交易效率下降。在能源區(qū)塊鏈的應(yīng)用過程中，市場主體豐富多樣，日交易量龐大，因此對區(qū)塊鏈能源系統(tǒng)的響應(yīng)時間有很高的要求。此外，能源電力市場有許多不確定性因素，區(qū)塊鏈技術(shù)能否迅速識別市場變化，幫助工作人員及時做出正確調(diào)整是關(guān)乎市場穩(wěn)定的關(guān)鍵因素之一。

4 區(qū)塊鏈在能源電力領(lǐng)域的應(yīng)用展望

近年來，我國加強(qiáng)了區(qū)塊鏈在各行業(yè)的融合發(fā)展。2019年國家電網(wǎng)有限公司在北京召開了第1屆能源區(qū)塊鏈生態(tài)大會，公布了新能源云、電力交易、數(shù)據(jù)共享等國家電網(wǎng)區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用10大場景，南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司也在積極推進(jìn)區(qū)塊鏈與現(xiàn)有業(yè)務(wù)的融合。

（1）除了區(qū)塊鏈本身的加密，還可以從2個方面來提高安全隱私:在進(jìn)行交易審核時提高加入?yún)^(qū)塊鏈能源交易平臺的標(biāo)準(zhǔn)；選擇標(biāo)準(zhǔn)高的硬件設(shè)施，同時進(jìn)行軟件上的優(yōu)化，疊加加密技術(shù)，大力提升非對稱加密技術(shù)里公鑰私鑰的安全性能。

（2）未來的區(qū)塊鏈能源電力發(fā)展需要尋找既適合能源電力市場又能緊跟政策要求的發(fā)展方案，國家相關(guān)部門應(yīng)該完善現(xiàn)有的政策及監(jiān)管制度，最大限度支持區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展。

（3）未來技術(shù)人員應(yīng)該關(guān)注減少區(qū)塊生成和交易確認(rèn)時間等問題，專注核心技術(shù)的發(fā)展，同時推進(jìn)5G 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，避免外部因素影響區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用。在改善區(qū)塊鏈技術(shù)的同時大力推進(jìn)能源電力領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，為二者的結(jié)合提供更多可能。

5 結(jié)束語

能源電力的發(fā)展不斷提出新要求、新理念，而區(qū)塊鏈能夠?qū)δ茉措娏Φ陌l(fā)展提供技術(shù)支撐，推動能源電力的發(fā)展。雖然區(qū)塊鏈技術(shù)已經(jīng)開始逐步應(yīng)用到能源電力領(lǐng)域，但在安全、效率上仍然有一定的風(fēng)險，因此，需要對目前市場存在的問題以及解決方案進(jìn)行分析，從而為未來能源電力區(qū)塊鏈的發(fā)展提供支撐，希望本文的相關(guān)分析能夠?qū)δ茉措娏^(qū)塊鏈的應(yīng)用起一定的推動作用。