沈翔宇，陳思捷，嚴 正，平 健，羅博航

（電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室（上海交通大學）,上海市200240）

0 引言

2019年10月24日,中共中央政治局開展了主題為“把區(qū)塊鏈作為核心技術自主創(chuàng)新重要突破口,加快推動區(qū)塊鏈技術和產業(yè)創(chuàng)新發(fā)展”的第十八次集體學習。會議強調,要發(fā)揮區(qū)塊鏈在促進數(shù)據(jù)共享、優(yōu)化業(yè)務流程、降低運營成本、提升協(xié)同效率和建設可信體系這5個方面的價值［1］。在能源領域跨區(qū)互聯(lián)、多能互補和數(shù)據(jù)互通的行業(yè)發(fā)展趨勢下,區(qū)塊鏈的上述價值也有望在能源系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。

目前已經(jīng)有學者闡述了區(qū)塊鏈在能源領域的價值和應用。文獻［2］結合國內外區(qū)塊鏈和能源系統(tǒng)的研究熱點,建立了區(qū)塊鏈在中國能源領域可能的應用路徑；文獻［3］從功能、對象和屬性維度說明了區(qū)塊鏈在能源領域的具體應用方式；文獻［4］研究了區(qū)塊鏈技術與能源互聯(lián)網(wǎng)在物理、信息和價值維度的耦合性；文獻［5］介紹了國內外部分典型的能源區(qū)塊鏈應用,總結了應用實踐經(jīng)驗；文獻［6］詳細描述了區(qū)塊鏈技術在分布式能源交易、阻塞管理與輔助服務、需求響應服務、碳排放權認證與綠色證書交易、數(shù)據(jù)管理與信息安全以及能源數(shù)字代幣的發(fā)布與投資這6類應用場景下的典型項目；文獻［7］研究了區(qū)塊鏈與能源互聯(lián)網(wǎng)的兼容性,提出了以能源區(qū)塊鏈為支撐的能源互聯(lián)網(wǎng)基本框架；文獻［8］提出了基于區(qū)塊鏈的能源互聯(lián)網(wǎng)層次架構模型；文獻［9］提出了區(qū)塊鏈技術在電力設備泛在物聯(lián)網(wǎng)的架構設計,并重點闡述了關鍵技術。綜上,目前能源區(qū)塊鏈綜述文章主要集中于分析區(qū)塊鏈技術在能源領域不同維度的應用前景和應用方案,總結不同應用場景下的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)。

本文首先介紹區(qū)塊鏈核心價值及其技術保障,并舉例論證能源領域對區(qū)塊鏈價值的需求。以此為基礎,按開放程度將區(qū)塊鏈分為3類,并分析各類區(qū)塊鏈在能源領域的適用性。接著,探討區(qū)塊鏈技術在能源市場交易、系統(tǒng)運營管理、能源計量認證和電力數(shù)據(jù)流轉這4個典型場景的應用。然后,介紹當前具備能源區(qū)塊鏈開發(fā)潛力的主流平臺,并從技術架構層面對比其優(yōu)劣勢。最后,從應用價值、政策支持和技術架構等方面提出能源區(qū)塊鏈的發(fā)展建議。本文與現(xiàn)有能源區(qū)塊鏈綜述文章相比,補充了最新的能源區(qū)塊鏈應用；通過具體實例展示了區(qū)塊鏈技術在能源領域的價值；說明了不同類型區(qū)塊鏈在能源領域的適用性；探討了適用于不同場景的區(qū)塊鏈開發(fā)平臺。

1 區(qū)塊鏈在能源領域的價值與其技術支撐

1.1 區(qū)塊鏈技術的價值

區(qū)塊鏈具有去中心化、透明、系統(tǒng)自治性和可追溯性等特征［10-11］。因此,它具備數(shù)據(jù)共享、社區(qū)共治、記錄溯源和信息安全這4個主要價值。

1）數(shù)據(jù)共享是指在分布式網(wǎng)絡里,每個節(jié)點都存儲著所有運行數(shù)據(jù)記錄的拷貝。區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)信息在各主體間共享,各主體可以共同進行信息認證；不同的應用也可以在同一個區(qū)塊鏈平臺上運行,從而打破傳統(tǒng)意義上不同主體、不同應用之間的信息壁壘。

2）社區(qū)共治是指在區(qū)塊鏈平臺上,沒有任何節(jié)點可以對整個社區(qū)具有絕對的治理權、運行權和話語權,負責記賬的節(jié)點仍需要受到其他節(jié)點的認可。這使得多邊主導的格局成為可能,并能夠實現(xiàn)主體之間的相互監(jiān)督與權力制衡。

3）記錄溯源是指區(qū)塊鏈中的每個區(qū)塊都與上一個區(qū)塊相聯(lián)系,直至創(chuàng)世區(qū)塊。區(qū)塊鏈的可追溯性實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速檢索和錯誤的快速定位,方便數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與清算。

4）信息安全是指在分布式賬本中,攻擊者除非篡改多數(shù)節(jié)點的數(shù)據(jù)記錄才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)攻擊。分布式賬本的記錄防篡改特性既避免了中心機構作惡對用戶不利,也減少了賬本遭受外部攻擊造成損失的可能性。

1.2 區(qū)塊鏈價值的技術支撐

區(qū)塊鏈的技術架構一般包括5層級:數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡層、共識層、激勵層和應用層［12］。每個層級背后都存在計算機技術的支撐,具體如圖1所示。

圖1 區(qū)塊鏈各層級功能及對應的技術支撐Fig.1 Functions and corresponding technical support at each level of blockchain

數(shù)據(jù)層定義數(shù)據(jù)內容結構；網(wǎng)絡層規(guī)定網(wǎng)絡通信協(xié)議；共識層規(guī)定采用的共識算法；激勵層規(guī)定加密貨幣的發(fā)行和分配機制,若不需要加密貨幣進行經(jīng)濟激勵,則不設置激勵層；應用層方便開發(fā)者編寫智能合約和開發(fā)應用。

數(shù)據(jù)共享由網(wǎng)絡層的去中心網(wǎng)絡結構和數(shù)據(jù)層形成的分布式賬本等保障。區(qū)塊鏈的去中心網(wǎng)絡中不存在中心服務器,每個節(jié)點的地位相同；網(wǎng)絡中每個節(jié)點都存儲著相同的分布式賬本,并有權力讀取賬本中的數(shù)據(jù)。

社區(qū)共治由共識層的共識算法和激勵層的發(fā)行、分配機制等保障。其中,共識算法保證在無絕對領導節(jié)點的情況下,去中心網(wǎng)絡內所有節(jié)點對網(wǎng)絡的管理都有一定的參與度與話語權。根據(jù)選擇記賬節(jié)點的不同方式,可以將共識算法分為不同種類。目前,能源區(qū)塊鏈項目采用的主流共識算法包括工作量證明（proof of work,POW）、權益證明（proof of stake,POS）和實用拜占庭容錯（practical Byzantine fault tolerance,PBFT）等［13］。其中,采用POW共識算法的能源區(qū)塊鏈項目比例約為55%,采用POS共識算法的比例約為18%,采用PBFT共識算法的比例約為15%,而采用其他共識算法的項目比例均不足10%［14］。因此,本文重點介紹以上3種共識算法。

1）POW共識算法。POW共識算法起源于比特幣,采用競爭記賬的方式解決去中心化網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)據(jù)的一致性問題。每個節(jié)點求解同一個難以計算卻容易驗證的數(shù)學問題,依靠計算能力競爭記賬權。最快完成求解的節(jié)點將獲得記賬權,其余節(jié)點負責驗證計算結果的正確性。

2）POS共識算法。POS共識算法與POW共識算法不同,POW共識算法表現(xiàn)為計算能力的競爭,而POS共識算法表現(xiàn)為持幣權益的競爭。在POS共識算法下,求解計算問題的難度與持幣權益的大小成反比。一個節(jié)點持有幣的數(shù)量越多、持有幣的時間越長,越有可能率先求解出計算問題,獲得記賬權力。

3）PBFT共識算法。PBFT共識算法按照一定規(guī)則隨機選取1個節(jié)點為主節(jié)點,其余節(jié)點作為從節(jié)點。主節(jié)點負責計算結果,從節(jié)點負責認證結果。只有主節(jié)點的計算結果獲得至少2/3數(shù)量節(jié)點的認證,該計算結果才能被寫入?yún)^(qū)塊鏈。

這3種常見的共識算法各有優(yōu)劣。POW共識算法在實踐中的可靠性雖然已經(jīng)過比特幣的長時間檢驗,但要求所有節(jié)點都參與相同的運算能力競爭,卻只有1個節(jié)點最終獲得了記賬權,造成運算能力的大量浪費。POS共識算法使持幣權益高的節(jié)點在運算能力競爭中占有優(yōu)勢,一定程度上解決了運算能力浪費的問題,但在POS共識算法下,權益越高的節(jié)點擁有越高的話語權,導致節(jié)點之間的平等性存在失衡隱患,有可能出現(xiàn)記賬權被支配的情況。PBFT共識算法不需要進行記賬權的競爭,因此,可以脫離加密貨幣而存在,能夠提高達成共識的效率,滿足高頻交易量的要求,但PBFT共識算法只有1/3數(shù)量節(jié)點的容錯率,容錯性相對較低,且每個節(jié)點需要與其他節(jié)點達成點對點共識,隨著節(jié)點數(shù)增多,系統(tǒng)性能快速下降,因此可擴展性低。

記錄溯源由數(shù)據(jù)層的鏈式結構和默克爾樹結構等保障。記錄被打包成區(qū)塊,區(qū)塊之間用哈希指針連接起來,形成區(qū)塊鏈。每個區(qū)塊中都包含前一個區(qū)塊的哈希指針,通過哈希指針不斷搜尋前一個區(qū)塊,達到記錄溯源的效果。

信息安全即記錄的防篡改特性,由數(shù)據(jù)層的鏈式結構、默克爾樹結構和加密技術等保障。區(qū)塊記錄的交易數(shù)據(jù)儲存在區(qū)塊體中的葉節(jié)點。除葉節(jié)點外,區(qū)塊體內每個節(jié)點記錄其2個子節(jié)點的哈希值。任何數(shù)據(jù)被篡改都將改變區(qū)塊體中包括根節(jié)點在內的全部哈希值［15］。這種結構使記錄篡改極易被察覺。

1.3 能源領域中的應用價值舉例

能源系統(tǒng)的一大趨勢是多能協(xié)同,但電能、熱能和天然氣等能源系統(tǒng)隸屬于不同的主管部門,目前難以通過統(tǒng)一上層管理機構的方式解決各能源系統(tǒng)的協(xié)同合作問題。區(qū)塊鏈為這個問題提供了解決方案。PBFT共識算法應用廣泛,且適用于少量節(jié)點參與的場景。下面以綜合能源系統(tǒng)交易為背景,舉例介紹一種采用PBFT共識算法的區(qū)塊鏈交易方案,并分析該場景下區(qū)塊鏈的應用價值。該案例中的能源系統(tǒng)包含6個微電網(wǎng),各個微電網(wǎng)之間通過區(qū)塊鏈進行電能和天然氣的交易。一次交易的流程如下。

步驟1:隨機選取某個微電網(wǎng)作為當前交易階段的主節(jié)點。

步驟2:各個微電網(wǎng)向主節(jié)點分別提交電能和天然氣的買賣數(shù)量及報價。

步驟3:主節(jié)點根據(jù)事先設定的智能合約執(zhí)行出清。

步驟4:主節(jié)點向各個微電網(wǎng)廣播區(qū)塊,區(qū)塊中包含該交易階段的全部電能和天然氣的買賣報價、交易雙方信息、成交數(shù)量和最終成交價格等。

步驟5:除主節(jié)點以外的各個微電網(wǎng)按照事先設定的智能合約驗證交易結果,如果判定驗證正確,則向其余全部節(jié)點廣播認證消息。

步驟6:當收到不少于4個微電網(wǎng)的認證消息時,該區(qū)塊加入?yún)^(qū)塊鏈,所有微電網(wǎng)信任此區(qū)塊包含的交易結果。

至此,一次交易完成,可重新進入下一次交易。

為驗證區(qū)塊鏈技術的有效性,本文在雙向拍賣和端對端（peer-to-peer,P2P）交易這2種交易機制下,分別舉例說明該方案如何防止離線節(jié)點和惡意節(jié)點情況。

1）雙向拍賣下存在離線節(jié)點的情況

雙向拍賣同時匹配多個買方和多個買方［16］。假設雙向拍賣交易中,各個微電網(wǎng)的報價及交易情況如圖2所示。在電能雙向拍賣交易中,微電網(wǎng)1至微電網(wǎng)3為賣方,微電網(wǎng)4至微電網(wǎng)6為買方,電網(wǎng)公司為兜底方；在天然氣雙向拍賣交易中,微電網(wǎng)1和微電網(wǎng)2為賣方,微電網(wǎng)4和微電網(wǎng)6為買方,天然氣公司為兜底方。假設微電網(wǎng)1為主節(jié)點,向其余節(jié)點廣播雙向拍賣交易結果。

圖2 雙向拍賣報價及交易結果Fig.2 Quotations and transaction results in double auction

在相互認證過程中,假設微電網(wǎng)6離線沒有參與該次交易階段的認證過程,信息傳播模式如圖3所示。

圖3 微電網(wǎng)6離線時基于區(qū)塊鏈的能源交易中的信息傳播模式Fig.3 Information dissemination mode in blockchainbased energy trading when microgrid 6 is offline

由圖3可知,此次交易流程包括:①微電網(wǎng)2至微電網(wǎng)6向微電網(wǎng)1提交報價信息；②微電網(wǎng)1執(zhí)行出清后向微電網(wǎng)2至微電網(wǎng)6廣播交易結果；③為驗證交易結果正確性,微電網(wǎng)2至微電網(wǎng)5向自身外所有微電網(wǎng)發(fā)送準備信息,微電網(wǎng)6由于離線無法發(fā)送準備信息；④所有微電網(wǎng)收到不少于4條正確的準備信息,驗證正確；⑤微電網(wǎng)2至微電網(wǎng)5向除自身外所有微電網(wǎng)發(fā)送提交信息,微電網(wǎng)6由于離線無法發(fā)送提交信息；⑥所有微電網(wǎng)收到不少于4條正確的提交信息,驗證正確,至此,所有微電網(wǎng)達成共識。因此,單個離線節(jié)點并不影響其余正常節(jié)點交易。

2）P2P交易下存在惡意節(jié)點的情況

P2P交易1次只匹配1個買方和1個賣方,買方和賣方可自行呈報交易信息［16］。假設在P2P交易中,各微電網(wǎng)的已知報價情況如圖4所示。在天然氣市場中,微電網(wǎng)6以市價出售天然氣。在電能市場中,微電網(wǎng)1以市價出售電能,而微電網(wǎng)3和微電網(wǎng)5掛單交易。

圖4 P2P交易中的已知報價Fig.4 Known quotations in P2P transaction

假設微電網(wǎng)1為主節(jié)點,向其余節(jié)點廣播P2P交易結果。其廣播的交易結果為:在天然氣市場中,天然氣公司與微電網(wǎng)6成交了一定數(shù)量的天然氣；在電能市場中,微電網(wǎng)1與微電網(wǎng)5成交了一定數(shù)量的電能,微電網(wǎng)1與電網(wǎng)公司成交了一定數(shù)量的電能。

正常運行情況下,通過節(jié)點交叉認證,包含該交易結果的區(qū)塊被寫入?yún)^(qū)塊鏈。

假設微電網(wǎng)6為惡意微電網(wǎng),意圖以惡意篡改交易結果認證的方式阻止微電網(wǎng)1與微電網(wǎng)5交易而獲利,其篡改的交易結果為:在天然氣市場中,天然氣公司與微電網(wǎng)6成交了一定數(shù)量的天然氣；在電能市場中,微電網(wǎng)1僅與電網(wǎng)公司成交了一定數(shù)量的電能,而未與微電網(wǎng)5成交。

在該情況下,信息傳播模式如圖5所示。由圖5可知,此次交易流程包括:①微電網(wǎng)2至微電網(wǎng)6向微電網(wǎng)1提交報價信息；②微電網(wǎng)1執(zhí)行出清后向微電網(wǎng)2至微電網(wǎng)6廣播交易結果；③為驗證交易結果正確性,微電網(wǎng)2至微電網(wǎng)5向除自身外所有微電網(wǎng)發(fā)送正確的準備信息,而微電網(wǎng)6向除自身外所有微電網(wǎng)發(fā)送錯誤的準備信息；④所有微電網(wǎng)收到不少于4條正確的準備信息,驗證正確；⑤微電網(wǎng)2至微電網(wǎng)5向除自身外所有微電網(wǎng)發(fā)送正確的提交信息,而微電網(wǎng)6向除自身外所有微電網(wǎng)發(fā)送錯誤的提交信息；⑥所有微電網(wǎng)收到不少于4條正確的提交信息,驗證正確,至此,所有微電網(wǎng)達成共識。因此,單個惡意節(jié)點并不能改變交易結果。

綜上,區(qū)塊鏈可以促成多主體和多部門的共治,同時,當某一主體離線或者作惡時不會影響到交易的有序進行。

圖5 微電網(wǎng)6為惡意微電網(wǎng)時基于區(qū)塊鏈的能源交易中的信息傳播模式Fig.5 Information dissemination mode in blockchainbased energy trading when microgrid 6 is malicious

2 區(qū)塊鏈技術在能源領域的適用性分析

2.1 區(qū)塊鏈分類

按照開放程度,區(qū)塊鏈可以劃分為公有鏈、聯(lián)盟鏈和私有鏈［17］。這3類區(qū)塊鏈在參與者、記賬者和共識算法方面都具有明顯的差異。

1）公有鏈。公有鏈是開放程度最高的一類區(qū)塊鏈,任何節(jié)點都可以加入公有鏈,記錄、認證和讀取區(qū)塊鏈上的交易數(shù)據(jù)。公有鏈的記賬者一般由該區(qū)塊鏈社區(qū)中的任一節(jié)點擔任。為確定記賬的節(jié)點,公有鏈通常采用POW和POS等需要競爭記賬權力的共識算法。常見的區(qū)塊鏈項目如比特幣、以太坊和企業(yè)運營體系（enterprise operation system,EOS）等均為公有鏈。

2）聯(lián)盟鏈。聯(lián)盟鏈建立多主體之間的共識協(xié)作關系,與公有鏈相比,開放程度明顯減弱。只有已經(jīng)加入聯(lián)盟鏈的節(jié)點有權利記錄、認證和讀取區(qū)塊鏈上的交易數(shù)據(jù)。新節(jié)點加入該類區(qū)塊鏈通常需要現(xiàn)有聯(lián)盟鏈節(jié)點的一致同意。因為聯(lián)盟鏈的節(jié)點數(shù)一般較少,不需要采用運算能力競爭的方式競爭記賬權,通常采用PBFT等追求交易效率的共識算法。目前比較知名的區(qū)塊鏈項目超級賬本（Hyperledger）,是適用于企業(yè)環(huán)境下的聯(lián)盟鏈開發(fā)平臺［18］。

3）私有鏈。私有鏈是一種不對外公開的區(qū)塊鏈,開放程度最低,一般作為中心機構管理的工具,外部節(jié)點無法加入私有鏈或查看私有鏈的數(shù)據(jù)。私有鏈的記賬者是中心機構。通過中心機構保證數(shù)據(jù)的安全可靠,因此不需要共識算法來進行記賬者的輪換。螞蟻金服在支付寶內部搭建的愛心捐贈平臺,屬于私有鏈類型［19］。

從“不可能三角”的角度評判3種區(qū)塊鏈的優(yōu)劣勢。區(qū)塊鏈中“不可能三角”是指,同一個區(qū)塊鏈無法同時追求高性能、安全性和去中心化［20］。高性能指的是區(qū)塊鏈的運行效率；安全性由獲得區(qū)塊鏈控制權所需付出的代價衡量；去中心化由接入?yún)^(qū)塊鏈的節(jié)點數(shù)量衡量。公有鏈允許任何節(jié)點加入并參與區(qū)塊的生成、驗證,是一種去中心化程度和安全性都很高的區(qū)塊鏈,但運行效率很低。聯(lián)盟鏈里,預設的節(jié)點不需要通過運算能力競爭獲取記賬權,提高了區(qū)塊鏈的運行效率,但相對于公有鏈而言,聯(lián)盟鏈只允許預設的節(jié)點記賬,使通過對較少節(jié)點數(shù)據(jù)攻擊就可以改變交易結果,一定程度上舍棄了去中心化和安全性。私有鏈已經(jīng)成為中心化的技術,不必達成記賬共識,因此效率最高,但去中心化程度和安全性最低。

不同類型的區(qū)塊鏈在“不可能三角”中的側重點不同,因此需要結合應用場景的特點選擇合適的區(qū)塊鏈類型。

2.2 不同類型的區(qū)塊鏈在能源領域的適用性

在能源領域的不同場景中,應選擇合適類型的區(qū)塊鏈,以揚長避短。

公有鏈適用于有大量主體參與且不需要進入許可的場景。以能源交易為例,分布式能源交易可以使用公有鏈。分布式能源主體數(shù)量龐大,且產生能量無法定時定量,隨時保持與其他節(jié)點的交互會浪費通信和計算資源。在需要售出能源時加入公有鏈,沒有多余能源時退出公有鏈,能夠提高區(qū)塊鏈的效率。

聯(lián)盟鏈適用于少量機構參與且需要保證運行效率的場景。以能源交易為例,園區(qū)、代理商和微電網(wǎng)等大機構之間的交易可以使用聯(lián)盟鏈。這樣既能滿足低時延的交易,提高各主體之間的相互信任,也能夠在自治環(huán)境下實現(xiàn)透明、公正的能源交易。

私有鏈已經(jīng)成為趨于中心化的技術,適用于企業(yè)內部的組織與數(shù)據(jù)共享,同時保證數(shù)據(jù)不可篡改。以能源交易為例,交易中心內部組織數(shù)據(jù)管理與審計可以使用私有鏈。例如:在國家電網(wǎng)有限公司內建立私有鏈實現(xiàn)跨省、跨區(qū)域的數(shù)據(jù)共享,可以在保證數(shù)據(jù)不可篡改的前提下,提高電力數(shù)據(jù)的利用率,增加數(shù)據(jù)價值。

3 能源區(qū)塊鏈的需求場景與應用現(xiàn)狀

區(qū)塊鏈技術具有數(shù)據(jù)共享、社區(qū)共治、記錄溯源和信息安全等價值,能夠有針對性地解決能源領域不同場景的痛點。區(qū)塊鏈技術在能源領域的應用場景包括能源市場交易、系統(tǒng)運營管理、能源計量認證和電力數(shù)據(jù)流轉等。

3.1 能源市場交易

能源市場正在由單一能源品種交易、電網(wǎng)主導逐漸向多品種交易、多主體參與的方向轉變。區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)共享與社區(qū)共治等價值十分契合能源市場的發(fā)展趨勢。基于區(qū)塊鏈的交易系統(tǒng)將有助于打破能源市場內各個主體之間的信息壁壘,提高能源交易市場的透明度,且能夠賦予各個主體平等的話語權,提升各方參與的積極性。

在分布式能源交易場景中,分布式能源具有數(shù)量多、分布散等特點,給統(tǒng)一管理帶來一定難度?；趨^(qū)塊鏈的分布式能源交易技術能夠在用戶與分布式能源之間建立信息平臺,解決發(fā)、用電雙方信息不對等的問題,幫助用戶獲取分布式能源的實時信息,有利于打造公開透明的分布式能源交易市場。

在綜合能源系統(tǒng)交易場景中,不同能源系統(tǒng)的物理結構、交易模式和管理機構不盡相同,難以通過統(tǒng)一的中心機構運營管理,需要高效、透明的協(xié)同技術。區(qū)塊鏈技術能夠幫助各個能源系統(tǒng)建立互信,實現(xiàn)共治,提高能源利用率,增加整體經(jīng)濟效益。

在某些跨國跨區(qū)域電力交易場景中,各交易方之間信息不對稱,缺乏互信基礎,不存在更高一級的權威機構組織和管理交易。區(qū)塊鏈技術有助于形成各交易方的相互制衡,實現(xiàn)各方對跨國跨區(qū)域電力交易市場的共同監(jiān)督和管理,從而打造公平公正的交易環(huán)境。

基于區(qū)塊鏈的能源市場交易方案已有較多研究成果。文獻［21］分析了點對點交易、集合競價和連續(xù)雙邊拍賣等3種機制下區(qū)塊鏈技術與分布式交易的契合度；文獻［22］提出了基于區(qū)塊鏈分布式能源交易的系統(tǒng)架構和交易流程；文獻［23］設計了一種基于區(qū)塊鏈的分布式能源交易方案；文獻［24］構建了基于區(qū)塊鏈的區(qū)域能源交易模型；文獻［25］構建了基于區(qū)塊鏈的綜合能源服務網(wǎng)絡架構與綜合能源服務鏈上交易模型；文獻［26］提出了基于區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)電力交易模式,實現(xiàn)微電網(wǎng)內分布式能源與用戶直接交易；文獻［27］提出了基于區(qū)塊鏈激勵的光伏交易方案；文獻［28］設計了配電網(wǎng)電能多邊交易的智能合約；文獻［29］提出了基于區(qū)塊鏈的分布式能源交易信用管理方法；文獻［30］構造了基于跨鏈技術的多能互補安全交易方法；文獻［31］提出了基于PBFT共識算法的多能源交互主體共識方法；文獻［32］設計了滿足能源區(qū)塊鏈點對點交易的多鏈結構模型。以上文獻從應用契合度、交易方案設計和底層技術改進等方面由淺入深地探討了基于區(qū)塊鏈的能源市場交易方案與技術。

國內外已有若干基于區(qū)塊鏈的能源市場交易試點應用。2018年,荷蘭利用區(qū)塊鏈推動分布式能源就近消納的試點項目［33］。該項目使家庭光伏系統(tǒng)優(yōu)先滿足附近電動汽車的充電需求,再將剩余電能輸入電網(wǎng)。歐洲正在開展2項不同的區(qū)塊鏈試驗［34］,計劃使用區(qū)塊鏈技術處理數(shù)量繁多的分布式能源交易?；趨^(qū)塊鏈的點對點光伏能源交易平臺,已經(jīng)允許世界各地的用戶購買太陽能,然后把這些能源出售給其他用戶［35］。中國開展的基于區(qū)塊鏈的微電網(wǎng)分布式能源智能交易平臺［36］承擔了分布式能源市場約80%的交易量,有效降低了交易中的時間、人力和溝通成本?；趨^(qū)塊鏈技術的自主能源生態(tài)系統(tǒng)［37］激勵家庭光伏系統(tǒng)生產的能源首先供自身消耗,然后向鄰居出售或在微電網(wǎng)中儲存,高效整合微電網(wǎng)中的可再生能源。以上項目已經(jīng)基本驗證區(qū)塊鏈能夠降低參與能源市場交易的門檻,提升能源利用效率。然而,基于區(qū)塊鏈技術的能源市場交易與現(xiàn)有能源市場和管理模式之間的兼容性和銜接方式是需要解決的一個問題。

3.2 系統(tǒng)運營管理

能源電力系統(tǒng)里的很多業(yè)務傳統(tǒng)上由中心機構運營管理,利益相關方對運營管理的方式、細節(jié)等往往不具備知情權和話語權,容易引發(fā)不信任。區(qū)塊鏈的社區(qū)共治與信息安全等價值能有效解決該場景痛點。利用由運營方和利益相關方等多方共同組成的區(qū)塊鏈來運行管理相關業(yè)務,將賦予利益相關方知情權和監(jiān)督權,便于其參與運營流程、查詢運營結果,同時,提升運營方公信力,助力開拓增量市場,擴大市場份額。

在電動汽車充電管理場景中,充電樁運營方、電動汽車租賃方和用戶等主體間信息不對稱,需要建立可信、透明的信息平臺。區(qū)塊鏈技術將幫助用戶獲取電動汽車與充電樁的實時信息,打破信息壁壘,增加電動汽車與充電樁的使用率。

在虛擬電廠和需求側響應場景中,管理運營方的數(shù)據(jù)庫存在遭受數(shù)據(jù)攻擊的風險,且運營過程、結果對用戶不透明,增加了吸引用戶和開拓增量市場的難度?；趨^(qū)塊鏈的虛擬電廠或需求側響應項目能夠保證運營方的數(shù)據(jù)安全和機制透明,并快速建立潛在用戶對運營方的信任,增強虛擬電廠和需求側響應運營方的市場競爭力。

基于區(qū)塊鏈技術的系統(tǒng)運營管理方法已經(jīng)有了不少研究。在電力輔助服務領域,文獻［38］提出了應用區(qū)塊鏈技術使輔助服務從集中式管理向分布式智能管理轉變的方案。在電動汽車充電管理領域,文獻［16］設計了基于以太坊區(qū)塊鏈的充電站充電權分配平臺；文獻［39］搭建了基于區(qū)塊鏈、閃電網(wǎng)絡和智能合約的充電樁共享平臺；文獻［40］設計了分層電動汽車充電協(xié)調模型和算法；文獻［41-42］提出了基于聯(lián)盟鏈的充電樁共享方案。在虛擬電廠管理領域,文獻［43］提出了基于區(qū)塊鏈的虛擬電廠運行與調度模型。在自動需求側響應領域,文獻［44］構建了基于區(qū)塊鏈的綜合需求響應資源交易整體框架；文獻［45］探討了基于區(qū)塊鏈的自動需求側響應系統(tǒng)應用方案；文獻［46］建立了儲能系統(tǒng)自動需求側響應的智能合約；文獻［47］提出了基于區(qū)塊鏈的空調負荷需求響應方法；文獻［48］提出了適用于電力系統(tǒng)復雜優(yōu)化場景的區(qū)塊鏈底層技術。

國內外已經(jīng)有若干基于區(qū)塊鏈的系統(tǒng)運營管理試點應用。電動汽車分布式平臺［49］上的電動汽車應用（electric vehicle application,EVA）通證可以幫助車主進行共享充電樁以及無人駕駛電動汽車充電的結算。日本的“移動開放區(qū)塊鏈計劃”［50］將通過區(qū)塊鏈促進電動汽車和智能電網(wǎng)協(xié)同合作,激勵電動汽車在用電低谷期充電,在用電高峰期使用電池反哺電網(wǎng)。在上海嘉定試點的基于區(qū)塊鏈的電動汽車充電鏈示范項目［51］旨在實現(xiàn)區(qū)域內充電樁跨平臺的共建共享。由區(qū)塊鏈管理的光伏電站虛擬電廠［52］用于解決日本甚至全球現(xiàn)有的光伏能源傳輸和銷售效率問題。另外,美國正在研究應用區(qū)塊鏈建立整合分布式能源的虛擬電廠［53］。以上項目已經(jīng)基本驗證區(qū)塊鏈在系統(tǒng)管理運營場景中能夠保護各方權利,同時提升系統(tǒng)運營方的公信力。目前,一個區(qū)塊鏈平臺通常僅實現(xiàn)一種業(yè)務,如何實現(xiàn)不同平臺的跨鏈運行與數(shù)據(jù)可信互通也許是各系統(tǒng)運營方今后需要考慮的問題。

3.3 能源計量認證

在能源的計量與認證過程中,傳統(tǒng)模式下計量、認證機構與交易管理機構間存在信息壁壘與數(shù)據(jù)篡改風險,給數(shù)據(jù)同步帶來一定難度。區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)共享、信息安全等價值能有效解決該場景痛點。區(qū)塊鏈將實現(xiàn)各方機構的信息共享,同時,保證各方計量數(shù)據(jù)的真實有效與同步一致,簡化認證和審計流程。

在碳排放量的認證與交易場景中,碳排放認證與交易分離,多部門標準尚未統(tǒng)一。由中國國家發(fā)展和改革委員會與碳交易中心等部門共同建立并維護區(qū)塊鏈,能夠統(tǒng)一碳排放量認證與交易的流程,做到一次認證,自由交易。

在用電量計量場景中,計量數(shù)據(jù)在用戶、電力零售商和國家電網(wǎng)有限公司等多主體間需要保持一致。智能電表將采集的用戶發(fā)電、用電和交易電量等數(shù)據(jù)上傳至區(qū)塊鏈,可以確保計量數(shù)據(jù)存證的真實有效以及各方數(shù)據(jù)一致性。

學術界對基于區(qū)塊鏈的能源計量方案已經(jīng)有了初步研究。文獻［54］建立了碳排放區(qū)塊鏈網(wǎng)絡,實現(xiàn)碳排放權的自動計量；文獻［55］建立了基于區(qū)塊鏈技術的碳排放權與發(fā)電權聯(lián)合交易平臺。

國內外已有若干基于區(qū)塊鏈的能源計量認證試點應用。加拿大的氣候區(qū)塊鏈協(xié)會響應“巴黎協(xié)定”,正打造連接加拿大碳賬戶的區(qū)塊鏈平臺［56］,該平臺用戶使用專門的代幣UTF認證與交易碳積分,使碳積分具備市場流動性。英國開發(fā)的Stellar區(qū)塊鏈［57］降低了用戶進入碳積分市場的門檻,同時還建立了基于區(qū)塊鏈的天然氣和電力計量系統(tǒng)［58］,并已經(jīng)在60個能源供應商、5 300萬計數(shù)節(jié)點的模型中驗證了該系統(tǒng)的可行性。新加坡推出了基于區(qū)塊鏈的碳交易所［59］,使企業(yè)和航空公司能夠買賣國際民航組織批準的碳排放信用額代幣。中國已經(jīng)完成了區(qū)塊鏈智能電表的驗證測試［60］。以上項目已經(jīng)基本驗證區(qū)塊鏈能夠同步各方機構的用戶能源數(shù)據(jù)并確保數(shù)據(jù)真實性。然而,能源計量與認證過程常常包含大量用戶隱私數(shù)據(jù),如何在不影響用戶體驗前提下保護用戶數(shù)據(jù)隱私、維護用戶私人密鑰是大規(guī)模推廣前需要解決的問題。

3.4 電力數(shù)據(jù)流轉

某些電力數(shù)據(jù)的流轉過程具有地區(qū)跨度大、時間跨度長和主體跨度多的特點,出現(xiàn)問題難以快速確定責任主體,難保數(shù)據(jù)在流轉過程中未被篡改。區(qū)塊鏈的記錄溯源與信息安全等價值能有效解決該場景痛點。區(qū)塊鏈將建立安全、透明的電力數(shù)據(jù)管理模式,簡化合同簽訂流程,保證憑證的可查、可驗和可信。

電力工業(yè)包括電網(wǎng)公司等核心企業(yè)和大量上下游企業(yè),供應鏈條長,物資、設備和信息等需要經(jīng)過多個環(huán)節(jié)的流轉。區(qū)塊鏈能夠儲存電力供應鏈所有環(huán)節(jié)的可信存證,使各環(huán)節(jié)自動履約,實現(xiàn)物資的動態(tài)追溯。

電力行業(yè)中大量企業(yè)通過簽訂合同達成協(xié)作,一份合同在多方流轉,存在內容有出入、被惡意篡改的風險。區(qū)塊鏈將合同上鏈存證,經(jīng)過多方認證生效,內容無法篡改,提高了合同的安全性與可監(jiān)督性。

電力金融產品的業(yè)務流程由銀行、電網(wǎng)公司和電力用戶等多方參與,需要公開可信的數(shù)據(jù)流轉模式。利用區(qū)塊鏈技術管理電費和大數(shù)據(jù)征信等電力金融產品,可以為中小用電企業(yè)提供可靠征信數(shù)據(jù)和記錄,有助于中小企業(yè)融資,增強借貸方的風控能力,推動構建高效、安全的市場金融體系。

國內外已有若干基于區(qū)塊鏈的電力數(shù)據(jù)流轉試點應用。4NEW是全球首個利用廢物發(fā)電的能源公有鏈［61］,涵蓋了從廢物收集到電力生產銷售的整個供應流程。國家電網(wǎng)有限公司目前已經(jīng)將450多萬條訂單與合同數(shù)據(jù)上鏈［35］,降低了庫存商品周轉周期,提高了供應鏈流轉效率?！疤炱芥湣鄙虾灱s各類電子合同［35］,使電子合同具備司法效力?！按娫奇湣逼脚_［62］是提出的首個基于區(qū)塊鏈的電力行業(yè)在線供應鏈金融解決方案?；趨^(qū)塊鏈的電力金融產品“電e貸”［33］目前已完成交易訂單數(shù)據(jù)上鏈存證2.6萬條,服務中小微企業(yè)超1萬戶,授信金額達16.18億元,并支撐供應鏈金融產品“訂單融資”和“應收賬款保理”融資放款額超1億元。以上項目已經(jīng)基本驗證區(qū)塊鏈能在電力數(shù)據(jù)流轉中發(fā)揮記錄溯源與信息安全的價值。區(qū)塊鏈僅能保證鏈上數(shù)據(jù)不被篡改,如何確保上鏈信息在物理世界的真實性是區(qū)塊鏈應用于電力數(shù)據(jù)流轉場景中需要解決的問題。

4 現(xiàn)有的區(qū)塊鏈開發(fā)平臺與工具

目前,已有多款開源區(qū)塊鏈開發(fā)平臺支持能源區(qū)塊鏈應用開發(fā)。以太坊和Hyperledger是目前部署能源區(qū)塊鏈應用項目最多的兩大平臺［14］；Substrate由于在其框架下核心組件搭配相當靈活,具有可觀的能源區(qū)塊鏈應用開發(fā)潛力。

4.1 以太坊

以太坊是一個致力于開發(fā)各類區(qū)塊鏈應用的生態(tài)系統(tǒng)；其以專有的加密虛擬貨幣以太幣（Ether,ETH）作為經(jīng)濟激勵,通過以太坊虛擬機（Ethereum virtual machine,EVM）來處理點對點智能合約。

以太坊上部署的智能合約為去中心化應用提供了運行準則。用戶向智能合約發(fā)送交易請求后,智能合約被自動觸發(fā),并按照事先制定好的規(guī)則執(zhí)行出清。

開發(fā)者可以采用圖靈完備的腳本語言EVM code開發(fā)智能合約。為降低開發(fā)門檻,以太坊也支持開發(fā)者使用Solidity、LLL和Serpent等高級語言編寫智能合約,由以太坊提供的編譯器匯編為EVM code。

以太坊是開發(fā)能源區(qū)塊鏈應用的主流平臺；目前約有50%的能源區(qū)塊鏈應用基于以太坊開發(fā),另約有10%的能源區(qū)塊鏈應用部署在基于以太坊技術的Energy Web網(wǎng)絡中［14］。

4.2 Hyperledger

Hyperledger是一個分布式總賬平臺,適用于節(jié)點數(shù)量較少的企業(yè)級環(huán)境。Hyperledger與以太坊相比,最重要的特性在于它支持可插拔的共識算法,用戶能夠根據(jù)場景需求選擇合適的共識算法。

在Hyperledger上編寫智能合約可以使用Go,Java和Node.js等通用語言,降低了智能合約編程門檻。

Hyperledger由于以上特點也受到能源區(qū)塊鏈開發(fā)者青睞；目前約有11%的能源區(qū)塊鏈應用基于Hyperledger開發(fā)［14］。

4.3 Substrate

Substrate是一個用來搭建區(qū)塊鏈的開源框架。Substrate允許開發(fā)者自定義搭建區(qū)塊鏈所需的全部核心組件,包括數(shù)據(jù)結構、網(wǎng)絡連接、共識算法和智能合約。

1）數(shù)據(jù)結構。Substrate的數(shù)據(jù)結構采用改進的默克爾樹,既保存了防篡改特性,也支持用戶根據(jù)需要自定義區(qū)塊內容,降低復雜應用場景下的數(shù)據(jù)存儲成本。

2）網(wǎng)絡連接。Substrate的網(wǎng)絡連接模塊libp2p允許開發(fā)者自主選擇網(wǎng)絡協(xié)議,提高網(wǎng)絡層的可擴展性。

3）共識算法。Substrate支持可插拔的共識算法,不需要與其他模塊相聯(lián)系。針對POW、POS和PBFT等多種共識算法,Substrate都內建了模塊化的共識引擎。

4）智能合約。Substrate開發(fā)者使用基于Rust語言的智能合約開發(fā)應用。該語言兼顧了安全性和高性能,適用于大型場景應用的開發(fā)。

基于Substrate的能源區(qū)塊鏈應用開發(fā)仍處于探索和測試階段。

4.4 開發(fā)平臺的對比

以太坊開發(fā)者僅能自定義應用層,即編寫實現(xiàn)特定功能的智能合約,而不能自定義數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡層和共識層。因此,區(qū)塊鏈的開發(fā)受到一定制約。但以太坊的優(yōu)勢在于其已經(jīng)存在龐大的用戶基礎,生態(tài)系統(tǒng)相對穩(wěn)定,是目前被廣泛認可的區(qū)塊鏈開發(fā)平臺之一。在以太坊上,Conjure、My Bit和SolarCoin等能源區(qū)塊鏈公司搭建了P2P分布式光伏交易平臺［63］；電力零售商Grid+提供了一個得克薩斯州的電力零售項目［64］。以POW為共識算法的以太坊適用于搭建大量主體參與的能源公有鏈,但它的性能瓶頸使其難以開發(fā)實時交易的能源場景應用。

Hyperledger開發(fā)者可以自定義應用層與共識層,選擇適用場景的共識算法,提升運行效率；同時,也可以避免對加密貨幣的依賴。這使得Hyperledger成為目前在交易處理和成交延遲方面性能最好的區(qū)塊鏈應用開發(fā)平臺之一。能源區(qū)塊鏈實驗室已在Hyperledger上開發(fā)園區(qū)售電試點應用［64］；天然氣公司Flexera通過搭建在Hyperledger的En Helix公司區(qū)塊鏈結算區(qū)域內的天然氣服務［64］。Hyperledger適用于搭建少量主體參與的聯(lián)盟鏈,以降低去中心化程度為代價提升區(qū)塊鏈性能,因此,能夠滿足某些能源應用場景的低時延要求。

Substrate提供豐富的模塊化組件,使用戶可以簡單實現(xiàn)從應用層到數(shù)據(jù)層全部層級的構建,提升了區(qū)塊鏈應用開發(fā)的靈活性。在能源區(qū)塊鏈應用的開發(fā)過程中,Substrate能夠幫助開發(fā)者靈活更改組件,測試出最契合特定應用場景的區(qū)塊鏈底層技術。但Substrate作為一個較新推出的區(qū)塊鏈開發(fā)平臺,其可靠性仍需要更多項目工程檢驗。

5 能源區(qū)塊鏈的發(fā)展建議

目前,能源區(qū)塊鏈已經(jīng)有了不少試點應用,但相較技術成熟與大規(guī)模推廣還有很長一段距離。本文從應用價值、技術架構、政策支持等方面提出能源區(qū)塊鏈的發(fā)展建議。

1）應用價值方面。區(qū)塊鏈的核心價值在于建立多主體之間的信任關系。第3章中提出區(qū)塊鏈能夠解決能源領域某些場景的需求,但并不意味著只能用區(qū)塊鏈解決。區(qū)塊鏈適用于無法建立可信的中心機構來組織協(xié)作,或者中心機構面臨競爭、需要通過“信任”建立競爭優(yōu)勢的情況,在中心機構可信情況下不必采用區(qū)塊鏈技術。在新的“區(qū)塊鏈+”應用熱潮中,不能盲目跟從,需要真正把握區(qū)塊鏈在能源領域的應用價值。

2）技術架構方面。目前,中國區(qū)塊鏈平臺的建設有待進一步推進,現(xiàn)有大多數(shù)能源區(qū)塊鏈項目首選以太坊或Hyperledger為開發(fā)平臺。開發(fā)者在以太坊里可以通過編寫智能合約搭建應用,但難以自定義數(shù)據(jù)結構、通信協(xié)議和共識算法。同時,開發(fā)者在Hyperledger里可以選擇適用場景的共識算法,提升運行效率,但依舊難以觸及數(shù)據(jù)層和網(wǎng)絡層的定義,很大程度上制約了區(qū)塊鏈的應用場景。此外,在中國能源行業(yè)推廣應用國外區(qū)塊鏈平臺也存在著數(shù)據(jù)安全隱患。因此,需要開發(fā)自主可控的國產區(qū)塊鏈開發(fā)平臺,推進中國能源區(qū)塊鏈應用的深入建設。

3）政策支持方面。區(qū)塊鏈技術由于其去中心化的特征,必將對能源系統(tǒng)現(xiàn)有的中心機構管理模式產生沖擊,一定程度上影響中心機構的利益。但伴隨著能源互聯(lián)網(wǎng)理念的不斷落實,區(qū)塊鏈技術在能源領域必將具有用武之地。目前,中國能源區(qū)塊鏈的試點項目較少,部分原因在于政策支持仍不完善,相關行業(yè)部門不愿意以自身利益受損為代價嘗試。完善能源政策體系,制定監(jiān)管措施,有利于區(qū)塊鏈項目的試點應用,促進能源行業(yè)的長遠發(fā)展。

6 結語

區(qū)塊鏈有數(shù)據(jù)共享、社區(qū)共治、記錄溯源和信息安全這4個方面的價值。公有鏈、聯(lián)盟鏈和私有鏈等不同類型的區(qū)塊鏈,以太坊、Hyperledger和Substrate等不同的區(qū)塊鏈開發(fā)平臺各有特色,可以滿足不同能源區(qū)塊鏈應用場景的需求。區(qū)塊鏈可用于能源市場交易、系統(tǒng)運營管理、能源計量認證和電力數(shù)據(jù)流轉這4類場景。能源區(qū)塊鏈的發(fā)展需要考慮應用價值、技術架構和政策支持等多方面因素。