佘 維，白孟龍，劉 煒，宋 軒，田 釗

(1.鄭州大學(xué) 軟件學(xué)院 河南 鄭州 450001；2.鄭州大學(xué) 互聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療與健康服務(wù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心 河南 鄭州 450000；3.鄭州大學(xué) 信息工程學(xué)院 河南 鄭州 450001)

0 引言

能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)是改革能源供給，調(diào)整我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)步的重要途徑[1]。它將改變傳統(tǒng)的集中式能源系統(tǒng)模式為分布式能源系統(tǒng)模式。2011年初，智能電網(wǎng)的建設(shè)全面納入國家“十二五”規(guī)劃綱要中，智能電網(wǎng)將虛擬電廠、電動汽車、智能移動設(shè)備、智能家庭等諸多領(lǐng)域高效地組織在一起，加快國家能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)發(fā)展。智能電網(wǎng)快速發(fā)展的同時(shí)，其業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)呈指數(shù)級增長，集中式的數(shù)據(jù)中心無法滿足電網(wǎng)全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲所要求的可擴(kuò)展性、安全性和低延遲[2]。2016年，國務(wù)院印發(fā)《“十三五”國家信息化規(guī)劃》，區(qū)塊鏈作為戰(zhàn)略性技術(shù)列為其中。2017年1月國務(wù)院發(fā)布《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》，旨在促進(jìn)區(qū)塊鏈技術(shù)與人工智能的融合，建立新型社會信用體系。2017年11月國家發(fā)改委、國家能源局發(fā)布了《關(guān)于開展分布式發(fā)電市場化交易試點(diǎn)的通知》，提出了三種指導(dǎo)性的分布式發(fā)電市場化交易模式，探索與分布式發(fā)電相適應(yīng)的電網(wǎng)技術(shù)服務(wù)管理體系、電力交易機(jī)制、輸配電價(jià)政策改革的三種模式，拉開負(fù)荷側(cè)市場化交易帷幕[3]。2018年6月，工信部印發(fā)《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展行動計(jì)劃(2018—2020年)》，鼓勵區(qū)塊鏈等信息前沿技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用研究與探索，同年，工信部中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院組織制定了《區(qū)塊鏈隱私保護(hù)規(guī)范》、《區(qū)塊鏈智能合約實(shí)施規(guī)范》、《區(qū)塊鏈存證應(yīng)用指南》、《區(qū)塊鏈技術(shù)安全通用規(guī)范》四大團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)。2019年10月24日，中共中央政治局第十八次集體學(xué)習(xí)會議上強(qiáng)調(diào)，區(qū)塊鏈技術(shù)的集成應(yīng)用在新的技術(shù)革新和產(chǎn)業(yè)變革方面起著重要作用，要把區(qū)塊鏈作為核心技術(shù)自主創(chuàng)新的重要突破口，明確主攻方向，著力攻克一批關(guān)鍵核心技術(shù)，加快推進(jìn)區(qū)塊鏈技術(shù)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。2020年國家發(fā)展改革委司法部印發(fā)《關(guān)于加快建立綠色生產(chǎn)和消費(fèi)法規(guī)政策體系的意見》的通知，強(qiáng)調(diào)促進(jìn)清潔能源的大力發(fā)展，大力支持和推進(jìn)分布式能源的發(fā)展。

國內(nèi)能源+區(qū)塊鏈剛剛起步。按照《國家能源局關(guān)于印發(fā)2016年市場監(jiān)管重點(diǎn)專項(xiàng)監(jiān)管工作計(jì)劃的通知》部署及國務(wù)院“雙隨機(jī)”工作要求，為進(jìn)一步規(guī)范電力調(diào)度交易工作，維護(hù)電力能源市場交易和調(diào)度秩序，國家能源局于2016年下半年組織有關(guān)能源監(jiān)管機(jī)構(gòu)，對7個(gè)省份開展了電力調(diào)度交易與市場秩序?qū)ｍ?xiàng)監(jiān)管工作，得出部分調(diào)度機(jī)構(gòu)存在執(zhí)行不嚴(yán)格、考核執(zhí)行錯誤等問題。部分電力調(diào)度機(jī)構(gòu)運(yùn)行方式和計(jì)劃安排不合理，影響可再生能源的消納，造成資源浪費(fèi)。區(qū)塊鏈技術(shù)正在加速融進(jìn)電力服務(wù)行業(yè)，形成能源區(qū)塊鏈技術(shù)網(wǎng)，這將在一定程度上有力地解決以上存在的問題。

在2016年之前，“能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃、運(yùn)行與交易基礎(chǔ)理論”已經(jīng)被相關(guān)文件界定為“智能電網(wǎng)基礎(chǔ)支撐技術(shù)”項(xiàng)目下的基礎(chǔ)研究類題目，該項(xiàng)目的實(shí)施周期為2016—2020年。2016年首個(gè)區(qū)塊鏈能源實(shí)驗(yàn)室成立，并推出了能源區(qū)塊鏈主鏈Demo，標(biāo)志著我國探索者在該領(lǐng)域成功地打響了第一槍。國網(wǎng)浙江公司從2017年9月開始組建研發(fā)隊(duì)伍，開展基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電子數(shù)據(jù)保全、積分兌換、數(shù)據(jù)交易等方面的應(yīng)用研究。后續(xù)還將結(jié)合嘉興城市能源互聯(lián)網(wǎng)綜合試點(diǎn)示范項(xiàng)目和“互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”雙創(chuàng)基地綜合能源服務(wù)示范工程，開展基于區(qū)塊鏈技術(shù)的相關(guān)研究，打造低碳能源示范應(yīng)用。國企紛紛布局，2017年11月，國家電網(wǎng)向國家知識產(chǎn)權(quán)局提交了一項(xiàng)名為“關(guān)于區(qū)塊鏈的電力交易管控方法及裝置”的專利申請。2018年4月13日，這項(xiàng)申請正式對外公布。據(jù)申請文件顯示，該項(xiàng)發(fā)明涉及一種能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，目的是解決如何克服能源互聯(lián)網(wǎng)中心化機(jī)構(gòu)管理方案中運(yùn)行成本高、安全性差以及用戶隱私難以保證的問題。2018年4月27日，國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目《區(qū)塊鏈技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用研究》中期督導(dǎo)會時(shí)，階段性考核指標(biāo)已全部完成。國內(nèi)區(qū)塊鏈行業(yè)中已有506個(gè)企業(yè)區(qū)塊鏈項(xiàng)目正在進(jìn)行中。

能源區(qū)塊鏈具有極大的市場發(fā)展?jié)摿Γ瑩?jù)英國Technavio研究機(jī)構(gòu)于2020年3月發(fā)布的《Global Blockchain Technology in Energy Market 2020—2024》報(bào)告稱利用區(qū)塊鏈技術(shù)可防止電網(wǎng)故障，能源區(qū)塊鏈具有巨大的市場增長機(jī)會，預(yù)計(jì)2020—2024年，能源區(qū)塊鏈?zhǔn)袌鰧⒃鲩L2.8億美元[4]；據(jù)美國Market Study Report公司發(fā)布的《Blockchain Technology in the Energy Sector Market》(能源行業(yè)市場區(qū)塊鏈技術(shù))報(bào)告，隨著區(qū)塊鏈即服務(wù)(Blockchain as a Service，BaaS)的日益普及和數(shù)字加密貨幣(如比特幣、以太幣等)市場的不斷擴(kuò)大，并且憑借高交易速度和不可篡改性，商家越來越多地接受數(shù)字加密貨幣，致使區(qū)塊鏈技術(shù)在能源領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增多。移動設(shè)備的日益普及、移動寬帶速度的提高和成本的降低又進(jìn)一步支持了全球區(qū)塊鏈技術(shù)在能源行業(yè)市場的增長。到2026年，能源區(qū)塊鏈?zhǔn)袌龅膬r(jià)值預(yù)計(jì)將超過102億美元[5]。

能源互聯(lián)網(wǎng)從傳統(tǒng)中心化電力系統(tǒng)到分布式電力系統(tǒng)的發(fā)展，去除了中心化的弊端，通過運(yùn)用分布式技術(shù)，將系統(tǒng)進(jìn)行分塊、分組，進(jìn)而大大提升系統(tǒng)的開發(fā)效率和運(yùn)行效率。但是分布式電力能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化的同時(shí)也有諸多的缺點(diǎn)，包括：(1)組件繁多復(fù)雜，在整個(gè)分布式電力系統(tǒng)中，涉及的業(yè)務(wù)龐雜，需要建立諸多組件進(jìn)行業(yè)務(wù)之間的關(guān)聯(lián)和管理，與此同時(shí)，衍生出組件的有效性管理以及有效地提升組件之間的協(xié)作效率等問題；(2)人員及數(shù)據(jù)的數(shù)量龐大，在分布式電力系統(tǒng)中，包括電力運(yùn)營商、電力制造廠商以及各種類型的用戶，面對諸多的人員類別的同時(shí)，其用戶隱私數(shù)據(jù)及交易數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)量也是指數(shù)級增長，在協(xié)調(diào)好各類人員有序且高效地在分布式電力系統(tǒng)中進(jìn)行交易，以及數(shù)據(jù)量的隱私保護(hù)和數(shù)據(jù)管理等問題上需要進(jìn)一步解決；(3)數(shù)據(jù)異構(gòu)性及數(shù)據(jù)交互安全性差，在面對如此龐大的電力系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的種類繁多，如何解決數(shù)據(jù)的異構(gòu)性，優(yōu)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊是關(guān)鍵，電力分布式系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)進(jìn)行層級交互，交互的過程中保障安全性是重中之重；(4)系統(tǒng)難以管理，系統(tǒng)整體的運(yùn)行效率和管理是難點(diǎn)，系統(tǒng)內(nèi)部組件及其數(shù)據(jù)量龐雜，如何高效地調(diào)度各個(gè)組件和數(shù)據(jù)資源是系統(tǒng)整體把控管理的關(guān)鍵；(5)運(yùn)維困難，系統(tǒng)的運(yùn)維需要大量的人力物力，如何高效地運(yùn)維管理，節(jié)省系統(tǒng)開支，也是亟須解決的部分。由此可見，能源互聯(lián)網(wǎng)中仍然存在著很多的問題，需要一個(gè)能夠融合能源互聯(lián)網(wǎng)的各個(gè)層級的關(guān)鍵技術(shù)來解決相關(guān)問題。

1 能源區(qū)塊鏈

在能源互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，區(qū)塊鏈技術(shù)得以重用，針對能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)中各個(gè)模塊存在的問題，區(qū)塊鏈技術(shù)能夠依靠自身的鏈?zhǔn)教卣骱酮?dú)特的區(qū)塊結(jié)構(gòu)融合到能源互聯(lián)網(wǎng)中的各個(gè)層面，解決能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的相關(guān)問題。本節(jié)首先對區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行介紹，然后對能源區(qū)塊鏈進(jìn)行介紹分析，最后對已經(jīng)落地的能源區(qū)塊鏈應(yīng)用項(xiàng)目進(jìn)行總結(jié)。

1.1 區(qū)塊鏈

區(qū)塊鏈技術(shù)作為目前極具潛力的互聯(lián)網(wǎng)分布式技術(shù)，它不依賴第三方的中心機(jī)構(gòu)，通過自身分布式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的存儲、驗(yàn)證、傳遞和交流。區(qū)塊鏈技術(shù)被認(rèn)為是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)明以來最具顛覆性的技術(shù)創(chuàng)新，它依靠密碼學(xué)和數(shù)學(xué)巧妙的分布式算法，在無法建立信任關(guān)系的互聯(lián)網(wǎng)上，不需要借助第三方中心的介入，就可以使參與者達(dá)成共識。

根據(jù)區(qū)塊鏈的開放程度可以劃分為：公有鏈、聯(lián)盟鏈和私有鏈。這3類區(qū)塊鏈在開放程度、參與人員和共識算法等方面都不盡相同，鏈中節(jié)點(diǎn)對數(shù)據(jù)有三大權(quán)限：認(rèn)證、記錄和讀取。公有區(qū)塊鏈開放程度最高，所有的節(jié)點(diǎn)都可以上鏈，具備三大權(quán)限，常見的公有區(qū)塊鏈項(xiàng)目有虛擬貨幣(比特幣)、以太坊和企業(yè)開放運(yùn)營等；聯(lián)盟區(qū)塊鏈開放程度比公有鏈低，它由多個(gè)主體共同組成，主體間能夠協(xié)作互通，只有聯(lián)盟成員節(jié)點(diǎn)才具備對數(shù)據(jù)的三大權(quán)限，代表性項(xiàng)目為適用于企業(yè)環(huán)境下的聯(lián)盟鏈開發(fā)平臺——超級賬本[6]；私有區(qū)塊鏈開放程度最低，完全不對外開放，一般作為中心機(jī)構(gòu)管理的工具，外部節(jié)點(diǎn)不允許加入，螞蟻金服在支付寶內(nèi)部搭建的愛心捐贈平臺，屬于私有鏈類型。

區(qū)塊鏈中有一個(gè)潛移默化的規(guī)律，即“不可能三角”，同一個(gè)鏈中無法同時(shí)追求交易處理的高性能、較好的系統(tǒng)安全性和去中心化[7]。高性能即運(yùn)行效率的高效性，安全性指數(shù)據(jù)的安全性，去中心化是指解除中心化控制，轉(zhuǎn)為分布式多方共同參與，共同維護(hù)。公有鏈的去中心化和安全性兩方面優(yōu)勢都比較高，鏈中數(shù)據(jù)的生成和驗(yàn)證需要諸多節(jié)點(diǎn)共同參與完成，但是性能較低；聯(lián)盟鏈性能高，但去中心化和安全性低；私有鏈本身就是完全中心化的，去中心化最低，性能和安全性較高。三種類型區(qū)塊鏈各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景來選擇合適的鏈種作為技術(shù)支撐。

能源領(lǐng)域場景復(fù)雜，公有鏈更加適合對用戶開放的場景，讓用戶在有能源需求時(shí)自主入鏈，需求得到滿足時(shí)，可以退鏈，能提高鏈中的執(zhí)行效率和方便用戶的操作。聯(lián)盟鏈更加適合機(jī)構(gòu)之間數(shù)據(jù)通信的場景，如圖書館之間進(jìn)行數(shù)據(jù)互通、權(quán)限設(shè)置等操作。私有鏈更加適合企業(yè)內(nèi)部和金融性質(zhì)的場景，如能源交易、數(shù)據(jù)保密等。在實(shí)際的應(yīng)用場景中，能源互聯(lián)網(wǎng)各個(gè)環(huán)節(jié)，可以結(jié)合其特點(diǎn)采用不同的區(qū)塊鏈類別，而在實(shí)際的電力能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)中可以采用單鏈或者多鏈并存的架構(gòu)方式，如單鏈?zhǔn)?、雙鏈?zhǔn)胶投噫準(zhǔn)降燃夹g(shù)架構(gòu)方案。將區(qū)塊鏈技術(shù)融合進(jìn)能源互聯(lián)網(wǎng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，極大地發(fā)揮區(qū)塊鏈技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)中的作用。

1.2 能源區(qū)塊鏈

區(qū)塊鏈分布式賬本技術(shù)能夠很大程度上解決目前分布式技術(shù)的缺點(diǎn)。區(qū)塊鏈具備可靠性、加密性、不可篡改性和可追溯性的特征，能有效地解決目前我國在能源互聯(lián)網(wǎng)上存在的數(shù)據(jù)孤立和分布不均衡以及能源浪費(fèi)等諸多問題，同時(shí)二者在交易上又都具有去中心化、安全透明化和智能化的特征，為兩者的結(jié)合提供了基礎(chǔ)。通過對區(qū)塊鏈自身的特質(zhì)與能源互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)相融合的探索，說明了區(qū)塊鏈在能源互聯(lián)網(wǎng)中的優(yōu)勢和可行性。在電網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺中電網(wǎng)數(shù)據(jù)的安全性是重中之重，區(qū)塊鏈技術(shù)具有數(shù)據(jù)不可篡改性和可追溯性的特點(diǎn)，能夠保證電網(wǎng)數(shù)據(jù)的安全性要求。區(qū)塊鏈技術(shù)憑借自身的技術(shù)優(yōu)勢，利用共識機(jī)制和智能合約等關(guān)鍵技術(shù)滲透到電網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺的各個(gè)模塊部分。文獻(xiàn)[8-9]從不同維度與視角分析了區(qū)塊鏈技術(shù)和能源互聯(lián)網(wǎng)理念的兼容性，將區(qū)塊鏈技術(shù)和分布式電力系統(tǒng)進(jìn)行融合能極大地提高系統(tǒng)的安全性和高效性。

為了優(yōu)化分布式能源，實(shí)現(xiàn)能源優(yōu)化調(diào)度，提升能源利用率，智能協(xié)調(diào)控制各大能源，文獻(xiàn)[10]提出了一種同時(shí)擁有市場特性和控制功能的交互能源優(yōu)化方法，其中核心支撐技術(shù)就是區(qū)塊鏈技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于區(qū)塊鏈的去中心式交互能源機(jī)制，實(shí)現(xiàn)分布式能源多邊交易。在新的形勢下，電力機(jī)制改革推進(jìn)發(fā)展過程中仍存在著效率低、成本高、透明度低、安全性差等諸多問題，亟須一個(gè)能確保交易透明、信息安全、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)的去中心化配電網(wǎng)運(yùn)行模式和方法。于是文獻(xiàn)[11]提出一種基于智能合約的配電網(wǎng)交易機(jī)制，建立一種無中心機(jī)構(gòu)的配電網(wǎng)交易機(jī)制模型，設(shè)計(jì)了電能多邊交易智能合約。利用區(qū)塊鏈能夠很好地解決微電網(wǎng)中存在的數(shù)據(jù)孤立、分布不均衡和能源利用率低的問題，并且區(qū)塊鏈和微電網(wǎng)交易中都具有去中心化、安全透明、對數(shù)據(jù)安全有需求，兩者不謀而合，充分說明了區(qū)塊鏈在微電網(wǎng)中資源調(diào)度及交易中的優(yōu)勢和可行性[12]。區(qū)塊鏈以自身優(yōu)越特性，使其在電力能源領(lǐng)域的應(yīng)用與日俱增，主要應(yīng)用方向包含：電力計(jì)量、電網(wǎng)調(diào)度控制、電動汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。

國際可再生能源組織(international renewable energy agency,IRENA)發(fā)布了可再生能源的創(chuàng)新報(bào)告，里面多次提到區(qū)塊鏈技術(shù)作為能源領(lǐng)域的重要應(yīng)用技術(shù)，并指出基于區(qū)塊鏈的智能合約可以推動實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的現(xiàn)代化，增加可再生能源使用，特別是難以吸納的間接性能源的有效利用，同時(shí)可以降低成本，加快交易流程。其中點(diǎn)對點(diǎn)交易方面占區(qū)塊鏈在電力領(lǐng)域應(yīng)用的36%，而在電網(wǎng)管理和系統(tǒng)優(yōu)化方面占比為24%，由此可以看出區(qū)塊鏈技術(shù)中的P2P的需求量。區(qū)塊鏈技術(shù)使得電力網(wǎng)絡(luò)更加容易控制，尤其是智能合約能夠有效控制系統(tǒng)特定交易的時(shí)間，確保所有電源和存儲流都受到控制以自動平衡供需。區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用在電力能源行業(yè)的目標(biāo)是使電力能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)完全去中心化，從而建立起分布式電力能源系統(tǒng)，同時(shí)保證分布式電力能源系統(tǒng)的海量數(shù)據(jù)的隱私性，以及傳輸過程中數(shù)據(jù)的安全性。借助區(qū)塊鏈技術(shù)中的智能合約，能夠自動執(zhí)行電力能源系統(tǒng)的交易合同，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動化處理。區(qū)塊鏈技術(shù)除了可以執(zhí)行電力能源供應(yīng)交易外，還可以提供計(jì)費(fèi)、資源存儲、計(jì)量、數(shù)據(jù)傳輸安全等重要環(huán)節(jié)。結(jié)合區(qū)塊鏈具有廣泛交易、可信計(jì)量、智能合約控制的特性，闡釋了區(qū)塊鏈與能源互聯(lián)網(wǎng)特征的一致性，明確了區(qū)塊鏈技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)中的定位[9]。

能源互聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈技術(shù)都是建立在智能設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，都追求去中心化、自治性、市場化、智能化等特點(diǎn)。能源互聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈技術(shù)主要有以下收斂點(diǎn)：(1)分布共享，區(qū)塊鏈利用共識機(jī)制和P2P傳輸方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的點(diǎn)對點(diǎn)通信和分布式存儲，達(dá)到信息分布式共享；(2)安全透明，區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)具備防篡改和可追蹤等特點(diǎn)，可以保證電網(wǎng)中數(shù)據(jù)的一致性和安全性；(3)智能運(yùn)行，通過區(qū)塊鏈智能合約技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)能源網(wǎng)系統(tǒng)的智能運(yùn)行，通過強(qiáng)制執(zhí)行合約完成無須人工參與即可規(guī)避違規(guī)行為；(4)精準(zhǔn)化管理，區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)數(shù)字化精準(zhǔn)管理，能夠記錄電網(wǎng)中的每筆數(shù)據(jù)交易；(5)個(gè)人授信，通過區(qū)塊鏈技術(shù)能將用戶個(gè)人數(shù)據(jù)信息對用戶本身透明化和授權(quán)化；(6)資源交易，區(qū)塊鏈基于自帶的金融交易特性，可實(shí)現(xiàn)電力能源的交易和結(jié)算，并促進(jìn)多方交易中的透明度，形成高效的電力交易系統(tǒng)；(7)降本增效，分布式能源就近交易能夠減少長距離傳輸線路損耗，從而降低輸配電成本，進(jìn)而降低終端能源價(jià)格，并提高交易效率。

區(qū)塊鏈技術(shù)目前在電力系統(tǒng)領(lǐng)域大致的應(yīng)用范圍：微電網(wǎng)點(diǎn)對點(diǎn)發(fā)電和配電；分布式電力系統(tǒng)優(yōu)化；電力系統(tǒng)共識機(jī)制及其優(yōu)化；電力系統(tǒng)的管理、交易及相關(guān)的激勵機(jī)制設(shè)計(jì)；電力交易及數(shù)據(jù)安全保障；可再生能源多能互補(bǔ)優(yōu)化調(diào)度；電動汽車充電站設(shè)計(jì)；電動汽車電能共享及計(jì)費(fèi)優(yōu)化；居民自產(chǎn)自銷能源系統(tǒng)；社區(qū)能源系統(tǒng)；能源賣家與可再生能源運(yùn)營商的關(guān)聯(lián)分析；碳跟蹤管理等。以上均說明了區(qū)塊鏈在電力資源方面有著廣泛而深度的應(yīng)用。表1為區(qū)塊鏈技術(shù)與能源互聯(lián)網(wǎng)的相似點(diǎn)分析。

表1 區(qū)塊鏈技術(shù)與能源互聯(lián)網(wǎng)的相似點(diǎn)分析Table 1 Analysis of similarities between blockchain technology and energy internet

1.3 能源區(qū)塊鏈落地應(yīng)用

目前能源區(qū)塊鏈備受關(guān)注，全球都在大力發(fā)展能源區(qū)塊鏈，國內(nèi)外已存在不少的落地項(xiàng)目，以下對國外、國內(nèi)部分典型落地項(xiàng)目分別進(jìn)行歸納總結(jié)。

(1)國外部分落地項(xiàng)目

1)美國的Tansactive Grid項(xiàng)目。該項(xiàng)目在2016年4月由美國新創(chuàng)能源公司LO3與區(qū)塊鏈技術(shù)研發(fā)商Consensys共同開發(fā)，是世界上最早基于區(qū)塊鏈技術(shù)研發(fā)的項(xiàng)目。這個(gè)項(xiàng)目使得社區(qū)居民用戶之間實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)電力交易，允許用戶通過智能電表實(shí)時(shí)獲得發(fā)、用電量等相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過區(qū)塊鏈向他人購買或銷售電力能源，但是在紐約禁止個(gè)人售電，項(xiàng)目無法有大的推進(jìn)。

2)歐盟的Scanergy項(xiàng)目。實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)者將電力能源向配電網(wǎng)中輸入、售出綠色電能時(shí)，配電網(wǎng)運(yùn)營商會進(jìn)行確認(rèn)，確認(rèn)成功后智能合約將會生成相應(yīng)的虛擬代幣，并將代幣提供給綠色電能生產(chǎn)方。

3)德國的Ponton Enerchain項(xiàng)目。搭建集成化交易系統(tǒng)：通過設(shè)置Enerchain中間網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行交易流程的去中介化。這個(gè)系統(tǒng)中，交易員可以直接P2P提交和執(zhí)行交易，避免第三方提供網(wǎng)上交易。

4)英國Electron“多種能源資產(chǎn)共享平臺”。打造能源界的eBay，該公司已經(jīng)研發(fā)了區(qū)塊鏈平臺的“生態(tài)系統(tǒng)”，包括資產(chǎn)注冊、靈活交易和智能計(jì)量表數(shù)據(jù)保密系統(tǒng)。使用區(qū)塊鏈技術(shù)有效地管理能源計(jì)量表，可以把這個(gè)能源切換過程縮短至幾分鐘?，F(xiàn)在該公司正在研發(fā)一個(gè)全新的交易平臺，將是“一個(gè)能源資產(chǎn)的共享市場，能夠快速響應(yīng)價(jià)格信號”，它的目標(biāo)是支持電網(wǎng)運(yùn)營商和公用事業(yè)公司推出的靈活性的產(chǎn)品。

5)德國的Innogy子公司。區(qū)塊鏈電動汽車充電系統(tǒng)，是一個(gè)依靠以太坊網(wǎng)絡(luò)來處理其運(yùn)營的“Share&Charge”區(qū)塊鏈平臺，是共享充電樁領(lǐng)域的一個(gè)平臺，目前在德國已建成幾百個(gè)基于區(qū)塊鏈的電動汽車充電樁。

6)澳大利亞的弗里曼特爾項(xiàng)目。旨在評估區(qū)塊鏈技術(shù)與大數(shù)據(jù)分析技術(shù)在分布式能源系統(tǒng)以及水循環(huán)系統(tǒng)中的作用，正在試圖將新興技術(shù)與原有基礎(chǔ)設(shè)置和再生能源發(fā)電設(shè)備融合在一起，從而實(shí)現(xiàn)未來零碳綠色智慧城市的目標(biāo)。

7)非洲Sun Exchange項(xiàng)目。目的在于通過區(qū)塊鏈平臺來眾籌光伏初建資金，并且將光伏發(fā)電系統(tǒng)租給非洲的學(xué)校、自然保護(hù)區(qū)以及工廠等機(jī)構(gòu)，提供相應(yīng)收益給投資者。

8)菲律賓德拉薩大學(xué)項(xiàng)目。相當(dāng)于一個(gè)小型的去中心化能源管理與交易系統(tǒng)。該項(xiàng)目以某大學(xué)內(nèi)的校園微電網(wǎng)項(xiàng)目為基礎(chǔ)，包括3個(gè)樓宇負(fù)荷和1個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)。區(qū)塊鏈保證了不同用戶直接進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)交易，保證樓宇的電力供需平衡。

9)以色列智能微電網(wǎng)項(xiàng)目。是一個(gè)基于區(qū)塊鏈技術(shù)和人工智能的微電網(wǎng)試點(diǎn)工程，以實(shí)現(xiàn)綠色電力認(rèn)證、電力交易、區(qū)域能源優(yōu)化管理和P2P等功能。

10)澳大利亞Power Ledger智能城市項(xiàng)目。能源代幣交易，可以使用無成本的能量代幣SparkZ進(jìn)行交易，支持不斷擴(kuò)大的能源應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)。此系統(tǒng)使得電能的生產(chǎn)者和使用者可以直接進(jìn)行交易，而不是通過一個(gè)充當(dāng)中介的電力公司。但是該項(xiàng)目存在代幣安全的問題。

11)WePower項(xiàng)目?；趨^(qū)塊鏈的綠色能源交易平臺。它是一個(gè)綠色能源拍賣交易平臺，它允許可再生能源生產(chǎn)商發(fā)行自己的能源代幣籌集資金。

(2)國內(nèi)部分落地項(xiàng)目

1)國內(nèi)首個(gè)能源區(qū)塊鏈實(shí)驗(yàn)室2016年5月于北京成立，該團(tuán)隊(duì)擬通過區(qū)塊鏈技術(shù)與碳市場應(yīng)用場景的深度融合，打造一款低成本、高可靠的碳資產(chǎn)開發(fā)和管理的區(qū)塊鏈平臺。

2)初創(chuàng)區(qū)塊鏈團(tuán)隊(duì)Energolabs在2016年10月建立一系列去中心化能源應(yīng)用組成的生態(tài)系統(tǒng)Energo。

3)基于區(qū)塊鏈的電力營銷合同管理系統(tǒng)。該項(xiàng)目由國網(wǎng)浙江電力有限公司與國網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司共同開發(fā)，該項(xiàng)目以區(qū)塊鏈技術(shù)為基礎(chǔ)，對電子合同的交易信息保全、積分兌換與累積等方面進(jìn)行研究。

4)能鏈科技碳票項(xiàng)目。它可以對碳資產(chǎn)開發(fā)、綠色債券發(fā)行登記、綠色供應(yīng)鏈管理、綠色電力登記以及其他各類服務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一登記與管理。

5)蛇口能源區(qū)塊鏈項(xiàng)目。招商局慈善基金會、北德認(rèn)證、熊貓綠色能源集團(tuán)以及華為公司等聯(lián)合發(fā)起建設(shè)了全球首個(gè)基于區(qū)塊鏈技術(shù)、促進(jìn)使用清潔電能為主的社區(qū)公益項(xiàng)目，采用智能合約將發(fā)電方與用電方關(guān)聯(lián)起來，滿足青睞綠色清潔電能的低碳環(huán)保家庭用電需求。

6)上?；趨^(qū)塊鏈技術(shù)的電動汽車充電鏈?zhǔn)痉俄?xiàng)目。這是國內(nèi)首個(gè)基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電動汽車共享充電鏈?zhǔn)痉俄?xiàng)目，利用區(qū)塊鏈特性，解決多方的信任問題，極大地提升了能源汽車充電資源利用率。但是該項(xiàng)目穩(wěn)定性較弱，暫未大范圍推廣。

7)我國第一張電動汽車充電電費(fèi)區(qū)塊鏈電子發(fā)票項(xiàng)目。區(qū)塊鏈電子發(fā)票能很容易實(shí)現(xiàn)信息的追溯和信息的不可篡改。同時(shí)避免了假發(fā)票的出現(xiàn)，能有效降低稅務(wù)成本和簡化辦理流程，更能極大地保護(hù)用戶的隱私。但是該系統(tǒng)操作和申請復(fù)雜，還有很多待完善的地方。

由上可見，國內(nèi)的能源區(qū)塊鏈的建設(shè)和運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)尚且不足，落地項(xiàng)目較少。雖然已經(jīng)取得了一定程度的進(jìn)展，但面臨的挑戰(zhàn)和問題仍然不少。在山東理工大學(xué)趙曰浩團(tuán)隊(duì)和廣州供電局副總經(jīng)理劉育權(quán)聯(lián)合署名的論文中，對中國發(fā)展能源區(qū)塊鏈提出了完善能源政策體系的建議，制定了監(jiān)管措施與健全監(jiān)管體系，加強(qiáng)底層技術(shù)的研發(fā)力度，推進(jìn)新型能源設(shè)備的研發(fā)，積極參與能源區(qū)塊鏈國際通用標(biāo)準(zhǔn)的制定，積極探索區(qū)塊鏈在能源領(lǐng)域的應(yīng)用，有計(jì)劃地組織若干能源區(qū)塊鏈項(xiàng)目落地應(yīng)用[13]。我國的區(qū)塊鏈雖然起步較晚，但是我國區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用成果也相當(dāng)顯著。未來能源互聯(lián)網(wǎng)將朝向分布式能源的大量使用以及“互聯(lián)網(wǎng)+智能能源+區(qū)塊鏈”的聯(lián)合應(yīng)用的方向發(fā)展[14]。

2 能源區(qū)塊鏈技術(shù)架構(gòu)

隨著能源區(qū)塊鏈的發(fā)展，能源區(qū)塊鏈系統(tǒng)架構(gòu)出現(xiàn)了多樣化的現(xiàn)象，現(xiàn)有能源區(qū)塊鏈技術(shù)架構(gòu)可依據(jù)區(qū)塊鏈的鏈數(shù)分為單鏈?zhǔn)?、雙鏈?zhǔn)胶投噫準(zhǔn)饺箢悾疚膶@三類技術(shù)架構(gòu)的相關(guān)研究進(jìn)行了總結(jié)分析。

2.1 單鏈?zhǔn)郊夹g(shù)架構(gòu)

在電力能源系統(tǒng)中，需要同時(shí)保證交易完全去中心化與調(diào)度層面部分去中心化的要求。借助聯(lián)盟區(qū)塊鏈的部分去中心化及可控性強(qiáng)的特點(diǎn)，可以在調(diào)度和交易層面發(fā)揮極大的優(yōu)勢。聯(lián)盟鏈中通過采用非對稱加密能夠切實(shí)保證電網(wǎng)數(shù)據(jù)的安全，通過設(shè)置訪問權(quán)限能夠有效控制整個(gè)系統(tǒng)的開放性。

文獻(xiàn)[15]提出了采用單鏈?zhǔn)?聯(lián)盟鏈技術(shù)構(gòu)建的電網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺技術(shù)框架，如圖1所示，在該區(qū)塊聯(lián)盟鏈的電網(wǎng)平臺技術(shù)框架中，結(jié)合區(qū)塊鏈的5個(gè)層級：數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)層、共識層、合約層和應(yīng)用層，將該電網(wǎng)平臺分成5個(gè)層級分別與區(qū)塊鏈層級相對應(yīng)，將區(qū)塊鏈技術(shù)融進(jìn)電網(wǎng)平臺的每個(gè)環(huán)節(jié)。在該技術(shù)架構(gòu)中，將電網(wǎng)平臺分成了電網(wǎng)數(shù)據(jù)的采集、提取、統(tǒng)計(jì)維護(hù)及實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用等五大層級，各層逐級調(diào)用，分工協(xié)作，將區(qū)塊鏈中的區(qū)塊結(jié)構(gòu)、共識機(jī)制、智能合約等關(guān)鍵技術(shù)充分應(yīng)用到電網(wǎng)平臺的各個(gè)層級之中，充分發(fā)揮區(qū)塊鏈技術(shù)在該電網(wǎng)平臺中的作用。

圖1 基于聯(lián)盟鏈的電網(wǎng)平臺技術(shù)框架Figure 1 The technical framework of power grid platform based on alliance chain

該單鏈?zhǔn)轿鍖酉到y(tǒng)架構(gòu)又劃分成了四大模塊，分別為基礎(chǔ)模塊、協(xié)議模塊、核心模塊和擴(kuò)展模塊。各大模塊的組合方式及其作用如下。(1)基礎(chǔ)模塊：數(shù)據(jù)采集層，具體的功能主要是實(shí)時(shí)地獲取電網(wǎng)平臺中設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)以及其他硬件參數(shù)數(shù)據(jù)、輸送的電量、能源的類型及來源、電力的價(jià)格及時(shí)間序列等基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)消除異構(gòu)性之后加入?yún)^(qū)塊中。(2)協(xié)議模塊：網(wǎng)絡(luò)層和共識層，該模塊中主要包含了區(qū)塊間的組網(wǎng)規(guī)則、共識信任和數(shù)據(jù)的認(rèn)證協(xié)議等功能，保證了整個(gè)電網(wǎng)平臺中的區(qū)塊節(jié)點(diǎn)間的信任通信和數(shù)據(jù)校驗(yàn)傳輸。(3)核心模塊：合約層，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平臺智能化的核心，包含了各類智能算法機(jī)制和腳本代碼，通過它們相互之間的組合，衍生出更加智能化的智能合約，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自我管理和智能運(yùn)行。(4)擴(kuò)展模塊：應(yīng)用層，包含了聯(lián)盟鏈在電網(wǎng)平臺中的各種技術(shù)應(yīng)用模塊及擴(kuò)展。同時(shí)，為智能電網(wǎng)系統(tǒng)提供技術(shù)方案、數(shù)據(jù)的分析結(jié)果、系統(tǒng)的運(yùn)營策略及管理方法等。該單鏈?zhǔn)郊夹g(shù)架構(gòu)分層與分工明確，層次模塊化，各層各模塊協(xié)調(diào)運(yùn)行，逐級調(diào)用，保證了整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)資源的安全性、完整性和準(zhǔn)確性，有效地提升了電網(wǎng)平臺的智能化水平，提高了電力資源的利用率，同時(shí)保證了電網(wǎng)平臺數(shù)據(jù)的安全性。

隨著構(gòu)建環(huán)境友好型清潔能源的大力發(fā)展，電動汽車面臨著電力系統(tǒng)中電動汽車的充放電效率以及過剩電力的處理問題。針對這些問題，文獻(xiàn)[9]基于以上單鏈?zhǔn)轿鍖蛹夹g(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)出電動汽車充電交易框架。在該充電交易框架中，每個(gè)充電站作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，所有的節(jié)點(diǎn)都經(jīng)過聯(lián)盟鏈上的數(shù)字證書認(rèn)證中心實(shí)現(xiàn)了公鑰的基礎(chǔ)性設(shè)施服務(wù)，并且預(yù)設(shè)了成員資格服務(wù)者組件，實(shí)現(xiàn)了各參與主體之間的控制結(jié)構(gòu)關(guān)系，進(jìn)行身份認(rèn)證和權(quán)限控制。圖2為電動汽車充電交易模型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，認(rèn)證中心負(fù)責(zé)發(fā)放公鑰、私鑰及證書的吊銷列表等信息，由電動汽車充電交易市場的監(jiān)管部門擔(dān)任成員資格服務(wù)者組件中的管理員，進(jìn)行配置通道和節(jié)點(diǎn)的角色。架構(gòu)中數(shù)據(jù)的交換是通過建立交易通道進(jìn)行的，該通道由成員資格服務(wù)者組件中的管理員進(jìn)行管理，它將多個(gè)公司的排序服務(wù)節(jié)點(diǎn)和充電站節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。注冊供電企業(yè)的用戶，均可通過該平臺的賬號認(rèn)證，通過應(yīng)用程序訪問通道內(nèi)的所有背書節(jié)點(diǎn)，選擇多家供電企業(yè)提供的充電服務(wù)，如圖3電動汽車充電交易運(yùn)行過程。該系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的高效運(yùn)行和數(shù)據(jù)的安全保護(hù)，電動汽車充電交易的自主管理，交易的公開透明和及時(shí)性。能夠充分體現(xiàn)出聯(lián)盟鏈在該電力資源系統(tǒng)的特征優(yōu)勢。但是框架中并未涉及運(yùn)營商之間的利潤博弈、對用戶的充電引導(dǎo)及系統(tǒng)的優(yōu)化維護(hù)等方面。

圖2 電動汽車充電交易網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Figure 2 Electric vehicle charging trading network architecture

圖3 電動汽車充電交易運(yùn)行過程Figure 3 Electric vehicle charging trading process

2.2 雙鏈?zhǔn)郊夹g(shù)架構(gòu)

隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的逐漸發(fā)展，單鏈存在信息孤島、存儲容量小的局限性逐漸顯現(xiàn)出來。為了有效地解決單鏈存在的問題，逐步向雙鏈并存的方向擴(kuò)展。雙鏈并存實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，不但能解決信息孤島問題，還能夠極大地提高區(qū)塊鏈的運(yùn)行效率，加大數(shù)據(jù)的存儲容量，同時(shí)能對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，完成數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一的操作，有效地提高系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率。

智能電表作為智能電網(wǎng)系統(tǒng)中重要的基礎(chǔ)物理設(shè)施，不但能為電力公司實(shí)時(shí)提供電力能源的消耗信息，還記錄著電力能源的基礎(chǔ)信息，所以其安全性至關(guān)重要。但是目前很少有針對智能電表數(shù)據(jù)安全的研究，文獻(xiàn)[16-18]提出了使用同態(tài)加密技術(shù)來解決數(shù)據(jù)隱私的問題，然而這些研究并沒有解決集中式數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)中的單點(diǎn)故障風(fēng)險(xiǎn)問題。文獻(xiàn)[19]提出了使用區(qū)塊鏈和同態(tài)加密相結(jié)合的雙層區(qū)塊鏈技術(shù)架構(gòu)，并以此技術(shù)架構(gòu)構(gòu)建了數(shù)據(jù)安全保密的分布式電表聚合框架。在該系統(tǒng)架構(gòu)中，區(qū)塊鏈作為一個(gè)分布式數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，通過共識機(jī)制促進(jìn)更加便捷高效的數(shù)據(jù)聚合和數(shù)據(jù)存儲。圖4所示為基于區(qū)塊鏈和同態(tài)加密相結(jié)合的雙層區(qū)塊鏈架構(gòu)。

圖4 基于區(qū)塊鏈和同態(tài)加密相結(jié)合的雙層區(qū)塊鏈架構(gòu)Figure 4 A two-layer blockchain architecture based on blockchain and homomorphic encryption

該架構(gòu)使用了雙層區(qū)塊鏈、多區(qū)域集群區(qū)塊鏈和廣域區(qū)塊鏈。集群區(qū)塊鏈就是根據(jù)智能電表的實(shí)際位置信息進(jìn)行分組，每個(gè)電表就是集群區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，在每個(gè)集群區(qū)塊鏈上都配有一個(gè)集群網(wǎng)關(guān)將集群區(qū)塊鏈與廣域區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。而廣域區(qū)塊鏈?zhǔn)怯刹煌木W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和變電站組成的，用來匯總多個(gè)集群鏈上采集的電表數(shù)據(jù)，然后系統(tǒng)管理員即可從廣域區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上訪問到這些可靠的數(shù)據(jù)。在此框架中，區(qū)塊鏈用來保護(hù)傳輸和存儲儀表數(shù)據(jù)，通過分布式共識機(jī)制促進(jìn)高效的數(shù)據(jù)聚合和存儲，采用多播技術(shù)來支持多對多的數(shù)據(jù)傳輸，避免了用廣播技術(shù)造成的計(jì)算負(fù)擔(dān)，采用橢圓曲線數(shù)字簽名算法來驗(yàn)證發(fā)送者的身份和數(shù)據(jù)完整性，以防止網(wǎng)絡(luò)攻擊對數(shù)據(jù)的篡改。

為了方便消費(fèi)者進(jìn)行電力資源交易，文獻(xiàn)[20]提出了雙層區(qū)塊鏈技術(shù)架構(gòu)，將智能合約和交易賬本存儲在兩條獨(dú)立的區(qū)塊鏈中，形成“合約鏈”、“賬本鏈”雙鏈并存架構(gòu)。智能合約主要嵌入加密密鑰功能，用來驗(yàn)證和監(jiān)控整個(gè)區(qū)塊鏈，合約鏈通過智能合約實(shí)現(xiàn)對用戶的功耗狀態(tài)進(jìn)行提醒，同時(shí)監(jiān)測用戶端和電腦端任何的惡意操作，在發(fā)現(xiàn)惡意操作時(shí)進(jìn)行警告，并撤銷其訪問權(quán)限，從而保證了監(jiān)控環(huán)境的安全性和可靠性。通過Merkel樹來檢測并防止未授權(quán)的區(qū)塊變更，從而達(dá)到區(qū)塊鏈的完整性。圖5為結(jié)合智能合約和交易賬本的雙層區(qū)塊鏈技術(shù)架構(gòu)。

圖5 結(jié)合智能合約和交易賬本的雙層區(qū)塊鏈技術(shù)架構(gòu)Figure 5 A two-layer blockchain technology architecture combining intelligent contracts and trading books

在智能電網(wǎng)系統(tǒng)中，智能電表是實(shí)時(shí)測量并監(jiān)控用戶用電數(shù)據(jù)的物理設(shè)備，通過無線設(shè)備將用戶的用電數(shù)據(jù)信息發(fā)送至能源提供商。在本雙區(qū)塊鏈模型中，將智能電表讀取的數(shù)據(jù)直接發(fā)送至合約鏈上，鏈中的智能合約對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和驗(yàn)證，實(shí)時(shí)更新到區(qū)塊鏈中。而賬本鏈，以分散的安全方式執(zhí)行，管理和驗(yàn)證各個(gè)用戶之間的信貸和能源交易。兩條鏈分工明確，極大地提高了系統(tǒng)執(zhí)行效率。該雙區(qū)塊鏈模型能夠有效避免數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一處理的操作，設(shè)計(jì)智能合約生成算法和聯(lián)盟協(xié)商算法實(shí)現(xiàn)信用和能源的完美交易。但是目前該雙鏈模型在一致性優(yōu)化和抵御網(wǎng)絡(luò)攻擊方面沒有涉及太多的研究。

2.3 多鏈?zhǔn)郊夹g(shù)架構(gòu)

在分布式電力資源系統(tǒng)與區(qū)塊鏈技術(shù)結(jié)合的過程中，由于在電力資源系統(tǒng)中各組件資源眾多，導(dǎo)致了系統(tǒng)管理低效、各資源的調(diào)度分散、不能及時(shí)有效地處理突發(fā)狀況等諸多問題[21]。為了能提升系統(tǒng)整體的運(yùn)行穩(wěn)定性和高效性，確保電力能源交易的公平、公正、公開，保證供電上的收益以及用戶的利益最大化，提高資源利用率，有效地進(jìn)行節(jié)能減排，文獻(xiàn)[22]運(yùn)用多個(gè)區(qū)塊鏈建立一個(gè)分布式智能電力能源系統(tǒng)(distributed intelligent power energy system,DIPES)，如圖6所示，多區(qū)塊鏈采用多鏈并存、多鏈互通的策略進(jìn)行分層分級管理。DIPES分為數(shù)據(jù)存儲與服務(wù)區(qū)塊鏈、資產(chǎn)管理區(qū)塊鏈、電力系統(tǒng)分析區(qū)塊鏈、智能合約運(yùn)營區(qū)塊鏈和交易支付區(qū)塊鏈，形成五環(huán)鏈結(jié)構(gòu)。各鏈分層設(shè)計(jì)，合約層、激勵層、共識層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層及應(yīng)用層，層層互聯(lián)互信，協(xié)同運(yùn)行能夠很好地解決傳統(tǒng)分布式能源系統(tǒng)組件多雜亂的難題。智能合約運(yùn)營區(qū)塊鏈從數(shù)據(jù)鏈、資產(chǎn)鏈、分析鏈中獲取數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行智能調(diào)度、安全運(yùn)營、協(xié)調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行。

圖6 分布式智能電力能源系統(tǒng)區(qū)塊鏈群：架構(gòu)與分層功能Figure 6 Distributed intelligent power energy system blockchain group:architecture and layered functions

在多鏈?zhǔn)郊軜?gòu)中，區(qū)塊鏈分別獨(dú)立運(yùn)行，每條區(qū)塊鏈劃為一個(gè)模塊，鏈鏈之間為模塊化的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的解耦合開發(fā)，每條鏈都可進(jìn)行獨(dú)立開發(fā)和功能優(yōu)化，統(tǒng)一數(shù)據(jù)調(diào)用的接口即可。數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈保證了數(shù)據(jù)的統(tǒng)一格式，避免了異構(gòu)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，保證了系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的融通性。在應(yīng)用層，可以嵌入其他的智能化業(yè)務(wù)邏輯，能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)擴(kuò)展以及電網(wǎng)資源的智能調(diào)度。

在區(qū)塊鏈群技術(shù)架構(gòu)下的分布式電力資源系統(tǒng)，能夠很好地實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)功能的擴(kuò)展和集中力量進(jìn)行各模塊的優(yōu)化和升級。數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一也保證了系統(tǒng)多種區(qū)塊鏈之間進(jìn)行異構(gòu)區(qū)塊鏈協(xié)同合作調(diào)用的可行性。該區(qū)塊鏈群模型提及更多的是關(guān)于區(qū)塊鏈的相關(guān)技術(shù)，對電力系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)提及較少，例如故障檢測和識別診斷、穩(wěn)定性及可靠性分析等。該區(qū)塊鏈群模型是由不同的區(qū)塊鏈模塊進(jìn)行自由組合形成的分布式智能電力資源運(yùn)行系統(tǒng)。

2.4 技術(shù)架構(gòu)對比分析

在電力能源系統(tǒng)中，電力數(shù)據(jù)資源的隱私保護(hù)越來越重要，區(qū)塊鏈技術(shù)借助數(shù)據(jù)防篡改、可追溯、加密安全等特征融合進(jìn)電力能源系統(tǒng)，進(jìn)而形成單鏈?zhǔn)?、雙鏈?zhǔn)胶投噫準(zhǔn)降哪茉磪^(qū)塊鏈系統(tǒng)，多鏈協(xié)作并存包含多條同鏈和多條異鏈的技術(shù)架構(gòu)。表2介紹了以上技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，并分析了它們之間的優(yōu)點(diǎn)與不足。

表2 技術(shù)架構(gòu)對比分析Table 2 Comparative analysis of technical architecture

3 能源區(qū)塊鏈應(yīng)用研究現(xiàn)狀

目前能源區(qū)塊鏈的研究發(fā)展迅速，諸多學(xué)者在能源區(qū)塊鏈中的調(diào)度、交易、數(shù)據(jù)安全和系統(tǒng)的整體優(yōu)化等諸多環(huán)節(jié)進(jìn)行了研究，針對這些應(yīng)用研究的核心內(nèi)容，本文從安全和優(yōu)化兩大方面對目前已有的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)分析。

3.1 安全方面

隨著智能電網(wǎng)的引入，安全性問題也隨之而來，智能電網(wǎng)的許多部分都可能成為非法攻擊和操縱的入口。典型的網(wǎng)絡(luò)物理攻擊有時(shí)間同步攻擊、GPS欺騙攻擊、拒絕服務(wù)攻擊和虛假數(shù)據(jù)注入(false data injection attacks,FDIS)攻擊。而在諸多的非法攻擊中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的惡意攻擊主要針對的是系統(tǒng)和數(shù)據(jù)層面，能源區(qū)塊鏈能夠很好地解決這兩方面的安全性問題。以下是針對安全問題，從數(shù)據(jù)安全和系統(tǒng)安全兩大方面對目前已有的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)分析。

3.1.1數(shù)據(jù)安全 為了保證用戶的用電細(xì)節(jié)對客戶本身透明化的同時(shí)保護(hù)好數(shù)據(jù)的隱私性，文獻(xiàn)[23]使用主權(quán)區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一種具有透明性、來源性和不變性的網(wǎng)格監(jiān)控平臺，引入智能電表對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，保證了客戶數(shù)據(jù)的安全性和用電數(shù)據(jù)對客戶自身的透明化。文獻(xiàn)[24]提出了一種面向聯(lián)盟區(qū)塊鏈噪聲的隱私保護(hù)方法并設(shè)計(jì)了威脅模型，旨在防御基本和高級的鏈接攻擊，進(jìn)而保護(hù)電網(wǎng)交易過程中的用戶隱私。文獻(xiàn)[25]提出了分散式電力市場交易平臺，采用許可鏈(前期部署私有鏈，成熟完善后向聯(lián)盟鏈過渡)，提高交易的數(shù)據(jù)安全性。文獻(xiàn)[26]提出使用區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式電力交易方法，保證交易的透明化和數(shù)據(jù)的隱私安全，同時(shí)設(shè)計(jì)了適合分布式電力進(jìn)行多邊交易的智能合約。文獻(xiàn)[27]提出了一種新型安全電力交易激勵契約模型，采用橢圓曲線雙線性的數(shù)字簽名技術(shù)，提高了交易信息的安全可靠性，使用一種實(shí)用的拜占庭容錯(practical Byzantine fault tolerance,PBFT)算法來保證數(shù)據(jù)塊的一致性，降低網(wǎng)絡(luò)延遲的同時(shí)提高了系統(tǒng)的吞吐量和高安全性。隨著智能電網(wǎng)的大力發(fā)展，多邊能源交易的研究和構(gòu)建基于數(shù)據(jù)隱私和數(shù)據(jù)安全的多能源交易平臺越來越多，電力市場主要包括中長期市場、現(xiàn)貨市場、輔助服務(wù)市場、容量市場等[28]。文獻(xiàn)[29]提出了采用聯(lián)盟區(qū)塊鏈和連續(xù)雙拍賣(continuous double auction,CDA)相結(jié)合的方式，對微電網(wǎng)直接電力交易隱私進(jìn)行保護(hù)的方案，有效地提高交易效率的同時(shí)還節(jié)省了成本，利用公平盲簽名技術(shù)生成筆名和筆名證書，實(shí)現(xiàn)連續(xù)雙拍賣中的身份隱私，采用(t，n)門限秘密共享技術(shù)，對可信第三方的私鑰進(jìn)行分發(fā)和恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)了分散化和用戶身份的可追溯性。文獻(xiàn)[30]提出了電網(wǎng)交易的新的區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)，并且融合了國產(chǎn)安全算法SM2和SM3，有力地保證了配電網(wǎng)電力交易過程的安全性。文獻(xiàn)[31]提出了一個(gè)基于安全私有區(qū)塊鏈(secure private blockchain,SPB)的框架，可以使得在不受中心機(jī)構(gòu)約束的情況下，一對能源節(jié)點(diǎn)可以直接進(jìn)行交易。如果賣方?jīng)]有及時(shí)承諾買方的能源需求，該交易則過期將被視為無效。這使得該框架能夠抵御一系列攻擊。為了提高分布式能源網(wǎng)交易的安全性，文獻(xiàn)[32]采用區(qū)塊鏈技術(shù)、多重簽名和匿名加密消息流等技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)基于令牌的私有分散式能源交易系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的集中交易解決方案相比，區(qū)塊鏈技術(shù)、多重簽名和匿名加密消息傳播流的適當(dāng)結(jié)合為分散式智能電網(wǎng)(smart grid,SG)能源交易提供了一個(gè)可行和可靠的方向，具有更高的隱私性和安全性。

針對電動汽車和充電樁的管理問題，現(xiàn)有的學(xué)者對充電樁的網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化管理的研究較多，而電動汽車與充電樁之間的安全管理問題很少提及。文獻(xiàn)[33]利用區(qū)塊鏈的匿名屬性來保護(hù)使用者的隱私，并將傳感器區(qū)塊鏈用于混合動力汽車的對等交易，有效地保證了電力交易的安全，但是這種方法在使用數(shù)據(jù)挖掘算法防御這些隱私攻擊時(shí)失敗了。文獻(xiàn)[34]設(shè)計(jì)了一種支持聯(lián)盟區(qū)塊鏈的方法，保證相鄰地理位置的安全能源交易的正常進(jìn)行，將交易信息存入?yún)^(qū)塊中，讓用戶來跟蹤和管理，但是沒有很好地解決交易數(shù)據(jù)的隱私保護(hù)問題。在文獻(xiàn)[35]中，區(qū)塊鏈技術(shù)被用來建立一個(gè)保護(hù)隱私的充電站選擇，基于區(qū)塊鏈提出了一種協(xié)議來尋找一個(gè)最優(yōu)的充電站，該充電站將公開招標(biāo)作為一種響應(yīng)機(jī)制，在協(xié)議執(zhí)行過程中不暴露用戶的地理位置，從而保護(hù)用戶的隱私。文獻(xiàn)[36]提出了一種基于區(qū)塊鏈融合閃電網(wǎng)絡(luò)與智能合約的分散式安全模型，簡稱為閃電網(wǎng)絡(luò)和智能合約(LNSC)模型，其包含了注冊階段、調(diào)度階段、認(rèn)證和計(jì)費(fèi)管理等階段，該模型大幅度提高電動汽車與充電樁之間交易的安全性。文獻(xiàn)[37]針對虛擬企業(yè)中安全漏洞隱患，電動汽車用戶較易受到攻擊的問題，提出了一種基于區(qū)塊鏈的能源供應(yīng)安全激勵方案，采用許可區(qū)塊鏈技術(shù)，創(chuàng)新性地引入一個(gè)安全的能量傳遞框架，保護(hù)節(jié)點(diǎn)在交易時(shí)免受攻擊，并提出了一個(gè)新的信譽(yù)證明(proof of reputation,PoR)一致性協(xié)議來驗(yàn)證程序負(fù)責(zé)分類賬管理，最后設(shè)計(jì)了基于apricing的激勵機(jī)制來實(shí)現(xiàn)區(qū)域能源平衡。文獻(xiàn)[38]提出了一個(gè)采用安全許可區(qū)塊鏈的私人充電樁共享方案，首先提出了一個(gè)基于能源區(qū)塊鏈的私人充電樁共享網(wǎng)絡(luò)框架，以增強(qiáng)分布式能源交易的安全性，通過多重簽名(Boneh-Lynn-Shacham,BLS)的實(shí)現(xiàn)，開發(fā)了一個(gè)有信譽(yù)的安全私人充電樁共享協(xié)議，有效地在區(qū)塊鏈中達(dá)成共識。該方案在提高了用戶充電的便捷性的同時(shí)保護(hù)其網(wǎng)絡(luò)免遭惡意攻擊。表3對以上能源交易和數(shù)據(jù)安全方面的研究進(jìn)行了總結(jié)和對比分析。

表3 能源數(shù)據(jù)安全分析Table 3 Energy data security analysis

3.1.2系統(tǒng)安全 為了提高智能電網(wǎng)系統(tǒng)的安全性，學(xué)者廣泛研究了幾種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的方法。關(guān)于不同區(qū)塊鏈保護(hù)機(jī)制的一般性討論見文獻(xiàn)[39]。文獻(xiàn)[40]利用智能合約來提高智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展性，同時(shí)保證了能源的智能交易。分布式電源的數(shù)量極多，其融入城市配電網(wǎng)后出現(xiàn)大量的區(qū)域型負(fù)荷不平衡和上級電源事故備用問題，文獻(xiàn)[41]提出了采用免疫遺傳算法進(jìn)行求解的考慮分布式電源并網(wǎng)安全約束的10 kV 配電網(wǎng)改接優(yōu)化模型，極大地解決了高密度分布式電源接入城市配電網(wǎng)后的區(qū)域型負(fù)荷不平衡和上級電源事故備用問題。文獻(xiàn)[42]提出了一種新的基于分布式區(qū)塊鏈的保護(hù)框架，與以上研究提出的類似，也是將電能表中獲得的數(shù)據(jù)封裝為塊，在整個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)中使用電能表作為節(jié)點(diǎn)，來增強(qiáng)電網(wǎng)的健壯性和安全性，增強(qiáng)現(xiàn)代電力系統(tǒng)抵御網(wǎng)絡(luò)攻擊的自我防御能力，但是目前該框架缺乏有效性和及時(shí)性。文獻(xiàn)[43]利用通用形式交替方向乘子法(alternating direction method of multipliers,ADMM)，提出了一種基于一致性的分布式優(yōu)化算法，采用分散最優(yōu)潮流(optimal power flow,OPF)模型，提高抵御網(wǎng)絡(luò)攻擊能力，并且不受中心代理的控制，能夠很好地保證數(shù)據(jù)的安全性。

常規(guī)電網(wǎng)系統(tǒng)向智能電網(wǎng)轉(zhuǎn)變中起著重要作用的多微電網(wǎng)(multi-microgrid,MMG)系統(tǒng)，由于其自身的開放性和分布式的架構(gòu)，將系統(tǒng)暴露在各種的惡意攻擊之中，其系統(tǒng)安全性面臨著重大的危險(xiǎn)。針對這一問題，文獻(xiàn)[44]設(shè)計(jì)了一種基于區(qū)塊鏈的智能電網(wǎng)MMG系統(tǒng)協(xié)同入侵檢測(cooperative intrusion detection,CID)方法，該方法研究出了一種可以使周期模式和觸發(fā)模式相結(jié)合的方案生成方法，為了解決分布式檢測結(jié)果的數(shù)據(jù)一致性問題，還設(shè)計(jì)了一種關(guān)聯(lián)度和檢測系數(shù)并存的委托利害關(guān)系證明(delegated proof of stake,DPoS)改進(jìn)算法，該方法能極大地提高系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的安全性。文獻(xiàn)[45]提出了一個(gè)微電網(wǎng)安全隨機(jī)能量管理框架，該框架使用了利用有向無環(huán)圖(directed acyclic graph,DAG)進(jìn)行改進(jìn)的區(qū)塊鏈方法，還提出了一種新的數(shù)據(jù)恢復(fù)技術(shù)，并采用salt加密方法來增強(qiáng)區(qū)塊鏈SHA-256散列編碼的安全性，提高了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的安全性、降低了風(fēng)險(xiǎn)，從而消除了財(cái)務(wù)欺詐，降低了運(yùn)營總成本。由于區(qū)塊鏈P2P系統(tǒng)中的用戶和礦工可能表現(xiàn)出自私或相互勾結(jié)的行為，為了避免此類事件的發(fā)生，文獻(xiàn)[46]提出了一種安全的驗(yàn)證方法和定價(jià)策略，并將其整合到激勵機(jī)制。在整個(gè)分布式智能電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，能源的安全和數(shù)據(jù)的隱私保護(hù)是其重要的部分，文獻(xiàn)[47]利用區(qū)塊鏈技術(shù)和邊緣計(jì)算技術(shù)，提出了一種智能電網(wǎng)許可區(qū)塊鏈邊緣模型(permissioned blockchain edge model for smart grid network,PBEM-SGN)，該模型使用秘密通道授權(quán)技術(shù)加群簽名技術(shù)來保證用戶的合法性。文獻(xiàn)[48]利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)并且采用FPGrowth和KNN 算法對停電事故數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)和漏洞所在，有效提升了電網(wǎng)平臺的安全平穩(wěn)運(yùn)行。Kim等研究了利用區(qū)塊鏈技術(shù)為智能電動汽車運(yùn)營創(chuàng)建可信網(wǎng)絡(luò)的重要前景，通過他的計(jì)劃，在網(wǎng)絡(luò)受到攻擊時(shí)及時(shí)處理，避免造成嚴(yán)重后果，保障了電動汽車運(yùn)營的安全[49]。

根據(jù)以上研究，分別提出了在不同的應(yīng)用場景下的相關(guān)研究應(yīng)用，應(yīng)用場景可分為幾大類：分布式電源大量接入問題、多微電網(wǎng)架構(gòu)安全性保障、微電網(wǎng)能量安全管理、電網(wǎng)系統(tǒng)停電事故分析等四大應(yīng)用場景。表4對以上能源系統(tǒng)安全方面的研究進(jìn)行了總結(jié)和對比分析。

表4 能源系統(tǒng)安全分析Table 4 Energy system security analysis

3.2 優(yōu)化方面

能源區(qū)塊鏈快速發(fā)展的同時(shí)，亟須解決如何將系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)模塊高效地調(diào)度運(yùn)行、如何使系統(tǒng)內(nèi)的交易更加高效安全、如何提升系統(tǒng)整體的運(yùn)行效率和降低成本等問題。針對以上三類問題，本文從調(diào)度優(yōu)化、交易優(yōu)化和系統(tǒng)優(yōu)化的三個(gè)方面對目前已有的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)分析。

3.2.1調(diào)度優(yōu)化 能源互聯(lián)網(wǎng)中的電力調(diào)度就是使用一定控制方法，來優(yōu)化微電網(wǎng)的發(fā)電特性。基于區(qū)塊鏈的電力調(diào)度系統(tǒng)，可以充分利用數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠且不可修改的特性，進(jìn)行電力需求的預(yù)測、電力交易的管理和指定調(diào)度計(jì)劃。文獻(xiàn)[50]探討了在電力資源調(diào)度機(jī)制中，利用區(qū)塊鏈的去中心化設(shè)計(jì)垂直分級的調(diào)度策略，并且使得多級變電站進(jìn)行協(xié)同調(diào)度，形成“橫向多源互補(bǔ)”、“縱向協(xié)同調(diào)度”的能源互聯(lián)網(wǎng)模式。文獻(xiàn)[51]結(jié)合區(qū)塊鏈的智能合約技術(shù)，提出了多時(shí)間段的微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法，提升了系統(tǒng)的調(diào)度效率。區(qū)塊鏈與電力系統(tǒng)的融合成功地加快了電網(wǎng)系統(tǒng)的計(jì)算速度，數(shù)據(jù)上鏈保證其安全?，F(xiàn)有部分傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)極易造成能源損耗和資源利用率低的問題，文獻(xiàn)[52]提出基于區(qū)塊鏈的能源電力供需網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化模型，結(jié)合區(qū)塊鏈自身特性，利用其激勵機(jī)制，實(shí)現(xiàn)能源電力供需網(wǎng)協(xié)調(diào)控制分布式能源獨(dú)立并網(wǎng)的行為，采用協(xié)作型協(xié)同進(jìn)化算法(coexistence co-evolutionary algorithm,CCEA)，建立成本低、最小有功損耗等目標(biāo)函數(shù)的調(diào)度優(yōu)化模型進(jìn)行求解，達(dá)到節(jié)省運(yùn)行成本和降低損耗的目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大量分布式電源獨(dú)立并網(wǎng)的要求。電力能源方面，清潔能源的優(yōu)化配置能夠大大提高電力系統(tǒng)的利用率以及運(yùn)行性能，于是文獻(xiàn)[53]采用區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建框架，從框架中獲取數(shù)據(jù)，再對數(shù)據(jù)采用模型預(yù)測控制方法，選用以太坊Balance模型作為賬戶模型，使用部分去中心化的聯(lián)盟區(qū)塊鏈作為區(qū)塊鏈模型，優(yōu)化微電網(wǎng)調(diào)度大幅度提升能源的利用率和電力交易時(shí)準(zhǔn)確預(yù)測負(fù)荷功率，提升微電網(wǎng)整體的經(jīng)濟(jì)收益。文獻(xiàn)[54]提出區(qū)塊鏈虛擬電廠網(wǎng)絡(luò)模型，進(jìn)而提出了一種改進(jìn)的虛擬電廠運(yùn)行與調(diào)度的模型，同時(shí)，借助區(qū)塊鏈自身的特色，能夠保證數(shù)據(jù)的安全性和存儲的安全性。利用該模型可以實(shí)時(shí)地反映需求側(cè)信息，并且可以根據(jù)海量數(shù)據(jù)生成的分析結(jié)果以及數(shù)據(jù)的基層參數(shù)優(yōu)化調(diào)整發(fā)電計(jì)劃。利用區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的安全性和透明公開性，保證了數(shù)據(jù)流通時(shí)的安全性和存儲的安全性，同時(shí)也保證了虛擬電廠的信息透明和穩(wěn)定的智能調(diào)度。不足的是區(qū)塊鏈僅僅充當(dāng)了數(shù)據(jù)存儲工具，系統(tǒng)的調(diào)度與運(yùn)行仍依賴于中心化機(jī)構(gòu)參與。

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)調(diào)度主要采用集中式算法，但是集中式算法并不能很好地適用于每個(gè)電力資源的調(diào)度，所以需要一些分布式算法來解決相關(guān)問題，文獻(xiàn)[55]提出了一個(gè)對電動汽車換電站進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度的三層分布式算法，三層分別為：輸電網(wǎng)、配電網(wǎng)運(yùn)營商、電車站。最后又將三層優(yōu)化進(jìn)一步分為兩個(gè)雙層優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果存儲在聯(lián)盟區(qū)塊鏈上，數(shù)據(jù)由聯(lián)盟共同維護(hù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的安全性和調(diào)度的優(yōu)化。文獻(xiàn)[56]提出了一種電動汽車充電協(xié)調(diào)方法,以公平和安全的方式分配初始充電功率配額，實(shí)現(xiàn)了充電功率配額的優(yōu)化分配。電力系統(tǒng)涉及電動汽車的電池交換站，在分布式調(diào)度中很難保證數(shù)據(jù)的安全性，文獻(xiàn)[57]利用區(qū)塊鏈技術(shù)中的共識機(jī)制建立分布式調(diào)度協(xié)同優(yōu)化模型。該模型將系統(tǒng)分層，分別為：傳輸網(wǎng)絡(luò)、配電網(wǎng)絡(luò)和電池交換站三個(gè)層次，并且采用基于PBFT的多智能體協(xié)商機(jī)制完整準(zhǔn)確地傳輸數(shù)據(jù)，減少發(fā)電成本，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。表5對以上能源調(diào)度優(yōu)化方面的研究進(jìn)行了總結(jié)和對比分析。

表5 能源調(diào)度優(yōu)化分析Table 5 Energy scheduling optimization analysis

3.2.2交易優(yōu)化 在現(xiàn)有的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，針對分布式微電網(wǎng)的交易優(yōu)化方面，文獻(xiàn)[58]構(gòu)建了一個(gè)結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)的海量用戶直接進(jìn)行購電交易框架，提升了用戶直接購電的交易效率。隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的成熟，逐漸出現(xiàn)了多鏈并行的技術(shù)，即異構(gòu)區(qū)塊鏈，文獻(xiàn)[59]總結(jié)了在多能交易體系中異構(gòu)區(qū)塊鏈的合適性及相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。文獻(xiàn)[60]將區(qū)塊鏈技術(shù)融入微電網(wǎng)系統(tǒng)，管理系統(tǒng)中電力能源與需求側(cè)的響應(yīng)交易，能夠降低交易成本的同時(shí)保證交易的安全。文獻(xiàn)[61]提出一個(gè)基于區(qū)塊鏈的集成能源管理平臺，在該平臺下可在實(shí)現(xiàn)雙邊貿(mào)易機(jī)制的同時(shí)優(yōu)化微電網(wǎng)中的能源流，通過制定最佳潮流問題來遵守微電網(wǎng)中的物理約束條件，該問題會在單個(gè)優(yōu)化問題中與雙邊交易機(jī)制結(jié)合在一起，使用交替方向方法用于分解問題以實(shí)現(xiàn)分布式優(yōu)化，智能合約用作虛擬聚合器。微電網(wǎng)的逐漸龐大，促使分布式電源與用戶直接進(jìn)行交易，文獻(xiàn)[62]設(shè)計(jì)了一個(gè)使用區(qū)塊鏈輔助的分布式雙拍賣機(jī)制，能推進(jìn)對等能源的交易，采用區(qū)塊鏈以分布式和異步的方式計(jì)算雙拍賣贏家確定問題。文獻(xiàn)[63]提出了一個(gè)采用區(qū)塊鏈技術(shù)和連續(xù)雙向拍賣機(jī)制相結(jié)合的微電網(wǎng)電力交易模式及報(bào)價(jià)方法，但是該方法只能滿足微電網(wǎng)中小規(guī)模的分散式低成本交易。運(yùn)用區(qū)塊鏈的智能合約能夠極大提高電網(wǎng)系統(tǒng)的智能化。文獻(xiàn)[64]提出了用戶多余電量交易的去中心化的多邊交易模型，改進(jìn)的智能合約能夠執(zhí)行偏差電量的多邊拍賣。文獻(xiàn)[65]設(shè)計(jì)了一種電力交易部分去中心化的方案和對交易阻塞管理的方法，能夠提升電能資源交易的自主性和時(shí)效性。文獻(xiàn)[66]提出了一種新的分布式電力競價(jià)交易算法，該算法結(jié)合了有序聚合簽名、保序加密算法和哈希算法，交易的生成和驗(yàn)證過程的速度都得到了大幅度提高?；谲浖x網(wǎng)絡(luò)(software defined network,SDN)的電力能源國際化分布式可再生能源體系結(jié)構(gòu)也正從傳統(tǒng)的集中式交易模式向分布式轉(zhuǎn)變，文獻(xiàn)[67]提出了一種結(jié)合SDN和區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式電網(wǎng)的能源交易方法，該方法能夠在保護(hù)數(shù)據(jù)隱私的前提下保證匹配交易對象的合理性，使電能的交易在分布式環(huán)境中安全、可靠地進(jìn)行。文獻(xiàn)[68]提出了一種信用貸款的最優(yōu)定價(jià)方法，該方法使用了Stackelberg博弈算法，提高信貸銀行的經(jīng)濟(jì)效益。針對交易大量生成引發(fā)的運(yùn)營開銷的增長問題以及指數(shù)增長的交易數(shù)據(jù)的存儲等問題，文獻(xiàn)[69]提出了一系列在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中采用區(qū)塊鏈技術(shù)的安全私有P2P能量交易方法。文獻(xiàn)[70]針對電力交易存儲問題提出了優(yōu)先考慮本地化自給自足的方案，降低了數(shù)據(jù)鏈的長度和能量運(yùn)輸?shù)某杀鞠?。文獻(xiàn)[71]引入了P2P交易中的能量資源優(yōu)化，將最優(yōu)潮流模型存儲在區(qū)塊鏈中。文獻(xiàn)[72]提出了一個(gè)采用雙區(qū)塊鏈并行的技術(shù)方案，同時(shí)研究出一種高頻高效的驗(yàn)證方法，能夠極大地提升電力資源P2P效率，提高了系統(tǒng)的安全性，將區(qū)塊鏈技術(shù)與多代理技術(shù)(multi-agent)相結(jié)合，形成了以各自為層的雙層次電力交易系統(tǒng)。Multi-agent系統(tǒng)層，用來解決消費(fèi)者協(xié)商定價(jià)的問題；區(qū)塊鏈層，提供安全可靠的交易環(huán)境。在文獻(xiàn)[73]中，提出了一個(gè)交換太陽能的區(qū)塊鏈平臺。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要分支——插電式混合動力汽車(plug-in hybrid electric vehicle,PHEV)交易，為了解決PHEV在本地進(jìn)行電力買賣交易的難題，文獻(xiàn)[33]提出了一種采用區(qū)塊鏈封鎖協(xié)議的本地化P2P電力交易系統(tǒng)，PHEV之間的電價(jià)和交易電量通過迭代的雙重拍賣機(jī)制解決，有效提高了本地電力交易的效率。在文獻(xiàn)[74]中，采用聯(lián)盟區(qū)塊鏈技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)對電混汽車的充電引導(dǎo)技術(shù)框架，能夠很好地引導(dǎo)電混汽車的充電。文獻(xiàn)[75]提出了采用冰山算法和分散自適應(yīng)區(qū)塊鏈技術(shù)的電動汽車參與方法，能夠有效地降低功率的波動水平，應(yīng)對電動汽車的充放電需求。文獻(xiàn)[76]總結(jié)了區(qū)塊鏈技術(shù)在智能電網(wǎng)系統(tǒng)中的諸多應(yīng)用場景，提出了分散式機(jī)器之間的智能交互方法，進(jìn)一步地將電力資源的交易歷史記錄上鏈存儲。文獻(xiàn)[77]提出了一個(gè)基于智能合約的能源區(qū)塊鏈系統(tǒng)，智能合約自動執(zhí)行電動汽車的充放電，并設(shè)計(jì)了一個(gè)改進(jìn)的拜占庭容錯算法，提升許可區(qū)塊鏈的一致性。然而，上述研究主要針對電動汽車的充放電場景，并未考慮多個(gè)充電站經(jīng)營者建設(shè)充電站的場景，文獻(xiàn)[78]提出了一種基于聯(lián)盟鏈的出租車收費(fèi)指導(dǎo)技術(shù)架構(gòu)，使得電動出租車可以在線預(yù)訂服務(wù)，允許多個(gè)充電站運(yùn)營商提供電力資源，并設(shè)計(jì)了量子行為粒子群優(yōu)化的電動出租車充電指導(dǎo)算法，最大限度地降低各方成本。表6對以上能源交易優(yōu)化方面的研究進(jìn)行了總結(jié)和對比分析。

表6 能源交易優(yōu)化分析Table 6 Energy transaction optimization analysis

3.2.3系統(tǒng)優(yōu)化 能源區(qū)塊鏈的技術(shù)架構(gòu)發(fā)展迅速的同時(shí)也帶來了很多的問題，如系統(tǒng)性能降低、共識算法解析復(fù)雜、數(shù)據(jù)安全驗(yàn)證時(shí)效低及整體系統(tǒng)的運(yùn)行協(xié)調(diào)能力差等問題。為了提升區(qū)塊鏈技術(shù)下的多微電網(wǎng)市場的運(yùn)行效率，文獻(xiàn)[79]通過博弈論算法創(chuàng)造了一個(gè)多級微電網(wǎng)優(yōu)化配置模型，對各種投資主體的利益關(guān)系進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[80]設(shè)計(jì)了一個(gè)諸多微電網(wǎng)之間進(jìn)行聯(lián)盟控制的博弈模型，能夠提升微電網(wǎng)之間的交互運(yùn)行效率。文獻(xiàn)[81]建立了微電網(wǎng)內(nèi)部的功率優(yōu)化和博弈的競價(jià)兩大模型，以解決多微電網(wǎng)配電側(cè)的需求響應(yīng)問題。文獻(xiàn)[82]介紹了一種不需要信任機(jī)構(gòu)監(jiān)督的自動進(jìn)行無功交易的智能合約。文獻(xiàn)[83]研究了一個(gè)用虛擬電廠聚合器和新型事務(wù)控制的電力資源存儲系統(tǒng)應(yīng)用，對住宅用戶電力資源進(jìn)行管理，并且設(shè)計(jì)了一種新的能量證明協(xié)議，用來作為分布式分類賬技術(shù)管理中的能量交換候選協(xié)議，促進(jìn)可持續(xù)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。為了促進(jìn)清潔能源的大力發(fā)展，文獻(xiàn)[84]設(shè)計(jì)了一個(gè)基于區(qū)塊鏈的用戶偏好的去中心化配置電能方案，使用智能合約對偏好和綜合評估進(jìn)行約定，降低了多元用戶之間的耦合度，促進(jìn)電力能源高效利用，使電價(jià)的成本成為導(dǎo)向，提升清潔能源在電力能源市場中的消費(fèi)占比。文獻(xiàn)[85]在微電網(wǎng)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一種符合數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)特征的區(qū)塊結(jié)構(gòu)，對數(shù)據(jù)層的處理得到簡化。在能源區(qū)塊鏈的底層技術(shù)的研究方面，文獻(xiàn)[86]建立了一個(gè)電力系統(tǒng)凸優(yōu)化的能源區(qū)塊鏈底層技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種凸優(yōu)化證明的共識方法，提升了系統(tǒng)吞吐量的性能。在大規(guī)模分布式電源獨(dú)立并網(wǎng)方面，文獻(xiàn)[87]提出了結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠模型，該模型的協(xié)調(diào)控制可使大量分布式電源進(jìn)行獨(dú)立并網(wǎng)，組合多起點(diǎn)變鄰域下降算法和局部搜索算法來優(yōu)化虛擬電廠的調(diào)度問題。物聯(lián)網(wǎng)的能源供應(yīng)需求也是研究的熱點(diǎn)，文獻(xiàn)[88]針對分散的能源按需供應(yīng)進(jìn)行了研究，將能量分配問題轉(zhuǎn)化為Stackelberg博弈，并采用反向歸納法實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)中微網(wǎng)和礦商的最優(yōu)利潤策略。文獻(xiàn)[89]設(shè)計(jì)了一種將上網(wǎng)電價(jià)和靈活的電網(wǎng)接入方式相結(jié)合的混合激勵方法，將加速分散式能源擴(kuò)散在當(dāng)代能源系統(tǒng)中。

電力能源網(wǎng)絡(luò)正在向信息物理融合系統(tǒng)(cyber-physical systems,CPS)、區(qū)塊鏈架構(gòu)下的能源信息物理融合系統(tǒng)遞進(jìn)式轉(zhuǎn)變，針對系統(tǒng)中的多元主體間的博弈競爭問題，文獻(xiàn)[90]融合區(qū)塊鏈和蟻群算法，提出了一個(gè)改進(jìn)的蟻群優(yōu)化算法，在多目標(biāo)問題下全局的搜索能力、收斂能力和求解效率大大提高，促進(jìn)了物理信息流的融合。文獻(xiàn)[91]提出了電力信息物理融合系統(tǒng)數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈的生成算法，此算法完成系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集，解決了系統(tǒng)中數(shù)據(jù)交互的安全可信性問題，為了達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚傩?，提出了一種改進(jìn)的節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)交換方案,針對數(shù)據(jù)驗(yàn)證時(shí)效性，設(shè)計(jì)了一個(gè)采用排隊(duì)論和數(shù)據(jù)特征對比的電力CPS數(shù)據(jù)驗(yàn)證算法，大大縮短了數(shù)據(jù)驗(yàn)證時(shí)間。表7對以上能源系統(tǒng)優(yōu)化方面的研究進(jìn)行了總結(jié)和對比分析。

表7 能源系統(tǒng)優(yōu)化分析Table 7 Energy system optimization analysis

4 未來發(fā)展趨勢

盡管目前區(qū)塊鏈技術(shù)在多能源互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中還面臨著諸多難以突破的技術(shù)難點(diǎn)，但能源區(qū)塊鏈仍有著巨大的發(fā)展空間，區(qū)塊鏈技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)的適用性及兩者天然的耦合度，兩者的融合勢必具有廣闊的發(fā)展前景，未來可以創(chuàng)建區(qū)塊鏈一體化能源系統(tǒng)，有效促進(jìn)清潔能源的產(chǎn)量和能源的及時(shí)高效消費(fèi)利用，提高地區(qū)性能源的綜合利用率，保證其經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。區(qū)塊鏈技術(shù)在未來能源互聯(lián)網(wǎng)平臺中有著巨大的潛在應(yīng)用前景，能夠向分散和自我執(zhí)行的方向發(fā)展，而在共識機(jī)制、加密方法和驗(yàn)證機(jī)制的強(qiáng)大算法下，區(qū)塊鏈系統(tǒng)可以解決新興場景中的若干問題。利用區(qū)塊鏈技術(shù)建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)的全國分布式系統(tǒng)，將諸多的分布式電力系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，形成強(qiáng)大的能源網(wǎng)，能夠有效地管理和管控全國的能源，實(shí)現(xiàn)解決全國性的能源區(qū)域不平衡以及能源的高效協(xié)調(diào)利用等問題。

在未來，對可再生能源、多能源互聯(lián)的生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建上，區(qū)塊鏈能夠起到安全、高效、信任的作用。“多能源電力系統(tǒng)互補(bǔ)協(xié)調(diào)調(diào)度與控制”作為重點(diǎn)專項(xiàng)計(jì)劃，將大力發(fā)展多能源協(xié)調(diào)規(guī)劃、調(diào)度與控制的新型分布式多能源融合系統(tǒng)，區(qū)塊鏈技術(shù)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等作為關(guān)鍵技術(shù)，是未來大力發(fā)展和研究的重點(diǎn)技術(shù)。共識機(jī)制的確定，是權(quán)衡各節(jié)點(diǎn)通信能力、認(rèn)證效率和資源消耗比例以及安全性等多方面的結(jié)果。多能源管理和區(qū)塊鏈相輔相成，“區(qū)塊鏈+能源管理”或?qū)⑹俏磥黼娏δ茉唇?jīng)濟(jì)的主流發(fā)展趨勢。

5 結(jié)語

區(qū)塊鏈技術(shù)作為一種新的數(shù)據(jù)庫技術(shù)和分布式賬本技術(shù)，憑借自身去中心化、公開透明、分對稱加密、共識算法等特性與能源互聯(lián)網(wǎng)的理念、需求相符，區(qū)塊鏈能源互聯(lián)網(wǎng)在未來具備高潛力的應(yīng)用范圍。通過對諸多的能源區(qū)塊鏈政策，以及落地的典型應(yīng)用項(xiàng)目的介紹，說明了區(qū)塊鏈技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)上的高熱度和高可行性，通過對能源區(qū)塊鏈現(xiàn)有的典型技術(shù)架構(gòu)的介紹，說明了目前能源領(lǐng)域中運(yùn)用區(qū)塊鏈技術(shù)已經(jīng)形成了單鏈?zhǔn)?、雙鏈?zhǔn)揭约岸噫湶⒋娴募夹g(shù)架構(gòu)，有望在能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)用區(qū)塊鏈技術(shù)形成龐大的能源網(wǎng)絡(luò)。在基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電力資源調(diào)度層面，一方面能夠很好地滿足調(diào)度層面部分去中心化的要求，另一方面又保證了系統(tǒng)的可靠安全性監(jiān)管和對數(shù)據(jù)的安全存儲保密；在基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電力資源交易層面，一方面能夠保證電力交易的安全進(jìn)行，另一方面也能為電力交易數(shù)據(jù)的安全提供保障；在基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電力資源系統(tǒng)和安全層面，一方面能夠很好地為系統(tǒng)整體的優(yōu)化控制和協(xié)調(diào)提供便利，另一方面，也能夠?yàn)橄到y(tǒng)的整體安全提供強(qiáng)有力的保障。區(qū)塊鏈技術(shù)融進(jìn)能源互聯(lián)網(wǎng)的各個(gè)業(yè)務(wù)層面，努力解決能源系統(tǒng)中的諸多問題，能夠?yàn)槟茉椿ヂ?lián)網(wǎng)的發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障。

本文將諸多學(xué)者對能源區(qū)塊鏈的研究進(jìn)行了總結(jié)和分析，將現(xiàn)階段的能源區(qū)塊鏈技術(shù)架構(gòu)分為單鏈?zhǔn)健㈦p鏈?zhǔn)胶投噫準(zhǔn)讲⑦M(jìn)行了對比分析；將現(xiàn)階段的能源區(qū)塊鏈研究分為安全、優(yōu)化兩大方面，安全又細(xì)分為數(shù)據(jù)安全和系統(tǒng)安全兩個(gè)方面，優(yōu)化細(xì)分為調(diào)度優(yōu)化、交易優(yōu)化和系統(tǒng)優(yōu)化三個(gè)方面，并對這三方面分別進(jìn)行了詳細(xì)的總結(jié)分析。希望本文能夠?yàn)槟茉椿ヂ?lián)網(wǎng)研究者對“區(qū)塊鏈+能源”的模式發(fā)展研究提供參考。