區塊鏈技術在區域能源微網中的應用

協鑫集團設計研究總院 ■ 王惠 李義強 潘俊

0 引言

區塊鏈技術脫胎于比特幣，在2008年中本聰發表的《比特幣：一種點對點的電子現金系統》一文中，區塊(Block)和鏈(Chain)作為比特幣系統的核心技術被提出[1]。區塊鏈是一種廣泛應用于新興數字加密貨幣的去中心化基礎架構，并隨著比特幣的逐漸被接受而受到關注和研究，基于區塊鏈技術所構建的共享經濟生態環境能夠促進分散化系統的發展和趨優[2]。區塊鏈技術的突出優勢在于去中心化設計，通過運用加密算法、時間戳、樹形結構、共識機制和獎勵機制，在節點無需第三方信任的分布式網絡中實現基于去中心化信用的點到點交易[3]。該技術是由區塊有序鏈接起來形成的一種數據結構，其中，區塊是指數據的集合，相關信息和記錄都包括在里面，是形成區塊鏈的基本單元，為了保證區塊鏈的可追溯性，每個區塊都會帶有時間戳，作為獨特的標記[4]。

里夫金在《第三次工業革命》一書中指出：第三次工業革命以眾多的能源采集點收集起來的可再生能源為基礎，通過智能網絡整合、分配，最大限度地實現能源的高效利用并維持經濟可持續發展[5]。該書中提出，可再生能源和互聯網技術結合起來的革命將改變整個世界，此觀點也得到相關領域專家和多國領導人的肯定。當前，隨著我國遴選了眾多“多能互補”和“能源微網”等示范項目，并頒布了相關扶持政策來大力發展“能源互聯網”，越來越多的能源企業和互聯網企業開始加入到能源互聯網的大軍中。

區塊鏈技術可解決目前中心化交易模式中可靠性差、安全性低、成本高、效率低等問題，并具有可追溯性[3]。將區塊鏈技術應用于能源系統中，尤其是應用于區域能源微網中，對于能源互聯網的發展和應用具有重要意義。

1 研究發展現狀

區塊鏈技術的發展可分為3個階段：區塊鏈1.0，屬于數字貨幣，主要是解決貨幣和支付手段的去中心化問題；區塊鏈2.0，通過智能合約的方式實現其他類別資產的轉換，突破了僅在貨幣領域的區塊鏈應用，實現了市場交易的去中心化；區塊鏈3.0，在前2個階段的基礎上發展了分布式人工智能和組織，充分發揮了網絡的自組織、分布式互信特征，可解決自動需求響應市場中的一切信用行為，現有的征信模式將被徹底重構[6]。目前區塊鏈技術發展正處于第2個階段，在金融領域的應用研究較多，相關企業也在不斷增多，而在能源領域的應用才剛剛受到關注。

國際上關于區塊鏈的研究與應用表現出聯盟化、金融級、全盤布局的特點，主要參與對象既有大型商業銀行、銀行卡組織，也有科技公司、咨詢公司，意在對金融基礎設施進行優化和重構。國際上主要的區塊鏈聯盟是由R3CEV公司發起的R3區塊鏈聯盟，該聯盟由全球主要銀行財團共同參與，目前其成員機構數量超過70家；除了有一批國內金融機構相繼加入外，也出現了個別金融巨頭的退出(部分行業巨頭的相繼退出，可能與未在R3融資中獲得更大權益有關，也可能與聯盟溝通成本提高、影響商業化效率有關 )。

金融機構通過與區塊鏈科技公司合作，協助業務設計和開發。瑞士銀行、德意志銀行、桑坦德銀行、紐約梅隆銀行和ICAP宣布與區塊鏈企業Clearmatics共同發行基于區塊鏈技術的新型“結算專用幣”(Utility Settlement Coin)，用于金融市場交易結算及清算過程，希望有效減少支付清算成本、加快清算速度、保證資金安全；三菱東京日聯銀行與IBM進行區塊鏈合同管理試驗，利用區塊鏈技術開展與合作伙伴簽署合同時的設計、運營和執行；富國銀行與澳新銀行合作開發區塊鏈平臺，以創建和共享大量關系銀行賬戶，提高跨境關系銀行的支付和結算速度。

傳統科技公司和咨詢公司也展開了對區塊鏈技術的研究與應用，為了增強合作的基礎和吸引力，部分企業選擇將區塊鏈源代碼開源。IBM以區塊鏈技術為基礎，通過Linux基金會發起了開源項目Hyperledger，意在提供金融級別的區塊鏈解決方案，推進區塊鏈行業標準形成；2016年12月，R3向全球(不僅限聯盟成員)公開發布分布式賬本平臺Corda源代碼，并在Corda.net網站為開發者和愛好者提供補充材料。

2016年，國內對區塊鏈的研究熱度也出現了爆發式增長。中國人民銀行、商業銀行等金融機構均展開了相關研究，但仍主要處于概念性驗證和原型實驗階段，市場主體紛紛采取不同策略、基于不同業務場景，推動該技術的應用和普及。國內也成立多個區塊鏈聯盟，如中關村區塊鏈產業聯盟、ChinaLedger聯盟、金融區塊鏈合作聯盟、陸家嘴區塊鏈金融發展聯盟等。

國內商業銀行及其他金融機構開始通過與區塊鏈科技公司合作，協同探索基于區塊鏈的創新型業務場景。中國郵政儲蓄銀行與IBM合作推出基于區塊鏈技術的資產托管系統；浙商銀行與趣鏈科技合作推出基于區塊鏈技術的移動數字匯票應用；招商銀行實現將區塊鏈技術應用于全球現金管理領域的跨境直連清算、全球賬戶統一視圖及跨境資金歸集3大場景。

國內的一些創業科技公司和開發者也相繼發布區塊鏈應用。螞蟻金服推出區塊鏈公益項目，主要應用于支付寶的愛心捐贈平臺，以解決善款去向透明度的問題；萬達網絡與百望股份合作推進“區塊鏈+電子發票”財稅一體化解決方案、“區塊鏈+供應鏈”解決方案的POC驗證。此外，萬向區塊鏈實驗室、小蟻、布比科技等均實施了較有影響力的區塊鏈創業項目[7]。

雖然區塊鏈技術在能源領域的相關研究主要集中在近一年內，但國內的專家學者對區塊鏈技術在我國能源領域的應用分析已經取得了一定的研究成果[8]：

1)學術研究領域：在對區塊鏈和能源互聯網典型特征進行匹配分析的基礎上，對區塊鏈技術在能源互聯網領域的應用模式進行了初探，提出了區塊鏈在需求側管理、電能計量和市場交易、電力市場輔助服務等領域的應用場景。

2)研究團隊建設方面：部分企業和科研院所已經建立了針對區塊鏈在能源領域應用分析的實驗室，如，北京能鏈眾合科技有限責任公司建立的能源區塊鏈實驗室、大同市政府投資建立的北京大同區塊鏈技術研究院、浙江省電力公司電力科學研究院創立的能源區塊鏈研究團隊等。

本文主要對區塊鏈技術在區域能源微網中的應用及交易模式進行了總結，并總結了區塊鏈技術及其推廣所面臨的問題。

2 區塊鏈技術在區域能源微網中的應用

區塊鏈是采用鏈式結構的數據存儲方式，具有防篡改的特性。區塊頭中記錄上一區塊的信息，并且當前時段之前的所有交易信息都會以鏈式區塊的形式在系統中進行記錄，這樣的鏈式結構可使用戶對交易信息進行查詢和追蹤。如果區塊鏈中某一用戶(包括系統管理員)想要篡改某一區塊的信息，就需要對當前區塊之后的所有區塊中記錄的數據進行篡改，區塊鏈中所有的用戶便會知曉。區塊鏈的這種防篡改特性使得區塊鏈中存儲了大量的分布式數據，如果區塊鏈中的用戶過多，便會面臨存儲空間的問題。因此，在能源微網中采用區塊鏈技術，可充分發揮區塊鏈技術的優勢，并可避免存儲空間的問題。圖1為中心化和區塊鏈去中心化網絡圖[9]。

圖1 中心化和去中心化示意圖

微網中所有用戶的區塊鏈管理平臺構成了區塊鏈網絡，在該網絡中沒有數據中心，每一個用戶的區塊鏈管理平臺都是一個獨立的管理中心，每一個用戶都有一個獨一無二的公鑰地址和私鑰地址。公鑰地址為對外交易的窗口，包含用戶所有參與交易的數據信息，每個用戶將自己的交易需求發送到想要交易對象的公鑰地址，雙方同意交易后，通過各自的私鑰簽名并加蓋時間戳方可完成交易，交易信息存儲在區塊鏈中，每一個用戶均可看到并追溯。圖2為基于區塊鏈技術的微網架構。

圖2 基于區塊鏈技術的微網架構

2.1 區塊鏈技術在能源交易中的應用

未來，區塊鏈中每一個用戶都既是能源消費者，亦是能源生產者，微網中不同用戶之間可實現能源的自由交易。

以發電為例，目前能源的交易方式為：用戶購買供電局認可的電表，將所發電力賣給電網，其他用戶再從電網購買。現有交易方式以電網為中心，且發電量靠人工(或遠程)讀取，這些中間環節的準確性難以保證。隨著我國電力市場改革的不斷推進、售電側的逐漸放開，以及未來能源網中新能源、電動汽車、分布式儲能等以虛擬電廠的形式接入電網，能源交易將變得越來越開放，越來越復雜，如何設計安全、高效、透明、信息對稱的交易模式和交易方法變得尤為重要。

采用區塊鏈技術進行能源交易的方式，用戶區塊鏈設備采集能源生產數據，并進行非對稱的加密存儲，記錄在區塊鏈中，每一個用戶均可通過自己的區塊鏈管理平臺看到微網中所有用戶的數據，并選擇交易對象，雙方同意后便可采用上述方式進行能源(冷、熱、電、沼氣等)和資金交易。在能源交易中采用區塊鏈技術既可保證數據的準確性，又實現了點對點交易，省去了中間環節。

紐約布魯克林Gowanus 和 Park Slope 街區為少數住戶建立了一個基于區塊鏈系統的可交互電網平臺“Trans Active Grid”。平臺上每一個用戶均可不依賴第三方而自由的進行綠色能源直接交易[3,10]。

美國Filament公司在澳大利亞內陸的電網節點上實驗性地布置了一套被稱作“taps”的檢測裝置，并基于區塊鏈系統為這些檢測裝置建立了相應的通信機制。“taps”檢測裝置可以檢測電網節點的運行狀態，并可以將信息傳送給200英尺外的下一個檢測裝置；所有的用戶都可以通過電話、平板電腦和個人電腦連接這些裝置，并在區塊鏈系統上發布和共享數據信息；最終，政府、媒體、電網維護公司，以及消費者都將獲得這些信息[3,11]。

歐盟Scanergy項目旨在基于區塊鏈系統實現小用戶綠色能源的直接交易，設想在交易系統中每15 min 檢測一次網絡的生產與消費狀態[3,12]，但該項目目前尚未投入實際運行。

通過以上案例可知，目前區塊鏈技術在能源交易中的應用尚處于探索階段。

2.2 區塊鏈技術在綠證和碳排放交易中的應用

目前，政府部門結合我國的總體碳減排目標，根據各行業的碳排放情況，為每個主體分配一定的碳配額，排放主體碳排放超過配額要進行罰款，多余的碳配額可進行交易，以獲取利潤[5]。目前的碳排放交易需要有專門的第三方機構進行排放量認證，并在指定的碳排放交易中心進行交易。現有模式存在第三方認證的可信任度和交易流程繁瑣的問題。

綠證交易亦是如此，目前我國對可再生能源發電企業頒發綠色電力證書，首先需要這些企業到運行管理機構登記注冊，經運行管理機構審核無誤后，方可頒發綠色電力證書，認證流程繁瑣。未來，若綠證普及到戶用分布式發電、家用沼氣等普通家庭中，上述認證及交易中出現的問題將更加凸顯。

在微網中可采用區塊鏈技術進行碳排放和綠色證書的認證、交易。用戶區塊鏈管理平臺采集碳排放和綠色發電數據，進行加密并存儲于區塊鏈網絡中，所有用戶都可看到彼此的碳配額、碳排放量、綠色電力信息，可自由選擇合適的交易對象進行交易。針對碳排放交易和綠證交易中存在的第三方認證可信度和交易流程繁瑣的問題，區塊鏈防篡改和點對點交易的特點可以很好地解決這些問題。

專利“區塊鏈分布式光伏計量與碳交易系統及方法”(申請公布號CN 106897923A)通過單獨采集光伏組件的發電量，并將其處理成分布式賬單，再將分布式賬單送至運營管理工作站節點，與運營管理工作站節點共處于同一區塊鏈模塊中的投資人工作節點和碳交易工作站節點之間可共享各節點的信息，可通過碳交易工作節點對分布式賬單進行碳交易，并將交易收益通過投資人工作站節點投放至投資人[13]。

2.3 區塊鏈技術在需求側的應用

需求側管理和需求側響應的概念有一定的相關和重疊，需求側響應需要供、需兩側共同參與，重在用戶基于市場價格和激勵機制去做出響應，在短期內調整用電模式，削峰填谷，其主要目的是保護電網；需求側管理重在采用更為廣泛的一些措施，如利用各種節能技術等，引導用戶長期改變能源需求方式，目的不僅是保護電網，還可以節約資源，提高社會效益和環境效益[14]。本文主要討論采用區塊鏈技術引導用戶的用能模式，削峰填谷，減少微網的波動和運行成本。

需求側響應控制主要有基于價格和基于激勵2種。基于價格是指根據電力(冷、熱、氣同樣適用)需求的峰谷情況，實行實時電價，需求高峰時電價亦為高峰，以此來削減高峰用能負荷。基于激勵是指微網直接對用戶的可控負荷(空調、熱水器等)進行控制，根據微網的運行情況和用戶的需求情況，通過一系列邏輯算法，對其中某些用戶的可控設備進行強制控制(提前開啟、延遲開啟、強制關閉等)，并給予這些用戶一些資金激勵或價格優惠等，以達到削峰填谷、維持電網穩定運行的目的。

以上的需求側管理策略均可以通過區塊鏈技術實現。根據微網中能源的供需情況，區塊鏈實時計算并顯示賣電和購電價格，用電高峰時，賣電和購電價格均較高，以鼓勵用戶在高峰時多發電，少用電；對一些用電需求不是很急切的用戶設備，區塊鏈自動給出提前開啟或延遲開啟的控制建議，用戶可有選擇的接受并執行，如此一來，用戶用電增加的成本將轉換為接受控制的用戶賣電的收益。采用區塊鏈技術進行需求響應控制，可在不增加額外成本的前提下，將基于價格和基于激勵的需求響應控制結合在一起。

3 結論

微網中每個用戶的區塊鏈管理平臺可實現用戶的資金交易，可將用戶的能源生產、消費、碳排放等信息進行采集、加密存儲，并作為記錄顯示于區塊鏈中，既是對外的交易平臺又是用戶自己資產(資金和能源)的管理平臺。

在微網中采用區塊鏈技術具有以下優點：

1)可實現去中心化的點對點交易，減少能源浪費，省去繁瑣的中間環節，提高交易效率；

2)可實現各種交易信息的透明化，并具有時間戳記錄，可追溯，任何人不得篡改，省去了第三方的認證環節，提高了數據的可信度；

3)在多種能源形式交叉的微網中，區塊鏈可使交易快速、準確，并可根據微網中能源的供需情況，自動實現對用戶的需求響應控制。

區塊鏈技術目前仍處于應用探索階段，面臨的問題還很多，主要有：

1)目前區塊鏈技術仍不夠成熟，存儲空間和存儲效率的問題需要解決；

2)在能源領域還沒有成功的應用，只是處于探索階段；

3)商業模式、政府監管、法律法規、政策等還需通過不斷摸索來逐步完善。

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