區塊鏈在能源互聯網的應用和上海發展建議

施偉杰 張瀚舟 王 昊

1.上海納步數據科技有限公司2.上海市發展改革研究院3.上海同祺新能源技術有限公司

0 引言

人類經濟和社會活動離不開能源的生產和消費，保障能源安全和高質量發展是國家的長期戰略。當前我國的能源領域正醞釀著一場巨大的變革，互聯網+智慧能源將目前的能源科技進步和互聯網技術緊密結合，將引領能源生產和消費領域的深刻革命。另一方面，高速發展的信息互聯網和能源清潔化供應、分散化應用構成了能源互聯網發展的基礎。能源互聯網的核心是將互聯網、物聯網等信息技術賦能傳統電力系統和分布式能源系統，有效協同不同種類的能源，實現高效率的能源生產、輸送和儲存。

本文結合國家和上海市能源互聯網發展基礎和需求，借鑒美歐及其他發達經濟體的研究和示范經驗，梳理區塊鏈技術在互聯網+智慧能源的協同管理、信任機制建立和安全性增強等方面的可行性，并在能源資產管理、能源交易、綠色認證和安全監控領域打造應用場景。

1 能源互聯網的瓶頸

由于能源互聯網需要依靠大量關鍵技術將眾多復雜環節打通和融合，導致能源節點和節點之間的連接方式仍然處于理論研究和框架設計階段。隨著各類分布式能源站的加速擴張，能源互聯網的參與主體愈來愈復雜，繼而出現協同管理、信任機制、信息透明度和安全性等問題，加劇了對問題解決迫切性的要求。

1.1 多能協同的管理問題

隨著能源多樣化發展，風能、光伏、天然氣等不同能源之間的用能管理，往往涉及不同法人主體單位之間的協同，但因信息透明度不足、控制權受限，導致多方在協調管理時需要花費額外時間和精力，造成運行成本高和效率低下問題。

1.2 能源交易復雜性提高

以能源互聯網為平臺的綜合能源服務延伸出多樣化的商業模式，除了可交易傳統的電力、蒸汽、熱水等能源品種，還有碳指標、節能指標、排污指標等各類權益。導致交易變得復雜，提高了購銷雙方的交易成本和監管機構的管理成本。

1.3 綠色認證方式

能源互聯網中的眾多可再生能源沉淀了大量綠色資產，借助綠色金融可有力支撐綠色項目的發展。可是目前綠色認證成本和收益不匹配、額外成本內化和環境效益外化的矛盾尚未解決，加上投入綠色技術項目所需資金量大、回收期長及政策不確定性大，金融機構面臨的風險也較高，影響其為綠色技術項目融資的動力。

1.4 安全監控

多能源的接入導致系統復雜化，需要投入更多的人力、物力以保證安全性，導致運行成本增加，最終傳導至能源價格上，用戶的用能成本也因此而提高。

面對以上瓶頸，作為超大型城市，上海需要以創新的思維和技術方案解決上述問題，才能繼續發揮好綜合能源服務領頭羊的作用。

2 能源區塊鏈的價值

區塊鏈是一種去中心化、不可篡改、可追溯、可擴展的跨行業應用技術，其特性與能源互聯網所需要的關鍵技術相符合。發展能源區塊鏈將有望進一步推動能源互聯網的發展。

在區塊鏈技術的演進過程中，區塊鏈技術已逐漸應用在金融、政務、醫療、知識產權、司法、網絡安全等領域。我國對區塊鏈的關注正逐漸提升，特別是在2019年10月24日，習近平總書記在中共中央政治局第十八次集體學習時提出需要把區塊鏈作為技術自主創新的重要突破口，發揮其在促進數據共享、優化業務流程、降低運營成本、提升協同效率和建設可信體系這五個方面的價值[1]。

上海市擁有眾多的能源互聯網項目和豐富的管理與技術資源，有條件優先研究和應用能源區塊鏈技術作為改革能源服務的手段，通過創建新一代的智慧能源互聯網去提高能源效益、降低用能成本、提高營運安全和實現多能協同，從而實現能源資源調動和使用最優化，并最大化降低碳排放而加速實現我國2060年前碳中和的目標。

3 上海能源區塊鏈的發展框架與階段目標

在2018年工信部發布《2018中國區塊鏈產業白皮書》，提出區塊鏈可成為有效結合能源行業的重要工具[2]。考慮到區塊鏈在能源行業和在上海市的應用特點，本文提出上海市發展能源區塊鏈的三階段框架（見圖1）。

圖1 能源區塊鏈的三個發展階段

圖2 不同應用場景中上海能源區塊鏈技術的階段目標

在第一階段的能源區塊鏈發展以技術融合為首要目標，在2021年從小規模項目逐漸實施測試。首要是利用區塊鏈技術解決多單位協同的信任問題；而在2022年開始的第二階段，以優化為主要目標，逐漸增加項目規模，并且滿足一定程度的效能升級需求；最后階段利用三年時間以自主開發為主要目標，通過吸取第一和第二階段的經驗，開發專屬于能源行業的區塊鏈底層技術，成為能源互聯網內可依賴的“自適應核心系統”，可迅速部署在我國大量類似的能源網路上。圖2詳示了不同應用場景中各個階段的核心技術，下文將分階段詳述能源區塊鏈的發展目標和實現途徑。

4 上海能源區塊鏈的應用場景與實現途徑

能源區塊鏈的應用方向需要從能源行業的四大要素出發（見圖3），即資產管理、能源交易、綠色認證和安全監控，結合上海市作為超大城市、金融中心、創新中心的特點，在初期選用現有主流的區塊鏈技術的同時，逐步加大自主底層軟件和配套硬件開發力度，最終實現應用場景的落地，以下按不同應用領域分別闡述具體的實現途徑。

圖3 能源區塊鏈應用領域

4.1 能源資產管理

傳統的能源行業角色分明，只有生產者和用戶，生產者負責所有供、輸和配網，而用戶按需求購能和使用。隨著具有能源轉化率高、安全可靠、安裝靈活的分布式能源在上海的廣泛應用，逐漸形成了新型的綜合能源服務框架，這里“用戶”可以是用戶，也可成為生產者（如圖4所示）。實際上是在特定的區域響應其他用戶的需求，達成短距離的供能服務，可提高整個能源網路的效率[3]。

圖4 傳統和新型能源服務下的角色轉變

大量個體能源生產者的出現導致所有的資源整合變為首要問題，而區塊鏈的智能合約可作為管理工具之一。智能合約是一種自帶信任機制的代碼，由創建人預先寫入執行流程，觸發特定條件便自動執行，優勢在于可排除人為干預的因素執行預先寫入的流程。利用智能合約可自動化為各個單位/用戶創立、確認和轉移用能需求的合約，并快速進行能源的調度，實現多能源的高效接入和協同。在這個方面美國的LO3 Energy[4]和澳洲的PowerLedger[5]太陽能交易平臺已進行了成功示范，他們均利用以太坊讓小區用戶可售賣額外的太陽能電源給其他用戶，智能合約在交易確認后自動執行輸電操作。

自上世紀末開始，上海率先打破了用戶完全依賴市政集中供電的模式，開始了分布式能源技術的推廣，許多項目歷時近20年至今仍在發揮著重要作用。隨后，在各級政府的積極倡導下合同能源管理（EMC）模式迅速推廣，但是在實現節能增效的同時也產生了許多能源資產管理的問題，導致很多項目訴諸法律。近年來，隨著上海電力負荷調節重要性的顯現，虛擬電廠進入了實踐階段，這將使得能源資產的管理比以往愈加復雜化，亟須引入新的管理手段和模式。

在能源區塊鏈用于能源資產的管理方面，其核心是物聯網的接入、智能合約對上鏈數據流的分析和管理，最終按用戶需求自動化分配能源資源（如圖5）。作為基礎設施，近年來上海開展的智慧水表、智能電表和智能氣表工程，為后期能源區塊鏈的實施創造了良好的條件。但是，為應對各類商業模式帶來的挑戰，升級相關智能終端，使其具備上鏈功能，并將更多的可調負荷、再生能源、分布式能源以及各種類型的用戶接入系統，才能逐漸發揮區塊鏈的能源資產管理價值。

圖5 能源區塊鏈于資源管理的應用領域

4.2 能源交易

2017年，國家發改委和能源局下發的《關于開展分布式發電市場化交易試點的通知》，在110 kV電壓等級下的分布式能源站可以獲得售電資質，因此可預見新型的綜合能源服務中將出現大量的售電方，生產和購電模式將復雜化，如繼續沿用現時的中心化交易模式必然產生維護和監管成本高，數據缺乏透明度和數據安全等一系列問題，這需要更靈活和快捷的交易方式來支撐新的能源運營模式。

生產者可利用區塊鏈提供的開發者工具建立售電平臺，用戶可按需求向就近的生產者購買電力，系統將通過智能合約進行核對合法性，通過核查后自動進行結算并執行輸電的操作。整個流程將記錄在所有相關方的分布式賬本上，完全保持數據一致，簡化交易結算，如圖6所示即為依托區塊鏈的能源交易過程。2017年，WePower采用以太坊的區塊鏈底層技術建立一個綠色能源交易平臺，2018年4月WePower在愛沙尼亞發行能源代幣，正式在國家層面上推行基于區塊鏈運行的能源互聯網[6]。

圖6 能源區塊鏈于能源交易的應用領域

雖然上海市的增量配電設施較少，但存在大量的屋頂分布式光伏、電動汽車、分布式能源站以及參與負荷交易的商業樓宇等潛在的能源交易相關方。如果以部分具備上鏈的智能終端為基礎，選擇小型、分散的客戶需求為切入點，為供需雙方提供簡潔的交易和結算模式，未來在人工智能等其他技術的支持下，再賦予這類廣泛分散能源規范化的金融屬性，最終將會形成巨量的交易規模。

4.3 綠色認證系統

綠色認證是綠色能源政府監管和綠色技術市場評價的重要保障機制。如果不能正確、及時、長效地進行認證管理，綠色能源的環境效益就難以發揮，從而導致有限社會資源和政府資金的浪費。傳統的綠色認證方式在實施上需要依賴強大的監管力，相關企業不僅應具備自我監測和報告的能力，同時還涉及第三方的核查能力和公正性。

低碳、環保和高質量發展是未來上海綠色認證的主要應用領域，上海正在通過碳交易、綠色金融和綠色技術轉移轉化等方式積極服務于國家碳達峰、碳中和的目標。在此過程中，能源區塊鏈可以把資源調度和交易信息加密保存在分布式賬本上，并可在相關物聯網設施的配合下解決綠色認證的環境效益評估問題，尤其是對微量、分布式的綠色效益的流通定價提供量化標準（如圖7所示）。

圖7 能源區塊鏈于綠證交易系統的應用方向

4.4 能源安全監控

能源區塊鏈除了可在經濟性和環保性方面作出貢獻之外，對于能源生產的安全監控也可起到重要作用。由于綜合能源服務將產生大量結構多樣的數據，而且來源復雜[7]，尤其是不同的數據掌握在不同的機構單位手上，缺乏有效平臺對所有數據進行全面的安全監控，若某一單位發生問題，有可能對整個能源網路造成嚴重影響，例如2015年烏克蘭電網和2019年委內瑞拉的水電站曾遇網絡攻擊導致大規模停電。

在能源區塊鏈用于安全監控的應用的三個階段上，主要的核心是共識機制和智能合約的利用，如圖8所示。由于區塊鏈上存在一個“不可能的三角”，即高性能、安全性和去中心化并不能同時滿足[8]，所以應先對不同規模能源系統的最優共識機制進行綜合測試。在確保系統對外部攻擊有足夠的防御措施后，向智能合約導入各種設備的運行參數及警戒閾值。在面臨突發情況時，可讓智能合約擁有相關權限進行內部系統的設備操作，以保障人員和財產安全。

圖8 能源區塊鏈于安全監控的應用方向

從上海城市能源供應特點、用戶訴求和建設超大型城市的能源安全保障要求看，只有通過構建用戶參與、多能互聯互通互保的微網，建立跨越法人之間的信息交流體系，才能強化城市能源系統事故模式下的自預、自保、自愈能力。“物聯網+能源區塊鏈”可以根據不同響應要求，在判斷故障發生的空間和時間，快速協同不同法人之間的控制與優化調度上具有一定的優勢，在能源安全監控與保障中發揮重要作用。

5 總結

本文分析了能源互聯網當前所面臨的瓶頸，從能源資產管理、能源交易、綠色認證和安全監控四大方面結合上海市的能源行業發展狀況，提出了分階段的應用和優化路線，總結建議如下：

1）結合物聯網技術，持續升級能源基礎設施的智能終端，使其具備上鏈功能，為后期能源區塊鏈的實施創造條件。

2）重點關注能源交易與綠色認證的小微型、分散型客戶需求，解決其交易和結算的痛點，賦予其金融屬性，通過碳普惠助力碳達峰、碳中和。

3）合理設定智能合約保障能源互聯網的安全性，建立安全的跨越法人的信息交流體系和優化調度體系，強化大型城市能源系統事故模式下的自預、自保、自愈能力。

無論是能源互聯網，還是能源區塊鏈都是近年來出現的新興技術，它們的成熟與成功還有賴于更多的應用場景的落地，通過大量的實踐才能在用戶體驗、經濟性和安全性等方面逐步完善。