發(fā)布時(shí)間：2020-01-17所屬分類：計(jì)算機(jī)職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)是促進(jìn)我國(guó)能源轉(zhuǎn)型的重要手段，而區(qū)塊鏈技術(shù)已被廣泛認(rèn)可為能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的重要支持技術(shù)。在此背景下，該文在系統(tǒng)總結(jié)區(qū)塊鏈在能源互聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)區(qū)塊鏈在能源領(lǐng)域中未來(lái)可能的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了分析。首先從區(qū)塊鏈典型特
摘要：能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)是促進(jìn)我國(guó)能源轉(zhuǎn)型的重要手段，而區(qū)塊鏈技術(shù)已被廣泛認(rèn)可為能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的重要支持技術(shù)。在此背景下，該文在系統(tǒng)總結(jié)區(qū)塊鏈在能源互聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)區(qū)塊鏈在能源領(lǐng)域中未來(lái)可能的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了分析。首先從區(qū)塊鏈典型特征入手，分析了區(qū)塊鏈的技術(shù)架構(gòu)和區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的交易過(guò)程;然后基于國(guó)內(nèi)外區(qū)塊鏈和能源系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)，從新興貨幣、技術(shù)產(chǎn)業(yè)和典型應(yīng)用等方面對(duì)區(qū)塊鏈在能源系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)。最后對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)在我國(guó)能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)和電力體制改革中的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞：能源互聯(lián)網(wǎng);區(qū)塊鏈;典型應(yīng)用;發(fā)展現(xiàn)狀;前景展望
0 引言
作為我國(guó)能源供給側(cè)改革和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要內(nèi)容，能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)已經(jīng)起步，大量的能源互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的示范工程已經(jīng)開始投入運(yùn)行[1]。能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)和電力體制改革的推進(jìn)對(duì)能源系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及商業(yè)模式產(chǎn)生了根本性的影響，參與能量交易的角色趨于多樣化，相應(yīng)的交易模式也更加豐富和復(fù)雜，亟需引入新技術(shù)支撐能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)[2-4]。
作為一種新興技術(shù)，區(qū)塊鏈的發(fā)展已經(jīng)得到了全社會(huì)的廣泛關(guān)注，且在金融領(lǐng)域已經(jīng)有初步的應(yīng)用。區(qū)塊鏈在能源領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)開始了初步的探索，主要的理論研究成果可以分為 2 個(gè)方面。 1)能源領(lǐng)域區(qū)塊鏈技術(shù)特征分析方面：文獻(xiàn)[5]在提出了能源系統(tǒng)中區(qū)塊鏈的基本概念的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)要概述了區(qū)塊鏈在能源領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，并從 P2P 交易、電動(dòng)汽車充電、物理信息安全和能源互聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)模式等方面對(duì)區(qū)塊鏈的未來(lái)應(yīng)用進(jìn)行了初步的展望;文獻(xiàn)[6]闡述了區(qū)塊鏈技術(shù)和能源互聯(lián)網(wǎng)之間的特征匹配情況，提出了區(qū)塊鏈在能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中典型的應(yīng)用場(chǎng)景;文獻(xiàn)[7]結(jié)合區(qū)塊鏈的典型特征，對(duì)區(qū)塊鏈在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用前景進(jìn)行了初步的展望，提出區(qū)塊鏈對(duì)于構(gòu)建“互聯(lián)網(wǎng)+”和物聯(lián)網(wǎng)的去中心化價(jià)值新體系，重構(gòu)商業(yè)生態(tài)圈具有重要意義;文獻(xiàn)[8]分析了區(qū)塊鏈在能源領(lǐng)域的發(fā)、輸、配、用、儲(chǔ)等環(huán)節(jié)的應(yīng)用場(chǎng)景和業(yè)務(wù)模式，提出了我國(guó)在發(fā)展能源區(qū)塊鏈時(shí)面臨的問(wèn)題和解決這些問(wèn)題的建議;文獻(xiàn)[9]在介紹區(qū)塊鏈技術(shù)的基本原理和典型特征的基礎(chǔ)上，從功能、主體、屬性等 3 個(gè)維度對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行了歸納和分析，從能量、信息以及價(jià)值的角度，闡述了區(qū)塊鏈技術(shù)對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)中源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)等不同主體在計(jì)量認(rèn)證、市場(chǎng)交易、協(xié)同組織、能源金融不同環(huán)節(jié)中發(fā)揮的作用，對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)在我國(guó)能源轉(zhuǎn)型中的典型應(yīng)用進(jìn)行初探和展望。2)能源領(lǐng)域的區(qū)塊鏈應(yīng)用模式分析方面：文獻(xiàn)[10]提出了弱中心化管理電力交易的方法，其核心內(nèi)容是利用區(qū)塊鏈技術(shù)以智能合約的形式存儲(chǔ)電力交易信息并自動(dòng)執(zhí)行資金轉(zhuǎn)移，記錄智能電表采集的電能數(shù)據(jù)，中心機(jī)構(gòu)僅對(duì)達(dá)成的交易進(jìn)行安全校核和阻塞管理;文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)了一種基于區(qū)塊鏈的供需互動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)，提出了一個(gè)以區(qū)塊鏈協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)為支撐，以信息監(jiān)控、采集、錄入、統(tǒng)計(jì)為中心，以需求響應(yīng)服務(wù)器、負(fù)荷集成商、用戶群為框架的一體化信息平臺(tái)設(shè)計(jì)思路;文獻(xiàn)[12]提出一種區(qū)塊鏈技術(shù)在輔助服務(wù)中的應(yīng)用設(shè)想，并從共識(shí)記賬、智能合約、業(yè)務(wù)交互等方面對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用方式進(jìn)行了分析，歸納了當(dāng)前區(qū)塊鏈技術(shù)在電力市場(chǎng)輔助服務(wù)領(lǐng)域應(yīng)用的局限性;文獻(xiàn)[13]提出了一種利用區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)分布式?jīng)Q策和協(xié)同自治運(yùn)行的機(jī)制框架，從區(qū)塊鏈和能源互聯(lián)網(wǎng)角度分別提出了區(qū)塊鏈框架下能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。
2016 年 11 月 3 日，在荷蘭舉行的 EMART ENERGY 會(huì)議上，大量專家學(xué)者對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)在能源系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析和展望，并就區(qū)塊鏈和能源系統(tǒng)耦合的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了初步的歸納[14]，為區(qū)塊鏈技術(shù)在能源領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。在此背景下，本文從區(qū)塊鏈典型特征入手，首先分析了區(qū)塊鏈的技術(shù)架構(gòu)和區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的交易過(guò)程;然后基于國(guó)內(nèi)外區(qū)塊鏈和能源系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)，從新興貨幣、技術(shù)產(chǎn)業(yè)和典型應(yīng)用等方面對(duì)區(qū)塊鏈在能源系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)。最后對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)在我國(guó)能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)和電力體制改革中的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。
1 區(qū)塊鏈相關(guān)知識(shí)介紹
區(qū)塊鏈(Blockchain)是指通過(guò)去中心化和去信任方式集體維護(hù)一個(gè)可靠數(shù)據(jù)庫(kù)的技術(shù)方案[15]。該技術(shù)方案讓參與系統(tǒng)中的任意多個(gè)節(jié)點(diǎn)，把一段時(shí)間系統(tǒng)內(nèi)全部事務(wù)通過(guò)密碼學(xué)算法計(jì)算并記錄到一個(gè)數(shù)據(jù)塊(Block)，生成該數(shù)據(jù)塊的 Hash 用于鏈接下個(gè)數(shù)據(jù)塊，系統(tǒng)所有參與節(jié)點(diǎn)來(lái)共同檢驗(yàn)記錄是否為真，并且每個(gè)區(qū)塊的內(nèi)容都由后續(xù)子鏈上的區(qū)塊來(lái)保證其內(nèi)容不可被篡改。各個(gè)參與節(jié)點(diǎn)可以在新區(qū)塊確認(rèn)及獎(jiǎng)勵(lì)分配上達(dá)成共識(shí)，從而逐漸形成的一個(gè)龐大、去中心化的公開賬本[16]。從數(shù)據(jù)的角度來(lái)看：區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N幾乎不可能被更改的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)。這里的“分布式”不僅體現(xiàn)為數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)，也體現(xiàn)為數(shù)據(jù)的分布式記錄。
從技術(shù)的角度來(lái)看：區(qū)塊鏈并不是一種單一的技術(shù)，而是多種技術(shù)(數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)加密和數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù))整合的結(jié)果。這些技術(shù)以新的結(jié)構(gòu)組合在一起，形成了一種新的數(shù)據(jù)記錄、存儲(chǔ)和表達(dá)的方式。
1.1 區(qū)塊鏈特征分析
通過(guò)對(duì)區(qū)塊鏈概念的分析，總結(jié)得出區(qū)塊鏈的特征分為 4 個(gè)方面[16]：
1)開放、共識(shí)：任何人都可以參與到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，每一臺(tái)設(shè)備都能作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都允許獲得一份完整的數(shù)據(jù)庫(kù)拷貝。節(jié)點(diǎn)間基于一套共識(shí)機(jī)制，通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)計(jì)算共同維護(hù)整個(gè)區(qū)塊鏈，任一節(jié)點(diǎn)失效，其余節(jié)點(diǎn)仍能正常工作。
2)去中心、去信任：區(qū)塊鏈由眾多節(jié)點(diǎn)共同組成一個(gè)端到端的網(wǎng)絡(luò)，不存在中心化的設(shè)備和管理機(jī)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)交換通過(guò)數(shù)字簽名技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，無(wú)需互相信任，只要按照系統(tǒng)既定的規(guī)則進(jìn)行，節(jié)點(diǎn)之間不能也無(wú)法互相欺騙。
3)交易透明、雙方匿名：區(qū)塊鏈的運(yùn)行規(guī)則是公開透明的，所有的數(shù)據(jù)信息也是公開的，因此每一筆交易都對(duì)所有節(jié)點(diǎn)可見(jiàn)。由于節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間是去信任的，因此節(jié)點(diǎn)之間無(wú)需公開身份，每個(gè)參與的節(jié)點(diǎn)都是匿名的。
4)不可篡改、可追溯：?jiǎn)蝹�(gè)甚至多個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的修改無(wú)法影響其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫(kù)，除非能保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中超過(guò) 51%的節(jié)點(diǎn)同時(shí)修改，但這幾乎不可能發(fā)生。區(qū)塊鏈中的每一筆交易都通過(guò)密碼學(xué)方法與相鄰兩個(gè)區(qū)塊串聯(lián)，因此可以追溯到任何一筆交易的前世今生。
1.2 區(qū)塊鏈分類
目前，區(qū)塊鏈分為 3 類：公有區(qū)塊鏈(public Blockchain)，聯(lián)盟區(qū)塊鏈(consortium Blockchain)，私有區(qū)塊鏈(private Blockchain)[16]。
1)公有區(qū)塊鏈：世界上任何個(gè)體或者團(tuán)體都可以發(fā)送交易，且交易能夠獲得該區(qū)塊鏈的有效確認(rèn)，任何人都可以參與其共識(shí)過(guò)程。公有區(qū)塊鏈?zhǔn)亲钤绲膮^(qū)塊鏈，也是目前應(yīng)用最廣泛的區(qū)塊鏈，各大 Bitcoins 系列的虛擬數(shù)字貨幣均基于公有區(qū)塊鏈，世界上有且僅有一條該幣種對(duì)應(yīng)的區(qū)塊鏈。
2)聯(lián)盟區(qū)塊鏈：由某個(gè)群體內(nèi)部指定多個(gè)預(yù)選的節(jié)點(diǎn)為記賬人，每個(gè)塊的生成由所有的預(yù)選節(jié)點(diǎn)共同決定(預(yù)選節(jié)點(diǎn)參與共識(shí)過(guò)程)，其他接入節(jié)點(diǎn)可以參與交易，但不過(guò)問(wèn)記賬過(guò)程(本質(zhì)上還是托管記賬，只是變成分布式記賬，預(yù)選節(jié)點(diǎn)的多少，如何決定每個(gè)塊的記賬者成為該區(qū)塊鏈的主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn))，其他任何人可以通過(guò)該區(qū)塊鏈開放的 API 進(jìn)行限定查詢。
3)私有區(qū)塊鏈：僅僅使用區(qū)塊鏈的總賬技術(shù)進(jìn)行記賬，可以是一個(gè)公司，也可以是個(gè)人，獨(dú)享該區(qū)塊鏈的寫入權(quán)限，權(quán)利完全控制在一個(gè)系統(tǒng)中，私有鏈與其他分布式存儲(chǔ)方案沒(méi)有太大區(qū)別。
需要說(shuō)明的是，區(qū)塊鏈存在“蒙代爾”不可能三角，即去中心化、安全和高效之間存在不可能三角，在實(shí)際應(yīng)用中，要結(jié)合金融、貿(mào)易和能源等不同系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)需求進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)區(qū)塊鏈的種類[17]。
1.3 區(qū)塊鏈基礎(chǔ)技術(shù)架
構(gòu)通過(guò)對(duì)特征和分類的分析，可以得出區(qū)塊鏈的技術(shù)架構(gòu)如圖 1 所示[16]。
結(jié)合圖 1 的分析，技術(shù)架構(gòu)各個(gè)層的功能分析如下：1)應(yīng)用層主要由客戶端完成轉(zhuǎn)賬、記賬功能;2)激勵(lì)層提出發(fā)行機(jī)制和激勵(lì)機(jī)制;3)共識(shí)層用于共識(shí)機(jī)制的達(dá)成;4)網(wǎng)絡(luò)層典型的為 P2P 網(wǎng)絡(luò)，完成共識(shí)算法、加密簽名、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等工作; 5)數(shù)據(jù)層以區(qū)塊鏈的形式全量存儲(chǔ)全部的交易數(shù)據(jù)和信息記錄。
2 區(qū)塊鏈在能源領(lǐng)域的進(jìn)展
目前，區(qū)塊鏈在能源領(lǐng)域應(yīng)用已經(jīng)開始初見(jiàn)端倪，部分歐美發(fā)達(dá)國(guó)家及少數(shù)高科技公司已經(jīng)開始嘗試將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到能源領(lǐng)域[18]，相關(guān)的研究成果和典型案例整理如下。
2.1 區(qū)塊鏈和德國(guó)能源轉(zhuǎn)型
2.1.1 區(qū)塊鏈和能源交易
目前，區(qū)塊鏈的概念和建設(shè)模式已經(jīng)較為成熟，在能源利用的應(yīng)用分析也已經(jīng)取得一定的研究成果。文獻(xiàn)[19]中指出，區(qū)塊鏈在能源交易領(lǐng)域的應(yīng)用應(yīng)該圍繞建立分布式交易和供應(yīng)體系展開，具體的應(yīng)用前景分析如圖 2 所示。
在德國(guó)，部分報(bào)告和文獻(xiàn)已經(jīng)對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)在能源交易中的應(yīng)用進(jìn)行了前景展望[19-21]。
1)在 2020 場(chǎng)景中：能源系統(tǒng)還處于轉(zhuǎn)型的過(guò)程中，區(qū)塊鏈相當(dāng)于一個(gè)信息通道，涉及能源交易的所有角色都包含在其中。每一個(gè)角色都是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，相當(dāng)于構(gòu)建一個(gè)“許可區(qū)塊鏈”。區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)之間橫向聯(lián)系表示為信息的同步，區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)和交易系統(tǒng)之間縱向聯(lián)系表征了兩者之間的融合性;
2)在 2030 場(chǎng)景中：能源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型已經(jīng)基本完成，各種分布式電源的成本將會(huì)大幅度降低;另一方面，隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的提高，基于區(qū)塊鏈的能量交易平臺(tái)已經(jīng)非常完善。在文獻(xiàn)[19]中，對(duì)區(qū)塊鏈在能源交易中的前景進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析展望，提出表征區(qū)塊鏈交易貨幣的 Enercoin 可以代替歐元進(jìn)行能源的交易，并對(duì)負(fù)荷和分布式電源變化引起的Enercoin需求變化及其對(duì)歐盟中央銀行的貨幣調(diào)整政策的影響進(jìn)行了定性的描述，提出的 Enercoin 的周期如圖 3 所示。
在圖 3 中，(一)表示 Enercoin 的初始化信息;(二) 表示商業(yè)銀行通過(guò)中央銀行實(shí)現(xiàn) Enercoin 和 Euro 之間的轉(zhuǎn)化;(三)市場(chǎng)參與者通過(guò)商業(yè)銀行利用交易賬號(hào)管理系統(tǒng)將 Euro 換為 Enercoin;(四)市場(chǎng)參與方利用Enercoin購(gòu)買電力或者從其他電力消費(fèi)者得到 Enercoin;(五)如果需要，市場(chǎng)參與方可以將Enercoin 通過(guò)商業(yè)銀行轉(zhuǎn)化為 Euro。
2.1.2 區(qū)塊鏈和電動(dòng)汽車充放電管理
當(dāng)前制約電動(dòng)汽車大規(guī)模發(fā)展的主要因素有電動(dòng)汽車充電設(shè)施數(shù)量較少、充電協(xié)議和計(jì)量模式多樣、充放電互動(dòng)性較差、充電過(guò)程不透明、充電協(xié)議不靈活等。針對(duì)存在的典型問(wèn)題，RWE 和 Slock 合作提出利用區(qū)塊鏈技術(shù)解決電動(dòng)汽車的充電的一系列問(wèn)題[21]，其核心思想是基于 Slcok 提供的智能合約和分布式賬本技術(shù)實(shí)現(xiàn)公用充電樁的計(jì)費(fèi)的透明化和信任化。主要的步驟如下：1)在電動(dòng)汽車上安裝智能充電插頭;2)在手機(jī)上安裝充電 APP;3)基于區(qū)塊鏈的全自動(dòng)支付系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)多樣化電動(dòng)汽車和充電模式的統(tǒng)一性交易，RWE 公司利用 BigchainDB(巨鏈數(shù)據(jù)庫(kù))，其基本的工作原理是將區(qū)塊鏈技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行整合，建立分布式大容量數(shù)據(jù)庫(kù)，容量可擴(kuò)展意味著具法律約束力的合同及證書都可儲(chǔ)存在區(qū)塊鏈上，權(quán)限控制系統(tǒng)意味著私人企業(yè)的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫(kù)以及公開的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫(kù)都可共存。公用電動(dòng)汽車充電網(wǎng)絡(luò)和 BigchainDB 在基礎(chǔ)特征方面存在較多的融合點(diǎn)，因此電動(dòng)汽車充電是區(qū)塊鏈技術(shù)在能源系統(tǒng)中最早進(jìn)行廣泛利用的環(huán)節(jié)之一。
2.2 區(qū)塊鏈和 NRGcoin–比利時(shí)
基于智能電網(wǎng)的物理結(jié)構(gòu)和信息模型，比利時(shí)的區(qū)塊鏈專家Mike Mihaylov 在提出去中心化方式來(lái)促進(jìn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易模式的同時(shí)，進(jìn)一步提出了利用 NRGcoin 貨幣進(jìn)行微電網(wǎng)的電力交易。主要的理念如圖 4 所示[22-23]。
相關(guān)期刊推薦：《中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)》(旬刊)是中國(guó)電力行業(yè)的一流學(xué)術(shù)期刊，國(guó)家一級(jí)學(xué)報(bào)，全國(guó)中文核心期刊，國(guó)內(nèi)外公開發(fā)行。1964年創(chuàng)刊，中國(guó)科協(xié)主管，中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)主辦，中國(guó)電科院協(xié)辦。主要報(bào)道電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化、發(fā)電及動(dòng)力工程、電工電機(jī)領(lǐng)域的新理論、新方法、新技術(shù)、新成果。在動(dòng)力與電力工程類期刊中，其總被引頻次及影響因子等各項(xiàng)指標(biāo)連續(xù)多年來(lái)位列第一。
