發布時間：2020-01-17所屬分類：計算機職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：能源互聯網建設是促進我國能源轉型的重要手段，而區塊鏈技術已被廣泛認可為能源互聯網建設的重要支持技術。在此背景下，該文在系統總結區塊鏈在能源互聯網中應用現狀的基礎上，對區塊鏈在能源領域中未來可能的應用場景進行了分析。首先從區塊鏈典型特
摘要：能源互聯網建設是促進我國能源轉型的重要手段，而區塊鏈技術已被廣泛認可為能源互聯網建設的重要支持技術。在此背景下，該文在系統總結區塊鏈在能源互聯網中應用現狀的基礎上，對區塊鏈在能源領域中未來可能的應用場景進行了分析。首先從區塊鏈典型特征入手，分析了區塊鏈的技術架構和區塊鏈網絡的交易過程;然后基于國內外區塊鏈和能源系統的研究熱點，從新興貨幣、技術產業和典型應用等方面對區塊鏈在能源系統中的應用進行了系統總結。最后對區塊鏈技術在我國能源互聯網建設和電力體制改革中的應用前景進行了展望。
關鍵詞：能源互聯網;區塊鏈;典型應用;發展現狀;前景展望
0 引言
作為我國能源供給側改革和產業結構調整的重要內容，能源互聯網的建設已經起步，大量的能源互聯網相關的示范工程已經開始投入運行[1]。能源互聯網的建設和電力體制改革的推進對能源系統的拓撲結構以及商業模式產生了根本性的影響，參與能量交易的角色趨于多樣化，相應的交易模式也更加豐富和復雜，亟需引入新技術支撐能源互聯網的建設[2-4]。
作為一種新興技術，區塊鏈的發展已經得到了全社會的廣泛關注，且在金融領域已經有初步的應用。區塊鏈在能源領域的應用已經開始了初步的探索，主要的理論研究成果可以分為 2 個方面。 1)能源領域區塊鏈技術特征分析方面：文獻[5]在提出了能源系統中區塊鏈的基本概念的基礎上，簡要概述了區塊鏈在能源領域的研究現狀，并從 P2P 交易、電動汽車充電、物理信息安全和能源互聯網的商業模式等方面對區塊鏈的未來應用進行了初步的展望;文獻[6]闡述了區塊鏈技術和能源互聯網之間的特征匹配情況，提出了區塊鏈在能源互聯網建設中典型的應用場景;文獻[7]結合區塊鏈的典型特征，對區塊鏈在能源互聯網中的應用前景進行了初步的展望，提出區塊鏈對于構建“互聯網+”和物聯網的去中心化價值新體系，重構商業生態圈具有重要意義;文獻[8]分析了區塊鏈在能源領域的發、輸、配、用、儲等環節的應用場景和業務模式，提出了我國在發展能源區塊鏈時面臨的問題和解決這些問題的建議;文獻[9]在介紹區塊鏈技術的基本原理和典型特征的基礎上，從功能、主體、屬性等 3 個維度對區塊鏈技術在能源互聯網中的應用進行了歸納和分析，從能量、信息以及價值的角度，闡述了區塊鏈技術對能源互聯網中源、網、荷、儲等不同主體在計量認證、市場交易、協同組織、能源金融不同環節中發揮的作用，對區塊鏈技術在我國能源轉型中的典型應用進行初探和展望。2)能源領域的區塊鏈應用模式分析方面：文獻[10]提出了弱中心化管理電力交易的方法，其核心內容是利用區塊鏈技術以智能合約的形式存儲電力交易信息并自動執行資金轉移，記錄智能電表采集的電能數據，中心機構僅對達成的交易進行安全校核和阻塞管理;文獻[11]設計了一種基于區塊鏈的供需互動系統架構，提出了一個以區塊鏈協議標準為支撐，以信息監控、采集、錄入、統計為中心，以需求響應服務器、負荷集成商、用戶群為框架的一體化信息平臺設計思路;文獻[12]提出一種區塊鏈技術在輔助服務中的應用設想，并從共識記賬、智能合約、業務交互等方面對區塊鏈技術應用方式進行了分析，歸納了當前區塊鏈技術在電力市場輔助服務領域應用的局限性;文獻[13]提出了一種利用區塊鏈技術實現能源互聯網系統分布式決策和協同自治運行的機制框架，從區塊鏈和能源互聯網角度分別提出了區塊鏈框架下能源互聯網發展的關鍵技術。
2016 年 11 月 3 日，在荷蘭舉行的 EMART ENERGY 會議上，大量專家學者對區塊鏈技術在能源系統中的應用進行了分析和展望，并就區塊鏈和能源系統耦合的關鍵技術進行了初步的歸納[14]，為區塊鏈技術在能源領域的應用前景進行了展望。在此背景下，本文從區塊鏈典型特征入手，首先分析了區塊鏈的技術架構和區塊鏈網絡的交易過程;然后基于國內外區塊鏈和能源系統的研究熱點，從新興貨幣、技術產業和典型應用等方面對區塊鏈在能源系統中的應用進行了系統總結。最后對區塊鏈技術在我國能源互聯網建設和電力體制改革中的應用前景進行了展望。
1 區塊鏈相關知識介紹
區塊鏈(Blockchain)是指通過去中心化和去信任方式集體維護一個可靠數據庫的技術方案[15]。該技術方案讓參與系統中的任意多個節點，把一段時間系統內全部事務通過密碼學算法計算并記錄到一個數據塊(Block)，生成該數據塊的 Hash 用于鏈接下個數據塊，系統所有參與節點來共同檢驗記錄是否為真，并且每個區塊的內容都由后續子鏈上的區塊來保證其內容不可被篡改。各個參與節點可以在新區塊確認及獎勵分配上達成共識，從而逐漸形成的一個龐大、去中心化的公開賬本[16]。從數據的角度來看：區塊鏈是一種幾乎不可能被更改的分布式數據庫。這里的“分布式”不僅體現為數據的分布式存儲，也體現為數據的分布式記錄。
從技術的角度來看：區塊鏈并不是一種單一的技術，而是多種技術(數據讀取、數據存儲、數據加密和數據挖掘等技術)整合的結果。這些技術以新的結構組合在一起，形成了一種新的數據記錄、存儲和表達的方式。
1.1 區塊鏈特征分析
通過對區塊鏈概念的分析，總結得出區塊鏈的特征分為 4 個方面[16]：
1)開放、共識：任何人都可以參與到區塊鏈網絡，每一臺設備都能作為一個節點，每個節點都允許獲得一份完整的數據庫拷貝。節點間基于一套共識機制，通過競爭計算共同維護整個區塊鏈，任一節點失效，其余節點仍能正常工作。
2)去中心、去信任：區塊鏈由眾多節點共同組成一個端到端的網絡，不存在中心化的設備和管理機構，節點之間數據交換通過數字簽名技術進行驗證，無需互相信任，只要按照系統既定的規則進行，節點之間不能也無法互相欺騙。
3)交易透明、雙方匿名：區塊鏈的運行規則是公開透明的，所有的數據信息也是公開的，因此每一筆交易都對所有節點可見。由于節點與節點之間是去信任的，因此節點之間無需公開身份，每個參與的節點都是匿名的。
4)不可篡改、可追溯：單個甚至多個節點對數據庫的修改無法影響其他節點的數據庫，除非能保證整個網絡中超過 51%的節點同時修改，但這幾乎不可能發生。區塊鏈中的每一筆交易都通過密碼學方法與相鄰兩個區塊串聯，因此可以追溯到任何一筆交易的前世今生。
1.2 區塊鏈分類
目前，區塊鏈分為 3 類：公有區塊鏈(public Blockchain)，聯盟區塊鏈(consortium Blockchain)，私有區塊鏈(private Blockchain)[16]。
1)公有區塊鏈：世界上任何個體或者團體都可以發送交易，且交易能夠獲得該區塊鏈的有效確認，任何人都可以參與其共識過程。公有區塊鏈是最早的區塊鏈，也是目前應用最廣泛的區塊鏈，各大 Bitcoins 系列的虛擬數字貨幣均基于公有區塊鏈，世界上有且僅有一條該幣種對應的區塊鏈。
2)聯盟區塊鏈：由某個群體內部指定多個預選的節點為記賬人，每個塊的生成由所有的預選節點共同決定(預選節點參與共識過程)，其他接入節點可以參與交易，但不過問記賬過程(本質上還是托管記賬，只是變成分布式記賬，預選節點的多少，如何決定每個塊的記賬者成為該區塊鏈的主要風險點)，其他任何人可以通過該區塊鏈開放的 API 進行限定查詢。
3)私有區塊鏈：僅僅使用區塊鏈的總賬技術進行記賬，可以是一個公司，也可以是個人，獨享該區塊鏈的寫入權限，權利完全控制在一個系統中，私有鏈與其他分布式存儲方案沒有太大區別。
需要說明的是，區塊鏈存在“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，在實際應用中，要結合金融、貿易和能源等不同系統現實需求進行定制化設計區塊鏈的種類[17]。
1.3 區塊鏈基礎技術架
構通過對特征和分類的分析，可以得出區塊鏈的技術架構如圖 1 所示[16]。
結合圖 1 的分析，技術架構各個層的功能分析如下：1)應用層主要由客戶端完成轉賬、記賬功能;2)激勵層提出發行機制和激勵機制;3)共識層用于共識機制的達成;4)網絡層典型的為 P2P 網絡，完成共識算法、加密簽名、數據存儲等工作; 5)數據層以區塊鏈的形式全量存儲全部的交易數據和信息記錄。
2 區塊鏈在能源領域的進展
目前，區塊鏈在能源領域應用已經開始初見端倪，部分歐美發達國家及少數高科技公司已經開始嘗試將區塊鏈技術應用到能源領域[18]，相關的研究成果和典型案例整理如下。
2.1 區塊鏈和德國能源轉型
2.1.1 區塊鏈和能源交易
目前，區塊鏈的概念和建設模式已經較為成熟，在能源利用的應用分析也已經取得一定的研究成果。文獻[19]中指出，區塊鏈在能源交易領域的應用應該圍繞建立分布式交易和供應體系展開，具體的應用前景分析如圖 2 所示。
在德國，部分報告和文獻已經對區塊鏈技術在能源交易中的應用進行了前景展望[19-21]。
1)在 2020 場景中：能源系統還處于轉型的過程中，區塊鏈相當于一個信息通道，涉及能源交易的所有角色都包含在其中。每一個角色都是一個節點，相當于構建一個“許可區塊鏈”。區塊鏈節點之間橫向聯系表示為信息的同步，區塊鏈節點和交易系統之間縱向聯系表征了兩者之間的融合性;
2)在 2030 場景中：能源系統的轉型已經基本完成，各種分布式電源的成本將會大幅度降低;另一方面，隨著區塊鏈技術的提高，基于區塊鏈的能量交易平臺已經非常完善。在文獻[19]中，對區塊鏈在能源交易中的前景進行了較為詳細的分析展望，提出表征區塊鏈交易貨幣的 Enercoin 可以代替歐元進行能源的交易，并對負荷和分布式電源變化引起的Enercoin需求變化及其對歐盟中央銀行的貨幣調整政策的影響進行了定性的描述，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) 表示商業銀行通過中央銀行實現 Enercoin 和 Euro 之間的轉化;(三)市場參與者通過商業銀行利用交易賬號管理系統將 Euro 換為 Enercoin;(四)市場參與方利用Enercoin購買電力或者從其他電力消費者得到 Enercoin;(五)如果需要，市場參與方可以將Enercoin 通過商業銀行轉化為 Euro。
2.1.2 區塊鏈和電動汽車充放電管理
當前制約電動汽車大規模發展的主要因素有電動汽車充電設施數量較少、充電協議和計量模式多樣、充放電互動性較差、充電過程不透明、充電協議不靈活等。針對存在的典型問題，RWE 和 Slock 合作提出利用區塊鏈技術解決電動汽車的充電的一系列問題[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實現公用充電樁的計費的透明化和信任化。主要的步驟如下：1)在電動汽車上安裝智能充電插頭;2)在手機上安裝充電 APP;3)基于區塊鏈的全自動支付系統。為了實現多樣化電動汽車和充電模式的統一性交易，RWE 公司利用 BigchainDB(巨鏈數據庫)，其基本的工作原理是將區塊鏈技術和大數據技術進行整合，建立分布式大容量數據庫，容量可擴展意味著具法律約束力的合同及證書都可儲存在區塊鏈上，權限控制系統意味著私人企業的區塊鏈數據庫以及公開的區塊鏈數據庫都可共存。公用電動汽車充電網絡和 BigchainDB 在基礎特征方面存在較多的融合點，因此電動汽車充電是區塊鏈技術在能源系統中最早進行廣泛利用的環節之一。
2.2 區塊鏈和 NRGcoin–比利時
基于智能電網的物理結構和信息模型，比利時的區塊鏈專家Mike Mihaylov 在提出去中心化方式來促進點對點交易模式的同時，進一步提出了利用 NRGcoin 貨幣進行微電網的電力交易。主要的理念如圖 4 所示[22-23]。
相關期刊推薦：《中國電機工程學報》(旬刊)是中國電力行業的一流學術期刊，國家一級學報，全國中文核心期刊，國內外公開發行。1964年創刊，中國科協主管，中國電機工程學會主辦，中國電科院協辦。主要報道電力系統及其自動化、發電及動力工程、電工電機領域的新理論、新方法、新技術、新成果。在動力與電力工程類期刊中，其總被引頻次及影響因子等各項指標連續多年來位列第一。
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