能源互聯網中的區塊鏈技術：研究框架與典型應用初探
本文發表於《中國電機工程學報》第36卷第15期，2016年8月5日
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能源互聯網中的區塊鏈技術： 研究框架與典型應用初探
張寧1，王毅1，康重慶1，程將南1，賀大瑋2
1．電力系統及發電設備控制和模擬國家重點實驗室(清華大學)，北京市 海淀區 100084；
2．清華四川能源互聯網研究院，四川省 成都市 610200
摘要：區塊鏈技術作為一種分散式共享資料庫技術在各領域的應用研究方興未艾。區塊鏈技術的去中心化、透明性、公平性以及公開性與能源互聯網理念相吻合，其在能源互聯網中的應用也將進一步推動能源互聯網的建設。首先，介紹了區塊鏈技術的基本原理和特性；然後，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；在此基礎上，以碳排放權認證、信息物理系統安全、虛擬發電資源交易以及多能源系統協同4個場景為例說明了區塊鏈技術在能源互聯網中的具體應用方式；最後，對區塊鏈技術在能源互聯網中面臨的挑戰進行了分析和總結。
關鍵詞：能源互聯網；分散式能源；多能源系統；信息物理系統；區塊鏈；碳排放權
中圖分類號：TM 73
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.161311
Blockchain Technique in the Energy Internet: Preliminary Research Framework and Typical Applications
ZHANG Ning1, WANG Yi1, KANG Chongqing1, CHENG Jiangnan1, HE Dawei2
1. State Key Laboratory of Control and Simulation of Power System and Generation Equipments (Tsinghua University), Haidian District, Beijing 100084, China.
2. Tsinghua Sichuan Energy Internet Research Institute, Chengdu 610200, Sichuan Province, China
ABSTRACT：Blockchain is a distributed sharing database technology. Its applications are in the ascendant in various fields. The characteristics of blockchain technique, decentralization, transparency, fairness and openness, are consistent with the spirit of Energy Internet. The blockchain technique would therefore substantially contribute to the implementation of Energy Internet. The basic principle and characteristics of blockchain technique were firstly introduced. The possible applications of blockchain in Energy Internet were then analyzed from three dimensions-function, entity and property. Four functions of blockchain, the measurement and authentication, trading, coordinating and financing, were elaborated on different entities of Energy Internet including generation, transmission, consumption and storage, from the prospective ofenergy,information and value. Four specific scenarios were designed to further illustrate its application, including authentication of carbon emission right, securing cyber-physical system, trading virtual power resources, and coordinating multi-energy system. Finally, the challenges of blockchain technique faced in the Energy Internet were summarized.
KEY WORDS:energy internet; distributed energy resources; multiple energy systems; cyber-physical system; blockchain; carbon emission right
引言
2008年，隨著比特幣的發行及其創立者中本聰論文《比特幣：一個P2P電子現金系統》[1]的發表， 比特幣系統的底層核心技術——區塊鏈，作為一種去中心化(開放式、扁平化、平等性，不具備強制性的中心控制的系統結構)資料庫技術，開始進入人們的視野。
美國學者梅蘭妮·斯萬在其著作《區塊鏈：新經濟藍圖及導讀》給出了區塊鏈的定義[2]，指出區塊鏈技術是一種公開透明的、去中心化的資料庫。公開透明體現在該資料庫是由所有的網路節點所共享的，並且由資料庫的運營者進行更新，同時也受到全民的監管；去中心化則體現在該資料庫可以看作一張巨大的可交互電子表格，所有參與者都可以進行訪問和更新， 並確認其中的數據是真實可靠的。
區塊鏈最先的應用是實現貨幣和支付手段的去中心化，試圖脫離本質為國家信用擔保的法幣體系，建立新的數字貨幣體系，如比特幣的開發與應用。繼比特幣提出後，其他基於區塊鏈的加密數字貨幣，如萊特幣、狗幣、瑞波幣等數百種加密數字貨幣也相繼出現[3]。在金融領域，跨國大型金融集團諸如紐交所、花旗、納斯達克等都在2015年以創投的形式進入了區塊鏈領域，如分散式賬本初創公司R3CEV的區塊鏈金融項目，目前已吸引了包括摩根大通、滙豐、高盛、摩根斯坦利等25家跨國銀行集團的加入[4]。
由於區塊鏈具有數據的透明性和可靠性，其應用也從單一的貨幣向不同類型的資產進行延伸，試圖通過以創建資產價值的形式記錄每次資產的交易，從而實現更宏觀地對整個市場的去中心化。其具體應用包括智能合約、智能資產、去中心化應用、去中心化自治企業等。
區塊鏈最核心的優勢是因其透明、去中心化等特點保證了不同主體之間能夠相互信任，進而極大減少了重塑或者維護信任的成本。於是，區塊鏈技術可以進一步延拓到貨幣、經濟和市場以外的領域，其潛在的應用領域包括選舉、醫療、公證、版權，以及網路安全、汽車租賃、學歷鑒定等。
自區塊鏈概念提出以來，學術界對其展開了積極探索，為區塊鏈廣泛應用提供了重要的支撐。文獻[5]針對目前名譽系統存在的安全漏洞，設計了一種基於區塊鏈技術的能夠用於多重網路的名譽記錄系統。文獻[6]則針對第三方採集大量用戶信息而導致的個人隱私泄露等問題，提出了一種基於區塊鏈技術的去中心化個人數據管理系統，使得用戶能夠擁有並控制自己的個人信息。文獻[7]基於區塊鏈技術提出了一種感測數據真實性保障方法，能夠保證採樣機器人在完成任務的同時，不受不當人為干預的影響。
能源互聯網作為多種能源融合、信息物理融合、多元市場融合的「互聯網+」智慧能源產物， 也受到學術界和工業界的廣泛關注。2016年2月， 國家發改委、能源局和工信部共同發布了《關於推進「互聯網+」智慧能源發展的指導意見》，試圖建立「一種互聯網與能源生產、傳輸、存儲、消費以及能源市場深度融合的能源產業發展新形態」，實現「設備智能、多能協同、信息對稱、供需分散、系統扁平、交易開放」[8]。區塊鏈技術本身就在革新傳統的互聯網格局與模式，以保障信任為核心， 促進交易、認證等多方面高效運行。同樣地，區塊鏈技術也將在能源互聯網時代，促進多形式能源、各參與主體的協同，促進信息與物理系統的進一步融合，實現交易的多元化和低成本化。
本文首先簡要介紹區塊鏈技術的原理及特點， 並分析區塊鏈的特點如何體現能源互聯網理念。在此基礎上從功能、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。然後，舉例說明了區塊鏈技術在碳排放權認證、虛擬發電資源交易、多能源協同和信息物理系統安全4種典型場景的應用。最後，指出了區塊鏈技術在能源互聯網中可能面臨的挑戰。
1.區塊鏈技術
1.1 區塊鏈技術原理
1.1.1 區塊鏈的構成
區塊鏈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裡面，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。具體地，區塊由兩部分組成：
1）區塊頭，鏈接到前面的區塊，並為區塊鏈提供完整性；
2）區塊主體，記錄了網路中更新的數據信息。圖1給出區塊鏈的示意圖。每個區塊都會通過區塊頭信息鏈接到之前的區塊，從而形成鏈式結構[9]。
1.1.2 區塊鏈網路
區塊鏈網路是一個P2P網路，即點到點網路。整個網路沒有中心化的硬體和管理機構，既沒有中心伺服器，也沒有中心路由器。網路中的每個節點地位對等，可同時作為客戶端和伺服器端。
在區塊鏈系統中，每個節點保存了整個區塊鏈中的全部數據信息，因此，整個網路中，數據有多個備份。網路中參與的節點越多，數據的備份個數也越多。這種數據構架，各節點數據是所有參與者共同擁有、管理和監督的。一方面使得每個節點可以隨意加入或者離開網路，而保證網路的穩定性；另一方面使得數據被篡改的可能性更小。
1.1.3 區塊鏈的加密系統原理
區塊鏈採用非對稱加密演算法解決網路之間用戶的信任問題。非對稱加密演算法需要兩個密鑰：公開密鑰(public key)和私有密鑰(private key)[10]。公開密鑰與私有密鑰是一對，如果用公開密鑰對數據進行加密，只有用對應的私有密鑰才能解密；如果用私有密鑰對數據進行加密，那麼只有用對應的公開密鑰才能解密。
區塊鏈中每個參與的用戶都擁有專屬的公鑰和私鑰，其中專屬公鑰公布給全網用戶，全網用戶採用相同的加密或解密演算法，而私鑰只有用戶本人掌握。用戶用私鑰加密信息，其他用戶用公鑰解密信息。用戶可用私鑰在數據尾部進行數字簽名，其他用戶通過公鑰解密可驗證數據來源的真實性。
1.2 區塊鏈技術的特點
區塊鏈特殊的數據結構組織形式，使區塊鏈技術具有4個主要特點[3,8]：去中心化、透明化、合約執行自動化、可追溯性。
去中心化是指整個區塊鏈網路中沒有一個強制性的控制中心，網路中的每一個節點都具有相同的權利和義務，由於數據在較多節點互為備份，所以任意節點的數據損壞或者異常都不會影響整個數據系統的運行，即沒有一個中心單元能夠對數據進行單方面的操控，這使得基於區塊鏈的數據儲存具有較高的可靠性和魯棒性。
透明化是指整個區塊鏈系統的運作規則是公開透明的，區塊鏈記錄的信息在多個節點進行冗餘備份，信息的更新需要多個節點共同認證，於是節點之間的數據交換是去信任的，某一節點不能欺騙其他節點。
合約執行自動化是指通過區塊鏈可以設定一系列的寫入軟體代碼的智能合約，在智能合約中規定合約中每一方需要履行的義務及合約執行的判定條件，區塊鏈系統對合約執行條件的自動判斷， 當所有判定條件都滿足時，區塊鏈系統將自動強制執行合約條款。這一方面提高了合約執行的效率， 更重要的是在沒有強有力的第三方監督下有效保障了合約的執行。
可追溯性是指加入到區塊鏈中的記錄被永久存儲，區塊鏈中的每一筆交易記錄中均綁定了交易者信息，交易標的完整傳遞路徑能夠被完整記錄和追溯，不可被摧毀或篡改。為交易的監管帶來了便利。
1.3 區塊鏈技術中的能源互聯網理念
區塊鏈技術的特點與能源互聯網的理念在一定程度上具有相似性(參見表1)，具體敘述如下。
1）區塊鏈和能源互聯網都體現了去中心化的思想。區塊鏈系統中，不存在中心化的資料庫，每個節點都保存了區塊鏈的全部信息，權利和義務對等；能源互聯網中分散式能源和微電網將成為重要的組成部分，「消費者即生產者」，強調個體之間平等進行能源的分享。
2）區塊鏈和能源互聯網都體現了自治協同性。區塊鏈系統由網路中的所有節點運行和維護，不存在統一的管理機構；在能源互聯網中強調系統的自調度和生態化運行。
3）區塊鏈和能源互聯網都能夠促進建立市場化與金融化平台。利用區塊鏈技術能夠建立公平開放的市場機制，同時可以很好地服務於其他金融產品的交易；能源互聯網中則強調建立開放的能源市場，也將促進能源的金融衍生品的形成。
4）區塊鏈和能源互聯網都具有智能化、合約化的趨勢。區塊鏈系統中可以通過智能合約或「可編程貨幣」來實現合同執行的自動化和智能化；能源互聯網中將存在大量的智能發、輸、配、用以及儲能設備，需要通過一系列的智能合約保證能源系統的交易等的自動執行。
1.4 區塊鏈在能源互聯網中的實踐
目前，國內外已有少數公司開始探索並實踐區塊鏈技術在能源互聯網中的應用，下面將簡要介紹幾個區塊鏈技術在能源互聯網中應用的實例。
美國的能源公司LO3 Energy與比特幣開發公司Consensus Systems合作，在紐約布魯克林Gowanus和Park Slope街區為少數住戶建立了一個基於區塊鏈系統的可交互電網平台TransActive Grid。平台上每一個綠色能源的生產者和消費者可以在平台上不依賴於第三方自由的進行綠色能源直接交易[11]。
美國公司Filament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， 並基於區塊鏈系統為這些檢測裝置建立了相應的通訊機制。「taps」檢測裝置可以檢測電網節點的運行狀態，並可以將信息傳送給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，並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[12]。
歐盟Scanergy項目旨在基於區塊鏈系統實現小用戶綠色能源的直接交易。該項目設想在交易系統中每15min檢測一次網路的生產與消費狀態，並向能源的供應者提供一種類似於比特幣的NRG幣作為能源生產的獎勵，該項目目前尚未投入實際運行[13]。德國的電能供應商RWE 正在研究基於區塊鏈的電動汽車充電站的收費模式[14]。
由以上實例可見，目前已有的關於能源互聯網中區塊鏈應用的項目，僅有小部分投入實際運行的項目，尚在小規模的實驗探索過程中，大部分仍然處於概念階段。
2.區塊鏈技術在能源互聯網中的應用維度
2.1 區塊鏈技術應用維度分析
區塊鏈技術核心功能就是不依靠中心或者第三方機構，保障數據的真實可信，打破信任壁壘， 極大降低了業務開展需要支付的信任成本，促進業務的高效開展。區塊鏈的技術特徵與能源互聯網的理念吻合，使區塊鏈有潛力成為未來能源互聯網中重要的技術解決方案之一。如圖2所示，區塊鏈技術在能源互聯網中的應用可以從功能維度、對象維度和屬性維度等3個方面進行歸納和分析。
在功能維度主要包括計量認證、市場交易、組織協同、能源金融四個方面；對象維度則可以分為源、網、荷、儲等多個能源生產、傳輸、存儲、消費環節；屬性維度主要包括能源互聯網中的能量流、信息流和價值流。
2.2 功能維度
區塊鏈去中心化數據存儲的模式與技術，使其天然地包含透明性與可追溯性，因此十分適用於對認證及交換等原先需要第三方進行組織及擔保的場合。區塊鏈在機制上能夠實現可信任與自組織， 因此不需要第三方機構的存在，對「互聯網思維」 下的未來能源系統中具有重要意義。具體而言，在能源及排放的計量認證、能量及其衍生產品的市場交易、多能源形式多主體的組織協同、能源融資等方面將發揮巨大作用。
計量認證是能源互聯網實現開放與公平的重要基礎。能源互聯網涉及到廣泛繁雜的市場交易， 除現有的能量交易之外，還可能涉及輔助服務、排放等交易甚至金融交易，因此需要可信任的計量以及權威的認證。區塊鏈的分散式的「記賬」的原理以及全系統公共認證在機制上保證了數據不能進行私自篡改，保障了計量和認證的權威性，因而能夠在能源互聯網的計量和認證方面發揮重要作用。例如，區塊鏈能夠為綠色證書或碳排放配額提供公證、公開的計量平台，能夠被用於能源互聯網中進行跨能源系統的計量及認證。區塊鏈還能為智能電錶或電力系統PMU的數據提供記錄平台，能夠通過公共驗證機制降低壞數據比例，保障數據可信度。
市場交易是能源互聯網生態化的主要手段。建立多方位的市場機制和創建多元化的商業模式，促進各能源主體的廣泛參與和公平競爭是能源互聯網生態化的重要體現。未來能源互聯網的交易是多元化的，而區塊鏈在交易方面的應用具有獨特的優勢。首先，區塊鏈中所有交易的清算由系統中的所有節點共同分擔，無需中心化的交易機構組織，極大降低了交易成本；其次，區塊鏈中信息可以實現公開透明，並且真實可信，能夠實現信息的對稱性以及市場的有效性；再次，區塊鏈中每一個節點都備份了系統中的全部數據，交易記錄無法被篡改，保證了交易系統的安全可靠；最後，在區塊鏈中可以簽署智能合約，將在條件達成後強制自動執行，保障了合約的執行力與可靠性，有利於交易市場的公平可靠。例如，隨著售電市場的改革，基於區塊鏈的電力零售商與發電廠商雙邊交易將更加高效透明；分散式新能源的滲透使傳統的用戶實現從消費者到生產消費者(Prosumer)的轉變，基於C2C的能量微交易也可以在區塊鏈交易平台上實施。除能量交易之外，區塊鏈的公開透明也將保障輔助服務交易、碳交易等的高效執行。
組織協同是能源互聯網提高運行效率，促進新能源消納的重要保障。能源互聯網的能源形式不再局限於電能，而是包含電、熱、氣等多種能源，參與主體不再局限於「發輸配用」，而囊括了儲能運營商、售電商、能源代理商等眾多參與者。在合理的機制下，促進多能源形式，多參與主體的分散式組織協同需要兩個條件：一是利益的合理分配，以提高所有人參與的積極性；二是保證信息交換的真實可靠性，實現協同的高效性。區塊鏈技術一方面能夠通過公開透明的計量保證各方利益的合理分配，另一方面能夠保障信息的可信性。例如，不同能源主體開展去中心化的協同優化運行，區塊鏈系統可以完整記錄多能源系統中所有能源主體的運行狀況以及能源邊際成本。系統中所有節點都可以根據自己的需求做出相應的最優決策，可以在利益驅動下達到自組織生態化運行的目的，能夠在更大的空間內優化系統運行，實現能源的高效利用。
能源金融是能源互聯網建設的重要延伸。吸引各方資本的注入將進一步加快能源互聯網的建設，而眾籌等創新的商業模式也成為能源互聯網融資的新渠道，實現了能源互聯網的高效快速建設。利用區塊鏈進行能源眾籌，為初創企業的信用提供背書，無需作為中介的第三方，極大降低了融資成本， 並且使得投資者能夠按時得到企業分紅，保證了投資者的權益。例如，分散式光伏的眾籌，通過資產的金融化，實現資產的自由交易，而光伏發電收益也可以通過區塊鏈技術直接反饋給投資者。輸配電線路等其他能源資產的證券化和金融化，也可以在區塊鏈平台上進行高效的融資與交易。
2.3 對象維度
傳統能源系統呈現源、網、荷界限清晰的結構， 而未來能源互聯網中將引入大量的儲能技術，同時源、網、荷的界限逐漸模糊，在不同能源系統中的耦合性逐漸增強。源、網、荷、儲的互聯網化對傳統的運行和交易機制都帶來了極大的挑戰。而區塊鏈對等以及去中心化的特質，能夠為源、網、荷、儲的互聯網化發展提供關鍵的技術支撐。
在源端，能源生產在原有集中式常規機組和大規模新能源發電的基礎上，將接入更多的分散式新能源，系統調度運行也將逐步從集中式走向分散式。區塊鏈技術具有去中心化的特點，採用基於區塊鏈的調度系統能夠實時共享電力系統各節點的電力供需信息以及實時價格，各機組根據區塊鏈的共享信息自主確定發電出力，能夠實現生態化的調度運行。此外，大規模新能源接入將極大提升輔助服務市場的需求。區塊鏈能夠為電力輔助服務提供開放公平的記賬與交易平台，能夠實現風火打捆、風儲聯合調度中的輔助服務的工作量證明與自動成本補償，也能為更多資源(例如電動汽車、需求響應等)參與輔助服務的認定和結算提供便利。
在網側，載有大量的能量流和信息流。在能量流方面，需要對通過網路傳輸的能量進行準確的計量，還要保證能量流的合理分布以保障能源系統的安全穩定；在信息流方面，需要保證系統狀態信息的可靠性，並能夠綜合各種信息對全局能源系統進行評估。區塊鏈技術通過保證信息的可靠性和透明性，能夠對能量流和信息流進行可靠計量。例如， 開發基於區塊鏈的多網路(電網、氣網、熱網)的狀態估計平台，對其進行檢測和估計。區塊鏈技術通過打破網路之間的隔閡，採用統一的能量計量手段，多能源系統協同消除網路阻塞。區塊鏈技術還能夠為物理輸電權以及金融輸電權提供靈活和開放的交易平台。
在荷端，一方面負荷形式呈現多樣化，分散式新能源、用戶需求響應、電動汽車等新型負荷參與其中，而不同類型負荷具有不同的用電行為和調節能力；另一方面售電側市場逐步建立，用戶從接受電網單一壟斷價格變為自主選擇售電公司供電，另外用戶還可以調節自身用電行為，參與到不同的能源市場。區塊鏈技術在交易和計量方面的獨特優勢能夠促進負荷側深度參與到與能源系統的互動中。例如，能源供應商的自由切換與結算需要透明可靠的售電計量服務平台。區塊鏈可對供電商信用進行認證，並提供交易平台。
在儲能側，分散式的儲能系統和集中的大規模儲能系統將在未來電力系統的調峰、調頻等方面具有重要作用。區塊鏈的信息透明機制能夠促進儲能對整個能源系統的貢獻，進行合理透明的計量和認證，充分調動分散式和集中式的儲能參與市場積極性，為能源系統高效清潔的運行提供輔助服務，並獲得相應的回報。例如：基於區塊鏈P2P的特點， 系統能夠實時發布所需的調峰調頻備用，而分散式儲能能夠自行決定不同時段提供多少服務，實現儲能的自調度，促進分散式能源的協同工作。
2.4 屬性維度
區塊鏈本質上是分散式資料庫技術，資料庫中存儲的對象不僅可以是比特幣等「價值」量，還能能夠存儲其他需要進行註冊、認證、追溯、交易或共享的量，例如所有權、生產流程、控制信號、版權甚至健康檔案。能源互聯網是集成能量、信息以及價值的網路，其中信息流和物理流深度融合、雙向流動，開放扁平的能源系統將孕育自由多元化的能源及其衍生產品市場，進而帶來複雜多元的「價值流」，區塊鏈能夠在能量、信息以及價值3個方面支撐能源互聯網的運行。
對於能量流，除了傳統的電力系統中的電力流，還融合了熱、氣等多種形式的能源，打通各種能源形式的壁壘，實現多種形式能源的融合與協同需要去中心化的調度協調平台，而區塊鏈可靠的數據系統與認證機制能夠將不同能源系統中的能量的計量統一化、交易標準化，為打破多能源計量壁壘，實現多能源協同等提供支撐。
對於信息流，一方面來自高級量測體系(AMI)、 SCADA系統、PMU單元等的數據將會被實時採集和傳輸，用於對整個能源系統的狀態進行檢測和評估；另一方面，為了促進不同主體協同優化的調度指令、分散式優化結果反饋等信息也將在能源系統中實時傳播和交換。這兩類信息流安全對能源系統的安全穩定和經濟運行至關重要。而利用區塊鏈可以確保信息的準確無誤不可篡改，實現能源系統數據的集體維護，保障用戶隱私，保證數據可靠性， 從而實現整個信息物理系統的安全。此外，用戶的用電數據被廣泛採集，裡面包含了大量的用戶信息，涉及到用戶的隱私，用戶也會切換不同的售電商，利用區塊鏈的加密技術能夠保證用戶的用電數據只能被特定的人獲取，並能夠可靠的保存，既保障信息安全又保護用戶隱私。
能源互聯網能量流和信息流中還附帶豐富的價值流，例如火電機組發出的電力帶有碳排放標籤，而可再生能源機組出力能夠被賦予綠色證書； 另一方面，為了能源資產可以進一步金融化，通過眾籌、股權交易等手段，使得未來的能源系統中將包含更多的金融信息價值流。這些價值流都需要精確可靠的計量以及促進高效交易的多邊信任，而區塊鏈能夠提供可靠協同的數據存儲結構，使得價值流能夠被準確計量，提供無需第三方的信任。例如， 可以利用區塊鏈技術，構建碳排放或綠色證書追溯、計量、認證與交易的平台；又如售電公司與用戶之間的交易通過比特幣等形式進行結算，逐步取代傳統的資金流，極大降低電費催繳成本和支付延遲，實現電費自動計量與扣除。
3.區塊鏈技術在能源互聯網中的典型應用
本節將通過碳排放權認證、信息物理系統安全、虛擬發電資源交易，以及去中心化的多能源系統協同4個典型場景來介紹區塊鏈技術在能源互聯網中的具體應用。
3.1 碳排放權認證
在能源互聯網中，隨著對可持續發展的重視和對節能減排要求的提升，聯合國政府間氣候變化專門委員會1997年通過《京都議定書》，確立了二氧化碳排放權(簡稱碳排放權)的認證及其交易機制。碳排放權一種可交易的，能兌現為貨幣的憑證。顧名思義，碳排放權是對各行業二氧化碳排放的一種分配和計量方式。政府有關部門會結合我國碳減排目標，根據各行業排放情況，對產生排放的各主體分配一定配額的碳排放權[15]。排放超過配額的主體要被處以罰款。多產生的碳排放需要通過額外購買排放權的方式抵消，排放權有餘額的參主體可以將多餘部分轉移給排放超額的主體，從而獲取利潤。電力系統是碳排放的大戶，將是碳交易的活躍部門。此外，綠色證書的認證和交易也具有類似的機制[16]。
目前，碳排放市場中存在一系列商業模式的挑戰和需求，主要包括：
1）政府部門需要對每一個發電商進行碳排放配額認證，發電公司數量繁多，使得綠色證書認證工作量巨大。因此，需要一個自動化、智能化的認證機制；
2）政府部門需要對所有發電公司上交的排放配額進行追溯，確保其真實性。碳排放權的頻繁交易使得其追溯過程及其複雜。因此，碳配額的數據記錄應可追溯，並且不能篡改。
區塊鏈能夠為碳排放權的認證和碳排放的計量提供一個智能化的系統平台，如圖3所示。具體而言，採用區塊鏈技術搭建碳排放權認證和交易平台，給予每一單位的碳排放權專有ID，加蓋時間戳，並記錄在區塊鏈中。發電企業每台機組的發電排放實時向區塊鏈進行更新；區塊鏈系統將根據發電公司的機組排放情況，採用智能合約方式自動確認碳排放權消耗量；碳交易時，每當碳排放權發生一次所有權轉移，交易信息即記錄在區塊鏈中，並且不可篡改；區塊鏈系統自動對超標排放的企業進行罰款。
該系統具有如下特點：
1）可追溯性。區塊鏈系統可以保證每一單位的碳排放權的來源以及交易路徑能被追根溯源，確認其存在及交易的合法有效。此外，根據碳排放的交易的路徑，還能夠計算碳排放在電網中的流動情況，為碳排放流的計算提供基礎數據[17]；
2）不可篡改。每家發電企業的每台機組的發電屬性不可更改，保證了碳排放量與常規碳排放機組發電量相匹配。因此，發電公司如果想保證一定範圍內的碳排放量，必須有效控制單位電量碳排放，或增加綠色發電機組出力；
3）數據公開透明。使得用戶可查詢和確認發電企業的發電規模及其碳排放屬性，在信息對稱的條件下實現對電能供應商的選擇，在用戶側保證了碳排放權分配的公平合理；
4）自動化與智能化。區塊鏈上可記錄智能合約，自動實現碳排放的計量認證，以及確認配額是否被使用。如果企業和用戶的碳配額數量滿足要求，則智能合約條件滿足，達到政策要求；否則條件不滿足，智能合約將自動執行罰款，由此可保證政策的執行力。
3.2 信息物理系統安全
信息與物理系統的融合是能源互聯網的重要特徵之一，有利於物理系統的實時態勢感知與快速決策，有效提升能源系統的運行效率，準確的信息將指導物理系統進行合理的決策，然而一旦信息系統損壞或受到攻擊，錯誤的信息可能會為實際物理系統帶來災難性的影響[18]。
在未來能源互聯網中，保障信息物理系統的安全存在一系列的挑戰與技術需求，主要包括：
1）為了保證信息系統的安全，目前能源互聯網中重要信息均是通過內網傳播和交換，對於AMI等數據則採用載波通訊，前者增加了網路建設成本，後者信息傳播容易受到干擾和攻擊；
2）目前信息安全系統還沒有主動防禦攻擊的完整解決方案。目前，主要利用數據挖掘技術對可能包含壞數據或者攻擊信息的數據進行識別和修正。針對某一特定攻擊問題需要構建具有針對性的模型，不具有普適性。
區塊鏈去中心化的本質有助於解決物理信息系統中面臨的部分安全問題，如圖4所示。具體而言，可將區塊鏈作為能源互聯網中信息系統的底層。在感知執行層安全上，每個感測器都有自己固定的私鑰，並在每次向全網廣播數據時，在數據包末尾添加用私鑰加密的數字簽名，這使得攻擊者試圖偽造感測器數據欺騙網路中其他節點變得非常困難。網路中，只有得到授權的節點才能獲取其他節點和感測器的公鑰，因此攻擊者如果沒有公鑰將無法解密網路中傳輸的數據。在數據傳輸層上，系統中節點鏈接成網狀結構，使得數據通路存在冗餘。即使攻擊者阻斷了網路拓撲中的部分數據通路，信息仍然可通過其他數據通路進行傳輸。在應用控制層上，區塊鏈系統中所有用戶的個人信息具有絕對隱私，因此也不存在隱私泄露問題。
該系統具有如下特點：
1）抗攻擊性。如果攻擊者試圖篡改區塊鏈資料庫中的數據，由於區塊鏈系統的去中心化特點，攻擊者無法攻擊集中式資料庫。由於全網中的所有節點都有資料庫的完整備份，存在大量的數據冗餘，因此攻擊者必須控制系統中至少51%的數據節點才能實現數據篡改，這使得數據篡改的成本大大增加，數據被篡改的可能性大大降低；
2）數據保密性。區塊鏈採用非對稱密鑰加密技術，破解條件苛刻，大大增加了攻擊者攫取用戶個人隱私的難度。即使系統各節點擁有全部的數據，也只能訪問其許可權內的數據，無法訪問保密的數據。
3）自我修復韌性。系統中每個節點都寫入了區塊鏈數據的完整備份，即使系統中部分節點和通路受到攻擊而癱瘓，也可以保證系統中的特定節點通過其他通路重構所需信息。
3.3 虛擬發電資源交易
隨著能源互聯網的發展，眾多分散式電源，如分散式風電，分散式光伏發電等，將併入大電網運行。但是分散式電源容量小，並且出力有間斷性和隨機性。通過虛擬電廠廣泛聚合分散式能源、需求響應、分散式儲能等進行集中管理、統一調度，進而實現不同虛擬發電資源的協同是實現分散式能源消納的重要途徑[19]。在未來的能源互聯網中，虛擬發電資源的選擇與交易應滿足公開透明，公平可信，成本低廉的要求。
在虛擬發電資源交易的願景中，存在一系列商業模式的挑戰，主要包括：
1）虛擬電廠的交易缺乏公平可信、成本低廉的交易平台。虛擬電廠之間的交易以及虛擬電廠與其他用戶的交易成本高昂，難以實現社會福利最大化；
2）虛擬電廠缺乏公開透明的信息平台。每家虛擬電廠的利益分配機制並不公開，分散式電源無法在一個信息對稱的環境下對虛擬電廠進行選擇， 增加了信用成本。
區塊鏈能夠為虛擬發電資源的交易提供成本低廉、公開透明的系統平台，如圖5所示。具體而言，基於區塊鏈系統建立虛擬發電廠信息平台和虛擬發電資源市場交易平台，虛擬發電廠與虛擬發電資源可以在信息平台上進行雙向選擇。每當虛擬發電資源確定加入某虛擬電廠中時，區塊鏈系統將為兩者之間達成的協議自動生成智能合約。同時，每個虛擬發電資源對整個能源系統的貢獻率即工作量大小的認證是公開透明的，能夠進行合理的計量和認證，激發用戶、分散式能源等參與到虛擬發電資源的運作中去。在區塊鏈市場交易平台中，虛擬電廠之間以及虛擬電廠和普通用戶之間的交易，可以智能合約的形式達成長期購電協議，也可以在交易平台上進行實時買賣。
該系統具有如下特點：
1）運行生態化。分散式信息系統與虛擬電廠中的虛擬發電資源相匹配，用戶自願加入虛擬電廠系統平台的維護工作，權利義務對等，保證了系統平台的去中心化屬性；開放的信息發布與交易平台易於接入，便於聚合更多虛擬資源；
2）工作量認證公平化。構成虛擬電廠的各種資源如分散式儲能、彈性負荷等對能源系統的貢獻大小即工作量能夠根據既定規則進行公開公平的認證，保障各參與者利益的合理分配，激發其參與輔助服務市場等的積極性；
3）智能合約化。虛擬電廠與分散式能源簽署有關利益分配的智能合約，一旦智能合約實現的條件達成，區塊鏈系統將自動執行合約，完成虛擬電廠中的利益分配。由此虛擬電廠中分散式能源利益分配的公平有效，並且降低了信用成本；所有的交易都建立在區塊鏈系統上。整個系統中交易的清算由系統中的所有節點共同分擔，費用低廉，免去了交易手續昂貴的中心化機構；
4）信息透明化。虛擬發電資源在信息平台上，得到了公開市場信息。公開透明的信息平台，不僅有利於分散式電源尋找條件最優的虛擬電廠加入， 也為不同虛擬電廠之間提供了定價參考，激勵它們降低成本，促進市場競爭。
3.4 去中心化的多能源系統協同
多能源系統融合是能源互聯網的重要特徵，傳統能源系統中電力、熱力、燃氣等能源系統均處於各自分立運行的狀態，而未來能源互聯網中，各能源系統在生產、轉換、儲備、運輸、調度、控制、管理、使用等環節緊密融合與協同優化，形成有機的整體。各種能源能夠通過能量轉換設備實現在不同物理系統中的靈活流動，實現能量的靈活存儲與梯級利用，能夠顯著提高能源的轉化與利用效率[20]。
在多能源系統協同的願景中，存在一系列商業模式的挑戰與技術需求，主要包括：
1）電力系統、熱力系統、燃氣系統等不同能源系統長期處於分立自製的狀態，其分屬於不同的部門管理，難以設立一個中心化調度機構進行運行管理。因此需要進行去中心化的協同；
2）不同能源系統物理特性迥異，調度模式差別很大，其控制方式、控制間隔時間、信號指令等無法進行統一。因此需要一個標準化平台進行「對話」，需要平台數據能夠在多個能源系統之間進行同步，且能夠保障數據的安全性和可信性；
3）不同能源系統之間沒有跨平台的商業模式， 不同能源系統之間協同缺乏激勵相容的機制。一個能源系統為另一個能源系統的優化運行做出貢獻時，應能夠分享一部分收益。
區塊鏈能夠為多能源系統提供一個去中心化的系統平台，如圖6所示。具體而言，採用區塊鏈記錄不同能源系統的實時生產信息及其成本，存在跨能源類型的市場時，可記錄多個能源系統之間的交易及其價格信息，在此基礎上實時生成各地區各類能源的邊際價格(例如節點電價、節點氣價、節點熱價)；不同能源系統可以通過區塊鏈中的邊際價格信息對自身系統的運行進行優化，或通過簽署智能合約，根據邊際價格信息執行自動調度指令，並且根據邊際價格信息進行能量費用結算。
該系統具有如下特點：
1）調度運行去中心化。區塊鏈使多個能源系統之上不需存在統一的機構進行調度管控，通過「邊際價格」將不同能源系統以及不同地區的能源供求關係信息在多個能源系統中進行共享，多能源系統中每個個體都能夠通過所在地區的不同能源的邊際價格信息進行自調度決策，在優化自身收益的同時也促進了不同能源系統之間的協同。例如， 當用電緊張時，電價升高、用戶可以微型燃機供電， 或將電供暖改為燃氣供暖，進而緩解電力系統的供需矛盾。
2）跨能源系統通用性。區塊鏈通過價格信息搭建了不同能源系統之間進行溝通及協同的橋樑。不同能源系統中運行方式及交易模式大不相同，區塊鏈為不同能源系統的信息提供統一化、標準化的「對話平台」，能夠在不改變各系統調度運行方式以及交易方式的前提下實現不同能源系統之間的協同。
3）數據具有保密性與可靠性。不同能源系統內的交易能量交易信息是私有信息，這些交易信息通過公鑰加密後上傳拷貝的方式確保交易信息的保密性；而系統節點價格信息是共有信息可以被公開查詢，區塊鏈分散式賬本的存儲方式能夠保證節點價格信息的真實可靠不易被篡改進而具有公正性。
4）通過智能合約實現自協作。不同能源系統之間可以以節點價格作為觸發條件而簽署一系列智能合約以實現協同。例如對於風電供暖而言，如在冬季深夜產生棄風時(系統發電邊際價格接近於0)，風電供暖設備可以自動啟動將風機發電用於轉換為熱能供暖，實現自動化的風電供暖。
5）調節服務有償化。通過節點價格信息可以進行跨能源系統之間的價值計量，能夠明確對多能源協同而產生效益有貢獻的參與者的經濟收益，進而實現跨能源系統的激勵相容。即使能源系統中不採用節點價格進行結算，區塊鏈中也可採用虛擬貨幣的形式對參與者的貢獻進行認證與獎勵。
4.區塊鏈技術在能源互聯網中應用的挑戰
區塊鏈技術在能源互聯網中的應用仍然存在巨大的挑戰。這些挑戰部分來自於區塊鏈技術自身的局限性，部分來自於區塊鏈與能源互聯網結合的潛在制約因素。
在能源互聯網的應用中，區塊鏈目前仍然存在一些內生性短板：
1）區塊鏈的計算能力及響應速度仍然存在瓶頸。以目前最成熟的區塊鏈應用——比特幣網路為例，其吞吐量很小，平均每秒鐘只能處理7筆交易， 交易確認存在至少10min的延遲時間；區塊數的增加也對資料庫容量和帶寬提出更高要求。能源互聯網中的較多應用如多能源系統協同優化運行等數據量較大、對實時性要求較高。未來區塊鏈在能源系統這樣數據處理量大、對實時性要求性較高的系統中實現應用之前，需要建立更新間隔更短的區塊鏈技術體系，其中包括吞吐量更大的資料庫技術、更快的數據通信技術、更高效的共識機制等。
2）非同步共識網路的容錯挑戰。區塊鏈技術本身是非同步共識網路，理論上不存在一個一致性的演算法保證系統能夠達到共識並且能夠實現拜占庭容錯。目前比特幣的工作量證明機制(挖礦)採用激勵機制來解決拜占庭容錯進而保障系統的安全性，但相應的代價是需要耗費大量的計算資源以及工作量驗證所造成的延時。未來區塊鏈的應用必然要採用不需要挖礦的創新性共識機制，保持系統安全性魯棒性的基礎上降低系統對計算資源的消耗。
3）智能合約的責任主體缺失問題。智能合約簽訂主體往往是虛擬的賬戶而不是自然的人，所以有一系列倫理問題，比如合同授權、違約責任方的追責等。未來區塊鏈在能源互聯網中的應用需要引入「數字身份認證服務」，提供不同種類的數值身份認證服務，另外也需要政策的保障和監管，保證區塊鏈主體的合法性和合理性。
除區塊鏈內生性短板，能源互聯網本身的特點也使得區塊鏈技術在能源互聯網中應用面臨不同方面的挑戰：
1）區塊鏈技術的能源互聯網實踐經驗較少。區塊鏈技術的問世至今只有8年時間，雖然最近幾年產業界對區塊鏈的重視程度逐漸提高，但總體而言其投資規模仍然不是很大，較為成功的區塊鏈系統應用仍然局限在金融領域。能源行業目前還相對保守，特別是我國售電側也才初步放開，目前推進的阻力相對較大，對區塊鏈系統在能源互聯網中潛在的問題，人們往往缺乏相應的技術解決方案和管理應對措施。把區塊鏈系統從金融領域遷移至能源互聯網領域，仍然存在巨大的壁壘和不確定性，需要不斷的實踐經驗積累。
2）能源互聯網壟斷性對區塊鏈信息安全性產生威脅。比特幣系統中參與全網計算的礦工力量分散，組成一個龐大的整體對網路進行數據篡改的成本遠大於收益，因此對比特幣網路發動51%攻擊的可能性趨近於0[3]。但是在能源互聯網中，網路中超過51%的計算資源很有可能被同一利益集團所掌握，此時區塊鏈的安全性將受到巨大威脅。能源系統關乎國計民生，信息安全很重要的角度需要一起充分重視。另外，能源行業目前集中度還較高，出現壟斷現象的可能性也較大。所以需要在參與主體准入、數據保密性、數據的防攻擊能力方面需要投入更多的研究。
3）能源系統內在複雜性與物理規律帶來的挑戰。區塊鏈應用於貨幣、支付和銀行方面，其物理系統相對簡單，涉及到的往往是數值上的平衡，本質是信息的交換。而能源系統是個複雜的物理系統，要面臨測量壞數據、不同類型複雜物理量之間的關係建模，系統運行實時性等要求，區塊鏈技術的應用需要充分考慮能源系統的物理規律，使信息系統能夠與物理系統充分協同。
4）區塊鏈法律與監管有待完善。區塊鏈技術對個人信息的完全隱匿可能導致違法犯罪活動能夠逃避監管的視野。能源是關係國計民生的重要領域，能源的交易與運行仍然需要嚴格的監管，然而目前如何在區塊鏈技術中納入監管體系仍然缺乏研究。
5.結論
能源互聯網是多能源融合、信息物理融合和多市場融合的產物，將深刻影響未來的能源生產、傳輸、存儲和消費各個環節，促進產能用能的高效化和清潔化。能源互聯網的建設少不了新技術的引入和新思維的滲透。區塊鏈技術作為一種新的資料庫技術，因其去中心化、公開、透明等特性與能源互聯網的理念相符，在未來能源互聯網中具有廣泛的應用的潛力。本文從區塊鏈技術本身出發，剖析了區塊鏈技術的特點及其對能源互聯網理念的體現；然後介紹了若干區塊鏈技術在能源互聯網中已有的實踐；並從功能維度、對象維度和屬性維度等對區塊鏈在能源互聯網中的潛在應用進行了歸納總結。在此基礎上，對碳排放權認證、信息物理系統安全、虛擬發電資源交易以及去中心化的多能源協同4個典型應用案例進行了深入的分析。最後，總結了未來區塊鏈技術在能源互聯網中可能遇到的挑戰。現階段區塊鏈技術在能源互聯網應用方興未艾，希望本文能夠為能源互聯網研究者對區塊鏈技術及其應用的研究提供參考。
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