區(qū)塊鏈技術(shù)在智慧能源體系中的應(yīng)用研究

丁騰波，劉宏波，陶佳，郭創(chuàng)新

區(qū)塊鏈技術(shù)在智慧能源體系中的應(yīng)用研究

丁騰波1，劉宏波1，陶佳1，郭創(chuàng)新2

（1．中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計(jì)院有限公司，浙江省 杭州市 310012；2．浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江省 杭州市 310027）

區(qū)塊鏈?zhǔn)悄壳按蛲ㄎ锢韺?shí)體、虛擬數(shù)據(jù)直至價(jià)值層面最合適的技術(shù)手段之一，其核心是依靠分布式共識(shí)機(jī)制實(shí)現(xiàn)價(jià)值的可靠重構(gòu)和轉(zhuǎn)移。區(qū)塊鏈的技術(shù)原理和價(jià)值特性與智慧能源的內(nèi)在訴求不謀而合，匹配智慧能源的多主體應(yīng)用場(chǎng)景。基于區(qū)塊鏈的技術(shù)特性，對(duì)其在智慧能源體系中的適用性進(jìn)行分析，提出具體的技術(shù)選型和構(gòu)架設(shè)計(jì)方案，促進(jìn)能源區(qū)塊鏈技術(shù)在智慧能源、能源互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的發(fā)展。

區(qū)塊鏈；智慧能源；信息通信技術(shù)

0 引言

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N隨著比特幣、以太坊等數(shù)字加密貨幣的普及而逐漸興起的一項(xiàng)具有顛覆性意義的技術(shù)。區(qū)塊鏈來源于數(shù)字貨幣，是數(shù)字貨幣的底層技術(shù)，但其提供了一種去中心化的、無需信任積累的信用建立模式，已經(jīng)引起了世界范圍內(nèi)各行各業(yè)，尤其是金融、商業(yè)、政府、醫(yī)療、能源領(lǐng)域的高度重視。如果說互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決的是機(jī)器之間的信任問題(通過TCP/IP等通信協(xié)議)，那么區(qū)塊鏈技術(shù)是解決網(wǎng)絡(luò)中人與人之間的信任問題，提供了傳統(tǒng)的“信息”互聯(lián)網(wǎng)至“價(jià)值”互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)演進(jìn)路線，也因此被人們稱為繼“互聯(lián)網(wǎng)+”之后的下一代“價(jià)值互聯(lián)網(wǎng)”[1-5]。

本文將根據(jù)智慧能源體系的發(fā)展訴求，從信息通信技術(shù)及應(yīng)用層面切入，提出基于區(qū)塊鏈的智慧能源技術(shù)解決方案，研究其應(yīng)用場(chǎng)景、技術(shù)特性，通過能源體系能量流、信息流和價(jià)值流的高度融合，實(shí)現(xiàn)智慧能源體系的價(jià)值重構(gòu)和轉(zhuǎn)移。

1 現(xiàn)狀概況

1.1 技術(shù)特性

區(qū)塊鏈?zhǔn)腔趨^(qū)塊鏈技術(shù)所形成的公共數(shù)據(jù)庫(kù)(公共賬本)，是指多個(gè)參與方之間基于現(xiàn)代密碼學(xué)、分布式一致性協(xié)議、P2P通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能合約技術(shù)等形成的數(shù)據(jù)交換、處理和存儲(chǔ)的技術(shù)組合。區(qū)塊鏈的鏈?zhǔn)劫~本中，每一頁(yè)“賬本”都是一個(gè)“區(qū)塊”，系統(tǒng)依靠分布式的共識(shí)機(jī)制決定每一頁(yè)賬本的記賬權(quán)，賬本內(nèi)的數(shù)據(jù)通過密碼學(xué)簽名和哈希等加密算法確保不可被篡改，依靠鏈?zhǔn)接涗洿_保所有數(shù)據(jù)可追溯[6]。

區(qū)塊鏈的去中心化構(gòu)架思路，避免了傳統(tǒng)集中式構(gòu)架的弊端，比如業(yè)務(wù)性能瓶頸、易遭受網(wǎng)絡(luò)攻擊、人為篡改風(fēng)險(xiǎn)、單一故障率等，而是依靠分布式的思路分擔(dān)整個(gè)系統(tǒng)的性能需求、成本需求、風(fēng)控需求。區(qū)塊鏈被廣泛提及的“去中心化”描述并不準(zhǔn)確，嚴(yán)格意義上來說應(yīng)該是“分布式”。區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)中不存在唯一的中心節(jié)點(diǎn)，而是存在多個(gè)節(jié)點(diǎn)，甚至所有的節(jié)點(diǎn)共同負(fù)責(zé)賬本的處理、維護(hù)和存儲(chǔ)工作。最典型的表現(xiàn)就是區(qū)塊鏈的分類，如公共鏈就是典型的完全去中心化的機(jī)制，而聯(lián)盟鏈和私有鏈則是多中心和少中心的機(jī)制，系統(tǒng)的利益分配在系統(tǒng)建立之初由場(chǎng)外博弈完成[7]。

區(qū)塊鏈根據(jù)鏈條的參與方可以分為公共鏈、聯(lián)盟鏈和私有鏈，不同的鏈條所適應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景不同、內(nèi)部實(shí)現(xiàn)機(jī)制也存在很大的差異。對(duì)于一個(gè)比較成熟、穩(wěn)定、高效、成本可控的中心化機(jī)制，或者僅僅是為尋求一種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸?shù)慕鉀Q方案，區(qū)塊鏈技術(shù)未必是最好的選擇，但是在一個(gè)存在多方共同參與、信息不透明、互動(dòng)過程復(fù)雜且又難以構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一的信任中心時(shí)，區(qū)塊鏈則提供了一條目前最有效的出路。區(qū)塊鏈的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 區(qū)塊鏈的典型結(jié)構(gòu)

1.2 技術(shù)適用性

區(qū)塊鏈作為一種技術(shù)本身并不歸屬于任何行業(yè)，這種以低廉成本通過數(shù)學(xué)算法和協(xié)議在陌生網(wǎng)絡(luò)中建立信用的機(jī)制，特別適合于金融行業(yè)，尤其是非現(xiàn)金交易這類跨區(qū)域的數(shù)字資產(chǎn)轉(zhuǎn)移，因此首先被應(yīng)用于金融領(lǐng)域。

從技術(shù)角度而言，區(qū)塊鏈?zhǔn)谴罅總鹘y(tǒng)技術(shù)的巧妙結(jié)合，例如P2P網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)字加密算法、Merkle等數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等。不同于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建的分布式賬本，區(qū)塊鏈的核心是引入了基于數(shù)學(xué)算法的共識(shí)機(jī)制和智能合約，共識(shí)機(jī)制是智能合約執(zhí)行的基礎(chǔ)，智能合約是共識(shí)機(jī)制所要達(dá)到的目的。與其說區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N技術(shù)型的生產(chǎn)力，不如說是利用技術(shù)手段來保障的生產(chǎn)關(guān)系，并且維護(hù)成本相對(duì)低廉得多，而以往只能通過合同、合約、法律、規(guī)則等手段，以高額的信任維護(hù)代價(jià)和違約處理程序來確保不同利益主體之間的既定生產(chǎn)關(guān)系。

正因如此，區(qū)塊鏈作為一種分布式機(jī)制，天然適用于多方參與協(xié)作的環(huán)境或場(chǎng)景。而在多方參與的情況下，由于不同的利益訴求，導(dǎo)致達(dá)成共識(shí)和信任的成本較為高昂，且很難構(gòu)建一個(gè)中心化的中介來完成共識(shí)的建立。簡(jiǎn)單而言，是成本、效率以及信任之間的平衡問題。在比較成熟穩(wěn)定、成本可控的中心化應(yīng)用場(chǎng)景中，區(qū)塊鏈僅僅是作為一種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸?shù)氖侄?，且并不一定是最?yōu)的，比如數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完全可以用云存儲(chǔ)來解決中心化存儲(chǔ)的風(fēng)險(xiǎn)。

隨著國(guó)家電改政策的逐步落實(shí)和新能源技術(shù)的不斷發(fā)展，節(jié)能減排的訴求日益強(qiáng)烈，放開電力市場(chǎng)的呼聲越來越高，傳統(tǒng)電力行業(yè)多中心化的特征逐步開始顯現(xiàn)。國(guó)家電網(wǎng)公司已經(jīng)把人工智能和區(qū)塊鏈提到了建設(shè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)手段高度[8-13]，從而形成“云大物移智鏈”的技術(shù)格局。

目前國(guó)內(nèi)能源體系的直接參與方分為3類：大中小型能源企業(yè)，處于產(chǎn)業(yè)核心的電網(wǎng)公司以及大中小型用戶負(fù)荷。國(guó)內(nèi)能源體系是典型的兩頭市場(chǎng)化結(jié)構(gòu)，對(duì)于市場(chǎng)化的電力交易機(jī)制有著天然訴求，但是作為國(guó)家命脈，電網(wǎng)的核心主導(dǎo)地位不會(huì)改變。因此，電改的切入點(diǎn)放在配網(wǎng)側(cè)，民間資本最適合進(jìn)入的領(lǐng)域在配網(wǎng)，同時(shí)智慧能源對(duì)于能源參與方雙向互動(dòng)的需求也正是配網(wǎng)側(cè)一直以來的訴求[14-18]。

對(duì)于主網(wǎng)而言，區(qū)塊鏈一旦進(jìn)入實(shí)施，且不論實(shí)施成本、技術(shù)難度等問題，就其必要性而言也是不足的。區(qū)塊鏈技術(shù)并不適用于一個(gè)非常成熟的中心化、單個(gè)參與方的場(chǎng)景，但是對(duì)于提升電網(wǎng)公司服務(wù)質(zhì)量，降低運(yùn)營(yíng)成本，為電網(wǎng)公司轉(zhuǎn)型綜合能源乃至智慧能源服務(wù)公司具有一定的助力作用。

對(duì)于配網(wǎng)而言，網(wǎng)內(nèi)可能存在多個(gè)不同的參與方，參與方的角色可能是雙重的，比如既是能源供給方又是能源消費(fèi)者。傳統(tǒng)電網(wǎng)公司構(gòu)建 配電網(wǎng)絡(luò)及供能服務(wù)的成本是高昂的，經(jīng)濟(jì)回報(bào)和社會(huì)效益被擺在了同樣重要的位置上。因此，配網(wǎng)是目前區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)入能源體系最好的入口之一[19-26]。

2 場(chǎng)景描述

根據(jù)美國(guó)IT領(lǐng)域咨詢公司Gartner的預(yù)測(cè)，引領(lǐng)未來的三大趨勢(shì)分別是人工智能、透明化體驗(yàn)以及數(shù)字化平臺(tái)，其中區(qū)塊鏈攜同量子計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、神經(jīng)形態(tài)硬件等屬于數(shù)字化平臺(tái)趨勢(shì)中的重點(diǎn)關(guān)注技術(shù)。這種基于大數(shù)據(jù)的卓越計(jì)算能力以及無處不在的技術(shù)生態(tài)構(gòu)成了新興技術(shù)的基礎(chǔ)，這種從技術(shù)結(jié)構(gòu)向生態(tài)支持的數(shù)字平臺(tái)的轉(zhuǎn)變提供了人與技術(shù)之間的橋梁，即新商業(yè)模式的崛起[27-28]。

區(qū)塊鏈的技術(shù)特性確保了一旦經(jīng)過群體確認(rèn)后的信息將得到近乎永久的保存，信息被篡改的成本可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于篡改后所獲得的收益，并且通過一種巧妙的共識(shí)獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制組織活動(dòng)的參與各方能夠自覺地維護(hù)和遵守既定的規(guī)則，或者說“作弊”本身的成本過于巨大且不可承受。區(qū)塊鏈雖起源于金融領(lǐng)域的數(shù)字貨幣，但已開始廣泛進(jìn)入到各個(gè)非金融領(lǐng)域，如同今天“互聯(lián)網(wǎng)+”的思想已深入人心，下一代“互聯(lián)網(wǎng)+區(qū)塊鏈+行業(yè)”的時(shí)代已經(jīng)悄然到來。

對(duì)于智慧能源而言，區(qū)塊鏈最容易導(dǎo)入的應(yīng)用是透明的能源交易多邊市場(chǎng)和碳排放交易市場(chǎng)，為其提供高效、可信的實(shí)時(shí)交易手段。以電力為例，區(qū)塊鏈可以用來方便地記錄發(fā)電、配電、輸電、調(diào)度、用電、售電等各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，提供公正、可追溯、透明的審計(jì)、監(jiān)管記錄，依靠區(qū)塊鏈的智能合約技術(shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)、輸、變、配、用、調(diào)等全過程的資源協(xié)調(diào)配置，大大提高能源體系運(yùn)維管理的效率[29]。

3 解決方案

3.1 能源區(qū)塊鏈的設(shè)計(jì)方向

區(qū)塊鏈本質(zhì)上是基于信息通信技術(shù)的跨界技術(shù)，并不局限于某一個(gè)特定的領(lǐng)域。在分析區(qū)塊鏈和智慧能源之前，首先可以從技術(shù)構(gòu)架的演變中找到兩者的相似之處。整個(gè)IT的技術(shù)構(gòu)架經(jīng)歷了大型機(jī)集中式到CS分布式，再到云計(jì)算集中式的發(fā)展，最后又走向基于區(qū)塊鏈的分布式，看似分久必合、合久必分，實(shí)則是一種螺旋式的上升發(fā)展軌跡。而縱觀整個(gè)能源體系的發(fā)展史，由最初的廠網(wǎng)分離、主輔分離，到現(xiàn)在的電力市場(chǎng)改革、輸配分離嘗試，再到現(xiàn)在的配網(wǎng)試點(diǎn)模式，基于市場(chǎng)和技術(shù)的雙重需求，正在經(jīng)歷一個(gè)集中式向分布式發(fā)展的過程[30]。

智慧能源應(yīng)用場(chǎng)景中，往往存在多個(gè)不同的利益主體，如配售電公司、調(diào)控運(yùn)維機(jī)構(gòu)、儲(chǔ)能電廠、分布式的新能源電廠、傳統(tǒng)能源電廠、大中小型負(fù)荷用戶等，而參與能源交互的雙方屬性也不同于傳統(tǒng)的電網(wǎng)，比如負(fù)荷用戶本身也可能是分布式能源的提供者。能量流的流向不同于傳統(tǒng)電網(wǎng)的單向流通，而是電源與負(fù)荷之間的雙向流通。信息流的流向也不同于傳統(tǒng)電網(wǎng)的單向控制，而是管理方與被管理方的雙向協(xié)調(diào)控制。因此，需要從功能層面和技術(shù)層面重新設(shè)計(jì)基于“能源+區(qū)塊鏈”的智慧能源。

能源區(qū)塊鏈?zhǔn)紫纫獙?shí)現(xiàn)的是多方參與情況下的信任機(jī)制建立，并基于該種信任機(jī)制來實(shí)現(xiàn)多邊市場(chǎng)實(shí)時(shí)交易，其次是基于能源區(qū)塊鏈的各類高級(jí)應(yīng)用，如數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)、分布式抗攻擊的調(diào)控機(jī)制、電網(wǎng)資產(chǎn)數(shù)字化，以及提供多種配置靈活的ICO融資手段等。

3.2 技術(shù)選型

能源區(qū)塊鏈的主要技術(shù)選型分為鏈的型式、系統(tǒng)構(gòu)架、節(jié)點(diǎn)部署、共識(shí)機(jī)制、網(wǎng)絡(luò)通信、安全機(jī)制等。

1） 鏈的型式。

根據(jù)區(qū)塊鏈的參與方構(gòu)成形式，可以分為公共鏈、聯(lián)盟鏈和私有鏈。

公共鏈中所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都是完全平等的，均具備完整的區(qū)塊鏈賬本記錄和存儲(chǔ)能力，而且是完全對(duì)外公開，用戶無需注冊(cè)，可以匿名參與，是完全意義上的去中心化區(qū)塊鏈。通過數(shù)字加密和算法激勵(lì)機(jī)制在完全陌生的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下建立一種非最終一致性的共識(shí)。其準(zhǔn)匿名性以及基于POW或POS的共識(shí)機(jī)制，存在一定的安全性和效率問題，并不適用于能源應(yīng)用的領(lǐng)域。

聯(lián)盟鏈中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(全節(jié)點(diǎn))由聯(lián)盟成員構(gòu)成，是一種需要注冊(cè)許可獲得授權(quán)方能加入的許可鏈，參與節(jié)點(diǎn)較少，一般不采用PoW的算法共識(shí)機(jī)制，而是通過預(yù)先設(shè)定好的共識(shí)機(jī)制如PBFT、RAFT等，利益分配在場(chǎng)外博弈完成，不需要類似公共鏈的算法激勵(lì)機(jī)制，對(duì)于信息的確認(rèn)同步、安全性等方面明顯要優(yōu)于公共鏈，因此最為適合智慧能源的多方參與場(chǎng)景。

私有鏈和聯(lián)盟鏈比較類似，只是其參與方一般由企業(yè)內(nèi)部的不同機(jī)構(gòu)來組成，應(yīng)用于企業(yè)內(nèi)部場(chǎng)景，如數(shù)據(jù)庫(kù)的管理、審計(jì)等。私有鏈的價(jià)值主要是提供安全、可追溯、不可篡改、自動(dòng)執(zhí)行的運(yùn)算平臺(tái)，同時(shí)可以有效防范來自內(nèi)部和外部的安全攻擊。就能源領(lǐng)域而言，私有鏈的模式較適合集中式管理的應(yīng)用場(chǎng)景，如電網(wǎng)公司內(nèi)部。

根據(jù)上述差異性分析可知，在智慧能源領(lǐng)域優(yōu)先考慮的是聯(lián)盟鏈的形式。

由于單一的智慧能源應(yīng)用場(chǎng)景中，往往只存在單一的電網(wǎng)運(yùn)行管理企業(yè)，因此在區(qū)域性的智慧能源體系中，設(shè)計(jì)單層次的區(qū)塊鏈(主鏈)即可。若需要考慮跨區(qū)域的智慧能源應(yīng)用場(chǎng)景，由于存在大范圍的不同資產(chǎn)主體間的跨區(qū)交易，宜按多層次的區(qū)塊鏈(主鏈和側(cè)鏈)進(jìn)行設(shè)計(jì)，跨區(qū)應(yīng)用，如跨區(qū)交易在主鏈上完成，而區(qū)域內(nèi)部的應(yīng)用則在側(cè)鏈上完成。

2）系統(tǒng)構(gòu)架。

最初的區(qū)塊鏈構(gòu)架來源于世界上第一個(gè)區(qū)塊鏈應(yīng)用——比特幣的構(gòu)架，被認(rèn)為從最底層重構(gòu)了傳統(tǒng)金融業(yè)的IT構(gòu)架，并自此得到發(fā)展。典型的區(qū)塊鏈構(gòu)架分為3層，分別是網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層。目前區(qū)塊鏈的構(gòu)架演進(jìn)到了3.0版本，其中區(qū)塊鏈1.0的構(gòu)架即比特幣的系統(tǒng)構(gòu)架，區(qū)塊鏈2.0的構(gòu)架則是以以太坊的系統(tǒng)構(gòu)架為典型代表，區(qū)塊鏈3.0的構(gòu)架目前并沒有一個(gè)公認(rèn)的典型代表，由于是跨越了貨幣、金融范疇的區(qū)塊鏈應(yīng)用，因此意味著區(qū)塊鏈3.0的平臺(tái)必須具備企業(yè)級(jí)的行業(yè)屬性。由于更多地考慮了系統(tǒng)的安全性，因?yàn)橥鶗?huì)采用許可鏈的模式，同時(shí)必須具備圖靈完備的智能合約平臺(tái)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)、共識(shí)算法以及每秒處理信息的能力(transactions per second，TPS)提出較高要求。

適用于智慧能源的區(qū)塊鏈系統(tǒng)構(gòu)架依舊遵循網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、應(yīng)用框架原則，分為系統(tǒng)前端和后端。系統(tǒng)前端是各類面向用戶的應(yīng)用接口，如桌面客戶端、移動(dòng)客戶端、瀏覽器客戶端等。系統(tǒng)后端則是依據(jù)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、應(yīng)用的基礎(chǔ)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最底層的是分布式的支撐體系，如分布式計(jì)算、分布式存儲(chǔ)、分布式網(wǎng)絡(luò)等；中間層是區(qū)塊鏈的核心支撐功能，如智慧合約、區(qū)塊鏈管理、共識(shí)模塊等；最上層是行業(yè)級(jí)應(yīng)用及各類接入網(wǎng)關(guān)。能源區(qū)塊鏈的系統(tǒng)構(gòu)架如圖2所示。

3）節(jié)點(diǎn)部署。

理論上，區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是完全平等的，擁有相同的權(quán)限。但是實(shí)際應(yīng)用過程中，根據(jù)不用的應(yīng)用需求，以及節(jié)點(diǎn)參與區(qū)塊鏈認(rèn)證的方式，會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)做一些不同的功能區(qū)分。比如根據(jù)賬本數(shù)據(jù)的完整程度，將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為全節(jié)點(diǎn)和輕節(jié)點(diǎn)，前者參與共識(shí)過程并存儲(chǔ)完整的區(qū)塊鏈賬本數(shù)據(jù)，后者指參與認(rèn)證并存儲(chǔ)部分區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)，甚至只保存區(qū)塊鏈的區(qū)塊頭信息用于驗(yàn)證交易即可。由于區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)，隨著應(yīng)用時(shí)間的增長(zhǎng)，公共賬本的數(shù)據(jù)會(huì)越來越大，在實(shí)際應(yīng)用中，并不需要每個(gè)參與的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都保存完整的數(shù)據(jù)賬本。能源區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)情況如圖3所示。

智慧能源的應(yīng)用場(chǎng)景由于直接面向終端用戶，同時(shí)又承擔(dān)了大量分布式能源的接入，因此涉及大量的能源交互參與方，如調(diào)控機(jī)構(gòu)、運(yùn)維機(jī)構(gòu)、不同的能源供給、儲(chǔ)能電站、電動(dòng)汽車、大中小型負(fù)荷等，若將每個(gè)參與方都作為完全平等的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)來考慮，在功能上是不必要的，在經(jīng)濟(jì)性上是不合算的，應(yīng)根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景有選擇性地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的歸類，并做好遠(yuǎn)景智慧功能擴(kuò)建預(yù)留接口即可。能源根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景中不同參與方的屬性確立權(quán)重，并分別賦予全節(jié)點(diǎn)、中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)和輕節(jié)點(diǎn)的角色功能。

圖2 能源區(qū)塊鏈的系統(tǒng)構(gòu)架

圖3 能源區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

全節(jié)點(diǎn)的主要功能：具備完整的賬本記錄及共識(shí)能力，完成數(shù)據(jù)的驗(yàn)證、同步功能；具備完整的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。全節(jié)點(diǎn)一般由能源網(wǎng)絡(luò)內(nèi)主要的、重要的參與方組成，如電網(wǎng)公司、電廠(分布式、新能源、儲(chǔ)能)、調(diào)度控制機(jī)構(gòu)等組成，要求具備網(wǎng)內(nèi)最好的通信資源。

中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的主要功能：具備數(shù)據(jù)需求的收集和轉(zhuǎn)發(fā)能力，完成轄區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)的采集、分發(fā)功能，提供網(wǎng)內(nèi)其他參與方互動(dòng)信息的中轉(zhuǎn)分發(fā)功能；具備完整或部分區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)一般由網(wǎng)內(nèi)的主要變、配電設(shè)備，要求具備良好的通信資源。

輕節(jié)點(diǎn)的主要功能：具備各類應(yīng)用的入口功能，完成原始數(shù)據(jù)的采集、上送功能，接受網(wǎng)內(nèi)其他參與方的互動(dòng)信息；不具備區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)能力，僅存儲(chǔ)相鄰節(jié)點(diǎn)地址信息和區(qū)塊頭信息，具備完成簡(jiǎn)化認(rèn)證協(xié)議(security protocol verifier，SPV)的能力即可。輕節(jié)點(diǎn)一般由網(wǎng)內(nèi)的大中小型負(fù)荷組成，要求具備良好的通信資源。

4）共識(shí)機(jī)制。

共識(shí)機(jī)制是區(qū)塊鏈系統(tǒng)的核心關(guān)鍵技術(shù)，在一個(gè)分布式的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中確保每個(gè)誠(chéng)實(shí)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)賬本數(shù)據(jù)的一致性，依靠的是合理的共識(shí)機(jī)制，但需要注意的是共識(shí)機(jī)制可以用算法(即共識(shí)算法)來實(shí)現(xiàn)，也可以通過事先商定的協(xié)議來完成，根據(jù)應(yīng)用的場(chǎng)景差異來進(jìn)行設(shè)計(jì)。

目前主流的共識(shí)機(jī)制分為4類：PoW、PoS、DPoS和分布式一致性算法。

PoW即工作量證明機(jī)制，典型的如比特幣所采用的挖礦算法，依靠全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)比拼算力的方式來競(jìng)爭(zhēng)每一輪的記賬權(quán)，尤其適用于公有鏈這種節(jié)點(diǎn)完全平等且自由進(jìn)出的場(chǎng)合。PoW避免了建立和維護(hù)中心化信用機(jī)構(gòu)的成本，只要確保全網(wǎng)51%以上的節(jié)點(diǎn)是安全的，即可依靠算力來保持區(qū)塊鏈的一致性。但是這種機(jī)制一來造成了大量的算力浪費(fèi)，二來日益集中化的算力違背了區(qū)塊鏈的建立初衷，且信息處理速率有限，并不適用于智慧能源的應(yīng)用場(chǎng)景。

PoS即權(quán)益證明機(jī)制，典型的如點(diǎn)點(diǎn)幣所采用的鏈齡機(jī)制，依靠節(jié)點(diǎn)所提供的代幣證明來競(jìng)爭(zhēng)每一輪的記賬權(quán)。PoS避免了算力浪費(fèi)，一定程度上縮短了共識(shí)達(dá)成的時(shí)間周期，但也降低了網(wǎng)絡(luò)的被攻擊成本，同時(shí)也避免不了權(quán)益過于集中所帶來的中心化問題。在智慧能源的應(yīng)用場(chǎng)景中，由于利益博弈在場(chǎng)外完成，并不需要基于代幣的激勵(lì)機(jī)制，同時(shí)對(duì)安全性的要求較高，因此這類共識(shí)機(jī)制也不適用于智慧能源的應(yīng)用場(chǎng)景。

DPoS即股份授權(quán)證明機(jī)制，典型的如比特股所采用的見證人機(jī)制，依靠持股者投票選舉一定的見證人，由見證人輪流記賬。DPoS大幅縮小了參與驗(yàn)證和記賬的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了秒級(jí)的驗(yàn)證速率，但是本質(zhì)上存在和PoS一樣的問題，同樣也不適用于智慧能源的應(yīng)用場(chǎng)景。

分布式一致性算法是一類基于傳統(tǒng)的分布式一致性技術(shù)而演變過來的，比如解決拜占庭將軍問題的拜占庭容錯(cuò)算法(PBFT)和解決非拜占庭將軍問題的分布式一致性算法(Paxos、Raft)等。這類算法能夠?qū)崿F(xiàn)秒級(jí)的快速共識(shí)，雖然去中心化的程度不如其他共識(shí)機(jī)制，但由于其實(shí)最終一致性或接近最終一致性的算法，更加容易滿足聯(lián)盟鏈、私有鏈的應(yīng)用場(chǎng)景。

綜上所述，在智慧能源的諸多應(yīng)用場(chǎng)景中，應(yīng)把安全性和可靠性作為首選考慮因素，因此采用分布式一致性算法以適用于優(yōu)選聯(lián)盟鏈的智慧能源應(yīng)用場(chǎng)景。

5）網(wǎng)絡(luò)通信。

區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架可以根據(jù)智慧能源的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架建設(shè)同步開展，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合、通道物理?xiàng)l件靈活選取組網(wǎng)方式和通道協(xié)議。需要注意的是，由于不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)于通道資源的需求不同，應(yīng)區(qū)分對(duì)待。具體網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮 采用分層分區(qū)的建設(shè)思路，將主節(jié)點(diǎn)納入到核心的主干網(wǎng)中，優(yōu)先采用混合型的組網(wǎng)方案，確保最優(yōu)質(zhì)的通信資源。而中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)和輕節(jié)點(diǎn)對(duì)于 通道的資源需求相對(duì)較少，可以靈活地結(jié)合智 慧能源配電網(wǎng)絡(luò)開展建設(shè)，采用星型、總線型的物理構(gòu)架或者是采用無線組網(wǎng)方案，手段較為多樣化。

6）安全機(jī)制。

區(qū)塊鏈之所以被稱為“價(jià)值互聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)，在于其通過構(gòu)架和技術(shù)體制來確保了網(wǎng)上數(shù)據(jù)的安全可靠，因此安全性是區(qū)塊鏈技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)。智慧能源的應(yīng)用場(chǎng)景雖然靈活多樣，但是本質(zhì)上依舊擺脫不了電網(wǎng)的基本屬性，尤其是在復(fù)雜的電網(wǎng)運(yùn)行控制依靠詳實(shí)可靠、可信的電網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。同時(shí)，基于能源本身的社會(huì)基礎(chǔ)支撐屬性，其對(duì)于安全性的要求較傳統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)而言有過之而無不及。

能源區(qū)塊鏈的安全機(jī)制，除了傳統(tǒng)電網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架內(nèi)采用的諸如二次安全防護(hù)等措施外，主要依靠區(qū)塊鏈本身所提供的安全機(jī)制，即分布式的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架、哈希算法、非對(duì)稱加密算法、零知識(shí)證明機(jī)制等。

分布式的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架確保了網(wǎng)絡(luò)中不存在唯一的中心節(jié)點(diǎn)，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的抗攻擊能力。傳統(tǒng)電網(wǎng)采用完全中心化的調(diào)控管理機(jī)制，依靠異地容災(zāi)備份的模式提供“雙活”的中心節(jié)點(diǎn)來提高安全性，成本巨大。智慧能源的應(yīng)用場(chǎng)景中，宜采用分階段分層設(shè)計(jì)。首先在調(diào)控層面，鑒于目前的技術(shù)水平和可操作性，建議還是按照集中式的模式建設(shè)，待相關(guān)技術(shù)成熟后實(shí)行分布式的調(diào)控機(jī)制建設(shè)。在營(yíng)銷、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等層面，可以采用聯(lián)盟鏈的形式構(gòu)建電網(wǎng)上層應(yīng)用的區(qū)塊鏈，將網(wǎng)內(nèi)的重要參與節(jié)點(diǎn)納入進(jìn)聯(lián)盟鏈。

3.3 建模原則

能源區(qū)塊鏈適用于區(qū)域內(nèi)的能源、信息、數(shù)字資產(chǎn)的價(jià)值轉(zhuǎn)移，主要設(shè)計(jì)建模原則如下：

1）區(qū)域內(nèi)的能源交互依靠區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)價(jià)值的轉(zhuǎn)移，遵循扁平化、離散化、分布式的設(shè)計(jì)原則，跨區(qū)能源服務(wù)場(chǎng)景部署能源區(qū)塊鏈主鏈，單個(gè)區(qū)域部署能源區(qū)塊鏈子鏈。不同區(qū)域間的能源區(qū)塊鏈子鏈根據(jù)通道狀況及功能需求實(shí)現(xiàn)與主鏈的靈活互聯(lián)和解列。

2）能源區(qū)塊鏈作為一種重要的公用服務(wù)基礎(chǔ)資源，將安全性作為首要考慮目標(biāo)，同時(shí)考慮智慧能源應(yīng)用場(chǎng)景下的多方主體訴求，以聯(lián)盟鏈形式構(gòu)建，并遵循嚴(yán)格的用戶準(zhǔn)入認(rèn)證機(jī)制。

3）鑒于能源網(wǎng)絡(luò)的重資產(chǎn)屬性、能源安全需求以及國(guó)家政策要求，單個(gè)區(qū)域內(nèi)的能源運(yùn)營(yíng)只存在單個(gè)服務(wù)運(yùn)營(yíng)商。

4）單個(gè)區(qū)域內(nèi)的通信網(wǎng)絡(luò)支撐體系應(yīng)以自建網(wǎng)絡(luò)為主、公共網(wǎng)絡(luò)為輔，并確保各類數(shù)據(jù)的接入管控安全性，重點(diǎn)確保能源網(wǎng)內(nèi)調(diào)控?cái)?shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)及可靠通信。

5）跨區(qū)域的通信網(wǎng)絡(luò)支撐體系以公共網(wǎng)絡(luò)為主、自建網(wǎng)絡(luò)為輔，優(yōu)先采用獨(dú)立的運(yùn)營(yíng)商通道資源租賃。

6）鑒于分布式調(diào)控技術(shù)的成熟程度，暫不考慮跨區(qū)域的分布式調(diào)控，主要應(yīng)用以跨區(qū)能源交易及結(jié)算為主。在單個(gè)區(qū)域內(nèi)嘗試驗(yàn)證分布式調(diào)控技術(shù)及策略。

7）單個(gè)區(qū)域通信網(wǎng)絡(luò)承載數(shù)據(jù)包括維持 配網(wǎng)運(yùn)行的調(diào)控實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和管理非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，能源交易數(shù)據(jù)，以及其他區(qū)塊鏈+行業(yè)應(yīng)用的交互數(shù)據(jù)。

8）跨區(qū)域通信網(wǎng)絡(luò)承載數(shù)據(jù)包括跨區(qū)能源交易數(shù)據(jù)以及其他區(qū)塊鏈+行業(yè)應(yīng)用的交互數(shù)據(jù)。

根據(jù)上述建模原則，能源區(qū)塊鏈由跨區(qū)域的能源區(qū)塊鏈主鏈和單個(gè)區(qū)域內(nèi)的能源區(qū)塊鏈子鏈所構(gòu)成。主鏈和子鏈均是由多個(gè)參與實(shí)體所構(gòu)成的聯(lián)盟鏈，技術(shù)上可以完全獨(dú)立，但兩者是側(cè)鏈的關(guān)系。主鏈主要服務(wù)于跨區(qū)身份認(rèn)證、資產(chǎn)轉(zhuǎn)移、能源交易、數(shù)據(jù)交互，子鏈主要服務(wù)于單個(gè)區(qū)域內(nèi)的一切區(qū)塊鏈應(yīng)用服務(wù)。完整的能源區(qū)塊鏈主鏈下可以存在多個(gè)區(qū)域的不同的子鏈，子鏈之間并不直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，所有的數(shù)據(jù)交互必須經(jīng)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)設(shè)備(如防火墻)接入主鏈，由主鏈完成數(shù)據(jù)交互。同時(shí)，子鏈和子鏈之間、子鏈和主鏈之間的運(yùn)行安全性不相互影響，具備靈活的接入和解列功能。此外，能源區(qū)塊鏈和其他行業(yè)區(qū)塊鏈的關(guān)系是互聯(lián)鏈的關(guān)系。

3.4 構(gòu)架設(shè)計(jì)及實(shí)施

能源區(qū)塊鏈建設(shè)按聯(lián)盟鏈形式搭建，主要服務(wù)對(duì)象為供能區(qū)域內(nèi)的價(jià)值轉(zhuǎn)移以及遠(yuǎn)景的跨區(qū)交易結(jié)算。即前期主要服務(wù)于區(qū)域內(nèi)的分布式能源點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易、能源合同管理、能源網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全，后期開放基于能源屬性的金融產(chǎn)品服務(wù)。其整體設(shè)計(jì)模型如圖4所示，核心構(gòu)架如圖5所示。

圖4 能源區(qū)塊鏈的總體設(shè)計(jì)模型

圖5 能源區(qū)塊鏈的核心構(gòu)架

核心構(gòu)架如下：

1）底層支撐：配網(wǎng)層面結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)，部署完備的智能終端，其中被選為區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)的終端設(shè)備支持區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)功能。

2）應(yīng)用支撐：依托基于云平臺(tái)的大數(shù)據(jù)應(yīng)用。

3）網(wǎng)絡(luò)接入：基于有線和無線相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)接入能力。

4）鏈條選型：由區(qū)域內(nèi)的核心節(jié)點(diǎn)構(gòu)成聯(lián) 盟鏈。

5）代幣生態(tài)：為規(guī)避政策風(fēng)險(xiǎn)，不發(fā)Token，不進(jìn)行資產(chǎn)ICO。

6）節(jié)點(diǎn)形態(tài)：全節(jié)點(diǎn)(核心節(jié)點(diǎn))、中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)和輕節(jié)點(diǎn)。

7）全節(jié)點(diǎn)選擇：能源服務(wù)公司、電廠(分布式、新能源、儲(chǔ)能)、調(diào)度控制機(jī)構(gòu)、大型負(fù)荷等構(gòu)成核心節(jié)點(diǎn)。

8）中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)選擇：網(wǎng)內(nèi)主要變、配電設(shè)備，大中型負(fù)荷構(gòu)成中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)。

9）輕節(jié)點(diǎn)選擇：網(wǎng)內(nèi)中小型負(fù)荷、充電樁構(gòu)成輕節(jié)點(diǎn)。

10）共識(shí)算法：基于拜占庭容錯(cuò)算法(PBFT)、分布式一致性算法(Paxos、Raft)等。

11）生態(tài)支持：依靠智能合約搭建生態(tài)，前期以分布式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易為主，后期轉(zhuǎn)向能源屬性的金融產(chǎn)品。

區(qū)塊鏈用于智慧能源體系建設(shè)，獨(dú)立于智慧能源的協(xié)控系統(tǒng)。后者類似于傳統(tǒng)的調(diào)控機(jī)構(gòu)，其主要職責(zé)是確保區(qū)域能源網(wǎng)絡(luò)的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，確保與主網(wǎng)的穩(wěn)定連接，不解列，不孤網(wǎng)運(yùn)行，在此基礎(chǔ)上開展區(qū)域范圍內(nèi)的智慧能源業(yè)務(wù)。不同于傳統(tǒng)調(diào)控機(jī)構(gòu)，其主要生產(chǎn)、管理部門依托技術(shù)、業(yè)務(wù)的特性進(jìn)行精簡(jiǎn)規(guī)定，遵循一體化平臺(tái)、數(shù)據(jù)共享、流程高效、業(yè)務(wù)靈活的設(shè)計(jì)思路，底層構(gòu)架為獨(dú)立的云平臺(tái)分別服務(wù)于安全等級(jí)要求不同的核心業(yè)務(wù)和非核心業(yè)務(wù)。

智慧能源協(xié)控平臺(tái)作為能源區(qū)塊鏈的核心節(jié)點(diǎn)，單獨(dú)建設(shè)區(qū)塊鏈核心節(jié)點(diǎn)設(shè)備，和供能區(qū)域內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)構(gòu)成分布式能源點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易的服務(wù)體系。能源區(qū)塊鏈的實(shí)施方案如圖6所示。

圖6 能源區(qū)塊鏈的實(shí)施方案

4 結(jié)論

經(jīng)過近兩年的探索，去除大量的偽需求和偽區(qū)塊鏈項(xiàng)目后，越來越多的行業(yè)人士開始著眼于區(qū)塊鏈技術(shù)研究和商業(yè)邏輯的嚴(yán)格論證。從落地層面講，項(xiàng)目落地最有可能突破的是面向特定場(chǎng)景或特定應(yīng)用的區(qū)塊鏈項(xiàng)目，而非通用型的全民參與的區(qū)塊鏈項(xiàng)目(公鏈項(xiàng)目)。從技術(shù)層面講，最有可能突破的是新的高效率的共識(shí)機(jī)制和更加安全的數(shù)字加密手段。

區(qū)塊鏈技術(shù)在智慧能源領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和在其他行業(yè)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)有一定的共通性，也存在能源行業(yè)的特殊要求，分為技術(shù)和場(chǎng)景。技術(shù)層面的研究重點(diǎn)在于數(shù)據(jù)安全、共識(shí)效率等細(xì)分方向，如應(yīng)對(duì)頻繁的信息和價(jià)值交互；場(chǎng)景層面的研究重點(diǎn)在于尋找合適、合規(guī)的落地場(chǎng)景和配套支撐的商業(yè)模式，如當(dāng)下熱門的智慧園區(qū)和電動(dòng)汽車充電網(wǎng)絡(luò)等。

如果說人工智能和云計(jì)算代表著生產(chǎn)力的演進(jìn)方向，區(qū)塊鏈則代表著生產(chǎn)關(guān)系的演進(jìn)方向。區(qū)塊鏈技術(shù)所蘊(yùn)含的分布式協(xié)同機(jī)制天然匹配分布式能源的系統(tǒng)構(gòu)架，以低成本、低延時(shí)、高效率、高可靠的去中心化機(jī)制實(shí)現(xiàn)分布式能源場(chǎng)景下的P2P交易，有效促進(jìn)清潔能源的就地消納，提高能源和價(jià)值的交換效率，促進(jìn)電力市場(chǎng)改革。

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Application of Block Chain Technology in Intelligent Energy System

DING Tengbo1, LIU Hongbo1, TAO Jia1, GUO Chuangxin2

(1. CEEC Zhejiang Electric Power Design Institute, Hangzhou 310012, Zhejiang Province, China; 2. School of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang Province, China)

Block chain, as the popular tuyere technology at present, is one of the most suitable technological means to get through physical entities, virtual data and value level. Its core is to realize reliable reconstruction and transfer of value by means of distributed consensus mechanism. The technological principle and value characteristics of the block chain coincide with the intrinsic demands and the multi-agent application scenari of intelligent energy. Based on the technical characteristics of block chains, the applicability of block chains in intelligent energy system was analyzed, and the specific technology selection and architecture design scheme were put forward to promote the development of energy block chains technology in the field of intelligent energy and energy internet.

block chain;smart energy; information communications technology(ICT)

10.12096/j.2096-4528.pgt.19046

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51877190)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51877190)

2019-04-08。

丁騰波(1983)，男，碩士，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)二次、智慧能源等領(lǐng)域設(shè)計(jì)與咨詢方面工作，dingtengbo@sina.com。

陶佳(1979)，男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橹腔勰茉醇捌浼夹g(shù)路線規(guī)劃，jack.seaver@163.com。

丁騰波

(責(zé)任編輯 辛培裕)