基于能源區(qū)塊鏈的綜合能源服務研究

楊晟，孫躍，龔鋼軍，楊佳軒，周波

YANG Sheng1，SUN Yue2，GONG Gangjun1，YANG Jiaxuan1，ZHOU Bo1

（1.北京市能源電力信息安全工程技術研究中心（華北電力大學），北京102206；2.國網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學研究院，北京100045）

（1.Beijing Engineering Research Center of Energy Electric Power Information Security，North China Electric Power University，Beijing 102206，China；2.State Grid Jibei Electric Power Research Institute，Beijing 100045，China）

0 引言

隨著能源結構的加快轉型和電力體制改革進程的加速，國家電網(wǎng)有限公司在各省公司開展綜合能源服務業(yè)務并明確提出要做強、做優(yōu)、做大綜合能源服務業(yè)務，推動公司由電能供應商向綜合能源服務商轉變。雖然綜合能源服務前景廣闊、空間巨大，但國內(nèi)綜合能源服務尚處于起步階段，在業(yè)務開展的同時面臨著覆蓋業(yè)務類型多、客戶需求差異大、協(xié)商機制和交易模式多樣化、交易的安全性和服務實時性要求高、運行體系管控難度大等問題，故亟須建立一種安全高效的運行體系。

同時，隨著信息技術的快速發(fā)展，要把區(qū)塊鏈作為核心技術自主創(chuàng)新的重要突破口，明確主攻方向，加大投入力度，著力攻克一批關鍵技術，加快推動區(qū)塊鏈技術和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。而區(qū)塊鏈在智能合約、分布決策、協(xié)同自治、拓撲形態(tài)、交易監(jiān)管等方面與綜合能源服務需求有著天然的匹配性，因此，通過構建能源區(qū)塊鏈能夠保障綜合能源服務系統(tǒng)高效、穩(wěn)定地運行。

隨著高新技術產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，探究綜合能源服務系統(tǒng)運行新模式已成為重要研究方向。文獻［1］基于綜合能源服務的服務能力與用戶用能情況在時間維度和類屬維度上的匹配關系，建立了服務效用模型；文獻［2］對綜合能源服務模式進行了分析，提出了綜合能源服務支撐的新型營銷模式；文獻［3］構建了基于源-網(wǎng)-荷-儲-調的綜合能源智慧管理系統(tǒng)及平臺，打通綜合能源服務體系底層至頂層，實現(xiàn)綜合能源體系中能量流、信息流和價值流的全面融合。

以上文獻在綜合能源服務的效用與用戶需求評估、營銷精益化的商業(yè)模式等方面對綜合能源服務進行了分析，建立了綜合能源服務的體系架構，但未探究契合于綜合能源服務系統(tǒng)的完整運行模式。因此，本文構建了基于區(qū)塊鏈的綜合能源服務模型，建立了具有主從多鏈結構的綜合能源服務系統(tǒng)網(wǎng)絡架構，介紹了主鏈節(jié)點的選舉方式，設計了契合綜合能源服務的能源區(qū)塊鏈，并探究了能源區(qū)塊鏈支撐下的綜合能源服務系統(tǒng)的運行模式。

1 綜合能源服務模式

在能源改革已被確立為一項國家發(fā)展戰(zhàn)略的前提下，電力體制改革不斷深化，售電市場逐漸由壟斷市場向自由競爭市場過渡［4-5］。在此背景下，國家電網(wǎng)有限公司亟須擴展業(yè)務領域，形成新的盈利點。相比傳統(tǒng)的能源消費習慣，綜合能源服務在提高能源利用效率、提升新能源和可再生能源比重等方面的優(yōu)勢明顯，能提供滿足客戶需求的多樣化增值服務，順應電力體制改革的大潮，符合國家電網(wǎng)有限公司的新發(fā)展方向。隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術、可再生能源技術的發(fā)展，電力改革進程加快，開展綜合能源服務已成為提升能源效率、降低用能成本、促進競爭與合作的重要發(fā)展方向［6-9］。

綜合能源服務是能源服務的新業(yè)態(tài)，它整合了不同的能源服務業(yè)務，不僅提供能源商品，還提供能源服務。能源服務是附著于能源商品之上的，對于供電企業(yè)來說，就是由單一售電模式轉為電、氣、冷、熱等的多元化能源供應和滿足客戶需求的多樣化增值服務模式。綜合能源系統(tǒng)是指在規(guī)劃、建設和運行等過程中，對各種能源的產(chǎn)生、傳輸、分配、轉換、儲存、消費、交易等環(huán)節(jié)實施有機協(xié)調與優(yōu)化，進而利用能源轉化過程中產(chǎn)生的冷、熱等能量，實現(xiàn)多種能源流間的耦合與轉供，并將產(chǎn)生的能源合理高效地傳輸?shù)矫總€需要不同形式能源的終端用戶［10-13］。綜合能源服務將能源銷售服務、分布式能源服務、節(jié)能減排及需求響應服務等三大類組合在一起，針對客戶多樣化的能源服務需求，為客戶提供營利性的定制服務。

綜合能源服務包括綜合能源供應、設備維護、能效檢測和用能服務、節(jié)能設計、數(shù)據(jù)交易以及分布式能源服務等。

（1）綜合能源供應業(yè)務是以電能供應為核心，為用戶提供冷、熱、電等多能源一體化服務，是最基礎性的服務。

（2）設備維護業(yè)務逐漸向末端延伸，例如:將設備維護的業(yè)務逐步擴展到工廠、居民小區(qū)、校園等。

（3）綜合能源服務能為用戶提供能效檢測和用能服務，通過檢測耗能設備的能源利用率，出示相應的檢測報告并提供各項能源使用及管理方案和運維服務，如提供園區(qū)能源規(guī)劃、能源能效管理、熱電聯(lián)產(chǎn)等方案和商業(yè)化運營平臺。

（4）節(jié)能設計是面向不同客戶提供不同的節(jié)能服務，如面向工業(yè)用戶可提供能效管理和設備改造等服務，面向居民可提供節(jié)能改造等服務。

（5）數(shù)據(jù)交易是指綜合能源服務公司綜合運用現(xiàn)代信息技術建設服務平臺，收集處理分析各種數(shù)據(jù)，為用戶提供各種信息和數(shù)據(jù)分析服務及相關增值服務。

（6）分布式能源服務是以分布式新能源、儲能技術為支撐，在用戶側構建清潔微網(wǎng)并就近與居民用戶進行能量交易，是綜合能源服務的重點發(fā)展方向。

綜合能源服務在國內(nèi)剛開始發(fā)展，是有廣闊前景的新業(yè)態(tài)，它意味著能源行業(yè)從產(chǎn)業(yè)鏈縱向延伸走向橫向互聯(lián)，從以產(chǎn)品為中心的服務模式轉向以客戶為中心的服務模式，是實現(xiàn)國家能源革命的新興市場力量，探索與開展綜合能源服務業(yè)務是當今能源變革時代背景下的大勢所趨。目前，國家已出臺相關政策予以支持，國家電網(wǎng)有限公司也將綜合能源服務列為主營業(yè)務，其未來市場前景廣闊。

2 基于能源區(qū)塊鏈的綜合能源服務

2.1 基于區(qū)塊鏈的綜合能源服務模型

綜合能源服務是一種新型的、可滿足終端客戶多元化能源生產(chǎn)與消費需求的能源服務方式，其發(fā)展需要結合現(xiàn)有運營經(jīng)驗，采用新的模式、新的技術、新的方法來實現(xiàn)新的突破。而區(qū)塊鏈在智能合約、分布決策、協(xié)同自治、拓撲形態(tài)、交易監(jiān)管等方面與綜合能源服務的需求具有天然的匹配性，通過區(qū)塊鏈技術可以保障綜合能源服務信息的準確性、及時性，提高服務質量和服務效率。

為保證綜合能源服務系統(tǒng)高效穩(wěn)定運行，構建如圖1所示的基于區(qū)塊鏈的綜合能源服務模型。在源端、電網(wǎng)公司、綜合能源服務公司（民營）以及荷端分別搭建業(yè)務聯(lián)盟鏈，確保內(nèi)部業(yè)務的高效協(xié)商。由于在綜合能源服務中需要“源-網(wǎng)-售-荷”中的各類企業(yè)或用戶之間進行協(xié)商，故屬于不同業(yè)務聯(lián)盟鏈的節(jié)點間有大量的信息交互，因此需要在各業(yè)務聯(lián)盟鏈中選出一個用于實現(xiàn)跨鏈傳輸與信息匯集的中繼節(jié)點，各中繼節(jié)點組成綜合能源服務聯(lián)盟鏈，以實現(xiàn)不同業(yè)務之間的協(xié)商。綜合能源服務聯(lián)盟鏈作為主鏈（各中繼節(jié)點為主鏈節(jié)點），各業(yè)務聯(lián)盟鏈作為從鏈（從鏈上除中繼節(jié)點外的節(jié)點為從鏈節(jié)點），構成主從多鏈結構；同時，各從鏈節(jié)點具有其私有鏈（企業(yè)鏈、用戶鏈等），用于記錄企業(yè)或用戶的內(nèi)部數(shù)據(jù)。

圖1 基于區(qū)塊鏈的綜合能源服務模型Fig.1 Integrated energy service model based on blockchain

在主從多鏈結構中，主鏈節(jié)點負責該業(yè)務聯(lián)盟鏈上全部信息的發(fā)送與接收，從鏈節(jié)點負責本節(jié)點產(chǎn)生信息的上傳與讀取，具體協(xié)商信息暫存在主鏈節(jié)點上并在從鏈節(jié)點上保存，而交易信息永久保存在主鏈節(jié)點上。主鏈節(jié)點為具有大容量存儲、高效傳輸功能服務器的企業(yè)，其他各企業(yè)、用戶均為從鏈節(jié)點。根據(jù)各企業(yè)是否具有該類型的服務器以及是否有能力對服務器進行維護，確定候選人名單并最終選出主鏈節(jié)點［14-15］。主鏈節(jié)點的選擇參考開放式最短路徑優(yōu)先（Open Shortest Path First，OSPF）協(xié)議中的選舉方法并加以改進，如圖2所示。

確定了業(yè)務聯(lián)盟鏈中的候選人名單后，與OSPF協(xié)議中的選舉方法相同，在候選人中同時選出該鏈的主鏈節(jié)點與備用主鏈節(jié)點。主鏈節(jié)點正常運行時，備用主鏈節(jié)點在功能上與從鏈節(jié)點相同；當主鏈節(jié)點發(fā)生故障時，備用主鏈節(jié)點能立即代替主鏈節(jié)點進行信息的匯集與中繼，使系統(tǒng)恢復正常。同時，備用主鏈節(jié)點具有繼承功能，主鏈節(jié)點正常連續(xù)工作1 個周期后，由備用主鏈節(jié)點直接替代其進行工作。

圖2 主鏈節(jié)點選舉與更替流程Fig.2 Main chain node election and replacement flowchart

為保證業(yè)務聯(lián)盟鏈的弱中心化，在確定候選名單后，通過節(jié)點在擔任主鏈節(jié)點期間的故障率，選擇主鏈節(jié)點與備用主鏈節(jié)點，其數(shù)學描述如下

式中:Ek為簇內(nèi)節(jié)點k 在擔任主鏈節(jié)點期間的故障率；Pk為簇內(nèi)節(jié)點k被選為簇首的概率，在函數(shù)f（Ek）中，P'k與Ek負相關，即簇內(nèi)節(jié)點k在擔任主鏈節(jié)點期間的故障率越低，其被選為簇首的概率越高。

該主鏈節(jié)點的選擇方法需在各業(yè)務聯(lián)盟鏈中達成共識，形成共識機制并寫入智能合約中，每當系統(tǒng)檢測到主鏈節(jié)點出現(xiàn)故障或正常連續(xù)工作1個周期后，其會自動更換主鏈節(jié)點并在剩余候選人中隨機選取備用主鏈節(jié)點，從而保證基于區(qū)塊鏈的綜合能源服務系統(tǒng)的自主性與高效性。

2.2 能源區(qū)塊鏈的區(qū)塊結構

構建適配于綜合能源服務場景的能源區(qū)塊鏈是建立基于能源區(qū)塊鏈的綜合能源服務系統(tǒng)的關鍵［16-17］。根據(jù)2.1 章節(jié)中基于區(qū)塊鏈的主從多鏈結構的綜合能源服務系統(tǒng)網(wǎng)絡架構可知，應構建在主鏈與從鏈上具有不同區(qū)塊結構的能源區(qū)塊鏈，如圖3所示。

圖3 能源區(qū)塊鏈的區(qū)塊結構Fig.3 Block structure of the energy blockchain

從鏈區(qū)塊是在業(yè)務聯(lián)盟鏈中使用的區(qū)塊，其保持原有區(qū)塊容量1 Mbit 不變，并在原有區(qū)塊頭組成部分的基礎上增加了1 bit 的緊急度部分。緊急度是區(qū)塊體中信息緊急程度的度量，對于以能源供應為首要任務的綜合能源服務模式，能源供應業(yè)務的緊急程度最高，而設備維護、能效檢測、節(jié)能設計等派生業(yè)務的緊急程度其次。因此，在區(qū)塊頭中設置1 bit 的緊急度部分，1 表示緊急業(yè)務，0 表示非緊急業(yè)務。

主鏈區(qū)塊是在綜合能源服務聯(lián)盟鏈中使用的區(qū)塊，其區(qū)塊容量擴容成8 Mbit，并在原有區(qū)塊頭組成部分的基礎上新增了緊急度與注冊表2 個部分。從鏈節(jié)點將需要交互的數(shù)據(jù)打包進從鏈區(qū)塊，將其上鏈并上傳至主鏈節(jié)點處。主鏈節(jié)點讀取從鏈區(qū)塊頭部的信息，并將其區(qū)塊體中的數(shù)據(jù)添加到主鏈區(qū)塊中，同時更新主鏈區(qū)塊的區(qū)塊頭部分。其中，注冊表中記錄了該主鏈的公鑰、地址以及該主鏈下的全部從鏈的公鑰、地址，當有新的節(jié)點加入業(yè)務聯(lián)盟鏈時，該鏈上的主鏈區(qū)塊更新區(qū)塊頭的注冊表部分。隨著從鏈區(qū)塊中的數(shù)據(jù)添加到主鏈區(qū)塊中，其區(qū)塊頭中的緊急度也逐位添加到主鏈區(qū)塊的相應部分。

主鏈節(jié)點負責生成主鏈區(qū)塊并在綜合能源服務聯(lián)盟鏈中進行上鏈與廣播。由于主鏈節(jié)點間有大量的信息交互，為盡可能避免其發(fā)生擁塞，應參考傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP）中的傳輸策略設置窗口數(shù)n。窗口數(shù)的設定應參考當前網(wǎng)絡水平與主鏈區(qū)塊與從鏈區(qū)塊的相對大小。若設置當前窗口數(shù)為6，包含非緊急數(shù)據(jù)的從鏈區(qū)塊（區(qū)塊頭中的緊急度為0）添加進主鏈區(qū)塊后，主鏈區(qū)塊并不立即發(fā)送，而是等待6個從鏈區(qū)塊添加后一起發(fā)送；若在等待過程中添加包含緊急數(shù)據(jù)的從鏈區(qū)塊（區(qū)塊頭中的緊急度為1）則立即發(fā)送。設置緊急度和窗口數(shù)既保證了綜合能源服務系統(tǒng)中信息傳遞的效率，又減少了在信息傳遞過程中發(fā)生擁塞的概率。

3 區(qū)塊鏈支撐的綜合能源服務的運行模式

在建立了基于能源區(qū)塊鏈的綜合能源服務模型后，探究其運行模式有重要意義。區(qū)塊鏈支撐的綜合能源服務的運行模式包括新節(jié)點的接入、節(jié)點間緊急數(shù)據(jù)的傳遞與節(jié)點間非緊急數(shù)據(jù)的傳遞等部分，具體如下。

3.1 新節(jié)點的接入

（1）當有一新節(jié)點期望加入某業(yè)務聯(lián)盟鏈時，其發(fā)送意愿信息至該鏈的任一節(jié)點，該節(jié)點向其返回當前業(yè)務聯(lián)盟鏈中主鏈節(jié)點的地址。

（2）新節(jié)點向主鏈節(jié)點發(fā)送加入申請、公鑰地址及身份認證信息。

（3）主鏈節(jié)點核查其身份后，將其公鑰地址寫入主鏈區(qū)塊頭部的注冊表，并用其私鑰加密新節(jié)點的公鑰，在業(yè)務聯(lián)盟鏈中進行廣播。

（4）鏈上各節(jié)點用主鏈節(jié)點的公鑰進行解密，得到新節(jié)點的公鑰。

（5）新節(jié)點用自己的私鑰加密申請信息，并廣播至該鏈上的所有節(jié)點。

（6）鏈上的從鏈節(jié)點用得到的公鑰進行解密，若解密成功則回復回執(zhí)信息。

（7）當新節(jié)點收到所有從鏈節(jié)點的回執(zhí)信息，則接入成功。

3.2 節(jié)點間緊急數(shù)據(jù)傳遞（以荷端與源端間的直購電為例）

（1）源端從鏈節(jié)點a 供大于求時，其將供應電能的具體信息打包進從鏈區(qū)塊并上傳至源端主鏈節(jié)點。

（2）源端主鏈節(jié)點收到該信息后，將該信息打包進主鏈區(qū)塊后立即進行發(fā)送。

（3）荷端主鏈節(jié)點接收該信息后，在荷端聯(lián)盟鏈上進行廣播。

（4）荷端從鏈節(jié)點b有意愿達成交易，通過主鏈節(jié)點間回復信息至源端節(jié)點a。

（5）源端節(jié)點a 通過主鏈節(jié)點將該交易信息發(fā)送至電網(wǎng)公司主鏈節(jié)點，電網(wǎng)公司主鏈節(jié)點在電網(wǎng)公司業(yè)務聯(lián)盟鏈內(nèi)廣播該交易信息，電網(wǎng)公司從鏈節(jié)點進行內(nèi)部協(xié)商。

（6）電網(wǎng)公司聯(lián)盟鏈內(nèi)部達成一致后，發(fā)送回執(zhí)信息給源端從鏈節(jié)點a與荷端從鏈節(jié)點b。

（7）參與該次交易的所有節(jié)點通過主鏈節(jié)點在全網(wǎng)廣播該交易信息，直購電達成。

3.3 節(jié)點間非緊急數(shù)據(jù)傳遞（以數(shù)據(jù)交易為例）

（1）荷端節(jié)點d期望出售本季度用電數(shù)據(jù)，其將該數(shù)據(jù)進行哈希得到摘要并附上該數(shù)據(jù)的簡介打包成從鏈區(qū)塊，上傳至主鏈區(qū)塊。

（2）主鏈節(jié)點將區(qū)塊中的數(shù)據(jù)打包進主鏈區(qū)塊，等待窗口數(shù)已滿或有緊急數(shù)據(jù)到達。

（3）主鏈節(jié)點將主鏈區(qū)塊發(fā)送至綜合能源服務聯(lián)盟鏈。

（4）綜合能源服務公司主鏈節(jié)點收到該主鏈區(qū)塊后，接收其中數(shù)據(jù)交易的相關信息，并在從鏈上進行廣播。

（5）綜合能源服務公司從鏈節(jié)點e 有意愿達成交易，通過主鏈節(jié)點回復信息至荷端節(jié)點d。

（6）2節(jié)點達成交易后，通過主鏈節(jié)點在全網(wǎng)廣播該交易信息，數(shù)據(jù)交易完成。

4 結束語

互聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展加速了各行業(yè)的數(shù)字化轉型，區(qū)塊鏈作為核心技術自主創(chuàng)新的重要突破口，推動了綜合能源服務模式的快速發(fā)展。本文基于區(qū)塊鏈與綜合能源服務的融合應用分析，在建立主從多鏈結構下的綜合能源服務網(wǎng)絡架構與主鏈節(jié)點的選舉方法的基礎上，設計了契合于綜合能源服務的能源區(qū)塊鏈，探討了能源區(qū)塊鏈支撐下的綜合能源服務運行模式，希望能為區(qū)塊鏈技術應用于綜合能源服務提供參考。