區(qū)塊鏈在能源互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用和上海發(fā)展建議

施偉杰 張瀚舟 王 昊

1.上海納步數(shù)據(jù)科技有限公司2.上海市發(fā)展改革研究院3.上海同祺新能源技術(shù)有限公司

0 引言

人類經(jīng)濟(jì)和社會(huì)活動(dòng)離不開能源的生產(chǎn)和消費(fèi)，保障能源安全和高質(zhì)量發(fā)展是國(guó)家的長(zhǎng)期戰(zhàn)略。當(dāng)前我國(guó)的能源領(lǐng)域正醞釀著一場(chǎng)巨大的變革，互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源將目前的能源科技進(jìn)步和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)緊密結(jié)合，將引領(lǐng)能源生產(chǎn)和消費(fèi)領(lǐng)域的深刻革命。另一方面，高速發(fā)展的信息互聯(lián)網(wǎng)和能源清潔化供應(yīng)、分散化應(yīng)用構(gòu)成了能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)。能源互聯(lián)網(wǎng)的核心是將互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)賦能傳統(tǒng)電力系統(tǒng)和分布式能源系統(tǒng)，有效協(xié)同不同種類的能源，實(shí)現(xiàn)高效率的能源生產(chǎn)、輸送和儲(chǔ)存。

本文結(jié)合國(guó)家和上海市能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展基礎(chǔ)和需求，借鑒美歐及其他發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體的研究和示范經(jīng)驗(yàn)，梳理區(qū)塊鏈技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源的協(xié)同管理、信任機(jī)制建立和安全性增強(qiáng)等方面的可行性，并在能源資產(chǎn)管理、能源交易、綠色認(rèn)證和安全監(jiān)控領(lǐng)域打造應(yīng)用場(chǎng)景。

1 能源互聯(lián)網(wǎng)的瓶頸

由于能源互聯(lián)網(wǎng)需要依靠大量關(guān)鍵技術(shù)將眾多復(fù)雜環(huán)節(jié)打通和融合，導(dǎo)致能源節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間的連接方式仍然處于理論研究和框架設(shè)計(jì)階段。隨著各類分布式能源站的加速擴(kuò)張，能源互聯(lián)網(wǎng)的參與主體愈來(lái)愈復(fù)雜，繼而出現(xiàn)協(xié)同管理、信任機(jī)制、信息透明度和安全性等問(wèn)題，加劇了對(duì)問(wèn)題解決迫切性的要求。

1.1 多能協(xié)同的管理問(wèn)題

隨著能源多樣化發(fā)展，風(fēng)能、光伏、天然氣等不同能源之間的用能管理，往往涉及不同法人主體單位之間的協(xié)同，但因信息透明度不足、控制權(quán)受限，導(dǎo)致多方在協(xié)調(diào)管理時(shí)需要花費(fèi)額外時(shí)間和精力，造成運(yùn)行成本高和效率低下問(wèn)題。

1.2 能源交易復(fù)雜性提高

以能源互聯(lián)網(wǎng)為平臺(tái)的綜合能源服務(wù)延伸出多樣化的商業(yè)模式，除了可交易傳統(tǒng)的電力、蒸汽、熱水等能源品種，還有碳指標(biāo)、節(jié)能指標(biāo)、排污指標(biāo)等各類權(quán)益。導(dǎo)致交易變得復(fù)雜，提高了購(gòu)銷雙方的交易成本和監(jiān)管機(jī)構(gòu)的管理成本。

1.3 綠色認(rèn)證方式

能源互聯(lián)網(wǎng)中的眾多可再生能源沉淀了大量綠色資產(chǎn)，借助綠色金融可有力支撐綠色項(xiàng)目的發(fā)展?？墒悄壳熬G色認(rèn)證成本和收益不匹配、額外成本內(nèi)化和環(huán)境效益外化的矛盾尚未解決，加上投入綠色技術(shù)項(xiàng)目所需資金量大、回收期長(zhǎng)及政策不確定性大，金融機(jī)構(gòu)面臨的風(fēng)險(xiǎn)也較高，影響其為綠色技術(shù)項(xiàng)目融資的動(dòng)力。

1.4 安全監(jiān)控

多能源的接入導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜化，需要投入更多的人力、物力以保證安全性，導(dǎo)致運(yùn)行成本增加，最終傳導(dǎo)至能源價(jià)格上，用戶的用能成本也因此而提高。

面對(duì)以上瓶頸，作為超大型城市，上海需要以創(chuàng)新的思維和技術(shù)方案解決上述問(wèn)題，才能繼續(xù)發(fā)揮好綜合能源服務(wù)領(lǐng)頭羊的作用。

2 能源區(qū)塊鏈的價(jià)值

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N去中心化、不可篡改、可追溯、可擴(kuò)展的跨行業(yè)應(yīng)用技術(shù)，其特性與能源互聯(lián)網(wǎng)所需要的關(guān)鍵技術(shù)相符合。發(fā)展能源區(qū)塊鏈將有望進(jìn)一步推動(dòng)能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

在區(qū)塊鏈技術(shù)的演進(jìn)過(guò)程中，區(qū)塊鏈技術(shù)已逐漸應(yīng)用在金融、政務(wù)、醫(yī)療、知識(shí)產(chǎn)權(quán)、司法、網(wǎng)絡(luò)安全等領(lǐng)域。我國(guó)對(duì)區(qū)塊鏈的關(guān)注正逐漸提升，特別是在2019年10月24日，習(xí)近平總書記在中共中央政治局第十八次集體學(xué)習(xí)時(shí)提出需要把區(qū)塊鏈作為技術(shù)自主創(chuàng)新的重要突破口，發(fā)揮其在促進(jìn)數(shù)據(jù)共享、優(yōu)化業(yè)務(wù)流程、降低運(yùn)營(yíng)成本、提升協(xié)同效率和建設(shè)可信體系這五個(gè)方面的價(jià)值[1]。

上海市擁有眾多的能源互聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目和豐富的管理與技術(shù)資源，有條件優(yōu)先研究和應(yīng)用能源區(qū)塊鏈技術(shù)作為改革能源服務(wù)的手段，通過(guò)創(chuàng)建新一代的智慧能源互聯(lián)網(wǎng)去提高能源效益、降低用能成本、提高營(yíng)運(yùn)安全和實(shí)現(xiàn)多能協(xié)同，從而實(shí)現(xiàn)能源資源調(diào)動(dòng)和使用最優(yōu)化，并最大化降低碳排放而加速實(shí)現(xiàn)我國(guó)2060年前碳中和的目標(biāo)。

3 上海能源區(qū)塊鏈的發(fā)展框架與階段目標(biāo)

在2018年工信部發(fā)布《2018中國(guó)區(qū)塊鏈產(chǎn)業(yè)白皮書》，提出區(qū)塊鏈可成為有效結(jié)合能源行業(yè)的重要工具[2]?？紤]到區(qū)塊鏈在能源行業(yè)和在上海市的應(yīng)用特點(diǎn)，本文提出上海市發(fā)展能源區(qū)塊鏈的三階段框架（見(jiàn)圖1）。

圖1 能源區(qū)塊鏈的三個(gè)發(fā)展階段

圖2 不同應(yīng)用場(chǎng)景中上海能源區(qū)塊鏈技術(shù)的階段目標(biāo)

在第一階段的能源區(qū)塊鏈發(fā)展以技術(shù)融合為首要目標(biāo)，在2021年從小規(guī)模項(xiàng)目逐漸實(shí)施測(cè)試。首要是利用區(qū)塊鏈技術(shù)解決多單位協(xié)同的信任問(wèn)題；而在2022年開始的第二階段，以優(yōu)化為主要目標(biāo)，逐漸增加項(xiàng)目規(guī)模，并且滿足一定程度的效能升級(jí)需求；最后階段利用三年時(shí)間以自主開發(fā)為主要目標(biāo)，通過(guò)吸取第一和第二階段的經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)專屬于能源行業(yè)的區(qū)塊鏈底層技術(shù)，成為能源互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)可依賴的“自適應(yīng)核心系統(tǒng)”，可迅速部署在我國(guó)大量類似的能源網(wǎng)路上。圖2詳示了不同應(yīng)用場(chǎng)景中各個(gè)階段的核心技術(shù)，下文將分階段詳述能源區(qū)塊鏈的發(fā)展目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)途徑。

4 上海能源區(qū)塊鏈的應(yīng)用場(chǎng)景與實(shí)現(xiàn)途徑

能源區(qū)塊鏈的應(yīng)用方向需要從能源行業(yè)的四大要素出發(fā)（見(jiàn)圖3），即資產(chǎn)管理、能源交易、綠色認(rèn)證和安全監(jiān)控，結(jié)合上海市作為超大城市、金融中心、創(chuàng)新中心的特點(diǎn)，在初期選用現(xiàn)有主流的區(qū)塊鏈技術(shù)的同時(shí)，逐步加大自主底層軟件和配套硬件開發(fā)力度，最終實(shí)現(xiàn)應(yīng)用場(chǎng)景的落地，以下按不同應(yīng)用領(lǐng)域分別闡述具體的實(shí)現(xiàn)途徑。

圖3 能源區(qū)塊鏈應(yīng)用領(lǐng)域

4.1 能源資產(chǎn)管理

傳統(tǒng)的能源行業(yè)角色分明，只有生產(chǎn)者和用戶，生產(chǎn)者負(fù)責(zé)所有供、輸和配網(wǎng)，而用戶按需求購(gòu)能和使用。隨著具有能源轉(zhuǎn)化率高、安全可靠、安裝靈活的分布式能源在上海的廣泛應(yīng)用，逐漸形成了新型的綜合能源服務(wù)框架，這里“用戶”可以是用戶，也可成為生產(chǎn)者（如圖4所示）。實(shí)際上是在特定的區(qū)域響應(yīng)其他用戶的需求，達(dá)成短距離的供能服務(wù)，可提高整個(gè)能源網(wǎng)路的效率[3]。

圖4 傳統(tǒng)和新型能源服務(wù)下的角色轉(zhuǎn)變

大量個(gè)體能源生產(chǎn)者的出現(xiàn)導(dǎo)致所有的資源整合變?yōu)槭滓獑?wèn)題，而區(qū)塊鏈的智能合約可作為管理工具之一。智能合約是一種自帶信任機(jī)制的代碼，由創(chuàng)建人預(yù)先寫入執(zhí)行流程，觸發(fā)特定條件便自動(dòng)執(zhí)行，優(yōu)勢(shì)在于可排除人為干預(yù)的因素執(zhí)行預(yù)先寫入的流程。利用智能合約可自動(dòng)化為各個(gè)單位/用戶創(chuàng)立、確認(rèn)和轉(zhuǎn)移用能需求的合約，并快速進(jìn)行能源的調(diào)度，實(shí)現(xiàn)多能源的高效接入和協(xié)同。在這個(gè)方面美國(guó)的LO3 Energy[4]和澳洲的PowerLedger[5]太陽(yáng)能交易平臺(tái)已進(jìn)行了成功示范，他們均利用以太坊讓小區(qū)用戶可售賣額外的太陽(yáng)能電源給其他用戶，智能合約在交易確認(rèn)后自動(dòng)執(zhí)行輸電操作。

自上世紀(jì)末開始，上海率先打破了用戶完全依賴市政集中供電的模式，開始了分布式能源技術(shù)的推廣，許多項(xiàng)目歷時(shí)近20年至今仍在發(fā)揮著重要作用。隨后，在各級(jí)政府的積極倡導(dǎo)下合同能源管理（EMC）模式迅速推廣，但是在實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效的同時(shí)也產(chǎn)生了許多能源資產(chǎn)管理的問(wèn)題，導(dǎo)致很多項(xiàng)目訴諸法律。近年來(lái)，隨著上海電力負(fù)荷調(diào)節(jié)重要性的顯現(xiàn)，虛擬電廠進(jìn)入了實(shí)踐階段，這將使得能源資產(chǎn)的管理比以往愈加復(fù)雜化，亟須引入新的管理手段和模式。

在能源區(qū)塊鏈用于能源資產(chǎn)的管理方面，其核心是物聯(lián)網(wǎng)的接入、智能合約對(duì)上鏈數(shù)據(jù)流的分析和管理，最終按用戶需求自動(dòng)化分配能源資源（如圖5）。作為基礎(chǔ)設(shè)施，近年來(lái)上海開展的智慧水表、智能電表和智能氣表工程，為后期能源區(qū)塊鏈的實(shí)施創(chuàng)造了良好的條件。但是，為應(yīng)對(duì)各類商業(yè)模式帶來(lái)的挑戰(zhàn)，升級(jí)相關(guān)智能終端，使其具備上鏈功能，并將更多的可調(diào)負(fù)荷、再生能源、分布式能源以及各種類型的用戶接入系統(tǒng)，才能逐漸發(fā)揮區(qū)塊鏈的能源資產(chǎn)管理價(jià)值。

圖5 能源區(qū)塊鏈于資源管理的應(yīng)用領(lǐng)域

4.2 能源交易

2017年，國(guó)家發(fā)改委和能源局下發(fā)的《關(guān)于開展分布式發(fā)電市場(chǎng)化交易試點(diǎn)的通知》，在110 kV電壓等級(jí)下的分布式能源站可以獲得售電資質(zhì)，因此可預(yù)見(jiàn)新型的綜合能源服務(wù)中將出現(xiàn)大量的售電方，生產(chǎn)和購(gòu)電模式將復(fù)雜化，如繼續(xù)沿用現(xiàn)時(shí)的中心化交易模式必然產(chǎn)生維護(hù)和監(jiān)管成本高，數(shù)據(jù)缺乏透明度和數(shù)據(jù)安全等一系列問(wèn)題，這需要更靈活和快捷的交易方式來(lái)支撐新的能源運(yùn)營(yíng)模式。

生產(chǎn)者可利用區(qū)塊鏈提供的開發(fā)者工具建立售電平臺(tái)，用戶可按需求向就近的生產(chǎn)者購(gòu)買電力，系統(tǒng)將通過(guò)智能合約進(jìn)行核對(duì)合法性，通過(guò)核查后自動(dòng)進(jìn)行結(jié)算并執(zhí)行輸電的操作。整個(gè)流程將記錄在所有相關(guān)方的分布式賬本上，完全保持?jǐn)?shù)據(jù)一致，簡(jiǎn)化交易結(jié)算，如圖6所示即為依托區(qū)塊鏈的能源交易過(guò)程。2017年，WePower采用以太坊的區(qū)塊鏈底層技術(shù)建立一個(gè)綠色能源交易平臺(tái)，2018年4月WePower在愛(ài)沙尼亞發(fā)行能源代幣，正式在國(guó)家層面上推行基于區(qū)塊鏈運(yùn)行的能源互聯(lián)網(wǎng)[6]。

圖6 能源區(qū)塊鏈于能源交易的應(yīng)用領(lǐng)域

雖然上海市的增量配電設(shè)施較少，但存在大量的屋頂分布式光伏、電動(dòng)汽車、分布式能源站以及參與負(fù)荷交易的商業(yè)樓宇等潛在的能源交易相關(guān)方。如果以部分具備上鏈的智能終端為基礎(chǔ)，選擇小型、分散的客戶需求為切入點(diǎn)，為供需雙方提供簡(jiǎn)潔的交易和結(jié)算模式，未來(lái)在人工智能等其他技術(shù)的支持下，再賦予這類廣泛分散能源規(guī)范化的金融屬性，最終將會(huì)形成巨量的交易規(guī)模。

4.3 綠色認(rèn)證系統(tǒng)

綠色認(rèn)證是綠色能源政府監(jiān)管和綠色技術(shù)市場(chǎng)評(píng)價(jià)的重要保障機(jī)制。如果不能正確、及時(shí)、長(zhǎng)效地進(jìn)行認(rèn)證管理，綠色能源的環(huán)境效益就難以發(fā)揮，從而導(dǎo)致有限社會(huì)資源和政府資金的浪費(fèi)。傳統(tǒng)的綠色認(rèn)證方式在實(shí)施上需要依賴強(qiáng)大的監(jiān)管力，相關(guān)企業(yè)不僅應(yīng)具備自我監(jiān)測(cè)和報(bào)告的能力，同時(shí)還涉及第三方的核查能力和公正性。

低碳、環(huán)保和高質(zhì)量發(fā)展是未來(lái)上海綠色認(rèn)證的主要應(yīng)用領(lǐng)域，上海正在通過(guò)碳交易、綠色金融和綠色技術(shù)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化等方式積極服務(wù)于國(guó)家碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)。在此過(guò)程中，能源區(qū)塊鏈可以把資源調(diào)度和交易信息加密保存在分布式賬本上，并可在相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施的配合下解決綠色認(rèn)證的環(huán)境效益評(píng)估問(wèn)題，尤其是對(duì)微量、分布式的綠色效益的流通定價(jià)提供量化標(biāo)準(zhǔn)（如圖7所示）。

圖7 能源區(qū)塊鏈于綠證交易系統(tǒng)的應(yīng)用方向

4.4 能源安全監(jiān)控

能源區(qū)塊鏈除了可在經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性方面作出貢獻(xiàn)之外，對(duì)于能源生產(chǎn)的安全監(jiān)控也可起到重要作用。由于綜合能源服務(wù)將產(chǎn)生大量結(jié)構(gòu)多樣的數(shù)據(jù)，而且來(lái)源復(fù)雜[7]，尤其是不同的數(shù)據(jù)掌握在不同的機(jī)構(gòu)單位手上，缺乏有效平臺(tái)對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的安全監(jiān)控，若某一單位發(fā)生問(wèn)題，有可能對(duì)整個(gè)能源網(wǎng)路造成嚴(yán)重影響，例如2015年烏克蘭電網(wǎng)和2019年委內(nèi)瑞拉的水電站曾遇網(wǎng)絡(luò)攻擊導(dǎo)致大規(guī)模停電。

在能源區(qū)塊鏈用于安全監(jiān)控的應(yīng)用的三個(gè)階段上，主要的核心是共識(shí)機(jī)制和智能合約的利用，如圖8所示。由于區(qū)塊鏈上存在一個(gè)“不可能的三角”，即高性能、安全性和去中心化并不能同時(shí)滿足[8]，所以應(yīng)先對(duì)不同規(guī)模能源系統(tǒng)的最優(yōu)共識(shí)機(jī)制進(jìn)行綜合測(cè)試。在確保系統(tǒng)對(duì)外部攻擊有足夠的防御措施后，向智能合約導(dǎo)入各種設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)及警戒閾值。在面臨突發(fā)情況時(shí)，可讓智能合約擁有相關(guān)權(quán)限進(jìn)行內(nèi)部系統(tǒng)的設(shè)備操作，以保障人員和財(cái)產(chǎn)安全。

圖8 能源區(qū)塊鏈于安全監(jiān)控的應(yīng)用方向

從上海城市能源供應(yīng)特點(diǎn)、用戶訴求和建設(shè)超大型城市的能源安全保障要求看，只有通過(guò)構(gòu)建用戶參與、多能互聯(lián)互通互保的微網(wǎng)，建立跨越法人之間的信息交流體系，才能強(qiáng)化城市能源系統(tǒng)事故模式下的自預(yù)、自保、自愈能力?！拔锫?lián)網(wǎng)+能源區(qū)塊鏈”可以根據(jù)不同響應(yīng)要求，在判斷故障發(fā)生的空間和時(shí)間，快速協(xié)同不同法人之間的控制與優(yōu)化調(diào)度上具有一定的優(yōu)勢(shì)，在能源安全監(jiān)控與保障中發(fā)揮重要作用。

5 總結(jié)

本文分析了能源互聯(lián)網(wǎng)當(dāng)前所面臨的瓶頸，從能源資產(chǎn)管理、能源交易、綠色認(rèn)證和安全監(jiān)控四大方面結(jié)合上海市的能源行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r，提出了分階段的應(yīng)用和優(yōu)化路線，總結(jié)建議如下：

1）結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，持續(xù)升級(jí)能源基礎(chǔ)設(shè)施的智能終端，使其具備上鏈功能，為后期能源區(qū)塊鏈的實(shí)施創(chuàng)造條件。

2）重點(diǎn)關(guān)注能源交易與綠色認(rèn)證的小微型、分散型客戶需求，解決其交易和結(jié)算的痛點(diǎn)，賦予其金融屬性，通過(guò)碳普惠助力碳達(dá)峰、碳中和。

3）合理設(shè)定智能合約保障能源互聯(lián)網(wǎng)的安全性，建立安全的跨越法人的信息交流體系和優(yōu)化調(diào)度體系，強(qiáng)化大型城市能源系統(tǒng)事故模式下的自預(yù)、自保、自愈能力。

無(wú)論是能源互聯(lián)網(wǎng)，還是能源區(qū)塊鏈都是近年來(lái)出現(xiàn)的新興技術(shù)，它們的成熟與成功還有賴于更多的應(yīng)用場(chǎng)景的落地，通過(guò)大量的實(shí)踐才能在用戶體驗(yàn)、經(jīng)濟(jì)性和安全性等方面逐步完善。