區(qū)塊鏈技術(shù)在能源物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用綜述

逯遙，毛知新，邱志斌

(1.南昌大學(xué) 能源與電氣工程系，江西 南昌 330031；2.中國電建集團(tuán)江西省電力建設(shè)有限公司，江西 南昌 330001)

區(qū)塊鏈技術(shù)作為一項(xiàng)前沿的數(shù)據(jù)庫技術(shù)，將分布式數(shù)據(jù)存儲、點(diǎn)對點(diǎn)(P2P)傳輸、共識機(jī)制和加密算法等一系列新興計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行深度結(jié)合，具有去中心化、公開透明、可追溯和不可篡改性等鮮明的應(yīng)用特點(diǎn)[1]。目前已有不少文獻(xiàn)針對區(qū)塊鏈技術(shù)在能源物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用場景進(jìn)行了深入探討。文獻(xiàn)[1]總結(jié)介紹了國內(nèi)外能源區(qū)塊鏈的應(yīng)用工程發(fā)展現(xiàn)狀，為我國區(qū)塊鏈技術(shù)在能源領(lǐng)域的工程應(yīng)用提供可靠的發(fā)展思路和建議；文獻(xiàn)[2]介紹了區(qū)塊鏈技術(shù)在能源領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展，提出區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展新方向；文獻(xiàn)[3]對區(qū)塊鏈技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用維度做了全面系統(tǒng)的考察，從能量、信息和價(jià)值角度解釋其在能源互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中起到的關(guān)鍵作用；文獻(xiàn)[4]歸納總結(jié)了近幾年國內(nèi)外區(qū)塊鏈技術(shù)的典型應(yīng)用項(xiàng)目；文獻(xiàn)[5-6]介紹了國內(nèi)外區(qū)塊鏈技術(shù)在電力物聯(lián)網(wǎng)方向架構(gòu)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)以及應(yīng)用研究情況；文獻(xiàn)[7]分析了我國電力輔助服務(wù)領(lǐng)域發(fā)展應(yīng)用中存在的缺陷，提出合理的解決措施；文獻(xiàn)[8]闡述了區(qū)塊鏈技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的需求，以及區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用對現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展產(chǎn)生的影響；文獻(xiàn)[9]總結(jié)了140個(gè)與能源領(lǐng)域相關(guān)的區(qū)塊鏈研究項(xiàng)目和創(chuàng)業(yè)公司，從中構(gòu)建區(qū)塊鏈能源應(yīng)用潛力地圖，為區(qū)塊鏈應(yīng)用價(jià)值研究提供重要參考。綜上所述，現(xiàn)有研究分析了能源區(qū)塊鏈在不同維度、不同方向下的應(yīng)用方案，總結(jié)不同場景下區(qū)塊鏈技術(shù)在能源領(lǐng)域的應(yīng)用局限性，并給出解決方案。

本文從區(qū)塊鏈技術(shù)在能源領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值出發(fā)，介紹區(qū)塊鏈技術(shù)與能源物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀，從市場交易、運(yùn)行管理和系統(tǒng)安全3個(gè)方面，對現(xiàn)階段區(qū)塊鏈技術(shù)在能源物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)；對比分析能源區(qū)塊鏈開發(fā)平臺的實(shí)用性與優(yōu)缺點(diǎn)，為區(qū)塊鏈開發(fā)工作提供參考；分析指出區(qū)塊鏈技術(shù)與能源物聯(lián)網(wǎng)相融合所面臨的各種挑戰(zhàn)，并從政策、法律和社會(huì)3個(gè)方面給出能源區(qū)塊鏈的發(fā)展建議。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)在能源領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈技術(shù)的概念是Nakamoto在文獻(xiàn)[10]中提出的，最早應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字貨幣之中。區(qū)塊鏈的概念如圖1所示。

圖1 區(qū)塊鏈概念

區(qū)塊鏈的概念源于一種點(diǎn)對點(diǎn)的電子現(xiàn)金交易系統(tǒng)，本質(zhì)上來說就是一種利用密碼學(xué)原理建立的數(shù)據(jù)庫技術(shù)，其原理是通過計(jì)算機(jī)加密算法生產(chǎn)出多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)塊，然后通過鏈條串聯(lián)起來，組成一條不可篡改、具有可追溯性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是新一代具有普適性的底層技術(shù)。區(qū)塊鏈技術(shù)與現(xiàn)代行業(yè)應(yīng)用相結(jié)合是未來信息技術(shù)發(fā)展的新方向，我國已將區(qū)塊鏈技術(shù)作為一項(xiàng)前沿科技優(yōu)先發(fā)展。

區(qū)塊鏈的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，由區(qū)塊和鏈串聯(lián)組合而成，其中區(qū)塊主要由區(qū)塊頭和區(qū)塊體組合而成。區(qū)塊頭主要包含版本號、前一區(qū)塊HASH值、時(shí)間戳、難度目標(biāo)、Nonce值和Merkle根；而區(qū)塊體主要保存著大量的交易信息，各個(gè)區(qū)塊之間通過鏈條有序地鏈接在一起。每個(gè)區(qū)塊都是獨(dú)立存在，當(dāng)有一個(gè)區(qū)塊信息發(fā)生改變時(shí)，在它之后的所有區(qū)塊必然也會(huì)受到影響發(fā)生改變，這就保證了區(qū)塊鏈信息的不可篡改。

圖2 區(qū)塊鏈和區(qū)塊結(jié)構(gòu)

1.2 區(qū)塊鏈的技術(shù)架構(gòu)

目前，區(qū)塊鏈技術(shù)的主流架構(gòu)通常包括數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識層、激勵(lì)層、合約層和應(yīng)用層共6個(gè)層級[11]，如圖3所示。

POW—工作量證明，proof of work的縮寫；POS—權(quán)益證明，proof of stake的縮寫；DPOS—權(quán)益授權(quán)證明，delegated proof of stake的縮寫；PBFT—實(shí)用拜占庭容錯(cuò)，practical Byzantine fault tolerance的縮寫。

數(shù)據(jù)層的主要作用是定義區(qū)塊鏈內(nèi)部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)和Merkle樹保證了區(qū)塊鏈的可追溯性和區(qū)塊信息的安全可靠；網(wǎng)絡(luò)層規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，點(diǎn)對點(diǎn)傳輸技術(shù)保證了網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)結(jié)點(diǎn)的地位平等，具有同等的網(wǎng)絡(luò)權(quán)力，從而達(dá)到了去中心化的目的；共識層規(guī)定區(qū)塊鏈技術(shù)的共識算法，用來保證區(qū)塊數(shù)據(jù)的對稱性和一致性；激勵(lì)層規(guī)定虛擬貨幣的發(fā)行、加密和分配機(jī)制，采用非對稱加密算法對虛擬貨幣進(jìn)行加密，而各個(gè)區(qū)塊之間也是通過這種加密技術(shù)實(shí)現(xiàn)相互聯(lián)系；合約層規(guī)定開發(fā)者編寫的智能合約，用戶不僅可以對合約進(jìn)行續(xù)寫操作，還可以發(fā)送其他消息甚至創(chuàng)建合約，用戶可以通過代碼把新合約創(chuàng)建在區(qū)塊鏈上[12]；應(yīng)用層表現(xiàn)區(qū)塊鏈應(yīng)用形式，區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用大概經(jīng)歷了3個(gè)階段：可編程貨幣階段、可編程金融系統(tǒng)階段和可編程社會(huì)階段，見表1。

表1 區(qū)塊鏈的發(fā)展階段

區(qū)塊鏈技術(shù)架構(gòu)中的共識層作為區(qū)塊鏈技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，在區(qū)塊鏈穩(wěn)定運(yùn)行的過程中起到了至關(guān)重要的作用。同時(shí)，隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的快速發(fā)展，其中的共識機(jī)制也得到了充分發(fā)展，針對不同應(yīng)用環(huán)境應(yīng)采用不同的共識機(jī)制。為了今后方便選擇在區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用中的共識機(jī)制，現(xiàn)對區(qū)塊鏈技術(shù)中主流的共識機(jī)制做簡要對比介紹。

目前，應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)的系統(tǒng)中常用的共識機(jī)制主要包括：POW機(jī)制、POS機(jī)制、權(quán)威證明共識(proof of authority，POA)機(jī)制、貢獻(xiàn)證明(proof of contribution，POC)機(jī)制、DPOS機(jī)制、PBFT算法、投機(jī)拜占庭容錯(cuò)(speculative Byzantine fault tolerance，SBFT)算法等[13]。不同共識機(jī)制算法的性能強(qiáng)弱對比見表2，其中，針對現(xiàn)有能源區(qū)塊鏈的應(yīng)用項(xiàng)目中，采用POW共識算法的項(xiàng)目占比為55%，采用POS共識算法的比例約為18%，采用PBFT共識算法的比例約為15%，而采用其他算法的比例不到10%[9]。

表2 不同共識機(jī)制算法的性能對比

1.3 能源物聯(lián)網(wǎng)

目前來說，對于能源物聯(lián)網(wǎng)這一概念學(xué)術(shù)界并沒有給出十分明確的定義，簡單來看，能源物聯(lián)網(wǎng)是基于5G、人工智能等前沿技術(shù)，結(jié)合能量利用中的各個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)建起來的全新的能源互聯(lián)網(wǎng)體系。能源物聯(lián)網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展同樣都離不開互聯(lián)網(wǎng)的支持。相較于能源互聯(lián)網(wǎng)來說，能源物聯(lián)網(wǎng)具有更為廣闊的內(nèi)涵，而能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方式同樣適用于能源物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，能源物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)的能源互聯(lián)提供了可能?；诓煌茉吹幕パa(bǔ)模式，能源互聯(lián)網(wǎng)借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)極大地促進(jìn)了電力、化石、熱等能源之間的聯(lián)動(dòng)[14]。為了填補(bǔ)能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的空白，我國正大力開展能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，制訂相關(guān)政策和體系支持能源信息的互聯(lián)網(wǎng)化，進(jìn)一步推動(dòng)我國能源革命的發(fā)展進(jìn)程[15]。

能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展為能源的可持續(xù)發(fā)展開辟道路，為分布式可再生資源的利用提供平臺，為能源的高效利用提供保障[16]。能源互聯(lián)網(wǎng)基本架構(gòu)如圖4所示，能源互聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)可以概括為從能源的生產(chǎn)、輸送到消耗的過程，在能源互聯(lián)網(wǎng)體系中各種形式的能源通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能源之間的互聯(lián)互通，通過市場交易給各類用戶實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)與消費(fèi)的商業(yè)互利，其中的相關(guān)技術(shù)可以提高能源應(yīng)用效率，滿足能量自由傳輸與用戶多元需求，實(shí)現(xiàn)用戶開放對等接入。能源物聯(lián)網(wǎng)將多種能源形式與能源交易市場緊密結(jié)合在一起，形成了多能源開放互聯(lián)的突出特點(diǎn)。

圖4 能源互聯(lián)網(wǎng)基本架構(gòu)

1.4 區(qū)塊鏈技術(shù)在能源物聯(lián)網(wǎng)的價(jià)值分析

區(qū)塊鏈技術(shù)與能源物聯(lián)網(wǎng)能夠協(xié)調(diào)互補(bǔ)，融合發(fā)展，主要體現(xiàn)在去中心化、協(xié)同自治、市場化和智能合約上。區(qū)塊鏈與能源物聯(lián)網(wǎng)契合度分析見表3。

表3 區(qū)塊鏈技術(shù)與能源物聯(lián)網(wǎng)的契合度分析

區(qū)塊鏈技術(shù)中，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)權(quán)力義務(wù)對等與能源物聯(lián)網(wǎng)中各主體平等分散決策相互對應(yīng)，這是去中心化的體現(xiàn)。協(xié)同自治理念在區(qū)塊鏈技術(shù)和能源物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域都有著深刻的體現(xiàn)：在區(qū)塊鏈技術(shù)中，所有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)相互平等，需要共同維護(hù)；而在能源物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，不同形式的能源同樣協(xié)同發(fā)展，相互促進(jìn)。在市場化方面，區(qū)塊鏈技術(shù)可實(shí)現(xiàn)交易雙方之間的信任，而無需第三方參與，能源物聯(lián)網(wǎng)擁有多元的能源市場；因此，將區(qū)塊鏈技術(shù)與能源物聯(lián)網(wǎng)相融合可以更好地?fù)屨际袌霭l(fā)展的先機(jī)，實(shí)現(xiàn)能源交易的協(xié)調(diào)發(fā)展。智能合約通過程序自動(dòng)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)交易的自主化和智能化，同樣滿足區(qū)塊鏈技術(shù)和能源物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展要求。

通過對區(qū)塊鏈技術(shù)和能源物聯(lián)網(wǎng)的簡要介紹以及對其契合度的相關(guān)分析，可以較為直觀地看出，將區(qū)塊鏈技術(shù)引入能源物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域能夠充分發(fā)揮區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，其價(jià)值體現(xiàn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：信息對等、數(shù)據(jù)透明、交易安全。

區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心化的技術(shù)特點(diǎn)，所以在信息交換層面不需要中心化的信息平臺參與其中，而且區(qū)塊鏈技術(shù)采用點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，使得所有用戶在同一時(shí)間共享到所有相同的數(shù)據(jù)信息。區(qū)塊鏈中區(qū)塊信息都是公開透明的，每一位參與其中的用戶都可以通過密鑰查找到區(qū)塊信息中的每一條交易信息，這保證了數(shù)據(jù)交易信息的透明度。區(qū)塊鏈技術(shù)所應(yīng)用的加密算法，使得所有區(qū)塊信息不可篡改，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)交易信息的可追溯，區(qū)塊鏈技術(shù)的這2個(gè)特點(diǎn)保證了信息交易的安全可靠。

2 能源區(qū)塊鏈發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 能源區(qū)塊鏈簡介

目前，學(xué)術(shù)界對能源區(qū)塊鏈并沒有給出相對統(tǒng)一的概念，但通常來講，能源區(qū)塊鏈主要指區(qū)塊鏈技術(shù)在能源物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用，能源系統(tǒng)中的各個(gè)能源結(jié)點(diǎn)通過區(qū)塊鏈技術(shù)加密存儲能源交易信息數(shù)據(jù)，利用共識機(jī)制完成分布式能源決策，然后利用智能合約機(jī)制完成能源的自動(dòng)交易，實(shí)現(xiàn)能源交易過程中能量流、信息流和價(jià)值流的有效銜接。能源物聯(lián)網(wǎng)在發(fā)展過程中面臨著交易信息不夠透明、交易方式不夠安全、交易效率不夠高效等諸多問題，區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展前景廣闊，將其與能源物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合有望突破能源物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的發(fā)展瓶頸?，F(xiàn)階段，能源區(qū)塊鏈的技術(shù)應(yīng)用仍處于空白填補(bǔ)期，能源行業(yè)正抓住機(jī)遇，在區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展過程中逐步探索其在能源領(lǐng)域的應(yīng)用，建立符合我國能源形勢的能源區(qū)塊鏈標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)(如圖5所示)[17]，體系中應(yīng)包含能源區(qū)塊鏈業(yè)務(wù)和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、能源區(qū)塊鏈支撐標(biāo)準(zhǔn)、可信和互操作標(biāo)準(zhǔn)、信息安全標(biāo)準(zhǔn)，在建立標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)應(yīng)該綜合考慮區(qū)塊鏈技術(shù)特點(diǎn)，完善交易規(guī)范，制訂交易準(zhǔn)則，保證交易安全，充分發(fā)揮能源區(qū)塊鏈的應(yīng)用潛力。

圖5 能源區(qū)塊鏈標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)

2.2 能源區(qū)塊鏈應(yīng)用現(xiàn)狀

區(qū)塊鏈技術(shù)與能源物聯(lián)網(wǎng)相輔相成，融合發(fā)展，能源區(qū)塊鏈的應(yīng)用研究已經(jīng)有了一定的成果，以下從市場交易、運(yùn)行管理和系統(tǒng)安全3個(gè)方面對區(qū)塊鏈技術(shù)在能源物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行介紹與總結(jié)。在當(dāng)前的應(yīng)用中，區(qū)塊鏈技術(shù)在分布式能源交易和電力市場方向的應(yīng)用最為廣泛，而在其他方向的研究還較為欠缺。

2.2.1 市場交易

目前，能源區(qū)塊鏈項(xiàng)目的應(yīng)用范疇主要集中在能源市場交易，其中分布式能源交易與管理是能源區(qū)塊鏈項(xiàng)目中最為廣泛的應(yīng)用場景。我國能源市場呈現(xiàn)開放程度小、規(guī)模小、分散式的特點(diǎn)，運(yùn)用主流的中心化機(jī)構(gòu)對這些分散的市場進(jìn)行管理會(huì)產(chǎn)生過高的運(yùn)營成本，造成不必要的資源消耗，難以滿足實(shí)時(shí)交易的需求。而區(qū)塊鏈技術(shù)所具有的去中心化、公開透明、不可篡改和可追溯的特點(diǎn)可以很好地滿足當(dāng)前能源市場交易的需求。在能源市場未來的發(fā)展中，應(yīng)該增加能源區(qū)塊鏈項(xiàng)目，及時(shí)發(fā)現(xiàn)區(qū)塊鏈技術(shù)在應(yīng)用中的不足，為能源區(qū)塊鏈的推廣做好充足的準(zhǔn)備。

2.2.1.1 分布式能源交易與管理

分布式能源具有能源利用率高、靈活性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好等顯著優(yōu)勢，區(qū)塊鏈技術(shù)的特點(diǎn)符合分布式能源的交易需求。將這2種技術(shù)有機(jī)結(jié)合能有效降低交易成本，增加交易形式，擴(kuò)展能源選擇多樣性[17]。文獻(xiàn)[18]對分布式能源交易與區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行契合度分析，分析傳統(tǒng)區(qū)塊鏈技術(shù)存在的不足，提出了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式能源交易框架；文獻(xiàn)[19]建立了一種基于合約訂單的分布式電能交易模型，提出基于區(qū)塊鏈技術(shù)的微電網(wǎng)電能交易系統(tǒng)架構(gòu)，建立基于最大目標(biāo)函數(shù)和信譽(yù)值的沖突解決機(jī)制，用以解決交易過程中可能存在的訂單沖突等問題；文獻(xiàn)[20]討論了當(dāng)前能源交易方案設(shè)計(jì)的弊端，根據(jù)我國國情制訂一套全新的基于區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式能源交易方案；文獻(xiàn)[21]為消除能源交易確認(rèn)延遲對交易效率產(chǎn)生的影響，提出了一種基于交易信用機(jī)制的最優(yōu)定價(jià)策略，并設(shè)計(jì)一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式能源交易系統(tǒng)。

能源的跨區(qū)域交易方式多種多樣，交易頻率也有很大提升，分布式優(yōu)化管理變得尤為重要，不僅可以滿足用戶的隱私要求，也可以滿足參與主體自治運(yùn)營的需求。為滿足分布式能源交易的有序進(jìn)行，能源公司制訂了特定的分布式能源交易規(guī)則，然而在經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使下，參與主體可能并不會(huì)按照既定規(guī)則進(jìn)行能源交易。為此，文獻(xiàn)[22]提出了區(qū)塊鏈技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的具體架構(gòu)，通過對影響能源區(qū)塊鏈應(yīng)用交易效率原因的分析，得到幾個(gè)較大影響交易效率的因素；文獻(xiàn)[23]設(shè)計(jì)了一種新型的混合區(qū)塊鏈存儲模式，該模式將公有鏈的安全性和私有鏈的效率相結(jié)合，提高能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的整體效率，實(shí)現(xiàn)分散監(jiān)管。

2.2.1.2 電動(dòng)汽車充電

隨著化石能源的逐漸枯竭，新能源的不斷發(fā)展，電動(dòng)汽車在節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)等方面的優(yōu)勢日益突顯，但大量的電動(dòng)汽車入網(wǎng)充電將影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)[24]提出了一種用以控制電動(dòng)汽車數(shù)量激增、實(shí)現(xiàn)有序充電的解決方案，即充電站充電權(quán)交易機(jī)制與模型，解決充電權(quán)最優(yōu)配置的問題；文獻(xiàn)[25]設(shè)計(jì)了一種分層電動(dòng)汽車充電協(xié)調(diào)模型和算法，為了保障電動(dòng)汽車充電站的可靠運(yùn)行，通過以太網(wǎng)構(gòu)建了基于區(qū)塊鏈的調(diào)度平臺；文獻(xiàn)[26]提出了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電動(dòng)汽車充電交易模型，實(shí)現(xiàn)充電服務(wù)的自主管理；為保證能源合理分配，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車充放電自由，文獻(xiàn)[27]基于智能合約技術(shù)，提出了一種電動(dòng)汽車充電入網(wǎng)競價(jià)機(jī)制，優(yōu)化電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)能源利用與市場主體經(jīng)濟(jì)共贏發(fā)展。

2.2.1.3 微電網(wǎng)交易

與傳統(tǒng)電力市場相比，微電網(wǎng)準(zhǔn)入門檻低、用戶個(gè)體趨利性強(qiáng)、分布式電能設(shè)備產(chǎn)能不穩(wěn)定運(yùn)行等問題可能會(huì)使得微電網(wǎng)交易出現(xiàn)信任危機(jī)。文獻(xiàn)[28]分析現(xiàn)有微電網(wǎng)應(yīng)用中區(qū)塊鏈共識機(jī)制的缺陷，提出了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的微電網(wǎng)電能交易信用共識機(jī)制；文獻(xiàn)[29]在微電網(wǎng)市場中引入博弈理論和勢博弈概念，設(shè)計(jì)了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的微電網(wǎng)市場博弈框架，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)市場的優(yōu)化運(yùn)行；文獻(xiàn)[30]基于區(qū)塊鏈技術(shù)和市場競價(jià)策略，提出了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的微電網(wǎng)市場交易方案；為滿足微電網(wǎng)客戶交易要求，文獻(xiàn)[31]基于微電網(wǎng)電力交易的總體架構(gòu)，對其應(yīng)用場景進(jìn)行分析判斷，提出了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)和連續(xù)雙向拍賣機(jī)制的微電網(wǎng)電力交易模式，滿足用戶間直接交易的需求；文獻(xiàn)[32]提出了一種去中心化的微電網(wǎng)電能交易系統(tǒng)框架，給出基于智能合約的電能交易流程，通過分析不同的拍賣機(jī)制選出最優(yōu)解，保證微電網(wǎng)系統(tǒng)分布式電能交易的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2.1.4 光伏發(fā)電

隨著中國光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，用戶數(shù)量快速增長、財(cái)政補(bǔ)貼拖欠、交易結(jié)算困難等問題日益突出，區(qū)塊鏈技術(shù)為解決我國光伏交易市場中存在的問題給出全新的方案。文獻(xiàn)[33]給出一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的光伏交易系統(tǒng)架構(gòu)，針對我國光伏交易市場的諸多問題，提出了一種基于區(qū)塊鏈激勵(lì)的光伏交易方案，為各個(gè)光伏用戶之間的簡單自由交易提供便捷。

2.2.1.5 電力市場

隨著能源物聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)步發(fā)展，電力市場改革也在有序進(jìn)行。為了實(shí)現(xiàn)電力的自由交易，減小電力交易管理的難度，文獻(xiàn)[34]將區(qū)塊鏈技術(shù)引入電力現(xiàn)貨交易市場，設(shè)計(jì)了區(qū)塊鏈架構(gòu)下的電力市場實(shí)時(shí)調(diào)度交易及分時(shí)電價(jià)交易模型，分析現(xiàn)貨市場交易電價(jià)的局限性，給出最優(yōu)的購電方案；文獻(xiàn)[35]提出了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電力交易和阻塞管理方法，利用智能合約技術(shù)實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)結(jié)點(diǎn)的自主交易，通過對比2種不同的阻塞管理方法得出最優(yōu)解；文獻(xiàn)[36]為保障市場交易模型的有效性，將區(qū)塊鏈技術(shù)和智能合約引入市場交易模型中，設(shè)計(jì)了一種弱中心化的電力市場交易機(jī)制；文獻(xiàn)[37]分析了基于區(qū)塊鏈的電力系統(tǒng)的混合博弈架構(gòu)，以光伏用戶為例，對用戶用電的效用函數(shù)進(jìn)行合理改進(jìn)，構(gòu)建基于區(qū)塊鏈的混合博弈模型；文獻(xiàn)[39]構(gòu)建基于POW共識機(jī)制區(qū)塊鏈的類馬爾可夫決策過程安全分析模型，并分析探討了改變區(qū)塊間隔時(shí)間和區(qū)塊大小對電力交易系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)大小的影響；文獻(xiàn)[39]以園區(qū)互聯(lián)網(wǎng)為研究對象，提出了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電力交易框架，明確交易流程，保障交易安全。

2.2.1.6 區(qū)域能源交易

當(dāng)前的區(qū)域能源交易系統(tǒng)主要通過集中式的交易服務(wù)平臺完成交易，相比于分布式能源交易系統(tǒng)，存在效率低、消耗成本高、安全無法保障等諸多問題。文獻(xiàn)[40]通過區(qū)塊鏈開發(fā)平臺搭建區(qū)域能源交易模型，編寫智能合約程序?qū)崿F(xiàn)交易的自動(dòng)運(yùn)行，為未來區(qū)塊鏈技術(shù)在區(qū)域能源交易中的應(yīng)用提供了參考方案；文獻(xiàn)[41]設(shè)計(jì)了一種允許消費(fèi)者與廠商在社區(qū)內(nèi)進(jìn)行雙邊能源交易的本地能源市場模型；大用戶直購電是區(qū)域能源交易的一個(gè)重要方面，將區(qū)塊鏈技術(shù)引入大用戶直購電系統(tǒng)中，利遠(yuǎn)大于弊，文獻(xiàn)[42]介紹了大用戶直購電交易框架的設(shè)計(jì)方法，探討將區(qū)塊鏈技術(shù)引入大用戶直購電后將面臨的諸多挑戰(zhàn)，并給出合理建議。

2.2.2 運(yùn)行管理

隨著能源物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)管理將變得紛繁復(fù)雜，越來越多種形式的需求側(cè)響應(yīng)資源會(huì)不斷出現(xiàn)，而服務(wù)領(lǐng)域也會(huì)涉及到大量的交互式操作，采用集中式管理的方式已經(jīng)不能滿足資源管理和用戶之間的交互需求。區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)，在很大程度上解決了交易管理中存在的成本高、效率低等問題，從而實(shí)現(xiàn)能源的高效管理與經(jīng)濟(jì)調(diào)度，滿足能源系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

2.2.2.1 電網(wǎng)管理

目前配電網(wǎng)的規(guī)劃和運(yùn)行方式正朝著更加先進(jìn)、靈活和智能的主動(dòng)配電網(wǎng)方向發(fā)展[43]。在配電網(wǎng)領(lǐng)域，需要更加有效感知電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)自主管理和智能控制。文獻(xiàn)[44]提出了基于以太坊智能合約技術(shù)的配電網(wǎng)交易機(jī)制與模型，保證配電網(wǎng)去中心化交易的公開透明，為配電網(wǎng)的管理與交易提供全新的解決方案；文獻(xiàn)[45]建立了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的能源互聯(lián)網(wǎng)智能交易與協(xié)同調(diào)度模型，能滿足電網(wǎng)各級結(jié)點(diǎn)的智能調(diào)度與安全運(yùn)行，也為能源互聯(lián)網(wǎng)的高效運(yùn)行提供解決方案；文獻(xiàn)[46]提出了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的弱中心化通信架構(gòu)，優(yōu)化分布式電力互濟(jì)交易通信網(wǎng)絡(luò)，保障分布式電力交易的可靠運(yùn)行。

智能電網(wǎng)的出現(xiàn)使得電網(wǎng)管理朝著越來越智能化的方向發(fā)展，解決了電網(wǎng)人為管理的繁雜。現(xiàn)階段智能電網(wǎng)依然存在著安全性差、準(zhǔn)確性低等數(shù)據(jù)管理問題，區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)為彌補(bǔ)這些問題提供了可行的解決方案。文獻(xiàn)[47]分析了區(qū)塊鏈技術(shù)與智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息的契合度，將區(qū)塊鏈技術(shù)引入智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)管理平臺，為優(yōu)化智能電網(wǎng)以及能源數(shù)據(jù)管理提供創(chuàng)新性參考；文獻(xiàn)[48]提出了一種輕量級的基于業(yè)務(wù)連續(xù)性的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，該架構(gòu)幾乎可消除傳統(tǒng)業(yè)務(wù)連續(xù)性的經(jīng)費(fèi)開支，并以智能電網(wǎng)為代表性案例驗(yàn)證該架構(gòu)在安全和隱私方面的有效性。

2.2.2.2 虛擬電廠

隨著分布式可再生能源的迅速發(fā)展，虛擬電廠已經(jīng)成為能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中必不可少的關(guān)鍵因素[49]，將區(qū)塊鏈技術(shù)引入虛擬電廠管理運(yùn)行之中，能夠保障虛擬電廠運(yùn)行的安全穩(wěn)定。文獻(xiàn)[50]針對現(xiàn)有虛擬電廠模型中存在的問題，提出了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的能源互聯(lián)網(wǎng)模型，保障虛擬電廠的安全運(yùn)行與調(diào)度，有效滿足當(dāng)?shù)仉娏κ袌龅恼{(diào)度與運(yùn)行；文獻(xiàn)[51]設(shè)計(jì)了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度模型，該模型采用改進(jìn)的POW共識機(jī)制，一方面大大減少計(jì)算量，節(jié)約計(jì)算資源和計(jì)算時(shí)間，另一方面也保證分布式計(jì)算的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)分布式能源的高效運(yùn)行。

2.2.2.3 能源需求側(cè)響應(yīng)

隨著我國自動(dòng)需求響應(yīng)業(yè)務(wù)的發(fā)展和售電側(cè)需求響應(yīng)資源管理的放開，能源需求側(cè)響應(yīng)將面臨巨大挑戰(zhàn)，此時(shí)亟需一項(xiàng)開放透明、公正安全的新型技術(shù)來保障能源需求的高效發(fā)展。文獻(xiàn)[52]深入分析了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的自動(dòng)需求響應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵問題和局限性，并針對數(shù)據(jù)維護(hù)、協(xié)議兼容性、交易安全和資源消耗等問題提出基于區(qū)塊鏈技術(shù)的解決方案；文獻(xiàn)[53]綜合了需求側(cè)響應(yīng)的基本概念和發(fā)展趨勢，分析基于區(qū)塊鏈技術(shù)的需求響應(yīng)資源交易的關(guān)鍵問題，進(jìn)而提出一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的綜合需求側(cè)響應(yīng)整體交易體系框架；文獻(xiàn)[54]對區(qū)塊鏈技術(shù)和自動(dòng)需求響應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行了契合度對比分析，提出一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的能源局域網(wǎng)儲能系統(tǒng)自動(dòng)需求響應(yīng)方法；空調(diào)負(fù)荷也是一類十分重要的需求響應(yīng)資源，文獻(xiàn)[55]以空調(diào)負(fù)荷為主體，設(shè)計(jì)了基于用電權(quán)的需求響應(yīng)負(fù)荷控制機(jī)制。

2.2.2.4 綜合能源服務(wù)

為促進(jìn)綜合能源服務(wù)模式的多元化發(fā)展，文獻(xiàn)[56]針對服務(wù)的場景和模式，在POS的基礎(chǔ)上提出了一種新的共識機(jī)制，并利用區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建一種新的系統(tǒng)架構(gòu)和綜合能源服務(wù)模型，建立一套基于綜合能源服務(wù)系統(tǒng)的信用體系；文獻(xiàn)[57]結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)對調(diào)度模型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，保證系統(tǒng)的高效與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2.2.2.5 綠色證書交易

隨著新能源的不斷發(fā)展和用能理念的不斷變化，我國綠證交易市場的規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，文獻(xiàn)[58]設(shè)計(jì)了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的綠色證書交易平臺，并實(shí)地部署智慧能源示范項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)用戶之間的雙邊綠色證書交易。

2.2.3 系統(tǒng)安全

信息系統(tǒng)安全一直以來都是計(jì)算機(jī)技術(shù)關(guān)注的焦點(diǎn)，將數(shù)據(jù)信息與物理系統(tǒng)相融合能夠有效提升能源系統(tǒng)的運(yùn)行效率，但目前的信息系統(tǒng)一直存在著建設(shè)維護(hù)成本高、容易受到外部攻擊等問題。區(qū)塊鏈需要用到非對稱的加密算法和冗余的數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，所以將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用與信息系統(tǒng)相融合能夠有效避免系統(tǒng)信息泄露，保障用戶信息安全。

2.2.3.1 認(rèn)證安全

區(qū)塊鏈作為一種新型的信息化技術(shù)，為能源發(fā)展帶來了全新的方向，但是信息安全仍是長期關(guān)注的方向。為了更好地解決能源交易中存在的信息安全問題，文獻(xiàn)[59]在不同類型的能源鏈之間引入一種新的交易手段作為中繼，構(gòu)建了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的多能互補(bǔ)安全交易模型，為能源交易提供安全保證；文獻(xiàn)[60]設(shè)計(jì)了一種基于區(qū)塊鏈認(rèn)證技術(shù)的安全服務(wù)和訪問控制模型，并在該模型的基礎(chǔ)上提出一種基于區(qū)塊鏈的終端安全接入技術(shù)；文獻(xiàn)[61]設(shè)計(jì)了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的能源互聯(lián)網(wǎng)基本框架，給出能源互聯(lián)網(wǎng)多模塊用能、調(diào)度和潮流優(yōu)化模型，為能源互聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)調(diào)度和交易安全提供必要保障；文獻(xiàn)[62]提出了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電力物聯(lián)網(wǎng)分布式認(rèn)證方案，為電力泛在業(yè)務(wù)的網(wǎng)關(guān)接入提供終端安全認(rèn)證，顯著提高終端系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

2.2.3.2 管理安全

我國能源市場并未完全開放，能源安全管理存在巨大空缺，多級需求響應(yīng)投標(biāo)交易模式并不健全。文獻(xiàn)[63]分析比較2種實(shí)現(xiàn)需求響應(yīng)投標(biāo)交易的典型方法，設(shè)計(jì)了一種基于智能合約的需求響應(yīng)投標(biāo)管理和交易方案，保證需求響應(yīng)投標(biāo)過程的交易安全。為完善我國能源安全管理體系，需要重視能源管理問題，制訂相關(guān)管理規(guī)定，填補(bǔ)我國能源管理的空缺。

3 能源區(qū)塊鏈開發(fā)平臺與發(fā)展建議

3.1 區(qū)塊鏈開發(fā)平臺

目前，已有多款開源區(qū)塊鏈開發(fā)平臺支持能源區(qū)塊鏈的應(yīng)用開發(fā)工作，各區(qū)塊鏈開發(fā)平臺的應(yīng)用環(huán)境和優(yōu)缺點(diǎn)對比見表4。以太坊和Hyperledger是應(yīng)用最為廣泛的兩大區(qū)塊鏈開發(fā)平臺；Asch是一個(gè)基于側(cè)鏈技術(shù)的去中心化應(yīng)用平臺，該平臺可使用較為簡單的應(yīng)用編程語言，降低開發(fā)門檻；BCOS是國內(nèi)企業(yè)主導(dǎo)研發(fā)的、對外開源的聯(lián)盟鏈底層開發(fā)平臺；Stella兼容聯(lián)盟鏈和私有鏈，更加適合應(yīng)用于企業(yè)之中；Corda是一款用來管理法務(wù)文件和數(shù)據(jù)共享的開源區(qū)塊鏈開發(fā)平臺；Substrate雖然應(yīng)用較少，但由于在其框架下核心組件搭配相當(dāng)靈活，具有可觀的能源區(qū)塊鏈應(yīng)用開發(fā)潛力。

表4 區(qū)塊鏈開發(fā)平臺對比

3.2 能源區(qū)塊鏈發(fā)展建議

區(qū)塊鏈技術(shù)在能源物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用擁有巨大的發(fā)展空間，隨著其不斷發(fā)展，已經(jīng)有不少能源區(qū)塊鏈項(xiàng)目參與試點(diǎn)；但由于區(qū)塊鏈技術(shù)還遠(yuǎn)未成熟，本身存在很大的局限性，以及能源物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的不平衡，能源區(qū)塊鏈仍然存在著資源消耗、隱私問題以及安全漏洞等諸多挑戰(zhàn)。

a)資源消耗。由于區(qū)塊鏈采用對等的點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸方式，為了保證各個(gè)用戶獲取信息的時(shí)效性，每個(gè)用戶都需要實(shí)時(shí)計(jì)算交易信息，去中心化的區(qū)塊鏈技術(shù)需要強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)算力，每生成一個(gè)區(qū)塊就需要消耗大量的電力能源。大量的能源消耗與能源區(qū)塊鏈應(yīng)用的高效經(jīng)濟(jì)要求背道而馳，因此，開發(fā)全新的共識機(jī)制才能保證能源區(qū)塊鏈的健康長效發(fā)展。

b)隱私保護(hù)。互聯(lián)網(wǎng)作為一個(gè)虛擬平臺，隱私保護(hù)一直都是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，區(qū)塊鏈技術(shù)采用HASH加密算法在一定程度上保證了交易信息的數(shù)據(jù)隱私，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)匿名交易，但作為互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，數(shù)據(jù)交易的隱私性依然存在漏洞。文獻(xiàn)[64]通過一種特殊的方法，學(xué)習(xí)并推斷出某一個(gè)用戶在區(qū)塊鏈上的多條交易記錄，從而破解用戶的匿名信息。運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)完善區(qū)塊鏈交易隱私漏洞才能吸引更多的用戶加入。

c)安全漏洞。區(qū)塊鏈技術(shù)主要通過數(shù)字簽名技術(shù)生成密鑰從而完成交易，雖然區(qū)塊鏈技術(shù)的引進(jìn)能夠提高能源交易的安全性；但能源系統(tǒng)關(guān)乎國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展命脈，所以，安全性能仍然是能源區(qū)塊鏈發(fā)展道路上的重中之重。推進(jìn)我國能源區(qū)塊鏈發(fā)展，促進(jìn)我國能源區(qū)塊鏈應(yīng)用建設(shè)，是解決能源交易安全問題的有效措施。

分析能源區(qū)塊鏈發(fā)展過程中各項(xiàng)挑戰(zhàn)可知，需要社會(huì)各界和與能源區(qū)塊鏈相關(guān)的各個(gè)機(jī)構(gòu)共同努力，本文從政策、法律和社會(huì)3個(gè)方面給出能源區(qū)塊鏈發(fā)展建議：

a)完善國家能源政策。我國能源區(qū)塊鏈應(yīng)用規(guī)模較小，應(yīng)用場景較為理想化，關(guān)于能源區(qū)塊鏈的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)也未完全建立，而且部分地區(qū)政策支持也不完善?，F(xiàn)階段需要盡快完善能源管理政策，制訂監(jiān)督管理制度，從而有利于區(qū)塊鏈技術(shù)在能源物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的長久發(fā)展。

b)加強(qiáng)能源領(lǐng)域立法工作。我國區(qū)塊鏈技術(shù)起步較晚，發(fā)展落地項(xiàng)目十分缺少，法律體制不夠健全。為保障智能化信息安全，需要從法律著手，健全區(qū)塊鏈法制保障體制，將區(qū)塊鏈技術(shù)納入合理合規(guī)的監(jiān)督管理體制。

c)增強(qiáng)能源區(qū)塊鏈在社會(huì)上的關(guān)注度。推進(jìn)能源區(qū)塊鏈應(yīng)用的發(fā)展需要社會(huì)各界的支持，能源一直以來都是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈，推進(jìn)區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展不僅能促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，也能維護(hù)社會(huì)的健康穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

區(qū)塊鏈技術(shù)與能源物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向相互吻合，因其分布式、去中心化以及開放透明的特點(diǎn)，已經(jīng)應(yīng)用在能源物聯(lián)網(wǎng)的諸多領(lǐng)域，并且發(fā)揮著重要作用。本文針對區(qū)塊鏈技術(shù)在能源物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用，從市場交易、運(yùn)行管理、系統(tǒng)安全3個(gè)方面對現(xiàn)階段能源區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行完整的總結(jié)，分析對比各開發(fā)平臺的實(shí)用性以及優(yōu)缺點(diǎn)，為區(qū)塊鏈開發(fā)工作提供了參考，從政策、法律和社會(huì)方面給出了能源區(qū)塊鏈的發(fā)展建議。