區塊鏈技術在電力市場的應用探索

蔡興國 王娟

摘? ?要：隨著物聯網應用與電網智能化的不斷發展，電力系統與技術相結合的應用對電力系統各種問題的解決方案也越來越多元化，隨之產生的應用也不斷的在推陳出新。文章提出將區塊鏈技術應用于電力市場來解決電力市場的弊端，先是簡介區塊鏈技術的基本概念以及運作原理，然后分析了區塊鏈技術應用于當前的電力市場可能性以及當前的可再生能源電力市場，與加入區塊鏈的可再生能源電力市場進行對比分析。

關鍵詞：區塊鏈;電力市場;可再生能源

中圖分類號：T-013/-017? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Application of blockchain technology in power market

Cai Xingguo1， Wang Juan2

（1.CETHIK Group Corporation， ZhejiangHangzhou 310012;

2. Xian University of Posts & Telecommunications， ShaanxiXian 710121）

Abstract： With the continuous development of the application of the Internet of things and the intelligentization of the power grid， the application of the combination of the power system and the technology has become more and more diversified for the solutions to various problems of the power system， and the resulting applications are constantly being developed. This article proposes to apply blockchain technology to the power market to solve the shortcomings of the power market. It first explains the basic concepts and operating principles of blockchain technology， analyzes the possibility of applying blockchain technology to the current power market， and compares the current renewable energy power market with the renewable energy power market that introduces the blockchain technology.

Key words： blockchain; power market; renewable energy

1 引言

隨著區塊鏈技術的不斷發展，更多基于區塊鏈技術的應用場景不斷落地，為行業融合發展提供了有力的支撐，如區塊鏈在金融、科教、保險、物流等行業應用的實現，成為推動金融服務產業發展升級以及互聯網、物聯網等應用高質量發展的關鍵推手，促進了行業的欣欣向榮發展[1]。能源產業作為國民經濟支柱型產業，能源產業的創新升級成為當前關注的熱點。近年，電力行業中能源互聯網發展迅速，但目前仍存在一系列難題。而區塊鏈具有的去中心化、不可篡改和合約化等特點，則是解決這些問題的有力手段，能夠為未來的能源互聯網的發展提供重要的支撐[2]。區塊鏈技術在能源互聯網的應用中已展開了相關的探索研究，李彬等[3]人設計出一種基于區塊鏈的供需互動系統架構。這個架構是以區塊鏈技術為支撐，以信息監控、采集、錄入、統計為中心，以需求相應服務、負荷集成商、用戶群為框架的一體化信息平臺設計思路，通過區塊鏈的不可篡改性確保數據的安全性。歐陽旭等人[4]構架了基于區塊鏈技術大用戶的直購電交易框架，然后從市場準入、交易、結算和物理四個方面來進行說明。

目前，國際社會已經將區塊鏈技術應用于分布式發電電力交易，已在美國、德國、荷蘭、南非、澳大利亞、新西蘭等地開展小規模試點項目。其中，歐盟無疑是全球最活躍的地區，他們更關注核心網絡的開發。歐洲學者MIike Mihaylow就提出可以將區塊鏈技術應用于能源領域的交易。2016年11月，美國紐約州的LO3公司與西門子數字電網（Siemens Digital Grid）以及區域鏈開發商ConsenSys合資成立了TransActive Grid公司，通過運營微網項目實現社區居民之間的電力交易。即使居民家中沒有發電設備，也可以通過居民用戶家中接入智能儀表實現與其他分布式家庭互聯，購買電力。Grid Singularity公司運用區塊鏈技術開發一種利用比特幣，就可以進行捐贈的能源支付捐贈平臺，不需要任何的中介組織，同時也會保障資金安全。

2? 我國電力市場現狀

2.1 我國電力市場問題

電力的發展是推動我國經濟發展的重大元素之一，電力改革是我國經濟體制和能源體制改革的重要組成部分。但是，我國電力市場仍存在著很多問題，根據2017年中國電力企業聯合發布的《中國電力行業發展報告2017》可知，目前我國電力市場需求在不斷增加，如圖1所示，我國2010年到2016年的電力需求逐年遞增，意味著我國電力市場改革迫切[5]。

我國電力需求在穩步增長，但是電力需求的增長率卻在下降，與此同時每年的發電裝機容量仍在快速增長，而且增長持續，快于用電需求增長，這導致了電力產能過剩問題日益嚴重。2016年的輸電線路損失率達到6.47%，輸電線路的損失意味著許多電力未傳送到終端消費者，而是在輸送的過程中損耗，導致潛在收入的損失。我國在發展清潔能源的同時，清潔能源帶來的消納問題也日趨嚴重。我國水能、風能、太陽能發電大基地與用電負荷地區逆向分布的特點，決定了清潔能源資源富集地區的大規模開發，需要在全國范圍配置消納。

2.2 區塊鏈應用于電力的可行性分析

在面對我國電力市場的一系列問題時，最終的問題要落實到解決電力市場的供需平衡問題上，同時實現電力市場的市場化，加快我國清潔能源的發展。將區塊鏈技術應用到電網建設，可以有效地解決電力市場面臨的問題，同時加快我國清潔能源的發展。首先區塊鏈具有去中心化的特點，在交易的過程中不需要第三方，對電網系統來說就意味著不需要電力部門的監督，降低了監督成本，提高監督效率;其次區塊鏈技術有利于解決電力市場供需不平衡的現狀，消費者之間可以通過區塊鏈技術實現電力資源等價交易，這樣不僅可以保證電力資源的平衡，還可以在一定程度上降低消費者的電力資源費用。

3? 區塊鏈技術

3.1 區塊鏈技術的概念

最早的關于區塊鏈的描述性是中本聰在2008年發布的一篇名為《Bitcoin：peer to peer electronic system》的文獻。在這篇文獻中，中本聰首次提出比特幣的概念，而作為比特幣核心技術的區塊鏈也隨之產生，但是這時并沒有明確提出區塊鏈的定義，只是將其作為用于記錄比特幣交易的賬目歷史。雖然區塊鏈技術在2008年就被提出，但是區塊鏈技術是最近幾年才開始引起廣泛關注。區塊鏈本質上是一種基于非對稱加密的分布式賬本技術，并且只有被區塊鏈上的全部節點的共同機制檢驗通過之后的交易才能記錄[7]。該技術是以密碼學技術為支撐，并且參與系統中的任意多個節點都通過哈希密碼算法將信息記錄到鏈狀的順序區塊中，每個節點的地位都是公平的，都可以參與交易認證，并且通過加密算法保證交易的真實可靠以及不可篡改。由于每個節點都可以根據共識機制來進行新區塊的確認和獎勵，沒有第三方仲裁的參與，所以區塊鏈又可以被看成一個去中心化的分布式賬本[8]。區塊鏈的核心優勢就是能夠去中心化，同時能夠運用數據加密、時間戳、分布式共識等手段，在節點無需互相信任的分布式系統中實現交易、協調與協作，從而為解決中心化機構中普遍存在的高成本、低效率和數據儲備不安全等問題提供了解決方案[6]。

這里更要注意比特幣的區塊鏈是為比特幣而服務，比特幣的區塊鏈技術并不完全等同于區塊鏈技術，如圖2所示，區塊鏈的區塊中要包含數據記錄、當前的哈希值、前一區塊根哈希、時間戳和其他的信息[9]。

數據記錄的內容可以根據實際的應用出發決定，比如資產發行記錄、清算記錄等。數據記錄的存儲組織形式一般為樹形狀，而區塊根哈希其實是數據記錄樹的根節點哈希。時間戳為區塊生成時間證明，而其他信息中包括區塊的簽名信息、隨機值等信息，根據不同的實際需求，其他信息的內容也不盡相同。

3.2 區塊鏈技術架構

隨著區塊鏈技術的不斷發展和應用的拓展，區塊鏈的架構也在不斷地進行變化，根據區塊鏈的本質特征以及發展現狀，如圖3所示，區塊鏈技術架構可分為三個層次：網絡層、數據層和應用層[10]。

網絡層主要是通過P2P網絡技術實現網絡節點之間的連接與通信，不同于具有中心服務器的中央網絡，對等網絡的用戶即是服務器，又是一個接入用戶，用戶群體通過交換信息組成一個互聯網體系。

交易層主要有兩個功能，一個是相關數據的存儲，另一個是賬戶和交易的安全和實現。數據儲存于默克爾樹，通過區塊的方式和鏈式結構實現。賬戶和交易基于數字簽名，非對稱加密技術，多重簽字技術等多種密碼學算法和技術，保證交易能在去中心化的情況下安全的進行。

應用層主要是基于區塊鏈技術來構建類型和豐富的應用。目前，最典型的應用是各種數字貨幣，還有將區塊鏈應用于電子票據、金融業、保險和醫療等行業。在教育行業，區塊鏈系統的透明化、數據不可篡改等特征，完全適用于學生征信管理、升學就業、學術、資質證明、產學合作等方面。許濤[11]設想區塊鏈技術在教育教學中的應用，從區塊鏈成績單、基于區塊鏈技術的學習者資源管理和學習賬本等三個方面來構建。王海隆[12]認為區塊鏈技術可以應用于中醫藥領域，在多個方面如醫療、科研、教學、中藥產品防偽等改變現有的中醫藥模式，并能很好地服務于中醫藥。具體的可以表現在電子健康檔案安全建設方面上。在支付領域，各家商業銀行希望利用區塊鏈技術方面上，在解決互信的基礎上，構建扁平化的全球一體化清算體系，突破現有的系統間割裂的現狀，以及額度等監管限制，降低成本[13]。

3.3 區塊鏈技術特點

3.3.1 去中心化、去信任化

在區塊鏈系統中，整個網絡是沒有第三方仲裁，利用一套公開透明的加密數學算法使整個系統中的節點能夠去信任化地自動安全地進行交易。任意節點之間的權力和義務是相等的，任何節點的損壞或失效都不會影響整個系統的運作。

3.3.2 公開透明，集體維護

區塊鏈中處理賬戶的隱私被加密之外，其他的數據是公開并且對所有人開放。任何參與者都可以通過公開的接口進行查看，并且每位參與者都可以參與維護。

3.3.3 不可篡改性

區塊鏈的數據具有開源的特點，每位參與者都可以從接口復制一份完整的數據信息。但只有控制系統中達成共識的節點超過51%，才能進行數據的篡改。

4 基于區塊鏈的電網系統

能源互聯網的發展以及電力改革的推進將會改變消費者的身份，利用區塊鏈技術可以建立一個去中心的電力市場，區塊鏈技術和通信技術的結合，可以促進數百萬的參與者之間進行更安全的交易和支付，同時區塊鏈分布式特征可以讓分布式的能源用戶無縫地將電力賣給附近的消費者，使可再生能源實現局部消納，減少電力傳輸中的損耗，實現“零邊際成本社會”[14]。以可再生能源為例，說明區塊鏈技術對電力市場的影響，如圖4所示。

傳統的可再生能源市場中將可再生能源電表將信息記錄到數據表格中，由監管部門將這些信息錄入另一個數據庫，這些信息與監管部門共享。然后認證機構根據數據庫手動簽發可再生能源“證書”，而交易中間商再利用這些數據將買賣雙方聯系起來，到此才完成一筆交易。整個交易過程中需要花費很長的時間，并且在此過程中還涉及許多人為因素、流程等問題，存在很多的不足。但在加入區塊鏈技術后，就會減少許多的步驟，使得市場更加簡明。

如圖5所示的區塊鏈技術應用于可再生能源市場中，電表將直接與區塊鏈相連，同時區塊鏈作為一個公共賬本將匯集所有的數據信息，取代了之前的數據人工傳遞的過程，區塊鏈的去中心化和不可篡改的特征確保了數據安全性和市場透明度。所有的參與者根據區塊鏈存儲的信息行使自己的職責，實現目前系統大多數過程的自動化，同時這樣省去一些繁瑣的中間環節，讓更多的用戶更容易進入市場。區塊鏈技術實現了本地生產者可以在能源市場上進行交易，將會吸引更多的資源投入分布式電網的建設中。

5? 結束語

在我國的電力改革過程中，智能電網的建設成為我國電力系統建設的一大趨勢，而區塊鏈技術可以為整個智能電網的建設帶來創新。區塊鏈的去中心化、去信任化以及不可篡改的特征，保證了電網在交易、對賬、信息發送、結賬等過程中的安全性和真實性，同時能夠降低監督成本，提高運營效率。當前，區塊鏈技術在融入電網建設的過程中仍面臨很多問題和挑戰，如區塊鏈可擴展性問題、比特幣和以太坊等公共區塊鏈當前每秒只能處理7至30筆交易，如果全球范圍內所有電力消費和生產設備都實現數字化，并且按照分鐘級以下為單位進行追蹤，大家則需要能夠每秒處理數百萬筆交易的運算能力，而這是當今的區塊鏈技術無法實現的。下一步，需要圍繞區塊鏈技術融入電網建設開展更深層次的研究，才能保證智能化電網建設的順利進行。

基金項目：

1.工業和信息化部通信軟科學項目《區塊鏈技術下數字票據業務研究》（項目編號：2018R24）;

2.教育部“天誠匯智”創新促教基金《區塊鏈技術下新能源充電樁智慧平臺建設》（項目編號：2018A05005）。

參考文獻

[1] 王毛路，葉灝文，李莉莉.基于區塊鏈技術應用選型的關鍵問題研究[J].網絡空間安全， 2018， 9（4）： 1-6.

[2] 黃忠義.區塊鏈技術在工業互聯網平臺安全領域探索應用[J]. 網絡空間安全， 2018， 9（10）： 22-25+33.

[3] 李彬，張潔，祁兵，等.區塊鏈：需求側資源參與電網互動的支撐技術[J].電力建設， 2017， 38（3）： 1-8.

[4] 歐陽旭，朱向前，葉倫，姚建剛.區塊鏈技術在大用戶直購電中的應用初探[J].中國電機工程學報， 2017， 37（13）： 3737-3745.

[5] 黃海舫.電力行業工業控制系統安全防護技術應用[J].網絡空間安全， 2018， 9（3）： 14-18.

[6] Nakamoto S. Bitcoin： A peer-to-peer electronic cash system[EB/OL]. https：//bitcoin.org/bitcoin.pdf， 2008.

[7] 尹冠喬.區塊鏈技術發展現狀及其潛在問題文獻綜述[J].時代金融， 2017（6）： 299+301.

[8]? 譚磊，陳剛.區塊鏈2.0[M].北京：電子工業出版社，2016.

[9] 袁勇，王飛躍.區塊鏈技術發展現狀與展望[J].自動化學報， 2016， 42（4）： 481-494.

[10] 祝烈煌，高峰，沈蒙，等.區塊鏈隱私保護研究綜述[J].計算機研究與發展， 2017， 54（10）： 2170-2186.

[11] 許濤.區塊鏈技術在教育教學中的應用與挑戰[J].現代教育技術， 2017， 27（1）： 110-116.

[12] 王海隆.區塊鏈技術在中醫藥領域中的應用展望[J].貴陽中醫學院學報， 2017， 39（3）： 1-4.

[13] 林曉軒.區塊鏈技術在金融業的應用[J].中國金融，2016， （8）： 17-18.

[14] 邰雪，孫宏斌，郭慶來.能源互聯網中基于區塊鏈的電力交易和阻塞管理方法[J].電網技術， 2016， 40（12）： 3630-3638.

作者簡介：

蔡興國（1991-），男，漢族，山東臨沂人，中國科學技術大學，碩士，中電海康集團研究院，工程師;主要研究方向和關注領域：區塊鏈技術、智慧城市、物聯網。

王娟（1981-），女，漢族，陜西西安人，西安交通大學，博士，西安郵電大學，副教授;主要研究方向和關注領域：區塊鏈技術、金融科技。