能源互聯網下的區塊鏈應用分析

廊坊英博電氣有限公司 婁麗麗 索紅亮 王顯磊 楊鵬

本文將區塊鏈技術與能源互聯網行業各自的特點進行了比較分析，根據兩者的內在一致性，探討了區塊鏈技術能源應用場景，制定了詳細準確的交易規則、市場定價規則，同時對建立在區塊鏈上的能源交易進行可行性分析。

1 區塊鏈關鍵技術理論

區塊鏈技術建立在多種技術綜合的基礎上，其主要包括分布式共識算法、非對稱加密算法[1]等，下文將對主要技術進行系統介紹。

通常情況下，公鑰和私鑰同時出現，同時存在：若是信息前期加密處理采用公鑰，后期解密就必須利用對應的私鑰完成；若是信息前期加密處理經過私鑰，后期解密就必須利用對應的公鑰完成。

Merkle 樹[2]又名Hash 二叉樹，主要用于存儲Hash值。需要存儲的數據被散列后，其Hash 值存儲在Merkle樹的葉節點，當Hash 值在子節點進行串聯后，原則上將會存儲在Merkle 樹的非葉節點中。

2 區塊鏈技術結構

（1）數據層：當我們需要對數據進行分析整合的時候，采用了先進的加密技術，使Merkle 樹結構的功能得以充分體現，從而對底層數據塊予以完整的保存；（2）網絡層：充分發揮網絡、數據傳播以及數據驗證等3 個機制的作用，從而實現區塊鏈系統各節點數據更新的協同性；（3）共識層：充分調動每個節點的活躍性，使他們高效的參與到交易中，進而建立一種富有共識度的算法模型；（4）激勵層：為了提高這其中的數字加密貨幣的效率，我們巧妙地從經濟層面著手進行分析，具體而言就是通過經濟領域的分配方式來激勵它；（5）合約層：對于區塊鏈技術特有的可編程特點進行分析，然后具體投入應用；（6）運用層：在整體的區塊鏈系統中生成的模型有效的映射到每個對應的子系統中。

區塊鏈數據的生成過程為各數據區塊依據標準的流程予以有效鏈接，區塊頭與區塊體構成一個數據區塊[3]，時間戳可以反映出每一區塊的具體生成時間，使每一個數據的準確性大幅上升，保證數據檢索與驗證時間的充足性。

3 能源互聯網下的區塊鏈應用分析

區塊鏈在分布式的交易模式中，具有極大的應用前景，不像在傳統模式下的交易過程中需要引入第三方的機構來進行信息銜接，而是結合自身的結構特點，對全過程產生的數據進行記錄、論證。由于互聯網在產生之初就有的信任缺陷，區塊鏈技術剛好解決了這一危機，它巧妙地將密碼學和數學進行結合，制定出一套適合自身發展的計算方式。

從本質來看，區塊鏈技術和能源互聯網都以智能設備物聯網為基礎，都追求去中心化、自治性、市場化、智能化等特點[4]，從而建立相關的技術或網絡。依據具體特性可知，二者具有相互對應的特征，具體特點分析如表1 所示。

表1 特征對比及應用Tab.1 Feature comparison and application

具體描述如：（1）二者對去中心化這一理念都有著相同的體現。因為在區塊鏈中，完全不存在中心數據庫這一概念，它是由一個一個的節點構成的整個信息系統的，每個節點都有自己的任務；而新型的能源互聯網所采用的分布式能源結構以及微電網模式[5]，將消費者理念同生產者理念進行聯合式反應，從而保證彼此之間的公平公正性。（2）他們自身的結構以及運行方式無不體現著自治性與高度的協同性。區塊鏈系統不需要額外的機構管理其運行和維護；而在能源互聯網中，由于實際的應用場景，必然需要具備高度的自我調節能力以及適應能力。（3）這兩種模式都需要建立適用于不同市場的高效實用的平臺。我們利用區塊鏈的技術特點，旨在建立一個公平開放的市場機制體制，同時其他的金融產品也可以在這一平臺上進行交易；而想要使能源互聯網穩步地向前推進，我們需要一個更加開放的能源市場，因而需要與之對應的金融交易平臺。（4）由于二者都是建立在現代信息科技的基礎上，因此他們都有著相當程度的智能化特點，這也使其在具體的應用中更加的便捷[6]。其中區塊鏈通過智能合約等專有工具，用以提高合同的實際執行效率；能源互聯網中存在從發電環節到用電環節的多種設備，如分布式能源、儲能裝置，必須依賴于智能合約才能保障能源系統的交易實現自動化。

基于區塊鏈自身適應性強的特點，無論是多邊的分布式能源交易還是智能化的能源交易市場都將激發區塊鏈的技術潛力。針對能源互聯網應用系統中各個模塊存在的問題，區塊鏈技術能夠依靠自身的鏈式特征和獨特的區塊結構融合到能源互聯網中的各個層面，促使能源互聯網更高效準確地投入使用。一方面，基于區塊鏈自身特點能夠使P2P 網絡擺脫中心化的束縛，符合能源互聯網各主體平等分散決策的理念；另一方面，利用區塊鏈無需第三方的共識機制，能源互聯網能夠實現多元化、開放化的交易市場，促進各主體參與進能源交易中，為能源行業提供一個市場化平臺，有效提高能源體系的開放性[7]。

4 區塊鏈技術能源應用場景探討

4.1 可再生能源消納

隨著可再生能源爆發式增長，可再生能源發電消納問題凸顯，為了解決這一問題，各地政府也相繼頒發保障機制，要求落實消納責任權重實施工作?？稍偕茉聪{憑證由企業和用戶自愿認購，但存在動力不足，不能二次交易，交易、核發流程繁瑣，價格過高，流動性不足以及綠卡開發系統無法自行認證等問題。在保證電網安全的前提下，留出足夠的空間給可再生能源進行充分的消納。

結合區塊鏈技術提高可再生清潔能源的電網可以消納的空間，進而促使憑證在頒發的過程中完全的公開透明，得到了有效的監管和控制，主要體現在以下幾個方面：

（1）通過區塊鏈的去中心化技術改變目前偏保守的新能源中心化調度機制，增加新能源消納空間；（2）通過區塊鏈技術聚合數量龐大、資源時空分布差異巨大的各類新能源發電單元，通過基于區塊鏈的開放性自組織網絡，實現對于新能源匯集點功率的動態平衡控制；（3）由于新能源抗擾動能力差，容易發生連鎖脫網事故，目前為了電網事故預留的備用容量也擠占了部分新能源消納空間，如果通過區塊鏈技術聚合各種可控電源和負荷，并且基于智能合約實現基于實時狀況的自動控制，則有望有效減少不必要的調度備用安全裕度，進一步擴大可再生清潔能源的消納空間提高各種資源的利用率。

4.2 需求側響應

現實的用電往往存在高峰階段與低谷階段，這時候就需要一個機制來對這兩種階段的數據進行相應的分析，進而確定需要補貼的實際數額，而需求側響應通過采取各種不同的獎勵機制，激勵用戶錯高峰用電，進而使當地的電力應用達到一個平衡的狀態。但是在執行的過程中仍舊存在兩個難以協調的問題，一方面，廣大的用戶不能在電表中顯示，客戶就無法對這一情況進行合理的響應；另一方面，由于需求響應數據往往都是由各大電網公司提供的，很難對其實施有效的監管，而且電網公司做出的聲明也很難在實際中完全信任。

將區塊鏈和分布式交易模式進行整合之后，能夠對數據進行充分的響應，實現數據信息的實時共享，同時也支持數據進行相應的校驗，并且可以根據區塊鏈上的共享數據自主確定發電策略和需求側互動方案，消除用戶對響應數據的質疑。

4.3 綜合能源服務

當前世界各方正在對能源結構進行協調整合，在電力領域的變革也是十分巨大的，綜合能源在這場變革中扮演著十分重要的角色。能源的覆蓋面更加的廣泛、客戶的種類更加的豐富、他們所需要的交易模式更具多樣性，我們也需要建立更加完善的安全保障機制，使整個交易能夠實現更高的實時性，并且能夠對整個交易體系進行全方位的管控。

區塊鏈在與智能合約、分布式模式下的決策、交易流程的全方位監管等方面有著顯著的優勢，它能夠使綜合性的優勢充分凸顯，信息的及時性和可靠性得到大大的保障，當建構起一個由能源、電網、買賣雙方用戶等不同參與者參與運行的通信網絡時，綜合能源的優勢就格外的明顯。另外，區塊鏈由于開放性特征，能夠更為自由和靈活地聚合管理大量中小型電源資源和負荷資源，為電力系統提供更高的安全裕度，可以接納更多可再生能源，同時，區塊鏈創造的動態實時的容量和電量市場，可以為化石能源參與新能源提供更好的經濟補償機制，調動化石能源企業的積極性。

4.4 數據可信共享

原本涉及數據的共享，就存在著技術上的壁壘，加上電力行業的壟斷，使得這一難題變得更加錯綜復雜，由于缺少相關的安全監控機制，致使數據不能得到充分的利用，數據之間的聯系也就不會那么的緊密，造成生產效率長期保持一個較低的水平。

以區塊鏈為基礎架構，將整個電網的實際運行、產生的電量費用以及不同用戶的信息數據統計進行整合，在實現保護隱私的同時，又能促進數據可信度的共享。我們將數據的目錄進行整理歸納，對數據的整個訪問過程進行監控，通過一系列程序即可對數據進行加密存儲，在區塊鏈的基礎架構上，對數據進行權力歸屬的確定、來源的追溯、可信度的計算，使數據能夠在交易各方之間進行充分共享。

4.5 電力交易

隨著對電力市場的深度改革，給予了市場主體更大的自主權，使他們能夠以更加適合自己的需求進行能源交易。在當前的交易模式中，交易過程中往往就需要面臨高昂的成本、效率低下的問題，且存在不公平的現象。如果我們將市場主體、交易合約與區塊鏈進行有效結合，一方面可以大大的提高市場主體的可信賴程度；另一方面也能提高用戶之間的交易隱私，使合約更具權威性。

將區塊鏈技術具體應用到電力的實際交易中，一方面能夠營造一個更有安全保障的協商環境，使簽署缺陷得以改善，提高效率、降低成本；另一方面，也能夠建立一個有監管的技術機制。最常見的應用是，目前新興的電動車充電的支付方式，通過區塊鏈技術很好地解決了充電支付的混亂現象，實現了去中心化的目標，建立起了充電網絡的區塊鏈應用，將賣方、買方以及運營商與區塊鏈技術進行創新性的結合，使計費真正實現公平公正。

5 基于區塊鏈的能源交易可行性分析

5.1 交易定價規則

5.1.1 交易設計

交易設計示意圖如圖1、圖2、圖3 所示。

圖1 電能存入設計示意圖Fig.1 Electric energy storage design schematic diagram

圖2 撮合交易示意圖Fig.2 Schematic diagram of matching transaction

圖3 確認交易示意圖Fig.3 Confirm transaction diagram

5.1.2 定價規則

基于區塊鏈技術的電力實際交易情況如圖4 所示中的虛線，該交易模型中傳統能源發電量穩定在250MW，分布式光伏和風力發電作為能源網絡中的增量補充，由于光照條件和風速的影響，分布式光伏與風力發電具有一定的波動性。

圖4 電量交易示意圖Fig.4 Schematic diagram of power trading

在0:00 ～6:00 這6 個小時中，受時間段的影響，光伏、風力等各種能源無法充分發力，用戶對電力需求較少，因此很少按照合約規定的電力交易價格發生電力交易。自7:00 起，用戶的用電需求趨勢開始上升，而此時光伏、風力發電量增長趨勢緩慢，因此光伏、風力發電可按照合約規定的較高的價格出售給電力用戶。自8:00 起，光伏、風力發電呈現較快增長趨勢，可保證供電的及時性與充足性。這時，以區塊鏈技術為基礎的交易平臺可以實時顯示出用電供需信息，為了吸引用戶增大用電量，采取了降低光伏、風力發電電價的措施，從而避免能源浪費情況的出現。當光伏、風力發電處于一個平穩的狀態時，交易的價格亦趨于平穩，只是隨著光伏、風力發電量的多少，價格也有甚微的偏差。在13:00 ～17:00 兩個時間段中，新能源發電會出現發電量即時增加的現象，與8:00 時間段類似，新能源采取壓低價格的方法，促成電力交易。由于區塊鏈的電力交易往往發生在很短的時間之內，這就有利于新能源發電以及相關的電力交易也大大縮短了交易時間。

5.2 交易過程描述

微電網運行數據來源于某社區的分布式光伏發電站，其數據是高度保密的，無法得知具體情況，在此做出簡單闡釋。筆者在撰寫本文時選擇了光伏發電的微電網，而且在不同的交易模式中，選擇了分布式的交易模式，在這些用戶中，他們都安裝了光伏系統以及雙向電表，我們安裝雙向電表主要是為了及時的記錄數據，并且它所記錄的與實際的誤差也很小，幾乎沒有明顯的差異，只是在安裝的規模上存在差異。這里研究涉及的內容僅有光伏發電系統處于功率輸出的狀態時，光伏用戶之間才進行電量的買賣。同時假設每一用戶采用的均是大電網售電與收購余電電價中的最佳用電方案。負荷數據如圖5 所示，光伏發電數據如圖6 所示。

圖5 負荷數據Fig.5 Load data

圖6 光伏發電數據Fig.6 Photovoltaic power generation data

依據用戶當天光伏功率圖的走勢與數據可知，早7晚6 這一段時間內，用戶的分布式光伏才有功率輸出，因此僅針對這一段時間中的微電網用戶的買賣電量予以探討分析，如圖7 所示。

圖7 凈光伏發電數據Fig.7 Net photovoltaic power generation data

由圖7 的圖線走勢可知，在某一時段中，當分布式的光伏發電的實際輸出功率大于零的情況下，就都被定義為售電用戶（輸出功率大于零指的是輸出凈功率，即減去自身消耗）；分布式光伏輸出功率小于零的均是購電用戶。用戶2 的分布式光伏輸出功率基本保持在大于零的水平上，所以其為代表性售電用戶。其他用戶隨著時間的變化，其角色也處于不斷轉化的狀態中，保持在一個均衡的水平。微電網內的用戶分布式光伏輸出功率與負荷特性具有顯著的差異性，所以選擇在這種類型的微電網內，我們往往以區塊鏈為基礎，使微電網內部的不同用戶進行交易或者合作。

不同時間段的用戶對電的需求量是不同的，以此為依據，我們可以將整個用戶市場簡單的進行分類，即買方用戶和賣方用戶這兩種類型，在每一個不同的交易時間段，買方用戶和賣方用戶并不是固定不變的，一直是處于動態變化的，如表2 所示。

表2 凈光伏功率Tab.2 Net photovoltaic power

對表2 的數據進行分析之后，不難發現，光伏系統的兩種狀態，當處于輸出狀態時，在上午的7 點、下午的5 點、6 點這三個時間段，銷售電量竟然為0，而且大部分是來自微電網的購買；在上午的8 點、9 點，下午的1 點、2 點、3 點、4 點這幾個時間段中，售電功率遠大于零，但是購買的電量卻往往更少，這也就是出現的供不應求狀態，致使買方購買的電量需要賣方用戶以及大電網進行結合，才能滿足需要；在10 點、11 點、12 點這幾個時段的交易狀態為售電功率遠大于購電，微電網購電用戶群可以按照內部電的最低價格直接從賣方購進需要的電能，而且賣方大多數將剩余的光伏功率售賣給其他需要購買電的用戶，因為在微電網內部，即使有剩余的電量，也不能夠內部之間移轉消納，因此不能將其售賣至大電網。

例如，在15:00 時段中，當微電網內部電價明確之后，基于區塊鏈技術的平臺匹配流程已完成，用戶1 作為購電方，用戶2 作為售電方，雙方順利達成交易，并予以智能合約的即時簽訂，如表3 所示。交易周期為15:00-16:00，結算期限到16:00。為了使計算過程變得更簡單，我們往往會采用智能合約的信息表：假設使用電的用戶客戶端地址為0×01，而在銷售電的用戶客戶端的地址是0×02，進行分析之后就會得出一個信息表。

兩方用戶順利達成交易之后，智能合約將以上的重要信息予以即時記錄，兩方交易用戶運用私鑰與公鑰，由于雙重加密，使我們簽署的智能合約的保密性、安全性更強。因此，當我們在安裝智能合約的時候，買賣雙方往往都會將智能合約與區塊鏈進行結合，區塊鏈系統借助P2P 網絡平臺實現智能合約在其他節點數據庫中的同步轉移。當其他節點信息同步至智能合約數據后，交易數據將被予以打包處理，從而建立一個數據區塊，并且采取Merkle 樹形式將數據存儲至相應的數據區塊，數據區塊即當前區塊鏈中的全新區塊，數據區塊鏈與區塊鏈末端予以有效鏈接時，數據便無法更改。以Merkle 樹形式為記錄方式的智能合約，葉節點中的智能合約有大量和表3 中用戶1 與用戶2 交易過程中產生的必要數據。

表3 用戶交易智能合約信息表Tab.3 User transaction smart contract information form

在區塊鏈系統中，有一個十分重要的環節，那就是平臺服務商，這是由智能合約的性質決定的，其均被平臺服務商的公鑰與用戶的私鑰作以加密處理，平臺服務商通常將用戶的私鑰與自身的公鑰進行結合，再應用到這一智能合約上，就能夠將其解密，當然也就能夠獲取在智能合約中所實際的各項交易信息，進而對電力工作進行實時的協調。交易完成后，也就是在16:00 這一時間點，智能合約通過雙向電表，獲取數據信息并予以實時完整記錄，從而順利達成交易。在這里我們往往借助預測誤差補償的模型，當完成每一項具體的交易任務的時候，智能合約再根據它所計算出的交易信息結果進行分析處理，這樣就能夠使資金轉移更加的智能高效。設此次交易時段未出現違約事項，則可得到如表4 所示的交易賬戶余額信息。

表4 賬戶余額變化情況Tab.4 Change in account balance

智能合約有一獨特的屬性，它能夠將在區塊鏈中出現的各種程序代碼進行規范的存儲，當然這是在對Merkle 樹結構進行分析應用實現組織的有效存儲，到期限后將會實現觸發執行的自動化，資金以合同內容予以自動轉移，從而保證交易的正常行進，區塊鏈系統保證了交易的高效性、高誠信，因此運用先進的區塊鏈技術可以實現點之間電力交易的高度自動化。

5.3 可行性分析

當我們對分布式的交易模式進行效益性檢驗時，得出的結果也實現了我們的預期，這一檢驗建立在區塊鏈的技術之上，對微電網的交易進行成本分析、效率對比等，結果達到了預期。對用戶而言購買成本大幅降低，而用電效率卻并沒有下降，反而有些許幅度的上升，這也實現了我們預期的目標，降低微電網與大型電網之間的力量角逐。

在知悉這一利益之后，諸多企業紛紛投入到能源互聯網中，使區塊鏈技術廣泛應用，比如：可交互電網平臺TransActive Grid 地址位于紐約布魯克林Gowanus 和Park Slope 街區，由區塊鏈開發公司Consensus Systems和美國的一家能源公司L03 Energy 合作建立，目的是為少數住戶提供服務，使平臺上的各個新能源的發電用戶與用電用戶能夠不通過第三方限制，隨時隨地進行新能源的交換。

以區塊鏈系統作為基礎，在澳大利亞內陸，美國的一家公司Filament 于各個電網節點設置了一系列叫做“taps”的檢測裝置當作實驗，該檢測裝置能夠實時監控各個電網節點的工作情況，并且傳遞情況信息于遠在200英尺的另一個檢測裝置，公司為此創建了對應的通訊機制。一切用戶都能夠在區塊鏈系統里傳遞互享信息與數據，利用電腦、IPad、手機等連接相關設備。信息會被分別傳遞到用戶、電網維護公司、媒體、政府手上。

為了在區塊鏈系統中達到向個體消費者新能源的直接交易的目的，歐盟Scanery 項目打算給予能源供應者一些獎勵，獎勵品和區塊鏈中的NRG 幣相類似，而且它也會嘗試定時的監控消費狀況，每間隔15min 就對交易系統進行一次分析，進而得出當前的消費狀況。當前，德國的電能提供廠商RWE 正著手探究以區塊鏈作為基礎的電動汽車充電站的收費形式。

從前述的每個實例中進行分析，很明顯現在已經有很多公司開始將區塊鏈加入到能源互聯網，進一步的提升能源互聯網的使用價值，但仍需作進一步的探索和實踐。

6 總結

本文首先詳細闡述了區塊鏈關鍵技術理論，主要包括非對稱加密算法理論與實現流程、Merkle 樹的結構與創建步驟、智能合約執行模型。然后從區塊鏈系統各層的功能、層與層以及與整體的構成關系的角度，對區塊鏈技術的結構以及原理進行了詳細的論述，緊接著將區塊鏈技術與能源互聯網行業各自的特點進行了比較分析，整理出了兩者的內在一致性，在進行相應的調整以及協調之后，便于在能源互聯網領域進行廣泛的應用。之后探討了區塊鏈技術能源應用場景，主要包括可再生能源消納、需求側響應、綜合能源服務、數據可信共享和電力交易5 個場景。最后一步是我們要制定更加詳細準確的交易規則、市場定價規則，同時對建立在區塊鏈上的能源交易進行可行性分析。