区块链技术在区域能源微网中的应用

协鑫集团设计研究总院 ■ 王惠 李义强 潘俊

0 引言

区块链技术脱胎于比特币，在2008年中本聪发表的《比特币：一种点对点的电子现金系统》一文中，区块(Block)和链(Chain)作为比特币系统的核心技术被提出[1]。区块链是一种广泛应用于新兴数字加密货币的去中心化基础架构，并随着比特币的逐渐被接受而受到关注和研究，基于区块链技术所构建的共享经济生态环境能够促进分散化系统的发展和趋优[2]。区块链技术的突出优势在于去中心化设计，通过运用加密算法、时间戳、树形结构、共识机制和奖励机制，在节点无需第三方信任的分布式网络中实现基于去中心化信用的点到点交易[3]。该技术是由区块有序链接起来形成的一种数据结构，其中，区块是指数据的集合，相关信息和记录都包括在里面，是形成区块链的基本单元，为了保证区块链的可追溯性，每个区块都会带有时间戳，作为独特的标记[4]。

里夫金在《第三次工业革命》一书中指出：第三次工业革命以众多的能源采集点收集起来的可再生能源为基础，通过智能网络整合、分配，最大限度地实现能源的高效利用并维持经济可持续发展[5]。该书中提出，可再生能源和互联网技术结合起来的革命将改变整个世界，此观点也得到相关领域专家和多国领导人的肯定。当前，随着我国遴选了众多“多能互补”和“能源微网”等示范项目，并颁布了相关扶持政策来大力发展“能源互联网”，越来越多的能源企业和互联网企业开始加入到能源互联网的大军中。

区块链技术可解决目前中心化交易模式中可靠性差、安全性低、成本高、效率低等问题，并具有可追溯性[3]。将区块链技术应用于能源系统中，尤其是应用于区域能源微网中，对于能源互联网的发展和应用具有重要意义。

1 研究发展现状

区块链技术的发展可分为3个阶段：区块链1.0，属于数字货币，主要是解决货币和支付手段的去中心化问题；区块链2.0，通过智能合约的方式实现其他类别资产的转换，突破了仅在货币领域的区块链应用，实现了市场交易的去中心化；区块链3.0，在前2个阶段的基础上发展了分布式人工智能和组织，充分发挥了网络的自组织、分布式互信特征，可解决自动需求响应市场中的一切信用行为，现有的征信模式将被彻底重构[6]。目前区块链技术发展正处于第2个阶段，在金融领域的应用研究较多，相关企业也在不断增多，而在能源领域的应用才刚刚受到关注。

国际上关于区块链的研究与应用表现出联盟化、金融级、全盘布局的特点，主要参与对象既有大型商业银行、银行卡组织，也有科技公司、咨询公司，意在对金融基础设施进行优化和重构。国际上主要的区块链联盟是由R3CEV公司发起的R3区块链联盟，该联盟由全球主要银行财团共同参与，目前其成员机构数量超过70家；除了有一批国内金融机构相继加入外，也出现了个别金融巨头的退出(部分行业巨头的相继退出，可能与未在R3融资中获得更大权益有关，也可能与联盟沟通成本提高、影响商业化效率有关 )。

金融机构通过与区块链科技公司合作，协助业务设计和开发。瑞士银行、德意志银行、桑坦德银行、纽约梅隆银行和ICAP宣布与区块链企业Clearmatics共同发行基于区块链技术的新型“结算专用币”(Utility Settlement Coin)，用于金融市场交易结算及清算过程，希望有效减少支付清算成本、加快清算速度、保证资金安全；三菱东京日联银行与IBM进行区块链合同管理试验，利用区块链技术开展与合作伙伴签署合同时的设计、运营和执行；富国银行与澳新银行合作开发区块链平台，以创建和共享大量关系银行账户，提高跨境关系银行的支付和结算速度。

传统科技公司和咨询公司也展开了对区块链技术的研究与应用，为了增强合作的基础和吸引力，部分企业选择将区块链源代码开源。IBM以区块链技术为基础，通过Linux基金会发起了开源项目Hyperledger，意在提供金融级别的区块链解决方案，推进区块链行业标准形成；2016年12月，R3向全球(不仅限联盟成员)公开发布分布式账本平台Corda源代码，并在Corda.net网站为开发者和爱好者提供补充材料。

2016年，国内对区块链的研究热度也出现了爆发式增长。中国人民银行、商业银行等金融机构均展开了相关研究，但仍主要处于概念性验证和原型实验阶段，市场主体纷纷采取不同策略、基于不同业务场景，推动该技术的应用和普及。国内也成立多个区块链联盟，如中关村区块链产业联盟、ChinaLedger联盟、金融区块链合作联盟、陆家嘴区块链金融发展联盟等。

国内商业银行及其他金融机构开始通过与区块链科技公司合作，协同探索基于区块链的创新型业务场景。中国邮政储蓄银行与IBM合作推出基于区块链技术的资产托管系统；浙商银行与趣链科技合作推出基于区块链技术的移动数字汇票应用；招商银行实现将区块链技术应用于全球现金管理领域的跨境直连清算、全球账户统一视图及跨境资金归集3大场景。

国内的一些创业科技公司和开发者也相继发布区块链应用。蚂蚁金服推出区块链公益项目，主要应用于支付宝的爱心捐赠平台，以解决善款去向透明度的问题；万达网络与百望股份合作推进“区块链+电子发票”财税一体化解决方案、“区块链+供应链”解决方案的POC验证。此外，万向区块链实验室、小蚁、布比科技等均实施了较有影响力的区块链创业项目[7]。

虽然区块链技术在能源领域的相关研究主要集中在近一年内，但国内的专家学者对区块链技术在我国能源领域的应用分析已经取得了一定的研究成果[8]：

1)学术研究领域：在对区块链和能源互联网典型特征进行匹配分析的基础上，对区块链技术在能源互联网领域的应用模式进行了初探，提出了区块链在需求侧管理、电能计量和市场交易、电力市场辅助服务等领域的应用场景。

2)研究团队建设方面：部分企业和科研院所已经建立了针对区块链在能源领域应用分析的实验室，如，北京能链众合科技有限责任公司建立的能源区块链实验室、大同市政府投资建立的北京大同区块链技术研究院、浙江省电力公司电力科学研究院创立的能源区块链研究团队等。

本文主要对区块链技术在区域能源微网中的应用及交易模式进行了总结，并总结了区块链技术及其推广所面临的问题。

2 区块链技术在区域能源微网中的应用

区块链是采用链式结构的数据存储方式，具有防篡改的特性。区块头中记录上一区块的信息，并且当前时段之前的所有交易信息都会以链式区块的形式在系统中进行记录，这样的链式结构可使用户对交易信息进行查询和追踪。如果区块链中某一用户(包括系统管理员)想要篡改某一区块的信息，就需要对当前区块之后的所有区块中记录的数据进行篡改，区块链中所有的用户便会知晓。区块链的这种防篡改特性使得区块链中存储了大量的分布式数据，如果区块链中的用户过多，便会面临存储空间的问题。因此，在能源微网中采用区块链技术，可充分发挥区块链技术的优势，并可避免存储空间的问题。图1为中心化和区块链去中心化网络图[9]。

图1 中心化和去中心化示意图

微网中所有用户的区块链管理平台构成了区块链网络，在该网络中没有数据中心，每一个用户的区块链管理平台都是一个独立的管理中心，每一个用户都有一个独一无二的公钥地址和私钥地址。公钥地址为对外交易的窗口，包含用户所有参与交易的数据信息，每个用户将自己的交易需求发送到想要交易对象的公钥地址，双方同意交易后，通过各自的私钥签名并加盖时间戳方可完成交易，交易信息存储在区块链中，每一个用户均可看到并追溯。图2为基于区块链技术的微网架构。

图2 基于区块链技术的微网架构

2.1 区块链技术在能源交易中的应用

未来，区块链中每一个用户都既是能源消费者，亦是能源生产者，微网中不同用户之间可实现能源的自由交易。

以发电为例，目前能源的交易方式为：用户购买供电局认可的电表，将所发电力卖给电网，其他用户再从电网购买。现有交易方式以电网为中心，且发电量靠人工(或远程)读取，这些中间环节的准确性难以保证。随着我国电力市场改革的不断推进、售电侧的逐渐放开，以及未来能源网中新能源、电动汽车、分布式储能等以虚拟电厂的形式接入电网，能源交易将变得越来越开放，越来越复杂，如何设计安全、高效、透明、信息对称的交易模式和交易方法变得尤为重要。

采用区块链技术进行能源交易的方式，用户区块链设备采集能源生产数据，并进行非对称的加密存储，记录在区块链中，每一个用户均可通过自己的区块链管理平台看到微网中所有用户的数据，并选择交易对象，双方同意后便可采用上述方式进行能源(冷、热、电、沼气等)和资金交易。在能源交易中采用区块链技术既可保证数据的准确性，又实现了点对点交易，省去了中间环节。

纽约布鲁克林Gowanus 和 Park Slope 街区为少数住户建立了一个基于区块链系统的可交互电网平台“Trans Active Grid”。平台上每一个用户均可不依赖第三方而自由的进行绿色能源直接交易[3,10]。

美国Filament公司在澳大利亚内陆的电网节点上实验性地布置了一套被称作“taps”的检测装置，并基于区块链系统为这些检测装置建立了相应的通信机制。“taps”检测装置可以检测电网节点的运行状态，并可以将信息传送给200英尺外的下一个检测装置；所有的用户都可以通过电话、平板电脑和个人电脑连接这些装置，并在区块链系统上发布和共享数据信息；最终，政府、媒体、电网维护公司，以及消费者都将获得这些信息[3,11]。

欧盟Scanergy项目旨在基于区块链系统实现小用户绿色能源的直接交易，设想在交易系统中每15 min 检测一次网络的生产与消费状态[3,12]，但该项目目前尚未投入实际运行。

通过以上案例可知，目前区块链技术在能源交易中的应用尚处于探索阶段。

2.2 区块链技术在绿证和碳排放交易中的应用

目前，政府部门结合我国的总体碳减排目标，根据各行业的碳排放情况，为每个主体分配一定的碳配额，排放主体碳排放超过配额要进行罚款，多余的碳配额可进行交易，以获取利润[5]。目前的碳排放交易需要有专门的第三方机构进行排放量认证，并在指定的碳排放交易中心进行交易。现有模式存在第三方认证的可信任度和交易流程繁琐的问题。

绿证交易亦是如此，目前我国对可再生能源发电企业颁发绿色电力证书，首先需要这些企业到运行管理机构登记注册，经运行管理机构审核无误后，方可颁发绿色电力证书，认证流程繁琐。未来，若绿证普及到户用分布式发电、家用沼气等普通家庭中，上述认证及交易中出现的问题将更加凸显。

在微网中可采用区块链技术进行碳排放和绿色证书的认证、交易。用户区块链管理平台采集碳排放和绿色发电数据，进行加密并存储于区块链网络中，所有用户都可看到彼此的碳配额、碳排放量、绿色电力信息，可自由选择合适的交易对象进行交易。针对碳排放交易和绿证交易中存在的第三方认证可信度和交易流程繁琐的问题，区块链防篡改和点对点交易的特点可以很好地解决这些问题。

专利“区块链分布式光伏计量与碳交易系统及方法”(申请公布号CN 106897923A)通过单独采集光伏组件的发电量，并将其处理成分布式账单，再将分布式账单送至运营管理工作站节点，与运营管理工作站节点共处于同一区块链模块中的投资人工作节点和碳交易工作站节点之间可共享各节点的信息，可通过碳交易工作节点对分布式账单进行碳交易，并将交易收益通过投资人工作站节点投放至投资人[13]。

2.3 区块链技术在需求侧的应用

需求侧管理和需求侧响应的概念有一定的相关和重叠，需求侧响应需要供、需两侧共同参与，重在用户基于市场价格和激励机制去做出响应，在短期内调整用电模式，削峰填谷，其主要目的是保护电网；需求侧管理重在采用更为广泛的一些措施，如利用各种节能技术等，引导用户长期改变能源需求方式，目的不仅是保护电网，还可以节约资源，提高社会效益和环境效益[14]。本文主要讨论采用区块链技术引导用户的用能模式，削峰填谷，减少微网的波动和运行成本。

需求侧响应控制主要有基于价格和基于激励2种。基于价格是指根据电力(冷、热、气同样适用)需求的峰谷情况，实行实时电价，需求高峰时电价亦为高峰，以此来削减高峰用能负荷。基于激励是指微网直接对用户的可控负荷(空调、热水器等)进行控制，根据微网的运行情况和用户的需求情况，通过一系列逻辑算法，对其中某些用户的可控设备进行强制控制(提前开启、延迟开启、强制关闭等)，并给予这些用户一些资金激励或价格优惠等，以达到削峰填谷、维持电网稳定运行的目的。

以上的需求侧管理策略均可以通过区块链技术实现。根据微网中能源的供需情况，区块链实时计算并显示卖电和购电价格，用电高峰时，卖电和购电价格均较高，以鼓励用户在高峰时多发电，少用电；对一些用电需求不是很急切的用户设备，区块链自动给出提前开启或延迟开启的控制建议，用户可有选择的接受并执行，如此一来，用户用电增加的成本将转换为接受控制的用户卖电的收益。采用区块链技术进行需求响应控制，可在不增加额外成本的前提下，将基于价格和基于激励的需求响应控制结合在一起。

3 结论

微网中每个用户的区块链管理平台可实现用户的资金交易，可将用户的能源生产、消费、碳排放等信息进行采集、加密存储，并作为记录显示于区块链中，既是对外的交易平台又是用户自己资产(资金和能源)的管理平台。

在微网中采用区块链技术具有以下优点：

1)可实现去中心化的点对点交易，减少能源浪费，省去繁琐的中间环节，提高交易效率；

2)可实现各种交易信息的透明化，并具有时间戳记录，可追溯，任何人不得篡改，省去了第三方的认证环节，提高了数据的可信度；

3)在多种能源形式交叉的微网中，区块链可使交易快速、准确，并可根据微网中能源的供需情况，自动实现对用户的需求响应控制。

区块链技术目前仍处于应用探索阶段，面临的问题还很多，主要有：

1)目前区块链技术仍不够成熟，存储空间和存储效率的问题需要解决；

2)在能源领域还没有成功的应用，只是处于探索阶段；

3)商业模式、政府监管、法律法规、政策等还需通过不断摸索来逐步完善。

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