能源电力区块链技术标准体系研究

赵丙镇，李达,2，王栋,2，郭庆雷，俞果

(1. 国网数字科技控股有限公司（国网雄安金融科技集团有限公司），北京 100053；2. 国网区块链科技（北京）有限公司，北京 100053；3. 国家电网有限公司区块链技术实验室，北京 100053)

0 引言

习近平总书记在中共中央政治局2019 年10 月24 日集体学习区块链技术发展现状和趋势研讨会中强调，要持续加强区块链标准的技术储备和国际推广政策研究，提升中国在区块链标准制定领域的国际话语权和规则制定权，为中国的区块链标准化研究明确了方向和重点[1]。

区块链是一种基于互联网基础和密码学的分布式数据同步系统，把加密数据以区块的形式进行集成、打包，按照实际产生时间的先后顺序进行连接，多方共同构建，协同维护的加密共享分布式数据网络体系，互认互信的协同机制有效保障体系安全，真正实现架构安全、数据安全、不可篡改的分布式记账约束[2]。经过多年发展，区块链深度融合密码学、点对点（peer to peer，P2P）对等网络、分布式存储、智能合约、共识机制等技术，形成较为完备的区块链技术栈和架构体系[3]。目前区块链的应用范围涵盖了金融服务、电子商务、数字版权、电子政务、公共服务等多个行业。《2018 中国区块链产业白皮书》对中国各行业领域有关区块链技术落地应用的具体实践情况进行了综合全面的阐述和总结，重点指出了区块链在未来能源电力生产、能源电力交易、能源电力资产投融资和节能减排等方面的发展潜力和广阔应用[4-5]。

区块链技术在能源电力行业的推广应用具有巨大的前景[4-9]。目前在电力交易、分布式能源、共享储能、需求侧响应、碳交易、虚拟电厂、微电网等方面研究较为热门[10-19]。能源电力行业在实际工作中存在参与主体多、业务流程较长、分布范围广泛等特点，因此多方存在数据孤岛分散、数据共享协同效率低下等问题[20-21]。在能源电力行业中应用结合区块链架构体系可有效提升数据共享效率、改善数据协同互信力度、加强不同实体间数据和业务协同程度，借助区块链技术架构可为能源电力行业数据共享和安全信任体系打造全新技术支撑，发挥重要作用[6,22]。随着各国政府和组织对区块链技术的认识逐步清晰，国际国内均大力推进区块链技术在能源电力等行业的领头示范应用，结合近年中国能源电力行业的一些实际经验，亟须制定一系列行业标准和相关技术规范。

能源电力行业的区块链标准体系建设还远未成熟，缺乏统一的体系架构和评促手段。因此基于区块链的服务、应用和商业模式常常面临难以开展的窘境。当前布局区块链落地的最为重要的机会是基础设施建设，基础设施要解决的核心问题是建立标准问题，但目前国内外立项或发布的区块链标准尚在起步阶段，以区块链基础概念和特征为主，在能源电力区块链技术领域相关标准较少，对区块链技术在电力行业的落地缺乏有效的应用指导[23-24]，制定能源电力区块链技术的规范和标准体系的任务尤为重要和紧迫。

本文首先梳理了国际标准组织在区块链标准方面的工作以及国内外能源区块链标准的现状。其次结合电力行业的标准体系，在通用区块链标准的基础上，研究如何完善融合后吸收到能源电力区块链标准体系之中。最后提出了能源电力区块链技术标准体系的构建原则、研究思路和框架结构，规划了标准体系中的基础共性、核心技术、服务、业务应用、保障等关键组成部分。

1 能源电力区块链技术标准化现状

1.1 国内外区块链标准化现状

2016 年以来，随着区块链技术及其应用的快速发展，一些国际标准组织和机构逐步启动区块链标准化相关工作[23]，并加强区块链标准化项目的监督和实施。这有助于在不同国家、行业和企业之间逐步取得共识并打通技术壁垒，为区块链全球化和行业标准化应用发展提供了重要的标准基础。

1.1.1 国际标准化组织区块链标准现状

2016 年9 月，国际标准化组织(ISO)率先成立区块链和分布式记账技术委员会，即ISO/TC 307，国家标准化委员会的工作职责主要围绕着制定全球区块链和分布式记账的国际技术标准，同时，该组织坚持自身领域标准，并与其他国际性标准组织开展合作，推进相关领域的技术标准化[15]。2017 年下半年以来，ISO/TC 307 加快推动基础、智能合约、安全、隐私保护、身份和互操作等方向重点标准项目的研制工作[25]。

截至2020 年7 月底，ISO/TC 307 已先后构建五大工作组（基础工作组WG1，安全、隐私和身份工作组WG2，智能合约及其应用工作组WG3，治理工作组WG5、用例工作组WG6），1 个研究组（互操作研究组WG7），1 个联合工作组（区块链和分布式帐本技术（DLT）与IT（信息）安全技术联合工作组JWG4），1 个专题讨论组（分布式账本系统审核指南AHG2），1 个召集协调小组CAG1 和2 个顾问组AG1 和AG2，如图1 所示。

图1 ISO/TC 307 组织框架Fig. 1 The ISO/TC 307 organizational framework

目前ISO 已发布术语、隐私和个人身份信息等4 项国际标准，另有参考架构、分类和本体、治理指南等9 项国际标准正在制定中。中国积极参与ISO/TC 307 工作，承担了《分类和本体》国标编辑工作，并联合其他国家加入《参考架构》的编辑工作。ISO 发布和在研标准主要集中在区块链通用技术方面，在术语、框架、测试评估、隐私计算等对能源电力区块链标准的构建具有参考意义。

1.1.2 国际电信联盟ITU 区块链标准现状

2017 年初，国际电信联盟电信标准分局(ITU-T)启动了区块链技术在电信相关领域的应用演进标准化指导工作，成立了多媒体组SG16、通信安全组SG17、物联网和智慧城市研究组SG20。主要研究领域分别为分布式账本的总体需求、分布式区块链账本安全架构体系研究,以及在区块链技术在电信物联网领域的应用研究[24]。此外，ITU-T 按照区块链专题技术领域分别成立了分布式账本、数据处理与管理和法定数字货币3 个区块链小组。

目前ITU 已发布《分布式账本技术的安全威胁》等14 项国际标准，其中4 项与安全相关，3 项与数据管理相关，3 项与物联网相关。ITU 发布和在研标准均为区块链技术通用性标准，在安全、框架、身份认证等方面对于能源电力区块链标准的构建具有参考意义。

1.1.3 电气与电子工程师协会IEEE 区块链标准现状2019 年9 月，电气与电子工程师学会标准协会(IEEE-SA)启动了在区块链领域的标准和项目探索，成立了计算机协会区块链和分布式记账标准委员会(C/BDL)，覆盖区块链相关的基础类、应用类、资产类、技术类、服务类等标准。截至目前，IEEE 发布了《区块链系统数据格式》等6 项国际标准，如表1 所示。

表1 IEEE 区块链和分布式账本技术标准Table 1 The standard List of IEEE blockchain and DLT

IEEE 已发布的标准主要集中在加密货币方面，在数据格式方面对能源电力区块链标准的有一定的参考性。

1.1.4 万维网联盟区块链标准现状

目前，已发布的23 项区块链国际标准均由ISO、ITU、IEEE 3 个国际组织提出，如图2 所示，图2 中的数字表示已发布标准数量。可以看出，该标准主要集中在底层基础技术、信息安全、物联网等方面，但在智能合约、跨链、分片等技术细分领域和具体应用方面涉及尚少，整体处于区块链标准体系的基础建设阶段，仍有很大发展空间。

图2 ISO、ITU、IEEE 区块链标准所属领域Fig. 2 The related fields of ISO, ITU, IEEE blockchain standards

1.1.5 国内区块链标准现状

2016 年以来，国内相关机构、标准化组织等普遍加快区块链领域的重点技术标准制定工作和落实推广工作，总体上遵循国标前期“急用先行、成熟先上”的基本原则，采用团体标准先行，团体标准持循试推广来有效带动国家标准以及行业标准落地的总体战略部署，区块链相关技术标准在架构、数据、应用等领域取得一系列成果。

团体标准方面，中国电子工业标准化技术协会、中国软件行业协会等行业组织已研制发布数据格式规范、隐私保护等多项标准，现行全国团体标准信息平台公开发布的区块链技术相关标准有30 余项。

行业标准方面，在工业、金融、司法、通信等行业已立项研制《区块链技术架构安全要求》《区块链技术金融应用 评估规则》等10 余项行业标准。

国家标准方面，已发布《信息技术 区块链和分布式记账技术 参考架构》《信息技术区块链和分布式账本技术 智能合约实施指南》《信息技术区块链和分布式账本技术 存证应用指南》3 项国家标准。已发布的国家标准中，在框架、智能合约、存证方面对能源电力区块链标准具有重要的参考意义[26]。

为统筹开展国内区块链标准化工作，工业和信息化部联合市场监管总局，快速成立了全国区块链和分布式记账技术标准化技术委员会，主要负责建设、管理国内区块链技术标准体系。中国的区块链标准体系框架，包括基础、业务和应用、过程和方法、可信和互操作、信息安全5 个方面，如图3 所示。

图3 中国区块链与分布式记账技术标准化体系Fig. 3 The standard system of blockchain and DLT in China

据统计，目前国内已发布的团体、行业、国际标准共计42 项区块链标准中，团标占34 项，如图4 所示。业务与应用标准是发布最多的类型，共21 项，占比50%；基础标准和信息安全标准分别占比24%和19%；尚未发布过程和方法类相关标准，即在跨链、共识等方面仍然存在标准空白。从行业属性上划分，国内发布的标准主要集中在金融、数字货币、供应链等方面，尚未发布能源电力方向的区块链技术标准。

图4 中国区块链标准层级和领域Fig. 4 The blockchain standard levels and fields in China

1.2 国内外能源电力区块链标准化现状

1.2.1 国外能源电力区块链标准化现状

在能源区块链标准应用领域，国外主要以ITU-T 和国际互联网工程任务组(IETF)在分布式能源计量、分布式能源交易等细分业务领域开展部分标准研究。由于能源领域尤其是电力领域中的区块链具有一定的特殊性，需在区块链能源电力垂直领域创建标准。

IEEE-SA 于2018 年9 月批准了P2418.5 能源区块链标准的立项，该标准拟为能源行业的区块链提供一个开放、通用且可互操作的参考框架，涵盖3 个方面的内容：（1）作为电力、石油和天然气价值产业链DLT 用例的指南，包括可再生能源产业及其可再生能源发电相关服务。（2）通过建立开放的协议和技术无关的分层框架，为能源领域的区块链DLT 应用创建参考架构框架标准，包括互操作性、术语、功能和系统接口。（3）通过分析能源电力行业的智能合约、共识算法和区块链实施类型等，评估并提供有关可扩展性、性能安全性和互操作性的指南[23]。

IEEE P2418.5 提出一种新型的开放区块链能源(OBE)结构框架，首次创建能源电网细分领域中采用DLT 的参考架构，框架设计，互操作性要求和用例，以协调增强现有的智能电网标准。IEEE P2418.5 分析推断，区块链与分布式记账技术将成为实现电网现代化的关键技术，为能源/公用事业引入新的分散服务，运营网络安全模型。

1.2.2 国内能源区块链标准化现状

IEEE PES 中国区已成立IEEE PES 电力系统通信与网络安全技术委员会(中国)及下属电力信息通信区块链技术等7 个技术分委会。其中，区块链技术分委会致力于区块链核心技术自主创新、标准引领、成果应用、人培养和行业生态构建。

中国电力企业联合会积极筹建电力区块链标准化技术委员会，主要任务为负责能源区块链应用的标准体系建设、标准制定/修订、标准解释等标准化工作，重点开展基础、电动汽车、能源交易、综合能源、虚拟电厂、绿证交易、电力安全、信息安全等方面标准的制定和推广。目前正组织开展电力区块链技术导则、存证应用指南、数据格式规范、智能合约规范、跨链实施指南、隐私保护规范、密码应用指南等7 个方面的能源电力区块链企业标准研制工作。

2 能源电力区块链技术标准体系构建思路和流程

2.1 构建原则

在能源数据融通共享、能源产业供应链管理、能源电力运营成本、能源企业多方协同和能源行业各主体信任等方面，能源电力技术与区块链技术的深度融合将带来新技术的应用、新业态的产生和可信价值创造。根据综合标准化的研究方法，构建能源电力区块链技术标准体系，提出能源电力区块链技术标准体系的相关构建原则。

（1）系统性原则。能源电力区块链技术标准体系是一个复杂的系统工程，是由各个构成要素形成的有机整体。须以系统整体目标的优化为基本原则，从整体与子系统相互依赖、相互制约的关系出发，协调各子系统，使系统保持平衡和完整，揭示标准体系的特征和规律。系统性体现能源电力区块链技术标准体系具有先进性、适用性和互操作性，保证利益相关方的系统和设备互联互通。

（2）协调性原则。能源电力区块链技术标准体系由能源、电力、区块链等众多技术要素构成，协调性在基础共性、核心技术、服务、业务应用、保障5 个专业方向和维度，保证下层标准系列在数量上的平衡，不交叉重复，保证结构上的平衡，相互配合协调发展。

（3）开放性原则。主要体现在无歧视地接纳世界范围内国际标准化机构、国际企业联盟、跨国公司发布的先进适用技术和应用标准。标准制定需要坚持遵守流程、达成共识、公开透明和利益平衡合作，标准体系涉及众多的技术和应用标准，用户可以根据市场需要和技术需求，自主决定是否采用相关标准。

（4）可扩展性原则。考虑到未来能源电力区块链技术业务的发展需要，能源电力区块链技术标准体系要尽可能降低区块链系统业务模块之间的耦合度，提高系统的可扩展和互操作性。能源电力区块链技术标准体系应是一个开放的、可扩展的体系，随着技术的发展及时更新、迭代和扩展，一方面适应全球能源电力区块链技术相关技术的发展需求，保持一定的先进性；另一方面还要保持整体架构、体系的相对稳定性。

2.2 构建流程

按照标准体系构建原则，全方位继承和吸纳现有能源电力领域和区块链领域的成果，构建系统完整、协调优化、兼容并蓄、易于扩展的能源电力区块链技术标准体系。

基于能源电力区块链技术内在特点，结合综合标准化的工作方法，提出适用于能源电力区块链的“系统性-目标性-整体最优性”工作思路。把能源电力区块链技术标准化对象及其相关要素作为一个有机整体开展标准化工作。能源电力区块链技术标准化对象及其相关要素的研究范围应明确并相对完整。能源电力区块链技术标准化的全过程应用计划有组织地进行。以能源电力区块链技术的整体效益（包括技术、经济、社会3 方面的综合效益)最佳为目标，局部效益服从整体效益。能源电力区块链技术标准综合体的标准之间，应满足低层次服从高层次的要求。充分选用现行标准，综合“自上而下”和“自下而上”的分析结果，识别出待制定或需完善的标准，必要时可对现行标准提出修订和补充要求。

为有效推动中国能源电力区块链技术的健康有序发展，本文基于综合标准化的工作方法提出标准建设建议，为相关主管部门、各类企业和研究机构开展核心关键技术研发以及行业应用提供参考，如图5 所示。构建以评为主、评促结合的标准化工作闭环评价流程，首先以对象标准执行情况为突破口开展调研、评估、建立协调机构；在此基础上确定评价目标和指标，形成规划和评价工作计划，以及标准综合体量化集；最后在量化结合数据上构建评价模型，并形成建议反馈给评价对象，促进对象的迭代提升和完善。

图5 能源电力区块链标准化工作流程Fig. 5 The flow chart of standardization work for energy and electric power blockchain

3 能源电力区块链支撑技术和框架

3.1 基础技术支撑

能源电力区块链基础技术支撑是技术标准体系的关键。按照技术支撑的归属层次划分，主要分为：基础数据结构层、网络连接层、共识层、合约层及应用层。其中基础数据结构层主要是实现由基础数据区块到链的构建过程。能源电力数据区块与链式结构共同组成能源电力区块链，其数据结构如图6 所示。区块链数据结构的不可篡改及追加修正是区块链审计性的根源，通过密码学保障链上能源电力数据修改的溯源安全。每项电力数据区块实际均是由区块头和区块体两部分共同组成，每一个数据区块都有一个哈希值代表区块地址与其对应，区块头结构上实际由上一区块哈希值封装（Hash0）、本区块哈希值（Hash1）、时间戳（Timestamp）、Merkle 树根值等信息共同组成；区块体中存储能源电力服务等信息。每笔已完成的能源电力交易均由区块体永久记录，公开透明可供各方查询。

图6 能源电力区块链数据层基础结构Fig. 6 The data structure of energy and electric power blockchain

能源电力交易数据大多采用基于Merkle 树的哈希运算来生成Merkle 树根值，该结果封装于对应区块的区块头结构中，这种存储结构可有效提升数据的关键key 查询及检索校验效率与扩展性。同时，能源电力数据区块生成时，加盖时间戳标明能源电力区块产生时间，并随着区块的不断增多而形成时间维度链条，确保能源电力交易信息、数据记录自时间维度的可追溯性。

网络层是以P2P 对等网络作为基础技术点所构建的包含配套传播验证等一系列标准机制。这种点对点的分散式通信机制使节点间关系从根本上回归到对等和相互印证的角色，网络架构从根本上可以实现对去中心化标准思想的落地支撑。

基础共识层由工作量证明（PoW）共识机制组成，区块数据能够在去中心化的分散节点上快速达到互信互认同步状态，其本质上依赖于分布式节点的竞争机制，保证了分布式数据的一致性和安全性。

合约及应用层主要是通过透明脚本式代码分享技术实现对去中心化的任何节点的合约触发和应用逻辑执行。采用自动化控制理论构建分布式的条件检查和代码执行，以数据区块和合约的自动化联动响应完成所有高层应用合约的分散式条件触发。

3.2 应用技术支撑

能源电力区块链技术支撑框架内容可由图7概括，其总体可以概括为业务应用支撑、数据结构支撑、核心技术和互操作支撑、基础共性支撑、保证技术支撑5 个方面。其中核心技术支撑是区块链去中心化的根本，依靠对等网络建立信任关系，共识算法确保能源电力节点数据准确一致，智能合约建立在共识之上，其自动执行特性保证能源电力区块链上数据不可篡改；基础共性支撑依据区块链数据格式规范、接口规范等对相关接口进行封装，提供业务应用服务支撑；网络安全和隐私保护技术提升能源电力区块链标准体系的安全性。

图7 能源电力区块链应用技术支撑框架Fig. 7 The support framework of energy and electric power blockchain technology

4 能源电力区块链技术标准体系实施及评价

拟构建科学量化模型来跟踪电力行业特征和区块链技术特性以及能源电力区块链技术标准化实施情况。一方面提出了能源电力区块链技术标准体系框架，分为基础共性标准、核心技术标准、服务类标准、业务应用类标准、保障类标准五大类别，如图8 所示。其中基础共性类对照区块链国家区块链标准体系中的标准类；核心技术类融合了国家区块链标准体系中的过程和方法类、可信和互操作类、国际标准中智能合约和共识机制等内容；服务类融合了国家区块链标准体系中的信息安全类和已发布的存证类国家标准；业务应用类参考电力行业标准体系和区块链在电力行业的具体应用场景；保障类融合了国家区块链标准体系中安全和隐私类。另一方面，以技术标准体系为抓手，结合层次决策算法构建了技术标准实施评价模型，实现对能源电力行业技术标准的实施情况和实施效果的量化跟踪与评价。

4.1 技术标准实施概况

根据综合标准化方法，结合当前能源电力区块链技术标准体系，分别面向基础共性、核心技术、服务、业务应用和保障5 类标准体系，在国际、国家、行业、团体、企业等多维度进行多方位标准实施评价，构建能源电力区块链技术标准评价模型，实现对区块链标准体系的实施落地效果秦观的科学量化评价，促进不同实体不同细分领域的标准体系快速推进，形成以评为主、评促结合的行业快速推进路线方针。目前，按照能源电力区块链技术标准的行动计划，已完成表2中相关行业标准的报批，正在稳步推进国际标准和国家标准的立项。

表2 能源电力区块链技术标准Table 2 The standard list of energy and electric power blockchain technology

4.2 技术标准实施评价模型

基于图8 的技术标准体系，结合能源电力区块链技术标准的适用情况和实施效果指标集来构建相应的层次指标评价模型，其输出结果可作为电力行业区块链标准的评价指标和有关项目创优的重要量化依据，引领后续区块链行业项目的快速开展以及高效实施落地。

图8 能源电力区块链技术标准体系框架Fig. 8 The standard system framework of energy and electric power blockchain technology

该模型基于层次分析法来构建，结合4.1 节中能源区块链当前标准体系层面的类别相撞和评价指标的特点，将复杂的区块链标准技术实施评价目标作为整个量化系统的主要内容，根据主题进行指标层次化分解，形成不同的多个目标，进一步再将其细分为多个部分的若干个不同层次，通过模糊那些不能直接量化而需要通过其他方法实现量化的评估指标方法，得到层次单评价指标排序和总评价指标排序，并将其结果作为总体评价目标，以此来讨论整个能源电力区块链标准体系优化决策的系统方法。

（1）能源电力区块链技术标准体系可分为目标层、准测层、指标层3 个层次，其中准测层包括基础共性、核心技术、服务、业务应用、保障5 个方面。关于基础层次分析法的技术模型即为能源电力区块链技术标准体系框架。

（2）专家打分法是评估层次结构中各项指标较为高效且直观的方式。一样重要、相对重要、比较重要、明显重要、绝对重要，这5 个不同强烈程度的划分属性可以表示需要定性区分的5 个准则层细分类别。如果有关的标准体系因为某些因素需要更高的精确度，那么可以再取左右两个相邻尺度的中间值，进而得到1～9 的数字标度，以此对内容指标的重要程度进行定量化打分。

（3）经过专家对准则层的5 个领域逐项打分，建立能源电力区块链实施评价的判断矩阵，计算出该判断矩阵最大特征值所对应的特征向量。

计算判断矩阵A的最大特征值λmax为

式中：W为整体特征向量；Wi为单指标特征向量。

W表示判断技术标准各项唯一最大特征值集合，但由于判断矩阵A会出现一定程度上的误差，可以利用其理论最大特征值λmax与n之差检验一致性，从而判断最后得出的评价结果是否合理。确认权重有效差值C的计算式为

（4）能源电力区块链技术标准最终的成熟度等级确定，可以参照如准则层所划分的5 个模块下各项细分方面，设计有关的标准实施情况调查问卷，以封闭式的打分制调查问卷为主要形式对区块链技术标准的落地应用进行量化调研。最后，技术标准实施评价模型指标权重的数据结果，结合问卷调研得到的有效性数据，计算能源电力区块链技术的标准化实施程度评价系数。

5 结语

中国能源结构多样性和复杂性，建设能源电力区块链技术体系能够有效推动中国的能源电力数字经济建设进程。以区块链技术与能源电力行业领域的应用结合点为抓手，探讨了能源电力区块链标准体系建立的必要性，梳理了区块链的国际和国内区块链技术标准的现状。通过研究现有区块链标准体系的内容和特点，依托区块链关键技术支撑，提出了能源电力区块链标准体系的构建原则和思路，并结合当前技术标准的推广实施情况，构建了能源电力行业区块链技术标准实施评价模型，形成了能源电力区块链标准体系及实施情况的量化评价办法和建议。