區(qū)塊鏈技術(shù)在電力市場(chǎng)的應(yīng)用探索

蔡興國(guó) 王娟

摘? ?要：隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與電網(wǎng)智能化的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)與技術(shù)相結(jié)合的應(yīng)用對(duì)電力系統(tǒng)各種問題的解決方案也越來越多元化，隨之產(chǎn)生的應(yīng)用也不斷的在推陳出新。文章提出將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于電力市場(chǎng)來解決電力市場(chǎng)的弊端，先是簡(jiǎn)介區(qū)塊鏈技術(shù)的基本概念以及運(yùn)作原理，然后分析了區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于當(dāng)前的電力市場(chǎng)可能性以及當(dāng)前的可再生能源電力市場(chǎng)，與加入?yún)^(qū)塊鏈的可再生能源電力市場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈;電力市場(chǎng);可再生能源

中圖分類號(hào)：T-013/-017? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(qū)塊鏈技術(shù)的不斷發(fā)展，更多基于區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景不斷落地，為行業(yè)融合發(fā)展提供了有力的支撐，如區(qū)塊鏈在金融、科教、保險(xiǎn)、物流等行業(yè)應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)，成為推動(dòng)金融服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展升級(jí)以及互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵推手，促進(jìn)了行業(yè)的欣欣向榮發(fā)展[1]。能源產(chǎn)業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱型產(chǎn)業(yè)，能源產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新升級(jí)成為當(dāng)前關(guān)注的熱點(diǎn)。近年，電力行業(yè)中能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速，但目前仍存在一系列難題。而區(qū)塊鏈具有的去中心化、不可篡改和合約化等特點(diǎn)，則是解決這些問題的有力手段，能夠?yàn)槲磥淼哪茉椿ヂ?lián)網(wǎng)的發(fā)展提供重要的支撐[2]。區(qū)塊鏈技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中已展開了相關(guān)的探索研究，李彬等[3]人設(shè)計(jì)出一種基于區(qū)塊鏈的供需互動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)。這個(gè)架構(gòu)是以區(qū)塊鏈技術(shù)為支撐，以信息監(jiān)控、采集、錄入、統(tǒng)計(jì)為中心，以需求相應(yīng)服務(wù)、負(fù)荷集成商、用戶群為框架的一體化信息平臺(tái)設(shè)計(jì)思路，通過區(qū)塊鏈的不可篡改性確保數(shù)據(jù)的安全性。歐陽旭等人[4]構(gòu)架了基于區(qū)塊鏈技術(shù)大用戶的直購電交易框架，然后從市場(chǎng)準(zhǔn)入、交易、結(jié)算和物理四個(gè)方面來進(jìn)行說明。

目前，國(guó)際社會(huì)已經(jīng)將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于分布式發(fā)電電力交易，已在美國(guó)、德國(guó)、荷蘭、南非、澳大利亞、新西蘭等地開展小規(guī)模試點(diǎn)項(xiàng)目。其中，歐盟無疑是全球最活躍的地區(qū)，他們更關(guān)注核心網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)。歐洲學(xué)者M(jìn)Iike Mihaylow就提出可以將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于能源領(lǐng)域的交易。2016年11月，美國(guó)紐約州的LO3公司與西門子數(shù)字電網(wǎng)（Siemens Digital Grid）以及區(qū)域鏈開發(fā)商ConsenSys合資成立了TransActive Grid公司，通過運(yùn)營(yíng)微網(wǎng)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)社區(qū)居民之間的電力交易。即使居民家中沒有發(fā)電設(shè)備，也可以通過居民用戶家中接入智能儀表實(shí)現(xiàn)與其他分布式家庭互聯(lián)，購買電力。Grid Singularity公司運(yùn)用區(qū)塊鏈技術(shù)開發(fā)一種利用比特幣，就可以進(jìn)行捐贈(zèng)的能源支付捐贈(zèng)平臺(tái)，不需要任何的中介組織，同時(shí)也會(huì)保障資金安全。

2? 我國(guó)電力市場(chǎng)現(xiàn)狀

2.1 我國(guó)電力市場(chǎng)問題

電力的發(fā)展是推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大元素之一，電力改革是我國(guó)經(jīng)濟(jì)體制和能源體制改革的重要組成部分。但是，我國(guó)電力市場(chǎng)仍存在著很多問題，根據(jù)2017年中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合發(fā)布的《中國(guó)電力行業(yè)發(fā)展報(bào)告2017》可知，目前我國(guó)電力市場(chǎng)需求在不斷增加，如圖1所示，我國(guó)2010年到2016年的電力需求逐年遞增，意味著我國(guó)電力市場(chǎng)改革迫切[5]。

我國(guó)電力需求在穩(wěn)步增長(zhǎng)，但是電力需求的增長(zhǎng)率卻在下降，與此同時(shí)每年的發(fā)電裝機(jī)容量仍在快速增長(zhǎng)，而且增長(zhǎng)持續(xù)，快于用電需求增長(zhǎng)，這導(dǎo)致了電力產(chǎn)能過剩問題日益嚴(yán)重。2016年的輸電線路損失率達(dá)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(fèi)者，而是在輸送的過程中損耗，導(dǎo)致潛在收入的損失。我國(guó)在發(fā)展清潔能源的同時(shí)，清潔能源帶來的消納問題也日趨嚴(yán)重。我國(guó)水能、風(fēng)能、太陽能發(fā)電大基地與用電負(fù)荷地區(qū)逆向分布的特點(diǎn)，決定了清潔能源資源富集地區(qū)的大規(guī)模開發(fā)，需要在全國(guó)范圍配置消納。

2.2 區(qū)塊鏈應(yīng)用于電力的可行性分析

在面對(duì)我國(guó)電力市場(chǎng)的一系列問題時(shí)，最終的問題要落實(shí)到解決電力市場(chǎng)的供需平衡問題上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電力市場(chǎng)的市場(chǎng)化，加快我國(guó)清潔能源的發(fā)展。將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到電網(wǎng)建設(shè)，可以有效地解決電力市場(chǎng)面臨的問題，同時(shí)加快我國(guó)清潔能源的發(fā)展。首先區(qū)塊鏈具有去中心化的特點(diǎn)，在交易的過程中不需要第三方，對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)來說就意味著不需要電力部門的監(jiān)督，降低了監(jiān)督成本，提高監(jiān)督效率;其次區(qū)塊鏈技術(shù)有利于解決電力市場(chǎng)供需不平衡的現(xiàn)狀，消費(fèi)者之間可以通過區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力資源等價(jià)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(fèi)者的電力資源費(fèi)用。

3? 區(qū)塊鏈技術(shù)

3.1 區(qū)塊鏈技術(shù)的概念

最早的關(guān)于區(qū)塊鏈的描述性是中本聰在2008年發(fā)布的一篇名為《Bitcoin：peer to peer electronic system》的文獻(xiàn)。在這篇文獻(xiàn)中，中本聰首次提出比特幣的概念，而作為比特幣核心技術(shù)的區(qū)塊鏈也隨之產(chǎn)生，但是這時(shí)并沒有明確提出區(qū)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(qū)塊鏈技術(shù)在2008年就被提出，但是區(qū)塊鏈技術(shù)是最近幾年才開始引起廣泛關(guān)注。區(qū)塊鏈本質(zhì)上是一種基于非對(duì)稱加密的分布式賬本技術(shù)，并且只有被區(qū)塊鏈上的全部節(jié)點(diǎn)的共同機(jī)制檢驗(yàn)通過之后的交易才能記錄[7]。該技術(shù)是以密碼學(xué)技術(shù)為支撐，并且參與系統(tǒng)中的任意多個(gè)節(jié)點(diǎn)都通過哈希密碼算法將信息記錄到鏈狀的順序區(qū)塊中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的地位都是公平的，都可以參與交易認(rèn)證，并且通過加密算法保證交易的真實(shí)可靠以及不可篡改。由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以根據(jù)共識(shí)機(jī)制來進(jìn)行新區(qū)塊的確認(rèn)和獎(jiǎng)勵(lì)，沒有第三方仲裁的參與，所以區(qū)塊鏈又可以被看成一個(gè)去中心化的分布式賬本[8]。區(qū)塊鏈的核心優(yōu)勢(shì)就是能夠去中心化，同時(shí)能夠運(yùn)用數(shù)據(jù)加密、時(shí)間戳、分布式共識(shí)等手段，在節(jié)點(diǎn)無需互相信任的分布式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)交易、協(xié)調(diào)與協(xié)作，從而為解決中心化機(jī)構(gòu)中普遍存在的高成本、低效率和數(shù)據(jù)儲(chǔ)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(qū)塊鏈?zhǔn)菫楸忍貛哦?wù)，比特幣的區(qū)塊鏈技術(shù)并不完全等同于區(qū)塊鏈技術(shù)，如圖2所示，區(qū)塊鏈的區(qū)塊中要包含數(shù)據(jù)記錄、當(dāng)前的哈希值、前一區(qū)塊根哈希、時(shí)間戳和其他的信息[9]。

數(shù)據(jù)記錄的內(nèi)容可以根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用出發(fā)決定，比如資產(chǎn)發(fā)行記錄、清算記錄等。數(shù)據(jù)記錄的存儲(chǔ)組織形式一般為樹形狀，而區(qū)塊根哈希其實(shí)是數(shù)據(jù)記錄樹的根節(jié)點(diǎn)哈希。時(shí)間戳為區(qū)塊生成時(shí)間證明，而其他信息中包括區(qū)塊的簽名信息、隨機(jī)值等信息，根據(jù)不同的實(shí)際需求，其他信息的內(nèi)容也不盡相同。

3.2 區(qū)塊鏈技術(shù)架構(gòu)

隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用的拓展，區(qū)塊鏈的架構(gòu)也在不斷地進(jìn)行變化，根據(jù)區(qū)塊鏈的本質(zhì)特征以及發(fā)展現(xiàn)狀，如圖3所示，區(qū)塊鏈技術(shù)架構(gòu)可分為三個(gè)層次：網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層[10]。

網(wǎng)絡(luò)層主要是通過P2P網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的連接與通信，不同于具有中心服務(wù)器的中央網(wǎng)絡(luò)，對(duì)等網(wǎng)絡(luò)的用戶即是服務(wù)器，又是一個(gè)接入用戶，用戶群體通過交換信息組成一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)體系。

交易層主要有兩個(gè)功能，一個(gè)是相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，另一個(gè)是賬戶和交易的安全和實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)儲(chǔ)存于默克爾樹，通過區(qū)塊的方式和鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。賬戶和交易基于數(shù)字簽名，非對(duì)稱加密技術(shù)，多重簽字技術(shù)等多種密碼學(xué)算法和技術(shù)，保證交易能在去中心化的情況下安全的進(jìn)行。

應(yīng)用層主要是基于區(qū)塊鏈技術(shù)來構(gòu)建類型和豐富的應(yīng)用。目前，最典型的應(yīng)用是各種數(shù)字貨幣，還有將區(qū)塊鏈應(yīng)用于電子票據(jù)、金融業(yè)、保險(xiǎn)和醫(yī)療等行業(yè)。在教育行業(yè)，區(qū)塊鏈系統(tǒng)的透明化、數(shù)據(jù)不可篡改等特征，完全適用于學(xué)生征信管理、升學(xué)就業(yè)、學(xué)術(shù)、資質(zhì)證明、產(chǎn)學(xué)合作等方面。許濤[11]設(shè)想?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用，從區(qū)塊鏈成績(jī)單、基于區(qū)塊鏈技術(shù)的學(xué)習(xí)者資源管理和學(xué)習(xí)賬本等三個(gè)方面來構(gòu)建。王海隆[12]認(rèn)為區(qū)塊鏈技術(shù)可以應(yīng)用于中醫(yī)藥領(lǐng)域，在多個(gè)方面如醫(yī)療、科研、教學(xué)、中藥產(chǎn)品防偽等改變現(xiàn)有的中醫(yī)藥模式，并能很好地服務(wù)于中醫(yī)藥。具體的可以表現(xiàn)在電子健康檔案安全建設(shè)方面上。在支付領(lǐng)域，各家商業(yè)銀行希望利用區(qū)塊鏈技術(shù)方面上，在解決互信的基礎(chǔ)上，構(gòu)建扁平化的全球一體化清算體系，突破現(xiàn)有的系統(tǒng)間割裂的現(xiàn)狀，以及額度等監(jiān)管限制，降低成本[13]。

3.3 區(qū)塊鏈技術(shù)特點(diǎn)

3.3.1 去中心化、去信任化

在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)是沒有第三方仲裁，利用一套公開透明的加密數(shù)學(xué)算法使整個(gè)系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)能夠去信任化地自動(dòng)安全地進(jìn)行交易。任意節(jié)點(diǎn)之間的權(quán)力和義務(wù)是相等的，任何節(jié)點(diǎn)的損壞或失效都不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作。

3.3.2 公開透明，集體維護(hù)

區(qū)塊鏈中處理賬戶的隱私被加密之外，其他的數(shù)據(jù)是公開并且對(duì)所有人開放。任何參與者都可以通過公開的接口進(jìn)行查看，并且每位參與者都可以參與維護(hù)。

3.3.3 不可篡改性

區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)具有開源的特點(diǎn)，每位參與者都可以從接口復(fù)制一份完整的數(shù)據(jù)信息。但只有控制系統(tǒng)中達(dá)成共識(shí)的節(jié)點(diǎn)超過51%，才能進(jìn)行數(shù)據(jù)的篡改。

4 基于區(qū)塊鏈的電網(wǎng)系統(tǒng)

能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展以及電力改革的推進(jìn)將會(huì)改變消費(fèi)者的身份，利用區(qū)塊鏈技術(shù)可以建立一個(gè)去中心的電力市場(chǎng)，區(qū)塊鏈技術(shù)和通信技術(shù)的結(jié)合，可以促進(jìn)數(shù)百萬的參與者之間進(jìn)行更安全的交易和支付，同時(shí)區(qū)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(fèi)者，使可再生能源實(shí)現(xiàn)局部消納，減少電力傳輸中的損耗，實(shí)現(xiàn)“零邊際成本社會(huì)”[14]。以可再生能源為例，說明區(qū)塊鏈技術(shù)對(duì)電力市場(chǎng)的影響，如圖4所示。

傳統(tǒng)的可再生能源市場(chǎng)中將可再生能源電表將信息記錄到數(shù)據(jù)表格中，由監(jiān)管部門將這些信息錄入另一個(gè)數(shù)據(jù)庫，這些信息與監(jiān)管部門共享。然后認(rèn)證機(jī)構(gòu)根據(jù)數(shù)據(jù)庫手動(dòng)簽發(fā)可再生能源“證書”，而交易中間商再利用這些數(shù)據(jù)將買賣雙方聯(lián)系起來，到此才完成一筆交易。整個(gè)交易過程中需要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)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?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)后，就會(huì)減少許多的步驟，使得市場(chǎng)更加簡(jiǎn)明。

如圖5所示的區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于可再生能源市場(chǎng)中，電表將直接與區(qū)塊鏈相連，同時(shí)區(qū)塊鏈作為一個(gè)公共賬本將匯集所有的數(shù)據(jù)信息，取代了之前的數(shù)據(jù)人工傳遞的過程，區(qū)塊鏈的去中心化和不可篡改的特征確保了數(shù)據(jù)安全性和市場(chǎng)透明度。所有的參與者根據(jù)區(qū)塊鏈存儲(chǔ)的信息行使自己的職責(zé)，實(shí)現(xiàn)目前系統(tǒng)大多數(shù)過程的自動(dòng)化，同時(shí)這樣省去一些繁瑣的中間環(huán)節(jié)，讓更多的用戶更容易進(jìn)入市場(chǎng)。區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)了本地生產(chǎn)者可以在能源市場(chǎng)上進(jìn)行交易，將會(huì)吸引更多的資源投入分布式電網(wǎng)的建設(shè)中。

5? 結(jié)束語

在我國(guó)的電力改革過程中，智能電網(wǎng)的建設(shè)成為我國(guó)電力系統(tǒng)建設(shè)的一大趨勢(shì)，而區(qū)塊鏈技術(shù)可以為整個(gè)智能電網(wǎng)的建設(shè)帶來創(chuàng)新。區(qū)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(wǎng)在交易、對(duì)賬、信息發(fā)送、結(jié)賬等過程中的安全性和真實(shí)性，同時(shí)能夠降低監(jiān)督成本，提高運(yùn)營(yíng)效率。當(dāng)前，區(qū)塊鏈技術(shù)在融入電網(wǎng)建設(shè)的過程中仍面臨很多問題和挑戰(zhàn)，如區(qū)塊鏈可擴(kuò)展性問題、比特幣和以太坊等公共區(qū)塊鏈當(dāng)前每秒只能處理7至30筆交易，如果全球范圍內(nèi)所有電力消費(fèi)和生產(chǎn)設(shè)備都實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，并且按照分鐘級(jí)以下為單位進(jìn)行追蹤，大家則需要能夠每秒處理數(shù)百萬筆交易的運(yùn)算能力，而這是當(dāng)今的區(qū)塊鏈技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的。下一步，需要圍繞區(qū)塊鏈技術(shù)融入電網(wǎng)建設(shè)開展更深層次的研究，才能保證智能化電網(wǎng)建設(shè)的順利進(jìn)行。

基金項(xiàng)目：

1.工業(yè)和信息化部通信軟科學(xué)項(xiàng)目《區(qū)塊鏈技術(shù)下數(shù)字票據(jù)業(yè)務(wù)研究》（項(xiàng)目編號(hào)：2018R24）;

2.教育部“天誠(chéng)匯智”創(chuàng)新促教基金《區(qū)塊鏈技術(shù)下新能源充電樁智慧平臺(tái)建設(shè)》（項(xiàng)目編號(hào)：2018A05005）。

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作者簡(jiǎn)介：

蔡興國(guó)（1991-），男，漢族，山東臨沂人，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，碩士，中電?？导瘓F(tuán)研究院，工程師;主要研究方向和關(guān)注領(lǐng)域：區(qū)塊鏈技術(shù)、智慧城市、物聯(lián)網(wǎng)。

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