区块链在能源领域的价值、应用场景与适用性分析

沈翔宇，陈思捷，严 正，平 健，罗博航

（电力传输与功率变换控制教育部重点实验室（上海交通大学）,上海市200240）

0 引言

2019年10月24日,中共中央政治局开展了主题为“把区块链作为核心技术自主创新重要突破口,加快推动区块链技术和产业创新发展”的第十八次集体学习。会议强调,要发挥区块链在促进数据共享、优化业务流程、降低运营成本、提升协同效率和建设可信体系这5个方面的价值［1］。在能源领域跨区互联、多能互补和数据互通的行业发展趋势下,区块链的上述价值也有望在能源系统中发挥重要作用。

目前已经有学者阐述了区块链在能源领域的价值和应用。文献［2］结合国内外区块链和能源系统的研究热点,建立了区块链在中国能源领域可能的应用路径；文献［3］从功能、对象和属性维度说明了区块链在能源领域的具体应用方式；文献［4］研究了区块链技术与能源互联网在物理、信息和价值维度的耦合性；文献［5］介绍了国内外部分典型的能源区块链应用,总结了应用实践经验；文献［6］详细描述了区块链技术在分布式能源交易、阻塞管理与辅助服务、需求响应服务、碳排放权认证与绿色证书交易、数据管理与信息安全以及能源数字代币的发布与投资这6类应用场景下的典型项目；文献［7］研究了区块链与能源互联网的兼容性,提出了以能源区块链为支撑的能源互联网基本框架；文献［8］提出了基于区块链的能源互联网层次架构模型；文献［9］提出了区块链技术在电力设备泛在物联网的架构设计,并重点阐述了关键技术。综上,目前能源区块链综述文章主要集中于分析区块链技术在能源领域不同维度的应用前景和应用方案,总结不同应用场景下的现状与挑战。

本文首先介绍区块链核心价值及其技术保障,并举例论证能源领域对区块链价值的需求。以此为基础,按开放程度将区块链分为3类,并分析各类区块链在能源领域的适用性。接着,探讨区块链技术在能源市场交易、系统运营管理、能源计量认证和电力数据流转这4个典型场景的应用。然后,介绍当前具备能源区块链开发潜力的主流平台,并从技术架构层面对比其优劣势。最后,从应用价值、政策支持和技术架构等方面提出能源区块链的发展建议。本文与现有能源区块链综述文章相比,补充了最新的能源区块链应用；通过具体实例展示了区块链技术在能源领域的价值；说明了不同类型区块链在能源领域的适用性；探讨了适用于不同场景的区块链开发平台。

1 区块链在能源领域的价值与其技术支撑

1.1 区块链技术的价值

区块链具有去中心化、透明、系统自治性和可追溯性等特征［10-11］。因此,它具备数据共享、社区共治、记录溯源和信息安全这4个主要价值。

1）数据共享是指在分布式网络里,每个节点都存储着所有运行数据记录的拷贝。区块链上的数据信息在各主体间共享,各主体可以共同进行信息认证；不同的应用也可以在同一个区块链平台上运行,从而打破传统意义上不同主体、不同应用之间的信息壁垒。

2）社区共治是指在区块链平台上,没有任何节点可以对整个社区具有绝对的治理权、运行权和话语权,负责记账的节点仍需要受到其他节点的认可。这使得多边主导的格局成为可能,并能够实现主体之间的相互监督与权力制衡。

3）记录溯源是指区块链中的每个区块都与上一个区块相联系,直至创世区块。区块链的可追溯性实现了数据的快速检索和错误的快速定位,方便数据的统计与清算。

4）信息安全是指在分布式账本中,攻击者除非篡改多数节点的数据记录才能实现数据攻击。分布式账本的记录防篡改特性既避免了中心机构作恶对用户不利,也减少了账本遭受外部攻击造成损失的可能性。

1.2 区块链价值的技术支撑

区块链的技术架构一般包括5层级:数据层、网络层、共识层、激励层和应用层［12］。每个层级背后都存在计算机技术的支撑,具体如图1所示。

图1 区块链各层级功能及对应的技术支撑Fig.1 Functions and corresponding technical support at each level of blockchain

数据层定义数据内容结构；网络层规定网络通信协议；共识层规定采用的共识算法；激励层规定加密货币的发行和分配机制,若不需要加密货币进行经济激励,则不设置激励层；应用层方便开发者编写智能合约和开发应用。

数据共享由网络层的去中心网络结构和数据层形成的分布式账本等保障。区块链的去中心网络中不存在中心服务器,每个节点的地位相同；网络中每个节点都存储着相同的分布式账本,并有权力读取账本中的数据。

社区共治由共识层的共识算法和激励层的发行、分配机制等保障。其中,共识算法保证在无绝对领导节点的情况下,去中心网络内所有节点对网络的管理都有一定的参与度与话语权。根据选择记账节点的不同方式,可以将共识算法分为不同种类。目前,能源区块链项目采用的主流共识算法包括工作量证明（proof of work,POW）、权益证明（proof of stake,POS）和实用拜占庭容错（practical Byzantine fault tolerance,PBFT）等［13］。其中,采用POW共识算法的能源区块链项目比例约为55%,采用POS共识算法的比例约为18%,采用PBFT共识算法的比例约为15%,而采用其他共识算法的项目比例均不足10%［14］。因此,本文重点介绍以上3种共识算法。

1）POW共识算法。POW共识算法起源于比特币,采用竞争记账的方式解决去中心化网络节点数据的一致性问题。每个节点求解同一个难以计算却容易验证的数学问题,依靠计算能力竞争记账权。最快完成求解的节点将获得记账权,其余节点负责验证计算结果的正确性。

2）POS共识算法。POS共识算法与POW共识算法不同,POW共识算法表现为计算能力的竞争,而POS共识算法表现为持币权益的竞争。在POS共识算法下,求解计算问题的难度与持币权益的大小成反比。一个节点持有币的数量越多、持有币的时间越长,越有可能率先求解出计算问题,获得记账权力。

3）PBFT共识算法。PBFT共识算法按照一定规则随机选取1个节点为主节点,其余节点作为从节点。主节点负责计算结果,从节点负责认证结果。只有主节点的计算结果获得至少2/3数量节点的认证,该计算结果才能被写入区块链。

这3种常见的共识算法各有优劣。POW共识算法在实践中的可靠性虽然已经过比特币的长时间检验,但要求所有节点都参与相同的运算能力竞争,却只有1个节点最终获得了记账权,造成运算能力的大量浪费。POS共识算法使持币权益高的节点在运算能力竞争中占有优势,一定程度上解决了运算能力浪费的问题,但在POS共识算法下,权益越高的节点拥有越高的话语权,导致节点之间的平等性存在失衡隐患,有可能出现记账权被支配的情况。PBFT共识算法不需要进行记账权的竞争,因此,可以脱离加密货币而存在,能够提高达成共识的效率,满足高频交易量的要求,但PBFT共识算法只有1/3数量节点的容错率,容错性相对较低,且每个节点需要与其他节点达成点对点共识,随着节点数增多,系统性能快速下降,因此可扩展性低。

记录溯源由数据层的链式结构和默克尔树结构等保障。记录被打包成区块,区块之间用哈希指针连接起来,形成区块链。每个区块中都包含前一个区块的哈希指针,通过哈希指针不断搜寻前一个区块,达到记录溯源的效果。

信息安全即记录的防篡改特性,由数据层的链式结构、默克尔树结构和加密技术等保障。区块记录的交易数据储存在区块体中的叶节点。除叶节点外,区块体内每个节点记录其2个子节点的哈希值。任何数据被篡改都将改变区块体中包括根节点在内的全部哈希值［15］。这种结构使记录篡改极易被察觉。

1.3 能源领域中的应用价值举例

能源系统的一大趋势是多能协同,但电能、热能和天然气等能源系统隶属于不同的主管部门,目前难以通过统一上层管理机构的方式解决各能源系统的协同合作问题。区块链为这个问题提供了解决方案。PBFT共识算法应用广泛,且适用于少量节点参与的场景。下面以综合能源系统交易为背景,举例介绍一种采用PBFT共识算法的区块链交易方案,并分析该场景下区块链的应用价值。该案例中的能源系统包含6个微电网,各个微电网之间通过区块链进行电能和天然气的交易。一次交易的流程如下。

步骤1:随机选取某个微电网作为当前交易阶段的主节点。

步骤2:各个微电网向主节点分别提交电能和天然气的买卖数量及报价。

步骤3:主节点根据事先设定的智能合约执行出清。

步骤4:主节点向各个微电网广播区块,区块中包含该交易阶段的全部电能和天然气的买卖报价、交易双方信息、成交数量和最终成交价格等。

步骤5:除主节点以外的各个微电网按照事先设定的智能合约验证交易结果,如果判定验证正确,则向其余全部节点广播认证消息。

步骤6:当收到不少于4个微电网的认证消息时,该区块加入区块链,所有微电网信任此区块包含的交易结果。

至此,一次交易完成,可重新进入下一次交易。

为验证区块链技术的有效性,本文在双向拍卖和端对端（peer-to-peer,P2P）交易这2种交易机制下,分别举例说明该方案如何防止离线节点和恶意节点情况。

1）双向拍卖下存在离线节点的情况

双向拍卖同时匹配多个买方和多个买方［16］。假设双向拍卖交易中,各个微电网的报价及交易情况如图2所示。在电能双向拍卖交易中,微电网1至微电网3为卖方,微电网4至微电网6为买方,电网公司为兜底方；在天然气双向拍卖交易中,微电网1和微电网2为卖方,微电网4和微电网6为买方,天然气公司为兜底方。假设微电网1为主节点,向其余节点广播双向拍卖交易结果。

图2 双向拍卖报价及交易结果Fig.2 Quotations and transaction results in double auction

在相互认证过程中,假设微电网6离线没有参与该次交易阶段的认证过程,信息传播模式如图3所示。

图3 微电网6离线时基于区块链的能源交易中的信息传播模式Fig.3 Information dissemination mode in blockchainbased energy trading when microgrid 6 is offline

由图3可知,此次交易流程包括:①微电网2至微电网6向微电网1提交报价信息；②微电网1执行出清后向微电网2至微电网6广播交易结果；③为验证交易结果正确性,微电网2至微电网5向自身外所有微电网发送准备信息,微电网6由于离线无法发送准备信息；④所有微电网收到不少于4条正确的准备信息,验证正确；⑤微电网2至微电网5向除自身外所有微电网发送提交信息,微电网6由于离线无法发送提交信息；⑥所有微电网收到不少于4条正确的提交信息,验证正确,至此,所有微电网达成共识。因此,单个离线节点并不影响其余正常节点交易。

2）P2P交易下存在恶意节点的情况

P2P交易1次只匹配1个买方和1个卖方,买方和卖方可自行呈报交易信息［16］。假设在P2P交易中,各微电网的已知报价情况如图4所示。在天然气市场中,微电网6以市价出售天然气。在电能市场中,微电网1以市价出售电能,而微电网3和微电网5挂单交易。

图4 P2P交易中的已知报价Fig.4 Known quotations in P2P transaction

假设微电网1为主节点,向其余节点广播P2P交易结果。其广播的交易结果为:在天然气市场中,天然气公司与微电网6成交了一定数量的天然气；在电能市场中,微电网1与微电网5成交了一定数量的电能,微电网1与电网公司成交了一定数量的电能。

正常运行情况下,通过节点交叉认证,包含该交易结果的区块被写入区块链。

假设微电网6为恶意微电网,意图以恶意篡改交易结果认证的方式阻止微电网1与微电网5交易而获利,其篡改的交易结果为:在天然气市场中,天然气公司与微电网6成交了一定数量的天然气；在电能市场中,微电网1仅与电网公司成交了一定数量的电能,而未与微电网5成交。

在该情况下,信息传播模式如图5所示。由图5可知,此次交易流程包括:①微电网2至微电网6向微电网1提交报价信息；②微电网1执行出清后向微电网2至微电网6广播交易结果；③为验证交易结果正确性,微电网2至微电网5向除自身外所有微电网发送正确的准备信息,而微电网6向除自身外所有微电网发送错误的准备信息；④所有微电网收到不少于4条正确的准备信息,验证正确；⑤微电网2至微电网5向除自身外所有微电网发送正确的提交信息,而微电网6向除自身外所有微电网发送错误的提交信息；⑥所有微电网收到不少于4条正确的提交信息,验证正确,至此,所有微电网达成共识。因此,单个恶意节点并不能改变交易结果。

综上,区块链可以促成多主体和多部门的共治,同时,当某一主体离线或者作恶时不会影响到交易的有序进行。

图5 微电网6为恶意微电网时基于区块链的能源交易中的信息传播模式Fig.5 Information dissemination mode in blockchainbased energy trading when microgrid 6 is malicious

2 区块链技术在能源领域的适用性分析

2.1 区块链分类

按照开放程度,区块链可以划分为公有链、联盟链和私有链［17］。这3类区块链在参与者、记账者和共识算法方面都具有明显的差异。

1）公有链。公有链是开放程度最高的一类区块链,任何节点都可以加入公有链,记录、认证和读取区块链上的交易数据。公有链的记账者一般由该区块链社区中的任一节点担任。为确定记账的节点,公有链通常采用POW和POS等需要竞争记账权力的共识算法。常见的区块链项目如比特币、以太坊和企业运营体系（enterprise operation system,EOS）等均为公有链。

2）联盟链。联盟链建立多主体之间的共识协作关系,与公有链相比,开放程度明显减弱。只有已经加入联盟链的节点有权利记录、认证和读取区块链上的交易数据。新节点加入该类区块链通常需要现有联盟链节点的一致同意。因为联盟链的节点数一般较少,不需要采用运算能力竞争的方式竞争记账权,通常采用PBFT等追求交易效率的共识算法。目前比较知名的区块链项目超级账本（Hyperledger）,是适用于企业环境下的联盟链开发平台［18］。

3）私有链。私有链是一种不对外公开的区块链,开放程度最低,一般作为中心机构管理的工具,外部节点无法加入私有链或查看私有链的数据。私有链的记账者是中心机构。通过中心机构保证数据的安全可靠,因此不需要共识算法来进行记账者的轮换。蚂蚁金服在支付宝内部搭建的爱心捐赠平台,属于私有链类型［19］。

从“不可能三角”的角度评判3种区块链的优劣势。区块链中“不可能三角”是指,同一个区块链无法同时追求高性能、安全性和去中心化［20］。高性能指的是区块链的运行效率；安全性由获得区块链控制权所需付出的代价衡量；去中心化由接入区块链的节点数量衡量。公有链允许任何节点加入并参与区块的生成、验证,是一种去中心化程度和安全性都很高的区块链,但运行效率很低。联盟链里,预设的节点不需要通过运算能力竞争获取记账权,提高了区块链的运行效率,但相对于公有链而言,联盟链只允许预设的节点记账,使通过对较少节点数据攻击就可以改变交易结果,一定程度上舍弃了去中心化和安全性。私有链已经成为中心化的技术,不必达成记账共识,因此效率最高,但去中心化程度和安全性最低。

不同类型的区块链在“不可能三角”中的侧重点不同,因此需要结合应用场景的特点选择合适的区块链类型。

2.2 不同类型的区块链在能源领域的适用性

在能源领域的不同场景中,应选择合适类型的区块链,以扬长避短。

公有链适用于有大量主体参与且不需要进入许可的场景。以能源交易为例,分布式能源交易可以使用公有链。分布式能源主体数量庞大,且产生能量无法定时定量,随时保持与其他节点的交互会浪费通信和计算资源。在需要售出能源时加入公有链,没有多余能源时退出公有链,能够提高区块链的效率。

联盟链适用于少量机构参与且需要保证运行效率的场景。以能源交易为例,园区、代理商和微电网等大机构之间的交易可以使用联盟链。这样既能满足低时延的交易,提高各主体之间的相互信任,也能够在自治环境下实现透明、公正的能源交易。

私有链已经成为趋于中心化的技术,适用于企业内部的组织与数据共享,同时保证数据不可篡改。以能源交易为例,交易中心内部组织数据管理与审计可以使用私有链。例如:在国家电网有限公司内建立私有链实现跨省、跨区域的数据共享,可以在保证数据不可篡改的前提下,提高电力数据的利用率,增加数据价值。

3 能源区块链的需求场景与应用现状

区块链技术具有数据共享、社区共治、记录溯源和信息安全等价值,能够有针对性地解决能源领域不同场景的痛点。区块链技术在能源领域的应用场景包括能源市场交易、系统运营管理、能源计量认证和电力数据流转等。

3.1 能源市场交易

能源市场正在由单一能源品种交易、电网主导逐渐向多品种交易、多主体参与的方向转变。区块链的数据共享与社区共治等价值十分契合能源市场的发展趋势。基于区块链的交易系统将有助于打破能源市场内各个主体之间的信息壁垒,提高能源交易市场的透明度,且能够赋予各个主体平等的话语权,提升各方参与的积极性。

在分布式能源交易场景中,分布式能源具有数量多、分布散等特点,给统一管理带来一定难度。基于区块链的分布式能源交易技术能够在用户与分布式能源之间建立信息平台,解决发、用电双方信息不对等的问题,帮助用户获取分布式能源的实时信息,有利于打造公开透明的分布式能源交易市场。

在综合能源系统交易场景中,不同能源系统的物理结构、交易模式和管理机构不尽相同,难以通过统一的中心机构运营管理,需要高效、透明的协同技术。区块链技术能够帮助各个能源系统建立互信,实现共治,提高能源利用率,增加整体经济效益。

在某些跨国跨区域电力交易场景中,各交易方之间信息不对称,缺乏互信基础,不存在更高一级的权威机构组织和管理交易。区块链技术有助于形成各交易方的相互制衡,实现各方对跨国跨区域电力交易市场的共同监督和管理,从而打造公平公正的交易环境。

基于区块链的能源市场交易方案已有较多研究成果。文献［21］分析了点对点交易、集合竞价和连续双边拍卖等3种机制下区块链技术与分布式交易的契合度；文献［22］提出了基于区块链分布式能源交易的系统架构和交易流程；文献［23］设计了一种基于区块链的分布式能源交易方案；文献［24］构建了基于区块链的区域能源交易模型；文献［25］构建了基于区块链的综合能源服务网络架构与综合能源服务链上交易模型；文献［26］提出了基于区块链的微电网电力交易模式,实现微电网内分布式能源与用户直接交易；文献［27］提出了基于区块链激励的光伏交易方案；文献［28］设计了配电网电能多边交易的智能合约；文献［29］提出了基于区块链的分布式能源交易信用管理方法；文献［30］构造了基于跨链技术的多能互补安全交易方法；文献［31］提出了基于PBFT共识算法的多能源交互主体共识方法；文献［32］设计了满足能源区块链点对点交易的多链结构模型。以上文献从应用契合度、交易方案设计和底层技术改进等方面由浅入深地探讨了基于区块链的能源市场交易方案与技术。

国内外已有若干基于区块链的能源市场交易试点应用。2018年,荷兰利用区块链推动分布式能源就近消纳的试点项目［33］。该项目使家庭光伏系统优先满足附近电动汽车的充电需求,再将剩余电能输入电网。欧洲正在开展2项不同的区块链试验［34］,计划使用区块链技术处理数量繁多的分布式能源交易。基于区块链的点对点光伏能源交易平台,已经允许世界各地的用户购买太阳能,然后把这些能源出售给其他用户［35］。中国开展的基于区块链的微电网分布式能源智能交易平台［36］承担了分布式能源市场约80%的交易量,有效降低了交易中的时间、人力和沟通成本。基于区块链技术的自主能源生态系统［37］激励家庭光伏系统生产的能源首先供自身消耗,然后向邻居出售或在微电网中储存,高效整合微电网中的可再生能源。以上项目已经基本验证区块链能够降低参与能源市场交易的门槛,提升能源利用效率。然而,基于区块链技术的能源市场交易与现有能源市场和管理模式之间的兼容性和衔接方式是需要解决的一个问题。

3.2 系统运营管理

能源电力系统里的很多业务传统上由中心机构运营管理,利益相关方对运营管理的方式、细节等往往不具备知情权和话语权,容易引发不信任。区块链的社区共治与信息安全等价值能有效解决该场景痛点。利用由运营方和利益相关方等多方共同组成的区块链来运行管理相关业务,将赋予利益相关方知情权和监督权,便于其参与运营流程、查询运营结果,同时,提升运营方公信力,助力开拓增量市场,扩大市场份额。

在电动汽车充电管理场景中,充电桩运营方、电动汽车租赁方和用户等主体间信息不对称,需要建立可信、透明的信息平台。区块链技术将帮助用户获取电动汽车与充电桩的实时信息,打破信息壁垒,增加电动汽车与充电桩的使用率。

在虚拟电厂和需求侧响应场景中,管理运营方的数据库存在遭受数据攻击的风险,且运营过程、结果对用户不透明,增加了吸引用户和开拓增量市场的难度。基于区块链的虚拟电厂或需求侧响应项目能够保证运营方的数据安全和机制透明,并快速建立潜在用户对运营方的信任,增强虚拟电厂和需求侧响应运营方的市场竞争力。

基于区块链技术的系统运营管理方法已经有了不少研究。在电力辅助服务领域,文献［38］提出了应用区块链技术使辅助服务从集中式管理向分布式智能管理转变的方案。在电动汽车充电管理领域,文献［16］设计了基于以太坊区块链的充电站充电权分配平台；文献［39］搭建了基于区块链、闪电网络和智能合约的充电桩共享平台；文献［40］设计了分层电动汽车充电协调模型和算法；文献［41-42］提出了基于联盟链的充电桩共享方案。在虚拟电厂管理领域,文献［43］提出了基于区块链的虚拟电厂运行与调度模型。在自动需求侧响应领域,文献［44］构建了基于区块链的综合需求响应资源交易整体框架；文献［45］探讨了基于区块链的自动需求侧响应系统应用方案；文献［46］建立了储能系统自动需求侧响应的智能合约；文献［47］提出了基于区块链的空调负荷需求响应方法；文献［48］提出了适用于电力系统复杂优化场景的区块链底层技术。

国内外已经有若干基于区块链的系统运营管理试点应用。电动汽车分布式平台［49］上的电动汽车应用（electric vehicle application,EVA）通证可以帮助车主进行共享充电桩以及无人驾驶电动汽车充电的结算。日本的“移动开放区块链计划”［50］将通过区块链促进电动汽车和智能电网协同合作,激励电动汽车在用电低谷期充电,在用电高峰期使用电池反哺电网。在上海嘉定试点的基于区块链的电动汽车充电链示范项目［51］旨在实现区域内充电桩跨平台的共建共享。由区块链管理的光伏电站虚拟电厂［52］用于解决日本甚至全球现有的光伏能源传输和销售效率问题。另外,美国正在研究应用区块链建立整合分布式能源的虚拟电厂［53］。以上项目已经基本验证区块链在系统管理运营场景中能够保护各方权利,同时提升系统运营方的公信力。目前,一个区块链平台通常仅实现一种业务,如何实现不同平台的跨链运行与数据可信互通也许是各系统运营方今后需要考虑的问题。

3.3 能源计量认证

在能源的计量与认证过程中,传统模式下计量、认证机构与交易管理机构间存在信息壁垒与数据篡改风险,给数据同步带来一定难度。区块链的数据共享、信息安全等价值能有效解决该场景痛点。区块链将实现各方机构的信息共享,同时,保证各方计量数据的真实有效与同步一致,简化认证和审计流程。

在碳排放量的认证与交易场景中,碳排放认证与交易分离,多部门标准尚未统一。由中国国家发展和改革委员会与碳交易中心等部门共同建立并维护区块链,能够统一碳排放量认证与交易的流程,做到一次认证,自由交易。

在用电量计量场景中,计量数据在用户、电力零售商和国家电网有限公司等多主体间需要保持一致。智能电表将采集的用户发电、用电和交易电量等数据上传至区块链,可以确保计量数据存证的真实有效以及各方数据一致性。

学术界对基于区块链的能源计量方案已经有了初步研究。文献［54］建立了碳排放区块链网络,实现碳排放权的自动计量；文献［55］建立了基于区块链技术的碳排放权与发电权联合交易平台。

国内外已有若干基于区块链的能源计量认证试点应用。加拿大的气候区块链协会响应“巴黎协定”,正打造连接加拿大碳账户的区块链平台［56］,该平台用户使用专门的代币UTF认证与交易碳积分,使碳积分具备市场流动性。英国开发的Stellar区块链［57］降低了用户进入碳积分市场的门槛,同时还建立了基于区块链的天然气和电力计量系统［58］,并已经在60个能源供应商、5 300万计数节点的模型中验证了该系统的可行性。新加坡推出了基于区块链的碳交易所［59］,使企业和航空公司能够买卖国际民航组织批准的碳排放信用额代币。中国已经完成了区块链智能电表的验证测试［60］。以上项目已经基本验证区块链能够同步各方机构的用户能源数据并确保数据真实性。然而,能源计量与认证过程常常包含大量用户隐私数据,如何在不影响用户体验前提下保护用户数据隐私、维护用户私人密钥是大规模推广前需要解决的问题。

3.4 电力数据流转

某些电力数据的流转过程具有地区跨度大、时间跨度长和主体跨度多的特点,出现问题难以快速确定责任主体,难保数据在流转过程中未被篡改。区块链的记录溯源与信息安全等价值能有效解决该场景痛点。区块链将建立安全、透明的电力数据管理模式,简化合同签订流程,保证凭证的可查、可验和可信。

电力工业包括电网公司等核心企业和大量上下游企业,供应链条长,物资、设备和信息等需要经过多个环节的流转。区块链能够储存电力供应链所有环节的可信存证,使各环节自动履约,实现物资的动态追溯。

电力行业中大量企业通过签订合同达成协作,一份合同在多方流转,存在内容有出入、被恶意篡改的风险。区块链将合同上链存证,经过多方认证生效,内容无法篡改,提高了合同的安全性与可监督性。

电力金融产品的业务流程由银行、电网公司和电力用户等多方参与,需要公开可信的数据流转模式。利用区块链技术管理电费和大数据征信等电力金融产品,可以为中小用电企业提供可靠征信数据和记录,有助于中小企业融资,增强借贷方的风控能力,推动构建高效、安全的市场金融体系。

国内外已有若干基于区块链的电力数据流转试点应用。4NEW是全球首个利用废物发电的能源公有链［61］,涵盖了从废物收集到电力生产销售的整个供应流程。国家电网有限公司目前已经将450多万条订单与合同数据上链［35］,降低了库存商品周转周期,提高了供应链流转效率。“天平链”上签约各类电子合同［35］,使电子合同具备司法效力。“川电云链”平台［62］是提出的首个基于区块链的电力行业在线供应链金融解决方案。基于区块链的电力金融产品“电e贷”［33］目前已完成交易订单数据上链存证2.6万条,服务中小微企业超1万户,授信金额达16.18亿元,并支撑供应链金融产品“订单融资”和“应收账款保理”融资放款额超1亿元。以上项目已经基本验证区块链能在电力数据流转中发挥记录溯源与信息安全的价值。区块链仅能保证链上数据不被篡改,如何确保上链信息在物理世界的真实性是区块链应用于电力数据流转场景中需要解决的问题。

4 现有的区块链开发平台与工具

目前,已有多款开源区块链开发平台支持能源区块链应用开发。以太坊和Hyperledger是目前部署能源区块链应用项目最多的两大平台［14］；Substrate由于在其框架下核心组件搭配相当灵活,具有可观的能源区块链应用开发潜力。

4.1 以太坊

以太坊是一个致力于开发各类区块链应用的生态系统；其以专有的加密虚拟货币以太币（Ether,ETH）作为经济激励,通过以太坊虚拟机（Ethereum virtual machine,EVM）来处理点对点智能合约。

以太坊上部署的智能合约为去中心化应用提供了运行准则。用户向智能合约发送交易请求后,智能合约被自动触发,并按照事先制定好的规则执行出清。

开发者可以采用图灵完备的脚本语言EVM code开发智能合约。为降低开发门槛,以太坊也支持开发者使用Solidity、LLL和Serpent等高级语言编写智能合约,由以太坊提供的编译器汇编为EVM code。

以太坊是开发能源区块链应用的主流平台；目前约有50%的能源区块链应用基于以太坊开发,另约有10%的能源区块链应用部署在基于以太坊技术的Energy Web网络中［14］。

4.2 Hyperledger

Hyperledger是一个分布式总账平台,适用于节点数量较少的企业级环境。Hyperledger与以太坊相比,最重要的特性在于它支持可插拔的共识算法,用户能够根据场景需求选择合适的共识算法。

在Hyperledger上编写智能合约可以使用Go,Java和Node.js等通用语言,降低了智能合约编程门槛。

Hyperledger由于以上特点也受到能源区块链开发者青睐；目前约有11%的能源区块链应用基于Hyperledger开发［14］。

4.3 Substrate

Substrate是一个用来搭建区块链的开源框架。Substrate允许开发者自定义搭建区块链所需的全部核心组件,包括数据结构、网络连接、共识算法和智能合约。

1）数据结构。Substrate的数据结构采用改进的默克尔树,既保存了防篡改特性,也支持用户根据需要自定义区块内容,降低复杂应用场景下的数据存储成本。

2）网络连接。Substrate的网络连接模块libp2p允许开发者自主选择网络协议,提高网络层的可扩展性。

3）共识算法。Substrate支持可插拔的共识算法,不需要与其他模块相联系。针对POW、POS和PBFT等多种共识算法,Substrate都内建了模块化的共识引擎。

4）智能合约。Substrate开发者使用基于Rust语言的智能合约开发应用。该语言兼顾了安全性和高性能,适用于大型场景应用的开发。

基于Substrate的能源区块链应用开发仍处于探索和测试阶段。

4.4 开发平台的对比

以太坊开发者仅能自定义应用层,即编写实现特定功能的智能合约,而不能自定义数据层、网络层和共识层。因此,区块链的开发受到一定制约。但以太坊的优势在于其已经存在庞大的用户基础,生态系统相对稳定,是目前被广泛认可的区块链开发平台之一。在以太坊上,Conjure、My Bit和SolarCoin等能源区块链公司搭建了P2P分布式光伏交易平台［63］；电力零售商Grid+提供了一个得克萨斯州的电力零售项目［64］。以POW为共识算法的以太坊适用于搭建大量主体参与的能源公有链,但它的性能瓶颈使其难以开发实时交易的能源场景应用。

Hyperledger开发者可以自定义应用层与共识层,选择适用场景的共识算法,提升运行效率；同时,也可以避免对加密货币的依赖。这使得Hyperledger成为目前在交易处理和成交延迟方面性能最好的区块链应用开发平台之一。能源区块链实验室已在Hyperledger上开发园区售电试点应用［64］；天然气公司Flexera通过搭建在Hyperledger的En Helix公司区块链结算区域内的天然气服务［64］。Hyperledger适用于搭建少量主体参与的联盟链,以降低去中心化程度为代价提升区块链性能,因此,能够满足某些能源应用场景的低时延要求。

Substrate提供丰富的模块化组件,使用户可以简单实现从应用层到数据层全部层级的构建,提升了区块链应用开发的灵活性。在能源区块链应用的开发过程中,Substrate能够帮助开发者灵活更改组件,测试出最契合特定应用场景的区块链底层技术。但Substrate作为一个较新推出的区块链开发平台,其可靠性仍需要更多项目工程检验。

5 能源区块链的发展建议

目前,能源区块链已经有了不少试点应用,但相较技术成熟与大规模推广还有很长一段距离。本文从应用价值、技术架构、政策支持等方面提出能源区块链的发展建议。

1）应用价值方面。区块链的核心价值在于建立多主体之间的信任关系。第3章中提出区块链能够解决能源领域某些场景的需求,但并不意味着只能用区块链解决。区块链适用于无法建立可信的中心机构来组织协作,或者中心机构面临竞争、需要通过“信任”建立竞争优势的情况,在中心机构可信情况下不必采用区块链技术。在新的“区块链+”应用热潮中,不能盲目跟从,需要真正把握区块链在能源领域的应用价值。

2）技术架构方面。目前,中国区块链平台的建设有待进一步推进,现有大多数能源区块链项目首选以太坊或Hyperledger为开发平台。开发者在以太坊里可以通过编写智能合约搭建应用,但难以自定义数据结构、通信协议和共识算法。同时,开发者在Hyperledger里可以选择适用场景的共识算法,提升运行效率,但依旧难以触及数据层和网络层的定义,很大程度上制约了区块链的应用场景。此外,在中国能源行业推广应用国外区块链平台也存在着数据安全隐患。因此,需要开发自主可控的国产区块链开发平台,推进中国能源区块链应用的深入建设。

3）政策支持方面。区块链技术由于其去中心化的特征,必将对能源系统现有的中心机构管理模式产生冲击,一定程度上影响中心机构的利益。但伴随着能源互联网理念的不断落实,区块链技术在能源领域必将具有用武之地。目前,中国能源区块链的试点项目较少,部分原因在于政策支持仍不完善,相关行业部门不愿意以自身利益受损为代价尝试。完善能源政策体系,制定监管措施,有利于区块链项目的试点应用,促进能源行业的长远发展。

6 结语

区块链有数据共享、社区共治、记录溯源和信息安全这4个方面的价值。公有链、联盟链和私有链等不同类型的区块链,以太坊、Hyperledger和Substrate等不同的区块链开发平台各有特色,可以满足不同能源区块链应用场景的需求。区块链可用于能源市场交易、系统运营管理、能源计量认证和电力数据流转这4类场景。能源区块链的发展需要考虑应用价值、技术架构和政策支持等多方面因素。