区块链技术在电力系统中的可用性研究

王蒙蒙

(滨州学院 信息工程学院，山东 滨州 256603)

20世纪90年代电力系统已经显示出转变的迹象。以德国为例，1991年1月1日《德国电力供应法》生效，目的是有偿购买可再生资源(水、风、太阳等)产生的电力[1]。 2000—2020年，德国又陆续颁布完善了《可再生能源法》(EEG)，其中EEG-2020于2021年1月1日正式生效[2]。近十几年来，由于气候变化、福岛事件等的发生，人们对能源问题的认识日益深刻。另外，传感器、信息通信及可再生能源技术的广泛应用使能源与社会之间的关系不断变化。

简言之，政策对电力系统的转变产生了重要影响，网络和传感器以及通信技术领域的发展进一步推动了电力系统的转型。电力系统的变化特点是通过分散发电将传统的电网发展为智能电网,这反过来又为新的结构、关系和模式打开了大门。

1 电力系统的发展

1.1 电网

电网是由变电站、配电站、电力线路(包括电缆)和其他供电设施所组成的供电网络，其主要特征是能量在长距离上单向流动。为减少损失，传输通常在不同的电压水平上进行并由变压器连接，在我国有超高压(500 kV及以上，输电网络)、高压(110～500 kV，超区域配电网)、中压(10～35 kV，区域配电网)和低压(低于400 V，局部配电网)4种。

1.2 智能电网

可再生能源越来越多地被纳入能源系统，提高效率和减少消耗的措施逐渐被视为能源系统转型的关键。智能电网是可再生能源利用的重要部分。智能电网拥有更分散的生产者，通信技术、设备和智能软件贯穿整个电力系统。它把以前僵化的价值创造结构转变为动态的价值创造网络，使电力供应从“向你”转变为“和你”。

数字化和多元化正在改变电力市场的社会技术系统，并在参与者和子系统之间形成了许多新的交易(包括经济方面和数据集方面)。安全、高效和透明地执行这些交易非常重要，区块链技术可以对此做出重大贡献。主要包括：提供能源控制和电网稳定措施；宏观和中观电力交易以及邻里和租户电力模式；可再生能源的认证和原产地证明(能源产生的类型、地点和时间)；实时控制联网智能设备(物联网)的能耗行为(负荷控制)；计费过程的自动化，包括收费、支付、报酬等；透明地提供能源领域的可靠数据，例如消费统计或可再生能源(风能、太阳能等)的生产统计；为配网运营商和公用事业进行资产管理[3]。

区块链技术可以直接在电力系统参与者之间建立分布式共识，并确认收益和权利。它允许智能合约用于自主系统的合作和收益核算，具备可追溯性和不可逆性。这是扩展智能电网的基础，有利于促进分散电力系统中各参与者的互动。

1.3 微电网

光伏系统和家庭储能等现有技术是电力系统分散化的明显特征。电力消费者可作为生产者，也可在必要时作为储存者。生产者可生产、储存和消耗自己的电力，也可交易任何盈余或通过连接“公共”电网弥补自己的电力不足。

当产销者(微电网类用户)联合起来时就形成了集群式联盟(也叫产销者联盟或微电网)[4]。集群中的产销者主要是自产电力的消耗者，也是通过交易盈余进行电力微观交易的参与者。微电网是区块链应用平台的基础，可以允许光伏系统和存储设施直接与网络中的消费者(例如电子移动充电站)进行电力交易。

2 基于区块链技术的电力市场交易

电力市场转变的基础是政策监管措施的调整和技术的发展，安全可靠是具有大量交易者和交易过程的微电网市场运作的核心要素。因此，区块链技术在电力系统中的适用性由其安全性和可靠性决定。

2.1 区块链技术概述

区块链技术是集群式系统的基础，其主要特点包括：智能合约、可追溯性和所有权证明(出处)、身份管理(产销者和设备)和小批量交易[5]。该技术允许创建分布式账本，即数据不仅集中存储，还与区块链网络中的所有参与者/节点同时存储，数据的完整性不依赖于一个节点。所有节点必须就数据或包含数据块的有效性达成一致(共识机制)，该机制基于可理解和可验证的复杂规则，使用密码哈希函数连接。区块链网络中的所有参与者都可以随时查看和跟踪区块，但不能事后更改，这确保了系统的透明度。另外，为保证数据和参与者的完整性，采用非对称密码体制。

总而言之，不需要额外条件，借助区块链技术可以有效防止数据被操纵,促进外部行为者(用户)之间建立更牢固的信任关系。因此，这项技术可以成为电力系统各种应用的基础。如果考虑智能合约，则区块链技术在电力系统的适用性将得到进一步加强。智能合约的程序逻辑在协商一致网络中执行，就执行结果达成共识并存储在区块链中，外部触发器(事务、消息和事件)激活智能合约的执行。与数据一样，程序逻辑一旦锚定在区块链中就不能随意更改，这将彻底避免人为干预的风险。

2.2 区块链技术应用

区块链技术利用共识机制在分布式数据库中创建交易协议，无需第三方也可以保证操作安全、信任和透明。智能合约在电力系统特别是P2P(用户间直接交易)领域为业务流程的执行提供了巨大的自动化潜力。

公共区块链使用工作量证明作为共识机制，在电力系统中由于其效率和环境等原因很难被接受，特别是当考虑分布式需求响应(DR)管理等流程时。私有区块链通过邀请(许可)访问网络，以确保参与者的有效性,是一种较好的选择。对于网络控制访问，可以采用不同的准入机制，例如现有市场参与者可以决定未来的参与者，或者监管机构可以颁发参与许可证。区块链技术的特点和智能合约在以太坊等平台上的可用性都为其在电力系统的适用性提供了基础，有利于刺激电力市场进一步分散和P2P直接应用。

2.3 区块链电力系统

全球电力系统模式主要是集中模式，少数集中的生产者使用已建立的国际、国家和区域基础设施，以电力传输网络的形式向大量消费者提供电力。区块链技术的分布式性质显然不太适合这种模式。与用户在区块链中的主动作用相比，集中电力系统中的消费者较为被动，且电力的转移是单向的，付款转移也是单向的。人口、气候、财富分配等全球性问题给电力系统的发展带来重大挑战，其中很多无法通过当前的配置得到有效解决。

对未来电力系统的框架和特征，当前学术领域主要提出了三种设想：继续发展集中电网、电力领域与其他领域融合的智能电网或被称为“无网络”的半自治系统和分布式系统[6]。虽然智能电网为基于区块链的电力开发和发展提供了最佳机会，但在“无网络”的未来，区块链在小型“邻里网络”中的应用也是可能的。目前，电力系统区块链技术的发展遇到一系列障碍，主要是既定的工业结构、技术或辅助基础设施,既定技术、公共政策、市场、用户行为以及现有系统的知识库。

现有的工业结构、主导技术及基础设施之所以是区块链电力技术的障碍，主要是因为它们在设计和规模经济方面都是为集中电力系统开发的。因为相应的产出难以达到预期要求，所以传统电力公司往往不愿意投资规模不足的项目。

电力系统现有知识库主要是为了在现有框架内利用和优化现有技术。虽然相关知识正在收集，但知识库仍在开发阶段。

潜在的区块链能源用户和市场分布于全球各地，而各地的用户类型、需求和期望都不同。在发达国家，能源系统的分散化作为环境、可持续性和透明度驱动的一部分得到支持;而发展中国家更倾向于分散网络，因为分散网络是离网地区提供电力的一种有效手段。就电力制度而言，政策制定僵化、行业利益固化可能导致小生产者无法加入电网交易过剩的电力，所以，在电力制度相对灵活的地区更有可能应用区块链技术。对用户来说，一个主要障碍是区块链用户的代理需求增加，这种障碍可通过提高基础系统的自动化程度加以解决。

一般来说，任何未来电力系统的公众期望都可以描述为：电力安全、电力公平和可持续性。区块链电力系统具有更强的韧性、去中心化及通过使用可再生能源实现的可持续性，可以与电力安全联系在一起。由于早期区块链网络缺乏经济规模效应，电力公平可能在早期阶段很难实现,随着组织结构和商业模式不断优化，区块链系统将能够满足公平要求。

3 区块链电力系统的机会和风险

区块链的应用领域已经多样化，相关技术已经比较成熟，且出现了许多新项目。实践表明，在能源市场，特别是在微电网应用方面，使用区块链技术是有意义的。

当前对公共区块链优点的理解主要包括：(1)在很大程度上数据的不变性得到了保证；(2)高可靠性和容错性,每个参与者都有权生成块并保存数据副本，任意攻击几个节点不会损害整个网络；(3)数据完整性,在网络上所有节点之间数据相同；(4)一致性,每个值都可以分配给参与者；(5)智能合约，不需要中介；(6)连通性,数据存储的新标准使其能够组合来自不同提供者的功能；(7)为生产者提供了进入电力市场的便利；(8)消费者可以更容易分析和评估他们的消耗。尽管公共区块链技术有诸多优势，但和私有区块链相比，也存在较明显的缺点。

虽然区块链在小规模应用上已经取得了一些成功，但在电力系统广泛应用还面临挑战。除了技术外，法律和监管问题是目前区块链应用的最大障碍，涉及合同法、能源法、数据保护等。

虽然分散化有防止欺诈、交易时间短、没有单一的失败点等优点，但公共区块链也有以下缺点:(1)成本，最常用的共识方法是工作量证明，每笔交易都要消耗计算能力；(2)责任问题和消费者权利尚未得到澄清；(3)数据保护,所有数据通常在公共区块链中可见；(4)区块链容易受到分布式拒绝服务等攻击，如果攻击者获得块链51%的节点，则可以进行相关数据的更改；(5)可扩展性问题，受限于分散程度，随着参与者数量的增加，区块链变得缓慢；(6)对已部署块链代码的更改比较难，网络的大多数节点必须批准一个新版本；(7)区块链应用程序编程接口(API)缺乏标准，不同技术的互操作性较困难；(8)私钥管理问题,使用私钥验证用户的身份，如果私钥丢失则无法访问区块链上的数字资产。

区块链技术的复杂性、不确定性和缺乏标准使其应用还存在一些困难。智能合约中即便小的编程错误也会使它们容易受到网络攻击；如果P2P网络失败，供应的安全就会受到威胁。网络的分散性质几乎不能确定谁对公共区块链中的错误负责，密码算法中的未知漏洞也不能完全被排除。

从数据保护的角度看，以分散的方式存储加密数据并不安全，网络中的所有参与者都可以将数据临时存储在本地，若时间足够长，数据就可以被破解。数据在所有节点上复制，节点越多，冗余越多，磁盘空间使用越多，潜在的攻击者可以访问区块链中所有数据的副本，利用数据挖掘等分析技术获得用户和区块链应用的信息。

尽管存在风险，区块链在金融市场、P2P交易、审计、医疗保健、保险等领域均有应用。因为在分散的区块链上进行交易更容易，独立的电力公司更赞成使用区块链技术。

当前，已经可以将智能合约与现实数据连接起来，以便了解和使用来自其他基础设施的信息，例如通过与支付提供商直接连接来减少管理开销。

人工智能(AI)可以从外部世界了解信息，并将其翻译为智能合约。将深度学习集成到区块链中可以解决数据权限的问题，并将个人数据的控制还给网络参与者。此外，数据分析可以与区块链一起用于检测数据中的异常并识别可疑活动，因此，可以将AI与区块链集成到一个自主、安全和独立的交易系统中。还可以通过分配器与附近的光伏系统实时自主地协商价格和执行交易。

交易的可追溯性可以确定能源的来源。如果智能电网提供不同类型的能源，消费者就可以选择能源类型。

简而言之，智能合约提供的盈利机会在于通过过程自动化和消除中介机构来降低成本。这种机会也是产销者在系统中发挥主动作用，而不必依赖能源巨头的结果。

目前,大规模电力市场在公共区块链上进行分散是不可行的。使用私有或授权的区块链可以解决传统区块链的许多问题：(1)交易成本比较低，交易不需要每个节点都进行验证，提高了网络性能，降低了能耗；(2)当网络访问仅限于可识别的参与者，并且在网络中可能有负责的权威机构时，私有区块链系统提供了更多的数据保护。在未来区块链上进行数据的匿名化将是一个趋势。

在私有区块链中关键属性“可信度”不是给定的，而是集中控制的。一个授权的区块链参与者能决定谁可以参与，哪些交易是公开的；区块链具有完整性和安全性的优势，虽然区块链被控制，但事务是安全的，不能以隐藏的方式修改。

信息技术公司可以对授权的区块链进行操作和维护，产销者只需要处理好网络连接问题。在当前的开发状态下，每个智能电网的单独块链可能过于复杂，并且由于实施错误而导致安全漏洞的风险也非常高。

由于电力设施不再是电力系统的焦点，市场上现有的参与者可能会对分散化的转变产生相当大的阻力。尽管技术的发展可以使参与者的权益进一步平衡，使参与者转化为已建立的供应商在合作中的直接竞争对手，但集中式电力公司可能会对电力分散化进程带来一些阻碍。

分散的电力市场的缺点主要是在网络安全和不适应的法律现状，以及基础设施的转变成本。因此，产销者、制造商和公共机构可能对区块链在多大程度上用于智能电网及将使用哪些技术感兴趣。

4 结论

区块链技术在不同背景和领域中的可用性已经在理论上和实践中被证明，电力系统实施区块链技术正变得越来越迫切。虽然安全性、透明度和灵活性的提高使区块链技术具有诸多优势，但在系统层面(主要与能源政策有关)和技术层面还存在许多挑战和风险。尽管许多问题在原则上可以解决，但要找到系统解决办法，在很大程度上取决于目前的电力制度、未来的驱动因素和发展趋势，以及广泛的社会经济环境形势。此外，并非所有区块链电力系统的社会技术配套措施都具有一样的效果。例如，虽然公共区块链电力市场在透明度和客户交流方面是一种更理想的配置，但这种模式在市场实践中几乎不可行，而具有潜在集中控制机制的私有区块链在市场上已经实现。

总的来说，区块链电力系统是未来非常有价值的发展方向，如何将区块链技术更好地应用于电力系统，并促进电力市场的健康发展，将是今后政策制定者、研究学者和实践者共同的努力目标。