能源互联网下的区块链应用分析

廊坊英博电气有限公司 娄丽丽 索红亮 王显磊 杨鹏

本文将区块链技术与能源互联网行业各自的特点进行了比较分析，根据两者的内在一致性，探讨了区块链技术能源应用场景，制定了详细准确的交易规则、市场定价规则，同时对建立在区块链上的能源交易进行可行性分析。

1 区块链关键技术理论

区块链技术建立在多种技术综合的基础上，其主要包括分布式共识算法、非对称加密算法[1]等，下文将对主要技术进行系统介绍。

通常情况下，公钥和私钥同时出现，同时存在：若是信息前期加密处理采用公钥，后期解密就必须利用对应的私钥完成；若是信息前期加密处理经过私钥，后期解密就必须利用对应的公钥完成。

Merkle 树[2]又名Hash 二叉树，主要用于存储Hash值。需要存储的数据被散列后，其Hash 值存储在Merkle树的叶节点，当Hash 值在子节点进行串联后，原则上将会存储在Merkle 树的非叶节点中。

2 区块链技术结构

（1）数据层：当我们需要对数据进行分析整合的时候，采用了先进的加密技术，使Merkle 树结构的功能得以充分体现，从而对底层数据块予以完整的保存；（2）网络层：充分发挥网络、数据传播以及数据验证等3 个机制的作用，从而实现区块链系统各节点数据更新的协同性；（3）共识层：充分调动每个节点的活跃性，使他们高效的参与到交易中，进而建立一种富有共识度的算法模型；（4）激励层：为了提高这其中的数字加密货币的效率，我们巧妙地从经济层面着手进行分析，具体而言就是通过经济领域的分配方式来激励它；（5）合约层：对于区块链技术特有的可编程特点进行分析，然后具体投入应用；（6）运用层：在整体的区块链系统中生成的模型有效的映射到每个对应的子系统中。

区块链数据的生成过程为各数据区块依据标准的流程予以有效链接，区块头与区块体构成一个数据区块[3]，时间戳可以反映出每一区块的具体生成时间，使每一个数据的准确性大幅上升，保证数据检索与验证时间的充足性。

3 能源互联网下的区块链应用分析

区块链在分布式的交易模式中，具有极大的应用前景，不像在传统模式下的交易过程中需要引入第三方的机构来进行信息衔接，而是结合自身的结构特点，对全过程产生的数据进行记录、论证。由于互联网在产生之初就有的信任缺陷，区块链技术刚好解决了这一危机，它巧妙地将密码学和数学进行结合，制定出一套适合自身发展的计算方式。

从本质来看，区块链技术和能源互联网都以智能设备物联网为基础，都追求去中心化、自治性、市场化、智能化等特点[4]，从而建立相关的技术或网络。依据具体特性可知，二者具有相互对应的特征，具体特点分析如表1 所示。

表1 特征对比及应用Tab.1 Feature comparison and application

具体描述如：（1）二者对去中心化这一理念都有着相同的体现。因为在区块链中，完全不存在中心数据库这一概念，它是由一个一个的节点构成的整个信息系统的，每个节点都有自己的任务；而新型的能源互联网所采用的分布式能源结构以及微电网模式[5]，将消费者理念同生产者理念进行联合式反应，从而保证彼此之间的公平公正性。（2）他们自身的结构以及运行方式无不体现着自治性与高度的协同性。区块链系统不需要额外的机构管理其运行和维护；而在能源互联网中，由于实际的应用场景，必然需要具备高度的自我调节能力以及适应能力。（3）这两种模式都需要建立适用于不同市场的高效实用的平台。我们利用区块链的技术特点，旨在建立一个公平开放的市场机制体制，同时其他的金融产品也可以在这一平台上进行交易；而想要使能源互联网稳步地向前推进，我们需要一个更加开放的能源市场，因而需要与之对应的金融交易平台。（4）由于二者都是建立在现代信息科技的基础上，因此他们都有着相当程度的智能化特点，这也使其在具体的应用中更加的便捷[6]。其中区块链通过智能合约等专有工具，用以提高合同的实际执行效率；能源互联网中存在从发电环节到用电环节的多种设备，如分布式能源、储能装置，必须依赖于智能合约才能保障能源系统的交易实现自动化。

基于区块链自身适应性强的特点，无论是多边的分布式能源交易还是智能化的能源交易市场都将激发区块链的技术潜力。针对能源互联网应用系统中各个模块存在的问题，区块链技术能够依靠自身的链式特征和独特的区块结构融合到能源互联网中的各个层面，促使能源互联网更高效准确地投入使用。一方面，基于区块链自身特点能够使P2P 网络摆脱中心化的束缚，符合能源互联网各主体平等分散决策的理念；另一方面，利用区块链无需第三方的共识机制，能源互联网能够实现多元化、开放化的交易市场，促进各主体参与进能源交易中，为能源行业提供一个市场化平台，有效提高能源体系的开放性[7]。

4 区块链技术能源应用场景探讨

4.1 可再生能源消纳

随着可再生能源爆发式增长，可再生能源发电消纳问题凸显，为了解决这一问题，各地政府也相继颁发保障机制，要求落实消纳责任权重实施工作。可再生能源消纳凭证由企业和用户自愿认购，但存在动力不足，不能二次交易，交易、核发流程繁琐，价格过高，流动性不足以及绿卡开发系统无法自行认证等问题。在保证电网安全的前提下，留出足够的空间给可再生能源进行充分的消纳。

结合区块链技术提高可再生清洁能源的电网可以消纳的空间，进而促使凭证在颁发的过程中完全的公开透明，得到了有效的监管和控制，主要体现在以下几个方面：

（1）通过区块链的去中心化技术改变目前偏保守的新能源中心化调度机制，增加新能源消纳空间；（2）通过区块链技术聚合数量庞大、资源时空分布差异巨大的各类新能源发电单元，通过基于区块链的开放性自组织网络，实现对于新能源汇集点功率的动态平衡控制；（3）由于新能源抗扰动能力差，容易发生连锁脱网事故，目前为了电网事故预留的备用容量也挤占了部分新能源消纳空间，如果通过区块链技术聚合各种可控电源和负荷，并且基于智能合约实现基于实时状况的自动控制，则有望有效减少不必要的调度备用安全裕度，进一步扩大可再生清洁能源的消纳空间提高各种资源的利用率。

4.2 需求侧响应

现实的用电往往存在高峰阶段与低谷阶段，这时候就需要一个机制来对这两种阶段的数据进行相应的分析，进而确定需要补贴的实际数额，而需求侧响应通过采取各种不同的奖励机制，激励用户错高峰用电，进而使当地的电力应用达到一个平衡的状态。但是在执行的过程中仍旧存在两个难以协调的问题，一方面，广大的用户不能在电表中显示，客户就无法对这一情况进行合理的响应；另一方面，由于需求响应数据往往都是由各大电网公司提供的，很难对其实施有效的监管，而且电网公司做出的声明也很难在实际中完全信任。

将区块链和分布式交易模式进行整合之后，能够对数据进行充分的响应，实现数据信息的实时共享，同时也支持数据进行相应的校验，并且可以根据区块链上的共享数据自主确定发电策略和需求侧互动方案，消除用户对响应数据的质疑。

4.3 综合能源服务

当前世界各方正在对能源结构进行协调整合，在电力领域的变革也是十分巨大的，综合能源在这场变革中扮演着十分重要的角色。能源的覆盖面更加的广泛、客户的种类更加的丰富、他们所需要的交易模式更具多样性，我们也需要建立更加完善的安全保障机制，使整个交易能够实现更高的实时性，并且能够对整个交易体系进行全方位的管控。

区块链在与智能合约、分布式模式下的决策、交易流程的全方位监管等方面有着显著的优势，它能够使综合性的优势充分凸显，信息的及时性和可靠性得到大大的保障，当建构起一个由能源、电网、买卖双方用户等不同参与者参与运行的通信网络时，综合能源的优势就格外的明显。另外，区块链由于开放性特征，能够更为自由和灵活地聚合管理大量中小型电源资源和负荷资源，为电力系统提供更高的安全裕度，可以接纳更多可再生能源，同时，区块链创造的动态实时的容量和电量市场，可以为化石能源参与新能源提供更好的经济补偿机制，调动化石能源企业的积极性。

4.4 数据可信共享

原本涉及数据的共享，就存在着技术上的壁垒，加上电力行业的垄断，使得这一难题变得更加错综复杂，由于缺少相关的安全监控机制，致使数据不能得到充分的利用，数据之间的联系也就不会那么的紧密，造成生产效率长期保持一个较低的水平。

以区块链为基础架构，将整个电网的实际运行、产生的电量费用以及不同用户的信息数据统计进行整合，在实现保护隐私的同时，又能促进数据可信度的共享。我们将数据的目录进行整理归纳，对数据的整个访问过程进行监控，通过一系列程序即可对数据进行加密存储，在区块链的基础架构上，对数据进行权力归属的确定、来源的追溯、可信度的计算，使数据能够在交易各方之间进行充分共享。

4.5 电力交易

随着对电力市场的深度改革，给予了市场主体更大的自主权，使他们能够以更加适合自己的需求进行能源交易。在当前的交易模式中，交易过程中往往就需要面临高昂的成本、效率低下的问题，且存在不公平的现象。如果我们将市场主体、交易合约与区块链进行有效结合，一方面可以大大的提高市场主体的可信赖程度；另一方面也能提高用户之间的交易隐私，使合约更具权威性。

将区块链技术具体应用到电力的实际交易中，一方面能够营造一个更有安全保障的协商环境，使签署缺陷得以改善，提高效率、降低成本；另一方面，也能够建立一个有监管的技术机制。最常见的应用是，目前新兴的电动车充电的支付方式，通过区块链技术很好地解决了充电支付的混乱现象，实现了去中心化的目标，建立起了充电网络的区块链应用，将卖方、买方以及运营商与区块链技术进行创新性的结合，使计费真正实现公平公正。

5 基于区块链的能源交易可行性分析

5.1 交易定价规则

5.1.1 交易设计

交易设计示意图如图1、图2、图3 所示。

图1 电能存入设计示意图Fig.1 Electric energy storage design schematic diagram

图2 撮合交易示意图Fig.2 Schematic diagram of matching transaction

图3 确认交易示意图Fig.3 Confirm transaction diagram

5.1.2 定价规则

基于区块链技术的电力实际交易情况如图4 所示中的虚线，该交易模型中传统能源发电量稳定在250MW，分布式光伏和风力发电作为能源网络中的增量补充，由于光照条件和风速的影响，分布式光伏与风力发电具有一定的波动性。

图4 电量交易示意图Fig.4 Schematic diagram of power trading

在0:00 ～6:00 这6 个小时中，受时间段的影响，光伏、风力等各种能源无法充分发力，用户对电力需求较少，因此很少按照合约规定的电力交易价格发生电力交易。自7:00 起，用户的用电需求趋势开始上升，而此时光伏、风力发电量增长趋势缓慢，因此光伏、风力发电可按照合约规定的较高的价格出售给电力用户。自8:00 起，光伏、风力发电呈现较快增长趋势，可保证供电的及时性与充足性。这时，以区块链技术为基础的交易平台可以实时显示出用电供需信息，为了吸引用户增大用电量，采取了降低光伏、风力发电电价的措施，从而避免能源浪费情况的出现。当光伏、风力发电处于一个平稳的状态时，交易的价格亦趋于平稳，只是随着光伏、风力发电量的多少，价格也有甚微的偏差。在13:00 ～17:00 两个时间段中，新能源发电会出现发电量即时增加的现象，与8:00 时间段类似，新能源采取压低价格的方法，促成电力交易。由于区块链的电力交易往往发生在很短的时间之内，这就有利于新能源发电以及相关的电力交易也大大缩短了交易时间。

5.2 交易过程描述

微电网运行数据来源于某社区的分布式光伏发电站，其数据是高度保密的，无法得知具体情况，在此做出简单阐释。笔者在撰写本文时选择了光伏发电的微电网，而且在不同的交易模式中，选择了分布式的交易模式，在这些用户中，他们都安装了光伏系统以及双向电表，我们安装双向电表主要是为了及时的记录数据，并且它所记录的与实际的误差也很小，几乎没有明显的差异，只是在安装的规模上存在差异。这里研究涉及的内容仅有光伏发电系统处于功率输出的状态时，光伏用户之间才进行电量的买卖。同时假设每一用户采用的均是大电网售电与收购余电电价中的最佳用电方案。负荷数据如图5 所示，光伏发电数据如图6 所示。

图5 负荷数据Fig.5 Load data

图6 光伏发电数据Fig.6 Photovoltaic power generation data

依据用户当天光伏功率图的走势与数据可知，早7晚6 这一段时间内，用户的分布式光伏才有功率输出，因此仅针对这一段时间中的微电网用户的买卖电量予以探讨分析，如图7 所示。

图7 净光伏发电数据Fig.7 Net photovoltaic power generation data

由图7 的图线走势可知，在某一时段中，当分布式的光伏发电的实际输出功率大于零的情况下，就都被定义为售电用户（输出功率大于零指的是输出净功率，即减去自身消耗）；分布式光伏输出功率小于零的均是购电用户。用户2 的分布式光伏输出功率基本保持在大于零的水平上，所以其为代表性售电用户。其他用户随着时间的变化，其角色也处于不断转化的状态中，保持在一个均衡的水平。微电网内的用户分布式光伏输出功率与负荷特性具有显著的差异性，所以选择在这种类型的微电网内，我们往往以区块链为基础，使微电网内部的不同用户进行交易或者合作。

不同时间段的用户对电的需求量是不同的，以此为依据，我们可以将整个用户市场简单的进行分类，即买方用户和卖方用户这两种类型，在每一个不同的交易时间段，买方用户和卖方用户并不是固定不变的，一直是处于动态变化的，如表2 所示。

表2 净光伏功率Tab.2 Net photovoltaic power

对表2 的数据进行分析之后，不难发现，光伏系统的两种状态，当处于输出状态时，在上午的7 点、下午的5 点、6 点这三个时间段，销售电量竟然为0，而且大部分是来自微电网的购买；在上午的8 点、9 点，下午的1 点、2 点、3 点、4 点这几个时间段中，售电功率远大于零，但是购买的电量却往往更少，这也就是出现的供不应求状态，致使买方购买的电量需要卖方用户以及大电网进行结合，才能满足需要；在10 点、11 点、12 点这几个时段的交易状态为售电功率远大于购电，微电网购电用户群可以按照内部电的最低价格直接从卖方购进需要的电能，而且卖方大多数将剩余的光伏功率售卖给其他需要购买电的用户，因为在微电网内部，即使有剩余的电量，也不能够内部之间移转消纳，因此不能将其售卖至大电网。

例如，在15:00 时段中，当微电网内部电价明确之后，基于区块链技术的平台匹配流程已完成，用户1 作为购电方，用户2 作为售电方，双方顺利达成交易，并予以智能合约的即时签订，如表3 所示。交易周期为15:00-16:00，结算期限到16:00。为了使计算过程变得更简单，我们往往会采用智能合约的信息表：假设使用电的用户客户端地址为0×01，而在销售电的用户客户端的地址是0×02，进行分析之后就会得出一个信息表。

两方用户顺利达成交易之后，智能合约将以上的重要信息予以即时记录，两方交易用户运用私钥与公钥，由于双重加密，使我们签署的智能合约的保密性、安全性更强。因此，当我们在安装智能合约的时候，买卖双方往往都会将智能合约与区块链进行结合，区块链系统借助P2P 网络平台实现智能合约在其他节点数据库中的同步转移。当其他节点信息同步至智能合约数据后，交易数据将被予以打包处理，从而建立一个数据区块，并且采取Merkle 树形式将数据存储至相应的数据区块，数据区块即当前区块链中的全新区块，数据区块链与区块链末端予以有效链接时，数据便无法更改。以Merkle 树形式为记录方式的智能合约，叶节点中的智能合约有大量和表3 中用户1 与用户2 交易过程中产生的必要数据。

表3 用户交易智能合约信息表Tab.3 User transaction smart contract information form

在区块链系统中，有一个十分重要的环节，那就是平台服务商，这是由智能合约的性质决定的，其均被平台服务商的公钥与用户的私钥作以加密处理，平台服务商通常将用户的私钥与自身的公钥进行结合，再应用到这一智能合约上，就能够将其解密，当然也就能够获取在智能合约中所实际的各项交易信息，进而对电力工作进行实时的协调。交易完成后，也就是在16:00 这一时间点，智能合约通过双向电表，获取数据信息并予以实时完整记录，从而顺利达成交易。在这里我们往往借助预测误差补偿的模型，当完成每一项具体的交易任务的时候，智能合约再根据它所计算出的交易信息结果进行分析处理，这样就能够使资金转移更加的智能高效。设此次交易时段未出现违约事项，则可得到如表4 所示的交易账户余额信息。

表4 账户余额变化情况Tab.4 Change in account balance

智能合约有一独特的属性，它能够将在区块链中出现的各种程序代码进行规范的存储，当然这是在对Merkle 树结构进行分析应用实现组织的有效存储，到期限后将会实现触发执行的自动化，资金以合同内容予以自动转移，从而保证交易的正常行进，区块链系统保证了交易的高效性、高诚信，因此运用先进的区块链技术可以实现点之间电力交易的高度自动化。

5.3 可行性分析

当我们对分布式的交易模式进行效益性检验时，得出的结果也实现了我们的预期，这一检验建立在区块链的技术之上，对微电网的交易进行成本分析、效率对比等，结果达到了预期。对用户而言购买成本大幅降低，而用电效率却并没有下降，反而有些许幅度的上升，这也实现了我们预期的目标，降低微电网与大型电网之间的力量角逐。

在知悉这一利益之后，诸多企业纷纷投入到能源互联网中，使区块链技术广泛应用，比如：可交互电网平台TransActive Grid 地址位于纽约布鲁克林Gowanus 和Park Slope 街区，由区块链开发公司Consensus Systems和美国的一家能源公司L03 Energy 合作建立，目的是为少数住户提供服务，使平台上的各个新能源的发电用户与用电用户能够不通过第三方限制，随时随地进行新能源的交换。

以区块链系统作为基础，在澳大利亚内陆，美国的一家公司Filament 于各个电网节点设置了一系列叫做“taps”的检测装置当作实验，该检测装置能够实时监控各个电网节点的工作情况，并且传递情况信息于远在200英尺的另一个检测装置，公司为此创建了对应的通讯机制。一切用户都能够在区块链系统里传递互享信息与数据，利用电脑、IPad、手机等连接相关设备。信息会被分别传递到用户、电网维护公司、媒体、政府手上。

为了在区块链系统中达到向个体消费者新能源的直接交易的目的，欧盟Scanery 项目打算给予能源供应者一些奖励，奖励品和区块链中的NRG 币相类似，而且它也会尝试定时的监控消费状况，每间隔15min 就对交易系统进行一次分析，进而得出当前的消费状况。当前，德国的电能提供厂商RWE 正着手探究以区块链作为基础的电动汽车充电站的收费形式。

从前述的每个实例中进行分析，很明显现在已经有很多公司开始将区块链加入到能源互联网，进一步的提升能源互联网的使用价值，但仍需作进一步的探索和实践。

6 总结

本文首先详细阐述了区块链关键技术理论，主要包括非对称加密算法理论与实现流程、Merkle 树的结构与创建步骤、智能合约执行模型。然后从区块链系统各层的功能、层与层以及与整体的构成关系的角度，对区块链技术的结构以及原理进行了详细的论述，紧接着将区块链技术与能源互联网行业各自的特点进行了比较分析，整理出了两者的内在一致性，在进行相应的调整以及协调之后，便于在能源互联网领域进行广泛的应用。之后探讨了区块链技术能源应用场景，主要包括可再生能源消纳、需求侧响应、综合能源服务、数据可信共享和电力交易5 个场景。最后一步是我们要制定更加详细准确的交易规则、市场定价规则，同时对建立在区块链上的能源交易进行可行性分析。