區(qū)塊鏈在能源電力行業(yè)應(yīng)用探索與展望

區(qū)塊鏈在能源電力行業(yè)應(yīng)用探索與展望

王 棟  國(guó)網(wǎng)區(qū)塊鏈科技(北京)有限公司

　　由于存在系統(tǒng)易被攻擊、數(shù)據(jù)易被篡改等技術(shù)瓶頸，能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)難以實(shí)現(xiàn)多主體融通發(fā)展。被譽(yù)為“信任機(jī)器”的區(qū)塊鏈以其分布式存儲(chǔ)、防篡改、可追溯、多節(jié)點(diǎn)共享的技術(shù)特性對(duì)于能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)有重要推動(dòng)作用，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)在能源電力行業(yè)有著巨大潛在應(yīng)用價(jià)值。

　　2019年10月24日，習(xí)近平總書記在主持中共中央政治局第十八次集體學(xué)習(xí)時(shí)強(qiáng)調(diào)，要把區(qū)塊鏈作為核心技術(shù)自主創(chuàng)新的重要突破口。這開(kāi)啟了我國(guó)區(qū)塊鏈行業(yè)發(fā)展新紀(jì)元。一年來(lái)，區(qū)塊鏈技術(shù)在能源電力行業(yè)的研究應(yīng)用取得諸多新進(jìn)展。本文將從能源區(qū)塊鏈平臺(tái)建設(shè)、區(qū)塊鏈在能源電力行業(yè)的應(yīng)用、能源區(qū)塊鏈面臨的挑戰(zhàn)及其發(fā)展前景進(jìn)行分析，供參考。

一、能源區(qū)塊鏈平臺(tái)建設(shè)

　　能源區(qū)塊鏈平臺(tái)是以區(qū)塊鏈為底層基礎(chǔ)技術(shù)，深度融合大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)而打造的適應(yīng)能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，面向能源行業(yè)的公共服務(wù)平臺(tái)。

　　(一)能源區(qū)塊鏈平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

　　能源區(qū)塊鏈平臺(tái)以聯(lián)盟鏈架構(gòu)為基礎(chǔ)，采用“主、側(cè)、從”多鏈混合模式(見(jiàn)圖1)，構(gòu)建覆蓋電力、石油、天然氣等各類能源業(yè)務(wù)應(yīng)用的區(qū)塊鏈公共服務(wù)平臺(tái)，為能源行業(yè)跨地域、跨企業(yè)的多方協(xié)同與信任傳導(dǎo)提供支撐。

圖1 能源區(qū)塊鏈平臺(tái)多鏈混合架構(gòu)模式圖

　　“主、側(cè)、從”多鏈混合架構(gòu)模式能夠適應(yīng)體量大、業(yè)務(wù)雜、數(shù)據(jù)并發(fā)率高的能源行業(yè)，并且具有良好的節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展性與可靠性。其中，主鏈覆蓋能源領(lǐng)域各企業(yè)，提供基于區(qū)塊鏈的跨企業(yè)數(shù)據(jù)交互和共享服務(wù);側(cè)鏈向能源領(lǐng)域某一行業(yè)進(jìn)行延伸，覆蓋行業(yè)內(nèi)相關(guān)企業(yè)，支撐主鏈更廣范圍覆蓋、更全面數(shù)據(jù)交互應(yīng)用;從鏈則以實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用需求為導(dǎo)向，進(jìn)行應(yīng)用擴(kuò)展，支撐主、從鏈實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的全覆蓋。

　　基于“主、側(cè)、從”多鏈混合的架構(gòu)模式，國(guó)家電網(wǎng)公司建設(shè)的國(guó)內(nèi)最大能源區(qū)塊鏈公共服務(wù)平臺(tái)——“國(guó)網(wǎng)鏈”已實(shí)現(xiàn)在25個(gè)業(yè)務(wù)場(chǎng)景的落地應(yīng)用，上鏈數(shù)據(jù)超1億條，應(yīng)用成效顯著。

　　(二)能源區(qū)塊鏈平臺(tái)公共服務(wù)

　　能源區(qū)塊鏈平臺(tái)可為能源產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)提供身份認(rèn)證、存證溯源、合同管理、交易撮合、可信接入、數(shù)據(jù)共享等服務(wù)，實(shí)現(xiàn)能源行業(yè)要素的有效共享，推動(dòng)能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化升級(jí)。

　　1.身份認(rèn)證服務(wù)：針對(duì)傳統(tǒng)認(rèn)證技術(shù)的密鑰管理、驗(yàn)證煩瑣、成本過(guò)高等問(wèn)題，發(fā)揮區(qū)塊鏈多節(jié)點(diǎn)共享技術(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)多主體間業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和信息的有效共享，可有力優(yōu)化能源業(yè)務(wù)流程，提升多元主體間靈活、可信、高效的協(xié)同互動(dòng)。

　　2.存證溯源服務(wù)：基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)存證溯源服務(wù)是一種全新的分布式基礎(chǔ)架構(gòu)與計(jì)算范式，針對(duì)能源產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)品、用戶、企業(yè)的多鏈條、多主體現(xiàn)象，融合塊鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、密碼學(xué)、智能合約技術(shù)，通過(guò)對(duì)各環(huán)節(jié)數(shù)字信息動(dòng)態(tài)存證，實(shí)現(xiàn)可信溯源。

　　3.合同管理服務(wù)：結(jié)合區(qū)塊鏈共識(shí)機(jī)制和智能合約技術(shù)，為能源交易業(yè)務(wù)提供身份識(shí)別、策略管理、智能合約、存證服務(wù)，實(shí)現(xiàn)電子合同從發(fā)起、簽署、歸檔到存證的全流程管理。

　　4.交易撮合服務(wù)：采用可編程的智能合約技術(shù)，通過(guò)數(shù)字簽名、共識(shí)機(jī)制、非對(duì)稱加密算法等關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)交易安全性、公開(kāi)透明性和數(shù)據(jù)可靠性，有助于可再生能源供能服務(wù)商出售電能的利益最大化和用戶購(gòu)買電能的成本最小化。

　　5.可信接入服務(wù)：面對(duì)能源行業(yè)多樣性終端和多元化業(yè)務(wù)接入需求，結(jié)合5G、物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)、人工智能技術(shù)，研制支撐區(qū)塊鏈的可信接入終端裝置，以適應(yīng)多樣業(yè)務(wù)終端接入方式、業(yè)務(wù)安全隔離、支撐業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可信標(biāo)識(shí)、認(rèn)證和驗(yàn)證的數(shù)據(jù)可信接入等能力要求。

　　6.數(shù)據(jù)共享服務(wù)：針對(duì)能源企業(yè)之間存在的集中部署訪問(wèn)受限、標(biāo)識(shí)不唯一、易被竊取或篡改等問(wèn)題，借助區(qū)塊鏈技術(shù)分布式存儲(chǔ)、防篡改、可追溯技術(shù)設(shè)計(jì)去中心化數(shù)據(jù)共享協(xié)議模塊，從數(shù)據(jù)的篩選、存儲(chǔ)、傳遞、下載進(jìn)行全流程的數(shù)據(jù)追溯防護(hù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)安全可信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

圖2 能源區(qū)塊鏈公共服務(wù)框架

二、區(qū)塊鏈在能源電力行業(yè)的應(yīng)用場(chǎng)景分析

　　隨著我國(guó)能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，能源電力交易主體數(shù)量龐大且趨向多元化，市場(chǎng)化交易電量也大幅增長(zhǎng)，本節(jié)將進(jìn)行區(qū)塊鏈技術(shù)在分布式電力交易、可再生能源電力消納、安全生產(chǎn)、電費(fèi)結(jié)算和透明化調(diào)度管理五方面應(yīng)用的探討。

　　(一)基于區(qū)塊鏈的分布式電力交易

　　隨著可再生能源大規(guī)模發(fā)展，具有參與者眾多、單筆交易量小等特點(diǎn)的分布式電力交易模式逐步成為一種發(fā)展趨勢(shì)，但分布式電力交易存在用戶信息不透明、發(fā)輸用三方利益不對(duì)等、交易手續(xù)煩瑣影響用戶參與意愿等難題。

　　基于區(qū)塊鏈的分布式電力交易總體思路如圖3所示，融合區(qū)塊鏈共識(shí)機(jī)制、智能合約和非對(duì)稱加密算法等先進(jìn)技術(shù)，將關(guān)鍵數(shù)據(jù)上鏈存證，可實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶身份的核驗(yàn)，交易合同經(jīng)買賣雙方、電網(wǎng)企業(yè)三方簽名后生效，智能合約交易執(zhí)行費(fèi)用自動(dòng)結(jié)算，從而提升執(zhí)行效率，降低執(zhí)行成本。同時(shí)，分布式能源交易市場(chǎng)中有許多節(jié)點(diǎn)參與競(jìng)爭(zhēng)交易，基于區(qū)塊鏈的分布式能源交易網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)處于平等地位，為防止惡意節(jié)點(diǎn)或不積極節(jié)點(diǎn)，可設(shè)置信譽(yù)值列表，保證分布式電力交易系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖3 基于區(qū)塊鏈的分布式電力交易總體思路

　　(二)可再生能源電力消納

　　國(guó)家提出的可再生能源電力消納保障機(jī)制，旨在通過(guò)設(shè)定可再生能源電力消納責(zé)任權(quán)重指標(biāo)，引導(dǎo)各類市場(chǎng)主體公平承擔(dān)可再生能源電力消納責(zé)任，提升各省本地消納能力，形成可再生能源電力消費(fèi)引領(lǐng)的長(zhǎng)效發(fā)展機(jī)制，引導(dǎo)用戶側(cè)綠色用能。

　　基于區(qū)塊鏈的可再生能源電力消納解決思路如圖4所示，通過(guò)將消納責(zé)任權(quán)重計(jì)算公式、消納責(zé)任權(quán)重、憑證等信息上鏈，可有效保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性、不可篡改，使各市場(chǎng)主體積極主動(dòng)承擔(dān)自身消納責(zé)任。消納憑證的發(fā)行和交易通過(guò)智能合約自動(dòng)執(zhí)行，降低了交易中心的人工成本，可提升可再生能源消納水平。全程溯源、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)交易增加憑證的權(quán)威性，同時(shí)還可防止虛假交易和重復(fù)交易，促進(jìn)可再生能源消納。

圖4 基于區(qū)塊鏈的可再生能源電力消納解決思路

　　(三)基于區(qū)塊鏈的安全生產(chǎn)

　　目前在電力的發(fā)、輸、變、配、用等各環(huán)節(jié)依然存在著各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)共享不足、電網(wǎng)應(yīng)急處置能力不足、電網(wǎng)安全生產(chǎn)管控能力不足等影響電網(wǎng)安全生產(chǎn)的技術(shù)難題。

　　基于區(qū)塊鏈的電網(wǎng)安全生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)用借助分布式存儲(chǔ)方式構(gòu)建多專業(yè)協(xié)同評(píng)價(jià)的穿透式管控機(jī)制，依托多系統(tǒng)信息記錄進(jìn)行交叉印證，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行全過(guò)程的定量化管控，最大限度還原電網(wǎng)運(yùn)行的真實(shí)面貌，提升多環(huán)節(jié)協(xié)同管理水平，為電網(wǎng)安全生產(chǎn)提供有力保障。

　　國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司構(gòu)建的電網(wǎng)安全運(yùn)行穿透式管控體系如圖5所示，當(dāng)停電事件發(fā)生時(shí)系統(tǒng)會(huì)立即監(jiān)測(cè)到，與其關(guān)聯(lián)的指標(biāo)都會(huì)自動(dòng)變化。同時(shí)，建立的多專業(yè)橫向協(xié)同機(jī)制將打破專業(yè)壁壘，使得各專業(yè)能夠主動(dòng)有效應(yīng)對(duì)，最終實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)安全運(yùn)行水平的提升。

圖5 電網(wǎng)安全運(yùn)行穿透式管控體系

　　(四)基于區(qū)塊鏈的電費(fèi)結(jié)算

　　市場(chǎng)化的電費(fèi)結(jié)算是能源交易的核心業(yè)務(wù)，我國(guó)的電費(fèi)結(jié)算技術(shù)開(kāi)始于1960年，隨后被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。目前，我國(guó)普遍采取“預(yù)購(gòu)電”方式結(jié)算電費(fèi)，但這種模式對(duì)分布式新能源接入等多種新場(chǎng)景，存在能量流、信息流不統(tǒng)一，交易流程長(zhǎng)、響應(yīng)不及時(shí)、合同履約難掌控、信用體系難建立等問(wèn)題。

　　基于區(qū)塊鏈的電費(fèi)結(jié)算方案，通過(guò)區(qū)塊鏈智能合約機(jī)制、分布式存儲(chǔ)技術(shù)將電力市場(chǎng)的交易主體(發(fā)電企業(yè)、售電公司、電網(wǎng)公司、電力用戶)“鏈”接起來(lái)，用數(shù)字化編碼將清算結(jié)算規(guī)則寫入?yún)^(qū)塊鏈，進(jìn)一步提高相關(guān)交易的公開(kāi)透明程度，使購(gòu)電、零售和服務(wù)等結(jié)算過(guò)程更可信、更可控，形成以滿足用戶為代表的市場(chǎng)主體個(gè)性化結(jié)算服務(wù)模式。

圖6 基于區(qū)塊鏈的電費(fèi)結(jié)算整體解決思路

　　(五)基于區(qū)塊鏈的電力調(diào)度

　　近年來(lái)，在國(guó)內(nèi)各級(jí)調(diào)度機(jī)構(gòu)內(nèi)部、各網(wǎng)省電網(wǎng)公司及供電公司其他非調(diào)度業(yè)務(wù)部門建設(shè)了各類應(yīng)用系統(tǒng)和信息系統(tǒng)，為調(diào)度運(yùn)行業(yè)務(wù)開(kāi)展提供了有力支撐。但隨著業(yè)務(wù)應(yīng)用的不斷深入，發(fā)電企業(yè)、電力調(diào)控機(jī)構(gòu)、能源監(jiān)管機(jī)構(gòu)等參與電力調(diào)度主體，共享數(shù)據(jù)積極性不高，信息孤島明顯，數(shù)據(jù)被篡改的風(fēng)險(xiǎn)逐漸凸顯。

圖7 基于區(qū)塊鏈的透明電力調(diào)度管理總體思路

　　在傳統(tǒng)電力調(diào)度的供用電信息發(fā)布、競(jìng)標(biāo)和授權(quán)等過(guò)程中融入?yún)^(qū)塊鏈，使得區(qū)塊鏈成為調(diào)度系統(tǒng)的信息交互和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心，為電力調(diào)度各參與主體的數(shù)據(jù)安全提供有力保障，通過(guò)區(qū)塊鏈實(shí)時(shí)發(fā)布發(fā)電信息及用電需求，基于區(qū)塊鏈智能合約自動(dòng)匹配需求制定電力調(diào)度計(jì)劃，可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)自適應(yīng)調(diào)度和運(yùn)行，保障各參與主體的交易自動(dòng)、高效、安全、透明地執(zhí)行，提升運(yùn)行效率，促進(jìn)能源更合理消納。

三、能源區(qū)塊鏈發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

　　能源區(qū)塊鏈的發(fā)展方興未艾，但是區(qū)塊鏈要在能源領(lǐng)域里大規(guī)模應(yīng)用仍然存在較多挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)分別來(lái)自區(qū)塊鏈核心技術(shù)難題和區(qū)塊鏈合規(guī)性應(yīng)用。技術(shù)痛點(diǎn)有核心技術(shù)自主可控難、鏈上鏈下協(xié)同需突破;合規(guī)應(yīng)用面臨著法律法規(guī)缺失和數(shù)據(jù)隱私保護(hù)等挑戰(zhàn)。

　　核心技術(shù)自主可控問(wèn)題：能源區(qū)塊鏈平臺(tái)技術(shù)目前還處于發(fā)展初期階段，核心技術(shù)自主創(chuàng)新仍需攻克。依托區(qū)塊鏈開(kāi)源平臺(tái)項(xiàng)目，有待重點(diǎn)突破共識(shí)機(jī)制、加密算法、智能合約等關(guān)鍵核心技術(shù)，開(kāi)發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的區(qū)塊鏈平臺(tái)功能組件，為上層應(yīng)用提供服務(wù)，同時(shí)構(gòu)建適應(yīng)高頻率、規(guī)模大、主體多等特點(diǎn)的區(qū)塊鏈組件，以支撐能源特色應(yīng)用。

　　鏈上鏈下數(shù)據(jù)的協(xié)同問(wèn)題：能源交易具有高頻率、調(diào)配范圍廣的特點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)的來(lái)源有很高要求，數(shù)據(jù)必須準(zhǔn)確、完整。目前，能源領(lǐng)域廣泛使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集，基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)終端可實(shí)現(xiàn)用戶用電信息采集、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與檢修、智能調(diào)度信息等全過(guò)程的存證溯源，打造基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)終端是實(shí)現(xiàn)能源鏈上鏈下協(xié)同的關(guān)鍵。

　　區(qū)塊鏈隱私保護(hù)仍需強(qiáng)化：區(qū)塊鏈技術(shù)中采用的加密算法、隱私保護(hù)機(jī)制均面臨挑戰(zhàn)。隨著數(shù)學(xué)、密碼學(xué)和量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，區(qū)塊鏈技術(shù)的非對(duì)稱加密機(jī)制會(huì)變得越來(lái)越脆弱，通過(guò)加密算法來(lái)隱藏交易者身份和交易的方式變得更加不安全。能源區(qū)塊鏈系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)之間的交易并非完全匿名，可以通過(guò)算法、大數(shù)據(jù)等破解匿名信息，從而對(duì)用戶的隱私造成威脅。

　　業(yè)務(wù)應(yīng)用法律法規(guī)的完善：區(qū)塊鏈從技術(shù)層面上解決了信用問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了價(jià)值傳遞，但在存證領(lǐng)域使用區(qū)塊鏈可以驗(yàn)證文檔的真實(shí)性，并且不需要集中授權(quán)，這與現(xiàn)有的法律體系形成了沖突。此外，相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生后的責(zé)任問(wèn)責(zé)、個(gè)人隱私權(quán)和交易安全問(wèn)題，在法律層面尚存在著漏洞。

四、能源區(qū)塊鏈發(fā)展展望

　　2020年4月20日，國(guó)家發(fā)展改革委正式將區(qū)塊鏈納入新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)范圍，區(qū)塊鏈勢(shì)必與5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等多種信息技術(shù)不斷融合，相互促進(jìn)，并帶動(dòng)生產(chǎn)模式、消費(fèi)模式、投融資模式和商業(yè)模式創(chuàng)新發(fā)展，服務(wù)于我國(guó)數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展。區(qū)塊鏈將作為能源行業(yè)的信息基礎(chǔ)設(shè)施，打通能源行業(yè)上下游，實(shí)現(xiàn)各方高效協(xié)作，為能源轉(zhuǎn)型注入創(chuàng)新活力，推動(dòng)能源價(jià)值鏈重塑，“平臺(tái)+應(yīng)用+生態(tài)”成為能源區(qū)塊鏈發(fā)展趨勢(shì)。

　　1.能源區(qū)塊鏈公共服務(wù)平臺(tái)建設(shè)將加速推進(jìn)：煤、油、氣、核、新能源等多輪驅(qū)動(dòng)的能源供應(yīng)體系建設(shè)，對(duì)公平公正的市場(chǎng)環(huán)境、數(shù)據(jù)安全共享、各方高效協(xié)同提出了更高要求。建立能源行業(yè)統(tǒng)一的區(qū)塊鏈公共基礎(chǔ)設(shè)施，統(tǒng)一提供底層通用服務(wù)，降低區(qū)塊鏈開(kāi)發(fā)和使用門檻。

　　2.能源區(qū)塊鏈的應(yīng)用場(chǎng)景將不斷擴(kuò)展：基于區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建的應(yīng)用體系，可以實(shí)現(xiàn)信息的追溯、安全共享，優(yōu)化能源領(lǐng)域的供給、輸送、消費(fèi)等領(lǐng)域的流程，提高協(xié)同效率，降低成本。

　　3.能源區(qū)塊鏈生態(tài)將逐步完善：隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的深入發(fā)展，區(qū)塊鏈標(biāo)準(zhǔn)將逐步完善，推動(dòng)各行業(yè)對(duì)區(qū)塊鏈的認(rèn)識(shí)，推動(dòng)技術(shù)協(xié)作發(fā)展創(chuàng)新，有助于實(shí)現(xiàn)在跨產(chǎn)業(yè)的生態(tài)系統(tǒng)的落地，推動(dòng)形成社會(huì)級(jí)區(qū)塊鏈大型生態(tài)系統(tǒng)。

　　能源行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)、參與主體多，每一個(gè)環(huán)節(jié)都是區(qū)塊鏈的潛在應(yīng)用場(chǎng)景，我們應(yīng)充分認(rèn)識(shí)區(qū)塊鏈的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。為此，建議從政策、人才、資金等不同層面加大對(duì)區(qū)塊鏈的支持力度，鼓勵(lì)以點(diǎn)帶面探索，加速行業(yè)應(yīng)用推進(jìn)，發(fā)揮區(qū)塊鏈新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施的作用，構(gòu)建信任、高效協(xié)同的能源區(qū)塊鏈生態(tài)體系，進(jìn)一步優(yōu)化營(yíng)商環(huán)境，適應(yīng)能源變革趨勢(shì)，在提升服務(wù)水平方面發(fā)揮更大作用。

　　原文首發(fā)于《電力決策與輿情參考》2020年10月23日第41期