区块链在能源电力行业应用探索与展望
王 栋 国网区块链科技(北京)有限公司
由于存在系统易被攻击、数据易被篡改等技术瓶颈，能源互联网建设难以实现多主体融通发展。被誉为“信任机器”的区块链以其分布式存储、防篡改、可追溯、多节点共享的技术特性对于能源互联网建设有重要推动作用，其技术优势在能源电力行业有着巨大潜在应用价值。
2019年10月24日，习近平总书记在主持中共中央政治局第十八次集体学习时强调，要把区块链作为核心技术自主创新的重要突破口。这开启了我国区块链行业发展新纪元。一年来，区块链技术在能源电力行业的研究应用取得诸多新进展。本文将从能源区块链平台建设、区块链在能源电力行业的应用、能源区块链面临的挑战及其发展前景进行分析，供参考。
一、能源区块链平台建设
能源区块链平台是以区块链为底层基础技术，深度融合大数据、人工智能等新一代信息技术而打造的适应能源互联网建设，面向能源行业的公共服务平台。
(一)能源区块链平台系统架构
能源区块链平台以联盟链架构为基础，采用“主、侧、从”多链混合模式(见图1)，构建覆盖电力、石油、天然气等各类能源业务应用的区块链公共服务平台，为能源行业跨地域、跨企业的多方协同与信任传导提供支撑。
图1 能源区块链平台多链混合架构模式图
“主、侧、从”多链混合架构模式能够适应体量大、业务杂、数据并发率高的能源行业，并且具有良好的节点扩展性与可靠性。其中，主链覆盖能源领域各企业，提供基于区块链的跨企业数据交互和共享服务;侧链向能源领域某一行业进行延伸，覆盖行业内相关企业，支撑主链更广范围覆盖、更全面数据交互应用;从链则以实际业务应用需求为导向，进行应用扩展，支撑主、从链实现应用的全覆盖。
基于“主、侧、从”多链混合的架构模式，国家电网公司建设的国内最大能源区块链公共服务平台——“国网链”已实现在25个业务场景的落地应用，上链数据超1亿条，应用成效显著。
(二)能源区块链平台公共服务
能源区块链平台可为能源产业链上下游企业提供身份认证、存证溯源、合同管理、交易撮合、可信接入、数据共享等服务，实现能源行业要素的有效共享，推动能源互联网数字化升级。
1.身份认证服务：针对传统认证技术的密钥管理、验证烦琐、成本过高等问题，发挥区块链多节点共享技术优势，实现多主体间业务数据和信息的有效共享，可有力优化能源业务流程，提升多元主体间灵活、可信、高效的协同互动。
2.存证溯源服务：基于区块链的数据存证溯源服务是一种全新的分布式基础架构与计算范式，针对能源产业链产品、用户、企业的多链条、多主体现象，融合块链式数据结构、密码学、智能合约技术，通过对各环节数字信息动态存证，实现可信溯源。
3.合同管理服务：结合区块链共识机制和智能合约技术，为能源交易业务提供身份识别、策略管理、智能合约、存证服务，实现电子合同从发起、签署、归档到存证的全流程管理。
4.交易撮合服务：采用可编程的智能合约技术，通过数字签名、共识机制、非对称加密算法等关键技术实现交易安全性、公开透明性和数据可靠性，有助于可再生能源供能服务商出售电能的利益最大化和用户购买电能的成本最小化。
5.可信接入服务：面对能源行业多样性终端和多元化业务接入需求，结合5G、物联网标识、人工智能技术，研制支撑区块链的可信接入终端装置，以适应多样业务终端接入方式、业务安全隔离、支撑业务数据可信标识、认证和验证的数据可信接入等能力要求。
6.数据共享服务：针对能源企业之间存在的集中部署访问受限、标识不唯一、易被窃取或篡改等问题，借助区块链技术分布式存储、防篡改、可追溯技术设计去中心化数据共享协议模块，从数据的筛选、存储、传递、下载进行全流程的数据追溯防护，构建数据安全可信网络，实现数据共享。
图2 能源区块链公共服务框架
二、区块链在能源电力行业的应用场景分析
随着我国能源互联网建设的持续推进，能源电力交易主体数量庞大且趋向多元化，市场化交易电量也大幅增长，本节将进行区块链技术在分布式电力交易、可再生能源电力消纳、安全生产、电费结算和透明化调度管理五方面应用的探讨。
(一)基于区块链的分布式电力交易
随着可再生能源大规模发展，具有参与者众多、单笔交易量小等特点的分布式电力交易模式逐步成为一种发展趋势，但分布式电力交易存在用户信息不透明、发输用三方利益不对等、交易手续烦琐影响用户参与意愿等难题。
基于区块链的分布式电力交易总体思路如图3所示，融合区块链共识机制、智能合约和非对称加密算法等先进技术，将关键数据上链存证，可实现对用户身份的核验，交易合同经买卖双方、电网企业三方签名后生效，智能合约交易执行费用自动结算，从而提升执行效率，降低执行成本。同时，分布式能源交易市场中有许多节点参与竞争交易，基于区块链的分布式能源交易网络中每个节点处于平等地位，为防止恶意节点或不积极节点，可设置信誉值列表，保证分布式电力交易系统正常运转。
图3 基于区块链的分布式电力交易总体思路
(二)可再生能源电力消纳
国家提出的可再生能源电力消纳保障机制，旨在通过设定可再生能源电力消纳责任权重指标，引导各类市场主体公平承担可再生能源电力消纳责任，提升各省本地消纳能力，形成可再生能源电力消费引领的长效发展机制，引导用户侧绿色用能。
基于区块链的可再生能源电力消纳解决思路如图4所示，通过将消纳责任权重计算公式、消纳责任权重、凭证等信息上链，可有效保证数据的真实性、不可篡改，使各市场主体积极主动承担自身消纳责任。消纳凭证的发行和交易通过智能合约自动执行，降低了交易中心的人工成本，可提升可再生能源消纳水平。全程溯源、点对点网络交易增加凭证的权威性，同时还可防止虚假交易和重复交易，促进可再生能源消纳。
图4 基于区块链的可再生能源电力消纳解决思路
(三)基于区块链的安全生产
目前在电力的发、输、变、配、用等各环节依然存在着各环节数据共享不足、电网应急处置能力不足、电网安全生产管控能力不足等影响电网安全生产的技术难题。
基于区块链的电网安全生产系统应用借助分布式存储方式构建多专业协同评价的穿透式管控机制，依托多系统信息记录进行交叉印证，实现对电网运行全过程的定量化管控，最大限度还原电网运行的真实面貌，提升多环节协同管理水平，为电网安全生产提供有力保障。
国网重庆市电力公司构建的电网安全运行穿透式管控体系如图5所示，当停电事件发生时系统会立即监测到，与其关联的指标都会自动变化。同时，建立的多专业横向协同机制将打破专业壁垒，使得各专业能够主动有效应对，最终实现电网安全运行水平的提升。
图5 电网安全运行穿透式管控体系
(四)基于区块链的电费结算
市场化的电费结算是能源交易的核心业务，我国的电费结算技术开始于1960年，随后被广泛应用于各行各业。目前，我国普遍采取“预购电”方式结算电费，但这种模式对分布式新能源接入等多种新场景，存在能量流、信息流不统一，交易流程长、响应不及时、合同履约难掌控、信用体系难建立等问题。
基于区块链的电费结算方案，通过区块链智能合约机制、分布式存储技术将电力市场的交易主体(发电企业、售电公司、电网公司、电力用户)“链”接起来，用数字化编码将清算结算规则写入区块链，进一步提高相关交易的公开透明程度，使购电、零售和服务等结算过程更可信、更可控，形成以满足用户为代表的市场主体个性化结算服务模式。
图6 基于区块链的电费结算整体解决思路
(五)基于区块链的电力调度
近年来，在国内各级调度机构内部、各网省电网公司及供电公司其他非调度业务部门建设了各类应用系统和信息系统，为调度运行业务开展提供了有力支撑。但随着业务应用的不断深入，发电企业、电力调控机构、能源监管机构等参与电力调度主体，共享数据积极性不高，信息孤岛明显，数据被篡改的风险逐渐凸显。
图7 基于区块链的透明电力调度管理总体思路
在传统电力调度的供用电信息发布、竞标和授权等过程中融入区块链，使得区块链成为调度系统的信息交互和数据存储中心，为电力调度各参与主体的数据安全提供有力保障，通过区块链实时发布发电信息及用电需求，基于区块链智能合约自动匹配需求制定电力调度计划，可实现电网自适应调度和运行，保障各参与主体的交易自动、高效、安全、透明地执行，提升运行效率，促进能源更合理消纳。
三、能源区块链发展面临的挑战
能源区块链的发展方兴未艾，但是区块链要在能源领域里大规模应用仍然存在较多挑战。这些挑战分别来自区块链核心技术难题和区块链合规性应用。技术痛点有核心技术自主可控难、链上链下协同需突破;合规应用面临着法律法规缺失和数据隐私保护等挑战。
核心技术自主可控问题：能源区块链平台技术目前还处于发展初期阶段，核心技术自主创新仍需攻克。依托区块链开源平台项目，有待重点突破共识机制、加密算法、智能合约等关键核心技术，开发出具有自主知识产权的区块链平台功能组件，为上层应用提供服务，同时构建适应高频率、规模大、主体多等特点的区块链组件，以支撑能源特色应用。
链上链下数据的协同问题：能源交易具有高频率、调配范围广的特点，对数据的来源有很高要求，数据必须准确、完整。目前，能源领域广泛使用物联网技术进行数据的自动化采集，基于区块链的物联网终端可实现用户用电信息采集、状态监测与检修、智能调度信息等全过程的存证溯源，打造基于区块链的物联网终端是实现能源链上链下协同的关键。
区块链隐私保护仍需强化：区块链技术中采用的加密算法、隐私保护机制均面临挑战。随着数学、密码学和量子计算技术的发展，区块链技术的非对称加密机制会变得越来越脆弱，通过加密算法来隐藏交易者身份和交易的方式变得更加不安全。能源区块链系统内各节点之间的交易并非完全匿名，可以通过算法、大数据等破解匿名信息，从而对用户的隐私造成威胁。
业务应用法律法规的完善：区块链从技术层面上解决了信用问题，实现了价值传递，但在存证领域使用区块链可以验证文档的真实性，并且不需要集中授权，这与现有的法律体系形成了冲突。此外，相关应用领域风险发生后的责任问责、个人隐私权和交易安全问题，在法律层面尚存在着漏洞。
四、能源区块链发展展望
2020年4月20日，国家发展改革委正式将区块链纳入新型基础设施建设范围，区块链势必与5G、物联网、人工智能、大数据等多种信息技术不断融合，相互促进，并带动生产模式、消费模式、投融资模式和商业模式创新发展，服务于我国数字经济发展。区块链将作为能源行业的信息基础设施，打通能源行业上下游，实现各方高效协作，为能源转型注入创新活力，推动能源价值链重塑，“平台+应用+生态”成为能源区块链发展趋势。
1.能源区块链公共服务平台建设将加速推进：煤、油、气、核、新能源等多轮驱动的能源供应体系建设，对公平公正的市场环境、数据安全共享、各方高效协同提出了更高要求。建立能源行业统一的区块链公共基础设施，统一提供底层通用服务，降低区块链开发和使用门槛。
2.能源区块链的应用场景将不断扩展：基于区块链技术构建的应用体系，可以实现信息的追溯、安全共享，优化能源领域的供给、输送、消费等领域的流程，提高协同效率，降低成本。
3.能源区块链生态将逐步完善：随着区块链技术的深入发展，区块链标准将逐步完善，推动各行业对区块链的认识，推动技术协作发展创新，有助于实现在跨产业的生态系统的落地，推动形成社会级区块链大型生态系统。
能源行业产业链长、参与主体多，每一个环节都是区块链的潜在应用场景，我们应充分认识区块链的机遇和挑战。为此，建议从政策、人才、资金等不同层面加大对区块链的支持力度，鼓励以点带面探索，加速行业应用推进，发挥区块链新一代信息基础设施的作用，构建信任、高效协同的能源区块链生态体系，进一步优化营商环境，适应能源变革趋势，在提升服务水平方面发挥更大作用。
原文首发于《电力决策与舆情参考》2020年10月23日第41期
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