发布时间：2020-01-17所属分类：计算机职称论文浏览：1次
摘 要： 摘要：能源互联网建设是促进我国能源转型的重要手段，而区块链技术已被广泛认可为能源互联网建设的重要支持技术。在此背景下，该文在系统总结区块链在能源互联网中应用现状的基础上，对区块链在能源领域中未来可能的应用场景进行了分析。首先从区块链典型特
摘要：能源互联网建设是促进我国能源转型的重要手段，而区块链技术已被广泛认可为能源互联网建设的重要支持技术。在此背景下，该文在系统总结区块链在能源互联网中应用现状的基础上，对区块链在能源领域中未来可能的应用场景进行了分析。首先从区块链典型特征入手，分析了区块链的技术架构和区块链网络的交易过程;然后基于国内外区块链和能源系统的研究热点，从新兴货币、技术产业和典型应用等方面对区块链在能源系统中的应用进行了系统总结。最后对区块链技术在我国能源互联网建设和电力体制改革中的应用前景进行了展望。
关键词：能源互联网;区块链;典型应用;发展现状;前景展望
0 引言
作为我国能源供给侧改革和产业结构调整的重要内容，能源互联网的建设已经起步，大量的能源互联网相关的示范工程已经开始投入运行[1]。能源互联网的建设和电力体制改革的推进对能源系统的拓扑结构以及商业模式产生了根本性的影响，参与能量交易的角色趋于多样化，相应的交易模式也更加丰富和复杂，亟需引入新技术支撑能源互联网的建设[2-4]。
作为一种新兴技术，区块链的发展已经得到了全社会的广泛关注，且在金融领域已经有初步的应用。区块链在能源领域的应用已经开始了初步的探索，主要的理论研究成果可以分为 2 个方面。 1)能源领域区块链技术特征分析方面：文献[5]在提出了能源系统中区块链的基本概念的基础上，简要概述了区块链在能源领域的研究现状，并从 P2P 交易、电动汽车充电、物理信息安全和能源互联网的商业模式等方面对区块链的未来应用进行了初步的展望;文献[6]阐述了区块链技术和能源互联网之间的特征匹配情况，提出了区块链在能源互联网建设中典型的应用场景;文献[7]结合区块链的典型特征，对区块链在能源互联网中的应用前景进行了初步的展望，提出区块链对于构建“互联网+”和物联网的去中心化价值新体系，重构商业生态圈具有重要意义;文献[8]分析了区块链在能源领域的发、输、配、用、储等环节的应用场景和业务模式，提出了我国在发展能源区块链时面临的问题和解决这些问题的建议;文献[9]在介绍区块链技术的基本原理和典型特征的基础上，从功能、主体、属性等 3 个维度对区块链技术在能源互联网中的应用进行了归纳和分析，从能量、信息以及价值的角度，阐述了区块链技术对能源互联网中源、网、荷、储等不同主体在计量认证、市场交易、协同组织、能源金融不同环节中发挥的作用，对区块链技术在我国能源转型中的典型应用进行初探和展望。2)能源领域的区块链应用模式分析方面：文献[10]提出了弱中心化管理电力交易的方法，其核心内容是利用区块链技术以智能合约的形式存储电力交易信息并自动执行资金转移，记录智能电表采集的电能数据，中心机构仅对达成的交易进行安全校核和阻塞管理;文献[11]设计了一种基于区块链的供需互动系统架构，提出了一个以区块链协议标准为支撑，以信息监控、采集、录入、统计为中心，以需求响应服务器、负荷集成商、用户群为框架的一体化信息平台设计思路;文献[12]提出一种区块链技术在辅助服务中的应用设想，并从共识记账、智能合约、业务交互等方面对区块链技术应用方式进行了分析，归纳了当前区块链技术在电力市场辅助服务领域应用的局限性;文献[13]提出了一种利用区块链技术实现能源互联网系统分布式决策和协同自治运行的机制框架，从区块链和能源互联网角度分别提出了区块链框架下能源互联网发展的关键技术。
2016 年 11 月 3 日，在荷兰举行的 EMART ENERGY 会议上，大量专家学者对区块链技术在能源系统中的应用进行了分析和展望，并就区块链和能源系统耦合的关键技术进行了初步的归纳[14]，为区块链技术在能源领域的应用前景进行了展望。在此背景下，本文从区块链典型特征入手，首先分析了区块链的技术架构和区块链网络的交易过程;然后基于国内外区块链和能源系统的研究热点，从新兴货币、技术产业和典型应用等方面对区块链在能源系统中的应用进行了系统总结。最后对区块链技术在我国能源互联网建设和电力体制改革中的应用前景进行了展望。
1 区块链相关知识介绍
区块链(Blockchain)是指通过去中心化和去信任方式集体维护一个可靠数据库的技术方案[15]。该技术方案让参与系统中的任意多个节点，把一段时间系统内全部事务通过密码学算法计算并记录到一个数据块(Block)，生成该数据块的 Hash 用于链接下个数据块，系统所有参与节点来共同检验记录是否为真，并且每个区块的内容都由后续子链上的区块来保证其内容不可被篡改。各个参与节点可以在新区块确认及奖励分配上达成共识，从而逐渐形成的一个庞大、去中心化的公开账本[16]。从数据的角度来看：区块链是一种几乎不可能被更改的分布式数据库。这里的“分布式”不仅体现为数据的分布式存储，也体现为数据的分布式记录。
从技术的角度来看：区块链并不是一种单一的技术，而是多种技术(数据读取、数据存储、数据加密和数据挖掘等技术)整合的结果。这些技术以新的结构组合在一起，形成了一种新的数据记录、存储和表达的方式。
1.1 区块链特征分析
通过对区块链概念的分析，总结得出区块链的特征分为 4 个方面[16]：
1)开放、共识：任何人都可以参与到区块链网络，每一台设备都能作为一个节点，每个节点都允许获得一份完整的数据库拷贝。节点间基于一套共识机制，通过竞争计算共同维护整个区块链，任一节点失效，其余节点仍能正常工作。
2)去中心、去信任：区块链由众多节点共同组成一个端到端的网络，不存在中心化的设备和管理机构，节点之间数据交换通过数字签名技术进行验证，无需互相信任，只要按照系统既定的规则进行，节点之间不能也无法互相欺骗。
3)交易透明、双方匿名：区块链的运行规则是公开透明的，所有的数据信息也是公开的，因此每一笔交易都对所有节点可见。由于节点与节点之间是去信任的，因此节点之间无需公开身份，每个参与的节点都是匿名的。
4)不可篡改、可追溯：单个甚至多个节点对数据库的修改无法影响其他节点的数据库，除非能保证整个网络中超过 51%的节点同时修改，但这几乎不可能发生。区块链中的每一笔交易都通过密码学方法与相邻两个区块串联，因此可以追溯到任何一笔交易的前世今生。
1.2 区块链分类
目前，区块链分为 3 类：公有区块链(public Blockchain)，联盟区块链(consortium Blockchain)，私有区块链(private Blockchain)[16]。
1)公有区块链：世界上任何个体或者团体都可以发送交易，且交易能够获得该区块链的有效确认，任何人都可以参与其共识过程。公有区块链是最早的区块链，也是目前应用最广泛的区块链，各大 Bitcoins 系列的虚拟数字货币均基于公有区块链，世界上有且仅有一条该币种对应的区块链。
2)联盟区块链：由某个群体内部指定多个预选的节点为记账人，每个块的生成由所有的预选节点共同决定(预选节点参与共识过程)，其他接入节点可以参与交易，但不过问记账过程(本质上还是托管记账，只是变成分布式记账，预选节点的多少，如何决定每个块的记账者成为该区块链的主要风险点)，其他任何人可以通过该区块链开放的 API 进行限定查询。
3)私有区块链：仅仅使用区块链的总账技术进行记账，可以是一个公司，也可以是个人，独享该区块链的写入权限，权利完全控制在一个系统中，私有链与其他分布式存储方案没有太大区别。
需要说明的是，区块链存在“蒙代尔”不可能三角，即去中心化、安全和高效之间存在不可能三角，在实际应用中，要结合金融、贸易和能源等不同系统现实需求进行定制化设计区块链的种类[17]。
1.3 区块链基础技术架
构通过对特征和分类的分析，可以得出区块链的技术架构如图 1 所示[16]。
结合图 1 的分析，技术架构各个层的功能分析如下：1)应用层主要由客户端完成转账、记账功能;2)激励层提出发行机制和激励机制;3)共识层用于共识机制的达成;4)网络层典型的为 P2P 网络，完成共识算法、加密签名、数据存储等工作; 5)数据层以区块链的形式全量存储全部的交易数据和信息记录。
2 区块链在能源领域的进展
目前，区块链在能源领域应用已经开始初见端倪，部分欧美发达国家及少数高科技公司已经开始尝试将区块链技术应用到能源领域[18]，相关的研究成果和典型案例整理如下。
2.1 区块链和德国能源转型
2.1.1 区块链和能源交易
目前，区块链的概念和建设模式已经较为成熟，在能源利用的应用分析也已经取得一定的研究成果。文献[19]中指出，区块链在能源交易领域的应用应该围绕建立分布式交易和供应体系展开，具体的应用前景分析如图 2 所示。
在德国，部分报告和文献已经对区块链技术在能源交易中的应用进行了前景展望[19-21]。
1)在 2020 场景中：能源系统还处于转型的过程中，区块链相当于一个信息通道，涉及能源交易的所有角色都包含在其中。每一个角色都是一个节点，相当于构建一个“许可区块链”。区块链节点之间横向联系表示为信息的同步，区块链节点和交易系统之间纵向联系表征了两者之间的融合性;
2)在 2030 场景中：能源系统的转型已经基本完成，各种分布式电源的成本将会大幅度降低;另一方面，随着区块链技术的提高，基于区块链的能量交易平台已经非常完善。在文献[19]中，对区块链在能源交易中的前景进行了较为详细的分析展望，提出表征区块链交易货币的 Enercoin 可以代替欧元进行能源的交易，并对负荷和分布式电源变化引起的Enercoin需求变化及其对欧盟中央银行的货币调整政策的影响进行了定性的描述，提出的 Enercoin 的周期如图 3 所示。
在图 3 中，(一)表示 Enercoin 的初始化信息;(二) 表示商业银行通过中央银行实现 Enercoin 和 Euro 之间的转化;(三)市场参与者通过商业银行利用交易账号管理系统将 Euro 换为 Enercoin;(四)市场参与方利用Enercoin购买电力或者从其他电力消费者得到 Enercoin;(五)如果需要，市场参与方可以将Enercoin 通过商业银行转化为 Euro。
2.1.2 区块链和电动汽车充放电管理
当前制约电动汽车大规模发展的主要因素有电动汽车充电设施数量较少、充电协议和计量模式多样、充放电互动性较差、充电过程不透明、充电协议不灵活等。针对存在的典型问题，RWE 和 Slock 合作提出利用区块链技术解决电动汽车的充电的一系列问题[21]，其核心思想是基于 Slcok 提供的智能合约和分布式账本技术实现公用充电桩的计费的透明化和信任化。主要的步骤如下：1)在电动汽车上安装智能充电插头;2)在手机上安装充电 APP;3)基于区块链的全自动支付系统。为了实现多样化电动汽车和充电模式的统一性交易，RWE 公司利用 BigchainDB(巨链数据库)，其基本的工作原理是将区块链技术和大数据技术进行整合，建立分布式大容量数据库，容量可扩展意味着具法律约束力的合同及证书都可储存在区块链上，权限控制系统意味着私人企业的区块链数据库以及公开的区块链数据库都可共存。公用电动汽车充电网络和 BigchainDB 在基础特征方面存在较多的融合点，因此电动汽车充电是区块链技术在能源系统中最早进行广泛利用的环节之一。
2.2 区块链和 NRGcoin–比利时
基于智能电网的物理结构和信息模型，比利时的区块链专家Mike Mihaylov 在提出去中心化方式来促进点对点交易模式的同时，进一步提出了利用 NRGcoin 货币进行微电网的电力交易。主要的理念如图 4 所示[22-23]。
相关期刊推荐：《中国电机工程学报》(旬刊)是中国电力行业的一流学术期刊，国家一级学报，全国中文核心期刊，国内外公开发行。1964年创刊，中国科协主管，中国电机工程学会主办，中国电科院协办。主要报道电力系统及其自动化、发电及动力工程、电工电机领域的新理论、新方法、新技术、新成果。在动力与电力工程类期刊中，其总被引频次及影响因子等各项指标连续多年来位列第一。
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