區(qū)塊鏈在能源電力行業(yè)應用探索與展望

區(qū)塊鏈在能源電力行業(yè)應用探索與展望

王 棟  國網(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)難以實現(xiàn)多主體融通發(fā)展。被譽為“信任機器”的區(qū)塊鏈以其分布式存儲、防篡改、可追溯、多節(jié)點共享的技術(shù)特性對于能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)有重要推動作用，其技術(shù)優(yōu)勢在能源電力行業(yè)有著巨大潛在應用價值。

　　2019年10月24日，習近平總書記在主持中共中央政治局第十八次集體學習時強調(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。這開啟了我國區(qū)塊鏈行業(yè)發(fā)展新紀元。一年來，區(qū)塊鏈技術(shù)在能源電力行業(yè)的研究應用取得諸多新進展。本文將從能源區(qū)塊鏈平臺建設(shè)、區(qū)塊鏈在能源電力行業(yè)的應用、能源區(qū)塊鏈面臨的挑戰(zhàn)及其發(fā)展前景進行分析，供參考。

一、能源區(qū)塊鏈平臺建設(shè)

　　能源區(qū)塊鏈平臺是以區(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)而打造的適應能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，面向能源行業(yè)的公共服務平臺。

　　(一)能源區(qū)塊鏈平臺系統(tǒng)架構(gòu)

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

圖1 能源區(qū)塊鏈平臺多鏈混合架構(gòu)模式圖

　　“主、側(cè)、從”多鏈混合架構(gòu)模式能夠適應體量大、業(yè)務雜、數(shù)據(jù)并發(fā)率高的能源行業(yè)，并且具有良好的節(jié)點擴展性與可靠性。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;側(cè)鏈向能源領(lǐng)域某一行業(yè)進行延伸，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)交互應用;從鏈則以實際業(yè)務應用需求為導向，進行應用擴展，支撐主、從鏈實現(xiàn)應用的全覆蓋。

　　基于“主、側(cè)、從”多鏈混合的架構(gòu)模式，國家電網(wǎng)公司建設(shè)的國內(nèi)最大能源區(qū)塊鏈公共服務平臺——“國網(wǎng)鏈”已實現(xiàn)在25個業(yè)務場景的落地應用，上鏈數(shù)據(jù)超1億條，應用成效顯著。

　　(二)能源區(qū)塊鏈平臺公共服務

　　能源區(qū)塊鏈平臺可為能源產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)提供身份認證、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，實現(xiàn)能源行業(yè)要素的有效共享，推動能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化升級。

　　1.身份認證服務：針對傳統(tǒng)認證技術(shù)的密鑰管理、驗證煩瑣、成本過高等問題，發(fā)揮區(qū)塊鏈多節(jié)點共享技術(shù)優(yōu)勢，實現(xiàn)多主體間業(yè)務數(shù)據(jù)和信息的有效共享，可有力優(yōu)化能源業(yè)務流程，提升多元主體間靈活、可信、高效的協(xié)同互動。

　　2.存證溯源服務：基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)存證溯源服務是一種全新的分布式基礎(chǔ)架構(gòu)與計算范式，針對能源產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)品、用戶、企業(yè)的多鏈條、多主體現(xiàn)象，融合塊鏈式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、密碼學、智能合約技術(shù)，通過對各環(huán)節(jié)數(shù)字信息動態(tài)存證，實現(xiàn)可信溯源。

　　3.合同管理服務：結(jié)合區(qū)塊鏈共識機制和智能合約技術(shù)，為能源交易業(yè)務提供身份識別、策略管理、智能合約、存證服務，實現(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：采用可編程的智能合約技術(shù)，通過數(shù)字簽名、共識機制、非對稱加密算法等關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)交易安全性、公開透明性和數(shù)據(jù)可靠性，有助于可再生能源供能服務商出售電能的利益最大化和用戶購買電能的成本最小化。

　　5.可信接入服務：面對能源行業(yè)多樣性終端和多元化業(yè)務接入需求，結(jié)合5G、物聯(lián)網(wǎng)標識、人工智能技術(shù)，研制支撐區(qū)塊鏈的可信接入終端裝置，以適應多樣業(yè)務終端接入方式、業(yè)務安全隔離、支撐業(yè)務數(shù)據(jù)可信標識、認證和驗證的數(shù)據(jù)可信接入等能力要求。

　　6.數(shù)據(jù)共享服務：針對能源企業(yè)之間存在的集中部署訪問受限、標識不唯一、易被竊取或篡改等問題，借助區(qū)塊鏈技術(shù)分布式存儲、防篡改、可追溯技術(shù)設(shè)計去中心化數(shù)據(jù)共享協(xié)議模塊，從數(shù)據(jù)的篩選、存儲、傳遞、下載進行全流程的數(shù)據(jù)追溯防護，構(gòu)建數(shù)據(jù)安全可信網(wǎng)絡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

圖2 能源區(qū)塊鏈公共服務框架

二、區(qū)塊鏈在能源電力行業(yè)的應用場景分析

　　隨著我國能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的持續(xù)推進，能源電力交易主體數(shù)量龐大且趨向多元化，市場化交易電量也大幅增長，本節(jié)將進行區(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)、電費結(jié)算和透明化調(diào)度管理五方面應用的探討。

　　(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的分布式電力交易模式逐步成為一種發(fā)展趨勢，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)塊鏈共識機制、智能合約和非對稱加密算法等先進技術(shù)，將關(guān)鍵數(shù)據(jù)上鏈存證，可實現(xiàn)對用戶身份的核驗，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)行費用自動結(jié)算，從而提升執(zhí)行效率，降低執(zhí)行成本。同時，分布式能源交易市場中有許多節(jié)點參與競爭交易，基于區(qū)塊鏈的分布式能源交易網(wǎng)絡中每個節(jié)點處于平等地位，為防止惡意節(jié)點或不積極節(jié)點，可設(shè)置信譽值列表，保證分布式電力交易系統(tǒng)正常運轉(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

　　國家提出的可再生能源電力消納保障機制，旨在通過設(shè)定可再生能源電力消納責任權(quán)重指標，引導各類市場主體公平承擔可再生能源電力消納責任，提升各省本地消納能力，形成可再生能源電力消費引領(lǐng)的長效發(fā)展機制，引導用戶側(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，通過將消納責任權(quán)重計算公式、消納責任權(quán)重、憑證等信息上鏈，可有效保證數(shù)據(jù)的真實性、不可篡改，使各市場主體積極主動承擔自身消納責任。消納憑證的發(fā)行和交易通過智能合約自動執(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、點對點網(wǎng)絡交易增加憑證的權(quán)威性，同時還可防止虛假交易和重復交易，促進可再生能源消納。

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)應用借助分布式存儲方式構(gòu)建多專業(yè)協(xié)同評價的穿透式管控機制，依托多系統(tǒng)信息記錄進行交叉印證，實現(xiàn)對電網(wǎng)運行全過程的定量化管控，最大限度還原電網(wǎng)運行的真實面貌，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。

　　國網(wǎng)重慶市電力公司構(gòu)建的電網(wǎng)安全運行穿透式管控體系如圖5所示，當停電事件發(fā)生時系統(tǒng)會立即監(jiān)測到，與其關(guān)聯(lián)的指標都會自動變化。同時，建立的多專業(yè)橫向協(xié)同機制將打破專業(yè)壁壘，使得各專業(yè)能夠主動有效應對，最終實現(xiàn)電網(wǎng)安全運行水平的提升。

圖5 電網(wǎng)安全運行穿透式管控體系

　　(四)基于區(qū)塊鏈的電費結(jié)算

　　市場化的電費結(jié)算是能源交易的核心業(yè)務，我國的電費結(jié)算技術(shù)開始于1960年，隨后被廣泛應用于各行各業(yè)。目前，我國普遍采取“預購電”方式結(jié)算電費，但這種模式對分布式新能源接入等多種新場景，存在能量流、信息流不統(tǒng)一，交易流程長、響應不及時、合同履約難掌控、信用體系難建立等問題。

　　基于區(qū)塊鏈的電費結(jié)算方案，通過區(qū)塊鏈智能合約機制、分布式存儲技術(shù)將電力市場的交易主體(發(fā)電企業(yè)、售電公司、電網(wǎng)公司、電力用戶)“鏈”接起來，用數(shù)字化編碼將清算結(jié)算規(guī)則寫入?yún)^(qū)塊鏈，進一步提高相關(guān)交易的公開透明程度，使購電、零售和服務等結(jié)算過程更可信、更可控，形成以滿足用戶為代表的市場主體個性化結(jié)算服務模式。

圖6 基于區(qū)塊鏈的電費結(jié)算整體解決思路

　　(五)基于區(qū)塊鏈的電力調(diào)度

　　近年來，在國內(nèi)各級調(diào)度機構(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)務部門建設(shè)了各類應用系統(tǒng)和信息系統(tǒng)，為調(diào)度運行業(yè)務開展提供了有力支撐。但隨著業(yè)務應用的不斷深入，發(fā)電企業(yè)、電力調(diào)控機構(gòu)、能源監(jiān)管機構(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)被篡改的風險逐漸凸顯。

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、競標和授權(quán)等過程中融入?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，通過區(qū)塊鏈實時發(fā)布發(fā)電信息及用電需求，基于區(qū)塊鏈智能合約自動匹配需求制定電力調(diào)度計劃，可實現(xiàn)電網(wǎng)自適應調(diào)度和運行，保障各參與主體的交易自動、高效、安全、透明地執(zhí)行，提升運行效率，促進能源更合理消納。

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)模應用仍然存在較多挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)分別來自區(qū)塊鏈核心技術(shù)難題和區(qū)塊鏈合規(guī)性應用。技術(shù)痛點有核心技術(shù)自主可控難、鏈上鏈下協(xié)同需突破;合規(guī)應用面臨著法律法規(guī)缺失和數(shù)據(jù)隱私保護等挑戰(zhàn)。

　　核心技術(shù)自主可控問題：能源區(qū)塊鏈平臺技術(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)塊鏈開源平臺項目，有待重點突破共識機制、加密算法、智能合約等關(guān)鍵核心技術(shù)，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的區(qū)塊鏈平臺功能組件，為上層應用提供服務，同時構(gòu)建適應高頻率、規(guī)模大、主體多等特點的區(qū)塊鏈組件，以支撐能源特色應用。

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

　　區(qū)塊鏈隱私保護仍需強化：區(qū)塊鏈技術(shù)中采用的加密算法、隱私保護機制均面臨挑戰(zhàn)。隨著數(shù)學、密碼學和量子計算技術(shù)的發(fā)展，區(qū)塊鏈技術(shù)的非對稱加密機制會變得越來越脆弱，通過加密算法來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)點之間的交易并非完全匿名，可以通過算法、大數(shù)據(jù)等破解匿名信息，從而對用戶的隱私造成威脅。

　　業(yè)務應用法律法規(guī)的完善：區(qū)塊鏈從技術(shù)層面上解決了信用問題，實現(xiàn)了價值傳遞，但在存證領(lǐng)域使用區(qū)塊鏈可以驗證文檔的真實性，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)應用領(lǐng)域風險發(fā)生后的責任問責、個人隱私權(quán)和交易安全問題，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，并帶動生產(chǎn)模式、消費模式、投融資模式和商業(yè)模式創(chuàng)新發(fā)展，服務于我國數(shù)字經(jīng)濟發(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，實現(xiàn)各方高效協(xié)作，為能源轉(zhuǎn)型注入創(chuàng)新活力，推動能源價值鏈重塑，“平臺+應用+生態(tài)”成為能源區(qū)塊鏈發(fā)展趨勢。

　　1.能源區(qū)塊鏈公共服務平臺建設(shè)將加速推進：煤、油、氣、核、新能源等多輪驅(qū)動的能源供應體系建設(shè)，對公平公正的市場環(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，降低區(qū)塊鏈開發(fā)和使用門檻。

　　2.能源區(qū)塊鏈的應用場景將不斷擴展：基于區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建的應用體系，可以實現(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)塊鏈標準將逐步完善，推動各行業(yè)對區(qū)塊鏈的認識，推動技術(shù)協(xié)作發(fā)展創(chuàng)新，有助于實現(xiàn)在跨產(chǎn)業(yè)的生態(tài)系統(tǒng)的落地，推動形成社會級區(qū)塊鏈大型生態(tài)系統(tǒng)。

　　能源行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈長、參與主體多，每一個環(huán)節(jié)都是區(qū)塊鏈的潛在應用場景，我們應充分認識區(qū)塊鏈的機遇和挑戰(zhàn)。為此，建議從政策、人才、資金等不同層面加大對區(qū)塊鏈的支持力度，鼓勵以點帶面探索，加速行業(yè)應用推進，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，進一步優(yōu)化營商環(huán)境，適應能源變革趨勢，在提升服務水平方面發(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