栏目简介

《未来望远镜》栏目是泰尔英福原创科普专辑，内容包括区块链、数字经济、工业互联网、芯片、web3等内容，自4月22日开始，小编将在每周五，与团队专家一起带领大家沉浸式感知科学技术的未来之光。

本期内容：《能源互联网电力交易区块链中的关键技术》

作者：艾崧溥，清华大学区块链博士，泰尔英福F-Labs研究员。先后在清华大学北京信息科学与技术国家研究中心从事研究，主要从事区块链、云计算、大数据等领域的研究与实践。

该论文被评为《电力建设》期刊“优秀论文”，此版本在原有基础上稍有改动。本期阐述能源互联网、区块链、能源区块链、电力交易区块链的概念以及由来，敬请阅读。

全文约6500字，预计阅读时间8分钟。

系列摘要

随着清洁可再生能源产业的迅速发展，现有的能源架构难以满足能源产销的需要，一场能源行业的革新势在必行。能源互联网作为一个学术与工业界看好的下一代能源基础设施的发展方向，构建能源互联网是推进能源生产和消费革命，构建清洁低碳、安全高效能源体系的重要抓手。其开放、互联、对等、分享的基本特征为未来能源发展勾勒出一个丰富的愿景。然而，现有成熟的信息技术方案从设计思想到工程实施无法全面满足能源互联网的特征需求。

区块链作为一个正在快速发展的技术堆栈，具有分布式、平等、安全、可追溯等特性，与能源互联网的设计思想高度契合，有望成为能源互联网落地的关键技术。能源区块链是区块链与能源行业结合的产物，它可以为能源互联网的各个层面提供安全保障和价值支撑。本系列通过定位能源互联网中电力交易区块链中的关键技术，详细地综述了现今能源电力交易区块链在共识机制、交易与智能合约设计、安全机制和其他领域技术等方面的研究进展，并结合研究现状进行讨论与分析，探讨目前各项技术领域存在的问题，以及未来可能的研究方向，为能源区块链的进一步研究与落地提供参考。

引言

近年来，能源行业形势日趋复杂，光、风、热等清洁可再生能源迅速发展，现有的能源架构难以满足不断增长的能源消耗和多样化的能源产销需求，一场能源行业的革新势在必行。能源互联网作为“第三次工业革命”的重要标志与能源生产消费革命的重要抓手，通过融合互联网技术和分布式可再生能源技术来构建新型能源供需架构，获得了广泛的关注。区块链技术与能源互联网的设计思想高度契合，可以为能源互联网提供信任基础、安全保障与价值支撑。

概念简介

能源互联网

能源互联网的概念由美国学者杰里米·里夫金于2011年在其著作《第三次工业革命》中提出，其目标是“让亿万人能够在自己的家中、办公室里和工厂里生产绿色可再生能源，多余的能源则可以与他人分享，就像我们现在网络上分享信息一样”。

2015年09月26日，中国国家主席习近平在纽约联合国总部出席联合国发展峰会，发表题为《谋共同永续发展 做合作共赢伙伴》的重要讲话。在讲话中，习近平宣布：中国倡议探讨构建全球能源互联网，推动以清洁和绿色方式满足全球电力需求。2016年2月，国家发改委、能源局和工信部共同发布的《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》指出，能源互联网是推动我国能源革命的重要战略支撑，对提高可再生能源比重，促进化石能源清洁高效利用，提升能源综合效率，推动能源市场开放和产业升级，形成新的经济增长点，提升能源国际合作水平具有重要意义。同年12月，国家改革委发布了《能源生产与消费革命的长期战略(2016—2030)》，提出建设“源—网—荷—储”协调发展、集成互补的能源互联网。能源互联网体系的建立有助于解决我国城镇化进程中面临的高能耗、高污染等问题。

虽然我国电网规模和发电能力都位列世界第一，但仍有多个省区存在不同程度的限电、缺电的现象。2020年12月国务院新闻办公室发布的《新时代的中国能源发展》白皮书，在建设多元清洁的能源供应体系章节指出，要积极建设能源互联网，推动构建规模合理、分层分区、安全可靠的电力系统。

能源互联网是以互联网理念为基础构建的新型信息——能源融合网络体系，它以大电网为“主干网”，以微电网、分布式能源、智能小区等为“局域网”，以开放对等的信息——能源一体化架构为基础，真正实现能源的双向按需传输和动态平衡使用，可以最大限度的适应新能源的接入。

能源互联网的本质特征可以概括为开放、互联、对等和分享。在能源互联网的设计理念中，开放式的体系结构允许分布式能源、储能和用能装置“即插即用”；各个设施主体在局域网和广域网的范围内广泛连接，能源与信息交互畅通无阻；能量自治单元之间地位平等，不受层级结构的限制；借鉴互联网中的信息分享机制，施行分散化的调度和管理。

构建能源互联网是推进能源生产和消费革命,构建清洁低碳、安全高效能源体系的重要抓手。构建开放互联、对等分享的能源互联网基础设施，形成价值驱动、用户中心的能源互联网应用模式，是能源互联网的基本要求。能源互联网的组成如图1所示。在能源互联网的场景中，信息与能量的高度流通，也催生了价值的流动。通过在分布式能源、局域微电网和公共电网等主体之间，建立起自由、灵活的能源市场，以满足能源的合理化配置；利用智能电表、能量路由器等传感通信设备实现智能计量和实时决策，提升用户数据精确度和用户业务效率；采用自动化需求响应、线路阻塞管理和潮流约束等手段维持网络平稳运行；同时，结合大数据、人工智能等技术对能源交易数据进行分析，进一步发掘能源互联网的深层价值。

图1 能源互联网组成示意图

从层次功能来讲，能源互联网一般可以分为4个层次，如图2所示：第一层为物理系统层，主要包括组成能源互联网的基础设施，例如电厂、清洁能源发电设备、输变电设备、充电桩、储能装置和用电负荷，以及服务器、移动设备和基站等；第二层为传感通信层，主要包括厂站传感器、输电传感器、配电传感器、能量路由器和智能电表等设备，负责采集和传输物理系统层的数据与信息；第三层为能源业务层，该层运行在各能量自治单元的终端之上，主要负责执行分散化的自治决策，满足用户产能、用能和交易的业务需求；第四层为增值服务层，主要为用户提供绿证、碳排放权等用能增值服务，以及能源金融产品等。

图2 能源互联网层次功能图

能源互联网蕴含的全新能源生产、使用理念和商业模式，尤其是在能源和信息两方面的互联、共享提出了更高的要求。然而，现有的能源运营体系与成熟的技术堆栈难以满足全面实现能源互联网的设计思想，需要融入更多的技术手段来完善能源互联网体系。

例如，结合物联网、大数据技术完成能源互联网内海量数据的采集、处理和存储，结合经济学和博弈论知识对能源市场进行建模分析，结合人工智能技术对能源互联网的状态进行预测、控制和优化，以及结合区块链技术为能源互联网提供信任基础、安全保障与价值支撑。特别地，我国的能源，尤其是电力体系架构一直以来以中心化为主轴的设计思路难以为丰富的清洁能源分布式接入与多样化产销耦合提供灵活地架构支撑。引入新的设计思路与技术堆栈，在现有能源体系下进行场景、业务、价值创新，建设分层分区域，多元接入的能源互联网架构成为当下学界与工业界研究的热点方向之一。

区块链作为一种具有去中心化、点对点传输、可追溯、集体维护、可编程和安全可信等特点的技术堆栈，其设计思想核心即为区块链网络中各节点平等，网络中节点在互联的基础上相互合作、制约，共享信息，而整个架构由区块链网络中的节点共同维护的。可以发现，区块链技术与能源互联网的设计思想高度契合，很有可能会成为能源互联网真正落地的关键技术。区块链技术在能源互联网大量的用户之间建立安全自主的能源交易渠道，实现一个自组织、自调节的能源系统，将极大地提高能源使用效率、降低管理成本，实现能源互联网的高效运行。

2019年12月，国家电网发布了能源电力行业十大区块链应用场景。其中，在电力交易场景中，可以利用与场景耦合的区块链共识机制、智能合约技术，通过点对点交易，可有效解决电力交易双方信息不对称导致的信任缺失问题。同时，基于区块链的电力交易可从交易侧解决多方信息不对称带来的信任危机，构建多层级公平公开的电力交易市场化交易环境，提升电力交易市场主体的参与水平，实现市场交易效率的最大化。

本系列栏目面向电力交易场景，通过定位电力交易区块链中的关键技术，对电力交易区块链共识机制、交易与智能合约设计、安全机制和其他领域技术等方面的研究进展进行综述，并结合发展现状进行深入地讨论与分析，探讨目前各项技术领域存在的问题，以及未来可能的研究方向，为能源区块链的进一步研究与落地提供参考。

区块链

区块链是一种基于去中心化的分布式数据账本的技术，它由中本聪在比特币的构想中首次提出。区块链网络由多个对等节点组成，所有节点共同维护一个公开的数据账本，账本中的记录按照时序严格排列，每个节点都完全拥有该账本，账本数据通过共识机制达成一致。经过不断的发展，区块链已经从以数字货币为主的1.0版本进化到了支持智能合约的2.0版本，正朝着构架未来价值互联网的3.0版本推进。

去中心化是区块链最主要的特征。作为一个分布式系统，一个区块链中可以没有任何的中心化机构，而实行分散自治的策略，引导用户自觉参与记账和执行事务。在合理机制的支持下，区块链系统比中心化系统更加稳定可靠，单一节点的故障问题不影响整个系统的平稳运行。高冗余度的分布式存储使得区块链具有防篡改、可追溯的特性，再结合数字签名等密码学算法，使得数据更加安全可信。区块链集成了一系列的关键技术，包括共识算法、智能合约、密码学算法等，此外还包含激励机制、数据库和P2P通信等技术，是多个领域技术结合的产物。

共识算法负责解决节点在分散的情况下如何达成一致的问题。在区块链网络中，如果每个节点都同时记录数据，将会导致各节点的数据不一致，而共识算法设定了某种规则（共识），在某个时刻选出一位临时的记账节点，而其余节点要接受该节点的数据记录。经过共识后所有数据账本的记录将会保持一致，从而保证了分布式节点数据的一致性。

智能合约本质上是自动化执行的脚本程序，与普通程序所不同的是，其执行结果要经过所有节点共识，从而保障了程序执行的可靠性。区块链底层的分布式运行机制相当于一个“虚拟机”，为智能合约的执行提供稳定、可靠的环境，而智能合约则允许区块链实现更多的功能，拥有更加广阔的应用前景。

区块链中应用的密码学算法包括哈希算法、数字签名、加密算法和默克尔树等，哈希算法主要用于对数据生成摘要，满足防篡改的要求，也是链式结构存储的关键技术之一；数字签名用于对区块链网络中的用户进行身份认证；加密算法允许用户将加密后的数据上传到区块链中；默克尔树则是用于提升事务处理效率，快速完成数据的验证。

根据侧重点不同，区块链发展出了多种类型，包括公链、联盟链和私链等。公链是区块链最早的形态，其对应的场景中用户之间完全没有信任，奉行完全去中心化、节点完全对等的原则，节点可以随意加入和退出公链网络，对节点数量也没有要求；联盟链是为具有一定是信任基础的应用场景而设计的，共识过程由可信的、数量确定的一组节点完成，由于存在信任差距，内部的节点往往会在权限上有所区别，并非完全对等；私链则是某个单位或组织内部应用的系统，系统内所有节点均受同一个单位或组织的控制。

基于去中心化的设计理念和成熟的技术手段，区块链在数字资产、数据存储、数据鉴证、金融交易和可信计算等方面具有显著的作用[20]，可以帮助各行业解决相关问题，尤其是涉及到价值流动的应用场景，比如能源交易、供应链金融、版权认证和保险评定等。应用于能源互联网电力交易场景的区块链技术，是本系列综述的主要内容。

能源区块链

欧盟工业界认为，能源区块链是区块链技术的一个重要应用场景。能源互联网与区块链都具有分布式、去中心化的特征，能源互联网强调的开放、互联、对等和分享的设计理念与区块链去中心化、共同维护、地位平等和数据共享的特性高度契合。基于区块链技术的技术架构可以保证能源互联网中个体用户的地位平等，并实现用户之间的P2P能源及能源相关信息交易，从而实现能源互联网的价值驱动，建立新的能源价值体系。

区块链可以帮助能源互联网的各个层次构建相关的应用，分别获联合地构建能源区块链，具体应用示例如图3所示。

图3 能源区块链应用层次图

物理系统层：区块链可以辅助能源互联网进行物理设备和其他资源的统一管理，保障设备资源的安全稳定；通过智能合约可以对电力传输进行安全校核与阻塞管理，保障传输线路的优化畅通；区块链能够根据电力网络的拓扑结构和各设备的参数指标，实时地进行潮流计算，保障电力物理系统的安全。

传感通信层：针对能源传感数据的采集制定对应的智能合约，使得能量路由器可以定期自动化采集传感数据并上传到区块链；区块链节点采用加密算法对数据进行加密通信，保证了数据通信的安全性；针对能源的生产和消费，区块链与智能电表等设备相结合，根据各个终端的能源生产、消费状况进行智能化计量，保障了计量数据准确、不被篡改。

能源业务层：智能合约可以自动化地执行能源入网、能源交易等复杂的系统流程；在需求侧管理方面，区块链能够辅助完成自动化的需求响应，对分布式的能源用户来讲更加快捷简便；区块链安全特性可以用于能源系统的身份认证和访问控制，以及保护用户的隐私。

增值服务层：区块链可以为用户在能源互联网中的行为提供数字化认证，以满足各方需要；应用区块链可以更好地推行绿证和碳排放权等政策实施，甚至实现绿证和碳排放权的自由交易；区块链可以对能源产品的生产、购买过程进行担保，从而促进能源产品的金融化。作为能源区块链十大场景之一，电力交易属于能源互联网架构的第三层级——能源业务层。

在绿色能源广泛去中心化接入电网，电动车反向供电等技术逐步成熟的趋势中，区域点对点交易需求日渐增多，构建去中心化点对点可信安全的区域交易平台是电力交易区块链的发展方向。同时，随着物联网技术传感通信控制技术的发展，电力系统在时间、空间维度上进行监管控制的粒度逐渐细化，将物联网、大数据、人工智能等技术以适当的方式嵌入电力交易区块链堆栈可以自动化、批量化地快速执行电力系统监管与控制，提升效率。

从能源互联网的角度思考，电力交易需要用到传感通信层提供的数据，且需要使用区块链交易结果对物理系统层进行精细化管控制，在不同电网物理架构下，交易需求、特征复杂，为研究提供了丰富的场景。

电力交易区块链

在电力交易场景，已有不少与区块链相关的应用与研究。早期，LO3 Energy(New York, USA)和西门子(Munich, Germany)合作开发了基于区块链的交易型网格微电网交易平台[22]，用户可以在平台上自由地进行能源交易而不依赖于第三方机构，但是该平台没有适合交易方的竞价策略模型和基于区块链数据的直接结算功能。

2019年3月，南方电网依托国家能源局首批“互联网+”智慧能源示范项目——《支持能源消费革命的城市-园区双级“互联网+”智慧能源示范项目》，将绿色证书交易与区块链技术相结合，在珠海开展了基于区块链技术的绿证交易平台试点示范项目。2021年9月，国家发改委、国家能源局复函国家电网公司、南方电网公司，推动开展绿色电力交易试点工作。认为开展绿色电力市场的条件已经成熟。可利用区块链等技术，全面记录绿色电力生产、交易、消费等各环节信息，保证不可篡改，实现绿色电力全生命周期追踪。

这些政策、项目对于区块链技术在电力交易中应用来讲，无疑具有巨大的示范和推进作用，然而这些项目大多还处于研究、试点阶段，如何构建完善的能源区块链电力交易体系，还需要对实际应用中的问题进行深层次的考虑和研究。

现阶段，我国能源电力业界正在电力交易区块链技术路线方向上逐步达成共识，基于电力交易对参与者准入，数据、信息、交易安全性等方面的特性，获得许可公有链授权认证的业务联盟链作为一种可实名、可监管的技术路线方向逐渐成为主流。一个能源区块链示例如图4所示。其中，能源交易区块链为该能源区块链的子链。

图4 能源区块链

从学术的角度来讲，目前已有的电力交易区块链技术研究，既包含区块链技术应用模式的探索，也包含面向应用场景的对区块链技术的深入研究[8]。这反映出当前区块链技术堆栈在电力交易领域研究的阶段性特征，即具体应用业务场景逐步明确，特征性价值框架正在建立，且区块链作为一个技术堆栈本身正在针对电力交易场景进行针对性创新。

本系列从区块链的技术特征角度出发，结合当前的研究现况，认为目前电力交易区块链堆栈的关键技术探索主要有以下四个方向：共识机制，交易与智能合约设计，安全机制和其他领域技术，具体技术要点如图4所示，共识机制主要包括PoW、PoS、DPoS和PBFT等4种，交易与智能合约设计主要包括自动化交易和其他功能等2方面，安全机制主要包括身份认证与访问控制、数据通信安全、隐私保护和行业规范等4方面，其他领域技术主要包括大数据、人工智能、经济学与博弈论和5G技术等4方面。接下来本系列将从这四个方向出发，分析当前能源区块链的发展现状和问题，以及探讨各技术领域下一步的研究趋势。

图5 电力交易区块链关键技术构成

参考文献

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结语

以上为本期全部内容，下期将讲述能源区块链中的共识机制，敬请期待。

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