国家新政：区块链技术推广应用与”能源区块链+计量”研究的文摘与解读

中国现代电网量测技术平台

张春晖

2019年12月1日

国家新政：区块链技术推广应用与”能源区块链+计量”研究的文摘与解读

概述

区块链（Block chain）是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模型。区块链是比特币的一个重要概念，它本质上是一个去中心化的数据库，同时作为比特币的底层技术，是一串使用密码学方法相关联产生的数据层，每一个数据块中包含一批次比特币网络交易的信息，用于验证其信息的有效性（防伪）和生成下一个区块。

去中心化是区块链最突出最本质的特征，区块链技术不依赖于额外的第三方管理机构或硬件设施，没有中心管制，除了自成一体的区块链本身，通过分布式核算和存储，各个节点实现了信息自我验证、传递和管理。

开放性是它的另一个特征。除了交易各方的私有信息被加密外，区块链的数据对所有人开放，通过公开的接口查询区块链数据和开发相关应用，整个系统信息高度透明。

≡摘自报道：”什么是区块链，有啥特征？”

［注：比特币（Bit coin）是一种P2P形式的虚拟的加密数字货币。其中，P2P（Peer to Peer lending）是点对点网络借贷］

1、国家新政：推广区块链技术应用

1）在区块链领域占据创新制高点

— 目前，区块链技术应用已延伸到数字金融、物联网、智能制造、供应链管理、数字资产交易等多个领域。区块链技术的集成应用在新的技术革新和产业变革中起着重要作用。

— 要推动区块链底层技术服务和新型智慧城市建设相结合，探索在信息基础设施、智慧交通、能源电力等领域的推广应用，提升城市管理的智能化、精准化水准。

≡ 摘自报道：”中央政治局集体学习区块链技术发展现状和趋势”；”区块链+电力：推开物联网时代新大门”

2）中国央行数字货币（DCEP）

2019年10月28日，报道：我国央行推出数字货币（DCEP）是基于区块链技术推出的全新加密电子货币体系。

未来的财富不是美元，也不是黄金，一定是属于区块链数字资产。

DCEP应用特征：

— DCEP与人民币可以1:1自由兑换，支撑直接中央银行

— DCEP采用商业银行和中央银行的双层制度，适合国际上各主权国家现有的货币体系

— DCEP是主权货币，是纸质人民币的替代，可以确保现有货币理论体系依旧发挥作用

— DCEP可以基于特殊设计，可以不依赖于网络进行点对点的交易。

≡ 摘自报道：”中国央行数字货币DCEP——全球第一大主权数字货币”

（注：DCEP：Digital Currency Electronic Payment 数字货币电子支付）

2、区块链起源、类型及结构模型

1）区块链：起源于比特币

— 2008年11月，国际上，中本聪发表：《比特币：一种点对点的电子现金系统》，阐述了基于P2P网络技术、加密技术、时间戳技术、区块链技术等的电子现金系统的架构理念，这标志着比特币的诞生。

— 2009年1月3日，第一个序号为0的创世区块诞生；2009年1月9日，出现序号为1的区块，并与序号为0的创世区块相连接形成了链，标志着区块链的诞生。

— 在比特币形成过程中，区块是一个一个的存储单元，记录一定时间内各个区块节点全部的交流信息。区块之间通过随机散列（哈希算法）实现连接。后一个区块包含前一个区块的哈希值。随着信息交流的扩大，一个区块与一个区块相继连接，形成结果叫做区块链。

（注：哈希算法：Hash，一般译为”散列”，或哈希，即把任意长度的输入，通过散列算法变成固定长度的输出，该输出就是散列值或哈希值。这种转换是一种压缩映射，就是将任意长度的消息压缩到固定长度的消息摘要函数）

2）区块链的类型

— 公有区块链：世界上任何个体或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。公有区块链是应用最广泛的区块链，各大bit coins 系列的虚拟货币均基于公有区块链。

— 联合（行业）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，其它节点可以参与交易，但不过问记账过程（分布式记账，如何决定每个块的记账者，成为该区块链的主要风险点），其他人可以通过该区块链开放的API进行限定查询。

（注：API 是APPlication Programming Iterfave的缩写，即应用程序编程接口）

— 私有区块链：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，本链与其它的分布式存储方案没有太大区别。

3）区块链结构模型

一般来说，区块链系统：由数据层、网络层、共识层、激励层、合约层、应用层组成。

— 数据层：数据区块、链式结构、时间戳、哈希函数、Merkle树、非对称加密

（注：Merkle 树—英文全称 Merkle tree，译为默克尔树，即按树枝的两分叉结构存储Hash值）

— 网络层：P2P网络、传播机制、验证机制

— 共识层：PoW、PoS、DPoS ----

（注：区块链的共识算法：PoW — 工作量证明；PoS — 股权证明；DPoS — 委托权益证明）

— 激励层：发行机制、分配机制

— 合约层：脚本代码、算法机制、智能合约

— 应用层：可编程货币、可编程金融、可编程社会。

以上各层的核心技术：分布式账本、非对称加密、共识机制、智能合约

≡ 摘自”百度百科”：《区块链》

3、区块链技术的

本部分内容摘自：网上”基于区块链的分布式能源交易方案设计”（以下简称：文［A］）并经编辑而成。

1）区块链基础技术：区块结构及区块链形成

一是，概要：区块链作为一种去中心化的分布式共享账本，通过邻区块首、尾哈希值单向连接，实现链式存储。区块链各节点都拥有完整账本的副本，任何节点均可实时查看和校对交易数据。分布式存储的优势不仅在于交易公开化，以有效维护数据安全，而且也降低用于购买服务器的成本。

所有分布式能源交易数据都将存储在区块体上，哈希算法自动生成存储交易数据哈希值的默克尔树（Merkle tree）。

二是，区块的默克尔树（Merkle tree）结构

以区块链N--1、N、N+1为例说明：

— 区块N--1：包括前一区块哈希值、本区块哈希值。区块N--1的哈希根输出至区块N

— 区块N：包括区块头、区块体两部分

· 区块头：区块N--1的哈希值，即默克尔根（Merkle Root）。

· 区块体，默克尔树Merkle trre）构成：

底层：交易笔数序号为1、2、3、4，各自计算出哈希值（即哈希1、哈希2、哈希3、哈希4）

中层：由哈希1与哈希2合并成一个字符串，并算出这个字符串的哈希1/2；同理，哈希3与哈希4合并成另一字符串，再算出该字符串哈希3/4

顶层：由字符串哈希1/2与哈希3/4合并成新的字符串，并算出哈希值，即默克尔根（MerkleRoot）。区块N的默克尔根输出至区块N+1

· 区块N+1：包括区块N的哈希值、本区块哈希值。区块N+1的默克尔根输出至下一个区块。

由此可知，若交易数据被篡改，相应默克尔根的哈希值将改变。分布式能源交易信息利用区块链的默克尔树存储，使每一笔交易都可被溯源。

2）区块链的互联共识机制

互联共识是区块链技术的去中心化环境下最核心问题。在目前的研究内容中，共识算法主要有PoW（proof of work）— 工作量证明；PoS （proof of stake）— 股权证明；DPoS（delegated proof ofstake）— 委托权益证明；PBFT（practical byzantingfault tolerance）— 实用拜占庭容差算法；DBFT（delegated byzantinefault tolerance）— 授权拜占庭容差算法；RBFT（robust byzantine faulttolerance）— 高性能拜占庭容差算法。

目前电力区块链交易市场设想大多数是搭建公有链和运用PoW工作证明共识机制的运营模式。而文［A］设计运营DPoS机制，将分布式能源交易系统的股权定义为碳排放量证明或者绿证，并标识节点状态。

3）基于区块链的分布式能源交易方案

— 基于区块链的分布式能源交易网络平台架构图的表述：

· 分布式能源交易网络平台参与市场交易的节点有8类，包括政府、电网企业、负荷集成商、绿色能源服务商、金融机构、电力用户、新能源发电商、监管部门。

· 区块链技术保证任何节点都可以实现互联和P2P交易，即以上列出参与市场交易的8类成员中的每一类成员，设计有7条通信连线通向其它类成员。

· 以上8类节点成员可通过区块链技术，包括数字签名、共识机制、智能合约、非对称加密，实现/参与点对点能源交易。

— 基于区块链的分布式能源交易网络平台工作流程：

· 估计本次交易周期后，本次交易周期开始

· 确认节点信誉值并降序排列，划分信誉值等级

· 交易网络平台收集买方报价信息并降序排列；收集卖方售价信息并升级排列；根据信誉值等级划分各节点的可匹配范围

· 电网企业在区块链交易网络平台后，根据以上数据，推测可能产生阻塞的线路，并制定阻塞费用

· 之后，交易网络平台广播排序名单、各节点可匹配范围及对应阻塞费用

· 节点选择是否进行交易

节点确认进行交易的后续工作：（略）

节点不同意交易的后续工作：（略）。

4）基于区块链的分布式能源交易过程中的技术问题

— 数据采集。通过智能电表、智能家居收集用户在交易网络平台上购电和售电的交易信息数据。交易网络平台对这些数据进行整理、分类并存储

— 数据传输。区块链技术可以为智能电表、产能设备、耗能设备提供跨越各种网络的无缝访问，协助布署5G接入技术。在下行通信方面，区块链交易网络可利用PLC、RS485、WiFi等低成本通信技术进行信息交互

— 数据处理：（略）

— 对业务应用的支撑。包括涉及区块链的关键技术，如能判断交易自动进行智能合约、保证各节点协同的共识机制等。未来有许多区块链网络平台涉及接口不兼容问题，在区块链网络中运用人工智能AI技术，可协助各类设备在不同系统中，拥有统一的注册授权、管理完善的生命周期管理机制，可解决以上不兼容问题。

5）基于区块链的分布式能源交易对配电网产生电力潮流阻塞管理问题

区块链技术便于各参与节点进行实时P2P交易，随着交易网络平台参与节点的增多，交易高峰期，大量的交互性操作有可能会导致配电网潮流越限，产生阻塞问题。

文［A］设定的基于区块链的双边拍卖方式，由于是短期交易方式，采用调整成交价格的方式缓解阻塞，使阻塞管理成本最小化。其阻塞管理方法：交易合同经买卖双方及电网企业三方签名后视为有效，买方所支付费用将被存在区块链网络平台上。当买方确定收货后，区块链网络平台将货款和输电费用分别放到卖方和电网企业的账户上。

4、林洋能源公司：在国内，”能源区块链+计量”研究先行一步

本部分内容摘自：网上”林洋能源打造区块链智能电表应用平台”（以下简称：文［B］），并经编辑而成。

1）林洋：区块链智能电表

2019年4月26日，在林洋南京（区块链）实验室完成区块链智能电表的验证测试，包括单交易基准测试、单交易负载测试、混合业务负载测试，各项指标符合预期。

该区块链技术广泛应用后，电力再不会”来无影、去无踪”，与电力能源流相关的每一项行为都记录在链上。每个电力用户可以明白消费的每一度电来自于哪个发电商的服务以及其中绿色电力的比例是多少，同时也知道自己生产的每一度电去向何方。

2）林洋：电力区块链基础平台

随着越来越多的发电、电网和售电公司看好使用区块链技术来协调多种利益相关方的冲突，并通过智能合约等机制，促进信息的高效利用和交易的高效实施。

— 能源区块链功能架构设计图的表述：

· 数据采集：需求侧、能效、运维

· 电力市场：发电上网、购电

· 智能合约：电能交易、调度分配

· 数字货币：电子商务、结算、支付。

— 区块链基础平台内部结构图的描述：

林洋开发的区块链基础平台内部结构，包括电力数据采集节点、输配电节点、运维节点、其它平台节点、电力数据交易节点5个，还外接：数据采集应用系统、电力数据交易及应用平台。

· 电力数据采集节点：

（外接）<— 数据采集应用系统<—抄读与查询— 电力公司、居民、企业单位

（内联）<— 档案数据、电力数据 —>输配电节点 / <—档案数据、运行信息—>运维节点 / <— 档案数据、运行信息、电力数据 —>其它平台节点/ <— 电力数据—>电力数据交易节点

· 输配电节点：

（外接）<— 电力调度系统

（内联）<— 档案数据、电力数据—>电力数据采集节点/<— 档案数据、输配电信息—>运维节点

· 运维节点：（内联）<— 档案数据、输配电信息—>输配电节点/<— 档案数据、运行信息—>电力数据采集节点/<— 档案数据—>电力数据交易节点

· 其它平台节点：

（建议补充：外接）<—其它平台

（内联）<— 档案数据、运行信息、电力数据—>电力数据采集节点/<— 交易数据—> 电力数据交易节点

· 电力数据交易节点：

（外接）<— 电力数据交易及应用平台<— 交易与查询— 发电企业、电力公司、新能源用户

（内联）<— 交易数据—> 其它平台节点/<— 档案数据—>运维节点/<—电力数据—>电力数据采集节点

3）以上林洋区块链智能电表产品方案作为电力区块链基础平台后续可以应用到电力能源现货交易、微电网购售电、电动汽车充放电交易、储能系统参与市场交易、电力需求侧管理（DSM）、虚拟电厂等应用场景。

4）本文点评

林洋能源公司研发的区块链智能电表和电力区块链基础平台是电力区块链系统的主要部分，在国内，”能源区块链+计量”研究方面走在前列。

文［B］叙述林洋区块链智能电表和电力区块链基础平台的架构。其交易基础平台采用5个节点（电力数据采集节点、输配电节点、运维节点、其它平台节点、电力数据交易节点）及外接2个系统/平台（采集数据应用系统、电力数据交易及应用平台）。这部分是电力区块链基础平台的概要，未说明电力区块链交易网络的全过程。

文［A］指出：目前，基于区块链的交易机制还存在一些问题，如区块链节点成本问题；区块链数据的存储方式；底层通信速率低等。再是，可靠且可实现的区块链实体应用案例较少，后续的区块链吞吐量增大、安全防护、数据处理优化等问题尚待解决。因此，研究应用落地标准、解决存在问题刻不容缓。

本文作者期望：林洋能源及其它电表企业、省级电网计量中心继续