2019年10月25日，習近平總書記強調了區(qū)塊鏈技術在新的技術革新和產業(yè)變革中的重要性，提出要推動區(qū)塊鏈在信息基礎設施、智慧交通、能源電力等領域的應用， “區(qū)塊鏈”這一概念隨之廣受關注，它在能源領域的應用也備受期待。能源區(qū)塊鏈到底是個什么東西？是新的發(fā)展機遇還是空中樓閣？本文嘗試對能源區(qū)塊鏈的技術概念，以及它在分布式能源交易領域的應用潛力和存在問題做一個探討。
01、能源區(qū)塊鏈是個什么東西？
簡單地說，能源區(qū)塊鏈是利用去中心化的分布式賬本來實現電能交易（特別是分布式能源交易）的一種技術。什么意思呢？我們舉個售電市場的例子來說明，假設A家的屋頂有一塊太陽能電池板，某天10:00-11:00時段A賣了50kWh電給用戶B。這個交易過程有兩個關鍵的環(huán)節(jié)：
（1） 訂立交易合同
假設A預測明天10:00-11:00他家的太陽能電池板能發(fā)50kWh余電，于是A在市場上找到買家B，雙方約定A在明天10:00-11:00以0.5元/kWh的價格把50kWh電賣給B，并同時約定相關的違約條款。這個約定就是一個交易合同。為什么需要合同呢？因為電能的生產和消費是瞬時完成的，而買賣雙方詢價、議價、達成交易協議的過程則需要時間，所以電能交易并不是“即時成交，貨款兩清”的，而是交易協議必須在能量的實際交割之前達成。
（2） 交易結算
到了10:00-11:00，發(fā)生實際的電能生產和消費，智能電表會測量A實際發(fā)了多少電，B實際用了多少電，數據上傳到系統被記錄下來。交易系統根據實際成交的電量和合同中相關的條款來確定B最終應付給A多少錢，記錄這條交易信息，并使A和B的賬戶發(fā)生相應的入賬出賬，至此交易完成。
可以看到，要使得交易順利進行，有兩點必須要得到保證：
1）交易必須被真實地記錄下來，不能被篡改，因為如果任何一個環(huán)節(jié)被篡改，都會給交易方帶來損失或者有人非法獲利；
2）必須保證交易結算按照合同執(zhí)行。
為了保證這兩點，現在普遍采用中心化集中式的交易方式，也就是說找一個具有公信力的第三方來保證記賬的真實性（不能造假）以及合同的執(zhí)行（不能賴賬）。對于電力交易來說，這個第三方目前主要就是各級電力交易中心。
中心化集中式的交易方式有什么問題呢？我們經常會看到的說法是中心化交易不夠安全、不夠透明、交易費用高等等。其實對于分布式能源來說，最大的問題是難以找到第三方。一方面，分布式能源容量太小，不能進入省市級的電力交易中心。另一方面，分布式能源的交易范圍往往限于局部地區(qū)，所以非常適合建立小的局部的電力市場，例如一個社區(qū)內部的本地電力市場，這樣我家多余的太陽能發(fā)電能賣給隔壁老王。但是由于分布式電源容量小，本身利益空間就不大，所以很難找到第三方的生存空間。沒有第三方，那交易就很難進行，因為我不知道老王會不會用了我的電之后不給我錢。這就是分布式能源交易目前面臨的尷尬局面：你想找個大的第三方，人家看不上你；想找個小的第三方，因為利潤太小，又沒有人愿意干。
這時，基于區(qū)塊鏈的去中心化交易模式提供了一種可能的解決方案。在區(qū)塊鏈的方案里，我們剛才說到的交易過程所需要保證的兩個要點是這樣解決的：
1）通過公開的分布式賬本來保證交易記錄的真實性和透明性。
在區(qū)塊鏈的技術架構里，合同和交易記錄并不存儲在第三方那里，而是以區(qū)塊鏈（blockchain）的形式存儲在網絡中的每一個節(jié)點上。當A和B發(fā)生交易時，合同與交易記錄會向全網廣播，接著找一個節(jié)點來記賬，將賬本的這一頁信息打包成一個區(qū)塊（block）發(fā)給全網，全網驗證無誤后，所有節(jié)點把這個區(qū)塊加到本地存儲的區(qū)塊鏈后面（也就是每個節(jié)點都把合同和交易記錄記入本地的數據庫）。
由于全網有多個節(jié)點參與記賬，因而交易記錄很難造假。同時區(qū)塊鏈采用一種叫Merkle Root的數據處理算法，保證任何一個節(jié)點上某條交易記錄被改動時，該節(jié)點上的整條區(qū)塊鏈都會失效，因而要篡改信息也就變得相對困難。由于賬本是公開的，每個人都可以查看交易記錄，因而具有更高的透明度。
區(qū)塊鏈的數據存儲形式
（注意：不是節(jié)點之間以鏈狀連接，而是數據以鏈狀結構存儲在每個節(jié)點上）
2）交易合同和交易結算通過智能合約（Smart Contract）來自動化執(zhí)行。
所謂智能合約，就是一種用計算機語言取代法律語言去記錄條款的合約。傳統的合同是拿白紙黑字寫下來，那智能合約就是傳統合約的數字化版本，所謂“智能”是指這個合約能自動執(zhí)行。當A和B之間達成某種交易協議之后，協議會被自動編碼成電子合約，上傳到區(qū)塊鏈網絡上被記錄下來，不可篡改。當能量生產和消費完成之后，實際測量到的發(fā)電和用電數據會上傳到系統，觸發(fā)合約自動執(zhí)行。
由于區(qū)塊鏈具有安全透明、不可篡改、合約自動執(zhí)行能等特征，使得交易雙方無需相互信任就可以完成交易。這樣一來，交易不依賴第三方中介就可以進行了。潛在的好處是降低合約執(zhí)行和監(jiān)管的成本，特別是對于像分布式能源這樣相對低價值的交易來說，能大大地降低交易成本。
02、為什么要促進分布式能源的點對點交易？
我們在上文提到，區(qū)塊鏈能解決分布式能源交易中的第三方問題。那我們順著這個問題往源頭問，為什么要促進分布式能源的點對點自由交易？
答案是：要解決分布式能源的定價問題，而這是當前阻礙分布式能源發(fā)展的一個很大的痛點。
目前的各級電力市場（我們這里稱之為批發(fā)市場，wholesale market），小容量的發(fā)電商（distributed generator, DG）和小用戶是不能進入的，于是就有了售電商。售電商從批發(fā)電力市場和所管轄區(qū)域內的DG那里買電，然后賣電給用戶。售電商在批發(fā)電力市場上交易的價格是實時變動的，而從DG那里買電的價格則是固定的（feed-in tariff）。
這種固定價格機制有什么問題呢？
首先，對于DG來說，這往往是很虧的。因為不能進入批發(fā)市場，批發(fā)電價高的時候的額外利潤，DG就掙不到，這部分利潤被售電商賺走了。在利潤空間被擠壓的情況下，分布式能源的發(fā)展動力自然被削弱。從國家能源發(fā)展戰(zhàn)略的角度來看，這顯然是國家不愿看到的。
第二，從電力系統運行的角度來看，實時電價實質上是系統供需關系的一種反映，它能反過來調整供需，進而促進整個系統資源的優(yōu)化配置。而售電側的固定電價，卻使得分布式能源不能通過動態(tài)價格信號參與全系統的資源配置。
那如何讓售電側的價格反映真實的供需關系呢？
一個可能的解決方案是，在配電網的局部區(qū)域內（比如說一個社區(qū)）建立一個本地的能源交易平臺，用戶、DG和售電商在上面自由競價。
下面討論兩種情況：
（1）DG總出力小于本地負荷（本地電力供不應求）：DG的售電價格會上探接近于，沒能從DG那里買到電的用戶從售電商那里以的價格買電。
（2）DG總出力大于本地負荷（本地電力供大于求）：DG的售電價格會下探接近于，DG所發(fā)的多余電力以的價格賣給售電公司。
當然，這是個最簡化的模型，沒有考慮電網的過網費，此外實際的價格機制設計還需要考慮系統的物理約束和其他政策因素。但可以看到，通過分布式環(huán)境下的點對點自由交易，批發(fā)市場的價格自然地傳遞到了本地市場，于是分布式能源參與了全系統的資源配置。
03、基于區(qū)塊鏈的分布式能源交易系統
前面說到，區(qū)塊鏈解決了分布式能源交易“找不到第三方”的問題，但一個實際可運行起來的分布式能源交易系統，除了基于區(qū)塊鏈的底層交易平臺之外，還需要另外兩個組成部分：交易信息平臺和智能控制終端。
◆ 交易信息平臺
剛才說到分布式能源的定價要通過本地市場內的自由競價來實現，這就需要一個可供交易者進行報價、比價的平臺。有時候我們會看到一些文章說“基于區(qū)塊鏈的能源定價機制”，這個說法是不太準確的，因為競價過程并不是在區(qū)塊鏈上實現的。從純技術的角度來看，一個傳統的中心化交易所也能實現點對點交易進而實現能源的動態(tài)定價，只不過在分布式能源交易這個場景下中心化交易成本太高，難以實現而已。區(qū)塊鏈技術在分布式能源交易中的作用，就是以更低的成本提供一個去信任化的場外交易所，和定價機制并沒有直接的關系。區(qū)塊鏈本質上是一個分布式的記賬系統，用以保證交易合同和交易結算的真實記錄和執(zhí)行。而報價議價的過程是不需要被記入賬本的，只要保證合同被真實記錄就可以，因為只有合同才是最終具有法律效力的決議。
那有的人會說，用區(qū)塊鏈來廣播報價不可以嗎？
不是不可以，而是沒有必要。區(qū)塊鏈的功能不是廣播，而是解決信任問題。每個節(jié)點上都存儲著一個賬本，隨著時間的推移，這個賬本會越來越大；每次發(fā)布交易信息，都需要全網節(jié)點核對一次。從存儲資源和算力資源優(yōu)化利用的角度來看，不是必須核對與記錄在案的信息就沒必要在區(qū)塊鏈上存儲。
所以更合理的做法應該是：信息上云，交易上鏈?；谠频慕灰仔畔⑵脚_為交易者提供信息發(fā)布場所，而區(qū)塊鏈負責交易信息的核對與記錄以及合同的訂立與履行。
◆智能控制終端
在分布式能源交易里，還有個重要的實際問題要解決：小型DG和用戶是沒有那么多精力和時間去參與實時電力交易的，畢竟容量小，能掙/省的錢非常有限，有這時間精力不如去干點別的，那誰來替他們做出報價和交易決策呢？這就需要在每個DG和用戶上安裝一個智能終端設備來幫他們自動完成這件事。這個智能終端應能對未來的DG出力、負荷和市場價格作出預測，據此做出使得自身利益最大化的報價和交易決策。再更進一步，如果考慮負荷側的需求響應和DG側的儲能設備，這個智能控制終端還可以負責完成對終端設備的實時控制，例如DG通過調整儲能（價高多賣電，價低少賣電）、用戶通過調整自身負荷（價高少用電，價低多用電）來實現更大的利益。
小結一下，一個完整的分布式能源交易過程由以下五個環(huán)節(jié)組成：
（1） 交易者對資源進行報價；
（2） 交易者做出交易決策；
（3） 簽訂合同；
（4） 交易者對自己的設備進行實時控制；
（5） 交易結算。
（1）在基于云的交易信息平臺上進行；交易者報價、（2）做出交易決策以及（4）實時設備控制由智能終端設備負責完成；（3）和（5）在區(qū)塊鏈上完成。
04、需要研究的問題
目前能源區(qū)塊鏈無論在技術還是政策層面都處于非常不成熟的階段，它從概念到落地還需要一段很長的路。以下是一些還需要研究的問題：
（1）共識機制與效率問題
區(qū)塊鏈的原型比特幣網絡采用的是公有鏈，即任何人都能來爭取記賬。為了確定誰能獲得記賬權，比特幣采用工作量證明機制（Proof of Work, PoW），即讓大家都來做題，誰算得最快就由誰來記賬。好處是安全性非常高，目前已經證明在PoW機制下，要超過全網51%的算力才能實現篡改記錄；但缺點也很明顯，就是非常浪費算力資源，我們看比特幣礦池對電能的巨大消耗就知道了。所以區(qū)塊鏈要在能源領域落地，需要對共識機制進行重新設計，例如采用聯盟鏈的形式。聯盟鏈就是預先選定某些可信節(jié)點為候選記賬人，由預選節(jié)點根據某個共識機制（可以不采用工作量證明）共同決定誰來記賬，其他節(jié)點無權記賬，但可以參與交易和查賬。這實質上是在效率和去中心化程度之間做了折中，此外安全性也會打折扣。如何設計兼顧效率和信任度、安全性的共識機制，是能源區(qū)塊鏈落地需要研究的一個重要問題。
（2）數據銜接過程中的信任問題
區(qū)塊鏈是個很封閉的系統，它的信任只能對區(qū)塊鏈網絡內的數據保證，而從物理數據（電表數據）到區(qū)塊鏈、從區(qū)塊鏈到賬戶數據（銀行扣款）這些過程，并不能保證不存在欺詐。數據銜接過程中的信任問題，還需要進一步研究。
（3）市場與政策機制
能源區(qū)塊鏈的落地是一個系統工程，除了技術方面的完善，還需要配套相關的市場與政策機制。分布式能源交易市場的設計、能源交易系統的檢測與牌照發(fā)放等相關的政策機制，也是決定區(qū)塊鏈與能源的結合能否實現需要研究的重要問題。
總結
區(qū)塊鏈作為一種分布式記賬技術，可以解決數字交易中的共識信任問題，有望成為實現分布式能源大規(guī)模點對點交易的支撐技術，進而解決分布式能源的動態(tài)定價問題，促進新能源的發(fā)展和系統的資源優(yōu)化配置。
在分布式能源交易系統中，基于云的交易信息平臺為交易者提供信息發(fā)布場所，基于區(qū)塊鏈的底層交易平臺負責交易信息的記錄與合同的履行，智能控制終端實現對終端設備的自動控制。
能源區(qū)塊鏈的落地，需要在技術層面對區(qū)塊鏈的共識機制、數據銜接等問題，以及在市場與政策機制方面加強研究。
