區(qū)塊鏈與綜合能源系統(tǒng)：應(yīng)用及展望
張 妍1,2* 王龍澤3 吳 靖1
原蓉芳1 李美成3,4
1. 華北電力大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，北京
2. 新能源電力與低碳發(fā)展研究北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京
3. 華北電力大學(xué) 可再生能源學(xué)院，北京
4. 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京
摘要：本文基于區(qū)塊鏈的技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合我國(guó)能源電力改革的發(fā)展方向，對(duì)區(qū)塊鏈在綜合能源系統(tǒng)的應(yīng)用及發(fā)展前景進(jìn)行探究。本文闡述了區(qū)塊鏈技術(shù)在綜合能源系統(tǒng)應(yīng)用方面的現(xiàn)狀和面臨的挑戰(zhàn)，分析了能源區(qū)塊鏈系統(tǒng)構(gòu)建中需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，展望了基于區(qū)塊鏈的未來(lái)綜合能源的發(fā)展愿景。論文提出要構(gòu)建適合我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的綜合能源區(qū)塊鏈系統(tǒng)，并在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)協(xié)同化、智能化、數(shù)字化和低碳化
關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈；綜合能源系統(tǒng)；能源區(qū)塊鏈；科學(xué)問(wèn)題；前景展望
區(qū)塊鏈具有去中心化、不可篡改、公開(kāi)透明等特點(diǎn)，將成為下一輪技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)鍵突破口，并以此推動(dòng)數(shù)字金融、物聯(lián)網(wǎng)、能源電力等領(lǐng)域的創(chuàng)新變革。習(xí)近平總書(shū)記在關(guān)于推動(dòng)區(qū)塊鏈技術(shù)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的講話中強(qiáng)調(diào)：“要推動(dòng)區(qū)塊鏈底層技術(shù)服務(wù)和新型智慧城市相結(jié)合，探索在信息基礎(chǔ)設(shè)施、智慧交通、能源電力等領(lǐng)域的應(yīng)用[1]”。區(qū)塊鏈技術(shù)的融合創(chuàng)新和功能拓展，將會(huì)為我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展注入新的動(dòng)能。能源電力作為我國(guó)經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，也需要加快推進(jìn)區(qū)塊鏈技術(shù)在電力領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用，構(gòu)建適合我國(guó)能源電力發(fā)展的綜合能源區(qū)塊鏈技術(shù)和應(yīng)用框架。
1 區(qū)塊鏈在綜合能源系統(tǒng)中的應(yīng)用：發(fā)展現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)
建設(shè)清潔低碳、安全高效的能源體系，是我國(guó)能源改革的發(fā)展方向。到2030年，我國(guó)非化石能源發(fā)電量將占全部發(fā)電量的50%，到2050年，將實(shí)現(xiàn)能源消費(fèi)總量基本穩(wěn)定，非化石能源超過(guò)一半[2]。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們需要在能源電力的發(fā)展中不斷提升可再生能源的占比、開(kāi)展分布式能源利用、提高能源使用效率，以建立適合我國(guó)能源電力發(fā)展的綜合能源系統(tǒng)。區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)，為我國(guó)電力的發(fā)展提供了新的契機(jī)，區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化、去信任化、透明性、公平性和分布性決策的特點(diǎn)，非常切合電力改革的發(fā)展需求用[3]。以區(qū)塊鏈為代表的數(shù)字技術(shù)，與電力技術(shù)加速融合，將顯示出強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿?，借助能源區(qū)塊鏈技術(shù)，有望打造一個(gè)去中心化的能源電力市場(chǎng)新局面，推動(dòng)我國(guó)綜合能源系統(tǒng)的快速發(fā)展。
認(rèn)識(shí)到區(qū)塊鏈技術(shù)對(duì)未來(lái)能源電力發(fā)展的影響，很多國(guó)家開(kāi)始在實(shí)踐中進(jìn)行探索，以期在新一輪能源技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)主動(dòng)權(quán)。近年來(lái)，美國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在區(qū)塊鏈技術(shù)的能源領(lǐng)域應(yīng)用方面進(jìn)行了很多嘗試。2016年4月，美國(guó)紐約的布魯克林建立了全球首個(gè)能源區(qū)塊鏈交易系統(tǒng)，該系統(tǒng)將處于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的五個(gè)家庭的屋頂光伏發(fā)電，直接出售給區(qū)塊鏈交易系統(tǒng)的另外五組家庭，這個(gè)能源交易系統(tǒng)是由美國(guó)的能源公司（LO3公司）、西門(mén)子數(shù)字電網(wǎng)（Siemens Digital Grid）以及比特幣開(kāi)發(fā)公司（Consensus Systems）共同合作開(kāi)發(fā)的。因此布魯克林微電網(wǎng)的建立，標(biāo)志著區(qū)塊鏈技術(shù)在能源領(lǐng)域應(yīng)用的開(kāi)端[4]。
此外，很多國(guó)家和地區(qū)也相繼開(kāi)展了以區(qū)塊鏈為底層技術(shù)的綜合能源交易項(xiàng)目。如歐盟的Scanergy項(xiàng)目建立了基于以太坊的智能合約通用平臺(tái)，將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到分布式能源的交易中。澳大利亞弗里曼特市采用區(qū)塊鏈技術(shù)將光伏發(fā)電、電動(dòng)汽車(chē)、區(qū)域水處理廠聯(lián)系起來(lái)，形成智慧城市互聯(lián)樣板項(xiàng)目[5]。日本東京電力公司開(kāi)發(fā)了區(qū)塊鏈技術(shù)能源交易平臺(tái)，可使供需雙方通過(guò)P2P市場(chǎng)直接交易。德國(guó)在區(qū)塊鏈的能源應(yīng)用方面也做了很多嘗試并取得了很好的進(jìn)展，這些成果一方面源于德國(guó)政府對(duì)發(fā)展區(qū)塊鏈技術(shù)較為支持，另一方面是因?yàn)榈聡?guó)的可再生能源發(fā)展較好，這些都為綜合能源區(qū)塊鏈的應(yīng)用提供了很好的政策和技術(shù)支撐[6]。
區(qū)塊鏈作為分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、共識(shí)機(jī)制、加密算法等技術(shù)的集成應(yīng)用，可重塑行業(yè)信任方式的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，有望成為下一輪技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的突破口[7]。我們都有這樣的共識(shí)：在全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革中，只有掌握了核心技術(shù)，才能在新的競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)。這也是世界各國(guó)紛紛搶占技術(shù)高地，集中力量開(kāi)展創(chuàng)新實(shí)踐的原因。我國(guó)政府在這方面也表現(xiàn)出了很大的決心：強(qiáng)調(diào)要注重基礎(chǔ)研究，提升原始創(chuàng)新能力，努力讓我國(guó)在區(qū)塊鏈這個(gè)新興領(lǐng)域走在理論最前沿、占據(jù)創(chuàng)新制高點(diǎn)、取得產(chǎn)業(yè)新優(yōu)勢(shì)；強(qiáng)調(diào)推動(dòng)協(xié)同攻關(guān)，加快核心技術(shù)突破，為區(qū)塊鏈應(yīng)用發(fā)展提供安全可控的技術(shù)支撐。可見(jiàn)我國(guó)在推動(dòng)區(qū)塊鏈技術(shù)的產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新方面，已經(jīng)形成了較好的政策支持環(huán)境。
在能源區(qū)塊鏈的實(shí)踐應(yīng)用方面，我國(guó)也進(jìn)行了積極的探索。2019年8月，國(guó)家電網(wǎng)成立了國(guó)網(wǎng)區(qū)塊鏈科技公司，作為能源電力領(lǐng)域的世界級(jí)央企，正在借助該平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈技術(shù)的研究、能源區(qū)塊鏈產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、能源交易平臺(tái)建設(shè)等方面的業(yè)務(wù)。此外，其他企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)，也在能源區(qū)塊鏈方面進(jìn)行了一些探索性工作，共同推動(dòng)了區(qū)塊鏈技術(shù)在綜合能源系統(tǒng)中應(yīng)用的進(jìn)程。例如，浙江電力公司電科院創(chuàng)立的能源區(qū)塊鏈研究項(xiàng)目、北京大同區(qū)塊鏈技術(shù)研究院項(xiàng)目、蛇口能源區(qū)塊鏈社區(qū)公益項(xiàng)目、嘉興“互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”雙創(chuàng)基地綜合能源示范工程等。初期的能源區(qū)塊鏈項(xiàng)目，大都嘗試將區(qū)塊鏈技術(shù)與綜合能源系統(tǒng)建設(shè)相融合，在區(qū)塊鏈電子合同、大數(shù)據(jù)征信系統(tǒng)、區(qū)塊鏈金融風(fēng)控架構(gòu)、區(qū)塊鏈電費(fèi)核算等方面進(jìn)行了一些技術(shù)融合，這些都為我國(guó)建立更加系統(tǒng)完整的綜合能源區(qū)塊鏈應(yīng)用框架提供了經(jīng)驗(yàn)。
基于區(qū)塊鏈技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，讓我們對(duì)區(qū)塊鏈與能源電力技術(shù)的融合充滿期待。區(qū)塊鏈技術(shù)是利用塊鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)驗(yàn)證與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、利用分布式節(jié)點(diǎn)共識(shí)算法來(lái)生成和更新數(shù)據(jù)、利用密碼學(xué)的方式保證數(shù)據(jù)傳輸和訪問(wèn)的安全、利用由自動(dòng)化腳本代碼組成的智能合約來(lái)編程和操作數(shù)據(jù)的一種全新的分布式基礎(chǔ)架構(gòu)與計(jì)算范式。這種分布式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)集合了去信任化、去中心化以及安全性的技術(shù)特點(diǎn)，與綜合能源系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展需求非常契合。為了應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和環(huán)境污染，未來(lái)的能源發(fā)展要向著清潔、低碳、靈活和多元化方向轉(zhuǎn)變。未來(lái)的能源系統(tǒng)，必然是一個(gè)融合了可再生能源等多種能源形式、集中式和分布式結(jié)合、泛在電力廣泛物聯(lián)的綜合能源系統(tǒng)[8]。所以，將區(qū)塊鏈與綜合能源系統(tǒng)結(jié)合，構(gòu)建適合我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的綜合能源區(qū)塊鏈系統(tǒng)，一定會(huì)極大地推動(dòng)我國(guó)能源電力的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。
2 綜合能源區(qū)塊鏈系統(tǒng)的特點(diǎn)與架構(gòu)
迄今為止，區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于綜合能源的研究與實(shí)踐尚處于起步階段，區(qū)塊鏈天然的分布式特征有助于構(gòu)建綜合能源的信息化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，也能促進(jìn)綜合能源系統(tǒng)的供需平衡、需求側(cè)響應(yīng)及可再生能源消納等問(wèn)題的解決[9]。
綜合能源區(qū)塊鏈系統(tǒng)是基于區(qū)塊鏈特有的分布式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將政府、能源供應(yīng)企業(yè)、監(jiān)管部門(mén)、能源用戶(hù)、金融機(jī)構(gòu)等各方作為節(jié)點(diǎn)，搭建點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的能源信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)建立協(xié)同化、智能化、數(shù)字化和低碳化的綜合能源區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)去中心化、去信任化、智能高效的能量管理。這一綜合系統(tǒng)，既要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部多種能源的有效平衡和高效利用[10]，又要達(dá)到系統(tǒng)外部能源供需的廣域互聯(lián)和有效監(jiān)管，其系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。
圖1 綜合能源區(qū)塊鏈系統(tǒng)架構(gòu)圖
綜合能源區(qū)塊鏈系統(tǒng)的能量管理是利用區(qū)塊鏈技術(shù)去信任化、去中心化以及安全性等方面的特點(diǎn)，在能源供應(yīng)企業(yè)、能源用戶(hù)、能源服務(wù)商、監(jiān)管部門(mén)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)建能源區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，來(lái)實(shí)現(xiàn)能源交易、能源調(diào)度、能源服務(wù)、監(jiān)督審計(jì)與數(shù)據(jù)共享等功能。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)內(nèi)部各種能源之間更加高效安全的相互連結(jié)和耦合，能源供給更加高效、柔性、多元和互補(bǔ)，并最終提高能源利用效率和可再生能源的利用比例。
綜合能源區(qū)塊鏈系統(tǒng)在能源買(mǎi)賣(mài)交易中，各主體平等分散決策，直接進(jìn)行能源交易，進(jìn)而減少了不必要的能源傳輸損耗，使資源成本和交易成本降到最低。綜合能源區(qū)塊鏈系統(tǒng)主要通過(guò)參與主體各自的決策與博弈，來(lái)實(shí)現(xiàn)能源供需平衡[11]；同時(shí)，不同區(qū)域之間也可進(jìn)行發(fā)電權(quán)與售電權(quán)的交易，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域的能源交互，以達(dá)到能源的廣域互聯(lián)，這種分散式的能源調(diào)度方式可促進(jìn)各主體參與程度，拓展可再生能源的消納途徑，提高能源利用效率。在能源服務(wù)方面，基于區(qū)塊鏈特有的共識(shí)機(jī)制，使綜合能源系統(tǒng)“源—網(wǎng)—售—荷”全環(huán)節(jié)的信息保持一致性，有助于綜合能源服務(wù)的運(yùn)行管控體系構(gòu)建[12]，提升綜合能源服務(wù)協(xié)商機(jī)制的高效性、交易的安全性和服務(wù)的實(shí)時(shí)性[13]。另外，將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于綜合能源系統(tǒng)之中，也可以提升系統(tǒng)的監(jiān)管能力和數(shù)據(jù)共享功能。系統(tǒng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有權(quán)限訪問(wèn)數(shù)據(jù)信息并儲(chǔ)存于本地，個(gè)別能源供需主體的惡意行為不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成影響，提高綜合能源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全性，有助于國(guó)家相關(guān)組織機(jī)構(gòu)對(duì)能源電力運(yùn)行進(jìn)行管理監(jiān)督，數(shù)據(jù)共享也有利于促進(jìn)分布式協(xié)作的能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。
總之，將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于先進(jìn)綜合能源系統(tǒng)，有望重構(gòu)能源產(chǎn)業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)能源電力與信息技術(shù)的有機(jī)融合、實(shí)體經(jīng)濟(jì)與數(shù)字經(jīng)濟(jì)的有機(jī)融合、傳統(tǒng)能源與可再生能源的有機(jī)融合，進(jìn)而提高綜合能源系統(tǒng)的能源使用效率，提高可再生能源的應(yīng)用比例，進(jìn)一步推動(dòng)電力技術(shù)創(chuàng)新和能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
目前可實(shí)現(xiàn)的區(qū)塊鏈實(shí)體應(yīng)用案例相對(duì)較少，由于區(qū)塊鏈技術(shù)自身的特點(diǎn)，以及綜合能源系統(tǒng)本身具有的物理結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)吞吐量大、廣域協(xié)調(diào)困難等特征，使區(qū)塊鏈技術(shù)在綜合能源系統(tǒng)的應(yīng)用還面臨很多挑戰(zhàn)。這些具有挑戰(zhàn)性的科學(xué)問(wèn)題，主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面。
3 綜合能源區(qū)塊鏈應(yīng)用中的科學(xué)問(wèn)題
目前可實(shí)現(xiàn)的區(qū)塊鏈實(shí)體應(yīng)用案例相對(duì)較少，由于區(qū)塊鏈技術(shù)自身的特點(diǎn)，以及綜合能源系統(tǒng)本身具有的物理結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)吞吐量大、廣域協(xié)調(diào)困難等特征，使區(qū)塊鏈技術(shù)在綜合能源系統(tǒng)的應(yīng)用還面臨很多挑戰(zhàn)。這些具有挑戰(zhàn)性的科學(xué)問(wèn)題，主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面。
3.1 綜合能源系統(tǒng)物理復(fù)雜性對(duì)現(xiàn)有區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的挑戰(zhàn)
綜合能源系統(tǒng)通常包括煤炭、石油、天然氣、電能、熱能等多種能源，通過(guò)“源—網(wǎng)—售—荷”全環(huán)節(jié)的能源交互，滿足各類(lèi)用戶(hù)的電、熱、冷等用能需求，單一能源信息（如電力負(fù)荷、新能源發(fā)電預(yù)測(cè)、智能電表、電價(jià)信息等）也將轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾N信息相互融合，物理結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣。目前已成熟的比特幣、以太坊等公有鏈，可根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景建立相應(yīng)的智能合約進(jìn)行買(mǎi)賣(mài)交易與信息交互，但如何實(shí)現(xiàn)綜合能源發(fā)、供、用的瞬時(shí)平衡，仍是值得探究的技術(shù)難題。
隨著未來(lái)能源系統(tǒng)不斷向著多種能源的集成化發(fā)展，系統(tǒng)將涵蓋更多的風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等可再生能源，而可再生能源顯著的間歇期和不確定性形成了更為復(fù)雜的能源供給方式；另一方面，如吸收式熱泵、余熱回收等各類(lèi)節(jié)能降耗技術(shù)的集成應(yīng)用，提高了綜合能源系統(tǒng)能源利用效率的同時(shí)，也進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，給區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用拓展帶來(lái)挑戰(zhàn)。
3.2 能源信息高吞吐、高并發(fā)對(duì)區(qū)塊鏈高效運(yùn)行的挑戰(zhàn)
綜合能源系統(tǒng)的能源交互信息具有動(dòng)態(tài)性、實(shí)時(shí)性，數(shù)據(jù)吞吐量明顯多于交易結(jié)算的區(qū)塊鏈應(yīng)用場(chǎng)景，給系統(tǒng)高效運(yùn)行造成困難，甚至出現(xiàn)通訊延遲與信息阻塞現(xiàn)象。例如比特幣網(wǎng)絡(luò)每秒大約處理7筆交易，以太坊的信息處理速度為每秒20～30筆[14]，這相比于目前集中式商業(yè)網(wǎng)絡(luò)的信息處理速度還相差甚遠(yuǎn)。
隨著未來(lái)綜合能源系統(tǒng)不斷向著規(guī)?；l(fā)展，系統(tǒng)中參與的能源供需的主體顯著增多，不同區(qū)域的綜合能源系統(tǒng)也可通過(guò)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行跨區(qū)域的能源交互，使系統(tǒng)必須具備較高的并發(fā)性能，以滿足綜合能源的各類(lèi)業(yè)務(wù)需求；同時(shí)，新能源汽車(chē)、相變儲(chǔ)能等技術(shù)不斷發(fā)展，在綜合能源系統(tǒng)中的占比逐步增多，儲(chǔ)能設(shè)備可根據(jù)系統(tǒng)信息實(shí)時(shí)調(diào)整能源供需策略，且各設(shè)備位置相對(duì)分散，對(duì)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的高并發(fā)運(yùn)行形成挑戰(zhàn)。
3.3 能源交易方的復(fù)雜性對(duì)能源區(qū)塊鏈信息安全的挑戰(zhàn)
區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中單個(gè)甚至多個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的修改無(wú)法影響其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫(kù)，攻擊者必須控制系統(tǒng)中至少51%的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)篡改，這使得區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)具有很好的安全性和容錯(cuò)性。我國(guó)目前的能源系統(tǒng)以集中式為主，供給主要由電網(wǎng)等少數(shù)企業(yè)承擔(dān)，當(dāng)未來(lái)分布式能源占比逐漸提升的時(shí)候，能源交易方會(huì)更加復(fù)雜多變，大型能源供給企業(yè)將可能控制系統(tǒng)內(nèi)較多的能源供應(yīng)節(jié)點(diǎn)，利用區(qū)塊鏈技術(shù)的“隱匿性”特征實(shí)施技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)壟斷或是促成壟斷協(xié)議的達(dá)成，并基于自身壟斷優(yōu)勢(shì)掌握普通用戶(hù)隱私信息[15]，對(duì)于綜合能源系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)安全構(gòu)成影響。
隨著未來(lái)綜合能源系統(tǒng)不斷向著多元化發(fā)展，能源供給方式復(fù)雜多樣，還需要構(gòu)建統(tǒng)一的能源協(xié)調(diào)機(jī)制，以促進(jìn)能源的有效利用；其次，各類(lèi)用戶(hù)對(duì)于可靠穩(wěn)定的用能需求日漸提高，需要降低斷電、斷氣等風(fēng)險(xiǎn)，以提高綜合能源區(qū)塊鏈系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定；最后，隨著能源需求側(cè)響應(yīng)與參與程度的提升，大量信息被分布式存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)之中，保障每個(gè)能源用戶(hù)的隱私也對(duì)開(kāi)源式的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)提出挑戰(zhàn)。
3.4 區(qū)塊鏈分布式共識(shí)機(jī)制對(duì)資源環(huán)境的挑戰(zhàn)
區(qū)塊鏈特有的共識(shí)機(jī)制可在無(wú)需可信第三方中介的情況下，實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)“源—網(wǎng)—售—荷”全環(huán)節(jié)的信息一致性，促進(jìn)各參與主體的可信任能源交互。但是，區(qū)塊鏈的分布式共識(shí)機(jī)制，需要以大量算力為支撐，將數(shù)據(jù)在所有節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行確認(rèn)、傳輸、存儲(chǔ)等過(guò)程，也會(huì)消耗一定的能源。綜合能源的開(kāi)發(fā)建設(shè)主要目的之一就是降低整體能源消耗，綜合能源區(qū)塊鏈系統(tǒng)節(jié)能降耗與算力耗電還沒(méi)有相應(yīng)的評(píng)價(jià)技術(shù)，需要科學(xué)全面地衡量系統(tǒng)的能源利用效率。
隨著未來(lái)綜合能源系統(tǒng)不斷向著全球化發(fā)展，各個(gè)國(guó)家、各個(gè)區(qū)域的能源系統(tǒng)有望實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效的互通互聯(lián)，打破區(qū)域能源供需壁壘，構(gòu)建綠色低碳的能源互聯(lián)網(wǎng)。在廣域的分布式能源交互中，區(qū)塊鏈的共識(shí)機(jī)制在發(fā)揮信息一致性?xún)?yōu)勢(shì)的同時(shí)，也可能消耗更多的資源以完成數(shù)據(jù)的全網(wǎng)絡(luò)儲(chǔ)存與處理，如何降低區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的能源消耗、如何評(píng)價(jià)系統(tǒng)的節(jié)能降耗指標(biāo)是區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用的挑戰(zhàn)之一。
4 基于區(qū)塊鏈的綜合能源系統(tǒng)前景展望
鑒于綜合能源區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)性科學(xué)問(wèn)題，未來(lái)的理論研究與項(xiàng)目實(shí)踐將重點(diǎn)圍繞區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、高并發(fā)能源交易、能源數(shù)字身份認(rèn)證及減低資源消耗等方面開(kāi)展。
4.1 開(kāi)發(fā)多種能源去中心化自治協(xié)同的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
從能源改革的趨勢(shì)來(lái)看，區(qū)塊鏈去中心化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與綜合能源分布式的發(fā)展模式相吻合，構(gòu)建多種能源自治協(xié)同的區(qū)塊鏈綜合能源系統(tǒng)，可有效解決可再生能源、化石能源、儲(chǔ)能與節(jié)能設(shè)備等各類(lèi)能源生產(chǎn)主體信息不對(duì)稱(chēng)的問(wèn)題，促進(jìn)系統(tǒng)多種能源梯級(jí)高效利用。由于現(xiàn)有的公有鏈網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要針對(duì)金融交易設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率與可拓展性較差，難以適用于綜合能源復(fù)雜多樣的物理結(jié)構(gòu)。因此，也可以構(gòu)建以聯(lián)盟鏈為底層架構(gòu)，針對(duì)綜合能源系統(tǒng)量身打造符合物理特性的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，聯(lián)盟鏈相對(duì)松散的共識(shí)機(jī)制使各節(jié)點(diǎn)達(dá)成共識(shí)時(shí)間更短，系統(tǒng)運(yùn)行效率明顯提高，有助于綜合能源系統(tǒng)能源發(fā)、供、用的瞬時(shí)平衡。
聯(lián)盟鏈靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)一定程度上提高了區(qū)塊鏈技術(shù)在綜合能源系統(tǒng)中的適用性，但也使各個(gè)綜合能源系統(tǒng)形成封閉式網(wǎng)絡(luò)，不利于各系統(tǒng)供需節(jié)點(diǎn)的互通互聯(lián)。因此，可以從以下方面進(jìn)行探索和研究：一方面，開(kāi)發(fā)通用的能源聯(lián)盟鏈平臺(tái)，充分結(jié)合可再生能源與各類(lèi)節(jié)能設(shè)備的運(yùn)行機(jī)理，建立可模塊化調(diào)用的能源設(shè)備智能合約，縮短能源區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)周期，降低系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本，有助于區(qū)塊鏈技術(shù)在能源領(lǐng)域的推廣實(shí)踐；另一方面，充分發(fā)揮公有鏈的開(kāi)源、開(kāi)放特性，研究并搭建專(zhuān)屬于能源領(lǐng)域的公有鏈底層架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈技術(shù)與能源電力技術(shù)，尤其是再生能源綜合利用技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)，電網(wǎng)技術(shù)等的有效融合，實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域的能源供需系統(tǒng)大規(guī)?；ネɑヂ?lián)。
4.2 打造高并發(fā)、智能化的能源交易平臺(tái)
與傳統(tǒng)交易方式相比，綜合能源區(qū)塊鏈平臺(tái)可在無(wú)中心機(jī)構(gòu)管理的情況下自動(dòng)運(yùn)行，開(kāi)展可信交易，這種交易模式弱化了傳統(tǒng)售電公司的中心樞紐功能，降低了能源領(lǐng)域的整體交易成本，也為各類(lèi)用戶(hù)帶來(lái)更多自由交易的選擇。基于區(qū)塊鏈的綜合能源系統(tǒng)將構(gòu)建適合“源—網(wǎng)—售—荷”全環(huán)節(jié)的能源交易平臺(tái)，對(duì)各類(lèi)能源供需方進(jìn)行能量管理和提供交易服務(wù)。通過(guò)“代碼即合同”“代碼即法律”的智能合約技術(shù)，采用連續(xù)雙邊拍賣(mài)等機(jī)制進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易，有效解決能源交易雙方信息不對(duì)稱(chēng)導(dǎo)致的信任缺失問(wèn)題，為可再生能源就近消納與有效利用提供新路徑的同時(shí)，降低了能源交易過(guò)程中的人力、時(shí)間和溝通成本。
為持續(xù)打造高并發(fā)、智能化的能源交易平臺(tái)，以能源交易帶動(dòng)綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展完善，使各參與主體利益最大化，可以在以下方面進(jìn)行探索和研究：首先，鼓勵(lì)不同技術(shù)路線的科技研發(fā)，持續(xù)提高能源區(qū)塊鏈交易平臺(tái)的信息處理速度與并發(fā)效率，以滿足更多的參與主體進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的能源交易；其次，研發(fā)先進(jìn)的多區(qū)塊鏈信息交互技術(shù)，通過(guò)側(cè)鏈錨定、分布式私鑰控制等技術(shù)手段，破解各能源區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)之間無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)交互與交易結(jié)算的難題，促進(jìn)綜合能源區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的跨區(qū)域交易，以多元化市場(chǎng)交易機(jī)制帶動(dòng)能源的供需平衡；最后，發(fā)掘區(qū)塊鏈與人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、5G等技術(shù)深度融合應(yīng)用的可能途徑，在區(qū)塊鏈與其他新興科技之間搭建可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)橋梁，完善綜合能源系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，提高能源區(qū)塊鏈交易平臺(tái)的智能化水平。
4.3 實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)的數(shù)字認(rèn)證
區(qū)塊鏈的不可篡改特性是降低社會(huì)信用成本的重要特征，也是網(wǎng)絡(luò)安全的重要保障。區(qū)塊鏈的加密算法技術(shù)可將大量的能源數(shù)據(jù)分布式的存儲(chǔ)在每個(gè)能源供需主體之中，有效降低了價(jià)值信息被惡意篡改的可能性，能源信息的安全性大為提高。另外，為推進(jìn)我國(guó)已實(shí)施的可再生能源配額機(jī)制，可將區(qū)塊鏈技術(shù)用于綠色證書(shū)交易市場(chǎng)，充分發(fā)揮區(qū)塊鏈的信息公開(kāi)透明、可追溯等優(yōu)勢(shì)，簡(jiǎn)化綠色證書(shū)的認(rèn)證與交易流程，激勵(lì)清潔能源交易，促進(jìn)節(jié)能減排。在綜合能源區(qū)塊鏈點(diǎn)對(duì)點(diǎn)能量傳輸與交易結(jié)算的框架下，第三方的約束與監(jiān)管較少，區(qū)塊鏈的數(shù)字技術(shù)將發(fā)揮更大作用，促進(jìn)各參與單元達(dá)成共識(shí)[16]，并有助于建立透明、公正、平等的能源市場(chǎng)。
為實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)的數(shù)字身份認(rèn)證，推動(dòng)能源行業(yè)向數(shù)字化產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，要加強(qiáng)能源區(qū)塊鏈數(shù)字技術(shù)的研發(fā)，通過(guò)加密通信、電子簽名等技術(shù)，給予能源供需主體相應(yīng)的數(shù)字化身份，將不同屬性的能源供應(yīng)節(jié)點(diǎn)、能源使用節(jié)點(diǎn)、能源傳輸與轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)字化表征，給予物理能源相應(yīng)的數(shù)字化身份，提供去中心環(huán)境下的信任機(jī)制[17]，為數(shù)據(jù)安全流通提供技術(shù)保證；另一方面，加強(qiáng)能源區(qū)塊鏈技術(shù)，與儲(chǔ)能、節(jié)能等能源新技術(shù)融合，推動(dòng)能源技術(shù)的數(shù)字化水平。
4.4 優(yōu)化共識(shí)機(jī)制，減少資源消耗
區(qū)塊鏈特有的共識(shí)機(jī)制使能源系統(tǒng)各主體的數(shù)據(jù)信息保持高度一致，實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)能量管理的穩(wěn)定、高效，并促進(jìn)多系統(tǒng)的廣域協(xié)調(diào)。未來(lái)基于區(qū)塊鏈的綜合能源系統(tǒng)，要在滿足多元化供能和用能需求的同時(shí)，使多方達(dá)成共識(shí)機(jī)制，并減少資源消耗，提高能源使用效率。
要優(yōu)化綜合能源區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行方式，不斷提高綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益、社會(huì)效益，我們可以在以下方面進(jìn)行探索和研究：積極探索適用于能源領(lǐng)域的共識(shí)機(jī)制，在保障區(qū)塊鏈去中心化、公開(kāi)透明、安全可信、信息可追溯和不可篡改等技術(shù)優(yōu)勢(shì)的前提下，考慮將區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)從算力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉打?qū)動(dòng)，優(yōu)化共識(shí)機(jī)制，提高綜合能源系統(tǒng)的低碳屬性；建立區(qū)塊鏈應(yīng)用的科學(xué)評(píng)價(jià)體系，全面考慮區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的安全、效率、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等指標(biāo)，搭建可量化的評(píng)價(jià)系統(tǒng)，通過(guò)科學(xué)、全面的評(píng)價(jià)方法衡量各區(qū)塊鏈項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益，指導(dǎo)未來(lái)基于區(qū)塊鏈的綜合能源系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展；從技術(shù)融合發(fā)展到理念融合，以區(qū)塊鏈互信共享的共識(shí)機(jī)制為基礎(chǔ)，探索建立融合新科學(xué)技術(shù)、新商業(yè)模式、新共享范式的綜合能源互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)能源綠色低碳的可持續(xù)發(fā)展。
5 結(jié) 語(yǔ)
區(qū)塊鏈技術(shù)主要特征在于去中心化，通過(guò)分布式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、共識(shí)機(jī)制、非對(duì)稱(chēng)加密等技術(shù)組合應(yīng)用，在促進(jìn)數(shù)據(jù)共享、優(yōu)化業(yè)務(wù)流程、降低運(yùn)營(yíng)成本、提升協(xié)同效率、建設(shè)可信體系等方面發(fā)揮積極作用。要加快推動(dòng)區(qū)塊鏈技術(shù)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，積極推進(jìn)區(qū)塊鏈和經(jīng)濟(jì)社會(huì)融合發(fā)展，要提高區(qū)塊鏈技術(shù)在靈活性、并發(fā)性、安全性和環(huán)保性等四個(gè)方面的性能。即挖掘區(qū)塊鏈機(jī)理，采用靈活可拓展的技術(shù)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域的區(qū)塊鏈項(xiàng)目落地；充分融合其他新興技術(shù)，研究多種鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的高并發(fā)運(yùn)行；采用數(shù)字身份識(shí)別技術(shù)保護(hù)參與主體信息，合理監(jiān)管區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)安全與隱私保護(hù)；采用合理的共識(shí)機(jī)制，在保障去中心化數(shù)據(jù)交互的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈的低能耗運(yùn)行。
基于區(qū)塊鏈的綜合能源系統(tǒng)要充分考慮能源信息交互的特殊性，在未來(lái)綜合能源系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)四化，即協(xié)同化、智能化、數(shù)字化和低碳化：將區(qū)塊鏈技術(shù)靈活應(yīng)用到能源系統(tǒng)之中，構(gòu)建自下而上的能源管理架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多種能源去中心化自治協(xié)同；要充分挖掘區(qū)塊鏈等新興技術(shù)優(yōu)勢(shì)，打造穩(wěn)定高效的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)能源供需主體的智能化交易；要采用先進(jìn)的技術(shù)手段，將能源的物理屬性賦予數(shù)字化身份，實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)的信息可追溯和不可篡改；要優(yōu)化區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用形式，充分發(fā)揮綜合能源節(jié)能低碳的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)能源工業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展。
將區(qū)塊鏈技術(shù)與綜合能源系統(tǒng)相結(jié)合，構(gòu)建適合我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的綜合能源區(qū)塊鏈系統(tǒng)，促進(jìn)區(qū)塊鏈技術(shù)與能源技術(shù)不斷融合、創(chuàng)新和實(shí)踐，一定會(huì)極大推動(dòng)我國(guó)能源改革的進(jìn)程，并為我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展提供源動(dòng)力。
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作者簡(jiǎn)介
張妍 管理學(xué)博士，畢業(yè)于中國(guó)人民大學(xué)商學(xué)院，英國(guó)劍橋大學(xué)訪問(wèn)學(xué)者，現(xiàn)任華北電力大學(xué)新能源管理與評(píng)估研究所所長(zhǎng)。近年來(lái)主要從事新能源管理與評(píng)估、環(huán)境資源會(huì)計(jì)、微能源與綜合能源系統(tǒng)等方面的研究工作，先后在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊發(fā)表研究論文60余篇，出版教材論著2部，主持國(guó)家自然科學(xué)基金、教育部博士點(diǎn)基金等科研課題十余項(xiàng)，擔(dān)任多個(gè)學(xué)術(shù)團(tuán)體任職和期刊的審稿專(zhuān)家。
