区块链在综合能源中的应用研究

2021-01-08

作者:中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司 王秋瑾,王云泽,马欣欣

摘要:区块链作为一项颠覆性技术,正在引领全球新一轮技术变革和产业变革。本文通过对区块链关键技术的分析,研究区块链技术在电力企业应用的原则和前景,并以一个具体的能源互联网工程为例,提出了区块链技术在综合能源的应用方案。该方案结合电力系统生产的特点,针对能源交易与普通商品交易区块链网络方案的不同特性,在能源交易联盟链中引入专有的监督审计中心节点,设计了基于区块链技术的绿证交易和共享充电桩管理,给出综合能源的两种部署方案,促进电、热、气以及电气化交通等多种能源系统的高效融合和开放互联。

关键词:区块链技术;综合能源;能源互联网

1 引言

当前,新一轮科技革命和产业变革席卷全球,大数据、云计算、物联网、人工智能、区块链等新技术不断涌现,数字经济正深刻地改变着人类的生产和生活方式,成为了经济增长的新动能[1]。区块链作为一项颠覆性技术,正在引领全球新一轮技术变革和产业变革[2],我国区块链技术持续创新,开始在供应链、金融、教育、医疗、能源等领域快速应用[3],有望推动我国经济体系实现技术变革、组织变革和效率变革,为构建现代化经济体系作出重要贡献。

伴随着能源革命和环保运动,能源行业正在向清洁化、分布式转型,呈现多能流互补的新型能源结构。自下而上的分布式能源体系将成为传统能源体系的有力补充。在这一过程中,区块链有望成为能源互联网基础设施重要的实现手段[4]。区块链技术可以结合能源行业分布式交易系统和清洁能源普及两大趋势广泛应用。针对能源生产环节,“区块链+能源生产”提高能源生产效率,降低管理成本,增加监测准确度;针对能源交易市场,“区块链+能源交易”为批发能源交易市场提供安全交易保障并降低沟通成本,为零售能源交易市场提供实时支付清结算系统,推进清洁能源普及;针对能源行业投融资环节,“区块链+能源资产投融资”增加投融资渠道,降低投融资风险;针对能源行业的节能减排。

“能源互联网”是以新能源技术和信息技术的深入结合为特征的一种新的能源利用体系,未来,电力输送网络将会变成信息能源网络,任何能源生产者都能够将所生产的能源通过一种外部网格式的智能型分布式电力系统与他人分享。本文结合电力系统生产的特点,分析了区块链技术在电力企业应用的原则和前景,并以一个具体的能源互联网工程为例,研究和提出了区块链技术在能源互联网工程中的应用方案。

2 区块链及其关键技术

2.1 区块链概述

区块链来源于比特币,作为比特币的底层支撑技术,于2010年左右开始兴起,并逐步演化成一种为各种复杂交易提供安全可靠交互保障的技术[5]。它并不依赖任何中心机构的管理,而是以“区块”作为数据单元在网络中分布式记录与存储。区块链就是将这些区块有序地连接起来形成的一种链式数据结构,构成一种几乎不可能被更改的分布式数据库[6]。区块由两部分组成:

(1)区块头,链接上一级区块,并为区块链提供完整性;

(2)区块主体,记录网络中更新的数据信息。区块链结构方式如图1所示,每个区块都会通过区块头信息链接上一级区块,从而形成链式结构[7]。

图1 区块链结构方式

狭义来讲,区块链是一种按照时间顺序将数据区块以顺序相连的方式组合成的一种链式数据结构,并以密码学方式保证分布式账本的不可篡改和不可伪造。广义来讲,区块链技术是利用块链式数据结构来验证与存储数据、利用分布式节点共识算法来生成和更新数据、利用密码学的方式保证数据传输和访问的安全、利用自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据的一种全新的分布式基础架构与计算范式[8]。

2.2 区块链的特点

区块链特殊的数据结构和运行方式,使区块链技术具有4个主要特点:去中心化,开放、共识,交易透明、匿名,不可篡改、可追溯。

2.2.1 去中心化

区块链由众多节点构成端到端的网络,不存在中心化的设备和管理机构。区块链数据的验证、记账、存储、计费、维护和传输等过程均是基于分布式系统结构,节点之间数据交换通过数字签名技术进行验证,无需互相信任,只要按照系统既定的规则进行,节点之间不能也无法互相欺骗。采用纯数学方法而非中心机构来建立分布式节点间的信任关系,从而形成去中心化的可信任的分布式系统。

2.2.2 开放、共识

任何主体都可以参与到区块链网络,每一台设备都能作为一个节点,每个节点都允许获得一份完整的数据库拷贝。节点间基于一套共识机制,通过竞争计算共同维护整个区块链,任一节点失效,其余节点仍能正常工作。

2.2.3 交易透明、双方匿名

区块链的运行规则是公开透明的,所有的数据信息也是公开的,因此每一笔交易都对所有节点可见。由于节点与节点之间是去信任的,因此节点之间无需公开身份,交易过程可匿名进行。除了账户隐私信息被加密外,其他数据都是对所有人或者参与者公开的,可以通过公开接口查询数据记录,信息高度透明。

2.2.4 不可篡改、可追溯

区块链采用了链式结构和时间戳,所有数据都有先后顺序和时间标记,区块链采用共识机制来读写数据,系统管理员并不掌握数据的读写权,无法像对普通数据库那样随意插入或删除。单个甚至多个节点对数据库的修改无法影响其他节点的数据库,除非能保证整个网络中超过51%的节点同时修改,但这几乎不可能发生。区块链中的每一笔交易都通过密码学方法与相邻两个区块串联,因此可以追溯到任何一笔交易。区块链技术核心功能就是不依靠中心或者第三方机构,保障数据的真实可信,打破信任壁垒,极大降低了信任成本,促进其在多个领域高效开展应用[9]。

3 区块链技术在能源领域的应用前景

目前区块链技术有望成为解决能源互联网发展瓶颈的重要突破口,并且在能源领域的应用中已经取得了初步的研究成果。[10]“区块链+能源”项目具有广泛的应用场景,可分为以下几类具体应用:能源生产信息管理、能源交易、能源规划等。

(1)能源生产信息管理

“区块链+能源生产信息管理”是指通过区块链技术实现在生产环节对相应单元的计量、检测、运维等生产信息管理。传统能源生产环节多由公司自主进行,大量未经认证数据形成孤岛,信息价值难以被挖掘。电能、热能和石油等能源通过区块链技术可以大幅降低政府、企业、个人在能源生产环节的进入门槛,在此基础上实现更灵活的商业模式[11]。作为强线下的应用场景,能源生产流通需要通过将区块链技术和硬件设备进行结合,打通数字世界和物理世界的隔阂。依靠物联网设备采集数据,保证数据流转真实,同时结合区块链大幅提升数据的可信度和安全性,为进一步应用打下基础。

(2)能源交易

“区块链+能源交易”是指以区块链技术为手段提高交易效率与安全。先进的支付方式、更短的交易时长、零违约率等对于能源行业的资金流转和市场健康具有指导意义。能源交易分为两类:一类是批发能源交易,这类交易具有资金量大,交易周期长,依赖人力,风险较大的特点;另一类是零售能源交易,这类交易具有实时支付清结算困难,清洁能源输出波动性大,需求响应实现困难等特点。针对批发能源交易市场,区块链及智能合约能够保证资金安全,降低违约率。例如,通过贸易商之间部署的共享账本做出调整,直接在区块链上记录交易信息,使对方验证。这种模式使交易员无需各自存储数据,而是共享安全的媒介,保证储存的信息透明、精确、已验证。这个交易系统,可以提高交易效率,减少人工错误。针对零售能源交易市场,分布式交易系统和带动清洁能源是两大特色,其中,分布式电能交易应用尤为广泛,利用区块链技术,搭建电力行业的微网、分布式交易系统和电动汽车充放电交易平台等多款应用,该系统使消费者变为“产消者”,即能源消费者又是清洁能源的生产者。

(3)能源规划

“区块链+能源规划”指对能源系统的规划。随着分布式能源更加广泛地开发和接入到能源系统网络,节点呈数量级的增长,且交易和结算越发频繁,对能源系统规划提出了更高的要求。区块链技术的去中心化、可信任、公开透明、开放共享可以为未来能源规划提供基本理念和框架设计,以更好地适应未来能源发展形势。[12]

4 区块链技术在综合能源中的应用方案

4.1 工程概况

该工程位于某城市新区(以下简称:新区)。新区所在的省属能源输入型地区,对外依存度较高,油气资源相对丰富,煤炭资源匮乏,风能、太阳能、地热能、潮汐能等其他形式的清洁能源具有一定的开采潜力,水电、火电及核电是目前主要的电力供应形式。新区是典型的受端电网,新区电力几乎全部依赖区外电源供给。

4.2 区块链技术应用方案

4.2.1 综合能源系统

新区的能源系统规划原则是坚持“高效、清洁、安全”的战略方针,合理控制新区能源消费总量,推动能源结构优化,大力发展非化石能源,推进化石能源清洁高效利用,形成以清洁煤电、核电、气电、可再生能源为重要组成部分的新区能源供应体系。为了更好地实现多能源互补,提高能源利用率,新区依托先进的电力电子技术、信息技术和智能管理技术,打造基于能源互联网的综合能源系统。

针对新区的综合能源系统,建立一个开放、安全、高效的能源服务系统将是发挥综合能源系统优势的一个重要因素[13]。传统能源交易主要是一种集中式优化决策的资源配置方式,具有成本高、易受攻击且用户隐私难以保障的缺点。能源互联网是一种泛能源系统,在开放互联、以用户为中心和分布式对等共享等新内涵的引导下,其能源交易将趋向主体多元化、商品多样化、决策分散化、信息透明化、交易即时化,同时也将呈现能量流、信息流与价值流“三流”大融合的趋势。在现有集中式交易模式下,能源交易需要大量的第三方管理机构来构建和维护交易信用,产生了不必要的高额成本。因此,促进能源互联网下能源系统的进一步发展,需对现有能源交易模式进行变革,实现分布式市场模式取代集中式管理模式的变革。在分布式能源交易模式下,能源交易市场的参与者是对等的、分散的、且多种能源协同自治,无需第三方信任机构。区块链技术由于其公平、透明及去中心化的特点,在分布式能源交易中有十分广阔的应用前景。

4.2.2 基于区块链技术综合能源交易

能源互联网力图促进电、热、气以及电气化交通等多种能源系统的高效融合和开放互联。因此需要一个能实现各种能源自由交易的综合能源交易平台。由于本方案中的新区拥有综合能源服务商,能源用户可选择直接向综合能源服务商提出能源服务请求或由调度中心实时调度审核两种主要场景,如图2、图3所示。其他场景可由以上两种场景扩展。

图2 能源用户向综合能源服务商购买能源服务场景

图3 调度中心实时调度审核场景

在以上场景中,能源交易的逻辑由智能合约实现,交易参与方通过调用不同的智能合约发起多方参与的交易流程,确保了交易的安全性和不可篡改性。交易的参与方在独立的通道内进行交易,保证了交易的私密性和安全性。交易数据在各参与方之间共享,可方便查询、追溯,并不可篡改。场景中的交易结算机构负责对所有交易进行审核,并根据区块链上的交易记录进行链下结算,结算记录上传至区块链,供相关方查询和追溯。调度中心在参与非实时交易的监督审核的同时,执行保证电网平衡、稳定的实时调度,并将实时调度的结果存储到区块链上供其他节点审核。

能源计量信息由各参与方上传至区块链,由调度中心和相关方进行审核,并以此作为结算依据。

基于超级账本技术的能源互联网交易系统构架如图4所示。

图4 基于超级账本技术的能源互联网交易系统构架

本方案建立了一个包括能源用户、调度中心、能源供应商、交易结算机构、综合能源服务商、能源输送服务商6种组织的能源交易系统。组织中的节点共有四种角色:提交节点、代表节点、背书节点和锚节点,每个用户可根据需要承担一个或多个角色[14]。每个组织都有自己独立的CA服务器(证书节点),后续新增的节点通过CA服务器颁发证书。组织可以根据需要进行扩充,但需得到其他参与组织的确认。所有组织共用一个具有负载均衡功能的排序节点群,负责数据的排序和打包。

4.2.3 基于区块链技术的共享充电桩管理

随着电动汽车使用量的快速增长,其所带来的能源需求也不断增长。一方面,电动汽车大规模接入电网,导致电网负荷持续增长,峰谷差加剧,控制难度加大;另一方面,现有充电基础设施建设及运营模式与电动汽车发展不协调,普遍存在重视电动汽车,不重视充电桩,造成车多桩少、有车无桩现象严重。为了解决充电桩设施不足、利用率偏低的问题,新区拟采用共享经济的模式,鼓励私人建设充电桩,同时提高充电桩的利用率。

区块链技术特征与充电桩共享的应用需求具有很好的结合点,可以避免中心化平台带来的弊端。基于区块链技术可以构建运行生态化、认证公平化、合约智能化、信息透明化的应用系统。利用区块链技术构建充电桩共享平台,可以有效解决电动汽车增长带来的问题,同时充电桩区块链可以作为能源区块链的一个侧链,一方面可以将侧链与主链隔离,保证主链安全;另一方面侧链与主链交互能源信息,使能源调度平台可以获得充电桩使用的数据,通过大数据分析获得负荷变化规律,优化能源调度策略。

4.2.4 区块链服务平台

能源交易由区块链服务平台实现,平台共分为三层,由下而上分别包括基础设施层、平台层、应用层,如图5所示。

图5 区块链平台结构示意图

(1)基础设施层

用于底层基础硬件、网络环境。

(2)平台层

主要包括区块层、合约层和交易层。用于区块链服务平台的搭建和区块链底层框架的部署,是整个能源交易系统的核心。

(3)应用层

主要用于业主用户身份管理、发电设备相关数据上链和数据查询,通过数据采集,提供数据分析和统计,为决策提供参考。通过提供接口程序,实现相关终端与相关应用进行对接,方便数据传输和管理。主要包括新能源发电设备管理、新能源运营管理、新能源用户管理、数据分析、身份管理和接口管理。

4.2.5 区块链的部署

新区的综合能源交易系统区块链可采用2种部署方案:一种是在能源互联网交易系统市场主体间组建能源交易专网,超级账本的组织部署在各参与方本地。能源供应商、能源传输商、能源调度中心、能源用户等根据不同的能源属性在能源交易系统中构建各自独立的组织。另一种方案是采用云区块链部署方案,能源交易系统的组织节点均部署在云区块链服务商提供的云平台上,账本的共享数据由能源供应商、能源传输商、能源调度中心、能源用户等市场参与方共同维护,云区块链服务商负责对区块链基础设施进行维护。

5 结束语

本文通过对区块链关键技术的介绍,分析了区块链技术能源领域应用前景,并以一个具体的综合能源工程为例,研究和提出了区块链技术在综合能源工程中的应用方案。该方案从实际出发,对比了各种区块链技术应用的条件,最终确定采用超级账本技术路线。并结合超级账本技术的特点,对能源互联网项目的交易模式、体系构架、平台功能架构,以及部署方式都给出了完整的解决方案。

目前,国内正在大力推动综合能源的利用进程,区块链技术在综合能源中的应用可以确保多种能源形式的利用和消纳效率,提高交易的安全可靠性,满足用户越来越高的服务需求。

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[14] 冯翔, 刘涛, 吴寿鹤, 等. 区块链开发实战:Hyperledger Fabric关键技术与案例分析[M]. 北京:机械工业出版社, 2018.

作者简介:

王秋瑾(1977- ),女,河北廊坊人,高级工程师,硕士,现就职于中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司,从事电力设计咨询工作。

王云泽(1977- ),男,陕西西安人,高级工程师,硕士,现就职于中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司,从事电力设计咨询工作。

马欣欣(1956- ),女,北京人,正高级工程师,现就职于中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司,从事电力设计咨询工作。

摘自《自动化博览》2020年11月刊

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来源:今日头条