蔡兴国 王娟

摘   要：随着物联网应用与电网智能化的不断发展，电力系统与技术相结合的应用对电力系统各种问题的解决方案也越来越多元化，随之产生的应用也不断的在推陈出新。文章提出将区块链技术应用于电力市场来解决电力市场的弊端，先是简介区块链技术的基本概念以及运作原理，然后分析了区块链技术应用于当前的电力市场可能性以及当前的可再生能源电力市场，与加入区块链的可再生能源电力市场进行对比分析。

关键词：区块链;电力市场;可再生能源

中图分类号：T-013/-017          文献标识码：A

Application of blockchain technology in power market

Cai Xingguo1， Wang Juan2

（1.CETHIK Group Corporation， ZhejiangHangzhou 310012;

2. Xian University of Posts & Telecommunications， ShaanxiXian 710121）

Abstract： With the continuous development of the application of the Internet of things and the intelligentization of the power grid， the application of the combination of the power system and the technology has become more and more diversified for the solutions to various problems of the power system， and the resulting applications are constantly being developed. This article proposes to apply blockchain technology to the power market to solve the shortcomings of the power market. It first explains the basic concepts and operating principles of blockchain technology， analyzes the possibility of applying blockchain technology to the current power market， and compares the current renewable energy power market with the renewable energy power market that introduces the blockchain technology.

Key words： blockchain; power market; renewable energy

1 引言

隨着区块链技术的不断发展，更多基于区块链技术的应用场景不断落地，为行业融合发展提供了有力的支撑，如区块链在金融、科教、保险、物流等行业应用的实现，成为推动金融服务产业发展升级以及互联网、物联网等应用高质量发展的关键推手，促进了行业的欣欣向荣发展[1]。能源产业作为国民经济支柱型产业，能源产业的创新升级成为当前关注的热点。近年，电力行业中能源互联网发展迅速，但目前仍存在一系列难题。而区块链具有的去中心化、不可篡改和合约化等特点，则是解决这些问题的有力手段，能够为未来的能源互联网的发展提供重要的支撑[2]。区块链技术在能源互联网的应用中已展开了相关的探索研究，李彬等[3]人设计出一种基于区块链的供需互动系统架构。这个架构是以区块链技术为支撑，以信息监控、采集、录入、统计为中心，以需求相应服务、负荷集成商、用户群为框架的一体化信息平台设计思路，通过区块链的不可篡改性确保数据的安全性。欧阳旭等人[4]构架了基于区块链技术大用户的直购电交易框架，然后从市场准入、交易、结算和物理四个方面来进行说明。

目前，国际社会已经将区块链技术应用于分布式发电电力交易，已在美国、德国、荷兰、南非、澳大利亚、新西兰等地开展小规模试点项目。其中，欧盟无疑是全球最活跃的地区，他们更关注核心网络的开发。欧洲学者MIike Mihaylow就提出可以将区块链技术应用于能源领域的交易。2016年11月，美国纽约州的LO3公司与西门子数字电网（Siemens Digital Grid）以及区域链开发商ConsenSys合资成立了TransActive Grid公司，通过运营微网项目实现社区居民之间的电力交易。即使居民家中没有发电设备，也可以通过居民用户家中接入智能仪表实现与其他分布式家庭互联，购买电力。Grid Singularity公司运用区块链技术开发一种利用比特币，就可以进行捐赠的能源支付捐赠平台，不需要任何的中介组织，同时也会保障资金安全。

2  我国电力市场现状

2.1 我国电力市场问题

电力的发展是推动我国经济发展的重大元素之一，电力改革是我国经济体制和能源体制改革的重要组成部分。但是，我国电力市场仍存在着很多问题，根据2017年中国电力企业联合发布的《中国电力行业发展报告2017》可知，目前我国电力市场需求在不断增加，如图1所示，我国2010年到2016年的电力需求逐年递增，意味着我国电力市场改革迫切[5]。

我国电力需求在稳步增长，但是电力需求的增长率却在下降，与此同时每年的发电装机容量仍在快速增长，而且增长持续，快于用电需求增长，这导致了电力产能过剩问题日益严重。2016年的输电线路损失率达到6.47%，输电线路的损失意味着许多电力未传送到终端消费者，而是在输送的过程中损耗，导致潜在收入的损失。我国在发展清洁能源的同时，清洁能源带来的消纳问题也日趋严重。我国水能、风能、太阳能发电大基地与用电负荷地区逆向分布的特点，决定了清洁能源资源富集地区的大规模开发，需要在全国范围配置消纳。

2.2 区块链应用于电力的可行性分析

在面对我国电力市场的一系列问题时，最终的问题要落实到解决电力市场的供需平衡问题上，同时实现电力市场的市场化，加快我国清洁能源的发展。将区块链技术应用到电网建设，可以有效地解决电力市场面临的问题，同时加快我国清洁能源的发展。首先区块链具有去中心化的特点，在交易的过程中不需要第三方，对电网系统来说就意味着不需要电力部门的监督，降低了监督成本，提高监督效率;其次区块链技术有利于解决电力市场供需不平衡的现状，消费者之间可以通过区块链技术实现电力资源等价交易，这样不仅可以保证电力资源的平衡，还可以在一定程度上降低消费者的电力资源费用。

3  区块链技术

3.1 区块链技术的概念

最早的关于区块链的描述性是中本聪在2008年发布的一篇名为《Bitcoin：peer to peer electronic system》的文献。在这篇文献中，中本聪首次提出比特币的概念，而作为比特币核心技术的区块链也随之产生，但是这时并没有明确提出区块链的定义，只是将其作为用于记录比特币交易的账目历史。虽然区块链技术在2008年就被提出，但是区块链技术是最近几年才开始引起广泛关注。区块链本质上是一种基于非对称加密的分布式账本技术，并且只有被区块链上的全部节点的共同机制检验通过之后的交易才能记录[7]。该技术是以密码学技术为支撑，并且参与系统中的任意多个节点都通过哈希密码算法将信息记录到链状的顺序区块中，每个节点的地位都是公平的，都可以参与交易认证，并且通过加密算法保证交易的真实可靠以及不可篡改。由于每个节点都可以根据共识机制来进行新区块的确认和奖励，没有第三方仲裁的参与，所以区块链又可以被看成一个去中心化的分布式账本[8]。区块链的核心优势就是能够去中心化，同时能够运用数据加密、时间戳、分布式共识等手段，在节点无需互相信任的分布式系统中实现交易、协调与协作，从而为解决中心化机构中普遍存在的高成本、低效率和数据储备不安全等问题提供了解决方案[6]。

这里更要注意比特币的区块链是为比特币而服务，比特币的区块链技术并不完全等同于区块链技术，如图2所示，区块链的区块中要包含数据记录、当前的哈希值、前一区块根哈希、时间戳和其他的信息[9]。

数据记录的内容可以根据实际的应用出发决定，比如资产发行记录、清算记录等。数据记录的存储组织形式一般为树形状，而区块根哈希其实是数据记录树的根节点哈希。时间戳为区块生成时间证明，而其他信息中包括区块的签名信息、随机值等信息，根据不同的实际需求，其他信息的内容也不尽相同。

3.2 区块链技术架构

随着区块链技术的不断发展和应用的拓展，区块链的架构也在不断地进行变化，根据区块链的本质特征以及发展现状，如图3所示，区块链技术架构可分为三个层次：网络层、数据层和应用层[10]。

网络层主要是通过P2P网络技术实现网络节点之间的连接与通信，不同于具有中心服务器的中央网络，对等网络的用户即是服务器，又是一个接入用户，用户群体通过交换信息组成一个互联网体系。

交易层主要有两个功能，一个是相关数据的存储，另一个是账户和交易的安全和实现。数据储存于默克尔树，通过区块的方式和链式结构实现。账户和交易基于数字签名，非对称加密技术，多重签字技术等多种密码学算法和技术，保证交易能在去中心化的情况下安全的进行。

应用层主要是基于区块链技术来构建类型和丰富的应用。目前，最典型的应用是各种数字货币，还有将区块链应用于电子票据、金融业、保险和医疗等行业。在教育行业，区块链系统的透明化、数据不可篡改等特征，完全适用于学生征信管理、升学就业、学术、资质证明、产学合作等方面。许涛[11]设想区块链技术在教育教学中的应用，从区块链成绩单、基于区块链技术的学习者资源管理和学习账本等三个方面来构建。王海隆[12]认为区块链技术可以应用于中医药领域，在多個方面如医疗、科研、教学、中药产品防伪等改变现有的中医药模式，并能很好地服务于中医药。具体的可以表现在电子健康档案安全建设方面上。在支付领域，各家商业银行希望利用区块链技术方面上，在解决互信的基础上，构建扁平化的全球一体化清算体系，突破现有的系统间割裂的现状，以及额度等监管限制，降低成本[13]。

3.3 区块链技术特点

3.3.1 去中心化、去信任化

在区块链系统中，整个网络是没有第三方仲裁，利用一套公开透明的加密数学算法使整个系统中的节点能够去信任化地自动安全地进行交易。任意节点之间的权力和义务是相等的，任何节点的损坏或失效都不会影响整个系统的运作。

3.3.2 公开透明，集体维护

区块链中处理账户的隐私被加密之外，其他的数据是公开并且对所有人开放。任何参与者都可以通过公开的接口进行查看，并且每位参与者都可以参与维护。

3.3.3 不可篡改性

区块链的数据具有开源的特点，每位参与者都可以从接口复制一份完整的数据信息。但只有控制系统中达成共识的节点超过51%，才能进行数据的篡改。

4 基于区块链的电网系统

能源互联网的发展以及电力改革的推进将会改变消费者的身份，利用区块链技术可以建立一个去中心的电力市场，区块链技术和通信技术的结合，可以促进数百万的参与者之间进行更安全的交易和支付，同时区块链分布式特征可以让分布式的能源用户无缝地将电力卖给附近的消费者，使可再生能源实现局部消纳，减少电力传输中的损耗，实现“零边际成本社会”[14]。以可再生能源为例，说明区块链技术对电力市场的影响，如图4所示。

传统的可再生能源市场中将可再生能源电表将信息记录到数据表格中，由监管部门将这些信息录入另一个数据库，这些信息与监管部门共享。然后认证机构根据数据库手动签发可再生能源“证书”，而交易中间商再利用这些数据将买卖双方联系起来，到此才完成一笔交易。整个交易过程中需要花费很长的时间，并且在此过程中还涉及许多人为因素、流程等问题，存在很多的不足。但在加入区块链技术后，就会减少许多的步骤，使得市场更加简明。

如图5所示的区块链技术应用于可再生能源市场中，电表将直接与区块链相连，同时区块链作为一个公共账本将汇集所有的数据信息，取代了之前的数据人工传递的过程，区块链的去中心化和不可篡改的特征确保了数据安全性和市场透明度。所有的参与者根据区块链存储的信息行使自己的职责，实现目前系统大多数过程的自动化，同时这样省去一些繁琐的中间环节，让更多的用户更容易进入市场。区块链技术实现了本地生产者可以在能源市场上进行交易，将会吸引更多的资源投入分布式电网的建设中。

5  结束语

在我国的电力改革过程中，智能电网的建设成为我国电力系统建设的一大趋势，而区块链技术可以为整个智能电网的建设带来创新。区块链的去中心化、去信任化以及不可篡改的特征，保证了电网在交易、对账、信息发送、结账等过程中的安全性和真实性，同时能够降低监督成本，提高运营效率。当前，区块链技术在融入电网建设的过程中仍面临很多问题和挑战，如区块链可扩展性问题、比特币和以太坊等公共区块链当前每秒只能处理7至30笔交易，如果全球范围内所有电力消费和生产设备都实现数字化，并且按照分钟级以下为单位进行追踪，大家则需要能够每秒处理数百万笔交易的运算能力，而这是当今的区块链技术无法实现的。下一步，需要围绕区块链技术融入电网建设开展更深层次的研究，才能保证智能化电网建设的顺利进行。

基金项目：

1.工业和信息化部通信软科学项目《区块链技术下数字票据业务研究》（项目编号：2018R24）;

2.教育部“天诚汇智”创新促教基金《区块链技术下新能源充电桩智慧平台建设》（项目编号：2018A05005）。

参考文献

[1] 王毛路，叶灏文，李莉莉.基于区块链技术应用选型的关键问题研究[J].网络空间安全， 2018， 9（4）： 1-6.

[2] 黄忠义.区块链技术在工业互联网平台安全领域探索应用[J]. 网络空间安全， 2018， 9（10）： 22-25+33.

[3] 李彬，张洁，祁兵，等.区块链：需求侧资源参与电网互动的支撐技术[J].电力建设， 2017， 38（3）： 1-8.

[4] 欧阳旭，朱向前，叶伦，姚建刚.区块链技术在大用户直购电中的应用初探[J].中国电机工程学报， 2017， 37（13）： 3737-3745.

[5] 黄海舫.电力行业工业控制系统安全防护技术应用[J].网络空间安全， 2018， 9（3）： 14-18.

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[7] 尹冠乔.区块链技术发展现状及其潜在问题文献综述[J].时代金融， 2017（6）： 299+301.

[8]  谭磊，陈刚.区块链2.0[M].北京：电子工业出版社，2016.

[9] 袁勇，王飞跃.区块链技术发展现状与展望[J].自动化学报， 2016， 42（4）： 481-494.

[10] 祝烈煌，高峰，沈蒙，等.区块链隐私保护研究综述[J].计算机研究与发展， 2017， 54（10）： 2170-2186.

[11] 许涛.区块链技术在教育教学中的应用与挑战[J].现代教育技术， 2017， 27（1）： 110-116.

[12] 王海隆.区块链技术在中医药领域中的应用展望[J].贵阳中医学院学报， 2017， 39（3）： 1-4.

[13] 林晓轩.区块链技术在金融业的应用[J].中国金融，2016， （8）： 17-18.

[14] 邰雪，孙宏斌，郭庆来.能源互联网中基于区块链的电力交易和阻塞管理方法[J].电网技术， 2016， 40（12）： 3630-3638.

作者简介：

蔡兴国（1991-），男，汉族，山东临沂人，中国科学技术大学，硕士，中电海康集团研究院，工程师;主要研究方向和关注领域：区块链技术、智慧城市、物联网。

王娟（1981-），女，汉族，陕西西安人，西安交通大学，博士，西安邮电大学，副教授;主要研究方向和关注领域：区块链技术、金融科技。