区块链在能源互联网的应用和上海发展建议

2021-06-02施伟杰张瀚舟

上海节能 2021年5期

施伟杰张瀚舟王昊

1.上海纳步数据科技有限公司2.上海市发展改革研究院3.上海同祺新能源技术有限公司

0 引言

人类经济和社会活动离不开能源的生产和消费，保障能源安全和高质量发展是国家的长期战略。当前我国的能源领域正酝酿着一场巨大的变革，互联网+智慧能源将目前的能源科技进步和互联网技术紧密结合，将引领能源生产和消费领域的深刻革命。另一方面，高速发展的信息互联网和能源清洁化供应、分散化应用构成了能源互联网发展的基础。能源互联网的核心是将互联网、物联网等信息技术赋能传统电力系统和分布式能源系统，有效协同不同种类的能源，实现高效率的能源生产、输送和储存。

本文结合国家和上海市能源互联网发展基础和需求，借鉴美欧及其他发达经济体的研究和示范经验，梳理区块链技术在互联网+智慧能源的协同管理、信任机制建立和安全性增强等方面的可行性，并在能源资产管理、能源交易、绿色认证和安全监控领域打造应用场景。

1 能源互联网的瓶颈

由于能源互联网需要依靠大量关键技术将众多复杂环节打通和融合，导致能源节点和节点之间的连接方式仍然处于理论研究和框架设计阶段。随着各类分布式能源站的加速扩张，能源互联网的参与主体愈来愈复杂，继而出现协同管理、信任机制、信息透明度和安全性等问题，加剧了对问题解决迫切性的要求。

1.1 多能协同的管理问题

随着能源多样化发展，风能、光伏、天然气等不同能源之间的用能管理，往往涉及不同法人主体单位之间的协同，但因信息透明度不足、控制权受限，导致多方在协调管理时需要花费额外时间和精力，造成运行成本高和效率低下问题。

1.2 能源交易复杂性提高

以能源互联网为平台的综合能源服务延伸出多样化的商业模式，除了可交易传统的电力、蒸汽、热水等能源品种，还有碳指标、节能指标、排污指标等各类权益。导致交易变得复杂，提高了购销双方的交易成本和监管机构的管理成本。

1.3 绿色认证方式

能源互联网中的众多可再生能源沉淀了大量绿色资产，借助绿色金融可有力支撑绿色项目的发展。可是目前绿色认证成本和收益不匹配、额外成本内化和环境效益外化的矛盾尚未解决，加上投入绿色技术项目所需资金量大、回收期长及政策不确定性大，金融机构面临的风险也较高，影响其为绿色技术项目融资的动力。

1.4 安全监控

多能源的接入导致系统复杂化，需要投入更多的人力、物力以保证安全性，导致运行成本增加，最终传导至能源价格上，用户的用能成本也因此而提高。

面对以上瓶颈，作为超大型城市，上海需要以创新的思维和技术方案解决上述问题，才能继续发挥好综合能源服务领头羊的作用。

2 能源区块链的价值

区块链是一种去中心化、不可篡改、可追溯、可扩展的跨行业应用技术，其特性与能源互联网所需要的关键技术相符合。发展能源区块链将有望进一步推动能源互联网的发展。

在区块链技术的演进过程中，区块链技术已逐渐应用在金融、政务、医疗、知识产权、司法、网络安全等领域。我国对区块链的关注正逐渐提升，特别是在2019年10月24日，习近平总书记在中共中央政治局第十八次集体学习时提出需要把区块链作为技术自主创新的重要突破口，发挥其在促进数据共享、优化业务流程、降低运营成本、提升协同效率和建设可信体系这五个方面的价值[1]。

上海市拥有众多的能源互联网项目和丰富的管理与技术资源，有条件优先研究和应用能源区块链技术作为改革能源服务的手段，通过创建新一代的智慧能源互联网去提高能源效益、降低用能成本、提高营运安全和实现多能协同，从而实现能源资源调动和使用最优化，并最大化降低碳排放而加速实现我国2060年前碳中和的目标。

3 上海能源区块链的发展框架与阶段目标

在2018年工信部发布《2018中国区块链产业白皮书》，提出区块链可成为有效结合能源行业的重要工具[2]。考虑到区块链在能源行业和在上海市的应用特点，本文提出上海市发展能源区块链的三阶段框架（见图1）。

图1 能源区块链的三个发展阶段

图2 不同应用场景中上海能源区块链技术的阶段目标

在第一阶段的能源区块链发展以技术融合为首要目标，在2021年从小规模项目逐渐实施测试。首要是利用区块链技术解决多单位协同的信任问题；而在2022年开始的第二阶段，以优化为主要目标，逐渐增加项目规模，并且满足一定程度的效能升级需求；最后阶段利用三年时间以自主开发为主要目标，通过吸取第一和第二阶段的经验，开发专属于能源行业的区块链底层技术，成为能源互联网内可依赖的“自适应核心系统”，可迅速部署在我国大量类似的能源网路上。图2详示了不同应用场景中各个阶段的核心技术，下文将分阶段详述能源区块链的发展目标和实现途径。

4 上海能源区块链的应用场景与实现途径

能源区块链的应用方向需要从能源行业的四大要素出发（见图3），即资产管理、能源交易、绿色认证和安全监控，结合上海市作为超大城市、金融中心、创新中心的特点，在初期选用现有主流的区块链技术的同时，逐步加大自主底层软件和配套硬件开发力度，最终实现应用场景的落地，以下按不同应用领域分别阐述具体的实现途径。

图3 能源区块链应用领域

4.1 能源资产管理

传统的能源行业角色分明，只有生产者和用户，生产者负责所有供、输和配网，而用户按需求购能和使用。随着具有能源转化率高、安全可靠、安装灵活的分布式能源在上海的广泛应用，逐渐形成了新型的综合能源服务框架，这里“用户”可以是用户，也可成为生产者（如图4所示）。实际上是在特定的区域响应其他用户的需求，达成短距离的供能服务，可提高整个能源网路的效率[3]。

图4 传统和新型能源服务下的角色转变

大量个体能源生产者的出现导致所有的资源整合变为首要问题，而区块链的智能合约可作为管理工具之一。智能合约是一种自带信任机制的代码，由创建人预先写入执行流程，触发特定条件便自动执行，优势在于可排除人为干预的因素执行预先写入的流程。利用智能合约可自动化为各个单位/用户创立、确认和转移用能需求的合约，并快速进行能源的调度，实现多能源的高效接入和协同。在这个方面美国的LO3 Energy[4]和澳洲的PowerLedger[5]太阳能交易平台已进行了成功示范，他们均利用以太坊让小区用户可售卖额外的太阳能电源给其他用户，智能合约在交易确认后自动执行输电操作。

自上世纪末开始，上海率先打破了用户完全依赖市政集中供电的模式，开始了分布式能源技术的推广，许多项目历时近20年至今仍在发挥着重要作用。随后，在各级政府的积极倡导下合同能源管理（EMC）模式迅速推广，但是在实现节能增效的同时也产生了许多能源资产管理的问题，导致很多项目诉诸法律。近年来，随着上海电力负荷调节重要性的显现，虚拟电厂进入了实践阶段，这将使得能源资产的管理比以往愈加复杂化，亟须引入新的管理手段和模式。

在能源区块链用于能源资产的管理方面，其核心是物联网的接入、智能合约对上链数据流的分析和管理，最终按用户需求自动化分配能源资源（如图5）。作为基础设施，近年来上海开展的智慧水表、智能电表和智能气表工程，为后期能源区块链的实施创造了良好的条件。但是，为应对各类商业模式带来的挑战，升级相关智能终端，使其具备上链功能，并将更多的可调负荷、再生能源、分布式能源以及各种类型的用户接入系统，才能逐渐发挥区块链的能源资产管理价值。

图5 能源区块链于资源管理的应用领域

4.2 能源交易

2017年，国家发改委和能源局下发的《关于开展分布式发电市场化交易试点的通知》，在110 kV电压等级下的分布式能源站可以获得售电资质，因此可预见新型的综合能源服务中将出现大量的售电方，生产和购电模式将复杂化，如继续沿用现时的中心化交易模式必然产生维护和监管成本高，数据缺乏透明度和数据安全等一系列问题，这需要更灵活和快捷的交易方式来支撑新的能源运营模式。

生产者可利用区块链提供的开发者工具建立售电平台，用户可按需求向就近的生产者购买电力，系统将通过智能合约进行核对合法性，通过核查后自动进行结算并执行输电的操作。整个流程将记录在所有相关方的分布式账本上，完全保持数据一致，简化交易结算，如图6所示即为依托区块链的能源交易过程。2017年，WePower采用以太坊的区块链底层技术建立一个绿色能源交易平台，2018年4月WePower在爱沙尼亚发行能源代币，正式在国家层面上推行基于区块链运行的能源互联网[6]。

图6 能源区块链于能源交易的应用领域

虽然上海市的增量配电设施较少，但存在大量的屋顶分布式光伏、电动汽车、分布式能源站以及参与负荷交易的商业楼宇等潜在的能源交易相关方。如果以部分具备上链的智能终端为基础，选择小型、分散的客户需求为切入点，为供需双方提供简洁的交易和结算模式，未来在人工智能等其他技术的支持下，再赋予这类广泛分散能源规范化的金融属性，最终将会形成巨量的交易规模。

4.3 绿色认证系统

绿色认证是绿色能源政府监管和绿色技术市场评价的重要保障机制。如果不能正确、及时、长效地进行认证管理，绿色能源的环境效益就难以发挥，从而导致有限社会资源和政府资金的浪费。传统的绿色认证方式在实施上需要依赖强大的监管力，相关企业不仅应具备自我监测和报告的能力，同时还涉及第三方的核查能力和公正性。

低碳、环保和高质量发展是未来上海绿色认证的主要应用领域，上海正在通过碳交易、绿色金融和绿色技术转移转化等方式积极服务于国家碳达峰、碳中和的目标。在此过程中，能源区块链可以把资源调度和交易信息加密保存在分布式账本上，并可在相关物联网设施的配合下解决绿色认证的环境效益评估问题，尤其是对微量、分布式的绿色效益的流通定价提供量化标准（如图7所示）。

图7 能源区块链于绿证交易系统的应用方向

4.4 能源安全监控

能源区块链除了可在经济性和环保性方面作出贡献之外，对于能源生产的安全监控也可起到重要作用。由于综合能源服务将产生大量结构多样的数据，而且来源复杂[7]，尤其是不同的数据掌握在不同的机构单位手上，缺乏有效平台对所有数据进行全面的安全监控，若某一单位发生问题，有可能对整个能源网路造成严重影响，例如2015年乌克兰电网和2019年委内瑞拉的水电站曾遇网络攻击导致大规模停电。

在能源区块链用于安全监控的应用的三个阶段上，主要的核心是共识机制和智能合约的利用，如图8所示。由于区块链上存在一个“不可能的三角”，即高性能、安全性和去中心化并不能同时满足[8]，所以应先对不同规模能源系统的最优共识机制进行综合测试。在确保系统对外部攻击有足够的防御措施后，向智能合约导入各种设备的运行参数及警戒阈值。在面临突发情况时，可让智能合约拥有相关权限进行内部系统的设备操作，以保障人员和财产安全。

图8 能源区块链于安全监控的应用方向

从上海城市能源供应特点、用户诉求和建设超大型城市的能源安全保障要求看，只有通过构建用户参与、多能互联互通互保的微网，建立跨越法人之间的信息交流体系，才能强化城市能源系统事故模式下的自预、自保、自愈能力。“物联网+能源区块链”可以根据不同响应要求，在判断故障发生的空间和时间，快速协同不同法人之间的控制与优化调度上具有一定的优势，在能源安全监控与保障中发挥重要作用。