區塊鏈在能源電力行業應用探索與展望

發布時間: 2020-11-20 15:42:09   來源:《電力決策與輿情參考》  作者:王 棟

區塊鏈在能源電力行業應用探索與展望

王 棟  國網區塊鏈科技(北京)有限公司

  由于存在系統易被攻擊、數據易被篡改等技術瓶頸,能源互聯網建設難以實現多主體融通發展。被譽為“信任機器”的區塊鏈以其分布式存儲、防篡改、可追溯、多節點共享的技術特性對于能源互聯網建設有重要推動作用,其技術優勢在能源電力行業有著巨大潛在應用價值。

  2019年10月24日,習近平總書記在主持中共中央政治局第十八次集體學習時強調,要把區塊鏈作為核心技術自主創新的重要突破口。這開啟了我國區塊鏈行業發展新紀元。一年來,區塊鏈技術在能源電力行業的研究應用取得諸多新進展。本文將從能源區塊鏈平臺建設、區塊鏈在能源電力行業的應用、能源區塊鏈面臨的挑戰及其發展前景進行分析,供參考。

一、能源區塊鏈平臺建設

  能源區塊鏈平臺是以區塊鏈為底層基礎技術,深度融合大數據、人工智能等新一代信息技術而打造的適應能源互聯網建設,面向能源行業的公共服務平臺。

  (一)能源區塊鏈平臺系統架構

  能源區塊鏈平臺以聯盟鏈架構為基礎,采用“主、側、從”多鏈混合模式(見圖1),構建覆蓋電力、石油、天然氣等各類能源業務應用的區塊鏈公共服務平臺,為能源行業跨地域、跨企業的多方協同與信任傳導提供支撐。


圖1 能源區塊鏈平臺多鏈混合架構模式圖

  “主、側、從”多鏈混合架構模式能夠適應體量大、業務雜、數據并發率高的能源行業,并且具有良好的節點擴展性與可靠性。其中,主鏈覆蓋能源領域各企業,提供基于區塊鏈的跨企業數據交互和共享服務;側鏈向能源領域某一行業進行延伸,覆蓋行業內相關企業,支撐主鏈更廣范圍覆蓋、更全面數據交互應用;從鏈則以實際業務應用需求為導向,進行應用擴展,支撐主、從鏈實現應用的全覆蓋。

  基于“主、側、從”多鏈混合的架構模式,國家電網公司建設的國內最大能源區塊鏈公共服務平臺——“國網鏈”已實現在25個業務場景的落地應用,上鏈數據超1億條,應用成效顯著。

  (二)能源區塊鏈平臺公共服務

  能源區塊鏈平臺可為能源產業鏈上下游企業提供身份認證、存證溯源、合同管理、交易撮合、可信接入、數據共享等服務,實現能源行業要素的有效共享,推動能源互聯網數字化升級。

  1.身份認證服務:針對傳統認證技術的密鑰管理、驗證煩瑣、成本過高等問題,發揮區塊鏈多節點共享技術優勢,實現多主體間業務數據和信息的有效共享,可有力優化能源業務流程,提升多元主體間靈活、可信、高效的協同互動。

  2.存證溯源服務:基于區塊鏈的數據存證溯源服務是一種全新的分布式基礎架構與計算范式,針對能源產業鏈產品、用戶、企業的多鏈條、多主體現象,融合塊鏈式數據結構、密碼學、智能合約技術,通過對各環節數字信息動態存證,實現可信溯源。

  3.合同管理服務:結合區塊鏈共識機制和智能合約技術,為能源交易業務提供身份識別、策略管理、智能合約、存證服務,實現電子合同從發起、簽署、歸檔到存證的全流程管理。

  4.交易撮合服務:采用可編程的智能合約技術,通過數字簽名、共識機制、非對稱加密算法等關鍵技術實現交易安全性、公開透明性和數據可靠性,有助于可再生能源供能服務商出售電能的利益最大化和用戶購買電能的成本最小化。

  5.可信接入服務:面對能源行業多樣性終端和多元化業務接入需求,結合5G、物聯網標識、人工智能技術,研制支撐區塊鏈的可信接入終端裝置,以適應多樣業務終端接入方式、業務安全隔離、支撐業務數據可信標識、認證和驗證的數據可信接入等能力要求。

  6.數據共享服務:針對能源企業之間存在的集中部署訪問受限、標識不唯一、易被竊取或篡改等問題,借助區塊鏈技術分布式存儲、防篡改、可追溯技術設計去中心化數據共享協議模塊,從數據的篩選、存儲、傳遞、下載進行全流程的數據追溯防護,構建數據安全可信網絡,實現數據共享。


圖2 能源區塊鏈公共服務框架

二、區塊鏈在能源電力行業的應用場景分析

  隨著我國能源互聯網建設的持續推進,能源電力交易主體數量龐大且趨向多元化,市場化交易電量也大幅增長,本節將進行區塊鏈技術在分布式電力交易、可再生能源電力消納、安全生產、電費結算和透明化調度管理五方面應用的探討。

  (一)基于區塊鏈的分布式電力交易

  隨著可再生能源大規模發展,具有參與者眾多、單筆交易量小等特點的分布式電力交易模式逐步成為一種發展趨勢,但分布式電力交易存在用戶信息不透明、發輸用三方利益不對等、交易手續煩瑣影響用戶參與意愿等難題。

  基于區塊鏈的分布式電力交易總體思路如圖3所示,融合區塊鏈共識機制、智能合約和非對稱加密算法等先進技術,將關鍵數據上鏈存證,可實現對用戶身份的核驗,交易合同經買賣雙方、電網企業三方簽名后生效,智能合約交易執行費用自動結算,從而提升執行效率,降低執行成本。同時,分布式能源交易市場中有許多節點參與競爭交易,基于區塊鏈的分布式能源交易網絡中每個節點處于平等地位,為防止惡意節點或不積極節點,可設置信譽值列表,保證分布式電力交易系統正常運轉。


圖3 基于區塊鏈的分布式電力交易總體思路

  (二)可再生能源電力消納

  國家提出的可再生能源電力消納保障機制,旨在通過設定可再生能源電力消納責任權重指標,引導各類市場主體公平承擔可再生能源電力消納責任,提升各省本地消納能力,形成可再生能源電力消費引領的長效發展機制,引導用戶側綠色用能。

  基于區塊鏈的可再生能源電力消納解決思路如圖4所示,通過將消納責任權重計算公式、消納責任權重、憑證等信息上鏈,可有效保證數據的真實性、不可篡改,使各市場主體積極主動承擔自身消納責任。消納憑證的發行和交易通過智能合約自動執行,降低了交易中心的人工成本,可提升可再生能源消納水平。全程溯源、點對點網絡交易增加憑證的權威性,同時還可防止虛假交易和重復交易,促進可再生能源消納。


圖4 基于區塊鏈的可再生能源電力消納解決思路

  (三)基于區塊鏈的安全生產

  目前在電力的發、輸、變、配、用等各環節依然存在著各環節數據共享不足、電網應急處置能力不足、電網安全生產管控能力不足等影響電網安全生產的技術難題。

  基于區塊鏈的電網安全生產系統應用借助分布式存儲方式構建多專業協同評價的穿透式管控機制,依托多系統信息記錄進行交叉印證,實現對電網運行全過程的定量化管控,最大限度還原電網運行的真實面貌,提升多環節協同管理水平,為電網安全生產提供有力保障。

  國網重慶市電力公司構建的電網安全運行穿透式管控體系如圖5所示,當停電事件發生時系統會立即監測到,與其關聯的指標都會自動變化。同時,建立的多專業橫向協同機制將打破專業壁壘,使得各專業能夠主動有效應對,最終實現電網安全運行水平的提升。


圖5 電網安全運行穿透式管控體系

  (四)基于區塊鏈的電費結算

  市場化的電費結算是能源交易的核心業務,我國的電費結算技術開始于1960年,隨后被廣泛應用于各行各業。目前,我國普遍采取“預購電”方式結算電費,但這種模式對分布式新能源接入等多種新場景,存在能量流、信息流不統一,交易流程長、響應不及時、合同履約難掌控、信用體系難建立等問題。

  基于區塊鏈的電費結算方案,通過區塊鏈智能合約機制、分布式存儲技術將電力市場的交易主體(發電企業、售電公司、電網公司、電力用戶)“鏈”接起來,用數字化編碼將清算結算規則寫入區塊鏈,進一步提高相關交易的公開透明程度,使購電、零售和服務等結算過程更可信、更可控,形成以滿足用戶為代表的市場主體個性化結算服務模式。


圖6 基于區塊鏈的電費結算整體解決思路

  (五)基于區塊鏈的電力調度

  近年來,在國內各級調度機構內部、各網省電網公司及供電公司其他非調度業務部門建設了各類應用系統和信息系統,為調度運行業務開展提供了有力支撐。但隨著業務應用的不斷深入,發電企業、電力調控機構、能源監管機構等參與電力調度主體,共享數據積極性不高,信息孤島明顯,數據被篡改的風險逐漸凸顯。


圖7 基于區塊鏈的透明電力調度管理總體思路

  在傳統電力調度的供用電信息發布、競標和授權等過程中融入區塊鏈,使得區塊鏈成為調度系統的信息交互和數據存儲中心,為電力調度各參與主體的數據安全提供有力保障,通過區塊鏈實時發布發電信息及用電需求,基于區塊鏈智能合約自動匹配需求制定電力調度計劃,可實現電網自適應調度和運行,保障各參與主體的交易自動、高效、安全、透明地執行,提升運行效率,促進能源更合理消納。

三、能源區塊鏈發展面臨的挑戰

  能源區塊鏈的發展方興未艾,但是區塊鏈要在能源領域里大規模應用仍然存在較多挑戰。這些挑戰分別來自區塊鏈核心技術難題和區塊鏈合規性應用。技術痛點有核心技術自主可控難、鏈上鏈下協同需突破;合規應用面臨著法律法規缺失和數據隱私保護等挑戰。

  核心技術自主可控問題:能源區塊鏈平臺技術目前還處于發展初期階段,核心技術自主創新仍需攻克。依托區塊鏈開源平臺項目,有待重點突破共識機制、加密算法、智能合約等關鍵核心技術,開發出具有自主知識產權的區塊鏈平臺功能組件,為上層應用提供服務,同時構建適應高頻率、規模大、主體多等特點的區塊鏈組件,以支撐能源特色應用。

  鏈上鏈下數據的協同問題:能源交易具有高頻率、調配范圍廣的特點,對數據的來源有很高要求,數據必須準確、完整。目前,能源領域廣泛使用物聯網技術進行數據的自動化采集,基于區塊鏈的物聯網終端可實現用戶用電信息采集、狀態監測與檢修、智能調度信息等全過程的存證溯源,打造基于區塊鏈的物聯網終端是實現能源鏈上鏈下協同的關鍵。

  區塊鏈隱私保護仍需強化:區塊鏈技術中采用的加密算法、隱私保護機制均面臨挑戰。隨著數學、密碼學和量子計算技術的發展,區塊鏈技術的非對稱加密機制會變得越來越脆弱,通過加密算法來隱藏交易者身份和交易的方式變得更加不安全。能源區塊鏈系統內各節點之間的交易并非完全匿名,可以通過算法、大數據等破解匿名信息,從而對用戶的隱私造成威脅。

  業務應用法律法規的完善:區塊鏈從技術層面上解決了信用問題,實現了價值傳遞,但在存證領域使用區塊鏈可以驗證文檔的真實性,并且不需要集中授權,這與現有的法律體系形成了沖突。此外,相關應用領域風險發生后的責任問責、個人隱私權和交易安全問題,在法律層面尚存在著漏洞。

四、能源區塊鏈發展展望

  2020年4月20日,國家發展改革委正式將區塊鏈納入新型基礎設施建設范圍,區塊鏈勢必與5G、物聯網、人工智能、大數據等多種信息技術不斷融合,相互促進,并帶動生產模式、消費模式、投融資模式和商業模式創新發展,服務于我國數字經濟發展。區塊鏈將作為能源行業的信息基礎設施,打通能源行業上下游,實現各方高效協作,為能源轉型注入創新活力,推動能源價值鏈重塑,“平臺+應用+生態”成為能源區塊鏈發展趨勢。

  1.能源區塊鏈公共服務平臺建設將加速推進:煤、油、氣、核、新能源等多輪驅動的能源供應體系建設,對公平公正的市場環境、數據安全共享、各方高效協同提出了更高要求。建立能源行業統一的區塊鏈公共基礎設施,統一提供底層通用服務,降低區塊鏈開發和使用門檻。

  2.能源區塊鏈的應用場景將不斷擴展:基于區塊鏈技術構建的應用體系,可以實現信息的追溯、安全共享,優化能源領域的供給、輸送、消費等領域的流程,提高協同效率,降低成本。

  3.能源區塊鏈生態將逐步完善:隨著區塊鏈技術的深入發展,區塊鏈標準將逐步完善,推動各行業對區塊鏈的認識,推動技術協作發展創新,有助于實現在跨產業的生態系統的落地,推動形成社會級區塊鏈大型生態系統。

  能源行業產業鏈長、參與主體多,每一個環節都是區塊鏈的潛在應用場景,我們應充分認識區塊鏈的機遇和挑戰。為此,建議從政策、人才、資金等不同層面加大對區塊鏈的支持力度,鼓勵以點帶面探索,加速行業應用推進,發揮區塊鏈新一代信息基礎設施的作用,構建信任、高效協同的能源區塊鏈生態體系,進一步優化營商環境,適應能源變革趨勢,在提升服務水平方面發揮更大作用。

  原文首發于《電力決策與輿情參考》2020年10月23日第41期

      關鍵詞: 區塊鏈,能源,電力
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