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理性看待区块链技术能源应用
发布日期：2017/6/19
能源行业的进化从未停止，随着技术的进步和产业的发展，新能源正在生产和应用等各环节上替代化石能源。在生产端，风电和光伏的平价上网目标已经不再遥远；在消费端，电动汽车替代汽柴油汽车的进程虽然刚刚开始，但方向明确，而“能源互联网”概念的提出，就是为了适应未来能源发展的新趋势。
新的生态带来的不只有机会，伴随而来的还有挑战。在新一轮能源革命中，解决的不仅仅是能源从哪里来的问题，还有能源由谁生产，由谁管理的问题。以往中心化的集中生产，集中调配，集中规划的能源行业大一统模式可能会在新能源为主导的时代发生剧烈调整，新的能源产业生态的具体表现为分布式、随机性、互动性、参与性、市场化等特征，如何解决调整过程中发生的一系列挑战，目前并没有特别好的解决方案。
他山之石，可以攻玉。起源于数字货币领域的区块链（Blockchain）技术有潜力成为应对未来能源互联网新生态挑战的重要技术解决方案之一。区块链技术作为一种分布式共享数据库技术，在各领域的应用研究方兴未艾。区块链技术的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，极大降低了业务开展所需要的信任成本，促进业务的高效开展。区块链技术的分布化、透明性、公平性以及公开性与能源互联网理念相吻合，其在能源互联网中的应用也将进一步推动能源互联网的建设。
区块链是一种非常年轻的技术。2008 年年末，“区块链”一词才首次出现于一篇发表在密码学论坛中的论文《Bitcoin ：A Peer-to-Peer Electronic Cash System》中, 发表者名叫中本聪（Satoshi Nakamoto），目前大家并不知道此人的真实身份。比特币是一种在2009 年1 月初正式上线运行的去中心化数字货币应用。论文中将区块链描述为用于记录比特币交易账目历史的分布式数据库，但中本聪并没有给区块链赋予具体定义。不同于现代国家发行的货币，比特币由分布式网络基于数学计算产生，总量恒定（2100 万个，发行规律约为每四年减半），所有交易由全网节点共同记账，确保其不可篡改，依靠密码学保障网络安全，账户具有匿名性，软件的代码开源、更新与发展依靠网民社区自治。
区块链本质上是一种去中心化的分布式记账技术，要理解其基本原理并不难。基本概念包括：
交易：对账本状态的改变，如添加一条记录；
区块：记录一段时间内发生的交易和状态，是对当前账本状态的一次共识；
链：由一个个区块按照发生顺序串联而成，是状态变化的日志记录。
因此，如果把区块链看做一个状态机，则每次交易就是试图改变一次状态，每次生成区块就是参与者对于其中包括的所有交易改变状态的结果确认。区块链是多种技术的集合，包含了P2P 网络技术、密码学技术、共识机制、智能合约等。通过将这些技术以独特的方式糅和以及创新应用于互联网时代，区块链能够实现“1+1>2”的性能。目前区块链技术自身仍然在快速发展中，没有形成统一的标准规范。
区块链技术同能源互联网概念有较强的内在一致性。从本质上来看，能源互联网同区块链技术都必须构建于普遍的智能设备物联网之上。近几年，随着电子产业和信息产业的技术进步和飞速发展，能源产业价值链的生产—配送—储存—消费价值环节上的各类设备正在迅速地从机械设备和模拟设备升级替换为电子设备和数字设备，软件定义硬件的趋势非常明显。
未来，在能源互联网时代，这些数字设备将进一步通过物联网实现广泛互联化，通过高性能嵌入式设计获得本地智能，通过物联网获得云端智能，构成基于互联网的集群智能设备物联网络。此外，随着物联网的进一步发展、“互联网+”商业模式在能源产业的创新普及，以及能源市场的深入开放，将不仅仅只有能源生产和配送设备，比如发电机组、输配电设备，才可以实现局域互联和智能互动。能源产业的生态化和互联化将向大量能源消费设备拓展，譬如各类家用电器、电动汽车、工业用电器。设备的普遍智能化与互联化将和能源互联网的发展互为表里。
而区块链技术同样强调价值网络参与主体的物联化和智能化，基于区块链的智能合约，其作用并不是仅仅如其字面所显示的，只能实现实体或者数字资产交换功能，其实智能合约的真正作用在于基于区块链的不可篡改和集体共识特征，预先写入的代码可以在无人干预或者少人干预的情况下，直接调用区块链上数据，执行所有可以计算的逻辑功能并输出结果和执行功能。因此，智能合约的真正意义其实是为区块链上各主体间的互动提供了智能化的规则，并且可以在无人参与的情况下，实现各种复杂逻辑功能，这种特征被称为图灵完备。从这个角度上来看，能源互联网的智能设备网络如果要实现完全的无人化智能，恐怕不可能离开区块链技术的帮助，尤其是布置在区块链上的智能合约技术。
此外，从具体特征角度来看，区块链技术也与能源互联网的特征一一对应。
开放：在能源互联网中，取决于开放式的体系结构，信息可以随时随地接入与获取，可再生能源、储能以及用能装置可以“即插即用”。区块链技术，尤其是公有链技术，节点的加入几乎完全开放，任何个人和设备都可以加入公有链网络参与记账和交易。此外，在公有链网络中，整个系统的运作规则是公开透明的，对于参与者来说，所有数据内容也是相对公开的。
分享：类似社交网络的信息分享机制，在能源互联网中，能量交换就近实时动态进行，以分散式的局部最优实现全局能量管理的调度优化。在区块链中，信任来自于节点之间的信息分享，整个系统通过分数据库的形式，让每个参与节点都能获得一份完整数据库的拷贝，并且区块链构建了一整套协议机制，让全网络的每个节点在参与记录数据的同时，也参与验证其他节点记录结果的正确性。只有当全网大部分节点（甚至所有节点）都确认记录的正确性时，该数据才会被写入区块，因此，区块链系统可以看做是一个信任分享体系。
对等：同传统电网自顶向下的树状结构相比，能源互联网的形成是自下而上能量自治单元之间的对等互联。在区块链中，整个网络没有中心化的硬件或者管理机构，任意节点之间的权利和义务都是均等的，且某一节点的损坏或者失去都会不影响整个系统的运作。因此，业界普遍认为区块链系统具有极好的健壮性。
互联：在能源局域网中，不仅能源生产端和消费端实现互联，能源生产端和生产端，消费端和消费端也需要实现广域互联。并且，不同形式的能源可以实现转换和互补，带来资源配置的广泛性。不同于传统网络系统，区块链采用P2P 技术，所有节点两两互联，实现了绝对意义上的去中心化。
针对性地来看，区块链同其他信息技术的结合，并采用合理的制度安排，可以将能源互联网概念在设计时所提出的系统特征升华到更高层次。
从精确计量升华到保护隐私，可信计量：数据布置在区块链上，确保不可篡改，公私钥结合的非对称加密保护隐私。
从泛在交互升华到强制信任，泛在交互：以可信计量为基础，通过区块链构建能源互联网交互主体之间低成本的信任传递链条，实现基于信任的能源互联网主体间互操作性。
从自律控制升华到虚实一体，智能自律控制：通过链上代码，实现以智能合约为表现形式的逻辑功能，并结合区块链技术+ 大数据技术+ 人工智能技术，设计可信任的预言机机制对外部数据签发信任，然后输入智能合约，执行逻辑过程，产生可信任的本地指令，在本地完成应对随机外部环境变化的控制过程。
从优化决策升华到间接民主，分布决策：基于区块链部署的能源互联网设备间点对点交互，在容忍分区的前提下，区块链共识系统必须在可用性（包括效率）和一致性之间取舍。因此，可以采用分布决策过程，即在因为通信等外部被动原因所产生的分区之中，或者由系统主动根据共识形成时间、指令执行可行性等内部约束条件所产生的最优决策分区之中，先形成分区内节点之间的局部共识，再基于一致性算法实现分区间的共识。这种分布并且分级的决策方式避免大量分布式设备之间为了产生直接共识而导致的复杂迭代和死循环无共识，从而可以在实现分布式决策的同时，又可以兼顾效率。虽然传统的分布式系统也可以实现分级共识，但是，区块链可以解决传统分布式系统的两大问题，即确保决策的原子性以及对于拜占庭节点的容忍。所谓原子性，指的是操作序列或者指令系列，就像原子一样，作为物质具备物理化学属性的最小单位一样不可被拆分，不容许被打断，通过区块链共识机制，分布式系统可以容忍一定数量的拜占庭节点。所谓拜占庭节点，即恶意节点，恶意节点可以不受协议限制做任何事，比如不响应、发送错误信息、对不同节点发送不同决定、不同错误节点联合起来干坏事等。
从广域协调升华到集群智能，广域融合：以区块链为工具，以低成本信任传递为手段，实现在能源互联网中不同能源主体，以及不同能源系统之间的能量流、信息流、资金流的强耦合，进而将不同主体和不同系统化零为整，融合为一个能源互联网超级主体，在广域内形成集群智能。
目前全球已经有数家创业公司在开发基于区块链的应用。例如美国纽约布鲁克林地区的TransActive Grid，其目的是在街道间构建居民之间去中心化的、自动的P2P 能源交易和支付网络。不过很可惜的是，由于团队内部的矛盾，目前此项目已经暂停。在澳大利亚也有一家公司在做类似的工作，这个名叫Power Ledger的团队由当地的区块链软件公司 Ledger Assets成立。Power Ledger 使用其基于区块链的软件构建一个P2P 的光伏剩余电力交易系统。
中国也有区块链企业在探索将区块链技术应用于各种能源场景中，中国的能源区块链实验室是全球第一家实现区块链技术能源应用研发的企业，也是著名的企业级区块链开发组织Hyperledger Project中唯一的能源行业成员。能源区块链实验室打造了一款服务于绿色资产数字化的区块链平台，提供基于区块链的绿色资产的数字化登记和管理功能，服务的绿色资产包括各类自愿减排额度、用能权、节能积分、能源设备共享经济积分、绿色金融资产等，服务的市场包括电动汽车、可再生能源、虚拟电厂、工商业节能、储能、绿色金融等领域。在中国，除了能源区块链实验室以外，2016 年年底创立于上海的国内初创企业EnergoLab 也在开拓能源领域的区块链应用，其开发的基于区块链的分布式电力交易平台预计将于今年年底上线，根据初步测试成果，Energo Lab的电力交易应用丝毫不逊色于海外类似的区块链电力交易平台，非常值得期待。
但是，由于区块链技术目前仍然处于发展早期，其自身仍有较多技术问题和发展模式问题有待解决。从技术本身来说，区块链技术目前仍然处于发展初期，涉及的各分项技术仍然较为原始，例如共识机制、加密算法、节点布置、区块容量、读写工具等，更不用说将这些分项技术糅合后的区块链了，所以目前的区块链平台所表现出来的读写性能、可扩展性、开发便利性、安全性、同既有系统的兼容性都不如人意，举例来说，最先得到应用的比特币区块链，目前最高交易通量仅为每秒7笔，并且需要多次区块确认后才能最终实现清结算，效率极低。此外，被誉为下一代区块链平台的以太坊（Etherum）则在去年发展最顺利的时候发生了严重的黑客事件，导致过亿美元资金被盗。而由IBM牵头开发的，并被大家寄予厚望的企业级区块链平台Hyperledger Fabric 目前仍然处于实验室阶段，成熟发布尚需时日。除了技术挑战以外，技术以外的问题其实更为棘手，区块链作为一种去中心化共识技术，将深远改变各行各业甚至整个社会的契约关系。目前区块链在主战场金融行业的发展已经面临很多桎梏，更何况比金融行业约束条件更为复杂的能源行业。在国内电力市场尚未完全开放的情况下，以及分布式发电设备仍然处于萌芽发展的阶段，区块链技术在能源交易、虚拟电厂管理、电动汽车充放电、多能互补结算等领域的应用仍然为时尚早，并且，相对于目前中心化系统所提供的客户体验，基于区块链的去中心化到底能够给用户提供什么附加价值仍然扑朔迷离。因此，如何在能源领域应用区块链技术，尚需学界和业界共同探索。
来源：《风能》杂志 2017年第4期
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