能源互聯(lián)網(wǎng)電力交易區(qū)塊鏈中的關(guān)鍵技術(shù)

艾崧溥, 胡殿凱，張桐，曹軍威

(1.清華大學(xué)北京信息科學(xué)與技術(shù)國家研究中心, 北京市 100084；2. 青島理工大學(xué)信息與控制工程學(xué)院, 山東省青島市 266520；3.山東大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東省青島市 266237)

0 引 言

近年來，能源行業(yè)形勢日趨復(fù)雜，光、風(fēng)、熱等清潔可再生能源迅速發(fā)展，現(xiàn)有的能源架構(gòu)難以滿足不斷增長的能源消耗和多樣化的能源產(chǎn)消需求，一場能源行業(yè)的革新勢在必行。能源互聯(lián)網(wǎng)作為“第三次工業(yè)革命”的重要標(biāo)志之一[1]，通過融合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和分布式可再生能源技術(shù)來構(gòu)建新型能源供需架構(gòu)，獲得了廣泛的關(guān)注。

能源互聯(lián)網(wǎng)是一個學(xué)術(shù)與工業(yè)界看好的下一代能源基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展方向[2-5]，其開放、互聯(lián)、對等、分享的基本特征及蘊含的全新能源生產(chǎn)、使用理念和商業(yè)模式，對能源和信息的互聯(lián)、共享提出了更高的要求。然而，現(xiàn)有的能源運營體系與成熟的技術(shù)堆棧難以滿足全面實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計思想。特別是我國的能源，尤其是電力體系架構(gòu)一直以來以中心化為主軸的設(shè)計思路難以為豐富的清潔能源分布式接入與多樣化產(chǎn)消耦合提供靈活的架構(gòu)支撐，隨著用電負(fù)荷加大，在冬夏季高峰時可能出現(xiàn)故障甚至停運[6]。引入新的設(shè)計思路與技術(shù)堆棧，在現(xiàn)有能源體制下進(jìn)行場景、業(yè)務(wù)、價值創(chuàng)新，建設(shè)分層分區(qū)域，多元接入的能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)成為當(dāng)下學(xué)界與工業(yè)界研究的熱點方向之一[7]。

區(qū)塊鏈作為一種具有去中心化、點對點傳輸、可追溯、集體維護(hù)、可編程和安全可信等特點的技術(shù)堆棧，其設(shè)計思想核心即為區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點平等，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點在互聯(lián)的基礎(chǔ)上相互合作、制約、共享信息，而整個架構(gòu)是由區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點共同維護(hù)的?？梢园l(fā)現(xiàn)，區(qū)塊鏈技術(shù)與能源互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計思想高度契合，很有可能會成為能源互聯(lián)網(wǎng)真正落地的關(guān)鍵技術(shù)。區(qū)塊鏈技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)大量的用戶之間建立安全自主的能源交易渠道，實現(xiàn)一個自組織、自調(diào)節(jié)的能源系統(tǒng)，將極大地提高能源使用效率、降低管理成本[8]，實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的高效運行。

在電力交易場景中，利用與場景耦合的區(qū)塊鏈共識機(jī)制、智能合約技術(shù)，通過點對點交易，可有效解決電力交易雙方信息不對稱導(dǎo)致的信任缺失問題[9]。同時，基于區(qū)塊鏈的電力交易可從交易側(cè)解決多方信息不對稱帶來的信任危機(jī)，構(gòu)建多層級公平公開的電力交易市場化交易環(huán)境，提升電力交易市場主體的參與水平，實現(xiàn)市場交易效率的最大化。目前,已有一些文獻(xiàn)對當(dāng)前能源電力交易相關(guān)的區(qū)塊鏈研究進(jìn)行了綜述[10-13]。然而，很多已有的綜述文獻(xiàn)多聚焦于能源互聯(lián)網(wǎng)電力交易區(qū)塊鏈的應(yīng)用場景，對于電力交易區(qū)塊鏈中的關(guān)鍵技術(shù)缺乏系統(tǒng)的分析和討論，難以從技術(shù)的角度對電力交易區(qū)塊鏈的研究與發(fā)展提出有效的建議。于是，本文面向電力交易場景，通過定位電力交易區(qū)塊鏈中的關(guān)鍵技術(shù)，對電力交易區(qū)塊鏈共識機(jī)制、交易與智能合約設(shè)計、安全機(jī)制和其他領(lǐng)域技術(shù)等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，并結(jié)合發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行深入的討論與分析，探討目前各項技術(shù)領(lǐng)域存在的問題，以及未來可能的研究方向，為能源區(qū)塊鏈的進(jìn)一步研究與落地提供參考。

1 相關(guān)背景

1.1 能源互聯(lián)網(wǎng)

能源互聯(lián)網(wǎng)是以互聯(lián)網(wǎng)理念為基礎(chǔ)構(gòu)建的新型信息-能源融合網(wǎng)絡(luò)體系，它以大電網(wǎng)為“主干網(wǎng)”，以微電網(wǎng)、分布式能源、智能小區(qū)等為“局域網(wǎng)”[14]，以開放對等的信息-能源一體化架構(gòu)為基礎(chǔ)實現(xiàn)能源的雙向按需傳輸和動態(tài)平衡使用，可以最大限度地適應(yīng)新能源的接入。

在能源互聯(lián)網(wǎng)的場景中，信息與能量的高度流通，也催生了價值的流動。通過在分布式能源、局域微電網(wǎng)和公共電網(wǎng)等主體之間，建立起自由、靈活的能源市場，以滿足能源的合理化配置；利用智能電表、能量路由器[15]等傳感通信設(shè)備實現(xiàn)智能計量和實時決策，提升用戶數(shù)據(jù)精確度和用戶業(yè)務(wù)效率；采用自動化需求響應(yīng)、線路阻塞管理和潮流約束等手段維持網(wǎng)絡(luò)平穩(wěn)運行；同時，結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)對能源交易數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)一步發(fā)掘能源互聯(lián)網(wǎng)的深層價值[16-18]。

1.2 區(qū)塊鏈

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N去中心化的分布式數(shù)據(jù)賬本的技術(shù)[19]。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)由多個對等節(jié)點組成，所有節(jié)點共同維護(hù)一個公開的數(shù)據(jù)賬本，賬本中的記錄由區(qū)塊間的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)按時序嚴(yán)格排列，每個節(jié)點都可以完全擁有該賬本，賬本數(shù)據(jù)通過共識機(jī)制達(dá)成一致。

去中心化是區(qū)塊鏈最主要的特征。在合理機(jī)制的支持下，區(qū)塊鏈系統(tǒng)比中心化系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠，單一節(jié)點的故障問題不影響整個系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。高冗余度的分布式存儲使得區(qū)塊鏈具有防篡改、可追溯的特性，再結(jié)合數(shù)字簽名等密碼學(xué)算法，使得數(shù)據(jù)更加安全可信。區(qū)塊鏈集成了一系列的關(guān)鍵技術(shù)，包括共識算法、智能合約、密碼學(xué)算法等，此外還包含激勵機(jī)制、數(shù)據(jù)庫和P2P通信等技術(shù)，是多個領(lǐng)域技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。

根據(jù)側(cè)重點不同，區(qū)塊鏈發(fā)展出了多種類型，包括公鏈、聯(lián)盟鏈和私鏈等。公鏈?zhǔn)菂^(qū)塊鏈最早的形態(tài)，其對應(yīng)的場景中用戶之間完全沒有信任，奉行完全去中心化、節(jié)點完全對等的原則，對節(jié)點數(shù)量也沒有要求；聯(lián)盟鏈?zhǔn)菫榫哂幸欢ㄐ湃位A(chǔ)的應(yīng)用場景而設(shè)計的，共識過程由可信的、數(shù)量確定的一組節(jié)點完成，由于存在信任差距，內(nèi)部的節(jié)點往往會在權(quán)限上有所區(qū)別，并非完全對等；私鏈則是某個單位或組織內(nèi)部應(yīng)用的系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)所有節(jié)點均受同一個單位或組織的控制。

基于去中心化的設(shè)計理念和成熟的技術(shù)手段，區(qū)塊鏈在數(shù)字資產(chǎn)、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)鑒證、金融交易和可信計算等方面具有顯著的作用[20]，可以幫助各行業(yè)解決相關(guān)問題，尤其是涉及到價值流動的應(yīng)用場景，比如能源交易、供應(yīng)鏈金融、版權(quán)認(rèn)證和保險評定等。應(yīng)用于能源互聯(lián)網(wǎng)電力交易場景的區(qū)塊鏈技術(shù)——電力交易區(qū)塊鏈，是本文綜述的主要內(nèi)容。

2 電力交易區(qū)塊鏈

歐盟工業(yè)界認(rèn)為，能源區(qū)塊鏈?zhǔn)菂^(qū)塊鏈技術(shù)的一個重要應(yīng)用場景[21]。能源互聯(lián)網(wǎng)與區(qū)塊鏈都具有分布式、去中心化的特征，能源互聯(lián)網(wǎng)強調(diào)的開放、互聯(lián)、對等和分享的設(shè)計理念與區(qū)塊鏈去中心化、共同維護(hù)、地位平等和數(shù)據(jù)共享的特性高度契合?；趨^(qū)塊鏈技術(shù)的技術(shù)架構(gòu)可以保證能源互聯(lián)網(wǎng)中個體用戶的地位平等，并實現(xiàn)用戶之間的P2P能源及能源相關(guān)信息交易，從而實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的價值驅(qū)動，建立新的能源價值體系。

本文認(rèn)為，區(qū)塊鏈可以幫助能源互聯(lián)網(wǎng)的各個層次構(gòu)建相關(guān)的應(yīng)用，分別或聯(lián)合地構(gòu)建能源區(qū)塊鏈，具體應(yīng)用場景如圖1所示。

圖1 能源區(qū)塊鏈應(yīng)用層次圖Fig.1 Application levels of energy blockchain

作為能源區(qū)塊鏈場景之一，電力交易屬于能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的第3層級——能源業(yè)務(wù)層。在綠色能源廣泛去中心化接入電網(wǎng)，電動車反向供電等技術(shù)逐步成熟的趨勢中，區(qū)域點對點交易需求日漸增多，構(gòu)建去中心化點對點可信安全的區(qū)域交易平臺是電力交易區(qū)塊鏈的發(fā)展方向。同時，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)傳感通信控制技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)在時間、空間維度上進(jìn)行監(jiān)管控制的粒度逐漸細(xì)化，將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)以適當(dāng)?shù)姆绞角度腚娏灰讌^(qū)塊鏈堆?？梢宰詣踊?、批量化地快速執(zhí)行電力系統(tǒng)監(jiān)管與控制，提升效率。從能源互聯(lián)網(wǎng)的角度思考，電力交易需要用到傳感通信層提供的數(shù)據(jù)，且需要使用區(qū)塊鏈交易結(jié)果對物理系統(tǒng)層進(jìn)行精細(xì)化管控，在不同電網(wǎng)物理架構(gòu)下，交易需求和特征復(fù)雜，為研究提供了豐富的場景。

在電力交易場景，已有不少與區(qū)塊鏈相關(guān)的應(yīng)用與研究。早期，LO3 Energy(New York, USA)和西門子(Munich, Germany)合作開發(fā)了基于區(qū)塊鏈的交易型網(wǎng)格微電網(wǎng)交易平臺[22]，用戶可以在平臺上自由地進(jìn)行能源交易而不依賴于第三方機(jī)構(gòu)，但是該平臺沒有適合交易方的競價策略模型和基于區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的直接結(jié)算功能。文獻(xiàn)[23]介紹了區(qū)塊鏈技術(shù)在提高能源交易處理效率方面的新進(jìn)展，以及結(jié)合了區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式能源交易理論研究與實際應(yīng)用；分析了國內(nèi)外區(qū)塊鏈技術(shù)在能源交易方面的研究現(xiàn)狀，并給出了中國在區(qū)塊鏈參與消納分布式能源、建設(shè)需求響應(yīng)管理等方面的建議。Luo等人基于區(qū)塊鏈技術(shù)提出了一種代理者聯(lián)盟機(jī)制[24]，能源生產(chǎn)者形成電力交易聯(lián)盟進(jìn)行電力交易談判，電力交易數(shù)據(jù)通過智能合約技術(shù)將電力交易數(shù)據(jù)上鏈存儲，并基于區(qū)塊鏈中的電力交易數(shù)據(jù)進(jìn)行交易結(jié)算。這些項目和研究工作對于區(qū)塊鏈技術(shù)在能源行業(yè)中應(yīng)用來講，無疑具有巨大的示范和推進(jìn)作用，然而這些項目大多還處于理論和試驗階段，如何構(gòu)建完善的能源區(qū)塊鏈體系，還需要對實際應(yīng)用中的問題進(jìn)行深層次的考慮和研究。

現(xiàn)階段，我國能源電力部門正在電力交易區(qū)塊鏈技術(shù)路線方向上逐步達(dá)成共識，基于電力交易對參與者準(zhǔn)入、交易信息、交易安全性等方面的特性，聯(lián)盟鏈作為一種可實名、可監(jiān)管的技術(shù)路線方向逐漸成為主流。

總體來講，目前已有的電力交易區(qū)塊鏈技術(shù)研究，既包含區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用模式的探索，也包含面向應(yīng)用場景對區(qū)塊鏈技術(shù)的深入研究[8]。這反映出當(dāng)前區(qū)塊鏈技術(shù)堆棧在電力交易領(lǐng)域研究的階段性特征，即具體應(yīng)用業(yè)務(wù)場景還需明確，特征性價值框架還未建立，且區(qū)塊鏈作為一個技術(shù)堆棧本身還需要豐富并需要針對電力交易場景進(jìn)行創(chuàng)新。

本文從區(qū)塊鏈的技術(shù)特征角度出發(fā)，結(jié)合當(dāng)前的研究現(xiàn)況，認(rèn)為目前電力交易區(qū)塊鏈堆棧的關(guān)鍵技術(shù)探索主要有以下4個方向：共識機(jī)制、交易與智能合約設(shè)計、安全機(jī)制和其他領(lǐng)域技術(shù)，具體技術(shù)要點如圖2所示。共識機(jī)制主要包括PoW、PoS、DPoS和PBFT等4種，交易與智能合約設(shè)計主要包括能源自動化交易和其他功能等2方面，安全機(jī)制主要包括身份認(rèn)證與訪問控制、數(shù)據(jù)通信安全、隱私保護(hù)和行業(yè)規(guī)范等4方面，其他領(lǐng)域技術(shù)主要包括大數(shù)據(jù)、人工智能、經(jīng)濟(jì)學(xué)與博弈論和5G技術(shù)等4方面。接下來本文將從這4個方向出發(fā)，分析當(dāng)前能源區(qū)塊鏈的發(fā)展現(xiàn)狀和問題，以及探討各技術(shù)領(lǐng)域下一步的研究趨勢。

圖2 能源區(qū)塊鏈關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)成Fig.2 Key technologies of energy blockchain

3 能源區(qū)塊鏈中的共識機(jī)制

基于分布式的特性，能源互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)歷了從最初的中心化系統(tǒng)到去中心化系統(tǒng)的發(fā)展，根據(jù)特征性場景針對性設(shè)計，又衍生出微電網(wǎng)、區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)等能源網(wǎng)絡(luò)。區(qū)塊鏈作為分布式賬本，與能源互聯(lián)網(wǎng)分散化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)高度契合，各能源主體可通過共識機(jī)制來保證能源交易數(shù)據(jù)的一致性。

共識機(jī)制作為區(qū)塊鏈技術(shù)的一部分，也符合能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展脈絡(luò)。目前基于區(qū)塊鏈的能源項目研究所采用的共識機(jī)制主要包括PoW、PoS、DPoS和PBFT等幾種，以及在其基礎(chǔ)上改進(jìn)的共識機(jī)制。針對能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，目前共識機(jī)制按相關(guān)研究可主要分為3個階段：1)針對能源互聯(lián)網(wǎng)去中心化的特征，采用PoW、PoS、DPoS等通用性的共識機(jī)制，保證了各能源節(jié)點中交易數(shù)據(jù)的一致性；2)針對電網(wǎng)特性，采用PBFT及其改進(jìn)的共識機(jī)制，在抵抗拜占庭攻擊的同時，提高了共識效率；3)針對不同的能源網(wǎng)絡(luò)場景，制定針對性共識機(jī)制，以保證能源交易的共識效率和存儲準(zhǔn)確性。

3.1 PoW

在能源區(qū)塊鏈中共識機(jī)制研究的第1階段，共識機(jī)制的重點在于保證分布式場景中節(jié)點數(shù)據(jù)的一致性，多采用通用性的共識機(jī)制。例如：文獻(xiàn)[25-27]采用PoW共識能源交易數(shù)據(jù)，保證各節(jié)點記賬的平等性和節(jié)點數(shù)據(jù)的一致性，但是PoW耗費大量算力，造成能耗問題。針對PoW的能耗問題，部分研究通過轉(zhuǎn)移算力計算目標(biāo)[28]或減少共識節(jié)點[29]的方式來解決，前者未獲得記賬權(quán)的節(jié)點依舊會消耗大量算力，并沒有從根本上解決PoW的能耗問題；后者降低了系統(tǒng)的去中心化程度，少數(shù)節(jié)點保存能源交易數(shù)據(jù)，不適用于未來特定能源網(wǎng)絡(luò)的場景。

3.2 PoS與DPoS

針對PoW的能耗問題，部分研究采用PoS共識機(jī)制來解決。例如：文獻(xiàn)[30]基于PoS提出了ESCA、ETCA和EICA這3種共識機(jī)制，分別對應(yīng)存儲3種不同能源交易數(shù)據(jù)的區(qū)塊鏈；文獻(xiàn)[31]基于PoS將交易量和交易金額作為“權(quán)益”代替幣齡，由調(diào)度中心節(jié)點進(jìn)行共識；文獻(xiàn)[32]基于交易模式的不同，提出適用于綜合能源服務(wù)場景的權(quán)益分享證明(PoSS)共識機(jī)制。針對PoW的共識效率問題，部分研究采用DPoS共識機(jī)制犧牲部分去中心化程度以換取共識效率[33-34]，例如：文獻(xiàn)[35]將能源交易量作為“權(quán)益”，選取交易量大的賬戶輪流擔(dān)任記賬節(jié)點；文獻(xiàn)[36]將碳排放權(quán)或綠證作為“權(quán)益”，選取超級節(jié)點進(jìn)行記賬。

以上共識機(jī)制，雖然避免了PoW的能耗問題，但是，交易數(shù)據(jù)分散共識、分鏈存儲，增大了存儲空間和數(shù)據(jù)溯源的難度。此外，“權(quán)益”積累降低了系統(tǒng)的去中心化程度，易形成超級節(jié)點，易造成節(jié)點間權(quán)利不對等，削弱了能源互聯(lián)網(wǎng)的去中心化程度，可能導(dǎo)致能源互聯(lián)網(wǎng)退化為中心化系統(tǒng)。

3.3 PBFT

在能源區(qū)塊鏈共識機(jī)制研究的第2階段，針對某些特定的能源應(yīng)用場景，例如微電網(wǎng)等，其中能源主體數(shù)量較少且無監(jiān)管中心[37-38]，能源交易量較少，選用PBFT共識機(jī)制，在所有能源節(jié)點地位平等的前提下，提高了能源交易的共識效率；某些微電網(wǎng)中可能存在默認(rèn)可信節(jié)點，例如：需要能源監(jiān)管主體[38]對能源交易進(jìn)行監(jiān)管，或通過數(shù)據(jù)中心[39]總覽數(shù)據(jù)，則其對應(yīng)的節(jié)點必然是可信節(jié)點，部分研究針對此類微電網(wǎng)場景[40]，將可信節(jié)點作為共識節(jié)點，基于PBFT機(jī)制對能源交易數(shù)據(jù)進(jìn)行共識，該方式減少了共識節(jié)點的數(shù)量，極大地提高了能源交易數(shù)據(jù)的共識效率。

在無默認(rèn)可信節(jié)點的微電網(wǎng)中，隨著能源接入主體的增多，因PBFT機(jī)制三段式的頻繁交互，導(dǎo)致共識效率的顯著下降，因此，PBFT機(jī)制的應(yīng)用僅局限于節(jié)點數(shù)量較少的微電網(wǎng)場景。

在具有默認(rèn)可信節(jié)點的微電網(wǎng)中，選取定量可信節(jié)點參與共識，在一定程度上減緩了因節(jié)點數(shù)量增加導(dǎo)致的PBFT共識效率降低的問題，但是，公開確定的節(jié)點易成為被攻擊的目標(biāo)，并且預(yù)先指定共識節(jié)點的方法，不僅犧牲了能源互聯(lián)網(wǎng)去中心化的特性，也難以保證共識節(jié)點的長期可信。

針對PBFT機(jī)制中節(jié)點的可信性問題，文獻(xiàn)[41]采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建區(qū)塊鏈節(jié)點信用模型并選舉信用最高的節(jié)點作為主節(jié)點，降低了拜占庭節(jié)點作為主節(jié)點的概率，但是該方法同樣面臨節(jié)點增多導(dǎo)致共識效率降低的問題。

3.4 區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)共識機(jī)制研究

在第3階段，針對能源互聯(lián)網(wǎng)實際落地的場景，共識機(jī)制的設(shè)計應(yīng)考慮節(jié)點數(shù)目、去中心化程度、數(shù)據(jù)一致性和共識效率等因素，現(xiàn)階段迫切需要一種在能源主體增多時，能保證共識效率的去中心化共識機(jī)制，并且同時能夠保證共識結(jié)果的一致性。例如，在研究[41]中，借鑒信譽模型的方法，結(jié)合隨機(jī)值對共識節(jié)點進(jìn)行全局選取，所有信譽值合格節(jié)點均可能被選為共識節(jié)點，在保證去中心化特性的同時，減少了共識節(jié)點的數(shù)量，保證能源交易數(shù)據(jù)的共識效率?？梢罁?jù)交易場景的不同，更改共識節(jié)點的選舉范圍，使得能源交易由相關(guān)節(jié)點共識決定，并且支持多組共識節(jié)點同時進(jìn)行共識，降低了共識節(jié)點被攻擊的可能性，緩解了固定共識節(jié)點的共識壓力。

4 能源區(qū)塊鏈中的智能合約

現(xiàn)階段在能源互聯(lián)網(wǎng)中，如何進(jìn)行滿足用戶需求的能源相關(guān)信息交互是重中之重。一方面，大量個體發(fā)電用戶涌現(xiàn)并加入能源互聯(lián)網(wǎng)，電力能源類型逐漸增多，能源相關(guān)信息的交互逐漸從單一的集中交易、集中管控發(fā)展為多元化的綜合能源交易[42]；另一方面，需要考慮各種類型能源的特點，如傳輸成本和環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)等，盡可能實現(xiàn)能源就近消納，降低傳輸成本，增加清潔能源的使用比例。此外，還需考慮能源數(shù)據(jù)溯源、自動化結(jié)算、偏差/損耗處理等問題，使得能源區(qū)塊鏈中的信息記錄及交互能夠更好地滿足能源互聯(lián)網(wǎng)中各類角色的不同需求。

智能合約能夠使區(qū)塊鏈系統(tǒng)完成更加復(fù)雜的程序和計算，并保證程序運行的自動化和正確性，能夠很好地實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)中復(fù)雜的多元化綜合能源交易。智能合約在能源交易中應(yīng)用的研究主要分為3個階段，1)針對能源交易結(jié)果制定智能合約，將交易結(jié)果上鏈存儲，保證交易結(jié)果不可篡改；2)針對能源交易的階段結(jié)果制定智能合約，將價格制定、交易結(jié)果和資金轉(zhuǎn)賬等數(shù)據(jù)上鏈存儲，保證階段數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確溯源；3)針對能源交易雙方需求制定智能合約，為交易雙方提供需求信息發(fā)布、電力匹配、電力結(jié)算和偏差處理等一體化服務(wù)，保證了交易流程的自動化執(zhí)行，避免了人為因素對電力交易過程的干擾。

4.1 能源自動化交易

目前，已有較多采用智能合約實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)電力自動化交易的研究[31,43-47]，交易過程主要包括價格制定、需求信息發(fā)布、電力匹配、資金結(jié)算和偏差處理等環(huán)節(jié)。

針對電力交易價格的制定，主要有3種方法：自由制定價格[48]、通過智能合約自動化調(diào)整價格[35,46]、密封售價機(jī)制[49-50]。方法1：用戶可以自由定價，但是能源市場價格波動頻繁，恒定的價格不利于電力的售賣。方法2：依據(jù)市場行情，通過智能合約實時調(diào)整電價，有利于電力售賣。因電價是影響電力匹配的重要因素之一，公開的電價易被競爭者作為參考。方法3：通過智能合約保證電價在匹配之前的密封性，有效防止了電價被作為參考的問題。未來電價制定，既要保證其密封性，又要充分參考市場行情，為賣家獲取最大化的利益。

為滿足買賣雙方需求，應(yīng)為用戶提供自主發(fā)布需求信息的功能?，F(xiàn)階段，部分研究采用智能合約已實現(xiàn)用戶需求信息的自動化發(fā)布[31,43-44]。例如：文獻(xiàn)[51]設(shè)計了電力多邊交易的智能合約，合約第1步便是交易信息投標(biāo)。在市場中，交易者依據(jù)自身喜好和實際需求，發(fā)布滿足自身需求的購電、售電信息，能夠更好地進(jìn)行電力匹配，激發(fā)用戶參與電力交易的積極性，促進(jìn)電力市場的蓬勃發(fā)展，同時，用戶在發(fā)布需求信息時應(yīng)充分參考市場行情，避免電力供需失衡。

針對復(fù)雜的多元化綜合能源交易場景，多種電力交易匹配機(jī)制被提出，大致可以總結(jié)為P2P撮合匹配[47-48]、雙邊拍賣匹配[1,50-54]和多因素電力交易匹配等3種。

文獻(xiàn)[55]提出了一種基于用戶偏好的去中心化匹配方法，采用智能合約實現(xiàn)了基于用戶偏好的P2P能源撮合匹配，但是在交易數(shù)量大、匹配要求多的能源交易場景下，單個用戶的匹配方式匹配效率較低。針對大量的電力交易，現(xiàn)階段多采用雙邊拍賣匹配能源交易。例如：文獻(xiàn)[56]采用雙邊拍賣匹配機(jī)制為社區(qū)用戶進(jìn)行電力匹配，有效減少了整體社區(qū)的高峰需求；文獻(xiàn)[57]提出了一種綜合能源交易機(jī)制，將匹配過程分為集中匹配和雙邊拍賣2個階段。雙邊拍賣匹配主要參考電力價格，缺少對能源類型、傳輸損耗等因素的考慮，不利于清潔能源的售賣，并且遠(yuǎn)距離傳輸易造成不必要的傳輸損耗，增大傳輸成本。

針對電力交易匹配，應(yīng)充分考慮電價、交易量、傳輸損耗、能源類型和環(huán)保指標(biāo)等多種因素，側(cè)重用戶具體需求進(jìn)行匹配，有利于為用戶匹配相對最合適的電力交易。例如：文獻(xiàn)[58]提出了一種基于區(qū)塊鏈的分布式多因素電力交易匹配機(jī)制，并在文獻(xiàn)[59]實現(xiàn)應(yīng)用，實驗結(jié)果表明該機(jī)制在滿足用戶需求的同時，還提高了清潔能源的消納比例，并降低了電力傳輸損耗，是較為適合多元化綜合能源交易場景的一種匹配機(jī)制。

針對電力交易結(jié)算，現(xiàn)有研究主要采用以下兩種方式：依據(jù)交易計劃的同步結(jié)算[35,43,45,48-49,51]和依據(jù)實際數(shù)據(jù)的異步結(jié)算[60]。前者是先付款后用電，依據(jù)交易計劃中的購電量等信息利用智能合約進(jìn)行自動結(jié)算；后者是先用電后付款，通過智能電表等設(shè)備獲取實際的電力供耗數(shù)據(jù)，并采用智能合約實現(xiàn)異步結(jié)算。前者在結(jié)算的同時也導(dǎo)致了計劃電量偏差處理的問題，后者有效避免了電力偏差浪費和費用預(yù)支的問題，較為適合分布式電力交易結(jié)算。

針對電力交易中的偏差，主要分為計劃電量偏差處理和實際傳輸偏差處理。前者指的是實際需求量與計劃交易量的偏差處理，可通過智能合約向周邊用戶提交偏差電量交易申請，周邊用戶更改計劃量，進(jìn)而消除偏差量[49,51]，該偏差大多因計劃交易量不夠準(zhǔn)確造成，不存在經(jīng)濟(jì)處罰；后者指的是實際傳輸電量與購買電量的偏差處理，造成原因主要是不良賣家少供電，通過對比智能電表采集的實際電量傳輸數(shù)據(jù)與區(qū)塊鏈中的計劃交易數(shù)據(jù)，得出偏差量，并依據(jù)獎懲機(jī)制，對違規(guī)者進(jìn)行處罰[48,50]。

4.2 其他功能

智能合約技術(shù)在電力交易過程中除以上功能之外，還包括能源主體注冊[50,61]、密鑰遺忘處理[35]、計量監(jiān)管碳排放權(quán)[11,43]、電力交易確權(quán)溯源等功能。計量監(jiān)管碳排放權(quán)功能在一定程度上限制了化石燃料的使用，有利于促進(jìn)清潔能源的推廣；電力交易確權(quán)溯源主要包括售電和購電信息[26,35,55]、電力匹配記錄[1,58-60]、結(jié)算記錄[51,58-59]以及碳排放權(quán)和綠證交易記錄[43]的確權(quán)和溯源，通過智能合約實現(xiàn)以上信息的自動化上鏈存儲，保證了交易數(shù)據(jù)的不可篡改和可溯源查詢，此外，也為電力結(jié)算提供了準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)，推動了自動化結(jié)算功能的實現(xiàn)。

現(xiàn)階段，應(yīng)用于能源互聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈應(yīng)用的框架主要基于Hyperledger Fabric[62]，多采用聯(lián)盟鏈的方式部署能源互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，智能合約多采用Golang語言編寫，智能合約能夠保證程序的自動化運行，避免人為因素對電力交易過程的干擾，區(qū)塊鏈技術(shù)具體細(xì)節(jié)過于瑣碎，在此不進(jìn)行細(xì)節(jié)描述。未來，智能合約技術(shù)完善能源交易的自動化執(zhí)行，可能面臨的問題主要包括：自動化運算存儲效率、輕量化運行、大批量交易等幾方面。

5 能源區(qū)塊鏈中的安全機(jī)制

能源區(qū)塊鏈的一個重要的作用就是為能源互聯(lián)網(wǎng)提供安全保障，因此能源區(qū)塊鏈的安全機(jī)制也倍受關(guān)注。文獻(xiàn)[63-64]討論了區(qū)塊鏈所面臨的安全風(fēng)險，并對當(dāng)前存在的一些改進(jìn)手段進(jìn)行評價。這些研究更加側(cè)重于對區(qū)塊鏈本身進(jìn)行分析和討論，然而能源互聯(lián)網(wǎng)面臨的問題更加復(fù)雜，包括身份認(rèn)證與訪問控制、數(shù)據(jù)通信安全、隱私保護(hù)和行業(yè)規(guī)范等。

5.1 身份認(rèn)證與訪問控制

身份認(rèn)證可以保證系統(tǒng)內(nèi)的交易、數(shù)據(jù)等更加公開透明，提升用戶和系統(tǒng)的可信度；而訪問控制是系統(tǒng)通過對用戶進(jìn)行認(rèn)證，從而控制用戶訪問系統(tǒng)內(nèi)資源的手段，防止用戶非法使用系統(tǒng)資源。能源互聯(lián)網(wǎng)中用戶參與交易或其他業(yè)務(wù)一般是通過真實身份來進(jìn)行，而能源系統(tǒng)中也存在多種類型的用戶，如管理員用戶、電廠用戶、分布式能源用戶等，各自所擁有的權(quán)限是不同的，需要進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

能源互聯(lián)網(wǎng)中的用戶入網(wǎng)往往需要滿足一定的注冊條件，比如真實身份、信用狀況等，而單純使用公私鑰難以保證這一點。此外，由于用戶之間沒有權(quán)限分別，系統(tǒng)難以進(jìn)行訪問控制。

有研究通過單獨構(gòu)造身份鏈的方式進(jìn)行身份認(rèn)證[65]，但該方案實際上是將受攻擊的風(fēng)險轉(zhuǎn)移到了另一條鏈，而沒有縮減這種風(fēng)險。

如何在盡可能去中心化的情況下，完善身份認(rèn)證和訪問控制機(jī)制，是解決能源區(qū)塊鏈身份認(rèn)證和訪問控制問題的重要方向。此外，對于能源互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施來說，則應(yīng)盡可能地控制其權(quán)限，防止產(chǎn)生漏洞或被惡意攻擊。文獻(xiàn)[66]通過智能合約實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)中設(shè)備的訪問控制，對能源區(qū)塊鏈也具有一定的參考價值。該方案中設(shè)定了訪問控制合約、注冊合約和判定合約，對設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格的管理，并能夠診斷設(shè)備的非法操作，當(dāng)然在效率上相對于中心化的管理會有所下降。

5.2 數(shù)據(jù)通信安全

能源區(qū)塊鏈的通信安全要求包括保密性、完整性和可用性3個要素[26]，其中保密性指的是通信數(shù)據(jù)不被破譯，完整性表示發(fā)送與接收數(shù)據(jù)一致，沒有受到篡改，而可用性要求系統(tǒng)可以持續(xù)正常運行。

區(qū)塊鏈?zhǔn)褂肞2P通信協(xié)議在節(jié)點之間進(jìn)行通信，節(jié)點與節(jié)點之間直接建立連接傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)點廣播的信息也會通過泛洪機(jī)制傳播到整個網(wǎng)絡(luò)。P2P網(wǎng)絡(luò)往往缺少身份認(rèn)證、數(shù)據(jù)驗證、網(wǎng)絡(luò)安全管理等機(jī)制，使攻擊者有機(jī)會發(fā)送非法內(nèi)容對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行攻擊[67]，如日蝕攻擊、女巫攻擊、DDoS攻擊等。文獻(xiàn)[26]提出將數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)(data distribution service, DDS)作為區(qū)塊鏈的底層數(shù)據(jù)傳播技術(shù)，結(jié)合智能合約對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗，防御虛假數(shù)據(jù)攻擊。DDS采用發(fā)布/訂閱體系架構(gòu)，并提供服務(wù)質(zhì)量策略，各個節(jié)點在邏輯上無主從關(guān)系，與區(qū)塊鏈的架構(gòu)相類似，提高了通信數(shù)據(jù)的質(zhì)量，但也沒能解決底層節(jié)點的驗證和授權(quán)問題。

Fabric基于自身嚴(yán)格的身份認(rèn)證和訪問控制機(jī)制，使用安全傳輸層協(xié)議(transport layer security,TLS)進(jìn)行節(jié)點之間的安全通信。TLS會在兩個節(jié)點之間建立安全連接，包括身份確認(rèn)和數(shù)據(jù)加密傳輸，避免了偽造節(jié)點和虛假數(shù)據(jù)的問題。當(dāng)然，TLS的安全性也是由CA機(jī)構(gòu)進(jìn)行保證的。

總的來講，數(shù)據(jù)通信安全與系統(tǒng)內(nèi)身份認(rèn)證機(jī)制緊密相關(guān)，身份認(rèn)證較強的聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò)中，通信安全更容易得到保障；而身份認(rèn)證較弱的公鏈系統(tǒng)容易遭受攻擊。在討論解決方案時，研究者對于這兩方面的安全問題應(yīng)當(dāng)一起考慮。

5.3 隱私保護(hù)

能源互聯(lián)網(wǎng)中包含了大量的用戶交易數(shù)據(jù)，隨之帶來的是用戶的隱私保護(hù)問題。區(qū)塊鏈去中心化的結(jié)構(gòu)不僅提升了整個系統(tǒng)的安全保障，也讓用戶隱私保護(hù)成為可能。P2P網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和去中心化特征在隱私保護(hù)上具有一定的優(yōu)勢，但也面臨著一些問題[68]，這些問題主要分為數(shù)據(jù)隱私問題和身份隱私問題。

5.3.1數(shù)據(jù)隱私

區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)是公開透明的，攻擊者能夠通過分析交易記錄獲得有價值的信息，例如資金流向和交易內(nèi)容等，而用戶往往不希望這些信息被其他人探知。

基于UTXO模型的區(qū)塊鏈系統(tǒng)具有一定的匿名性，用戶可以選擇使用多個賬戶來隱藏自己的交易行為。但僅僅通過多重賬戶的方法是不夠的，攻擊者依然可以通過交易溯源和賬戶聚類等技術(shù)獲取到有用信息。文獻(xiàn)[25,69]試圖通過動態(tài)隨機(jī)數(shù)、相鄰賬戶隱藏和賬戶映射算法等手段完善多重賬戶機(jī)制，以避免數(shù)據(jù)挖掘算法的攻擊。然而多重賬戶機(jī)制會給審計和監(jiān)管帶來不便，增加系統(tǒng)的不可控性。

通過多鏈結(jié)構(gòu)來保護(hù)數(shù)據(jù)隱私也是一種常見的手段。多鏈結(jié)構(gòu)是區(qū)塊鏈的一種獨特的結(jié)構(gòu)，多個區(qū)塊鏈各自擁有一部分節(jié)點群體，且鏈與鏈之間存在節(jié)點交集。例如一個多鏈結(jié)構(gòu)可以包括賬戶鏈和交易鏈[35]，分別存儲不同類型的數(shù)據(jù)，只有參與其中的賬戶有權(quán)查詢。文獻(xiàn)[65]將交易分為公有交易和私有交易，私有交易不進(jìn)行全網(wǎng)共識，而是由一組可信任的監(jiān)管節(jié)點進(jìn)行驗證和記錄，因此可以實現(xiàn)對部分隱私數(shù)據(jù)的保護(hù)。這在本質(zhì)上還是一種包含了 “私有交易鏈”和“公有交易鏈”的多鏈。多鏈結(jié)構(gòu)實質(zhì)上是通過分割用戶群體來保護(hù)部分?jǐn)?shù)據(jù)的隱私，但難以作用于所有用戶都參與的數(shù)據(jù)集。

此外，鑒于能源區(qū)塊鏈中大多數(shù)據(jù)將會頻繁參與計算，保護(hù)能源數(shù)據(jù)在計算過程中的隱私也將會是一項重要的課題。目前已經(jīng)有研究提出將SGX[70-71]、安全多方計算[72-73]和同態(tài)加密[74]等技術(shù)與區(qū)塊鏈相結(jié)合，使得區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)在參與某些處理和計算時仍能夠保證隱私，可以為能源區(qū)塊鏈提供改進(jìn)思路。

5.3.2身份隱私

區(qū)塊鏈去中心化的網(wǎng)絡(luò)分布結(jié)構(gòu)難以阻斷交易數(shù)據(jù)的傳播和外泄，隱私保護(hù)更加側(cè)重于保障用戶的匿名性，也就是身份隱私。

目前關(guān)于能源區(qū)塊鏈匿名性的研究比較稀缺。文獻(xiàn)[75]使用多重簽名結(jié)合匿名信息流實現(xiàn)匿名的能源交易。該方案的難點在于快速驗證，如何提高匿名信息流的處理效率是一個不小的難題。此外，像結(jié)合群簽名[76]、環(huán)簽名[77]、零知識證明[78]等密碼學(xué)技術(shù)來保障區(qū)塊鏈匿名性的相關(guān)研究已有很多，下一步需要考慮結(jié)合能源交易中的匿名需求做出更多的嘗試。

5.4 行業(yè)規(guī)范

在全世界范圍內(nèi)，區(qū)塊鏈擁有龐大的開發(fā)社區(qū)和眾多的開源項目，而能源區(qū)塊鏈的相關(guān)研究也都會基于這些開源項目進(jìn)行實驗和試運行。能源區(qū)塊鏈要想在我國真正落地并發(fā)揮作用，還需要遵守相應(yīng)的行業(yè)規(guī)范。

區(qū)塊鏈中包含了大量的密碼學(xué)算法，大多數(shù)開源項目使用的是主流密碼學(xué)算法，比如SHA256、secp256k1等。而我國密碼行業(yè)技術(shù)委員會頒布了一套密碼行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)，包括各類算法以及使用規(guī)范，這些國密算法經(jīng)過專業(yè)的設(shè)計和證明，相較于主流算法而言具有更好的安全性和適用性。目前其他領(lǐng)域已經(jīng)存在國密算法相關(guān)的區(qū)塊鏈設(shè)計[79-80]，可以為能源行業(yè)提供參考。

監(jiān)管也是能源區(qū)塊鏈所面臨的重要問題。當(dāng)前能源區(qū)塊鏈相關(guān)法律法規(guī)尚未健全[81]，導(dǎo)致國內(nèi)外的能源區(qū)塊鏈項目普遍規(guī)模較小且應(yīng)用場景過于理想，無法進(jìn)行廣泛的應(yīng)用[13]。文獻(xiàn)[65]和[39]都通過在系統(tǒng)中設(shè)置監(jiān)管節(jié)點的方式完成系統(tǒng)的監(jiān)管；文獻(xiàn)[30]采用實時監(jiān)聽的方式，獲取用戶節(jié)點的交易行為；而文獻(xiàn)[35]在多鏈體系中設(shè)置了監(jiān)管區(qū)塊鏈，對用戶的誠信和違規(guī)行為進(jìn)行記錄，達(dá)到以鏈治鏈的效果。對于監(jiān)管問題，一方面相關(guān)部門應(yīng)該繼續(xù)嚴(yán)格相關(guān)法律法規(guī)，引導(dǎo)能源行業(yè)對區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行正確的使用；另一方面研究者應(yīng)當(dāng)積極探索更多的技術(shù)監(jiān)管手段，例如節(jié)點追蹤、穿透式監(jiān)管、主動探測和以鏈治鏈等。

6 能源區(qū)塊鏈中的其他領(lǐng)域技術(shù)

在能源互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)研究中，許多其他領(lǐng)域的技術(shù)例如大數(shù)據(jù)、人工智能、經(jīng)濟(jì)學(xué)與博弈論、5G技術(shù)等，被用于促進(jìn)能源互聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步提升。這些其他領(lǐng)域的技術(shù)與區(qū)塊鏈技術(shù)相互促進(jìn)、相互融合，從而發(fā)揮出“1+1>2”的效果。目前許多研究都在嘗試著將其他領(lǐng)域的技術(shù)與區(qū)塊鏈進(jìn)行結(jié)合，以構(gòu)建出更符合實際需求的能源區(qū)塊鏈體系。

6.1 大數(shù)據(jù)

大數(shù)據(jù)技術(shù)可以有效地提升能源互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)整合與分析能力，在能源互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[16]，包括負(fù)荷預(yù)測、分布式能源接入、系統(tǒng)安全和態(tài)勢感知等方面。

主流的大數(shù)據(jù)技術(shù)都采用分布式存儲的方式，與能源區(qū)塊鏈的結(jié)構(gòu)較為符合。區(qū)塊鏈能夠為大數(shù)據(jù)提供安全可靠的數(shù)據(jù)來源，也可以對大數(shù)據(jù)分析的結(jié)果進(jìn)行認(rèn)證[82]。此外，應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)可以為能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的處理提供更豐富的選擇，例如結(jié)合邊緣計算[83]可以為本地用戶提供高吞吐量、及時的數(shù)據(jù)處理服務(wù)等。

6.2 人工智能

人工智能算法如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等為能源互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計、模擬、優(yōu)化和用戶分類等提供了強大的工具[18]，而區(qū)塊鏈可以為人工智能技術(shù)提供安全的執(zhí)行平臺，以保護(hù)這些關(guān)鍵的能源數(shù)據(jù)。

文獻(xiàn)[84-86]探討了區(qū)塊鏈和人工智能技術(shù)在實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的自動化和現(xiàn)代化的作用。人工智能支持的區(qū)塊鏈可以更好地分析和處理包含數(shù)千個變量(頻率、負(fù)載和電壓變化等)的數(shù)據(jù)集，來實現(xiàn)傳輸路徑優(yōu)化、入侵檢測和交易數(shù)據(jù)識別等功能。由于計算量過大不適合直接使用智能合約，這些方案大多采用“鏈上結(jié)合鏈下”的手段，人工智能分析系統(tǒng)與區(qū)塊鏈系統(tǒng)往往各自獨立運行。

群體智能算法則能夠與智能合約更好地進(jìn)行融合，例如蟻群優(yōu)化(ant colony optimization,ACO)算法。ACO算法與區(qū)塊鏈技術(shù)共同存在的去中心化特征，通過個體間的溝通協(xié)作可實現(xiàn)整體尋優(yōu)。文獻(xiàn)[44]利用改進(jìn)的ACO算法來處理各能源市場主體競爭的多目標(biāo)優(yōu)化問題，還將該優(yōu)化算法與其他類型的優(yōu)化算法進(jìn)行比對，以證明該算法的全局搜索能力和收斂能力更強、求解效率更高。

此外，還可以考慮將人工智能技術(shù)與區(qū)塊鏈進(jìn)行深度融合，例如利用深度學(xué)習(xí)等對能源區(qū)塊鏈底層結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，輔助能源互聯(lián)網(wǎng)中設(shè)施的調(diào)整和優(yōu)化，如分析各個節(jié)點的數(shù)據(jù)吞吐量，以實現(xiàn)節(jié)點之間的快速響應(yīng)和分布式系統(tǒng)負(fù)載均衡[87-88]等。

6.3 經(jīng)濟(jì)學(xué)與博弈論

區(qū)塊鏈本身蘊含著一定的經(jīng)濟(jì)學(xué)原理，例如激勵機(jī)制和代幣發(fā)行，而能源市場情況更加復(fù)雜和多樣化，電網(wǎng)能夠通過調(diào)整電價對用戶施加影響，還能通過發(fā)放補貼[44]、綠證等行為促進(jìn)用戶參與能源交易。

文獻(xiàn)[34,89]都提到了使用代幣來作為用戶參與能源區(qū)塊鏈記賬的獎勵，而單一的挖礦激勵機(jī)制卻無法起到促進(jìn)用戶參與能源市場的作用。文獻(xiàn)[44]根據(jù)可再生能源利用率設(shè)計了新的激勵機(jī)制，即以可再生能源利用率高于平均值的程度來發(fā)放獎勵，甚至還設(shè)計了碳排放相關(guān)的懲罰機(jī)制，對于用戶多余的碳排放量給予懲罰。

能源市場常常會涉及到各方之間的博弈，區(qū)塊鏈和智能合約能夠幫助用戶自動化地獲取市場信息并執(zhí)行最優(yōu)策略，從而在能源交易中獲益。根據(jù)場景設(shè)定的不同，許多研究采用合作博弈模型[39]或非合作博弈模型[44,52,90]來預(yù)測市場的形式和均衡問題。博弈模型首先要考慮的問題就是是否存在均衡狀態(tài)，文獻(xiàn)[52]采用勢博弈保證了純策略均衡解的存在，不需要討論均衡的存在性，有利于推進(jìn)博弈模型的進(jìn)一步應(yīng)用。文獻(xiàn)[44]分析了微電網(wǎng)運營商、大用戶和分布式聚合商的市場需求，建立了市場競爭博弈模型，并驗證了在三者獲益區(qū)域內(nèi)并不存在帕累托最優(yōu)點，說明電力市場各方主體之間具有明顯的競爭關(guān)系。

此外，用戶制定市場策略時除了考慮參與交易所帶來的收益最大化之外，還有可能考慮行為偏好、環(huán)保效益等，以及能源市場的附加產(chǎn)品所帶來的額外收益，這些也需要在設(shè)計博弈模型時加以考慮，進(jìn)行定量分析。

6.4 5G技術(shù)

區(qū)塊鏈本身存在一定的效率和性能缺陷，而5G通信技術(shù)包含了5個方面的基本特征，即高速率、高容量、高可靠性、低時延與低能耗[91]，能有效提升能源區(qū)塊鏈的綜合效率，創(chuàng)新能源區(qū)塊鏈的應(yīng)用模式。

5G能夠連接海量設(shè)備，每平方千米可以支撐100萬個移動終端，使得能源區(qū)塊鏈可以將更多的基礎(chǔ)設(shè)施納入管理范圍，實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)中更加精確、密集的信息互聯(lián)。

5G高速率、低時延的特性可以顯著提升能源區(qū)塊鏈中交易廣播和區(qū)塊同步的效率，從而能夠從根本上提升共識機(jī)制的效率，有利于能源區(qū)塊鏈選取可靠性更高的共識機(jī)制和數(shù)據(jù)傳輸手段。

5G支持網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)[92]，可以根據(jù)能源互聯(lián)網(wǎng)中不同業(yè)務(wù)的差異性選擇不同的網(wǎng)絡(luò)，比如超高可靠性超低時延、海量機(jī)器通信接入和增強帶寬等。

對于層次式的能源區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)來說，5G技術(shù)能夠幫助區(qū)塊鏈系統(tǒng)更加快速、精準(zhǔn)地從傳感設(shè)備收集數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)對電網(wǎng)內(nèi)物理設(shè)施的有效控制。憑借在物聯(lián)網(wǎng)通信中的巨大優(yōu)勢，5G技術(shù)將會促進(jìn)電力系統(tǒng)更好地與物聯(lián)網(wǎng)融合，形成“5G+物聯(lián)網(wǎng)+區(qū)塊鏈”的能源區(qū)塊鏈一體化格局。

當(dāng)然5G技術(shù)目前也存在一些不足，例如通信能效問題。5G時代的通信基站密度將會達(dá)到4G時代的10倍以上，大容量、高速率、低時延的代價將會是能效的降低。因此，如何能在更加節(jié)能環(huán)保的基礎(chǔ)上融合5G技術(shù)，是能源互聯(lián)網(wǎng)未來將要面對的問題。此外，區(qū)塊鏈模式在5G通信中的深度結(jié)合也是一個值得討論的話題，與當(dāng)前5G技術(shù)提升區(qū)塊鏈性能和效率的結(jié)合方式不同，區(qū)塊鏈有助于在底層機(jī)制上實現(xiàn)點對點的安全高效通信。

7 能源區(qū)塊鏈未來研究方向

能源區(qū)塊鏈正處在一個飛速發(fā)展的階段，然而目前存在諸多因素制約能源區(qū)塊鏈的發(fā)展。一方面，現(xiàn)今關(guān)于能源區(qū)塊鏈的研究中，缺少對區(qū)塊鏈前沿技術(shù)的深入探究與應(yīng)用；另一方面，多數(shù)能源區(qū)塊鏈方案停留在設(shè)計和原型階段，缺少有效的實踐反饋?；诂F(xiàn)有的研究狀況和問題，未來能源區(qū)塊鏈設(shè)計的研究重心可能會集中在高性能、高安全、高可擴(kuò)展和可監(jiān)管等幾個方面。

7.1 高性能

能源區(qū)塊鏈想要真正落地，必須要解決性能問題，區(qū)塊鏈自身性能瓶頸和在能源場景應(yīng)用產(chǎn)生的額外性能需求是當(dāng)前制約能源區(qū)塊鏈性能提升的主要因素。

針對區(qū)塊鏈自身的性能瓶頸，需從區(qū)塊鏈底層的設(shè)計機(jī)制出發(fā)，提升現(xiàn)有的性能水平。例如，共識機(jī)制可靠性與效率之間的矛盾尚未解決，需要設(shè)計出滿足能源區(qū)塊鏈大規(guī)模節(jié)點場景，且具有良好容錯性的高效共識算法；智能合約的效率難以支撐復(fù)雜的人工智能算法或數(shù)據(jù)分析，需要從合約底層的執(zhí)行引擎入手提升計算效率；去中心化賬本中的冗余數(shù)據(jù)太多導(dǎo)致存儲效率低下，可以嘗試結(jié)合分布式存儲方案，如如星際文件系統(tǒng)(interplanetary file system, IPFS)[93-94]等，更高效地存儲海量數(shù)據(jù)。

而針對區(qū)塊鏈具體應(yīng)用時產(chǎn)生的額外需求，需要考慮具體應(yīng)用的影響采取相應(yīng)的措施。例如，應(yīng)用密碼學(xué)技術(shù)保護(hù)系統(tǒng)安全和隱私的同時，也會降低系統(tǒng)業(yè)務(wù)的處理速度，需要設(shè)計信息冗余度更小、更加簡潔的安全和隱私保護(hù)機(jī)制；能源互聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模物理設(shè)備接入和海量數(shù)據(jù)搜集，會涉及到硬件設(shè)施的性能瓶頸問題，需要廣泛應(yīng)用5G、大數(shù)據(jù)等技術(shù)來有效地管理能源設(shè)備與數(shù)據(jù)。

7.2 高安全

針對現(xiàn)有的能源區(qū)塊鏈關(guān)于安全機(jī)制的研究，可以做到的提升有以下幾方面：進(jìn)一步加強對用戶的身份認(rèn)證和訪問控制，繼續(xù)探究去中心化的公鑰認(rèn)證機(jī)制和權(quán)限控制機(jī)制，同時依靠有效的身份認(rèn)證機(jī)制來提升節(jié)點間數(shù)據(jù)通信安全，避免系統(tǒng)因驗證和管理缺失而遭受攻擊；充分考慮能源場景的隱私保護(hù)需求，防止因隱私泄露而造成安全問題，結(jié)合可信執(zhí)行環(huán)境SGX、安全多方計算和同態(tài)加密等技術(shù)保障數(shù)據(jù)的私密性，結(jié)合群簽名、環(huán)簽名和零知識證明等技術(shù)保障分布式能源用戶在交易中的匿名性；采用更加安全可控的密碼學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，如在能源區(qū)塊鏈的構(gòu)建中使用國密算法代替主流密碼學(xué)算法，以從基礎(chǔ)上獲取更可靠的安全保障。

7.3 高可擴(kuò)展

良好的可擴(kuò)展性對于能源區(qū)塊鏈的可用性、易用性等方面具有重要影響。隨著未來能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，勢必會對能源區(qū)塊鏈的可擴(kuò)展性提出更高的要求。

首先是對規(guī)?？蓴U(kuò)展的要求，需要積極探索高可擴(kuò)展的共識算法，發(fā)展區(qū)塊鏈分片、跨鏈、多鏈等技術(shù)，以保證更大規(guī)模區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的事務(wù)處理能力，滿足更廣泛的能源-信息互聯(lián)需求。

此外還有對于能源互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和應(yīng)用的擴(kuò)展要求，一方面需要完善能源區(qū)塊鏈的平臺化建設(shè)，構(gòu)建整個能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的社區(qū)和生態(tài)；另一方面可以考慮對智能合約引擎的擴(kuò)展功能進(jìn)行改進(jìn)，支持更多種類的編程語言。

7.4 可監(jiān)管

能源是關(guān)系到國計民生的重要領(lǐng)域，能源區(qū)塊鏈在設(shè)計上必須做到嚴(yán)格監(jiān)管，能夠保證事前能預(yù)防、事中可止損、事后要追責(zé)。一方面要通過技術(shù)手段加強對能源互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)各主體的監(jiān)管，明確各個主體的權(quán)責(zé)問題，積極探索節(jié)點追蹤、穿透式監(jiān)管、主動探測和以鏈治鏈等監(jiān)管技術(shù)；另一方面要加強對能源市場的審計和監(jiān)管，尤其是在對用戶的隱私進(jìn)行保護(hù)的同時，要為市場監(jiān)管留有余地，嚴(yán)格遵守相關(guān)的信息管理規(guī)定。

8 結(jié) 論

本文通過定位能源互聯(lián)網(wǎng)中電力交易區(qū)塊鏈中的關(guān)鍵技術(shù)，從共識機(jī)制、交易與智能合約設(shè)計、安全機(jī)制和其他領(lǐng)域技術(shù)等4個角度，詳細(xì)地綜述了現(xiàn)今電力交易區(qū)塊鏈在各項技術(shù)方面的研究進(jìn)展，并結(jié)合發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行更加深入地討論與分析，指出目前各項技術(shù)領(lǐng)域存在的問題，以及未來可能的研究方向，以期為能源互聯(lián)網(wǎng)電力交易區(qū)塊鏈的進(jìn)一步研究提供參考。

可以看出，區(qū)塊鏈對于能源互聯(lián)網(wǎng)的提升是全方位、多維度的，構(gòu)成電力交易區(qū)塊鏈的多種關(guān)鍵技術(shù)能夠自底向上地發(fā)揮其作用，有望從根本上解決目前電力交易面臨的種種挑戰(zhàn)。不過，目前能源互聯(lián)網(wǎng)電力交易區(qū)塊鏈仍然有很長一段路要走，要想真正地實現(xiàn)落地應(yīng)用，除了從技術(shù)理論方面展開更加深入的研究，還需要在行業(yè)中進(jìn)行更加廣泛的實踐。