艾崧溥, 胡殿凱，張桐，曹軍威

(1.清華大學北京信息科學與技術國家研究中心, 北京市 100084；2. 青島理工大學信息與控制工程學院, 山東省青島市 266520；3.山東大學計算機科學與技術學院，山東省青島市 266237)

0 引 言

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

能源互聯(lián)網是一個學術與工業(yè)界看好的下一代能源基礎設施的發(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、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堆棧難以滿足全面實現(xiàn)能源互聯(lián)網的設計思想。特別是我國的能源，尤其是電力體系架構一直以來以中心化為主軸的設計思路難以為豐富的清潔能源分布式接入與多樣化產消耦合提供靈活的架構支撐，隨著用電負荷加大，在冬夏季高峰時可能出現(xiàn)故障甚至停運[6]。引入新的設計思路與技術堆棧，在現(xiàn)有能源體制下進行場景、業(yè)務、價值創(chuàng)新，建設分層分區(qū)域，多元接入的能源互聯(lián)網架構成為當下學界與工業(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、可編程和安全可信等特點的技術堆棧，其設計思想核心即為區(qū)塊鏈網絡中各節(jié)點平等，網絡中節(jié)點在互聯(lián)的基礎上相互合作、制約、共享信息，而整個架構是由區(qū)塊鏈網絡中的節(jié)點共同維護的?？梢园l(fā)現(xiàn)，區(qū)塊鏈技術與能源互聯(lián)網的設計思想高度契合，很有可能會成為能源互聯(lián)網真正落地的關鍵技術。區(qū)塊鏈技術在能源互聯(lián)網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)塊鏈共識機制、智能合約技術，通過點對點交易，可有效解決電力交易雙方信息不對稱導致的信任缺失問題[9]。同時，基于區(qū)塊鏈的電力交易可從交易側解決多方信息不對稱帶來的信任危機，構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,已有一些文獻對當前能源電力交易相關的區(qū)塊鏈研究進行了綜述[10-13]。然而，很多已有的綜述文獻多聚焦于能源互聯(lián)網電力交易區(qū)塊鏈的應用場景，對于電力交易區(qū)塊鏈中的關鍵技術缺乏系統(tǒng)的分析和討論，難以從技術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)塊鏈中的關鍵技術，對電力交易區(qū)塊鏈共識機制、交易與智能合約設計、安全機制和其他領域技術等方面的研究進展進行綜述，并結合發(fā)展現(xiàn)狀進行深入的討論與分析，探討目前各項技術領域存在的問題，以及未來可能的研究方向，為能源區(qū)塊鏈的進一步研究與落地提供參考。

1 相關背景

1.1 能源互聯(lián)網

能源互聯(lián)網是以互聯(lián)網理念為基礎構建的新型信息-能源融合網絡體系，它以大電網為“主干網”，以微電網、分布式能源、智能小區(qū)等為“局域網”[14]，以開放對等的信息-能源一體化架構為基礎實現(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新能源的接入。

在能源互聯(lián)網的場景中，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、局域微電網和公共電網等主體之間，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]等傳感通信設備實現(xiàn)智能計量和實時決策，提升用戶數(shù)據精確度和用戶業(yè)務效率；采用自動化需求響應、線路阻塞管理和潮流約束等手段維持網絡平穩(wěn)運行；同時，結合大數(shù)據、人工智能等技術對能源交易數(shù)據進行分析，進一步發(fā)掘能源互聯(lián)網的深層價值[16-18]。

1.2 區(qū)塊鏈

區(qū)塊鏈是一種去中心化的分布式數(shù)據賬本的技術[19]。區(qū)塊鏈網絡由多個對等節(jié)點組成，所有節(jié)點共同維護一個公開的數(shù)據賬本，賬本中的記錄由區(qū)塊間的鏈式結構按時序嚴格排列，每個節(jié)點都可以完全擁有該賬本，賬本數(shù)據通過共識機制達成一致。

去中心化是區(qū)塊鏈最主要的特征。在合理機制的支持下，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，再結合數(shù)字簽名等密碼學算法，使得數(shù)據更加安全可信。區(qū)塊鏈集成了一系列的關鍵技術，包括共識算法、智能合約、密碼學算法等，此外還包含激勵機制、數(shù)據庫和P2P通信等技術，是多個領域技術結合的產物。

根據側重點不同，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。公鏈是區(qū)塊鏈最早的形態(tài)，其對應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)盟鏈是為具有一定信任基礎的應用場景而設計的，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，內部的節(jié)點往往會在權限上有所區(qū)別，并非完全對等；私鏈則是某個單位或組織內部應用的系統(tǒng)，系統(tǒng)內所有節(jié)點均受同一個單位或組織的控制。

基于去中心化的設計理念和成熟的技術手段，區(qū)塊鏈在數(shù)字資產、數(shù)據存儲、數(shù)據鑒證、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)解決相關問題，尤其是涉及到價值流動的應用場景，比如能源交易、供應鏈金融、版權認證和保險評定等。應用于能源互聯(lián)網電力交易場景的區(qū)塊鏈技術——電力交易區(qū)塊鏈，是本文綜述的主要內容。

2 電力交易區(qū)塊鏈

歐盟工業(yè)界認為，能源區(qū)塊鏈是區(qū)塊鏈技術的一個重要應用場景[21]。能源互聯(lián)網與區(qū)塊鏈都具有分布式、去中心化的特征，能源互聯(lián)網強調的開放、互聯(lián)、對等和分享的設計理念與區(qū)塊鏈去中心化、共同維護、地位平等和數(shù)據共享的特性高度契合。基于區(qū)塊鏈技術的技術架構可以保證能源互聯(lián)網中個體用戶的地位平等，并實現(xiàn)用戶之間的P2P能源及能源相關信息交易，從而實現(xiàn)能源互聯(lián)網的價值驅動，建立新的能源價值體系。

本文認為，區(qū)塊鏈可以幫助能源互聯(lián)網的各個層次構建相關的應用，分別或聯(lián)合地構建能源區(qū)塊鏈，具體應用場景如圖1所示。

圖1 能源區(qū)塊鏈應用層次圖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)網架構的第3層級——能源業(yè)務層。在綠色能源廣泛去中心化接入電網，電動車反向供電等技術逐步成熟的趨勢中，區(qū)域點對點交易需求日漸增多，構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)網技術傳感通信控制技術的發(fā)展，電力系統(tǒng)在時間、空間維度上進行監(jiān)管控制的粒度逐漸細化，將物聯(lián)網、大數(shù)據、人工智能等技術以適當?shù)姆绞角度腚娏灰讌^(qū)塊鏈堆?？梢宰詣踊⑴炕乜焖賵?zhí)行電力系統(tǒng)監(jiān)管與控制，提升效率。從能源互聯(lián)網的角度思考，電力交易需要用到傳感通信層提供的數(shù)據，且需要使用區(qū)塊鏈交易結果對物理系統(tǒng)層進行精細化管控，在不同電網物理架構下，交易需求和特征復雜，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)塊鏈相關的應用與研究。早期，LO3 Energy(New York, USA)和西門子(Munich, Germany)合作開發(fā)了基于區(qū)塊鏈的交易型網格微電網交易平臺[22]，用戶可以在平臺上自由地進行能源交易而不依賴于第三方機構，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)據的直接結算功能。文獻[23]介紹了區(qū)塊鏈技術在提高能源交易處理效率方面的新進展，以及結合了區(qū)塊鏈技術的分布式能源交易理論研究與實際應用；分析了國內外區(qū)塊鏈技術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、建設需求響應管理等方面的建議。Luo等人基于區(qū)塊鏈技術提出了一種代理者聯(lián)盟機制[24]，能源生產者形成電力交易聯(lián)盟進行電力交易談判，電力交易數(shù)據通過智能合約技術將電力交易數(shù)據上鏈存儲，并基于區(qū)塊鏈中的電力交易數(shù)據進行交易結算。這些項目和研究工作對于區(qū)塊鏈技術在能源行業(yè)中應用來講，無疑具有巨大的示范和推進作用，然而這些項目大多還處于理論和試驗階段，如何構建完善的能源區(qū)塊鏈體系，還需要對實際應用中的問題進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)塊鏈技術路線方向上逐步達成共識，基于電力交易對參與者準入、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)塊鏈技術研究，既包含區(qū)塊鏈技術應用模式的探索，也包含面向應用場景對區(qū)塊鏈技術的深入研究[8]。這反映出當前區(qū)塊鏈技術堆棧在電力交易領域研究的階段性特征，即具體應用業(yè)務場景還需明確，特征性價值框架還未建立，且區(qū)塊鏈作為一個技術堆棧本身還需要豐富并需要針對電力交易場景進行創(chuàng)新。

本文從區(qū)塊鏈的技術特征角度出發(fā)，結合當前的研究現(xiàn)況，認為目前電力交易區(qū)塊鏈堆棧的關鍵技術探索主要有以下4個方向：共識機制、交易與智能合約設計、安全機制和其他領域技術，具體技術要點如圖2所示。共識機制主要包括PoW、PoS、DPoS和PBFT等4種，交易與智能合約設計主要包括能源自動化交易和其他功能等2方面，安全機制主要包括身份認證與訪問控制、數(shù)據通信安全、隱私保護和行業(yè)規(guī)范等4方面，其他領域技術主要包括大數(shù)據、人工智能、經濟學與博弈論和5G技術等4方面。接下來本文將從這4個方向出發(fā)，分析當前能源區(qū)塊鏈的發(fā)展現(xiàn)狀和問題，以及探討各技術領域下一步的研究趨勢。

圖2 能源區(qū)塊鏈關鍵技術構成Fig.2 Key technologies of energy blockchain

3 能源區(qū)塊鏈中的共識機制

基于分布式的特性，能源互聯(lián)網經歷了從最初的中心化系統(tǒng)到去中心化系統(tǒng)的發(fā)展，根據特征性場景針對性設計，又衍生出微電網、區(qū)域能源互聯(lián)網等能源網絡。區(qū)塊鏈作為分布式賬本，與能源互聯(lián)網分散化的拓撲結構高度契合，各能源主體可通過共識機制來保證能源交易數(shù)據的一致性。

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

3.1 PoW

在能源區(qū)塊鏈中共識機制研究的第1階段，共識機制的重點在于保證分布式場景中節(jié)點數(shù)據的一致性，多采用通用性的共識機制。例如：文獻[25-27]采用PoW共識能源交易數(shù)據，保證各節(jié)點記賬的平等性和節(jié)點數(shù)據的一致性，但是PoW耗費大量算力，造成能耗問題。針對PoW的能耗問題，部分研究通過轉移算力計算目標[28]或減少共識節(jié)點[29]的方式來解決，前者未獲得記賬權的節(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，不適用于未來特定能源網絡的場景。

3.2 PoS與DPoS

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

以上共識機制，雖然避免了PoW的能耗問題，但是，交易數(shù)據分散共識、分鏈存儲，增大了存儲空間和數(shù)據溯源的難度。此外，“權益”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)點間權利不對等，削弱了能源互聯(lián)網的去中心化程度，可能導致能源互聯(lián)網退化為中心化系統(tǒng)。

3.3 PBFT

在能源區(qū)塊鏈共識機制研究的第2階段，針對某些特定的能源應用場景，例如微電網等，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；某些微電網中可能存在默認可信節(jié)點，例如：需要能源監(jiān)管主體[38]對能源交易進行監(jiān)管，或通過數(shù)據中心[39]總覽數(shù)據，則其對應的節(jié)點必然是可信節(jié)點，部分研究針對此類微電網場景[40]，將可信節(jié)點作為共識節(jié)點，基于PBFT機制對能源交易數(shù)據進行共識，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)據的共識效率。

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

在具有默認可信節(jié)點的微電網中，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，并且預先指定共識節(jié)點的方法，不僅犧牲了能源互聯(lián)網去中心化的特性，也難以保證共識節(jié)點的長期可信。

針對PBFT機制中節(jié)點的可信性問題，文獻[41]采用BP神經網絡構建區(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)點增多導致共識效率降低的問題。

3.4 區(qū)域能源互聯(lián)網共識機制研究

在第3階段，針對能源互聯(lián)網實際落地的場景，共識機制的設計應考慮節(jié)點數(shù)目、去中心化程度、數(shù)據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制，并且同時能夠保證共識結果的一致性。例如，在研究[41]中，借鑒信譽模型的方法，結合隨機值對共識節(jié)點進行全局選取，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)據的共識效率?？梢罁灰讏鼍暗牟煌墓沧R節(jié)點的選舉范圍，使得能源交易由相關節(jié)點共識決定，并且支持多組共識節(jié)點同時進行共識，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)網中，如何進行滿足用戶需求的能源相關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，電力能源類型逐漸增多，能源相關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)保標準等，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)據溯源、自動化結算、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)網中復雜的多元化綜合能源交易。智能合約在能源交易中應用的研究主要分為3個階段，1)針對能源交易結果制定智能合約，將交易結果上鏈存儲，保證交易結果不可篡改；2)針對能源交易的階段結果制定智能合約，將價格制定、交易結果和資金轉賬等數(shù)據上鏈存儲，保證階段數(shù)據的準確溯源；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、電力結算和偏差處理等一體化服務，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整價格[35,46]、密封售價機制[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：依據市場行情，通過智能合約實時調整電價，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[51]設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。在市場中，交易者依據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，能夠更好地進行電力匹配，激發(fā)用戶參與電力交易的積極性，促進電力市場的蓬勃發(fā)展，同時，用戶在發(fā)布需求信息時應充分參考市場行情，避免電力供需失衡。

針對復雜的多元化綜合能源交易場景，多種電力交易匹配機制被提出，大致可以總結為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[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[56]采用雙邊拍賣匹配機制為社區(qū)用戶進行電力匹配，有效減少了整體社區(qū)的高峰需求；文獻[57]提出了一種綜合能源交易機制，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，應充分考慮電價、交易量、傳輸損耗、能源類型和環(huán)保指標等多種因素，側重用戶具體需求進行匹配，有利于為用戶匹配相對最合適的電力交易。例如：文獻[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制，并在文獻[59]實現(xiàn)應用，實驗結果表明該機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制。

針對電力交易結算，現(xiàn)有研究主要采用以下兩種方式：依據交易計劃的同步結算[35,43,45,48-49,51]和依據實際數(shù)據的異步結算[60]。前者是先付款后用電，依據交易計劃中的購電量等信息利用智能合約進行自動結算；后者是先用電后付款，通過智能電表等設備獲取實際的電力供耗數(shù)據，并采用智能合約實現(xiàn)異步結算。前者在結算的同時也導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支的問題，較為適合分布式電力交易結算。

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，進而消除偏差量[49,51]，該偏差大多因計劃交易量不夠準確造成，不存在經濟處罰；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)據與區(qū)塊鏈中的計劃交易數(shù)據，得出偏差量，并依據獎懲機制，對違規(guī)者進行處罰[48,50]。

4.2 其他功能

智能合約技術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[11,43]、電力交易確權溯源等功能。計量監(jiān)管碳排放權功能在一定程度上限制了化石燃料的使用，有利于促進清潔能源的推廣；電力交易確權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]、結算記錄[51,58-59]以及碳排放權和綠證交易記錄[43]的確權和溯源，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)據的不可篡改和可溯源查詢，此外，也為電力結算提供了準確的參考數(shù)據，推動了自動化結算功能的實現(xiàn)。

現(xiàn)階段，應用于能源互聯(lián)網區(qū)塊鏈應用的框架主要基于Hyperledger Fabric[62]，多采用聯(lián)盟鏈的方式部署能源互聯(lián)網網絡，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)塊鏈技術具體細節(jié)過于瑣碎，在此不進行細節(jié)描述。未來，智能合約技術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)塊鏈中的安全機制

能源區(qū)塊鏈的一個重要的作用就是為能源互聯(lián)網提供安全保障，因此能源區(qū)塊鏈的安全機制也倍受關注。文獻[63-64]討論了區(qū)塊鏈所面臨的安全風險，并對當前存在的一些改進手段進行評價。這些研究更加側重于對區(qū)塊鏈本身進行分析和討論，然而能源互聯(lián)網面臨的問題更加復雜，包括身份認證與訪問控制、數(shù)據通信安全、隱私保護和行業(yè)規(guī)范等。

5.1 身份認證與訪問控制

身份認證可以保證系統(tǒng)內的交易、數(shù)據等更加公開透明，提升用戶和系統(tǒng)的可信度；而訪問控制是系統(tǒng)通過對用戶進行認證，從而控制用戶訪問系統(tǒng)內資源的手段，防止用戶非法使用系統(tǒng)資源。能源互聯(lián)網中用戶參與交易或其他業(yè)務一般是通過真實身份來進行，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，各自所擁有的權限是不同的，需要進行嚴格的控制。

能源互聯(lián)網中的用戶入網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限分別，系統(tǒng)難以進行訪問控制。

有研究通過單獨構造身份鏈的方式進行身份認證[65]，但該方案實際上是將受攻擊的風險轉移到了另一條鏈，而沒有縮減這種風險。

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

5.2 數(shù)據通信安全

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)據不被破譯，完整性表示發(fā)送與接收數(shù)據一致，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)塊鏈使用P2P通信協(xié)議在節(jié)點之間進行通信，節(jié)點與節(jié)點之間直接建立連接傳輸數(shù)據，節(jié)點廣播的信息也會通過泛洪機制傳播到整個網絡。P2P網絡往往缺少身份認證、數(shù)據驗證、網絡安全管理等機制，使攻擊者有機會發(fā)送非法內容對網絡進行攻擊[67]，如日蝕攻擊、女巫攻擊、DDoS攻擊等。文獻[26]提出將數(shù)據分發(fā)服務(data distribution service, DDS)作為區(qū)塊鏈的底層數(shù)據傳播技術，結合智能合約對數(shù)據進行校驗，防御虛假數(shù)據攻擊。DDS采用發(fā)布/訂閱體系架構，并提供服務質量策略，各個節(jié)點在邏輯上無主從關系，與區(qū)塊鏈的架構相類似，提高了通信數(shù)據的質量，但也沒能解決底層節(jié)點的驗證和授權問題。

Fabric基于自身嚴格的身份認證和訪問控制機制，使用安全傳輸層協(xié)議(transport layer security,TLS)進行節(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，包括身份確認和數(shù)據加密傳輸，避免了偽造節(jié)點和虛假數(shù)據的問題。當然，TLS的安全性也是由CA機構進行保證的。

總的來講，數(shù)據通信安全與系統(tǒng)內身份認證機制緊密相關，身份認證較強的聯(lián)盟鏈網絡中，通信安全更容易得到保障；而身份認證較弱的公鏈系統(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當一起考慮。

5.3 隱私保護

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

5.3.1數(shù)據隱私

區(qū)塊鏈中的數(shù)據是公開透明的，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獲取到有用信息。文獻[25,69]試圖通過動態(tài)隨機數(shù)、相鄰賬戶隱藏和賬戶映射算法等手段完善多重賬戶機制，以避免數(shù)據挖掘算法的攻擊。然而多重賬戶機制會給審計和監(jiān)管帶來不便，增加系統(tǒng)的不可控性。

通過多鏈結構來保護數(shù)據隱私也是一種常見的手段。多鏈結構是區(qū)塊鏈的一種獨特的結構，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。例如一個多鏈結構可以包括賬戶鏈和交易鏈[35]，分別存儲不同類型的數(shù)據，只有參與其中的賬戶有權查詢。文獻[65]將交易分為公有交易和私有交易，私有交易不進行全網共識，而是由一組可信任的監(jiān)管節(jié)點進行驗證和記錄，因此可以實現(xiàn)對部分隱私數(shù)據的保護。這在本質上還是一種包含了 “私有交易鏈”和“公有交易鏈”的多鏈。多鏈結構實質上是通過分割用戶群體來保護部分數(shù)據的隱私，但難以作用于所有用戶都參與的數(shù)據集。

此外，鑒于能源區(qū)塊鏈中大多數(shù)據將會頻繁參與計算，保護能源數(shù)據在計算過程中的隱私也將會是一項重要的課題。目前已經有研究提出將SGX[70-71]、安全多方計算[72-73]和同態(tài)加密[74]等技術與區(qū)塊鏈相結合，使得區(qū)塊鏈中的數(shù)據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)塊鏈提供改進思路。

5.3.2身份隱私

區(qū)塊鏈去中心化的網絡分布結構難以阻斷交易數(shù)據的傳播和外泄，隱私保護更加側重于保障用戶的匿名性，也就是身份隱私。

目前關于能源區(qū)塊鏈匿名性的研究比較稀缺。文獻[75]使用多重簽名結合匿名信息流實現(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，像結合群簽名[76]、環(huán)簽名[77]、零知識證明[78]等密碼學技術來保障區(qū)塊鏈匿名性的相關研究已有很多，下一步需要考慮結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，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)塊鏈的相關研究也都會基于這些開源項目進行實驗和試運行。能源區(qū)塊鏈要想在我國真正落地并發(fā)揮作用，還需要遵守相應的行業(yè)規(guī)范。

區(qū)塊鏈中包含了大量的密碼學算法，大多數(shù)開源項目使用的是主流密碼學算法，比如SHA256、secp256k1等。而我國密碼行業(yè)技術委員會頒布了一套密碼行業(yè)推薦標準，包括各類算法以及使用規(guī)范，這些國密算法經過專業(yè)的設計和證明，相較于主流算法而言具有更好的安全性和適用性。目前其他領域已經存在國密算法相關的區(qū)塊鏈設計[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。當前能源區(qū)塊鏈相關法律法規(guī)尚未健全[81]，導致國內外的能源區(qū)塊鏈項目普遍規(guī)模較小且應用場景過于理想，無法進行廣泛的應用[13]。文獻[65]和[39]都通過在系統(tǒng)中設置監(jiān)管節(jié)點的方式完成系統(tǒng)的監(jiān)管；文獻[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[35]在多鏈體系中設置了監(jiān)管區(qū)塊鏈，對用戶的誠信和違規(guī)行為進行記錄，達到以鏈治鏈的效果。對于監(jiān)管問題，一方面相關部門應該繼續(xù)嚴格相關法律法規(guī)，引導能源行業(yè)對區(qū)塊鏈技術進行正確的使用；另一方面研究者應當積極探索更多的技術監(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)塊鏈中的其他領域技術

在能源互聯(lián)網的相關研究中，許多其他領域的技術例如大數(shù)據、人工智能、經濟學與博弈論、5G技術等，被用于促進能源互聯(lián)網的進一步提升。這些其他領域的技術與區(qū)塊鏈技術相互促進、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域的技術與區(qū)塊鏈進行結合，以構建出更符合實際需求的能源區(qū)塊鏈體系。

6.1 大數(shù)據

大數(shù)據技術可以有效地提升能源互聯(lián)網的數(shù)據整合與分析能力，在能源互聯(lián)網領域具有廣泛的應用[16]，包括負荷預測、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)據技術都采用分布式存儲的方式，與能源區(qū)塊鏈的結構較為符合。區(qū)塊鏈能夠為大數(shù)據提供安全可靠的數(shù)據來源，也可以對大數(shù)據分析的結果進行認證[82]。此外，應用大數(shù)據技術可以為能源互聯(lián)網數(shù)據的處理提供更豐富的選擇，例如結合邊緣計算[83]可以為本地用戶提供高吞吐量、及時的數(shù)據處理服務等。

6.2 人工智能

人工智能算法如神經網絡、深度學習等為能源互聯(lián)網的設計、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提供安全的執(zhí)行平臺，以保護這些關鍵的能源數(shù)據。

文獻[84-86]探討了區(qū)塊鏈和人工智能技術在實現(xiàn)能源互聯(lián)網的自動化和現(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、負載和電壓變化等)的數(shù)據集，來實現(xiàn)傳輸路徑優(yōu)化、入侵檢測和交易數(shù)據識別等功能。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[44]利用改進的ACO算法來處理各能源市場主體競爭的多目標優(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與區(qū)塊鏈進行深度融合，例如利用深度學習等對能源區(qū)塊鏈底層結構進行分析，輔助能源互聯(lián)網中設施的調整和優(yōu)化，如分析各個節(jié)點的數(shù)據吞吐量，以實現(xiàn)節(jié)點之間的快速響應和分布式系統(tǒng)負載均衡[87-88]等。

6.3 經濟學與博弈論

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

文獻[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制卻無法起到促進用戶參與能源市場的作用。文獻[44]根據可再生能源利用率設計了新的激勵機制，即以可再生能源利用率高于平均值的程度來發(fā)放獎勵，甚至還設計了碳排放相關的懲罰機制，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。根據場景設定的不同，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[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，有利于推進博弈模型的進一步應用。文獻[44]分析了微電網運營商、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品所帶來的額外收益，這些也需要在設計博弈模型時加以考慮，進行定量分析。

6.4 5G技術

區(qū)塊鏈本身存在一定的效率和性能缺陷，而5G通信技術包含了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)塊鏈的應用模式。

5G能夠連接海量設備，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設施納入管理范圍，實現(xiàn)能源互聯(lián)網中更加精確、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制的效率，有利于能源區(qū)塊鏈選取可靠性更高的共識機制和數(shù)據傳輸手段。

5G支持網絡切片技術[92]，可以根據能源互聯(lián)網中不同業(yè)務的差異性選擇不同的網絡，比如超高可靠性超低時延、海量機器通信接入和增強帶寬等。

對于層次式的能源區(qū)塊鏈結構來說，5G技術能夠幫助區(qū)塊鏈系統(tǒng)更加快速、精準地從傳感設備收集數(shù)據，以實現(xiàn)對電網內物理設施的有效控制。憑借在物聯(lián)網通信中的巨大優(yōu)勢，5G技術將會促進電力系統(tǒng)更好地與物聯(lián)網融合，形成“5G+物聯(lián)網+區(qū)塊鏈”的能源區(qū)塊鏈一體化格局。

當然5G技術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)保的基礎上融合5G技術，是能源互聯(lián)網未來將要面對的問題。此外，區(qū)塊鏈模式在5G通信中的深度結合也是一個值得討論的話題，與當前5G技術提升區(qū)塊鏈性能和效率的結合方式不同，區(qū)塊鏈有助于在底層機制上實現(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)今關于能源區(qū)塊鏈的研究中，缺少對區(qū)塊鏈前沿技術的深入探究與應用；另一方面，多數(shù)能源區(qū)塊鏈方案停留在設計和原型階段，缺少有效的實踐反饋。基于現(xiàn)有的研究狀況和問題，未來能源區(qū)塊鏈設計的研究重心可能會集中在高性能、高安全、高可擴展和可監(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用產生的額外性能需求是當前制約能源區(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)塊鏈底層的設計機制出發(fā)，提升現(xiàn)有的性能水平。例如，共識機制可靠性與效率之間的矛盾尚未解決，需要設計出滿足能源區(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雜的人工智能算法或數(shù)據分析，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)據太多導致存儲效率低下，可以嘗試結合分布式存儲方案，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。

而針對區(qū)塊鏈具體應用時產生的額外需求，需要考慮具體應用的影響采取相應的措施。例如，應用密碼學技術保護系統(tǒng)安全和隱私的同時，也會降低系統(tǒng)業(yè)務的處理速度，需要設計信息冗余度更小、更加簡潔的安全和隱私保護機制；能源互聯(lián)網大規(guī)模物理設備接入和海量數(shù)據搜集，會涉及到硬件設施的性能瓶頸問題，需要廣泛應用5G、大數(shù)據等技術來有效地管理能源設備與數(shù)據。

7.2 高安全

針對現(xiàn)有的能源區(qū)塊鏈關于安全機制的研究，可以做到的提升有以下幾方面：進一步加強對用戶的身份認證和訪問控制，繼續(xù)探究去中心化的公鑰認證機制和權限控制機制，同時依靠有效的身份認證機制來提升節(jié)點間數(shù)據通信安全，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需求，防止因隱私泄露而造成安全問題，結合可信執(zhí)行環(huán)境SGX、安全多方計算和同態(tài)加密等技術保障數(shù)據的私密性，結合群簽名、環(huán)簽名和零知識證明等技術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標準，如在能源區(qū)塊鏈的構建中使用國密算法代替主流密碼學算法，以從基礎上獲取更可靠的安全保障。

7.3 高可擴展

良好的可擴展性對于能源區(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)網的發(fā)展，勢必會對能源區(qū)塊鏈的可擴展性提出更高的要求。

首先是對規(guī)?？蓴U展的要求，需要積極探索高可擴展的共識算法，發(fā)展區(qū)塊鏈分片、跨鏈、多鏈等技術，以保證更大規(guī)模區(qū)塊鏈網絡的事務處理能力，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)網業(yè)務和應用的擴展要求，一方面需要完善能源區(qū)塊鏈的平臺化建設，構建整個能源互聯(lián)網應用的社區(qū)和生態(tài)；另一方面可以考慮對智能合約引擎的擴展功能進行改進，支持更多種類的編程語言。

7.4 可監(jiān)管

能源是關系到國計民生的重要領域，能源區(qū)塊鏈在設計上必須做到嚴格監(jiān)管，能夠保證事前能預防、事中可止損、事后要追責。一方面要通過技術手段加強對能源互聯(lián)網內各主體的監(jiān)管，明確各個主體的權責問題，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；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行保護的同時，要為市場監(jiān)管留有余地，嚴格遵守相關的信息管理規(guī)定。

8 結 論

本文通過定位能源互聯(lián)網中電力交易區(qū)塊鏈中的關鍵技術，從共識機制、交易與智能合約設計、安全機制和其他領域技術等4個角度，詳細地綜述了現(xiàn)今電力交易區(qū)塊鏈在各項技術方面的研究進展，并結合發(fā)展現(xiàn)狀進行更加深入地討論與分析，指出目前各項技術領域存在的問題，以及未來可能的研究方向，以期為能源互聯(lián)網電力交易區(qū)塊鏈的進一步研究提供參考。

可以看出，區(qū)塊鏈對于能源互聯(lián)網的提升是全方位、多維度的，構成電力交易區(qū)塊鏈的多種關鍵技術能夠自底向上地發(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)落地應用，除了從技術理論方面展開更加深入的研究，還需要在行業(yè)中進行更加廣泛的實踐。