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听说能源区块链要来了,是机遇还是炒作?

作者:梁惠施 来源:能源互联网研究 发布时间:2019-11-04 浏览:

2019年10月25日,习近平总书记强调了区块链技术在新的技术革新和产业变革中的重要性,提出要推动区块链在信息基础设施、智慧交通、能源电力等领域的应用, “区块链”这一概念随之广受关注,它在能源领域的应用也备受期待。能源区块链到底是个什么东西?是新的发展机遇还是空中楼阁?本文尝试对能源区块链的技术概念,以及它在分布式能源交易领域的应用潜力和存在问题做一个探讨。

01、能源区块链是个什么东西?

简单地说,能源区块链是利用去中心化的分布式账本来实现电能交易(特别是分布式能源交易)的一种技术。什么意思呢?我们举个售电市场的例子来说明,假设A家的屋顶有一块太阳能电池板,某天10:00-11:00时段A卖了50kWh电给用户B。这个交易过程有两个关键的环节:

(1) 订立交易合同

假设A预测明天10:00-11:00他家的太阳能电池板能发50kWh余电,于是A在市场上找到买家B,双方约定A在明天10:00-11:00以0.5元/kWh的价格把50kWh电卖给B,并同时约定相关的违约条款。这个约定就是一个交易合同。为什么需要合同呢?因为电能的生产和消费是瞬时完成的,而买卖双方询价、议价、达成交易协议的过程则需要时间,所以电能交易并不是“即时成交,货款两清”的,而是交易协议必须在能量的实际交割之前达成。

(2) 交易结算

到了10:00-11:00,发生实际的电能生产和消费,智能电表会测量A实际发了多少电,B实际用了多少电,数据上传到系统被记录下来。交易系统根据实际成交的电量和合同中相关的条款来确定B最终应付给A多少钱,记录这条交易信息,并使A和B的账户发生相应的入账出账,至此交易完成。

可以看到,要使得交易顺利进行,有两点必须要得到保证:

1)交易必须被真实地记录下来,不能被篡改,因为如果任何一个环节被篡改,都会给交易方带来损失或者有人非法获利;

2)必须保证交易结算按照合同执行。

为了保证这两点,现在普遍采用中心化集中式的交易方式,也就是说找一个具有公信力的第三方来保证记账的真实性(不能造假)以及合同的执行(不能赖账)。对于电力交易来说,这个第三方目前主要就是各级电力交易中心。

中心化集中式的交易方式有什么问题呢?我们经常会看到的说法是中心化交易不够安全、不够透明、交易费用高等等。其实对于分布式能源来说,最大的问题是难以找到第三方。一方面,分布式能源容量太小,不能进入省市级的电力交易中心。另一方面,分布式能源的交易范围往往限于局部地区,所以非常适合建立小的局部的电力市场,例如一个社区内部的本地电力市场,这样我家多余的太阳能发电能卖给隔壁老王。但是由于分布式电源容量小,本身利益空间就不大,所以很难找到第三方的生存空间。没有第三方,那交易就很难进行,因为我不知道老王会不会用了我的电之后不给我钱。这就是分布式能源交易目前面临的尴尬局面:你想找个大的第三方,人家看不上你;想找个小的第三方,因为利润太小,又没有人愿意干。

这时,基于区块链的去中心化交易模式提供了一种可能的解决方案。在区块链的方案里,我们刚才说到的交易过程所需要保证的两个要点是这样解决的:

1)通过公开的分布式账本来保证交易记录的真实性和透明性。

在区块链的技术架构里,合同和交易记录并不存储在第三方那里,而是以区块链(blockchain)的形式存储在网络中的每一个节点上。当A和B发生交易时,合同与交易记录会向全网广播,接着找一个节点来记账,将账本的这一页信息打包成一个区块(block)发给全网,全网验证无误后,所有节点把这个区块加到本地存储的区块链后面(也就是每个节点都把合同和交易记录记入本地的数据库)。

由于全网有多个节点参与记账,因而交易记录很难造假。同时区块链采用一种叫Merkle Root的数据处理算法,保证任何一个节点上某条交易记录被改动时,该节点上的整条区块链都会失效,因而要篡改信息也就变得相对困难。由于账本是公开的,每个人都可以查看交易记录,因而具有更高的透明度。


区块链的数据存储形式

(注意:不是节点之间以链状连接,而是数据以链状结构存储在每个节点上)

2)交易合同和交易结算通过智能合约(Smart Contract)来自动化执行。

所谓智能合约,就是一种用计算机语言取代法律语言去记录条款的合约。传统的合同是拿白纸黑字写下来,那智能合约就是传统合约的数字化版本,所谓“智能”是指这个合约能自动执行。当A和B之间达成某种交易协议之后,协议会被自动编码成电子合约,上传到区块链网络上被记录下来,不可篡改。当能量生产和消费完成之后,实际测量到的发电和用电数据会上传到系统,触发合约自动执行。

由于区块链具有安全透明、不可篡改、合约自动执行能等特征,使得交易双方无需相互信任就可以完成交易。这样一来,交易不依赖第三方中介就可以进行了。潜在的好处是降低合约执行和监管的成本,特别是对于像分布式能源这样相对低价值的交易来说,能大大地降低交易成本。

02、为什么要促进分布式能源的点对点交易?

我们在上文提到,区块链能解决分布式能源交易中的第三方问题。那我们顺着这个问题往源头问,为什么要促进分布式能源的点对点自由交易?

答案是:要解决分布式能源的定价问题,而这是当前阻碍分布式能源发展的一个很大的痛点。

目前的各级电力市场(我们这里称之为批发市场,wholesale market),小容量的发电商(distributed generator, DG)和小用户是不能进入的,于是就有了售电商。售电商从批发电力市场和所管辖区域内的DG那里买电,然后卖电给用户。售电商在批发电力市场上交易的价格是实时变动的,而从DG那里买电的价格则是固定的(feed-in tariff)。

这种固定价格机制有什么问题呢?

首先,对于DG来说,这往往是很亏的。因为不能进入批发市场,批发电价高的时候的额外利润,DG就挣不到,这部分利润被售电商赚走了。在利润空间被挤压的情况下,分布式能源的发展动力自然被削弱。从国家能源发展战略的角度来看,这显然是国家不愿看到的。

第二,从电力系统运行的角度来看,实时电价实质上是系统供需关系的一种反映,它能反过来调整供需,进而促进整个系统资源的优化配置。而售电侧的固定电价,却使得分布式能源不能通过动态价格信号参与全系统的资源配置。

那如何让售电侧的价格反映真实的供需关系呢?

一个可能的解决方案是,在配电网的局部区域内(比如说一个社区)建立一个本地的能源交易平台,用户、DG和售电商在上面自由竞价。

下面讨论两种情况:

(1)DG总出力小于本地负荷(本地电力供不应求):DG的售电价格会上探接近于,没能从DG那里买到电的用户从售电商那里以的价格买电。

(2)DG总出力大于本地负荷(本地电力供大于求):DG的售电价格会下探接近于,DG所发的多余电力以的价格卖给售电公司。

当然,这是个最简化的模型,没有考虑电网的过网费,此外实际的价格机制设计还需要考虑系统的物理约束和其他政策因素。但可以看到,通过分布式环境下的点对点自由交易,批发市场的价格自然地传递到了本地市场,于是分布式能源参与了全系统的资源配置。

03、基于区块链的分布式能源交易系统

前面说到,区块链解决了分布式能源交易“找不到第三方”的问题,但一个实际可运行起来的分布式能源交易系统,除了基于区块链的底层交易平台之外,还需要另外两个组成部分:交易信息平台和智能控制终端。

◆ 交易信息平台

刚才说到分布式能源的定价要通过本地市场内的自由竞价来实现,这就需要一个可供交易者进行报价、比价的平台。有时候我们会看到一些文章说“基于区块链的能源定价机制”,这个说法是不太准确的,因为竞价过程并不是在区块链上实现的。从纯技术的角度来看,一个传统的中心化交易所也能实现点对点交易进而实现能源的动态定价,只不过在分布式能源交易这个场景下中心化交易成本太高,难以实现而已。区块链技术在分布式能源交易中的作用,就是以更低的成本提供一个去信任化的场外交易所,和定价机制并没有直接的关系。区块链本质上是一个分布式的记账系统,用以保证交易合同和交易结算的真实记录和执行。而报价议价的过程是不需要被记入账本的,只要保证合同被真实记录就可以,因为只有合同才是最终具有法律效力的决议。

那有的人会说,用区块链来广播报价不可以吗?

不是不可以,而是没有必要。区块链的功能不是广播,而是解决信任问题。每个节点上都存储着一个账本,随着时间的推移,这个账本会越来越大;每次发布交易信息,都需要全网节点核对一次。从存储资源和算力资源优化利用的角度来看,不是必须核对与记录在案的信息就没必要在区块链上存储。

所以更合理的做法应该是:信息上云,交易上链。基于云的交易信息平台为交易者提供信息发布场所,而区块链负责交易信息的核对与记录以及合同的订立与履行。

◆智能控制终端

在分布式能源交易里,还有个重要的实际问题要解决:小型DG和用户是没有那么多精力和时间去参与实时电力交易的,毕竟容量小,能挣/省的钱非常有限,有这时间精力不如去干点别的,那谁来替他们做出报价和交易决策呢?这就需要在每个DG和用户上安装一个智能终端设备来帮他们自动完成这件事。这个智能终端应能对未来的DG出力、负荷和市场价格作出预测,据此做出使得自身利益最大化的报价和交易决策。再更进一步,如果考虑负荷侧的需求响应和DG侧的储能设备,这个智能控制终端还可以负责完成对终端设备的实时控制,例如DG通过调整储能(价高多卖电,价低少卖电)、用户通过调整自身负荷(价高少用电,价低多用电)来实现更大的利益。

小结一下,一个完整的分布式能源交易过程由以下五个环节组成:

(1) 交易者对资源进行报价;

(2) 交易者做出交易决策;

(3) 签订合同;

(4) 交易者对自己的设备进行实时控制;

(5) 交易结算。

(1)在基于云的交易信息平台上进行;交易者报价、(2)做出交易决策以及(4)实时设备控制由智能终端设备负责完成;(3)和(5)在区块链上完成。

04、需要研究的问题

目前能源区块链无论在技术还是政策层面都处于非常不成熟的阶段,它从概念到落地还需要一段很长的路。以下是一些还需要研究的问题:

(1)共识机制与效率问题

区块链的原型比特币网络采用的是公有链,即任何人都能来争取记账。为了确定谁能获得记账权,比特币采用工作量证明机制(Proof of Work, PoW),即让大家都来做题,谁算得最快就由谁来记账。好处是安全性非常高,目前已经证明在PoW机制下,要超过全网51%的算力才能实现篡改记录;但缺点也很明显,就是非常浪费算力资源,我们看比特币矿池对电能的巨大消耗就知道了。所以区块链要在能源领域落地,需要对共识机制进行重新设计,例如采用联盟链的形式。联盟链就是预先选定某些可信节点为候选记账人,由预选节点根据某个共识机制(可以不采用工作量证明)共同决定谁来记账,其他节点无权记账,但可以参与交易和查账。这实质上是在效率和去中心化程度之间做了折中,此外安全性也会打折扣。如何设计兼顾效率和信任度、安全性的共识机制,是能源区块链落地需要研究的一个重要问题。

(2)数据衔接过程中的信任问题

区块链是个很封闭的系统,它的信任只能对区块链网络内的数据保证,而从物理数据(电表数据)到区块链、从区块链到账户数据(银行扣款)这些过程,并不能保证不存在欺诈。数据衔接过程中的信任问题,还需要进一步研究。

(3)市场与政策机制

能源区块链的落地是一个系统工程,除了技术方面的完善,还需要配套相关的市场与政策机制。分布式能源交易市场的设计、能源交易系统的检测与牌照发放等相关的政策机制,也是决定区块链与能源的结合能否实现需要研究的重要问题。

总结

区块链作为一种分布式记账技术,可以解决数字交易中的共识信任问题,有望成为实现分布式能源大规模点对点交易的支撑技术,进而解决分布式能源的动态定价问题,促进新能源的发展和系统的资源优化配置。

在分布式能源交易系统中,基于云的交易信息平台为交易者提供信息发布场所,基于区块链的底层交易平台负责交易信息的记录与合同的履行,智能控制终端实现对终端设备的自动控制。

能源区块链的落地,需要在技术层面对区块链的共识机制、数据衔接等问题,以及在市场与政策机制方面加强研究。

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关键字:能源区块链

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