栏目简介

《未来望远镜》栏目是泰尔英福原创科普专辑，内容包括区块链、数字经济、工业互联网、芯片、web3等内容，自4月22日开始，小编将在每周五，与团队专家一起带领大家沉浸式感知科学技术的未来之光。

本期内容：《能源互联网电力交易区块链中的关键技术》

作者：艾崧溥，清华大学区块链博士，泰尔英福F-Labs研究员。先后在清华大学北京信息科学与技术国家研究中心从事研究，主要从事区块链、云计算、大数据等领域的研究与实践。

该论文被评为《电力建设》期刊“优秀论文”，此版本在原有基础上稍有改动。本期阐述能源互联网电力交易区块链中的其他领域技术和未来研究方向，敬请阅读。

全文约5000字，预计阅读时间7分钟。

系列摘要

随着清洁可再生能源产业的迅速发展，现有的能源架构难以满足能源产销的需要，一场能源行业的革新势在必行。能源互联网作为一个学术与工业界看好的下一代能源基础设施的发展方向，构建能源互联网是推进能源生产和消费革命，构建清洁低碳、安全高效能源体系的重要抓手。其开放、互联、对等、分享的基本特征为未来能源发展勾勒出一个丰富的愿景。然而，现有成熟的信息技术方案从设计思想到工程实施无法全面满足能源互联网的特征需求。

区块链作为一个正在快速发展的技术堆栈，具有分布式、平等、安全、可追溯等特性，与能源互联网的设计思想高度契合，有望成为能源互联网落地的关键技术。能源区块链是区块链与能源行业结合的产物，它可以为能源互联网的各个层面提供安全保障和价值支撑。本系列通过定位能源互联网中电力交易区块链中的关键技术，详细地综述了现今能源电力交易区块链在共识机制、交易与智能合约设计、安全机制和其他领域技术等方面的研究进展，并结合研究现状进行讨论与分析，探讨目前各项技术领域存在的问题，以及未来可能的研究方向，为能源区块链的进一步研究与落地提供参考。

引言

今年1月29日，国家发展改革委、国家能源局印发的《“十四五”现代能源体系规划》明确提出建设现代能源市场，进一步向社会资本放开售电和增量配电业务，创新有利于非化石能源发电消纳的交易机制。

4月26日，中央财经委员会召开第十一次会议，研究全面加强基础设施建设问题，研究党的十九大以来中央财经委员会会议决策部署落实情况。会议指出，要发展分布式智能电网，建设一批绿色低碳能源基地。

能源互联网中的电力交易全流程都需要安全隐私保护。本周我们探讨能源互联网电力交易区块链中的其他领域技术和未来研究方向。

其他领域技术

大数据

大数据技术可以有效地提升能源互联网的数据整合与分析能力，在能源互联网领域具有广泛的应用，包括负荷预测、分布式能源接入、系统安全和态势感知等方面。

主流的大数据技术都采用分布式存储的方式，与能源互联网电力交易区块链的结构较为符合。区块链能够为大数据提供安全可靠的数据来源，也可以对大数据分析的结果进行认证。此外，应用大数据技术可以为能源互联网数据的处理提供更丰富的选择，例如结合边缘计算可以为本地用户提供高吞吐量、及时的数据处理服务等。

人工智能

人工智能算法如神经网络、深度学习等为能源互联网的设计、模拟、优化和用户分类等提供了强大的工具，而区块链可以为人工智能技术提供安全的执行平台，以保护这些关键的能源数据。

已有研究探讨了区块链和人工智能技术在实现能源互联网的自动化和现代化的作用：人工智能支持的区块链可以更好地分析和处理包含数千个变量(频率、负载和电压变化等)的数据集，来实现传输路径优化、入侵检测和交易数据识别等功能。由于计算量过大不适合直接使用智能合约，这些方案大多采用“链上结合链下”的手段，人工智能分析系统与区块链系统往往各自独立运行。

群体智能算法则能够与智能合约更好地进行融合，例如蚁群优化(ant colony optimization，ACO)算法。ACO算法与区块链技术共同存在的去中心化特征，通过个体间的沟通协作可实现整体寻优。已有研究利用改进的ACO算法来处理各能源市场主体竞争的多目标优化问题，还将该优化算法与其他类型的优化算法进行比对，以证明该算法的全局搜索能力和收敛能力更强、求解效率更高。

此外，还可以考虑将人工智能技术与区块链进行深度融合，例如利用深度学习等对能源互联网电力交易区块链底层结构进行分析，辅助能源互联网中设施的调整和优化，如分析各个节点的数据吞吐量，以实现节点之间的快速响应和分布式系统负载均衡等。

经济博弈论

区块链本身蕴含着一定的经济学原理，例如激励机制和代币发行，而能源市场情况更加复杂和多样化，电网能够通过调整电价对用户施加影响，还能通过发放补贴、绿证等行为促进用户参与能源交易。

有的研究提到使用代币作为用户参与能源互联网电力交易区块链记账的奖励，而单一的挖矿激励机制却无法起到促进用户参与能源市场的作用。有的研究进一步根据可再生能源利用率设计了新的激励机制，即以可再生能源利用率高于平均值的程度来发放奖励，甚至还设计了碳排放相关的惩罚机制，对于用户多余的碳排放量给予惩罚。

能源市场常常会涉及到各方之间的博弈，区块链和智能合约能够帮助用户自动化地获取市场信息并执行最优策略，从而在能源交易中获益。根据场景设定的不同，许多研究采用合作博弈模型或非合作博弈模型来预测市场的形式和均衡问题。博弈模型首先要考虑的问题就是是否存在均衡状态，有的研究采用势博弈保证了纯策略均衡解的存在，不需要讨论均衡的存在性，有利于推进博弈模型的进一步应用。也有研究通过分析微电网运营商、大用户和分布式聚合商的市场需求，建立了市场竞争博弈模型，并验证了在三者获益区域内并不存在帕累托最优点，说明电力市场各方主体之间具有明显的竞争关系。

此外，用户制定市场策略时除了考虑参与交易所带来的收益最大化之外，还有可能考虑行为偏好、环保效益等，以及能源市场的附加产品所带来的额外收益，这些也需要在设计博弈模型时加以考虑，进行定量分析。

5G技术

目前，区块链技术堆栈仍存在一定的效率和性能短板，而5G通信技术包含的5个基本特征，即高速率、高容量、高可靠性、低时延与低能耗，能有效提升能源互联网电力交易区块链的综合效率，创新能源区块链的应用模式。

5G能够连接海量设备，每平方千米可以支撑100万个移动终端，使得能源互联网电力交易区块链可以将更多的基础设施纳入管理范围，实现能源互联网中更加精确、密集的信息互联。5G高速率、低时延的特性可以显著提升能源互联网电力交易区块链中交易广播和区块同步的效率，从而能够从根本上提升共识机制的效率，有利于区块链选取可靠性更高的共识机制和数据传输手段。

5G支持网络切片技术，可以根据能源互联网中不同业务的差异性选择不同的网络，比如超高可靠性超低时延、海量机器通信接入和增强带宽等。

对于层次式的能源互联网电力交易区块链结构来说，5G技术能够帮助区块链系统更加快速、精准地从传感设备收集数据，以实现对电网内物理设施的有效控制。凭借在物联网通信中的巨大优势，5G技术将会促进电力系统更好地与物联网融合，形成“5G+物联网+区块链”的能源互联网电力交易区块链一体化格局。

当然5G技术目前也存在一些不足，例如通信能效问题。5G时代的通信基站密度将会达到4G时代的10倍以上，大容量、高速率、低时延的代价将会是能效的降低。因此，如何能在更加节能环保的基础上融合5G技术，是能源互联网未来将要面对的问题。此外，区块链模式在5G通信中的深度结合也是一个值得讨论的话题，与当前5G技术提升区块链性能和效率的结合方式不同，区块链有助于在底层机制上实现点对点的安全高效通信。

未来研究方向

能源互联网电力交易区块链正处在一个飞速发展的阶段，然而目前存在诸多因素制约其发展。一方面，现今关于能源互联网电力交易区块链的研究中，需要对区块链前沿技术的深入探究与应用；另一方面，多数能源互联网电力交易区块链方案停留在设计和原型阶段，需要有效的实践反馈。基于现有的研究状况和问题，未来能源互联网电力交易区块链设计的研究重心可能会集中在高性能、高安全、高可扩展和可监管等几个方面。

能源互联网电力交易区块链想要真正落地，必须要解决性能问题，区块链自身性能瓶颈和在能源场景应用产生的额外性能需求是当前制约能源互联网电力交易区块链性能提升的主要因素。

高性能

针对区块链自身的性能瓶颈，需从区块链底层的设计机制出发，提升现有的性能水平。例如，共识机制可靠性与效率之间的矛盾尚未解决，需要设计出满足能源互联网电力交易区块链大规模节点场景，且具有良好容错性的高效共识算法；智能合约的效率难以支撑复杂的人工智能算法或数据分析，需要从合约底层的执行引擎入手提升计算效率；去中心化账本中的冗余数据太多导致存储效率低下，可以尝试结合分布式存储方案，如如星际文件系统(interplanetary file system，IPFS)等，更高效地存储海量数据。

而针对区块链具体应用时产生的额外需求，需要考虑具体应用的影响采取相应的措施。例如，应用密码学技术保护系统安全和隐私的同时，也会降低系统业务的处理速度，需要设计信息冗余度更小、更加简洁的安全和隐私保护机制；能源互联网大规模物理设备接入和海量数据搜集，会涉及到硬件设施的性能瓶颈问题，需要广泛应用5G、大数据等技术来有效地管理能源设备与数据。

高安全

针对现有的能源互联网电力交易区块链关于安全机制的研究，可以做到的提升有以下几方面：进一步加强对用户的身份认证和访问控制，继续探究去中心化的公钥认证机制和权限控制机制，同时依靠有效的身份认证机制来提升节点间数据通信安全，避免系统因验证和管理缺失而遭受攻击；充分考虑能源场景的隐私保护需求，防止因隐私泄露而造成安全问题，结合可信执行环境SGX、安全多方计算和同态加密等技术保障数据的私密性，结合群签名、环签名和零知识证明等技术保障分布式能源用户在交易中的匿名性；采用更加安全可控的密码学标准，如在能源互联网电力交易区块链的构建中使用国密算法代替主流密码学算法，以从基础上获取更可靠的安全保障。

高可扩展

良好的可扩展性对于能源互联网电力交易区块链的可用性、易用性等方面具有重要影响。随着未来能源互联网的发展，势必会对能源互联网电力交易区块链的可扩展性提出更高的要求。

首先是对规模可扩展的要求，需要积极探索高可扩展的共识算法，发展区块链分片、跨链、多链等技术，以保证更大规模区块链网络的事务处理能力，满足更广泛的能源信息互联需求。

此外还有对于能源互联网业务和应用的扩展要求，一方面需要完善能源互联网电力交易区块链的平台化建设，构建整个能源互联网应用的社区和生态；另一方面可以考虑对智能合约引擎的扩展功能进行改进，支持更多种类的编程语言。

可监管

能源是关系到国计民生的重要领域，能源互联网电力交易区块链在设计上必须做到严格监管，能够保证事前能预防、事中可止损、事后要追责。一方面要通过技术手段加强对能源互联网内各主体的监管，明确各个主体的权责问题，积极探索节点追踪、穿透式监管、主动探测和以链治链等监管技术；另一方面要加强对能源市场的审计和监管，尤其是在对用户的隐私进行保护的同时，要为市场监管留有余地，严格遵守相关的信息管理规定。

结论

本系列通过定位能源互联网中电力交易区块链中的关键技术，从共识机制、交易与智能合约设计、安全机制和其他领域技术等4个角度，详细地综述了现今电力交易区块链在各项技术方面的研究进展，并结合发展现状进行更加深入地讨论与分析，指出目前各项技术领域存在的问题，以及未来可能的研究方向，以期为能源互联网电力交易区块链的进一步研究提供参考。

可以看出，区块链对于能源互联网的提升是全方位、多维度的，构成电力交易区块链的多种关键技术能够自底向上地发挥其作用，有望从根本上解决目前电力交易面临的种种挑战。不过，目前能源互联网电力交易区块链仍然有很长一段路要走，要想真正地实现落地应用，除了从技术理论方面展开更加深入的研究，还需要在行业中进行更加广泛的实践。

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结语

以上为本期全部内容，从下期开始将开启区块链助力数字人民币国际化的科普，敬请期待。