实例 | 能源区块链、物联网技术在智能电网中的趋势及前沿应用

近年来，移动互联网、大数据、云计算、物联网等数字信息技术得到迅猛发展，全球经济社会正在形成新的发展图景，世界各国和企业纷纷开启数字化转型之路。当前互联网数字化技术浪潮下，数字经济作为新生业态正在深刻改变着人们的生产和生活方式，成为经济社会发展的新动力。华为发布的《2018全球联接指数（GCI）报告》预测，到2025年，全球数字经济规模将达23万亿美元，这相比2017年12.9万亿美元的规模，增长接近一倍。

（来源：微信公众号“能源研究俱乐部”ID:nyqbyj 作者：邱丽静）

数字化技术日益融入能源产业，重大创新不断涌现。国际范围看，能源数字化已初显光芒，将重塑能源发展业态。能源数字化是数字经济的重要组成部分，也是趋势，国际能源企业和互联网科技企业密切合作，提前布局。本文围绕区块链、大数据与人工智能、物联网等技术方向，选取了30余个国外典型能源企业的相关技术应用案例，以反映近几年国际上数字化技术在能源生产、输送、交易、消费及监管等环节的应用进展和方向，为国内能源数字化发展提供借鉴。

一、区块链技术应用

随着比特币的出现，区块链（blockchain）技术开始被人们知晓。区块链技术作为一种新的数据库技术，可增加能源互联网中多利益主体的相互信任，其去中心化、公开、透明等特性与能源互联网的理念相符，并且在能源领域获得了越来越多的关注。区块链在能源领域的应用，目前主要集中在分布式能源系统、能源交易平台建设、电动汽车充电、碳追踪、智能设备连接和能源生产来源证书等方面。

从全球角度来看，目前世界上较为成型的能源区块链项目主要集中在欧美国家和澳大利亚。大观点研究公司（Grand View research）预计，到2024年，全球区块链科技市场规模预计将达到75.9亿美元。根据行业调研机构GTM Research最新发布的《2018能源领域区块链发展》报告，能源已经成为区块链技术应用最为广泛的领域之一。报告显示，在其统计调查范围内，已经有122家区块链初创公司活跃在能源领域，其中有54家公司是2017年成立的。GTM Research的统计显示，仅2017年一年，就有超过9亿美元的风险投资进入能源行业的区块链应用领域。而截至目前，全球范围内仅在电力行业内就有超过70个区块链相关示范项目正在部署或是规划之中。

（一）促进分布式能源直接交易

分布式被视为区块链技术在能源中最具前景的应用方向。现有的集中式多级管理能源系统不仅复杂，而且消耗资金。而区块链技术可以将能源生产商和能源消费者（首先是电力生产商和电力消费者）直接联系起来，从而简化各方的相互关系和相互影响。预计在这种新型的能源系统中，小型分布式电源（通常是指可再生能源的分布式电源）生产的电力将直接通过微电网供应给终端电力用户。利用区块链技术，发电量和用电量将通过智能电表计量，交易业务和支付业务将通过智能合同的控制以数字货币的形式实现。如此一来，电力公司或代理商将无需参与其中。能源大宗商品交易和分布式能源电力交易（P2P交易）是目前区块链在能源行业的主要应用场景，尤其是对于分布式光伏发电，由于其电压等级较低无法远距离传输，通过区块链可以实现用户和发电者之间的点对点交易。

案例1：LO3 Energy搭建居民P2P电力交易微网

2016年4月美国能源公司LO3 Energy与西门子数字电网以及比特币开发公司Consensus Systems合作，建立了布鲁克林微电网——基于区块链系统的可交互电网平台TransActive Grid。该项目是全球第一个基于区块链技术的能源市场。这个微网项目实现了社区间居民的点对点电力交易，允许用户通过智能电表实时获得发电、用电量等相关数据，并通过区块链向他人购买或销售电力能源。用户可以不需要通过公共的电力公司或中央电网就能完成电力能源交易。用户通过手机APP在自家智能电表区块链节点上发布相应智能合约，基于合约规则，通过西门子提供的电网设备控制相应的链路连接，实现能源交易和能源供给。为了提高整个系统的效率，该平台不仅要对生成的和存储的能量进行管理，而且还要处理消费者的灵活性选择。

案例2：Power Ledger构建太阳能发电余电上网交易系统

Power Ledger成立于澳大利亚的珀斯，由澳大利亚的区块链软件公司Ledger Assets创立。Power Ledger使用基于区块链的软件构建一个P2P的太阳能发电余电上网交易系统。不同于比特币采用的POw（工作量证明）机制，Power Ledger采用的是POS（权益证明）机制，区块链由Ledger Assets公司开发，名为Ecochain。该区块链技术的应用使得在电能产生时系统就能确定电能的所有者，然后通过一系列交易协议完成电能所有者和消费者之间的交易，住户可以直接将余电卖给其他住户，出售价格也高于直接出售给电力公司的价格，电能的生产者获得了更大的收益，电能的消费者也获得了更低的用电成本。

Power Ledger计划通过P2P电力交易业务模式及其软件获得营业收入。Power Ledger于2017年上半年在珀斯市区推出覆盖80个家庭的正式版交易系统，这是历史上首个投入使用的P2P电力交易系统。Power Ledger目前已经进行了三次电力交易实验，但总体上还处于示范阶段，交易系统的稳定性尚未得到认证。同时，未来大规模推广时可能遇到的技术问题将成倍出现，Power Ledger的技术团队将面临极大的挑战。

（二）优化能源大宗商品交易流程

能源产品交易可以作为信息打包成为区块，区块内的电力、油气交易基于共同市场机制完成。数字化贯穿整个能源价值链，越来越多大型能源公司和大宗商品交易商纷纷进军区块链领域。以石油交易为例，石油交易长期以来主要通过生产商、供应商、承包商、分包商、炼油商和零售商进行，追踪原油的实时转移基本无法实现。引入区块链技术不仅能够帮助企业实现前所未有的效率，同时降低交易成本和风险。

案例1：VAKT能源贸易

2017年，BP、壳牌和挪威国家石油公司（Equinor）等大型石油公司已与大型银行和贸易公司联合推出了一个基于区块链的能源大宗商品交易平台VAKT。该平台打破了油气公司和大宗商品交易商长久以来的“纸质”交易模式，进而转向更透明、更便捷、更便宜的“电子”模式。美国第二大石油公司雪佛龙、法国石油巨头道达尔以及印度信实工业集团也宣布加入VAKT。这是VAKT自2018年11月底投入使用以来迎来的首批客户，也是引入的新一批战略投资股东。VAKT顺利投入使用后，创始股东公司随即利用该平台进行了北海原油交易。

据了解，VAKT通过有效利用区块链技术优势，能够简化传统对账业务流程，消除纸质文件，继而提高整个贸易生命周期效率，并创造更多全新的贸易融资机会。VAKT的目标是在2019年将业务扩展到美国原油管道和欧洲西北部的成品油驳船，旨在逐步实现支持所有实际交易能源市场的目标。

案例2：BP、壳牌等石油巨头开发油气交易平台

2017年11月，BP、壳牌和挪威国家石油公司宣布，将联合开发一个基于区块链的实时能源交易平台，并称之为是石油和天然气市场中的“第一个企业级”区块链解决方案。目前该平台已经启动，旨在帮助贸易公司用智能合约取代纸质文件，通过自动化流程帮助企业降低成本，减少错误并提高交易后流程的效率。

2018年9月，壳牌、BP、挪威国家石油公司和银行业巨头花旗银行推出新的区块链平台komgo SA，以促进石油和天然气交易。该平台以区块链技术为基础，开发者预计交易操作能够在数分钟内得到执行。同时，该平台还能提高商品交易的透明度，降低诈骗的风险。原油及其他商品供应链的众多参与者无需互相发送大量文件以确认每一个交易步骤。相反，交易者能够使用数字信用证，从而更快地完成交易的执行。komgo SA首个操作是北海的原油运输。2019年初，通过平台的交易将会拓展至新领域，金属和农业产品供应合同将得到落实。此后，平台的适用范围将不断扩大。

（三）便利电动汽车充电与共享

在绿色、低碳、节能交通的背景下，越来越多的购车消费者选择电动汽车。但目前在电动汽车的即时充电应用场景中，面临着多家充电公司支付协议复杂、支付方式不统一、充电桩相对稀缺、充电费用计量不精准等问题。区块链在解决这些问题上提供了技术方案。将其用于充电站运营平台，有利于改善电动汽车充电的不便之处，对充电基础设施进行有效管理，强化安保系统，促进共享电池和共享能量的共同作用。

案例1：德国Innogy共享充电桩

德国能源巨头Innogy和物联网平台企业Slock.it合作推出基于区块链的电动汽车点对点充电项目。用户无需与电力公司签订任何供电合同，只需在智能手机上安装Share&Charge APP，并完成用户验证，即可在Innogy广布欧洲的充电桩上进行充电，电价由后台程序自动根据当时与当地的电网负荷情况实时确定。由于采用了区块链技术，整个充电和电价优化过程是完全可追溯和可查询的，因此极大地降低了信任成本。需要充电时，从APP中找到附近可用的充电站，按照智能合约中的价格付款给充电站主人。不过，这种收费方式目前还没有得到普及，即使在德国，以太坊钱包只是一部分人的选择。

案例2：JuiceNet软件平台P2P充电模式

eMotorWerks发布了双向JuiceNet软件平台。JuiceNet是一个由市场主导的物联网平台，该平台组织了电动汽车充电站的分布式网络，结合了共享和充电两大特点，允许充电站用户在其他电动车司机使用时收取费用。该合作伙伴关系标志着在北美地区启用第一个基于区块链技术的P2P充电网络。通过合作，使用者可以在地图上查看可用充电桩的地点，还可以进行评论打分。调查显示，在美国有大约一半的电动汽车车主都会在家里安装家用充电器，而这就可以带来额外30万套充电设备（目前美国的电动汽车保有量为70万辆）。eMotorWerks创始人Val Miftakhov指出，家庭安装充电设备要比公共场所成本低很多。家用充电设备安装成本在600～1000美元之间，如果想要在公共场所安装，最少也需要1万美元。

案例3：电动汽车创造区块链电子钱包

2016年，瑞士银行、德国电力公司莱茵集团（RWE）与汽车技术公司采埃孚（ZF）合作，为电动汽车创造区块链电子钱包，令车主可以在电力收费、停车收费、甚至高速公路收费时都能自动完成身份验证和支付过程。应用区块链电子钱包可以使用户身份信息得到认证。当车主不需用车时，将其租出，通过电子形式就车的使用达成协议，再将协议编码成智能条约，用车完成后，自动向用车人收取费用，完成对车主的支付。无人驾驶电动汽车共享服务的车主和用户间的结算、交易信息将同时更新，这将最大程度地降低从租车到付费的交易成本，而这一切操作都没有第三方参与。

（四）促进智能设备连接和智能化调控

通过区块链技术，可以实现智能化调控，智能设备与互联网信息可以由区块链连接在一起。当前，部分地区现有电力设施存在安全隐患和电能浪费，尤其一些偏远地区停电是常事。利用区块链智能合约搭建新的电网成为可行的解决方案，目前一些初创企业正在尝试和应用这一技术，如美国LO3公司开发的基于微电网、邻居间在区块链上的电能交易系统。此外，区块链技术还能够使公司建立一个生产者的等级制度并使能源分配过程自动化，如追踪可再生能源，该技术通过消除中间商帮助行业提高透明度，降低运营成本。

案例1：Filament“龙头”试验

美国公司Filament在澳洲实施区块链技术和电力网状网络的结合，用点对点物联网来保证电力安全，同时充分利用了现有网状网络闲置的容量。美国公司Filament在澳大利亚偏远地区的电线杆上进行所谓的“龙头”（taps）试验，这些“龙头”可以在10英里之内直接通讯，因为电线杆的间距一般大约是200英尺，故障电线杆上的动作探测器会通知200英尺外的电线杆。假设这个探测器存在故障，会按顺序通知10英里内的其他电线杆，然后通过120英里内最近的回程网络与公司通讯。客户可以将手机、平板或计算机直接连接到设备，这个“龙头”包含了很多传感器——温度、湿度、光和声音，客户可以用这些传感器长期监测和分析电网状况。他们可以获取相关数据信息，并通过授权将数据通过区块链传输给其他用户——政府、广播员、电线杆制造商、环保部门。

案例2：韩国电力改善能源基础设施

2018年11月，韩国最大的电力公用事业公司韩国电力公司（KEPCO）宣布，他们正在利用区块链技术开发名为“未来微电网”的微电网项目。公司新的“KEPCO Open MG”框架将创建一个“开放能源社区”，通过现有微电网技术的元素与区块链相结合来改善能源基础设施，特别是当地的氢能经济。该公司早期微电网主要包括小型光伏、风力涡轮机和储能系统，在提供稳定电力方面面临障碍。而KEPCO的开放式微电网将利用“额外的燃料电池”作为电源，以提高能源的自立性和效率，并且不会排放温室气体。

案例3：Iberdrola利用区块链跟踪可再生能源

西班牙可再生能源巨头伊维尔德罗拉（Iberdrola）正在利用区块链技术追踪可再生能源，第一次试验项目是与Kutxa银行合作完成的，测试很成功。在试点期间，Iberdrola的技术平台监控了可再生能源从两个风电厂和一家发电厂输送到位于巴斯克地区和南部城市科尔多瓦的银行办公室的过程。该公司使用了能源网络基金会的一个开源区块链平台，旨在在试点项目中满足能源部门的监管、运营和市场需求。Iberdrola认为区块链将对能源产地证书的签发流程作出贡献，该证书能够使客户了解所使用能源的来源。这一去中心化的解决方案无需中间商，可以帮助能源产业增加透明度，同时削减运营开支。上面提到的试点可以改进石化产品的认证过程，提高产品的安全认证质量，此举每年可节省高达40万欧元的成本。

（五）支持气候行动 改进碳排放交易

对于气候行动，通过区块链能够改进碳排放权交易、促进清洁能源交易，如跟踪和报告减少温室气体排放和避免重复计算、开发点对点的可再生能源交易平台等。在全球气候金融创新领域，消费者可以用代表一定数量的能源生产的代币或可交易的数字资产相互购买、销售或交换可再生能源。区块链技术还可以加强气候融资流动，如帮助发展众筹和P2P金融交易，以支持气候行动，同时确保融资以透明的方式分配给项目。

●案例：Poseidon 消费者利用区块链支持气候行动

波塞冬基金会（Poseidon Foundation）在伦敦推出全球首个零售平台，能够让消费者改变自身的碳足迹。Poseidon的平台使用区块链技术，将碳市场整合到销售点交易中，让零售商及其客户在买卖日用品的同时，有机会为全球森林保护项目提供支持，继而为针对气候变化的行动提供支持。该零售平台于2018年5月1日推出，已在美国冰淇淋巨头BEN&JERRY'S位于伦敦沃德街的新设的冰淇淋店开展试运行，试点非常成功，到目前为止已经保护了4000多棵树。Poseidon的Stellar区块链网络将碳积分分解为微交易，微交易可以附加到BEN&JERRY'S在伦敦Soho商店的每一勺冰淇淋里，BEN&JERRY'S和客户因而可以在销售点了解每次购买的碳排放量，而且可以提供实时弥补碳排放量影响的机会。另外，Poseidon还与利物浦市议会有合作，参与建设基于区块链的碳信用体系（Cardbon Creidts System），目的是要在2020年时弥补该城市110%的碳排放量。

二、大数据与人工智能技术应用

近几年，人工智能AI技术应用于生产、生活的各个场景，人工智能+家居、人工智能+医疗、人工智能+教育等随处可见。而智能化离不开大数据的支撑，在“大数据时代”，数据将成为最有价值的资源。能源行业未来的发展主要在于优化和预测，人工智能在能源领域可以进行需求管理，通过对大量消费数据进行学习，了解消费者的习惯、价值观、动机和个性，预测消费行为，制定更有效的策略。对于能源企业来说，人工智能基于海量大数据分析可以为行业提供有价值的技术、经验和指导信息，大幅度提高能源效率和降低成本，从根本上提升行业竞争力。

（一）石油勘探开发领域

人工智能是传统能源行业的重要技术领域，石油勘探开发自然也受到了这一波新技术革命浪潮的影响。通过使用由人工智能支持的传感器以及物联网实时处理收集数据和系统控制，可以降低现场作业的运营成本。一旦人工智能在石油领域应用成熟，将解禁地球上大量在过去无法开采的油气田。一些开采成本较高的油气田，也有望因此实现开采成本的大幅下降。

国际石油巨头们早已进军人工智能领域。例如，法国石油巨头道达尔公司与科技巨头谷歌和微软洽谈，开发能源领域的定制人工智能，探索复杂的算法如何应用于石油和天然气领域。BP利用人工智能技术寻找新能源，已经购买了为太空探索开发的人工智能技术来寻找更多的资源。美国最大的独立石油生产商Pioneer Natural Resources利用人工智能提高钻探油井的成功率。意大利石油和天然气公司埃尼（Eni）通过运营新的超级计算机来提高地震成像和地质建模的准确性。

（二）智能电网领域

电网的能量来源通常有很多，除了传统的发电以外，还有来自风能、太阳能等可再生能源的能量供应，这使得运营电网系统的过程变得更加复杂。借助人工智能技术实现智能电网的升级版，使电网具有更高级、更深层的人工智能，通过对大规模数据集进行分析，促使这个多源收集的过程更加稳定和高效。未来，人工智能将成为智能电网的大脑，通过接入数以百万计的传感器数据，可对电力进行实时分配、分析和决策，使能源分配与使用效率实现最大化。

案例1：西门子“主动网络管理”

智能电网能够在同一时间更好地管理不同类型的能源。西门子公司发布了一个软件包来操作网络，即所谓的“主动网络管理”（ANM，active network management）。ANM的原理是通过跟踪电网如何与不同能量负载相互作用，来调整其可调节的部件，从而达到提高效率的目的。虽然这之前是手动调整的，但当新的能源生产者（比如太阳能发电厂）开始工作时，或者新的能源消耗者开始接入网格时，ANM会对电网做出相应调整。因此，ANM也为电动汽车利用智能电网进行充电奠定了基础。

案例2：英国电力系统的预测模型

2017年3月，被谷歌收购的人工智能公司DeepMind与英国国家电网联合宣布，他们计划将DeepMind的人工智能技术添加到英国的电力系统中。该项目将处理天气预报、互联网搜索等海量信息，以开发需求激增的预测模型。

案例3：Grid Edge电力管理软件服务

英国Grid Edge公司提供基于云计算的电力管理软件服务。该公司利用人工智能技术对能源配置进行预测和优化，将控制权交还给电力使用者。具体的方法是，Grid Edge操作一个VPN，通过它来连接和分析用户所在建筑的能源消耗数据，利用这些信息，Grid Edge与连接的电网进行通信，并制定相应的调度策略。这些策略的目的是节约能源、避免超载。

案例4：美国能源部利用人工智能改善电网稳定性

2017年9月，美国能源部向斯坦福大学的SLAC研究人员颁发了一项研究奖，奖励他们利用人工智能技术改善电网的稳定性。通过用过去的数据来对电力波动和电网薄弱环节进行编程，新的智能电网将自动对重大事件做出快速而准确的反应。