区块链在综合能源服务的应用前景

随着能源结构加快转型和电力体制改革进程的加速，以及智能电网、智慧能源、能源互联网等能源利用形态的快速发展，国家电网公司提出了“做强、做优、做大”综合能源服务业务，推动公司由电能供应商向综合能源服务商转变的发展思路，并将综合能源服务列入主营业务和新的利润增长点，力求进一步推动“以电力为中心枢纽”的综合能源服务模式的发展。综合能源服务的发展模式主要分为两大类：

（来源：微信公众号“能源情报”ID：eipress 作者：龚钢军 王慧娟 杨晟 孙跃 苏畅 文亚凤 杨海霞）

1）产业链延伸模式，多能源系统的规划、建设和运行，实现能源高效转化与利用；2）“售电+综合服务”模式，综合服务商业模式下涵盖用能设计、规划，为用户提供能效与节能服务等增值类业务，形成电能转化为主的能源交易。其中，第二类模式围绕电能交易与能源增值服务，与第一类模式相比产业基础要求较低，因此“售电+综合服务”模式作为现阶段综合能源服务的主要发展方向。而电网公司在开拓综合能源服务市场方面具有天然的优势，如：仍处于垄断地位的输配电网、承担社会责任的大量自有售电公司、海量的用户资源和用电数据、大量技能娴熟和经验丰富的工程人员、强大的工程设计和建设能力、完善的管理体系等，都可以很好的支撑综合能源服务工作高质量和高效率的开展。

虽然综合能源服务市场巨大，以此为契机有利于进一步推动电网公司的资源优化配置和企业经营模式的转型，提升企业的社会竞争力。但随着我国电力体制及电力市场的改革深入，由电力节能公司转变而来的综合能源服务公司也面临着巨大的经营压力，其问题既在于市场经验的不足和市场激烈竞争的局面，也由于“源-网-售-荷”全环节的增值业务覆盖下业务类型多、客户需求差异大、协商机制和交易模式多样化、交易的安全性和服务实时性要求高、运行体系管控难度大、社会对电网企业可信度要求高等问题。因此，需要研究如何建立综合能源服务的市场运行与可信管控机制、综合能源与综合服务的运行匹配机制、电网供电主业务与其他增值业务的协调机制，从而进一步构建好综合能源服务的运行管控体系，提升综合能源服务协商机制的高效性、交易的安全性和服务实时性，确保各类用户对综合能源服务企业和相应业务的满意度和信任度。

综合能源服务是覆盖全电力环节、全业务类型的全新增值服务类型，需要结合现有运营经验，采用新的模式、新的技术、新的方法来实现新的突破。而云计算、大数据、区块链等关键技术支撑着融合了分布式及微电网技术的新型综合能源服务模式的开展。其中，区块链在智能合约、分布决策、协同自治、拓扑形态、交易监管等方面与综合能源服务的需求有着天然匹配性，通过区块链技术可以保障综合能源服务信息的准确性和及时性，提高服务质量和服务效率。文献构建了基于区块链的电力现货实时调度交易与监管模型；文献提出了基于区块链技术的电力需求侧响应资源交易整体框架；文献设计了基于区块链技术的能源互联网架构模型，融合智能合约于能源交易互联网，构建协同模式；文献分析了异构区块链技术在多能系统中的应用，为探讨基于区块链的综合能源系统提供了理论参考。

以上文献在电力现货交易、需求响应、电力信息融合和多能系统等方面开展了区块链技术与电力系统业务应用的匹配性研究，有利于将区块链技术引入到综合能源服务体系的建设中来。但由于综合能源服务工作的开展时间相对较短，尚缺乏较为深入的分析阐述综合能源服务运行体系、以及区块链与综合能源服务体系融合应用的研究。

因此，本文紧扣综合能源和综合服务两大任务，从供能、用能和服务三个方面构建基于区块链技术的综合能源服务模型，分析综合能源服务主体节点的功能以及综合能源服务过程中节点间信息流与能量流的交互模式和协商共识机制，并基于“多链”构建以能源、电网(特指其包括电力综合能源服务公司和自有的售电公司)、售电公司(特指民营类型)、用户等不同类型节点间的区块链网络架构和链间交互通信链路，保障区块链支撑的综合能源服务体系协商机制运行的高效性、交易安全性和服务实时性。

1 综合能源服务场景分析

1.1两大任务—综合能源与综合服务

为进一步完善能源互联网中综合能源服务的商业模式，构建多能互补下的“售电+综合服务”应用场景，以及打造以电为中心、跨域平衡、绿色智能的区域能源互联网体系，需要以电网公司为研究对象，探讨电网转型的支撑技术与服务模式，从而扩展综合能源服务业务，引导用户节能减排，形成以电网公司为主、民营售电公司为辅的综合能源服务公司体系，构建一个安全、稳定、可信的综合能源服务模式。

综合能源服务围绕供能、用能和服务三个方面，是将能源销售服务、分布式能源服务、节能减排与需求响应服务等三大类组合一起的能源服务模式，涉及综合能源和综合服务两大任务，其基本特征是综合、共享、高效、互联和友好。综合能源和综合服务作为综合能源服务的两大任务。其中综合能源是由传统能源供应商依托传统能源供应的基础设施优势向以冷、热、电、气等多联供方向发展，实现多种能源相互转化、分配、存储和消费，实现供能与用能多元化的新能源体系。综合能源对于提升能源利用效率和可再生能源应用比例具有重要意义。而综合服务是能源供应商向综合能源服务商转变，依托自身技术优势及配售电改革政策，形成一种新型的为满足终端客户多元化能源生产与消费的能源服务商业模式，具体涵盖能源规划设计、工程投资建设、多能源运营服务、投融资服务、购售电业务、数据交互业务、设备诊断、能效检测等方面。二者共同构建了“以客户为中心、横向多源互补、提高综合能源利用效率”的综合能源体系，也是紧密遵循电力市场改革与能源结构转型的国家政策，更加强化电源端与电网侧的实时协同调度机制，优化和提升电网公司和民营售电公司的综合服务水平。

1.2综合能源服务模式分析

良好的综合能源服务模式在推动电网公司转型，丰富电网公司业务类型的同时，需要鼓励用户参与电能服务交易，提高用户参与电能交易的积极性，实现可再生能源的高比例接入电网和促进大规模储能系统的发展。因此，本文基于综合能源服务两大任务主体的特点、功能以及角色定位，构建了综合能源服务模式，如图 1 所示。

综合能源服务模式着重研究各相关主体及其交互关系，依据综合能源和综合服务两大任务主要分为综合能源层、综合服务网络层和综合服务业务层等三层，具体如下：

1）综合能源层：由冷、热、电、天然气、石油构成的综合能源系统，围绕电能清洁高效的特点，推进其他能源与电能之间的单向转化和存储，以及其他多能源之间的单(或双)向转化和存储，提高综合能源系统可靠性，提升效率，降低系统的碳排放，提升经济型，推动了用户侧对综合能源服务的需求，促进了综合服务业务的产生。

2）综合服务网络层：根据综合服务的交易主体，可将网络中的节点具体分为能源、电网、售电公司、微网、储能和用户等几类，并围绕源、网、售、荷、储间信息和能量的交互，形成为用户提供综合能源服务的网络主体，构建以电网综合能源服务公司为主、民营售电公司综合能源服务部门为辅的综合能源服务体系。

3）综合服务业务层：综合能源服务业务包括供电业务、设备维护、能效检测与节能设计、数据交易以及分布式能源服务(如电动汽车充电服务、光伏新能源服务、储能)等。其中：a）供电业务：供电业务是综合服务业务的基础，最终实现用户更好的用电体验，输送更优质的电能，并制定更为合理的购电方案；b）设备维护：将电网公司的业务逐渐向末端延伸，例如：将设备维护(与能效检测)的业务逐步扩展到工厂、居民小区、校园等；c）能效检测与节能设计：对于部分大用户，可以申请让综合能源服务公司为其提供能效检测，通过检测了解其耗能设备的能源利用率，并为其出示相应的检测报告，同时告知节能空间并推荐节能设备，制定节能方案；d）数据交易：包括各类用电数据和节能数据等可供交易的有价值数据；e）分布式能源服务：以分布式光伏发电和就近能量交易为主。

2 基于区块链的综合能源服务模型

2.1 综合能源服务区块链网络架构

将区块链技术与可持续发展融合，是未来科技、金融发展的趋势，而能源电力系统的发展是可持续发展最重要的指标之一。因此，在国内外大力发展分布式能源，提高可再生能源利用效率的背景下，将具有去中心化、防篡改、分布式记账功能的区块链技术应用于能源电力系统有重要意义。“售电+综合服务”作为综合能源服务模式的重要实现模式，其参与主体多、实施业务类型多、交易信息量大等特点在具体实施过程中存在可靠性、安全性以及交易不可追溯性等问题，而区块链分布式记账、防篡改的特点能够将“售电+综合服务”过程中全部的交易信息分布存储，降低了由交易信息量大导致的交易信息难以查询、信息泄露、交易不可靠以及交易漏洞的风险。

同时区块链技术包括应用层、合约层、激励层、共识层、网络层和数据层六层模型可以很好的融入到综合能源服务中，其中：1）应用层支撑各类综合能源服务业务；2）合约层监督、记录各综合能源服务主体间具体合约的履行(通常为能源交易与增值数据交易合约)；3）激励层制定各综合能源服务主体参与交易的激励指标；4）共识层支撑各主体间高效快速达成切实可行的交易共识；5）网络层构建点对点的分布式综合能源服务网络架构；6）数据层实现综合能源服务数据的采集、计算、存储等底层运行支撑。因此，基于区块链技术实施综合能源服务，有利于保障交易的可靠性，促进能源互联网的安全稳定运行。

目前，已有的基于区块链的需求响应和分布式能源交易的研究主要基于联盟链或公有链的单链方式。但区块链技术在单链架构下存在性能、容量、隐私、隔离性、扩展上的瓶颈，无法满足电力系统综合能源服务应用场景的充分实现，而文献[31]提出的基于哈希锚定的主从多链模型，以一条主链和多个从链的形式满足多样化数字资产的分类及处理；而Multichain是一种能够构建主-从类型多链的区块链技术，可为企业建立独立可信的分布式账本，支撑多链技术的延伸。

综上所述，结合综合能源服务应用场景中源、网、售、荷对去中心化程度的要求不同，设计了“多链”技术支撑下的综合能源服务区块链网络架构，如图2所示，采用“多链”形式实现源-网-售-荷各主体内部可信及协同自治，确保源-网-售-荷主体间信息公开、可信互联，进一步保障综合能源服务应用的可追溯性和安全高效性，深入研究综合能源服务场景与区块链技术的匹配性(其中，多链指 Multichain 类型的私链，“多链”指多重私链+联盟链的形式)。

由区块链技术支撑下的综合能源服务网络具有匿名性和公开性的双重特点，即实现匿名的交易双方节点互信，信息公开。图2所示的综合能源服务区块链网络架构以“多链”的形式实现信息互联。该网络架构具有能源、电网、售电公司以及用户四类主节点，其中，1）能源节点包括冷、热、电、气、石油五种类型分节点，节点间进行能源互补，最终实现源节点协同；2）电网节点具有调度、综合能源服务等多类功能，依据功能又可进一步进行划分；3）售电公司节点主要考虑其综合能源服务功能；4）用户节点又具体分为工业用户、商业用户、微网用户、居民用户以及电动汽车类储能用户等几种类型。

各主节点与其从节点间采用多链架构形成可信的“主-从”私有链模型，主节点间又采用联盟链的形式实现信息公开互联共享，其中综合能源服务衍生的数据保存在各从节点的私链中，各个私链又根据节点的类型连成主链。参考多链中对权限的定义规则，设置各主节点拥有所在主-从链的管理员权限，包括对主(从)链区块数的设定发布、连接交易网络中的其它主节点、上传交易需求及发布资产、下载接收其它主节点发布的交易信息、流管理的设置等；各内部从节点仅具有连接各自主节点、上传及下载接收交易信息、发布资产的权限(资产指交易的数据、结果等)。

在联盟链中，主节点主要负责管理、传输、存储的业务。当数据交易完成及资产发布后，主节点a广播交易数据资产并发送该资产至拥有查看权限的主节点b，主节点b接收该资产并内部广播至各从节点，拥有交易能力的从节点进行资产计算，反馈交易结果至主节点，由主节点b与交易需求主节点a进行交易的对接并由对应从节点执行交易。同时赋予政府监管权限即政府拥有对各主节点交易数据查看的权限，可以随时查看并溯源。

区块链网络支撑着综合能源服务系统的安全高效运行，依据综合能源和综合服务两大任务分为两大部分。

1）综合能源部分：由于综合能源服务模式中以电力作为中心枢纽，故以电能作为主要分析对象，多种能源之间相互协调、共同整合，电网的调度节点承担着综合能源中电能传输的调度分配任务。对于某一时段多源端对电能供给的分配情况，用户主节点将电能需求整合传达给电网主节点，通过其调度从节点的计算，由电网主节点与源端主节点进行电能协商，并通过源端各从节点协商确定供能的比例；对于大型工业用户与源端的直购电，由大型用户所在的用户综合服务从节点发送直购电请求，经由用户综合服务主节点与源端节点进行交易，而对于普通居民用户则由其所在区域的用户综合服务从节点进行电能交易方式的制定，并提交电能交易方案请求至用户综合能源服务主节点进行外部交易协商；在电能交易中源端需要与电网节点共同协商直购电中供电的具体比例，通过电网调度从节点制定电能调度方案并进行传输；

2）综合服务部分：由电网及其它民营售电公司的综合能源服务公司从节点为用户提供各类服务，另外各交易主体将自身的用电等相关数据打包进各自私链，并通过主节点进行数据交易。

2.2 综合能源服务链上交易模型

区块链技术便于开发者在底层开发平台的基础上开发出产品和应用。通过基于2.1节分析综合能源服务对去中心化程度的要求，发现基于区块链技术的综合能源服务模型并不适合采用单链或完全私有链的方式进行，因此，在研究Multichain技术的基础上，采用“多链”的形式，即多重私链+联盟链的模式，既保障综合能源服务对安全性、高效性、可靠性的需求，也使得整个综合能源服务场景开放共享。因此，为更好表现综合能源服务区块链网络架构的链间关系，构建了综合能源服务链上交易模型如图 3 所示。

综合能源服务链上交易模型是基于图4所示的主-从多链模型，包括源端协同主-从多链、电网主-从多链、售电公司主-从多链以及用户综合服务主-从多链，形成由其主链互联即联盟链的形式构成整个综合能源服务区块链信息交互网络，同时，给予政府监管权限，管控各主链间的服务交易信息的可靠性。

主要交易流程如下：

电网(及民营售电公司)广播服务信息至区块链网络，包括可供服务的类型、要求、价格等，各主(从)节点接收同步服务信息至各自主(从)链中；用户 i 从链计算所需服务要求，上传至其用户综合服务主链，主链整合一段时间(通常为15分钟)内服务请求，按用户直购电业务、普通供电业务(从电网或售电公司处购电)、辅助服务业务三类进行划分，广播至全网络；源端、售电公司和电网接收到所属业务类别的交易信息，由其主链判别并反馈是否接收服务请求，若接收该服务请求，整合服务交易信息，分发至执行从链，由对应的从链计算分析，将交易结果通过其主链广播至区块链网络，并由主链与服务主体进行交易对接；交易达成后记录并打包上链。

电网及售电公司作为综合服务执行的主体，其业务可分为供电业务与其他服务业务。供电业务作为主要服务业务，当用户从链发出供电业务请求，由用户综合服务主链整合同一时段电量需求信息广播至电网主链或售电公司主链，等待请求回复，交易达成需要电网主链(或售电公司主链)以及调度从链与源端协同主链达成电量、电价以及调度的一致性；若为节能设计、设备维护等其它服务业务，则由电网主链(或售电公司主链)以及其综合能源服务从链达成服务交易的一致性，最终每笔交易的执行，需要打包在各交易链中存储并广播。