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探路“区块链+电力能源”,将如何改变电力能源行业生态

编辑: 时间:2022/1/19 15:07
探路“区块链+电力能源”,将如何改变电力能源行业生态

在新一轮产业革命与技术革命的推动下,区块链等数字新技术日新月异,对能源电力行业来说,数字革命与能源革命融合催生新业态机遇与挑战,行业低碳化、数字化、去中心化转型加速;但另一方面,电力交易存在的交易成本高、能源浪费等现象日益严重,不利于人类社会的可持续发展。

随着区块链技术的发展成熟,各方也在积极探索区块链在电力能源领域的应用。2019年10月24日的重要讲话所提到的区块链应用“六大场景”中,将能源电力归在了六大场景中的“智慧城市”部分。在新的政策背景下,区块链+电力能源会有怎么样的新碰撞,这将是值得深入思考的话题。

1.电力能源行业现状

1.1 电力能源行业总体发展情况

(1)用电量与发电量持续增长

据了解,2021年以来,全国用电需求持续快速增长。进入迎峰度夏,受华东、华中、华南持续大范围高温天气影响,全国发电量、用电量持续攀升。从国家发改委了解到,2021年7月14日全国发电量达271.87亿千瓦时,创历史新高,较入夏前历史峰值增长12.2亿千瓦时;全国最高用电负荷达11.92亿千瓦,较历史峰值增长0.03亿千瓦。

数据显示,2021上半年,全国规模以上工业发电量同比增长13.7%;全社会用电量同比增长16.2%,其中工业用电量同比增长16.5%,占全社会用电量66.4%,对全社会用电量增长的贡献率达69.3%。可以预见,在我国总体经济长期向好,增幅稳定的情况下,电力能源行业的发展仍然会保持稳定向上的态势。

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(2)清洁能源规模快速上升

在战略实施安排上,到2023年底,中国电力清洁能源装机占比超过70%、清洁能源收入占比超过50%;综合智慧能源收入占比超过15%,落地的战略大客户与战略合作市县区超过100个。

可以看出,我国清洁能源的增长率要远高于总体增长率,因此,在电力能源中,清洁能源将扮演越来越重要的角色。

1.2 电力能源行业特点

(1)基础行业,重要性高

电力工业的发展水平是一个国家经济发达程度的重要标志,在我国国民经济中占有十分重要的地位,是国民经济重要的基础工业,也是国民经济发展战略中的重点和先行产业。电力工业必须优先于其他工业部门的发展而发展,其建设和发展的速度必须高于国民经济生产总值的增长速度,只有这样,国民经济各部门才能够快速而稳定地发展,这是社会的进步、综合国力的增强和人民物质文化生活现代化的需要。“科技要发展,电力要先行”,可以看出电能在国民经济和人民日常生活中的作用。

一旦电力系统出现问题,对国民经济和人民日常生活造成的影响是难以预估的,不仅可能造成经济活动和日常生活的停滞,造成巨大的经济损失,更可能直接危及部分群体(如依靠特定设备维持的病人、特种作业人群等)的生命。可以说,电力能源行业的基础重要性是大部分其他行业所无法比拟的。

(2)受政策影响大

从2016年发布《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》开始,电力改革的序幕拉开,整个电力行业在向能源互联网方向发展。应政策要求,电力能源行业也在朝着清洁、可再生、可持续的新能源方向奋进。上网电价、可再生能源配额制、净计量电价、财政税收支持政策以及绿色电力价格等电价问题也是在政策的扶持之下获得发展。

因此,电力能源的行业发展受国家政策影响深重,在现在这个新兴事物高速发展的年代,国家也应时代要求提出了电力能源改革,我国的电力市场正在迎来一个改革期。

(3)电力跨区域输送比例高

我国幅员辽阔,全国各地的自然条件、经济发展状况都存在较大区别,因此分地区的电力生产能力和消费需求并不匹配,存在着供需关系不平衡现象。例如,对于经济发达的珠三角区域和长江三角区域,电力供应量无法有效满足需求量,使得整体电力能源管理结构失去了实效性。

据中国电力企业联合会公布数据显示,2021年1-9月我国跨区送电完成5178亿千瓦时,同比增长7.8%。其中9月全国跨区送电完成686亿千瓦时,同比增长4.7%。在统计数据中可以看出,2021年1-9月,我国跨区送电量保持稳定增长,供应能力持续增强,电源结构持续优化调整。

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2.电力能源行业痛点

2.1 电力数据安全问题凸显

2018年9月,国家能源局发布《关于加强电力行业网络安全工作的指导意见》,内容全面覆盖《网络安全法》、《电力监管条例》及相关法律法规要求,对强化关键信息基础设施安全保护、加强电力企业数据安全保护等方面提出了要求。

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而近年来,大多数电力企业虽在持续加强信息安全建设,但由于自身网络复杂、业务特殊、系统繁多等特性,依然面临严峻的安全威胁与挑战。电力企业的营销、人资、财务、资产、协同、综合等核心系统中存储着大量的业务往来、用户隐私等重要敏感数据,如若发生盗用、泄露、篡改、删除等安全事件,不仅会对电力企业自身的业务、信誉和经济利益造成严重损害,甚至可能影响能源供应,导致社会恐慌,威胁国家安全。

电力企业在实际业务中,数据安全管理仍然存在着较多问题,如:

敏感数据管理不足:部分电力企业仍存在采用脚本或人工脱敏的情况,脱敏规则也不统一,从而导致脱敏效率低下,以及脱敏后数据质量差、数据间关联关系被破坏等一系列问题。

风险行为监控不足:电力企业规模庞大、系统繁杂、人员众多,日常工作中发生越权访问、下载或篡改数据等违规操作行为,且难以及时发现和定位;同时,部分电力企业数据库版本陈旧,安全措施落后,容易成为攻击的对象。

数据库运维管控不足:电力企业的网络复杂、业务特殊、数据库众多,中心化运维严重,不仅成本高昂,性能受限,一点遭受攻击还容易造成整个系统的崩溃。

2.2 电力损耗较为严重

我国电力跨区域输送比例高,这无疑导致了电力损耗的加重。根据数据统计,2015年我国因输配电电力损耗约占总发电量的6.6%。在整个电力系统中,造成电力损耗的原因较为复杂,主要可以分为固定损耗、可变损耗、管理损耗三类,并与电压、电流、电阻、配电变压器等各种电力系统配件、导线长度等多种因素息息相关。

目前,对于电力损耗的优化往往针对上述因素,以配电变压器的优化为主,通过技术细节、管理规范、以及总体结构设计入手。

2.3 电力管理、销售与交易中心化

传统发电站都是集中式的大型发电站,如火力发电站、核电站、水电站和大型风力发电。大电网、高压电、大机组是传统供电系统的特点。传统集中式供电系统产能效率高且便于管理,然而系统的容错率较低,且灵活性小。传统电网一旦出现故障,其影响范围广、难修复、损失大,如近期出现的印度大停电、巴西大停电和美加大停电。

另一方面,电力体制改革背景下, 国家电改配套文件《推进售电侧改革的实施意见》明确了电网公司承担电力市场结算职能,为适应电力体制改革、支撑及促进电力市场建设, 电网公司需要建设高效便捷的市场电费结算系统, 建立与之相适的结算业务处理规则与工作流程,为电力市场主体提供安全、快捷、高效的电费清分和资金结算服务,做好电费结算信息的披露工作, 进一步巩固公司统一电费结算核心优势。

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然而, 相比电改前的传统电费结算, 电改后的市场化结算在市场成员、交易合同和交易品种等方面对应用和系统提了新的要求。成员增多、交易品种多样化,合同规则复杂化,要求结算系统能灵活拓展,按照市场价结算;同时允许购、售电端自主协商、集中竞价, 导致最终市场价格、电量都不统一, 这些都对交易结算管理及风险防范都提出了更高要求。

然而,目前的电力交易仍然面临着诸多问题。发电企业通过配电企业销售给小用户,中心化程度高;能源交易由交易所统一规划管理,不仅需要向第三方机构支付费用,还需要以高昂的成本维护中心数据库,而场外交易则需要承担信用风险和做市商的成本,成本居高不下,这显然是与《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》中“系统扁平、交易开放”的要求是相悖的。

2.4各项过程繁琐,纸质文件多

随着电力体制改革的深化,电力市场日趋复杂,购售电合同数目也几何级增长。长期以来电力交易合同以纸质合同形式签订,需要人工录入信息系统,效率低且容易出错。目前的电子合同在电力领域仅针对电网公司内部的双边交易,不适用于以小用户为核心的电力零售市场。且购售电合同按照规定需报送给法律、审计、监察各部门,而各部门信息管理系统各自独立运行,造成信息不对称,数据不规范,数据易篡改等问题。

3.区块链在电力能源行业的应用

随着国家战略对于区块链技术的重视,区块链在各行各业的应用也逐渐深化,其中也包括电力能源行业。2020年1月,国家电网公司印发2020年1号文件《国家电网有限公司关于全面深化改革奋力攻坚突破的意见》,文件中明确提到,“发挥科技创新驱动作用,加强基础性、前瞻性研究布局,聚焦5G、人工智能、区块链等前沿技术,开展集中攻关,构建标准体系,推进产业化应用,深化国家双创示范基地建设。”

3.1 保护电力系统安全性,降低电力损耗

区块链技术可以通过分布式数据存储封装智能电力系统底层数据存储与读取信息,以及相应的数据加密信息,为分布式数据计算提供数据存储和运算基础。区块链群中其它链将会运用数据区块链来进行数据交互。数据区块链控制分布式文件系统并且向外部提供读写接口。区块链群中各个区块链从数据区块链提供的数据接口读取自己所需的数据,而运行结果则写进数据区块链,从而建立各个区块链的交互机制。在此交互机制基础上,各区块链完成自己预定的功能。

数据区块链为智能电力系统的运行提供了一种新的分布式数据存储、通信以及文件服务架构。数据区块链中的节点本身并不存储所有的实际数据,而是包含部分数据、各种数据的类型信息、存取位置信息、版本信息、读取权限信息、读写历史信息等。数据区块链的信息将电网大数据串联起来,且为其提供安全的存取机制,保留存取记录,让每次数据的变更都有据可查,防止第三方恶意篡改数据引起安全问题。由此,利用自身的安全属性,区块链为电力系统数据安全提供了一种全新的数据架构思路与技术路径。

由于在中心化电力系统中,电力运输路程长,带来了较高的电力损耗。目前对电力损耗的优化办法,往往是从细节优化出发,通过改良各类输配电设备,或者优化管理流程来进行。而当区块链技术充分介入,则可以建立一个相对去中心化的电力生产消费网络,使得本地电力能够更多地自给自足,从而直接降低电力运输的路程,以此降低电力损耗。

3.2 促进光伏等新能源发展

近年来,虽然光伏等新能源发展迅速,但是相比于火电来说,光伏等新能源的规模仍然非常有限。这是因为火电无论从资源、流程、场景等方面来说,都已经非常成熟,在短时间内光伏等新能源无法取而代之。而区块链技术可以很好地促进光伏等新能源发展,主要体现在:

(1)符合光伏特点。与火电这种大型集中式的发电不同,光伏发电规模较小,较为灵活分散,这与区块链技术的分布式特点有着很高的契合度。通过区块链技术的介入,光伏发电可以实现基于智能合约的自动交易,充分发挥光伏小快灵的特点,同时让光伏新能源充分渗入到小型用电者中去。

(2)发挥新能源优势。新能源的最大优势就是对环境的污染较小,但如果体现在短期经济利益上,碳排放权是其中非常重要的一部分。新能源利用率高的企业,将会获得更多闲置的碳排放权,从而进行交易获益。而区块链技术的介入,可以建立一个更高效,更智能化,更广泛的碳排放权交易体系,从而帮助新能源企业以更优的价格和更快的速度出售自己闲置的碳排放权。

(3)拓宽新能源应用场景。新能源不仅仅是洁净的,更应该是智能和高效的。以新能源汽车为例,不仅造成的污染更少,也应该在体验上达到更优。通过区块链技术,可以建立一个更高效,更智能化的新能源汽车充电体系,让车主不仅能更加方便地找到充电桩,充电过程也可以自动完成,自动结算费用。通过区块链技术拓宽这些新能源的应用场景,也可以从需求端对新能源的发展起到促进作用。

3.3 建立基于区块链的分布式电力交易平台

近年来,国家一直在进行电力体制改革。2017年,国家发改委和国家能源局就发布了《关于开展分布式发电市场化交易试点的通知》,明确指出“分布式发电就近利用清洁能源资源,能源生产和消费就近完成,具有能源利用率高,污染排放低等优点,代表了能源发展的新方向和新形态。目前,分布式发电已取得较大进展,但仍受到市场化程度低、公共服务滞后、管理体系不健全等因素的制约”。

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显然,基于分布式存储的区块链技术,非常适合建立分布式发电市场。区块链共享、可信、可追溯的特点,使其在能源交易和清结算领域具备显著的优势。在一个包括电厂、售电公司、电网、用户、交易中心等交易主体的电力市场上,可以在区块链上在这些主体间定制交易智能合约,在合约中写入交易的清结算规则,并在市场上进行匹配和自定义。

利用分布式网络实现分布式的电力能源调度,通过光伏设备实时发电写入智能电表并上链,即可实时购买,不仅能够提高效率,还可以更好地保护机密信息。

可以在电网内部建立私有链,打通各个环节,提高数据的透明度和可审计性,优化数据的录入、存储,提高清结算效率;也可以建立以电网为主体的联盟链,将电厂、售电公司、电网、用户等链接起来,用户从接受电网单一垄断价格变为自主选择供电,发电方和用电方均可降低能源消耗,节省成本,将整个售电流程扁平化、自动化、透明化。

3.4 简化中间流程,增加效率

通过引入区块链技术,可以打通各部门的数据,简化流程,提升效率,节省成本,同时也能够保护数据的安全和不可篡改性。

例如,在浙江嘉兴海宁的光伏补贴发放过程中,地方补贴需要由地方政府发补贴通知,电网公司将数据打印盖章提供给地方政府,同时让用户提供发票、电网公司盖章证明等相关佐证材料,地方政府核对双方材料无误再发放补贴。

整个过程中,电网公司需要盖章,工作量巨大;政府部门需要人工核对电网公司和用户提供的发电数据,工作量大,业务流程长;用户要提供纸质材料给政府,用户体验差。而应用区块链后能够解决当前补贴流程中需要大量线下工作的问题,实现客户补贴申请“一次不用跑”,提升审核效率,降低政府、电网公司的工作量。

4.区块链+电力能源应用案例

案例一: 美国TransActive Grid区块链能源项目

案例介绍:TransActive Grid于2016年3月3日在美国纽约成立,由绿色能合作成立。服创业公司LOBEnery与去中心化应用侧 TransActive Grid首次在能源支业公司ConsenSys 付中应用以太坊区块链技术和智能合约,建立基于分布式的交易体系,交易的数据由TransActive Grid公司提供的设备完成,设备的硬件主要是智能仪表,软件主要是区块链智能合约。公司首先在布澜克林地区构建居民之间安全、自动的P2P 能源交易和支付网络。

TransActive Grid和L03Eoery公司旗下的另一个观目布鲁克林微网系统( Brooklyn Microgrid)有效协同,将支付基础设施和分布式电网系统有效结合,引入人分布式社区电网,这一去中心化的改进也是为了响应组约在原有的中心化电网中逐步州于2014年4月颁布的能源改革愿景。纽约州经常因为飓风破坏中心电网而导致大规模停电,分布式电网传输和交易系统可以有效解决这一问题。

案例点评:TransActive Grid项目将区块链技术应用于追踪记录用户的用电量以及管理用户之间的电力交易,探寻了电力数据实现货币化的可行性。这个项目虽然目前处于停滞状态,但是它的尝试为后来者提供了很好的范例及改进方向。

案例二:全球首个区块链P2P电力交易系统

案例介绍: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的太阳能剩余电力交易系统。不同于BTC采用的POw (工作量证明)机制,PowerLedger采用的是POS(权益证明)机制,区块链由LedgerAssets公司开发,名为Ecochain。

Power Ledger利用自己的区块链Ecochain。区块链技术的应用使得在电能产生的时候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,住户可以直接将剩余电能卖给其他住户,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。

案例点评:整个电力网络从发、输、电、配到售、用、储,生产、即时消费、是一条无比复杂的价值链,同时因为电力行业非常特殊的即时难以存储的特性,导致整条价值链上各环节环相扣,而且能源流、资金流、信息流这三流之间也是你中升。Power Ledger构建的太阳能剩余电力交易系统是全球首个有我,我中有你,整个系统的复杂度、交易成本是指数级别上使用区块链的P2P电力交易系统。这套系统的出现是分布式能的有效途径。源交易的一一次伟大尝试,也为减少交易成本提供了一条可尝试的有效途径。

案例三:我国的能源区块链实验室

案例介绍:我国的能源区块链实验室是全球第一家致力于在能源产业价值链全环节实现区块链技术应用的研发型企业,也是全球顶尖区块链开发组织Hyperledger Project唯一的能源行业成员。实验室以实现能源革命为使命,拥有比较完备的区块链技术开发团队和金融产品设计团队。

能源区块链实验室通过能源市场与金融市场应用场景的深度融合,打造了一款低成本、高可靠的服务于绿色资产数字化的区块链平台,产品以基于区块链的互联网服务(Blockchain as a Service, BaaS)作为表现形式,提供基于区块链的便利化绿色资产的数字化登记和管理功能,服务的绿色资产包括各类碳排放权和自愿减排额度、绿色电力证书和积分、用能权、节能积分、能源设备共享经济积分、绿色债券、绿色信贷、绿色资产支持证券等,服务的市场包括电动汽车、可再生能源、虚拟电厂、工商业节能/储能、绿色金融等领域。

案例点评:我国的能源区块链实验室是全球第一个将区块链作为工具与能源互联网相结合的机构。从能源区块链实验室的尝试中我们可以看到,未来区块链与能源互联网的结合基于五个方面:

第一,基于区块链的数据可信,公私钥结合的访问权限保护隐私,实现保护隐私、可信计量;

第二,区块链防篡改,实现主体间强制信任并实现强制信任下的泛在交互;

第三,“区块链+大数据+人工智能”构成可信任预言机签署外部数据,实现虚实交互的自律控制;

第四,基于区块链部署的设备间点对点交互式决策,不需要将信任托付于中心化平台代为决策,实现设备民主、分布决策;

第五,各主体间基于明确的互动规则进行随机博弈,系统呈现中性演化,通过改良互动规则实现竞争进化,最终实现广域博弈,协调演化。在他们的尝试中我们看到,基于区块链的能源互联网真正实现了从Beta版到1.0版、从纸面版到商业版的过程。

5.区块链电力能源应用挑战与展望

5.1.挑战与展望

新的能源产业链的出现就需要新的技术来实现,更需要新的体制以及商业模式来支撑,但目前来看,这些其实还是跟不上技术的变化。区块链作为一种解决方案赋能电力能源,革新与挑战并存。

5.2电力能源区块链项目面临的挑战

(1)盈利模式

将区块链技术引入电力行业,根本的目的还是未来盈利。因此,在去中心化之后,点对点自组织之后,企业靠什么盈利成为当下首要的问题。目前全球绝大部分的区块链项目都是靠发行通证融资,并通过通证的增值盈利,但是通证同大部分国家的货币管理政策和金融管理政策并不兼容,尤其是在中国,已经明确禁止通证交易所,以及各种基于通证流通的商业模式,如果企业如果希望通过区块链的去中心化售电盈利,还需思考合法具体的盈利方案。

(2)项目落地

能源行业,特别是可再生能源、智能电网等新型商业场景对分布式交易、电力认证、安全可靠性等方面的痛点需求,与区块链、智能合约的特性非常吻合。但同时也应考虑到电力能源区块链项目的落地需要行业多方的高度协调,并可能受到传统利益的阻挠。由于有关政策不明确及政策落地难,分布式能源电力项目在备用容量、电力接入方式、政府基金减免让等方面遇到了挑战。受限于基础设施和各国电力政策不一,短期内,能源电力区块链项目可能只会在发达地区小范围施行,走向大众还将需要一段漫长时光。

(3)中心化竞争

目前电能有一个很强的特性就是规模效应,规模越大,成本越低,所以它是天然的规模经济,要求便宜。因此从消费者角度来说,对能源的去中心化,并没特别大的需求。电力不同于数据交易和金融交易,必须满足电力网络的物理约束条件,而区块链售电在机制设计的时候强调去中心化,强调用户间的自协调和自撮合,但是分布式发用电存在波峰波谷较大,不确定性较大、用户习惯趋同性、交易非理性、市场力过于集中等问题,因此,非常容易造成区块链上的点对点电力交易需求暴增或者暴减的问题,并且,如果没有精妙设计的电力价格行程机制作为支撑的话,容易在系统内造成系统性风险。

(4)专业服务限制

区块链技术的去中心化只能解决交易的去中心化,信任的去中心化,而电力的配套服务仍然需要由专业的服务机构提供。电力相对于其他商品的特殊性质很大一部分就在于其专业性,售电公司除了提供买卖撮合的供需中介服务以外,还要为用户提供电能质量管理、电能安全服务,甚至有很多售电公司还提供设备运维保养服务,以及专业的节能减排和效率优化方案,这些专业性服务暂时无法通过区块链去中心化。

5.3电力能源区块链项目的展望

(1)发电端逐渐向分布式发展

现在都在提倡能源互联网,而能源互联网的背景是未来能源行业的发、输、用、储以及金融交易等环节都会发生巨大变化。随着能源的需求和能源生产模式的转变,能源生产的方向很可能逐步由集中化生产模式转变为分布式生产模式。可以预见,未来会从现在单一的集中式的大型电源过渡到集中式电源和分布式电源相互和谐存在的模式。发电端会从逐渐向分布式发展,电网的拓扑结构也会随着发电端的分布而发生改变。

(2)消费者将成为产业链价值推动者

能源消费将是在能源互联网当中最重要的板块,消费者在能源互联网时代其角色将不仅仅是单纯的消费者,而是以另外一种新的形态出现,既是生产者又是消费者。随着分布式电网的普及,消费者对能源服务选购将有更大的自主权,将更加偏好灵活性高、经济性好的能源服务,用户能源托管和能效托管可能将成为新的盈利模式。消费者可以通过需求侧响应计划,积极的参与社区需求侧响应项目,还可以作为虚拟电厂成员加入虚拟电厂项目,同时还可以通过电动汽车、储能设施,返售电给电网。消费者在产业链中的价值会越来越大,成为产业链价值推动者。

(3)结合人工智能、物联网等技术共同发展电力

将新兴技术应用于电力行业是未来的发展趋势,区块链技术可以与人工智能、物联网等技术协同发力。随着物联网发展,数以亿计的资产和数据信息需要在线记录和交易。

能源电力企业可以通过物联网实时获取客户用能数据,在此基础上运用大数据和云计算分析和预测客户用能需求,为客户提供能效管理服务。通过分散、自治和高效的系统记录设备所有权和运行状态,自动读取智能电表,结合人工智能技术预测能源需求等,可以使得未来的能源消耗变得更加智能。通过智能硬件实现与客户的实时连接、实时互动,发掘客户在多种工作和生活场景的需求,把握消费升级的商业机遇。

6.总结

区块链在电力能源领域的应用探索是无止尽的,需要政府部门、电力能源企业方、区块链技术方等多方合作。相信在不久的将来,区块链的诸多优势将在不断的探索中最终助力电力能源领域实现创新发展。

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