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共识机制，敬请阅读。

全文约3700字，预计阅读时间5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

本周二（4月26日），中共中央总书记、国家主席、中央军委主席、中央财经委员会主任习近平主持召开中央财经委员会第十一次会议，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。

早在2015年3月，国家提出有序向社会资本开放配售电业务。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》中明确提出“进一步向社会资本放开售电和增量配电业务”。社会资本的加入明确了电力供需中建立数字信任的必要性。

分布式智能电网间信任的建立需要区块链的支撑，而共识机制是区块链构建基于算法的分布式信任根的重要组成部分。本周我们探讨能源互联网电力交易区块链中的共识机制。

能源互联网电力交易区块链中的共识机

产消者或生产型消费者是阿尔文·托夫勒1980年创造的一个概念。在能源领域指“既生产又消费能源的消费者”，或“也是能源消费者的生产者”。举个例子，如图1所示部署分布式光伏家庭用户，白天通过光伏发电，作为生产者对外售电；夜间则主要作为消费者从电网购电。

图1 一个能源产消者示例——分布式光伏家庭用户

近年来，随着分布式发电、储能的技术和产品的不断成熟与普及，能源产消者迅猛崛起，社会资本持续进军电力产业。新的发展形势对我国现有电网体系提出了挑战。作为能源产销革命的重要抓手，能源互联网正在经历从中心化系统到分布式系统的转变。能源互联网根据场景特征针对性设计，又衍生出智能微电网、区域能源互联网等形式。区块链作为分布式账本，与能源互联网对海量产消者所提供的分布式电源的消纳所需拓扑结构相契合，各能源主体可通过共识机制来形成信任并保证能源交易账本中数据的一致性。

共识机制作为区块链构建基于算法的分布式信任根的重要组成部分，它在能源互联网中的应用也符合区块链技术自身的发展脉络。目前，基于区块链的能源项目研究所采用的共识机制主要包括PoW、PoS和PBFT等几种及它们的变种。伴随着能源互联网的发展，与电力交易相关的共识机制研究可主要分为3个阶段：1) 针对能源互联网分布式的特征，采用PoW、PoS等通用性的共识机制及其改进型，目的是使用区块链技术以及保障各能源节点账本数据的一致性；2) 针对能源互联网电力交易多方信任需要，采用PBFT等共识机制，在抗拜占庭攻击的同时，提高共识效率；3）针对特定能源互联网分布式电力交易场景，设计定制化共识机制，在贴近使用场景的同时保障共识坚强有效运行。

PoW类

在能源区块链中电力交易共识机制研究的第1阶段，共识机制的重点在于保证分布式场景中节点数据的一致性，多采用通用性的共识机制。例如,采用公链中普遍使用的PoW共识机制对能源交易数据进行共识，以保证各节点记账的平等性和节点数据的一致性。

但由于PoW共识过程会消耗大量算力，易造成能耗过高。于是，部分研究采用转移算力计算目标或减少共识节点的方式尝试降低能耗。对于前者，未获得记账权的节点依旧会消耗大量算力，并没有从根本上解决PoW的能耗问题；对于后者，共识节点的减少直接降低了系统的去中心化程度，少数节点保存能源交易数据，难以完全构成大量、广泛分布的能源产消者对能源互联网分布式电力交易所需的信任基础。

PoS类

针对PoW的能耗高的问题，有一部分研究采用PoS类共识机制来解决。例如，基于PoS将交易量和交易金额作为“权益”代替币龄，由调度中心节点进行共识；基于存储不同能源交易数据的需要，提出ES-CA、ETCA和EICA等不同的共识机制；基于不同的交易模式，提出适用于综合能源服务场景的权益分享证明(PoSS)等共识机制。也有部分研究采用DPoS共识机制牺牲部分去中心化程度以换取共识效率。例如，将能源交易量作为“权益”，选取交易量大的账户轮流担任记账节点；将碳排放权或绿证作为“权益”，选取超级节点进行记账等。

采用上述PoS类共识机制，虽然避免了PoW的能耗问题，但与交易强相关的“权益”的积累从根本上降低了系统的去中心化程度，易形成超级节点，造成不同产消者（节点）间权利不对等，削弱能源互联网的去中心化程度，可能导致能源互联网退化为中心化系统。虽然各种研究在共识机制上尽量避免，但目前仍未找到广泛适用的共识机制方案。

PBFT类

随着能源互联网电力交易场景区块链应用研究逐步深入，在共识机制研究的第2阶段，有效的构建多方信任成为共识机制研究的重点。

针对某些特定的能源应用场景，其中能源主体数量较少且无监管中心，能源交易量不大，例如智能微电网等，有些研究开始选用PBFT共识机制及其变种，在所有能源节点地位平等的前提下，提高能源交易的共识效率。

另外一些能源互联网电力交易场景中存在默认可信节点，例如:需要能源监管主体对能源交易进行监管，或通过数据中心总览数据，则其对应的节点必然是可信节点。有些研究将可信节点作为主要共识节点，基于PBFT机制对能源交易数据进行共识，该方式减少了共识节点的数量，极大地提高了能源交易数据的共识效率。

一些PBFT类的共识机制已在试点中应用。例如，今年2月入选“区块链+能源”特色领域试点的昆明电力交易中心即是采用基于PBFT改进的RBFT共识机制；本月上旬，国网链辽宁从链采用基于四个共识节点的PBFT共识机制将新能源场站发电数据上链，该平台已接入新能源、数字人民币等数据。

在无默认可信节点的场景中，随着能源接入主体的增多，因PBFT机制三段式的频繁交互，导致共识效率的显著下降，因此，PBFT类共识机制的应用更多地局限于节点数量较少的场景。

在具有默认可信节点的场景中，选取定量可信节点参与共识，在一定程度上减缓了因节点数量增加导致的PBFT类共识效率降低的问题。但是，公开确定的共识节点易成为被攻击的目标，并且预先指定共识节点的方法，不仅牺牲了能源互联网去中心化的特性，也难以确保共识节点的长期可信。

针对PBFT类共识机制中节点的可信性问题，也有研究采用BP神经网络等方法构建区块链节点信用模型并选举信用最高的节点作为主节点，从而降低拜占庭节点作为主节点的概率，但是该方法同样面临节点增多导致共识效率降低的问题。

区域能源互联网共识机制研究

在第3阶段，面向更普遍的能源互联网实际落地的场景，共识机制的设计越来越多地考虑节点数量扩展、去中心化程度、数据一致性和共识效率等综合因素，需要解决在能源主体增多时，保证共识效率的去中心化共识机制，并且同时要能够保证共识结果的一致性。例如，有的研究借鉴信誉模型的方法，结合随机值对共识节点进行全局选取，所有信誉值合格节点均可能被选为共识节点，在保证去中心化特性的同时，减少了共识节点的数量，保证能源交易数据的共识效率。在设计时可依据交易场景的不同，更改共识节点的选举范围，使得能源交易由“了解情况”的相关节点共识决定，并且支持多组共识节点同时进行共识，降低了共识节点被攻击的可能性，缓解了固定共识节点的共识压力。

此外，随着分布式账本技术底层，特别是数据结构、共识机制理论等方面研究的扩展，与分片、DAG等技术想融合的新型共识思路正在逐渐进入能源互联网区块链研究者的视野，为电力交易场景的共识构建提供了新的思路。

在此之上，面对规模更大、更复杂的电力交易场景，也有越来越多的研究者在讨论具有层级架构的分级共识，理论上这种分层的共识可以更贴合能源互联网的层级架构及区域消纳在先、广域互联在后的新能源消纳思路。

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以上为本期全部内容，下期将讲述能源区块链中的智能合约，敬请期待。

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