區(qū)塊鏈在新型電力系統(tǒng)中的應用研究
何昇軒
（國網(wǎng)區(qū)塊鏈科技（北京）有限公司）
中央財經(jīng)委員會第九次會議部署未來能源領(lǐng)域重點工作時強調(diào)：要構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系，控制化石能源總量，著力提高利用效能，實施可再生能源替代行動，深化電力體制改革，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是實現(xiàn)電力行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要途徑，是順應能源技術(shù)進步趨勢、促進系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級的必然要求，是推動能源清潔低碳轉(zhuǎn)型，助力碳達峰、碳中和的迫切需要。區(qū)塊鏈作為新一代信息技術(shù)的翹楚，在電力系統(tǒng)的升級過程中將提供有力支撐并為新型電力系統(tǒng)提供全生命周期服務。
一、新型電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)
隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，在供給側(cè)，新能源逐漸成為裝機和電量主體，煤電將逐步演變?yōu)檎{(diào)節(jié)性和保障性電源；在用戶側(cè)，參與主體兼具發(fā)電和用電雙重屬性，網(wǎng)荷互動能力和需求側(cè)響應能力不斷提升；在電網(wǎng)側(cè)，配電網(wǎng)成為有源網(wǎng)，微電網(wǎng)、分布式能源系統(tǒng)、電網(wǎng)側(cè)儲能、局部直流電網(wǎng)等與大電網(wǎng)互通互濟、協(xié)調(diào)運行。電力系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)、控制基礎(chǔ)和運行機理深刻變化，平衡模式轉(zhuǎn)變?yōu)樵淳W(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)互動的非完全實時平衡。面對這些深刻變化，新型電力系統(tǒng)的建設(shè)面臨不少挑戰(zhàn)。
（一）去中心化
隨著新能源在我國能源結(jié)構(gòu)中的比重不斷上升，新能源將逐步從補充型電源變?yōu)橹髁π碗娫矗茉垂┙o也將從傳統(tǒng)單一縱向延伸的集中式能源發(fā)展模式逐步演變?yōu)榧惺脚c分布式兼容的新能源發(fā)展模式，形成具有能源供給主體數(shù)量多、生產(chǎn)信息數(shù)量大、地理位置分散等特點的電力生產(chǎn)模式。構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)將推助電力系統(tǒng)向清潔低碳化深入發(fā)展，推動可再生能源為主的分布式能源的廣泛建設(shè)。伴隨著能源供給中可再生能源比例上升，去中心化將成為新型電力系統(tǒng)的特征之一。為了促進具有顯著間歇性、波動性、隨機性特點的新能源進行消納，降低棄風棄光率，提升去中心化的分布式能源高度自治與協(xié)同運行的能力，將成為新型電力系統(tǒng)建設(shè)中面臨的重要問題。
（二）高韌性
1.開放互動的電網(wǎng)
新能源消納方式多樣化和源網(wǎng)荷儲各端設(shè)備效率的提升需求，都對電網(wǎng)韌性提出了更高的要求。新能源具有分布分散、發(fā)電波動性大、地理位置受限等特點，以新能源為主體電源的輸電網(wǎng)中，在交直流混聯(lián)大電網(wǎng)作為資源配置主導的同時，有源配電網(wǎng)、微電網(wǎng)、局部直流電網(wǎng)、分布式能源系統(tǒng)等電網(wǎng)運行模式快速發(fā)展。特高壓骨干網(wǎng)架建設(shè)將促使新能源跨區(qū)域遠距離傳輸和就地消納的交替出現(xiàn)，新能源呈多元消納。另外，隨著源網(wǎng)荷儲各環(huán)節(jié)接入智能化設(shè)備數(shù)量快速增長，電網(wǎng)各方逐漸呈現(xiàn)多向互動、多類型能源互補、發(fā)用電角色智能變換特點，輸電網(wǎng)與配電網(wǎng)將進一步發(fā)揮樞紐平臺的作用，以更為智能靈活的方式實現(xiàn)各類能源設(shè)施的便捷接入，提升使用效率。
2.需求側(cè)響應
需求側(cè)特性變化和智能響應程度將影響新型電力系統(tǒng)的調(diào)峰韌性。隨著分布式電源、多元負荷和儲能的快速發(fā)展，需求側(cè)發(fā)用電產(chǎn)消者大量涌現(xiàn)，需求側(cè)的特性也由傳統(tǒng)剛性與純消費型，向柔性與產(chǎn)消兼具型轉(zhuǎn)變，導致需求側(cè)負荷強度的不可預測性增加。需求側(cè)響應作為削峰填谷保障電網(wǎng)安全運行的重要措施，是增強新型電力系統(tǒng)韌性的重要抓手，成為促進新型電力系統(tǒng)經(jīng)濟高效運營的有效途徑。充分挖掘需求側(cè)可調(diào)節(jié)資源，通過對需求側(cè)的調(diào)節(jié)能力與負荷特性進行改善，擴充可調(diào)負荷容量，調(diào)動網(wǎng)荷互動潛力，引導需求側(cè)響應能力釋放，增強電力系統(tǒng)的調(diào)峰韌性。但是，需求側(cè)用戶響應數(shù)據(jù)管理水平不高、信息互聯(lián)與數(shù)據(jù)共享困難、激勵機制較弱等問題，將直接影響新型電力系統(tǒng)的調(diào)峰韌性。
3.電力電量互動平衡
高比例新能源電力系統(tǒng)中電力生產(chǎn)的隨機性與波動性將為電力系統(tǒng)的電力電量平衡帶來巨大壓力。在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，電力系統(tǒng)生產(chǎn)模式是源隨荷動，發(fā)電側(cè)常規(guī)發(fā)電機組的發(fā)電量可以根據(jù)經(jīng)驗和大數(shù)據(jù)按照負荷需求預測進行精準生產(chǎn)控制，以精準可控匹配準確預測，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的安全可靠運行。但接入大量新能源發(fā)電系統(tǒng)后，源隨荷動的運行模式被打破，電源的隨機性與波動性將直接影響發(fā)電側(cè)生產(chǎn)控制能力。同時，新能源的就地消納將新能源發(fā)電的波動性傳遞到負荷側(cè)，降低了負荷側(cè)的可預測性。源荷雙向隨機波動加劇了負荷高峰時期新能源電力支撐不足的問題，將逐漸形成常規(guī)發(fā)電機組輔助新能源進行電力平衡。面對這一變動，新型電力系統(tǒng)需要建立具有全網(wǎng)協(xié)同、數(shù)字驅(qū)動、智能決策的新型調(diào)控體系，提高電力設(shè)施利用效率，提升整體韌性，促進電力供給與電力需求的相對動穩(wěn)態(tài)平衡。
（三）適應市場變革
為適應政策和市場需要，調(diào)節(jié)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)適應電力市場和碳市場的變革將成為新型電力系統(tǒng)面臨的重要問題。
首先，以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的建設(shè)將推動電力市場的發(fā)展完善。為適應新能源為主要能源的電力環(huán)境，提升電力系統(tǒng)的靈活可靠程度，還原電力的商品屬性、體現(xiàn)電力的價值將成為電力市場化建設(shè)的重點。其中，新能源電價機制和交易機制將成為建設(shè)電力市場的主要發(fā)展重點。在電價機制方面，新備案光伏發(fā)電、風電已進入實行平價上網(wǎng)的無補貼時代。綠證交易和可再生能源消納將成為新能源電力價值發(fā)現(xiàn)的主要影響途徑。在交易機制方面，現(xiàn)有交易中跨省跨區(qū)送受雙方直接交易市場化程度較低、電力交易組織不合理、合同和協(xié)議管理不嚴格、信息披露和報送不及時等問題，降低了市場有效性，阻礙了資源優(yōu)化。建立中長期交易與現(xiàn)貨交易互補的電力交易模式以及跨省跨區(qū)域交易將成為構(gòu)建新型電力系統(tǒng)電力交易機制的重點。新能源發(fā)電受天氣影響顯著，存在間歇性和區(qū)域差異等特點，與中長期合同交易曲線匹配度差，因此需在較大范圍內(nèi)統(tǒng)一優(yōu)化配置，建立全國性的電力交易市場，以多時間尺度建立與新能源特性匹配的交易周期，并建立新能源參與現(xiàn)貨交易的機制，以市場韌性提升現(xiàn)貨市場發(fā)現(xiàn)價格的能力。
其次，火電作為新能源的調(diào)節(jié)和保障電源，仍在新型電力系統(tǒng)中占有重要的地位，而全國碳排放權(quán)交易市場的運營將能夠以市場化手段有效促進電力生產(chǎn)企業(yè)進行清潔低碳轉(zhuǎn)型，推動建設(shè)清潔低碳的新型電力系統(tǒng)。碳交易能夠有效挖掘二氧化碳的商品屬性和金融屬性，有效提升發(fā)現(xiàn)碳價的能力，促進電力生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新，減少排放，以碳價促進電力系統(tǒng)清潔低碳轉(zhuǎn)型。
（四）安全穩(wěn)定運行控制
提升新型電力系統(tǒng)的抗沖擊能力和信息化控制水平將是確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行控制的重要問題。
首先，隨著火電的有序退出，電力系統(tǒng)慣量將隨新能源發(fā)電機組占比的提升呈現(xiàn)下降趨勢，當負荷變化引起電網(wǎng)系統(tǒng)頻率快速變化時，新能源機組將無法提供有效的慣量支撐，以減少電網(wǎng)沖擊。同時，新能源機組的接入也導致大量電子電力設(shè)備接入電力系統(tǒng)。受電子電力設(shè)備的耐受能力的限制，在電網(wǎng)擾動時可能引起發(fā)電機組脫網(wǎng)，影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。因此，新能源機組的占比提升為新型電力系統(tǒng)的控制運行模式提出了新的要求。
其次，電力電子設(shè)備的接入也為新型電力系統(tǒng)的發(fā)展提供除挖掘能源領(lǐng)域本身技術(shù)潛力外的新思路，電力信息通信領(lǐng)域的發(fā)展與接入的電力電子設(shè)備一起，從大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算、區(qū)塊鏈等技術(shù)出發(fā)，通過挖掘海量數(shù)據(jù)，建立數(shù)字化信息系統(tǒng)，以信息技術(shù)提升資源配置的效率，改善電力系統(tǒng)的控制運行模式，提升資源配置效率，提升風險控制水平，突破新型電力系統(tǒng)因大量接入新能源發(fā)電機組帶來的技術(shù)困難。
二、區(qū)塊鏈的解決方案
區(qū)塊鏈作為新一代信息技術(shù)的代表，在建設(shè)新型電力系統(tǒng)的過程中能夠從自身特性出發(fā)，與新型電力系統(tǒng)的特征和面臨的挑戰(zhàn)相結(jié)合，形成具有優(yōu)良匹配的解決方案，助推電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型升級。
（一）屬性匹配
區(qū)塊鏈不需要傳統(tǒng)的中心化結(jié)構(gòu)，而是通過加密算法、共識機制、時間戳等技術(shù)手段，在分布式的系統(tǒng)中實現(xiàn)了不依賴于某個信用中心的點對點交易、協(xié)調(diào)和協(xié)作，從而規(guī)避中心化機構(gòu)普遍存在的數(shù)據(jù)安全、協(xié)同效率和風險控制等問題。區(qū)塊鏈具有分布式對等、數(shù)據(jù)塊鏈式關(guān)聯(lián)、不可偽造和防篡改、透明可信、高可靠性等特點，與新型電力系統(tǒng)去中心化的特性自然匹配，能夠在逐漸分布式化的新型電力系統(tǒng)建設(shè)中通過共識機制、智能合約等區(qū)塊鏈技術(shù)解決系統(tǒng)參與者眾多、數(shù)據(jù)信息多樣化帶來的系統(tǒng)問題。通過由系統(tǒng)參與方共同構(gòu)建的去中心化的信任系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分享系統(tǒng)，實現(xiàn)各方協(xié)作，達到更高效的協(xié)作方式。
（二）系統(tǒng)韌性
1.區(qū)塊鏈的可再生能源消納
以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中，可再生能源的消納能力與消納方式，將直接影響電網(wǎng)韌性。而區(qū)塊鏈技術(shù)在可再生能源消納領(lǐng)域能夠提供良好的解決方案，區(qū)塊鏈技術(shù)可將自身多方協(xié)作、數(shù)據(jù)可追溯性和不可篡改的特點與消納責任權(quán)重計算公式、消納責任權(quán)重、憑證等信息相融合，提升市場主體消納積極性；憑證的發(fā)行和交易通過智能合約自動執(zhí)行也將降低成本，提高消納；憑證上鏈存證可以實現(xiàn)全程溯源，解決憑證核發(fā)流程繁瑣問題，防止虛假交易和重復交易，促進可再生能源消納。
2.區(qū)塊鏈的需求側(cè)響應
在新型電力系統(tǒng)中，需求側(cè)響應依舊作為實現(xiàn)調(diào)峰的重要手段，針對需求側(cè)響應存在的問題，區(qū)塊鏈可聚攏參與需求響應的各方共同部署平臺建設(shè)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，將策略發(fā)布、響應確認、即時執(zhí)行、成效評估、補貼發(fā)放等業(yè)務數(shù)據(jù)全部上鏈，結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)做出需求側(cè)響應的策略制定。通過將可追溯、實時共享的特點與智能合約技術(shù)深度融合，區(qū)塊鏈技術(shù)可以在協(xié)議簽訂、事件發(fā)布、負荷分配、響應反饋、實施與檢測、核證與認定中實現(xiàn)響應發(fā)布、響應分配、響應執(zhí)行、響應監(jiān)管，達到調(diào)峰提效，提升新型電力系統(tǒng)的調(diào)峰韌性。
3.區(qū)塊鏈的綜合能源服務
綜合能源服務是一種新型的、為滿足終端客戶多元化能源供應與消費的能源服務方式，在新型電力系統(tǒng)中綜合服務能夠提升系統(tǒng)整體韌性?；趨^(qū)塊鏈的綜合能源服務覆蓋源網(wǎng)荷儲與能源管理中心全環(huán)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)能源生產(chǎn)信息、能源網(wǎng)分布信息、能耗數(shù)據(jù)、儲能信息等數(shù)據(jù)的上鏈可信背書，全面優(yōu)化業(yè)務流程。在多鏈技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用私鏈+聯(lián)盟鏈的模式，打破數(shù)據(jù)壁壘，構(gòu)建多鏈+綜合能源調(diào)度機制，通過鏈上信息結(jié)合大數(shù)據(jù)智能分析，對企業(yè)負荷的需求、能源供給和儲備進行匹配，提升供給與相應速度，提升綜合協(xié)同效應，實現(xiàn)電力電量的動穩(wěn)態(tài)平衡。
（三）市場交易
1.區(qū)塊鏈的分布式電力交易
隨著新型電力系統(tǒng)中分布式新能源電力機組占比提高，電力交易的類型也由傳統(tǒng)按計劃需求統(tǒng)一組織的計劃式向直接交易、就近消納轉(zhuǎn)變的分布式轉(zhuǎn)變，區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化特性能夠與電力交易的適應性轉(zhuǎn)變契合，提升新能源電力交易的即時性，推動新能源參與現(xiàn)貨交易市場并構(gòu)建中長期交易機制。分布式電力交易中，參與者眾多導致信息不透明、利益不對等、流程復雜等問題雜生，而區(qū)塊鏈技術(shù)則能夠通過數(shù)字簽名、共識機制、智能合約、非對稱加密算法等關(guān)鍵技術(shù)提供匹配的解決方案?；趨^(qū)塊鏈的分布式交易中各節(jié)點地位平等，以報價加密傳輸、智能合約和共識機制達到電力自動交易、自動結(jié)算和良性競爭，實現(xiàn)交易安全透明、產(chǎn)銷利益最大化和交易均衡競爭，有效支撐電力交易的市場化運作，提高市場效率，有利于交易市場的長期穩(wěn)定發(fā)展。
2.區(qū)塊鏈的碳排放權(quán)交易
碳排放權(quán)的市場化交易能夠推動電力的清潔低碳生產(chǎn)，是電力系統(tǒng)低碳運作的重要保障。但是，碳排放權(quán)交易仍存在碳排放數(shù)據(jù)的真實性鑒定和可信記錄、碳指標發(fā)放與交易的可信溯源、監(jiān)管不完善等問題，基于區(qū)塊鏈的碳排放交易解決方案可以實現(xiàn)碳交易配額分配、交易、消耗等過程的全流程數(shù)據(jù)實時跟蹤記錄，并且將企業(yè)信息、交易價格等各種數(shù)據(jù)附加在配額數(shù)據(jù)中，實現(xiàn)后期對各項數(shù)據(jù)的綜合分析，有效解決了現(xiàn)有交易中存在的數(shù)據(jù)不真實、追溯難、監(jiān)管難等問題。
（四）能源大數(shù)據(jù)管理
電子信息通信技術(shù)的迭代已成為電力系統(tǒng)發(fā)展的另一動力，隨著信息化技術(shù)和電子電力設(shè)備在電力系統(tǒng)中的廣泛使用，發(fā)輸變配用各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)海量增加，但各專業(yè)系統(tǒng)間信息無法實現(xiàn)互聯(lián)互通，形成數(shù)據(jù)孤島，造成電網(wǎng)運行的穿透式管控無法順利實施，因此，對數(shù)據(jù)的存儲、確權(quán)、共享和處理將成為提升新型電力系統(tǒng)資源配置和安全運行的重要抓手?；趨^(qū)塊鏈的能源大數(shù)據(jù)管理能夠利用區(qū)塊鏈的分布式存儲、多方共同維護、不可以偽造和篡改等特性達成數(shù)據(jù)的安全存儲、確權(quán)溯源以及公開共享。同時，能夠與其他新一代信息技術(shù)融通，將信息系統(tǒng)從供給側(cè)和需求側(cè)采集的數(shù)據(jù)進行預處理、拆分、計算、檢索、分發(fā)，實現(xiàn)供需自動撮合、綠色電力溯源、能源態(tài)勢感知和能源自動轉(zhuǎn)換，為政府監(jiān)管、需求側(cè)用能、能源調(diào)度和用能分析提供有效支撐，實現(xiàn)供給側(cè)氣、電、熱多能互補，需求側(cè)居民和工業(yè)用能綜合可控，提升新型電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定控制能力。
三、區(qū)塊鏈在新型電力系統(tǒng)中的發(fā)展展望
以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)作為傳統(tǒng)電力的跨越升級，是清潔低碳、安全可控、靈活高效、智能友好、開放互動的系統(tǒng)，將以科技創(chuàng)新、管理創(chuàng)新、商業(yè)模式創(chuàng)新為重要抓手，增強系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力，創(chuàng)新電網(wǎng)發(fā)展模式。區(qū)塊鏈將在提升智能化、適應市場機制和服務雙碳等方面助力新型電力系統(tǒng)建設(shè)。
助力新型電力系統(tǒng)提升智能化水平。在新型電力系統(tǒng)中，源網(wǎng)荷儲各環(huán)節(jié)需要更為緊密的銜接和協(xié)調(diào)的互動，實現(xiàn)高度的智能運行控制。區(qū)塊鏈技術(shù)需在深化已有應用的基礎(chǔ)上，拓展對運行風險預判、新型負荷雙向互動等場景的創(chuàng)新應用，通過技術(shù)手段提升電網(wǎng)韌性，在發(fā)用電產(chǎn)消者涌現(xiàn)的情況下，發(fā)展區(qū)塊鏈在微電網(wǎng)、虛擬電廠、新型儲能等方面的應用，著力提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力，實現(xiàn)靈活調(diào)節(jié)，強化數(shù)字技術(shù)的融合應用，釋放電力大數(shù)據(jù)價值，以提高電力系統(tǒng)的數(shù)字化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化水平，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的智能調(diào)度。
助力新型電力系統(tǒng)適應市場機制變化。隨著高比例新能源消納、碳排放權(quán)交易、電碳市場協(xié)同等領(lǐng)域的不斷演進，區(qū)塊鏈與新型電力系統(tǒng)的結(jié)合需要與電力市場轉(zhuǎn)變相匹配，在繼續(xù)構(gòu)建電力市場信任機制的基礎(chǔ)上，深化新能源的電力現(xiàn)貨和中長期交易的模式創(chuàng)新，提出電碳市場聯(lián)動的區(qū)塊鏈解決方案，積極融入全國統(tǒng)一電力市場建設(shè)，共同推動電力市場、碳市場、電價機制等多種政策與市場工具完善，形成對能源電力、碳市場創(chuàng)新的強大牽引，以區(qū)塊鏈為動力，構(gòu)建能源數(shù)字新生態(tài)，提升電力市場的兼容性。
助力新型電力系統(tǒng)服務雙碳目標。大規(guī)模、高比例的新能源機組接入新型電力系統(tǒng)中將導致綠電交易、新能源消納等高負載型智能雙邊交易場景的處理需求不斷提升，雖然區(qū)塊鏈在這些場景已有成熟的解決方案，但是區(qū)塊鏈運算處理性能及存儲容量將成為限制大規(guī)模短時交易的重要節(jié)點。因此，區(qū)塊鏈技術(shù)在混合型存儲、多級緩存、內(nèi)置合約、分層共識、跨鏈技術(shù)等方面的優(yōu)化將成為新型電力系統(tǒng)服務雙碳目標的重要途徑。同時，區(qū)塊鏈也應發(fā)揮自身信任傳導優(yōu)勢，全面融入碳排放智能監(jiān)測、精準計量等服務體系，加強數(shù)據(jù)溯源與接入，提升對碳監(jiān)測、碳金融等功能的支撐。創(chuàng)新區(qū)塊鏈的雙碳服務解決方案，有效提升新型電力系統(tǒng)的環(huán)境效益。
