基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電力市場綠色證書交易機制研究

王 灝，寶 音，丁 暢

（1.內(nèi)蒙古電力交易中心有限公司，呼和浩特 010010；2.呼和浩特供電局，呼和浩特 010020；3.內(nèi)蒙古電力（集團）有限責(zé)任公司航檢分公司，呼和浩特 010020）

0 引言

可再生能源證書（Renewable Energy Certifi?cate，REC）又稱綠色電力證書，是基于可再生能源配額制度的一項政策工具[1]。為增加可再生能源配額制義務(wù)主體完成配額指標的彈性，多數(shù)電力市場會配合出臺可再生能源證書制度，以購買可再生能源證書作為完成可再生能源配額制的手段和證明[2-3]。

在可再生能源配額制和綠色證書的實踐方面，荷蘭早在1996年引入了開創(chuàng)性的“綠色標簽”制度（1998年修訂），該制度在交易市場的基礎(chǔ)上，由荷蘭電力企業(yè)自愿承諾所要達到的可再生能源目標[4]。意大利、英國、比利時、澳大利亞以及瑞典等國也已實行了可再生能源發(fā)電證書交易政策。美國盡管沒有在聯(lián)邦層面上設(shè)立可再生能源配額制，但約有20個州已經(jīng)在采用各自的配額制度[5]。

2019年5月，國家發(fā)改委、國家能源局下發(fā)了《關(guān)于建立健全可再生能源電力消納保障機制的通知》[6]（以下簡稱《通知》），明確指出實施可再生能源電力消納機制，對于推動我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系具有重要意義。可再生能源消納量以消納可再生電力、購買其他市場主體的超額消納量和購買可再生能源發(fā)電企業(yè)的綠色證書為考核指標。本文在確保綠色電力證書交易的安全性和可靠性前提下，引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)，對區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于綠色證書核發(fā)、交易的可行性進行分析。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)特點

區(qū)塊鏈技術(shù)可以簡單地描述為“去中心化”的分布式數(shù)據(jù)核算、存儲技術(shù)。與現(xiàn)行的集中式和傳統(tǒng)分布式計算和存儲技術(shù)相比，區(qū)塊鏈依賴的是存儲在網(wǎng)絡(luò)多個節(jié)點的分布式賬本，每個節(jié)點均包含一套完整的賬本，記錄鏈上的全部節(jié)點信息，以此實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自我驗證，確保任意節(jié)點數(shù)據(jù)的可信度。區(qū)塊鏈技術(shù)具有以下特點。

1.1 去中心化

區(qū)塊鏈技術(shù)不依賴于中心化的服務(wù)器或管理機構(gòu)，通過分布式核算和存儲技術(shù)，使每個節(jié)點均可實現(xiàn)信息自我驗證及管理。

1.2 開放性

區(qū)塊鏈基于開源技術(shù)，除交易各方私有信息外的數(shù)據(jù)面向全部或多個節(jié)點開放（依據(jù)應(yīng)用場景決定），相應(yīng)節(jié)點可通過公開的接口查詢區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)。

1.3 獨立性

系統(tǒng)內(nèi)所有節(jié)點能夠自動安全驗證、交換數(shù)據(jù)，不受任何人為干預(yù)。

1.4 安全性

區(qū)塊鏈特有的共識機制可以最大限度地確保數(shù)據(jù)變動的有效性，避免惡意篡改數(shù)據(jù)或誤操作。

2 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的綠色證書交易機制設(shè)計

2.1 區(qū)塊鏈技術(shù)與綠色證書交易的適配性分析

（1）去中心化的結(jié)構(gòu)令區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)具有極強的冗余度，各節(jié)點地位均等、數(shù)據(jù)相同，任何節(jié)點數(shù)據(jù)丟失都不會影響整體信息安全。隨著可再生能源消納責(zé)任權(quán)重制度的推行，電力市場綠色證書交易規(guī)模將持續(xù)擴大，采用去中心化的分布式存儲機制可以最大程度確保綠色證書及其交易數(shù)據(jù)的安全。

（2）獨立性令區(qū)塊鏈通過內(nèi)部的共識機制、智能合約等使其可以進行自我驗證[7]，而無需第三方背書，從根本上解決信任問題。利用該特性為綠色證書的核發(fā)、交易設(shè)置共識機制與智能合約，綠色證書核發(fā)、交易均在全網(wǎng)共識基礎(chǔ)上完成，確保其可靠規(guī)范運行。

（3）開放性使鏈上全部節(jié)點除私有信息外的其他信息均處于公開、透明且可追溯的狀態(tài)，任何操作均將被永久記錄。將綠色證書核發(fā)、交易過程置于區(qū)塊鏈上，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點互相監(jiān)督，也更有利于監(jiān)管部門對綠色證書的核發(fā)、交易過程實施監(jiān)管。

（4）根據(jù)共識機制的不同，在完成對相應(yīng)數(shù)量節(jié)點控制前，區(qū)塊鏈安全性使得鏈上的數(shù)據(jù)始終處于不可篡改的狀態(tài)，任何的非法操作均被禁止，從根本上保障鏈上數(shù)據(jù)安全。基于該特性，可以防止未經(jīng)共識的數(shù)據(jù)修改，避免綠色證書持有數(shù)量或交易過程被惡意篡改，維護市場主體的合法權(quán)益。

2.2 總體架構(gòu)

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的綠色證書交易架構(gòu)見圖1。

圖1 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的綠色證書交易架構(gòu)

（1）為避免市場主體惡意囤積可再生能源消納量與綠色證書以及可再生能源發(fā)電企業(yè)發(fā)出的電能被以綠電和綠證兩種方式重復(fù)消納，應(yīng)將電力市場交易中的可再生能源電力交易、可再生能源超額消納量交易作為綠色證書交易的邊界條件之一[8-9]，通過數(shù)據(jù)輸入由電力交易平臺進入綠色證書交易鏈。

（2）電力市場主體/消納責(zé)任主體是綠色證書交易的參與者，作為多個節(jié)點參與區(qū)塊鏈當(dāng)中，完成綠色證書的核發(fā)、交易及其他相關(guān)操作，生成指定區(qū)塊。

（3）電力市場監(jiān)管機構(gòu)依法對綠色證書交易鏈上的行為進行監(jiān)管，擁有讀取交易鏈數(shù)據(jù)的權(quán)限。

2.3 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的綠色證書核發(fā)機制

我國目前實行綠色證書集中核發(fā)機制。本文設(shè)計了基于實用拜占庭容錯機制（Practical Byzan?tine Fault Tolerance，PBFT）的綠色證書核發(fā)機制。相對于POW、POS、DPOS共識機制，PBFT具有占用資源少、共識效率高、去中心化程度較高的特點，可在保證活性（Liveness）及安全性（Safety）的前提下提供F=（N-1）/3（F指無效節(jié)點數(shù)量，N指全部節(jié)點數(shù)量）的容錯度[10]。另外，PBFT不依賴于代幣存在，不需要依靠大量數(shù)據(jù)運算達成共識，對于綠色證書核發(fā)的數(shù)據(jù)任務(wù)更為合適。

將可再生能源發(fā)電企業(yè)上網(wǎng)電量、綠電交易結(jié)算電量作為數(shù)據(jù)源，定義共識目標函數(shù)如下：

式中，Ci+為發(fā)電企業(yè)i可核發(fā)的綠色證書數(shù)量上限；Gi為發(fā)電企業(yè)i上網(wǎng)電量，MWh；Tri為綠電交易結(jié)算電量，MWh。

可再生能源發(fā)電企業(yè)（Customer）申請核發(fā)綠色證書時，按規(guī)則向主節(jié)點發(fā)送請求（Request），主節(jié)點接收請求后向其他節(jié)點進行廣播（Pre-Prepare），其余節(jié)點按照上述共識確定的目標對其申請核發(fā)的綠色證書數(shù)量進行計算并再次廣播（Prepare），全部有效節(jié)點發(fā)起共識（Commit），將共識結(jié)果返回申請方（Reply）完成綠色證書核發(fā)，同時全網(wǎng)記錄[11-12]。PBFT共識機制工作原理見圖2。

圖2 PBFT共識機制工作原理

2.4 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的綠色證書交易機制

綠色證書交易沿用綠色證書核發(fā)所采用的PBFT共識機制，相對于綠色證書核發(fā)過程，綠色證書交易需要經(jīng)買、賣雙方共同參與確認，采用雙邊協(xié)商、集中競價及掛牌交易模式。

2.4.1協(xié)商交易

協(xié)商交易雙方可采用線上或線下協(xié)商模式，商定交易數(shù)量及價格，并在線上進行確認、成交，成交過程及結(jié)果均在區(qū)塊鏈上完成并記錄。基于PBFT共識機制的協(xié)商交易流程如圖3所示。

2.4.2競價交易

競價交易采用集中競價、邊際出清或順序出清模式，買賣雙方分別申報數(shù)量及價格，按照買價由高到低、賣價由低到高順序排列，曲線重合部分成交，成交價格按照出清模式確定。基于PBFT共識機制的競價交易流程如圖4所示。

圖4 基于PBFT共識機制的競價交易流程

2.4.3 掛牌交易

掛牌交易建議采用賣方掛牌、買方摘牌模式，賣方發(fā)布價格及數(shù)量上限，買方按照實際情況選擇是否摘牌及確定摘牌數(shù)量。基于PBFT共識機制的掛牌交易流程如圖5所示。

圖5 基于PBFT共識機制的掛牌交易流程

3 方案分析

3.1 安全性

PBFT共識機制的應(yīng)用，可使鏈上數(shù)據(jù)處于高度不可篡改的狀態(tài)。當(dāng)節(jié)點數(shù)量大于3F+1時，可滿足對F個無效節(jié)點的容錯。按照本文架構(gòu)設(shè)計，將節(jié)點分布于風(fēng)電、光伏、水電企業(yè)，電力用戶及市場運營機構(gòu)，避免任一方可控節(jié)點數(shù)量超過全部節(jié)點的1/3，可避免任一方對鏈上數(shù)據(jù)的非法篡改。在綠色證書核發(fā)、交易過程中，更大程度地降低因數(shù)據(jù)篡改、數(shù)據(jù)錯誤造成的市場安全問題。

3.2 公平性

充分利用區(qū)塊鏈技術(shù)體系中的智能合約技術(shù)，使綠色證書核發(fā)、交易在共識中完成，在傳統(tǒng)協(xié)商、競價、掛牌交易的基礎(chǔ)上增加了基于區(qū)塊鏈智能合約的資產(chǎn)劃撥、合規(guī)性判斷，并在成交審核流程中以PBFT共識機制代替交易組織方審核，全部操作均為區(qū)塊鏈自發(fā)獨立完成，從而規(guī)避交易機構(gòu)不公正或操作失誤引起的各類問題。

3.3 執(zhí)行效率

PBFT不依賴于代幣存在，不需要依靠大量數(shù)據(jù)運算達成共識，具有共識驗證時間短、整體執(zhí)行效率高的優(yōu)勢。按全網(wǎng)不超過100個節(jié)點測算，PBFT機制共識的時延可控制在2~5 s。在面對市場內(nèi)超過400家可再生能源發(fā)電企業(yè)、年核發(fā)綠色證書約4200萬份的超大計算規(guī)模時，仍可具備不遜于傳統(tǒng)核發(fā)和交易方式的執(zhí)行效率。

4 結(jié)語

本文提出的基于PBFT共識機制的綠色證書核發(fā)及交易機制，在規(guī)避不公正、防止壟斷與投機、提高交易及綠色證書存儲安全性方面具有突出優(yōu)勢，且與其他共識機制相比，PBFT共識機制不會明顯影響系統(tǒng)效率，具備廣泛應(yīng)用的條件。