馮昌森,謝方銳,文福拴,張有兵,胡嘉驊
(1. 浙江工業大學信息工程學院,浙江省杭州市 310023;2. 浙江大學電氣工程學院,浙江省杭州市 310007;3. 國網浙江省電力有限公司經濟技術研究院,浙江省杭州市 310008)
隨著可再生能源的發展,增強電網對以風力發電、光伏發電為代表的間歇性可再生能源發電的消納能力是一項重要課題[1-2]。為緩解目前可再生能源發電面臨的利用效率低、市場競爭力差的問題,鼓勵環境友好的可再生能源發電,國際上提出了可交易綠色電力證書(下文簡稱“綠證”)與碳排放權的概念,并在一些國家得到應用。
可再生能源發電具有電能和環境雙重價值,其環境價值可以由綠證來表征。綠證是一種對可再生能源環境價值貨幣化的手段,是可轉讓、可交易的有價證券[3]。碳排放權交易將多余的碳排放份額視為商品,通過市場進行自由交易。碳排放權交易在通過配額制限制碳排放的同時,利用市場手段提高低碳產業競爭力,促進可再生能源發電的發展。
目前,學術界針對綠證市場與電力行業內碳市場開展了廣泛的研究。在綠證市場方面,文獻[3]研究了可再生能源價格隨供求關系在常規能源價格和綠證價格之和下方波動的動態均衡過程;文獻[4-5]建立了邊際價格模型和兩階段期權博弈模型,分析了影響綠證價格的主要因素;文獻[6]探討了綠證在平衡光伏發電并網價格方面的作用;文獻[7]構建了一個互補的、多區域綜合綠證與電力市場模型,分析了綠證對促進可再生能源發電的經濟影響,并證明綠證對可再生能源發電企業的市場競爭力有促進作用。
在碳排放權市場方面,文獻[8-11]分別采用了熵權法、兩級分配、選舉機制討論并設計了與交易市場相匹配的綠證、碳排放配額分配方法;文獻[12]討論了碳排放配額制下的交易決策及利益分配策略;文獻[13]基于總量管制和交易(cap-and-trade)模式,對中國的碳減排項目進行分析,給出碳排放評級方法并對碳市場價格進行預測;文獻[14-15]分析了歐盟碳排放交易系統(European Union Emission Trading System,EU ETS)與歐洲電力市場之間的相互作用;文獻[16]模擬能源排放市場,分析了能源價格以及排放配額對市場的影響,并提供機制的改進與調整方向。現有文獻關于綠證市場和碳市場的研究多集中于交易報價、初始配額分配、市場評估和協調機制等領域。
目前,關于碳市場與綠證交易的聯合市場的相關研究仍較少。碳市場與綠證交易市場的目的均是節能減排與生態環境的可持續發展,因此有必要考慮兩者的聯合市場設計。此外,綠證與碳排放權市場對交易信息的準確性和安全性要求較高,交易主體需要對數據異步更新。對于傳統的交易市場這是個很大的挑戰,而區塊鏈技術則為此提供了一種可行思路。
文獻[17]通過區塊鏈技術實現了電動汽車充放電的連續雙邊拍賣機制,通過需求響應機制引導電動汽車放電以平衡當地電力需求。文獻[18]基于智能合約構筑了電網能源需求平衡和能源生產規則。文獻[19]建立了基于信譽的區塊鏈碳交易市場,提出新型的排放權交易計劃以實現降低排放量與促進減排技術發展的雙重目標。文獻[20]提出了一種適應產消者角色的區塊鏈點對點(P2P)能源與碳交易市場,在實現區域能源平衡的基礎上減少了碳排放。文獻[21]提出碳信用額度概念,利用區塊鏈技術建立了開放式的交易市場。文獻[22]基于區塊鏈技術設計了電力行業碳交易體系整體框架與碳配額成本決策、減排獎懲以及交易匹配模型。文獻[23]通過搭建區塊鏈底層網絡環境與應用環境建立了一個涵蓋核發、交易、核查的綠證流通全生命周期的綠證交易平臺。國外公司開發的區塊鏈能源交易平臺TransActive Grid[24]也已投入商業運行。
基于上述研究,挖掘傳統綠證市場與碳市場的潛力,從節能和減排兩個角度共同促進綠色能源可持續發展。基于共同的綠色、低碳目標,本文提出一種綠證和碳聯合市場交易機制設計,通過全局優化配置綠證和碳排放資源以激勵可再生能源發電和限制傳統化石能源機組的碳排放量,從而推動能源轉型。同時,為保障綠證和碳聯合市場交易的安全有效、信息公開透明,通過編寫智能合約將所提市場交易機制在以太坊平臺進行實現,驗證了所提模型和方法的有效性。
區塊鏈技術作為一種去中心化、透明化、合約執行自動化且具有可追溯性的數據庫技術,其核心優勢在于能夠保證不同主體之間的相互信任,進而極大減少了維護或重塑信任的成本。區塊鏈網絡中的每一個節點擁有同樣的權限,任意節點的故障異常都不會影響整個數據系統的正常運行。鏈上記錄的信息在多個節點進行冗余備份,進行數據信息的更新時需要多個節點共同認證。被記錄在鏈上的信息將被永久儲存,鏈上同時記錄了信息的完整傳遞路徑以便追溯。這些都使區塊鏈的數據存儲擁有較高的魯棒性與可靠性。
區塊鏈通過區塊的鏈式結構進行存儲,如附錄A 圖A1 所示。每個區塊的區塊頭保存區塊鏈自身的狀態信息,保證了鏈式結構的連接與延伸。區塊體存儲交易記錄信息,并反映至區塊頭的Merkle Root,保障信息不被篡改。所有記錄上鏈的信息,例如智能電表記錄的可再生能源上網電量等,都會經過非對稱加密與各區塊的多次確認,從而保障上鏈數據的安全準確可靠。
智能合約[25]是一種部署于區塊鏈中,在無需第三方參與的情況下,以代碼方式形成、驗證或執行合約的計算機協議。它保障了區塊鏈在無需第三方監督的條件下高效執行各類腳本算法,適應各類應用場景的邏輯與需求。智能合約與區塊鏈技術的融合增加了交易的靈活性,改變了傳統交易系統的順序執行模式,更適合實際復雜的交易應用場景。智能合約在區塊鏈上的部署如圖1 所示。

圖1 智能合約在區塊鏈上的部署Fig.1 Deployment of smart contract in blockchain
在綠證與碳排放交易市場中,智能合約除負責對交易市場內產消者報價進行匹配出清,還可以履行監管部門的職責,實現對交易信息的自動檢測,例如實際碳排放量數據的核查、綠證交易時對綠證所有權和有效期的確認等。
國家可再生能源信息管理中心在2017 年核發了中國首批綠證,并于2017 年7 月1 日起試運行綠證自愿認購交易。 但截至2020 年7 月,僅有2 200 名認購者累計認購了37 916 個綠證。其中,風電累計交易量占核發量的比例不足0.2%;光伏累計交易量占核發量的比例更是不足0.1%[26]。現行模式下幾乎無法發揮綠證作為可流通交易證券的功能,有悖于綠證提出時的主要目的,即通過市場手段填補可再生能源補貼資金的巨大缺口[27]。
目前,國際上大部分國家和地區的綠證市場選定售電商或供電商作為履責主體來承擔配額目標,如表1 所示。澳大利亞、英國、意大利、美國多數州都采用等比例法將配額目標分攤到各履責主體[28]。例如:澳大利亞規定2020 年電力供應中20%為可再生能源;美國得克薩斯州的配額要求是2025 年可再生能源裝機容量達到10 GW。

表1 國際上主要的綠證市場Table 1 Major green power certificate markets in the world
由于國外電力市場的市場化程度遠高于國內,中國的綠證市場不能照搬國外經驗。2019 年5 月10 日,國家發改委和國家能源局發布的《關于建立健全可再生能源電力消納保障機制的通知》[29]中規定,中國按省級行政區域對電力消費設定可再生能源電力消納責任權重,由電網企業承擔經營區消納責任權重實施的組織責任。國家能源局2017 年7 月17 日發布的《讓更多人參與綠色電力消費》[30]一文中同樣指出,綠證的主要使用者應為火力發電企業。同時,以發電側的化石能源發電企業作為綠證配額履責主體的相關交易市場機制[9]、國家級與省級市場協調方案[31]以及與結合電力批發市場的綜合能源優化與綠證交易[32]等相關研究都已取得一定成果。因此,在現階段中國綠證市場中的交易主體與履約主體都應是發電企業,這是由中國電力市場化程度及可再生能源發展狀況共同決定的。
中國擁有全球最大的碳市場,電力行業的碳排放又是在所有行業中占比最大的,建立一個有效的碳市場對促進電力行業的節能減排具有重要作用。中國碳交易市場于2017 年12 月19 日正式啟動[33],目前碳市場同樣存在活力不足的問題。參考國外較為成熟的綠證、碳排放權交易市場,推廣強制交易配額制度是一種改進的方式。配額制結合綠證交易可以起到發現可再生能源真實價格、體現可再生能源外部特性的貨幣價值、引導可再生能源投資和電網規劃以及激勵可再生能源生產消納的作用[34]。
目前,中國的碳排放配額多數仍處于免費分配階段,但未來極有可能由免費配額逐步轉向拍賣。歐盟體系已經通過拍賣的方式分配了一定比例的碳配額[35],而美國的區域溫室氣體減排組織(Regional Greenhouse Gas Initiative,RGGI)則是完全通過拍賣分配配額[16]。歐洲排放交易系統采取了總量管制和交易規則對各成員國和企業分配碳排放限額,當實際排放量小于限額時,可以將剩余碳排放權出售獲利,反之則需要購買。目前,國際上主要的碳市場交易機制如表2 所示。國際上各類碳交易市場所使用的碳商品為“碳排放權”[36]。而中國碳市場目前使用的商品為中國核證減排量(China certified emission reduction,CCER)與碳排放配額。中國試行的碳排放權交易[37]則通過將碳排放配額與核證減排量2 種商品折算為碳排放權余額進入碳市場進行交易,見圖2。

表2 國際主要碳市場Table 2 Major carbon markets in the world

圖2 綠證和碳聯合市場交易機制Fig.2 Trading mechanism of joint market for green power certificate and carbon
本文所提配額制下的綠證交易市場流程為:交易市場開啟前,政府及監管部門審查并生成可再生能源發電公司綠證資質。以每個配額制定周期內發電公司實際上網的綠色電量來確定核發綠證數量。獲得綠證后發電公司通過密封報價方式進入綠證市場,經過連續雙向拍賣(continuous double auction,CDA)機制匹配達成交易后,綠證的所有權轉移到買方用戶。在交易前與交易后都需要對被交易綠證的所有權、有效周期(每張綠證有效期為一個配額制定周期)進行確認。在配額制定周期結束前,監管部門對各產消者所持綠證的有效性和所有權進行檢查,即兌付。經過兌付的綠證即失去有效性。對未達到目標配額的產消者以買斷的方式進行懲罰。
配額制下碳市場中碳排放權的交易流程與綠證類似。交易市場開啟前,監管部門對參與碳市場的各產消者提供初始碳排放權配額。進入配額制定周期后,監管部門通過產消者處的智能電表記錄每個配額制定周期內用戶的實際碳排放量。超出碳排放配額的用戶與有碳排放權余量的用戶根據自身需求進行密封報價,經CDA 機制匹配達成交易后進行碳排放權的轉移。在交易前與交易后同樣需要對被交易碳排放的所有權、有效周期進行確認。在配額制定周期結束前,監管部門兌付各產消者的碳排放權。對超出目標配額的產消者以買斷的方式進行懲罰。
在聯合市場中,綠證與碳排放額的撮合匹配階段結束后,若還存在有綠證余量的產消者與碳排放權仍未滿足的產消者,將綠證根據式(1)折算為可抵消的碳排放權數量,再次進行撮合匹配,直至所有產消者的綠證被全部消耗或所有產消者的碳排放權限額得到滿足。

式中:η為折算比例;α為交易價格調整參數,與當地可再生能源類型、聯合市場運行期間氣候條件以及當地燃煤價格有關;pc為本輪聯合市場中綠證交易的邊際價格;pg為本輪聯合市場中碳排放權交易邊際價格。
基于區塊鏈的綠證與碳排放權聯合交易市場運行機制如圖2 所示。圖2 所示的綠證和碳聯合市場包括綠證區塊鏈和碳排放權區塊鏈,以及兩條鏈的交互。
綠證交易區塊鏈:智能電表準確記錄可再生能源上網電量,并根據鏈上內置規則自動核發綠證。擁有綠證配額的企業都可以進入綠證交易市場進行交易,可再生能源發電廠通過出售綠證獲得經濟利益以獲得綠電補貼,化石能源發電商通過購買綠證獲得相應綠證完成配額指標,通過市場手段完成對綠電企業的補貼。所有綠證交易均在鏈上完成,保障交易的可靠性,并簡化監管過程。
碳排放權交易區塊鏈:CCER 由核證的可再生能源與農林碳匯等減排項目上鏈組成。碳配額則根據鏈上記錄的歷史碳排放量按內置規則生成,公開透明。智能電表記錄當前周期傳統化石能源發電廠的實際碳排放量,若在本輪市場中實際碳排放量小于企業擁有的碳排放權余額,則該企業可持有多余的碳排放權作為碳排放權交易的賣方進入市場;若本輪市場中實際的碳排放量大于企業持有的碳排放權余額,則該企業作為碳排放權交易的買方進入市場。碳配額則根據鏈上記錄的歷史碳排放量按內置規則生成,公開透明。
聯合市場機制:圖2 中兩交易鏈之間的箭頭表示兩條交易鏈的交互,由于部分可再生能源同時滿足綠證核發和碳排放權中CCER 的標準,故在聯合交易前需要將綠證區塊鏈中的綠證核發信息同步至碳排放權區塊鏈,扣除重復額度。當綠證與碳排放權分別出清后,持有綠證余額的企業可以根據當前周期的綠證與碳排放權的邊際價格將其轉化為碳排放權余額,再次進入市場進行交易,實現綠證和碳資源的全局配置。
根據市場交易機制與競價機制,市場監管者部署智能合約到區塊鏈網絡中作為綠證與碳排放權公共智能合約來使用。發電企業作為市場主體需要注冊既定結構體的節點賬戶。若交易主體認可該智能合約,則通過合約地址調用合約,用于市場主體之間的交易與價值轉移。基于智能合約的綠證和碳排放聯合交易流程如圖3 所示,有以下步驟。

圖3 基于智能合約的綠證和碳聯合交易流程Fig.3 Flow chart of joint trading for green power certificate and carbon based on smart contract
步驟1:在聯合市場配額制定周期開啟前,政府及監管部門對參與聯合交易市場的各產消者制定綠證和碳排放配額;各市場主體在區塊鏈網絡中注冊賬戶,網絡返回各個用戶的唯一公鑰與私鑰;監管部門根據市場機制與競價機制制定智能合約框架。
步驟2:通過資質審查的可再生能源發電公司經過智能電表對上網綠電計量后獲得相應數量的綠證;智能電表記錄各產消者的實際碳排放量;各產消者根據自身需求向網絡中密封申報綠證與碳排放權報價信息,包含交易量和價格。
步驟3:參與者通過訪問地址調用智能合約,制定包括交易對象、截止時間、合約自動執行的條件等,并用各自私鑰進行簽名,以保證合約的有效性,合約基于CDA 機制對各產消者的報價進行撮合匹配。
步驟4:執行的合約通過P2P 的方式在區域能源網絡中廣播,最新的合約將集中打包為區塊傳播到交易市場網絡中。
步驟5:通過共識機制驗證的合約在區塊鏈網絡傳播并存入區塊鏈,交易節點通過客戶端接口調用此前得到網絡認可的合約,節點會將此合約先保存到內存中。當交易開始后,發送請求,啟動狀態機對出清合約執行匹配出清操作,結算合約再根據每筆交易的具體細節進行轉賬操作,在規定時間內經部分節點驗證后達成一致,智能合約執行完成。
步驟6:聯合交易市場配額制定周期結束前,對各產消者在周期內的綠證與碳排放權的數量進行結算,超出配額部分的綠證可抵消超出配額部分的碳排放。記錄各產消者綠證與碳排放權的數量,作為下一周期配額制定的依據。
國際上常用的2 種配額目標指定方法有可再生能源發電總量目標和比例目標。國家能源局2018年3 月發布的《可再生能源電力配額目標及考核辦法(征求意見稿)》確定各省(區、市)可再生能源電量消納占比等于各省(區、市)可再生能源消納量除以本地區全社會用電量。由此可設定綠證配額目標。



本文所提市場機制在區塊鏈上的實現主要分為兩部分:①智能合約的編寫;②搭建私有鏈環境運行。本文采用以太坊官方開發環境Remix 平臺進行智能合約的編寫與編譯。所使用編程語言為Solidity 0.4 版本。同時使用以太坊官方開源軟件Geth 客戶端作為私有鏈搭建與測試環境。
搭建私有鏈需要有一個“創世區塊”來對私有鏈進行初始化。進入Geth 客戶端中調用已編寫好的“創世區塊”進行私有鏈的搭建。私有鏈搭建完成后,啟動節點并通過Web3 Provider 環境將編寫在Remix 上的智能合約部署到私有鏈上。鏈上各節點即可調用智能合約實現功能。
智能合約對已提交報價的買賣雙方通過CDA規則進行匹配出清,智能合約運行機制如附錄A 圖A1 所示,聯合市場運行流程如圖3 所示。
假設有14 個產消者參與綠證和碳聯合交易市場,其中有12 個發電公司(6 個風力發電公司和6 個傳統發電公司)和2 個居民用戶。用戶中有1 個安裝了屋頂光伏組件。本文假設:①所有帶光伏機組/組件的節點均通過了監管部門的資格審查,可以產出綠證;②所有發電公司節點都有綠證配額與碳排放配額;③普通用戶節點僅有碳排放配額。
設定2 條交易鏈,分別處理綠證交易與碳排放權交易,2 條交易鏈獨立運行,在結算之前,有綠證余量的產消者可以與仍未滿足碳排放權需求的產消者進行交易,各節點可進行綠證與碳排放權的兌換。此處以綠證交易鏈為例闡述交易鏈的運行邏輯。在仿真中設置一個交易周期[38]為4 個階段,分別是發布交易階段、密封報價階段、P2P 撮合匹配階段和結算階段,時序如圖4 所示。

圖4 綠證市場交易周期Fig.4 Trading cycle of green power certificate market
在發布交易階段,各個產消者根據自身需求提供報價或出價,分別進入報價隊列與出價隊列。當滿足報價隊列內報價數量與出價隊列內出價數量同時大于5 時自動觸發智能合約,報價與出價隊列進入P2P 撮合階段。結算階段的以太幣(單位為eth)與人民幣的匯率統一取:1 eth=1 500 元。在交易周期開始時,假設每個產消者擁有50 eth 作為初始資金用于報價。
按照3.1 節設計的場景,共有7 位生產者用戶和6 位消費者用戶參與聯合交易市場。聯合交易市場開啟后,進入密封報價階段。各產消者根據自身實際生產綠證數以及實際碳排放量提出報價。在仿真實驗中,假設每個產消者報價信息如圖5、圖6 所示。7 名生產者的出價分別為156、136、145、152、143、148、165 元,出價時間分別為116、99、83、96、105、95、49 s;6 名消費者 的 報 價 分 別 為171、168、172、153、163、159 元,報價時間分別為114、88、106、88、56、74 s。可見,在本輪綠證交易周期的報價環節中,有7 名生產者和6 名消費者提出了出/報價,每筆出/報價均未超出密封報價的時間段,都是有效出/報價,最終有7 名生產者用戶和6 名消費者用戶進入聯合交易市場的下一階段,根據報價時間的先后順序,將這些用戶進行排序撮合。

圖5 生產者出價數據Fig.5 Offer data of producers

圖6 消費者報價數據Fig.6 Bidding data of consumers
密封報價后進入P2P 撮合匹配階段。在Remix平臺編寫智能合約實現2.3 節所述的市場機制。核心匹配程序分為2 個合約,合約一對各產消者進行初始化設置,包括各產消者的報價、報量等;合約二將各產消者報價輸入各自隊列,完成排序撮合匹配操作。在geth 客戶端調用“創世區塊”文件建立私有鏈mychain,在鏈上創建并解鎖賬戶以獲得私有鏈上的操作權,通過Web3 Provider 將編寫在Remix平臺上的合約部署于私有鏈mychain 上。接下來調用撮合匹配函數,將能源交易市場的出清邏輯部署至區塊鏈中。使用getTransactionReceipt 函數獲取交易細節查詢結果,如表3 所示。

表3 首筆交易的區塊信息Table 3 Block information for the first transaction
此時生產者、消費者撮合隊列的撮合匹配過程已經完成,理論上能夠發生的各筆交易也已經全部完成。綠證市場與碳市場的撮合匹配階段結束后,若還存在有綠證余量的產消者與碳排放權仍未滿足的產消者,將綠證折算為可抵消的碳排放權數量,再次進行撮合匹配,直至所有產消者的綠證被全部消耗或所有產消者的碳排放權得到滿足。最后進入結算階段,聯合交易市場會根據本輪周期中發生的具體交易情況,對各個產消者進行資金、綠證以及碳排放權結算,并進行轉賬操作。在私有鏈中調用函數查看結算后各用戶的余額情況,結果見表4。表4 中的數值含義為:正數表示該產消者擁有的綠證/碳排放權數量,負數表示該產消者需求的綠證/碳排放權數量。

表4 結算前后各用戶余額Table 4 Customer balance before and after settlement
通過調用智能合約中編寫的相關函數可知,在本輪聯合交易市場周期內,共發生了17 筆交易。其中綠證交易市場發生了10 筆交易,交易綠證數量、雙方出/報價及出清情況如圖7 所示。交易結束時,所有綠證買方的需求均被滿足,同時,部分綠證賣方有綠證余量。碳排放市場發生5 筆交易,交易碳排放權數量、雙方出/報價及出清情況見圖8。圖7 和圖8 中,藍線為買方報價信息,紅線為賣方出價信息,綠線為成交信息。以圖7 為例,F(136,180)表示賣方F 提供的報價是136 元/張綠證,共售出180 張;b-F(154,85)表示買方b 與賣方F 以154 元/張綠證的價格達成交易,共交易了85 張綠證。

圖7 綠證市場出清結果Fig.7 Clearing results of green power certificate market

圖8 碳市場出清結果Fig.8 Clearing results of carbon market
交易結束時,所有擁有多余碳排放額度的賣方的庫存全部清空,仍存在未獲得與自身實際碳排放相匹配額度的買方。在完成綠證市場與碳市場的出清后,生產者A 與生產者F 仍存在綠證余量,消費者f 沒能在碳市場中購得與自身實際碳排放相應的碳排放權,3 個產消者繼續進行撮合匹配,最終消費者f 通過購買額外的綠證用以抵消自身無法在碳市場滿足的多余碳排放量。
由圖7 與圖8 可知,所提聯合市場下各產消者可以在區塊鏈平臺上進行綠證及碳排放權的交易,以滿足自身的綠證及碳排放配額。在綠證市場與碳市場無法完全滿足所有產消者需求時,有效整合綠證與碳排放權資源:對可再生能源發電公司來說,可以有效處理周期內生產出的綠證,實現更高的經濟效益,避免了因綠證過期造成的浪費;對傳統化石能源發電公司來說,通過購買綠證兌換更多的碳排放權,可以避免過多的碳排放量超出碳配額而造成的企業信譽降低和監管部門的高額罰金;對聯合市場作用區域電網來說,鼓勵了可再生能源發電公司的發電,并通過聯合市場轉化為實際的經濟效益,可以有效促進可再生能源的消納。
為應對化石能源枯竭和全球變暖問題,有效促進可再生能源在配電網中的消納以及對高耗能發電公司的碳排放限制,本文提出了一種基于區塊鏈技術的綠證和碳聯合交易市場機制。運用CDA 機制設計了去中心化的綠證和碳排放權雙邊交易流程。本文將綠證交易市場及碳交易市場有機結合,并基于以太坊搭建了去中心化的綠證和碳排放權雙邊交易平臺,調用智能合約實現聯合市場的出清。
本文為區塊鏈技術在電力金融領域的階段性研究。區塊鏈技術在能源領域的應用仍處于初步探索階段,尤其是共識算法方面。后續的研究可以致力于尋找一種新的共識算法,在分布式能源調度中有效考慮綠證和碳排放權的市場價值,更準確地衡量綠色發電的經濟與環境雙重效益。
附錄見本刊網絡版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx),掃英文摘要后二維碼可以閱讀網絡全文。