基于智能合約的綠證和碳聯(lián)合交易市場的設(shè)計與實現(xiàn)

馮昌森，謝方銳，文福拴，張有兵，胡嘉驊

（1. 浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院,浙江省杭州市 310023；2. 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院,浙江省杭州市 310007；3. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,浙江省杭州市 310008）

0 引言

隨著可再生能源的發(fā)展,增強(qiáng)電網(wǎng)對以風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電為代表的間歇性可再生能源發(fā)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(fā)電面臨的利用效率低、市場競爭力差的問題,鼓勵環(huán)境友好的可再生能源發(fā)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(quán)的概念,并在一些國家得到應(yīng)用。

可再生能源發(fā)電具有電能和環(huán)境雙重價值,其環(huán)境價值可以由綠證來表征。綠證是一種對可再生能源環(huán)境價值貨幣化的手段,是可轉(zhuǎn)讓、可交易的有價證券［3］。碳排放權(quán)交易將多余的碳排放份額視為商品,通過市場進(jìn)行自由交易。碳排放權(quán)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(chǎn)業(yè)競爭力,促進(jìn)可再生能源發(fā)電的發(fā)展。

目前,學(xué)術(shù)界針對綠證市場與電力行業(yè)內(nèi)碳市場開展了廣泛的研究。在綠證市場方面,文獻(xiàn)［3］研究了可再生能源價格隨供求關(guān)系在常規(guī)能源價格和綠證價格之和下方波動的動態(tài)均衡過程；文獻(xiàn)［4-5］建立了邊際價格模型和兩階段期權(quán)博弈模型,分析了影響綠證價格的主要因素；文獻(xiàn)［6］探討了綠證在平衡光伏發(fā)電并網(wǎng)價格方面的作用；文獻(xiàn)［7］構(gòu)建了一個互補(bǔ)的、多區(qū)域綜合綠證與電力市場模型,分析了綠證對促進(jìn)可再生能源發(fā)電的經(jīng)濟(jì)影響,并證明綠證對可再生能源發(fā)電企業(yè)的市場競爭力有促進(jìn)作用。

在碳排放權(quán)市場方面,文獻(xiàn)［8-11］分別采用了熵權(quán)法、兩級分配、選舉機(jī)制討論并設(shè)計了與交易市場相匹配的綠證、碳排放配額分配方法；文獻(xiàn)［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(xiàn)［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(jìn)行分析,給出碳排放評級方法并對碳市場價格進(jìn)行預(yù)測；文獻(xiàn)［14-15］分析了歐盟碳排放交易系統(tǒng)（European Union Emission Trading System,EU ETS）與歐洲電力市場之間的相互作用；文獻(xiàn)［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(jī)制的改進(jìn)與調(diào)整方向。現(xiàn)有文獻(xiàn)關(guān)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(xié)調(diào)機(jī)制等領(lǐng)域。

目前,關(guān)于碳市場與綠證交易的聯(lián)合市場的相關(guān)研究仍較少。碳市場與綠證交易市場的目的均是節(jié)能減排與生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展,因此有必要考慮兩者的聯(lián)合市場設(shè)計。此外,綠證與碳排放權(quán)市場對交易信息的準(zhǔn)確性和安全性要求較高,交易主體需要對數(shù)據(jù)異步更新。對于傳統(tǒng)的交易市場這是個很大的挑戰(zhàn),而區(qū)塊鏈技術(shù)則為此提供了一種可行思路。

文獻(xiàn)［17］通過區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)了電動汽車充放電的連續(xù)雙邊拍賣機(jī)制,通過需求響應(yīng)機(jī)制引導(dǎo)電動汽車放電以平衡當(dāng)?shù)仉娏π枨?。文獻(xiàn)［18］基于智能合約構(gòu)筑了電網(wǎng)能源需求平衡和能源生產(chǎn)規(guī)則。文獻(xiàn)［19］建立了基于信譽(yù)的區(qū)塊鏈碳交易市場,提出新型的排放權(quán)交易計劃以實現(xiàn)降低排放量與促進(jìn)減排技術(shù)發(fā)展的雙重目標(biāo)。文獻(xiàn)［20］提出了一種適應(yīng)產(chǎn)消者角色的區(qū)塊鏈點(diǎn)對點(diǎn)（P2P）能源與碳交易市場,在實現(xiàn)區(qū)域能源平衡的基礎(chǔ)上減少了碳排放。文獻(xiàn)［21］提出碳信用額度概念,利用區(qū)塊鏈技術(shù)建立了開放式的交易市場。文獻(xiàn)［22］基于區(qū)塊鏈技術(shù)設(shè)計了電力行業(yè)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(xiàn)［23］通過搭建區(qū)塊鏈底層網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與應(yīng)用環(huán)境建立了一個涵蓋核發(fā)、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(fā)的區(qū)塊鏈能源交易平臺TransActive Grid［24］也已投入商業(yè)運(yùn)行。

基于上述研究,挖掘傳統(tǒng)綠證市場與碳市場的潛力,從節(jié)能和減排兩個角度共同促進(jìn)綠色能源可持續(xù)發(fā)展?；诠餐木G色、低碳目標(biāo),本文提出一種綠證和碳聯(lián)合市場交易機(jī)制設(shè)計,通過全局優(yōu)化配置綠證和碳排放資源以激勵可再生能源發(fā)電和限制傳統(tǒng)化石能源機(jī)組的碳排放量,從而推動能源轉(zhuǎn)型。同時,為保障綠證和碳聯(lián)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(jī)制在以太坊平臺進(jìn)行實現(xiàn),驗證了所提模型和方法的有效性。

1 區(qū)塊鏈與智能合約

區(qū)塊鏈技術(shù)作為一種去中心化、透明化、合約執(zhí)行自動化且具有可追溯性的數(shù)據(jù)庫技術(shù),其核心優(yōu)勢在于能夠保證不同主體之間的相互信任,進(jìn)而極大減少了維護(hù)或重塑信任的成本。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的每一個節(jié)點(diǎn)擁有同樣的權(quán)限,任意節(jié)點(diǎn)的故障異常都不會影響整個數(shù)據(jù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。鏈上記錄的信息在多個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行冗余備份,進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的更新時需要多個節(jié)點(diǎn)共同認(rèn)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(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)存儲擁有較高的魯棒性與可靠性。

區(qū)塊鏈通過區(qū)塊的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)進(jìn)行存儲,如附錄A 圖A1 所示。每個區(qū)塊的區(qū)塊頭保存區(qū)塊鏈自身的狀態(tài)信息,保證了鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的連接與延伸。區(qū)塊體存儲交易記錄信息,并反映至區(qū)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(wǎng)電量等,都會經(jīng)過非對稱加密與各區(qū)塊的多次確認(rèn),從而保障上鏈數(shù)據(jù)的安全準(zhǔn)確可靠。

智能合約［25］是一種部署于區(qū)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(zhí)行合約的計算機(jī)協(xié)議。它保障了區(qū)塊鏈在無需第三方監(jiān)督的條件下高效執(zhí)行各類腳本算法,適應(yīng)各類應(yīng)用場景的邏輯與需求。智能合約與區(qū)塊鏈技術(shù)的融合增加了交易的靈活性,改變了傳統(tǒng)交易系統(tǒng)的順序執(zhí)行模式,更適合實際復(fù)雜的交易應(yīng)用場景。智能合約在區(qū)塊鏈上的部署如圖1 所示。

圖1 智能合約在區(qū)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(fù)責(zé)對交易市場內(nèi)產(chǎn)消者報價進(jìn)行匹配出清,還可以履行監(jiān)管部門的職責(zé),實現(xiàn)對交易信息的自動檢測,例如實際碳排放量數(shù)據(jù)的核查、綠證交易時對綠證所有權(quán)和有效期的確認(rèn)等。

2 基于區(qū)塊鏈的綠證和碳聯(lián)合市場

2.1 現(xiàn)有綠證交易市場與碳排放權(quán)交易市場

國家可再生能源信息管理中心在2017 年核發(fā)了中國首批綠證,并于2017 年7 月1 日起試運(yùn)行綠證自愿認(rèn)購交易。 但截至2020 年7 月,僅有2 200 名認(rèn)購者累計認(rèn)購了37 916 個綠證。其中,風(fēng)電累計交易量占核發(fā)量的比例不足0.2%；光伏累計交易量占核發(fā)量的比例更是不足0.1%［26］?，F(xiàn)行模式下幾乎無法發(fā)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(bǔ)可再生能源補(bǔ)貼資金的巨大缺口［27］。

目前,國際上大部分國家和地區(qū)的綠證市場選定售電商或供電商作為履責(zé)主體來承擔(dān)配額目標(biāo),如表1 所示。澳大利亞、英國、意大利、美國多數(shù)州都采用等比例法將配額目標(biāo)分?jǐn)偟礁髀呢?zé)主體［28］。例如：澳大利亞規(guī)定2020 年電力供應(yīng)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(jī)容量達(dá)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(yuǎn)高于國內(nèi),中國的綠證市場不能照搬國外經(jīng)驗。2019 年5 月10 日,國家發(fā)改委和國家能源局發(fā)布的《關(guān)于建立健全可再生能源電力消納保障機(jī)制的通知》［29］中規(guī)定,中國按省級行政區(qū)域?qū)﹄娏οM(fèi)設(shè)定可再生能源電力消納責(zé)任權(quán)重,由電網(wǎng)企業(yè)承擔(dān)經(jīng)營區(qū)消納責(zé)任權(quán)重實施的組織責(zé)任。國家能源局2017 年7 月17 日發(fā)布的《讓更多人參與綠色電力消費(fèi)》［30］一文中同樣指出,綠證的主要使用者應(yīng)為火力發(fā)電企業(yè)。同時,以發(fā)電側(cè)的化石能源發(fā)電企業(yè)作為綠證配額履責(zé)主體的相關(guān)交易市場機(jī)制［9］、國家級與省級市場協(xié)調(diào)方案［31］以及與結(jié)合電力批發(fā)市場的綜合能源優(yōu)化與綠證交易［32］等相關(guān)研究都已取得一定成果。因此,在現(xiàn)階段中國綠證市場中的交易主體與履約主體都應(yīng)是發(fā)電企業(yè),這是由中國電力市場化程度及可再生能源發(fā)展?fàn)顩r共同決定的。

中國擁有全球最大的碳市場,電力行業(yè)的碳排放又是在所有行業(yè)中占比最大的,建立一個有效的碳市場對促進(jìn)電力行業(yè)的節(jié)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(quán)交易市場,推廣強(qiáng)制交易配額制度是一種改進(jìn)的方式。配額制結(jié)合綠證交易可以起到發(fā)現(xiàn)可再生能源真實價格、體現(xiàn)可再生能源外部特性的貨幣價值、引導(dǎo)可再生能源投資和電網(wǎng)規(guī)劃以及激勵可再生能源生產(chǎn)消納的作用［34］。

目前,中國的碳排放配額多數(shù)仍處于免費(fèi)分配階段,但未來極有可能由免費(fèi)配額逐步轉(zhuǎn)向拍賣。歐盟體系已經(jīng)通過拍賣的方式分配了一定比例的碳配額［35］,而美國的區(qū)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(tǒng)采取了總量管制和交易規(guī)則對各成員國和企業(yè)分配碳排放限額,當(dāng)實際排放量小于限額時,可以將剩余碳排放權(quán)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(jī)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(quán)”［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(quán)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(quán)余額進(jìn)入碳市場進(jìn)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(lián)合市場交易機(jī)制Fig.2 Trading mechanism of joint market for green power certificate and carbon

2.2 配額制下的聯(lián)合交易市場

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(jiān)管部門審查并生成可再生能源發(fā)電公司綠證資質(zhì)。以每個配額制定周期內(nèi)發(fā)電公司實際上網(wǎng)的綠色電量來確定核發(fā)綠證數(shù)量。獲得綠證后發(fā)電公司通過密封報價方式進(jìn)入綠證市場,經(jīng)過連續(xù)雙向拍賣（continuous double auction,CDA）機(jī)制匹配達(dá)成交易后,綠證的所有權(quán)轉(zhuǎn)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(quán)、有效周期（每張綠證有效期為一個配額制定周期）進(jìn)行確認(rèn)。在配額制定周期結(jié)束前,監(jiān)管部門對各產(chǎn)消者所持綠證的有效性和所有權(quán)進(jìn)行檢查,即兌付。經(jīng)過兌付的綠證即失去有效性。對未達(dá)到目標(biāo)配額的產(chǎn)消者以買斷的方式進(jìn)行懲罰。

配額制下碳市場中碳排放權(quán)的交易流程與綠證類似。交易市場開啟前,監(jiān)管部門對參與碳市場的各產(chǎn)消者提供初始碳排放權(quán)配額。進(jìn)入配額制定周期后,監(jiān)管部門通過產(chǎn)消者處的智能電表記錄每個配額制定周期內(nèi)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(quán)余量的用戶根據(jù)自身需求進(jìn)行密封報價,經(jīng)CDA 機(jī)制匹配達(dá)成交易后進(jìn)行碳排放權(quán)的轉(zhuǎn)移。在交易前與交易后同樣需要對被交易碳排放的所有權(quán)、有效周期進(jìn)行確認(rèn)。在配額制定周期結(jié)束前,監(jiān)管部門兌付各產(chǎn)消者的碳排放權(quán)。對超出目標(biāo)配額的產(chǎn)消者以買斷的方式進(jìn)行懲罰。

在聯(lián)合市場中,綠證與碳排放額的撮合匹配階段結(jié)束后,若還存在有綠證余量的產(chǎn)消者與碳排放權(quán)仍未滿足的產(chǎn)消者,將綠證根據(jù)式（1）折算為可抵消的碳排放權(quán)數(shù)量,再次進(jìn)行撮合匹配,直至所有產(chǎn)消者的綠證被全部消耗或所有產(chǎn)消者的碳排放權(quán)限額得到滿足。

式中：η為折算比例；α為交易價格調(diào)整參數(shù),與當(dāng)?shù)乜稍偕茉搭愋?、?lián)合市場運(yùn)行期間氣候條件以及當(dāng)?shù)厝济簝r格有關(guān)；pc為本輪聯(lián)合市場中綠證交易的邊際價格；pg為本輪聯(lián)合市場中碳排放權(quán)交易邊際價格。

2.3 聯(lián)合市場運(yùn)行機(jī)制

基于區(qū)塊鏈的綠證與碳排放權(quán)聯(lián)合交易市場運(yùn)行機(jī)制如圖2 所示。圖2 所示的綠證和碳聯(lián)合市場包括綠證區(qū)塊鏈和碳排放權(quán)區(qū)塊鏈,以及兩條鏈的交互。

綠證交易區(qū)塊鏈：智能電表準(zhǔn)確記錄可再生能源上網(wǎng)電量,并根據(jù)鏈上內(nèi)置規(guī)則自動核發(fā)綠證。擁有綠證配額的企業(yè)都可以進(jìn)入綠證交易市場進(jìn)行交易,可再生能源發(fā)電廠通過出售綠證獲得經(jīng)濟(jì)利益以獲得綠電補(bǔ)貼,化石能源發(fā)電商通過購買綠證獲得相應(yīng)綠證完成配額指標(biāo),通過市場手段完成對綠電企業(yè)的補(bǔ)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(jiān)管過程。

碳排放權(quán)交易區(qū)塊鏈：CCER 由核證的可再生能源與農(nóng)林碳匯等減排項目上鏈組成。碳配額則根據(jù)鏈上記錄的歷史碳排放量按內(nèi)置規(guī)則生成,公開透明。智能電表記錄當(dāng)前周期傳統(tǒng)化石能源發(fā)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(yè)擁有的碳排放權(quán)余額,則該企業(yè)可持有多余的碳排放權(quán)作為碳排放權(quán)交易的賣方進(jìn)入市場；若本輪市場中實際的碳排放量大于企業(yè)持有的碳排放權(quán)余額,則該企業(yè)作為碳排放權(quán)交易的買方進(jìn)入市場。碳配額則根據(jù)鏈上記錄的歷史碳排放量按內(nèi)置規(guī)則生成,公開透明。

聯(lián)合市場機(jī)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(fā)和碳排放權(quán)中CCER 的標(biāo)準(zhǔn),故在聯(lián)合交易前需要將綠證區(qū)塊鏈中的綠證核發(fā)信息同步至碳排放權(quán)區(qū)塊鏈,扣除重復(fù)額度。當(dāng)綠證與碳排放權(quán)分別出清后,持有綠證余額的企業(yè)可以根據(jù)當(dāng)前周期的綠證與碳排放權(quán)的邊際價格將其轉(zhuǎn)化為碳排放權(quán)余額,再次進(jìn)入市場進(jìn)行交易,實現(xiàn)綠證和碳資源的全局配置。

根據(jù)市場交易機(jī)制與競價機(jī)制,市場監(jiān)管者部署智能合約到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中作為綠證與碳排放權(quán)公共智能合約來使用。發(fā)電企業(yè)作為市場主體需要注冊既定結(jié)構(gòu)體的節(jié)點(diǎn)賬戶。若交易主體認(rèn)可該智能合約,則通過合約地址調(diào)用合約,用于市場主體之間的交易與價值轉(zhuǎn)移?；谥悄芎霞s的綠證和碳排放聯(lián)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(lián)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(lián)合市場配額制定周期開啟前,政府及監(jiān)管部門對參與聯(lián)合交易市場的各產(chǎn)消者制定綠證和碳排放配額；各市場主體在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中注冊賬戶,網(wǎng)絡(luò)返回各個用戶的唯一公鑰與私鑰；監(jiān)管部門根據(jù)市場機(jī)制與競價機(jī)制制定智能合約框架。

步驟2：通過資質(zhì)審查的可再生能源發(fā)電公司經(jīng)過智能電表對上網(wǎng)綠電計量后獲得相應(yīng)數(shù)量的綠證；智能電表記錄各產(chǎn)消者的實際碳排放量；各產(chǎn)消者根據(jù)自身需求向網(wǎng)絡(luò)中密封申報綠證與碳排放權(quán)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(diào)用智能合約,制定包括交易對象、截止時間、合約自動執(zhí)行的條件等,并用各自私鑰進(jìn)行簽名,以保證合約的有效性,合約基于CDA 機(jī)制對各產(chǎn)消者的報價進(jìn)行撮合匹配。

步驟4：執(zhí)行的合約通過P2P 的方式在區(qū)域能源網(wǎng)絡(luò)中廣播,最新的合約將集中打包為區(qū)塊傳播到交易市場網(wǎng)絡(luò)中。

步驟5：通過共識機(jī)制驗證的合約在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)傳播并存入?yún)^(qū)塊鏈,交易節(jié)點(diǎn)通過客戶端接口調(diào)用此前得到網(wǎng)絡(luò)認(rèn)可的合約,節(jié)點(diǎn)會將此合約先保存到內(nèi)存中。當(dāng)交易開始后,發(fā)送請求,啟動狀態(tài)機(jī)對出清合約執(zhí)行匹配出清操作,結(jié)算合約再根據(jù)每筆交易的具體細(xì)節(jié)進(jìn)行轉(zhuǎn)賬操作,在規(guī)定時間內(nèi)經(jīng)部分節(jié)點(diǎn)驗證后達(dá)成一致,智能合約執(zhí)行完成。

步驟6：聯(lián)合交易市場配額制定周期結(jié)束前,對各產(chǎn)消者在周期內(nèi)的綠證與碳排放權(quán)的數(shù)量進(jìn)行結(jié)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(chǎn)消者綠證與碳排放權(quán)的數(shù)量,作為下一周期配額制定的依據(jù)。

2.4 配額目標(biāo)及分配

國際上常用的2 種配額目標(biāo)指定方法有可再生能源發(fā)電總量目標(biāo)和比例目標(biāo)。國家能源局2018年3 月發(fā)布的《可再生能源電力配額目標(biāo)及考核辦法（征求意見稿）》確定各?。▍^(qū)、市）可再生能源電量消納占比等于各省（區(qū)、市）可再生能源消納量除以本地區(qū)全社會用電量。由此可設(shè)定綠證配額目標(biāo)。

2.5 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的出清機(jī)制實現(xiàn)

本文所提市場機(jī)制在區(qū)塊鏈上的實現(xiàn)主要分為兩部分：①智能合約的編寫；②搭建私有鏈環(huán)境運(yùn)行。本文采用以太坊官方開發(fā)環(huán)境Remix 平臺進(jìn)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(huán)境。

搭建私有鏈需要有一個“創(chuàng)世區(qū)塊”來對私有鏈進(jìn)行初始化。進(jìn)入Geth 客戶端中調(diào)用已編寫好的“創(chuàng)世區(qū)塊”進(jìn)行私有鏈的搭建。私有鏈搭建完成后,啟動節(jié)點(diǎn)并通過Web3 Provider 環(huán)境將編寫在Remix 上的智能合約部署到私有鏈上。鏈上各節(jié)點(diǎn)即可調(diào)用智能合約實現(xiàn)功能。

智能合約對已提交報價的買賣雙方通過CDA規(guī)則進(jìn)行匹配出清,智能合約運(yùn)行機(jī)制如附錄A 圖A1 所示,聯(lián)合市場運(yùn)行流程如圖3 所示。

3 算例分析

3.1 場景設(shè)計與參數(shù)設(shè)置

假設(shè)有14 個產(chǎn)消者參與綠證和碳聯(lián)合交易市場,其中有12 個發(fā)電公司（6 個風(fēng)力發(fā)電公司和6 個傳統(tǒng)發(fā)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(shè)：①所有帶光伏機(jī)組/組件的節(jié)點(diǎn)均通過了監(jiān)管部門的資格審查,可以產(chǎn)出綠證；②所有發(fā)電公司節(jié)點(diǎn)都有綠證配額與碳排放配額；③普通用戶節(jié)點(diǎn)僅有碳排放配額。

設(shè)定2 條交易鏈,分別處理綠證交易與碳排放權(quán)交易,2 條交易鏈獨(dú)立運(yùn)行,在結(jié)算之前,有綠證余量的產(chǎn)消者可以與仍未滿足碳排放權(quán)需求的產(chǎn)消者進(jìn)行交易,各節(jié)點(diǎn)可進(jìn)行綠證與碳排放權(quán)的兌換。此處以綠證交易鏈為例闡述交易鏈的運(yùn)行邏輯。在仿真中設(shè)置一個交易周期［38］為4 個階段,分別是發(fā)布交易階段、密封報價階段、P2P 撮合匹配階段和結(jié)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(fā)布交易階段,各個產(chǎn)消者根據(jù)自身需求提供報價或出價,分別進(jìn)入報價隊列與出價隊列。當(dāng)滿足報價隊列內(nèi)報價數(shù)量與出價隊列內(nèi)出價數(shù)量同時大于5 時自動觸發(fā)智能合約,報價與出價隊列進(jìn)入P2P 撮合階段。結(jié)算階段的以太幣（單位為eth）與人民幣的匯率統(tǒng)一取：1 eth=1 500 元。在交易周期開始時,假設(shè)每個產(chǎn)消者擁有50 eth 作為初始資金用于報價。

3.2 仿真計算

按照3.1 節(jié)設(shè)計的場景,共有7 位生產(chǎn)者用戶和6 位消費(fèi)者用戶參與聯(lián)合交易市場。聯(lián)合交易市場開啟后,進(jìn)入密封報價階段。各產(chǎn)消者根據(jù)自身實際生產(chǎn)綠證數(shù)以及實際碳排放量提出報價。在仿真實驗中,假設(shè)每個產(chǎn)消者報價信息如圖5、圖6 所示。7 名生產(chǎn)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(fèi)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?？梢?在本輪綠證交易周期的報價環(huán)節(jié)中,有7 名生產(chǎn)者和6 名消費(fèi)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(chǎn)者用戶和6 名消費(fèi)者用戶進(jìn)入聯(lián)合交易市場的下一階段,根據(jù)報價時間的先后順序,將這些用戶進(jìn)行排序撮合。

圖5 生產(chǎn)者出價數(shù)據(jù)Fig.5 Offer data of producers

圖6 消費(fèi)者報價數(shù)據(jù)Fig.6 Bidding data of consumers

密封報價后進(jìn)入P2P 撮合匹配階段。在Remix平臺編寫智能合約實現(xiàn)2.3 節(jié)所述的市場機(jī)制。核心匹配程序分為2 個合約,合約一對各產(chǎn)消者進(jìn)行初始化設(shè)置,包括各產(chǎn)消者的報價、報量等；合約二將各產(chǎn)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(diào)用“創(chuàng)世區(qū)塊”文件建立私有鏈mychain,在鏈上創(chuàng)建并解鎖賬戶以獲得私有鏈上的操作權(quán),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(diào)用撮合匹配函數(shù),將能源交易市場的出清邏輯部署至區(qū)塊鏈中。使用getTransactionReceipt 函數(shù)獲取交易細(xì)節(jié)查詢結(jié)果,如表3 所示。

表3 首筆交易的區(qū)塊信息Table 3 Block information for the first transaction

此時生產(chǎn)者、消費(fèi)者撮合隊列的撮合匹配過程已經(jīng)完成,理論上能夠發(fā)生的各筆交易也已經(jīng)全部完成。綠證市場與碳市場的撮合匹配階段結(jié)束后,若還存在有綠證余量的產(chǎn)消者與碳排放權(quán)仍未滿足的產(chǎn)消者,將綠證折算為可抵消的碳排放權(quán)數(shù)量,再次進(jìn)行撮合匹配,直至所有產(chǎn)消者的綠證被全部消耗或所有產(chǎn)消者的碳排放權(quán)得到滿足。最后進(jìn)入結(jié)算階段,聯(lián)合交易市場會根據(jù)本輪周期中發(fā)生的具體交易情況,對各個產(chǎn)消者進(jìn)行資金、綠證以及碳排放權(quán)結(jié)算,并進(jìn)行轉(zhuǎn)賬操作。在私有鏈中調(diào)用函數(shù)查看結(jié)算后各用戶的余額情況,結(jié)果見表4。表4 中的數(shù)值含義為：正數(shù)表示該產(chǎn)消者擁有的綠證/碳排放權(quán)數(shù)量,負(fù)數(shù)表示該產(chǎn)消者需求的綠證/碳排放權(quán)數(shù)量。

表4 結(jié)算前后各用戶余額Table 4 Customer balance before and after settlement

3.3 仿真結(jié)果與分析

通過調(diào)用智能合約中編寫的相關(guān)函數(shù)可知,在本輪聯(lián)合交易市場周期內(nèi),共發(fā)生了17 筆交易。其中綠證交易市場發(fā)生了10 筆交易,交易綠證數(shù)量、雙方出/報價及出清情況如圖7 所示。交易結(jié)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(fā)生5 筆交易,交易碳排放權(quán)數(shù)量、雙方出/報價及出清情況見圖8。圖7 和圖8 中,藍(lán)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(dá)成交易,共交易了85 張綠證。

圖7 綠證市場出清結(jié)果Fig.7 Clearing results of green power certificate market

圖8 碳市場出清結(jié)果Fig.8 Clearing results of carbon market

交易結(jié)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(chǎn)者A 與生產(chǎn)者F 仍存在綠證余量,消費(fèi)者f 沒能在碳市場中購得與自身實際碳排放相應(yīng)的碳排放權(quán),3 個產(chǎn)消者繼續(xù)進(jìn)行撮合匹配,最終消費(fèi)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(lián)合市場下各產(chǎn)消者可以在區(qū)塊鏈平臺上進(jìn)行綠證及碳排放權(quán)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(chǎn)消者需求時,有效整合綠證與碳排放權(quán)資源：對可再生能源發(fā)電公司來說,可以有效處理周期內(nèi)生產(chǎn)出的綠證,實現(xiàn)更高的經(jīng)濟(jì)效益,避免了因綠證過期造成的浪費(fèi)；對傳統(tǒng)化石能源發(fā)電公司來說,通過購買綠證兌換更多的碳排放權(quán),可以避免過多的碳排放量超出碳配額而造成的企業(yè)信譽(yù)降低和監(jiān)管部門的高額罰金；對聯(lián)合市場作用區(qū)域電網(wǎng)來說,鼓勵了可再生能源發(fā)電公司的發(fā)電,并通過聯(lián)合市場轉(zhuǎn)化為實際的經(jīng)濟(jì)效益,可以有效促進(jìn)可再生能源的消納。

4 結(jié)語

為應(yīng)對化石能源枯竭和全球變暖問題,有效促進(jìn)可再生能源在配電網(wǎng)中的消納以及對高耗能發(fā)電公司的碳排放限制,本文提出了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的綠證和碳聯(lián)合交易市場機(jī)制。運(yùn)用CDA 機(jī)制設(shè)計了去中心化的綠證和碳排放權(quán)雙邊交易流程。本文將綠證交易市場及碳交易市場有機(jī)結(jié)合,并基于以太坊搭建了去中心化的綠證和碳排放權(quán)雙邊交易平臺,調(diào)用智能合約實現(xiàn)聯(lián)合市場的出清。

本文為區(qū)塊鏈技術(shù)在電力金融領(lǐng)域的階段性研究。區(qū)塊鏈技術(shù)在能源領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于初步探索階段,尤其是共識算法方面。后續(xù)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(diào)度中有效考慮綠證和碳排放權(quán)的市場價值,更準(zhǔn)確地衡量綠色發(fā)電的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境雙重效益。

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