基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈的直購電交易模型

田雨揚(yáng)，盧錦玲，趙洪山，任 惠，王 飛，楊子菲

基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈的直購電交易模型

田雨揚(yáng)，盧錦玲，趙洪山，任 惠，王 飛，楊子菲

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003)

目前，大用戶直購電主要與配額制相結(jié)合，成為推動(dòng)新能源消納的一個(gè)重要方式。為探索一種透明、可靠的直購電方法，依托第三代區(qū)塊鏈超級(jí)賬本技術(shù)，搭建了基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈的直購電交易平臺(tái)。首先，在智能合約中自動(dòng)執(zhí)行直購電交易及碳權(quán)管理功能，確保直購電與碳權(quán)交易路徑安全可查。其次，在直購電市場中引入綠色證書激勵(lì)，并設(shè)計(jì)碳排放權(quán)交易參與直購市場環(huán)節(jié)，對不同交易方式的模型求解。最后，基于設(shè)計(jì)的交易平臺(tái)運(yùn)行交易，完成“報(bào)價(jià)-上鏈-出塊”的全過程。結(jié)果表明，碳權(quán)參與直購市場環(huán)節(jié)可以對高排放企業(yè)起懲罰作用，能通過市場手段引導(dǎo)減排，為直購交易建設(shè)提供新思路。

區(qū)塊鏈；直購電；碳交易；碳中和；配額制

0 引言

大用戶直購電是指具有一定用電規(guī)模的企業(yè)或個(gè)體與發(fā)電機(jī)組或新能源電站直接簽訂購電合同的一種交易形式，這種交易形式可以在售電側(cè)引入競爭機(jī)制，提高電力資源的優(yōu)化配置水平。截至2020年底，大用戶直購電的交易試點(diǎn)工作陸續(xù)開展，直購電量不斷提升。為了應(yīng)對當(dāng)前電力不平衡情況，大用戶直購電低電價(jià)擴(kuò)增用電需求，這樣做一方面可以降低企業(yè)用電成本，另一方面可以降低發(fā)電過剩壓力。在當(dāng)下“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)引領(lǐng)下，電力行業(yè)因高能耗特點(diǎn)成為節(jié)能減排的主力軍。大用戶直購電作為配額制的參與主體，在碳交易市場存在重要價(jià)值。研究碳交易參與下的直購電市場機(jī)制對降低企業(yè)用電成本，實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)具有重要意義。

對大用戶直購電的方式及機(jī)制，有相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1]提出了大用戶直購電幾種新型市場機(jī)制，分別分析了場內(nèi)場外直購電的交易模式。文獻(xiàn)[2-3]更進(jìn)一步研究了大用戶購電的交易算法并進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)。現(xiàn)有的直購電機(jī)制通常會(huì)與新能源消納配合，文獻(xiàn)[4]總結(jié)了大用戶的幾種含新能源交易匹配的直購電方案。文獻(xiàn)[5]對大用戶直購與風(fēng)力發(fā)電共同參與調(diào)度的可行性進(jìn)行分析，提出一種經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。

能源交易離不開有效的安全保障[6-8]，考慮到直購電系統(tǒng)交易規(guī)模大，交易頻次少[9-10]，且直購交易的主體具有去中心化特點(diǎn)，因此需要一種新技術(shù)保障直購電交易市場安全穩(wěn)定運(yùn)行。區(qū)塊鏈作為一種基于分布式網(wǎng)絡(luò)的分散數(shù)據(jù)庫，其在能源領(lǐng)域的應(yīng)用已有大量研究[11-17]。文獻(xiàn)[18]總結(jié)了不同區(qū)塊鏈開發(fā)平臺(tái)特點(diǎn)，介紹了區(qū)塊鏈技術(shù)在電力運(yùn)營管理、市場交易上的應(yīng)用。文獻(xiàn)[19]介紹了區(qū)塊鏈在電動(dòng)汽車充電樁運(yùn)維中的應(yīng)用，以拜占庭容錯(cuò)機(jī)制提高系統(tǒng)響應(yīng)速率。文獻(xiàn)[20]探索了跨鏈技術(shù)在調(diào)頻輔助市場的交易應(yīng)用，使用調(diào)度中繼鏈將發(fā)電側(cè)和高能耗用戶鏈路鏈接。文獻(xiàn)[21-22]從輔助服務(wù)市場發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)，討論了區(qū)塊鏈技術(shù)參與市場改進(jìn)的可行性。文獻(xiàn)[23]構(gòu)建了一種基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈的分布式能源交易模型。另有文獻(xiàn)對于區(qū)塊鏈在綠證及碳交易上的應(yīng)用開展了研究。文獻(xiàn)[24-25]針對綠色證書市場搭建了區(qū)塊鏈的底層環(huán)境和應(yīng)用環(huán)境，并開發(fā)了綠證交易的功能和接口。而對于區(qū)塊鏈在碳交易方面的應(yīng)用，文獻(xiàn)[26]建立了碳配額的成本模型、減排獎(jiǎng)懲模型和匹配模型，利用努力減排值作為三種模型的橋梁。文獻(xiàn)[27]則使用聯(lián)盟鏈進(jìn)行碳交易權(quán)市場的構(gòu)建，并結(jié)合區(qū)塊鏈的跨鏈技術(shù)溝通金融鏈和碳權(quán)鏈。以上文獻(xiàn)均嘗試了將區(qū)塊鏈技術(shù)與電力市場相融合，但并未涉及到直購電領(lǐng)域。

本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，考慮到將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于直購電市場的技術(shù)難點(diǎn)，結(jié)合直購交易特點(diǎn)設(shè)計(jì)基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈的交易模型。首先分析了區(qū)塊鏈技術(shù)與直購電市場的結(jié)合點(diǎn)，為了保障直購電這類交易的安全穩(wěn)定達(dá)成，需要預(yù)先將智能合約嵌入?yún)^(qū)塊中，從智能合約的函數(shù)進(jìn)行直購電及碳交易的耦合設(shè)計(jì)，結(jié)合智能合約的自動(dòng)執(zhí)行特點(diǎn)規(guī)劃完整周期內(nèi)的交易程序。其次，為解決碳交易與直購電結(jié)合的問題，以配額制為結(jié)合點(diǎn)從市場主體的需求出發(fā)設(shè)計(jì)了使用于直購市場的結(jié)算方法。最后，基于超級(jí)賬本平臺(tái)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對算例進(jìn)行驗(yàn)證，證實(shí)所提出直購模型的有效性和可行性。

1 直購區(qū)塊鏈及架構(gòu)設(shè)計(jì)

電力行業(yè)的直購市場作為一種特殊的交易模式，通常與綠色證書及配額交易制度結(jié)合，成為一種促進(jìn)新能源消納的輔助手段。與綠色證書制度類似，碳排放權(quán)作為一種促環(huán)保的機(jī)制被提出?？紤]到直購交易和碳排放權(quán)交易的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種安全可靠的交易系統(tǒng)顯得十分必要。本文依托區(qū)塊鏈的超級(jí)賬本平臺(tái)，通過結(jié)合大用戶與發(fā)電企業(yè)的電能直購和碳排放權(quán)交易市場，深化新能源消納的市場交易品種，助力清潔能源發(fā)展。

1.1 區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)及加密算法

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N類分布式賬本的數(shù)據(jù)模型，其結(jié)構(gòu)可以分為區(qū)塊頭與區(qū)塊體。區(qū)塊頭含時(shí)間戳(timestamp)和隨機(jī)數(shù)(nonce)。一個(gè)區(qū)塊頭不僅記錄前一個(gè)區(qū)塊的哈希值(Hash)，還要包含Merkle根節(jié)點(diǎn)，分別是用戶側(cè)、發(fā)電側(cè)和交易中心側(cè)，每條鏈均采用二叉樹結(jié)構(gòu)在子節(jié)點(diǎn)上記載Hash值。區(qū)塊體是包含區(qū)塊頭及Merkle樹子節(jié)點(diǎn)的部分，其分布式數(shù)據(jù)庫的屬性能完成若干記錄，既可以存放交易信息，也可以存放其他某種信息。根據(jù)其開放程度，區(qū)塊鏈分為公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈，各類型區(qū)別如表1所示，其中聯(lián)盟鏈的組織結(jié)構(gòu)和權(quán)限管理最適宜電力市場的交易場景。按照聯(lián)盟鏈的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)的需求與功能，需要將市場主體進(jìn)行節(jié)點(diǎn)分類。本文所設(shè)計(jì)的直購市場中，主要將主體分為兩類節(jié)點(diǎn)，即交易節(jié)點(diǎn)和監(jiān)管節(jié)點(diǎn)。其中，監(jiān)管節(jié)點(diǎn)為主體節(jié)點(diǎn)，其權(quán)限最高，對全系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫具有讀寫權(quán)限，為記賬和準(zhǔn)入的管理者。市場主體如購電大用戶與發(fā)電企業(yè)為交易節(jié)點(diǎn)，只擁有交易權(quán)限，無記賬和準(zhǔn)入權(quán)限，在市場中的功能主要為發(fā)送交易信息、接受交易信息以及對全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)交易內(nèi)容進(jìn)行記賬。

表1 區(qū)塊鏈鏈路類型對比

區(qū)塊鏈經(jīng)典加密算法主要采取兩種算法：非對稱加密技術(shù)和哈希算法。主要方法是在區(qū)塊中應(yīng)用哈希算法計(jì)算當(dāng)前區(qū)塊的Hash值，并按此步驟計(jì)算默克爾樹中每筆交易的Hash值。在轉(zhuǎn)賬交易中應(yīng)用非對稱加密算法，其運(yùn)作原理如圖1所示，每個(gè)參與直購市場的主體被分配公鑰和私鑰，交易主體寫入交易內(nèi)容時(shí)，用私鑰進(jìn)行數(shù)字簽名，基于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，將簽名和交易內(nèi)容發(fā)送到接受用戶。接受用戶通過對數(shù)字簽名和傳輸內(nèi)容進(jìn)行解密對比摘要內(nèi)容確認(rèn)數(shù)據(jù)。

圖1 區(qū)塊鏈加密原理

1.2 含碳排放直購電交易的合約設(shè)計(jì)

智能合約是一類具有圖靈完備性的合約型程序，建立之初的區(qū)塊鏈以第一代比特幣為代表，不具備合約功能只具有貨幣屬性。經(jīng)過區(qū)塊鏈技術(shù)多年的發(fā)展，以第二代區(qū)塊鏈以太坊中的智能合約演化為第三代區(qū)塊鏈超級(jí)賬本中的鏈碼。鏈碼定義了一個(gè)或一組資產(chǎn)，其可以定義或解析多個(gè)相關(guān)的合約。直購電市場參與主體中發(fā)電企業(yè)和直購買方可以通過直購鏈碼統(tǒng)一運(yùn)轉(zhuǎn)，碳排放市場用戶則可以通過碳交易鏈碼運(yùn)轉(zhuǎn)。鏈碼中支撐合約運(yùn)轉(zhuǎn)的底層協(xié)議主要通過共識(shí)機(jī)制來作為標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的共識(shí)機(jī)制核心內(nèi)容包括節(jié)點(diǎn)選舉、日志復(fù)制和安全保障，將內(nèi)部節(jié)點(diǎn)分為了領(lǐng)導(dǎo)者、跟隨者及選舉者三類節(jié)點(diǎn)。將電力市場與區(qū)塊鏈結(jié)合的關(guān)鍵便在于智能合約的設(shè)計(jì)，智能合約作為一種自動(dòng)執(zhí)行的工具可以有效避免交易內(nèi)容被人為篡改，也避免了因交易后毀約導(dǎo)致的財(cái)產(chǎn)損失。

在設(shè)計(jì)考慮碳排放權(quán)的智能合約時(shí)，考慮到交易對象屬性不同，因此需將各環(huán)節(jié)的合約部署函數(shù)寫在各自合約上。在設(shè)計(jì)基于配額制的直購電量交易合約時(shí)：(1) 在進(jìn)行市場登記時(shí)，觸發(fā)掛牌合約，由各個(gè)參與者提交交易電量與報(bào)價(jià)。同時(shí)在資金賬戶繳納一定數(shù)額的保證金，支付完成后，該筆掛單才能被記載。(2) 在交易掛牌周期結(jié)束后，由交易監(jiān)管機(jī)構(gòu)進(jìn)行安全校核，執(zhí)行校核合約。對校核達(dá)標(biāo)的掛單上傳到匹配系統(tǒng)；對不滿足的掛單，合約會(huì)返回警告，并提示交易雙方重新掛牌。(3) 交易進(jìn)入結(jié)算階段后，按照所提出的匹配算法，觸發(fā)出清合約，自動(dòng)計(jì)算交易金額及交易量，不需要人為參與。保障電量交易的安全可靠。

在設(shè)計(jì)碳排放權(quán)交易智能合約時(shí)，本文主要考慮到：(1) 在調(diào)用配額分配函數(shù)時(shí)，監(jiān)管機(jī)構(gòu)根據(jù)指標(biāo)對各主體進(jìn)行配額，并自動(dòng)執(zhí)行鏈碼。各交易主體需向合約支付一定違約金，相較于傳統(tǒng)模式下政府組織的排放權(quán)交易，基于市場機(jī)制下的交易模式可以有效激勵(lì)企業(yè)減排。(2) 當(dāng)完成一個(gè)排放權(quán)履約周期時(shí)，鏈碼的自動(dòng)決策系統(tǒng)將結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集各市場主體指標(biāo)的執(zhí)行情況，計(jì)算出碳排放缺額情況，并自動(dòng)執(zhí)行匹配算法。避免了在政府組織碳交易體系中，參與主體逃避減排責(zé)任等問題，可充分發(fā)揮減排獎(jiǎng)懲的激勵(lì)作用。(3) 企業(yè)進(jìn)入交易結(jié)算階段時(shí)，觸發(fā)碳結(jié)算智能合約，自動(dòng)進(jìn)行交易結(jié)算操作。基于鏈碼的交易無需通過相關(guān)部門的人工審核，可提高碳交易效率，節(jié)約交易成本。

按照交易流程，碳市場與直購市場合約一旦被部署上鏈，將并行運(yùn)轉(zhuǎn)，按照程序自動(dòng)執(zhí)行交易。鏈路上的交易內(nèi)容一方面可以被用作交易憑證，另一方面可以作為分布式數(shù)據(jù)庫，便于后期校核交易賬本。

1.3 直購交易總體架構(gòu)

基于聯(lián)盟鏈平臺(tái)的直購市場架構(gòu)如圖2所示，完整的交互系統(tǒng)由業(yè)務(wù)層、服務(wù)層和由聯(lián)盟鏈平臺(tái)為基礎(chǔ)的信息層組成，層與層之間相互嵌套，構(gòu)成一個(gè)完整的分布式交易系統(tǒng)。信息層中，每條單獨(dú)的鏈路區(qū)塊都是由區(qū)塊頭和區(qū)塊體組成。各交易主體提交的交易信息由鏈碼記載于區(qū)塊中，為服務(wù)層和業(yè)務(wù)層提供數(shù)據(jù)運(yùn)行支持。服務(wù)層中，市場主體根據(jù)自身節(jié)點(diǎn)類型提交注冊信息，交易組織的證書頒發(fā)機(jī)構(gòu)(Certificate Authority, CA)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行注冊信息的準(zhǔn)入認(rèn)證。認(rèn)證通過的市場主體的信息統(tǒng)一入庫管理，根據(jù)鏈碼和加密算法生成系統(tǒng)唯一標(biāo)識(shí)的身份字符串并分配公鑰和私鑰。公鑰全網(wǎng)公開，私鑰返回主體節(jié)點(diǎn)進(jìn)行本地存儲(chǔ)，獲得私鑰的市場主體可以獲得碳權(quán)交易應(yīng)用系統(tǒng)的交易準(zhǔn)入權(quán)限。 業(yè)務(wù)層主要是由分布式應(yīng)用和系統(tǒng)前端組成，包含監(jiān)管主體界面和交易主體界面。提供市場交易與資金結(jié)算的數(shù)據(jù)交互及展示功能。

圖2 聯(lián)盟鏈直購交易架構(gòu)

市場架構(gòu)如圖3所示，各市場參與主體首先調(diào)用注冊合約繳納一定保證金完成準(zhǔn)入注冊，根據(jù)主體的身份劃分不同類型節(jié)點(diǎn)。準(zhǔn)入后的主體在直購周期內(nèi)通過直購電匹配合約完成各主體直購交易出清，依據(jù)直購交易結(jié)果，通過合約之間調(diào)用將結(jié)果傳輸?shù)教寂欧艡?quán)交易業(yè)務(wù)結(jié)算中，依據(jù)監(jiān)管機(jī)構(gòu)下發(fā)的排放額度決定是否購買，可買賣用戶之間相互撮合完成碳排放權(quán)的流通并再次記載到區(qū)塊中。待碳排放權(quán)匹配交易后，結(jié)算中心調(diào)用清算合約將直購電交易與碳排放權(quán)交易結(jié)果進(jìn)行核實(shí)，完成計(jì)及碳排放權(quán)的直購市場出清，至此本輪直購市場交易完成。

圖3 總體市場架構(gòu)

2 含碳交易的直購電市場機(jī)制與模型

2.1 大用戶直購電及配額制

傳統(tǒng)的大用戶直購電參與方主要包括大用戶、發(fā)電企業(yè)和交易機(jī)構(gòu)。符合準(zhǔn)入機(jī)制的大用戶和發(fā)電商按照事先約定的交易方式直接簽訂購電合同。這一方式打破了由電力公司主導(dǎo)的壟斷市場格局，一方面有效降低企業(yè)的購電成本，另一方面可以與新能源消納政策結(jié)合，引導(dǎo)市場發(fā)展。直購交易模式按照區(qū)域可以分為省內(nèi)大用戶直購和跨省直購。按照交易方式又可分為協(xié)商式雙邊交易、集中撮合交易、集中競價(jià)交易及集中掛牌交易[2]。交易中心負(fù)責(zé)發(fā)布交易內(nèi)容，參與直購的企業(yè)和發(fā)電商在規(guī)定時(shí)間內(nèi)提交交易需求。交易中心按照一定的交易方法確定交易雙方，調(diào)度中心對匹配后的交易進(jìn)行安全校核及阻塞管理，得到有約束的交易結(jié)果，最終調(diào)度機(jī)構(gòu)按照簽訂的合同進(jìn)行電能輸送。集中撮合模式作為應(yīng)用最普遍的的直購交易，流程如圖4所示。參與集中撮合交易模式的目標(biāo)函數(shù)為社會(huì)福利值最大，如式(1)所示。

為了應(yīng)對新能源消納問題和減輕“棄風(fēng)棄光”現(xiàn)象，市場先后出臺(tái)了配額制和綠色電力證書交易機(jī)制。對于可再生能源發(fā)電企業(yè)，其發(fā)出一定量的綠色電能后，會(huì)相應(yīng)獲得一定數(shù)量的綠色證書；對于大用戶也是相同道理。交易部門根據(jù)實(shí)際的情況和需要，為市場主體分配一定數(shù)量的綠色能源額度，以要求市場參與者在結(jié)束交易周期后歸還綠色證書來完成配額。由綠證制度所衍生出的交易市場，交易雙方可以根據(jù)需求購買或出售綠色證書，以此完成配額指標(biāo)。

圖4 直購電交易流程

基于配額制的直購交易結(jié)算算法如式(2)和式(3)所示?；谂漕~制的直購電交易算法是以高低匹配為基礎(chǔ)改進(jìn)的匹配矩陣法，包含了綠色證書參與市場的成本。其中含個(gè)買家和個(gè)賣家的匹配矩陣可以表示為式(2)，社會(huì)福利折算公式如式(3)所示。

式中：T為交易的綠色證書數(shù)量；P為由市場供需鎖定的綠色證書價(jià)格；Z為大用戶直購的政府補(bǔ)貼。撮合方法按照折算后的X從大到小依次確定交易雙方序號(hào)。確認(rèn)交易雙方后，在矩陣中移除該行或該列并更新矩陣進(jìn)行下一輪匹配，直到社會(huì)福利小于0，交易結(jié)束。每輪交易的結(jié)算費(fèi)用按照社會(huì)福利均分方式確定。其中，跨省交易的大用戶結(jié)算價(jià)格表示為

2.2 考慮碳交易的直購市場機(jī)制

典型的碳交易權(quán)市場采用基準(zhǔn)線法[28]進(jìn)行碳配額分配。在市場中，主體可以根據(jù)自身需求，申報(bào)碳權(quán)交易量，以市場為引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)對減排成本的有效調(diào)控。碳減排的獎(jiǎng)懲，通常是依據(jù)市場價(jià)格來反映。碳排放交易的匹配與直購電匹配算法類似，市場中購碳權(quán)賣方價(jià)格需低于買方價(jià)格，雙方按照報(bào)價(jià)次序，買方報(bào)價(jià)從高到低進(jìn)行排序，賣方價(jià)格從低到高進(jìn)行排序，然后進(jìn)行匹配。直到報(bào)價(jià)截止時(shí)間或者到達(dá)結(jié)束輪次，結(jié)束本次交易匹配，交由交易機(jī)構(gòu)進(jìn)行出清登記。市場約束為

市場用戶的碳權(quán)交易費(fèi)用為

式中，P,c為第個(gè)用戶的出清價(jià)格。碳權(quán)交易價(jià)格約束為

黨支部制定了驛站管理制度、服務(wù)群眾工作制度、坐班工作制度等，安排機(jī)關(guān)正式黨員作為工作人員到驛站開展服務(wù)，先后開展了入戶幫扶度夏收、環(huán)衛(wèi)一線送清涼、濕地公園除雜草、城管執(zhí)法體驗(yàn)日等主題活動(dòng)，拉近了群眾和黨員的距離，讓群眾時(shí)刻感受到黨組織、黨員就在身邊。

綠色證書的配額方法按照式(11)—式(13)進(jìn)行約束。

2.3 含碳權(quán)交易的直購電市場出清模型

直購市場的火電機(jī)組由于排放性能不同，會(huì)產(chǎn)生一定的碳排放差額。在注冊準(zhǔn)入環(huán)節(jié)，各發(fā)電商提交該機(jī)組碳排放能力，基于基準(zhǔn)線法確定碳額度。在實(shí)時(shí)市場中根據(jù)不同類型的機(jī)組發(fā)電量，在智能合約中匹配并得到差額，機(jī)組根據(jù)需求進(jìn)入調(diào)用合約交易。碳排放權(quán)市場的建立可以有效促進(jìn)低排放企業(yè)利用其技術(shù)優(yōu)勢獲取配額，對超排放機(jī)組則回收一定配額。有效促進(jìn)機(jī)組向減排目標(biāo)前進(jìn)，提高減排積極性。同時(shí)，大用戶購買新能源電能時(shí)可以獲得碳配額，使用火電機(jī)組電能則回收一定配額，有利于建立市場機(jī)制引導(dǎo)下的綠色發(fā)展新模式。

按照圖3設(shè)計(jì)的市場架構(gòu)，首先，市場各主體確認(rèn)自身準(zhǔn)入權(quán)限，由交易中心進(jìn)行登記。確認(rèn)資格后，按照直購電配額與碳交易配額，分別分配給參與交易的各個(gè)主體交易指標(biāo)。在報(bào)價(jià)周期內(nèi)，直購電買賣雙方進(jìn)行電能交易申報(bào)，交由中央機(jī)構(gòu)進(jìn)行撮合，達(dá)成電能交易意向。按照集中撮合匹配算法計(jì)算后，匹配雙方根據(jù)確定的合約進(jìn)行交易。電能交易階段結(jié)束后，對碳排放額指標(biāo)達(dá)成度進(jìn)行計(jì)算，確認(rèn)各碳市場主體缺額或剩余情況，按照配額需求提交至交易中心，按照碳排放撮合匹配算法匹配，確認(rèn)碳排放權(quán)交易雙方。雙方按照交易確定的價(jià)格和數(shù)量進(jìn)行履約，完成碳排放交易階段。最后，兩階段的交易資金匯至市場出清鏈路，由交易中心統(tǒng)一結(jié)算，對各主體賬戶進(jìn)行清算。至此，該輪交易結(jié)束。

直購電市場在交易中的計(jì)算規(guī)模通常反映匹配組規(guī)模的大小，直購電市場對時(shí)間尺度要求不高且區(qū)塊鏈出塊能力及解密計(jì)算的效率不高，一般可以按照中長期市場(年度簽署)與實(shí)時(shí)市場來劃分。直購市場迭代數(shù)和交易匹配時(shí)間約束表示為

式中：為撮合交易中實(shí)際匹配迭代次數(shù)；max為得到迭代結(jié)果最多需要的次數(shù)；為各階段交易的實(shí)際執(zhí)行時(shí)間，其中bid為簽訂中長期合約的用時(shí)，con為實(shí)時(shí)市場調(diào)用智能合約用時(shí)，queue為匹配到出清隊(duì)列用時(shí)；max為各階段交易最長執(zhí)行時(shí)間，其中max.Y為大用戶與火電機(jī)組確定年度售、購電計(jì)劃的截止時(shí)限；max.D為實(shí)時(shí)市場交易截止期限。通過超級(jí)賬本鏈碼中存儲(chǔ)的交易結(jié)果與實(shí)際的直購結(jié)果比對，同時(shí)通過區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)溯源和不可篡改的特性，構(gòu)建規(guī)范化管理和透明公開的市場環(huán)境。

3 算例分析

3.1 仿真場景設(shè)置

在平臺(tái)的選取上，本文采用基于Hyperledger Fabric內(nèi)核的Z-ledger作為部署平臺(tái)，對比以太坊地傳統(tǒng)交易平臺(tái)，其帶有的權(quán)限管理功能能夠很好地滿足市場的準(zhǔn)入需求。此外，交易平臺(tái)支持自定義智能合約，便于針對不同交互需求設(shè)計(jì)相應(yīng)功能。

仿真硬件環(huán)境上，本章在多臺(tái)計(jì)算機(jī)模擬各電力市場交易方，搭建直購電-碳交易的耦合直購模型，將合約部署到鏈碼容器中，各參與者通過調(diào)用合約實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。此外，在這些計(jì)算機(jī)上按照綠證模式的直購交易進(jìn)行模擬，即交易主體在交易機(jī)構(gòu)的計(jì)算機(jī)上完成交易流程。分析對比兩種模式下的工作效率與經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 算例選取

為了分析不同市場機(jī)制下的直購交易情況，文章從3種交易方案入手。實(shí)驗(yàn)交易鏈碼通過API 在Matlab 2018a環(huán)境下調(diào)用匹配出清程序計(jì)算。調(diào)用計(jì)算機(jī)的CPU為AMD Ryzen 2600X，主頻 3.6 GHz，16 GBRAM。

模擬直購市場交易數(shù)據(jù)見表2—表5，跨區(qū)交易損耗如表2所示。設(shè)有5家不同行業(yè)的工業(yè)大用戶，各大用戶提交掛單如表3，掛單含申報(bào)電價(jià)與電量。設(shè)5臺(tái)火電機(jī)組與5家新能源發(fā)電商參與市場，其中火電機(jī)組可根據(jù)環(huán)保水平包含環(huán)保電廠與非環(huán)保電廠，新能源發(fā)電包含風(fēng)電與光伏。掛單見表4和表5，掛單包含申報(bào)價(jià)格、申報(bào)電量及補(bǔ)貼價(jià)格。并設(shè)代幣與法幣匯率為1Token=0.1元。各主體經(jīng)過提交申請，市場準(zhǔn)入、獲得數(shù)字密鑰后成為市場參與節(jié)點(diǎn)。

方案1：不包含綠色證書交易及碳排放權(quán)的傳統(tǒng)直購市場。此方案在不經(jīng)區(qū)塊鏈平臺(tái)的情況下由仿真平臺(tái)模擬發(fā)起電子合約達(dá)成撮合，按照風(fēng)火打捆比例為1:3參與配額交易，交易資金由交易中心管理。

方案2：含有綠色證書市場的直購電交易模式，此方案經(jīng)過仿真平臺(tái)在區(qū)塊鏈上發(fā)起智能合約，鏈碼記載于單鏈上。設(shè)每生產(chǎn)1 MWh綠電會(huì)獲得一本證書，火電機(jī)組每生產(chǎn)1 MWh需交納 0.2 本證書，綠色證書價(jià)格分別按照250 token/本、300 token/本和350 token/本3種標(biāo)準(zhǔn)定價(jià)。工業(yè)大用戶配額指標(biāo)合格后，可以將多余的指標(biāo)在綠證市場流轉(zhuǎn)獲得額外收益。

表2 跨區(qū)交易損耗及輸電費(fèi)用

表3 大用戶掛單情況

表4 常規(guī)機(jī)組掛單情況

表5 新能源發(fā)電掛單情況

方案3：綠色證書市場與碳排放權(quán)市場結(jié)合，鏈碼寄存于聯(lián)盟區(qū)塊鏈中運(yùn)行。設(shè)碳排放權(quán)基準(zhǔn)價(jià)格為250 token/t[27]。年度單位綜合發(fā)電碳排放基準(zhǔn)設(shè)定為760 g/kWh，具體各機(jī)組二氧化碳排放量見表4。各機(jī)組之間通過碳排放權(quán)區(qū)塊鏈的交易，滿足配額需求。

3.3 仿真分析

根據(jù)不同方案的交易設(shè)計(jì)，方案1通過傳統(tǒng)交易匹配模式對市場主體掛單進(jìn)行出清，由交易中心對交易過程進(jìn)行全程監(jiān)管。由于方案1不考慮綠證交易，僅考慮打捆配額的方式促進(jìn)新能源消納，綠色能源收益較少，發(fā)電聯(lián)盟總利潤較低。

由表6的結(jié)果對比可見，方案2引入綠色證書進(jìn)行市場激勵(lì)，既能夠幫助新能源消納，壓低競爭成本，又可以為新能源發(fā)電商帶來額外收益。從各組不同綠證價(jià)格數(shù)據(jù)對比來看，當(dāng)綠證價(jià)格提高時(shí)，市場總體收益也隨之增加。說明綠色證書在大用戶 直購的市場機(jī)制中為新能源的消納提供了保障，也為市場主體的報(bào)價(jià)策略提供一定調(diào)整參考。

方案3的仿真結(jié)果由表7所示，非環(huán)保機(jī)組超過基準(zhǔn)，需向環(huán)保機(jī)組購買一定碳權(quán)。碳排放權(quán)市場引入對直購模式起到一定輔助作用，彈性價(jià)格可以利用市場引導(dǎo)發(fā)電企業(yè)節(jié)能減排，推動(dòng)低碳技術(shù)發(fā)展。基于聯(lián)盟鏈的交易平臺(tái)可以保障綠色證書及碳排放權(quán)交易的公開透明，有助于公眾對市場的監(jiān)督。交易結(jié)果、交易規(guī)則、數(shù)據(jù)處理均由鏈碼完成，為直購市場帶來更完善的去中心化市場體驗(yàn)。

表6 不含碳排放權(quán)直購交易結(jié)果

表7 含碳排放權(quán)直購交易結(jié)果

完整交易通過 Z-Ledger 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，交易的賬戶信息見圖 5，包含所有主體賬戶的哈希值及其資產(chǎn)。交易的轉(zhuǎn)賬信息如圖 6所示，記載了每一筆訂單的哈希值以及交易的內(nèi)容。通過本文仿真的轉(zhuǎn)賬結(jié)果表明，區(qū)塊鏈平臺(tái)下的智能合約可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)大用戶基本直購交易，且可以實(shí)現(xiàn)綠色證書、碳交易權(quán)的配額交易管理等功能。相較于政府組織的直購交易，該模式可以有效避免惡意競爭，且數(shù)據(jù)分布式存放能增強(qiáng)交易安全性。此外，基于企業(yè)級(jí)聯(lián)盟鏈的平臺(tái)搭建還能防止數(shù)據(jù)被非主體用戶篡改和查看。

圖5 交易初始賬戶信息

圖6 交易結(jié)果轉(zhuǎn)賬圖

4 結(jié)語

本文在考慮碳排放權(quán)參與直購電市場的情況下，依托聯(lián)盟區(qū)塊鏈交易平臺(tái)，編寫不同交易品種下的交易智能合約。并結(jié)合傳統(tǒng)交易模式構(gòu)建了含碳排放權(quán)的直購交易模型，并通過算例驗(yàn)證了市場機(jī)制和交易平臺(tái)的可行性。測試結(jié)果表明本文所提出的交易模型可以為直購市場中的新能源發(fā)電及低碳排放機(jī)組帶來額外收益，且基于聯(lián)盟鏈的交易平臺(tái)可以滿足市場模型的需求。

針對大用戶直購電這一特殊的電力交易模式，文章分析了傳統(tǒng)基于配額制的市場模型并加以改進(jìn)。在雙碳目標(biāo)的引導(dǎo)下，配額制和碳排放權(quán)交易是我國電力市場未來發(fā)展的重要窗口，同時(shí)區(qū)塊鏈及其加密技術(shù)已逐步發(fā)展成熟，兩者結(jié)合可以充分激活市場潛力。本文所建立的基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈技術(shù)的直購模型可以有效助力電力行業(yè)直購交易體系，構(gòu)建公開可靠的市場環(huán)境，為大用戶、配額制和碳排放權(quán)接入電力市場的區(qū)塊鏈交易平臺(tái)聯(lián)合規(guī)劃提供研究基礎(chǔ)，為后續(xù)研究提供一定的參考和借鑒意義。

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Direct purchase electricity transaction model based on a consortium chain

TIAN Yuyang, LU Jinling, ZHAO Hongshan, REN Hui, WANG Fei, YANG Zifei

(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

At present, the direct purchase of electricity by large users is mainly combined with a quota system.This has become an important way to promote new energy consumption.In order to explore a transparent and reliable direct power purchase method, relying on third-generation blockchain super ledger technology, a direct power purchase trading platform based on the alliance blockchain is built.First, the direct power purchase transaction and carbon rights management functions are automatically executed in the smart contract to ensure that the direct power purchase and carbon rights transaction paths are safe and checkable.Secondly, this paper introduces green certificate incentives in the direct power purchase market, and designs carbon emission rights trading to participate in the direct purchase market, and analyzes the models of different trading methods.Finally, transactions are run based on the designed trading platform to complete the whole process of "quotation-on-chain-block production".The results show that the participation of carbon rights in the direct purchase market can punish high-emission companies, guide emission reduction through market means, and provide new ideas for the construction of direct purchase transactions.

blockchain; direct power purchase; carbon trading; carbon neutral; quota system

10.19783/j.cnki.pspc.210901

2021-07-14；

2021-09-17

田雨揚(yáng)(1997—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏κ袌?；E-mail: tian_yy@ncepu.edu.cn

，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析、穩(wěn)定和控制。E-mail: lujinling@ 126.com

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃政府間國際科技創(chuàng)新合作重點(diǎn)專項(xiàng)資助(2018YFE0122200)

This work is supported by the Key Special Fund of Intergovernmental Cooperation in International Science and Technology Innovation of National Key Research and Development Program of China (No.2018YFE0122200).

(編輯 周金梅)