基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電力企業(yè)碳減排交易市場機制研究

張建中， 杜 新， 姚建霄， 張繼英， 王曉敏， 胡如樂

（1.南方電網(wǎng)數(shù)字企業(yè)科技（廣東）有限公司， 廣東 廣州 510700；2.北京科東電力控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司， 北京 100192）

0 引言

為了落實《巴黎協(xié)定》，推動國家環(huán)境戰(zhàn)略的實施，引導(dǎo)電力生產(chǎn)碳權(quán)（稱為碳排放）的市場化發(fā)展，建立合理精細(xì)的碳市場，對節(jié)能具有重要意義[1]。減少排放和促進電力貿(mào)易的內(nèi)容，二氧化碳作為電力市場衍生品不需要實物供應(yīng)[2]。目前國內(nèi)電力企業(yè)碳減排交易試驗已取得一定成果，對電力交易機制和交易技術(shù)進行研究，電力市場的發(fā)展必須結(jié)合電力市場平衡機制和市場原則。目前有許多關(guān)于碳權(quán)貿(mào)易的研究[3]，采用分析參數(shù)數(shù)據(jù)收集的方法，對能源碳權(quán)交易策略的組合在不同工況下進行模擬。對廣州碳權(quán)交易中心的碳銷售價格進行了預(yù)測，并基于根距離函數(shù)研究綠色增長因子的投資率[4]?；诮?jīng)驗?zāi)Ｊ健⒎崔D(zhuǎn)、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機等模塊，并給出了碳權(quán)銷售價格的預(yù)測方法[5]。利用綠色能源市場作為電力市場機制的一部分來促進綠色能源的發(fā)展，對電力市場進行了深入的研究。此外，科學(xué)家們還使用影子價格模型來評估碳販運價格的扭曲，并在模型的基礎(chǔ)上分析了政策對試點城市碳權(quán)排放實施的影響，該模型指的是在營銷市場中構(gòu)建碳市場減排交易算法。該技術(shù)具有抗阻性、安全儲存和可追溯性[6]。企業(yè)區(qū)塊鏈系統(tǒng)組件具有鏈碼配置和業(yè)務(wù)隔離功能。為碳權(quán)販運提供安全便捷的技術(shù)支持。在考慮碳成本的情況下，基于阻塞技術(shù)的特點，提出利用技術(shù)應(yīng)用綠色能源證書的營銷場景，為電力行業(yè)清潔化的應(yīng)用提供了支持和參考，根據(jù)碳權(quán)技術(shù)的特點，將普通鏈和私有鏈等區(qū)塊技術(shù)與碳權(quán)交易的應(yīng)用相結(jié)合，并在碳交易區(qū)塊網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上，阻塞鏈具有獨特的業(yè)務(wù)服務(wù)功能，隔離不同企業(yè)的數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的安全和傳播[7]?？傮w而言，使用封鎖技術(shù)進行的碳販運研究主要是由于碳販運各方面缺乏透明度，以及數(shù)據(jù)中心操作中的風(fēng)險和相互轉(zhuǎn)移問題。碳權(quán)貿(mào)易包括市場單位的經(jīng)濟利益，需要一個安全、透明和相互信任的貿(mào)易環(huán)境。同時碳權(quán)交易的應(yīng)用可以為未來的綠色證書和“綠色能源”核能交易提供一個適當(dāng)?shù)臉I(yè)務(wù)擴展平臺，并為碳法律市場發(fā)展一個互信增強的交易環(huán)境。

1 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電力企業(yè)碳減排交易市場機制設(shè)計

1.1 電力企業(yè)碳減排交易市場模型

在交易機制中，貿(mào)易活動必須首先確保系統(tǒng)的低碳、安全和穩(wěn)定運行，同時使參與者的總利潤最大化。因此，為了確定目標(biāo)函數(shù)，執(zhí)行以下函數(shù)操作：

式中：f5為電力主體在交易活動中的違約成本；f1、f2、f3、f4為供、售、儲、荷各方的出清收益。

式中：CECB為參與碳排放權(quán)交易所得收益；CEOM為運維成本；CEB為供能收益，在供方交易時需考慮的收益。

式中：EEB，t，x為設(shè)備x在t時段的裝機容量；cg為天然氣單位熱值所對應(yīng)的購價用；ct，x為設(shè)備x在t時段的啟動成本；αt，x為設(shè)備x在t時段的狀態(tài)；αt，x為設(shè)備x在t時段處于啟動狀態(tài)；cms，x為設(shè)備維護單價；eES，t，s、eHS，t，x、cES，ts、cHS，t，s為供能的設(shè)備x在t時段的供電價格、供熱價格、供電量、供熱量；αt，x為設(shè)備x在t時段處于關(guān)停狀態(tài)。

X指定沖突設(shè)備的數(shù)量。試驗時間Δt應(yīng)用于證明供電、供熱、能源供應(yīng)效率以及x裝置在時間t內(nèi)的效率,并且用PES，t，s、PHS，t，x、μES，x、μHS，x來表示，無碳源的碳權(quán)銷售價格用cCO2，i表示，無碳排放系統(tǒng)和無碳排放體系的裝置數(shù)量用I、K來表示。t時段i和k的供能量用Pi，t、Pk，t來表示。k的CO2授予排放權(quán)和碳排放權(quán)用ek、eCO2，k來表示；i轉(zhuǎn)讓可能產(chǎn)生的碳排放用ei來表示，有碳排放源k的碳排放權(quán)購價可以用cCO2，k來表示。

式中：f2為售方收益。更重要的業(yè)務(wù)考慮是系統(tǒng)源費用的平衡以及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，需要彌補潛在的網(wǎng)絡(luò)擁塞成本CPCB。

在交易鏈的t時段增、減出力時的購電單價分別用、來表示；在交易鏈的t時段機組k增加的出力、減少的出力分別用、來表示。

式中：f3為儲方收益。儲運方應(yīng)主要考慮儲運設(shè)備的運營和維護成本以及儲能和輸出的動態(tài)行為。cESMC，a為儲能設(shè)備a的維護單價；EESMC，t，a為儲能設(shè)備a在t時段的建設(shè)容量；儲能設(shè)備總數(shù)用A來表示；儲能設(shè)備a在t時段的儲能容量和儲能單價分別用eESS，t，a、cESS，t，a來表示；儲能設(shè)備a在t時段的放能容量和放能單價分別用eESO，t，a、cESO，t，a來表示。

式中：f4為荷方收益。荷方受益于利用請求的副作用對電網(wǎng)進行調(diào)整的能力，從而獲得適當(dāng)?shù)睦妗Ｘ?fù)荷因響應(yīng)電網(wǎng)的電力需求而造成的經(jīng)濟損失的相關(guān)系數(shù)分別用a1和a2來表示；荷方t時段的售電價格、下調(diào)和上調(diào)的電量分別用cLAS，t、eLASU，t和eLASD，t來表示。

在鎖定環(huán)境中，每個參與電力站點交易的企業(yè)都應(yīng)該形成自己的信用點，并計算每個企業(yè)的失敗成本。假設(shè)企業(yè)作為一個獨立的單位與區(qū)塊鏈相連，設(shè)主體以獨立節(jié)點形式接至區(qū)塊鏈，則每個區(qū)塊中每個企業(yè)的信貸價值計算公式如下：

式中：f5為違約成本。Z為交易主體總數(shù)；VZ為成交次數(shù)。若yz，t?與yz，t不匹配，則產(chǎn)生違約成本，碳排放重量或?qū)嶋H報告電量用yz，t?來表示，z在t時段對于計劃報告，碳重量或電量值用yz，t來表示，z未違約交易的次數(shù)用vz來表示。為方便信用值量化，引入系數(shù)δY，則碳減排交易市場模型為：

1.2 模型去中心化處理

電力企業(yè)碳減排交易市場模型作為區(qū)塊鏈的底層網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，能夠高效地實現(xiàn)各主體間點對點的信息傳輸。碳減排去中心化主要包括3 方面，根據(jù)上述建立的交易市場模型進一步達(dá)成共識。完成交易運轉(zhuǎn)的具體表達(dá)式如式（9）所示：

式中：碳排放交易鏈區(qū)塊中的服務(wù)數(shù)量、最大服務(wù)數(shù)量、交易符合時間和交易符合最長時間分別為RCT、RCT，max、TCT、TET，max，電能交易鏈區(qū)塊中的服務(wù)次數(shù)、最大服務(wù)次數(shù)、服務(wù)匹配時間和最大服務(wù)匹配時間分別用RET、RCT，max、TET、TET，max來表示。

交易運轉(zhuǎn)的公式在式（10）、式（11）和式（12）中體現(xiàn)。

式中：PE，x，t和PES，a，t分別為t時段供能設(shè)備x和儲能設(shè)備a的出力；P1，t為t時段負(fù)荷需求總額。

式中：Um為節(jié)點m的電壓；Ωn為節(jié)點集合；θmn為相位差節(jié)點，Gmn、Bmn分別為實部和虛部是節(jié)點間的導(dǎo)納結(jié)果。Pm、Qm分別為節(jié)點m的有功功率、無功功率。

式中：PE，x，min、PE，x，max分別為設(shè)備x的出力上、下限；PES-C，x，t、PES-C，x，max、PES-C，x，min分別為相關(guān)設(shè)備在t時段的充電出力及其上、下限；PES-D，x，max、PES，D，x，t、PES-D，x，min分別為相關(guān)設(shè)備在t 時段的放電出力及其上、下限。Pl，t、Pl，max、Pl，min分別為線路l在t時段的有功功率及其上、下限；Ql，t、Ql，max、Ql，min分別為線路l在t時段的無功功率及其上、下限。

去中心化的具體表達(dá)式如式（13）所示：

式中：JCS，m，t為主體m在t時段的碳排放權(quán)出售量；JCB，n，t為主體n在t時段的碳排放權(quán)購買量；M和N分別為主體m和n的總數(shù)；JCS，m，max為主體m可出售的碳排放權(quán)總量。通過以上三方面的服務(wù)條件設(shè)定，最終實現(xiàn)碳減排去中心化計算。

1.3 基于區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)電排放交易機制設(shè)計

在現(xiàn)階段的交易階段，需要依靠去中心化模型完成交易的全過程。引入?yún)^(qū)塊鏈后，通過上述交易市場和去中心化的架構(gòu)，設(shè)計以下基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電排放交易機制流程，鑒于區(qū)塊鏈性質(zhì)，交易機制流程如圖1 所示。

圖1 交易機制流程

1）新用戶注冊。提交開戶申請須由用戶本人親自向電網(wǎng)公司執(zhí)行，批準(zhǔn)后，公私鑰地址將自動獲得交易賬戶。

2）加入聯(lián)盟。開始交易前，所在市場內(nèi)的任一交易聯(lián)盟都可以被用戶選擇加入。

3）報價密封。對各時段的自身產(chǎn)能和市場趨勢等綜合研判是交易參與者需要判斷的，進行區(qū)塊鏈技術(shù)加密后對各個時段所供/所需電量和電價進行密封報價，在交易聯(lián)盟系統(tǒng)中進行廣播。

4）解封報價。進行解密公開是交易參與者對密封報價的必要條件。一致的區(qū)塊鏈技術(shù)加密的信息與公開的報價信息，將該用戶加入交易撮合隊列。若為否，該用戶不參與本次交易。

5）區(qū)塊鏈入鏈交易。選舉代理記賬節(jié)點記錄交易撮合結(jié)果，在聯(lián)盟中進行區(qū)塊鏈技術(shù)驗證，成功驗證節(jié)點后，加入交易合同區(qū)塊，獲得交易手續(xù)費作為該區(qū)塊代理記賬節(jié)點的記賬獎勵。

根據(jù)上述模型求解結(jié)果設(shè)計交易鏈的共識機制，選舉的代理記賬節(jié)點為交易參與者的共識值，被選為代理節(jié)點的可能方式為增加共識值。至此完成基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電力企業(yè)碳減排交易市場機制設(shè)計。

2 實驗論證

為了說明本文方法的優(yōu)勢，建立三個方案進行比較分析。傳統(tǒng)方法1 和傳統(tǒng)方法2，利用鎖定技術(shù)，根據(jù)碳權(quán)進行現(xiàn)場電力交易，并對每一種方案進行效益計算。

2.1 實驗準(zhǔn)備

智能合約建立后，EEA 區(qū)塊平臺將發(fā)布電力交易鏈和碳交易鏈，并在模擬IEEE14 單元系統(tǒng)的基礎(chǔ)上做出決策。模擬場景設(shè)置：10 個火電商、10 個風(fēng)電供應(yīng)商、30 個光伏供應(yīng)商、30 家負(fù)載聚合商和20 個儲能供應(yīng)商，Pmax i s 300 MW/d，碳權(quán)申報最高金額為300 元/t，最低限額為200 元/t。其他關(guān)鍵設(shè)備的主要開度表如表1 所示。

表1 其他關(guān)鍵設(shè)備核心參數(shù)

根據(jù)本文中建立的模型樣本，供應(yīng)、裝載和儲存雙方應(yīng)在賣方的封鎖鏈中進行本地交易，計算電力出清的實際時間結(jié)果。

在每一段時間內(nèi)，供應(yīng)、儲存和負(fù)擔(dān)都基于賣家的需求下進行競價的。同時確保各方利益最大化，并確定區(qū)塊鏈中的實際出口價格。各交易主體應(yīng)當(dāng)通過電力排放交易開展碳交易，并得出三種方法交易處理效率對比結(jié)果，如表2 所示。

表2 三種方法結(jié)果對比

2.2 對比實驗

由表2 可知，采用本文方法交易效率最高，平均比傳統(tǒng)方法1 和傳統(tǒng)方法2 處理交易時間分別減少1.43 h 和2.55 h。實驗結(jié)果表明，采用本文方法能夠提高交易效率，更加方便供、儲、售、荷各方進行碳減排交易。

3 結(jié)語

基于區(qū)塊鏈的技術(shù)優(yōu)勢，充分考慮了碳權(quán)的營銷，通過現(xiàn)場電力交易，鼓勵各交易主體參與電力市場競爭的積極性，有助于實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。應(yīng)繼續(xù)通過提供區(qū)塊鏈上的接口和傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)來接通有關(guān)部門。