基于區(qū)塊鏈的可再生能源消納憑證交易系統(tǒng)性能優(yōu)化

張圣楠，張 顯，薛文昊，玄佳興，蔡元紀，陳啟鑫

（1. 北京電力交易中心有限公司，北京 100031；2. 國網(wǎng)電子商務有限公司，北京 100053；3. 清華大學 電機系 電力系統(tǒng)及發(fā)電設備控制和仿真國家重點實驗室，北京 100084）

0 引言

隨著用戶低碳、環(huán)保意識的覺醒，其對于綠色電力消費的需求愈發(fā)清晰強烈。如RE100 組織中有37家成員企業(yè)實現(xiàn)了95%可再生能源的使用率，蘋果、谷歌等公司已經(jīng)實現(xiàn)100%可再生能源供電［1］。氣候組織針對國內開展的“綠色電力使用和需求調研”也表明［2］，電力用戶積極支持可再生能源綠色電力消費，設立或計劃設立量化的綠色電力消費增長目標，希望具有方便的綠色電力獲取途徑。

目前，用戶獲取綠色電力有3 種模式:① 自己建設屋頂光伏等可再生能源的“自發(fā)自用”模式；② 與就近分布式發(fā)電等可再生能源直接交易模式；③ 用戶通過電網(wǎng)購買帶有綠色屬性的電力。由于場地安裝條件、資源情況和投資回報率等因素，“自發(fā)自用”模式難以大規(guī)模普及；分布式直接交易尚處于試點階段，未形成規(guī)?；茝V。因此，通過電網(wǎng)購買綠色電力是最為可行，也最為用戶接受的模式。然而，由電網(wǎng)傳輸?shù)碾娏?，本身不具備綠色屬性，需要通過額外的憑證認證。2019年5月，國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局聯(lián)合印發(fā)的《關于建立健全可再生能源電力消納保障機制的通知》指出［3］:電力用戶在實際消納可再生能源電量外，還可以通過購買其他市場主體超額消納量、自愿認購綠色電力證書等方式，完成可再生能源消納量，認定其消納部分電力的綠色屬性。

據(jù)此，超額消納量交易成為一種新興的交易品種，有助于滿足用戶對綠色電力的消費需求，同時提高用戶履行可再生能源消納責任的靈活性和積極性［4］。超額消納量交易是一種憑證式交易，天然是去中心化和分布式的，不受任何物理約束影響，由其所有者決定具體的交易對象和交易價格［5］。隨著交易規(guī)模的不斷擴大，電網(wǎng)、監(jiān)審機構、平臺運營方、交易主體等海量參與方將涉及其中，對交易狀態(tài)的準確追蹤、驗證具有較高的需求。交易產(chǎn)生的數(shù)據(jù)賬本若以傳統(tǒng)的中心化數(shù)據(jù)庫方式存儲，難以應對惡意攻擊和篡改，面臨安全性的挑戰(zhàn)。

區(qū)塊鏈是集成P2P 協(xié)議、非對稱加密、共識機制、塊鏈結構等多種技術的分布式賬本，具有去中心化、時序數(shù)據(jù)、集體維護、可編程和安全可信等特點［6—7］。區(qū)塊鏈在能源領域有巨大的應用潛力，除了提供去中心化的能源系統(tǒng)，執(zhí)行分布式能源交易外，還可以為計量、計費和結算等流程提供基礎環(huán)境，已有較多關于區(qū)塊鏈+能源的理論、應用和工程實踐研究［8—12］。將區(qū)塊鏈技術應用于可再生能源消納量的憑證交易，能夠滿足“統(tǒng)一設計、安全可靠、配置靈活、智能高效”的設計需求［13—14］，為數(shù)據(jù)賬本的安全性和一致性問題提供了解決方案。

本文提出了基于區(qū)塊鏈的超額消納憑證交易方法，分析了區(qū)塊鏈在市場主體身份認證、憑證核發(fā)以及憑證鏈上交易等環(huán)節(jié)的應用模式。構建了基于區(qū)塊鏈的超額消納憑證交易平臺，估算了平臺的業(yè)務量需求，分析了區(qū)塊鏈應用的潛在性能限制，提出了大票交易、原子合約等性能優(yōu)化措施。之后，在實驗室環(huán)境開展了系統(tǒng)性能測試驗證。

1 區(qū)塊鏈在可再生能源消納憑證交易中的應用模式

完整的交易流程，包括市場主體的登記準入、身份驗證、合同形成、交易執(zhí)行、交易結算、信息披露等諸多環(huán)節(jié)，其中涉及到大量的安全、信任問題，可以應用區(qū)塊鏈加以解決。

1.1 市場主體身份驗證

交易平臺的市場主體登記準入、身份驗證和信息交互目前由中心數(shù)據(jù)庫完成，數(shù)據(jù)庫的擁有者掌握著數(shù)據(jù)庫的訪問和更新權限。中心數(shù)據(jù)庫模式存在跨地區(qū)、跨部門應用流程復雜的問題，同時缺乏有效控制信息的保密制度，難以應對有目的性的指定授權攻擊，被篡改和泄露的風險較大。

登記準入環(huán)節(jié)，在區(qū)塊鏈系統(tǒng)上存儲市場主體信息，以提升其身份可信度。首先，針對參與用戶進行個體信息3 要素認證或對企業(yè)信息4 要素認證，確認用戶實名信息，實現(xiàn)用戶入市注冊。認證成功后，通過區(qū)塊鏈的密鑰生成機制，為用戶生成唯一的公私鑰對，并基于區(qū)塊鏈多方背書優(yōu)勢綁定用戶信息與公鑰，形成區(qū)塊鏈身份憑證。

身份驗證的流程如圖1所示。查證用戶向持證用戶提出核驗其市場主體有效身份的申請。如果持證用戶拒絕了核驗申請，則核驗失敗；如果通過請求，則會調出帶有發(fā)證機構簽名的電子證明，由查證用戶用其公鑰加密后，向全網(wǎng)其他節(jié)點廣播核驗記錄。查證用戶驗證發(fā)證機構的簽名，用私鑰解密套用模板進行身份核驗。將用戶身份信息與鏈上對比，無誤后再采用公私鑰對配對的方法，確認用戶身份，實現(xiàn)高可信度身份認證。

圖1 市場主體身份驗證流程Fig.1 Authentication process of market subject

區(qū)塊鏈存儲的用戶信息透明且不可篡改，相較于傳統(tǒng)方法，確保用戶注冊信息可信任、可追溯，讓用戶信息具有更高的可信度，也可以進一步避免因主體注冊、驗證不準確帶來的計量不清、騙補等問題。

1.2 憑證核發(fā)

憑證核發(fā)的傳統(tǒng)模式是通過中心化節(jié)點為各消納主體頒發(fā)消納憑證。這一模式下，憑證審核耗時耗力，各流程節(jié)點都可能存在假冒偽劣、不透明交易等問題，頒發(fā)的憑證記錄不易追溯，且核發(fā)過程中發(fā)生失誤時，容易引起相關主體利益損失。

利用區(qū)塊鏈技術優(yōu)化憑證核發(fā)流程。首先，在區(qū)塊鏈上記錄主體的可再生能源消納量，并按周期進行消納量的更新。然后，利用智能合約在鏈上計算各主體的超額消納量，并記錄在區(qū)塊鏈上。最后，應用電子簽名技術校驗用戶的身份憑證，為用戶核發(fā)消納憑證。憑證帶有發(fā)電單位簽名、購電單位簽名、交易時間、電量、電價、通道等信息，其生成的全流程記錄鏈上存證，便于溯源和統(tǒng)計，解決了憑證核發(fā)過程中的多發(fā)、少發(fā)、錯發(fā)的問題?；趨^(qū)塊鏈的憑證核發(fā)模式改變了傳統(tǒng)的中心節(jié)點管控模式，建立了通過分布式共識實現(xiàn)的憑證核發(fā)體系，能夠確保憑證的正確性和唯一性。

1.3 基于智能合約的憑證鏈上交易

由中心節(jié)點統(tǒng)一組織消納憑證交易，一方面不能及時撮合憑證交易，另一方面管控方法不透明，將導致交易雙方出現(xiàn)信任問題。此外，中心化的數(shù)據(jù)存儲機構受到惡意攻擊后，數(shù)據(jù)可能被篡改或丟失，造成嚴重后果。利用區(qū)塊鏈實現(xiàn)掛牌交易、雙邊交易等模式的鏈上交易，可以提升交易撮合效率、確保交易過程可信記錄。

1.3.1 掛牌交易

在掛牌交易過程中，先基于智能合約在鏈上為超額消納的機構核發(fā)消納憑證。消納憑證使用用戶的私鑰進行加密，隨后憑證被公開至區(qū)塊鏈上申報掛牌，所有購買者均可見。憑證在被摘牌或擁有者撤銷掛牌信息前被鎖定。

掛牌交易的流程如圖2所示。首先對摘牌方身份信息進行驗證，確認無誤后為摘牌方匹配不同額度的消納憑證，使用申報方的公鑰進行消納憑證的驗證及鑒權，確定憑證的正確性及所屬關系。雙方達成共識即可進行交易，調用消納憑證派生合約進行消納憑證校驗、派生、交易，隨后調用摘牌交易合約，發(fā)起摘牌交易后進行交易憑證轉移，同時更新雙方賬戶狀態(tài)信息，將所有信息記錄在鏈上，完成掛牌交易。

圖2 掛牌交易流程Fig.2 Transaction process of listed certificate

1.3.2 雙邊交易

雙邊交易的流程如圖3所示。一般需要交易雙方在線下先進行交易協(xié)商，達成一致。之后，由出售方先創(chuàng)建訂單信息，并使用私鑰對訂單信息進行簽名。憑證交易系統(tǒng)將訂單信息和簽名信息提交給智能合約網(wǎng)關，由智能合約網(wǎng)關調用身份憑證合約對出售方的簽名信息進行校驗，并對消納量進行檢驗，檢驗成功后創(chuàng)建雙邊交易訂單。訂單創(chuàng)建后，購入方查詢待處理的訂單信息，并對訂單進行確認，將用戶確認的訂單信息進行簽名。同樣使用智能合約網(wǎng)關校驗購入方的簽名信息，身份確定后調用消納憑證派生合約進行消納憑證余額校驗、派生和交易。隨后調用確認合約確認雙邊訂單交易，生成交易憑證、完成消納憑證轉移，并更新雙邊賬戶信息，將所有信息記錄在鏈上，完成雙邊交易。

圖3 雙邊交易流程Fig.3 Bilateral transaction process

在區(qū)塊鏈中定義并執(zhí)行智能合約，將交易成交邏輯編寫為腳本，根據(jù)預先設定的成交條件，自動在鏈上完成雙邊交易匹配，進而形成電子合同。交易雙方電子簽名確認，上鏈存證。通過智能合約自動執(zhí)行設定步驟，提高交易效率。

總的來說:（1）應用區(qū)塊鏈身份認證，通過區(qū)塊鏈密鑰生成機制，背書市場主體身份和公鑰的綁定關系，替代現(xiàn)有的第三方數(shù)字證書認證方式，登錄更便捷，能夠節(jié)約認證成本；（2）應用區(qū)塊鏈電子簽名權威核發(fā)消納憑證，保證數(shù)據(jù)不可偽造或篡改，憑證包含電量原產(chǎn)地、消納地、消納主體、消納時間、消納電量等信息，實現(xiàn)可再生能源消納憑證全生命周期溯源管理；（3）基于區(qū)塊鏈開展掛牌交易和雙邊交易，交易申報、出清全部通過調用智能合約完成，實現(xiàn)全業(yè)務鏈上運作，保障了交易透明、可信、高效。

2 基于區(qū)塊鏈的可再生能源消納憑證交易系統(tǒng)性能優(yōu)化

全國范圍的消納憑證交易由北京電力交易中心負責，協(xié)調廣州、內蒙古電力交易中心，搭建了統(tǒng)一的交易系統(tǒng)。交易系統(tǒng)的業(yè)務架構、應用架構和部署架構等情況，在文獻［13］中有詳細介紹。計劃于2021年連續(xù)組織開展5個工作日的交易，交易方式包括雙邊協(xié)商、集中競價和連續(xù)競價（掛牌）。工作日9:00—17:00 開展雙邊協(xié)商交易；9:00—9:30 開展集中競價交易；9:30—17:00 開展連續(xù)競價交易，集中競價交易階段未成交部分的消納量自動進入連續(xù)競價交易階段。

2.1 業(yè)務需求對系統(tǒng)性能的要求

消納憑證交易的業(yè)務需求主要關注交易吞吐量上限、交易延遲等，同時對數(shù)據(jù)安全性、數(shù)據(jù)共享和查詢服務有一定的要求。

根據(jù)全國電力市場的運營情況，參與消納憑證交易的市場主體數(shù)量可能達到10 萬。參考上海證券交易所的運營數(shù)據(jù)，一天的交易數(shù)與賬戶數(shù)目為同一數(shù)量級，可以估計消納憑證交易的每日交易數(shù)為10 萬筆。以比特幣交易中單筆交易數(shù)據(jù)的大小0.25～0.50 KB 作為參考，消納憑證交易系統(tǒng)單筆交易數(shù)據(jù)的大小可以估計為0.50 KB。在此基礎上，考慮吞吐量和交易延遲的情況。

交易吞吐量方面，在9:30—17:00的7.5 h內，連續(xù)競價平均交易量100 000次÷（7.5×3 600）s=3.70次/s。每工作日上午9:00—9:30 的集中競價階段，交易提交和處理比較集中。若按照9:25集中競價結束，系統(tǒng)在9:25—9:30 的5 min 內處理集中競價交易并將交易結果上鏈，則區(qū)塊鏈交易吞吐量峰值估計為100 000 次÷（5×60）s=333.33 次/s。在 9:30—17:00的連續(xù)競價階段，不太可能出現(xiàn)更高的交易提交速度。因此系統(tǒng)支持的吞吐量上限需要達到300～400 TPS為宜［15—16］。

交易延遲方面，消納憑證交易系統(tǒng)采用異步提交方式，即交易時間段內的所有交易實時提交，異步定時批量接收回執(zhí)，且接受回執(zhí)的定時長度初步設計為10～30 s。普通交易延遲可以合理設計為和接受回執(zhí)的定時長度相近。考慮集中競價階段的處理時間為5 min，數(shù)十秒的單筆交易延遲可以忽略不計。因此系統(tǒng)的平均交易延遲設計在10～30 s，區(qū)塊鏈底層平臺容易滿足這一要求。

區(qū)塊鏈系統(tǒng)的性能瓶頸是憑證交易系統(tǒng)運行中必須考慮的問題。而且，主體數(shù)量和交易規(guī)模增長，交易場景多樣性帶來的智能合約開發(fā)復雜度增加等，都將進一步加劇系統(tǒng)性能壓力。因此，需要提出針對性的解決辦法。

2.2 憑證交易系統(tǒng)性能優(yōu)化方法

2.2.1 原子合約

原子合約是不具備業(yè)務屬性、單元化的、單一功能的工具型程序，通常分為:簽名類、憑證類、查詢類等類型。將智能合約拆解為較簡單的原子合約，能夠提升合約處理速度，并降低開發(fā)工作量。

圖4 原子合約調用示意圖Fig.4 Schematic diagram of atomic contract calling

原子合約調用示意圖如圖4所示。在鏈上進行交易時，不同的交易場景、不同的交易方法都需要調用相應的智能合約。在多種交易過程中，身份驗證、簽名校驗、消納量檢查等是各類交易場景均需要的基礎功能。具有獨立功能的原子合約，基于微服務技術敏捷開發(fā)、快速演化、便捷容錯與彈性伸縮的特性，能夠為智能合約運行時的一致性對賬提供事件監(jiān)聽功能，在提升合約服務效率的同時解耦部分應用場景與合約的部署。在交易過程中，將不同原子合約互相調用，組合為復雜交易功能的智能合約。

在開發(fā)層面，部分通用原子合約則無需重復開發(fā)。在出現(xiàn)新的交易場景或模式時，通過接口調用組合已有的原子合約，構成為新場景服務的基礎服務；或在已有服務的基礎上定制開發(fā)個性化合約以適應不同交易場景，能夠減少合約開發(fā)的工作量。

2.2.2 大票交易

交易規(guī)則中，一張消納憑證對應1 MWh的可再生能源發(fā)電量。而在實際操作過程中，往往存在較多的大規(guī)模交易，即相同的交易雙方在短時間內進行十幾份甚至幾十份的憑證交易。此類交易增加了區(qū)塊鏈系統(tǒng)的處理壓力，也因為重復交易增加了購入方的操作復雜度。

大票交易方法，是指利用智能合約，將相同生產(chǎn)地、消納地、電量類型的消納量，整合頒發(fā)一個區(qū)塊鏈憑證，憑證中記錄該類電量的編號前綴和數(shù)量信息。

出售方將可再生能源消納信息上傳到區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，系統(tǒng)對其簽名值進行校驗。校驗通過后，使用智能合約將相同生產(chǎn)地、消納地、電量類型的消納量合并簽發(fā)一張區(qū)塊鏈消納憑證，憑證中記錄該類電量的編號前綴和數(shù)量信息（包含多條消納量的憑證即為大票）。同時更新區(qū)塊鏈賬戶，將新產(chǎn)生的憑證編號存入該企業(yè)賬戶。

大票中記錄了父憑證編號、憑證狀態(tài)、子憑證信息、憑證前綴、起始編號、結束編號等信息。派生憑證間采用雙向關聯(lián)的方式，可以向上溯源，追查該憑證的父憑證，循環(huán)遍歷，可以追查到憑證的初始創(chuàng)建信息。大票中包含憑證前綴、起始編號、結束編號，同樣可以通過數(shù)據(jù)追溯到每1 MWh 電量。大票交易的流程如圖5所示。

圖5 大票交易流程Fig.5 Transaction process of large ticket

大票交易過程中，首先使用智能合約校驗憑證交易條件，簽名值正確性、出售方可用憑證數(shù)量是否大于憑證交易數(shù)量。校驗通過后，進行憑證交易，購買方可以選擇部分購入或全部購入。如果出售的憑證全部被交易，則產(chǎn)生新憑證，變更所有者；如果出售的憑證可用數(shù)量大于交易數(shù)量，派生出新交易憑證，該憑證的數(shù)量為交易數(shù)量，所有者為購入方；派生新的可用憑證，可用憑證的所有者為售出方，數(shù)量為原憑證數(shù)量減去交易數(shù)量，更新原憑證狀態(tài)，記錄子憑證編號，將原憑證作廢。之后更新售出方、購入方賬戶，更新可用憑證、購入憑證數(shù)量，記錄交易憑證、剩余可用憑證編號，完成憑證交易。

通過大票交易實現(xiàn)了小票交易的捆綁，減少了系統(tǒng)的運行壓力，減輕了買賣雙方短時間高頻交易的復雜度，帶來了更好的交易體驗。

3 基于區(qū)塊鏈的可再生能源消納憑證交易系統(tǒng)測試

在實驗室搭建了測試環(huán)境，對憑證交易系統(tǒng)的運行壓力情況和系統(tǒng)性能優(yōu)化方法進行了測試。采用4臺8核16 G內存服務器搭建區(qū)塊鏈測試實驗環(huán)境，同時部署了6臺服務器實現(xiàn)身份驗證、電子簽名驗證等服務。由于區(qū)塊鏈系統(tǒng)分布式共識特性，區(qū)塊鏈硬件讀寫速度是限制交易的重要影響因素。測試環(huán)境下，系統(tǒng)吞吐量上限為130 TPS。若同時產(chǎn)生過多并發(fā)交易，則采用隊列的方式，異步記錄交易憑證的發(fā)生。

開展了對于雙邊交易及掛牌交易兩種交易類型的測試，測試過程中2 種交易模式均可按照設置規(guī)則正常完成。

對于系統(tǒng)進行壓力實驗。設置100萬用戶使用系統(tǒng)，在7 d 的實驗周期內，系統(tǒng)滿負荷運轉，系統(tǒng)運行正常，未出現(xiàn)交易錯誤。實驗周期共發(fā)生約2 600 萬條交易，每個交易憑證大小不超過10 KB，最終占各節(jié)點208 GB的存儲空間。經(jīng)壓力實驗，研究提出的可再生能源消納憑證系統(tǒng)功能完備，可滿足可再生能源消納憑證交易的需求。

測試大票交易的優(yōu)化效果。2019年，全國可再生能源總消納量達1.4 億MWh，按照10%為可交易的超額消納量考慮，即1 400 萬MWh。實驗環(huán)境設置發(fā)生2 000 萬條憑證交易（小票）進行測試，共產(chǎn)生了160 GB 的節(jié)點存儲量。采用集中上鏈的方式進行處理，上鏈速度最高為130 TPS，按理想速度60%計算，上鏈時間共需要71 h，數(shù)據(jù)包傳輸?shù)拇笮ο到y(tǒng)的負荷較大。在采用大票交易對系統(tǒng)優(yōu)化后，將2 000 萬份小票整合到約450 萬份大票，共產(chǎn)生了36 GB 的節(jié)點存儲量，集中上鏈方式下，上鏈時間約16 h，優(yōu)化了系統(tǒng)處理性能，減輕了系統(tǒng)負荷壓力。

測試原子合約的優(yōu)化效果。雙邊交易的開發(fā)環(huán)境采用傳統(tǒng)方式，需要80人·d的工作時長。掛牌交易的開發(fā)環(huán)節(jié)使用原子合約方式，身份憑證核發(fā)、身份憑證驗證、電子簽名、交易參數(shù)檢查、數(shù)據(jù)審核、消納量分配、消納量轉移、主體信息審核、憑證核發(fā)、出清、存證、核算信息發(fā)布、吊銷、更新、消納核發(fā)等無需二次開發(fā)，僅需要20 人·d 的工作時長，同時合約運行服務效率提升了約10%。減少了系統(tǒng)開發(fā)成本，提高了系統(tǒng)運行效率。

4 結束語

本文分析了區(qū)塊鏈在可再生能源超額消納憑證交易中的應用模式，提出了憑證交易系統(tǒng)的性能優(yōu)化方法并在實驗室環(huán)境開展了系統(tǒng)性能測試。研究的主要結論如下:

（1）將區(qū)塊鏈應用于市場主體身份認證、憑證核發(fā)以及憑證鏈上交易等環(huán)節(jié)，能夠節(jié)約認證成本，實現(xiàn)憑證全生命周期溯源管理，保障交易透明、可信、高效，以及數(shù)據(jù)賬本的安全性和一致性。

（2）構建了基于區(qū)塊鏈的超額消納憑證交易平臺，提出原子合約和大票交易方法，減少了區(qū)塊鏈系統(tǒng)的壓力和系統(tǒng)開發(fā)工作量，優(yōu)化了交易的流程，提升了區(qū)塊鏈系統(tǒng)的運行性能。

（3）通過實驗室測試證明了系統(tǒng)的抗壓能力和性能優(yōu)化方法的可行性，為下一步的平臺正式上線提供了有力支持。

研究為建設公開透明可信的消納憑證交易市場打下堅實基礎，有助于進一步打通綠色電力獲取渠道，幫助更多園區(qū)和企業(yè)從消費端提高可再生能源的利用比例。