新型電力系統(tǒng)電-碳-綠證市場協(xié)同運行的區(qū)塊鏈關(guān)鍵技術(shù)

張碩,肖陽明,李英姿,張家源,徐振皓,曾鳴

(1.華北電力大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院,北京市 102206;2. 北京科技大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院,北京市 100083;3. 新能源電力與低碳發(fā)展研究北京市重點實驗室(華北電力大學(xué)),北京市 102206)

0 引 言

在“雙碳”目標(biāo)下,新型電力系統(tǒng)是新型能源體系的基礎(chǔ)組成[1],保障新型電力系統(tǒng)市場化穩(wěn)定運行是未來發(fā)展的必然趨勢[2]。我國提出要健全統(tǒng)一電力市場體系的交易機制,探索開展綠色電力交易,加強市場間的安全有序運行[3]。因此,協(xié)調(diào)不同市場體系之間的電力、碳配額和綠色認(rèn)證等方面的有序銜接,可以最大程度地發(fā)揮市場在資源優(yōu)化配置等方面的重要作用,進(jìn)一步推進(jìn)新型電力系統(tǒng)的建設(shè)。

目前,電-碳-綠證市場之間的協(xié)同問題主要集中在對3個市場政策、聯(lián)合調(diào)度以及交易銜接機制進(jìn)行探討與研究。在市場政策方面,通過分析國外電碳市場協(xié)同經(jīng)驗進(jìn)而在市場范圍、價格體系、產(chǎn)品體系、治理體系4個方面總結(jié)出國內(nèi)電力市場、碳市場、綠證市場之間的宏觀協(xié)同政策[4-5];通過分析“雙碳”目標(biāo)對電力行業(yè)的影響,探討了我國電力系統(tǒng)發(fā)展的現(xiàn)狀和問題,分析了碳市場與電力市場的協(xié)同發(fā)展以及綠色機制對電力體制改革的必要性[6-8]。在聯(lián)合調(diào)度方面,首先是電力市場與綠證市場之間的調(diào)度問題,為解決可再生能源配額制方案只考慮消納量、不評估用戶對可再生能源發(fā)電友好性的問題,提出了適應(yīng)可再生能源配額制的電力市場體系[9],并分析了放開綠證的二次交易對可再生能源消納的作用[10];其次是電力市場與碳市場之間的調(diào)度問題,分別通過闡述價格型需求響應(yīng)和激勵型需求響應(yīng)以及電碳協(xié)同市場中各個主體的成本效益分析模型,探討了電-碳市場互動協(xié)同的角度對需求響應(yīng)機制的完善[11-12];最后是3個市場聯(lián)合調(diào)度問題,通過一般均衡理論和系統(tǒng)動力學(xué)思想,構(gòu)建了綠證交易、碳交易和電力交易3個市場交互作用的協(xié)同效應(yīng)分析模型,從成本傳導(dǎo)、市場均衡等角度剖析了電、碳市場以及綠證、電力市場之間的經(jīng)濟關(guān)系[13-14]。在交易機制方面,文獻(xiàn)[15]基于電力交易的事后偏差電量進(jìn)行碳排放權(quán)交易的雙邊交易與匹配機制;文獻(xiàn)[16-17]通過區(qū)塊鏈技術(shù)提出了一種基于智能合約的綠證和碳排放權(quán)交易的市場運營機制和實現(xiàn)直購電及碳權(quán)管理,為電-碳-綠證市場的交易提供新思路。

上述研究多集中于電力市場、碳市場協(xié)同或者碳市場綠證市場協(xié)同,但是對于圍繞電、碳、綠證市場協(xié)同運行的研究以及最終交易核算的研究較少。電力、碳配額以及綠證之間信息互通是推動市場協(xié)同發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前,電-碳-綠證市場之間的銜接情況、核算機制等仍存在諸多突出問題亟需突破。

本文以區(qū)塊鏈技術(shù)為支撐構(gòu)建基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電-碳-綠證市場協(xié)同體系架構(gòu),設(shè)計一個統(tǒng)一積分認(rèn)證機制來銜接電-碳-綠證協(xié)同市場之間的交易;設(shè)計電-碳-綠證市場的溯源模型,并為電-碳-綠證市場協(xié)同核算提出一個統(tǒng)一的共識機制,使電-碳-綠證市場交易核算有技術(shù)基礎(chǔ)保障。

1 電-碳-綠證市場協(xié)同體系

1.1 電-碳-綠證市場體系架構(gòu)

“雙碳”目標(biāo)下以電-碳-綠證市場為支撐的新型電力系統(tǒng),其各部分的市場主體均參與綠色電量和碳配額的交易。我國市場化用戶通過購買綠色電力或綠證完成可再生能源消納責(zé)任權(quán)重,通過碳排放核算中將綠色電力相關(guān)碳排放量予以減扣的可行性來加強與碳排放權(quán)交易的銜接,主要框架如圖1所示。為了更好地說明市場各環(huán)節(jié)之間的協(xié)同運作關(guān)系,此部分以各市場主體來進(jìn)行體系的構(gòu)建,在主體的角度從供給側(cè)和需求側(cè)分別劃分了超排發(fā)電廠和減排發(fā)電廠、高耗能用戶和碳減排用戶等主體,在市場的角度劃分了電力市場、碳市場和綠證市場,并在產(chǎn)品角度通過電力流、碳排放流、國家核證自愿減排量(Chinese certified emission reduction,CCER)和綠證流來與各個市場主體相互連接。

圖1 新型電力系統(tǒng)多市場協(xié)同運行結(jié)構(gòu)

1.2 電-碳-綠證市場協(xié)同分析

為了實現(xiàn)能源電力與環(huán)境資源的優(yōu)化配置,需要在統(tǒng)一的能源框架體系下,統(tǒng)籌協(xié)調(diào)電力市場、碳市場及綠證市場等各類市場的關(guān)聯(lián)關(guān)系,做好市場機制層面的有效銜接。電-碳-綠證市場在交易、產(chǎn)品和主體方面均存在協(xié)同機制。

1)產(chǎn)品協(xié)同。

在產(chǎn)品協(xié)同方面,綠色電力發(fā)電企業(yè)和火力發(fā)電企業(yè)兩者共同參與電力交易市場,作為賣方為購電用戶供電,對于電碳協(xié)同方面,中長期電力市場以及現(xiàn)貨市場標(biāo)的物為具有碳排放的火力發(fā)電,其碳排放權(quán)會流轉(zhuǎn)到碳配額市場進(jìn)行核算,超排的企業(yè)則需要向減排的企業(yè)進(jìn)行碳排放權(quán)的交易[18-19]。此時,在碳交易市場中,火電發(fā)電企業(yè)與購電用戶直接參與碳市場交易,交易標(biāo)的物為碳排放權(quán)和CCER。發(fā)電(直接)碳排放與購電(間接)碳排放為:

(1)

(2)

對于電證協(xié)同方面,中長期電力市場以及現(xiàn)貨市場標(biāo)的物為具有環(huán)境權(quán)益的綠色發(fā)電,其綠色環(huán)境權(quán)益則會流轉(zhuǎn)至綠色證書交易市場進(jìn)行核算并根據(jù)交易合同的電量核發(fā)綠色證書。此時,在綠色證書交易市場中,綠色電力發(fā)電企業(yè)作為生產(chǎn)綠證的主體,發(fā)電企業(yè)與購電用戶等一同承擔(dān)可再生能源消納責(zé)任,共同參與綠色證書市場交易,交易標(biāo)的物為綠色證書。綠電與綠證的關(guān)系為:

Qgreen=Qeg/n

(3)

式中:Qgreen表示綠電可轉(zhuǎn)化綠證的數(shù)量;Qeg表示可再生能源發(fā)電量;n表示兩者轉(zhuǎn)換系數(shù),單位為1 MW·h。

對于證碳協(xié)同方面,綠證和CCER機制都能夠為可再生能源項目的發(fā)展提供經(jīng)濟激勵,但同一項目的環(huán)境屬性應(yīng)當(dāng)確保具備唯一性,不存在項目重復(fù)認(rèn)定或重復(fù)計算的情形。當(dāng)前我國明確綠證是可再生能源電量環(huán)境屬性的唯一證明[20-21],但是對于綠證,其只能參與可再生責(zé)任消納權(quán)重,而CCER則是參與碳市場完成碳排放配額的抵消。因此,將CCER與綠證機制并行,納入可再生能源項目。此時,CCER采用綠證作為可再生能源電量環(huán)境屬性的唯一證明,用綠證來對應(yīng)減排量的監(jiān)測核算。對于申報了CCER項目的可再生能源發(fā)電商,可以通過式(4)來對綠證與CCER進(jìn)行轉(zhuǎn)換來確保環(huán)境權(quán)益的唯一性:

Qccer=λQgreen

(4)

式中:Qccer表示可再生能源CCER的數(shù)量。

2)主體協(xié)同。

電-碳-綠證市場中的各主體相互交叉,不同的市場主體同時參與多個交易市場。對于供給側(cè)來說,綠色電力發(fā)電企業(yè)可以獲得可再生能源電力綠色證書,并與CCER進(jìn)行轉(zhuǎn)換,從而參與碳市場。而對于火力發(fā)電企業(yè)來說,化石能源發(fā)電必然會產(chǎn)生二氧化碳排放,所以他們需要根據(jù)自身需求積極參與碳排放權(quán)交易來履約碳市場的要求。

對于需求側(cè),高耗能用戶不僅需要與供電主體進(jìn)行電能交易,還需要通過參與碳排放權(quán)交易來達(dá)到碳配額的目標(biāo),并通過參與綠證交易完成一定比例的可再生能源消納義務(wù)。另外,碳減排用戶除了與供電主體進(jìn)行交易外,還可以將剩余碳配額出售到碳市場以獲取利潤,同時也需要參與綠證交易來履行可再生能源消納義務(wù)。

3)政策協(xié)同。

在政策協(xié)同方面,不同市場可能存在相互關(guān)聯(lián)或互認(rèn)抵扣的指標(biāo)或配額,他們會影響到不同市場主體對交易品種的需求或供給。其中,可再生能源消納責(zé)任權(quán)重是電力市場和綠證市場中的關(guān)聯(lián)指標(biāo),它決定了火力發(fā)電企業(yè)在綠證市場中的購買需求;CCER是碳市場和電力市場中的關(guān)聯(lián)指標(biāo),它可以用于抵消碳市場中的碳排放責(zé)任,從而影響到碳市場中的交易需求。

1.3 電-碳-綠證市場問題分析

電力市場、碳市場和綠證市場的協(xié)同發(fā)展,是我國實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的重要手段。隨著可再生能源電力消納保障機制和碳配額制的推進(jìn),電力市場、碳交易市場、綠色證書交易市場間的協(xié)同更加緊密。但是,目前這3個市場之間也存在一些問題,比如交易方式繁雜、出清方式的不統(tǒng)一以及結(jié)算數(shù)據(jù)的重復(fù)計算等問題。

1)電-碳-綠證市場交易標(biāo)的物不同。

傳統(tǒng)綠色電力市場交易、綠色證書交易以及碳排放權(quán)交易過程中涉及到復(fù)雜流程、大量數(shù)據(jù)的信息溝通和價值轉(zhuǎn)移,對于不同的市場來說,他們采用不同的交易機制和規(guī)則,并且有不同的交易標(biāo)的物。電力市場主要交易可再生能源電力以及火電,碳市場則是交易各個主體的碳配額以及CCER。綠證市場進(jìn)行可再生能源綠色消費證明的交易[22]。這種不同的交易標(biāo)的物使得市場參與者在參與不同市場交易時很難將交易的環(huán)境權(quán)益統(tǒng)一起來,增加了交易的復(fù)雜性。

2)電-碳-綠證市場交易核算不統(tǒng)一。

傳統(tǒng)綠色電力市場交易主體以及碳排放市場交易主體之間存在著不同的利益訴求和信任問題,需要通過一個統(tǒng)一的核算規(guī)則方式進(jìn)行約束和協(xié)調(diào)。目前電-碳-綠證市場之間的運行相對獨立,這些交易主體之間可能存在信任缺失,比如:在分布式能源交易中,其電源發(fā)電能力存在著較大的不確定性等原因,容易導(dǎo)致未按照合同電量發(fā)電等行為,從而導(dǎo)致參與分布式能源交易雙方信任缺失,影響參與交易的積極性。這些問題需要在交易出清的過程中使得電力市場、碳市場和綠證市場之間有一個統(tǒng)一的共識認(rèn)證得以明確。

3)電-碳-綠證市場交易數(shù)據(jù)不互通。

當(dāng)前碳市場、綠證市場、電力市場等由不同部門管理,建設(shè)目標(biāo)和政策導(dǎo)向有所差異,但是三者都有助于推動碳減排,只是缺乏相互銜接的理論和機制以及銜接后的交易數(shù)據(jù)相互對應(yīng)問題,因此在交易數(shù)據(jù)互通方面需要突破以提高整個市場體系的流動性。例如,在某一用電企業(yè)通過直接購買綠色電力發(fā)電企業(yè)產(chǎn)生的新能源完成消納責(zé)任考核,并且另一市場主體也通過購買該發(fā)電企業(yè)產(chǎn)生的綠證來完成消納責(zé)任履約時,在社會層面上看,并沒有為促進(jìn)清潔能源消納、推動全行業(yè)低碳減排帶來額外增益,這種綠色證書多次核發(fā)、重復(fù)使用等風(fēng)險需要及時解決。

2 支撐電-碳-綠證市場協(xié)同運行的區(qū)塊鏈關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電-碳-綠證市場總體架構(gòu)

區(qū)塊鏈技術(shù)能夠有效解決電-碳-綠證市場中交易標(biāo)的物不一致、交易核算不同意、交易數(shù)據(jù)不互通3個問題,基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電-碳-綠證市場的總體架構(gòu)如圖2所示。首先,構(gòu)建了電-碳-綠證協(xié)同市場統(tǒng)一積分認(rèn)證機制,將每個交易標(biāo)的物全部轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的積分來進(jìn)行度量,使得不同市場之間交易核算更加直觀。其次,構(gòu)建了電力智能合約、綠證智能合約以及碳交易智能合約,實現(xiàn)在統(tǒng)一的交易時段內(nèi)供給主體與需求主體交易的自動執(zhí)行和監(jiān)管,并將統(tǒng)一積分認(rèn)證機制應(yīng)用于自動執(zhí)行的過程中,降低交易的違約風(fēng)險和信任風(fēng)險[23]。然后,構(gòu)建了統(tǒng)一的溯源模型來實現(xiàn)電力、綠證、碳排放等數(shù)據(jù)的溯源和核驗,企業(yè)通過向交易數(shù)據(jù)庫發(fā)送請求來得到電-碳-綠證協(xié)同市場的各個交易數(shù)據(jù),避免交易數(shù)據(jù)的重復(fù)計算,實現(xiàn)資源優(yōu)化配置[24-25]。最后,構(gòu)建了基于積分認(rèn)證的電-碳-綠證協(xié)同市場拜占庭容錯共識機制(pratical Byzantine fault-tolerant consensus,PBFT),減少交易決策過程中的計算難度。通過此共識機制將電力交易關(guān)鍵環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)、碳排放配額交易以及綠證交易等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)上鏈儲存,以此實現(xiàn)數(shù)據(jù)的唯一性、可追溯性。

圖2 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的新型電力系統(tǒng)市場化運行框架

2.2 電-碳-綠證協(xié)同市場統(tǒng)一積分機制

在電-碳-綠證協(xié)同市場中,目前未存在一個統(tǒng)一的方式來對整體的交易數(shù)據(jù)進(jìn)行核算,而3個市場之間的數(shù)據(jù)互通又離不開市場之間的相互信任。因此,有必要對電-碳-綠證協(xié)同市場設(shè)計一個統(tǒng)一的積分認(rèn)證機制,對各個主體的環(huán)境價值有明確的核算規(guī)則,積分為正證明主體存在多余的環(huán)境權(quán)益,積分為負(fù)證明主體存在超排的情況,并通過區(qū)塊鏈技術(shù)將積分記錄,有助于電力市場、碳市場、綠證市場之間的協(xié)同運行。

(5)

(6)

那么對于供給主體,其總的配額增加量為:

(7)

對于需求主體,其總的配額變化量為:

(8)

此時,無論是供給主體還是需求主體,其所對應(yīng)的積分都能被電力市場、碳市場和綠證市場共同認(rèn)可。對于積分與交易標(biāo)的物換算的過程,通過智能合約用寫好的代碼對積分進(jìn)行自動換算,能夠減少人為的工作量。

2.3 智能合約模型

智能合約能夠提前編寫交易規(guī)則,以方便用戶之間的智能化交易[26]。交易流程大致分為以下幾個部分,主要實現(xiàn)上網(wǎng)電力的交易、碳排放配額之間的交易、綠電與綠證之間的認(rèn)證以及綠證交易[27]以及各部分之間的交易標(biāo)的物與積分的換算。交易流程以及部分合約內(nèi)容如圖3所示。

圖3 電、碳、綠證市場交易智能合約流程

1)電力交易與積分換算智能合約。

合約1由買方Ib與賣方Is共同執(zhí)行,電價Ue、電量Ve,交易下達(dá)后,買方支付付款金額Fe,同時賣方提交保證金De,保證金為商品交易價格的βe,取值由雙方共同商定,如式(9)(10)所示:

De=βeUe,βe∈(0,1)

(9)

Fe=UeVe

(10)

當(dāng)滿足式(9)、(10)時,智能合約觸發(fā)交易函數(shù),買方確認(rèn)收到商品且確認(rèn)放款之后,智能合約觸發(fā)付款函數(shù)將貨款以及保證金打給賣家[28],交易成功之后,智能合約調(diào)用換算函數(shù),將交易的電量與積分通過式(6)進(jìn)行換算,然后智能合約調(diào)用記錄函數(shù),記錄買方和賣方的地址以及所交易商品的信息,如表1所示。

表1 電力交易智能合約

2)碳配額交易與積分換算智能合約。

合約2如表2所示,同樣由買方與賣方共同執(zhí)行,其內(nèi)容與合約1相似,碳價格Uc、碳排放交易量Vc,保證金和支付金額如式(11)、(12)所示,保證金為商品交易價格的ηc,碳配額交易與積分換算公式如式(6)所示。

Dc=ηcUc,ηc∈(0,1)

(11)

Fc=UcVc

(12)

3)綠證認(rèn)證交易與積分換算智能合約。

合約3如表3所示,由綠色發(fā)電企業(yè)對所發(fā)綠色電量進(jìn)行上網(wǎng)登記,使監(jiān)管部門能夠查看企業(yè)的綠電相關(guān)信息同時對相應(yīng)的綠電進(jìn)行認(rèn)證并發(fā)放綠證。綠電生產(chǎn)商輸入綠電廠商標(biāo)識符Ig和公鑰Kg、上網(wǎng)電量Ug、電價Vg、綠電類型Ht。綠色電量與綠證之間的認(rèn)證關(guān)系如式(3)所示,綠證與積分換算公式如式 (6)所示。

供給側(cè)或者需求側(cè)通過自身需求對上述智能合約進(jìn)行選擇交易后,需要將交易合同的結(jié)果進(jìn)行記錄保存,防止出現(xiàn)抵賴行為導(dǎo)致的不信任或者虛假信息申報導(dǎo)致的不信任,因此,需要通過區(qū)塊鏈的合同共識來進(jìn)行市場之間交易信息的相互確認(rèn)。

2.4 綠色溯源體系

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的綠色溯源,是把區(qū)塊鏈技術(shù)與電-碳-綠證溯源系統(tǒng)相結(jié)合,將交易標(biāo)的物從生產(chǎn)、運輸、消費、交易等全流程的要素關(guān)鍵數(shù)據(jù)都記錄在區(qū)塊鏈上,以此來確保商品的唯一性。在電-碳-綠證體系下,維持不同類型產(chǎn)品之間有效銜接的最關(guān)鍵點就在于能夠保證綠色電力消費、綠色電力證書以及碳排放權(quán)等各類交易標(biāo)的交易來源明確、交易去向清晰以及交易的數(shù)量能夠得到確認(rèn),而鏈上的數(shù)據(jù)具有時間戳且不可篡改,因此電-碳-綠證市場中相應(yīng)的交易信息也會永久記錄在鏈上,以便節(jié)點之間的追蹤和記錄[29-30]。

由于碳配額以及綠證的交易是確定的,即合約上交易的數(shù)量是多少,實際交易的數(shù)量就是多少,但是對于電力交易則并非如此。在電力交易中,無論是綠色電力還是火力發(fā)電,其實際發(fā)電量與合約電量總是會存在偏差,并且購電方的用電量也同樣與合約存在偏差,這時候就需要將實際電量與合約電量進(jìn)行對比,來確定最終的上鏈電量[31]。

假設(shè)在一個完整的電力系統(tǒng)中,所有市場用戶的發(fā)用電是相同的,不存在儲能設(shè)備額外保存多發(fā)電力。對于從電力交易系統(tǒng)獲取的參與市場化交易的市場用戶信息,可以構(gòu)建出一個m×n的初始綠電交易矩陣T0和一個p×q的初始火電交易矩陣T1。

(13)

式中:i=0表示初始綠電交易矩陣,i=1表示初始火電交易矩陣;Snm表示第n個供給主體與第m個需求主體簽訂的合同交易電量。由于綠色電力溯源以及火力發(fā)電溯源的方式相同,此部分只展示綠色電力溯源內(nèi)容。

此時對于第j家需求主體,其簽訂的綠電交易合同的總交易電量Kj為:

(14)

此時,對于第i家供給主體,其簽訂的綠電交易合同的總交易電量Gi為:

(15)

定義需求主體成交電量占比Ab為需求輔助矩陣,TBij=Sij/Kj：

(16)

定義供給主體成交電量占比As為供給輔助矩陣,TSij=Sij/Gj:

(17)

從智能電表中獲取需求主體月度實際用電量B以及供給主體月度實際發(fā)電量S：

(18)

(19)

此時根據(jù)上述需求輔助矩陣Ab以及供給輔助矩陣As,可以得到市場主體最終的結(jié)算電量,即為主體合約電量、主體實際用電量以及主體實際發(fā)電量之間的最小值,火電企業(yè)計算步驟與上面的步驟相同。計算結(jié)束后,將實際用電量與實際發(fā)電量通過結(jié)算共識進(jìn)行上鏈處理,以此來厘清企業(yè)的電力溯源結(jié)果。對于碳排放流以及綠證的溯源,則需要基于綠電火電的溯源結(jié)果進(jìn)行計算得出:

(20)

2.5 共識機制模型

在傳統(tǒng)的電-碳-綠證交易市場中存在信息不對稱、信用風(fēng)險等問題,而共識機制是一種在分布式系統(tǒng)中實現(xiàn)數(shù)據(jù)一致性的方法,它可以保證系統(tǒng)中的各個節(jié)點對數(shù)據(jù)的狀態(tài)達(dá)成一致,從而提高系統(tǒng)的可靠性和安全性[32]。PBFT是一種基于拜占庭容錯的共識機制,可以應(yīng)用于電力、綠證和碳市場。在將PBFT共識機制應(yīng)用于電-碳-綠證交易市場時,可以將監(jiān)管機構(gòu)作為主節(jié)點,其余節(jié)點為副節(jié)點,遵循以下步驟:

步驟1：節(jié)點參與。市場中的各參與方(如綠電發(fā)電企業(yè)、控排企業(yè)、火力發(fā)電企業(yè)等)作為區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的市場主體節(jié)點參與其中。

步驟2：節(jié)點提案(request)。需要進(jìn)行交易的市場主體作為請求節(jié)點可以提出交易的提案。提案包括請求節(jié)點的ID、時間戳以及具體的交易信息。此時進(jìn)行交易的市場主體需要對提案進(jìn)行簽名。

步驟3：主節(jié)點驗證(pre-prepare)。此時監(jiān)管機構(gòu)作為主節(jié)點收到請求節(jié)點的消息,需要對節(jié)點請求消息簽名是否正確進(jìn)行校驗。

步驟4：副節(jié)點廣播(prepare)。一旦提案被驗證通過,監(jiān)管機構(gòu)將廣播消息通知其他市場主體。其他市場主體通過既定的共識目標(biāo)來進(jìn)行計算驗證并再次廣播。

步驟5：共識達(dá)成(commit)。PBFT算法通過多個輪次的消息交互和投票來達(dá)成共識。市場主體根據(jù)收到的提案和其他主體的反饋,進(jìn)行投票和判斷。

步驟6：區(qū)塊確認(rèn)(reply)。一旦共識達(dá)成,節(jié)點將確認(rèn)提案,并將其添加到區(qū)塊鏈上。區(qū)塊包含驗證通過的交易信息,成為不可篡改的記錄。

通過應(yīng)用PBFT共識機制,電力、綠證和碳市場可以實現(xiàn)去中心化、安全可靠、透明可追溯的交易記錄。然而,具體實施時需要考慮到該市場的特定需求和規(guī)則,以便為參與者提供公平、高效和可信賴的環(huán)境。PBFT共識機制的工作流程如圖4所示。在本文電-碳-綠證協(xié)同市場中,分別設(shè)置了對應(yīng)智能合約交易的合同共識以及綠色溯源之后的結(jié)算共識。通過一個統(tǒng)一的積分制度,主體將自身當(dāng)前碳配額與國家發(fā)放給主體的總碳配額上傳,企業(yè)發(fā)火電或者購買火電時需要扣除對應(yīng)的配額積分,購買綠證或者購買CCER時需要增加對應(yīng)的配額積分。

圖4 節(jié)點共識工作流程

各個市場主體在決策過程中都可以通過此共識函數(shù)判斷交易節(jié)點是否存在虛假申報。定義合同共識目標(biāo)函數(shù)為:

(21)

定義結(jié)算共識目標(biāo)函數(shù)為:

(22)

在結(jié)算共識完成后,更新合同共識的積分量以確保總的實際剩余積分量與結(jié)算積分量相同,具體更新公式為:

(23)

企業(yè)申請交易時,按規(guī)則向監(jiān)管機構(gòu)發(fā)送請求,機構(gòu)接收請求后向其他節(jié)點進(jìn)行廣播,其余節(jié)點按照上述共識確定的目標(biāo)對相應(yīng)的企業(yè)進(jìn)行相應(yīng)的共識函數(shù)計算,通過此共識函數(shù)計算交易企業(yè)當(dāng)前積分是否與計算結(jié)果相同,若相同則共識通過,節(jié)點則通過驗證;若不相同則需要重新核算,得到確定的結(jié)果后再次廣播,全部有效節(jié)點發(fā)起共識,將共識結(jié)果返回申請方完成結(jié)算,同時全網(wǎng)記錄。

2.6 底層數(shù)據(jù)庫支撐技術(shù)

針對區(qū)塊鏈底層數(shù)據(jù)庫的特點與電-碳-綠證市場的契合度,結(jié)合智能合約與綠色溯源體系的區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于電-碳-綠證市場通過共識機制可以完整地記錄交易過程中的合同信息以及最終交易結(jié)算后的結(jié)算信息。區(qū)塊鏈技術(shù)的每個區(qū)塊都包含一些交易信息,交易信息被打包成一個區(qū)塊,并通過哈希算法生成一個唯一的哈希值,該哈希值與前一個區(qū)塊的哈希值相連,形成一個新的區(qū)塊[33-34]。在電-碳-綠證市場交易中,由于電力產(chǎn)品存在一定的不確定性,因此區(qū)塊鏈可以分為基于智能合約的市場交易合同鏈和基于綠色溯源的市場交易結(jié)算鏈,中心節(jié)點(監(jiān)管機構(gòu))每隔一段時間就會生成一個區(qū)塊,交易合同區(qū)塊用來記錄電力市場、碳市場以及綠證市場通過智能合約在這段時間內(nèi)的交易內(nèi)容,主要包括交易雙方的ID、交易的產(chǎn)品(電量、碳配額或者是綠證)的數(shù)量以及市場的交易金額;而交易結(jié)算區(qū)塊則主要用來記錄通過綠色溯源之后每一個交易合同所對應(yīng)的實際結(jié)算電量。對于結(jié)算階段的碳配額量以及綠證量,由于這2個市場并不存在不確定性,所以交易結(jié)算鏈的結(jié)算量與交易合同鏈的合同量相同。在兩者的決策過程中,通過以統(tǒng)一積分為目標(biāo)函數(shù)的共識機制分別對交易合同鏈以及交易結(jié)算鏈進(jìn)行驗證,最終完成上鏈操作[35]。具體內(nèi)容如圖5所示。

圖5 電-碳-綠證區(qū)塊數(shù)據(jù)圖

3 電-碳-綠證市場體系建議

當(dāng)前我國電力市場、綠證市場與碳市場均處于逐步推進(jìn)、逐步完善的階段,其發(fā)展目標(biāo)都是破除市場壁壘,提高資源配置效率,構(gòu)建全國統(tǒng)一的市場體系。因此,統(tǒng)籌考慮3個市場的頂層設(shè)計,可以從政策、技術(shù)以及試點3個方面來進(jìn)行。

1)政策建議。

電-碳-綠證協(xié)同市場是在政策的推動下得以發(fā)展,因此制度保障是電-碳-綠證市場與政府相結(jié)合的關(guān)鍵支撐?；诖吮疚挠幸韵抡呓ㄗh:

針對不同的交易市場,應(yīng)當(dāng)將市場的交易信息統(tǒng)一,對于碳市場交易、電力日前交易、現(xiàn)貨交易以及綠證交易,通過統(tǒng)一積分機制將交易的合約內(nèi)容互通,打通交易機構(gòu)之間的信息壁壘;另一方面,進(jìn)一步明確綠證和CCER的關(guān)系,明確不同地區(qū)間可再生能源消納責(zé)任權(quán)重以及碳配額抵消機制的關(guān)系,對于綠證,其主要參與消納責(zé)任權(quán)重,對于綠證轉(zhuǎn)化后的CCER,其主要參與碳市場中的碳配額交易,此時轉(zhuǎn)化成CCER后的綠證應(yīng)當(dāng)失去其環(huán)境權(quán)益,避免兩者之間存在重復(fù)利用。

2)技術(shù)建議。

技術(shù)進(jìn)步是電-碳-綠證體系發(fā)展的根本。從加快電-碳-綠證市場化運行的技術(shù)角度來說,存在以下幾個方面:

利用智能合約技術(shù),實現(xiàn)3個市場的自動化交易執(zhí)行和結(jié)算以及統(tǒng)一積分之間的認(rèn)證,降低交易成本和風(fēng)險,提高交易效率和信任度。智能合約平臺可以根據(jù)不同市場的交易規(guī)則和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計相應(yīng)的合約模板和參數(shù),供市場主體選擇和定制。

建立完善的溯源機制保障交易真實性。對于火力發(fā)電企業(yè)以及可再生能源發(fā)電企業(yè)合同電量與結(jié)算電量不同的問題,針對每一個需求主體溯源每一度電量的來源,厘清供給主體交易的每一度電去向,并通過積分認(rèn)證機制將溯源內(nèi)容上鏈處理確保交易內(nèi)容的真實可信。

采用適合的共識機制保障區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)安全。當(dāng)前電-碳-綠證市場還沒有一個明確的統(tǒng)一認(rèn)證機制來對三部分的交易標(biāo)的物進(jìn)行確認(rèn),因此會導(dǎo)致市場主體之間互信能力不足,所以應(yīng)當(dāng)盡快明確一個統(tǒng)一的認(rèn)證函數(shù),例如本文建立的電-碳-綠證統(tǒng)一積分機制,企業(yè)在這個統(tǒng)一積分機制中統(tǒng)籌碳排放權(quán)和綠證可抵消的碳排放量的積分,以便共識機制的進(jìn)行。

3)試點應(yīng)用。

電-碳-綠證市場是以構(gòu)建新型電力系統(tǒng)市場化運行為目標(biāo),是實現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵載體。為了加快推進(jìn)電-碳-綠證市場協(xié)同運行的建設(shè),本文建議在以下方面開展試點應(yīng)用:

選擇具有代表性的地區(qū)開展試點。根據(jù)不同地區(qū)的電力結(jié)構(gòu)、碳排放水平、可再生能源發(fā)展情況等因素,選擇適合開展電-碳-綠證協(xié)同運行的試點地區(qū)。另一方面,針對特殊發(fā)電區(qū)域開展基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電-碳-綠證協(xié)同市場的交易。例如優(yōu)先選擇分布式光伏或風(fēng)電等可再生能源企業(yè)較多的微網(wǎng)區(qū)域進(jìn)行交易,這些分布式可再生能源發(fā)電企業(yè)接入電網(wǎng)成本相對較高、交易電量較少,因此通過基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電-碳-綠證協(xié)同市場進(jìn)行交易能使其從自發(fā)自用到市場化交易的轉(zhuǎn)變。

4 結(jié)束語

在當(dāng)前新型電力系統(tǒng)的背景下,以綠色電力為主體的統(tǒng)一電力市場發(fā)展刻不容緩,本文基于此構(gòu)建了一個基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電-碳-綠證市場協(xié)同運行體系。在體系架構(gòu)方面,通過對各個市場主體的分析構(gòu)建了一個相對完整的電-碳-綠證市場協(xié)同體系,并指出了該體系架構(gòu)上存在的交易流程繁雜、主體出清困難以及數(shù)據(jù)溯源匹配等技術(shù)問題。在構(gòu)建技術(shù)方面,通過構(gòu)建區(qū)塊鏈的智能合約模型、共識機制模型和溯源體系等技術(shù),分別對電-碳-綠證市場體系架構(gòu)存在的關(guān)鍵問題提出技術(shù)方案。本文所提出的共識目標(biāo)函數(shù)以及溯源模型須通過具體應(yīng)用案例進(jìn)行評估,后續(xù)將結(jié)合統(tǒng)一積分認(rèn)證機制開展仿真案例應(yīng)用驗證的相關(guān)研究,并進(jìn)一步形成一個電-碳-綠證市場的技術(shù)應(yīng)用。