基于智能合约的绿证和碳联合交易市场的设计与实现

冯昌森，谢方锐，文福拴，张有兵，胡嘉骅

（1. 浙江工业大学信息工程学院,浙江省杭州市 310023；2. 浙江大学电气工程学院,浙江省杭州市 310007；3. 国网浙江省电力有限公司经济技术研究院,浙江省杭州市 310008）

0 引言

随着可再生能源的发展,增强电网对以风力发电、光伏发电为代表的间歇性可再生能源发电的消纳能力是一项重要课题［1-2］。为缓解目前可再生能源发电面临的利用效率低、市场竞争力差的问题,鼓励环境友好的可再生能源发电,国际上提出了可交易绿色电力证书（下文简称“绿证”）与碳排放权的概念,并在一些国家得到应用。

可再生能源发电具有电能和环境双重价值,其环境价值可以由绿证来表征。绿证是一种对可再生能源环境价值货币化的手段,是可转让、可交易的有价证券［3］。碳排放权交易将多余的碳排放份额视为商品,通过市场进行自由交易。碳排放权交易在通过配额制限制碳排放的同时,利用市场手段提高低碳产业竞争力,促进可再生能源发电的发展。

目前,学术界针对绿证市场与电力行业内碳市场开展了广泛的研究。在绿证市场方面,文献［3］研究了可再生能源价格随供求关系在常规能源价格和绿证价格之和下方波动的动态均衡过程；文献［4-5］建立了边际价格模型和两阶段期权博弈模型,分析了影响绿证价格的主要因素；文献［6］探讨了绿证在平衡光伏发电并网价格方面的作用；文献［7］构建了一个互补的、多区域综合绿证与电力市场模型,分析了绿证对促进可再生能源发电的经济影响,并证明绿证对可再生能源发电企业的市场竞争力有促进作用。

在碳排放权市场方面,文献［8-11］分别采用了熵权法、两级分配、选举机制讨论并设计了与交易市场相匹配的绿证、碳排放配额分配方法；文献［12］讨论了碳排放配额制下的交易决策及利益分配策略；文献［13］基于总量管制和交易（cap-and-trade）模式,对中国的碳减排项目进行分析,给出碳排放评级方法并对碳市场价格进行预测；文献［14-15］分析了欧盟碳排放交易系统（European Union Emission Trading System,EU ETS）与欧洲电力市场之间的相互作用；文献［16］模拟能源排放市场,分析了能源价格以及排放配额对市场的影响,并提供机制的改进与调整方向。现有文献关于绿证市场和碳市场的研究多集中于交易报价、初始配额分配、市场评估和协调机制等领域。

目前,关于碳市场与绿证交易的联合市场的相关研究仍较少。碳市场与绿证交易市场的目的均是节能减排与生态环境的可持续发展,因此有必要考虑两者的联合市场设计。此外,绿证与碳排放权市场对交易信息的准确性和安全性要求较高,交易主体需要对数据异步更新。对于传统的交易市场这是个很大的挑战,而区块链技术则为此提供了一种可行思路。

文献［17］通过区块链技术实现了电动汽车充放电的连续双边拍卖机制,通过需求响应机制引导电动汽车放电以平衡当地电力需求。文献［18］基于智能合约构筑了电网能源需求平衡和能源生产规则。文献［19］建立了基于信誉的区块链碳交易市场,提出新型的排放权交易计划以实现降低排放量与促进减排技术发展的双重目标。文献［20］提出了一种适应产消者角色的区块链点对点（P2P）能源与碳交易市场,在实现区域能源平衡的基础上减少了碳排放。文献［21］提出碳信用额度概念,利用区块链技术建立了开放式的交易市场。文献［22］基于区块链技术设计了电力行业碳交易体系整体框架与碳配额成本决策、减排奖惩以及交易匹配模型。文献［23］通过搭建区块链底层网络环境与应用环境建立了一个涵盖核发、交易、核查的绿证流通全生命周期的绿证交易平台。国外公司开发的区块链能源交易平台TransActive Grid［24］也已投入商业运行。

基于上述研究,挖掘传统绿证市场与碳市场的潜力,从节能和减排两个角度共同促进绿色能源可持续发展。基于共同的绿色、低碳目标,本文提出一种绿证和碳联合市场交易机制设计,通过全局优化配置绿证和碳排放资源以激励可再生能源发电和限制传统化石能源机组的碳排放量,从而推动能源转型。同时,为保障绿证和碳联合市场交易的安全有效、信息公开透明,通过编写智能合约将所提市场交易机制在以太坊平台进行实现,验证了所提模型和方法的有效性。

1 区块链与智能合约

区块链技术作为一种去中心化、透明化、合约执行自动化且具有可追溯性的数据库技术,其核心优势在于能够保证不同主体之间的相互信任,进而极大减少了维护或重塑信任的成本。区块链网络中的每一个节点拥有同样的权限,任意节点的故障异常都不会影响整个数据系统的正常运行。链上记录的信息在多个节点进行冗余备份,进行数据信息的更新时需要多个节点共同认证。被记录在链上的信息将被永久储存,链上同时记录了信息的完整传递路径以便追溯。这些都使区块链的数据存储拥有较高的鲁棒性与可靠性。

区块链通过区块的链式结构进行存储,如附录A 图A1 所示。每个区块的区块头保存区块链自身的状态信息,保证了链式结构的连接与延伸。区块体存储交易记录信息,并反映至区块头的Merkle Root,保障信息不被篡改。所有记录上链的信息,例如智能电表记录的可再生能源上网电量等,都会经过非对称加密与各区块的多次确认,从而保障上链数据的安全准确可靠。

智能合约［25］是一种部署于区块链中,在无需第三方参与的情况下,以代码方式形成、验证或执行合约的计算机协议。它保障了区块链在无需第三方监督的条件下高效执行各类脚本算法,适应各类应用场景的逻辑与需求。智能合约与区块链技术的融合增加了交易的灵活性,改变了传统交易系统的顺序执行模式,更适合实际复杂的交易应用场景。智能合约在区块链上的部署如图1 所示。

图1 智能合约在区块链上的部署Fig.1 Deployment of smart contract in blockchain

在绿证与碳排放交易市场中,智能合约除负责对交易市场内产消者报价进行匹配出清,还可以履行监管部门的职责,实现对交易信息的自动检测,例如实际碳排放量数据的核查、绿证交易时对绿证所有权和有效期的确认等。

2 基于区块链的绿证和碳联合市场

2.1 现有绿证交易市场与碳排放权交易市场

国家可再生能源信息管理中心在2017 年核发了中国首批绿证,并于2017 年7 月1 日起试运行绿证自愿认购交易。 但截至2020 年7 月,仅有2 200 名认购者累计认购了37 916 个绿证。其中,风电累计交易量占核发量的比例不足0.2%；光伏累计交易量占核发量的比例更是不足0.1%［26］。现行模式下几乎无法发挥绿证作为可流通交易证券的功能,有悖于绿证提出时的主要目的,即通过市场手段填补可再生能源补贴资金的巨大缺口［27］。

目前,国际上大部分国家和地区的绿证市场选定售电商或供电商作为履责主体来承担配额目标,如表1 所示。澳大利亚、英国、意大利、美国多数州都采用等比例法将配额目标分摊到各履责主体［28］。例如：澳大利亚规定2020 年电力供应中20%为可再生能源；美国得克萨斯州的配额要求是2025 年可再生能源装机容量达到10 GW。

表1 国际上主要的绿证市场Table 1 Major green power certificate markets in the world

由于国外电力市场的市场化程度远高于国内,中国的绿证市场不能照搬国外经验。2019 年5 月10 日,国家发改委和国家能源局发布的《关于建立健全可再生能源电力消纳保障机制的通知》［29］中规定,中国按省级行政区域对电力消费设定可再生能源电力消纳责任权重,由电网企业承担经营区消纳责任权重实施的组织责任。国家能源局2017 年7 月17 日发布的《让更多人参与绿色电力消费》［30］一文中同样指出,绿证的主要使用者应为火力发电企业。同时,以发电侧的化石能源发电企业作为绿证配额履责主体的相关交易市场机制［9］、国家级与省级市场协调方案［31］以及与结合电力批发市场的综合能源优化与绿证交易［32］等相关研究都已取得一定成果。因此,在现阶段中国绿证市场中的交易主体与履约主体都应是发电企业,这是由中国电力市场化程度及可再生能源发展状况共同决定的。

中国拥有全球最大的碳市场,电力行业的碳排放又是在所有行业中占比最大的,建立一个有效的碳市场对促进电力行业的节能减排具有重要作用。中国碳交易市场于2017 年12 月19 日正式启动［33］,目前碳市场同样存在活力不足的问题。参考国外较为成熟的绿证、碳排放权交易市场,推广强制交易配额制度是一种改进的方式。配额制结合绿证交易可以起到发现可再生能源真实价格、体现可再生能源外部特性的货币价值、引导可再生能源投资和电网规划以及激励可再生能源生产消纳的作用［34］。

目前,中国的碳排放配额多数仍处于免费分配阶段,但未来极有可能由免费配额逐步转向拍卖。欧盟体系已经通过拍卖的方式分配了一定比例的碳配额［35］,而美国的区域温室气体减排组织（Regional Greenhouse Gas Initiative,RGGI）则是完全通过拍卖分配配额［16］。欧洲排放交易系统采取了总量管制和交易规则对各成员国和企业分配碳排放限额,当实际排放量小于限额时,可以将剩余碳排放权出售获利,反之则需要购买。目前,国际上主要的碳市场交易机制如表2 所示。国际上各类碳交易市场所使用的碳商品为“碳排放权”［36］。而中国碳市场目前使用的商品为中国核证减排量（China certified emission reduction,CCER）与碳排放配额。中国试行的碳排放权交易［37］则通过将碳排放配额与核证减排量2 种商品折算为碳排放权余额进入碳市场进行交易,见图2。

表2 国际主要碳市场Table 2 Major carbon markets in the world

图2 绿证和碳联合市场交易机制Fig.2 Trading mechanism of joint market for green power certificate and carbon

2.2 配额制下的联合交易市场

本文所提配额制下的绿证交易市场流程为：交易市场开启前,政府及监管部门审查并生成可再生能源发电公司绿证资质。以每个配额制定周期内发电公司实际上网的绿色电量来确定核发绿证数量。获得绿证后发电公司通过密封报价方式进入绿证市场,经过连续双向拍卖（continuous double auction,CDA）机制匹配达成交易后,绿证的所有权转移到买方用户。在交易前与交易后都需要对被交易绿证的所有权、有效周期（每张绿证有效期为一个配额制定周期）进行确认。在配额制定周期结束前,监管部门对各产消者所持绿证的有效性和所有权进行检查,即兑付。经过兑付的绿证即失去有效性。对未达到目标配额的产消者以买断的方式进行惩罚。

配额制下碳市场中碳排放权的交易流程与绿证类似。交易市场开启前,监管部门对参与碳市场的各产消者提供初始碳排放权配额。进入配额制定周期后,监管部门通过产消者处的智能电表记录每个配额制定周期内用户的实际碳排放量。超出碳排放配额的用户与有碳排放权余量的用户根据自身需求进行密封报价,经CDA 机制匹配达成交易后进行碳排放权的转移。在交易前与交易后同样需要对被交易碳排放的所有权、有效周期进行确认。在配额制定周期结束前,监管部门兑付各产消者的碳排放权。对超出目标配额的产消者以买断的方式进行惩罚。

在联合市场中,绿证与碳排放额的撮合匹配阶段结束后,若还存在有绿证余量的产消者与碳排放权仍未满足的产消者,将绿证根据式（1）折算为可抵消的碳排放权数量,再次进行撮合匹配,直至所有产消者的绿证被全部消耗或所有产消者的碳排放权限额得到满足。

式中：η为折算比例；α为交易价格调整参数,与当地可再生能源类型、联合市场运行期间气候条件以及当地燃煤价格有关；pc为本轮联合市场中绿证交易的边际价格；pg为本轮联合市场中碳排放权交易边际价格。

2.3 联合市场运行机制

基于区块链的绿证与碳排放权联合交易市场运行机制如图2 所示。图2 所示的绿证和碳联合市场包括绿证区块链和碳排放权区块链,以及两条链的交互。

绿证交易区块链：智能电表准确记录可再生能源上网电量,并根据链上内置规则自动核发绿证。拥有绿证配额的企业都可以进入绿证交易市场进行交易,可再生能源发电厂通过出售绿证获得经济利益以获得绿电补贴,化石能源发电商通过购买绿证获得相应绿证完成配额指标,通过市场手段完成对绿电企业的补贴。所有绿证交易均在链上完成,保障交易的可靠性,并简化监管过程。

碳排放权交易区块链：CCER 由核证的可再生能源与农林碳汇等减排项目上链组成。碳配额则根据链上记录的历史碳排放量按内置规则生成,公开透明。智能电表记录当前周期传统化石能源发电厂的实际碳排放量,若在本轮市场中实际碳排放量小于企业拥有的碳排放权余额,则该企业可持有多余的碳排放权作为碳排放权交易的卖方进入市场；若本轮市场中实际的碳排放量大于企业持有的碳排放权余额,则该企业作为碳排放权交易的买方进入市场。碳配额则根据链上记录的历史碳排放量按内置规则生成,公开透明。

联合市场机制：图2 中两交易链之间的箭头表示两条交易链的交互,由于部分可再生能源同时满足绿证核发和碳排放权中CCER 的标准,故在联合交易前需要将绿证区块链中的绿证核发信息同步至碳排放权区块链,扣除重复额度。当绿证与碳排放权分别出清后,持有绿证余额的企业可以根据当前周期的绿证与碳排放权的边际价格将其转化为碳排放权余额,再次进入市场进行交易,实现绿证和碳资源的全局配置。

根据市场交易机制与竞价机制,市场监管者部署智能合约到区块链网络中作为绿证与碳排放权公共智能合约来使用。发电企业作为市场主体需要注册既定结构体的节点账户。若交易主体认可该智能合约,则通过合约地址调用合约,用于市场主体之间的交易与价值转移。基于智能合约的绿证和碳排放联合交易流程如图3 所示,有以下步骤。

图3 基于智能合约的绿证和碳联合交易流程Fig.3 Flow chart of joint trading for green power certificate and carbon based on smart contract

步骤1：在联合市场配额制定周期开启前,政府及监管部门对参与联合交易市场的各产消者制定绿证和碳排放配额；各市场主体在区块链网络中注册账户,网络返回各个用户的唯一公钥与私钥；监管部门根据市场机制与竞价机制制定智能合约框架。

步骤2：通过资质审查的可再生能源发电公司经过智能电表对上网绿电计量后获得相应数量的绿证；智能电表记录各产消者的实际碳排放量；各产消者根据自身需求向网络中密封申报绿证与碳排放权报价信息,包含交易量和价格。

步骤3：参与者通过访问地址调用智能合约,制定包括交易对象、截止时间、合约自动执行的条件等,并用各自私钥进行签名,以保证合约的有效性,合约基于CDA 机制对各产消者的报价进行撮合匹配。

步骤4：执行的合约通过P2P 的方式在区域能源网络中广播,最新的合约将集中打包为区块传播到交易市场网络中。

步骤5：通过共识机制验证的合约在区块链网络传播并存入区块链,交易节点通过客户端接口调用此前得到网络认可的合约,节点会将此合约先保存到内存中。当交易开始后,发送请求,启动状态机对出清合约执行匹配出清操作,结算合约再根据每笔交易的具体细节进行转账操作,在规定时间内经部分节点验证后达成一致,智能合约执行完成。

步骤6：联合交易市场配额制定周期结束前,对各产消者在周期内的绿证与碳排放权的数量进行结算,超出配额部分的绿证可抵消超出配额部分的碳排放。记录各产消者绿证与碳排放权的数量,作为下一周期配额制定的依据。

2.4 配额目标及分配

国际上常用的2 种配额目标指定方法有可再生能源发电总量目标和比例目标。国家能源局2018年3 月发布的《可再生能源电力配额目标及考核办法（征求意见稿）》确定各省（区、市）可再生能源电量消纳占比等于各省（区、市）可再生能源消纳量除以本地区全社会用电量。由此可设定绿证配额目标。

2.5 基于区块链技术的出清机制实现

本文所提市场机制在区块链上的实现主要分为两部分：①智能合约的编写；②搭建私有链环境运行。本文采用以太坊官方开发环境Remix 平台进行智能合约的编写与编译。所使用编程语言为Solidity 0.4 版本。同时使用以太坊官方开源软件Geth 客户端作为私有链搭建与测试环境。

搭建私有链需要有一个“创世区块”来对私有链进行初始化。进入Geth 客户端中调用已编写好的“创世区块”进行私有链的搭建。私有链搭建完成后,启动节点并通过Web3 Provider 环境将编写在Remix 上的智能合约部署到私有链上。链上各节点即可调用智能合约实现功能。

智能合约对已提交报价的买卖双方通过CDA规则进行匹配出清,智能合约运行机制如附录A 图A1 所示,联合市场运行流程如图3 所示。

3 算例分析

3.1 场景设计与参数设置

假设有14 个产消者参与绿证和碳联合交易市场,其中有12 个发电公司（6 个风力发电公司和6 个传统发电公司）和2 个居民用户。用户中有1 个安装了屋顶光伏组件。本文假设：①所有带光伏机组/组件的节点均通过了监管部门的资格审查,可以产出绿证；②所有发电公司节点都有绿证配额与碳排放配额；③普通用户节点仅有碳排放配额。

设定2 条交易链,分别处理绿证交易与碳排放权交易,2 条交易链独立运行,在结算之前,有绿证余量的产消者可以与仍未满足碳排放权需求的产消者进行交易,各节点可进行绿证与碳排放权的兑换。此处以绿证交易链为例阐述交易链的运行逻辑。在仿真中设置一个交易周期［38］为4 个阶段,分别是发布交易阶段、密封报价阶段、P2P 撮合匹配阶段和结算阶段,时序如图4 所示。

图4 绿证市场交易周期Fig.4 Trading cycle of green power certificate market

在发布交易阶段,各个产消者根据自身需求提供报价或出价,分别进入报价队列与出价队列。当满足报价队列内报价数量与出价队列内出价数量同时大于5 时自动触发智能合约,报价与出价队列进入P2P 撮合阶段。结算阶段的以太币（单位为eth）与人民币的汇率统一取：1 eth=1 500 元。在交易周期开始时,假设每个产消者拥有50 eth 作为初始资金用于报价。

3.2 仿真计算

按照3.1 节设计的场景,共有7 位生产者用户和6 位消费者用户参与联合交易市场。联合交易市场开启后,进入密封报价阶段。各产消者根据自身实际生产绿证数以及实际碳排放量提出报价。在仿真实验中,假设每个产消者报价信息如图5、图6 所示。7 名生产者的出价分别为156、136、145、152、143、148、165 元,出价时间分别为116、99、83、96、105、95、49 s；6 名消费者 的 报 价 分 别 为171、168、172、153、163、159 元,报价时间分别为114、88、106、88、56、74 s。可见,在本轮绿证交易周期的报价环节中,有7 名生产者和6 名消费者提出了出/报价,每笔出/报价均未超出密封报价的时间段,都是有效出/报价,最终有7 名生产者用户和6 名消费者用户进入联合交易市场的下一阶段,根据报价时间的先后顺序,将这些用户进行排序撮合。

图5 生产者出价数据Fig.5 Offer data of producers

图6 消费者报价数据Fig.6 Bidding data of consumers

密封报价后进入P2P 撮合匹配阶段。在Remix平台编写智能合约实现2.3 节所述的市场机制。核心匹配程序分为2 个合约,合约一对各产消者进行初始化设置,包括各产消者的报价、报量等；合约二将各产消者报价输入各自队列,完成排序撮合匹配操作。在geth 客户端调用“创世区块”文件建立私有链mychain,在链上创建并解锁账户以获得私有链上的操作权,通过Web3 Provider 将编写在Remix平台上的合约部署于私有链mychain 上。接下来调用撮合匹配函数,将能源交易市场的出清逻辑部署至区块链中。使用getTransactionReceipt 函数获取交易细节查询结果,如表3 所示。

表3 首笔交易的区块信息Table 3 Block information for the first transaction

此时生产者、消费者撮合队列的撮合匹配过程已经完成,理论上能够发生的各笔交易也已经全部完成。绿证市场与碳市场的撮合匹配阶段结束后,若还存在有绿证余量的产消者与碳排放权仍未满足的产消者,将绿证折算为可抵消的碳排放权数量,再次进行撮合匹配,直至所有产消者的绿证被全部消耗或所有产消者的碳排放权得到满足。最后进入结算阶段,联合交易市场会根据本轮周期中发生的具体交易情况,对各个产消者进行资金、绿证以及碳排放权结算,并进行转账操作。在私有链中调用函数查看结算后各用户的余额情况,结果见表4。表4 中的数值含义为：正数表示该产消者拥有的绿证/碳排放权数量,负数表示该产消者需求的绿证/碳排放权数量。

表4 结算前后各用户余额Table 4 Customer balance before and after settlement

3.3 仿真结果与分析

通过调用智能合约中编写的相关函数可知,在本轮联合交易市场周期内,共发生了17 笔交易。其中绿证交易市场发生了10 笔交易,交易绿证数量、双方出/报价及出清情况如图7 所示。交易结束时,所有绿证买方的需求均被满足,同时,部分绿证卖方有绿证余量。碳排放市场发生5 笔交易,交易碳排放权数量、双方出/报价及出清情况见图8。图7 和图8 中,蓝线为买方报价信息,红线为卖方出价信息,绿线为成交信息。以图7 为例,F（136,180）表示卖方F 提供的报价是136 元/张绿证,共售出180 张；b-F（154,85）表示买方b 与卖方F 以154 元/张绿证的价格达成交易,共交易了85 张绿证。

图7 绿证市场出清结果Fig.7 Clearing results of green power certificate market

图8 碳市场出清结果Fig.8 Clearing results of carbon market

交易结束时,所有拥有多余碳排放额度的卖方的库存全部清空,仍存在未获得与自身实际碳排放相匹配额度的买方。在完成绿证市场与碳市场的出清后,生产者A 与生产者F 仍存在绿证余量,消费者f 没能在碳市场中购得与自身实际碳排放相应的碳排放权,3 个产消者继续进行撮合匹配,最终消费者f 通过购买额外的绿证用以抵消自身无法在碳市场满足的多余碳排放量。

由图7 与图8 可知,所提联合市场下各产消者可以在区块链平台上进行绿证及碳排放权的交易,以满足自身的绿证及碳排放配额。在绿证市场与碳市场无法完全满足所有产消者需求时,有效整合绿证与碳排放权资源：对可再生能源发电公司来说,可以有效处理周期内生产出的绿证,实现更高的经济效益,避免了因绿证过期造成的浪费；对传统化石能源发电公司来说,通过购买绿证兑换更多的碳排放权,可以避免过多的碳排放量超出碳配额而造成的企业信誉降低和监管部门的高额罚金；对联合市场作用区域电网来说,鼓励了可再生能源发电公司的发电,并通过联合市场转化为实际的经济效益,可以有效促进可再生能源的消纳。

4 结语

为应对化石能源枯竭和全球变暖问题,有效促进可再生能源在配电网中的消纳以及对高耗能发电公司的碳排放限制,本文提出了一种基于区块链技术的绿证和碳联合交易市场机制。运用CDA 机制设计了去中心化的绿证和碳排放权双边交易流程。本文将绿证交易市场及碳交易市场有机结合,并基于以太坊搭建了去中心化的绿证和碳排放权双边交易平台,调用智能合约实现联合市场的出清。

本文为区块链技术在电力金融领域的阶段性研究。区块链技术在能源领域的应用仍处于初步探索阶段,尤其是共识算法方面。后续的研究可以致力于寻找一种新的共识算法,在分布式能源调度中有效考虑绿证和碳排放权的市场价值,更准确地衡量绿色发电的经济与环境双重效益。

附录见本刊网络版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），扫英文摘要后二维码可以阅读网络全文。