基于区块链的绿色电力数字凭证应用探索

国网浙江省电力有限公司双创中心 刘周斌 谢知寒 徐丹露 杭州源宇科技有限公司 张 琦

1 绪论

绿色电力主要是指可再生能源电力，以光伏、风电、水电等为主，具有清洁环保、可再生等特点，在发电过程中很少甚至不产生烟尘、氮氧化物、二氧化硫等环境污染物。随着经济的高速发展，传统能源带来的环境问题日益严重，因此加大可再生能源的使用比例，创新有偿使用培育和发展交易市场，对于降低碳排放、保护环境、实现可持续发展都有着极为重要的积极意义。但由于目前大多数品种的可再生能源发电成本都要高于传统的火电，因而通过政策手段来推动可再生能源的建设与发展，控制能源消费总量，已在全球范围内形成共识。我国高度重视可再生能源发展，从2000年开始在可再生能源配额制度和绿证制度方面进行了大量的研究工作，目前已经陆续出台了多项支持政策，并建立了绿证交易系统，在推进绿证自愿认购、引领社会大众绿色电力消费方面取得了一定的工作成效。然而近些年我国绿证市场缺逐步走入困境，使用场景窄，价格高以及开发体系不完善，生产量与购买量严重失衡。

通过将区块链技术引入可再生能源发电，不仅能提高绿色电力数字凭证在开发环节的信任度，还能为绿色电力数字凭证找到更多元化、价值化的应用场景，为解决当前的绿证困境提供新的解决思路和技术方案[1]。

2 区块链平台相关技术

区块链系统架构主要包括数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层。该模型中，作为区块链技术最大的价值和最具代表性的创新点在于基于时间戳的链式区块结构、灵活可编程的智能合约和基于共识机制的经济激励。

2.1 分布式账本

从实质上说，分布式账本就是一个可以在多个站点、不同地理位置的分散网络的多个机构成员之间共享、复制和同步的数据库。分布式账本记录网络参与者之间例如资产、数据交换的交易。在同一个网络里的参与者均可以获得一个独一无二且真实的账本副本，账本中的每条数据记录都有一个唯一的密码签名和时间戳，因此账本可以成为网络中所有交易的可审计历史记录。网络中的参与者可以对账本中的记录的更新进行制约和协商，并达成共识。

2.2 共识机制

共识机制就是所有记账节点之间怎么达成共识，去认定一个记录的有效性，这既是认定的手段，同时也是防篡改的手段。区块链的共识算法按照选取打包节点方法的不同分为选举类、证明类、随机类、联盟类和混合类[2]。选举类多见于传统的共识算法；证明类包括PoW和PoS，不同的是PoW是指工作量证明，证明的是矿工的算力，PoS是指权益证明，证明的是参与者占系统虚拟资源的权益；随机类包括Algorand和PoET，是通过依赖随机数选取打包节点；以DPoS为代表的“民主集中式”轮流获得打包权属于联盟类算法；还有很多系统采用PoW+PoS的共识机制，属于混合类的共识算法。

2.3 智能合约

智能合约是一套以写入计算机可读的代码中定义的合约参与方互相同意的权利和义务的约定，或者说承诺，包括合约参与方可以在上面执行这些承诺的协议。区块链上的智能合约是存在链上的一段代码。调用合约需要三个东西：合约地址、方法名、参数。链通过合约地址找到合约代码，加载进EVM，然后执行具体的方法。智能合约与传统程序不同，它更强调事务，其本身包括事物处理和保存机制以及一个完备的状态机。智能合约的事物保存和状态处理均存在于区块链中，也就是需要在节点间共识算法的基础上完成。然而，智能合约不能产生和修改合约，它只是一段为了能够按照参与者的意志正确执行被条件触发的数字化承诺的一个事务处理和状态记录的模块。在预设条件下，程序自动强制地执行合同条款，实现“代码即法律”的目标。

2.4 密码学

密码学分为古典密码学和现代密码学，现代密码学技术是互联网安全的基石。区块链中包含大量的信息安全和密码学技术，其中有：哈希算法（Hash）、数字签名、零知识证明以及非对称加密等。区块链采用密码学哈希算法，保证区块链账本的完整性（不被破坏）。非对称加密又称为公钥加密算法，需要两个密钥：一个用于加密的公开密钥（public key）和一个用于解密的私有密钥（private key）。公开密钥与私有密钥是一对，如果用公钥对数据进行加密，只有用对应的私钥才能解密；反之也可以用私钥加密公钥解密。并且将公钥公开后，根据公钥无法测算出对应的私钥。

3 平台需求分析

3.1 业务需求

绿色电力数字凭证应用场景相对于传统能源使用场景发生了本质性变化。绿色电力数字凭证旨在打破能源生产和消费的壁垒，横向整个各种能源，以最经济、环保、绿色的方式为人们提供能源，绿色电力数字凭证应用场景因此具有了开放、动态和难控的特性，在绿色电力数字凭证场景中，各种新能源和消纳方式可以开放性地进入与退出本业务生态，并可引入二级市场，构造企业间直购绿色电力数字凭证的交易环境实际需求，形成一个促进可再生能源的价格信号机制,调动企业环保积极性,使市场趋于完全竞争。

区块链去中心化、协同自治、点对点交易等技术特性可以为绿色电力数字凭证管理解决如下问题：

确权登记，区块链技术可以保证每一个单位的绿色电力数字凭证的来源及其交易路径能够被追根溯源，对于绿色电力数字凭证及可交易缺口/富余提供合法有效的确权，为完全竞争型的市场交易提供坚实的基础。

不可篡改，利用区块链技术分布式记账的能力，保障数据的真实性、有效性。例如绿色电力数字凭证发行、交易、核销上链之后，既可以避免数据疏漏、错误和篡改，可以更加准确地计算绿色电力数字凭证数据和企业用电量。

数据共享，用户可查询和确认能源企业的项目规模及其绿色电力数字凭证属性，在信息对称的情况下对绿色电力数字凭证能源企业进行选择，解决了数据共享、信息透明的问题。

自动化与智能化，可使用智能合约技术，按照事先约定的规则，自动登记电表的发电量，设备直接转换为绿色电力数字凭证上链，自动统计认证，免除大量的人工重复计算，降低了成本也加强了监管的效率，从事后监管逐步过渡到实时监管。

3.2 功能性需求

表1 绿色电力数字凭证平台功能性需求

3.3 非功能性需求

实用性、易操作性：需具有良好的的人机界面，操作方便、灵活，易维护。系统操作界面需符合业务人员使用规范，信息提示清楚明白。

接口标准性、一致性：提供的规则、接口应公开、透明、易用、支持性良好。系统应良好对接编制或提供的标准化数据接口。

开放性、灵活性：系统能够满足招标方对未来情况变化的需要，应具有良好的可扩充、扩展能力，适应系统不断完善和发展。

容错性、可靠性：系统应采用多种容错手段，保证稳定可靠的运行，并保证数据的安全与完整。

区块链技术要求：区块链底层应采用经过安全论证或评估的共识协议（如BFT,PBFT,DBFT,RAFT等），保证良好的安全性和容错性。

4 平台系统设计

4.1 平台总体架构

在总体架构上，主要由交易结算系统、资产发行系统、企业端钱包、身份认证中心、区块链系统、监管平台组成。

4.1.1 资产发行系统

资产发行系统包括机构管理、项目管理、设备管理、交易管理、核销管理和系统管理等模块，主要负责绿色电力数字凭证认证、发行、注销等功能，身份认证中心模块负责企业认证管理，可单独剥离置于交易结算系统或独立的认证登记系统。资产发行系统与区块链对接，实现企业身份上链、绿色电力数字凭证发行和注销等功能。同时将身份信息同步至交易结算系统。

机构管理：发行方注册登记后主管部门可对其进行审核，审核通过的机构完成身份上链。

项目管理：发行方需先创建项目，项目用于标记、识别同类型的绿色电力数字凭证，不同地区、不同项目发行的绿色电力数字凭证可能会有等级、价格差异。

设备管理：设备生成公私钥后发行方可在本模块关联设备，关联后的设备公钥加入发行方公钥地址中可实现设备自动发证上链，本模块可实现设备的启用、终止、吊销等操作。

4.1.2 交易结算系统

交易结算系统包括首页、我的账户、订单管理、我的资产和系统操作等模块，负责资金结算、账户管理、兑入兑出和交易等功能，企业端钱包负责保管企业秘钥，后期也可单独剥离。交易结算系统与区块链对接完成资产转移及状态同步。

在远期业务需求中，企业端账户体系以及实名认证系统往往托管在交易结算系统或单独的认证登记系统中，设备管理中心则为独立系统。在本文设计中，考虑到现实情况，选择采用托管方式，将企业端钱包、身份认证中心和设备管理中心功能集成到交易结算系统或资产管理系统，但在技术设计上支持企业端钱包、身份认证中心和设备管理中心功能模块的迁出。

4.2 业务流程设计

4.2.1 底层链环境搭建

搭建底层链环境、配置节点、部署基础管理合约和绿色电力数字凭证合约，具备创建区块链身份和权限配置的能力，根据业务实际需求创建绿色电力数字凭证发行管理方、交易买卖方、交易平台方或监管方等多个业务角色，并为这些角色分配相应的权限，完成生态角色创建和授权工作。

④农村污水处理要科学地利用废弃坑塘，改造成氧化塘，通过各种好氧、厌氧过程和食物链处理污染水体。建设人工湿地，利用自然生态系统中的物理、化学、生物的三重作用，实现对污水的净化。对分散农户产生的生活污水，设置三格化化粪池进行处理。

4.2.2 发行绿色电力数字凭证

被赋予绿色电力数字凭证发行权限的设备方通过调用绿色电力数字凭证发行相关合约接口，可实现链上绿色电力数字凭证的发行，同时发行方可通过资产发行系统相关图形化操作界面对设备进行绑定操作，绑定后的设备即赋有发行权限。

链上绿色电力数字凭证发行过程可分为交易发起、签名、合约调用、指定资产所有方、发行完成几个步骤，每一份绿色电力数字凭证发行都在记录在区块链账本，明确记录绿色电力数字凭证发行方、绿色电力数字凭证所有方、发行时间、绿色电力数字凭证相关信息等内容，过程可追溯、可监管。

4.2.3 绿色电力数字凭证交易

在绿色电力数字凭证被发行的过程中，将指定最初是的所有者，成为绿色电力数字凭证所有方，绿色电力数字凭证所有方具有绿色电力数字凭证转移权限，可对其拥有的绿色电力数字凭证发起权属转移操作。

绿色电力数字凭证转移过程在交易结算系统中进行发起，通过链外资金结算方式进行资产交易，交易结算系统作为中间方完成交易撮合、托管交易等业务功能，帮助买卖双方完成绿色电力数字凭证转移与资金结算。

在发起权属转移时，需要调用绿色电力数字凭证转移相关接口，指定转让对象、发起方签名、合约验签后完成权属转移流程，同时，转移记录将完整记录在区块链账本上，包括交易时间、绿色电力数字凭证数量、发起方、接收方以及其他相关拓展信息。

4.2.4 绿色电力数字凭证核销

区块链上的绿色电力数字凭证可根据业务需要对接相应的应用场景，如在绿色出行场景中的骑行券、快速入住酒店权益等，用户购买绿色电力数字凭证后可以兑换成相应的优惠券、权益等，绿色电力数字凭证的核销即完成这个对应的过程。

当绿色电力数字凭证核销后，该凭证在链上变更为核销状态，无法再被转移或交易，且该状态不可逆。

5 结语

区块链具有多方共享、数据统一维护、可审计可追踪特性，可帮助能源电力企业在安全基础上创新性地推动能源价值链重塑，能从技术方面支撑可再生能源领域新业态、新模式、新思维的发展，因此区块链技术在可再生能源领域和未来能源革命中必将发挥重要作用。

本文分析了区块链技术特点，设计了基于区块链的绿色电力数字凭证平台，提出了其系统架构和技术方案，并基于平台设计了面向C端用户的绿色电力数字凭证应用场景。绿色电力数字凭证背后表达是可再生能源产生的环境正外部性的价值，具有现实价值依托，可以与绿色应用场景如绿色消费、绿色金融等打通。如在绿色金融场景中，获得绿色电力数字凭证的企业或个人可以凭借更好的数据可信度和所持有的绿色电力数字凭证获得融资、评级、碳资产开发等金融科技服务。如此，区块链通过打通绿色电力数字凭证的生产和使用场景，建立自我激励的绿色经济生态闭环，帮助绿色电力数字凭证内在价值尽早在日常商业和生活场景中实现落地。值得注意的是，区块链在吞吐量方面包括减少区块生成时间、区块确认时间，和信息安全、监管及隐私保护方面还存在很大的挑战。