基于区块链技术的绿色电力证书交易机制设计

张金良，王玉珠

(华北电力大学 经济与管理学院，北京102206)

随着二氧化碳等温室气体的增加，全球气温不断升高。作为目前世界上最大的碳排放国家，习近平主席在气候雄心峰会上承诺，到2030 年，中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005 年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费将达到25%左右。由于我国多煤的能源结构，一直以火力发电为主要方式的发电行业成为二氧化碳排放的主要来源。为推动可再生能源的开发利用，近年来中国启动了多个鼓励新能源发展的措施。绿色电力证书(TradableGreenCertificates，TGC)(以下简称绿证)是国家对可再生能源上网电量颁发的电子凭证，一张绿证对应陆上风电项目或光伏电站项目发出的1MWH 的绿电。绿证在市场上的交易流通，不仅限制了非可再生能源发电对环境的污染，在一定程度上也使可再生能源的相对正外部效应的优势得以发挥[1][2]。

绿色电力证书交易机制于2017 年在全国范围内试行，旨在进一步完善国家对风电、光伏发电的补贴机制。但我国自实施绿证交易以来，截止到2020 年10 月3 日，根据中国绿色电力证书认购交易平台数据显示，累计挂牌风电绿证共5679025 张，累计挂牌光伏绿证共550409 张。累计风电绿证交易38831 张，累计光伏绿证交易166 张，分别占挂牌总数的6.84‰、0.30‰。上述数据显示，我国绿证交易市场存在交易量少，且不同类型绿证销量差距大等问题。除此之外，一些学者指出我国绿证交易市场还存在一些其它问题，并提出了相应的解决方案。谷金蔚等指出我国绿证交易市场的自愿认购机制导致了企业缺乏认购积极性，并提出多回合集体竞价流程和粒子群优化自适应竞价策略，来提高市场效率和社会福利[3]。魏世哲指出由于绿证没有与配额制度结合，并且仅允许一次交易，很大程度上限制了绿证的金融属性[4]。张浩等针对绿证自愿交易不活跃的情况，建立了配额主体参与绿证交易的边际价格动态模型，分析了实际供需双方愿意接受的绿证交易价格[5]。唐一凡等借鉴国际绿证制度的经验，提出完善我国绿证制度的建议[6]。和军梁等指出价格过高一直是我国绿证存在的问题，并且绿证的出售价格接近补贴价格，并不是由市场供需决定[7]。董福贵通过建立多寡头非合作博弈模型，来促进绿色证书交易市场的消纳作用[8]。

区块链作为比特币底层技术之一，以其去中心化、分布式账本、共识机制、智能合约等特点近年来被广泛应用于医疗、金融、通信等领域。把区块链作为核心技术与其他产业创新发展是我国自主创新的重要突破口。将绿证交易与区块链技术相结合，是能源领域和区块链技术的重大创新。蔡元纪等针对绿证交易中存在的问题，基于超级账本Fabricl.1 架构，将绿证的发行、兑付和注销转移到链上，以实现多主体异步管理数据账本[9]。杜晓丽等基于区块链的特征，在碳配额分配、碳交易匹配和碳减排奖惩流程中引入减排努力值，来实现绿证交易的智能奖惩、自动交易匹配和自动执行碳配额成本决策[10]。吉斌等基于联盟区块链技术提出了碳权应用的系统架构，设计了“多对多”碳权交易匹配机制和模型，并通过算例验证了模型的有效性[11][12]。严振亚等利用区块链技术构建了从碳配额发放到碳排放权交易再到最终监管的闭环流程[13]。周洪益等详细归纳了能源区块链在分布式能源交易、阻塞管理与辅助服务、需求响应服务、碳排放权认证与绿色证书交易、数据管理与信息安全以及能源数字代币的发布与投资等典型应用场景的应用[14]。王胜寒等分析了区块链在信息安全、监测分析、交易平台、合约执行、智能决策和行为管理功能中其物理、金融、社会属性的应用[15]。崔树银等根据区块链的智能合约特点，在碳排放机制中引入信用评分机制，实现了碳排放权和货币的自动计量[16]。骆钊等在综合能源系统中引用绿色证书跨链技术，促进了可再生能源消纳[17][18]。

目前对区块链技术和能源政策结合已有一定的研究，但很少侧重在绿证交易政策的应用上。并且将区块链引入绿色证书交易时，对于绿证在市场中流通的全过程很少有系统性研究。本文首先分析我国绿证交易存在的问题及区块链的一些特征，运用场景选择法分析绿证和区块链结合的适用性，最后在绿证交易中引入区块链技术对交易的全过程进行优化设计。

一、绿证市场的交易机制和现状

(一)绿证市场的交易机制

目前我国绿证主要通过绿证认购平台网站(www.greenenergy.org.cn)(以下简称“认购平台”)进行交易,分为挂牌交易和协议转让两种方式。符合补助条件的可再生能源发电商需要向国家可再生能源信息中心(以下简称“信息中心”)申请绿证权属资格，国家能源局财政部向符合条件的可再生能源发电商发放补贴。卖方在认购平台上提交出售绿证信息，但出售的价格不得高于证书对应电量的可再生能源电价附加资金补贴金额，绿证交易完成后，卖方相应的电量不再享受国家可再生能源的附加补贴。买方可以通过认购平台查看挂牌信息，交易成功后通过金融机构向卖方支付款项，交易流程如图1。

图1 绿证交易流程

(二)绿证市场的交易现状

文章截取2018 年10 月16 日—2020 年10 月16 日的交易信息，如图2 所示，从交易流程和交易模式两方面分析我国绿证交易的现状。

图2 绿证交易成交图

1.交易流程

我国绿证交易主要依靠认购平台来进行信息披露、交易成交、绿证注销等，每次交易需经过交易系统、数据中心、信息发布系统、结算交收系统和与交易相关的一些其他系统。由于中心化操作，当交易平台因非法入侵或其他意外事故发生故障时，不可避免的会导致多方的利益损失。交易过程中涉及的参与主体较多，会出现信息披露不及时、平台运行效率低等问题。由于卖方可以随时撤销挂牌信息，交易双方易出现违规及纠纷行为。另外，主持交易的第三方可能会因为滥用职权而造成交易双方以及交易平台的不信任问题，影响绿证交易的公开透明以及效率问题。

2.交易模式

由于可再生能源配额制提出的电力消纳责任刚刚起步，现阶段我国规定绿证认购属于自愿行为，企业缺乏认购积极性，致使绿证成交量少[19][20]。对于卖方而言，绿证定价不能超过对应电量的可再生能源电价附加资金补贴，致使绿证定价逼近补贴金额，风电和光伏发电对应的绿证销量及成交价格差距较大。由于绿证不允许二次交易，对于买方而言，绿证就失去了其金融属性，部分绿证并不能给企业带来实际收益。另一方面，绿证采用的是单一回合的报价机制，交易双方仅有一次报价机会，不能根据交易情况调整报价，导致交易成交率低。

二、区块链的结构和特征

(一)区块链的结构

区块是构成区块链的基本单位。每个区块包括前一区块的哈希值、本区块的哈希值、默克根和时间戳，如图3 所示。将上一区块的哈希值进行哈希运算得到本区块的哈希值，各个区块通过哈希算法计算出的哈希值组成单向链状结构。将区块中的交易信息作为节点两两进行哈希运算，最后产生一个新节点即默克根。时间戳是一种采用UNIX 的时间计数方式，记录了每个区块产生的精确时间。区块链的结构使得数据易于传播和验证，并且可以防止数据的篡改和交易的重复发生。

图3 区块链结构图

(二)区块链的特征

1.去中心化和共识机制

分布式对等网络(PeertoPeer,简称P2P 网络)作为区块链的底层网络基础，其去中心化的结构方式，使每个参与节点都可以储存、传输和接收文件，从而保持各自平等的地位，高效地实现各主体间点对点的信息传输。另一方面，区块链的共识机制可以在交易双方互不信任的情况下，使节点在全网范围内达成共识，安全地完成交易运转。以联盟链为例，联盟参与者选取链上的管理节点来对其他用户节点进行验证和确认。在交易发生后，全网节点对交易信息进行验证并存储在自己的区块中，防止数据被篡改而导致多方造成损失。在绿证交易中，信息中心可作为联盟链上的管理节点，对买卖双方的交易进行监督和确认。同时买卖双方交易完成后，通过广播其交易信息也会被推送到其他参与节点中进行确认，防止交易重复发生。同时一些信息也不再需要第三方统计后发布，可以防止时间不对称而造成的成本浪费。P2P 网络和共识机制的联合使用，使得区块链对恶意活动具有较高的抵抗力。

2.加密算法

在区块链中，使用了一种“非对称加密”方式：公钥和私钥。其非对称加密体现在：私钥由随机函数产生，公钥由私钥经椭圆曲线生成，用私钥可以解出公钥，用对应的公钥才可以解出私钥。另一方面，区块链中的哈希(Hash)算法具有不可逆性和唯一性。当某个参与者想要改变交易信息时，会导致其交易节点的变化，从而导致本区块默克根的改变，随后会引起本区块的哈希值改变。由于区块链中区块首尾相连的单向结构，本区块的哈希值改变，会导致本区块以后所有的哈希值改变，所以哈希算法可用于消息的完整性检验等。另外，私钥还可以用在区块链交易中的数字签名。在绿证交易中，卖家使用自己的私钥将交易信息签名后和自己的公钥发送给买家，对于买家来说，收到后使用卖家的公钥进行解密交易，验证私钥签名的正确性和公钥对应的账户地址，确认交易方的身份。通过这种非对称加密算法，可以大大提高交易的安全性。

3.智能合约

智能合约采用完全自动化的流程，通过事先将交易条件设定为代码形式，系统会自动匹配符合条件的最优解。智能合约可以在交易双方不信任的条件下，安全可靠的进行交易，并且这些交易可追踪且不可逆转。在绿证交易中设定“转发合约”，当给定的条件满足时，自动将交易信息发送给市场参与的各个节点，这样既能防止交易数据被篡改，也可以防止交易的重复发生。监审机构上链后，以一些开放式合约的形式可以每天全时间段对可再生能源发电商开放，发电商填写信息后，合约会自动对符合条件的发电商进行资质认证和绿证发放，这样可以大大提高交易的运行效率。同时，智能合约通过的交易是不可逆转的，所以这样可以避免买卖双方达成交易后，卖家突然撤回绿证挂牌信息等引起双方纠纷的事件。

三、基于联盟链的绿证交易平台

通过上述对我国绿证交易存在的问题和区块链技术所具有的特征的分析，可以得出区块链的一些技术可以很好地解决绿证交易中存在的一些问题。下面运用应用场景选择方法—ASMI 法，如图4，说明区块链技术对绿证的适用性。

图4 ASMI 场景选择法

本文将绿证交易流程分为核发、交易、核查三个环节，对每个环节引入区块链技术，使各环节效率及安全性问题达到最优，从而使绿证流通的整个生命周期达到最优。

(一)绿证核发阶段

目前传统的绿证核发阶段需要信息中心对可再生能源发电商的发电能力进行资质审核，并把符合资格的发电商上报到国家能源局。发电商每月在可再生能源发电项目信息管理平台填写结算电量信息，经信息中心审核后，将相应的证书发放给企业。绿证核发阶段存在的主要问题是运行效率低、且可能存在企业填报虚假信息的行为。为避免企业谎报信息的情况，可以在发电侧安装电子传感器，将发电量实时地传送到信息平台。发电商在进行信息填报时，系统会自动校对发电量是否和系统内的一致。将企业必须满足的条件写成智能合约形式，发电商在任何时间段都可以进行资质认证和绿证的申请，如果符合资格系统将会自动把相应的证书数量转移到发电商的账户中。在绿证核发阶段的具体流程如图5。这种方式减少了信息平台的人工投入，并且提高了认证效率。

图5 绿证核发过程

(二)绿证交易阶段

在现阶段的绿证交易阶段，需要依靠中心化平台—绿证认购平台完成交易的全过程。引入区块链后，如图6，买卖双方分别将绿证需求、出售信息进行上链，通过提前设定好的交易条件自动进行最优匹配，匹配成功后自动触发智能合约，然后交易双方通过签名对本次交易进行验证。验证的具体方式如下：卖家将交易信息通过自己的私钥签名加密形成密文1，同时，通过买家的公钥对交易信息进行加密得到密文2，将两份加密文件同时发送给买家。买家在接收到加密文件后，用自己的私钥对密文2 进行解密，用卖家的公钥对密文1 进行解密，并对解密文件进行对比。若内容一致，则可确认消息为卖家所发及信息的完整性。交易成功后会对全网进行广播，以确定所有节点都可记录本次交易基本信息，防止交易的重复发生，同时交易信息难以被篡改。每次交易都会生成带有时间戳的交易记录，可以查询本张绿证是否是二次交易，来验证绿证的有效性。最后会将本次交易写入区块，实现交易信息的可追溯。

图6 绿证交易流程

(三)绿证核查阶段

相比于现阶段的绿证核查阶段，如图7 在引入区块链后，首先，对于可再生能源发电商来说，在把交易的绿证价值转移后，系统会自动计算剩余绿证数量及类型，并上报国家能源局，待确认后会发放相应的补贴，通过这种方式可以避免重复计算补贴。另一方面，对于购买绿证的配额主体来说，将绿证提交检验后，系统会自动对比其配额完成情况，同时触发智能合约，实行相应的奖惩措施。已兑付的绿证会自动注销。在激励方面，交易成功后，可以按购买绿证的价格换算成相应的积分，当配额主体积累到一定的积分时，可兑换相对应数量的绿证，来引起买家的购买积极性。

图7 绿证核查过程

四、结论

信息披露不及时、平台运行效率低、核查信息过程繁琐等问题，一直是绿证交易过程中不可忽略的痛点。本文为优化绿证交易的全过程，将绿证流通的全生命周期划分为核发、交易、核查三个环节，在每个环节中引入区块链技术特性，利用智能合约实现绿证交易的自动执行，提高运行效率；通过去中心化的点对点交易模式，解决信息不对称情况，实现各方的信息共享；基于区块链的单向链式结构，实现交易数据的可追溯。

引入区块链技术能对绿证交易流程存在的问题进行很好的优化，但由于我国可再生能源消纳保障制度处在初期阶段，作为与其配套的绿证交易机制仍存在很多交易模式上的问题，如绿证不允许二次交易、单一回合集中报价、交易价格的限制等，这些还需要政策上的进一步研究改进。