基于区块链的微网群碳权交易优化决策模型

胡 伟,裴 莹

(上海电力大学 经济与管理学院,上海 200090)

随着国家环保战略的实施,发电设备的碳排放量将进入更加精细、严格的付费管理阶段[1],碳排放权(下文简称碳权)的市场化交易将成为未来节能减排战略推行的关键举措。微电网作为相对独立的电网结构,拥有大量的可再生能源分布式发电设备,是节能、减排的主力军[2]。因此,对微网群内部碳权交易体系进行研究具有重要意义。

区块链是一种将密码学算法、分布式数据存储、点对点传输、共识机制和智能合约[3]等新型计算机技术进行深度应用,从而实现去中心化、不可篡改、公开透明等特性的分布式数据库[4-5],与微电网群内部多对多碳权交易的需求完美契合。因此,区块链技术为改进微网群内部碳权交易体系提供了研究方向和参考依据。

目前,国内外学者研究从多个方面将区块链技术引入微网群碳权交易领域。Fu等[6]利用区块链技术,使得企业碳排放数据在系统内部公开透明,实现碳排放交易计划和新型碳排放机制的有效结合。Schletz等[7]利用区块链底层的信息安全架构,构建分布式碳配额交易体系结构模型。Khaqqik等[8]考虑到买卖双方的信誉度,提出了一种基于区块链技术的碳配额交易机制模型,有效降低交易双方的信任成本,提高碳配额交易的效率。杜晓丽等[9]结合碳减排努力值构建了碳配额成本决策模型、碳减排奖惩模型以及碳交易匹配模型,以期实现多微网碳配额交易安全高效的执行。Hartmann等[10]基于区块链技术,对澳大利亚碳交易市场进行改进,使澳大利亚碳市场的交易效率得到有效保障,同时提高了交易的安全性和公平性。上述文献将区块链技术应用于碳权交易机制中,为优化微网群内部碳权交易机制提供了参考和借鉴。在总结现有研究成果的基础上,发现还存在如下两个方面的问题:①在碳权分配机制的研究中,缺乏适合不同类型主体的针对性方案,导致高排放型微电网节点的效益受损；②大部分研究考虑了交易主体的信誉度问题,但缺乏将信誉值与交易优先级相融合的惩罚机制,使用户节点的交易行为得不到实际的约束。

基于上述分析,本文提出基于区块链的微网群碳权交易优化决策模型。依据联盟链半中心化的特性,构建基于联盟链的微网群碳权交易架构。利用违约惩罚机制,将微电网用户的历史信誉值进行定量计算,实现节点信誉值与交易优先级的深度融合,达到以经济因素约束节点交易行为的目的。对微电网节点进行分类,设计出具有针对性的碳权分配机制,使微电网节点的碳权效益得到有效保障。在此基础上,考虑用户总体效用收益为目标函数的条件下,完成碳权交易优化决策模型的设计。

1 基于区块链的微网群碳权交易架构分析

在目前的电力系统中,由于微电网节点分布在不同的地理位置,不具备结构化的拓扑性。另外,每个微电网节点进出网络具有随机性[11],对于微电网节点的管理往往需要一个中心化的机构或系统,在增加一定的管理成本的同时,还会因信息的滞后性造成碳权的浪费以及碳权交易市场活跃性的降低。微电网地理位置的分散性以及节点进出的随机性恰好符合区块链P2P(Peer to Peer)网络接口[12]的特性,因此,区块链技术可以将分散的微电网节点与监管机构等节点整合成为一个交易联盟体。

碳市场主体由高碳排放型微电网主体、低碳排放型微电网主体、监管机构主体以及金融机构主体4个类型组成。不同类别的微电网主体直接参与碳权市场交易；环保部门和能源监管部门以监管主体的身份注册登记,作为碳权交易监管节点；金融主体作为碳权交易结算阶段的价值转账服务节点,可以通过代币或法定货币进行转账。由于联盟链本身不具备发布代币的属性,因而支付截止按照金融规定执行,本文以比特币作为支付介质[13]。不同主体间需要不同的交易数据处理权限,不同交易业务通道能够满足不同类别的市场主体,而联盟链在实现权限管理和数据隔离上具有天然优势。因此,本文以联盟链技术为基础,进行碳权交易架构的设计。

大多数联盟链中主要采用PBFT 共识机制。然而,传统的PBFT共识机制存在主节点选取随机性强的问题。因此,本文提出结合积分制度的改进共识机制(具体见2.2节),其在保证交易数据安全性和真实性的前提下,达到节点共识行为约束节点共识权限的目的。执行碳权交易时,用户节点将申报交易信息数据上传至基于联盟链的交易平台,按照改进的共识机制并调用智能合约对交易数据信息进行处理。通过共识认证后的交易数据会写入各节点的分布式数据库。此外,联盟链除了私人信息不公开外,碳权交易市场中所有的交易信息都被分布式存储在各节点上,极大地提高了交易信息的公开透明性。联盟链上的各个节点均可直接从交易平台上得到有益于自身碳权交易的信息,减少了决策成本。

在基于联盟链的碳权交易架构中(见图1),碳权交易借助区块链的技术平台,构建了分布式数据库和本地交易应用客户端。市场主体在联盟网络中自由申报碳权交易数据,平台即时通信交互主体的交易信息,按照基于违约惩罚机制的申报电价排序方法和交易匹配算法,出清最终的交易匹配结果。监管机构主体通过查看联盟链上的交易信息数据,对交易市场进行分析并对违约交易信息进行公告批评。金融机构主体为碳权交易市场提供交易价值的结算和转移服务。综上所述,基于联盟链碳权交易架构的设计可以实现微电网节点间安全高效性交易的执行。

2 微网群碳权交易机制设计

2.1 违约惩罚机制

微网群内部的碳权交易过程中,部分微电网节点受到经济利益的驱使,存在恶意的违约行为[14]。因此,针对上述问题,本文提出微网群违约惩罚机制,实现对微电网节点交易行为的可靠约束。通过节点信誉值的定量计算方案,完成微电网用户历史交易行为的量化测评。在此基础上,将信誉值与交易节点匹配顺序进行深度融合,达到节点信誉值影响碳权交易匹配优先级的目的。

本文将合约完成度作为评定节点信誉值的关键指标。碳权交易过程中,交易双方会出现违约问题。余碳权节点的提供碳权与成交碳权不对等,导致缺碳权节点需要以高于微网群内部碳权交易价格和政府部门交易碳权,这不仅损害了缺碳权节点的经济利益,而且不利于发挥碳权交易市场的经济效用优势；而缺碳权节点在签订智能合约后碳排放量超过约定值,将会导致环境污染变严重的同时损害了余碳权节点的经济利益。因此,节点的信誉值的评定模型如下所示:

假设表示微电网节点j在k时段内为出售用户,表示微电网节点j在k时段内为购买用户。由于微电网节点j不能同时处于出售和购买两种状态,故微电网节点的状态约束可以表示为

结合上述微电网节点的状态约束,可以得到微电网节点合约完成度的评估标准为

最后,需要将合约完成度做效益型标准化处理:

若设定信誉值初始值为1,当用户信誉值小于1时,则要在智能合约签署的出售(购买)价格上减去(加上)附加的惩罚费用。惩罚电费会随着交易过程中信誉值的降低而升高。当一段时间内,微网群系统内的碳权量不足以满足全体买方的需求时,则由政府来平衡这一不平衡量并对相应的碳排放超标节点实施惩罚。最终的惩罚电价如下式所示:

式中:Gj,k为第k个时隙的第j个参与交易节点的原始碳权成交单价；为微电网节点j在k时段合约完成度的标准化处理值。

该惩罚电价被应用于交易的排序阶段,为了使得违约的卖方(买方)的交易优先级下降。但最终的成交电价以原始的碳权申报电价为准。

最先进入市场或在以往交易中不存在违约情形时,各个用户的信誉值都为1。用户在虚拟钱包中都应存有最低额度的资金作为保证金,余额一旦低于保证金最低限额,便自动停止进行后续交易。存有保证金的作用除了用于微电网正常的支付结算外,还用于交割阶段,若出售微电网节点实际出售碳权与实际约定碳权量不符,则需扣除相应的保证金。

2.2 共识机制的设计

在传统的PBFT 共识算法中,由于主节点的随机选取过程可能会导致所选取的主节点是无效的恶意节点,从而导致重复选举的发生,进而影响算法的效率[15-16]。因此,本文提出一种基于积分制度的拜占庭共识算法 (Improved Byzantine Fault Tolerance,IBFT)。该算法主节点的选取借助积分制度,积分值最高的节点将会成为本共识周期的主节点。本文选取监管主体节点作为维护积分表的权威节点。综上所述,IBFT 共识算法可以有效保障共识效率的同时,还能保证共识过程的公平性。

IBFT 算法主节点的选取采用类似于Raft算法的方式,并且引入积分制度,如表1所示。

表1 IBFT算法节点权限

由表1可知,只有candidate状态的节点才有资格被选为主节点,而follower状态的节点只有依靠每次成功共识后获得积分来升级为candidate状态。在IBFT 算法中规定,节点每成功执行一次共识,将会获得4分；若节点不是恶意节点,但没有成功完成共识任务,则该节点将会获得2分；若节点存在恶意共识行为,则该节点将会被减去6分。最终根据积分情况,从小到大排序,选取前4 名节点作为candidate状态节点集合,而主节点的产生就在该集合内。关于积分表的维护,本文选取监管机构主体为权威节点,负责维护积分表。节点成功进行共识后,将执行成功的共识内容的哈希值作为证据绑定积分,权威节点会验证哈希值。验证通过,则该节点积分加4 分,这个累加过程持续到第2f+1 个节点；若验证不通过,则根据节点地址,对节点积分扣除6分。综上所述,在下一个共识周期到来之前,权威节点需要完成积分表的维护过程。

综上可知,IBFT 共识机制可以在保证PBFT的优势下,实现主节点的可靠选取,达到微网群内部交易信息高效且可靠共识的目的。

2.3 基于违约惩罚机制的交易流程

基于区块链的碳权交易体系中,用户节点在经历注册上链、碳权交易费用与碳中和成本对比、申报意愿交易碳权量和单价、基于碳权交易惩罚机制的改进价格的排序、碳权交易匹配等流程,以及在遵循该体系的退出机制、系统维护、通证抽象、链下链上的监管与协调等规则的基础上,方可顺利参与碳权交易。

基于联盟链的碳权交易执行,按照业务通道部署的链码逻辑算法处理交易申报数信息,本文设计的基于违约惩罚机制的交易流程如图2所示。

步骤1微电网节点在规定时间内将自身碳超标量治理成本与碳中和度奖励(具体见3.2节)之和与参与碳权交易市场的开销进行比较。若比较后发现参与碳权交易花费较少则转步骤2,否则转步骤6。

步骤2在交易周期开始前获取参与碳权交易的申报信息以及历史信誉值的计算值。

步骤3将市场主体分为买方和卖方,买方主体按照基于惩罚机制的改进出价由高到低排序；卖方主体按照出价由低到高排序。

步骤4依次将卖方与买方进行匹配,按照买卖双方报价差由高到低进行排序并实施相应的匹配,直到卖方/买方的申报碳权满足约定数量后,终止匹配过程。

步骤5依据IBFT 共识机制的主节点选取机制选取主节点,该主节点发起交易信息的共识请求。若交易信息在检验过程中被校核成功,则转步骤6,否则该交易失败并返回步骤2。

步骤6交易结算,需要金融主体节点进行碳权交易结算的价值转账服务,本次交易周期结束。

2.4 微网群碳权交易算法设计

基于交易流程和交易需求,碳权市场主体可以修改一次交易报价,碳权交易的匹配和价值转账分别部署对应智能合约自动执行。对应智能合约算法如下:

3 微网群碳权多边交易优化决策模型设计

3.1 碳权分配机制设计

碳权分配机制的合理设计是形成微网群内部碳权交易的基础条件,不同的碳权分配方案意味着不同的减排成本和收益。传统的碳权分配机制将用户的碳权分配额与所用电量进行正相关处理。但是随着可再生能源发电设备的快速发展,发电量一致的情况下,所含清洁能源发电设备越少的微网节点所排放的二氧化碳含量越高。这样,基于发电量的碳权分配机制将无法满足相对较高碳排放量微网节点的碳权需要,使得该类节点购买碳权的成本提高,损害了该类节点的经济效益,不利于微网群内部碳权交易市场的维护与运营。因此,本文提出应对不同类别微电网节点的碳权分配机制,有针对性地完成微电网节点的碳权分配机制的设计。

根据微电网节点的单位电量的碳排放值,将微电网分为高排放型和低排放型两类。当某微电网的单位发电量所产生的碳排放值超过一定阈值θ时,该微电网被评定为高排放型微电网,否则为低排放型微电网。在此基础上,针对不同类型的微电网设置不同的碳排放权分配方案。具体为:

(1)高排放型微电网分配方案。为了促使高排放型微电网向低排放型微电网的转变,需要对其碳排放权的分配设定严格的控制[17],即政府分配给该微电网的碳排放权要低于高排放型微电网参照排放权,称为实际分配排放权。这使得该微电网在超排放量的情况下,主动参与微电网群内部间的碳排放权交易进程中,不仅可以提高碳交易市场的活性,而且促使高排放型微电网节点朝着可再生能源渗透率水平提升的道路发展。

为了将微电网的可靠性体现在碳排放权分配中,本文将传统的微电网参考排放量的计算公式加以改进。具体如下式所示:

式中:βi为微电网i的单位电量所产生的CO2排放量；Qi为微电网i内部所有机组所产生的电量之和；为效益型标准化后微电网i的可靠性评定值。效益型标准化公式为

式中:Ri,min和Ri,max分别为微电网群内部可靠性的最小值和最大值；Ri为微电网节点i的原始可靠性评定值。具体如下所示[18-19]:

式中:δup为上级电网停电率；nup为上级电网平均停电时间；lm为微电网切换至孤岛模式的失败概率；ti为微电网i内部电源启动恢复时间；qi为微电网i在孤岛运行期间所能提供的负荷平均功率。

(2)低排放型微电网分配方案。对于低排放型微电网节点要实施奖励的分配策略,即宽松控制策略。这意味着该类型节点所分配的实际碳排放权要高于自身的参照排放值。由于本文将区块链技术与微网群间的碳权交易相结合,为了体现区块链技术的优势,将区块链的应用程度(即上链交易的节点越多,区块链应用程度越大)体现在碳权分配方案中。

虽然微电网节点使用不同碳权的最终目的都是满足碳排放量的达标,但是由于不同出售主体的历史诚信度、稳定性以及碳权单价等方面存在差异,微电网购买用户在满足不同的碳权需求时在一定程度上会基于上述原因,对不同出售碳权的微电网节点产生不同的交易偏好。此外,在基于区块链的微电网群系统中,信息的公开透明以及信息的实时交互可以让用户更加准确地掌握微电网群内部的碳权交易信息,提高微电网节点参与碳权交易的积极性。

综上可知,微电网节点对低排放型微电网余碳权的偏好程度与信息互通程度呈正相关关系,而信息互通程度与区块链应用程度呈正相关关系。对于低排放型微电网而言,可采用一次函数表示微电网节点的偏好程度和区块链应用程度间的关系,

式中:为标准化处理后的低排放型微电网节点j所获取的偏好值分别为微电网群内部偏好值的最小和最大值。

综上可知低排放型微电网的实际分配值为

本文所提出的碳权分配机制,针对传统分配机制存在不公的问题,根据微电网的单位电量碳排放量,完成微电网节点的合理分类。在此基础上,通过对不同类别微电网节点采取不同的分配方案,达到微网群内部碳权量可靠分配的目的。

3.2 碳权交易优化决策模型

3.2.1 碳权交易优化决策模型的目标函数 在多边交易中,出售节点和购买节点都需要根据自身的碳权余量或缺量实施碳权交易,目的是为了消除碳超额排放所带来的环境损失以及经济损失。缺碳权节点有3种方式可以弥补超额碳排放量所带来的损失。

(1)采用碳中和的方法,如植树造林以及改进发电方式等科技方式来中和多排放的CO2量。采取这种方法的缺碳权微电网节点将会得到政府的经济补贴奖励。奖励的大小与碳中和度呈正相关,定义碳中和度为:

定义1碳中和度。微电网节点在生产电量的同时会产生一定量的CO2,因此,微电网节点可以选择植树造林的方式或采取新科技对碳排放量进行中和。微电网节点所中和的碳排放量与微电网所有电能所产生的碳排放总量之比称为碳中和度。

碳中和度可以表示为

式中:Bai为微电网节点i的碳中和度；λi是微电网节点i采取相关技术所中和的单位电量的碳排放系数。

(2)参与微网群内部的碳权交易市场。

(3)第1种方法和第2种方法相结合。当处于卖方市场环境下,交易目标函数是出售用户总体获益最高；当处于买方市场环境下,交易目标为要求购买用户的效用收益最高。本文以买方市场为例,交易的目标函数为

式中:We为买方主体的总效用收益；为微电网节点i和j的碳权交易成交单价；W(Bai)为缺碳权微电网节点i进行碳中和后所获得的政府补贴奖励；是购碳权节点i的效用函数[20-21]。具体表达函数如下所示:

式中:γ＞0为给定参数为在时隙k时微电网节点i、j间的交易碳权量。在碳权需求侧,用户通过消费碳权获得的效用会随着用户、时隙以及售电主体类型的不同而改变。基于微观经济学中的效用理论,可将用户消费碳权的效用函数分为两个阶段:在第1阶段,用户效用随着碳权需求量的增加而增加且边际效用递减；当用户的碳排放量达到一定水平时进入第2阶段,此时的碳权可以满足用户所有的需求,用户效用达到饱和,之后碳权的增加不会再给用户带来更多的效用,即边际效用为零[22]。

本文所提出的碳权交易优化决策模型可以在满足用户碳权效用需求的同时,保证微电网内部碳权交易的活跃度,达到微网群环境效益最大化的目的。

3.2.2 约束条件 求解交易优化决策模型还需要考虑供需平衡、碳权交易量以及交易单价限额等约束条件:

(1)交易总量平衡约束为

式中:为缺碳权节点i在时隙k时的碳权交易总量；为余碳权节点j在时隙k时的碳权交易总量。

(2)碳权交易量约束为

式中:为余碳权微电网节点j在交易碳权前自身的碳权消耗量；为余碳权微电网节点j自身的碳权总量。

(3)交易价格约束为

式中:为时隙k时段缺碳权微电网节点i的申请碳权价格；为时隙k时段余碳权微电网节点j的申请碳权价格。

4 算例分析

4.1 参数设置

为了验证本文所提出的基于区块链的微网群碳权交易优化决策模型的可行性,利用solidity语言编写智能合约,使用JavaScript、metamask 插件、atom、以太坊平台以及web3.js开发微电群交易平台。假设买卖市场主体以正太分布式的形式进行碳权交易报价,各节点申报信息数据如表2所示。

表2 碳权交易市场主体申报信息数据

市场碳权保有量和需求量分别为937.2 t和1 126.5 t,碳权市场参考价格为240.0 元/t[23],外部交易市场的碳权回收价格为195.27元/t,碳权购买价格为289.74元/t。由于本文提出的交易优化决策模型主要分析买方市场环境下的用户效用收益,故市场环境设置为买方市场为主的情景。

4.2 结果分析

结合第2和第3章的交易机制和交易模型的设计,表1中的交易申报信息经处理后可得带基于违约惩罚机制改进的买卖双方排序和交易匹配信息,如表3、4所示。

表3 基于惩罚机制的碳权交易申报信息排序

由表4可以明显看出,买方B2的交易优先级由于历史信誉值的问题而降低。同理可见,卖方S2和S3的优先级也因此下降,导致其在本次交易中匹配失败,只能等待下次交易周期通过约束自身行为和降低电价才能卖出多余的碳权,获取经济收益。根据惩罚机制排序规则,将初始申报价格与历史信誉值相融合,得到最终的排序单价。在此基础上,将双方价格以求取平均值的方式出清实际交易执行碳权价格,相对于传统的边际价格的出清方式,本文所提出的交易机制和模型可以在满足双方交易需求的基础上,约束节点的历史交易行为,保障交易市场的安全可靠性。在一定程度上,区块链技术的分布式数据交互和交易数据的迭代算法,可以满足碳权市场个性化的碳权成本需求、避免了部分节点垄断情况的出现,提高交易信息的公开透明性。

表4 根据碳权交易机制和模型的最终交易匹配

结合表4分别计算各微电网节点主体参与碳权交易市场所获取的利益,并将该值与不包含微网群碳权多边交易优化决策模型的交易市场的收益相对比,得到微电网节点的相对增加收益率,如图3～5所示。

综合图3～5可以看出,参与微网群内部碳权交易市场的微电网节点所获取的经济收益要比不参加市场交易时所获取的收益高。图中S2、S3、S4、S5、S6和B1等微电网节点由于价格设定和历史信誉度问题在本次碳权交易周期内交易失败,故此时收益分析不将其考虑在内。另外,节点S7由于发电技术较新且所含可再生能源发电设备较多,故自身碳排放量较低。在此基础上,该节点所能参与碳权交易市场的碳权量相对于其他卖方节点要高出将近1倍,该节点在设定合理价格的基础上,将多余碳权全部成功卖给了其他买方节点,获取了最大的收益。此外,由图5还可以看出,在利用本文所提出的碳权分配机制的基础上,微电网节点所被分配的碳权更加合理,使其在碳交易市场中所获取的收益比应用传统的多排多得的分配机制所获取的收益要高出大约20.49个百分点。

综上所述,本文所提出的基于区块链的微网群碳权交易机制和模型可以合理分配节点的碳权交易量,使得历史信誉值越高的节点所获取的交易优先级越高。在此基础上,采用基于联盟链的碳权交易平台可以保证交易信息的公开透明性,降低了交易的运行维护成本,保障了交易市场活性的同时满足了微电网节点的碳权需求。

5 结语

为了更好地解决传统微网群内部碳权交易效率低下、用户节点交易积极性不高、碳权分配机制设计不合理等问题,本文提出基于区块链的微网群碳权交易优化决策模型。利用联盟链的半中心化以及安全可靠的特性,构建基于联盟链的微网群碳权交易架构。采用违约惩罚机制,将节点历史信誉值与价格匹配顺序进行深度融合,达到以节点诚信度影响交易优先级的目的。运用积分机制,将传统的PBFT 共识机制改进,实现联盟网络内交易信息的高效可靠共识。在此基础上,将违约惩罚机制与改进的共识机制融入微网群碳权交易体系,完成微网群碳权交易流程以及算法的设计。通过将微电网节点进行合理的分类处理,设计出具有针对性的碳权分配方案,使微电网节点的碳权效用得到有效保障。根据微电网用户总体效用收益建立交易优化决策模型,并考虑供需平衡约束、交易电价限制以及碳权交易量约束等条件,使得微网群内部用户节点整体效益大大提高。算例分析表明,本文所提出的基于区块链的微网群碳权交易优化决策模型能够保障多微网间碳权交易的高效性,在满足不同类型微电网碳权需求的前提下,提高微电网用户节点参与碳权市场交易的积极性,为解决微网群碳权交易市场活跃度低等问题提供决策支持和理论支撑。