基于区块链技术的电力市场绿色证书交易机制研究

王 灏，宝 音，丁 畅

（1.内蒙古电力交易中心有限公司，呼和浩特 010010；2.呼和浩特供电局，呼和浩特 010020；3.内蒙古电力（集团）有限责任公司航检分公司，呼和浩特 010020）

0 引言

可再生能源证书（Renewable Energy Certifi⁃cate，REC）又称绿色电力证书，是基于可再生能源配额制度的一项政策工具[1]。为增加可再生能源配额制义务主体完成配额指标的弹性，多数电力市场会配合出台可再生能源证书制度，以购买可再生能源证书作为完成可再生能源配额制的手段和证明[2-3]。

在可再生能源配额制和绿色证书的实践方面，荷兰早在1996年引入了开创性的“绿色标签”制度（1998年修订），该制度在交易市场的基础上，由荷兰电力企业自愿承诺所要达到的可再生能源目标[4]。意大利、英国、比利时、澳大利亚以及瑞典等国也已实行了可再生能源发电证书交易政策。美国尽管没有在联邦层面上设立可再生能源配额制，但约有20个州已经在采用各自的配额制度[5]。

2019年5月，国家发改委、国家能源局下发了《关于建立健全可再生能源电力消纳保障机制的通知》[6]（以下简称《通知》），明确指出实施可再生能源电力消纳机制，对于推动我国能源结构调整，构建清洁低碳、安全高效的能源体系具有重要意义。可再生能源消纳量以消纳可再生电力、购买其他市场主体的超额消纳量和购买可再生能源发电企业的绿色证书为考核指标。本文在确保绿色电力证书交易的安全性和可靠性前提下，引入区块链技术，对区块链技术应用于绿色证书核发、交易的可行性进行分析。

1 区块链技术特点

区块链技术可以简单地描述为“去中心化”的分布式数据核算、存储技术。与现行的集中式和传统分布式计算和存储技术相比，区块链依赖的是存储在网络多个节点的分布式账本，每个节点均包含一套完整的账本，记录链上的全部节点信息，以此实现数据的自我验证，确保任意节点数据的可信度。区块链技术具有以下特点。

1.1 去中心化

区块链技术不依赖于中心化的服务器或管理机构，通过分布式核算和存储技术，使每个节点均可实现信息自我验证及管理。

1.2 开放性

区块链基于开源技术，除交易各方私有信息外的数据面向全部或多个节点开放（依据应用场景决定），相应节点可通过公开的接口查询区块链数据。

1.3 独立性

系统内所有节点能够自动安全验证、交换数据，不受任何人为干预。

1.4 安全性

区块链特有的共识机制可以最大限度地确保数据变动的有效性，避免恶意篡改数据或误操作。

2 基于区块链技术的绿色证书交易机制设计

2.1 区块链技术与绿色证书交易的适配性分析

（1）去中心化的结构令区块链上的数据具有极强的冗余度，各节点地位均等、数据相同，任何节点数据丢失都不会影响整体信息安全。随着可再生能源消纳责任权重制度的推行，电力市场绿色证书交易规模将持续扩大，采用去中心化的分布式存储机制可以最大程度确保绿色证书及其交易数据的安全。

（2）独立性令区块链通过内部的共识机制、智能合约等使其可以进行自我验证[7]，而无需第三方背书，从根本上解决信任问题。利用该特性为绿色证书的核发、交易设置共识机制与智能合约，绿色证书核发、交易均在全网共识基础上完成，确保其可靠规范运行。

（3）开放性使链上全部节点除私有信息外的其他信息均处于公开、透明且可追溯的状态，任何操作均将被永久记录。将绿色证书核发、交易过程置于区块链上，能够实现网络各节点互相监督，也更有利于监管部门对绿色证书的核发、交易过程实施监管。

（4）根据共识机制的不同，在完成对相应数量节点控制前，区块链安全性使得链上的数据始终处于不可篡改的状态，任何的非法操作均被禁止，从根本上保障链上数据安全。基于该特性，可以防止未经共识的数据修改，避免绿色证书持有数量或交易过程被恶意篡改，维护市场主体的合法权益。

2.2 总体架构

基于区块链技术的绿色证书交易架构见图1。

图1 基于区块链技术的绿色证书交易架构

（1）为避免市场主体恶意囤积可再生能源消纳量与绿色证书以及可再生能源发电企业发出的电能被以绿电和绿证两种方式重复消纳，应将电力市场交易中的可再生能源电力交易、可再生能源超额消纳量交易作为绿色证书交易的边界条件之一[8-9]，通过数据输入由电力交易平台进入绿色证书交易链。

（2）电力市场主体/消纳责任主体是绿色证书交易的参与者，作为多个节点参与区块链当中，完成绿色证书的核发、交易及其他相关操作，生成指定区块。

（3）电力市场监管机构依法对绿色证书交易链上的行为进行监管，拥有读取交易链数据的权限。

2.3 基于区块链技术的绿色证书核发机制

我国目前实行绿色证书集中核发机制。本文设计了基于实用拜占庭容错机制（Practical Byzan⁃tine Fault Tolerance，PBFT）的绿色证书核发机制。相对于POW、POS、DPOS共识机制，PBFT具有占用资源少、共识效率高、去中心化程度较高的特点，可在保证活性（Liveness）及安全性（Safety）的前提下提供F=（N-1）/3（F指无效节点数量，N指全部节点数量）的容错度[10]。另外，PBFT不依赖于代币存在，不需要依靠大量数据运算达成共识，对于绿色证书核发的数据任务更为合适。

将可再生能源发电企业上网电量、绿电交易结算电量作为数据源，定义共识目标函数如下：

式中，Ci+为发电企业i可核发的绿色证书数量上限；Gi为发电企业i上网电量，MWh；Tri为绿电交易结算电量，MWh。

可再生能源发电企业（Customer）申请核发绿色证书时，按规则向主节点发送请求（Request），主节点接收请求后向其他节点进行广播（Pre-Prepare），其余节点按照上述共识确定的目标对其申请核发的绿色证书数量进行计算并再次广播（Prepare），全部有效节点发起共识（Commit），将共识结果返回申请方（Reply）完成绿色证书核发，同时全网记录[11-12]。PBFT共识机制工作原理见图2。

图2 PBFT共识机制工作原理

2.4 基于区块链技术的绿色证书交易机制

绿色证书交易沿用绿色证书核发所采用的PBFT共识机制，相对于绿色证书核发过程，绿色证书交易需要经买、卖双方共同参与确认，采用双边协商、集中竞价及挂牌交易模式。

2.4.1协商交易

协商交易双方可采用线上或线下协商模式，商定交易数量及价格，并在线上进行确认、成交，成交过程及结果均在区块链上完成并记录。基于PBFT共识机制的协商交易流程如图3所示。

2.4.2竞价交易

竞价交易采用集中竞价、边际出清或顺序出清模式，买卖双方分别申报数量及价格，按照买价由高到低、卖价由低到高顺序排列，曲线重合部分成交，成交价格按照出清模式确定。基于PBFT共识机制的竞价交易流程如图4所示。

图4 基于PBFT共识机制的竞价交易流程

2.4.3 挂牌交易

挂牌交易建议采用卖方挂牌、买方摘牌模式，卖方发布价格及数量上限，买方按照实际情况选择是否摘牌及确定摘牌数量。基于PBFT共识机制的挂牌交易流程如图5所示。

图5 基于PBFT共识机制的挂牌交易流程

3 方案分析

3.1 安全性

PBFT共识机制的应用，可使链上数据处于高度不可篡改的状态。当节点数量大于3F+1时，可满足对F个无效节点的容错。按照本文架构设计，将节点分布于风电、光伏、水电企业，电力用户及市场运营机构，避免任一方可控节点数量超过全部节点的1/3，可避免任一方对链上数据的非法篡改。在绿色证书核发、交易过程中，更大程度地降低因数据篡改、数据错误造成的市场安全问题。

3.2 公平性

充分利用区块链技术体系中的智能合约技术，使绿色证书核发、交易在共识中完成，在传统协商、竞价、挂牌交易的基础上增加了基于区块链智能合约的资产划拨、合规性判断，并在成交审核流程中以PBFT共识机制代替交易组织方审核，全部操作均为区块链自发独立完成，从而规避交易机构不公正或操作失误引起的各类问题。

3.3 执行效率

PBFT不依赖于代币存在，不需要依靠大量数据运算达成共识，具有共识验证时间短、整体执行效率高的优势。按全网不超过100个节点测算，PBFT机制共识的时延可控制在2~5 s。在面对市场内超过400家可再生能源发电企业、年核发绿色证书约4200万份的超大计算规模时，仍可具备不逊于传统核发和交易方式的执行效率。

4 结语

本文提出的基于PBFT共识机制的绿色证书核发及交易机制，在规避不公正、防止垄断与投机、提高交易及绿色证书存储安全性方面具有突出优势，且与其他共识机制相比，PBFT共识机制不会明显影响系统效率，具备广泛应用的条件。