张硕,肖阳明,李英姿,张家源,徐振皓,曾鸣
(1.华北电力大学经济与管理学院,北京市 102206;2. 北京科技大学经济管理学院,北京市 100083;3. 新能源电力与低碳发展研究北京市重点实验室(华北电力大学),北京市 102206)
在“双碳”目标下,新型电力系统是新型能源体系的基础组成[1],保障新型电力系统市场化稳定运行是未来发展的必然趋势[2]。我国提出要健全统一电力市场体系的交易机制,探索开展绿色电力交易,加强市场间的安全有序运行[3]。因此,协调不同市场体系之间的电力、碳配额和绿色认证等方面的有序衔接,可以最大程度地发挥市场在资源优化配置等方面的重要作用,进一步推进新型电力系统的建设。
目前,电-碳-绿证市场之间的协同问题主要集中在对3个市场政策、联合调度以及交易衔接机制进行探讨与研究。在市场政策方面,通过分析国外电碳市场协同经验进而在市场范围、价格体系、产品体系、治理体系4个方面总结出国内电力市场、碳市场、绿证市场之间的宏观协同政策[4-5];通过分析“双碳”目标对电力行业的影响,探讨了我国电力系统发展的现状和问题,分析了碳市场与电力市场的协同发展以及绿色机制对电力体制改革的必要性[6-8]。在联合调度方面,首先是电力市场与绿证市场之间的调度问题,为解决可再生能源配额制方案只考虑消纳量、不评估用户对可再生能源发电友好性的问题,提出了适应可再生能源配额制的电力市场体系[9],并分析了放开绿证的二次交易对可再生能源消纳的作用[10];其次是电力市场与碳市场之间的调度问题,分别通过阐述价格型需求响应和激励型需求响应以及电碳协同市场中各个主体的成本效益分析模型,探讨了电-碳市场互动协同的角度对需求响应机制的完善[11-12];最后是3个市场联合调度问题,通过一般均衡理论和系统动力学思想,构建了绿证交易、碳交易和电力交易3个市场交互作用的协同效应分析模型,从成本传导、市场均衡等角度剖析了电、碳市场以及绿证、电力市场之间的经济关系[13-14]。在交易机制方面,文献[15]基于电力交易的事后偏差电量进行碳排放权交易的双边交易与匹配机制;文献[16-17]通过区块链技术提出了一种基于智能合约的绿证和碳排放权交易的市场运营机制和实现直购电及碳权管理,为电-碳-绿证市场的交易提供新思路。
上述研究多集中于电力市场、碳市场协同或者碳市场绿证市场协同,但是对于围绕电、碳、绿证市场协同运行的研究以及最终交易核算的研究较少。电力、碳配额以及绿证之间信息互通是推动市场协同发展的关键环节。目前,电-碳-绿证市场之间的衔接情况、核算机制等仍存在诸多突出问题亟需突破。
本文以区块链技术为支撑构建基于区块链技术的电-碳-绿证市场协同体系架构,设计一个统一积分认证机制来衔接电-碳-绿证协同市场之间的交易;设计电-碳-绿证市场的溯源模型,并为电-碳-绿证市场协同核算提出一个统一的共识机制,使电-碳-绿证市场交易核算有技术基础保障。
“双碳”目标下以电-碳-绿证市场为支撑的新型电力系统,其各部分的市场主体均参与绿色电量和碳配额的交易。我国市场化用户通过购买绿色电力或绿证完成可再生能源消纳责任权重,通过碳排放核算中将绿色电力相关碳排放量予以减扣的可行性来加强与碳排放权交易的衔接,主要框架如图1所示。为了更好地说明市场各环节之间的协同运作关系,此部分以各市场主体来进行体系的构建,在主体的角度从供给侧和需求侧分别划分了超排发电厂和减排发电厂、高耗能用户和碳减排用户等主体,在市场的角度划分了电力市场、碳市场和绿证市场,并在产品角度通过电力流、碳排放流、国家核证自愿减排量(Chinese certified emission reduction,CCER)和绿证流来与各个市场主体相互连接。
图1 新型电力系统多市场协同运行结构
为了实现能源电力与环境资源的优化配置,需要在统一的能源框架体系下,统筹协调电力市场、碳市场及绿证市场等各类市场的关联关系,做好市场机制层面的有效衔接。电-碳-绿证市场在交易、产品和主体方面均存在协同机制。
1)产品协同。
在产品协同方面,绿色电力发电企业和火力发电企业两者共同参与电力交易市场,作为卖方为购电用户供电,对于电碳协同方面,中长期电力市场以及现货市场标的物为具有碳排放的火力发电,其碳排放权会流转到碳配额市场进行核算,超排的企业则需要向减排的企业进行碳排放权的交易[18-19]。此时,在碳交易市场中,火电发电企业与购电用户直接参与碳市场交易,交易标的物为碳排放权和CCER。发电(直接)碳排放与购电(间接)碳排放为:
(1)
(2)
对于电证协同方面,中长期电力市场以及现货市场标的物为具有环境权益的绿色发电,其绿色环境权益则会流转至绿色证书交易市场进行核算并根据交易合同的电量核发绿色证书。此时,在绿色证书交易市场中,绿色电力发电企业作为生产绿证的主体,发电企业与购电用户等一同承担可再生能源消纳责任,共同参与绿色证书市场交易,交易标的物为绿色证书。绿电与绿证的关系为:
Qgreen=Qeg/n
(3)
式中:Qgreen表示绿电可转化绿证的数量;Qeg表示可再生能源发电量;n表示两者转换系数,单位为1 MW·h。
对于证碳协同方面,绿证和CCER机制都能够为可再生能源项目的发展提供经济激励,但同一项目的环境属性应当确保具备唯一性,不存在项目重复认定或重复计算的情形。当前我国明确绿证是可再生能源电量环境属性的唯一证明[20-21],但是对于绿证,其只能参与可再生责任消纳权重,而CCER则是参与碳市场完成碳排放配额的抵消。因此,将CCER与绿证机制并行,纳入可再生能源项目。此时,CCER采用绿证作为可再生能源电量环境属性的唯一证明,用绿证来对应减排量的监测核算。对于申报了CCER项目的可再生能源发电商,可以通过式(4)来对绿证与CCER进行转换来确保环境权益的唯一性:
Qccer=λQgreen
(4)
式中:Qccer表示可再生能源CCER的数量。
2)主体协同。
电-碳-绿证市场中的各主体相互交叉,不同的市场主体同时参与多个交易市场。对于供给侧来说,绿色电力发电企业可以获得可再生能源电力绿色证书,并与CCER进行转换,从而参与碳市场。而对于火力发电企业来说,化石能源发电必然会产生二氧化碳排放,所以他们需要根据自身需求积极参与碳排放权交易来履约碳市场的要求。
对于需求侧,高耗能用户不仅需要与供电主体进行电能交易,还需要通过参与碳排放权交易来达到碳配额的目标,并通过参与绿证交易完成一定比例的可再生能源消纳义务。另外,碳减排用户除了与供电主体进行交易外,还可以将剩余碳配额出售到碳市场以获取利润,同时也需要参与绿证交易来履行可再生能源消纳义务。
3)政策协同。
在政策协同方面,不同市场可能存在相互关联或互认抵扣的指标或配额,他们会影响到不同市场主体对交易品种的需求或供给。其中,可再生能源消纳责任权重是电力市场和绿证市场中的关联指标,它决定了火力发电企业在绿证市场中的购买需求;CCER是碳市场和电力市场中的关联指标,它可以用于抵消碳市场中的碳排放责任,从而影响到碳市场中的交易需求。
电力市场、碳市场和绿证市场的协同发展,是我国实现能源转型的重要手段。随着可再生能源电力消纳保障机制和碳配额制的推进,电力市场、碳交易市场、绿色证书交易市场间的协同更加紧密。但是,目前这3个市场之间也存在一些问题,比如交易方式繁杂、出清方式的不统一以及结算数据的重复计算等问题。
1)电-碳-绿证市场交易标的物不同。
传统绿色电力市场交易、绿色证书交易以及碳排放权交易过程中涉及到复杂流程、大量数据的信息沟通和价值转移,对于不同的市场来说,他们采用不同的交易机制和规则,并且有不同的交易标的物。电力市场主要交易可再生能源电力以及火电,碳市场则是交易各个主体的碳配额以及CCER。绿证市场进行可再生能源绿色消费证明的交易[22]。这种不同的交易标的物使得市场参与者在参与不同市场交易时很难将交易的环境权益统一起来,增加了交易的复杂性。
2)电-碳-绿证市场交易核算不统一。
传统绿色电力市场交易主体以及碳排放市场交易主体之间存在着不同的利益诉求和信任问题,需要通过一个统一的核算规则方式进行约束和协调。目前电-碳-绿证市场之间的运行相对独立,这些交易主体之间可能存在信任缺失,比如:在分布式能源交易中,其电源发电能力存在着较大的不确定性等原因,容易导致未按照合同电量发电等行为,从而导致参与分布式能源交易双方信任缺失,影响参与交易的积极性。这些问题需要在交易出清的过程中使得电力市场、碳市场和绿证市场之间有一个统一的共识认证得以明确。
3)电-碳-绿证市场交易数据不互通。
当前碳市场、绿证市场、电力市场等由不同部门管理,建设目标和政策导向有所差异,但是三者都有助于推动碳减排,只是缺乏相互衔接的理论和机制以及衔接后的交易数据相互对应问题,因此在交易数据互通方面需要突破以提高整个市场体系的流动性。例如,在某一用电企业通过直接购买绿色电力发电企业产生的新能源完成消纳责任考核,并且另一市场主体也通过购买该发电企业产生的绿证来完成消纳责任履约时,在社会层面上看,并没有为促进清洁能源消纳、推动全行业低碳减排带来额外增益,这种绿色证书多次核发、重复使用等风险需要及时解决。
区块链技术能够有效解决电-碳-绿证市场中交易标的物不一致、交易核算不同意、交易数据不互通3个问题,基于区块链技术的电-碳-绿证市场的总体架构如图2所示。首先,构建了电-碳-绿证协同市场统一积分认证机制,将每个交易标的物全部转换成统一的积分来进行度量,使得不同市场之间交易核算更加直观。其次,构建了电力智能合约、绿证智能合约以及碳交易智能合约,实现在统一的交易时段内供给主体与需求主体交易的自动执行和监管,并将统一积分认证机制应用于自动执行的过程中,降低交易的违约风险和信任风险[23]。然后,构建了统一的溯源模型来实现电力、绿证、碳排放等数据的溯源和核验,企业通过向交易数据库发送请求来得到电-碳-绿证协同市场的各个交易数据,避免交易数据的重复计算,实现资源优化配置[24-25]。最后,构建了基于积分认证的电-碳-绿证协同市场拜占庭容错共识机制(pratical Byzantine fault-tolerant consensus,PBFT),减少交易决策过程中的计算难度。通过此共识机制将电力交易关键环节的数据、碳排放配额交易以及绿证交易等关键环节的数据上链储存,以此实现数据的唯一性、可追溯性。
图2 基于区块链技术的新型电力系统市场化运行框架
在电-碳-绿证协同市场中,目前未存在一个统一的方式来对整体的交易数据进行核算,而3个市场之间的数据互通又离不开市场之间的相互信任。因此,有必要对电-碳-绿证协同市场设计一个统一的积分认证机制,对各个主体的环境价值有明确的核算规则,积分为正证明主体存在多余的环境权益,积分为负证明主体存在超排的情况,并通过区块链技术将积分记录,有助于电力市场、碳市场、绿证市场之间的协同运行。
(5)
(6)
那么对于供给主体,其总的配额增加量为:
(7)
对于需求主体,其总的配额变化量为:
(8)
此时,无论是供给主体还是需求主体,其所对应的积分都能被电力市场、碳市场和绿证市场共同认可。对于积分与交易标的物换算的过程,通过智能合约用写好的代码对积分进行自动换算,能够减少人为的工作量。
智能合约能够提前编写交易规则,以方便用户之间的智能化交易[26]。交易流程大致分为以下几个部分,主要实现上网电力的交易、碳排放配额之间的交易、绿电与绿证之间的认证以及绿证交易[27]以及各部分之间的交易标的物与积分的换算。交易流程以及部分合约内容如图3所示。
图3 电、碳、绿证市场交易智能合约流程
1)电力交易与积分换算智能合约。
合约1由买方Ib与卖方Is共同执行,电价Ue、电量Ve,交易下达后,买方支付付款金额Fe,同时卖方提交保证金De,保证金为商品交易价格的βe,取值由双方共同商定,如式(9)(10)所示:
De=βeUe,βe∈(0,1)
(9)
Fe=UeVe
(10)
当满足式(9)、(10)时,智能合约触发交易函数,买方确认收到商品且确认放款之后,智能合约触发付款函数将货款以及保证金打给卖家[28],交易成功之后,智能合约调用换算函数,将交易的电量与积分通过式(6)进行换算,然后智能合约调用记录函数,记录买方和卖方的地址以及所交易商品的信息,如表1所示。
表1 电力交易智能合约
2)碳配额交易与积分换算智能合约。
合约2如表2所示,同样由买方与卖方共同执行,其内容与合约1相似,碳价格Uc、碳排放交易量Vc,保证金和支付金额如式(11)、(12)所示,保证金为商品交易价格的ηc,碳配额交易与积分换算公式如式(6)所示。
Dc=ηcUc,ηc∈(0,1)
(11)
Fc=UcVc
(12)
3)绿证认证交易与积分换算智能合约。
合约3如表3所示,由绿色发电企业对所发绿色电量进行上网登记,使监管部门能够查看企业的绿电相关信息同时对相应的绿电进行认证并发放绿证。绿电生产商输入绿电厂商标识符Ig和公钥Kg、上网电量Ug、电价Vg、绿电类型Ht。绿色电量与绿证之间的认证关系如式(3)所示,绿证与积分换算公式如式 (6)所示。
供给侧或者需求侧通过自身需求对上述智能合约进行选择交易后,需要将交易合同的结果进行记录保存,防止出现抵赖行为导致的不信任或者虚假信息申报导致的不信任,因此,需要通过区块链的合同共识来进行市场之间交易信息的相互确认。
基于区块链技术的绿色溯源,是把区块链技术与电-碳-绿证溯源系统相结合,将交易标的物从生产、运输、消费、交易等全流程的要素关键数据都记录在区块链上,以此来确保商品的唯一性。在电-碳-绿证体系下,维持不同类型产品之间有效衔接的最关键点就在于能够保证绿色电力消费、绿色电力证书以及碳排放权等各类交易标的交易来源明确、交易去向清晰以及交易的数量能够得到确认,而链上的数据具有时间戳且不可篡改,因此电-碳-绿证市场中相应的交易信息也会永久记录在链上,以便节点之间的追踪和记录[29-30]。
由于碳配额以及绿证的交易是确定的,即合约上交易的数量是多少,实际交易的数量就是多少,但是对于电力交易则并非如此。在电力交易中,无论是绿色电力还是火力发电,其实际发电量与合约电量总是会存在偏差,并且购电方的用电量也同样与合约存在偏差,这时候就需要将实际电量与合约电量进行对比,来确定最终的上链电量[31]。
假设在一个完整的电力系统中,所有市场用户的发用电是相同的,不存在储能设备额外保存多发电力。对于从电力交易系统获取的参与市场化交易的市场用户信息,可以构建出一个m×n的初始绿电交易矩阵T0和一个p×q的初始火电交易矩阵T1。
(13)
式中:i=0表示初始绿电交易矩阵,i=1表示初始火电交易矩阵;Snm表示第n个供给主体与第m个需求主体签订的合同交易电量。由于绿色电力溯源以及火力发电溯源的方式相同,此部分只展示绿色电力溯源内容。
此时对于第j家需求主体,其签订的绿电交易合同的总交易电量Kj为:
(14)
此时,对于第i家供给主体,其签订的绿电交易合同的总交易电量Gi为:
(15)
定义需求主体成交电量占比Ab为需求辅助矩阵,TBij=Sij/Kj:
(16)
定义供给主体成交电量占比As为供给辅助矩阵,TSij=Sij/Gj:
(17)
从智能电表中获取需求主体月度实际用电量B以及供给主体月度实际发电量S:
(18)
(19)
此时根据上述需求辅助矩阵Ab以及供给辅助矩阵As,可以得到市场主体最终的结算电量,即为主体合约电量、主体实际用电量以及主体实际发电量之间的最小值,火电企业计算步骤与上面的步骤相同。计算结束后,将实际用电量与实际发电量通过结算共识进行上链处理,以此来厘清企业的电力溯源结果。对于碳排放流以及绿证的溯源,则需要基于绿电火电的溯源结果进行计算得出:
(20)
在传统的电-碳-绿证交易市场中存在信息不对称、信用风险等问题,而共识机制是一种在分布式系统中实现数据一致性的方法,它可以保证系统中的各个节点对数据的状态达成一致,从而提高系统的可靠性和安全性[32]。PBFT是一种基于拜占庭容错的共识机制,可以应用于电力、绿证和碳市场。在将PBFT共识机制应用于电-碳-绿证交易市场时,可以将监管机构作为主节点,其余节点为副节点,遵循以下步骤:
步骤1:节点参与。市场中的各参与方(如绿电发电企业、控排企业、火力发电企业等)作为区块链网络的市场主体节点参与其中。
步骤2:节点提案(request)。需要进行交易的市场主体作为请求节点可以提出交易的提案。提案包括请求节点的ID、时间戳以及具体的交易信息。此时进行交易的市场主体需要对提案进行签名。
步骤3:主节点验证(pre-prepare)。此时监管机构作为主节点收到请求节点的消息,需要对节点请求消息签名是否正确进行校验。
步骤4:副节点广播(prepare)。一旦提案被验证通过,监管机构将广播消息通知其他市场主体。其他市场主体通过既定的共识目标来进行计算验证并再次广播。
步骤5:共识达成(commit)。PBFT算法通过多个轮次的消息交互和投票来达成共识。市场主体根据收到的提案和其他主体的反馈,进行投票和判断。
步骤6:区块确认(reply)。一旦共识达成,节点将确认提案,并将其添加到区块链上。区块包含验证通过的交易信息,成为不可篡改的记录。
通过应用PBFT共识机制,电力、绿证和碳市场可以实现去中心化、安全可靠、透明可追溯的交易记录。然而,具体实施时需要考虑到该市场的特定需求和规则,以便为参与者提供公平、高效和可信赖的环境。PBFT共识机制的工作流程如图4所示。在本文电-碳-绿证协同市场中,分别设置了对应智能合约交易的合同共识以及绿色溯源之后的结算共识。通过一个统一的积分制度,主体将自身当前碳配额与国家发放给主体的总碳配额上传,企业发火电或者购买火电时需要扣除对应的配额积分,购买绿证或者购买CCER时需要增加对应的配额积分。
图4 节点共识工作流程
各个市场主体在决策过程中都可以通过此共识函数判断交易节点是否存在虚假申报。定义合同共识目标函数为:
(21)
定义结算共识目标函数为:
(22)
在结算共识完成后,更新合同共识的积分量以确保总的实际剩余积分量与结算积分量相同,具体更新公式为:
(23)
企业申请交易时,按规则向监管机构发送请求,机构接收请求后向其他节点进行广播,其余节点按照上述共识确定的目标对相应的企业进行相应的共识函数计算,通过此共识函数计算交易企业当前积分是否与计算结果相同,若相同则共识通过,节点则通过验证;若不相同则需要重新核算,得到确定的结果后再次广播,全部有效节点发起共识,将共识结果返回申请方完成结算,同时全网记录。
针对区块链底层数据库的特点与电-碳-绿证市场的契合度,结合智能合约与绿色溯源体系的区块链技术应用于电-碳-绿证市场通过共识机制可以完整地记录交易过程中的合同信息以及最终交易结算后的结算信息。区块链技术的每个区块都包含一些交易信息,交易信息被打包成一个区块,并通过哈希算法生成一个唯一的哈希值,该哈希值与前一个区块的哈希值相连,形成一个新的区块[33-34]。在电-碳-绿证市场交易中,由于电力产品存在一定的不确定性,因此区块链可以分为基于智能合约的市场交易合同链和基于绿色溯源的市场交易结算链,中心节点(监管机构)每隔一段时间就会生成一个区块,交易合同区块用来记录电力市场、碳市场以及绿证市场通过智能合约在这段时间内的交易内容,主要包括交易双方的ID、交易的产品(电量、碳配额或者是绿证)的数量以及市场的交易金额;而交易结算区块则主要用来记录通过绿色溯源之后每一个交易合同所对应的实际结算电量。对于结算阶段的碳配额量以及绿证量,由于这2个市场并不存在不确定性,所以交易结算链的结算量与交易合同链的合同量相同。在两者的决策过程中,通过以统一积分为目标函数的共识机制分别对交易合同链以及交易结算链进行验证,最终完成上链操作[35]。具体内容如图5所示。
图5 电-碳-绿证区块数据图
当前我国电力市场、绿证市场与碳市场均处于逐步推进、逐步完善的阶段,其发展目标都是破除市场壁垒,提高资源配置效率,构建全国统一的市场体系。因此,统筹考虑3个市场的顶层设计,可以从政策、技术以及试点3个方面来进行。
1)政策建议。
电-碳-绿证协同市场是在政策的推动下得以发展,因此制度保障是电-碳-绿证市场与政府相结合的关键支撑。基于此本文有以下政策建议:
针对不同的交易市场,应当将市场的交易信息统一,对于碳市场交易、电力日前交易、现货交易以及绿证交易,通过统一积分机制将交易的合约内容互通,打通交易机构之间的信息壁垒;另一方面,进一步明确绿证和CCER的关系,明确不同地区间可再生能源消纳责任权重以及碳配额抵消机制的关系,对于绿证,其主要参与消纳责任权重,对于绿证转化后的CCER,其主要参与碳市场中的碳配额交易,此时转化成CCER后的绿证应当失去其环境权益,避免两者之间存在重复利用。
2)技术建议。
技术进步是电-碳-绿证体系发展的根本。从加快电-碳-绿证市场化运行的技术角度来说,存在以下几个方面:
利用智能合约技术,实现3个市场的自动化交易执行和结算以及统一积分之间的认证,降低交易成本和风险,提高交易效率和信任度。智能合约平台可以根据不同市场的交易规则和技术标准,设计相应的合约模板和参数,供市场主体选择和定制。
建立完善的溯源机制保障交易真实性。对于火力发电企业以及可再生能源发电企业合同电量与结算电量不同的问题,针对每一个需求主体溯源每一度电量的来源,厘清供给主体交易的每一度电去向,并通过积分认证机制将溯源内容上链处理确保交易内容的真实可信。
采用适合的共识机制保障区块链网络安全。当前电-碳-绿证市场还没有一个明确的统一认证机制来对三部分的交易标的物进行确认,因此会导致市场主体之间互信能力不足,所以应当尽快明确一个统一的认证函数,例如本文建立的电-碳-绿证统一积分机制,企业在这个统一积分机制中统筹碳排放权和绿证可抵消的碳排放量的积分,以便共识机制的进行。
3)试点应用。
电-碳-绿证市场是以构建新型电力系统市场化运行为目标,是实现碳达峰碳中和目标的关键载体。为了加快推进电-碳-绿证市场协同运行的建设,本文建议在以下方面开展试点应用:
选择具有代表性的地区开展试点。根据不同地区的电力结构、碳排放水平、可再生能源发展情况等因素,选择适合开展电-碳-绿证协同运行的试点地区。另一方面,针对特殊发电区域开展基于区块链技术的电-碳-绿证协同市场的交易。例如优先选择分布式光伏或风电等可再生能源企业较多的微网区域进行交易,这些分布式可再生能源发电企业接入电网成本相对较高、交易电量较少,因此通过基于区块链技术的电-碳-绿证协同市场进行交易能使其从自发自用到市场化交易的转变。
在当前新型电力系统的背景下,以绿色电力为主体的统一电力市场发展刻不容缓,本文基于此构建了一个基于区块链技术的电-碳-绿证市场协同运行体系。在体系架构方面,通过对各个市场主体的分析构建了一个相对完整的电-碳-绿证市场协同体系,并指出了该体系架构上存在的交易流程繁杂、主体出清困难以及数据溯源匹配等技术问题。在构建技术方面,通过构建区块链的智能合约模型、共识机制模型和溯源体系等技术,分别对电-碳-绿证市场体系架构存在的关键问题提出技术方案。本文所提出的共识目标函数以及溯源模型须通过具体应用案例进行评估,后续将结合统一积分认证机制开展仿真案例应用验证的相关研究,并进一步形成一个电-碳-绿证市场的技术应用。