基于區塊鏈的可再生能源消納憑證交易系統性能優化

張圣楠，張 顯，薛文昊，玄佳興，蔡元紀，陳啟鑫

（1. 北京電力交易中心有限公司，北京 100031；2. 國網電子商務有限公司，北京 100053；3. 清華大學 電機系 電力系統及發電設備控制和仿真國家重點實驗室，北京 100084）

0 引言

隨著用戶低碳、環保意識的覺醒，其對于綠色電力消費的需求愈發清晰強烈。如RE100 組織中有37家成員企業實現了95%可再生能源的使用率，蘋果、谷歌等公司已經實現100%可再生能源供電［1］。氣候組織針對國內開展的“綠色電力使用和需求調研”也表明［2］，電力用戶積極支持可再生能源綠色電力消費，設立或計劃設立量化的綠色電力消費增長目標，希望具有方便的綠色電力獲取途徑。

目前，用戶獲取綠色電力有3 種模式:① 自己建設屋頂光伏等可再生能源的“自發自用”模式；② 與就近分布式發電等可再生能源直接交易模式；③ 用戶通過電網購買帶有綠色屬性的電力。由于場地安裝條件、資源情況和投資回報率等因素，“自發自用”模式難以大規模普及；分布式直接交易尚處于試點階段，未形成規模化推廣。因此，通過電網購買綠色電力是最為可行，也最為用戶接受的模式。然而，由電網傳輸的電力，本身不具備綠色屬性，需要通過額外的憑證認證。2019年5月，國家發展和改革委員會、國家能源局聯合印發的《關于建立健全可再生能源電力消納保障機制的通知》指出［3］:電力用戶在實際消納可再生能源電量外，還可以通過購買其他市場主體超額消納量、自愿認購綠色電力證書等方式，完成可再生能源消納量，認定其消納部分電力的綠色屬性。

據此，超額消納量交易成為一種新興的交易品種，有助于滿足用戶對綠色電力的消費需求，同時提高用戶履行可再生能源消納責任的靈活性和積極性［4］。超額消納量交易是一種憑證式交易，天然是去中心化和分布式的，不受任何物理約束影響，由其所有者決定具體的交易對象和交易價格［5］。隨著交易規模的不斷擴大，電網、監審機構、平臺運營方、交易主體等海量參與方將涉及其中，對交易狀態的準確追蹤、驗證具有較高的需求。交易產生的數據賬本若以傳統的中心化數據庫方式存儲，難以應對惡意攻擊和篡改，面臨安全性的挑戰。

區塊鏈是集成P2P 協議、非對稱加密、共識機制、塊鏈結構等多種技術的分布式賬本，具有去中心化、時序數據、集體維護、可編程和安全可信等特點［6—7］。區塊鏈在能源領域有巨大的應用潛力，除了提供去中心化的能源系統，執行分布式能源交易外，還可以為計量、計費和結算等流程提供基礎環境，已有較多關于區塊鏈+能源的理論、應用和工程實踐研究［8—12］。將區塊鏈技術應用于可再生能源消納量的憑證交易，能夠滿足“統一設計、安全可靠、配置靈活、智能高效”的設計需求［13—14］，為數據賬本的安全性和一致性問題提供了解決方案。

本文提出了基于區塊鏈的超額消納憑證交易方法，分析了區塊鏈在市場主體身份認證、憑證核發以及憑證鏈上交易等環節的應用模式。構建了基于區塊鏈的超額消納憑證交易平臺，估算了平臺的業務量需求，分析了區塊鏈應用的潛在性能限制，提出了大票交易、原子合約等性能優化措施。之后，在實驗室環境開展了系統性能測試驗證。

1 區塊鏈在可再生能源消納憑證交易中的應用模式

完整的交易流程，包括市場主體的登記準入、身份驗證、合同形成、交易執行、交易結算、信息披露等諸多環節，其中涉及到大量的安全、信任問題，可以應用區塊鏈加以解決。

1.1 市場主體身份驗證

交易平臺的市場主體登記準入、身份驗證和信息交互目前由中心數據庫完成，數據庫的擁有者掌握著數據庫的訪問和更新權限。中心數據庫模式存在跨地區、跨部門應用流程復雜的問題，同時缺乏有效控制信息的保密制度，難以應對有目的性的指定授權攻擊，被篡改和泄露的風險較大。

登記準入環節，在區塊鏈系統上存儲市場主體信息，以提升其身份可信度。首先，針對參與用戶進行個體信息3 要素認證或對企業信息4 要素認證，確認用戶實名信息，實現用戶入市注冊。認證成功后，通過區塊鏈的密鑰生成機制，為用戶生成唯一的公私鑰對，并基于區塊鏈多方背書優勢綁定用戶信息與公鑰，形成區塊鏈身份憑證。

身份驗證的流程如圖1所示。查證用戶向持證用戶提出核驗其市場主體有效身份的申請。如果持證用戶拒絕了核驗申請，則核驗失敗；如果通過請求，則會調出帶有發證機構簽名的電子證明，由查證用戶用其公鑰加密后，向全網其他節點廣播核驗記錄。查證用戶驗證發證機構的簽名，用私鑰解密套用模板進行身份核驗。將用戶身份信息與鏈上對比，無誤后再采用公私鑰對配對的方法，確認用戶身份，實現高可信度身份認證。

圖1 市場主體身份驗證流程Fig.1 Authentication process of market subject

區塊鏈存儲的用戶信息透明且不可篡改，相較于傳統方法，確保用戶注冊信息可信任、可追溯，讓用戶信息具有更高的可信度，也可以進一步避免因主體注冊、驗證不準確帶來的計量不清、騙補等問題。

1.2 憑證核發

憑證核發的傳統模式是通過中心化節點為各消納主體頒發消納憑證。這一模式下，憑證審核耗時耗力，各流程節點都可能存在假冒偽劣、不透明交易等問題，頒發的憑證記錄不易追溯，且核發過程中發生失誤時，容易引起相關主體利益損失。

利用區塊鏈技術優化憑證核發流程。首先，在區塊鏈上記錄主體的可再生能源消納量，并按周期進行消納量的更新。然后，利用智能合約在鏈上計算各主體的超額消納量，并記錄在區塊鏈上。最后，應用電子簽名技術校驗用戶的身份憑證，為用戶核發消納憑證。憑證帶有發電單位簽名、購電單位簽名、交易時間、電量、電價、通道等信息，其生成的全流程記錄鏈上存證，便于溯源和統計，解決了憑證核發過程中的多發、少發、錯發的問題。基于區塊鏈的憑證核發模式改變了傳統的中心節點管控模式，建立了通過分布式共識實現的憑證核發體系，能夠確保憑證的正確性和唯一性。

1.3 基于智能合約的憑證鏈上交易

由中心節點統一組織消納憑證交易，一方面不能及時撮合憑證交易，另一方面管控方法不透明，將導致交易雙方出現信任問題。此外，中心化的數據存儲機構受到惡意攻擊后，數據可能被篡改或丟失，造成嚴重后果。利用區塊鏈實現掛牌交易、雙邊交易等模式的鏈上交易，可以提升交易撮合效率、確保交易過程可信記錄。

1.3.1 掛牌交易

在掛牌交易過程中，先基于智能合約在鏈上為超額消納的機構核發消納憑證。消納憑證使用用戶的私鑰進行加密，隨后憑證被公開至區塊鏈上申報掛牌，所有購買者均可見。憑證在被摘牌或擁有者撤銷掛牌信息前被鎖定。

掛牌交易的流程如圖2所示。首先對摘牌方身份信息進行驗證，確認無誤后為摘牌方匹配不同額度的消納憑證，使用申報方的公鑰進行消納憑證的驗證及鑒權，確定憑證的正確性及所屬關系。雙方達成共識即可進行交易，調用消納憑證派生合約進行消納憑證校驗、派生、交易，隨后調用摘牌交易合約，發起摘牌交易后進行交易憑證轉移，同時更新雙方賬戶狀態信息，將所有信息記錄在鏈上，完成掛牌交易。

圖2 掛牌交易流程Fig.2 Transaction process of listed certificate

1.3.2 雙邊交易

雙邊交易的流程如圖3所示。一般需要交易雙方在線下先進行交易協商，達成一致。之后，由出售方先創建訂單信息，并使用私鑰對訂單信息進行簽名。憑證交易系統將訂單信息和簽名信息提交給智能合約網關，由智能合約網關調用身份憑證合約對出售方的簽名信息進行校驗，并對消納量進行檢驗，檢驗成功后創建雙邊交易訂單。訂單創建后，購入方查詢待處理的訂單信息，并對訂單進行確認，將用戶確認的訂單信息進行簽名。同樣使用智能合約網關校驗購入方的簽名信息，身份確定后調用消納憑證派生合約進行消納憑證余額校驗、派生和交易。隨后調用確認合約確認雙邊訂單交易，生成交易憑證、完成消納憑證轉移，并更新雙邊賬戶信息，將所有信息記錄在鏈上，完成雙邊交易。

圖3 雙邊交易流程Fig.3 Bilateral transaction process

在區塊鏈中定義并執行智能合約，將交易成交邏輯編寫為腳本，根據預先設定的成交條件，自動在鏈上完成雙邊交易匹配，進而形成電子合同。交易雙方電子簽名確認，上鏈存證。通過智能合約自動執行設定步驟，提高交易效率。

總的來說:（1）應用區塊鏈身份認證，通過區塊鏈密鑰生成機制，背書市場主體身份和公鑰的綁定關系，替代現有的第三方數字證書認證方式，登錄更便捷，能夠節約認證成本；（2）應用區塊鏈電子簽名權威核發消納憑證，保證數據不可偽造或篡改，憑證包含電量原產地、消納地、消納主體、消納時間、消納電量等信息，實現可再生能源消納憑證全生命周期溯源管理；（3）基于區塊鏈開展掛牌交易和雙邊交易，交易申報、出清全部通過調用智能合約完成，實現全業務鏈上運作，保障了交易透明、可信、高效。

2 基于區塊鏈的可再生能源消納憑證交易系統性能優化

全國范圍的消納憑證交易由北京電力交易中心負責，協調廣州、內蒙古電力交易中心，搭建了統一的交易系統。交易系統的業務架構、應用架構和部署架構等情況，在文獻［13］中有詳細介紹。計劃于2021年連續組織開展5個工作日的交易，交易方式包括雙邊協商、集中競價和連續競價（掛牌）。工作日9:00—17:00 開展雙邊協商交易；9:00—9:30 開展集中競價交易；9:30—17:00 開展連續競價交易，集中競價交易階段未成交部分的消納量自動進入連續競價交易階段。

2.1 業務需求對系統性能的要求

消納憑證交易的業務需求主要關注交易吞吐量上限、交易延遲等，同時對數據安全性、數據共享和查詢服務有一定的要求。

根據全國電力市場的運營情況，參與消納憑證交易的市場主體數量可能達到10 萬。參考上海證券交易所的運營數據，一天的交易數與賬戶數目為同一數量級，可以估計消納憑證交易的每日交易數為10 萬筆。以比特幣交易中單筆交易數據的大小0.25～0.50 KB 作為參考，消納憑證交易系統單筆交易數據的大小可以估計為0.50 KB。在此基礎上，考慮吞吐量和交易延遲的情況。

交易吞吐量方面，在9:30—17:00的7.5 h內，連續競價平均交易量100 000次÷（7.5×3 600）s=3.70次/s。每工作日上午9:00—9:30 的集中競價階段，交易提交和處理比較集中。若按照9:25集中競價結束，系統在9:25—9:30 的5 min 內處理集中競價交易并將交易結果上鏈，則區塊鏈交易吞吐量峰值估計為100 000 次÷（5×60）s=333.33 次/s。在 9:30—17:00的連續競價階段，不太可能出現更高的交易提交速度。因此系統支持的吞吐量上限需要達到300～400 TPS為宜［15—16］。

交易延遲方面，消納憑證交易系統采用異步提交方式，即交易時間段內的所有交易實時提交，異步定時批量接收回執，且接受回執的定時長度初步設計為10～30 s。普通交易延遲可以合理設計為和接受回執的定時長度相近。考慮集中競價階段的處理時間為5 min，數十秒的單筆交易延遲可以忽略不計。因此系統的平均交易延遲設計在10～30 s，區塊鏈底層平臺容易滿足這一要求。

區塊鏈系統的性能瓶頸是憑證交易系統運行中必須考慮的問題。而且，主體數量和交易規模增長，交易場景多樣性帶來的智能合約開發復雜度增加等，都將進一步加劇系統性能壓力。因此，需要提出針對性的解決辦法。

2.2 憑證交易系統性能優化方法

2.2.1 原子合約

原子合約是不具備業務屬性、單元化的、單一功能的工具型程序，通常分為:簽名類、憑證類、查詢類等類型。將智能合約拆解為較簡單的原子合約，能夠提升合約處理速度，并降低開發工作量。

圖4 原子合約調用示意圖Fig.4 Schematic diagram of atomic contract calling

原子合約調用示意圖如圖4所示。在鏈上進行交易時，不同的交易場景、不同的交易方法都需要調用相應的智能合約。在多種交易過程中，身份驗證、簽名校驗、消納量檢查等是各類交易場景均需要的基礎功能。具有獨立功能的原子合約，基于微服務技術敏捷開發、快速演化、便捷容錯與彈性伸縮的特性，能夠為智能合約運行時的一致性對賬提供事件監聽功能，在提升合約服務效率的同時解耦部分應用場景與合約的部署。在交易過程中，將不同原子合約互相調用，組合為復雜交易功能的智能合約。

在開發層面，部分通用原子合約則無需重復開發。在出現新的交易場景或模式時，通過接口調用組合已有的原子合約，構成為新場景服務的基礎服務；或在已有服務的基礎上定制開發個性化合約以適應不同交易場景，能夠減少合約開發的工作量。

2.2.2 大票交易

交易規則中，一張消納憑證對應1 MWh的可再生能源發電量。而在實際操作過程中，往往存在較多的大規模交易，即相同的交易雙方在短時間內進行十幾份甚至幾十份的憑證交易。此類交易增加了區塊鏈系統的處理壓力，也因為重復交易增加了購入方的操作復雜度。

大票交易方法，是指利用智能合約，將相同生產地、消納地、電量類型的消納量，整合頒發一個區塊鏈憑證，憑證中記錄該類電量的編號前綴和數量信息。

出售方將可再生能源消納信息上傳到區塊鏈系統中，系統對其簽名值進行校驗。校驗通過后，使用智能合約將相同生產地、消納地、電量類型的消納量合并簽發一張區塊鏈消納憑證，憑證中記錄該類電量的編號前綴和數量信息（包含多條消納量的憑證即為大票）。同時更新區塊鏈賬戶，將新產生的憑證編號存入該企業賬戶。

大票中記錄了父憑證編號、憑證狀態、子憑證信息、憑證前綴、起始編號、結束編號等信息。派生憑證間采用雙向關聯的方式，可以向上溯源，追查該憑證的父憑證，循環遍歷，可以追查到憑證的初始創建信息。大票中包含憑證前綴、起始編號、結束編號，同樣可以通過數據追溯到每1 MWh 電量。大票交易的流程如圖5所示。

圖5 大票交易流程Fig.5 Transaction process of large ticket

大票交易過程中，首先使用智能合約校驗憑證交易條件，簽名值正確性、出售方可用憑證數量是否大于憑證交易數量。校驗通過后，進行憑證交易，購買方可以選擇部分購入或全部購入。如果出售的憑證全部被交易，則產生新憑證，變更所有者；如果出售的憑證可用數量大于交易數量，派生出新交易憑證，該憑證的數量為交易數量，所有者為購入方；派生新的可用憑證，可用憑證的所有者為售出方，數量為原憑證數量減去交易數量，更新原憑證狀態，記錄子憑證編號，將原憑證作廢。之后更新售出方、購入方賬戶，更新可用憑證、購入憑證數量，記錄交易憑證、剩余可用憑證編號，完成憑證交易。

通過大票交易實現了小票交易的捆綁，減少了系統的運行壓力，減輕了買賣雙方短時間高頻交易的復雜度，帶來了更好的交易體驗。

3 基于區塊鏈的可再生能源消納憑證交易系統測試

在實驗室搭建了測試環境，對憑證交易系統的運行壓力情況和系統性能優化方法進行了測試。采用4臺8核16 G內存服務器搭建區塊鏈測試實驗環境，同時部署了6臺服務器實現身份驗證、電子簽名驗證等服務。由于區塊鏈系統分布式共識特性，區塊鏈硬件讀寫速度是限制交易的重要影響因素。測試環境下，系統吞吐量上限為130 TPS。若同時產生過多并發交易，則采用隊列的方式，異步記錄交易憑證的發生。

開展了對于雙邊交易及掛牌交易兩種交易類型的測試，測試過程中2 種交易模式均可按照設置規則正常完成。

對于系統進行壓力實驗。設置100萬用戶使用系統，在7 d 的實驗周期內，系統滿負荷運轉，系統運行正常，未出現交易錯誤。實驗周期共發生約2 600 萬條交易，每個交易憑證大小不超過10 KB，最終占各節點208 GB的存儲空間。經壓力實驗，研究提出的可再生能源消納憑證系統功能完備，可滿足可再生能源消納憑證交易的需求。

測試大票交易的優化效果。2019年，全國可再生能源總消納量達1.4 億MWh，按照10%為可交易的超額消納量考慮，即1 400 萬MWh。實驗環境設置發生2 000 萬條憑證交易（小票）進行測試，共產生了160 GB 的節點存儲量。采用集中上鏈的方式進行處理，上鏈速度最高為130 TPS，按理想速度60%計算，上鏈時間共需要71 h，數據包傳輸的大小對系統的負荷較大。在采用大票交易對系統優化后，將2 000 萬份小票整合到約450 萬份大票，共產生了36 GB 的節點存儲量，集中上鏈方式下，上鏈時間約16 h，優化了系統處理性能，減輕了系統負荷壓力。

測試原子合約的優化效果。雙邊交易的開發環境采用傳統方式，需要80人·d的工作時長。掛牌交易的開發環節使用原子合約方式，身份憑證核發、身份憑證驗證、電子簽名、交易參數檢查、數據審核、消納量分配、消納量轉移、主體信息審核、憑證核發、出清、存證、核算信息發布、吊銷、更新、消納核發等無需二次開發，僅需要20 人·d 的工作時長，同時合約運行服務效率提升了約10%。減少了系統開發成本，提高了系統運行效率。

4 結束語

本文分析了區塊鏈在可再生能源超額消納憑證交易中的應用模式，提出了憑證交易系統的性能優化方法并在實驗室環境開展了系統性能測試。研究的主要結論如下:

（1）將區塊鏈應用于市場主體身份認證、憑證核發以及憑證鏈上交易等環節，能夠節約認證成本，實現憑證全生命周期溯源管理，保障交易透明、可信、高效，以及數據賬本的安全性和一致性。

（2）構建了基于區塊鏈的超額消納憑證交易平臺，提出原子合約和大票交易方法，減少了區塊鏈系統的壓力和系統開發工作量，優化了交易的流程，提升了區塊鏈系統的運行性能。

（3）通過實驗室測試證明了系統的抗壓能力和性能優化方法的可行性，為下一步的平臺正式上線提供了有力支持。

研究為建設公開透明可信的消納憑證交易市場打下堅實基礎，有助于進一步打通綠色電力獲取渠道，幫助更多園區和企業從消費端提高可再生能源的利用比例。