基于區塊鏈的綠色電力數字憑證應用探索

國網浙江省電力有限公司雙創中心 劉周斌 謝知寒 徐丹露 杭州源宇科技有限公司 張 琦

1 緒論

綠色電力主要是指可再生能源電力，以光伏、風電、水電等為主，具有清潔環保、可再生等特點，在發電過程中很少甚至不產生煙塵、氮氧化物、二氧化硫等環境污染物。隨著經濟的高速發展，傳統能源帶來的環境問題日益嚴重，因此加大可再生能源的使用比例，創新有償使用培育和發展交易市場，對于降低碳排放、保護環境、實現可持續發展都有著極為重要的積極意義。但由于目前大多數品種的可再生能源發電成本都要高于傳統的火電，因而通過政策手段來推動可再生能源的建設與發展，控制能源消費總量，已在全球范圍內形成共識。我國高度重視可再生能源發展，從2000年開始在可再生能源配額制度和綠證制度方面進行了大量的研究工作，目前已經陸續出臺了多項支持政策，并建立了綠證交易系統，在推進綠證自愿認購、引領社會大眾綠色電力消費方面取得了一定的工作成效。然而近些年我國綠證市場缺逐步走入困境，使用場景窄，價格高以及開發體系不完善，生產量與購買量嚴重失衡。

通過將區塊鏈技術引入可再生能源發電，不僅能提高綠色電力數字憑證在開發環節的信任度，還能為綠色電力數字憑證找到更多元化、價值化的應用場景，為解決當前的綠證困境提供新的解決思路和技術方案[1]。

2 區塊鏈平臺相關技術

區塊鏈系統架構主要包括數據層、網絡層、共識層、激勵層、合約層和應用層。該模型中，作為區塊鏈技術最大的價值和最具代表性的創新點在于基于時間戳的鏈式區塊結構、靈活可編程的智能合約和基于共識機制的經濟激勵。

2.1 分布式賬本

從實質上說，分布式賬本就是一個可以在多個站點、不同地理位置的分散網絡的多個機構成員之間共享、復制和同步的數據庫。分布式賬本記錄網絡參與者之間例如資產、數據交換的交易。在同一個網絡里的參與者均可以獲得一個獨一無二且真實的賬本副本，賬本中的每條數據記錄都有一個唯一的密碼簽名和時間戳，因此賬本可以成為網絡中所有交易的可審計歷史記錄。網絡中的參與者可以對賬本中的記錄的更新進行制約和協商，并達成共識。

2.2 共識機制

共識機制就是所有記賬節點之間怎么達成共識，去認定一個記錄的有效性，這既是認定的手段，同時也是防篡改的手段。區塊鏈的共識算法按照選取打包節點方法的不同分為選舉類、證明類、隨機類、聯盟類和混合類[2]。選舉類多見于傳統的共識算法；證明類包括PoW和PoS，不同的是PoW是指工作量證明，證明的是礦工的算力，PoS是指權益證明，證明的是參與者占系統虛擬資源的權益；隨機類包括Algorand和PoET，是通過依賴隨機數選取打包節點；以DPoS為代表的“民主集中式”輪流獲得打包權屬于聯盟類算法；還有很多系統采用PoW+PoS的共識機制，屬于混合類的共識算法。

2.3 智能合約

智能合約是一套以寫入計算機可讀的代碼中定義的合約參與方互相同意的權利和義務的約定，或者說承諾，包括合約參與方可以在上面執行這些承諾的協議。區塊鏈上的智能合約是存在鏈上的一段代碼。調用合約需要三個東西：合約地址、方法名、參數。鏈通過合約地址找到合約代碼，加載進EVM，然后執行具體的方法。智能合約與傳統程序不同，它更強調事務，其本身包括事物處理和保存機制以及一個完備的狀態機。智能合約的事物保存和狀態處理均存在于區塊鏈中，也就是需要在節點間共識算法的基礎上完成。然而，智能合約不能產生和修改合約，它只是一段為了能夠按照參與者的意志正確執行被條件觸發的數字化承諾的一個事務處理和狀態記錄的模塊。在預設條件下，程序自動強制地執行合同條款，實現“代碼即法律”的目標。

2.4 密碼學

密碼學分為古典密碼學和現代密碼學，現代密碼學技術是互聯網安全的基石。區塊鏈中包含大量的信息安全和密碼學技術，其中有：哈希算法（Hash）、數字簽名、零知識證明以及非對稱加密等。區塊鏈采用密碼學哈希算法，保證區塊鏈賬本的完整性（不被破壞）。非對稱加密又稱為公鑰加密算法，需要兩個密鑰：一個用于加密的公開密鑰（public key）和一個用于解密的私有密鑰（private key）。公開密鑰與私有密鑰是一對，如果用公鑰對數據進行加密，只有用對應的私鑰才能解密；反之也可以用私鑰加密公鑰解密。并且將公鑰公開后，根據公鑰無法測算出對應的私鑰。

3 平臺需求分析

3.1 業務需求

綠色電力數字憑證應用場景相對于傳統能源使用場景發生了本質性變化。綠色電力數字憑證旨在打破能源生產和消費的壁壘，橫向整個各種能源，以最經濟、環保、綠色的方式為人們提供能源，綠色電力數字憑證應用場景因此具有了開放、動態和難控的特性，在綠色電力數字憑證場景中，各種新能源和消納方式可以開放性地進入與退出本業務生態，并可引入二級市場，構造企業間直購綠色電力數字憑證的交易環境實際需求，形成一個促進可再生能源的價格信號機制,調動企業環保積極性,使市場趨于完全競爭。

區塊鏈去中心化、協同自治、點對點交易等技術特性可以為綠色電力數字憑證管理解決如下問題：

確權登記，區塊鏈技術可以保證每一個單位的綠色電力數字憑證的來源及其交易路徑能夠被追根溯源，對于綠色電力數字憑證及可交易缺口/富余提供合法有效的確權，為完全競爭型的市場交易提供堅實的基礎。

不可篡改，利用區塊鏈技術分布式記賬的能力，保障數據的真實性、有效性。例如綠色電力數字憑證發行、交易、核銷上鏈之后，既可以避免數據疏漏、錯誤和篡改，可以更加準確地計算綠色電力數字憑證數據和企業用電量。

數據共享，用戶可查詢和確認能源企業的項目規模及其綠色電力數字憑證屬性，在信息對稱的情況下對綠色電力數字憑證能源企業進行選擇，解決了數據共享、信息透明的問題。

自動化與智能化，可使用智能合約技術，按照事先約定的規則，自動登記電表的發電量，設備直接轉換為綠色電力數字憑證上鏈，自動統計認證，免除大量的人工重復計算，降低了成本也加強了監管的效率，從事后監管逐步過渡到實時監管。

3.2 功能性需求

表1 綠色電力數字憑證平臺功能性需求

3.3 非功能性需求

實用性、易操作性：需具有良好的的人機界面，操作方便、靈活，易維護。系統操作界面需符合業務人員使用規范，信息提示清楚明白。

接口標準性、一致性：提供的規則、接口應公開、透明、易用、支持性良好。系統應良好對接編制或提供的標準化數據接口。

開放性、靈活性：系統能夠滿足招標方對未來情況變化的需要，應具有良好的可擴充、擴展能力，適應系統不斷完善和發展。

容錯性、可靠性：系統應采用多種容錯手段，保證穩定可靠的運行，并保證數據的安全與完整。

區塊鏈技術要求：區塊鏈底層應采用經過安全論證或評估的共識協議（如BFT,PBFT,DBFT,RAFT等），保證良好的安全性和容錯性。

4 平臺系統設計

4.1 平臺總體架構

在總體架構上，主要由交易結算系統、資產發行系統、企業端錢包、身份認證中心、區塊鏈系統、監管平臺組成。

4.1.1 資產發行系統

資產發行系統包括機構管理、項目管理、設備管理、交易管理、核銷管理和系統管理等模塊，主要負責綠色電力數字憑證認證、發行、注銷等功能，身份認證中心模塊負責企業認證管理，可單獨剝離置于交易結算系統或獨立的認證登記系統。資產發行系統與區塊鏈對接，實現企業身份上鏈、綠色電力數字憑證發行和注銷等功能。同時將身份信息同步至交易結算系統。

機構管理：發行方注冊登記后主管部門可對其進行審核，審核通過的機構完成身份上鏈。

項目管理：發行方需先創建項目，項目用于標記、識別同類型的綠色電力數字憑證，不同地區、不同項目發行的綠色電力數字憑證可能會有等級、價格差異。

設備管理：設備生成公私鑰后發行方可在本模塊關聯設備，關聯后的設備公鑰加入發行方公鑰地址中可實現設備自動發證上鏈，本模塊可實現設備的啟用、終止、吊銷等操作。

4.1.2 交易結算系統

交易結算系統包括首頁、我的賬戶、訂單管理、我的資產和系統操作等模塊，負責資金結算、賬戶管理、兌入兌出和交易等功能，企業端錢包負責保管企業秘鑰，后期也可單獨剝離。交易結算系統與區塊鏈對接完成資產轉移及狀態同步。

在遠期業務需求中，企業端賬戶體系以及實名認證系統往往托管在交易結算系統或單獨的認證登記系統中，設備管理中心則為獨立系統。在本文設計中，考慮到現實情況，選擇采用托管方式，將企業端錢包、身份認證中心和設備管理中心功能集成到交易結算系統或資產管理系統，但在技術設計上支持企業端錢包、身份認證中心和設備管理中心功能模塊的遷出。

4.2 業務流程設計

4.2.1 底層鏈環境搭建

搭建底層鏈環境、配置節點、部署基礎管理合約和綠色電力數字憑證合約，具備創建區塊鏈身份和權限配置的能力，根據業務實際需求創建綠色電力數字憑證發行管理方、交易買賣方、交易平臺方或監管方等多個業務角色，并為這些角色分配相應的權限，完成生態角色創建和授權工作。

④農村污水處理要科學地利用廢棄坑塘，改造成氧化塘，通過各種好氧、厭氧過程和食物鏈處理污染水體。建設人工濕地，利用自然生態系統中的物理、化學、生物的三重作用，實現對污水的凈化。對分散農戶產生的生活污水，設置三格化化糞池進行處理。

4.2.2 發行綠色電力數字憑證

被賦予綠色電力數字憑證發行權限的設備方通過調用綠色電力數字憑證發行相關合約接口，可實現鏈上綠色電力數字憑證的發行，同時發行方可通過資產發行系統相關圖形化操作界面對設備進行綁定操作，綁定后的設備即賦有發行權限。

鏈上綠色電力數字憑證發行過程可分為交易發起、簽名、合約調用、指定資產所有方、發行完成幾個步驟，每一份綠色電力數字憑證發行都在記錄在區塊鏈賬本，明確記錄綠色電力數字憑證發行方、綠色電力數字憑證所有方、發行時間、綠色電力數字憑證相關信息等內容，過程可追溯、可監管。

4.2.3 綠色電力數字憑證交易

在綠色電力數字憑證被發行的過程中，將指定最初是的所有者，成為綠色電力數字憑證所有方，綠色電力數字憑證所有方具有綠色電力數字憑證轉移權限，可對其擁有的綠色電力數字憑證發起權屬轉移操作。

綠色電力數字憑證轉移過程在交易結算系統中進行發起，通過鏈外資金結算方式進行資產交易，交易結算系統作為中間方完成交易撮合、托管交易等業務功能，幫助買賣雙方完成綠色電力數字憑證轉移與資金結算。

在發起權屬轉移時，需要調用綠色電力數字憑證轉移相關接口，指定轉讓對象、發起方簽名、合約驗簽后完成權屬轉移流程，同時，轉移記錄將完整記錄在區塊鏈賬本上，包括交易時間、綠色電力數字憑證數量、發起方、接收方以及其他相關拓展信息。

4.2.4 綠色電力數字憑證核銷

區塊鏈上的綠色電力數字憑證可根據業務需要對接相應的應用場景，如在綠色出行場景中的騎行券、快速入住酒店權益等，用戶購買綠色電力數字憑證后可以兌換成相應的優惠券、權益等，綠色電力數字憑證的核銷即完成這個對應的過程。

當綠色電力數字憑證核銷后，該憑證在鏈上變更為核銷狀態，無法再被轉移或交易，且該狀態不可逆。

5 結語

區塊鏈具有多方共享、數據統一維護、可審計可追蹤特性，可幫助能源電力企業在安全基礎上創新性地推動能源價值鏈重塑，能從技術方面支撐可再生能源領域新業態、新模式、新思維的發展，因此區塊鏈技術在可再生能源領域和未來能源革命中必將發揮重要作用。

本文分析了區塊鏈技術特點，設計了基于區塊鏈的綠色電力數字憑證平臺，提出了其系統架構和技術方案，并基于平臺設計了面向C端用戶的綠色電力數字憑證應用場景。綠色電力數字憑證背后表達是可再生能源產生的環境正外部性的價值，具有現實價值依托，可以與綠色應用場景如綠色消費、綠色金融等打通。如在綠色金融場景中，獲得綠色電力數字憑證的企業或個人可以憑借更好的數據可信度和所持有的綠色電力數字憑證獲得融資、評級、碳資產開發等金融科技服務。如此，區塊鏈通過打通綠色電力數字憑證的生產和使用場景，建立自我激勵的綠色經濟生態閉環，幫助綠色電力數字憑證內在價值盡早在日常商業和生活場景中實現落地。值得注意的是，區塊鏈在吞吐量方面包括減少區塊生成時間、區塊確認時間，和信息安全、監管及隱私保護方面還存在很大的挑戰。