基于區塊鏈技術的綠色電力證書交易機制設計

張金良，王玉珠

(華北電力大學 經濟與管理學院，北京102206)

隨著二氧化碳等溫室氣體的增加，全球氣溫不斷升高。作為目前世界上最大的碳排放國家，習近平主席在氣候雄心峰會上承諾，到2030 年，中國單位國內生產總值二氧化碳排放將比2005 年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費將達到25%左右。由于我國多煤的能源結構，一直以火力發電為主要方式的發電行業成為二氧化碳排放的主要來源。為推動可再生能源的開發利用，近年來中國啟動了多個鼓勵新能源發展的措施。綠色電力證書(TradableGreenCertificates，TGC)(以下簡稱綠證)是國家對可再生能源上網電量頒發的電子憑證，一張綠證對應陸上風電項目或光伏電站項目發出的1MWH 的綠電。綠證在市場上的交易流通，不僅限制了非可再生能源發電對環境的污染，在一定程度上也使可再生能源的相對正外部效應的優勢得以發揮[1][2]。

綠色電力證書交易機制于2017 年在全國范圍內試行，旨在進一步完善國家對風電、光伏發電的補貼機制。但我國自實施綠證交易以來，截止到2020 年10 月3 日，根據中國綠色電力證書認購交易平臺數據顯示，累計掛牌風電綠證共5679025 張，累計掛牌光伏綠證共550409 張。累計風電綠證交易38831 張，累計光伏綠證交易166 張，分別占掛牌總數的6.84‰、0.30‰。上述數據顯示，我國綠證交易市場存在交易量少，且不同類型綠證銷量差距大等問題。除此之外，一些學者指出我國綠證交易市場還存在一些其它問題，并提出了相應的解決方案。谷金蔚等指出我國綠證交易市場的自愿認購機制導致了企業缺乏認購積極性，并提出多回合集體競價流程和粒子群優化自適應競價策略，來提高市場效率和社會福利[3]。魏世哲指出由于綠證沒有與配額制度結合，并且僅允許一次交易，很大程度上限制了綠證的金融屬性[4]。張浩等針對綠證自愿交易不活躍的情況，建立了配額主體參與綠證交易的邊際價格動態模型，分析了實際供需雙方愿意接受的綠證交易價格[5]。唐一凡等借鑒國際綠證制度的經驗，提出完善我國綠證制度的建議[6]。和軍梁等指出價格過高一直是我國綠證存在的問題，并且綠證的出售價格接近補貼價格，并不是由市場供需決定[7]。董福貴通過建立多寡頭非合作博弈模型，來促進綠色證書交易市場的消納作用[8]。

區塊鏈作為比特幣底層技術之一，以其去中心化、分布式賬本、共識機制、智能合約等特點近年來被廣泛應用于醫療、金融、通信等領域。把區塊鏈作為核心技術與其他產業創新發展是我國自主創新的重要突破口。將綠證交易與區塊鏈技術相結合，是能源領域和區塊鏈技術的重大創新。蔡元紀等針對綠證交易中存在的問題，基于超級賬本Fabricl.1 架構，將綠證的發行、兌付和注銷轉移到鏈上，以實現多主體異步管理數據賬本[9]。杜曉麗等基于區塊鏈的特征，在碳配額分配、碳交易匹配和碳減排獎懲流程中引入減排努力值，來實現綠證交易的智能獎懲、自動交易匹配和自動執行碳配額成本決策[10]。吉斌等基于聯盟區塊鏈技術提出了碳權應用的系統架構，設計了“多對多”碳權交易匹配機制和模型，并通過算例驗證了模型的有效性[11][12]。嚴振亞等利用區塊鏈技術構建了從碳配額發放到碳排放權交易再到最終監管的閉環流程[13]。周洪益等詳細歸納了能源區塊鏈在分布式能源交易、阻塞管理與輔助服務、需求響應服務、碳排放權認證與綠色證書交易、數據管理與信息安全以及能源數字代幣的發布與投資等典型應用場景的應用[14]。王勝寒等分析了區塊鏈在信息安全、監測分析、交易平臺、合約執行、智能決策和行為管理功能中其物理、金融、社會屬性的應用[15]。崔樹銀等根據區塊鏈的智能合約特點，在碳排放機制中引入信用評分機制，實現了碳排放權和貨幣的自動計量[16]。駱釗等在綜合能源系統中引用綠色證書跨鏈技術，促進了可再生能源消納[17][18]。

目前對區塊鏈技術和能源政策結合已有一定的研究，但很少側重在綠證交易政策的應用上。并且將區塊鏈引入綠色證書交易時，對于綠證在市場中流通的全過程很少有系統性研究。本文首先分析我國綠證交易存在的問題及區塊鏈的一些特征，運用場景選擇法分析綠證和區塊鏈結合的適用性，最后在綠證交易中引入區塊鏈技術對交易的全過程進行優化設計。

一、綠證市場的交易機制和現狀

(一)綠證市場的交易機制

目前我國綠證主要通過綠證認購平臺網站(www.greenenergy.org.cn)(以下簡稱“認購平臺”)進行交易,分為掛牌交易和協議轉讓兩種方式。符合補助條件的可再生能源發電商需要向國家可再生能源信息中心(以下簡稱“信息中心”)申請綠證權屬資格，國家能源局財政部向符合條件的可再生能源發電商發放補貼。賣方在認購平臺上提交出售綠證信息，但出售的價格不得高于證書對應電量的可再生能源電價附加資金補貼金額，綠證交易完成后，賣方相應的電量不再享受國家可再生能源的附加補貼。買方可以通過認購平臺查看掛牌信息，交易成功后通過金融機構向賣方支付款項，交易流程如圖1。

圖1 綠證交易流程

(二)綠證市場的交易現狀

文章截取2018 年10 月16 日—2020 年10 月16 日的交易信息，如圖2 所示，從交易流程和交易模式兩方面分析我國綠證交易的現狀。

圖2 綠證交易成交圖

1.交易流程

我國綠證交易主要依靠認購平臺來進行信息披露、交易成交、綠證注銷等，每次交易需經過交易系統、數據中心、信息發布系統、結算交收系統和與交易相關的一些其他系統。由于中心化操作，當交易平臺因非法入侵或其他意外事故發生故障時，不可避免的會導致多方的利益損失。交易過程中涉及的參與主體較多，會出現信息披露不及時、平臺運行效率低等問題。由于賣方可以隨時撤銷掛牌信息，交易雙方易出現違規及糾紛行為。另外，主持交易的第三方可能會因為濫用職權而造成交易雙方以及交易平臺的不信任問題，影響綠證交易的公開透明以及效率問題。

2.交易模式

由于可再生能源配額制提出的電力消納責任剛剛起步，現階段我國規定綠證認購屬于自愿行為，企業缺乏認購積極性，致使綠證成交量少[19][20]。對于賣方而言，綠證定價不能超過對應電量的可再生能源電價附加資金補貼，致使綠證定價逼近補貼金額，風電和光伏發電對應的綠證銷量及成交價格差距較大。由于綠證不允許二次交易，對于買方而言，綠證就失去了其金融屬性，部分綠證并不能給企業帶來實際收益。另一方面，綠證采用的是單一回合的報價機制，交易雙方僅有一次報價機會，不能根據交易情況調整報價，導致交易成交率低。

二、區塊鏈的結構和特征

(一)區塊鏈的結構

區塊是構成區塊鏈的基本單位。每個區塊包括前一區塊的哈希值、本區塊的哈希值、默克根和時間戳，如圖3 所示。將上一區塊的哈希值進行哈希運算得到本區塊的哈希值，各個區塊通過哈希算法計算出的哈希值組成單向鏈狀結構。將區塊中的交易信息作為節點兩兩進行哈希運算，最后產生一個新節點即默克根。時間戳是一種采用UNIX 的時間計數方式，記錄了每個區塊產生的精確時間。區塊鏈的結構使得數據易于傳播和驗證，并且可以防止數據的篡改和交易的重復發生。

圖3 區塊鏈結構圖

(二)區塊鏈的特征

1.去中心化和共識機制

分布式對等網絡(PeertoPeer,簡稱P2P 網絡)作為區塊鏈的底層網絡基礎，其去中心化的結構方式，使每個參與節點都可以儲存、傳輸和接收文件，從而保持各自平等的地位，高效地實現各主體間點對點的信息傳輸。另一方面，區塊鏈的共識機制可以在交易雙方互不信任的情況下，使節點在全網范圍內達成共識，安全地完成交易運轉。以聯盟鏈為例，聯盟參與者選取鏈上的管理節點來對其他用戶節點進行驗證和確認。在交易發生后，全網節點對交易信息進行驗證并存儲在自己的區塊中，防止數據被篡改而導致多方造成損失。在綠證交易中，信息中心可作為聯盟鏈上的管理節點，對買賣雙方的交易進行監督和確認。同時買賣雙方交易完成后，通過廣播其交易信息也會被推送到其他參與節點中進行確認，防止交易重復發生。同時一些信息也不再需要第三方統計后發布，可以防止時間不對稱而造成的成本浪費。P2P 網絡和共識機制的聯合使用，使得區塊鏈對惡意活動具有較高的抵抗力。

2.加密算法

在區塊鏈中，使用了一種“非對稱加密”方式：公鑰和私鑰。其非對稱加密體現在：私鑰由隨機函數產生，公鑰由私鑰經橢圓曲線生成，用私鑰可以解出公鑰，用對應的公鑰才可以解出私鑰。另一方面，區塊鏈中的哈希(Hash)算法具有不可逆性和唯一性。當某個參與者想要改變交易信息時，會導致其交易節點的變化，從而導致本區塊默克根的改變，隨后會引起本區塊的哈希值改變。由于區塊鏈中區塊首尾相連的單向結構，本區塊的哈希值改變，會導致本區塊以后所有的哈希值改變，所以哈希算法可用于消息的完整性檢驗等。另外，私鑰還可以用在區塊鏈交易中的數字簽名。在綠證交易中，賣家使用自己的私鑰將交易信息簽名后和自己的公鑰發送給買家，對于買家來說，收到后使用賣家的公鑰進行解密交易，驗證私鑰簽名的正確性和公鑰對應的賬戶地址，確認交易方的身份。通過這種非對稱加密算法，可以大大提高交易的安全性。

3.智能合約

智能合約采用完全自動化的流程，通過事先將交易條件設定為代碼形式，系統會自動匹配符合條件的最優解。智能合約可以在交易雙方不信任的條件下，安全可靠的進行交易，并且這些交易可追蹤且不可逆轉。在綠證交易中設定“轉發合約”，當給定的條件滿足時，自動將交易信息發送給市場參與的各個節點，這樣既能防止交易數據被篡改，也可以防止交易的重復發生。監審機構上鏈后，以一些開放式合約的形式可以每天全時間段對可再生能源發電商開放，發電商填寫信息后，合約會自動對符合條件的發電商進行資質認證和綠證發放，這樣可以大大提高交易的運行效率。同時，智能合約通過的交易是不可逆轉的，所以這樣可以避免買賣雙方達成交易后，賣家突然撤回綠證掛牌信息等引起雙方糾紛的事件。

三、基于聯盟鏈的綠證交易平臺

通過上述對我國綠證交易存在的問題和區塊鏈技術所具有的特征的分析，可以得出區塊鏈的一些技術可以很好地解決綠證交易中存在的一些問題。下面運用應用場景選擇方法—ASMI 法，如圖4，說明區塊鏈技術對綠證的適用性。

圖4 ASMI 場景選擇法

本文將綠證交易流程分為核發、交易、核查三個環節，對每個環節引入區塊鏈技術，使各環節效率及安全性問題達到最優，從而使綠證流通的整個生命周期達到最優。

(一)綠證核發階段

目前傳統的綠證核發階段需要信息中心對可再生能源發電商的發電能力進行資質審核，并把符合資格的發電商上報到國家能源局。發電商每月在可再生能源發電項目信息管理平臺填寫結算電量信息，經信息中心審核后，將相應的證書發放給企業。綠證核發階段存在的主要問題是運行效率低、且可能存在企業填報虛假信息的行為。為避免企業謊報信息的情況，可以在發電側安裝電子傳感器，將發電量實時地傳送到信息平臺。發電商在進行信息填報時，系統會自動校對發電量是否和系統內的一致。將企業必須滿足的條件寫成智能合約形式，發電商在任何時間段都可以進行資質認證和綠證的申請，如果符合資格系統將會自動把相應的證書數量轉移到發電商的賬戶中。在綠證核發階段的具體流程如圖5。這種方式減少了信息平臺的人工投入，并且提高了認證效率。

圖5 綠證核發過程

(二)綠證交易階段

在現階段的綠證交易階段，需要依靠中心化平臺—綠證認購平臺完成交易的全過程。引入區塊鏈后，如圖6，買賣雙方分別將綠證需求、出售信息進行上鏈，通過提前設定好的交易條件自動進行最優匹配，匹配成功后自動觸發智能合約，然后交易雙方通過簽名對本次交易進行驗證。驗證的具體方式如下：賣家將交易信息通過自己的私鑰簽名加密形成密文1，同時，通過買家的公鑰對交易信息進行加密得到密文2，將兩份加密文件同時發送給買家。買家在接收到加密文件后，用自己的私鑰對密文2 進行解密，用賣家的公鑰對密文1 進行解密，并對解密文件進行對比。若內容一致，則可確認消息為賣家所發及信息的完整性。交易成功后會對全網進行廣播，以確定所有節點都可記錄本次交易基本信息，防止交易的重復發生，同時交易信息難以被篡改。每次交易都會生成帶有時間戳的交易記錄，可以查詢本張綠證是否是二次交易，來驗證綠證的有效性。最后會將本次交易寫入區塊，實現交易信息的可追溯。

圖6 綠證交易流程

(三)綠證核查階段

相比于現階段的綠證核查階段，如圖7 在引入區塊鏈后，首先，對于可再生能源發電商來說，在把交易的綠證價值轉移后，系統會自動計算剩余綠證數量及類型，并上報國家能源局，待確認后會發放相應的補貼，通過這種方式可以避免重復計算補貼。另一方面，對于購買綠證的配額主體來說，將綠證提交檢驗后，系統會自動對比其配額完成情況，同時觸發智能合約，實行相應的獎懲措施。已兌付的綠證會自動注銷。在激勵方面，交易成功后，可以按購買綠證的價格換算成相應的積分，當配額主體積累到一定的積分時，可兌換相對應數量的綠證，來引起買家的購買積極性。

圖7 綠證核查過程

四、結論

信息披露不及時、平臺運行效率低、核查信息過程繁瑣等問題，一直是綠證交易過程中不可忽略的痛點。本文為優化綠證交易的全過程，將綠證流通的全生命周期劃分為核發、交易、核查三個環節，在每個環節中引入區塊鏈技術特性，利用智能合約實現綠證交易的自動執行，提高運行效率；通過去中心化的點對點交易模式，解決信息不對稱情況，實現各方的信息共享；基于區塊鏈的單向鏈式結構，實現交易數據的可追溯。

引入區塊鏈技術能對綠證交易流程存在的問題進行很好的優化，但由于我國可再生能源消納保障制度處在初期階段，作為與其配套的綠證交易機制仍存在很多交易模式上的問題，如綠證不允許二次交易、單一回合集中報價、交易價格的限制等，這些還需要政策上的進一步研究改進。