計及能源區塊鏈電力碳排放權的跨鏈交易模型

胡 偉,夏 雪

(上海電力大學 經濟與管理學院,上海 200090)

隨著電力市場的不斷發展,電力交易產生的大量碳化物與國家環保戰略相違背。在傳統電力交易中,許多市場主體不遵循發用電計劃,超額排放的碳化物將污染我們的生態環境[1]。因此,“誰用電,誰買單”的市場規則將應用到碳權交易機制中。

為引導電力碳排放權的市場化運行,國內外學者在碳權交易研究領域已取得一定成果。文獻[2]中闡述了從2011年開始,中國開啟了碳權市場的交易試點工作,提出了利用碳價策略可以實現低碳轉型,完成節能減排的目標,但此文獻未給出具體的碳權交易實施模型。文獻[3]中為了避免過度的碳化物排放量造成自然災害,設計了碳權交易風險防控的基本架構,優化了碳權交易體系,為后續深入研究打下了良好的基礎。Liu等[4]利用非徑向方向性的距離函數檢測出了綠色增長要素對生態環境的貢獻率,并通過非參數數據包絡分析方法對能源-碳權交易在不同場景下的組合策略及效果進行了模擬研究。Yan等[5]搭建了廣州數據中心的碳排放交易價格預測模型,并運用反向傳播、經驗模態分解、深度神經網絡和向量機支持策略提出了碳權交易的詳細流程。上述研究對碳權交易市場的建設提供了理論基礎和實踐方案,但碳權市場仍缺乏一種節能減排、降本增效、安全性極高的電力交易方案。

然而,區塊鏈技術可以滿足上述要求,且在能源、金融、制造業等領域展開了積極探索。Du等[6]以區塊鏈技術作為底層技術,設計了成本決策側系統、減排自動獎懲系統和碳權交易匹配系統,有效提高了碳交易系統的運行效率。Fu等[7]在服裝制造業中基于區塊鏈技術,將碳排放環節融入碳排放交易計劃中,減少碳化物的排放,達到節能減排的效果。

區塊鏈技術的分布式數據交互、實時數據迭代以及量子區塊鏈的安全儲存和防篡改功能[8],可滿足碳權市場中碳配額成本的個性化需求、避免邊際出清價格的籠統測算、實施電力交易排放碳化物的精細化管理、提高碳權市場交易的安全性及零售商信息的隱私性。因此,碳權市場與區塊鏈技術相耦合是優化生態環境的必經之路。

基于上述考慮,本文提出計及能源區塊鏈電力碳排放的跨鏈交易模型。首先,采用跨鏈交互協議,在設有碳上限的基礎上實現多個零售商之間的聯盟聯合補貨,以減少碳化物、打造清潔的交易環境并提高聯盟商的總利潤;其次,通過設定碳因子和修正系數,對市場主體采取獎懲措施,增強零售商間的滿意度和信用度;最后,利用量子區塊鏈技術可以有效地防止攻擊者竊聽或隨意篡改交易數據,使碳權市場具有安全的交易環境。

1 區塊鏈簡介

區塊鏈是一種普適性的分布式數據庫,它以去中心化和去信任化的方式實現了信息交互和集體維護[9]。區塊鏈技術具有分散化、開放性、匿名性、可追溯性和安全性等特征,它可以在彼此不信任的大型分散代理網絡中使數據達成共識[10]。區塊鏈通過塊鏈式結構來驗證和存儲數據,利用加密算法進行數據訪問,利用智能合約自動觸發執行交易,利用共識機制來保障數據傳輸的安全[11]。量子區塊鏈是一種安全性極高的區塊鏈技術,它可以有效地防止惡意攻擊、確保數據的完整性。

區塊鏈系統是由多個數據塊組成的鏈式結構,每個塊都按時間順序在上一個塊之后生成,且每個區塊的信息都可由前驅節點追溯[12]。區塊鏈以塊的形式打包和存儲各種類型的數據,一旦確認該塊有效,便無法篡改[13]。區塊鏈的數據結構包括:①區塊頭。包含時間戳、默爾克根、隨機數和上一個區塊的哈希散列值,其中,隨機數用來實現挖礦機制,哈希值用來連接前區塊,保證區塊鏈的完整性。②區塊主體。包含本區塊的交易信息,經典區塊鏈的結構如圖1所示。

圖1 區塊鏈結構

2 準備知識

2.1 碳排放量預測

定義1碳達峰是指在2030年之前,二氧化碳的排放達到峰值,之后碳排放量緩慢回落且不再增長[14]。

定義2碳中和是指在2060年之前,二氧化碳排放量通過植樹造林和節能減排等方式,實現二氧化碳零排放[15]。

微電網中的區塊鏈節點可以預測出數據中心DCi的碳排放量,以減輕過量CO2對全球環境的負面影響[16]。根據碳中和原理,綠色能源利用的增加將減少數據中心的碳足跡,但它會引起電力成本的增加。因此,區塊鏈節點需在給定的碳排放預算數據下最小化運營成本。本文使用碳排放率來評估不同能源類型的碳排放量,其數值如表1所示。

表1 二氧化碳排放量 g·k Wh-1

由表1可知,在相同能耗下棕色能源的碳排放量遠高于綠色能源。設εb、εw和εs分別表示棕色煤炭、風能和太陽能的碳排放率,因此,在槽t中總的碳排放量為

為了消除式(2)長期碳約束的“時間耦合”特性,給碳市場的每個數據中心引入一個虛擬碳赤字Q i(t)隊列,其積壓的動態演變過程為

式中,Q i(t)的長度意味著當前能源的使用偏離長期碳預算和初始化Q i(0)=0,Q i(t)意味著數據中心可以在滿足碳約束的同時,使用更多的棕色能量來降低電力成本。Q i(t)的值越大,就意味著當前的用電量遠離碳預算,數據中心應該使用更多的綠色能源。

2.2 碳配額成本決策系統

設C i(t)表示插槽t中DC i的總運行成本,包括如下3個部分:

(1) 功率成本為

在每個插槽t處,系統做出如下決定:

①工作負載路由決策表示為:λ(t)={λi(t),?i};

②每種類型的能源使用決策表示為:

③電池調度決策表示為:

④活動服務器號表示為:m(t)={m i(t),?i}。定義t周期內的系統控制操作為

且數據中心的平均運營成本為

2.3 碳權跨鏈協議

區塊鏈有效地承擔了廣播和驗證跨鏈交易的任務,這種具有橫向擴展能力的跨鏈協議,將支持碳權業務鏈間的信息交互,實現碳權業務的高效查詢和穩定交易。本文基于中繼節點設計碳權跨鏈協議,在B鏈上創建繼電器,它將接收A 鏈的塊頭,并使用A 鏈的標準驗證器進行校驗[18]。若中繼節點驗證了塊頭,則可以通過驗證默克爾樹的單個分支來監測事務或賬戶的狀態,碳權跨鏈交易架構如圖2所示。

圖2 碳權跨鏈交易架構

從鏈A 至鏈B的跨鏈通信過程如下:

(1) 注冊A、B 鏈的信息,如ID 和起源文件配置信息;

(2) 在A 鏈上,廣播指向B 鏈的輸出數據包,以通知B鏈和A 鏈的最新狀態,如區塊頭和最新提交的簽名;

(3) 從A 鏈發送輸出包至鏈B,其中包括交易已進入鏈上的塊的證明,由于B鏈具有A 鏈最新的塊頭,故B鏈可以驗證塊證明。

3 電力碳權交易模型

3.1 聯合補充聯盟的碳權跨鏈交易

目前電力企業不僅面臨著降低運營成本以獲得競爭優勢的巨大壓力,而且還面臨著碳排放庫存的問題[19],因此,設定碳配額上限對碳權交易具有重要意義。假設N={1,2,…,n}是碳權市場的一組零售商,他們可以隨機地進行跨鏈聯盟來實施補貨,碳權跨鏈聯盟結構如圖3 所示。如果一組零售商S?N決定合作,則這組零售商共同確定其補貨周期T S,以最大限度地減少碳排放總量,提高零售商的總利潤和聯盟交易效率。

圖3 碳權跨鏈聯盟結構

設x S為聯盟S間跨鏈交易的碳排放補貼量,若零售商產生的碳排放量超過了監管節點規定的上限,則零售商需以特定的價格θ從碳交易市場購買額外的排放補貼。聯盟S的總利潤為

零售商i在單位時間內恒定的需求率和補貨率分別為D i和V i,交易訂單的固定成本為K,單位購價和售價分別為a i和p i,i的碳庫存在每單位時間內都會產生持有成本h i。聯盟S在訂貨和庫存持有過程中產生的碳排放量為

定理多個零售商之間的跨鏈聯合補充導致碳排放總量減少,總利潤增加,即:

定理表明,根據碳排放上限和交易政策,零售商間的跨鏈聯合補充不僅增加了總利潤,而且減少了碳排放總量。

3.2 新型碳權交易出清策略

傳統電力交易的出清模型導致低成本高排放的機組優先中標[20],而排放較少且發電成本較高的清潔機組得不到充分利用,這與低碳環保的發展戰略和碳達峰、碳中和的戰略目標相違背。因此,引入碳因子及修正系數,提出一種基于信用機制的新型碳權交易出清策略,打造信用度極高的低碳交易環境。

為防止引入碳因子后易造成零售商以較低申報價格提高優先級,采用修正報價來確定交易電量;利用原始報價分配經濟效益,當修正報價高于或低于碳排放量的均值時,監管機構將給予一定的獎勵或懲罰。設N={1,2,…,n}個零售商參與競價,一組零售商的申報價格為

式中:l i為聯盟S經監管機構認定統一獲得的考核價格;βi(t)為第i個聯盟主體第t輪交易報價的修正系數;Pass和Psub分別為單位碳配額補償價格和超額罰金。根據聯盟雙方提交的競價信息得出單位時間內電能交互的平均CO2排放量為

式中,αi和w i分別為零售商i的碳排放強度和申報電量。設φi=αi/Qav為i的碳因子,利用碳因子修正零售商的報價為=φi P。監管機構統一認證的考核價格為

當累計消耗的碳排放量F超出監管機構獎勵高信用度i的碳配額F f與交易市場購買的碳配額F p之和時,區塊鏈智能合約自動對零售商i扣除相應的罰金;否則,無需繳納罰款,且根據市場機制可獲得一定量的免費碳配額F f。

3.3 基于量子隱寫術的交易結算機制

為防止交易信息被攻擊者竊取或隨意篡改[21],本文基于量子隱寫術構造一種安全的碳權交易結算機制。隱寫術是將信息隱匿在量子糾錯碼的編碼中,發送者把信息偽裝成信道錯誤,通過量子密鑰接收者可以恢復隱匿信息,而攻擊者無法將消息從信道噪聲中分離。

由3.1節知聯盟S交易的碳排放量為

由3.2節知聯盟S的交易費用為

關于買方節點和賣方節點的碳權交易費用的經濟性表達式分布為:

式中:P為零售商的申報價格;p'為修正報價;l i為監管節點的考核價格。買方接收到賣方測試的量子比特,長度為N的量子擁有Q位量子比特,并獲得退極化概率p,設隱寫概率

攻擊者Eve觀測到信道錯誤的概率PEve=p+?=p+q(1-4p/3)。買方根據退極化信道制備一串隨機量子態|γY>=|y1y2…y k>,并采用量子糾錯碼對其進行編碼:

(1) 賣方將k+1長量子比特編碼為量子糾錯碼[[B,k+1]]。

(2) 賣方挑選τ個遮蓋量子比特,將量子糾錯碼[[N,τ]]編碼至N位量子比特中,使其滿足N?B。

(3) 將量子密鑰設置為χ,并將χ放置在輸出處,與相應的目標聯盟S相匹配。

(4) 將χ的相位設置為:θ=π/2,隨機測量目標聯盟下散射場的實正積或虛正積,檢查測量結果是否在的范圍內。

(5) 若測量結果均在范圍內且滿足N?B,則接受量子密鑰χ,否則拒絕。

3.4 碳權區塊鏈交易流程

基于跨鏈交互信息開始電力交易,交易主體在微電網中進行實名注冊,以保證信息的真實有效性;交易雙方進行電量及電價申報的同時,區塊鏈節點對碳排放量進行預測,以實現最小化的交易成本;若市場主體所擁有的碳配額未達上限,則監管節點給予守信的交易主體一定量的免費碳配額,且監管節點對交易數據進行量化考核,修正出清電量;基于此執行交易,電力交易結束。多鏈式區塊鏈交易流程如圖4所示。

由圖4可見,若市場主體所擁有的碳配額已達上限,交易主體需向監管節點繳納違約金,同時應向碳權市場購買碳配額,開啟碳權交易。根據本文的聯合補充聯盟機制核算市場主體的碳權,出清模擬交易主體的配額缺量,在微電網中進行申報交易價格及碳配額量。利用碳因子進行碳權交易主體的聯盟優先級排序和偏差考核,實施聯合補充聯盟匹配,若匹配失敗,則重新提交申報數據;若匹配成功,則聯盟雙方出清碳權信息,通過偏差考核結果修正報價,更新聯盟雙方的信用評分?；诹孔与[寫術實施碳權交易結算機制,可有效防止攻擊者的竊聽和隨意篡改交易數據。在完成碳配額交互后,將所有交易信息上傳至量子區塊鏈,至此,碳權交易結束。

圖4 交易流程

4 算例分析

4.1 碳權交易過程分析

通過正態分布的形式來模擬交易主體的匹配出清過程,結合3.1和3.2節的交易模型,開展碳權市場主體間多對多的聯合補充聯盟交易。表2所示為碳權市場的交易申報信息根據聯盟機制得到的最優排序。

表2 申報信息最優排序

假設碳權交易市場有5個買方節點S={1,2,3,4,5}和4個賣方節點F={1,2,3,4},碳權市場的碳配額現量和需求量分別為1 050 t和1 270 t,碳權交易價格為280.0元/t,碳因子和修正系數分別取φi=0.6,βi(t)=0.2。

根據碳上限總和∑i∈SC i及單位時間內的碳購買量和庫存持有量可得本輪碳權交易的修正價格為275.5元/t,交易申報價格范圍為198.4～298.6 元,即碳權市場的碳配額收購價格為198.4元/t,碳配額購買價格為298.6元/t。

由式(9)的最優排序周期可知報價較低的零售商之間進行聯合補充的聯盟交易匹配,并通過修正系數和考核電價的方式來出清實際成交的碳權價格,相當于目前的邊際價格出清的方式。本文提出的聯盟匹配機制和碳因子考核價格以及修正系數出清機制,可以在滿足市場主體對碳權交易價格需求的條件下,使實際成交價格低于買方節點的申報價格、同時又高于賣方節點的交易報價。由式(17)和式(18)得到碳權交易的收益增加率,如表3所示。

表3 碳權匹配主體收益增加率 %

根據表3可得出,若買方節點由于自身原因使報價無法與零售商的收購碳配額價格相匹配,則需要返回重新申報交易數據,如交易2本輪碳配額交互的增加收益率為0。各個聯盟匹配的碳權交易收益增量如5圖所示,申報收益率與實際出清收益率雖有一定出入,但走勢大致相同。由于買方報價逐漸降低,監管節點在碳因子和修正系數的驅使下,交易結算出清價格隨之降低,買方節點的節約成本率呈現波浪形上升趨勢;同時,賣方節點的收益增量亦呈現W 型。最初是因為申報價格較高的賣方節點與報價相對較高的買方節點進行聯盟聯合補貨,此時獲得的相對收益增量較高。之后,零售商的報價再次提高,碳權市場缺少能與之聯盟補貨的用戶節點,交易輪空從而降低了自身的經濟效益。隨著零售商報價的波動性降低或升高,收益率也逐漸呈現下降和上升趨勢。

圖5 聯盟匹配碳權交易收益增量

在基于信用機制的新型碳權交易出清策略中,根據單位時間內電能交互的平均CO2排放量及監管節點的預測可以聯合得出,聯盟主體的碳配額預測值與實際值之間的關系,如圖6所示。

圖6 碳權交易分析結果

根據圖6可得如下結論:

(1) 虛擬碳赤字Q i(t)隊列未偏離長期碳配額預測值,證明了碳排放量預測機制的合理性及適用性。

(2) 長期碳排放權未達上限的聯盟主體具有極高的可信度,在聯盟交易中不僅排序周期的優先級較高,而且獲得免費碳配額的幾率較大,即收益率較高。

(3) 本文的碳權市場機制有效控制了碳化物的排放量,為清潔生態環境起到積極作用。

4.2 跨鏈交易效率分析

本文建立A、B、C、D 共4條區塊鏈的跨鏈模擬網絡,通過計算跨鏈交易的效率來評估跨鏈網絡的性能。設置16個生產者節點并在鏈間執行跨鏈傳輸,然后測量被打包成塊的事務的數量。為了評估在發生意外崩潰故障時整個鏈的性能,每3 s隨機選擇并停止默認生產者節點,在3 s后重新啟動已停止的生產者節點,以評估其對交易效率的影響。

4條區塊鏈的跨鏈模擬網絡計算結果如圖7所示。由圖7可以看出,跨鏈交易效率極高。圖8展示了單個和多個數據中心的性能評估對比結果,更大規模的網絡可以產生更高的性能,處理更多的事務,產生更高的吞吐量。

圖7 多鏈鏈間交易效率

圖8 單鏈與多鏈效率對比

4.3 量子區塊鏈安全性分析

利用量子糾錯碼將信息進行隱匿,其步驟2中的糾錯編碼為[[N,τ]],它起到了擴充量子密鑰空間和隱寫術的作用。賣方獲取碼字N對應的τ本身是遮蓋量子比特而不含任何信息,即使攻擊者成功譯碼也得不到市場主體的交互數據。假設從N個量子中隨機抽取B個量子比特的集合共有C(N,B)種,且實施退極化操作需要2B個量子比特標簽,相對于長度為N的量子比特所需的密鑰數為log2(C(N,B))+2B?；诖?可得出相對密鑰率的分布函數R=[log2(C(N,B))+2B]/N,其中,已知B/N=4q/3,則

R的分布如圖9所示。隨著N的不斷增大,結算機制所形成的量子密鑰空間對碳權市場的買方而言具有完全不確定性。因此,基于量子隱寫術的交易結算機制是完善而隱蔽且安全性極高,即在用量子密鑰打開糾錯編碼之前接收方無法獲取任何消息。

圖9 相對量子密鑰率的分布

5 結論

為了實現碳達峰和碳中和目標,本文在電力市場的基礎上展開碳權交易,提出計及能源區塊鏈電力碳排放權的跨鏈交易模型。在電力交易中構建碳預測模型,使虛擬碳赤字滿足長期碳預算的同時,利用成本決策系統降低因使用綠色能源中和碳化物而產生的平均運行成本。在聯合補充聯盟的跨鏈交易機制中,設定碳排放量上限,零售商間通過共同確定的聯盟周期T S來最大限度地減少碳排放總量,且碳權交易跨多個區塊鏈執行,可以更好地實現碳權業務的穩定運營與數據交互?；谛庞脵C制建立新型碳權交易出清策略,引入碳因子和修正系數來考核聯盟主體的碳配額庫存并修正交易申報價格,以獎勵守信的聯盟主體免費碳配額、懲罰失信的聯盟主體支付違約金并購買一定量的碳配額,滿足“誰用電、誰買單”的市場規則。在碳權交易結算機制中嵌入量子隱寫技術,將密文隱匿在糾錯碼中,在量子通信過程中攻擊者無法獲取任何密文信息,保證了碳權交易的安全性。算例結果表明:

(1) 碳預測機制和本文所提出的碳權交易模型符合預期目標,具有可行性和適應性,對減少電力交易所產生的碳化物排放量起到積極作用。

(2) 根據區塊鏈技術,提高了碳權交易效率、節約了碳中和運營成本、增加了聯盟主體的總利潤和滿意度、營造了安全隱秘的交互環境。

(3) 將區塊鏈技術與電力碳排放權交易深度融合,是實現國家低碳目標、環保戰略的必經之路。