基于區(qū)塊鏈技術的電力企業(yè)碳減排交易市場機制研究

張建中， 杜 新， 姚建霄， 張繼英， 王曉敏， 胡如樂

（1.南方電網(wǎng)數(shù)字企業(yè)科技（廣東）有限公司， 廣東 廣州 510700；2.北京科東電力控制系統(tǒng)有限責任公司， 北京 100192）

0 引言

為了落實《巴黎協(xié)定》，推動國家環(huán)境戰(zhàn)略的實施，引導電力生產(chǎn)碳權（稱為碳排放）的市場化發(fā)展，建立合理精細的碳市場，對節(jié)能具有重要意義[1]。減少排放和促進電力貿(mào)易的內(nèi)容，二氧化碳作為電力市場衍生品不需要實物供應[2]。目前國內(nèi)電力企業(yè)碳減排交易試驗已取得一定成果，對電力交易機制和交易技術進行研究，電力市場的發(fā)展必須結(jié)合電力市場平衡機制和市場原則。目前有許多關于碳權貿(mào)易的研究[3]，采用分析參數(shù)數(shù)據(jù)收集的方法，對能源碳權交易策略的組合在不同工況下進行模擬。對廣州碳權交易中心的碳銷售價格進行了預測，并基于根距離函數(shù)研究綠色增長因子的投資率[4]。基于經(jīng)驗模式、反轉(zhuǎn)、深度神經(jīng)網(wǎng)絡和支持向量機等模塊，并給出了碳權銷售價格的預測方法[5]。利用綠色能源市場作為電力市場機制的一部分來促進綠色能源的發(fā)展，對電力市場進行了深入的研究。此外，科學家們還使用影子價格模型來評估碳販運價格的扭曲，并在模型的基礎上分析了政策對試點城市碳權排放實施的影響，該模型指的是在營銷市場中構(gòu)建碳市場減排交易算法。該技術具有抗阻性、安全儲存和可追溯性[6]。企業(yè)區(qū)塊鏈系統(tǒng)組件具有鏈碼配置和業(yè)務隔離功能。為碳權販運提供安全便捷的技術支持。在考慮碳成本的情況下，基于阻塞技術的特點，提出利用技術應用綠色能源證書的營銷場景，為電力行業(yè)清潔化的應用提供了支持和參考，根據(jù)碳權技術的特點，將普通鏈和私有鏈等區(qū)塊技術與碳權交易的應用相結(jié)合，并在碳交易區(qū)塊網(wǎng)絡模型的基礎上，阻塞鏈具有獨特的業(yè)務服務功能，隔離不同企業(yè)的數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的安全和傳播[7]。總體而言，使用封鎖技術進行的碳販運研究主要是由于碳販運各方面缺乏透明度，以及數(shù)據(jù)中心操作中的風險和相互轉(zhuǎn)移問題。碳權貿(mào)易包括市場單位的經(jīng)濟利益，需要一個安全、透明和相互信任的貿(mào)易環(huán)境。同時碳權交易的應用可以為未來的綠色證書和“綠色能源”核能交易提供一個適當?shù)臉I(yè)務擴展平臺，并為碳法律市場發(fā)展一個互信增強的交易環(huán)境。

1 基于區(qū)塊鏈技術的電力企業(yè)碳減排交易市場機制設計

1.1 電力企業(yè)碳減排交易市場模型

在交易機制中，貿(mào)易活動必須首先確保系統(tǒng)的低碳、安全和穩(wěn)定運行，同時使參與者的總利潤最大化。因此，為了確定目標函數(shù)，執(zhí)行以下函數(shù)操作：

式中：f5為電力主體在交易活動中的違約成本；f1、f2、f3、f4為供、售、儲、荷各方的出清收益。

式中：CECB為參與碳排放權交易所得收益；CEOM為運維成本；CEB為供能收益，在供方交易時需考慮的收益。

式中：EEB，t，x為設備x在t時段的裝機容量；cg為天然氣單位熱值所對應的購價用；ct，x為設備x在t時段的啟動成本；αt，x為設備x在t時段的狀態(tài)；αt，x為設備x在t時段處于啟動狀態(tài)；cms，x為設備維護單價；eES，t，s、eHS，t，x、cES，ts、cHS，t，s為供能的設備x在t時段的供電價格、供熱價格、供電量、供熱量；αt，x為設備x在t時段處于關停狀態(tài)。

X指定沖突設備的數(shù)量。試驗時間Δt應用于證明供電、供熱、能源供應效率以及x裝置在時間t內(nèi)的效率,并且用PES，t，s、PHS，t，x、μES，x、μHS，x來表示，無碳源的碳權銷售價格用cCO2，i表示，無碳排放系統(tǒng)和無碳排放體系的裝置數(shù)量用I、K來表示。t時段i和k的供能量用Pi，t、Pk，t來表示。k的CO2授予排放權和碳排放權用ek、eCO2，k來表示；i轉(zhuǎn)讓可能產(chǎn)生的碳排放用ei來表示，有碳排放源k的碳排放權購價可以用cCO2，k來表示。

式中：f2為售方收益。更重要的業(yè)務考慮是系統(tǒng)源費用的平衡以及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，需要彌補潛在的網(wǎng)絡擁塞成本CPCB。

在交易鏈的t時段增、減出力時的購電單價分別用、來表示；在交易鏈的t時段機組k增加的出力、減少的出力分別用、來表示。

式中：f3為儲方收益。儲運方應主要考慮儲運設備的運營和維護成本以及儲能和輸出的動態(tài)行為。cESMC，a為儲能設備a的維護單價；EESMC，t，a為儲能設備a在t時段的建設容量；儲能設備總數(shù)用A來表示；儲能設備a在t時段的儲能容量和儲能單價分別用eESS，t，a、cESS，t，a來表示；儲能設備a在t時段的放能容量和放能單價分別用eESO，t，a、cESO，t，a來表示。

式中：f4為荷方收益。荷方受益于利用請求的副作用對電網(wǎng)進行調(diào)整的能力，從而獲得適當?shù)睦妗Ｘ摵梢蝽憫娋W(wǎng)的電力需求而造成的經(jīng)濟損失的相關系數(shù)分別用a1和a2來表示；荷方t時段的售電價格、下調(diào)和上調(diào)的電量分別用cLAS，t、eLASU，t和eLASD，t來表示。

在鎖定環(huán)境中，每個參與電力站點交易的企業(yè)都應該形成自己的信用點，并計算每個企業(yè)的失敗成本。假設企業(yè)作為一個獨立的單位與區(qū)塊鏈相連，設主體以獨立節(jié)點形式接至區(qū)塊鏈，則每個區(qū)塊中每個企業(yè)的信貸價值計算公式如下：

式中：f5為違約成本。Z為交易主體總數(shù)；VZ為成交次數(shù)。若yz，t?與yz，t不匹配，則產(chǎn)生違約成本，碳排放重量或?qū)嶋H報告電量用yz，t?來表示，z在t時段對于計劃報告，碳重量或電量值用yz，t來表示，z未違約交易的次數(shù)用vz來表示。為方便信用值量化，引入系數(shù)δY，則碳減排交易市場模型為：

1.2 模型去中心化處理

電力企業(yè)碳減排交易市場模型作為區(qū)塊鏈的底層網(wǎng)絡基礎，能夠高效地實現(xiàn)各主體間點對點的信息傳輸。碳減排去中心化主要包括3 方面，根據(jù)上述建立的交易市場模型進一步達成共識。完成交易運轉(zhuǎn)的具體表達式如式（9）所示：

式中：碳排放交易鏈區(qū)塊中的服務數(shù)量、最大服務數(shù)量、交易符合時間和交易符合最長時間分別為RCT、RCT，max、TCT、TET，max，電能交易鏈區(qū)塊中的服務次數(shù)、最大服務次數(shù)、服務匹配時間和最大服務匹配時間分別用RET、RCT，max、TET、TET，max來表示。

交易運轉(zhuǎn)的公式在式（10）、式（11）和式（12）中體現(xiàn)。

式中：PE，x，t和PES，a，t分別為t時段供能設備x和儲能設備a的出力；P1，t為t時段負荷需求總額。

式中：Um為節(jié)點m的電壓；Ωn為節(jié)點集合；θmn為相位差節(jié)點，Gmn、Bmn分別為實部和虛部是節(jié)點間的導納結(jié)果。Pm、Qm分別為節(jié)點m的有功功率、無功功率。

式中：PE，x，min、PE，x，max分別為設備x的出力上、下限；PES-C，x，t、PES-C，x，max、PES-C，x，min分別為相關設備在t時段的充電出力及其上、下限；PES-D，x，max、PES，D，x，t、PES-D，x，min分別為相關設備在t 時段的放電出力及其上、下限。Pl，t、Pl，max、Pl，min分別為線路l在t時段的有功功率及其上、下限；Ql，t、Ql，max、Ql，min分別為線路l在t時段的無功功率及其上、下限。

去中心化的具體表達式如式（13）所示：

式中：JCS，m，t為主體m在t時段的碳排放權出售量；JCB，n，t為主體n在t時段的碳排放權購買量；M和N分別為主體m和n的總數(shù)；JCS，m，max為主體m可出售的碳排放權總量。通過以上三方面的服務條件設定，最終實現(xiàn)碳減排去中心化計算。

1.3 基于區(qū)塊鏈技術實現(xiàn)電排放交易機制設計

在現(xiàn)階段的交易階段，需要依靠去中心化模型完成交易的全過程。引入?yún)^(qū)塊鏈后，通過上述交易市場和去中心化的架構(gòu)，設計以下基于區(qū)塊鏈技術的電排放交易機制流程，鑒于區(qū)塊鏈性質(zhì)，交易機制流程如圖1 所示。

圖1 交易機制流程

1）新用戶注冊。提交開戶申請須由用戶本人親自向電網(wǎng)公司執(zhí)行，批準后，公私鑰地址將自動獲得交易賬戶。

2）加入聯(lián)盟。開始交易前，所在市場內(nèi)的任一交易聯(lián)盟都可以被用戶選擇加入。

3）報價密封。對各時段的自身產(chǎn)能和市場趨勢等綜合研判是交易參與者需要判斷的，進行區(qū)塊鏈技術加密后對各個時段所供/所需電量和電價進行密封報價，在交易聯(lián)盟系統(tǒng)中進行廣播。

4）解封報價。進行解密公開是交易參與者對密封報價的必要條件。一致的區(qū)塊鏈技術加密的信息與公開的報價信息，將該用戶加入交易撮合隊列。若為否，該用戶不參與本次交易。

5）區(qū)塊鏈入鏈交易。選舉代理記賬節(jié)點記錄交易撮合結(jié)果，在聯(lián)盟中進行區(qū)塊鏈技術驗證，成功驗證節(jié)點后，加入交易合同區(qū)塊，獲得交易手續(xù)費作為該區(qū)塊代理記賬節(jié)點的記賬獎勵。

根據(jù)上述模型求解結(jié)果設計交易鏈的共識機制，選舉的代理記賬節(jié)點為交易參與者的共識值，被選為代理節(jié)點的可能方式為增加共識值。至此完成基于區(qū)塊鏈技術的電力企業(yè)碳減排交易市場機制設計。

2 實驗論證

為了說明本文方法的優(yōu)勢，建立三個方案進行比較分析。傳統(tǒng)方法1 和傳統(tǒng)方法2，利用鎖定技術，根據(jù)碳權進行現(xiàn)場電力交易，并對每一種方案進行效益計算。

2.1 實驗準備

智能合約建立后，EEA 區(qū)塊平臺將發(fā)布電力交易鏈和碳交易鏈，并在模擬IEEE14 單元系統(tǒng)的基礎上做出決策。模擬場景設置：10 個火電商、10 個風電供應商、30 個光伏供應商、30 家負載聚合商和20 個儲能供應商，Pmax i s 300 MW/d，碳權申報最高金額為300 元/t，最低限額為200 元/t。其他關鍵設備的主要開度表如表1 所示。

表1 其他關鍵設備核心參數(shù)

根據(jù)本文中建立的模型樣本，供應、裝載和儲存雙方應在賣方的封鎖鏈中進行本地交易，計算電力出清的實際時間結(jié)果。

在每一段時間內(nèi)，供應、儲存和負擔都基于賣家的需求下進行競價的。同時確保各方利益最大化，并確定區(qū)塊鏈中的實際出口價格。各交易主體應當通過電力排放交易開展碳交易，并得出三種方法交易處理效率對比結(jié)果，如表2 所示。

表2 三種方法結(jié)果對比

2.2 對比實驗

由表2 可知，采用本文方法交易效率最高，平均比傳統(tǒng)方法1 和傳統(tǒng)方法2 處理交易時間分別減少1.43 h 和2.55 h。實驗結(jié)果表明，采用本文方法能夠提高交易效率，更加方便供、儲、售、荷各方進行碳減排交易。

3 結(jié)語

基于區(qū)塊鏈的技術優(yōu)勢，充分考慮了碳權的營銷，通過現(xiàn)場電力交易，鼓勵各交易主體參與電力市場競爭的積極性，有助于實現(xiàn)“雙碳”目標。應繼續(xù)通過提供區(qū)塊鏈上的接口和傳輸網(wǎng)絡數(shù)據(jù)來接通有關部門。