國網(wǎng)浙江省電力有限公司雙創(chuàng)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(huán)保、可再生等特點，在發(fā)電過程中很少甚至不產(chǎn)生煙塵、氮氧化物、二氧化硫等環(huán)境污染物。隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，傳統(tǒng)能源帶來的環(huán)境問題日益嚴重，因此加大可再生能源的使用比例，創(chuàng)新有償使用培育和發(fā)展交易市場，對于降低碳排放、保護環(huán)境、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展都有著極為重要的積極意義。但由于目前大多數(shù)品種的可再生能源發(fā)電成本都要高于傳統(tǒng)的火電，因而通過政策手段來推動可再生能源的建設與發(fā)展，控制能源消費總量，已在全球范圍內(nèi)形成共識。我國高度重視可再生能源發(fā)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(jīng)陸續(xù)出臺了多項支持政策，并建立了綠證交易系統(tǒng)，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(fā)體系不完善，生產(chǎn)量與購買量嚴重失衡。

通過將區(qū)塊鏈技術引入可再生能源發(fā)電，不僅能提高綠色電力數(shù)字憑證在開發(fā)環(huán)節(jié)的信任度，還能為綠色電力數(shù)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(qū)塊鏈平臺相關技術

區(qū)塊鏈系統(tǒng)架構主要包括數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡層、共識層、激勵層、合約層和應用層。該模型中，作為區(qū)塊鏈技術最大的價值和最具代表性的創(chuàng)新點在于基于時間戳的鏈式區(qū)塊結構、靈活可編程的智能合約和基于共識機制的經(jīng)濟激勵。

2.1 分布式賬本

從實質(zhì)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(wǎng)絡的多個機構成員之間共享、復制和同步的數(shù)據(jù)庫。分布式賬本記錄網(wǎng)絡參與者之間例如資產(chǎn)、數(shù)據(jù)交換的交易。在同一個網(wǎng)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(shù)據(jù)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(wǎng)絡中所有交易的可審計歷史記錄。網(wǎng)絡中的參與者可以對賬本中的記錄的更新進行制約和協(xié)商，并達成共識。

2.2 共識機制

共識機制就是所有記賬節(jié)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(qū)塊鏈的共識算法按照選取打包節(jié)點方法的不同分為選舉類、證明類、隨機類、聯(lián)盟類和混合類[2]。選舉類多見于傳統(tǒng)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(tǒng)虛擬資源的權益；隨機類包括Algorand和PoET，是通過依賴隨機數(shù)選取打包節(jié)點；以DPoS為代表的“民主集中式”輪流獲得打包權屬于聯(lián)盟類算法；還有很多系統(tǒng)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(zhí)行這些承諾的協(xié)議。區(qū)塊鏈上的智能合約是存在鏈上的一段代碼。調(diào)用合約需要三個東西：合約地址、方法名、參數(shù)。鏈通過合約地址找到合約代碼，加載進EVM，然后執(zhí)行具體的方法。智能合約與傳統(tǒng)程序不同，它更強調(diào)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(tài)機。智能合約的事物保存和狀態(tài)處理均存在于區(qū)塊鏈中，也就是需要在節(jié)點間共識算法的基礎上完成。然而，智能合約不能產(chǎn)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(zhí)行被條件觸發(fā)的數(shù)字化承諾的一個事務處理和狀態(tài)記錄的模塊。在預設條件下，程序自動強制地執(zhí)行合同條款，實現(xiàn)“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(xiàn)代密碼學，現(xiàn)代密碼學技術是互聯(lián)網(wǎng)安全的基石。區(qū)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(shù)字簽名、零知識證明以及非對稱加密等。區(qū)塊鏈采用密碼學哈希算法，保證區(qū)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(shù)據(jù)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(jù)公鑰無法測算出對應的私鑰。

3 平臺需求分析

3.1 業(yè)務需求

綠色電力數(shù)字憑證應用場景相對于傳統(tǒng)能源使用場景發(fā)生了本質(zhì)性變化。綠色電力數(shù)字憑證旨在打破能源生產(chǎn)和消費的壁壘，橫向整個各種能源，以最經(jīng)濟、環(huán)保、綠色的方式為人們提供能源，綠色電力數(shù)字憑證應用場景因此具有了開放、動態(tài)和難控的特性，在綠色電力數(shù)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(yè)務生態(tài)，并可引入二級市場，構造企業(yè)間直購綠色電力數(shù)字憑證的交易環(huán)境實際需求，形成一個促進可再生能源的價格信號機制,調(diào)動企業(yè)環(huán)保積極性,使市場趨于完全競爭。

區(qū)塊鏈去中心化、協(xié)同自治、點對點交易等技術特性可以為綠色電力數(shù)字憑證管理解決如下問題：

確權登記，區(qū)塊鏈技術可以保證每一個單位的綠色電力數(shù)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(shù)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(qū)塊鏈技術分布式記賬的能力，保障數(shù)據(jù)的真實性、有效性。例如綠色電力數(shù)字憑證發(fā)行、交易、核銷上鏈之后，既可以避免數(shù)據(jù)疏漏、錯誤和篡改，可以更加準確地計算綠色電力數(shù)字憑證數(shù)據(jù)和企業(yè)用電量。

數(shù)據(jù)共享，用戶可查詢和確認能源企業(yè)的項目規(guī)模及其綠色電力數(shù)字憑證屬性，在信息對稱的情況下對綠色電力數(shù)字憑證能源企業(yè)進行選擇，解決了數(shù)據(jù)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(guī)則，自動登記電表的發(fā)電量，設備直接轉換為綠色電力數(shù)字憑證上鏈，自動統(tǒng)計認證，免除大量的人工重復計算，降低了成本也加強了監(jiān)管的效率，從事后監(jiān)管逐步過渡到實時監(jiān)管。

3.2 功能性需求

表1 綠色電力數(shù)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(tǒng)操作界面需符合業(yè)務人員使用規(guī)范，信息提示清楚明白。

接口標準性、一致性：提供的規(guī)則、接口應公開、透明、易用、支持性良好。系統(tǒng)應良好對接編制或提供的標準化數(shù)據(jù)接口。

開放性、靈活性：系統(tǒng)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(tǒng)不斷完善和發(fā)展。

容錯性、可靠性：系統(tǒng)應采用多種容錯手段，保證穩(wěn)定可靠的運行，并保證數(shù)據(jù)的安全與完整。

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

4 平臺系統(tǒng)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(tǒng)、資產(chǎn)發(fā)行系統(tǒng)、企業(yè)端錢包、身份認證中心、區(qū)塊鏈系統(tǒng)、監(jiān)管平臺組成。

4.1.1 資產(chǎn)發(fā)行系統(tǒng)

資產(chǎn)發(fā)行系統(tǒng)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(tǒng)管理等模塊，主要負責綠色電力數(shù)字憑證認證、發(fā)行、注銷等功能，身份認證中心模塊負責企業(yè)認證管理，可單獨剝離置于交易結算系統(tǒng)或獨立的認證登記系統(tǒng)。資產(chǎn)發(fā)行系統(tǒng)與區(qū)塊鏈對接，實現(xiàn)企業(yè)身份上鏈、綠色電力數(shù)字憑證發(fā)行和注銷等功能。同時將身份信息同步至交易結算系統(tǒng)。

機構管理：發(fā)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(fā)行方需先創(chuàng)建項目，項目用于標記、識別同類型的綠色電力數(shù)字憑證，不同地區(qū)、不同項目發(fā)行的綠色電力數(shù)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(fā)行方可在本模塊關聯(lián)設備，關聯(lián)后的設備公鑰加入發(fā)行方公鑰地址中可實現(xiàn)設備自動發(fā)證上鏈，本模塊可實現(xiàn)設備的啟用、終止、吊銷等操作。

4.1.2 交易結算系統(tǒng)

交易結算系統(tǒng)包括首頁、我的賬戶、訂單管理、我的資產(chǎn)和系統(tǒng)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(yè)端錢包負責保管企業(yè)秘鑰，后期也可單獨剝離。交易結算系統(tǒng)與區(qū)塊鏈對接完成資產(chǎn)轉移及狀態(tài)同步。

在遠期業(yè)務需求中，企業(yè)端賬戶體系以及實名認證系統(tǒng)往往托管在交易結算系統(tǒng)或單獨的認證登記系統(tǒng)中，設備管理中心則為獨立系統(tǒng)。在本文設計中，考慮到現(xiàn)實情況，選擇采用托管方式，將企業(yè)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(tǒng)或資產(chǎn)管理系統(tǒng)，但在技術設計上支持企業(yè)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(yè)務流程設計

4.2.1 底層鏈環(huán)境搭建

搭建底層鏈環(huán)境、配置節(jié)點、部署基礎管理合約和綠色電力數(shù)字憑證合約，具備創(chuàng)建區(qū)塊鏈身份和權限配置的能力，根據(jù)業(yè)務實際需求創(chuàng)建綠色電力數(shù)字憑證發(fā)行管理方、交易買賣方、交易平臺方或監(jiān)管方等多個業(yè)務角色，并為這些角色分配相應的權限，完成生態(tài)角色創(chuàng)建和授權工作。

④農(nóng)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(tài)系統(tǒng)中的物理、化學、生物的三重作用，實現(xiàn)對污水的凈化。對分散農(nóng)戶產(chǎn)生的生活污水，設置三格化化糞池進行處理。

4.2.2 發(fā)行綠色電力數(shù)字憑證

被賦予綠色電力數(shù)字憑證發(fā)行權限的設備方通過調(diào)用綠色電力數(shù)字憑證發(fā)行相關合約接口，可實現(xiàn)鏈上綠色電力數(shù)字憑證的發(fā)行，同時發(fā)行方可通過資產(chǎn)發(fā)行系統(tǒng)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(fā)行權限。

鏈上綠色電力數(shù)字憑證發(fā)行過程可分為交易發(fā)起、簽名、合約調(diào)用、指定資產(chǎn)所有方、發(fā)行完成幾個步驟，每一份綠色電力數(shù)字憑證發(fā)行都在記錄在區(qū)塊鏈賬本，明確記錄綠色電力數(shù)字憑證發(fā)行方、綠色電力數(shù)字憑證所有方、發(fā)行時間、綠色電力數(shù)字憑證相關信息等內(nèi)容，過程可追溯、可監(jiān)管。

4.2.3 綠色電力數(shù)字憑證交易

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

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

在發(fā)起權屬轉移時，需要調(diào)用綠色電力數(shù)字憑證轉移相關接口，指定轉讓對象、發(fā)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(qū)塊鏈賬本上，包括交易時間、綠色電力數(shù)字憑證數(shù)量、發(fā)起方、接收方以及其他相關拓展信息。

4.2.4 綠色電力數(shù)字憑證核銷

區(qū)塊鏈上的綠色電力數(shù)字憑證可根據(jù)業(yè)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(shù)字憑證后可以兌換成相應的優(yōu)惠券、權益等，綠色電力數(shù)字憑證的核銷即完成這個對應的過程。

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

5 結語

區(qū)塊鏈具有多方共享、數(shù)據(jù)統(tǒng)一維護、可審計可追蹤特性，可幫助能源電力企業(yè)在安全基礎上創(chuàng)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(yè)態(tài)、新模式、新思維的發(fā)展，因此區(qū)塊鏈技術在可再生能源領域和未來能源革命中必將發(fā)揮重要作用。

本文分析了區(qū)塊鏈技術特點，設計了基于區(qū)塊鏈的綠色電力數(shù)字憑證平臺，提出了其系統(tǒng)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(shù)字憑證應用場景。綠色電力數(shù)字憑證背后表達是可再生能源產(chǎn)生的環(huán)境正外部性的價值，具有現(xiàn)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(shù)字憑證的企業(yè)或個人可以憑借更好的數(shù)據(jù)可信度和所持有的綠色電力數(shù)字憑證獲得融資、評級、碳資產(chǎn)開發(fā)等金融科技服務。如此，區(qū)塊鏈通過打通綠色電力數(shù)字憑證的生產(chǎn)和使用場景，建立自我激勵的綠色經(jīng)濟生態(tài)閉環(huán)，幫助綠色電力數(shù)字憑證內(nèi)在價值盡早在日常商業(yè)和生活場景中實現(xiàn)落地。值得注意的是，區(qū)塊鏈在吞吐量方面包括減少區(qū)塊生成時間、區(qū)塊確認時間，和信息安全、監(jiān)管及隱私保護方面還存在很大的挑戰(zhàn)。