基于区块链的CCER与绿证认证匹配方法

技术领域

本发明涉及CCER与绿证认证匹配，更具体地说，涉及一种基于区块链的CCER与绿证认证匹配方法。

背景技术

绿证是由国家能源主管部门对发电企业每兆瓦时非水可再生能源上网电量颁发的具有独特标识代码的电子证书，是非水可再生能源发电量的确认和属性证明以及消费绿色电力的唯一凭证，也是一种可交易的、能兑换货币的凭证，可以作为一种转让可再生能源环境效益外部特性所有权的交易工具。CCER即国家核证自愿减排量(Chinese CertifiedEmission Reduction)，是指对我国境内可再生能源、林业碳汇、甲烷利用等项目的温室气体减排效果进行量化核证。自愿减排项目减排量经备案后，在国家登记簿登记并在经备案的交易机构内交易，即“控排企业向实施“碳抵消”活动的企业购买可用于抵消自身碳排的核证量。

CCER与绿证都能够通过电能替代等方式推动碳减排，二者具备等效性，同时根据政策的异同和走向分析，两者可以构成互认关系。CCER需通过电网计量设备采集电量数据进行计量统计校核，绿证需通过申请、申领、核发等流程进行审查核定，碳排放权需通过第三方核查机构对企业碳排放数据进行核查。从而保证企业所拥有的绿证、CCER、碳排放权数据正确，进而保证各类市场主体公平竞争，营造良好的发展环境。然而，当前相关核查流程繁琐、环节较多，数据难以保证准确性。同时由于数据链条周期偏长，且缺乏切实可行的数据资产防御体系，数据存在着被复制、留存、篡改、转卖的风险，数据资产权益得不到有效的保障。在考虑到绿证和CCER兑换时，由于发电厂可能会拿CCER相应的碳减排去登记绿证，也会面临重复计算问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种基于区块链的CCER与绿证认证匹配方法，其能够有效促进可再生能源在配电网中的消纳以及对高耗能发电公司的碳排放限制。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于区块链的CCER与绿证认证匹配方法，包括绿证交易区块链、碳排放权交易区块链及双链交互运行区块链；

所述绿证交易区块链为智能电表记录可再生能源上网电量，根据区块链上内置规则自动核发绿证；

所述碳排放权交易区块链为CCER电核证的可再生能源与农林碳汇减排项目上区块链组成，碳配额根据区块链上记录的历史碳排放量按内置规则生成；

双链交互运行区块链为将绿证与碳排放权分别出清后，持有绿证余额的企业根据规则将绿证余额转化为CCER余额，再次进入市场进行交易。

按上述方案，所述区块链为分布式共享账本，所述区块链基础架构模型分为数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层；所述共识层用于封装不同类型的共识机制算法，决定区块链的机制来形成新的区块。

按上述方案，所述共识机制算法中包括具有币龄的独特性的PoS共识算法，所述PoS共识算法具体为：为系统做出贡献越多、币龄越高的节点，越容易挖到区块并获得奖励。

按上述方案，所述PoS共识算法具体为：首先定义有N＝m+n个节点，m为该区域内可再生能源发电公司总数，n为该区域内不可再生能源发电公司总数；出块节点占全部节点的比例为从出块节点数量为k＝μN，所有节点对世界状态中的节点绿龄大小进行排序，选出绿龄排名前k的节点为出块节点，k个出块节点再根据自身的权益大小进行排序，按顺序产生区块；选举出块节点并产生区块的过程称为一次epoch；当排序后发现有多个节点的绿龄与第k个节点相同，导致出块节点的数量大于k，则再对与第k个节点绿龄相同的节点的ID的哈希值进行比较，再进行一次排序，直到当前epoch的出块节点的数量达到k个。

按上述方案，所述PoS共识算法包括以下步骤：

S1、根据选举算法选出块节点：为避免到该节点生产区块时不响应的情况发生，特设置节点最长等待时延To，若超过To没收到区块，则跳过此区块再次执行选举算法，选出下一个出块节点；

S2、Pre-Prepare阶段：出块节点产生区块后，生成pre-prepare消息广播给其它备份节点，同时将pre-prepare消息存入本log，pre-prepare消息格式，[(pre-prepare，v，s，d)，m]，其中，v为当前视图编号，d是消息m的摘要，s为签名；

S3、Prepare阶段：副本节点收到pre-prepare消息后，检查消息是否合法，如果验证通过则向其他节点发送prepare消息(prepare，v，s，d，i)，带上自己的id信息，同时接收来自其他节点的prepare信息，收到prepare消息的节点同样进行消息合法性检查，验证通过后，则把这个准备消息写入消息日志中，集齐至少2/3比例的节点验证过的消息才进入准备状态；

S4、Commit and View-change阶段：当一个节点进入准备装填，便会广播commit消息告诉其他节点当前区块在视图中已经处于准备状态，如果集齐至少2/3节点验证通过的commit消息，则说明区块通过，对当前主节点产生的区块达成共识，同时进入视图切换阶段执行节点选举算法，由下一个出块节点产生区块，若超过To时间没有产生区块，重新选出块节点；

S5、重复执行上述三个阶段，直到第k个节点完成出块任务，形成临时区块链，由第一个出块节点广播给所有跟随者节点，最终完成一次epoch若其他节点超过To没有收到第一个节点的消息，则由第二个节点将临时区块链广播给其他节点；

S6、Broadeast Blockchain阶段：主节点将临时区块链发送给其他未参与本次epoch的全节点；

S7、Reply阶段：未参与共识的全节点收到临时区块链后执行Reply过程，首先验证临时区块链交易的合法性，确定临时区块链是按照正确的顺序出块，以及每个区块中的签名信息，验证无误后发送Reply消息给其他节点，所有节点收到超过2/3未参与出块节点的reply消息后对此临时区块链达成共识，添加到本地的区块链中。

按上述方案，所述步骤S4中，区块传播时间由每个链路上的传输延迟和每个节点的交易验证时间决定，对于大小为s的区块，传输延时为：

式中：γ是与网络规模相关的参数，c为各链路的平均有效信道容量，由于验证一个交易需要一定的计算量，区块验证时间可以建模为一个线性函数：

σ

式中：β是由网络规模和每个节点的平均验证速度决定的参数，那么，大小为s的块在网络上传播的平均时间为：

由于传播延迟或节点离线而出块的发生率遵循平均速率为1/T的泊松过程，因此,节点没有产生一个大小为s的有效块的概率为：

一次epoch预期产生区块的数量为：

则在改进PoS算法中完成一次epoch的时间为：

式中：η是通信复杂度参数，T

每一次epoch后节点计算每个节点的绿龄，排序后记录到世界状态中，世界状态存储节点当前的状态以及绿龄排名前k个节点的列表，每一次epoch更新一次世界状态。

按上述方案，为避免发生在节点还没有获得出块权绿龄就被清零，而没有获得奖励的情况，所述绿龄计算中添加衰减因子ξ同时设置内部计数器cal，当节点在z个区块内都没有获得出块权，将该节点绿龄清零重新计算。

按上述方案，对于消纳主体，所述绿龄计算方式如下：

式中：ρ，λ，τ分别为绿证，CCER以及碳排放权在绿龄中的计算系数；

用户被选为出块节点的概率与他的绿龄与总绿龄的占比成正比，用户i绿龄占比为：

占比排前k的节点会被选为出块节点，参与出块行为并获得奖励。

实施本发明的基于区块链的CCER与绿证认证匹配方法，具有以下有益效果：

1、本发明中区块链具有去中心化的可信交易平台，因此各个用户节点在交易时无需信托机构或提前建立信任关系，便可进行点对点交易，同时可利用其智能合约技术实现绿证和CCER登记核算的自动化，可有效减少中心管理机构的成本；

2、本发明中区块链通过区块的链式结构进行存储，区块体存储交易记录信息，并反映至区块头的Merkle Root.保障信息不被篡改，所有记录上链的信息，例如智能电表记录的可再生能源上网电量等，都会经过非对称加密，从而为上链数据提供安全保障；

3、本发明中基于区块链的共识机制，绿证、CCER的每笔交易或兑换都会经过节点的多次确认，可有效避免重复计算问题，保证了交易公平、公正和公开；同时其数据可溯源性也使得所有交易或兑换数据可查，为可再生能源消纳量的核验提供数据支撑。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明基于区块链的绿证与CCER联合交易市场运行机制示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明的基于区块链的CCER与绿证认证匹配方法，包括绿证交易区块链、碳排放权交易区块链及双链交互运行区块链。绿证交易区块链为智能电表记录可再生能源上网电量，根据区块链上内置规则自动核发绿证；碳排放权交易区块链为CCER电核证的可再生能源与农林碳汇减排项目上区块链组成，碳配额根据区块链上记录的历史碳排放量按内置规则生成；双链交互运行区块链为将绿证与碳排放权分别出清后，持有绿证余额的企业根据规则将绿证余额转化为CCER余额，再次进入市场进行交易。

绿证交易区块链中，可再生能源发电厂通过出售绿证获得经济利益以获得绿电补贴，化石能源发电商通过购买绿证获得相应绿证完成配额指标，通过市场手段完成对绿电企业的补贴。碳排放权交易区块链中，智能电表记录当前周期传统化石能源发电厂的实际碳排放量，若在本轮市场中实际碳排放量小于企业拥有的碳排放权余额，则该企业可持有多余的碳排放权作为碳排放权交易的卖方进入市场；若本轮市场中实际的碳排放量大于企业持有的碳排放权余额，则该企业作为碳排放权交易的买方进入市场。双链交互运行区块链中，全过程基于智能合约技术自动完成，每笔绿证与CCER的兑换或交易会通过共识机制生成一个新区块，区块内数据不可篡改，公开透明。

可再生能源发电项目每MWh绿色电力的减排贡献可通过“减排项目中国区域电网基准线排放因子”确定，各区域电双数值不同。生态环境部应对气候变化司对上述因子进行了更新，基于此可计算与绿色电力证书交易相应匹配的碳减排效果，即：

CCER等效减排量＝微网内发电的组合边际二氧化碳排放因子EFCM(tCO2/MWh)×绿证对应的绿电电量(MWh)

其中，组合边际二氧化碳排放因子EFCM计算方法如下：

组合边际二氧化碳排放因子EFCM＝电量边际排放因子EFOM×电量边际排放因子权重(％)+容量边际排放因子EFBM×容积边际排放因子权重(％)

对于风电和太阳能发电项目，第一计入期和后续计入期的电量边际排放因子权重均取0.75，容量边际排放因子权重均取0.25；对于其他类型项目，第一计入期的电量及容量边际排放因子权重取0.5，第二和第三计入期的电量及容量边际排放因子权重分别取0.25和0.75。

基于上述分析，同样从碳减排视角出发，绿证和碳排放权配额即构成抵扣关系。即在完成绿证和CCER互认后，考虑到CCER和碳排放权配额几乎可以完全一比一等价划转，自然完成绿证和碳配额的互认机制。

区块链共识机制设计一般遵循“少数服从多数”和“人人平等”的原则。“少数服从多数”并不完全指节点个数，也可以是计算能力、股权数或者其他的计算机可以比较的特征量。“人人平等”是当节点满足条件时，所有节点都有权优先提出共识结果、直接被其他节点认同后并最后有可能成为最终共识结果。

区块链为分布式共享账本，区块链基础架构模型分为数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层；共识层用于封装不同类型的共识机制算法，决定区块链的机制来形成新的区块。共识机制算法中包括具有币龄的独特性的PoS共识算法，PoS共识算法具体为：为系统做出贡献越多、币龄越高的节点，越容易挖到区块并获得奖励。PoS共识算法具体为：首先定义有N＝m+n个节点，m为该区域内可再生能源发电公司总数，n为该区域内不可再生能源发电公司总数；出块节点占全部节点的比例为从出块节点数量为k＝μN，所有节点对世界状态中的节点绿龄大小进行排序，选出绿龄排名前k的节点为出块节点，k个出块节点再根据自身的权益大小进行排序，按顺序产生区块；选举出块节点并产生区块的过程称为一次epoch；当排序后发现有多个节点的绿龄与第k个节点相同，导致出块节点的数量大于k，则再对与第k个节点绿龄相同的节点的ID的哈希值进行比较，再进行一次排序，直到当前epoch的出块节点的数量达到k个。

在不考虑哈希碰撞的情况下，哈希值是唯一的，因此比较结果也是唯一的。所以在选举出块节点时所有节点可以达成共识，选举出相同的k个节点构成出块节点队列。改进PoS中每次epoch选举k个出块节点，而不是选择1个出块节点，主要是为了给更多的节点提供奖励，激励它们参与到减排任务中，同时也为了避免一个节点可能会离线，不进行出块任务，导致系统资源浪费的情况。

k个出块节点产生区块的过程。每个节点产生一个区块，产生区块的顺序同样由节点的绿龄大小来决定。每个出块节点要等待前面的出块节点发送临时区块链给自己，并验证这个临时区块的产生顺序是否符合排序以及区块中的交易或兑换是否合法。若发现有不合法的交易，则不接受该区块，并且对产生非法交易的节点进行惩罚，把它从出块节点队列中移除。若存在离线节点，在该节点打包区块的时候，该节点没有进行区块打包，则跳过该节点，由下一个节点打包区块。在所有节点完成出块任务后，由最后一个出块节点将临时区块链发送给其他未参与共识的节点。

最终一次epoch的区块数量可能小于k，因此节点离线率的大小会影响整个区块链网络的性能。当临时区块链产生后，再发给其他未参与共识的节点，其他节点验证区块的产生顺序是否正确以及区块中的交易是否合法。顺序固定是为了防止出块时产生分叉，因此固定的出块顺序可以有效地抵御N@S攻击。参与了一次epoch的节点的绿龄会被清零。

一次epoch的流程主要分为出块节点选举、Pre-Prepare、PrepareCommit andView-change以及Replay这几个过程。其中Pre-Prepare与Prepare与PBFT相同，也具有相同的容错性，可以容纳f个拜占庭节点，而一次epoch中的总出块节点数k应满足k≥3f+1，因此每次epoch也允许存在不超过1/3的拜占庭节点。

一次epoch也可看成是连续多次的PBFT过程，包括以下步骤：

S1、根据选举算法选出块节点：为避免到该节点生产区块时不响应的情况发生，特设置节点最长等待时延To，若超过To没收到区块，则跳过此区块再次执行选举算法，选出下一个出块节点；

S2、Pre-Prepare阶段：出块节点产生区块后，生成pre-prepare消息广播给其它备份节点，同时将pre-prepare消息存入本log，pre-prepare消息格式，[(pre-prepare，v，s，d)，m]，其中，v为当前视图编号，d是消息m的摘要，s为签名；

S3、Prepare阶段：副本节点收到pre-prepare消息后，检查消息是否合法，如果验证通过则向其他节点发送prepare消息(prepare，v，s，d，i)，带上自己的id信息，同时接收来自其他节点的prepare信息，收到prepare消息的节点同样进行消息合法性检查，验证通过后，则把这个准备消息写入消息日志中，集齐至少2/3比例的节点验证过的消息才进入准备状态；

S4、Commit and View-change阶段：当一个节点进入准备装填，便会广播commit消息告诉其他节点当前区块在视图中已经处于准备状态，如果集齐至少2/3节点验证通过的commit消息，则说明区块通过，对当前主节点产生的区块达成共识，同时进入视图切换阶段执行节点选举算法，由下一个出块节点产生区块，若超过To时间没有产生区块，重新选出块节点；

S5、重复执行上述三个阶段，直到第k个节点完成出块任务，形成临时区块链，由第一个出块节点广播给所有跟随者节点，最终完成一次epoch若其他节点超过To没有收到第一个节点的消息，则由第二个节点将临时区块链广播给其他节点；

S6、Broadeast Blockchain阶段：主节点将临时区块链发送给其他未参与本次epoch的全节点；

S7、Reply阶段，未参与共识的全节点收到临时区块链后执行Reply过程，首先验证临时区块链交易的合法性，确定临时区块链是按照正确的顺序出块，以及每个区块中的签名信息，验证无误后发送Reply消息给其他节点，所有节点收到超过2/3未参与出块节点的reply消息后对此临时区块链达成共识，添加到本地的区块链中。

步骤S4中，区块传播时间由每个链路上的传输延迟和每个节点的交易验证时间决定，对于大小为s的区块，传输延时为：

式中：γ是与网络规模相关的参数，c为各链路的平均有效信道容量，由于验证一个交易需要一定的计算量，区块验证时间可以建模为一个线性函数：

σ

式中：β是由网络规模和每个节点的平均验证速度决定的参数，那么，大小为s的块在网络上传播的平均时间为：

由于传播延迟或节点离线而出块的发生率遵循平均速率为1/T的泊松过程，因此，节点没有产生一个大小为s的有效块的概率为：

一次epoch预期产生区块的数量为：

则在改进PoS算法中完成一次epoch的时间为：

式中：η是通信复杂度参数，T

每一次epoch后节点计算每个节点的绿龄，排序后记录到世界状态中，世界状态存储节点当前的状态以及绿龄排名前k个节点的列表，每一次epoch更新一次世界状态。

为避免发生在节点还没有获得出块权绿龄就被清零，而没有获得奖励的情况，绿龄计算中添加衰减因子ξ同时设置内部计数器cal，当节点在z个区块内都没有获得出块权，将该节点绿龄清零重新计算。

对于消纳主体，绿龄计算方式如下：

式中：ρ，λ，τ分别为绿证，CCER以及碳排放权在绿龄中的计算系数；

用户被选为出块节点的概率与他的绿龄与总绿龄的占比成正比，用户i绿龄占比为：

占比排前k的节点会被选为出块节点，参与出块行为并获得奖励。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。