超硬核文章丨基于区块链和通证经济的跨国跨洲电力市场机制设计

1.引言

随着社会用能需求的不断增大，世界气候变化压力日益严峻，近年来推动能源互补、优化资源配置、加大清洁能源使用比例已受到各国的广泛重视。全球电力市场的发展历程主要分为3个阶段：第一阶段，打破垂直一体化垄断模式，引入竞争机制，提高资源的优化配置；第二阶段，市场机制建设和完善，使市场交易过程更加透明，遏制市场力，激励更多利益主体参与到市场中；第三阶段，促进清洁能源的消纳，提升需求侧响应程度，引导电力工业走向低碳发展。中国能源局在《关于印发配电网建设改造行动计划》中指出：“探索能源互联网平台建设，满足新能源和分布式能源并网，提高分布式发电商与配电网的协调能力，是当前电力市场发展的关键任务。”因此，在全球能源互联网的背景下，建立推送绿色用能的跨国跨洲电力市场（transnational and intercontinental electricity trading，TIEM）是加快能源转型的必要条件和有效途径。

目前的电力交易大多仅限于区域之间，欧洲部分国家开展跨国电力交易，也只是相邻国家间进行的小规模交易，若能消除参与电力交易的国家间的市场壁垒，则可实现各国电力资源互补，推动清洁能源的发展，减少化石燃料的消耗。目前，电力市场的主要结构是中心式电力市场，通过统一的交易中心进行集中交易，再由统一的调度中心进行电力的调配。中心式的电力市场能在一定程度上优化资源配置，同时也主要存在几点问题。1）市场力监管：大型发电公司的市场力不利于电力市场的发展，美国联邦能源管理委员会（federal energy regulatory commission，FERC）在电力市场建立之初就开始研究监管市场力的有效办法。2）交易透明与信息披露：为了构建公平公正的电力市场，交易监管和信息披露是一种有效手段。3）市场运行效率：在大区域大规模的电力市场中，交易主体的合约、结算、偏差考核等将会给交易中心带来繁重的工作量，从而使交易效率大幅下降。电力市场机制一般根据激励相容、深度博弈、迭代优化等理论，实现高效公平的市场运行，充分调动供给侧和需求侧的积极性，减少电网购电成本，实现节能减排和削峰填谷。文献[1]结合全球能源互联网背景下电力交易的发展趋势，提出了几种不同交易场景下的跨国跨洲电力交易机制，论证了TIEM的可行性；文献[2]提出了一种利用激励相容理论最大化市场调节能力的日前电力市场机制，表明了拉格朗日松弛法对增加市场效益的理论作用；文献[3]基于博弈论设计了一种分布式实时电价机制，可有效激励供应商和消费者参与实时电价市场，反映了电价信号对市场成员的有效引导；文献[4]提出了一种基于电力池的电力市场机制，该机制同时满足激励相容、博弈论和优化理论的主要特性，仿真结果表明市场运行具有高效性。

跨国跨洲电力市场是一个复杂的电力市场，具有跨区域运行、交易量大、交易主体多的特点，其运行目标是在参与国家间实现能源互补和电力工业低碳化。通过大量的文献分析，本文认为TIEM的有效运行至少需要解决以下问题。1）不同市场和政治实体的信任问题：不同国家的市场实体即使有统一的市场准入机制，也仍然存在一定程度的信任问题。2）清洁能源激励问题：若不能设置合理的激励措施，清洁能源将很难与传统火电在电力市场中竞争。目前，对清洁能源主要采取费用补贴的形式进行激励，但这并不是一种长远的解决方案。

区块链是随着“数字加密货币”的日益普及而逐渐兴起的一种去中心化基础架构与分布式计算范式，目前已经受到政府部门、金融机构、科技企业的高度重视与广泛关注。区块链是一种可行的去中心化电力市场设计方案，通过为市场成员提供信息对等和进行金融结算，可以为市场参与者提供一个社会信任、高效的交易平台[5]。文献[6]分析了区块链在电网数字资产管理中的发展，总结了区块链在电网中应用的适用性；文献[7]讨论了基于区块链的智能分布式能源系统，指出了区块链技术在分布式能源中的应用潜力；文献[8]分析了区块链技术在未来能源互联网运营中的应用，提出了区块链技术的去中心化与自执行性对能源互联网自治性的作用；文献[9]提出了一种本地化的点对点电力交易模型，该模型可在智能电网中对插电式混合动力汽车进行本地电力买卖，利用区块链技术极大地节省了成本且提高了效率；文献[10]针对社区内光伏发电的传统供电模式，利用区块链技术使光伏出力可以上链交易，提升了社区用户的福利。

然而，区块链只是一种底层技术，结合通证的区块链交易系统可以更有效地实施激励措施来塑造参与者的行为，例如促进清洁能源的生产。通证经济是行为管理和激励工具的系统方法，区块链与通证的结合可以实现不同价值系统间的“价值转换”与“价值转移”。本文讨论了如何将通证经济嵌入TIEM中，以实现一定的系统目标，例如鼓励市场参与者生产和消费清洁能源。文献[11]分析了通证经济在能源系统的激励、管理和价值导向3个方面的适用性，提出了通证经济可以极大地促进市场成员的良好行为，加快达到市场调节目的。

利用区块链技术构建跨国跨洲电力交易并解决所面临的问题是一种实用的思路，因此，国内外学者对基于区块链的电力交易的概念和实践进行了诸多研究。文献[12]分析了分布式电力市场中的区块链技术，提出了一种新的电力交易模式；文献[13]在一种基于物理—信息—价值三维属性的研究视角下，提出了一种能源区块链的基本框架，并分析了区块链对分布式能源市场的适用性；文献[14]提出了一种基于区块链的区域能源市场的构建思路，实现了发电商、用户和产消者之间的直接交易；文献[15]提出了一种基于以太坊区块链技术的配网运行方法，以确保去中心化交易透明开放、信息对称，并设计了电能多边交易的智能合约来确保交易系统的自治性。文献[16]提出了一个基于多代理和区块链的分布式电力交易系统，实现产消者之间的点对点直接交易，减少各主体购电成本，促进区域供需平衡。尽管国内外学者对区块链在电力交易中的应用已经做过不少尝试，但对于市场架构和机制的设计还需要进行更详细的研究。

本文主要研究基于区块链技术和通证经济学的TIEM设计，主要贡献如下：

·将区块链技术应用在跨国跨洲电力交易中，建立了一个去中心化、可信任、完全自治的电力市场；

·将通证经济系统应用在电力交易区块链中，通过经济手段对市场供能模式进行调节，促进电力工业低碳化；

·通过仿真分析验证了基于区块链和通证经济的跨国跨洲电力市场运行的可行性和有效性。

2.TIEM设计

本文旨在利用区块链和通证经济为TIEM提供一个可行的解决方案，如图1所示，TIEM可分为5个组成部分：

第1个部分（C1）为市场架构，即TIEM的基础设施；

第2个部分（C2）为电力交易信息系统，即电力交易的信息采集和通信工具；

第3个部分（C3）是市场机制，即市场运行的规则；

第4个部分（C4）是价格机制，即形成市场价格的出清理论；

第5个部分（C5）是激励与考核机制，即奖惩与结算的规则。本文仅对TIEM机制进行研究，不考虑市场政策法规相关的问题[17]。TIEM的5个组成部分将在下文中进行详细描述。

图1 电力市场组成

2.1 市场架构（C1）

从严格意义上来说，跨国跨洲电力市场是由多个国家或区域组成的一个区域联合电力市场。市场的主体是各国区域电网中的发电商和大用户，在电力交易信息系统（power trading information system，PTIS）中分别有对应的节点，市场架构如图2所示。

图2 跨国跨洲电力市场构架

在本文所提出的市场构架中，市场内各主体通过去中心化的分散决策来制订自身报价策略[18]。在TIEM中，不同的国家将会有自己的独立系统运营商（ISO），本国或地区市场主体信任自己的ISO并向其上传申报数据，市场主体与ISO间的信息流动是双向的。另外，发电商和消费者可从附近的ISO获取市场信息，而ISO将帮助发电商和消费者在市场中竞价，匹配他们的交易目标。市场的出清结果由所有国家的ISO进行联合优化而得到，所有的ISO都会连入区块链网络中。

在完成交易目标匹配之后，每个市场成员都会生成并签署相应的智能合约，签订的智能合约将被写入区块链中，并在满足某些条件时执行。智能合约将在执行时通过其写入的结算方式实现发电商和消费者之间的金融交付，结算过程如图3所示。

2.2 电力交易信息系统（C2）

在TIEM中，电力交易信息系统提供交易平台、合约、金融交付、市场准入和市场运行监管等功能。该系统可采集发电和用电数据，上传至区块链，最终根据采集的数据在区块链中判断智能合约是否触发。

基于智能合约的区块链系统作为去中心化的交易平台，不需要中心权限就可满足安全性、可信性和公平性的要求[19]，且可让各节点进行可信任的信息交换和财务交付。如2.1节中所述，各国市场ISO都会作为节点连入区块链网络，各国的市场成员也会成为区块链网络中的节点，信息系统中区块链网络的每个节点对应着市场成员和ISO。当市场参与者进行智能合约结算时，区块链网络中的所有节点都将使用预设的共识机制对交易进行验证。

图3 TIEM的结算过程