一种基于区块链的工业园区多边碳交易方法及系统

1.本发明涉及区块链领域，特别是涉及一种基于区块链的工业园区多边碳交易方法及系统。


背景技术：

2.引导发电碳排放权(简称碳权)市场化发展，构建合理、精细化的碳权交易市场是推动节能减排和电力市场化的重要内容。作为电力市场的衍生金融产品，碳权交易无须物理交割。当前，碳权交易试点取得了一定成果，但随着电力现货市场的发展，需要结合电力市场平衡机制和市场原则开展电力碳权交易机制和交易技术的研究。
3.目前，已有较多关于碳权交易方面的研究。部分学者剔除运用非参数数据包络分析方法模拟不同情形下的能源-碳权交易策略的组合，并基于非径向方向性距离函数对绿色增长要素的贡献率进行研究。基于经验模态分解、反向传播、深度神经网络和支持向量机等模型对碳排放交易中心的碳交易价格进行预测，在电力市场机制下引入绿证能源市场，激励绿色能源发展，但没有结合电力市场开展深入研究。关于碳交易仍然存在以下不足：
4.1)交易易受用户不当行为干扰；基于平台的线上交易往往会出现一方操作不当、信息核对失败及恶意中止等情况导致交易失败。使得企业参与交易的机会成本提高，积极性降低。
5.2)去中心化程度不高；在碳交易过程中会产生海量的交易数据，依赖管理方认证核实，由于区块链出块的限制，不适合处理并上传海量非关键交易数据；随着碳交易市场规模的扩大，管理方审核信息的压力也随之提高，市场的交易效率难以保证。
6.3)交易平台可信度低；交易过程中存在部分企业逐利而干扰市场的情况，交易结束后部分企业存在的履约效果不达标的情况。而守信用户的权益得不到保障与激励，交易平台的可信度亟需提高。
7.总体而言，利用区块链技术开展碳权交易应用研究，主要存在当前碳权交易存在实际交易过程体验不佳、去中心化程度不高以及可信度低等问题。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种基于区块链的工业园区多边碳交易方法及系统，可减少对中心节点的依赖，提高碳交易的效率及安全性。
9.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
10.一种基于区块链的工业园区多边碳交易方法，包括：
11.从区块链网络中选取多个节点作为共识节点；多个共识节点分为一个主节点及多个从节点；所述主节点及各从节点均存储有交易出清智能合约及交易结算智能合约；所述区块链网络中的节点为参与碳交易的企业；参与碳交易的企业包括交易周期内存在用电需求的大用户、有购碳汇需求的企业以及有售碳汇需求的企业；
12.获取各共识节点的购售碳汇请求、初始申报价格、碳权数据及历史碳交易数据；
13.针对任一共识节点，根据所述共识节点的历史碳交易数据，对所述共识节点的初始申报价格进行修正，得到报价信息；
14.各共识节点采用fdbft共识算法，基于各共识节点存储的交易出清智能合约，根据各共识节点的购售碳汇请求、报价信息及碳权数据进行博弈，以确定出清价格及交易价格；
15.各共识节点采用fdbft共识算法，根据所述出清价格、所述交易价格及各共识节点存储的交易结算智能合约进行碳交易。
16.可选地，根据所述共识节点的历史碳交易数据，对所述共识节点的初始申报价格进行修正，具体包括：
17.根据所述共识节点的历史碳交易数据计算所述共识节点的信誉度；
18.根据所述共识节点的信誉度对所述共识节点的初始申报价格进行修正。
19.可选地，所述历史碳交易数据包括历史多次碳交易时的约定碳汇量、实际碳汇量、购买需求量及出售需求量；
20.采用以下公式计算共识节点的信誉度：
[0021][0022]
其中，c
re
为共识节点的信誉度，da为共识节点历史第a次碳交易时的约定碳汇量，pa为共识节点历史第a次碳交易时的实际碳汇量，a为第一历史设定时段内共识节点的碳交易次数，v为共识节点历史购售需求可信度，当共识节点出售碳权时，当共识节点购买碳权时，sc为共识节点历史第c次碳交易时上报的出售需求量，src为共识节点历史第c次碳交易时的实际出售量，bc为共识节点历史第c次碳交易时上报的购买需求量，brc为共识节点历史第c次碳交易时的实际购买量，c为第二历史设定时段内共识节点的碳交易次数，er为共识节点申报信息有误的次数，fr为共识节点碳交易中止的次数。
[0023]
可选地，采用以下公式对共识节点的初始申报价格进行修正：
[0024][0025]
其中，ps′
为报价信息，ps为初始申报价格，c
re
为共识节点的信誉度，为修正系数，pf为惩罚金额，pk为奖励金额。
[0026]
可选地，各共识节点采用fdbft共识算法，基于各共识节点存储的交易出清智能合约，根据各共识节点的购售碳汇请求、报价信息及碳权数据进行博弈，以确定出清价格及交易价格，具体包括：
[0027]
各共识节点根据各共识节点的购售碳汇请求、报价信息及碳权数据，以自身利益最大化为目标进行博弈，以得到出清价格及交易价格；
[0028]
各共识节点采用fdbft共识算法，根据各共识节点的购售碳汇请求、报价信息及碳权数据，基于各共识节点存储的交易出清智能合约，对各共识节点对应的出清价格进行共识。
[0029]
可选地，各共识节点采用fdbft共识算法，根据各共识节点的购售碳汇请求、报价信息及碳权数据，基于各共识节点存储的交易出清智能合约，对各共识节点对应的出清价格进行共识，具体包括：
[0030]
各从节点向主节点提交签名后的交易请求信息；所述交易请求信息包括信息摘要、当前步骤标识、从节点的购售碳汇请求、报价信息及碳权数据；
[0031]
主节点根据各从节点的购售碳汇请求、报价信息及碳权数据，执行主节点存储的交易出清智能合约，得到初始碳交易出清价格；
[0032]
主节点根据所述初始碳交易出清价格生成提议信息，并向所有从节点广播所述提议信息；所述提议信息包括信息摘要、当前步骤标识、各从节点的报价信息及初始碳交易出清价格；
[0033]
针对任一从节点，在所述从节点接收到所述提议信息后，根据所述提议信息执行所述从节点存储的碳交易出清智能合约，得到验证碳交易出清价格；所述从节点根据所述验证碳交易出清价格及所述初始碳交易出清价格生成回复信息，并发送至所述主节点；
[0034]
主节点根据各从节点发送的回复信息生成区块，并发送至各从节点；所述区块中包括信息摘要、当前步骤标识、各从节点的报价信息及最终的出清价格。
[0035]
可选地，主节点根据各从节点发送的回复信息生成区块，具体包括：
[0036]
主节点判断收到的回复信息的数量是否大于或等于(k-1)/2个，若是，则根据收到的回复信息生成区块，否则，不生成区块；k为共识节点的总数。
[0037]
可选地，各共识节点采用fdbft共识算法，根据各共识节点的购售碳汇请求、报价信息及碳权数据，基于各共识节点存储的交易出清智能合约，对各共识节点对应的出清价格进行共识，还包括：
[0038]
针对任一从节点，若所述从节点在提交请求的预期时间内未收到区块，则所述从节点向目标节点发送更换主节点信息；所述更换主节点信息包括信息摘要、当前步骤标识及更换后的主节点；所述目标节点为共识节点中除所述从节点外的共识节点；
[0039]
在目标节点收到更换主节点信息后，对所述更换主节点信息进行验证，若验证通过，则根据所述更换主节点信息更换主节点，并重新向主节点提交签名后的交易请求信息。
[0040]
可选地，所述交易出清智能合约用于根据各共识节点的购售碳汇请求、修正后的报价信息及碳权数据，基于滚动出清模型，确定出清价格。
[0041]
为实现上述目的，本发明还提供了如下方案：
[0042]
一种基于区块链的工业园区多边碳交易系统，包括区块链网络、交易出清智能合约、偏差校核智能合约及交易结算智能合约；
[0043]
所述区块链网络中的节点为参与碳交易的企业；参与碳交易的企业包括交易周期内存在用电需求的大用户、有购碳汇需求的企业以及有售碳汇需求的企业；
[0044]
所述偏差校核智能合约用于根据各共识节点的历史碳交易数据，对各共识节点的初始申报价格进行修正，得到对应各共识节点的报价信息；
[0045]
所述交易出清智能合约用于根据各共识节点的购售碳汇请求、报价信息及碳权数据，基于滚动出清模型，确定出清价格；
[0046]
所述交易结算智能合约用于根据所述出清价格及所述交易价格进行碳交易。
[0047]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0048]
本发明从区块链网络中选取多个节点作为共识节点，减少了对中心节点的依赖，提高了交易效率，根据共识节点的历史碳交易数据，对初始申报价格进行修正，防止低信誉度用户以过低的价格扰乱市场，提高了碳交易市场安全性，各共识节点采用fdbft共识算法，基于各共识节点存储的交易出清智能合约，根据各共识节点的购售碳汇请求、报价信息及碳权数据进行博弈，以确定出清价格及交易价格，最后各共识节点采用fdbft共识算法，根据出清价格、交易价格及各共识节点存储的交易结算智能合约进行碳交易，通过博弈的过程进一步提高了碳交易的效率。
附图说明
[0049]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0050]
图1为区块链碳权交易的总体技术架构图；
[0051]
图2为碳交易市场企业注册认证过程图；
[0052]
图3为基于区块链的工业园区多边碳交易方法的流程图；
[0053]
图4为碳交易非合作博弈的流程图。
具体实施方式
[0054]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0055]
本发明的目的是提供一种基于区块链的工业园区多边碳交易方法及系统，针对不适合处理并上链的海量非关键交易数据，基于信誉度选取轮换共识节点协助审计数据，共识节点可在审计交易数据的同时博弈获利，提高企业主动担责的积极性，减少对中心的依赖；并依据企业用户信誉度修正其碳排放配额以及碳交易申报价格，提高守信用户的综合收益。
[0056]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0057]
本发明首先搭建多边碳交易平台的架构。为满足碳权交易业务的隔离、数据高效查询和安全的要求，本发明采用“一主两侧多从”区块链架构，通过跨链服务脚本实现各碳权业务链之间的数据交互。碳权交易分为碳权交易业务和交易价值转移业务2个部分，建立对应的碳权交易区块链和金融区块链。其中，碳权交易区块链用于开展市场主体间碳权交易业务，执行碳权交易的申报、匹配和出清等交易数据的处理和存储。碳权交易区块链上创建的市场主体节点包括发电厂节点、用户节点和监管机构节点等。监管机构节点参与碳权交易链的电力交易执行偏差数据和交易数据的共识与存储。金融区块链通过跨链服务获取碳权交易出清数据，查询交易发电厂节点和用户节点的账户信息，执行价值转移。金融区块链上创建发电厂节点、用户节点和金融机构节点。金融机构提供发电厂和用户法定货币的
兑换服务。碳权市场主链主要提供各侧链数据交互服务和侧链注册管理的服务，实现碳权业务的灵活拓展和跨链业务数据的隔离与交互。
[0058]
相对于公有链和私有链，联盟链可以在保证业务隔离和权限管理的前提下，为企业内、外主体提供公开的交易应用服务组件系统。联盟链的开源底层平台搭建、配置和启动已相对成熟，本发明利用联盟区块链的开源项目提供底层技术支持。
[0059]
本发明的总体技术架构如图1所示，由碳权交易应用服务层和企业级区块链组件系统组成。碳权交易前端界面分为交易主体界面、监管主体界面和金融主体界面，提供碳权交易与价值结算数据的交互和展示功能。碳权交易应用服务层主要包括账户管理、区块链管理和碳交易管理3个部分，主要提供市场主体节点的创建和管理、区块链业务改造和业务流程设计等功能，实现业务主体、业务数据和业务管理一体化运行。底层的企业级区块链组件系统提供通用区块链服务和数据存证支撑，满足上层业务的数据运行环境需求。
[0060]
然后由平台管理方审核园区企业提供的证明材料，提供碳交易账户。
[0061]
市场主体(园区发电厂节点、用户节点)参与基于联盟链的碳权交易应用需要完成系统注册和授权，注册和授权过程如图2所示。
[0062]
市场主体根据自身节点类型提交注册信息，对应类型组织的证书颁发机构(监管机构节点)进行注册信息的准入认证。认证通过的市场主体的信息统一入库管理，根据链码和加密算法生成唯一标识的身份字符串并分配公钥和私钥。公钥全网公开，私钥返回主体节点进行本地存储，获得私钥的市场主体可以获得碳权交易应用系统的交易准入权限。
[0063]
实施例一
[0064]
如图3所示，本实施例提供一种基于区块链的工业园区多边碳交易方法，包括：
[0065]
s1：从区块链网络中选取多个节点作为共识节点。多个共识节点分为一个主节点及多个从节点。所述主节点及各从节点均存储有交易出清智能合约及交易结算智能合约。所述区块链网络中的节点为参与碳交易的企业；参与碳交易的企业包括交易周期内存在用电需求的大用户、有购碳汇需求的企业以及有售碳汇需求的企业。
[0066]
s2：获取各共识节点的购售碳汇请求、初始申报价格、碳权数据及历史碳交易数据。
[0067]
s3：针对任一共识节点，根据所述共识节点的历史碳交易数据，对所述共识节点的初始申报价格进行修正，得到报价信息。
[0068]
具体地，首先根据所述共识节点的历史碳交易数据计算所述共识节点的信誉度。再根据所述共识节点的信誉度对所述共识节点的初始申报价格进行修正。
[0069]
在本实施例中，历史碳交易数据包括历史多次碳交易时的约定碳汇量、实际碳汇量、购买需求量及出售需求量。采用以下公式计算共识节点的信誉度：
[0070][0071]
其中，c
re
为共识节点的信誉度，da为共识节点历史第a次碳交易时的约定碳汇量，pa为共识节点历史第a次碳交易时的实际碳汇量，a为第一历史设定时段内共识节点的碳交
易次数，v为共识节点历史购售需求可信度，sc为共识节点历史第c次碳交易时上报的出售需求量，src为共识节点历史第c次碳交易时的实际出售量，bc为共识节点历史第c次碳交易时上报的购买需求量，brc为共识节点历史第c次碳交易时的实际购买量，c为第二历史设定时段内共识节点的碳交易次数，er为共识节点申报信息有误的次数，fr为共识节点碳交易中止的次数。在本实施例中，a＝10，c＝5，即为共识节点最近十次交易内的约定碳汇量，为共识节点最近十次交易内的实际碳汇量。
[0072]
本发明根据企业用户信誉度修正其碳排放配额以及碳交易申报价格，防止低信誉度用户以过低的价格扰乱市场，提高高信誉度用户的综合收益，进一步提高碳交易市场安全性。
[0073]
首先采用公式修正碳排放份额：其中，ed为共识节点的碳排放配额，fr'为初始额度，为t时段共识节点的信誉度。
[0074]
然后采用公式计算修正系数；其中，ez为实际碳排放量，e为购买配额。
[0075]
最后采用以下公式对共识节点的初始申报价格进行修正：
[0076][0077]
其中，ps′
为报价信息，ps为初始申报价格，c
re
为共识节点的信誉度，为修正系数，pf为惩罚金额，pk为奖励金额。
[0078]
s4：各共识节点采用fdbft共识算法，基于各共识节点存储的交易出清智能合约，根据各共识节点的购售碳汇请求、报价信息及碳权数据进行博弈，以确定出清价格及交易价格。
[0079]
具体地，各共识节点根据各共识节点的购售碳汇请求、报价信息及碳权数据，以自身利益最大化为目标进行博弈，以得到出清价格及交易价格。各共识节点采用fdbft(federated delegated byzantine fault tolerance，联邦授权拜占庭容错)共识算法，根据各共识节点的购售碳汇请求、报价信息及碳权数据，基于各共识节点存储的交易出清智能合约，对各共识节点对应的出清价格进行共识。
[0080]
进一步地，出清价格公式的过程包括：
[0081]
(1)各从节点向主节点提交签名后的交易请求信息；所述交易请求信息包括信息摘要、当前步骤标识、从节点的购售碳汇请求、报价信息及碳权数据。
[0082]
(2)主节点根据各从节点的购售碳汇请求、报价信息及碳权数据，执行主节点存储
的交易出清智能合约，得到初始碳交易出清价格。
[0083]
(3)主节点根据所述初始碳交易出清价格生成提议信息，并向所有从节点广播所述提议信息；所述提议信息包括信息摘要、当前步骤标识、各从节点的报价信息及初始碳交易出清价格。
[0084]
(4)针对任一从节点，在所述从节点接收到所述提议信息后，根据所述提议信息执行所述从节点存储的碳交易出清智能合约，得到验证碳交易出清价格；所述从节点根据所述验证碳交易出清价格及所述初始碳交易出清价格生成回复信息，并发送至所述主节点。
[0085]
(5)主节点根据各从节点发送的回复信息生成区块，并发送至各从节点。具体地，主节点判断收到的回复信息的数量是否大于或等于(k-1)/2个，若是，则根据收到的回复信息生成区块，否则，不生成区块。k为共识节点的总数。所述区块中包括信息摘要、当前步骤标识、各从节点的报价信息及最终的出清价格。
[0086]
(6)针对任一从节点，若所述从节点在提交请求的预期时间内未收到区块，则所述从节点向目标节点发送更换主节点信息；所述更换主节点信息包括信息摘要、当前步骤标识及更换后的主节点；所述目标节点为共识节点中除所述从节点外的共识节点。
[0087]
(7)在目标节点收到更换主节点信息后，对所述更换主节点信息进行验证，若验证通过，则根据所述更换主节点信息更换主节点，并重新向主节点提交签名后的交易请求信息。
[0088]
s5：各共识节点采用fdbft共识算法，根据所述出清价格、所述交易价格及各共识节点存储的交易结算智能合约进行碳交易。
[0089]
本发明在进行碳交易之前首先部署相关的智能合约，下面具体介绍交易出清智能合约和交易结算智能合约。
[0090]
交易出清智能合约用于根据各共识节点的购售碳汇请求、修正后的报价信息及碳权数据，基于滚动出清模型，确定出清价格。交易出清智能合约包括3个功能函数：交易请求函数、求解谈判破裂点函数及求解纳什议价函数。具体定义如下：
[0091]
1)交易请求函数：该函数由参与交易的企业调用。用于收集企业的购售碳汇请求和报价信息，并依次调用求解谈判破裂点函数及求解纳什议价函数。同时，在智能合约地址储存碳汇交纳的交易保证金，以防范虚假交易请求。
[0092]
2)求解谈判破裂点函数：该函数根据不同企业提交的目标函数和约束条件，计算各企业的纳什议价谈判破裂点。碳权交易约束条件如下：
[0093]
交易总量平衡约束(缺额从趸售市场获得)：其中，n为碳权出售主体的数量，m为碳权购买主体的数量，b
s,i
为第i个碳权出售主体自身碳权量，b
b,j
为第j个碳权购买主体需求碳权量。
[0094]
碳权交易量约束：b
s,i
《b
s,i,max
；其中，b
s,i,max
为第i个碳权出售主体自身的碳权总量。
[0095]
交易价格约束：p
i,min
＜p
q,s
≤p
q,b
＜p
i,max
；其中，p
q,s
为销售碳权的价格，p
q,b
为购买碳权的价格，p
i,min
为第i个碳权出售主体的最低出价，p
i,max
为第i个碳权出售主体的最高出价。
[0096]
考核补贴约束，市场初期的考核价格和补贴价格按照市场基准价格的比例设定为：其中，pz为市场基准价格，θ为碳权交易价格浮动率(按照金融市场的熔断机制，θ＝20％)。
[0097]
交易匹配约束：p
q,b,j-p
q,s,i
＜p
q,b,m-p
q,s,i
；其中，p
q,b,j
为交易列队中第j个碳权购买主体的申报价格，p
q,s,i
为交易列队中第i个碳权出售主体的申报价格，p
q,b,m
为其他碳权购买主体的交易报价。
[0098]
交易费用约束：f
s,i
＝p
i,cbs,i
；其中，f
s,i
为第i个碳权出售主体的碳权交易费用，p
i,c
为第i个碳权出售主体的交易费用，b
s,i
为第i个碳权出售主体自身的碳权量。
[0099]
效益约束：关于碳权交易相对趸售交易费用经济性，买方收益率δb和卖方收益率δs表达式分别为：其中，f
b,max
为趸售市场碳权考核费用，f
s,mim
为趸售市场碳权回收补贴费用，fs为碳权交易的实际费用。
[0100]
3)求解纳什议价函数：该函数根据纳什议价谈判破裂点，求解企业间碳汇交易出清模型，得到企业间的碳汇交易量及交易价。在本实施例中，基于纳什议价进行企业间绿电交易滚动出清。
[0101]
理性企业参与企业间交易的前提是绿电交易可以降低自身的综合用能成本。因此，企业在绿电交易前后的成本需要满足个人理性约束，即其中，为企业h参与交易前的综合用能成本，将作为常量代入滚动出清模型，企业h参与交易后的综合用能成本。
[0102]
基于纳什议价的滚动出清模型为：
[0103][0104]
其中，h为参与绿电交易的企业数量，ω为企业间绿电交易的出清变量集合，即{π
hg,t
,p
hg,t
}，π
hg,t
为t时段下企业h与企业g间绿电交易的出清价格，p
hg,t
为t时段企业h向企业g出售的绿电功率。
[0105]
由于滚动出清模型高度非线性，直接求解难度较大，故本发明引入两阶段的求解方法，将滚动出清模型转化为社会成本最小化和支付效益最大化两个依次求解的子问题，得到企业间的交易出清结果。
[0106]
社会总成本最小化：根据算术-几何均值不等式，当滚动出清模型的目标函数取得最优解时需满足：
[0107][0108]
上式等价于所有参与交易的企业总综合用能成本最小化问题：
[0109][0110]
因此，上式可简化为：
[0111][0112]
其中，为企业h的绿电不足损失，为企业h从电网企业购电的成本，为企业h的燃气轮机发电成本，为企业h的过网费成本，为企业h的企业间购售电收益，为企业h向电网企业售电的收益。通过求解由以上约束条件(交易总量平衡约束、碳权交易量约束、交易价格约束、考核补贴约束、交易匹配约束、交易费用约束、效益约束及个人理性约束)以及社会总成本最小化目标函数定义的社会总成本最小化问题，可以确定原滚动出清模型的最优交易量以及企业本地最优调度计划，也即其中表示t时段企业h向企业g出售的绿电功率、为企业h的绿电自发自用功率、为余量上网部分功率，为t时段企业h从电网企业的购电功率、为企业h中的燃气轮机在时段t的平均功率，为储能充放电状态的0-1变量，取值为1表示t时段下企业h中储能装置为充电状态，否则为放电状态，为t时段下企业h中储能装置的充电功率，为t时段下企业h中储能装置的放电功率。带上划线变量表示其最优解。
[0113]
支付效益最大化：在确定最优交易量后，将优化变量回代到社会总成本最小化目标函数，并取对数来确定绿电交易价格。
[0114]
在滚动出清模式下，t'时段将得到t'+1至t'+t时段的出清电量，但实际只执行t'+1时段的出清结果。因此，支付效益最大化子问题也只需求解得出t'+1时段的出清价格，公式为：
[0115][0116]
通过求解上式可以得到t'+1时段的企业间碳交易出清价格，出清过程完成。
[0117]
交易结算智能合约主要包括校核函数及支付函数。
[0118]
校核函数由各企业调用，根据企业间碳汇实际交割测量值和成交信息，计算得到各企业的偏差惩罚和实际收益，随后调用支付函数。
[0119]
其中，偏差惩罚函数为：
[0120][0121]
其中，为企业间交易收益，为t时刻交易碳价，为t时作为售方无法满足要求时为保持供需平衡的惩罚单价，为t时作为购方无法满足要求时为保持供需平衡的惩罚单价，为t时刻的交互碳量，为经过企业间相互交易与内部调整之后仍不能满足需求的偏差碳量，ns为售电企业集合，n
p
为购电企业集合。
[0122]
实际收益函数为：其中，ch为企业h的实际收益。
[0123]
支付函数用于从买方企业账户中扣除交易支付费用，并转账给卖方企业账户，最后将结余返还给各个参与交易的企业。
[0124]
为了更好地理解本发明的技术方案，下面对s3和s4进一步具体说明。
[0125]
首先对参与碳交易的企业进行身份验证及信誉度评估，每轮选举出共识节点，负责汇总审计保存交易数据。根据园区用户使用平台的行为及对每次碳交易结果校核评估信誉度，有助于提高交易的安全性。
[0126]
本发明采用数字签名的方式进行交易双方节点身份验证，验证过程如下：
[0127]
1)生成签名：根据交易发起方和交易接收方的公私钥生成数字签名。
[0128]
2)签名验证：在接收到来自交易发起方的密钥信息后，进行签名验证若签名验证通过，则交易匹配成功，交易双方进行交易；若签名验证不通过，则交易匹配失败，双方节点可以选择退出交易或者重新提交交易信息，再次进行交易匹配。
[0129]
3)节点信誉值评估：由于区块链出块的限制，不适合处理并上传海量非关键交易数据。因此本发明基于信誉度选取轮换共识节点协助审计数据，减少了对中心的依赖，有助于缓解平台管理压力，客观上有助于降低碳交易成本，提高市场交易效率。
[0130]
在企业间碳汇交易过程中，一组预先选举产生的企业作为区块链的共识节点，共同执行碳汇交易智能合约(包括交易出清智能合约和交易结算智能合约)。在每次交易出清或交易结算过程中，由其中一个共识节点作为主节点，主导当前出清或结算结果的共识过程，其他共识节点作为从节点，检验并确认主节点执行结果的正确性。
[0131]
本发明基于sdbft共识算法进行企业碳汇交易共识，以确保共识节点按智能合约执行企业碳汇交易出清及结算过程，d0为主节点，d1～dk为从节点。在每轮市场出清和结算结束后，将更换主节点。假设更换后的主节点为dk，则k需满足k＝(k
current
+1)mod(k+1)，其中，k为共识节点的数量，k
current
为当前主节点编号。由于同一配电网内的企业地理位置接近，且企业节点规模相对较小，则认为企业节点间的通信满足同步性假设，即由一个节点发出的信息可在确定且已知的时长内被其余节点接收。这一假设也被当前能源区块链共识机
制研究所采用。在该情况下，区块链网络能够容纳小于总共识节点数一半的恶意节点。
[0132]
在sdbft共识算法下，每轮企业碳汇交易共识过程中包括5个步骤：提交请求、发起提议、验证提议、发布结果和更换主节点。本发明以交易出清智能合约执行过程为例，介绍其共识过程。
[0133]
1)提交请求：各从节点向主节点提交交易请求信息其中，为从节点x提交的交易请求信息的摘要(包括上一轮共识区块的哈希值以及交易请求信息的哈希值)，为当前步骤标识(request)，为从节点x提交的数据，g
x
为从节点x的私钥签名。交易请求信息的摘要根据上一区块的哈希值解密明文(含摘要，报价信息，交易步骤、结果等)得到。
[0134]
2)发起提议：主节点收集到全部从节点的交易请求信息后，首先校验其合法性。合法的交易请求信息需要满足下列条件：(1)m
x
可以被从节点x的公钥解密；(2)的哈希值计算无误；(3)记录的当前共识步骤与节点的本地记录一致。随后，主节点执行本地储存的交易出清智能合约sc1
l
，并向其他从节点广播提议信息其中，为提议信息m
l
的摘要，m
lstep
为当前步骤标识(proposal)，包含所有从节点的报价信息，即的报价信息，即为主节点执行智能合约的结果，g
l
为主节点私钥签名。
[0135]
3)验证提议：从节点x在收到主节点发送的提议信息后，校验其合法性。若信息合法，则从节点x按照其本地储存的交易出清智能合约sc1
x
验证结果的正确性，若满足则从节点x对该信息签名并生成回复信息然后将其发送给主节点。其中，为当前步骤标识(validate)。
[0136]
4)发布结果：主节点收到从节点发送的回复信息后，校验其合法性。若主节点收到不少于(k-1)/2个合法回复信息，则可生成区块并向从节点发布结果。其中，为当前步骤标识(broadcast)，g为包含不少于(k-1)/2个签名的多重私钥签名。从节点收到区块后，校验合法性。若校验通过且区块包含不少于(k-1)/2个共识节点的签名，则将其添加至本地区块链。
[0137]
5)更换主节点：若从节点x未在提交请求的预期时间内收到合法区块b，即判定主节点作恶或宕机。在这种情况下，从节点x将向全部节点发送更换主节点信息其中，为当前步骤标识(reassign)，记录更换后的主节点d
k*
，同样满足k
*
＝(k
current
+1)mod(k+1)。当其他节点收到从节点x的更换主节点信息后，首先验证其合法性及正确性。若满足，则认定当前共识过程无效，向新指定的主节点发送交易请求消息，并重新开始当前共识过程。
[0138]
综上所述，企业间的碳汇交易规则由智能合约规定且由全部共识节点共同存储备份，使交易规则难以被第三方节点篡改。企业间的碳汇交易结果由各共识节点通过sdbft共识算法确认和验证，任一共识节点均无法篡改交易结果。基于区块链的企业碳汇交易方法确保了交易过程的透明、可信。
[0139]
进一步地，本发明为共识节点提供博弈空间，根据匹配结果执行智能合约。
[0140]
碳交易的整体流程如下：
[0141]
1)各参与交易的节点预测下一交易周期内自身的碳排量，并根据上周期市场电量及自身策略决定下一周期预期报价。
[0142]
2)所有交易节点计算自身需购售碳排量，将所需能源总量及预期报价加密发送至交易平台。
[0143]
3)在交易周期内，区块链碳交易平台通过所有节点已上报的报价及电量进行交易匹配。
[0144]
4)交易匹配成功后，采用数字签名进行交易节点身份验证。若交易双方身份验证通过，则判定本次匹配成功，节点双方进行交易；反之，若任意一方身份验证失败，则认为本次交易匹配失败，双方节点需重新上传电量及报价信息。
[0145]
下面具体介绍本发明建立的非合作博弈模型：
[0146]
1)博弈主体
[0147]
碳排交易非合作博弈模型中的博弈出现在交易周期内存在用电需求的大用户和有购碳汇、售碳汇需求的分布式企业节点之间。假设能源市场中含有e个参与间碳交易的企业节点和f个存在碳排需求的大用户。企业节点的交易对象可以是拥有碳汇的其他企业节点或有碳排需求大用户。各个主体以实现参与者自身利益最大化为目标进行博弈。
[0148]
2)博弈空间
[0149]
由共识节点审计交易数据并博弈获利；为共识节点提供博弈空间，可从有高碳排放需求的大用户与出售价格差值获取利润，既有助于提高企业审计数据的积极性，也能提高市场活力。
[0150]
企业节点为了追求利益最大化，根据当前市场碳缺额情况及自身供需关系制定碳购售价格作为博弈空间。大用户节点因大量的碳排需求，需要购入大量来自于企业节点的排碳权以保障自身碳排需求，因此给予共识节点博弈空间。企业节点制定的博弈购、售碳排策略如下式：
[0151][0152][0153][0154]
其中，τ
x
为共识节点的博弈空间，τb为购碳汇大用户的博弈空间，τi为市场参与小用户的博弈空间，pc为购买碳汇的成本，ps为碳汇的售价，d
i-i
′
表示小用户之间的交易，d
i-b
表示小用户与大用户间交易。
[0155]
综上，市场各参与部分依据不同目标函数制定购售策略。
[0156]
3)目标函数
[0157]
企业节点和大用户节点均以实现自身利益最大化为目标进行非合作博弈。企业节点以实现购入碳汇价格最小化，售卖碳汇价格最大化为目标，大用户节点以购碳汇价格最小化为策略目标。企业节点目标函数和用户节点目标函数如下式：
[0158][0159]
其中，为共识节点的最大利益，但为了防止恶意逐利最高不能超出总价的5％。
[0160][0161]
其中，为购碳大用户的策略目标，但因大量的排碳需求，实际购碳价格给予共识节点的博弈空间。
[0162][0163]
其中，为市场参与小用户追求自身利益最大化的市场策略。
[0164]
本发明根据企业用户信誉度修正其碳排放配额以及碳交易申报价格，防止低信誉度用户以过低的价格扰乱市场，提高高信誉度用户的综合收益，进一步提高碳交易市场安全性。
[0165]
非合作博弈流程如图4所示，包括如下步骤：
[0166]
1)各交易节点设置初始的博弈策略集合。参与交易的节点生成若干交易策略，通过上交易周期内数据求解纳什均衡，选择最优策略上报。
[0167]
2)各交易节点计算自身碳排量，并根据最优策略上报碳排值和购售信息。
[0168]
3)各节点计算自身目标函数值，并参与交易匹配。
[0169]
4)交易匹配成功后，计算交易匹配盈利范围。若交易价格与目标函数差值在可接受范围内，则交易双方达成统一协议，生成智能合约；反之，若任一方的交易价格与策略目标差值过大，则可以选择放弃交易，更新节点博弈策略。
[0170]
5)交易成功，则本交易周期结束，节点退出匹配。交易失败的节点在更新博弈策略后，可选择二次报价，再次进行交易匹配。若无需更新博弈策略，则可选择放弃交易或者再次交易。
[0171]
当节点交易策略达到纳什均衡点，其他交易节点无法通过单方面改变交易策略来提升自身收益。即当考虑到其他交易节点的均衡策略，每一交易节点均可在纳什均衡点处获得最大收益。纳什均衡点求解方法如下：
[0172]
1)参与交易的节点随机选择策略作为初始交易策略。
[0173]
2)交易策略迭代：每一交易节点观察上阶段其他交易节点的购售策略；所有交易节点计算各自最优反应策略。
[0174]
3)重复迭代。交易节点从策略集合中选择最优反应策略作为本次迭代交易策略。
[0175]
4)求得纳什均衡点。
[0176]
本发明为了引导市场用户更好地响应不平衡电量，在电力交易实际执行前，针对
电力交易出清不平衡电量进行碳权偏差量模拟，确定碳权市场供需平衡量并给出碳权交易市场的预测市场价值。供电力市场主体对电力市场产生的成本进行评估，激励电力用户响应实时不平衡电量。其中，根据碳权配额文件，锁定电力交易匹配结果的各市场主体碳权配额，并结合实际执行的偏差电量出清相应的考核碳权，最后核算各市场主体的碳权收支情况，出清各市场主体的碳权额度(正值为碳权余量，负值为碳权缺额)。各市场主体从碳权交易应用前端获取碳权额度并决策是否参与碳权市场交易。如果不参与碳权交易，需要完成监管周期内的碳权不平衡量清零，否则缺额碳权将按监管机构的趸售市场统一价格考核，余额碳权按碳权试点省份的趸售市场统一价格补贴费用。碳权的考核价格和补贴价格不同，即不参与碳权市场的市场主体将面临经济损失的风险。参与碳权交易的市场主体按照自身需求和意愿，通过碳权应用填报碳权交易量和价格，提交碳权交易申报信息。
[0177]
本发明减少了对中心节点的依赖，提高市场交易效率，提升用户履约效果，提高交易安全性，通过区块链技术提供透明安全的碳权市场交易环境。
[0178]
实施例二
[0179]
为了执行上述实施例一对应的方法，以实现相应的功能和技术效果，下面提供一种基于区块链的工业园区多边碳交易系统。
[0180]
本实施例提供的基于区块链的工业园区多边碳交易系统包括区块链网络、交易出清智能合约、偏差校核智能合约及交易结算智能合约.
[0181]
所述区块链网络中的节点为参与碳交易的企业；参与碳交易的企业包括交易周期内存在用电需求的大用户、有购碳汇需求的企业以及有售碳汇需求的企业.
[0182]
所述偏差校核智能合约用于根据各共识节点的历史碳交易数据，对各共识节点的初始申报价格进行修正，得到对应各共识节点的报价信息。
[0183]
所述交易出清智能合约用于根据各共识节点的购售碳汇请求、报价信息及碳权数据，基于滚动出清模型，确定出清价格。
[0184]
所述交易结算智能合约用于根据所述出清价格及所述交易价格进行碳交易。
[0185]
本发明具有以下优点和有益效果：
[0186]
1、通过选取轮换共识节点协助审计数据，有助于缓解平台管理压力，减少了对中心节点的依赖，提高市场交易效率，信息集体监督模式和可追溯性简化了诸多核查环节，弱化了监管机构的作用，从而节省了监督机构建设、监督成本，客观上有助于降低碳交易成本。
[0187]
2、通过为共识节点提供博弈空间，可从有高碳排放需求的大用户与出售价格差值获取利润，既有助于提高企业审计数据的积极性，也能提高市场活力，根据园区用户使用平台的行为及对每次碳交易结果，校核评估信誉度，有助于提升用户履约效果，提高交易的安全性。
[0188]
3、将区块链技术用于碳交易平台，传统的中心化碳交易平台，交易信息不对称、交易流程不透明，使得暗箱操作、数据造假成为可能，从而导致信任机制难以建立。区块链碳交易模式下，信息由所有参与主体共同维护，各授权用户都有权查询碳资产碳交易历史信息，实现了数据的集体监督，极大地增强了信息公开性和透明度。
[0189]
4、采用智能合约贯穿交易的各个部分，简化了碳交易流程，降低了信息管理与核证的成本。在区块链碳交易模式下，凡是符合交易需求的双方均可以自主自动地参与交易，
省去中间机构的撮合环节，这种“智能合约”的应用既节省了中间环节费用，也简化了交易流程，提高了交易效率。
[0190]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0191]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种基于区块链的工业园区多边碳交易方法，其特征在于，所述基于区块链的工业园区多边碳交易方法包括：从区块链网络中选取多个节点作为共识节点；多个共识节点分为一个主节点及多个从节点；所述主节点及各从节点均存储有交易出清智能合约及交易结算智能合约；所述区块链网络中的节点为参与碳交易的企业；参与碳交易的企业包括交易周期内存在用电需求的用户、有购碳汇需求的企业以及有售碳汇需求的企业；获取各共识节点的购售碳汇请求、初始申报价格、碳权数据及历史碳交易数据；针对任一共识节点，根据所述共识节点的历史碳交易数据，对所述共识节点的初始申报价格进行修正，得到报价信息；各共识节点采用fdbft共识算法，基于各共识节点存储的交易出清智能合约，根据各共识节点的购售碳汇请求、报价信息及碳权数据进行博弈，以确定出清价格及交易价格；各共识节点采用fdbft共识算法，根据所述出清价格、所述交易价格及各共识节点存储的交易结算智能合约进行碳交易。2.根据权利要求1所述的基于区块链的工业园区多边碳交易方法，其特征在于，根据所述共识节点的历史碳交易数据，对所述共识节点的初始申报价格进行修正，具体包括：根据所述共识节点的历史碳交易数据计算所述共识节点的信誉度；根据所述共识节点的信誉度对所述共识节点的初始申报价格进行修正。3.根据权利要求2所述的基于区块链的工业园区多边碳交易方法，其特征在于，所述历史碳交易数据包括历史多次碳交易时的约定碳汇量、实际碳汇量、购买需求量及出售需求量；采用以下公式计算共识节点的信誉度：其中，c
re
为共识节点的信誉度，d
a
为共识节点历史第a次碳交易时的约定碳汇量，p
a
为共识节点历史第a次碳交易时的实际碳汇量，a为第一历史设定时段内共识节点的碳交易次数，v为共识节点历史购售需求可信度，当共识节点出售碳权时，当共识节点购买碳权时，s
c
为共识节点历史第c次碳交易时上报的出售需求量，sr
c
为共识节点历史第c次碳交易时的实际出售量，b
c
为共识节点历史第c次碳交易时上报的购买需求量，br
c
为共识节点历史第c次碳交易时的实际购买量，c为第二历史设定时段内共识节点的碳交易次数，e
r
为共识节点申报信息有误的次数，f
r
为共识节点碳交易中止的次数。4.根据权利要求2所述的基于区块链的工业园区多边碳交易方法，其特征在于，采用以下公式对共识节点的初始申报价格进行修正：其中，p
s
′
为报价信息，p
s
为初始申报价格，c
re
为共识节点的信誉度，为修正系数，p
f
为惩罚金额，p
k
为奖励金额。
5.根据权利要求1所述的基于区块链的工业园区多边碳交易方法，其特征在于，各共识节点采用fdbft共识算法，基于各共识节点存储的交易出清智能合约，根据各共识节点的购售碳汇请求、报价信息及碳权数据进行博弈，以确定出清价格及交易价格，具体包括：各共识节点根据各共识节点的购售碳汇请求、报价信息及碳权数据，以自身利益最大化为目标进行博弈，以得到出清价格及交易价格；各共识节点采用fdbft共识算法，根据各共识节点的购售碳汇请求、报价信息及碳权数据，基于各共识节点存储的交易出清智能合约，对各共识节点对应的出清价格进行共识。6.根据权利要求5所述的基于区块链的工业园区多边碳交易方法，其特征在于，各共识节点采用fdbft共识算法，根据各共识节点的购售碳汇请求、报价信息及碳权数据，基于各共识节点存储的交易出清智能合约，对各共识节点对应的出清价格进行共识，具体包括：各从节点向主节点提交签名后的交易请求信息；所述交易请求信息包括信息摘要、当前步骤标识、从节点的购售碳汇请求、报价信息及碳权数据；主节点根据各从节点的购售碳汇请求、报价信息及碳权数据，执行主节点存储的交易出清智能合约，得到初始碳交易出清价格；主节点根据所述初始碳交易出清价格生成提议信息，并向所有从节点广播所述提议信息；所述提议信息包括信息摘要、当前步骤标识、各从节点的报价信息及初始碳交易出清价格；针对任一从节点，在所述从节点接收到所述提议信息后，根据所述提议信息执行所述从节点存储的碳交易出清智能合约，得到验证碳交易出清价格；所述从节点根据所述验证碳交易出清价格及所述初始碳交易出清价格生成回复信息，并发送至所述主节点；主节点根据各从节点发送的回复信息生成区块，并发送至各从节点；所述区块中包括信息摘要、当前步骤标识、各从节点的报价信息及最终的出清价格。7.根据权利要求6所述的基于区块链的工业园区多边碳交易方法，其特征在于，主节点根据各从节点发送的回复信息生成区块，具体包括：主节点判断收到的回复信息的数量是否大于或等于(k-1)/2个，若是，则根据收到的回复信息生成区块，否则，不生成区块；k为共识节点的总数。8.根据权利要求7所述的基于区块链的工业园区多边碳交易方法，其特征在于，各共识节点采用fdbft共识算法，根据各共识节点的购售碳汇请求、报价信息及碳权数据，基于各共识节点存储的交易出清智能合约，对各共识节点对应的出清价格进行共识，还包括：针对任一从节点，若所述从节点在提交请求的预期时间内未收到区块，则所述从节点向目标节点发送更换主节点信息；所述更换主节点信息包括信息摘要、当前步骤标识及更换后的主节点；所述目标节点为共识节点中除所述从节点外的共识节点；在目标节点收到更换主节点信息后，对所述更换主节点信息进行验证，若验证通过，则根据所述更换主节点信息更换主节点，并重新向主节点提交签名后的交易请求信息。9.根据权利要求1所述的基于区块链的工业园区多边碳交易方法，其特征在于，所述交易出清智能合约用于根据各共识节点的购售碳汇请求、修正后的报价信息及碳权数据，基于滚动出清模型，确定出清价格。10.一种基于区块链的工业园区多边碳交易系统，应用于权利要求1-9任一项所述的基于区块链的工业园区多边碳交易方法，其特征在于，所述基于区块链的工业园区多边碳交
易系统包括区块链网络、交易出清智能合约、偏差校核智能合约及交易结算智能合约；所述区块链网络中的节点为参与碳交易的企业；参与碳交易的企业包括交易周期内存在用电需求的大用户、有购碳汇需求的企业以及有售碳汇需求的企业；所述偏差校核智能合约用于根据各共识节点的历史碳交易数据，对各共识节点的初始申报价格进行修正，得到对应各共识节点的报价信息；所述交易出清智能合约用于根据各共识节点的购售碳汇请求、报价信息及碳权数据，基于滚动出清模型，确定出清价格；所述交易结算智能合约用于根据所述出清价格及所述交易价格进行碳交易。

技术总结
本发明提供一种基于区块链的工业园区多边碳交易方法及系统，属于区块链领域，方法包括：从区块链网络中选取多个节点作为共识节点，分为一个主节点及多个从节点；区块链网络中的节点包括存在用电需求的大用户及有购售碳汇需求的企业；获取各共识节点的购售碳汇请求、初始申报价格、碳权数据及历史碳交易数据；根据共识节点的历史碳交易数据对初始申报价格进行修正得到报价信息；各共识节点采用FDBFT共识算法，基于交易出清智能合约，根据各共识节点的购售碳汇请求、报价信息及碳权数据进行博弈，确定出清价格及交易价格；各共识节点根据出清价格、交易价格及交易结算智能合约进行碳交易。本发明提高了碳交易的效率及安全性。性。性。


技术研发人员：刘昊 梅杰 崔嘉 唐英杰 太庆彪 胡镇 马金石 闫心月
受保护的技术使用者：沈阳工业大学
技术研发日：2023.04.06
技术公布日：2023/7/20