考慮低碳競價的分布式源荷交易策略

楊塞特，喻 潔，陳 謙

（1．國網浙江省電力有限公司溫州供電公司，浙江 溫州 325000；2．東南大學 電氣工程學院，南京 210096；3．河海大學 能源與電氣學院，南京 211100）

0 引言

隨著電力體制改革的深入，各種形式的分布式能源不斷滲透，分布式電源逐漸成為配電網的重要組成部分[1]，電力系統將面臨著新的運行環境，系統的供需平衡不確定性增加，現有的能源電力逐漸不能適應未來能源結構調整的需求和發展，這對系統的穩定、可靠、經濟運行提出了更大的挑戰。為適應新的形勢，通過激發用戶側的需求響應潛力，促進供需實時平衡無疑是一個重要的發展方向。在智能電網的構想中，連接到電網的設備將積極參與當地的協調工作[2]。構建一個可交易能源體系，將為各種分布式資源與電力用戶參與市場交易和系統運行提供良好的機制支撐與激勵，從而有利于更好地保障電力系統的安全經濟運行[3]。另一方面，隨著全球氣候的變化及其影響加劇，廣泛開發低碳能源、使用低碳技術、建立低碳發展機制已成為不可阻擋的新浪潮。電力是全球脫碳和影響溫升目標實現與否的關鍵行業，但目前電力全球總碳強度上的進展是令人失望的。可以預見，為了促進節能減排，低碳的推行將會滲透到未來電力產業的各個方面。

目前，國內外學者對于分布式的算法、策略等均有了一定的研究。文獻[4]基于區塊鏈技術構建了分布式的碳排放交易框架模型，用于解決碳排放交易的匿名交易代理問題。文獻[5]利用可交易能源的概念，對可再生能源在電網中的成本和收益按照可交易能源產品、可交易能源市場和參與者進行分類。文獻[6]針對買方和賣方制定不同的收益函數，并以買方和賣方的收益之和最大作為目標函數，利用雙邊拍賣的平均機制計算電價用轉移分布因子來計算傳輸的費用。文獻[7]提出了一個集中解決方案和分布式博弈論方法來解決智能電網中的能源交易問題，首先將能源交易問題制定為集中優化問題；然后提出了一種基于博弈論的分布式解決方案，該解決方案要求每個用戶僅將其最佳響應策略應用于系統的當前狀態；買家以最小化他們的能源賬單為目標，同時考慮到與電網基礎設施相關的不同約束，決定從每個賣家購買的能量。文獻[8]提出了一種P2P 交互式微電網的模型，其中生產型消費者可以通過智能管理系統相互交換本地發電量；能源的交易利用區塊鏈技術，以去中心化的形式進行，能量交易的拍賣模型是通過智能合約實現的。文獻[9]提出無需中心機構參與的配電網交易機制與模型，設計了電能多邊交易的智能合約，實現偏差電量的多邊競價交易，最小化消除偏差電量的成本。文獻[10]在社區級微網中構建了一個分布式交易的應用場景，微網用戶在微網內部直接交易電量并按報價支付， 交易者可以根據實時電價選擇在P2P 市場購售電或者對儲能充放電，并提出一種適用于微網用戶的分布式電源P2P 交易和市場出清機制。文獻[11]給出了區域配電網中聯盟交易模式的存在條件，并且基于公用電網的作用和合作博弈理論，建立了相應的交易價格模型；進一步，以集成售電商的收益為優化目標，構建了聯盟選擇和定價的優化決策模型。

現有的研究仍缺乏針對分布式源荷交易的策略算法，將碳排放因素考慮進分布式交易的更是寥寥無幾。本文首先提出了一種分布式源荷的交易策略，將購電用戶和售電用戶確定交易對象、交易量和交易價格的過程看作一個合作博弈的過程，根據一定的規則選擇交易對象和交易量，并根據不同分布式電源發電產生的碳排放差異，制定報價修改規則，再根據核仁法進行合作利潤的分配，確定交易的合約價格。而后，面向配售電側的分布式市場主體，利用可交易能源機制設計了一個供需雙方能夠實時互動、匹配的交易機制。交易主體可自由、靈活地發起交易請求，經過與另一方的協商，確認交易并形成合約，之后進入交易執行和結算環節。最后，在上述交易機制下，本文利用算例對策略的合理性進行了驗證分析。

1 考慮低碳競價的分布式源荷交易策略

1.1 分布式源荷交易利潤分配的核仁模型

在分布式源荷交易的合作博弈過程中，可以將分布式源荷交易的合作利潤分配定義為一個n人對策問題Γ（N，v），其中N={1，2，…，n}為所有交易用戶的總聯盟，特征函數v 為合作利潤。此處，一個局中人就是一個交易用戶。用M 表示任意個交易用戶構成的聯盟，即M 是N 的子集，共有2n個子集。合作利潤數值為假定M 外的用戶不存在時，聯盟M 獲得的合作利潤。設此時的利潤分配向量為x=（x1，x2，…，xn），表示待求的各個用戶分配到的利潤值。定義e（M，x）為聯盟M對x 的超出值，它的大小反應聯盟M 對分配x 的滿意程度，聯盟M 的超出值即為該聯盟的合作利潤與該聯盟分配到的利潤的差值。利用核仁法進行合作利潤的分配時，為使分配的滿意度最大即超出值最小，應盡可能使e（M，x）的最大值最小。于是，利潤分配的核仁模型定義如下：

定義的目標函數表示優化的目標為使超出值的最大值最小，第一條約束條件表示各聯盟M的超出值應小于M 中的最大超出值；第二條約束條件表示最終分配的結果中，全體局中人的分配之和應為總聯盟N 下的合作利潤值。ΔPk表示A 與Bj的價差，由購電用戶報價減去售電用戶報價；Qk表示A 與Bj的交易量。表示一個用戶遍歷所有可交易的對象后，計算出與多個用戶交易產生的總合作利潤。若主體用戶的交易量得到了滿足，該交易者將不再參與交易，與其他合作對象的交易利潤為零。

1.2 基于利潤分配的合約電價計算

基于核仁法進行利益分配求得各個用戶獲得的利潤xi后，將xi根據用戶屬性分為xA和xBj。A表示某個主觀發起交易的用戶，B 表示對于用戶A 而言可交易的用戶。若A 為購電用戶，則B為售電用戶；若A 為售電用戶，則B 為購電用戶，Bj為表示可交易用戶中的用戶j。顯然xA表示用戶A 和與多個用戶進行交易后分配到的利潤，xBj表示用戶Bj與用戶A進行交易后分配到的利潤。而后利用分配的利潤值，求出合約電價。

當A 為購電用戶時，對應的合約電價計算公式如下：

式中：PABj即為待求的A 和Bj的合約電價；QABj為A 與Bj的交易量。

當A 為售電用戶時，對應的價格利潤公式如下：

1.3 分布式發電低碳競價策略

節能減排常見的經濟手段有征收碳稅和碳交易2 種。本文將不同電源發電產生的碳排放以價格的形式考慮到報價中，直接影響電力報價，進而影響到交易的最終結果。

設不同分布式電源基于全生命周期的碳足跡方法計算得到的單位發電量的平均碳排放為Ci（i=1，2，…表示不同的分布式電源種類），單位為g/kWh，設每噸碳排放量的價格為pcarbon，單位為元/t。交易達成時各電源由于碳排放需要支付的單位發電量費用可以表示為Ci·pcarbon·10-6，單位為元/kWh。記售電方的初始報價為pseller，購電方的初始報價為ppurchaser。

發電用戶將這一部分損失按一定的比例分攤給交易雙方，具體分攤比例由發電用戶主觀設定，可以各不相同。設發電用戶i 分攤的比例為δgeneratori，則與發電用戶i 進行交易的用電用戶分攤的比例為δuser，i=1-δgeneratori，本文為方便起見將所有發電用戶設置的分攤比例設定為一致，即δuser=δuser，i（i=1，2，…）。在組織交易的時候應將此價格因素考慮進去，由用電用戶承擔的碳排放費用應直接反應到初始的報價pseller中，所以售電用戶（即發電用戶）最終的報價應在初始報價的基礎上再加上購電用戶（即用電用戶）分攤的碳排放費用，即：

將Ci·pcarbon·δuser·10-6記為pcarbon，seller，購電方需要承擔的碳排放分攤費用即可直觀地加入到價格中。可以看到，不同分布式電源因其單位發電量所產生的碳排放值Ci不同，會導致其報價發生不同程度的上升。考慮到碳排放所需要增加的費用，為促進用戶之間的交易達成，購電用戶應為此提高自身報價，將提高的報價部分記為pcarbon，purchaser。購電方報價的修改不應影響購電方在參與交易時的優先順序，因此pcarbon，purchaser的大小應為由購電方承擔的交易區域內所有分布式電源單位電量碳排放的平均價格，即：

在考慮碳排放前，若要符合交易能獲得利潤的情況需要使購電用戶報價大于售電用戶報價，即ΔP＞0。考慮碳排放時，要想使交易獲得利潤，則應使ΔP′＞0，可以看到，相較于ΔP，ΔP′增加了的部分，記為ΔPcarbon。

考慮低碳競價時，應將式（1）中的ΔP 轉變為ΔP′進行計算。

2 基于合作博弈核仁法的分布式源荷交易原理

2.1 合作利潤及分配對象

分布式源荷交易涉及交易的雙方，因此可以看成是為了維護交易雙方利益，均衡交易價格，從而促進交易達成，使得交易雙方利益都盡可能增加的一個合作博弈的過程，對此可以采用核仁法對利益實施合理的分配。分布式源荷交易的合作利潤是指在分布式源荷交易中，交易雙方由于報價差異所產生的可供分配的純利潤部分。由于合作利潤是交易雙方共同獲得的總利潤，每個參與交易的用戶具體應分配到多少利潤難以確定，所以用核仁法對合作利潤進行分配具有一定的合理性。 合作利潤的分配對象為參與交易的各用戶，即售電用戶和購電用戶。

2.2 交易對象和交易量的確定

在分布式交易中，交易形式為多方交叉交易。在多方交叉交易模式下，無論是售電用戶還是購電用戶，都可以選擇同時與多個交易對象合作。針對不同的用戶，將交易者之間的報價差ΔP 按照從大到小的順序排列為ΔP1≥ΔP2≥…≥ΔPn，其中，n 表示可供選擇的交易用戶數量（對于售電用戶而言即為購電用戶數量，對于購電用戶而言即為售電用戶數量）。售電用戶的報價可能低于或高于購電用戶的報價，當售電用戶的報價低于購電用戶的報價時，雙方若要達成交易，最后達成的交易價格會使售電用戶的售電價格升高，購電用戶的購電價格降低，符合交易雙方的利益需求，因此認為這種情況下的交易可以讓雙方都增加利潤；當售電用戶的報價高于購電用戶的報價時，雙方若要進行交易，最后的交易價格會使售電用戶的售電價格降低，購電用戶的購電價格升高，可以認為這種交易情況下雙方都會造成損失，因此認為情況無法達成交易。

當售電用戶的報價低于購電用戶的報價時，雙方都可以增加利潤；而當雙方的報價差最大時，交易取得的總利潤也最大。因此，用戶在選擇交易對象時，會優先選擇與自己報價差最大的用戶進行交易。確定交易對象后，在最終進行利潤分配確定交易價格之前還需進行交易量的確定。因為交易對象選擇的是可獲得最大利潤的用戶，所以在與該用戶進行交易時，規定進行最大交易量的交易，即交易其中一方的需求交易量全部達成。在達成最大利潤的交易后，將剩余的交易用戶（包括在參與交易后仍有電量剩余或購電需求的用戶）按照同樣的原則繼續組織交易，直至不存在獲得利潤的交易情況。由此可以確定進行交易的雙方用戶以及交易的交易量。

2.3 分布式源荷交易機制

分布式源荷交易的進行依賴于有效交易機制的設計和運行。本文設計分布式源荷的交易機制如下所述。首先，參與交易的交易主體可以簡單歸為兩類，一為購電用戶，二為售電用戶，各用戶需繳納一定金額的保證金，并在剛注冊時具備一定的信用額度。平臺會公示用戶的注冊時間、交易次數以及信用額度，各用戶在選擇交易對象時，除了觀察價格、電量等信息之外還可以參考信用額度等信息。 交易的實現主要包括信息發布、交易發起、信息反饋及交易確認、交易執行和結算等環節。其中，各用戶公布的信息包含報價、電量、發用電時間等內容，在發布信息之前，各用戶應根據負荷/發電預測，并綜合考慮發電成本、碳排放費用等確定最終公布的交易信息。

交易機制流程示意如圖1 所示，圖中省略了信息發布的步驟，并認為各用戶均公布了交易信息。圖中1 表示交易發起，交易用戶根據可交易對象的信息，選擇合適交易對象，利用核仁法分配利潤后計算電價，并將電價、電量等信息發送給期望交易的對象，圖中用細實線表示；2 表示信息反饋及交易確認，用戶對收到的交易請求進行回復，回復包括接受交易請求、拒絕交易請求以及繼續就交易進行協商等，圖中用虛線表示；3 表示交易執行和結算，經協商雙方均同意交易后，達到約定的時間后執行交易并進行結算，圖中用粗實線表示；4 表示剩余待交易電量的處理，在進行分布式交易后，若用戶仍有待交易電量，可以選擇與電網進行交易，圖中用點劃線表示。

圖1 分布式源荷交易機制流程示意

3 算例分析

3.1 基礎交易信息

在某小型交易平臺組織某一低碳區域內的分布式源荷交易，在一個待交易的時間段中，有5個用戶發布了交易信息，交易信息情況見表1。

表1 初始交易信息

3.2 考慮低碳競價策略前后的交易結果對比

3.2.1 未考慮低碳競價策略時的交易過程及結果

對于購電用戶A1而言，其可交易的售電用戶有3 個，但由于B1的報價過高，不符合售電用戶的報價低于購電用戶的報價從而獲得利潤的情況，因此首先排除。接著在B2和B3中，由于B3的報價與A1的報價差最大，所以A1將優先選擇B3進行交易，且由于A1需求電量為1 500 kWh 而B3待售電量為500 kWh，所以A1將嘗試向B3發起交易量為500 kWh 的交易。而后對于自身仍然需求的1 000 kWh 電量，A1將嘗試向B2發起交易。分別計算2 次交易的合作利潤，得：

xA1B3=（PA1-PB3）QA1B3=（60-55）×500=25 元

xA1B2=（PA1-PB2）QA1B2=（60-57）×1 000=30 元

A1和多個售電用戶交易獲得的總合作利潤為55 元。

對于購電用戶A2而言，按照同樣的原則，A2希望先與B3達成500 kWh 電量的交易，而后與B2達成500 kWh 電量的交易，從而使其需求的1 000 kWh 電量完全得到滿足，求得合作利潤分別為：xA2B3=15 元，PA1B2=5 元，總合作利潤為20 元。

A1和A2利用核仁法求得利潤分配見表2。

表2 未考慮低碳競價策略時，購電用戶與交易對象的合作利潤分配情況

根據求得的各用戶分配到的利潤，利用式（3）求得合約電價為：PA1B3=0．569 71，PA1B2=0．586 96；PA2B3=0．562 37，PA2B2=0．575 17，單位為元/kWh。接下來購電用戶A1，A2將與每個售電用戶交易的合約電價和電量需求分別發送給各個售電用戶，等待其進行回應。

對于售電用戶B2而言，其接收到2 條交易請求，其中A1希望達成的合約電價為PA1B2=0．586 96，A2希望達成的合約電價為PA2B2=0．575 17。雖然兩者給出合約電價都大于B2的預期售價0．57，但是顯然，PA1B2=0．586 96＞PA2B2=0．575 17，所以售電用戶B2勢必選擇購電用戶A1進行交易，交易達成后B2仍有剩余電量200 kWh，因此會與A2達成200 kWh 電量的交易。同樣，售電用戶B3也將優先選擇購電用戶A1進行交易，但由于交易后B3無剩余電量，因此將不會再與A2進行交易。對于仍有剩余電量或未達成交易的用戶，可以與電網進行電力交易。

因此，若排除一些用戶可能存在的主觀因素的影響，僅根據自動的分布式交易策略，則最后達成的以購電用戶為交易發起方的交易情況應如表3 所示。主觀用戶表示主動發起交易的用戶，合作用戶表示接收到交易請求的用戶。

表3 未考慮低碳競價時，購電用戶為主觀用戶的交易結果

接下來，以售電用戶為主觀用戶，同樣用核仁法分配利潤，并依據相同的原則組織交易。排除不符合交易條件的售電用戶后，可以得到交易結果如表4 所示。

表4 未考慮低碳競價時，售電用戶為主觀用戶的交易結果

可以看到，在以售電用戶為主觀用戶時，最終交易的對象及電量不變，但合約電價會發生小程度的變化。

若交易雙方同時發起交易訴求，由于雙方對于電價的意見并不一致，所以會進入信息反饋的協商階段。若采取折中的方式，則在表1 的初始交易信息下，雙方同時發起交易訴求的交易結果如表5 所示。

表5 未考慮低碳競價時，交易雙方同時發起交易訴求時的交易結果

綜上，在使用本文所設計的方法組織交易時，若發起交易的主觀用戶不同，交易結果也會相應地呈現一定的變化。這種結果符合在分布式發電交易中，用戶自主參與交易，在達成交易的同時盡可能為自身獲取利益的情況。

3.2.2 考慮低碳競價策略時的交易過程及結果

首先需要確定一系列的相關參數。如不同分布式電源的Ci，發電方和用電方對于的碳排放費用的分攤比例等。根據基于全生命周期的碳足跡的分析方法得到不同分布式電源的Ci見表6，表中數據表示均值，括號內數據表示上下限值。

表6 部分分布式電源的單位發電量碳排放情況

關于發電方和用電方對于碳排放費用的分攤比例， 這里假設發電方承擔20%， 購電方承擔80%，即δgeneratori=20%，δuser=80%。碳減排的主要處理手段包括碳交易和碳稅的方法，目前中國已經開始實行了全國范圍內的碳排放權交易，但受覆蓋面和調控范圍限制、碳市場中價格形成機制構建難度大以及可能發生市場失靈等因素影響，目前的碳交易價格并不高，根據專家推算，未來的碳交易價格會達到200～300 元/t，這也與國際碳交易價格趨勢相吻合，因此本文選取單位電量的碳排放價格pcarbon=200 元/t。

將售電用戶B1，B2，B3的電源類型分別劃分為風力發電、光伏發電和天然氣發電，計算各用戶由于碳排放而增加的報價數額以及新的報價值，購電用戶計算pcarbon，purchaser和， 售電用戶計算pcarbon，seller 和。

結果如表7 所示。可以看到交易的情況將發生變化，滿足購電用戶報價大于售電用戶報價的價差最大的情況由A1與B3變為A1與B2。

接下來，利用核仁法進行利潤的分配和合約電價的計算。得到報價分別為：PA1B1=0．619 33，PA1B2=0．604 61，PA2B2=0．597 48。根據目前的報價信息，第一輪交易時，A1將與B2達成1 200 kWh 電量的交易，與B1達成300 kWh 電量的交易。由于B2無剩余可交易電量與A1進行交易，因此A2將發起第二輪的交易對象搜尋和交易請求，最終以0．610 85 的價格向B1發送700 kWh 電量的交易請求（B1與A1交易后僅剩余700 kWh 電量）。因此，在不考慮主觀因素的情況下，按照交易規則和方法組織交易的最終結果如表8 所示。

表7 考慮低碳競價策略時的報價更新情況

表8 考慮低碳競價策略時的交易結果

可以看到，在考慮低碳競價策略后，售電用戶參與交易的優先級發生了變化。優先級由最初的B3＞B2＞B1變為B2＞B1＞B3。對于售電用戶，觀察2 種情況下達成交易時的合約電價與初始報價，可以發現：未考慮碳排放時，B2與A1達成交易的單位電價獲利為0．016 96，考慮碳排放時的單位電價獲利為0．021 01。這說明，發電方式產生少量碳排放的售電用戶最終達成交易時，獲利相較不考慮碳排放時會增加。

因此，利用考慮低碳競價的合作博弈核仁法分配利潤組織交易，不僅能夠保障交易雙方利益，提供良好的交易組織依據，同時還能夠鼓勵低碳發電產業的發展，促進節能減排。

4 結語

隨著我國分布式發電市場化交易試點的開展，分布式發電交易的相關研究成為一大熱點。分布式發電交易具有去中心化、自由交易的特點，能夠使分布式資源得到更充分、自由的利用。

本文設計了分布式源荷交易機制及運行流程，明確了各個交易用戶在參與交易過程中的行為，并且在此交易機制下設計了分布式源荷的交易策略。 根據各分布式電源單位發電量碳排放的差異，利用碳交易的價格設計報價的修改機制，并將此機制運用于利用合作博弈核仁法進行利潤分配的分布式源荷交易策略中。考慮各電源的碳排放差異后得到的交易結果不僅能夠兼顧交易雙方的利益，根據合理的規則進行交易量的分配和交易價格的確定，取得交易雙方都較為滿意的交易結果，而且能夠促進低碳售電用戶的交易達成，使得低碳售電用戶能夠獲得更多的收益，從而鼓勵低碳電力產業的發展。