面向產消者的需求側電能分布式交易機制研究

錢曉瑞，詹祥澎，沈一民，肖 愷，潘舒宸，楊 軍

（1.國網福建省電力有限公司營銷服務中心，福州 350011；2.武漢大學 電氣與自動化學院，武漢 430072）

0 引言

隨著新型電力系統的發展，配電網接入了電動汽車、分布式儲能和分布式電源等靈活資源［1］，使得部分用戶從消費者向產消者轉變［2］。相比傳統電力用戶，產消者能夠在生產和消費之間權衡，不僅具有更大的需求價格彈性，還能夠向電網反送電能［3］。產消者擁有優質的靈活調控資源，有望通過市場化交易的形式參與電網互動，提升電力資源的配置效率［4］。因此，研究需求側電力市場的交易機制具有重要意義。

需求側靈活資源具有單體容量小但數量龐大的特點，為了減小市場運營機構的壓力，在當前階段需要整合后以虛擬電廠［5］或負荷聚合商［6］的身份參與市場交易。其中，虛擬電廠通常以屬地化的形式管理，通過能量管理系統統一調度所整合的靈活資源，常見于智慧園區、大型企業等場景［7］。虛擬電廠在一些示范工程中取得了一定意義上的成功，但其存在著內部利益難以分配等問題，限制了該模式的大面積推廣［8］。相比之下，負荷聚合商作為更加靈活的市場主體，僅需獲得靈活資源的代理權而不必擁有設備的所有權［9］。在現階段，售電公司能夠兼具負荷聚合商的職能，通過簽訂合同等形式有償暫時獲得靈活資源的調度權并參與市場互動［10］。然而，售電公司往往收取一定比例或固定的代理費用，若售電側沒有形成足夠的競爭，市場互動產生的經濟效益將難以順當傳遞至終端用戶［11］。因此，產消者直接參與市場交易的呼聲愈發強烈。

但受制于技術手段，海量產消者的涌入勢必對市場運營機構帶來極大的壓力，對市場出清與結算帶來巨大的挑戰［12］。對此，一些學者提出了分布式交易的解決方案［13］。其中，文獻［14］利用區塊鏈技術提出了微電網群的電能分布式交易方案。文獻［15］提出了交互能源模式，其利用分布式算法，通過傳遞價格信號，使得產消者不斷改變電能計劃，在算法迭代過程中完成電能交互。文獻［16］提出了能量共享模式，其通過需求側產消者之間的點對點交易完成電能的就地平衡，降低了交易中心的壓力。文獻［17］利用智能合約取代傳統電能合同，通過共識算法代替人為仲裁，提出了電能去中心化交易模式。上述分布式交易機制各有千秋，但缺少系統性的比較與總結。因此本文梳理了集中交易模式、弱中心化交易模式和完全分布式交易模式的數學模型，總結了不同交易模式的特點與適用場景。并通過一個包含10個產消者的算例比較了3種模式的交易成本和市場效率，為需求側電能分布式交易模式的發展指明了路徑。

1 產消者的數學模型

1.1 產消者的自發自用狀態

產消者同時擁有發電設備、用電設備和儲能設備，其目標是自身的凈效用最大化［18］，如式（1）所示。

式中：fi(·)表示產消者i的效用函數；gi(·)表示產消者i的成本函數；Di表示產消者i的用電量；Si表示產消者i的發電量。

產消者通過能量管理系統協調自身擁有的靈活設備，分布式光伏、分布式儲能和靈活負荷等設備的復雜約束條件在能量管理系統內部考慮，在每個時間斷面將對外呈現式（2）所示的邊界條件［19］。

式中：Dmax，i表示產消者i的最大負荷；Smax，i表示產消者i的發電容量。

當產消者不與外界發生功率交換，以自發自用方式運行時，其用電量將等于發電量，如式（3）所示。

本文假設產消者為完全理性個體，在自發自用狀態下根據式（1）—（3）所示的數學規劃模型確定自身的發用電計劃。

1.2 集中調度模式

若存在調度中心能夠統一管理區域內的產消者，式（3）將轉變為式（4），此時產消者之間協調互濟，僅需保證整體功率平衡。

式中：I表示區域內的產消者集合。

調度中心則通過求解式（5）所示的數學規劃問題確定各產消者的發用電計劃。

2 需求側電能交易機制

集中調度模式默認產消者均為電網企業的統調負荷，但事實上產消者作為獨立的經濟主體，在非緊急情況下沒有接受電網調度指令的義務。同時，在集中調度模式下產消者之間存在電能交換，但缺乏合適的價格信號衡量電能價值，無法保證產消者間利益額的公平分配?？梢?，式（5）所示的數學模型僅反應理想狀態下的資源配置結果。在現實中必須設計合理的市場機制，使得產消者能夠有償讓渡自身設備的使用權并形成合理的價格信號引導產消者優化自身的電能計劃。

2.1 集中交易模式

集中交易模式作為最常見的市場模式，在電力批發市場中已有豐富的運行經驗。如圖1 所示，集中交易模式又稱為場內交易，在該模式下產消者均通過電力交易中心完成電能的申報、撮合、出清與結算。

圖1 集中交易模式示意圖

產消者通常以對外交換電能作為標的參與市場申報。對于產消者自身而言，其電能平衡約束如式（6）所示；而對于區域整體而言，其電能平衡約束如式（7）所示。

式中：Ei表示產消者i對外交換電能，當其為正時表示從市場中購買電量，當其為負時表示向市場售賣電量。

作為理性個體，產消者將根據市場出清電價決定其交換電能的數量，如式（8）所示［20］。

式中：p表示市場出清電價；α表示價格敏感系數；βi表示產消者i的基準電量。

根據統一出清價格機制，區域內的產消者將面臨相同的出清價格，且該價格由所有產消者共同決定，如式（9）所示。

式中：I表示區域內的產消者數量。

此時產消者將根據式（10）所示的最優反應函數優化自身的市場行為。

如文獻［21］所示，在上述模式下，產消者之間形成了納什博弈，并具有廣義納什均衡，且均衡狀態能通過求解式（11）所示的等價一般納什均衡問題得到。

2.2 弱中心化交易模式

在集中交易模式下，產消者必須在交易中心注冊入市，并按照手續完成電能的申報、出清與結算。為了保證交易的可靠性，交易中心可能要求產消者簽訂合同并完成一系列流程。繁瑣的操作帶來了高昂的交易成本，使得小容量的產消者放棄自身靈活調控能力，不愿參與市場互動。另一方面，集中競價模式通常是“一次性買賣”，申報信息為參與主體的私有信息且不允許用戶更改申報內容。因此產消者之間產生了信息壁壘，可能造成過度競爭并引發“無謂損失”［20］。

因此，弱中心化交易模式孕育而生。如圖2所示，產消者之間通過區塊鏈網絡形成弱中心化交易平臺，并在該平臺上完成電能的申報、撮合、出清與結算。

圖2 弱中心化交易模式示意圖

區塊鏈網絡的結構如圖3所示，其通過在鏈上部署去中心化交易應用的形式取代交易中心職能，利用區塊內容的不可篡改特性記錄交易信息，并形成公信力，從而代替人為仲裁。去中心化交易應用可以以小程序或應用程序的方式存在，甚至能夠內嵌入智能電表中。產消者僅需在應用中注冊并共同維護區塊鏈網絡，即可與其他產消者進行電能交易。

圖3 適用于電能交易的區塊鏈網絡

為了保證市場的公平出清，區塊鏈網絡將公開出清算法并封存在智能合約中。如圖4所示，智能合約存在于區塊中并不可篡改。到達預置的出清時間時，智能合約將根據封存的申報數據與實時量測數據，按照預置出清算法完成市場出清。

圖4 適用于電能交易的智能合約

常見的出清算法為拉格朗日對偶分解算法［18］，其假設每個產消者以式（12）作為目標函數確定申報電量，并且在收集所有產消者的申報電量后按照式（13）更新出清價格，只到滿足式（14）所示的精度條件后完成市場出清。

式中：pk表示第k輪迭代的出清電價。

式中：δ為迭代步長。

式中：ξ為交易精度。

由上述可知，由于區塊鏈網絡的存在，產消者能夠共同維護并管理交易平臺，不再依賴交易中心。在該平臺中，產消者既是市場主體又是市場運營機構，因此確保了電能交易的公平性。但是由式（13）可知，出清算法中仍需要有數據中心收集所有產消者的申報計劃以形成出清電價，因此該模式是一種不完全分布式交易模式，又稱為弱中心化交易模式，常用于地理區域跨越較大的產消者間的電能交易。

2.3 完全分布式交易模式

在弱中心化交易模式中，產消者不必通過交易中心登記交易信息，因此節約了一定的交易成本。但區塊鏈網絡的維護費用與數據中心的存在仍帶來了一定的交易成本。

因此，完全分布式交易模式孕育而生。如圖5所示，產消者與相鄰產消者之間構成有限的通信關系，通過交互信息完成電能的申報、撮合、出清與結算，不再依賴于交易中心與數據中心。

圖5 完全分布式交易模式示意圖

完全分布式交易模式的核心是分布式出清算法，例如一致性算法［22］。其將產消者的邊際電價視為一致性變量，并通過迭代的方式實現產消者間關于價值的認同。當產消者擁有相同的邊際電價時即完成了市場出清，此時該電價即為市場出清電價。

同樣，該算法假設每個產消者以式（15）作為目標函數。產消者在本地求解式（15）所示的數學規劃問題后，將電能申報意愿告知相鄰的產消者，并在接收相鄰產消者傳遞的信息后，根據式（16）更新邊際電價。

式中：λi，k表示產消者i在第k輪迭代的邊際電價。

式中：(i，j)表示產消者i與產消者j形成的關聯關系；M是所有關聯關系的集合；wij表示產消者i與產消者j的一致性系數，由式（17）計算得到；γi，k表示產消者i在第k輪迭代的梯度；ζ表示迭代步長。

式中：N+i表示節點i的父節點集合，滿足N+i={nj∈N|(nj，ni)∈M}，其中元素的數量為Ni+。

在每一輪迭代后，通過式（18）更新梯度。

式中：vij表示產消者i與產消者j的反饋項系數，由式（19）計算得到。

式中：Ni-表示節點i的子節點集合，滿足Ni-={nj∈N|(ni，nj)∈M}，其中元素的數量為Ni-。

由上述可知，在完全分布式交易模式中產消者僅需交換部分信息即可完成市場交易，而不必依賴于交易中心和信息中心。隨著PLC（電力線通信）技術的發展，市面上出現了電力貓等產品，使得配電網成為了CPS（信息物理融合系統）。因此，僅需對智能電表進行改造，依賴現有的HPLC 模塊即可實現產消者間的分布式電能交易。但另一方面HPLC 通信技術對配電網拓撲結構有一定要求，通常要求用戶在同一個臺區范圍，因此完全分布式交易模式一般適用于區域跨度較小的微電網系統。

3 算例分析

本文通過10 個產消者之間的電能交易比較3種交易機制的成效，產消者之間的信息物理關聯關系如圖6所示。

圖6 完全分布式交易模式示意圖

如圖7所示，產消者通常分段申報邊際效用曲線與邊際成本曲線，并滿足邊際效用遞減和邊際成本遞增規律?？紤]到產消者數量龐大，形成的聯合效用曲線與聯合成本曲線有足夠多的分段，可以用一次函數擬合，如式（20）所示［23］。

圖7 產消者申報曲線

此時，根據統一出清價格理論，產消者i的效用函數與成本函數如式（21）所示。

10 個產消者的基本參數與自發自用下的運行狀態如表1所示。

表1 產消者的基本參數與自發自用狀態

產消者以自發自用狀態運行時，總的發電量為3 053.89 kWh，遠低于其最大發電容量，此時社會經濟效益為986.14元。

產消者通過集中交易模式進行電能交易時，總的發電量為3 355.33 kWh，社會經濟效益提升為1 225.90元。

弱中心化交易模式的迭代出清過程如圖8、圖9 所示，在經過40 輪迭代后完成了收斂。最終出清價格為0.747 4 元/kWh，總的發電量為3 453.08 kWh，社會經濟效益提升為1 432.85元。

圖8 弱中心化交易模式迭代出清過程

圖9 弱中心化交易模式迭代收斂情況

完全分布式交易模式的迭代出清過程如圖10、圖11 所示，在經過300 輪迭代后完成收斂。最終出清價格為0.747 4元/kWh，總的發電量為3 453.08 kWh，社會經濟效益提升為1 432.85元。

圖10 一致性變量迭代過程

圖11 完全分布式交易模式迭代收斂情況

3種交易機制下的仿真結果如表2所示，可見3種交易模式下發電量與社會經濟效益相比于自發自用模式均有顯著提升，因此需求側電能交易能夠促進新能源消納率并提高電力資源的配置效率。同時，對比每個產消者的凈效用可知，在參與市場交易后每個產消者的凈效用均得到了提升，實現了市場多主體共贏。

表2 3種交易機制的仿真結果

另一方面，集中交易模式的市場效率低于弱中心化交易模式與完全分布式交易模式。這是因為集中交易模式下產消者之間形成了非合作博弈，在競爭過程中產生了市場“無謂損失”。同時通過求解模型（5）可知，弱中心化交易模式與完全分布式交易模式達到了集中調度的效果，因此能夠實現電力資源的最優配置。

弱中心化交易模式與完全分布式交易模式下，市場出清電價如圖12所示。

圖12 交易前后產消者的邊際電價

由圖12 可知，市場出清電價介于產消者的最高與最低邊際電價之間，可見分布式交易的本質是建立了產消者之間的貿易關系，打破了電力設備所有權與使用權的界限，實現了產消者間的協調互濟。根據微觀經濟學原理，貿易能夠促進低成本的電能向高效用產消者流動，因此提升了社會經濟效益。

3種交易機制的比較如表3所示，可以看出：

表3 3種交易機制的比較

1）集中交易模式依賴于交易中心和數據中心，基于現有的征信體系保證市場出清結果的公平性并實現清分結算與偏差考核，該模式產生了高昂的交易成本，使得大量產消者放棄參與市場互動。同時，產消者之間往往形成非合作博弈關系，過度的競爭可能會引發市場“無謂損失”，降低市場效率。但集中交易模式合規性強，并有健全的法規保護，因此可能會受到大型電力用戶的青睞。

2）去中心化交易模式不再依賴于交易中心，其通過區塊鏈等技術實現算法仲裁，替代了原有的征信體系，因此降低了交易成本，但其仍需要數據中心的支持。該模式能夠實現電力資源的最優配置且僅需要較少的迭代次數即能完成市場出清，因此適用于跨區域電能交易。

3）完全分布式交易模式則完全拋棄了交易中心與數據中心，利用一致性協議實現市場主體關于價值的認同，大大降低了交易成本，能夠吸引大量產消者參與市場互動，實現電力資源的優化配置。該模式同樣能夠實現電力資源的最優配置，但受到通信網絡的限制一般僅適用于微電網內部交易。

在市場推廣階段，應當從集中交易模式入手，培養產消者參與市場化互動的習慣，并進一步發展分布式交易模式?？紤]到基于區塊鏈技術的數字貨幣不具備法幣地位，使用比特幣、以太幣等虛擬貨幣支付電費不被法律保護，弱中心化交易模式失去了其保證資金安全的優勢。同時為了保證交易數據的不可篡改，智能合約必須部署在公有鏈上，產生了大量挖礦行為，造成電能的浪費。因此，從我國國情的角度出發應當優先發展完全分布式交易模式，以解決電力市場化交易的“最后一公里”問題。

4 結語

本文從新型電力系統背景下產消者參與電力市場化互動所存在的問題出發，提出了需求側電能分布式交易機制，并從交易成本、關鍵技術、市場效率和適用場景等角度比較了集中交易模式、弱中心化交易模式和完全分布式交易模式的特點與成效。通過仿真分析表明，分布式交易模式能夠降低交易成本，打破產消者之間的信息壁壘，建立產消者之間的貿易關系，實現產消者間的協調互濟，解決電力市場化交易的“最后一公里”問題，從而提升電力資源的配置效率。下一步要從系統建設的角度研究支撐需求側電能分布式交易的流程與系統改造方案，為需求側電能交易的落地打下基礎。