基于价值分配、成本分摊的城...源互联网交易机制与方法研究_刘宇尘.pdf

第 47 卷 第 2 期 电 网 技 术 Vol.47 No.2 2023 年 2 月 Power System Technology Feb.2023 文章编号：1000-3673（2023）02-0603-10 中图分类号：TM 73 文献标志码：A 学科代码：47040 基于价值分配、成本分摊的城市能源互联网 交易机制与方法研究 刘宇尘1，唐跃中2，钟海旺1,3，张鹏飞4，谭振飞5，夏清1,3（1清华大学电机工程与应用电子技术系，北京市 海淀区 100084；2国网上海市电力公司，上海市 浦东新区 200122；3清华四川能源互联网研究院，四川省 成都市 610213；4国网上海市电力公司电力科学研究院，上海市 虹口区 200437；5电力传输与功率变换控制教育部重点实验室(上海交通大学)，上海市 闵行区 200240）Value Distribution and Cost Allocation Model and Method of Urban Energy Internet LIU Yuchen1,TANG Yuezhong2,ZHONG Haiwang1,3,ZHANG Pengfei4,TAN Zhenfei5,XIA Qing1,3(1.Department of Electrical Engineering,Tsinghua University,Haidian District,Beijing 100084,China;2.State Grid Shanghai Municipal Electric Power Company,Pudong New Area,Shanghai 200122,China;3.Sichuan Energy Internet Research Institute,Tsinghua University,Chengdu 610213,Sichuan Province,China;4.Electric Power Research Institute,State Grid Shanghai Municipal Electric Power Company,Hongkou District,Shanghai 200437,China;5.Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion(Shanghai Jiao Tong University),Ministry of Education,Minhang District,Shanghai 200240,China)ABSTRACT:Nowadays,with the construction of the urban energy Internet,the energy suppliers and demanders have been interconnected through the power grid and the Internet.However,the existing electricity market trading mechanism based on the local marginal prices is no longer applicable to the urban energy Internet consisting of the prosumers.To this end,this paper proposes an urban energy Internet trading mechanism based on double auction,building an optimization model embedded with the distribution costs.Moreover,the above problem is efficiently solved through the multi-period network flows,which transparently shows the market equilibrating process.The reasonable allocation of the distribution costs,the effective distribution of the social welfare and the market-based pricing of the transmission capacity are guaranteed under the proposed mechanism,which incentivizes the market members to act truthfully.The proposed mechanism and its implementation based on the network flow are tested in a 15-node distribution network example,in which its economic efficiency and incentive compatibility are verified.Such an effective trading mechanism design will prompt the urban energy Internet to burst out with stronger market vitality.KEY WORDS:urban energy internet;double auction;network 基金项目：国家电网有限公司科技项目(52094021000A)。Project Supported by Science and Technology Foundation of SGCC(52094021000A).flow;incentive compatibility;distribution cost allocation 摘要：目前，城市能源互联网建设方兴未艾，海量能源供需主体依托电网和互联网平台已实现万物互联。然而，现有基于节点电价的电力市场交易机制已不再适用于市场成员产销融合的城市能源互联网。为此，提出了基于双向拍卖的城市能源互联网交易机制，构建了内嵌配电成本的优化模型，并通过多时段网络流进行高效求解，更加清晰透明地展现了市场均衡过程，实现了配电成本的合理分摊、社会福利的有效分配、传输容量稀缺性的市场化定价，从而激励市场成员真实报价。所提交易机制及其网络流实现方法在 15 节点配电网算例进行了测试，经济效率、激励相容性得到了有效验证。有效的交易机制设计将促使城市能源互联网具有更强的市场活力。关键词：城市能源互联网；双向拍卖；网络流；激励相容；配电成本分摊 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2022.1931 0 引言 近年来，能源互联网建设方兴未艾，数字技术的长足进步为能源互联网实现万物互联奠定了坚实的基础。促进互联网与能源生产、传输、存储、消费以及能源市场深度融合，形成能源产业发展新业态的共识已逐步形成1。受益于城市能源互联网的信息物理融合，电力604 刘宇尘等：基于价值分配、成本分摊的城市能源互联网交易机制与方法研究 Vol.47 No.2 系统的可观可控性得到大幅度提升。城市能源互联网中 5G 基站、数据中心等新型基础设施的大规模建设使得电力系统数据采集的广度、频度、深度大幅提升，各类型用电设备的精细化建模成为可能。进一步地，屋顶光伏、电动汽车、储能等分布式资源大规模接入配电网，促进了城市能源互联网的产销融合。分布式资源通过大规模、高频率的信息交互聚合形成虚拟电厂参与电力市场2-3。目前已有部分虚拟电厂工程实践项目落地应用，电力供需平衡正逐步由传统的全局平衡向全局与局部相结合的形式转变。城市能源互联网依托电网和互联网实现海量能源供需主体的万物互联，其天然地具有资源优化配置的能力。但这仅仅完成了技术层面的构建，而技术的大规模应用离不开机制设计的保障。合理的机制设计将确保市场成员的成本分摊与价值分配得到精准识别，激励市场成员积极参与市场竞争。因此亟需构建满足激励相容的城市能源互联网交易机制。为开展城市能源互联网中的分布式资源交易，可交易能源系统(transactive energy system，TES)的概念得到了广泛研究4。已有研究对适用于输电网的节点电价进行改造形成配电网节点电价从而应用于可交易能源系统5-6。然而，现有的基于节点电价的电力市场机制虽然通过集中优化实现了社会福利最大化，但缺少有效的价值分配方法，并且忽略了配电成本的合理分摊，其应用于配电网存在以下问题。首先，包含配电成本在内的全网成本并未得到有效分摊。为市场成员提供准确的价格信号是市场机制设计的关键，而忽视“交易成本”的市场交易必然会导致“搭车”现象及市场扭曲。尤其在当前“隔墙售电”的呼声下，必须厘清配电成本的合理分摊方法。其次，配电线路的传输容量作为一种稀缺资源没有得到有效体现，无法激励市场成员理性报价。同时，节点电价机制的求解过程可解释性差。配电网的终端用户以体量小、数量多的小型工商业、居民用户为主，未来源网荷储的充分互动必然要求市场交易机制的价值分配方法更加简洁明了，兼顾效益与公平。最后，节点电价机制的求解严重依赖商业求解器。目前，大多数成熟商业求解器仍非国产，一方面存在“卡脖子”的问题，另一方面对于交易量较小的可交易能源系统而言采购成本较高。近年来，点对点的双边交易机制逐渐引起关注。其中既包括通过对传统基于节点电价的安全约束经济调度集中优化模型进行改进，适用于配电网多市场成员分布式求解、体现双边交易差异性的双边交易模型7；也包括购售电双边申报量价信息，双方按价差由高到低成交的集中撮合交易模型8-13。然而以上研究大多并未考虑配电线路传输容量和配电成本分摊。文献14将配电线路传输容量约束纳入点对点的可交易能源市场中，文献15则基于图论的方式考虑了可交易能源系统的损耗分摊问题。考虑到配电网终端用户“产销者”的特性，其自身购售电状态可能取决于市场整体供需情况，因此文献16提出了考虑市场成员申报连续报价曲线的配电网双向拍卖市场机制。电力系统的局部平衡在缓解输电网投资建设的同时必然导致配电网范围内大规模的能量双向流动，增加了配电网的输电压力。因此，考虑配电线路传输容量约束并进行配电成本的合理分摊，已是城市能源互联网交易机制设计的当务之急。为此，本文提出了基于双向拍卖的城市能源互联网交易机制，构建了内嵌配电成本的优化模型。在 这 一 交 易 机 制 中 引 入 减 量 交 易 机 制(trade reduction mechanism，TRM)，通过牺牲微小的社会福利确保机制的激励相容性；利用多时段网络流对模型进行高效求解，更加清晰透明地展现市场均衡过程，实现配电成本的合理分摊、社会福利的有效分配、传输容量稀缺性的市场化定价。本文将在第1 节介绍本文所提交易机制及其网络流法实现；在第 2 节详细介绍本文所提交易机制对应网络流模型的建立及求解过程；在第 3 节证明本文所提交易机制的若干特性；在第 4 节进行算例分析。受益于电力市场化改革、数字技术的广泛应用以及合理的机制设计，万物互联的城市能源互联网最终将成为资源优化配置、价值创造和利益分配中心，形成能源产业发展新业态。1 基于双向拍卖的城市能源互联网交易机制及其网络流法实现 城市能源互联网中的市场成员将更多地以产销者的身份参与市场，传统发电侧的单向拍卖机制将不再适用。同时，现有的基于节点电价的电力市场交易机制应用于配电网存在缺少有效价值分配方法、忽略配电成本分摊、传输容量稀缺性缺失、求解过程可解释性差以及严重依赖商业求解器等问题。为此，本章将减量交易机制引入按边际支付的双向拍卖，并通过网络流法实现求解，以期实现配电成本的合理分摊、社会福利