面向綜合能源交易的新型城鎮分層市場架構和出清算法

趙天輝，王建學，陳 洋

（陜西省智能電網重點實驗室（西安交通大學電氣工程學院），陜西省西安市710049）

0 引言

截至2018 年，中國的城鎮化率已達到59.58%［1］。隨著城鎮化進程的不斷深入，中國對能效和環保提出了雙重要求。分布式能源因具有靈活、高效和清潔的特性，而被認為是實現清潔能源發展的重要途徑。由于當前城鎮能源系統存在著綜合能效偏低和供需互動不足的問題［2］，所以分布式能源的發展需要從粗放型開發向提質增效階段轉變。為了提升清潔能源在用戶負荷中的占比，改善城鎮能源系統中供需互動不足的現狀，國家發展改革委和國家能源局于2017 年10 月提出在經濟開發區和新型城鎮化區域等范圍，建立分布式發電市場化交易試點［3］。

針對分布式能源的市場化交易，國內外專家學者提出了較多的適合于分布式能源的管理方法和交易機制。在分布式能源的管理方法方面，提出了通過局域級能源交易市場來實現就近消納；在分布式能源的交易機制方面，提出了去中心化的交易模式。關于局域級能源交易市場，文獻［4］指出局域能源交易市場是建立在社區或園區的微能源平衡市場，能源的就近交易是此類市場的基本特點，該特點正好契合于分布式能源的供應情況。在交易機制設計方面，文獻［5］考慮用戶負荷的靈活性，提出了一種點對點（peer-to-peer，P2P）的分布式能源交易模式；文獻［6］以工業物聯網為背景，考慮分布式儲能，研究了基于區塊鏈的P2P 分布式能源交易模式；文獻［7］考慮到去中心化交易結果對低壓配電網安全運行的影響，在P2P 交易模式中，引入了網絡運行約束；文獻［8］提出了一種消費者對消費者（customerto-customer，C2C）的交易模式；文獻［9］提出了去中心化的分層組織交易模式，實現了分布式資源的高效管理。文獻［10-11］以微電網為研究單元，基于去中心化的交易模式，分析了微電網參與分布式能源交易的可行性。

隨著電轉氣（power to gas，P2G）技術的發展，分布式電能可用于制備氫氣或者甲烷，提高了分布式能源利用率［12］。P2G 技術會使得電能和天然氣交易發生耦合。關于綜合能源參與市場化交易，文獻［13］考慮電能和天然氣市場的耦合關系，分析了燃氣電廠和P2G 設備的供能和用能選擇策略。文獻［14］研究了用戶根據綜合能源交易結果來選擇用能的行為。

上述研究提出了適合于分布式能源的管理和交易機制，但是分散的局域交易與傳統集中式交易之間如何有效銜接，進而促進分布式能源的市場化利用和提高運營商收益的問題同樣值得被研究。本文在當前研究的基礎上，提出在新型城鎮中構建分層市場，將只針對電能的交易拓展為電能和天然氣的綜合能源交易，構建交易模型?；谇短讓腔惴ǎ?3］，提出了分層市場架構下的綜合能源交易出清模擬算法，以分布式能源市場化利用率和運營商的收益為評價指標，對模擬結果進行評估。

1 分層市場架構

根據《關于推進“互聯網+”智慧能源發展的指導意見》［15］的要求，在能源互聯網交易方面，構建分層能量批發交易市場。本文以分布式能源就近消納為原則，以銜接分散的局域級市場交易和傳統集中式交易為目的，針對新型城鎮綜合能源系統，提出了分層市場架構，如圖1 所示。

圖1 新型城鎮綜合能源系統分層市場架構Fig.1 Structure of hierarchical market for integrated energy system of new-type towns

在城鎮能源系統中，工業園區中通常建設有含分布式光伏、風電和P2G 設備的微能網；在居民社區中，為了實現用電清潔化，分布式光伏被大量安裝，形成了社區微電源。本文依據城鎮能源系統中用戶的用能情況、分布式能源的分布情況以及各類能源的供能特點，通過城鎮級和局域級兩層市場來組織分布式能源交易。上層的城鎮級市場作為傳統集中式市場和局域級市場之間的過渡環節，開展分布式能源的集中交易，向上對接傳統集中式市場，平衡整個城鎮的供需偏差，向下統籌分散的局域級交易，協調局域級市場的供用能偏差，下層的局域級市場實現分布式能源的就近交易，可根據實際需要，選擇多樣的交易模式。依據文獻［3］中關于中國分布式發電參與市場化交易范圍的規定，在市場化起步階段，可將特定變壓器的供電范圍作為分層市場架構中局域能源市場范圍的劃分依據。故新型城鎮中包含有1 個城鎮級市場和若干個局域級市場。

在城鎮級市場中，交易的能源包括分布式電能和天然氣。在電能交易方面，交易主體包括園區微能網運營商、局域級市場管理者和兜底供電公司，其中兜底供電公司提供電力平衡服務；在天然氣交易方面，交易主體包括天然氣批發商和園區微能網運營商，其中園區微能網運營商通過將電能轉變為甲烷，參與天然氣交易。在局域級市場中，主要交易分布式電能，交易主體包括社區微電源、城鎮級市場管理者和兜底供電公司。

在未引入競爭的模式下，分布式電源運營商將全部或部分的電能以指導電價加補貼的形式上網。隨著指導電價和補貼力度的降低，運營商的收益也隨之下降，這將影響分布式能源的推廣。本文提出分層市場架構，為分布式能源提供交易平臺，促進分布式能源消納，為運營商提供獲取更多收益的機會，降低分布式能源運營商對補貼政策的依賴程度。

2 分層市場建模

2.1 交易主體建模

園區微能網運營商根據電力和天然氣市場的出清價格，以收益最大為目標，參與2 類市場的交易。在參與電能交易方面，以售電收益和等量電能轉甲烷參與天然氣交易的機會成本之差最大為目標來決策售電報價，其電力交易的模型如式（1）和式（2）所示：

參考文獻［18］，社區微電源運營商以售電收益最大為目標來決策售電報價，其電力市場交易的模型如附錄A 第A1 章所示。參考文獻［14］，天然氣批發商是新型城鎮中天然氣的主要供應商，滿足城鎮用戶對天然氣的需求，以出售天然氣收益最大為目標來決策天然氣報價，其參與天然氣市場交易的模型如附錄A 第A2 章所示。

2.2 城鎮市場對局域市場的供電協調機制

在局域級市場中，分布式光伏出力受光照強弱的影響，難以保證穩定的電能供應，供電與負荷需求不匹配的情況時有發生。為此，城鎮市場依據供電協調機制為局域市場提供電力電量平衡服務，即當局域級市場中的分布式電能剩余時，局域級市場管理者將余量電能在城鎮級市場中進行交易，對于第l 個局域級市場，出售的余量電能以售電收益與未出售電量懲罰的差值最大為目標，交易模型如式（5）和式（6）所示：

在第l 個局域級市場管理者的交易模型中，引入對未售出電量的懲罰項，目的是在獲得售電收益的同時，兼顧余量電能在城鎮級市場中的成交情況，反映了第l 個局域級市場管理者對余量電能在城鎮級市場中成交量的重視程度。懲罰系數Cl的選取與余量電能期望成交量有密切的關系，期望成交量越大則懲罰系數Cl取值越大；反之，Cl取為零則轉換為常見的交易模型。

2.3 城鎮級市場電能和天然氣交易出清模型

2.3.1 城鎮級電力市場出清模型

在電力市場中，市場管理者以用電成本最小為目標，對電力交易進行出清，出清模型如式（7）—式（11）所示：

2.3.2 城鎮級天然氣市場出清模型

在天然氣市場中，市場管理者以用氣成本最小為目標，對天然氣交易進行出清，出清模型如式（12）—式（15）所示［13-14］：

在城鎮級市場中，園區微能網運營商可以同時參與電能和天然氣市場的交易，故在電力市場出清模型中，運營商的售電約束式（9）中需要考慮P2G的耗電量。同理，在天然氣市場出清模型中，運營商在進行P2G 轉換的電量約束式（14）中需要考慮已經出售的電量。

2.4 局域級市場電能交易出清模型

在第l 個局域級市場中，針對社區微電源，開展分布式電能交易。根據供電協調機制，城鎮級市場和兜底供電公司作為局域級市場電能的備選來源。市場管理者以用電成本最小為目標，對電力交易進行出清，模型如式（16）—式（20）所示：

式中：ρo，t和分別為社區微電源運營商o 和兜底供電公司在局域級市場l 中t 時刻的電能報價；為兜底供電公司的供電量為第j 個居民社區的電能需求；vt為約束條件式（17）的對偶變量，即局域級市場在t 時刻的出清電價。

約束條件式（17）為電能的供需平衡約束，約束條件式（18）、式（19）和式（20）分別為社區微電源的可交易電能的上下限約束、城鎮級市場供電的上下限 約 束 和 兜 底 供 電 公 司 供 電 約 束，其 中、和為對應約束的對偶變量。

為了實現分布式能源的全額消納，對于在城鎮級市場中未能交易的分布式電能，兜底供電公司將以固定價格對其進行回收。

3 分層市場交易模擬

3.1 市場主體交易決策模型分析

在城鎮/局域級市場中，市場主體之間的非合作博弈行為共同決定了市場的出清結果。以園區微能網運營商m*參與電能交易為例，當運營商m*以收益最大為目標決策售電報價時，需要考慮其他競爭對手的報價對市場出清價λt的影響，故運營商m*的交易決策問題可建立為一個雙層優化模型，上層為運營商m*以收益最大為目標的交易模型，下層為城鎮級電能交易市場的出清模型，完整的交易決策模型如附錄A 第A3 章所示。對于同一層級市場中的交易主體，當其他參與者的報價行為固定時，利用KKT 條件，運營商m*的交易模型可等價為一個含有均衡約束的數學規劃模型，如式（21）—式（30）所示：

上述模型包含2 種非線性項，一種是式（21）中電力出清價λt和園區微能網運營商m*的售電量構成的雙線性項；另一種是互補約束，如式（26）—式（30）所示。參考文獻［13］，上述模型可等價為一個混合整數線性規劃模型，并利用Cplex 等商業求解器進行求解。

3.2 交易出清框架及模擬方法

分層市場架構下的綜合能源交易出清框架如圖2 所示。由于園區微能網運營商可以同時參與電能和天然氣2 類能源市場的交易，在參與電能交易時，考慮了天然氣的出清價μt和運營商的P2G 耗電量，在參與天然氣交易時，需要考慮電能出清價λt和電能交易量，使得電能和天然氣市場的出清過程存在耦合關系。在電能交易方面，城鎮級和局域級市場構成了兩級市場，城鎮級市場與局域級市場之間的電能協調機制使得不同層級市場的電能出清過程存在耦合關系。

圖2 分層市場架構下綜合能源交易的出清框架Fig.2 Framework for clearing of integrated energy trading with hierarchical market structure

本文將嵌套對角化算法［13］進行推廣，分別應用于分層市場架構下城鎮-局域市場電力交易和城鎮市場的電能-天然氣耦合交易，相關的模擬流程分別在3.2.1 節和3.2.2 節中進行了詳細的說明。

3.2.1 分層架構下城鎮-局域市場電力耦合交易

基于嵌套對角化算法，可將電力耦合交易分內、外循環進行模擬。內循環以耦合量作為輸入參數，對城鎮級和局域級市場進行獨立出清，外循環以電能交易量是否收斂為依據，獲得交易結果，交易模擬流程如附錄B 圖B1 所示。

2）外層循環：在獲得城鎮級和局域級電力交易主體的交易電量后，以式（31）為收斂判據，其中ε′為收斂閾值。如果滿足條件，則認為電力交易整體獲得均衡解，否則更新交易主體的成交電量，并重新迭代。當k′>K′時，終止求解，認為模型不收斂，其中K′為最大迭代次數。

3.2.2 分層架構下城鎮市場電能-天然氣耦合交易

基于嵌套對角化算法，可將電力-天然氣耦合交易分內、外循環進行模擬。內循環對電力市場和天然氣市場交易進行獨立出清，外循環以電能和天然氣交易量是否收斂為依據，獲得交易結果，模擬流程［13］如附錄B 圖B2 所示。

1）內 層 循環：以天然氣出清價μt，k′和園區微能網P2G 耗 電 量為 輸 入 參 數，采 用3.2.1 節 的 分層市場電力交易出清模擬流程對電力交易進行出清；以電能出清價λt，k′和園區微能網的售電量為輸入參數，對天然氣交易進行出清，獲得各市場主體的報價、天然氣出清價μt，k′、天然氣成交量Gg，t，k′和P2G 耗電量

2）外層循環：在獲得電力交易市場和天然氣市場主體的交易量后，以式（32）為收斂判據，其中ε′為收斂閾值。如果滿足條件，則認為電能-天然氣耦合交易獲得均衡解，否則更新交易主體的交易量，并重新迭代。當k′>K′時，終止求解，認為模型不收斂。

實際上，在同一市場中，多個主體的含均衡約束的數學規劃問題共同構成了一個Nash-Stackelberg博弈。由于市場主體決策的可行域非凸，是否存在均衡解與市場主體的初始報價策略有比較密切的關系［19］。在本文中，為了獲得均衡解，根據各市場主體的報價范圍，初始報價策略采用分段報價報量的形式。

4 算例分析

本文構建了一個綜合能源系統，包含工業園區、居民社區、園區微能網、社區微電源和天然氣批發商。為了體現分布式能源和負荷需求的特點，采用典型的用戶側負荷曲線和分布式電源出力曲線作為輸入。居民社區的天然氣負荷取自文獻［13］，工業用戶的天然氣負荷取自文獻［14］。工業用戶和居民社區的電能及天然氣需求如附錄B 圖B3 所示。

園區微能網和社區微電源的參數如表1 所示，其中園區微能網可以全天供應能源，參考文獻［20］，設定了P2G 的轉換效率。由于社區微電源以分布式光伏為主，本文規定分布式光伏在每天07：00—17：00 之間供電。需要注意的是，社區微電源的總安裝容量大于居民社區的負荷需求。

表1 園區微能網和社區微電源參數Table 1 Parameters of micro-energy network in park and micro-power generation in community

電能交易方面，根據分布式光伏的指導上網電價，以及某省工業用戶和居民用戶的目錄電價（不含輸配電價），設園區微能網運營商的電能報價范圍為300～380 元/（MW·h），社區微電源運營商的電能報價范圍為200～280 元/（MW·h）；在分層市場架構下，設兜底供電公司在城鎮級市場的供電價為390 元/（MW·h），在 局 域 級 市 場 的 供 電 價 為340 元/（MW·h），不 考 慮 補 貼 的 回 收 電 價 為200 元/（MW·h）；在統一市場架構下，兜底供電公司供電價為390 元/（MW·h），不考慮補貼的回收電價為200 元/（MW·h）。在天然氣交易方面，設有2 個天然氣供應商，各供應商的每小時供氣量上限為150 m3。根據天然氣銷售價，設定天然氣供應商的報價范圍為2.05～3.08 元/m3。

4.1 電能交易

在僅考慮電能參與交易的情形下，與統一市場架構下的電能出清價相比，分層市場架構不同層級市場的電能出清價如圖3 所示。

圖3 不同市場架構下的電能出清價Fig.3 Electricity clearing price in different market structures

在圖3 中，統一市場架構的電能出清價與城鎮級市場的出清價相同，但是普遍高于局域級市場出清價，尤其是在分布式光伏供電時段，出清電價比局域級市場高20～100 元/（MW·h）。在分布式光伏供電的時段內，局域級市場的出清電價在230～280 元/（MW·h）范圍內變化，且在電能需求較低的07：00 和08：00 電價最低，由于分布式光伏的總安裝容量大于居民社區負荷，在有余量電能的情況下，局域級市場出清電價不變。在分布式光伏供電時段外，局域級市場會選擇供電價格較低的一方進行供電，進而降低用戶的用電成本。由圖3 可見，當兜底供電公司的供電價格低于城鎮級市場電能出清價，局域級市場選擇兜底供電公司供電，反之，則選擇城鎮級市場供電。相比于統一市場架構，分層市場架構下的局域級市場用戶擁有較低的出清電價，居民用戶節省用電成本約620 元。

統一市場架構和分層市場架構下的分布式能源市場化利用率和運營商的收益如表2 所示。由該表可見，與分布式電能直接被供電公司按照指導價回收相比，在市場環境下，分布式電源運營商有獲得較高收益的機會。與統一市場架構相比，分層市場架構具有相同的分布式電能市場化利用率，運營商的收益卻略有減少，原因是在分層市場架構下，社區微電源只能參與局域級市場交易，使其失去了在城鎮級市場中爭取更高收益的機會。雖然統一市場架構會使得分布式電源運營商獲得更高的收益，但是不能保證分布式能源被就近消納。根據文獻［5，21］，就近消納分布式能源可緩解系統峰荷需求，降低分布式能源不確定性對電網運行的影響。同時，統一市場架構較高的電價會降低用戶消納分布式電能的積極性，不利于分布式能源的長期發展。

表2 分布式電能市場化利用率和運營商收益Table 2 Market-oriented utilization rate of distributed energy and revenue of operator

4.2 電能-天然氣耦合交易

在城鎮級市場中，園區微能網運營商可參與電能交易，也可以進行P2G，參與天然氣交易。在本小節中，對比電能和天然氣獨立交易的出清價格，研究電-氣耦合交易對電能和天然氣出清價和園區微能網運營商收益的影響。

電能-天然氣耦合交易下的電能和天然氣出清價如圖4 所示，微能網運營商在電價較低的時刻參與天然氣交易。

圖4 城鎮級市場天然氣和電力出清價Fig.4 Clearing price of natural gas and electricity in town-level market

由圖4（a）可見，當電轉氣較多時，會影響到相應時刻的天然氣出清價，由圖4（b）可見，城鎮級市場的電能出清價在電轉氣較多時也會增加，少量的電轉氣不影響電能出清價。

園區微能網運營商依據電能和天然氣的出清價格，對可用電量進行分配，參與2 類能源市場的交易，其綜合收益為53 440 元，相比于只參與電能交易，增加了1 006 元，可見參與多能源交易有助于提升運營商的收益。

4.3 嵌套對角化算法對分層市場交易模擬的適用性

本文基于嵌套對角化算法，提出了分層市場架構下的綜合能源交易出清模擬算法，以分層電能交易中的園區微能網運營商交易電量在迭代過程中的變化量為例，繪制收斂曲線如圖5 所示。

圖5 微能網運營商交易電量收斂曲線Fig.5 Convergence curves of operator trading power in micro-energy network

由圖5 可見，當局域級市場中的分布式光伏參與交易時，園區微能網運營商交易電量的收斂需要迭代7 次；反之，則僅需2 次。整個計算過程收斂較快，表明嵌套對角化算法可用于分層市場交易模擬。園區微能網運營商交易電量的收斂情況受到了局域級市場中分布式光伏是否參與交易的影響，說明電能協調機制發揮了作用，城鎮級市場的交易過程考慮了局域級市場中電能的供需情況。

5 結語

本文面向新型城鎮綜合能源系統，提出了包含城鎮級和局域級市場的分層市場架構，將能源的交易類型由電能拓展為電能和天然氣，構建了綜合能源交易模型?；谇短讓腔惴?，提出了適合于分層市場綜合能源交易的出清模擬算法。在電能交易方面，分布式電能市場化交易可以為分布式電源運營商提供獲得較高收益的機會，相比于統一市場架構，分層市場架構實現了分布式能源的就近消納，當社區微電源運營商的電能報價處于較低的水平時，用戶的用電成本會降低，這雖然損失了一定的全局經濟性，但是提升了用戶消納分布式電能的積極性，有利于分布式能源的長期發展。在電能和天然氣耦合交易方面，園區微能網運營商在電價較低時參與天然氣市場的交易，其收益會有所增加。

為了應對用戶負荷和分布式能源不確定性對分層市場交易的影響，在未來的研究中，可以設計激勵相容的市場機制，在局域級市場選擇合適的交易模式，建立考慮不確定性的隨機優化模型，使得運營商的收益在一定的風險水平下具有魯棒性。同時，考慮能源網絡約束和完善分層市場架構理論也是下一步研究的方向。

附錄見本刊網絡版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網絡全文。