考慮多市場主體參與的氣電區域綜合能源系統市場定價策略

王 俊，徐 箭，柯德平，孫元章，王晶晶，吳煜暉，魏聰穎

（1. 武漢大學 電氣與自動化學院，湖北 武漢 430072；2. 國家電網公司華中分部，湖北 武漢 430072）

0 引言

近年來，隨著能源領域市場化進程的不斷加快，以及以光伏、微型燃氣機組為主的分布式供能技術日趨成熟，用戶在能源市場中扮演的角色逐步從被動的能量接受者轉變為主動的市場參與者［1］。

在能源市場中，綜合能源系統內分布式資源的調控權往往歸屬于不同的利益主體，系統調度人員不能對分布式資源進行直接控制，但可以通過價格激勵用戶調節分布式資源的運行方式以響應系統需求［2］。在該機制下，價格信號的制定應充分反映系統需求，同時還需協調系統中各類市場主體的利益關系。目前能源市場中針對激勵價格信號的制定方法較多，最為成熟的是電力系統中的節點邊際價格LMP（Locational Marginal Price）［3］以及在此基礎上衍生出的考慮配電網內部網絡約束的適用于配電網的節點邊際價格DLMP（Distribution Locational Marginal Price）。文獻［4］提出一種考慮分布式電源DG（Distributed Generator）接入配電網后給系統運行帶來影響的DLMP 計算方法；文獻［5］則采用DLMP 實現對配電網中電動汽車充電方式的管理，并通過求解含機會約束的非線性規劃得到DLMP；文獻［6］提出了一種基于DLMP 的不平衡配電網需求響應和DG 管理方法。上述DLMP 定價策略能夠有效緩解配電網絡阻塞，但大多針對電動汽車的需求響應管理，沒有考慮其他類型的分布式資源。

然而，隨著能源領域市場改革的推進，未來區域綜合能源系統中將會出現大量獨立的市場主體，現有的含多市場主體參與的市場定價策略的研究主要集中在不同市場主體的價格響應特性以及市場主體與系統運營商之間的協同方面。文獻［7］考慮分布式新能源、電池儲能等，提出了一種基于邊際價格的日前市場出清模型，但采用的是固定費率對需求響應資源進行補償；文獻［8］在LMP 的基礎上提出了一種調頻備用邊際價格用于系統運營商平抑新能源功率的隨機波動；文獻［9］針對含儲能的電力零售商提出了基于置信水平區間的兩階段價格型需求響應模型，并通過價格-需求彈性系數矩陣來刻畫負荷對價格的響應行為；文獻［10］以調峰定價為背景考慮價格型需求響應資源在峰谷平不同時段具有不同的自彈性系數和互彈性系數，并基于火電與儲能的成本特性給出了火儲深度調峰定價策略；文獻［11］則基于電熱綜合需求響應提出了一種考慮日前市場價格波動的零售電價動態定價策略；部分學者提出基于分布式深度強化學習和長短期記憶神經網絡等訓練得到負荷的價格響應特性［12-13］。這類文獻的模型從數學本質角度看采用的是分段線性函數或數據驅動的方式來刻畫價格與負荷需求之間的關系。另一方面，由于系統運營商與市場主體之間的交易屬于一種博弈，部分文獻基于博弈論和雙層優化的思想刻畫系統運營商的動態定價過程［14-17］，如文獻［15］、［16］分別研究了計及商業樓宇和虛擬電廠的配電側市場交易策略，構建了一種用于動態定價和市場出清的雙層優化模型；文獻［17］則針對點對點的交易模式提出了一種基于主從博弈理論和局部實用性拜占庭容錯算法的交易定價策略，上述定價策略大多針對電力系統，且未考慮定價策略與電壓無功優化的融合。目前較少有直接針對氣電區域綜合能源系統的市場激勵價格制定方法的相關研究，部分學者提出了面向其他類型綜合能源系統的邊際價格計算理論和市場出清策略［18-21］。文獻［19］針對區域熱電聯供系統提出了節點邊際熱價的概念，進一步考慮了配電網中的網絡損耗和供熱管道中的熱損耗，基于管道損耗方程分析了節點邊際熱價的分布規律；文獻［20-21］闡述了多能源系統日前市場的基本交易機制，構建了電熱聯合市場出清模型并提出不同能源類型負荷響應市場出清信號的控制策略。

本文針對氣電區域綜合能源系統建立了含商業樓宇和DG 2 類市場主體的日前市場出清模型和框架，綜合考慮節點凈有功負荷、凈無功負荷和天然氣負荷對系統運行的影響，通過引入網損靈敏度因子、電壓靈敏度因子、氣壓靈敏度因子等，將區域綜合能源系統的非線性潮流約束和穩態氣流約束轉化為線性約束，并求得相應LMP 的解析表達式；進一步地，根據邊際價格的物理意義，基于所提市場出清模型將節點邊際電價分為有功基礎電價、無功基礎電價、阻塞管理電價、電壓支撐電價、網損邊際電價、基礎氣價和氣壓支撐價格7 類?；诟倪M的IEEE 33 節點配電網和24 節點輻射形氣網構成的區域綜合能源系統進行仿真分析，結果表明，所提基于LMP 分解的定價策略能夠對市場主體提供的不同輔助服務類型進行合理的補償，通過市場主體對不同價格信號的響應促使其根據系統需求調節運行方式以支撐系統運行。

1 市場參與者建模

隨著能源領域市場化進程的加快以及分布式新能源滲透率的不斷提高，未來的區域綜合能源系統運營商管轄范圍內會出現越來越多獨立的市場主體，本文提出了如圖1 所示的區域綜合能源系統市場框架。

圖1 區域綜合能源系統市場框架Fig.1 Market framework of regional integrated energy system

為了更高效地管理這些市場主體，區域綜合能源系統運營商通常會為市場主體的接入設置相應的容量準入門檻，大量分布式光伏可以聚合形式參與市場交易，含有多能轉化設備的商業樓宇建筑等也可作為獨立的市場主體參與到區域綜合能源系統市場中。在所提市場框架中，綜合能源系統運營商接收來自各市場主體的報價并與批發側市場互動，計及運營區域內相應安全約束完成市場出清?？紤]到無功功率對于系統電壓影響較大，本文將無功功率也作為一種標的物，同時出清有功LMP和無功LMP，并針對配氣網引入節點邊際氣價，將不同價格信號同時傳遞給區域內的市場主體，不同市場主體根據各自并網節點價格信號調節自身運行方式以支撐區域綜合能源系統運行。

1.1 商業樓宇

對于區域綜合能源系統中的商業樓宇建筑，既可以通過調節室內設定溫度改變自身購電曲線，同時其含有的熱電聯產系統CHP（Combined Heat and Power system）等多能轉化設備又可以使其作為氣電耦合單元提供綜合需求響應。因此，本文考慮含氣電耦合設備的商業樓宇建筑作為獨立的市場主體參與市場投標，選用以天然氣為燃料的微型燃氣輪機作為發電設備，模型如式（1）、（2）所示。

1.2 DG

對于配電網中的DG，通?？梢跃酆闲问絽⑴c市場需求響應。配電網中的DG 可以分為逆變器型和同步機型2 類，對于逆變器型DG，如風機和光伏，其通過控制逆變器既可以從系統吸收無功功率又能夠向系統輸送無功功率，本文重點考慮逆變器型DG 這一類市場主體。上級能源運營商通常會對DG 的并網設置最小功率因數要求，DG 可以通過控制逆變器來調節自身功率因數。根據DG 并網標準［22］，本文設置DG并網相應的功率因數范圍要求為［-0.95，0.95］，建立如式（3）、（4）所示的聚合DG 等效模型。

2 區域綜合能源系統運營商優化模型

為充分引導多市場主體用戶根據系統需求調節分布式資源運行方式，本節建立了計及配電網網損和配氣網雙重約束、以系統總運行成本最小化為目標函數的區域綜合能源系統運營商多能流優化模型。

2.1 目標函數——系統總運行成本最小化

考慮到市場出清的根本目的在于實現系統整體利益的最優化，因此模型的目標函數為最小化系統的總運行成本，包括運營商從批發市場購買有功功率成本、從輔助服務市場購買無功功率成本、商業樓宇購氣成本以及DG 的發電成本。理論上，目標函數中購氣成本項應由基礎用氣負荷和商業樓宇的微型燃氣輪機氣負荷構成，由于基礎用氣負荷氣流量無法改變，在優化問題中為恒定值，因此目標函數中購氣成本項只考慮了商業樓宇內微燃機氣負荷。目標函數表達式為：

2.2 多能流雙重約束

1）節點功率平衡。

對于區域綜合能源系統中配電網側而言，不同市場主體接入的位置以及線路的網損對于運營商有功、無功購電量的影響都是不可忽略的，因此本文選用Distflow 模型來刻畫配電網的交流潮流。為方便表述，本文約定線路l=(i，j)指以節點i為首端、節點j為末端的輸電線路，線路傳輸功率指線路首端的傳輸功率。

5）氣流平衡約束。

由于區域綜合能源系統運營商的日前市場出清通常在小時級的時間尺度，因此可采用如下穩態氣流方程來描述配氣網的狀態。

3 模型的轉化與處理

區域綜合能源系統日前市場出清的一個重要目的是為各類市場主體制定具有時空差異性的電價，即DLMP。各市場主體依據DLMP完成日前結算，進一步地，本節將DLMP 分為有功基礎電價、無功基礎電價、電壓支撐價格、阻塞管理電價、網損邊際電價、基礎氣價以及氣壓支撐價格7 類邊際價格，通過多類型市場主體對不同邊際價格信號的響應為區域綜合能源系統提供電壓支撐和氣壓支撐。

由于第2 節中介紹的運營商出清優化模型中多個約束條件為非凸約束，屬于非凸規劃問題，因此上述模型不能直接用于計算DLMP，需要進一步轉化為凸優化問題。

3.1 基于網損靈敏度的潮流方程線性化

進一步地，通過分別求取式（10）和式（11）對節點凈負荷的偏導，可得到配電網支路l有功網損和無功網損與節點j凈負荷的關系，即網損靈敏度因子。

3.2 節點電壓線性化

根據相關標準，正常情況下配電網中節點電壓范圍通常在［0.95，1.05］p.u.，因此可假設節點電壓運行在1.0 p.u.附近，從而有：

同時考慮到節點電壓計算式（12）中非線性部分的數值遠小于線性部分，本文首先忽略式（12）中的非線性項，并將式（31）代入式（12）中，有：

3.3 支路潮流約束線性化

由于支路潮流傳輸容量約束式（14）刻畫的可行域為圓的內部，本文采用如附錄A 圖A1所示的多邊形近似的方法對其進行線性化處理［22］，由于正多邊形的頂點都位于圓周上，因此可以得到線性化后的相應系數。

3.4 氣壓約束線性化

由于配氣網一般采用輻射形結構，調壓站一般為配氣網中氣壓最高的節點，網絡末端為氣壓最低的節點，因此只要網絡末端節點的氣壓高于系統氣壓下限，即可滿足氣壓約束。同樣借助3.1節中定義的功率轉移矩陣H，可將管道氣流量表示成與節點基礎氣負荷及微型燃氣輪機氣負荷有關的形式，具體如下：

3.5 LMP的分解

在區域綜合能源系統中，DLMP 可作為激勵用戶及分析系統運行狀態的有效手段。傳統的DLMP定價方法在求解時，由于拉格朗日函數中僅功率平衡約束項中存在節點凈負荷變量，而節點電壓等未轉化為節點凈負荷的顯函數，因此僅功率平衡約束項對應的乘子被反映在最終的邊際價格里；在氣電區域綜合能源系統中，LMP 同時受限于多類能源網約束，傳統DLMP 方法無法分析是由哪類能源系統導致價格變化，因此，本文首先借助第3 節中的各類靈敏度因子將節點電壓、氣壓、支路潮流等變量轉化為節點凈負荷的顯函數，將LMP 表達為系統各項約束對偶乘子的線性函數，計算得到各節點整體的邊際價格，然后對其進行分解得到每類約束對價格的貢獻值。通過對DLMP 的分解，市場運營商可以為市場主體提供的不同調節服務提供針對性的補償，進一步地，可根據市場主體對不同價格信號的響應促使其按照相應價格信號調節自身運行方式，支撐系統運行。

至此，在電壓支撐電價和氣壓支撐價格的激勵下，不同市場主體可以調節自身的運行方式從而支撐系統運行。

4 算例分析

4.1 系統數據

4.2 LMP及其分解

本節主要驗證價格信號對分布式資源的激勵作用，不同市場主體根據系統運營商下發的不同價格信號，采取自身利益最大化為目標的手段調控分布式資源的運行方式，并假設系統內所有市場主體按照邊際成本進行交易。區域綜合能源系統運營商日前市場出清的有功節點邊際電價、無功節點邊際電價如圖2所示。

圖2 區域綜合能源系統節點邊際電價出清結果Fig.2 Market clearing results of locational marginal price for regional integrated energy system

由圖2（a）可知，有功節點邊際電價隨時間的變化趨勢和系統運營商的有功基礎購電價格相似，說明該價格是影響有功節點邊際電價的主要因素；進一步，沿y軸節點編號方向分析，為更直觀顯示，附錄C 圖C3 給出了14:00 時配電網各節點的有功邊際電價，由圖可知節點有功邊際電價在節點18 處發生突變，進一步分析14:00時配電網節點18與節點19、2 的有功邊際電價和無功邊際電價各分量的對比情況，如附錄C 圖C4 所示，可見節點18 與節點19、2 的各分量的差異集中在電壓支撐分量和網損電價分量上，這是由于節點18 處于配電網絡支路末端，而節點19、2 臨近變壓器節點，靠近支路首端，導致節點18 對應的網損增大，相應網損電價分量也有所提高，同時由于節點18 是分布式光伏接入節點，系統運營商需要制定相應的電壓支撐電價以維持系統電壓在正常水平。

由圖2（b）可知，在［10:00，16:00］時段時，無功節點邊際電價出現負值，正好對應光伏有功出力高峰時段，這是因為當光伏向系統輸送有功功率時會抬升并網點電壓，此時需要其吸收部分無功功率以降低節點電壓，因此綜合能源系統運營商需要制定負的電壓支撐電價以激勵DG 吸收部分無功功率以維持系統電壓在正常水平，這在附錄C 圖C5 所示的配電網中各節點電壓分布圖中可進一步得到驗證，由圖可知，配電網節點18 在［10:00，16:00］時段的電壓均達到系統電壓上限值12.66 kV。

為進一步說明節點邊際電價各分量對市場主體的激勵作用，根據光伏出力曲線特征選取若干典型時刻得到配電網節點18、2 的邊際電價在所選時刻各分量的分解結果分別如表1 和附錄C 表C1 所示，附錄C 圖C6 展示了配電網節點18 的邊際電價與基礎電價的差異對比。當阻塞管理電價和電壓支撐電價為正值時，表明相應節點處的市場主體如果增加功率輸出則可以緩解線路阻塞和系統低電壓狀態；反之，當阻塞管理電價和電壓支撐電價為負值時，表明相應節點處的市場主體如果降低功率輸出則可以緩解線路阻塞和系統過電壓水平。

表1 配電網節點18的邊際電價分解結果Table 1 DLMP and its components at Node 18

區域綜合能源系統運營商日前市場出清的配氣網節點3、4、7、22 的邊際氣價如圖3 所示，由于配氣網中氣流量守恒，因此所有節點的基礎購氣價格相同。由圖可知，節點3、4、7、22 在16:00 和21:00 時刻的氣壓支撐價格出現正值。

圖3 區域綜合能源系統氣壓支撐價格出清結果Fig.3 Market clearing results of node pressure support price for regional integrated energy system

配氣網各節點的氣壓分布如附錄C 圖C7 所示。由圖可知，配氣網節點11、24 在16:00 和21:00 時刻的氣壓均接近系統氣壓下限0.2 MPa，此時若連接在同一支路上的商業樓宇內微型燃氣輪機滿負荷運行，則系統末端節點的氣壓將低于系統氣壓下限，因此系統運營商通過提高商業樓宇接入節點3、4、7、22 的氣壓支撐價格，促使商業樓宇內的微型燃氣輪機降低輸出電功率和天然氣耗量，從而保證系統運行安全。

4.3 不同定價策略機制的對比

為進一步驗證綜合能源系統運營商采用基于LMP 的市場定價策略的優越性，設置2 種方案（方案1為采用本文提出的LMP分解定價策略；方案2為采用批發側市場出清的節點邊際電價作為基準電價）進行比較，以分析不同定價策略機制對綜合能源系統運營商轄區內配電網節點電壓以及配氣網節點氣壓的影響。

2 種方案中，各市場主體以價格接受者的形式響應不同的價格信號，在第1 節介紹的相應運行約束下，以自身利益最大化為目標調節運行方式；當各市場主體的運行狀態確定后可進一步確定綜合能源系統內節點電壓和節點氣壓的分布情況。附錄C 圖C8 給出了不同方案下分布式光伏出力情況對比?？梢钥闯觯涸诜桨? 下，由于節點14、18 的有功和無功節點邊際電價的差異性，分別接在節點14、18 的分布式光伏會根據相應節點邊際電價調節自身出力，從而導致其有功出力值的不同；而在方案1 統一的基準電價下，不同節點處的分布式光伏對價格信號的響應并無明顯區別，其對系統的影響可通過圖4 所示的某一時刻2 種方案下配電網節點電壓和配氣網節點氣壓的對比得到進一步說明。

由圖4 可知：在方案1 下，系統各節點的電壓和氣壓均能維持在正常范圍內，這是因為在方案1 下，12:00 時配電網節點14、18 處的無功節點邊際電價為負值，促使該節點處的分布式光伏吸收部分無功功率以降低系統電壓水平；對于配氣網而言，在方案1 下，21:00 時商業樓宇的接入節點3、4、7、22 的節點邊際氣價為正值，促使商業樓宇內微型燃氣輪機減少耗氣量來降低輸出電功率從而提高配氣網節點氣壓。這進一步驗證了本文所提基于LMP 分解的定價策略的有效性。

圖4 2種方案結果對比Fig.4 Comparison of results between two schemes

5 結論

本文建立了含多市場主體的氣電區域綜合能源系統日前市場出清模型，從激勵價格角度出發，通過價格信號引導不同市場主體調節自身運行方式，得到的主要結論如下：

1）所提出的市場定價策略綜合考慮了無功功率、電壓約束和氣網約束對系統的影響，能夠激勵不同市場主體調節自身運行方式以響應系統需求；

2）通過將LMP 分解為有功基礎電價、無功基礎電價、阻塞管理電價、電壓支撐電價、網損邊際電價、基礎氣價和氣壓支撐價格，能夠對市場主體提供的不同輔助服務進行合理的補償，所提市場出清模型能夠有效地為系統提供電壓和氣壓支撐。

本文借鑒電力系統中較為成熟的節點邊際電價理論對未來氣電區域綜合能源系統的市場定價策略進行了初步的探索，未來可結合非凸定價理論開展進一步研究。

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