面向分布式主體的可交易能源系統(tǒng):體系架構(gòu)、機(jī)制設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)

陳啟鑫, 王克道, 陳思捷, 夏 清

(1. 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(清華大學(xué)), 北京市 100084;2. 電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(上海交通大學(xué)), 上海市 200240)

0 引言

隨著大量分布式新能源、分布式儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車、智能用電設(shè)備等接入電網(wǎng),電力系統(tǒng)的運(yùn)行將面臨著新的環(huán)境,給系統(tǒng)供需平衡帶來了更大的不確定性,對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提出了更大的挑戰(zhàn)。

為適應(yīng)新的情形,通過激發(fā)用戶側(cè)的需求響應(yīng)潛力,促進(jìn)供需實(shí)時(shí)平衡無疑是一個(gè)重要的發(fā)展方向。然而,現(xiàn)有的電力系統(tǒng)仍然存在著明顯的層級(jí)結(jié)構(gòu),分散的用戶群體和分布式電源處于結(jié)構(gòu)底層,與市場的電價(jià)信號(hào)相對(duì)“絕緣”,參與系統(tǒng)供需平衡與優(yōu)化調(diào)節(jié)的動(dòng)力不足、能力欠缺。盡管近年來業(yè)界也提出了需求側(cè)管理、需求響應(yīng)等新的機(jī)制,但實(shí)際效果并不顯著,僅有一小部分彈性較高的用戶能主動(dòng)參與平衡調(diào)節(jié)。以美國PJM電力市場為例,其日前參與申報(bào)具有價(jià)格彈性用電需求的市場用戶,用電量大致僅為全系統(tǒng)用電量的1%～3%。

為了進(jìn)一步促進(jìn)供需互動(dòng)、維護(hù)系統(tǒng)平衡，可交易能源(transactive energy,TE)的概念被提出。其定義最初是由美國GridWise Architecture Council(GWAC)在2013年提出。GWAC在其GridWise Transactive Energy Framework中,將可交易能源概括為“一套通過經(jīng)濟(jì)手段和控制手段,以價(jià)值為參數(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)全局供需動(dòng)態(tài)平衡的電力系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制”[1]。

廣義的可交易能源機(jī)制覆蓋了各類具有價(jià)值響應(yīng)特性的電力交易形式,包括批發(fā)市場和零售市場。然而,現(xiàn)有的市場機(jī)制下,電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀況與價(jià)格信號(hào)大多沒有傳遞到終端用戶,配售側(cè)交易的價(jià)值響應(yīng)特性和供需調(diào)節(jié)能力弱,也沒有能夠激發(fā)分布式電源參與市場,這一方面是由于配電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有的分布式電源數(shù)量少、功率低,一般僅作為自發(fā)自用;另一方面是由于缺乏支持終端用戶與分布式電源參與市場的政策約束和技術(shù)支撐。

近年來,隨著售電市場的逐漸開放、分布式電源的快速發(fā)展、用戶側(cè)智能設(shè)備的不斷普及,以及支持去中心化交易的區(qū)塊鏈技術(shù)的試驗(yàn)應(yīng)用,受益于政策導(dǎo)向、用戶需求和技術(shù)支撐,使得提出一套面向分布式市場主體的可交易能源體系與機(jī)制成為可能。需要說明的是,本文所討論的可交易能源系統(tǒng),其交易范圍定位于配電網(wǎng)層面,面向新型的分布式市場主體,通過供需雙方直接實(shí)時(shí)互動(dòng),以去中心化為特征形成交易體系。交易主體包括終端消費(fèi)者、分布式電源、分布式儲(chǔ)能、售電商等;交易標(biāo)的包括了能量交易與調(diào)頻等輔助服務(wù),也可以是其他的增值服務(wù);交易雙方針對(duì)參考市場中形成的價(jià)格信號(hào)做出交易決策,自主開展交易的發(fā)起、確認(rèn)、執(zhí)行、驗(yàn)證等行為,這些交易行為將通過各種智能化設(shè)備響應(yīng)執(zhí)行,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的供需對(duì)接。

面向分布式主體的可交易能源系統(tǒng)在配電網(wǎng)側(cè)形成扁平化,甚至去中心化的交易體系架構(gòu),有利于提升市場成員交易的便利性;而以直接交易、按報(bào)價(jià)支付(PAB)為特征的交易機(jī)制也為分布式電源、儲(chǔ)能、用戶等參與市場并從變動(dòng)的價(jià)格中“獲利”提供了可能性?？山灰啄茉聪到y(tǒng)的機(jī)制設(shè)計(jì),實(shí)質(zhì)上是將響應(yīng)擴(kuò)展到需求與供給雙側(cè),通過設(shè)計(jì)合理、有效的激勵(lì)機(jī)制,能夠達(dá)到個(gè)體收益與系統(tǒng)效益的激勵(lì)相容[2]。

可交易能源目前已經(jīng)吸引了眾多研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者的研究興趣。理論探討方面:文獻(xiàn)[3]提到了“C2C交易平臺(tái)”，即可交易能源系統(tǒng)的雛形,文獻(xiàn)[4-9]討論了可交易能源的背景、特征、意義等;文獻(xiàn)[10-11]探討了通過多層能量調(diào)度系統(tǒng)的調(diào)控,在可交易能源機(jī)制下實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行,文獻(xiàn)[12-13]論述了用戶在可交易能源系統(tǒng)中自身用電行為的優(yōu)化;文獻(xiàn)[14-17]列舉了可交易能源系統(tǒng)中不同市場主體的成本和收益,進(jìn)行了終端用戶的成本效益分析。工程項(xiàng)目方面:文獻(xiàn)[18-19]介紹并分析了現(xiàn)有的西北太平洋智能電網(wǎng)示范工程(PNWSGD)項(xiàng)目中區(qū)域間能量交易的實(shí)現(xiàn)方式;文獻(xiàn)[20]探討了可交易能源系統(tǒng)在孤島微網(wǎng)環(huán)境下的應(yīng)用可能性。此外,部分研究工作拓展了可交易能源的應(yīng)用范疇,文獻(xiàn)[21-22]分別論述了可交易能源系統(tǒng)與智慧城市和能源網(wǎng)(enernet)的關(guān)系。

盡管現(xiàn)有的研究工作已對(duì)可交易能源系統(tǒng)的概念、意義等方面進(jìn)行了探討,并分析了一些具體的應(yīng)用場景和效益,但目前的研究沒有聚焦可交易能源系統(tǒng)去中心化、分布式等“新”的特性;對(duì)交易缺乏具體的設(shè)計(jì)描述,研究較為概念化;尤其沒有結(jié)合大量分布式主體接入,在配電網(wǎng)層面上開展可交易能源系統(tǒng)的體系構(gòu)建、具體的交易關(guān)系梳理與機(jī)制設(shè)計(jì),沒有呈現(xiàn)具體場景下可交易能源系統(tǒng)的運(yùn)行方式。這些恰是本文的研究主題所在。

1 可交易能源系統(tǒng)的特征與意義

可交易能源系統(tǒng)中,配電網(wǎng)范圍內(nèi)終端消費(fèi)者、分布式電源、分布式儲(chǔ)能、售電商等之間實(shí)時(shí)發(fā)生著分散的、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的交易,交易的決策由各交易主體自行制定,交易達(dá)成后將自動(dòng)執(zhí)行。其主要具備以下特性[2]。

1)去中心化:可交易能源系統(tǒng)的交易主體是分布式的,交易過程是分散化、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的,也就是說各主體對(duì)等,交易網(wǎng)絡(luò)是去中心化的。

2)自優(yōu)化:交易主體為自愿參與交易,在價(jià)值信號(hào)的作用下能自我判斷并執(zhí)行,以這樣的方式完成系統(tǒng)的優(yōu)化,而不是單純地響應(yīng)一個(gè)集中機(jī)構(gòu)的調(diào)度指令。

3)自動(dòng)化:價(jià)值信號(hào)處于不斷的變化中,出于動(dòng)態(tài)平衡的要求,交易過程在決策階段和執(zhí)行階段都要盡可能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,以達(dá)到實(shí)時(shí)響應(yīng)的目的。

4)價(jià)值響應(yīng):價(jià)值信號(hào),即市場中形成的價(jià)格信號(hào),反映了供求關(guān)系,其能影響到交易的量、方向等,即交易具備價(jià)值響應(yīng)特征。

引入可交易能源機(jī)制,對(duì)于電力行業(yè)系統(tǒng)全局與市場成員個(gè)體而言,均具有其重要的意義。從全局上看,其意義在于以下幾點(diǎn)。

1)在價(jià)值信號(hào)下實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)供求平衡,有利于激發(fā)需求側(cè)的響應(yīng)能力,有效解決可再生能源消納問題,提高系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性。

2)有利于消除電力系統(tǒng)、電力市場中的信息不對(duì)稱,將價(jià)值合理分配給系統(tǒng)中各主體,通過市場的方式解決問題,做到資源的有效配置,提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

3)以價(jià)格信號(hào)促進(jìn)分布式電源自行優(yōu)化其生產(chǎn)行為,有利于降低系統(tǒng)調(diào)度控制的難度。

4)適應(yīng)電力系統(tǒng)從集中式向分布式的轉(zhuǎn)變,推進(jìn)電力系統(tǒng)更加設(shè)備智能、信息互聯(lián)、市場開放。

5)促進(jìn)分布式電源投資由政府規(guī)劃向市場引導(dǎo)的轉(zhuǎn)變,促進(jìn)分布式可再生能源的進(jìn)一步發(fā)展,為能源轉(zhuǎn)型、環(huán)境保護(hù)作出貢獻(xiàn)。

從交易成員層面來看,其意義主要體現(xiàn)在成員的經(jīng)濟(jì)效益與用戶用能體驗(yàn)的提升上,本文總結(jié)如下。

1)豐富市場成員的購電途徑。用戶除了從售電商購電外,還可能以不同的價(jià)格從其他分布式電源處購電,提升了售電側(cè)的市場競爭。除了用戶以外,售電商也可以擴(kuò)展其交易渠道,除了從批發(fā)市場購電外,也可從分布式電源處購電。

2)增加分布式電源的售電途徑?，F(xiàn)有機(jī)制下,分布式電源一般采用“自發(fā)自用、余量上網(wǎng)”的機(jī)制,以一個(gè)固定的價(jià)格或批發(fā)市場的實(shí)時(shí)電價(jià)出售電能。在可交易能源機(jī)制下,其將擁有定價(jià)權(quán),可通過更加靈活的交易機(jī)制售出余量。

3)售電商、配電網(wǎng)運(yùn)營商等可以通過交易的形式實(shí)時(shí)滿足其需求,降低偏差懲罰等,從而提高其收益。

4)提升成員的自主性,為各成員主動(dòng)參與零售市場、編制個(gè)性化定價(jià)方案等提供可能性。

2 可交易能源系統(tǒng)的體系設(shè)計(jì)

2.1 可交易能源系統(tǒng)的市場主體

可交易能源系統(tǒng)中的相關(guān)市場主體包括但不限于以下幾個(gè)方面。

1)終端消費(fèi)者、電源及儲(chǔ)能等分布式主體:分布式電源和儲(chǔ)能既可以有單獨(dú)的運(yùn)營主體,又可以“植入”終端用戶。普遍性起見,本文將討論的對(duì)象集中于終端用戶,將其分為普通消費(fèi)者(consumer)和生產(chǎn)型消費(fèi)者(prosumer)兩種[10]。生產(chǎn)型消費(fèi)者即具備分布式電源;對(duì)于生產(chǎn)型消費(fèi)者,又區(qū)分為有儲(chǔ)能能力和無儲(chǔ)能能力兩個(gè)子類。

2)售電商:可交易能源系統(tǒng)中,售電商可以作為獨(dú)立的市場主體,在配電網(wǎng)層面與其他成員進(jìn)行交易，也可以作為用戶參與批發(fā)市場進(jìn)行交易的代理商,即售電商同時(shí)具有代理屬性和交易屬性。

3)配電系統(tǒng)運(yùn)營商(DSO):可交易能源機(jī)制下,配電系統(tǒng)運(yùn)營商也可以作為獨(dú)立的市場主體參與交易,向配電網(wǎng)中的用戶發(fā)布特定的交易需求,此外,其依然為區(qū)域提供配電服務(wù),收取配電費(fèi)用,擁有配電網(wǎng)資產(chǎn),負(fù)責(zé)配電網(wǎng)規(guī)劃、建設(shè)、維護(hù)等,即DSO同時(shí)具備配電網(wǎng)運(yùn)營屬性和交易屬性。

此外,為避免出現(xiàn)違反安全約束的交易和故意制造阻塞以控制市場等行為,DSO還具備安全預(yù)警發(fā)布、臨時(shí)交易剪裁和關(guān)閉交易等權(quán)責(zé)。DSO實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),預(yù)期可能發(fā)生違規(guī)交易時(shí),可以提示對(duì)應(yīng)線路、變壓器的負(fù)荷重載,或發(fā)布對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)發(fā)電出力的約束;當(dāng)形成的交易提交到DSO,其交割違背系統(tǒng)安全約束時(shí),DSO直接實(shí)施交易裁剪,并公布相關(guān)信息;當(dāng)系統(tǒng)處于高負(fù)載或者不穩(wěn)定情況時(shí),DSO甚至可以根據(jù)市場規(guī)則暫停交易,直至系統(tǒng)恢復(fù)正常。

2.2 可交易能源系統(tǒng)的交易機(jī)制

由上述對(duì)可交易能源主體的描述,得出可交易能源系統(tǒng)的交易架構(gòu),如圖1所示。

該架構(gòu)是一個(gè)扁平、去中心化的配售側(cè)交易架構(gòu),交易行為在一個(gè)去中心化的公共交易平臺(tái)上自主達(dá)成并自動(dòng)執(zhí)行。各類交易主體的交易行為包括但不限于以下幾個(gè)方面。

1)生產(chǎn)型消費(fèi)者擁有分布式電源,可以提交其富余的生產(chǎn)能力,將發(fā)電余量在平臺(tái)上出售。

2)具備儲(chǔ)能的生產(chǎn)型消費(fèi)者享有對(duì)自身儲(chǔ)能的控制權(quán),在充放條件允許的情況下可自由參與交易。

3)任一購電方可以選擇在平臺(tái)上實(shí)時(shí)購買電能,這種交易行為與其跟售電商的長期交易合約可以并存。

圖1 可交易能源系統(tǒng)的交易架構(gòu)Fig.1 Transaction structure of transactive energy system

4)售電商由于其代理用戶的用電量偏差或交易誤差,存在著實(shí)時(shí)的功率偏差(批發(fā)市場上往往對(duì)功率偏差采用實(shí)時(shí)價(jià)格結(jié)算,風(fēng)險(xiǎn)較大,部分市場甚至引入了偏差懲罰機(jī)制)[23],可以通過可交易能源平臺(tái)對(duì)偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)。

5)配電運(yùn)營商也可參與市場交易,以實(shí)現(xiàn)降低其與主網(wǎng)的交換功率、減少重載設(shè)備運(yùn)行壓力、減少網(wǎng)損等目標(biāo)[24]。此類需求也可以轉(zhuǎn)化為具體的交易標(biāo)的(服務(wù)類),在平臺(tái)上向部分或全部成員發(fā)布,如向某條饋線上成員發(fā)布降負(fù)荷請(qǐng)求等。

6)其他增值服務(wù)及一些可轉(zhuǎn)讓的金融合約等,也可以在交易平臺(tái)上進(jìn)行交易。

從交易的時(shí)間尺度來看,可交易能源系統(tǒng)中現(xiàn)貨交易和中長期交易并存,如購電方與售電商以中長期的菜單電價(jià)達(dá)成交易,也可以從生產(chǎn)型消費(fèi)者處實(shí)時(shí)交易購電。

從交易的標(biāo)的分類來看,可以是能量、輔助服務(wù)、增值服務(wù)、金融合約等。交易的達(dá)成代表了電能傳輸、服務(wù)確認(rèn)、合同轉(zhuǎn)移等。

從交易的操作層面來看,可交易能源系統(tǒng)中交易的執(zhí)行大多是自動(dòng)化的,交易的決策和確認(rèn)過程也盡可能自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)[25]。這不僅能靈敏響應(yīng)價(jià)值信號(hào),降低人力成本,而且能保證交易執(zhí)行真實(shí)有效,對(duì)系統(tǒng)而言則有利于提高實(shí)時(shí)平衡能力。

相比于傳統(tǒng)電力系統(tǒng),以上的去中心化的公共交易平臺(tái),能夠整合不同類型的交易方式,有效打破信息隔離,對(duì)系統(tǒng)具備整體優(yōu)化功能。但同時(shí)交易關(guān)系在時(shí)間和空間上更加復(fù)雜,需要先進(jìn)的信息技術(shù)與智能技術(shù)進(jìn)行支撐。

總之,在該交易機(jī)制下,交易是去中心化的,交易雙方可以自由選擇交易的達(dá)成,不需要經(jīng)過第三方審核;交易標(biāo)的是多樣化的;交易類型是跨時(shí)間尺度的；交易執(zhí)行是自動(dòng)化的?？山灰啄茉聪到y(tǒng)不僅能滿足微觀層面上交易主體的經(jīng)濟(jì)效益和各類個(gè)性化需求,也能滿足宏觀層面上系統(tǒng)供需平衡、系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行等的調(diào)節(jié)需求。

2.3 可交易能源系統(tǒng)的運(yùn)行方式

可交易能源系統(tǒng)的運(yùn)行過程,是成員在該機(jī)制下需求發(fā)布、交易匹配、合約執(zhí)行的過程。從交易組織的角度,可以分為“發(fā)起、確認(rèn)、執(zhí)行、驗(yàn)證”4個(gè)環(huán)節(jié)。以下將分別從這4個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)可交易能源的運(yùn)行方式進(jìn)行闡述。

2.3.1交易的發(fā)起

將可交易能源系統(tǒng)中的交易分為自動(dòng)發(fā)起和人工發(fā)起兩大類。自動(dòng)發(fā)起交易的交易邏輯簡單,發(fā)起過程易于規(guī)范化,可編程控制,能夠自動(dòng)化實(shí)現(xiàn),如能量交易、部分輔助服務(wù)交易等;人工發(fā)起交易隨機(jī)性較高,主體性明顯(即摻雜較多主觀因素成分),如售電商偏差調(diào)節(jié)的交易,配電運(yùn)營商減小網(wǎng)損的交易等,發(fā)起不易完全自動(dòng)化實(shí)現(xiàn),往往需要人工輔助,甚至完全由人工發(fā)起。

自動(dòng)發(fā)起交易由成員的智能決策系統(tǒng)發(fā)起,能夠做到“實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),自動(dòng)發(fā)起”。例如：在能量交易中,生產(chǎn)型消費(fèi)者利用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),綜合發(fā)電預(yù)測(cè)、負(fù)荷預(yù)測(cè)、儲(chǔ)能預(yù)測(cè)與實(shí)時(shí)電價(jià)預(yù)測(cè)的結(jié)果做出交易決策,交易的時(shí)間、功率等要素確定后,以標(biāo)價(jià)掛牌方式向交易平臺(tái)上其他成員提出交易請(qǐng)求。該類型交易按照標(biāo)準(zhǔn)化的格式發(fā)起。

人工發(fā)起交易的發(fā)起策略,一般需要人為制定。如售電商或配電服務(wù)商對(duì)正在面臨或預(yù)期的某個(gè)特定需求,可以人為將其轉(zhuǎn)換為可交易的標(biāo)的,向系統(tǒng)內(nèi)全體或特定成員發(fā)送,該類型交易的發(fā)起格式也不固定,在緊急情況下可以按照標(biāo)準(zhǔn)格式發(fā)出,以得到自動(dòng)化回應(yīng)。

此外,交易的發(fā)起通常要對(duì)發(fā)起人的履約能力進(jìn)行審核。由于可交易能源系統(tǒng)是去中心化的,因此沒有獨(dú)立的校核機(jī)構(gòu),審核由智能校核系統(tǒng)完成,該系統(tǒng)將綜合成員的交易狀態(tài)(是否有未完成交易等)、歷史交易及違約記錄(成員自動(dòng)存儲(chǔ))等作出審核。

2.3.2交易的確認(rèn)

在交易的確認(rèn)環(huán)節(jié),也區(qū)分為自動(dòng)確認(rèn)和人工確認(rèn)兩大類。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)格式發(fā)出的交易請(qǐng)求,智能決策系統(tǒng)能夠結(jié)合自身信息給出自動(dòng)回復(fù),交易的發(fā)起方在收到多個(gè)回復(fù)時(shí),參照時(shí)間優(yōu)先、價(jià)格優(yōu)先等原則進(jìn)行自動(dòng)確認(rèn)。對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)格式發(fā)出的交易請(qǐng)求,需要經(jīng)過人為決策給出回復(fù),交易也可能要經(jīng)過雙方多次協(xié)商才能得到最終確認(rèn)。

交易確認(rèn)也需對(duì)回應(yīng)方的履約能力進(jìn)行審核,這同樣由智能校核系統(tǒng)完成,過程與發(fā)起環(huán)節(jié)類似。

需要說明的是,一旦交易經(jīng)過確認(rèn),將自動(dòng)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)合約。合約包含交易時(shí)間、交易內(nèi)容等,由交易雙方自動(dòng)存儲(chǔ),以備交易驗(yàn)證和最終結(jié)算。

2.3.3交易的執(zhí)行

交易的執(zhí)行環(huán)節(jié)為統(tǒng)一的自動(dòng)執(zhí)行,由成員的自動(dòng)執(zhí)行終端完成。該終端能對(duì)分布式電源、分布式儲(chǔ)能、智能用電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、輸出/消耗功率等物理量進(jìn)行控制,嚴(yán)格按照已確認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)交易合約內(nèi)容,在約定的時(shí)間執(zhí)行。同時(shí),無論是否有交易在執(zhí)行,成員的輸入輸出功率、時(shí)間等關(guān)鍵指標(biāo)均由智能電表不間斷監(jiān)測(cè)并存儲(chǔ)。

2.3.4交易的驗(yàn)證

對(duì)于電力市場而言,由于電網(wǎng)中對(duì)于電能的傳輸基于基爾霍夫定律,所以電力交易一般不區(qū)分“哪個(gè)電源提供給了哪個(gè)用戶”,而只考察合約雙方是否分別執(zhí)行了其約定的行為。例如:發(fā)電方是否按合約發(fā)電,用電方是否按合約用電。當(dāng)有一方未能履約時(shí),只判定一方違約,而另一方不承擔(dān)違約責(zé)任。

由此,驗(yàn)證時(shí)只需對(duì)成員智能電表的歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,對(duì)照合約就能評(píng)定各自的履約狀況(如可以通過最近連續(xù)若干天同一時(shí)間的功率監(jiān)測(cè)值得出一個(gè)基準(zhǔn)值,將合約時(shí)間內(nèi)的監(jiān)測(cè)值與該基準(zhǔn)值比較,得出合約的實(shí)際執(zhí)行情況),該功能由成員的智能驗(yàn)證終端完成,最終將評(píng)定結(jié)果自動(dòng)存儲(chǔ)。評(píng)定結(jié)果也可以作為成員信用等級(jí)的判定標(biāo)準(zhǔn),在可交易能源系統(tǒng)引入信用體系和懲罰機(jī)制后,進(jìn)一步減小交易的不確定性。

上述交易的發(fā)布和匹配等流程已經(jīng)以訂單模式在其他眾多領(lǐng)域得到成功的應(yīng)用。作為參考,也可將該模式應(yīng)用到可交易能源系統(tǒng)中[3],如圖2所示。

圖2 訂單模式在可交易能源系統(tǒng)中的應(yīng)用Fig.2 Application of order model in transactive energy system

該模式下,訂單發(fā)布平臺(tái)即交易平臺(tái),不斷更新實(shí)時(shí)電價(jià)和訂單、需求公告等;訂單發(fā)布對(duì)應(yīng)交易發(fā)起、搶單對(duì)應(yīng)成員回復(fù)、付款對(duì)應(yīng)交易確認(rèn)。達(dá)成標(biāo)準(zhǔn)化合約后由自動(dòng)執(zhí)行終端完成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易。

2.4 可交易能源系統(tǒng)的效益分析

可交易能源作為一個(gè)新的機(jī)制,為配售側(cè)成員提供了一個(gè)市場化的交易平臺(tái),其運(yùn)行的必要條件是有足夠的成員參與,而成員在該平臺(tái)“能夠獲益”是保證成員數(shù)量和交易量的重要前提。

首先給出美國德州休斯頓地區(qū)一日內(nèi)典型的電價(jià)曲線(批發(fā)市場),如圖3所示,其中實(shí)時(shí)電價(jià)處于波動(dòng)狀態(tài),在用電高峰階段電價(jià)明顯上漲;銷售電價(jià)(或稱套餐電價(jià)、菜單電價(jià))是用戶從售電商處的購電價(jià)格[26],大多是固定的?？梢钥闯?實(shí)時(shí)電價(jià)有可能低于或高于銷售電價(jià)。

圖3 典型日電價(jià)曲線Fig.3 Electricity price curve in a typical day

現(xiàn)有機(jī)制下,分布式發(fā)電的余量通常被售電商收購,其上網(wǎng)電價(jià)有標(biāo)桿電價(jià)加補(bǔ)貼形式或?qū)崟r(shí)電價(jià)形式,在本文中假設(shè)為實(shí)時(shí)電價(jià)收購;可交易能源機(jī)制下,分布式發(fā)電量將不再被收購,而完全以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易售出,售電商也可作為交易方從生產(chǎn)型消費(fèi)者處購電。事實(shí)上,與現(xiàn)有機(jī)制相比,成員在可交易能源機(jī)制下有獲利的空間。

1)參考文獻(xiàn)[27]，當(dāng)實(shí)時(shí)電價(jià)低于菜單電價(jià)時(shí),生產(chǎn)型消費(fèi)者可以按某個(gè)高于實(shí)時(shí)電價(jià)但低于套餐電價(jià)的價(jià)格與其他終端用戶達(dá)成交易,這是因?yàn)榻K端用戶有購買低于套餐電價(jià)電量的需求;當(dāng)實(shí)時(shí)電價(jià)高于菜單電價(jià)時(shí),可以按某個(gè)低于實(shí)時(shí)電價(jià)的價(jià)格與售電商達(dá)成交易,這是因?yàn)槭垭娚逃匈徺I低于實(shí)時(shí)電價(jià)電量的需求。由于套餐電價(jià)通常高于實(shí)時(shí)電價(jià),生產(chǎn)型消費(fèi)者收入得到提升。

2)對(duì)于普通消費(fèi)者,當(dāng)實(shí)時(shí)電價(jià)低于菜單電價(jià)時(shí),在可交易能源機(jī)制下可以從其他生產(chǎn)型消費(fèi)者處購買到低于套餐電價(jià)的電量，以降低購電成本。

3)對(duì)于售電商,當(dāng)實(shí)時(shí)電價(jià)高于菜單電價(jià)時(shí),有可能從其他生產(chǎn)型消費(fèi)者處購買到低于實(shí)時(shí)電價(jià)的電量,但總體而言,其從用戶處賺取的套餐電價(jià)與實(shí)時(shí)電價(jià)差額將會(huì)減少。這也促使傳統(tǒng)售電商身份的轉(zhuǎn)換,如提供多元化的服務(wù)提高競爭力,售電商可以選擇建立和維護(hù)一個(gè)區(qū)域內(nèi)的可交易能源系統(tǒng),賺取成員準(zhǔn)入費(fèi)用等[28]。此外售電商可以通過交易滿足其風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避需求。

4)對(duì)于配電網(wǎng)運(yùn)營商,可交易能源機(jī)制下可以通過交易滿足其各種輔助服務(wù)需求。

3 可交易能源系統(tǒng)的支撐技術(shù)

可交易能源系統(tǒng)中,去中心化的交易體系及自動(dòng)化的交易決策和執(zhí)行等,均需要各類先進(jìn)設(shè)備和技術(shù)的支撐,即可交易能源系統(tǒng)的政策制度和商業(yè)模式應(yīng)當(dāng)建立在成熟可靠的底層技術(shù)之上。結(jié)合2.3節(jié)中對(duì)于可交易能源系統(tǒng)的運(yùn)行方式描述,所需的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾點(diǎn)。

1)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)技術(shù):在可交易能源系統(tǒng)中,許多決策的制定都是基于預(yù)測(cè)值,如分布式發(fā)電預(yù)測(cè)、用戶負(fù)荷預(yù)測(cè)、實(shí)時(shí)電價(jià)預(yù)測(cè)等。由于大多為實(shí)時(shí)或短期交易,提供超短期和短期精準(zhǔn)預(yù)測(cè)值能有效提升交易的可靠性、平衡調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性等。精準(zhǔn)預(yù)測(cè)是十分關(guān)鍵的技術(shù)。

2)智能決策系統(tǒng):類似文獻(xiàn)[29]所述“家庭能量管理系統(tǒng)”，智能決策系統(tǒng)用于代替人工,在實(shí)時(shí)價(jià)格、節(jié)點(diǎn)供需預(yù)測(cè)值等參數(shù)輸入下,以自身經(jīng)濟(jì)優(yōu)化為目標(biāo)制定交易計(jì)劃,簽署交易和儲(chǔ)能的充放電管理等。例如：對(duì)于具備儲(chǔ)能的生產(chǎn)型消費(fèi)者,由于購售電和儲(chǔ)能充放電的結(jié)合,用戶行為將分為5類,如表1所示。

表1 具備儲(chǔ)能的生產(chǎn)型消費(fèi)者行為分類Table 1 Performance classification of prosumerwith storage system

智能決策系統(tǒng)需要綜合電價(jià)預(yù)測(cè)、負(fù)荷預(yù)測(cè)等確定該用戶的行為是否在這5類之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換,以及何時(shí)轉(zhuǎn)換、如何轉(zhuǎn)換等,其功能如圖4所示。智能決策系統(tǒng)是“大腦”。

3)自動(dòng)執(zhí)行終端:主要完成交易的自動(dòng)執(zhí)行。涉及物理執(zhí)行的交易,執(zhí)行過程大致相同,均按照交易內(nèi)容控制功率流的流動(dòng)時(shí)間、方向、大小等。

4)智能監(jiān)測(cè)技術(shù):具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流入流出節(jié)點(diǎn)功率,并將監(jiān)測(cè)值存儲(chǔ)的功能,以備最終結(jié)算,同時(shí)也能對(duì)增值服務(wù)制定等提供數(shù)據(jù)信息。

圖4 生產(chǎn)型消費(fèi)者(具備儲(chǔ)能)的智能決策系統(tǒng)Fig.4 Intelligent decision system for prosumer with energy storage system

5)實(shí)時(shí)交易驗(yàn)證:難點(diǎn)在于如何通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判斷交易是否被執(zhí)行。例如：交易內(nèi)容為“用戶在特定時(shí)間降低負(fù)荷”,如何通過該用戶的歷史用電數(shù)據(jù)制定基準(zhǔn)值，這需要大數(shù)據(jù)分析的相關(guān)技術(shù)支持。

6)區(qū)塊鏈技術(shù):可交易能源系統(tǒng)為節(jié)點(diǎn)提供了一個(gè)主體多元、內(nèi)容公開、信息真實(shí)的交易平臺(tái),該平臺(tái)具有去中心化、分布式、交易信息可追溯等特征。以上特征是互聯(lián)網(wǎng)思維下扁平、民主、開放的要求,近年來發(fā)展的區(qū)塊鏈技術(shù),不具備中央服務(wù)器,所有節(jié)點(diǎn)平權(quán),具備可追溯性、強(qiáng)壯性,恰好迎合上述特點(diǎn)。基于底層區(qū)塊鏈技術(shù)搭建的交易平臺(tái)在國外已有試點(diǎn)工程,紐約布魯克林地區(qū)有少量用戶參與了基于區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可交易能源系統(tǒng),該系統(tǒng)中用戶能實(shí)現(xiàn)多余電量的相互交易[30]。

7)配電網(wǎng)運(yùn)行控制技術(shù):配電網(wǎng)運(yùn)營商需要對(duì)實(shí)時(shí)發(fā)生的交易行為進(jìn)行監(jiān)測(cè),在違背安全約束時(shí)進(jìn)行交易削減或發(fā)布優(yōu)化配電網(wǎng)運(yùn)行方式的交易“訂單”,能夠?qū)崿F(xiàn)配電網(wǎng)實(shí)時(shí)的運(yùn)行控制、拓?fù)渲貥?gòu)與降損分析。

此外,可交易能源系統(tǒng)中,不僅在信息層面需要配套大量的通信、采集、自動(dòng)化、智能化等技術(shù)與設(shè)備支撐;在物理層面也將由于潮流的雙向流動(dòng)等改變,需要加強(qiáng)配電網(wǎng)建設(shè),使其具備適應(yīng)大量分布式電源、儲(chǔ)能并網(wǎng)后主動(dòng)配電網(wǎng)多變的運(yùn)行方式。

4 結(jié)語

可交易能源是能源系統(tǒng)未來的發(fā)展方向,將與分布式電源、儲(chǔ)能的發(fā)展相互促進(jìn),互為支撐。符合新經(jīng)濟(jì)下共享、平等、開放、對(duì)等的“互聯(lián)網(wǎng)+”精神,是互聯(lián)網(wǎng)思維在電力行業(yè)的典型體現(xiàn)。

本文重點(diǎn)對(duì)面向分布式主體可交易能源系統(tǒng)的體系架構(gòu)、機(jī)制設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了全面、深入的探討。對(duì)具體的交易關(guān)系進(jìn)行了梳理與機(jī)制設(shè)計(jì),以呈現(xiàn)出具體場景下可交易能源系統(tǒng)的運(yùn)行方式,分析了支撐可交易能源系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)需求與實(shí)施難點(diǎn)。所討論的可交易能源系統(tǒng),從機(jī)制、運(yùn)作、技術(shù)等方面為大量分布式電源接入后，配電網(wǎng)乃至全系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行提供了一套可行的思路。

本文強(qiáng)調(diào)面向分布式和配電網(wǎng)層面的限定,一方面縮小了問題的范圍,另一方面考慮到了技術(shù)上的可實(shí)現(xiàn)性,在該限定下可交易能源系統(tǒng)的研究將更加具備可行性和必要性。在此前提下，本文呈現(xiàn)了配電網(wǎng)層面可交易能源系統(tǒng)運(yùn)行的圖景,以具體的體系架構(gòu)、機(jī)制和技術(shù)體現(xiàn)了可交易能源系統(tǒng)的特性,以實(shí)際的運(yùn)行場景詮釋了可交易能源的重要意義,使可交易能源這個(gè)新的概念“脫虛向?qū)崱?。此?經(jīng)過本文相關(guān)的頂層和細(xì)節(jié)設(shè)計(jì),也顯現(xiàn)出目前可交易能源系統(tǒng)還未涉及的論點(diǎn),如關(guān)鍵技術(shù)、運(yùn)行模擬等,將在后續(xù)的研究中進(jìn)一步加以討論。

[1] The GridWise Architecture Council. GridWise transactive energy framework version 1.0[EB/OL]. [2017-03-25]. http://www.gridwiseac.org/pdfs/te_framework_report_pnnl-22946.pdf.

[2] CHEN Sijie, LIU C C. From demand response to transactive energy: state of the art[J]. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, 2017, 5(1): 10-19.

[3] 陳啟鑫,劉敦楠,林今,等.能源互聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)模式與市場機(jī)制(一)[J].電網(wǎng)技術(shù),2015,39(11):3050-3056.

CHEN Qixin, LIU Dunnan, LIN Jin, et al. Business models and market mechanisms of energy internet (Ⅰ)[J]. Power System Technology, 2015, 39(11): 3050-3056.

[4] MASSIELLO R. Transactive energy the hot topic in the industry[J]. IEEE Power & Energy Magazine, 2016, 14(3): 14-16.

[5] RAHIMI F, IPAKCHI A. Using a transactive energy framework: providing grid services from smart buildings[J]. IEEE Power & Energy Magazine, 2016, 4(4): 23-29.

[6] KRISTOV L, MARTINI P D, TAFT J D. A tale of two visions: designing a decentralized transactive electric system[J]. IEEE Power & Energy Magazine, 2016, 14(3): 63-69.

[7] FORFIA D, KNIGHT M, MELTON R. The view from the top of the mountain: building a community of practice with the GridWise transactive energy framework[J]. IEEE Power & Energy Magazine, 2016, 14(3): 25-33.

[8] AMBROSIO R. Transactive energy systems viewpoint[J]. IEEE Electrification Magazine, 2016, 4(4): 4-7.

[9] RAHIMI F, ALBUYEH F. Applying lessons learned from transmission open access to distribution and grid-edge transactive energy systems[C]// 2016 IEEE Power & Energy Society Innovative Smart Grid Technologies Conference (ISGT), September 6-9, 2016, Minneapolis, USA.

[10] AKTER M N, MAHMUD M A, AMANULLAH M T O. A hierarchical transactive energy management system for microgrids[C]// 2016 IEEE Power and Energy Society General Meeting (PESGM), July 17-21, 2016, Boston, MA, USA.

[11] SAJJADI S M, MANDAL P, TSENG T L B, et al. Transactive energy market in distribution systems: a case study of energy trading between transactive nodes[C]// 2016 North American Power Symposium (NAPS), September 18-20, Denver, USA.

[12] PRATT A, KRISHNAMURTHY D, RUTH M,et al. Transactive home energy management systems—the impact of their proliferation on the electric grid[J]. IEEE Power & Energy Magazine, 2016, 4(4): 8-14.

[13] HWANG T, LEE I. Design of a building energy management system for transactive energy[C]// 2015 International Symposium on Consumer Electronics (ISCE), June 24-26, 2015, Madrid, Spain.

[14] SAHIN T, SHERECK D. Renewable energy sources in a transactive energy market[C]// The 2014 2nd International Conference on Systems and Informatics (ICSAI 2014),November 15-17, 2014, Shanghai, China.

[15] HAMMERSTROM D J, WIDERGREN S E, IRWIN C. Evaluating transactive systems: historical and current U.S. DOE research and development activities[J]. IEEE Power & Energy Magazine, 2016, 4(4): 30-36.

[16] AMIN U, HOSSAIN M J, LU Junwei, et al. Cost-benefit analysis for proactive consumers in a microgrid for transactive energy management systems[C]// 2016 Australasian Universities Power Engineering Conference (AUPEC),September 25-28, 2016, Brisbane, Australia.

[17] ZHANG Ni, YAN Yu, XU Shengyao, et al. Game-theory-based electricity market clearing mechanisms for an open and transactive distribution grid[C]// 2015 IEEE Power and Energy Society General Meeting (PESGM), July 26-30, 2015, Denver, USA.

[18] HUANG P, KALAGNANAM J, NATARAJAN R, et al. Analytics and transactive control design for the pacific northwest smart grid demonstration project[C]// 2010 First IEEE International Conference on Smart Grid Communications, October 4-6, 2010, Gaithersburg, USA.

[19] CHANDLER S A, RINALDI J H, BASS R B, et al. Smart grid dispatch optimization control techniques for transactive energy systems[C]// 2014 IEEE Conference on Technologies for Sustainability (SusTech), July 24-26, 2014, Portland, USA.

[20] PRINSLOO G, MAMMOLI A, DOBSON R.Participatory smart grid control and transactive energy management in community shared solar cogeneration systems for isolated rural villages[C]// 2016 IEEE Global Humanitarian Technology Conference (GHTC), October 12-16, 2016, Seattle, USA.

[21] NAIR V V, NAIR U. Distributed energy integration and transactive energy framework for a developing economy[C]// 2016 IEEE International Symposium on Technology and Society (ISTAS), October 10-12, 2016, Kerala, India.

[22] PATTERSON B T, GEARY D E. Real-time transactional power management in a microgrid mesh network: the enernet[C]// 2016 IEEE International Telecommunications Energy Conference (INTELEC), October 23-27, 2016, Austin, USA.

[23] 張欽,王錫凡,王建學(xué).需求側(cè)實(shí)時(shí)電價(jià)下供電商購售電風(fēng)險(xiǎn)決策[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2010,34(3):22-27.

ZHANG Qin, WANG Xifan, WANG Jianxue. Electricity purchasing and selling risk decision for power supplier under real-time pricing[J]. Automation of Electric Power Systems, 2010, 34(3): 22-27.

[24] 劉偉佳，吳秋偉，文福拴，等.電動(dòng)汽車和可控負(fù)荷參與配電系統(tǒng)阻塞管理的市場機(jī)制[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2014,38(24):26-33.DOI:10.7500/AEPS20131104003.

LIU Weijia, WU Qiuwei, WEN Fushuan, et al. A market mechanism for participation of electric vehicles and dispatchable loads in distribution system congestion management[J]. Automation of Electric Power Systems, 2014, 38(24): 26-33. DOI: 10.7500/AEPS20131104003.

[25] BARRAGER S, CAZALET E. Transactive energy: a sustainable business and regulatory model for electricity[M]. Reston, USA: Public Utilities Reports Inc, 2016.

[26] 白楊，謝樂，夏清，等.中國推進(jìn)售電側(cè)市場化的制度設(shè)計(jì)與建議[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2015,39(14):1-7.DOI:10.7500/AEPS20150514003.

BAI Yang, XIE Le, XIA Qing, et al. Institutional design of Chinese retail electricity market reform and related suggestions[J]. Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(14): 1-7. DOI: 10.7500/AEPS20150514003.

[27] 劉念,王程,雷金勇.市場模式下光伏用戶群的電能共享與需求響應(yīng)模型[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2016,40(16):49-55.DOI:10.7500/AEPS20160120002.

LIU Nian, WANG Cheng, LEI Jinyong. Power energy sharing and demand response model for photovoltaic prosumer cluster under market environment[J]. Automation of Electric Power Systems, 2016, 40(16): 49-55. DOI: 10.7500/AEPS20160120002.

[28] 白楊,李昂,夏清.新形勢(shì)下電力市場營銷模式與新型電價(jià)體系[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2016,44(5):10-16.

BAI Yang, LI Ang, XIA Qing. Electricity business marketing modes in the new environment and new electricity pricing systems[J]. Power System Protection and Control, 2016, 44(5): 10-16.

[29] 張倩，張盛，林孝康.基于分時(shí)電價(jià)的住宅能量管理算法[J].計(jì)算機(jī)工程,2015,41(1):279-283.

ZHANG Qian, ZHANG Sheng, LIN Xiaokang. Residential energy management algorithm based on time-of-use electricity price[J]. Computer Engineering, 2015, 41(1): 279-283.

[30] 張寧,王毅,康重慶,等.能源互聯(lián)網(wǎng)中的區(qū)塊鏈技術(shù):研究框架與典型應(yīng)用初探[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2016,36(15):4011-4022.

ZHANG Ning, WANG Yi, KANG Chongqing, et al. Blockchain technique in the energy internet: preliminary research framework and typical applications[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(15): 4011-4022.

陳啟鑫(1982—),男,通信作者,副教授,主要研究方向:電力市場、低碳電力技術(shù)、電力調(diào)度、能源互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等。E-mail： qxchen@tsinghua.edu.cn

王克道(1993—),男,碩士研究生,主要研究方向:電力市場。

陳思捷(1987—),男,特別副研究員,主要研究方向:電力市場、需求側(cè)響應(yīng)、電力系統(tǒng)運(yùn)行等。

(編輯章黎)

( continuedonpage31)( continuedfrompage7)