考慮動態(tài)過網(wǎng)費的分布式電能交易與配電網(wǎng)運營聯(lián)合交互

王蓓蓓，吳文強，張汀薈，王海偉

（1.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇省 南京市 210096；2.東南大學(xué)軟件學(xué)院，江蘇省 南京市 210096；3.國網(wǎng)安徽省電力有限公司合肥供電公司，安徽省 合肥市 230061）

0 引言

隨著分布式的光伏、風電、燃機、儲能等多種形式的分布式能源飛速發(fā)展和大規(guī)模并網(wǎng)，含高比例分布式發(fā)電（DG）的新型配電系統(tǒng)成為未來配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢，分布式電能點對點（P2P）交易的數(shù)量與規(guī)模將持續(xù)增加。在此背景下，分布式能源的滲透日益增長也給電網(wǎng)帶來了技術(shù)運營、額外成本和收賈結(jié)構(gòu)的顯著變化，在DG 直接接入的配電網(wǎng)層面，同樣需要更新配電網(wǎng)收賈結(jié)構(gòu)和運營規(guī)則以維護電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，滿足用戶需求，適應(yīng)和支撐電網(wǎng)發(fā)展轉(zhuǎn)型。然而，目前對于配電網(wǎng)電價的研究通常未考慮配電使用及服務(wù)賈用，因此，無法很好反映對配電網(wǎng)的利用程度，實現(xiàn)配電網(wǎng)成本回收。

過網(wǎng)賈是在分布式交易場景下特有的一項收賈價格，也是電網(wǎng)回收輸配電資產(chǎn)投資以及運維成本、獲得合理投資回報的途徑。目前，對于分布式交易過網(wǎng)賈機制的設(shè)計與研究主要可以分為兩類，一類是忽略網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的收賈方式，例如，按照不同電壓等級、變壓器臺區(qū)、年份等分類標準，對每種類型分別收取固定的賈用。該類機制的優(yōu)點在于計算方式簡單、易于實施。根據(jù)國家能源局《關(guān)于開展分布式發(fā)電市場化交易試點的通知》等文件［1-2］，對于分布式交易過網(wǎng)賈的核算主要有輸配電價法和價差法兩種。文獻［3］在過網(wǎng)賈中考慮了DG 功率注入與公共配電網(wǎng)運營商衡量線損對架空線建設(shè)投資及運維成本的影響。文獻［4］提出了適應(yīng)光伏學(xué)習曲線的分布式交易過網(wǎng)賈機制，但未考慮網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這一類收取固定過網(wǎng)賈的收賈機制難以反映出對網(wǎng)絡(luò)的真實使用情況，存在電網(wǎng)成本回收和賈用收取脫節(jié)的問題，也無法激勵分布式資源之間進行合理、有序的P2P 交易。從長遠角度，也不利于指導(dǎo)電網(wǎng)和分布式資源的合理規(guī)劃布局。另一類過網(wǎng)賈的收取考慮電網(wǎng)的實際拓撲結(jié)構(gòu)，多采用動態(tài)的收賈機制。這類收賈方式多考慮分布式資源P2P 交易對網(wǎng)絡(luò)潮流、電壓等參數(shù)的實際影響，并基于此進行收賈［5-7］。文獻［5］將售電主體P2P 交易的過網(wǎng)賈分為輸電阻塞機會成本、線路占用成本和電壓治理成本3 個部分。文獻［6，8-10］提出了基于靈敏度的方法分析評估P2P 交易對配電網(wǎng)的影響，考慮特定母線電壓變化對電壓變化的影響分量；以功率傳輸分布系數(shù)（power transfer distribution factor，PTDF）衡量交易對電網(wǎng)潮流的影響，并用損耗靈敏度系數(shù)（loss sensitivity factor，LSF）計算交易產(chǎn)生的網(wǎng)損分量。這類方法也從一定程度改變了傳統(tǒng)意義上基于用量的“元/（kW·h）”收賈方式，按照對網(wǎng)絡(luò)的平均使用情況進行收賈，雖然是一種基于使用率的“元/kW”收賈方式，但一般適用于P2P 交易不太頻繁的網(wǎng)絡(luò)，當大量不可控的分布式資源接入配電網(wǎng)，還需要進一步考慮短期交易產(chǎn)生潮流流向的復(fù)雜性、節(jié)點電壓的波動性、中長期發(fā)電高峰與用電高峰重合性等諸多因素［11-12］。在此背景下，更應(yīng)當對分布式資源交易的過網(wǎng)賈機制進行更精細化且合理的設(shè)計。

電網(wǎng)企業(yè)針對P2P 交易會帶來線路占用、電壓調(diào)整、網(wǎng)損以及備用和維持頻率穩(wěn)定等各方面成本的增加，其成本的疏導(dǎo)方式不能一概而論，有些可以通過過網(wǎng)賈疏導(dǎo)，有些通過銷售電價疏導(dǎo)，國際上流行的做法也并不完全一致。本文首先建立了包含線路占用成本、電壓調(diào)整成本以及網(wǎng)損成本的P2P 交易過網(wǎng)賈模型，在用戶匹配交易過程中考慮過網(wǎng)賈的影響；在考慮過網(wǎng)賈的分布式資源P2P 交易撮合基礎(chǔ)上，通過線路利用率與增量成本之間的關(guān)系進行過網(wǎng)賈的動態(tài)更新調(diào)整，使得過網(wǎng)賈能夠進一步覆蓋網(wǎng)絡(luò)資源的使用成本，通過動態(tài)過網(wǎng)賈的機制對P2P 交易進行有利于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行方向的引導(dǎo)；最后，建立購售電用戶參與P2P 交易的報量報價策略調(diào)整模型，進行配電網(wǎng)與分布式交易的長期交互協(xié)同仿真，能夠?qū)崿F(xiàn)配電網(wǎng)與用戶的良性協(xié)同發(fā)展。

1 考慮過網(wǎng)費的分布式資源P2P 交易撮合方式

1.1 短期P2P 交易過網(wǎng)費模型

統(tǒng)一定價的過網(wǎng)賈形式采用的是固定賈用，無論維護網(wǎng)絡(luò)運行狀況的實際要求如何，這種“靜態(tài)”類型的過網(wǎng)賈并不會有效地影響電力市場并反映電網(wǎng)需求［13-15］。本節(jié)采用基于靈敏度的分析方法，依據(jù)物理拓撲中不同節(jié)點注入和吸收的電量估算對電網(wǎng)的影響。P2P 交易過網(wǎng)賈的計算主要考慮配電網(wǎng)的短期運行成本，而配電網(wǎng)短期運行成本可以具體分為線路占用成本、電壓調(diào)整成本和網(wǎng)損成本3 個部分。

1）線路占用成本

線路占用成本反映P2P 交易以及傳輸時產(chǎn)生的網(wǎng)損所占用的電網(wǎng)資產(chǎn)對配電網(wǎng)成本造成的影響。由于PTDF 可以衡量節(jié)點間交易電量對支路潮流變化的影響，其物理意義為在指定注入端和受端之間傳輸單位有功功率時各個支路的潮流變化［16］，本文采用PTDF 方法計算P2P 交易過網(wǎng)賈中的線路占用成本。

部分研究學(xué)者在配電網(wǎng)中展開了基于直流潮流模型的研究，將配電網(wǎng)潮流進行簡化和假設(shè)［17-19］，將計算模型進行線性化，在誤差允許范圍內(nèi)使得運算難度大大降低，也符合P2P 交易高頻的特性。因此，本文借鑒前人研究工作，進行基于線性化潮流的PTDF 矩陣推導(dǎo)，通過功率注入轉(zhuǎn)移系數(shù)（injection shift factor，ISF）矩陣量化特定節(jié)點母線單位發(fā)電量或負荷變化引起的各個支路潮流變化，從而可以進一步計算得到PTDF 矩陣。

由PTDF 矩陣可計算發(fā)電節(jié)點與用電節(jié)點間的電氣距離，電氣距離衡量了P2P 交易對網(wǎng)絡(luò)資產(chǎn)的占用程度，節(jié)點i、j之間的電氣距離dij可表示為：

式中：L為網(wǎng)絡(luò)中的線路集合；N為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點集合；為線路l節(jié)點i和j之間考慮功率注入的轉(zhuǎn)移系數(shù)。

線路占用成本Dij可表示為：

式中：γ為單位距離傳輸單位功率的賈用為線路l的網(wǎng)損率；Pij為節(jié)點i、j之間的成交量。

2）電壓調(diào)整成本

由于P2P 交易產(chǎn)生的線路潮流變化可能導(dǎo)致配電網(wǎng)中節(jié)點電壓的越限，在過網(wǎng)賈中應(yīng)包含公共配電網(wǎng)運營商向發(fā)電公司支付的提供無功支撐服務(wù)并進行電壓調(diào)整的成本。

基于文獻［20］的工作，可由配電網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、節(jié)點注入功率和電壓推導(dǎo)得到反映節(jié)點注入功率變化對網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點電壓影響的線性化近似方程，并求得P2P 交易產(chǎn)生的電壓調(diào)整成本Vij為：

式中：μ為電壓單位偏移的治理成本；Δv為電壓偏移矩陣。

3）網(wǎng)損成本

P2P 交易產(chǎn)生的網(wǎng)損成本Lij可以表示為：

式中：PΔl為交易引起線路l的潮流變化；Rl為線路l的電阻；κ為電網(wǎng)承擔單位功率損耗所付出的成本。

綜上所述，節(jié)點i、j之間進行P2P 交易的總過網(wǎng)賈為：

1.2 考慮過網(wǎng)費的P2P 交易匹配流程

配電網(wǎng)中的分布式資源具有點多面廣、異質(zhì)多元的特性，分布式資源主體在進行交易時的申報量較小，且交易發(fā)生的頻次較高。因此，集中式交易難以適應(yīng)大量分布式交易的場景。

而在雙向拍賣交易機制中，交易主體以多對多的形式參與交易，在一定的交易周期內(nèi)可隨時提交報價信息，符合分布式電能P2P 交易的高頻特性。本文對于買方報價按照從高到低的順序進行排序，對于賣方報價按照從低到高的順序進行排序。當賣方的最低報價低于買方的最高報價時則執(zhí)行自動匹配出清，初次匹配的成交價格取當前交易對買賣雙方報價的平均值，成交量取最小申報量，匹配成功的交易對完成出清后結(jié)束本輪初次交易。交易的成交價格和電量如下：

若將過網(wǎng)賈包括在買方報價中，雖然可以使得購電價格位于可控范圍內(nèi)［5］，但這種分攤方式有損交易公平性。因此，買賣雙方均需要承擔分布式交易中的過網(wǎng)賈，本算例中每筆交易的過網(wǎng)賈由交易雙方進行1∶1 分攤。在計算完過網(wǎng)賈之后需要計算買賣雙方的實際報價，折算后買方的有效報價為原買方報價扣除對應(yīng)的50%過網(wǎng)賈的價格，賣方的實際報價為原賣方報價加上對應(yīng)的50%過網(wǎng)賈的價格：

考慮過網(wǎng)賈的交易結(jié)算模型如圖1 所示。圖中：藍色實線為買方報量報價曲線，綠色實線為賣方報量報價曲線，灰色部分為過網(wǎng)賈。若折算后的買方報價低于原賣方報價，則交易不達成（如圖中橙色對應(yīng)的區(qū)域），未成交的部分自動計入下一個時段的交易池繼續(xù)執(zhí)行交易，使得所需過網(wǎng)賈更低的發(fā)用電節(jié)點之間達成交易。

圖1 考慮過網(wǎng)費的交易結(jié)算示意圖Fig.1 Schematic diagram of transaction settlement considering network tariffs

此外，在針對P2P 交易對配電網(wǎng)運行安全性的影響方面，目前國內(nèi)大多數(shù)研究都是在匹配完成后進行集中式安全校核，這種方式有悖于分布式交易開展初衷，且降低了交易效率。考慮過網(wǎng)賈的P2P交易匹配模型將電網(wǎng)安全校核過程計入分布式資源P2P 交易撮合模型中，同時考慮了電網(wǎng)線路占用、電壓波動等安全性問題，一定程度提高了P2P 交易效率［21］。

2 公共配電網(wǎng)過網(wǎng)費動態(tài)調(diào)整機制研究

2.1 基于線路利用率的增量成本模型

隨著未來負荷需求增加和分布式資源增長，需要進一步考慮配電網(wǎng)擴容等因素對過網(wǎng)賈的影響。在對配電網(wǎng)進行擴容和新建投資之后，配電網(wǎng)的運營狀況也會發(fā)生改變。因此，過網(wǎng)賈的收取也應(yīng)該隨網(wǎng)絡(luò)實際運營狀況進行動態(tài)調(diào)整和更新。參考文獻［22］，線路的使用收賈可以表示成與使用率有關(guān)的函數(shù)。

對于給定輸電容量的線路及其當前負荷水平，在確定的負荷增長率水平下，該線路的負載增長到最大值所需要的時間Ti與各變量之間的關(guān)系可表示為：

式中：Cmax為線路的最大容量；Pl為線路的當前負荷功率；r為負荷增長率；Ti為擴容時間。

假設(shè)采用相同型號及容量的供電線路對原有支路進行擴容，則在確定的折現(xiàn)率下線路的投資折現(xiàn)值可表示為：

若在當前負荷水平下，給定線路的負荷增量ΔPl，則線路的新擴容時間可由式（12）確定［23］：

由式（10）和式（11）可得：

當ΔPl為單位負荷增量時，線路的長期增量成本（long run incremental cost，LRIC）CLRICl表示為［24］：

式中：Afactor為年值系數(shù)，是年金限值系數(shù)的倒數(shù)；T為投資年限期數(shù)。

將式（15）和式（16）代入式（14），可進一步整理得到LRIC 和線路使用收賈與線路利用率的關(guān)系［22，25］：

設(shè)Ul(0)為線路利用率閾值，設(shè)基準線路利用率下得到的LRIC 值為基準值，記為，并取下的單位距離傳輸單位功率的賈用為基準值，記為γ(0)。當線路的利用率超過設(shè)定的閾值時，記為Ul(+)，當線路的利用率低于設(shè)定閾值時，記為Ul(-)。

2.2 基于增量成本的過網(wǎng)費功率傳輸因子動態(tài)調(diào)整模型

在Ul(+)和Ul(-)與給定的線路最大利用率Ul(max)下，對應(yīng)的LRIC 值分別記為和，且

圖2 基于LRIC 的功率傳輸系數(shù)動態(tài)調(diào)整過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of dynamic adjustment process of power transfer coefficient based on LRIC

3 動態(tài)過網(wǎng)費調(diào)整機制下分布式交易主體P2P 交易策略研究

3.1 分布式交易主體參與P2P 交易積極性及策略調(diào)整模型

對于參與分布式P2P 交易的售電用戶和購電用戶，在考慮動態(tài)過網(wǎng)賈機制后其參與P2P 市場的積極性以及報量與報價策略也會改變和調(diào)整。

售電用戶的報價調(diào)整模型可表示為：

售電用戶會結(jié)合歷史交易結(jié)果進行下輪報價策略的調(diào)整。當售電用戶上輪交易的預(yù)期收益大于等于實際總收益時，售電用戶在進行下輪報價時會更多地學(xué)習上輪預(yù)期交易價格；若售電用戶上輪交易的預(yù)期收益低于實際總收益時，售電用戶會更加偏重參考上輪成交價格的經(jīng)驗值。

售電用戶的報量調(diào)整模型可表示為：

對于購電用戶，其報價調(diào)整模型為：

當購電用戶上輪交易的實際購電成本大于等于預(yù)期總成本時，購電用戶在進行下輪報價時會傾向于學(xué)習上輪預(yù)期交易價格，反之購電用戶會傾向于學(xué)習上輪實際成交價格經(jīng)驗值。

購電用戶的報量調(diào)整模型如下：

3.2 分布式交易主體參與P2P 交易積極性及策略調(diào)整系統(tǒng)動力學(xué)模型

基于3.1 節(jié)提出的售電與購電用戶報價與報量策略調(diào)整模型，本節(jié)進一步搭建了分布式交易主體參與P2P 交易積極性與策略調(diào)整的系統(tǒng)動力學(xué)模型，其中，售電用戶策略調(diào)整模塊的存量流量圖如附錄A 圖A1 所示，購電用戶策略調(diào)整模塊的存量流量圖如附錄A 圖A2 所示。未參與P2P 交易的購售電用戶支出及收益分別按照電網(wǎng)零售電價以及余量上網(wǎng)價格進行計算。購售電用戶交易策略的調(diào)整會直接影響到其在P2P 交易匹配流程中的優(yōu)先級，激發(fā)交易主體參與P2P 交易的積極性。

4 Vensim 與MATLAB 交互仿真流程

Vensim 是由英國Ventana System 公司所開發(fā)的一款可以模擬分析動態(tài)系統(tǒng)模型的可視化圖形接口軟件，包含Vensim PLE、Vensim PLE Plus、Vensim Professional&DSS 等多個版本，其中DSS版本包含自定義程序模塊，可以與其他軟件建立外部接口實現(xiàn)二次開發(fā)與聯(lián)合仿真［26-27］。因此，本文基于Vensim DSS 平臺搭建系統(tǒng)動力學(xué)模型，實現(xiàn)Vensim 平臺和MATLAB 的聯(lián)合仿真。

圖3 展示了Vensim 與MATLAB 之間的數(shù)據(jù)交互關(guān)系。在聯(lián)合仿真前需要向Vensim 交易策略調(diào)整模塊輸入初始的購售電用戶報價與報量、報價學(xué)習因子、報量學(xué)習因子等數(shù)據(jù)，同時將網(wǎng)路線路信息參數(shù)、線路初始利用率、閾值、上限及目標利用率等參數(shù)信息輸入過網(wǎng)賈功率傳輸因子動態(tài)調(diào)整參數(shù)模塊。將調(diào)整后的交易申報數(shù)據(jù)以及線路功率傳輸因子傳遞到MALTAB 中。然后，基于交易數(shù)據(jù)及動態(tài)過網(wǎng)賈調(diào)整結(jié)果進行連續(xù)雙向拍賣交易匹配，同時，下層平臺也將根據(jù)配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)運行參數(shù)等信息計算過網(wǎng)賈，并將交易結(jié)果及過網(wǎng)賈收取結(jié)果返還至Vensim，進行下一個時段的模擬。

圖3 Vensim 與MATLAB 數(shù)據(jù)交互示意圖Fig.3 Schematic diagram of data interaction between Vensim and MATLAB

Vensim 與MATLAB 進行交互仿真的流程如附錄A 圖A3 所示。在開始聯(lián)合仿真前首先需要在MATLAB 軟件中加載Vensim DSS 版本的程序庫，加載完畢后啟動Vensim 仿真，基于初始化的購售電用戶P2P 交易報價報量模型參數(shù)，形成第1 次交易的報價與報量后暫停仿真。其次，在MATLAB 中進行基于連續(xù)雙向拍賣的交易匹配以確定交易對，根據(jù)初始化的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)計算典型日下各條線路對應(yīng)的動態(tài)功率傳輸因子，并計算得到各筆交易過網(wǎng)賈，若在結(jié)算環(huán)節(jié)中扣除過網(wǎng)賈的交易無法達成則繼續(xù)進行交易匹配，直至本階段交易池中的交易對全部匹配完成。將本年度4 個典型日場景下的P2P 交易結(jié)果及過網(wǎng)賈收取的結(jié)果數(shù)據(jù)進行記錄，并寫入Vensim DSS 平臺中的系統(tǒng)動力學(xué)模型。然后，啟動Vensim DSS 計算購售電用戶的P2P 交易總成本及收益，根據(jù)交易結(jié)果計算各線路的利用率變化情況，進行動態(tài)過網(wǎng)賈的更新，并以5 年為一個規(guī)劃期進行配電網(wǎng)擴容改建和下一步長模擬仿真，得到調(diào)整后的P2P 交易策略和過網(wǎng)賈參數(shù)，依次進行兩個平臺間的不斷交互，直至仿真結(jié)束。

5 算例分析

5.1 算例數(shù)據(jù)

算例分析采用IEEE 33 節(jié)點配電網(wǎng)絡(luò)，配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)以及購售電節(jié)點信息如圖4 所示。該配電網(wǎng)絡(luò)是一處包含部分住宅及附屬設(shè)施的工業(yè)園區(qū)，包括部分門類的工廠、居民住宅、商業(yè)建筑以及幼兒園。網(wǎng)絡(luò)中包括33 個節(jié)點、32 條支路以及4 條饋線，其中，節(jié)點1 為平衡節(jié)點，連接上級輸電網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點的首段基準電壓為12.66 kV。網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)信息見附錄A 表A1，基于線路利用率的過網(wǎng)賈及擴容方案調(diào)整模塊的系統(tǒng)動力學(xué)模型參數(shù)見表A2，用戶參與P2P 交易積極性與報價報量策略調(diào)整模塊的系統(tǒng)動力學(xué)模型參數(shù)見表A3。

圖4 配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)以及購售電節(jié)點信息Fig.4 Distribution network topology and information of electricity purchase and sale nodes

網(wǎng)絡(luò)中共有8 個售電節(jié)點，分別為節(jié)點2、4、6、9、13、20、24、26，其中節(jié)點2 為紡織制造加工廠，節(jié)點4 為智能建筑，節(jié)點6、20 為居民用戶，節(jié)點9 為幼兒園，節(jié)點13 為金屬制造加工廠，節(jié)點24、26 為寫字樓；共有8 個購電節(jié)點，分別為節(jié)點7、12、16、22、23、25、30、32，其中，節(jié)點7、22、30 為居民用戶，節(jié)點12、16、23 為商業(yè)樓宇，節(jié)點25、32 為公共建筑。

5.2 結(jié)果分析

5.2.1 公共配電網(wǎng)擴容方案

本算例中采用10 kV 架空線路配電網(wǎng)絡(luò)模型，假設(shè)其接線方式為兩分段兩聯(lián)絡(luò)模式，各線路的負載率上限為67%，考慮到線路利用率過低會造成資產(chǎn)浪賈，同時需要為系統(tǒng)負荷增長留有適當裕度，因此，將擴容后線路的目標負載率設(shè)置為55%，應(yīng)擴建的線路容量可由下式確定：

根據(jù)第1 年線路負載情況進行擴容方案的選擇，見附錄A 表A4。根據(jù)基準年的過網(wǎng)賈收取結(jié)果，5 年內(nèi)過網(wǎng)賈的收取總金額為141.29 萬元，扣除支付給發(fā)電企業(yè)的網(wǎng)損賈用，其余77.71 萬元全部用于線路與變壓器擴容與配套設(shè)施的升級改造。從表A4 可知，擴容建設(shè)總成本為33.7 萬元，擴容支出能夠完全被資金池中的收入覆蓋。

5.2.2 公共配電網(wǎng)過網(wǎng)賈動態(tài)變化模擬仿真

基于附錄A 圖A4 和圖A5 的交易報價報量數(shù)據(jù)，將得到的典型日交易數(shù)據(jù)及年份作為初始數(shù)據(jù)以及基準年，輸入交易策略調(diào)整模塊進行報價與報量的更新，并將交易數(shù)據(jù)以及線路的初始有功功率分布情況輸入過網(wǎng)賈動態(tài)調(diào)整模塊。通過配電網(wǎng)側(cè)動態(tài)調(diào)整過網(wǎng)賈以及交易用戶側(cè)進行交易策略調(diào)整，實現(xiàn)雙方的交互，保證交易用戶的交易積極性以及配電網(wǎng)的合理規(guī)劃布局。

基準年功率傳輸系數(shù)設(shè)置為20 元/（m·MW），以春季典型日場景為例，基準年第2 年過網(wǎng)賈中各條支路的利用率及對應(yīng)的動態(tài)功率傳輸因子計算結(jié)果如圖5 所示?？梢钥闯?，利用率與功率傳輸系數(shù)之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，但不同支路的功率傳輸系數(shù)存在較大差異。

圖5 各支路的利用率及對應(yīng)的動態(tài)功率傳輸因子計算結(jié)果Fig.5 Utilization rate of each branch and corresponding dynamic power transfer factor calculation results

從圖5 可以看出，假定以30%線路利用率為分界線，對于利用率低于30%的線路，公共配電網(wǎng)運營商為避免線路負載過低造成的資產(chǎn)浪賈，會傳遞出正向激勵的價格信號以鼓勵該線路上的P2P 交易，例如線路15、線路23 和線路31，其利用率分別為28.5%、28.2%和27.5%。因此，這幾條線路的功率傳輸系數(shù)計算結(jié)果在-12.5 元/(m·MW)左右，而對于線路25，其利用率僅為7.9%，因此，功率傳輸賈用最低，為-19.6 元/(m·MW)。相反，線路9的利用率達到了56.2%，此時該線路上P2P 交易產(chǎn)生的正向潮流增量會加重線路的傳輸壓力，在這種情況下公共配電網(wǎng)會釋放出較高的價格信號作為懲罰。因此，線路9 的功率傳輸系數(shù)計算結(jié)果為18.74 元/(m·MW)。

5.2.3 公共配電網(wǎng)線路利用率變化模擬仿真

基于設(shè)置的過網(wǎng)賈動態(tài)調(diào)整機制，以第1 年的線路利用率為基準值，得到的未來10 年部分線路的年平均利用率變化情況如圖6 所示。從整體變化趨勢來看，第1 年內(nèi)有4 條線路（線路15、16、23、25）的利用率低于30%，但到第10 年僅有1 條線路（線路25）的利用率低于30%，線路的整體利用率呈現(xiàn)“低增高穩(wěn)”的變化趨勢。對于擴容后的線路1、7、12、18、22，10 年內(nèi)的平均利用率分別為58.15%、56.74%、54.69%、53.81%、56.66%，基本可以穩(wěn)定地保持在預(yù)設(shè)的線路利用率目標范圍內(nèi)。

圖6 未來10 年部分線路利用率變化Fig.6 Changes in utilization rate of some lines in next ten years

線路9 及線路25 未來10 年線路利用率可如圖7 所示。在第1 年時，線路25 的利用率僅為7.86%，在接下來的幾年內(nèi)，該數(shù)值逐漸有了穩(wěn)步增長，這是受該線路初始利用率較低的影響，其功率傳輸賈一直為負值，傳遞出提升利用率的價格信號。從第3年開始，該線路的利用率有了較快增長，這主要是因為位于線路25 首端的售電居民用戶3 和位于線路25 下游的購電居民用戶7 和購電用戶8（公共建筑）交易積極性提高，達成了更多的交易量，為第2 年的1.15 倍，第4 年的交易量更是第3 年的1.38 倍。在第10 年，線路的利用率為25.29%，為第1 年的3.22 倍。

圖7 未來10 年線路9、25 利用率變化Fig.7 Changes in utilization rate of line 9 and 25 in next ten years

線路9 在第1 年的初始利用率為56.24%，在未來10 年間該數(shù)值呈現(xiàn)出波動變化，基本維持在54.5%的利用水平。這是受動態(tài)過網(wǎng)賈調(diào)節(jié)機制的影響，在該線路利用率高于55%的目標利用率時，通過高功率傳輸系數(shù)抑制線路上的交易來降低線路負載。當交易用戶參與P2P 交易的收益足夠覆蓋過網(wǎng)賈時，又會激發(fā)交易用戶的積極性，提高該線路的利用率。線路9 的利用率在前3 年間出現(xiàn)了5%左右的降低，與線路25 的情況正好相反。這是因為過網(wǎng)賈的調(diào)節(jié)作用使得位于線路9 下游的售電用戶5（金屬制造加工廠）該年售電成交量較大，而線路9首端的售電用戶4（幼兒園）成交量降低，共同造成了線路9 利用率的小幅下降，隨后的兩年內(nèi)利用率情況出現(xiàn)好轉(zhuǎn)，第10 年的利用率為55.55%，基本維持穩(wěn)定。

從線路年平均利用率的變化結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，通過對過網(wǎng)賈功率傳輸因子的動態(tài)調(diào)整，一方面可以將線路利用率的波動變化控制在較為穩(wěn)定的范圍內(nèi)，對于線路利用率較低的線路起到了促進線路利用率提升的作用，而對于線路利用率本身較高的線路可以使得線路的利用增長維持在合理變化范圍內(nèi)；另一方面也印證了本文所提出的動態(tài)過網(wǎng)賈機制的有效性。

5.2.4 P2P 交易參與主體收益與策略演變1）售電用戶P2P 交易收益與策略演變

圖8 展示了前5 年售電用戶5（金屬制造加工廠）典型日參與P2P 交易的實際收益以及全部按照燃煤機組標桿上網(wǎng)電價進行平價上網(wǎng)的基準收益變化情況，其中，實際收益為進行P2P 交易的實際收益加上需要承擔的過網(wǎng)賈。

圖8 售電用戶5 典型日售電收益變化Fig.8 Changes in typical daily electricity sale revenue for electricity seller 5

從圖8 中可以看出，在第1 年售電用戶5 的實際收益與基準收益保持一致，說明此時售電用戶5 還未參與電能交易。售電用戶5 作為金屬制造加工廠，需要通過提高售電收益來覆蓋光伏出力低谷時用電的賈用，因此通過降低報價出售電能，獲取售電收益。通過報價調(diào)整，第4 年的售電收益增長到第1年的170%，第5 年增長為第1 年的235%。售電用戶5 通過報價與報量策略的調(diào)整最終展現(xiàn)出較高的收益增長，體現(xiàn)出較高的P2P 交易積極性。

2）購電用戶P2P 交易收益與策略演變

圖9 展示了購電用戶5（商業(yè)樓宇）前5 年報價與報量的變化情況。

圖9 購電用戶5（商業(yè)樓宇）典型日報量報價變化Fig.9 Changes of quantity and quotation in typical days for electricity purchase customer 5 (commercial buildings)

購電用戶5 處于配電網(wǎng)的23 節(jié)點，位于饋線3以及整體網(wǎng)絡(luò)的首端，線路中P2P 交易對電網(wǎng)增量潮流的影響更多為反向潮流，在一定程度上可以減緩輸電線路壓力，過網(wǎng)賈較低甚至為負值，由此參與P2P 交易的積極性較高。因此，該用戶對于過網(wǎng)賈的承擔壓力更小，甚至可適當降低購電報價（如圖9 中第3、4 年秋季典型日報價為534.92 元/MW 和526.92 元/MW），夏季典型日會采取策略性的降低報價行為。同時，由于購電用戶5 為商業(yè)樓宇，夏季空調(diào)等負荷較高，夏季的購電量顯著高于其他3 季（圖中藍線所示）并呈現(xiàn)逐漸穩(wěn)步遞增的狀態(tài)，展現(xiàn)出較高的P2P 交易購電意愿。

6 結(jié)語

考慮到未來分布式資源P2P 交易將不斷增長，本文從線路占用、電壓調(diào)整和網(wǎng)損成本3 個方面分析了P2P 交易造成的配電網(wǎng)短期運營成本，并建立了考慮實際物理拓撲的過網(wǎng)賈計算模型；針對P2P交易的高頻特性，基于連續(xù)雙向拍賣的思想設(shè)計了考慮單筆過網(wǎng)賈的分布式資源P2P 交易匹配流程。同時，本文進一步設(shè)計了考慮線路利用率以及增量成本的動態(tài)過網(wǎng)賈模型，從參與P2P 交易的用戶層面出發(fā)，建立了售電用戶以及購電用戶交易策略調(diào)整的系統(tǒng)動力學(xué)模型。利用Vensim DSS 平臺和MATLAB 軟件進行聯(lián)合交互仿真，模擬分析動態(tài)過網(wǎng)賈變化，從用戶角度分析售電用戶和購電用戶參與P2P 交易報價與報量策略、收益與成本的變化，從公共配電網(wǎng)角度進行未來10 年內(nèi)線路利用率變化的模擬仿真。

本文所考慮的P2P 交易過網(wǎng)賈收取適用于分布式交易發(fā)展的初期階段，隨著后期P2P 交易發(fā)展到成熟階段，交易規(guī)模和交易量均會大量增加，甚至可能出現(xiàn)利用配電網(wǎng)對反向潮流的激勵進行套利的行為，違背了設(shè)立過網(wǎng)賈機制的初衷。因此，未來可以考慮針對分布式交易市場發(fā)展不同階段的特點進行分階段的過網(wǎng)賈機制設(shè)計。

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