陳 玥，劉 鋒，魏 韡，梅生偉

（1. 清華大學電機工程與應用電子技術(shù)系,北京市100084；2. 電力系統(tǒng)及大型發(fā)電設備安全控制和仿真國家重點實驗室,清華大學,北京市100084）

0 引言

為應對氣候變化和能源短缺,大力開發(fā)分布式可再生能源已成為未來電力系統(tǒng)的發(fā)展方向［1］。盡管國內(nèi)分布式能源起步較晚,但勢頭強勁。2019 年國內(nèi)分布式光伏新增裝機容量12.2 GW,同比增長達41.3%；新增生物質(zhì)能發(fā)電裝機容量4.73 GW,且有望于2020 年達到30 GW［2］?？稍偕茉吹姆植际浇尤霝橛行Ы鉀Q全球氣候變暖、能源匱乏等問題提供了新途徑,但其出力隨機性強、單機容量較小、數(shù)量龐大、分布廣泛等特點給電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟運營帶來了新挑戰(zhàn),主要體現(xiàn)在如下3 個方面。

1）用戶行為更隨機。海量分布式可再生能源的接入,促使傳統(tǒng)“消費者”向既能生產(chǎn)電能又能消費電能的“產(chǎn)消者”轉(zhuǎn)型［3］。產(chǎn)消者可通過對電能生產(chǎn)和使用的協(xié)調(diào)分配,主動參與需求側(cè)能量管理,有望提高能源利用效率［4］。產(chǎn)消者擁有更靈活的調(diào)節(jié)手段和更大的調(diào)節(jié)空間,且自身發(fā)電規(guī)模較小,其行為難以預測,導致用戶行為更具隨機性。

2）能量管理更困難。分布式接入的能源常隸屬于不同的主體,利益不一致和信息不對稱的現(xiàn)象廣泛存在［5］。各主體單獨決策以最大化自身收益,常造成顯著的需求側(cè)供需不匹配問題,即在部分主體生產(chǎn)/調(diào)節(jié)能力短缺的同時,另一部分主體有大量閑置能力未得到充分利用。

3）設備利用更低效。需求側(cè)日益增高的可再生能源滲透比,伴隨著隨機性增大的用戶行為,對系統(tǒng)的不確定性消納能力提出了更高的要求。為保證電能的可靠穩(wěn)定供應,需配備更多的儲能等作為備用,設備利用效率低。

面對上述新挑戰(zhàn),傳統(tǒng)零售商集中管理用戶的模式［6］一方面難以滿足日益增長的對計算復雜度和信息私密度的要求,另一方面難以協(xié)調(diào)各參與者間的利益不一致性［7］。因此,亟需提出一種能打破常規(guī)的需求側(cè)運營新模式。事實上,類似的矛盾也廣泛存在于日常生活之中,而近年來興起的共享經(jīng)濟,為解決此類問題提供了新范式［8］。將“共享”思維引入電力領(lǐng)域,允許用戶直接交易,通過競爭形成合理共享市場價格,有望達到鄰近供需配對、就地平衡、物盡其用的效果。

本文詳細分析了分布式能源海量化帶來的挑戰(zhàn),提出了需求側(cè)能量共享的概念,總結(jié)了當前國內(nèi)外能量共享機制設計方面的研究進展,并對未來的研究方向進行了展望。

1 需求側(cè)能量共享

1.1 需求側(cè)能量共享的概念

分布式能源海量化對需求側(cè)運營模式提出了新要求,一種可能的思路是借鑒共享經(jīng)濟的理念。從初始的近鄰間的簡單交換,到以云儲能［9］為代表的集中管理資源、分布式租用的共享平臺,再到以Uber 和Airbnb 為代表的大規(guī)模用戶間相互交換的共享模式,共享的對象日益豐富、范圍日趨廣泛。共享經(jīng)濟的本質(zhì)是資源的擁有者在某段時間內(nèi)讓渡資源的“使用權(quán)”,使其暫為“公共資源”,供有需要的人使用；而使用者在不擁有資源“所有權(quán)”的前提下得以使用該資源,即實現(xiàn)了資源“所有權(quán)”和“使用權(quán)”的兩權(quán)暫時分離。本文將共享的理念拓展至電力領(lǐng)域,并提出“能量共享”的概念。

定義：能量共享是一種擁有閑置電能的一方有償暫時讓渡電能使用權(quán)給另一方,利用閑置電能創(chuàng)造價值的運營模式。

在此定義中,能量共享的主體包括可響應負荷、產(chǎn)消者、儲能擁有者等有調(diào)節(jié)能力的參與者；買賣關(guān)系是其主要的實現(xiàn)形式（一般認為無償共享是贈與）。在能量共享中,“閑置”的是優(yōu)質(zhì)的生產(chǎn)/調(diào)節(jié)能力,并最終通過電能的實際使用體現(xiàn)出來,在參與者間形成共享。作為一種基本的電網(wǎng)物理規(guī)律,在任何時間點注入電網(wǎng)的發(fā)電量總等于用電量（包括儲能的存儲電量）加上傳輸損耗,從這個角度,電能總是實時平衡的。同時,為促進電網(wǎng)高效運營,更希望達到的是“理想”的發(fā)電/用電量實時平衡,而不只是“實際”發(fā)電/用電量實時平衡。所謂“理想”,即是達到發(fā)電/用電量實時平衡的“最佳”策略,如成本最低、收益最大等。由于優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)/調(diào)節(jié)能力的閑置所導致的“理想”發(fā)電/用電量與“實際”發(fā)電/用電量間的差額,稱為“閑置電能”。

能量共享的兩大特征是：①“使用而不擁有”,電能的需求方通過共享暫時性地從讓渡方處獲得生產(chǎn)/調(diào)節(jié)能力的使用權(quán),以相對于購買而言較低的成本完成使用目標,如暫時從調(diào)節(jié)成本低的負荷處獲得電能（調(diào)節(jié)能力）,以完成需求側(cè)響應的指令,其對象是優(yōu)質(zhì)的生產(chǎn)/調(diào)節(jié)能力,體現(xiàn)形式是電能；②“不使用即浪費”,其本質(zhì)是將一種作為沉沒成本的閑置電能進行其他用途的再利用。例如：用戶a、b 參與負荷響應計劃,均被要求削減5 p.u.。其中,用戶a的單位調(diào)節(jié)成本為0.1 p.u.,用戶b 的單位調(diào)節(jié)成本為0.2 p.u.。則在不允許共享時,二者的調(diào)節(jié)總成本為1.5 p.u.。當用戶a 與用戶b 進行共享時,可由用戶a 削減10 p.u.,并將多余的從電網(wǎng)購買的5 p.u.電賣給用戶b 使用。此時,二者調(diào)節(jié)總成本為1 p.u.。在上述例子中,閑置的優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)/調(diào)節(jié)能力為用戶a的低成本生產(chǎn)/調(diào)節(jié)能力,共享的電能是用戶a 賣給用戶b 的5 p.u.電能,并通過共享達到了理想狀態(tài)下的實時平衡,即各用戶用最低成本實現(xiàn)了供需平衡。

此外,本文所提共享的概念既包括狹義的共享,也包括分享。這里,狹義的共享是指由協(xié)調(diào)者統(tǒng)一管理各方資源,再分租給用戶的模式,如共享儲能；而分享是指大規(guī)模用戶之間相互交換自有資源的模式,如Airbnb 等。實際上,不同的能源形式如熱能、燃氣之間均可進行共享。但考慮到電能具有易于傳輸和高效轉(zhuǎn)換的優(yōu)點,在積極推進電能替代的大背景下,本文集中討論電能的共享。其他能源形式的共享可以通過電能作為紐帶進行,這對于能量共享的概念和方法并不產(chǎn)生實質(zhì)性影響。此外,電力領(lǐng)域的“資源”包括風、光等自然資源以及儲能、電動汽車等設備資源,而這些資源的共享本質(zhì)上都是通過共享“電能”實現(xiàn)的。

前文中提到,共享可實現(xiàn)資源“所有權(quán)”和“使用權(quán)”的暫時分離,具體而言,在能量共享中,“所有權(quán)”和“使用權(quán)”的主體都是電能。本文從以下3 個方面闡明所提能量共享模式與常規(guī)能源市場、直接共享能量發(fā)生裝置的區(qū)別。

1）從目的和角色上來說：在常規(guī)能源交易中,銷售方（如發(fā)電廠）和購買方（如用戶）一般有著明確的劃分,發(fā)電廠生產(chǎn)電能的目的是為了銷售；而在能量共享之中,參與者生產(chǎn)電能的首要目的是自己使用,其次才是出售（購買）多余（不足）部分的電能。此外,在能量共享中,參與者的市場角色可以由市場出清內(nèi)生決定而不必事先確定,并且一個參與者可在銷售方和購買方2 個市場角色間靈活轉(zhuǎn)換。

2）從權(quán)利的角度來理解：這里的“所有權(quán)”是對該能量發(fā)生裝置產(chǎn)生的所有電能的整體所有權(quán),而非針對單個時段的電能。值得注意的是,傳統(tǒng)觀點認為,所有權(quán)的主體一般是“有形的物”,即能夠生產(chǎn)電能的設備、自行車、充電寶等看得見摸得著的物。但隨著科技的進步和社會的發(fā)展,無形能源如電能、熱能、天然氣等被廣泛使用。這些能源具備很高的經(jīng)濟價值,具有可支配性,且屬于動產(chǎn),因此也可作為“所有權(quán)”的主體。例如,“偷電行為”構(gòu)成盜竊罪正是認可了電能的所有權(quán)而將盜電行為視為盜竊財物。電能的所有權(quán)者和使用權(quán)者的區(qū)別在于,前者擁有處分的權(quán)利,即可以決定是否及何時出售電能。其次,所提能量共享可實現(xiàn)所有權(quán)和使用權(quán)的“暫時”分離,即兩權(quán)重合是常態(tài),分離是例外；而在常規(guī)能源交易中,兩權(quán)分離是常態(tài)。

3）以現(xiàn)實中的例子來更好地說明常規(guī)能源交易、能量共享和共享能量發(fā)生裝置3 種模式的區(qū)別,如圖1 所示。在出行領(lǐng)域,存在3 種商業(yè)模式：出租車、順風車和汽車租賃。如果將“能量發(fā)生裝置”類比為“汽車”,“電能”類比為“運載服務”,那么,“常規(guī)能源交易”可類比為出租車,提供運載服務對出租車司機而言是工作,是主要收入來源；“能量共享”可類比為順風車,提供運載服務對順風車司機而言是兼職,是額外收入,是對順風車的閑置運載能力的再利用；“共享能量發(fā)生裝置”可類比為汽車租賃,是需求方直接駕駛汽車,而非僅作為乘客享受運載服務。由于電能的特殊性,即電能通過物理網(wǎng)絡傳輸至用戶,使用電能并不需要直接占有能量發(fā)生裝置,且能量發(fā)生裝置不易搬運,因此直接租用占有能量發(fā)生裝置是不現(xiàn)實且不必要的。本文所提能量共享是通過電能“所有權(quán)”和“使用權(quán)”的暫時分離實現(xiàn)的。

圖1 電力市場與交通市場類比Fig.1 Similarity between electricity market and transportation market

能量共享與常規(guī)能源交易的區(qū)別主要體現(xiàn)在“不使用即浪費”。面對日益增長的負荷需求,能量共享鼓勵各參與者提供閑置的優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)/調(diào)節(jié)能力,是對“現(xiàn)有”資源的更優(yōu)化配置；而常規(guī)能源交易則是通過增大電網(wǎng)投資建設、創(chuàng)造新資源來實現(xiàn)的?！笆褂枚粨碛小钡奶攸c將參與者共享能量與參與者增大自身生產(chǎn)/調(diào)節(jié)能力區(qū)別開來。如當產(chǎn)消者負荷增加時,前者對應于從其他產(chǎn)消者處購買閑置電能,后者對應于配備容量更大數(shù)量更多的發(fā)電設備以增加出力。電能雙邊交易和集中交易是能源市場2 種常見的運行方式。鑒于電能的特殊屬性（消耗品）,不管是本文所提能量共享還是常規(guī)能源市場,不管是以雙邊交易還是集中交易的方式進行,都是對電能的“一次性交割”。在常規(guī)能源市場中,參與者的市場角色是事先確定的,即發(fā)電廠作為銷售方,用戶作為購買方。在能量共享市場中,參與者是銷售還是購買可無須事先確定,而由市場出清內(nèi)生給出。此外,能量共享市場既可以通過集中方式進行（所有參與者申報意愿,市場出清決定哪些作為銷售方哪些作為購買方,以及相應的電量和價格）,也可以以雙邊交易的方式進行（雙方參與者根據(jù)各自的情況商議哪一方銷售/購買,交割量為多少等）,因此具有較高的靈活性。

1.2 能量共享帶來的機遇

需求側(cè)能量共享帶來的機遇體現(xiàn)在3 個方面。

1）平抑不確定性。單一分布式可再生能源出力具有隨機性、間歇性和波動性,但不同電源出力之間具有互補特性［10］。例如,風力發(fā)電出力較大的時段主要為風速較大的夜間,而光伏發(fā)電則集中在白天。如果允許配備分布式風機的產(chǎn)消者與配備分布式光伏的產(chǎn)消者進行能量共享,則可有效平抑二者整體出力的不確定性［11］。

2）提升運行經(jīng)濟性。當產(chǎn)消者參與到需求側(cè)管理中時,有的產(chǎn)消者調(diào)節(jié)負荷帶來的負效用較低,而有的產(chǎn)消者負荷剛性大、負效用高。通過允許二者進行能量共享,負效用較低的產(chǎn)消者調(diào)節(jié)更多,并將多余的“調(diào)節(jié)量”出售給負效用較高的產(chǎn)消者,可實現(xiàn)產(chǎn)消者的共贏,提升整體經(jīng)濟性。

3）提高設備利用率。為保證大型數(shù)據(jù)中心的安全穩(wěn)定運行,常為每個中心單獨配備不間斷電源（UPS）。但這些備用電源在壽命周期內(nèi)被使用的頻率極低,資源浪費嚴重?，F(xiàn)實中,多個數(shù)據(jù)中心同時出現(xiàn)故障的概率較低,通過允許數(shù)據(jù)中心間共享后備電源,可在確保安全性的前提下有效提高設備的利用效率。類似的,文獻［9］針對家庭用戶和小商業(yè)用戶提出了“共享儲能（云儲能）”的概念,由儲能提供商建立儲能共享資源池,而用戶可以根據(jù)意愿進行使用并付費,以達到降低提供儲能服務成本的效果。在儲能共享中,用戶并不直接物理占有該儲能以使用,其本質(zhì)仍是共享所存儲的電能,即共享儲能可視為能量共享的一種特殊實現(xiàn)形式。

需要指出的是,所提能量共享是一種考慮物理交割（網(wǎng)絡約束）的商業(yè)模式,但不一定是建立商業(yè)“同盟”關(guān)系。即各參與者并非一定結(jié)成“同盟”合作關(guān)系,而仍是追求各自利益的最大化。以上述風電和光伏聯(lián)合平抑不確定性為例：當配備分布式風電機組（光伏）的產(chǎn)消者單獨運行時,由于負荷不足可能需要棄風（棄光）,但若允許二者交換電能,雙方都可以獲得一定的收益。從此視角看,實際上是釋放了雙方的靈活性。但值得注意的是,雙方均應是自利的決策主體,并不一定按照可實現(xiàn)二者總成本最小化的方式交換電能,即不一定是合作的。此外,所提能量共享模式并不直接產(chǎn)生物理上的改變,即不需要另外增設設備或者搭建線路。但各參與者可能會根據(jù)共享下的效用變化調(diào)整自己的行為,如因可進行共享而增加風電裝機,從而可能間接產(chǎn)生物理上的改變。

1.3 能量共享涉及的基本框架

結(jié)合電力系統(tǒng)運行特性,能量共享涉及的基本框架可表示為如圖2 所示的3 層結(jié)構(gòu)。其中,最底層為物理層,包含電力系統(tǒng)運行的網(wǎng)絡架構(gòu)及相關(guān)約束。能量共享市場的出清結(jié)果最終需通過物理網(wǎng)絡完成交割,由基爾霍夫定律決定的物理約束會影響能量共享市場均衡,因此物理層為能量共享框架最基本也是不可或缺的組成部分。當能量共享發(fā)生在一個小范圍（如小區(qū)）內(nèi)時,可以對問題進行簡化,忽略電力系統(tǒng)網(wǎng)絡約束的限制；但當能量共享發(fā)生在較大范圍（如跨城市）時,需將網(wǎng)絡約束納入考慮,且由于物理層的主體為電網(wǎng)調(diào)度,假設其知曉網(wǎng)絡架構(gòu)及相關(guān)約束是合理的［12-13］。最上層為交易層,該層直接面向參與者,組織參與者進行競價出清過程。交易層主要由供求關(guān)系等經(jīng)濟規(guī)律主導,主體為參與者,可不直接考慮物理網(wǎng)絡約束。中間層為調(diào)度層,對上接收參與者報價,起到支撐交易層的作用；對下根據(jù)物理約束進行安全校核,起到承接物理層的作用。

圖2 能量共享涉及的基本框架Fig.2 Fundamental framework involved in energy sharing

事實上,對于交易層中的單個參與者而言,一般無法獲知物理網(wǎng)絡的相關(guān)約束,且是否滿足該約束條件還取決于其他參與者的決策行為,因此要求交易層中的主體在決策時考慮物理網(wǎng)絡約束是不現(xiàn)實的?，F(xiàn)行電力市場也并不直接在交易層中考慮物理約束,而是通過調(diào)度層進行安全校核保證出清結(jié)果可行。在能量共享市場中,盡管參與者可不直接考慮物理網(wǎng)絡約束,但該約束的信息可蘊含在市場價格之中。當市場機制設計合理時,各參與者決策下的市場均衡自動滿足物理網(wǎng)絡約束。

上述3 層間的交互依賴于信息與計算機技術(shù)。能量共享模式面臨著多主體數(shù)據(jù)標準不一、難以對接,位置分散信息難以收集,相對獨立信息不對稱等問題。而“互聯(lián)網(wǎng)+能量共享”的新思路,可為解決上述難題提供技術(shù)手段,起到支撐電力物聯(lián)網(wǎng)的作用。文獻［14］總結(jié)了儲能云網(wǎng)平臺涉及的底層技術(shù)及應用場景。具體來說,海量信息的采集與處理涉及數(shù)據(jù)實時處理技術(shù)［15］；大數(shù)據(jù)挖掘、機器學習、深度學習［16］等技術(shù)可揭示部分隱藏信息,削弱信息的不對稱性；區(qū)塊鏈技術(shù)［17］具有去中心化、集體維護、數(shù)據(jù)透明等優(yōu)點,完美契合地理位置分散的各主體能量共享這一應用場景的需求。能量共享是一個全新的概念,相關(guān)技術(shù)路線均有待探索。本文重點分析其機制問題,對于支撐信息與計算機技術(shù),僅簡單列舉其面臨的難題和可能的解決方案,供感興趣的讀者深入探索挖掘。

1.4 能量共享的特征及基本要求

基于上述交易-調(diào)度-物理3 層框架,除共享市場的共性特點（如所有權(quán)與使用權(quán)的暫時分離）外,能量共享還具有以下特征。

1）能量要求實時平衡。在當前技術(shù)條件下,電能大規(guī)模長時間存儲成本較高。因此,與Uber 等具有一定時間緩沖余地的共享形式不同,能量共享要求滿足實時平衡。

2）出清結(jié)果滿足物理約束。為保證能量共享結(jié)果具備物理可行性,在進行能量共享市場出清時,需考慮相關(guān)物理約束。特別地,當進行跨區(qū)域共享時,出清結(jié)果必須滿足傳輸線約束,出清價格還應正確反映線路堵塞情況。

以共享儲能為例,有2 類主流的形式：一是由協(xié)調(diào)者統(tǒng)一管理儲能,用戶根據(jù)需求“租用”該儲能［18］,此方式并不涉及儲能裝置的物理移交；二是用戶之間交換儲能設備使用,如用戶a 將電池交給用戶b 使用一段時間。在當前技術(shù)條件下,電能無法大規(guī)模長時間存儲,從電能的產(chǎn)生和消耗來看,上述2 種方式仍需滿足“實時平衡”。此外,由于儲能裝置體積一般較大,第2 類直接共享儲能設備的方式具有一定的局限性。能量共享的本質(zhì)是電能在一個區(qū)域內(nèi)的重新高效分配,這里更關(guān)心的是稍大范圍內(nèi)的能量共享問題。故本文所涉及的能量共享指的是交換能量發(fā)生裝置所產(chǎn)生的電能而不是裝置本身,該電能仍通過網(wǎng)絡傳輸,需滿足“物理約束”。實際上,無論共享儲能的形式如何,只要使用的電能仍需要通過網(wǎng)絡傳輸,理論上就不可避免需要滿足“物理約束”。即使是對于后一種形式的共享（即直接共享儲能裝置）而言,當用戶a 將儲能裝置交給用戶b使用后,兩者所需從電網(wǎng)購買的電能仍會發(fā)生變化,而變化后的電能依然需要滿足“實時平衡”和“物理約束”等。

結(jié)合上述特征,能量共享機制有如下基本要求：①各參與者可自由選擇購買/銷售,其最終作為購買方還是銷售方由能量共享市場根據(jù)其申報的意愿內(nèi)生確定；②能量共享市場有效出清,即既滿足實時功率平衡要求,也滿足相關(guān)物理約束；③機制易于執(zhí)行,均衡性質(zhì)良好。這要求能量共享機制應便于實施,盡可能保護用戶信息私密性,且能有效激勵參與者加入。鑒于1.3 節(jié)中的現(xiàn)實情況和上述需求分析,需提出行之有效的市場機制加以引導,將物理網(wǎng)絡約束信息蘊含于共享價格之中,通過“無形的手”間接調(diào)節(jié)參與者行為,使得共享參與者無須直接考慮物理網(wǎng)絡約束,但所達到的市場均衡自發(fā)滿足該約束。

一般意義下,能量共享仍屬于電力市場的范疇,但它是一種區(qū)別于傳統(tǒng)買賣的商業(yè)模式,體現(xiàn)在以下幾個方面。

1）共享側(cè)重于對現(xiàn)有資源的更優(yōu)化配置。如面對日益增長的負荷需求,能量共享鼓勵各參與者提供閑置的現(xiàn)有優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)能力；而常規(guī)能源交易則是通過增大電網(wǎng)投資建設等方式,以增大發(fā)電能力。能量共享為達到實時平衡提供了更多的選擇。

2）參與者在參與共享的時候,其角色并不事先固定,可能時而為銷售方時而為購買方,是資源優(yōu)化配置的“內(nèi)生”結(jié)果。在傳統(tǒng)能源買賣中,進入市場時參與主體已明確哪些是銷售方（如發(fā)電廠）、哪些是購買方（如用戶）,再經(jīng)由市場出清確定交易量和交易價格,一般通過以量定價或以價定量的方式進行,因此其角色是“外生”的。在能量共享市場中,進入市場時參與者的最佳市場角色是未知的,是由共享市場出清“內(nèi)生”確定的。以參與負荷響應計劃為例,假設用戶a、b、c 的調(diào)節(jié)成本分別為高、中、低,若用戶a 和b 共享,則用戶a 為購買方而b 為銷售方；若用戶b 和c 共享,則用戶b 為購買方而c 為銷售方。若如傳統(tǒng)能源買賣那樣要求事先確定市場角色,則會限制參與者的靈活性,從而產(chǎn)生“閑置資源”的浪費,增加不必要的成本。因此,市場角色、交易量和交易價格同時由共享市場內(nèi)生決定更為合理。

上述區(qū)別導致：①買賣過程（建模）的改變,由于市場角色不確定導致無法以量定價,也難以以價定量,需設計新的買賣競價模式以實現(xiàn)市場角色、交易量、交易價格三者同時內(nèi)生決定；②購銷決策模型的改變,單個參與者不知道市場中的其他參與者的情況,也無法確定自己在共享中是銷售還是購買,因此增加了決策難度。

由于上述優(yōu)點和挑戰(zhàn),能量共享的新模式受到國內(nèi)外學者廣泛關(guān)注［19-20］,相關(guān)研究項目包括英國Piclo 項目［21］、P2P3M 項目［22］、美國TransActive Grid項目［23］等等。該模式成功實施的關(guān)鍵在于能量共享機制的設計。在給定機制下,各參與者策略性調(diào)整其行為以最大化自身收益；在均衡處,各參與者均不能通過單方面改變其行為獲利。工程博弈論為分析多參與者下的市場均衡提供了理論和技術(shù)支撐［24-25］。第2 章將對國內(nèi)外能量共享機制設計的研究現(xiàn)狀進行梳理,將5 種典型機制歸納為合作博弈和非合作博弈2 類,如附錄A 表A1 所示。

2 能量共享機制

2.1 基于合作博弈的能量共享

在合作博弈中,參與者通過形成小群體,集中加入管理,提高其收益。具體來說,群體內(nèi)部參與者首先共同簽訂再分配協(xié)議,接著,各參與者在計及可能獲得的再分配的前提下進行優(yōu)化決策,如附錄B 圖B1 所示。合作博弈成功的關(guān)鍵在于有效的再分配機制的設計,使得參與者單獨決策的均衡結(jié)果符合整體決策目標,如社會福利最大化。基于合作博弈的能量共享可用下述模型表示：

式中：ci(?)為參與者i的成本函數(shù)；fi(?)為參與者i獲得的再分配；si為參與者i自身生產(chǎn)的電量；bi為其能量共享競價；b-i為除參與者i外其余參與者的競價；b：=(bi,?i)；Di為參與者的負荷量；gi(?)為運行條件方程；qi為獲得的共享電量,qi＞0 代表其為購買方,qi＜0 代表其為銷售方,qi=0 代表其不參與能量共享,qi的值由所有參與者競價b決定,因此在目標函數(shù)中包含了競標售電、競標購電和不參與共享3 種情況。每個參與者力圖最大化其凈收益。約束si+qi(b)=Di為電量平衡條件,gi(si,qi(b))≤0為相關(guān)運行約束。

上述基于合作博弈的能量共享問題式（1）中,最關(guān)鍵的因素是再分配機制fi(?)的設計。一個有效的再分配機制應根據(jù)參與者的貢獻進行公平分配,并鼓勵參與者合作。著名的Vickrey-Clarke-Groves（VCG）機制是其中典范［26］,可證明該機制滿足激勵相容原則,即每個參與者均會按照其真實成本進行申報,而不會通過隱藏私人信息獲利,且可實現(xiàn)參與者整體最優(yōu)。但該機制的缺點是難以保證預算平衡,即為確保該市場持續(xù)運行,常需從外部額外提供補助?；赟hapley 值制定再分配方案是另一種常見的策略,其反映了每個參與者在合作中的邊際貢獻期望［27］。文獻［28］對分布式儲能進行優(yōu)化,最小化其合作運行成本。文獻［29］將共享儲能納入綜合能源系統(tǒng)之中,以用戶整體經(jīng)濟性最優(yōu)為目標,設計了相應的用戶費用分攤方法。文獻［30］針對智能電網(wǎng)中的2 種場景,分別提出了共享儲能成本的再分配方案。針對微電網(wǎng)運行,在考慮網(wǎng)絡約束的前提下,文獻［31］提出了相鄰節(jié)點間能量共享的激勵方案。文獻［32］將產(chǎn)消者間的能量共享建模為帶有平衡約束的數(shù)學問題（mathematical programs with equilibrium constraints,MPEC）,并將合作收益在零售商和產(chǎn)消者間分配。文獻［33］采用Shapley值法分配虛擬電廠的合作收益。文獻［34］利用隨機采樣的方法近似點對點能量交易下的Shapley 值。文獻［35］進一步對比了基于Shapley 值的再分配機制與3 種傳統(tǒng)的分配機制（賬單分享、中間市場利率和供求比率）的效果。文獻［36］利用K-means 聚類技術(shù)提高了計算效率。

上述關(guān)于再分配機制的設計可以分為以下3 類。

1）Shapley 值法［31,33-35］。根據(jù)參與者對所參與的每個聯(lián)盟的邊際貢獻的平均值,對收益進行分配。設P(N)為集合N={1,2,…,n}的排列,共有n!種,對于集合中某個選定的元素i和π∈P(N),令Sπ(i)為排列π中元素i之前元素構(gòu)成的集合。對任意子集C?N,定義δi(C)=v(C∪{i})-v(C),其中v(?)為價值函數(shù),則對于合作博弈G=N,v,參與者i的Shapley 值可由下式計算得到。

2）核仁（nucleolus）法［28,36］。旨在最小化最大的不滿意度。設x,y∈X為2 種分配方式,X為分配方式集合。對n個參與者組成的2n個聯(lián)盟下的不滿意度 進 行 排 序,得 到θ(x)= (θ1(x),θ2(x),…,θ2n(x))和θ(y)=(θ1(y),θ2(y),…,θ2n(y))。若滿足θi(x)≤θi(y),?i且?i,θi(x)＜θi(y),則θ(x)＜θ(y)。核仁法所得分配滿足：

3）啟發(fā)式的設計方法。文獻［29］根據(jù)用戶電、熱總能耗量來決定用戶在合作團體中分得的能耗費用。文獻［30］的再分配方案與儲能的單位成本、電力市場價格、用戶的消費量和儲能的使用量相關(guān)。文獻［32］通過計算用戶參與共享時和單獨與零售商交易時的成本差,對用戶和零售商進行利益再分配。此類方法較之前2 種方法計算簡便,操作易行。

基于合作博弈的能量共享機制可實現(xiàn)參與者整體福利最大化,但對于復雜系統(tǒng)而言,尤其是在面臨信息不對稱、用戶隱私保護等情況下,如何設計有效的再分配方案亟待解決。

2.2 基于非合作博弈的能量共享

基于非合作博弈的能量共享機制考慮各參與者的利益沖突及策略行為下的均衡,大致可分為基于拍賣的模式和基于雙邊合同的模式?；谂馁u的能量共享模式又可進一步分為以平臺為主導的和以參與者為主導的。下文將分別介紹各種模式。

2.2.1 平臺主導的拍賣模式

該模式可描述為一個兩階段決策過程,如圖3所示。在第1 階段中,平臺作為先行者,發(fā)布能量共享的購買或銷售價格,旨在最大化自身收益或最優(yōu)化社會福利；在第2 階段中,接收到能量共享價格后,每個參與者決定其共享電量以最小化自身成本/負效用。在該機制下,平臺作為先決策的一方擁有主動權(quán),因此稱為“平臺主導”的能量共享模式；參與者是價格的被動接受者。該兩階段決策問題可以建模為下述Stackelberg 博弈問題。

圖3 平臺主導-拍賣模式的能量共享Fig.3 Energy sharing based on platform-dominating auction mode

一階段（平臺）：

式中：ti(?)為參與者i參與能量共享的支付；si+qi=Di為供需平衡條件；gi(si,qi)≤0 為運行限制約束。為得到此Stackelberg 博弈問題的市場均衡,一種常見的方法是將二階段參與者問題式（5）用其Karush-Kuhn-Tucker（KKT）最優(yōu)性條件替代,進而將整個問題轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)線性規(guī)劃（mixed integer linear programming,MILP）問題,并通過成熟商業(yè)軟件或者利用啟發(fā)式算法進行求解。

此類能量共享機制,以平臺為主導,并考慮其最優(yōu)定價［37］、客戶忠誠度計劃［38］等問題。文獻［39］在計及電力市場價格和可再生能源出力不確定性的前提下,將能量共享問題建模為一個兩階段魯棒優(yōu)化問題。文獻［40］證明了兩階段能量共享問題的Stackelberg 均衡存在且唯一。文獻［41］揭示了以平臺凈利潤最大化為目標設計的共享價格可能導致社會福利下降的現(xiàn)象,并給出了相應的福利損失上界。結(jié)合實際應用場景,文獻［42-43］討論了分布式光伏用戶之間的能量共享效率。文獻［44］探討了當二階段產(chǎn)消者可以結(jié)成小聯(lián)盟時,對能量共享效果的影響。文獻［45］采用Stackelberg 博弈描述共享儲能社區(qū)的能源管理,其中儲能提供商為領(lǐng)導者（leader）,用戶為跟隨者（follower）。文獻［46］構(gòu)建了實現(xiàn)共享儲能的拍賣機制,并將拍賣商和用戶之間的關(guān)系建模為Stackelberg 博弈。此類機制的優(yōu)點是由平臺統(tǒng)一決策出清,可使共享結(jié)果達到社會最優(yōu),且便于拓展考慮物理網(wǎng)絡約束和實現(xiàn)預算平衡。缺點是需要統(tǒng)一的調(diào)控者（平臺）協(xié)調(diào)；當參與者眾多時計算量大；參與者是價格是接受者,其參與能量共享市場的能動性受到抑制。

2.2.2 參與者主導的拍賣模式

與平臺主導的能量共享機制相對應的另一類機制是由參與者主導的拍賣模式。在此機制下,不存在獨立的第三方平臺,如附錄B 圖B2 所示,或者第三方平臺僅提供輔助支撐服務,如圖4 所示。參與者可以通過其策略性行為影響其他參與者的決策,進而影響能量共享均衡價格。

圖4 參與者主導-拍賣模式的能量共享（有第三方平臺）Fig.4 Energy sharing based on participant-dominating auction mode (with third-party platform)

1）當不存在獨立第三方平臺時,一般來說參與者在市場中的地位需要事先確定,即一部分參與者作為銷售方,另一部分參與者作為購買方。銷售方在考慮購買方可能反應的情況下設計并發(fā)布銷售價格,購買方根據(jù)發(fā)布的價格決定各自的購買量,如附錄B 圖B2 所示。該兩階段決策過程可以建模為下述多主-多從博弈問題。

銷售方i：

購買方j：

文獻［47］采用演化博弈刻畫購買方動態(tài)選擇銷售方的過程。文獻［48］將受物理約束限制的一組產(chǎn)消者抽象為虛擬微電網(wǎng),并將產(chǎn)消者間的能量交換過程建模為Stackelberg 博弈。文獻［49］采用納什討價還價博弈研究了電動汽車充放電的能量共享。在此類機制下,由于參與者的市場角色須事先確定,限制了其供需地位動態(tài)切換的靈活性。文獻［50］進一步基于快速交替方向乘子法（alternating direction method of multipliers,ADMM）在各產(chǎn)消者地位對等的情況下,給出能量共享分配的方法,以最小化社會總成本。此類機制的優(yōu)點是無須統(tǒng)一調(diào)控者,容易達到預算平衡,且決策過程符合單個參與者的個體利益。缺點是參與者的市場地位（作為銷售方/購買方）須事先確定,限制了參與者的靈活性；無統(tǒng)一調(diào)控者協(xié)調(diào)干預,難以考慮物理網(wǎng)絡約束；參與者之間的相互匹配需時復雜。

2）當存在第三方共享平臺時,首先參與者作為“先行者”向平臺報價；收集到所有報價后,平臺對能量共享市場進行出清,給出相應的均衡價格和共享電量,如圖4 所示。因參與者間的策略性行為會影響到其他參與者的策略集,上述過程可建模為下述廣義納什博弈［51］。

參與者i：

平臺：

參與者i的決策變量為自產(chǎn)電量si和報價bi；共享電量qi和能量共享價格λi均為b的函數(shù)。當平臺收到所有參與者的競價bi,?i后,其在運行約束和市場出清條件的限制下,求解優(yōu)化問題式（9）,給出共享電量q：=(qi,?i)和能量共享價格λ：=(λi,?i)。

此類競價機制與傳統(tǒng)電力市場［52］的發(fā)電廠和用電方同時競價出清的模式類似。其主要區(qū)別體現(xiàn)在2 個方面：①能量共享市場的參與者在自產(chǎn)電量和通過共享獲取能量之間取舍,而傳統(tǒng)發(fā)電廠僅生產(chǎn)電量；②能量共享市場的每個參與者可以自由地選擇作為銷售方還是購買方,其市場地位在共享市場出清過程中根據(jù)申報自動確定。在文獻［53］提出的新型城鎮(zhèn)配電系統(tǒng)交易機制中,產(chǎn)消者通過非合作博弈競價爭取最大售電收益,電網(wǎng)收取過網(wǎng)費并提供保底供電服務。文獻［54］給出了考慮儲能投資成本和實時市場收益的共享儲能廣義納什博弈模型,并證明了該博弈均衡的若干性質(zhì)。文獻［55］提出一種基于廣義供求函數(shù)的能量共享機制,并嚴格證明了該機制下市場均衡的存在性、唯一性、漸近特性、遞減特性等性質(zhì)。文獻［56］將一種分布式點對點共享機制刻畫為廣義納什博弈,并證明了變分均衡集與社會最優(yōu)解集相同。在廣義納什博弈下,各參與者的策略集依賴于其他參與者所選擇的策略,均衡通常不唯一且可能以低維流形的形式出現(xiàn)［24］,其均衡性質(zhì)及求解方法都是亟待解決的難題。此類機制下,用戶不再是價格的被動接受者,而可以通過競標影響均衡價格,更有利于激發(fā)起能動性；決策結(jié)果符合參與者個體利益；由統(tǒng)一調(diào)控者協(xié)調(diào)出清,易于達到預算平衡。同時,此機制須統(tǒng)一的調(diào)控者（平臺）進行協(xié)調(diào),當參與者眾多時計算量大；單個參與者決策時并不直接考慮物理網(wǎng)絡約束,如何將相關(guān)約束信息蘊含于交易價格之中進行間接引導是一大難點；參與者以自身利益最大化為目標進行競價,均衡結(jié)果難以實現(xiàn)社會最優(yōu)。

2.2.3 雙邊合同模式

與基于拍賣的能量共享模式不同,基于雙邊合同的模式主要依賴于申報、撮合完成交易配對。首先,參與者登記為銷售方或購買方,在交易時段向平臺進行申報,并尋找最佳匹配方。當一個合同配對成功后,經(jīng)過平臺運行者的允許,交易達成,相應的申報從列表中去除［57］。此機制可在異步模式下運行,符合參與者個體利益,且易于達到預算平衡,其關(guān)鍵點在于如何進行匹配以及匹配結(jié)果的可行性。文獻［58］提出了一種基于雙邊合同的日前-實時市場模型。文獻［59］提出了一種以風險最小化為目標的參與者匹配方案?？傮w上,由于配對過程較難刻畫分析,此類機制相關(guān)研究較少,且在該機制下,參與者的市場地位（作為購買方/銷售方）需事先確定。如何對參與者進行匹配以及如何保證出清結(jié)果符合物理網(wǎng)絡約束都是設計的難點。

3 研究展望

需求側(cè)能量共享為提高系統(tǒng)資源利用效率,應對海量分布式可再生能源接入所帶來的挑戰(zhàn)開辟了新途徑,相關(guān)研究方興未艾。未來研究可從能量共享市場內(nèi)部設計和與外部的銜接關(guān)系2 個方面進一步深入挖掘。

1）能量共享市場內(nèi)部設計

能量共享市場內(nèi)部可分為市場主體（包括共享平臺和參與者）及傳遞流（包括能量流、信息流和價值流）兩部分,如圖5 所示。

圖5 能量共享市場內(nèi)部未來研究方向Fig.5 Future research direction inside energy sharing market

針對市場主體,目前研究主要考慮單個平臺下完全理性參與者的市場均衡分析,可能的拓展方向包括：①當存在多個能量共享平臺時,平臺間競爭下的市場均衡分析,這涉及多個帶均衡約束的均衡問題（equilibrium programs with equilibrium constraint,EPEC）的復雜聯(lián)立求解；②各平臺如何盡可能多地搶占市場并保持客戶粘性,這涉及用戶補貼計劃的設計問題；③如何有效劃分參與者群體,使得每個能量共享群體內(nèi)部均衡下的資源分配效率最高；④當參與者為有限理性時,會對市場均衡產(chǎn)生怎樣的影響,可結(jié)合展望理論進行分析。

針對傳遞流,目前研究主要考慮對稱信息下單種能源以現(xiàn)金計價的共享模式,可能的拓展方向包括：①多種能量同時進行共享時的市場機制設計,這將涉及綜合能源系統(tǒng)的建模及均衡分析；②考慮非對稱信息下的共享機制設計,具體可考慮逆向選擇和道德風險兩類問題；③采用現(xiàn)金結(jié)算外的其他價值結(jié)算方式（如信用積分）下的共享機制設計。

2）能量共享市場與外部的關(guān)系

能量共享市場可分布式地實現(xiàn)資源的更高效分配,具有廣闊的發(fā)展前景。為實現(xiàn)能量共享市場的應用,如何將其與現(xiàn)有的電力系統(tǒng)運行調(diào)度和市場交易體系相結(jié)合是關(guān)鍵。針對運行調(diào)度而言,大量分布式可再生能源接入下的不確定性給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來沖擊,而且面向海量分布式電源時,傳統(tǒng)的集中調(diào)度模式效率低下且實施困難。能量共享可由每個參與者單獨決策,市場均衡自發(fā)達到接近社會最優(yōu)的效果,有望解決這一問題。如何將傳統(tǒng)的集中調(diào)度與分布式的能量共享方案相結(jié)合,是需要深入研究的問題。針對市場交易,對內(nèi)大量參與者進行能量共享提高資源分配效率,對外參與者群體可與傳統(tǒng)能源市場進行交易,參與到能量管理中來。為此,需回答各參與者群體如何參與傳統(tǒng)能源市場交易,交易的成本/收益如何在參與者群體內(nèi)部有效分配等系列問題,涉及工程博弈論的系列理論和分析工具。

4 結(jié)語

需求側(cè)能量共享為適應海量分布式可再生能源接入下的新挑戰(zhàn)提供了范式參考。本文給出了需求側(cè)能量共享的概念,分析了其可能帶來的機遇,闡明了其設計的基本要求與關(guān)鍵點,并對國內(nèi)外相關(guān)研究進行綜述。在此基礎(chǔ)上,對能量共享未來研究方向進行了展望。所提需求側(cè)能量共享方案,通過“所有權(quán)”和“使用權(quán)”的暫時分離,達到物盡其用的效果,具有廣闊的發(fā)展前景。

附錄見本刊網(wǎng)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(wǎng)絡全文。