晏鳴宇，王玲玲，滕 飛，文勁宇，甘 偉，姚 偉，周 越

（1.倫敦帝國(guó)理工學(xué)院電氣與電子工程系，倫敦 SW72AZ，英國(guó)；2.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海市 200240；3.強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華中科技大學(xué)），湖北省 武漢市 430074；4.卡迪夫大學(xué)工程學(xué)院，卡迪夫 CF193AT，英國(guó)）

0 引言

電力系統(tǒng)的清潔低碳轉(zhuǎn)型對(duì)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)有著重要的意義［1］。提高可再生能源接入比例與系統(tǒng)運(yùn)行效率，是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)脫碳化的重要方法。需求側(cè)響應(yīng)和分布式能源（distributed energy resource，DER）是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的重要手段。需求側(cè)響應(yīng)使得傳統(tǒng)的剛性負(fù)荷能動(dòng)態(tài)調(diào)整，以保證系統(tǒng)功率的實(shí)時(shí)平衡。DER 包括分布式可再生能源、電動(dòng)汽車（electrical vehicle，EV）、分布式儲(chǔ)能（energy storage，ES）等，能夠?qū)崿F(xiàn)能源的就地生產(chǎn)與消納，從而避免能源遠(yuǎn)距離傳送，減小能源傳輸造成的損耗。隨著上述技術(shù)的引入，傳統(tǒng)的消賈者演化為同時(shí)具有生產(chǎn)與消賈能力的產(chǎn)消者。

產(chǎn)消者可以積極與電網(wǎng)互動(dòng)，以平衡可再生能源出力的隨機(jī)波動(dòng)，提高可再生能源消納水平。同時(shí)，亦可以進(jìn)一步挖掘用戶側(cè)的靈活性資源，引導(dǎo)其參與電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)，為電網(wǎng)的安全穩(wěn)定與靈活運(yùn)行提供有力支撐。然而，產(chǎn)消者需要有合適的市場(chǎng)機(jī)制引導(dǎo)以參與配電網(wǎng)運(yùn)行［2］?？山灰啄茉词袌?chǎng)是面對(duì)多分布式主體的新型配電網(wǎng)零售市場(chǎng)，是一套通過(guò)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［3-4］?？山灰啄茉词袌?chǎng)旨在形成扁平化的配電網(wǎng)交易結(jié)構(gòu)，降低用戶側(cè)主體參與市場(chǎng)的壁壘，使得“隔墻售電”［5］成為可能。中國(guó)出臺(tái)了相關(guān)政策以指導(dǎo)可交易能源的發(fā)展，國(guó)家發(fā)展改革委和國(guó)家能源局于2022 年3 月發(fā)布《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》［6］，明確提出要健全分布式發(fā)電市場(chǎng)化交易機(jī)制，鼓勵(lì)分布式光伏、風(fēng)電等主體與周邊用戶直接交易，激勵(lì)可再生能源就地消納。

目前，關(guān)于可交易能源市場(chǎng)已有一定的研究，全面掌握分析現(xiàn)有的可交易能源市場(chǎng)有助于研究更高效實(shí)用的市場(chǎng)機(jī)制，解決能源系統(tǒng)現(xiàn)有挑戰(zhàn)，并為可交易能源市場(chǎng)指出新的研究方向。本文首先系統(tǒng)介紹了可交易能源的概念與市場(chǎng)架構(gòu)。接著，詳細(xì)闡述了基于拍賣和博弈論的可交易能源市場(chǎng)機(jī)制，并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。然后，介紹了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的可交易能源市場(chǎng)平臺(tái)，并對(duì)現(xiàn)有可交易能源市場(chǎng)示范項(xiàng)目進(jìn)行回顧。最后，結(jié)合當(dāng)前研究不足，對(duì)未來(lái)可交易能源市場(chǎng)的發(fā)展方向進(jìn)行展望。

1 可交易能源市場(chǎng)

1.1 基于互聯(lián)微網(wǎng)的配電網(wǎng)框架

產(chǎn)消者分布零散、容量較小，需要聚合管理。針對(duì)不同的實(shí)際需求，產(chǎn)消者涌現(xiàn)出了多種形式的聚合體，如微網(wǎng)（MG）［7］、虛擬電廠［8］、負(fù)荷聚集商［9］等。如圖1 所示，不同于虛擬電廠與負(fù)荷聚集商，微網(wǎng)作為實(shí)體電力網(wǎng)絡(luò)的管理者，能夠在聚合地理位置相鄰的產(chǎn)消者的同時(shí)保證電力網(wǎng)絡(luò)安全［10］。微網(wǎng)可將現(xiàn)場(chǎng)的產(chǎn)消者、DER（如分布式風(fēng)機(jī)（WT）、分布式光伏（PV）、微型燃?xì)廨啓C(jī)（MT））和傳統(tǒng)的負(fù)荷互聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)能源的本地平衡。同時(shí)，亦可以通過(guò)公共連接點(diǎn)與相鄰的配電系統(tǒng)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)與公共事業(yè)公司的能源交互。地理位置相近的微網(wǎng)可以互聯(lián)構(gòu)成互聯(lián)微網(wǎng)［11］，為配電網(wǎng)提供了新的運(yùn)行模式?；ヂ?lián)微網(wǎng)可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)分散在不同地點(diǎn)產(chǎn)消者的聚合與協(xié)同，從而充分利用每個(gè)產(chǎn)消者可用資源［12-13］。同時(shí)，互聯(lián)微網(wǎng)框架的出現(xiàn)允許微網(wǎng)間交易能源，使得可交易能源市場(chǎng)成為可能。

圖1 基于互聯(lián)微網(wǎng)的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of distribution network based on interconnected microgrids

1.2 可交易能源市場(chǎng)概念與架構(gòu)

為了促進(jìn)DER 的接入，目前配電網(wǎng)零售市場(chǎng)在實(shí)際運(yùn)行中執(zhí)行分時(shí)電價(jià)（time-of-use，TOU）和上網(wǎng)電價(jià)（feed-in-tariff，F(xiàn)iT）機(jī)制。圖2 展示了現(xiàn)有配電網(wǎng)市場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行機(jī)制。在該機(jī)制下，市場(chǎng)成員可以與公共事業(yè)公司交易電能。如果市場(chǎng)成員裝有DER，該成員可以將多余的電能賣給公共事業(yè)公司。市場(chǎng)成員向公共事業(yè)公司以實(shí)時(shí)電價(jià)買電，以上網(wǎng)電價(jià)向公共事業(yè)公司賣電。通常而言，上網(wǎng)電價(jià)遠(yuǎn)低于實(shí)時(shí)電價(jià)。以美國(guó)太平洋燃?xì)怆娏緸槔?，其上網(wǎng)電價(jià)約為0.064～0.108 美元/（kW·h），而實(shí)時(shí)電價(jià)約為0.2～0.3 美元/（kW·h）［14］。在該市場(chǎng)機(jī)制下，用戶側(cè)可能會(huì)小規(guī)模投入DER 以減少其用電成本。但由于上網(wǎng)電價(jià)太低，用戶側(cè)賣電給公共事業(yè)公司將無(wú)利可圖。因此，用戶側(cè)不會(huì)大規(guī)模投入DER。

圖2 基于上網(wǎng)電價(jià)的配電網(wǎng)零售市場(chǎng)Fig.2 Retail market of distribution network based on FiT

可交易能源市場(chǎng)旨在對(duì)現(xiàn)有的上網(wǎng)電價(jià)機(jī)制進(jìn)行改進(jìn)，打破公共事業(yè)公司壟斷，讓用戶側(cè)相互交易以保持能源實(shí)時(shí)平衡。市場(chǎng)成員可以直接交易，并以動(dòng)態(tài)市場(chǎng)化的價(jià)格進(jìn)行結(jié)算［15］。由于實(shí)時(shí)供需關(guān)系不同，不同時(shí)段的市場(chǎng)結(jié)算價(jià)格不同。在可交易能源市場(chǎng)中，結(jié)算價(jià)格是動(dòng)態(tài)化的。面向互聯(lián)微網(wǎng)的可交易能源市場(chǎng)框架如圖3 所示。根據(jù)面向?qū)ο蟮牟煌?，可交易能源市?chǎng)可分為面向微網(wǎng)內(nèi)部產(chǎn)消者的市場(chǎng)與面向互聯(lián)微網(wǎng)的市場(chǎng)。具體而言，每個(gè)微網(wǎng)內(nèi)部的產(chǎn)消者可以通過(guò)微網(wǎng)內(nèi)部市場(chǎng)互相交易。同時(shí)，產(chǎn)消者可以聚合成微網(wǎng)的形式與其他微網(wǎng)交易能源，以進(jìn)一步最大化其收益。

圖3 面向互聯(lián)微網(wǎng)的可交易能源市場(chǎng)Fig.3 Transactive energy market for interconnected microgrids

1.3 可交易能源市場(chǎng)類型

圖4 展示了去中心化和中心化的可交易能源市場(chǎng)。去中心化市場(chǎng)又稱為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)能源交易市場(chǎng)。在該市場(chǎng)中，市場(chǎng)成員之間直接交換信息并制定雙邊合同。而在中心化市場(chǎng)中，市場(chǎng)成員依賴于第三方機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)交易，如配電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商或公共事業(yè)公司?？山灰啄茉催€引申出了很多其他概念，如能源共享。能源共享是指擁有閑置電能的一方有償暫時(shí)讓渡電能使用權(quán)給另一方，利用閑置電能創(chuàng)造價(jià)值的運(yùn)營(yíng)模式。在常規(guī)能源交易中，銷售方（如發(fā)電廠）和購(gòu)買方（如用戶）一般有著明確的劃分，而在能量共享中，參與者的市場(chǎng)角色可由市場(chǎng)出清內(nèi)生決定而不必事先確定，且可靈活轉(zhuǎn)換［16］。這些概念都屬于可交易能源市場(chǎng)，其市場(chǎng)架構(gòu)和運(yùn)行機(jī)制均屬于上述2 種市場(chǎng)。

圖4 不同類型的可交易能源市場(chǎng)Fig.4 Transactive energy markets with different types

2 可交易能源市場(chǎng)機(jī)制

可交易能源市場(chǎng)給配電網(wǎng)零售市場(chǎng)帶來(lái)了新的運(yùn)行模式，需要新的市場(chǎng)機(jī)制以動(dòng)態(tài)反映配電網(wǎng)系統(tǒng)中能源價(jià)值、供需、競(jìng)爭(zhēng)、風(fēng)險(xiǎn)關(guān)系等要素之間的聯(lián)系。已有許多文獻(xiàn)針對(duì)可交易能源市場(chǎng)機(jī)制開展研究。目前其市場(chǎng)機(jī)制主要基于拍賣和博弈論進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 拍賣

圖5 展示了一個(gè)典型的拍賣。在拍賣中，市場(chǎng)參與者需要投標(biāo)以參加市場(chǎng)競(jìng)價(jià)，投標(biāo)中通常包括用戶的成本/收益以及偏好等。拍賣商或者第三方機(jī)構(gòu)根據(jù)市場(chǎng)參與者投標(biāo)出清市場(chǎng)。本節(jié)將介紹不同拍賣在可交易能源市場(chǎng)中的應(yīng)用。

圖5 拍賣機(jī)制Fig.5 Auction mechanism

2.1.1 單向拍賣

單向拍賣也可稱為單邊拍賣，是最傳統(tǒng)的拍賣模式。在單向拍賣中，只有賣家需要投標(biāo)以參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，而買家的需求必須得到滿足。主網(wǎng)批發(fā)市場(chǎng)的出清機(jī)制就是典型的單向拍賣。文獻(xiàn)［17］研究多微網(wǎng)的可交易市場(chǎng)，每個(gè)微網(wǎng)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)本地產(chǎn)消者并與其他微網(wǎng)進(jìn)行能源交易。在該市場(chǎng)中，只有賣方參與競(jìng)標(biāo)，而買方不參與競(jìng)標(biāo)。

單邊拍賣最大的缺陷就是假設(shè)買家能源需求是固定的。隨著需求側(cè)響應(yīng)的引入，買家的能源需求將隨著市場(chǎng)價(jià)格動(dòng)態(tài)調(diào)整。單邊拍賣無(wú)法考慮該動(dòng)態(tài)特性，因此不適合在可交易能源市場(chǎng)中使用。

2.1.2 雙向拍賣

雙向拍賣機(jī)制允許賣方和買方同時(shí)競(jìng)價(jià)。因此，該機(jī)制能考慮需求側(cè)響應(yīng)，讓所有的成員都參與到市場(chǎng)中。圖6 給出了雙向拍賣市場(chǎng)的出清機(jī)制。拍賣商匯總供給側(cè)和需求側(cè)競(jìng)標(biāo)，于供給曲線和需求曲線的交點(diǎn)得到市場(chǎng)的出清價(jià)格和電量。

圖6 雙向拍賣出清機(jī)制Fig.6 Clearing mechanism of double auction

文獻(xiàn)［18-19］提出了針對(duì)產(chǎn)消者的雙向拍賣，產(chǎn)消者可根據(jù)其新能源出力與需求側(cè)響應(yīng)計(jì)劃進(jìn)行靈活競(jìng)價(jià)，以最大化其收益。文獻(xiàn)［20］進(jìn)一步將雙向拍賣用于多微網(wǎng)間的交易。文獻(xiàn)［21］提出了針對(duì)電動(dòng)汽車間交易的雙向拍賣，電動(dòng)汽車可根據(jù)其電荷水平和能量?jī)r(jià)格與其他電動(dòng)汽車交易，從而緩解高峰期的負(fù)荷。文獻(xiàn)［22］提出了雙邊拍賣的評(píng)估體系，分析了通信不確定性、物理網(wǎng)絡(luò)、個(gè)體理性等實(shí)際條件對(duì)雙邊拍賣的影響。

2.1.3 配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)

節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)是主網(wǎng)批發(fā)市場(chǎng)中的重要出清方法，其本質(zhì)上是一種考慮電力系統(tǒng)物理約束的拍賣。近年來(lái)，許多研究嘗試將節(jié)點(diǎn)電價(jià)延伸至配電網(wǎng)側(cè)，通過(guò)計(jì)算配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)（distribution locational marginal price，DLMP）實(shí)現(xiàn)可交易能源市場(chǎng)出清。文獻(xiàn)［23］研究了基于直流潮流的配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電價(jià)計(jì)算方法，但是配電網(wǎng)中的電阻與電抗的比值較大，基于直流潮流的配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電價(jià)計(jì)算會(huì)引入顯著誤差［24］。因此，一些學(xué)者嘗試對(duì)交流潮流模型進(jìn)行線性化，并給出對(duì)應(yīng)的配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電價(jià)計(jì)算方法。文獻(xiàn)［24］提出了一種新的線性化潮流方法，推導(dǎo)了配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電價(jià)的有功、無(wú)功功率和網(wǎng)損分量。文獻(xiàn)［25］采用基于信賴域的求解方法，通過(guò)交流潮流模型的一階近似來(lái)求解配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電價(jià)及其組成部分。文獻(xiàn)［26］構(gòu)建了基于二階錐規(guī)劃的配電網(wǎng)潮流出清模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)有功/無(wú)功資源的定價(jià)，從而激勵(lì)配電網(wǎng)內(nèi)DER 參與阻塞管理和電壓支撐。

2.1.4 分布式優(yōu)化

由于風(fēng)光等可再生能源固有的隨機(jī)性和波動(dòng)性，分布式可再生能源的大規(guī)模接入使得配電網(wǎng)面臨的不確定性增加。在實(shí)際運(yùn)行中，針對(duì)不同的可再生能源出力場(chǎng)景，可能需要多次運(yùn)行最優(yōu)交流潮流模型來(lái)保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行并更新DLMP。而傳統(tǒng)的非線性交流潮流模型計(jì)算復(fù)雜度較高，無(wú)法在實(shí)時(shí)調(diào)度中應(yīng)用。隨著市場(chǎng)主體的增加，可以考慮引入分布式優(yōu)化，在降低計(jì)算復(fù)雜度的同時(shí)計(jì)算DLMP。

常用的分布式優(yōu)化方法為基于增廣拉格朗日分解的方法［27］，包括交替方向乘子法（alternating direction method of multipliers，ADMM）［28-29］、目標(biāo)級(jí)聯(lián)法［30］和對(duì)偶分解法［31］等。其中，ADMM 結(jié)合了對(duì)偶分解法的可分解性和乘子法的優(yōu)越收斂性，在電力系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題中獲得了較為廣泛的應(yīng)用。與對(duì)偶分解法相比，ADMM 能夠在較少的限制下收斂到最優(yōu)解。文獻(xiàn)［32］研究了配電網(wǎng)與多微網(wǎng)混合連接系統(tǒng)的分布式魯棒經(jīng)濟(jì)調(diào)度問(wèn)題，通過(guò)引入虛擬協(xié)調(diào)器構(gòu)建“部件-子系統(tǒng)-主系統(tǒng)”的3 層結(jié)構(gòu)，采用目標(biāo)級(jí)聯(lián)法進(jìn)行分布式求解。文獻(xiàn)［33］和［34］分別基于ADMM 實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)和微網(wǎng)群的分布式經(jīng)濟(jì)調(diào)度。這些分布式優(yōu)化算法的本質(zhì)是將耦合約束采用拉格朗日松弛解耦，將中心化市場(chǎng)問(wèn)題分解為多個(gè)子問(wèn)題并行求解，其中拉格朗日乘子可以看作影子價(jià)格。除基于增廣拉格朗日分解外，還有基于Karush-Kuhn-Tucker 條件的分布式優(yōu)化方法［35］。

2.2 博弈論

博弈論可用來(lái)模擬和分析市場(chǎng)成員行為，能有效分析市場(chǎng)均衡，并輔助研究人員建立市場(chǎng)機(jī)制［36］。博弈論可分為非合作博弈、合作博弈、主從博弈等。本節(jié)將介紹博弈論以及基于博弈論建立的市場(chǎng)機(jī)制。

2.2.1 非合作博弈

非合作博弈關(guān)注市場(chǎng)成員的競(jìng)爭(zhēng)行為。假設(shè)每個(gè)市場(chǎng)成員都是理性的，會(huì)與其他成員競(jìng)爭(zhēng)以最大化自身收益。非合作博弈中最重要的是納什均衡。納什均衡代表一種策略組合，即如果所有市場(chǎng)成員都選擇該策略組合中的策略，沒(méi)有市場(chǎng)成員可以通過(guò)更改其策略獲得更大收益。如果納什均衡存在并且唯一，市場(chǎng)成員的最優(yōu)策略就是納什均衡。

文獻(xiàn)［27］將非合作博弈用于具有儲(chǔ)能的產(chǎn)消者，并證明了納什均衡的存在。為了保護(hù)產(chǎn)消者的隱私，文獻(xiàn)［37-38］提出了分布式算法以達(dá)到納什均衡。文獻(xiàn)［39］設(shè)計(jì)一種基于貢獻(xiàn)值的多產(chǎn)消者能源交易方法。上述文獻(xiàn)通過(guò)非合作博弈來(lái)模擬買方之間的競(jìng)爭(zhēng)行為，但未考慮配電網(wǎng)絡(luò)約束。由于市場(chǎng)成員間的交易行為受到物理網(wǎng)絡(luò)限制，因此市場(chǎng)成員的行為是耦合的。為了解決這一問(wèn)題，文獻(xiàn)［40］利用廣義納什均衡尋找電力網(wǎng)絡(luò)約束下市場(chǎng)成員的最優(yōu)策略。然而現(xiàn)有的文獻(xiàn)對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)約束的假設(shè)（如忽略電壓約束、相角約束等）較為簡(jiǎn)單。如何針對(duì)實(shí)際中復(fù)雜的電力網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建合適的廣義納什均衡仍然有待研究。

2.2.2 合作博弈

合作博弈關(guān)注市場(chǎng)參與人員的合作行為，而非競(jìng)爭(zhēng)行為。合作博弈本質(zhì)上是收益分配問(wèn)題，即用戶由競(jìng)爭(zhēng)轉(zhuǎn)向合作，分配合作帶來(lái)的收益。合作博弈通?？煞譃槁?lián)盟博弈和聯(lián)盟形成博弈。前者假設(shè)所有市場(chǎng)成員均會(huì)合作，形成一個(gè)大聯(lián)盟，其研究重點(diǎn)為大聯(lián)盟是否穩(wěn)定，以及如何將大聯(lián)盟的收益值分配給所有市場(chǎng)成員；后者則重點(diǎn)研究聯(lián)盟是如何形成的以及聯(lián)盟結(jié)構(gòu)的屬性。

文獻(xiàn)［41-42］將聯(lián)盟博弈用于微網(wǎng)間的合作，并采用納什議價(jià)分配市場(chǎng)成員共同創(chuàng)造的合作剩余。在文獻(xiàn)［42］的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)［43-44］考慮了微網(wǎng)間的聯(lián)絡(luò)線約束。然而，納什議價(jià)的分配方案無(wú)法保證大聯(lián)盟的穩(wěn)定性。即與參與大聯(lián)盟相比，市場(chǎng)成員在參與其他聯(lián)盟時(shí)可能會(huì)獲得更高的收益，因而不愿意加入大聯(lián)盟。核仁和沙普利值是經(jīng)典合作博弈理論最著名的2 種分配方案。沙普利值是基于市場(chǎng)成員邊際貢獻(xiàn)的分配方案，該方法與納什議價(jià)有著相同的缺點(diǎn)。核仁則是基于核的分配方案，能夠保證市場(chǎng)成員只有在參與大聯(lián)盟時(shí)才能獲得最大收益。文獻(xiàn)［45-46］研究了微網(wǎng)內(nèi)部產(chǎn)消者的合作行為，并采用核仁和沙普利值分配大聯(lián)盟收益。結(jié)果表明，只要分時(shí)電價(jià)大于上網(wǎng)電價(jià)，大聯(lián)盟總是穩(wěn)定的。核仁和沙普利值需要枚舉計(jì)算所有潛在聯(lián)盟的收益值來(lái)分配收益，如此高的計(jì)算復(fù)雜度使得該方案幾乎不可能應(yīng)用在實(shí)際中。文獻(xiàn)［47-48］提出了低計(jì)算復(fù)雜度的分配方案計(jì)算方法。這些計(jì)算方法能夠保證分配方案屬于核的同時(shí)無(wú)須枚舉所有潛在聯(lián)盟。文獻(xiàn)［49］利用聯(lián)盟形成博弈論，對(duì)微網(wǎng)交互以及不同形式的聯(lián)盟組成進(jìn)行了研究。經(jīng)典合作博弈由于其理論限制，無(wú)法考慮物理網(wǎng)絡(luò)約束下的市場(chǎng)成員行為間的耦合性。具有外部性的合作博弈可以有效考慮該耦合性。文獻(xiàn)［50］采用具有外部性的合作博弈理論研究配電網(wǎng)絡(luò)約束下微網(wǎng)間的交易，并提出了對(duì)應(yīng)的分配方案。

2.2.3 主從博弈

主從博弈又稱為斯塔克爾伯格博弈，是一種特殊的博弈模型。在該模型中，市場(chǎng)成員被分為2 類，即領(lǐng)導(dǎo)者和跟隨者。圖7 展示了斯塔克爾伯格博弈的流程。在該博弈模型中，領(lǐng)導(dǎo)者先行動(dòng)，決定其最優(yōu)策略并告知跟隨者，跟隨者根據(jù)領(lǐng)導(dǎo)者的最優(yōu)策略做出最優(yōu)響應(yīng)，并回復(fù)給領(lǐng)導(dǎo)者。根據(jù)領(lǐng)導(dǎo)者和跟隨者數(shù)量的不同，斯塔克爾伯格博弈可分為單領(lǐng)導(dǎo)者-多跟隨者斯塔克爾伯格博弈和多領(lǐng)導(dǎo)者-多跟隨者斯塔克爾伯格博弈等。多領(lǐng)導(dǎo)者之間和多跟隨者之間可以是競(jìng)爭(zhēng)行為也可以是合作行為。與非合作博弈類似，斯塔克爾伯格博弈存在斯塔克爾伯格均衡（Stackelberg equilibrium，SE）。如果所有領(lǐng)導(dǎo)者和跟隨者都選擇了該均衡內(nèi)的策略，沒(méi)有領(lǐng)導(dǎo)者和追隨者可以通過(guò)改變現(xiàn)有策略單方面獲益。

圖7 斯塔克爾伯格博弈流程Fig.7 Process of Stackelberg game

在可交易能源市場(chǎng)中，市場(chǎng)成員可分為買方和賣方。通常，賣方作為領(lǐng)導(dǎo)者，向買方提供能源價(jià)格與能量。而買方作為跟隨者，根據(jù)其能源價(jià)格制定自身能源需求，并將該需求返回給賣方。由于市場(chǎng)成員數(shù)量較多，因此通常采用多領(lǐng)導(dǎo)者-多跟隨者斯塔克爾伯格博弈對(duì)可交易能源市場(chǎng)中的市場(chǎng)成員進(jìn)行建模。文獻(xiàn)［51］提出了多微網(wǎng)的斯塔克爾伯格博弈，并證明了SE 的存在。然而，該模型假設(shè)微網(wǎng)內(nèi)部只包括分布式新能源并且未考慮分布式新能源的物理約束（如機(jī)組容量等）。文獻(xiàn)［52-53］進(jìn)一步考慮了分布式新能源的物理約束。上述文獻(xiàn)需要市場(chǎng)成員提供所有信息來(lái)達(dá)到SE。然而在實(shí)際中，用戶出于隱私考慮，往往不愿意提交所有信息。文獻(xiàn)［54］提出了SE 的分布式計(jì)算方法以保護(hù)用戶隱私。文獻(xiàn)［55］進(jìn)一步在微網(wǎng)中考慮了分布式新能源與小型燃?xì)廨啓C(jī)組。上述文獻(xiàn)未考慮DER 的異構(gòu)性，比如分布式新能源沒(méi)有燃料賈用而小型燃?xì)廨啓C(jī)則具有二次發(fā)電成本曲線。此外，已有模型往往假設(shè)買方與賣方是異構(gòu)性市場(chǎng)成員，具有不同形式的目標(biāo)函數(shù)和約束。這種假設(shè)是非常不合理的，因?yàn)槭袌?chǎng)參與者買賣角色是根據(jù)當(dāng)前價(jià)格、機(jī)組出力和負(fù)荷決定的，可以隨時(shí)轉(zhuǎn)換。因此，買方和賣方應(yīng)當(dāng)是同構(gòu)性的，具有相同形式的約束與目標(biāo)函數(shù)。文獻(xiàn)［56］提出的斯塔克爾伯格博弈解決了上述問(wèn)題，但其僅考慮了燃?xì)廨啓C(jī)和分布式新能源2 種DER。配電網(wǎng)中還存在其他異構(gòu)性的DER，如儲(chǔ)能等。綜合考慮所有異構(gòu)性DER 的斯塔克爾伯格博弈模型還有待研究。

2.3 不同市場(chǎng)機(jī)制對(duì)比

本節(jié)介紹了不同種類的可交易能源市場(chǎng)機(jī)制。不同機(jī)制有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。拍賣是目前最成熟有效的市場(chǎng)機(jī)制，基于拍賣的可交易能源市場(chǎng)需要第三方協(xié)助出清市場(chǎng)，因此是中心化市場(chǎng)。該方法能在出清市場(chǎng)的同時(shí)保證配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全，并且其出清價(jià)格能考慮網(wǎng)絡(luò)堵塞、電壓越限等一系列成本，具有明確的物理意義。然而，該機(jī)制需要市場(chǎng)參與者頻繁地參與競(jìng)標(biāo)過(guò)程。配電網(wǎng)中大規(guī)模的市場(chǎng)參與者競(jìng)標(biāo)會(huì)導(dǎo)致不容忽略的交易成本。同時(shí)，參與者需要對(duì)市場(chǎng)價(jià)格、機(jī)制等有著清晰的了解。而配電網(wǎng)中的市場(chǎng)成員容量較小，盈利有限，缺乏主動(dòng)學(xué)習(xí)競(jìng)標(biāo)的意愿，從而阻礙了市場(chǎng)成員參與競(jìng)標(biāo)的積極性。此外，拍賣機(jī)制需要引入第三方進(jìn)行市場(chǎng)出清，這可能會(huì)導(dǎo)致隱私保護(hù)等問(wèn)題。

基于合作博弈的市場(chǎng)能避免市場(chǎng)參與者頻繁參與競(jìng)標(biāo)。該方法根據(jù)參與者的貢獻(xiàn)，合理給每個(gè)市場(chǎng)成員分配收益值。該方法能有效激勵(lì)市場(chǎng)成員相互合作以實(shí)現(xiàn)社會(huì)福利的最大化。然而，基于合作博弈的市場(chǎng)同樣是中心化市場(chǎng)，需要第三方輔助市場(chǎng)出清，這可能會(huì)導(dǎo)致隱私等問(wèn)題。同時(shí)，基于合作博弈的市場(chǎng)機(jī)制通常計(jì)算復(fù)雜度極高，難以面向海量DER。盡管有許多研究嘗試去降低計(jì)算復(fù)雜度，也取得一定成果，但仍然不能滿足實(shí)際中的計(jì)算需求。此外，如何在合作博弈中考慮配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)仍然面臨較大挑戰(zhàn)。市場(chǎng)參與者經(jīng)由配電網(wǎng)連接，彼此行為耦合，而經(jīng)典合作博弈理論無(wú)法模擬參與者行為間的耦合特性，需要進(jìn)一步完善合作博弈理論。

與上述2 種方法不同，基于非合作博弈和主從博弈設(shè)計(jì)的市場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)去中心化，是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)可交易能源市場(chǎng)。該方法能容許參與者彼此之間交互，有效保護(hù)參與者隱私。然而，該市場(chǎng)難以考慮配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)約束。一方面是因?yàn)槭袌?chǎng)參與者缺乏網(wǎng)絡(luò)相關(guān)信息，無(wú)法衡量其交易行為對(duì)配電網(wǎng)的影響；另一方面是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型過(guò)于復(fù)雜，很難分析網(wǎng)絡(luò)約束下的廣義納什均衡和SE，從而建立合理的市場(chǎng)機(jī)制。此外，該方法同樣需要市場(chǎng)參與者頻繁互動(dòng)以實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)出清，這會(huì)增加用戶的交易成本。

3 可交易能源市場(chǎng)平臺(tái)

可交易能源市場(chǎng)能允許分布式主體積極互動(dòng)，因而需要新的平臺(tái)以支持分布式主體交易。區(qū)塊鏈技術(shù)能為分布式主體構(gòu)建可行的交易環(huán)境，得到了廣泛的關(guān)注。目前可交易能源市場(chǎng)平臺(tái)也大多基于區(qū)塊鏈技術(shù)搭建。本章將對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)和現(xiàn)有的可交易能源市場(chǎng)平臺(tái)做簡(jiǎn)要的介紹。

3.1 區(qū)塊鏈

由于加密貨幣的興起，區(qū)塊鏈技術(shù)也為人熟知。區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N去中心化、不可更改、可共享的數(shù)字化賬本。該賬本可用于記錄各種數(shù)據(jù)，如交易信息等。通過(guò)采用鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)與去中心化共識(shí)等技術(shù)，區(qū)塊鏈中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可防篡改。由于區(qū)塊鏈不依賴第三方實(shí)現(xiàn)共識(shí)，因此該技術(shù)被廣泛用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易中。圖8 展示了去中心化的數(shù)字賬本。市場(chǎng)成員每人均有獨(dú)立的賬本，并采用彼此交互的共識(shí)機(jī)制對(duì)賬本狀態(tài)進(jìn)行更新。

圖8 分布式賬本示意圖Fig.8 Schematic diagram of distributed ledger

區(qū)塊鏈可分為公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈。公有鏈對(duì)所有人員開放，任何人都可以加入公有鏈的共識(shí)過(guò)程。私有鏈為非公開的區(qū)塊鏈，通常由中心機(jī)構(gòu)建立和管理，該鏈僅開放給授權(quán)的節(jié)點(diǎn)，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)寫入和讀取數(shù)據(jù)的權(quán)限都被中心機(jī)構(gòu)嚴(yán)格控制。聯(lián)盟鏈介于公有鏈和私有鏈之間，由多個(gè)機(jī)構(gòu)共同管理，每個(gè)機(jī)構(gòu)可以管理一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)，但是數(shù)據(jù)的讀取寫入只能由機(jī)構(gòu)管理。總的來(lái)說(shuō)，公有鏈區(qū)塊鏈去中心化程度最高，而私有鏈去中心化程度最低。通常而言，去中心化程度越高，共識(shí)機(jī)制更復(fù)雜，交易效率越低。智能合約則是區(qū)塊鏈中的另一個(gè)概念。智能合約本質(zhì)上是一種能夠自動(dòng)執(zhí)行合約條款的計(jì)算機(jī)協(xié)議。智能合約的引入能有效提升系統(tǒng)運(yùn)行效率與安全性，減少對(duì)第三方機(jī)構(gòu)的依賴。目前，區(qū)塊鏈的平臺(tái)主要包括以太坊和超級(jí)賬本。以太坊是一個(gè)可編程的公共區(qū)塊鏈，并且?guī)в忻麨橐蕴谋镜丶用茇泿?。以太坊的結(jié)構(gòu)跟比特幣非常相似。除了能利用以太進(jìn)行交易，以太坊還支持智能合約并且支持存儲(chǔ)和更新智能合約。以太坊采用工作量證明（proof of work，PoW）作為共識(shí)機(jī)制。超級(jí)賬本則是用來(lái)實(shí)現(xiàn)聯(lián)盟鏈的平臺(tái)，該平臺(tái)采用實(shí)用拜占庭容錯(cuò)作為共識(shí)機(jī)制。

基于區(qū)塊鏈的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易已經(jīng)引起學(xué)術(shù)界的關(guān)注。文獻(xiàn)［57］提出將區(qū)塊鏈用于電力系統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)能源交易；文獻(xiàn)［58］將區(qū)塊鏈技術(shù)用于產(chǎn)消者間的交易，并提出一種高頻驗(yàn)證機(jī)制以保證產(chǎn)消者之間交易安全結(jié)算；文獻(xiàn)［21，59］提出了基于聯(lián)盟鏈的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)能源交易平臺(tái)；文獻(xiàn)［60］利用超級(jí)賬本建立了可交易能源市場(chǎng)平臺(tái)，該平臺(tái)能適用于基于拍賣、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)能源交易等多種機(jī)制的市場(chǎng)；文獻(xiàn)［61］利用以太坊建立了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)能源交易的市場(chǎng)平臺(tái)；文獻(xiàn)［62-63］在上述文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，提出一種雙層區(qū)塊鏈框架以考慮電力系統(tǒng)物理網(wǎng)絡(luò)約束。此外，工業(yè)界也開始廣泛研發(fā)基于區(qū)塊鏈的可交易能源市場(chǎng)平臺(tái)，具體描述如下。

3.2 Power Ledger

Power Ledger 是面向點(diǎn)對(duì)點(diǎn)可交易能源市場(chǎng)的交易平臺(tái)［64］，支持市場(chǎng)參與者間的去中心化交易。該平臺(tái)最早采用基于以太坊開放的區(qū)塊鏈，并采用PoW 作為共識(shí)機(jī)制。目前，該平臺(tái)逐漸切換到自研的公共區(qū)塊鏈中，并選用權(quán)益證明作為共識(shí)機(jī)制以保證可拓展性。該平臺(tái)每秒能夠處理超過(guò)50 000 筆交易，已經(jīng)為澳大利亞的11 000 名參與者提供了服務(wù)。該平臺(tái)提供POWR 電子貨幣給交易使用。

3.3 TransActive Grid

TransActive Grid 是由LO3 Energy 公司基于以太坊和智能合約開發(fā)的交易平臺(tái)［65］。該平臺(tái)支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)能源交易與DER 的控制以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)功率平衡、需求響應(yīng)等用途。該平臺(tái)設(shè)計(jì)了由計(jì)算機(jī)和智能電表組成的TransActive Grid 元素（TransActive Grid element，TAG-e）。TAG-e 可測(cè)量能源生產(chǎn)和消耗，與網(wǎng)絡(luò)中的其他TAG-e 共享信息以交易能源。著名的Brooklyn 微網(wǎng)可交易能源項(xiàng)目就采用該平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試規(guī)模包括200 個(gè)家庭用戶。TransActive Grid 能允許DER 直接進(jìn)行交易，并利用區(qū)塊鏈記錄存儲(chǔ)交易。

3.4 Electron

Electron 是面向天然氣和電力計(jì)量和計(jì)賈系統(tǒng)的平臺(tái)［66-67］，該平臺(tái)能與現(xiàn)有的英國(guó)能源交易系統(tǒng)平臺(tái)結(jié)合，共同工作。該平臺(tái)也采用以太坊公有鏈，具有安全、透明、去中心化等特性。其采用智能合約以提供計(jì)量、計(jì)賈等服務(wù)。與TransActive Grid 類似，該平臺(tái)同樣設(shè)計(jì)了軟件和硬件（智能電表）。與現(xiàn)有平臺(tái)不同，該平臺(tái)加入了隱私保護(hù)功能，利用加密技術(shù)對(duì)所有智能電表數(shù)據(jù)加密，以保證用戶隱私。

4 可交易能源市場(chǎng)示范項(xiàng)目

可交易能源市場(chǎng)已引起了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注，不少國(guó)家基于上述市場(chǎng)機(jī)制建立了可交易能源的示范工程。本章對(duì)具有代表性的示范項(xiàng)目進(jìn)行介紹。目前，可交易能源項(xiàng)目多采用拍賣作為市場(chǎng)機(jī)制，目的在于驗(yàn)證該市場(chǎng)機(jī)制能否激勵(lì)用戶側(cè)主體參與交易以及可交易能源市場(chǎng)對(duì)現(xiàn)有電網(wǎng)的影響。

4.1 基于雙向拍賣的示范項(xiàng)目

4.1.1 GridWise 項(xiàng)目

美國(guó)能源部于2006 年至2007 年資助了GridWise 項(xiàng)目［68］，這是美國(guó)關(guān)于可交易能源市場(chǎng)最早也是最著名的示范項(xiàng)目。該項(xiàng)目測(cè)試能否通過(guò)協(xié)同DER 和需求側(cè)響應(yīng)的靈活性，以推遲和減少輸電設(shè)備的投資。GridWise 項(xiàng)目中的市場(chǎng)參與者包括4 個(gè)大型城市水泵、2 個(gè)備用柴油發(fā)電機(jī)以及能控制電、水、熱等負(fù)荷的112 個(gè)智能建筑。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)了能源管理系統(tǒng)以控制建筑的熱水器、烘干機(jī)、空調(diào)等。該能源管理系統(tǒng)具備雙向通信能力使得建筑能與外界交互。

該項(xiàng)目采用雙向拍賣作為市場(chǎng)機(jī)制。公用事業(yè)公司的電力供應(yīng)價(jià)格為主網(wǎng)批發(fā)市場(chǎng)的價(jià)格。柴油發(fā)電機(jī)組基于實(shí)際運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生的固定和可變成本進(jìn)行投標(biāo)；水泵基于旨在調(diào)節(jié)的水庫(kù)水位進(jìn)行投標(biāo)；智能建筑則基于用戶偏好進(jìn)行投標(biāo)。為了捕捉用戶偏好，能源管理系統(tǒng)允許用戶設(shè)置從最舒適（非價(jià)格響應(yīng)）到最經(jīng)濟(jì)（高度價(jià)格響應(yīng)）之間的范圍，并基于該范圍制定投標(biāo)曲線。該實(shí)時(shí)市場(chǎng)每5 min 出清并進(jìn)行結(jié)算。市場(chǎng)決定了能源的清算價(jià)格并將其廣播給市場(chǎng)參與者。

該項(xiàng)目綜合研究了可交易能源市場(chǎng)的管理技術(shù)與市場(chǎng)機(jī)制，從而提升配電網(wǎng)資產(chǎn)的利用率。該項(xiàng)目作為美國(guó)可交易能源首個(gè)示范項(xiàng)目，提出了基于先進(jìn)信息通信技術(shù)的可交易能源通信架構(gòu)，以實(shí)時(shí)聚合與管理不同類型的產(chǎn)消者。此外，該項(xiàng)目研究了可交易能源市場(chǎng)定價(jià)機(jī)制以分析不同定價(jià)機(jī)制對(duì)市場(chǎng)參與者的激勵(lì)性。

4.1.2 GridSMART 項(xiàng)目

由美國(guó)俄亥俄州電力公司資助的GridSMART示范項(xiàng)目關(guān)注面向居民家庭的實(shí)時(shí)市場(chǎng)［69］。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)了能實(shí)時(shí)與電力市場(chǎng)交互的家庭智能軟件以管理家用電力設(shè)備（如空調(diào)等），并用雙向拍賣作為市場(chǎng)機(jī)制。具體而言，家庭智能軟件能根據(jù)每個(gè)居民家庭的偏好，每5 min 為每個(gè)居民家庭制定投標(biāo)曲線并提交給本地配電公司。本地配電公司會(huì)根據(jù)所有家庭的投標(biāo)出清市場(chǎng)，并將出清價(jià)格返回給每個(gè)居民家庭。

GridSMART 項(xiàng)目于2013 年進(jìn)行示范運(yùn)行，涉及約200 個(gè)居民家庭。結(jié)果表明，用戶短期能源使用量與電價(jià)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。此外，該項(xiàng)目進(jìn)行了多種實(shí)驗(yàn)，如暫時(shí)降低線路容量來(lái)測(cè)試居民用戶對(duì)調(diào)峰條件的響應(yīng)等。該項(xiàng)目側(cè)重于關(guān)注居民家庭行為以及可交易能源對(duì)電力系統(tǒng)的影響，包括研究可交易能源市場(chǎng)能否緩解電網(wǎng)潮流越限、系統(tǒng)容量緊張、用戶對(duì)價(jià)格波動(dòng)的敏感性。

4.1.3 Brooklyn 項(xiàng)目

Brooklyn 項(xiàng)目位于美國(guó)紐約市布魯克林社區(qū)，面向該地區(qū)的3 個(gè)互聯(lián)的配電網(wǎng)。該項(xiàng)目起初面向5 名產(chǎn)消者與5 名鄰近消賈者進(jìn)行測(cè)試。產(chǎn)消者可以通過(guò)基于以太坊的智能合約，將剩余能源直接出售給其鄰居。目前，項(xiàng)目已經(jīng)進(jìn)入下一階段的開發(fā)，市場(chǎng)參與規(guī)模擴(kuò)大到300 多家房屋和小型企業(yè)，包括約50 家光伏生產(chǎn)者。

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)了基于區(qū)塊鏈的能量交易平臺(tái)。通過(guò)專門設(shè)計(jì)的智能電表，將可出售的能源經(jīng)由區(qū)塊鏈平臺(tái)轉(zhuǎn)換為等效的能量代幣。消賈者向產(chǎn)消者購(gòu)買能量代幣以購(gòu)買能源。該能源代幣會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)移到消賈者的智能電表，并根據(jù)消賈者使用能量扣除等價(jià)代幣。該項(xiàng)目采用雙向拍賣作為市場(chǎng)機(jī)制，其市場(chǎng)機(jī)制類似于股票市場(chǎng)的運(yùn)作方式。市場(chǎng)成員不僅可以根據(jù)自己的價(jià)格偏好，還可以根據(jù)其環(huán)境或社會(huì)價(jià)值的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)制定購(gòu)買/出售能源計(jì)劃。例如，消賈者可以為可再生能源支付高價(jià)。該市場(chǎng)每15 min出清并進(jìn)行結(jié)算。Brooklyn 項(xiàng)目旨在探索消賈者參與可交易能源市場(chǎng)的潛力。該項(xiàng)目對(duì)市場(chǎng)參與者的個(gè)人偏好和社會(huì)行為進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查，并開發(fā)了基于區(qū)塊鏈的計(jì)量交易系統(tǒng)。

4.1.4 Piclo 項(xiàng)目

Piclo 是英國(guó)于2015 年推出的第一個(gè)可交易能源試點(diǎn)項(xiàng)目，該項(xiàng)目由能源和氣候變化部資助。Piclo 項(xiàng)目采用雙向拍賣作為市場(chǎng)機(jī)制，每0.5 h 根據(jù)市場(chǎng)參與人員偏好匹配買賣雙方，實(shí)現(xiàn)能量交易。與上述示范項(xiàng)目的匹配機(jī)制不同，Piclo 項(xiàng)目在匹配中額外考慮了參與人員所在的地理位置，使得地理位置相近的市場(chǎng)參與者之間交互能源，從而降低了能源輸送損耗。該示范項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)表明，如果在全英國(guó)推廣可交易能源市場(chǎng)可帶來(lái)數(shù)十億英鎊的社會(huì)福利提升。

4.2 基于分布式優(yōu)化的示范項(xiàng)目

4.2.1 PNWSGD 項(xiàng)目

太平洋西北智能電網(wǎng)示范（Pacific Northwest Smart Grid Demonstration，PNWSGD）項(xiàng)目由太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室牽頭舉行，也是美國(guó)規(guī)模最大的可交易能源示范項(xiàng)目［70］。該項(xiàng)目包括美國(guó)華盛頓大學(xué)與十余家公共事業(yè)公司，覆蓋范圍包括了美國(guó)愛達(dá)荷州、蒙大拿州、俄勒岡州、華盛頓州和懷俄明州。

該項(xiàng)目采用分布式優(yōu)化方法作為市場(chǎng)出清機(jī)制，將所有分布式資產(chǎn)（DER 與負(fù)荷等）劃分為若干個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域聚合分布式資產(chǎn)。相鄰區(qū)域不斷交互相關(guān)信息以實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)出清。每個(gè)區(qū)域可以管理其內(nèi)部的分布式資產(chǎn)以協(xié)同分布式資產(chǎn)的需求。

該測(cè)試項(xiàng)目面向11 個(gè)公共事業(yè)公司，測(cè)試系統(tǒng)表明分布式資產(chǎn)可以在不同地域間聚合以實(shí)現(xiàn)域間協(xié)同動(dòng)態(tài)響應(yīng)。此外，該項(xiàng)目表明了可交易能源系統(tǒng)能顯著降低系統(tǒng)峰值負(fù)荷。如果測(cè)試區(qū)域內(nèi)30%的負(fù)載能參與到可交易能源市場(chǎng)中，則該區(qū)域的峰值負(fù)載可能會(huì)降低約8%。

4.2.2 Couperus 項(xiàng)目

Couperus 項(xiàng)目位于荷蘭海牙郊區(qū)的Ypenburg［71-73］。該項(xiàng)目面向一座超過(guò)300 套公寓的Couperus 公寓樓，其中，每套公寓都配有單獨(dú)的熱泵。該熱泵由電能驅(qū)動(dòng)，可以靈活調(diào)節(jié)其熱出力以更改其消耗的電能。Couperu 項(xiàng)目主要測(cè)試能否通過(guò)聚合該熱泵以緩解附近風(fēng)電場(chǎng)波動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)堵塞。由于風(fēng)電預(yù)測(cè)誤差的存在，風(fēng)電的日前預(yù)測(cè)與實(shí)際出力并不一致。在歐洲市場(chǎng)中，這種差異會(huì)使風(fēng)電場(chǎng)所有者收入減少。聚合熱泵能有效平衡該差異，從而為風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電創(chuàng)造價(jià)值。此外，熱泵靈活性也用于本地配電網(wǎng)的堵塞管理。

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一個(gè)名為Power-Matcher 的電子市場(chǎng)。每個(gè)熱泵都有一個(gè)智能代理，該代理與電子市場(chǎng)積極互動(dòng)。具體而言，用戶設(shè)定一個(gè)溫度值，該代理程序?qū)⒐⒌膬?nèi)部溫度控制在用戶設(shè)定點(diǎn)附近。如果住戶想要房間維持24 ℃，那么其熱泵會(huì)靈活調(diào)節(jié)其出力，將溫度保持在23.6 ℃到24.4 ℃之間。該項(xiàng)目測(cè)試結(jié)果表明，聚合熱泵能緩解80%以上的風(fēng)電不平衡，并能有效緩解當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)堵塞。

5 挑戰(zhàn)與展望

現(xiàn)有的可交易能源市場(chǎng)機(jī)制與示范項(xiàng)目主要關(guān)注單一的電量交易，市場(chǎng)機(jī)制不夠健全，無(wú)法充分量化分布式主體特性、配電網(wǎng)網(wǎng)損等因素。此外，隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，未來(lái)可交易能源市場(chǎng)一方面必須具備“電量交易+輔助服務(wù)”的多元化交易機(jī)制和體系，另一方面，市場(chǎng)機(jī)制要能協(xié)助實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)中多能協(xié)同、低碳轉(zhuǎn)型的目標(biāo)。針對(duì)上述問(wèn)題，本章分析了可交易市場(chǎng)面臨的挑戰(zhàn)，指出可交易市場(chǎng)未來(lái)的發(fā)展方向，并給出了解決思路。

5.1 計(jì)及非理性決策的市場(chǎng)機(jī)制難點(diǎn)與解決思路

不同于傳統(tǒng)電力市場(chǎng)，可交易能源市場(chǎng)機(jī)制的核心是以用戶為中心，用戶必須具有自主控制能源生產(chǎn)消賈、自由制定能源價(jià)格的權(quán)利。此外，市場(chǎng)需要保護(hù)用戶信息隱私、降低用戶參與壁壘、減少用戶交易成本、激勵(lì)用戶參與市場(chǎng)。雖然已有很多關(guān)于可交易能源市場(chǎng)機(jī)制的研究，但是現(xiàn)有機(jī)制有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，無(wú)法綜合實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。此外，現(xiàn)有的市場(chǎng)機(jī)制往往是基于假設(shè)市場(chǎng)成員的絕對(duì)理性，假設(shè)市場(chǎng)成員根據(jù)其期望收益進(jìn)行決策，忽略了其心理預(yù)期等非理性因素。實(shí)際中，DER 往往由小型個(gè)人投資，因此市場(chǎng)成員多為小型個(gè)人，該主體難以像傳統(tǒng)的大規(guī)模發(fā)電集團(tuán)一樣做出理性決策。例如，考慮一個(gè)具備2 種選擇的實(shí)驗(yàn)：1）贏10 元；2）贏20 元或者是0 元，每種情況概率均為0.5。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由于人類決策的主觀性，盡管1）和2）的期望收益一致，大多數(shù)人仍選擇1）。另一方面，分布式可再生能源存在隨機(jī)性與波動(dòng)性，導(dǎo)致可交易能源市場(chǎng)中的風(fēng)險(xiǎn)與不確定性增加，市場(chǎng)成員做出理性決策的難度加大。因此，可交易能源市場(chǎng)機(jī)制必須考慮成員的潛在非理性決策，具備量化與規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)和不確定性的能力。由于前景理論能夠量化個(gè)人的心理因素，可以用于分析市場(chǎng)成員潛在非理性決策。

5.2 配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)約束下的市場(chǎng)機(jī)制難點(diǎn)與解決思路

在電力市場(chǎng)中，市場(chǎng)成員的能源交易受限于實(shí)際電力網(wǎng)絡(luò)約束（如線路容量約束、電壓約束等）。如果能源交易行為不滿足電力網(wǎng)絡(luò)約束，該行為會(huì)嚴(yán)重威脅到配電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在中心化的可交易能源市場(chǎng)中，市場(chǎng)操作員擁有配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)與市場(chǎng)成員報(bào)價(jià)等相關(guān)信息。因此，很容易得到滿足網(wǎng)絡(luò)約束的市場(chǎng)出清方案。而在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)市場(chǎng)中，市場(chǎng)成員不具有網(wǎng)絡(luò)與其他成員交易行為的信息。如何在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)市場(chǎng)中考慮網(wǎng)絡(luò)安全約束成為研究難點(diǎn)。

雙層模型的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易市場(chǎng)［28，56，74］可以有效解決上述問(wèn)題。在下層模型中，市場(chǎng)參與者執(zhí)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易，并將能源交易結(jié)果傳遞給上層模型。在上層模型中，配電網(wǎng)操作員校驗(yàn)?zāi)茉唇灰捉Y(jié)果是否滿足網(wǎng)絡(luò)約束。如果不滿足約束，配電網(wǎng)操作員會(huì)將相關(guān)信息傳遞給下層的市場(chǎng)成員，并引導(dǎo)他們調(diào)整能源交易以滿足網(wǎng)絡(luò)約束。雙層模型架構(gòu)雖然明確了配電網(wǎng)操作員與市場(chǎng)參與者的職能，仍然存在許多缺點(diǎn)亟待解決。首先，雙層模型需要上下層之間迭代以獲取最優(yōu)解，迭代的過(guò)程中需要多次求解復(fù)雜的電力系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題。因此，雙層模型的計(jì)算復(fù)雜度較高，需要研究低復(fù)雜度的計(jì)算方法以提升求解速度［75］。此外，雙層模型中的上下層迭代機(jī)制仍然有待研究，尤其是迭代過(guò)程對(duì)下層市場(chǎng)的影響。不合理的迭代機(jī)制會(huì)嚴(yán)重影響下層市場(chǎng)的整體社會(huì)福利與個(gè)體收益。

5.3 過(guò)網(wǎng)費(fèi)定價(jià)的難點(diǎn)與解決思路

可交易能源市場(chǎng)中，市場(chǎng)成員之間的能源交易會(huì)減少配電網(wǎng)用戶對(duì)公共事業(yè)公司的能源依賴。因此，公共事業(yè)公司的收入將顯著下降，財(cái)務(wù)狀況惡化。在此背景下，公共事業(yè)公司的營(yíng)業(yè)模式將會(huì)從傳統(tǒng)的“賣電”轉(zhuǎn)向?yàn)樘峁熬W(wǎng)絡(luò)服務(wù)”。具體而言，由于市場(chǎng)成員依賴于公共事業(yè)公司的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行能源交易，公共事業(yè)公司將會(huì)對(duì)市場(chǎng)成員收取過(guò)網(wǎng)賈以彌補(bǔ)其財(cái)政收入。過(guò)網(wǎng)賈定價(jià)機(jī)制與政策監(jiān)管尤為重要。一方面，過(guò)高的過(guò)網(wǎng)賈可能會(huì)阻礙市場(chǎng)成員的能源交易；另一方面，過(guò)低的配電網(wǎng)賈會(huì)惡化公共事業(yè)公司的財(cái)務(wù)狀況，刺激公共事業(yè)公司降低日常的運(yùn)維成本，從而降低配電網(wǎng)設(shè)備的可靠性。此外，出于隱私考慮，市場(chǎng)成員往往不愿意將制定的雙邊金融合同上報(bào)給公共事業(yè)公司，這給公共事業(yè)公司制定配電網(wǎng)賈帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

過(guò)網(wǎng)賈的本質(zhì)是公共事業(yè)公司將配電網(wǎng)線路的規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本分?jǐn)偨o市場(chǎng)成員?，F(xiàn)有過(guò)網(wǎng)賈的制定主要有2 種思路：1）采用類似主網(wǎng)金融輸電權(quán)的概念，把金融輸電權(quán)賈用作為過(guò)網(wǎng)賈收?。?5］；2）根據(jù)分布式主體的電氣距離制定配電網(wǎng)賈［76-78］。此外，博弈論可以將網(wǎng)絡(luò)賈用合理地分?jǐn)偨o每一個(gè)市場(chǎng)參與人員，為制定過(guò)網(wǎng)賈提供了全新的思路?？偟膩?lái)說(shuō)，過(guò)網(wǎng)賈的研究仍處于初步階段，不同過(guò)網(wǎng)賈對(duì)市場(chǎng)均衡的影響仍有待研究。

5.4 配電網(wǎng)網(wǎng)損分?jǐn)傠y點(diǎn)與解決思路

配電網(wǎng)中的能源傳輸會(huì)有較大的損耗。在可交易能源市場(chǎng)中，市場(chǎng)成員的頻繁交易會(huì)增大配電網(wǎng)線路潮流，進(jìn)一步導(dǎo)致網(wǎng)損上升。在主網(wǎng)批發(fā)市場(chǎng)中，網(wǎng)損結(jié)算是與能源結(jié)算分開執(zhí)行的。主網(wǎng)市場(chǎng)先執(zhí)行能源市場(chǎng)出清，隨后根據(jù)能源市場(chǎng)出清結(jié)果結(jié)算網(wǎng)損。現(xiàn)有的研究是將類似的框架應(yīng)用于可交易能源市場(chǎng)中，先利用現(xiàn)貨市場(chǎng)出清能源，再利用圖論等方法結(jié)算網(wǎng)損［79］。值得注意的是，不同于主網(wǎng)，配電網(wǎng)市場(chǎng)中的成員同時(shí)具備生產(chǎn)與消賈能力，因此，成員可以靈活制定不同的金融合同以規(guī)避網(wǎng)損賈用，實(shí)現(xiàn)惡意騙補(bǔ)。主網(wǎng)的網(wǎng)損分?jǐn)偡桨覆⒉荒苤苯討?yīng)用到配電網(wǎng)中，需要針對(duì)該情況制定新的網(wǎng)損分?jǐn)偡桨福?0］。

另一種思路則是能源-網(wǎng)損協(xié)同出清。參與者在交易時(shí)不僅要考慮能源賈用，也要考慮潛在的網(wǎng)損賈用。能源-網(wǎng)損協(xié)同的出清市場(chǎng)機(jī)制能讓市場(chǎng)成員主動(dòng)尋找相鄰的成員進(jìn)行交易，從而有效降低網(wǎng)損［28］。目前，能源-網(wǎng)損協(xié)同的出清機(jī)制較少，尤其是出清方案合理性與模型精確度仍有待研究。

5.5 主-配協(xié)同市場(chǎng)機(jī)制難點(diǎn)與解決思路

在傳統(tǒng)的主-配市場(chǎng)中，配電網(wǎng)中的負(fù)荷為剛性負(fù)荷。公共事業(yè)公司只需要預(yù)測(cè)配電網(wǎng)負(fù)荷并將其提交給主網(wǎng)系統(tǒng)操作員。主網(wǎng)市場(chǎng)操作員會(huì)基于該預(yù)測(cè)值出清市場(chǎng)以保證功率平衡。可交易能源市場(chǎng)的引入提升了整個(gè)主-配市場(chǎng)的復(fù)雜性。圖9 展示了DER 接入下的主-配市場(chǎng)。DER 的引入使得配電網(wǎng)可以向主網(wǎng)反向輸出功率。因此，DER 的行為將會(huì)對(duì)主網(wǎng)市場(chǎng)產(chǎn)生影響［81］。如果主網(wǎng)市場(chǎng)提供的節(jié)點(diǎn)電價(jià)較低，配電網(wǎng)市場(chǎng)成員更愿意向主網(wǎng)購(gòu)電。反之，如果主網(wǎng)市場(chǎng)提供的節(jié)點(diǎn)電價(jià)較高，配電網(wǎng)市場(chǎng)成員更愿意通過(guò)自身的DER 進(jìn)行供電甚至向主網(wǎng)賣電。因此，主-配協(xié)同定價(jià)機(jī)制能夠降低線路阻塞，提升系統(tǒng)運(yùn)行效率，最大化社會(huì)福利。

圖9 主-配協(xié)同市場(chǎng)Fig.9 Coordinated market of main grid and distribution network

現(xiàn)有主-配市場(chǎng)協(xié)同的思路可分為2 類。第1 類是主網(wǎng)系統(tǒng)操作員直接控制配電網(wǎng)內(nèi)的所有負(fù)荷和DER，配電網(wǎng)公共事業(yè)公司只向主網(wǎng)操作員提供配電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與維護(hù)配電網(wǎng)運(yùn)行［82-83］。該方案的優(yōu)勢(shì)在于只需要一個(gè)中心機(jī)構(gòu)就能完成主網(wǎng)和配電網(wǎng)的協(xié)同出清。然而，該方案需要同時(shí)考慮主網(wǎng)和配電網(wǎng)的約束，計(jì)算難度較大。此外，主網(wǎng)和配電網(wǎng)往往由不同的機(jī)構(gòu)管理，公共事業(yè)公司不愿意將數(shù)據(jù)交給主網(wǎng)。第2 類則是主網(wǎng)和配電網(wǎng)市場(chǎng)分開運(yùn)行。主網(wǎng)操作員管理主網(wǎng)市場(chǎng)而公共事業(yè)公司管理可交易能源市場(chǎng)。公共事業(yè)公司和主網(wǎng)操作員不斷互動(dòng)以協(xié)調(diào)主網(wǎng)和配電網(wǎng)的出清價(jià)格［84-86］。該市場(chǎng)架構(gòu)較為符合實(shí)際，但是分層市場(chǎng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度較高，并要求主網(wǎng)操作員與公共事業(yè)公司不斷求解市場(chǎng)出清問(wèn)題以更新價(jià)格?？偠灾?，現(xiàn)在仍缺乏低復(fù)雜度的模型與算法，在協(xié)同出清主-配市場(chǎng)的同時(shí)保證配電網(wǎng)側(cè)的隱私。尤其是當(dāng)可交易能源市場(chǎng)以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)機(jī)制運(yùn)行時(shí)，配電網(wǎng)市場(chǎng)成員間、主配市場(chǎng)間均需要迭代出清，使得整體市場(chǎng)出清變得更加復(fù)雜。

5.6 輔助服務(wù)市場(chǎng)機(jī)制難點(diǎn)與解決思路

不同于傳統(tǒng)主網(wǎng)大規(guī)模發(fā)電機(jī)組，DER 大部分經(jīng)由逆變器并網(wǎng)，因此具有響應(yīng)速度快、靈活可控等特性。高度電力電子化的用戶主體能實(shí)時(shí)響應(yīng)，提升了電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作靈活性。在可交易能源市場(chǎng)中構(gòu)建輔助服務(wù)市場(chǎng)（如備用市場(chǎng)、頻率支撐、電壓調(diào)節(jié)等），能充分調(diào)動(dòng)用戶主體的靈活性，為主網(wǎng)的安全穩(wěn)定與靈活運(yùn)行提供有力支撐。以備用市場(chǎng)為例，用戶側(cè)主體同時(shí)參加能量和備用市場(chǎng)可以增加系統(tǒng)備用，提升可再生能源消納能力［87-88］。

目前，可交易輔助服務(wù)市場(chǎng)多關(guān)注于備用市場(chǎng)，對(duì)其他服務(wù)市場(chǎng)研究較少。而用戶側(cè)的靈活性恰恰是其他輔助服務(wù)市場(chǎng)欠缺的，因而有必要對(duì)其他輔助服務(wù)市場(chǎng)開展研究，充分挖掘用戶側(cè)靈活性。此外，大多數(shù)輔助服務(wù)要求用戶側(cè)主體能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)。由于用戶側(cè)主體容量較小，需要聚合以有效提供輔助服務(wù)。聚合模式需要引入聚合主體來(lái)輔助通信控制，這會(huì)增加通信時(shí)延，導(dǎo)致用戶側(cè)主體無(wú)法及時(shí)參與輔助服務(wù)。采用有效的分散式控制方法和高效通信模式以提供實(shí)時(shí)輔助服務(wù)仍有待研究。此外，高度電力電子化的DER 并網(wǎng)參與輔助服務(wù)市場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致服務(wù)市場(chǎng)呈現(xiàn)高度異構(gòu)化，需要新的控制算法以協(xié)同控制異構(gòu)性主體，提供輔助服務(wù)。

5.7 多能協(xié)同市場(chǎng)機(jī)制難點(diǎn)與解決思路

能源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)裝置（如熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組（CHP）、電鍋爐（EB））的大規(guī)模投入提升了配電網(wǎng)中不同能源系統(tǒng)（如電、氣、熱等系統(tǒng)）的耦合性與能源利用率。在此背景下，傳統(tǒng)的微網(wǎng)將會(huì)演變?yōu)槎嗄茉次⒕W(wǎng)。多能源微網(wǎng)能通過(guò)其內(nèi)部的能源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)裝置，轉(zhuǎn)換不同形式的能源以保證本地能源供應(yīng)［89-90］。圖10 展示了面向多能源微網(wǎng)的可交易市場(chǎng)。多能源微網(wǎng)能互相交換電、熱等不同形式的能源，從而充分利用不同能源系統(tǒng)特性以提升能源系統(tǒng)的靈活性與運(yùn)行效率，從而使得能源系統(tǒng)的整體社會(huì)福利上升［91］。面向能源微網(wǎng)的可交易能源市場(chǎng)能充分利用多能源微網(wǎng)的靈活性，以實(shí)現(xiàn)高比例分布式新能源的消納。

圖10 多能源微網(wǎng)間的能源交易Fig.10 Energy trading among multi-energy microgrids

由于多能源微網(wǎng)能同時(shí)交易電、熱等不同形式的能源，其出清機(jī)制需要考慮不同能源的耦合性。現(xiàn)有的可交易能源市場(chǎng)機(jī)制，如拍賣［92］、分布式優(yōu)化［93-94］、博弈論［95-96］等也可以采用多能源系統(tǒng)。然而，不同能源系統(tǒng)具有不同的動(dòng)態(tài)特性，現(xiàn)有的市場(chǎng)出清機(jī)制無(wú)法量化該動(dòng)態(tài)特性。

5.8 電碳協(xié)同市場(chǎng)機(jī)制難點(diǎn)與解決思路

碳市場(chǎng)通過(guò)對(duì)碳排放收取賈用，能有效控制碳排放，從而實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展。電-碳協(xié)同市場(chǎng)能夠有效激勵(lì)電力系統(tǒng)中可再生能源的投入，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的脫碳化。目前電力系統(tǒng)碳排放主要來(lái)源于主網(wǎng)發(fā)電機(jī)組。因此，電-碳市場(chǎng)的研究主要集中在主網(wǎng)批發(fā)市場(chǎng)。隨著分布式化石能源（如分布式天然氣）接入比例的不斷提高，未來(lái)電力系統(tǒng)將呈現(xiàn)主-配協(xié)同發(fā)電的新形態(tài)。碳市場(chǎng)也會(huì)隨之下沉至配電網(wǎng)零售市場(chǎng)。面向DER 接入的電-碳協(xié)同的可交易能源零售市場(chǎng)，能夠進(jìn)一步刺激分布式新能源的投資與利用，從而加速電力系統(tǒng)脫碳化過(guò)程，助力中國(guó)“碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)面向?qū)ο蟛煌?，碳市?chǎng)可分為碳稅與碳權(quán)市場(chǎng)［97］。碳稅主要面對(duì)消賈者，從消賈側(cè)針對(duì)碳排放收取額外賈用［98-99］。而碳權(quán)市場(chǎng)主要面向生產(chǎn)者，生產(chǎn)者必須購(gòu)買足夠的碳權(quán)才能從事具有碳排放的生產(chǎn)活動(dòng)［100-101］。碳權(quán)市場(chǎng)和碳稅面向傳統(tǒng)單一的生產(chǎn)者和消賈者。一方面，配電網(wǎng)輻射狀的架構(gòu)與產(chǎn)消者特殊的屬性結(jié)合可能會(huì)導(dǎo)致復(fù)雜的電-碳耦合機(jī)理與碳足跡追蹤［50］；另一方面，在面向產(chǎn)消者的背景下，這些碳市場(chǎng)機(jī)制的碳減排激勵(lì)性還有待分析與驗(yàn)證。

5.9 基于云-邊協(xié)同計(jì)算的市場(chǎng)難點(diǎn)與解決思路

在可交易能源市場(chǎng)的背景下，大規(guī)模的DER 將會(huì)積極參與到市場(chǎng)中，帶來(lái)極大的通信和計(jì)算負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重影響實(shí)際市場(chǎng)的正常運(yùn)行［102］。此外，電力市場(chǎng)中一些輔助服務(wù)（如調(diào)頻服務(wù)）需要DER 能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)［103］。傳統(tǒng)的中心化管理框架無(wú)法滿足該時(shí)間尺度要求。邊緣計(jì)算能夠?qū)⒅行幕脑朴?jì)算和通信任務(wù)卸載至多個(gè)分布式的邊緣計(jì)算中心，從而降低計(jì)算和通信負(fù)擔(dān)。此外，邊緣計(jì)算中心在地理位置上會(huì)更靠近用戶側(cè)，能夠以低時(shí)延的方式提供計(jì)算服務(wù)。因此，邊緣計(jì)算為面向大規(guī)模DER 的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)可交易能源市場(chǎng)提供了有效的解決方案。然而，邊緣計(jì)算通常只能保證本地解決方案的最優(yōu)性，即局部最優(yōu)，無(wú)法協(xié)同所有分布式邊緣計(jì)算中心實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)解。云-邊協(xié)同的計(jì)算框架能有效協(xié)同管理不同邊緣計(jì)算中心，從而在提供給用戶低時(shí)延服務(wù)的同時(shí)保證計(jì)算結(jié)果的全局最優(yōu)性。圖11 為云-邊協(xié)同的管理框架。其中，邊緣服務(wù)器管理現(xiàn)場(chǎng)的產(chǎn)消者，產(chǎn)消者只與邊緣服務(wù)器通信，而云服務(wù)器則協(xié)同各邊緣服務(wù)器，能量則在所有產(chǎn)消者之間流動(dòng)以最大化系統(tǒng)整體收益。

圖11 云-邊協(xié)同框架Fig.11 Framework for cloud-edge coordination

不同于傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)分層式管理框架，云-邊協(xié)同是面向電力、通信、數(shù)據(jù)等學(xué)科的綜合研究?；就瑫r(shí)具備計(jì)算與通信能力，被認(rèn)為是未來(lái)可以在電力系統(tǒng)部署的邊緣計(jì)算中心［104］。通過(guò)復(fù)用通信公司的基站，配電網(wǎng)部署邊緣計(jì)算設(shè)備的成本得到極大的降低。基于云-邊協(xié)同框架的可交易能源市場(chǎng)研究目前仍處于初步階段。在此背景下，DER 的聚合［105］、基站通信與DER 管理的協(xié)同均亟待解決。

5.10 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的市場(chǎng)機(jī)制難點(diǎn)與解決思路

現(xiàn)有可交易能源市場(chǎng)機(jī)制基于物理模型，而可交易能源市場(chǎng)中有大量的市場(chǎng)成員，從而極大地增加了物理模型的復(fù)雜度，限制市場(chǎng)在實(shí)際中的應(yīng)用。此外，現(xiàn)有市場(chǎng)往往需要市場(chǎng)成員能夠洞悉市場(chǎng)動(dòng)態(tài)，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)競(jìng)標(biāo)和自身收益最大化，而這會(huì)給小規(guī)模的產(chǎn)消者造成巨大的學(xué)習(xí)成本。配電網(wǎng)運(yùn)行中存在海量的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，充分利用歷史數(shù)據(jù)并建立數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的可交易能源市場(chǎng)機(jī)制，能顯著降低傳統(tǒng)市場(chǎng)機(jī)制的復(fù)雜性，為可交易能源市場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行鋪平道路。

強(qiáng)化學(xué)習(xí)是一種不基于物理模型的協(xié)調(diào)方法，能允許市場(chǎng)成員不依賴物理模型，從與外界環(huán)境的不斷交互中學(xué)習(xí)以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)策略［106］。市場(chǎng)參與者可以通過(guò)強(qiáng)化學(xué)習(xí)來(lái)試探其競(jìng)標(biāo)對(duì)市場(chǎng)出清結(jié)果的影響，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)競(jìng)標(biāo)［107］。公共事業(yè)公司可以利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)分析市場(chǎng)成員的潛在交易行為［108］并建立對(duì)應(yīng)的市場(chǎng)機(jī)制［109］?；趶?qiáng)化學(xué)習(xí)的市場(chǎng)機(jī)制不需要求解物理模型，僅根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)即可獲得最優(yōu)策略。因此，該方法具有高度可拓展性。然而，強(qiáng)化學(xué)習(xí)無(wú)法精準(zhǔn)考慮電力系統(tǒng)物理約束，其得到的市場(chǎng)出清方案有可能無(wú)法滿足電力系統(tǒng)運(yùn)行約束。數(shù)據(jù)-物理協(xié)同的強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法能有效解決上述問(wèn)題。

6 結(jié)語(yǔ)

可交易能源市場(chǎng)能夠激勵(lì)配電網(wǎng)用戶側(cè)進(jìn)行能量交易，通過(guò)調(diào)整實(shí)時(shí)電價(jià)以引導(dǎo)其平衡可再生能源出力的隨機(jī)波動(dòng)，提高可再生能源消納水平。本文首先介紹了面向DER 的可交易能源市場(chǎng)概念、特性與框架；然后，全面分析了現(xiàn)有可交易能源市場(chǎng)機(jī)制及其優(yōu)缺點(diǎn)，介紹了現(xiàn)有的可交易能源市場(chǎng)平臺(tái)與示范項(xiàng)目；最后，從市場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行角度出發(fā)，簡(jiǎn)述了可交易能源市場(chǎng)未來(lái)的研究與發(fā)展方向，為面向DER 的可交易能源市場(chǎng)的研究提供了參考。