基于合作博弈的配電系統源網荷間市場化交易方法研究

仝新宇，張宇澤，張長生，楊喬川，楊白潔

（1. 國網天津市電力公司 城西供電分公司，天津 300190；2. 智能電網教育部重點實驗室（天津大學），天津 300072）

0 引言

生態文明和美麗中國建設加快推進，要求能源與環境綠色和諧發展，同時，我國明確提出2030 年實現碳達峰，2060 年實現碳中和的目標，為實現雙碳目標，各個部門提出了一系列提高可再生能源消納能力的相關舉措，以確保完成2030年非化石能源占比的目標［1］。然而，由于分布式可再生能源發電出力具有隨機性和波動性，供電可靠性不能得到保障，尤其在電力市場中參與調度的能力有限［2—4］。另一方面，隨著負荷終端再電氣化水平的提高，負荷側電采暖的比重呈不斷上升的趨勢，電采暖負荷通常通過“打捆”進行交易。電力市場背景下，針對源網荷多主體制定公平、可靠、有效的交易機制，是提高DG的消納和配電網供電可靠性的有效措施。

由于電采暖負荷主要集中冬天，同時，風力發電在此階段出力也較大，兩者具有一定的互補特性，因此將多個DG 和電采暖負荷形成小微電能交易聯盟，可提高電網在故障時的應對能力［5］。同時，當DG 的出力大于電采暖負荷需求時，聯盟可以作為一個整體與電網進行交易，向電網出售多余的電量；相反，當DG 不能保證電采暖負荷需求時，聯盟需要向配電網購買缺額電量以保證電采暖負荷用電可靠性。DG 與電采暖負荷組成聯盟后，聯盟內部不僅存在交易，聯盟與配電網之間也存在交易。

目前，不少學者對于聯盟交易模式做了大量的研究［6—9］。如文獻［7］基于激勵相容原理，提出了源網荷互動交易的雙層市場架構；文獻［8］提出了基于非合作博弈的規劃模型，可提高參與建設綜合體的利益3方收益及分布式電源利用率，減少碳排放；文獻［9］提出了由配電網運營商（distribution system operator，DSO）組織中遠期的電量合約市場模型，以提高系統新能源消納能力；文獻［10—11］運用了合作博弈理論證明了DG和負荷組成供電聯盟利大于弊，在聯盟出現電量缺額時，通過成本分攤減小風險損失?？紤]系統自動化程度限制，各主體之間的信息共享能力不足，DG和負荷之間的交易需要由聚合商或中間商協助才能完成［12—13］。

同時，在中間商撮合DG 和負荷組成供電聯盟方面，一些學者也做了一定的研究。文獻［14］以最大化整體的社會利益為目標函數，運用售電商參與DG和負荷組成的供電聯盟交易中；文獻［15］提出了以聯盟的整體效益最優為目標，即在中間商的引導下，DG 優先為聯盟內負荷供電，多余電量售賣給配電網。雖然以上文獻引入了中間商，但是對中間商自身利益缺少考慮，不能很好的體現其撮合的傾向性作用。

為反映由DG和電采暖負荷組成的供電聯盟同電網交易的收益問題，需要研究聯盟與配電網之間的定價機制，文獻［12］基于Berge-NS 均衡模型提出了電力市場多主體非合作博弈競爭策略和競價策略，但是缺少對該定義方法的研究。文獻［14］和文獻［16］在確定供電聯盟的購電電價時，將配電網在電能輸送時的網損計及在內。由此可知，配電網與供電聯盟之間的定價機制受多方面因素的影響，配電網與供電聯盟之間合理的定價機制對研究DG和電采暖負荷參與市場交易具有重要意義。

針對以上問題，本文首先提出DG 和電采暖負荷組成的供電聯盟參與電力市場的交易模式，并分析了由配電網、售電商和供電聯盟3 方加入市場的前提條件；其次，運用合作博弈理論，制定了此交易模式下的定價機制，并提出了各參與方利益的計算方法；然后，以售電商利益最優為目標，構建了售電商日前聯盟撮合和報價的決策模型；最后，通過對所提聯盟交易模式運行仿真和分析，證明了所提出的聯盟交易模式的可行性和有效性。

1 交易模式

1.1 參與市場的各主體

本文所建立的配電系統源網荷市場化聯盟交易模式中的主要參與者有配電網、售電商、DG 和電采暖組成的供電聯盟3部分組成，如圖1所示。

圖1 聯盟交易模式中市場參與者Fig.1 Market participants in the alliance transaction mode

如圖1所描述的，DG和電采暖負荷通常組成供電聯盟參與市場化交易，考慮DG 和電采暖負荷用戶以及與市場信息交互能力較弱，一般無法自發形成供電聯盟［17］，本文借助第3方售電商進行組織，該組織除負責收集DG 和電采暖負荷信息，撮合它們形成供電聯盟，為供電聯盟內成員制定交易電價外；還負責代理供電聯盟與配電網之間的電能交易。售電商通過賺取供電聯盟和配電網交易額之差獲取盈利。交易模式中配電網主要負責與聯盟之間的電能傳輸和能量平衡，考慮輸電網的支撐，其功率認為可以始終保持平衡。

1.2 市場交易模式

本文所提的配電側聯盟交易模式分為日前市場和實時市場，日前市場中供電聯盟根據聯盟內電量需求進行報價，在實時市場中進行交易和決算［15］。售電商撮合聯盟和配電網之間交易，具體模式如圖2所示。

圖2 源網荷聯盟交易模式Fig.2 Transaction mode of source-grid-load alliance

售電商在日前市場根據供電聯盟內DG和電采暖用戶負荷出力預測值，估算供電聯盟與配電網的交易電量，確定負荷聚合商向配電網的計劃買電價格以及出售給供電聯盟的賣電價格。與此同時，售電商通過獲得的聯盟成員上報的信息，撮合特性互補的DG 和電采暖用戶組成供電聯盟，確定供電聯盟內的交易價格。售電商通過調整報價和交易過程，在保證聯盟穩定的前提下，謀求自身最大收益。在實時市場中，DG和電采暖用戶根據自身的實際出力值完成聯盟內部的電能交易。然后，聯盟作為整體，與配電網進行實時電能交易。售電商負責確定供電聯盟同配電網及聯盟內部交易電量和電價，進而計算各方的收益。

1.3 聯盟交易模式成立條件

（1）供電聯盟成立和穩定的條件

考慮DG和電采暖用戶合作以謀求自身利益最大，在此采用合作博弈理論分析其結盟的策略。若使得聯盟穩定則在交易中聯盟沒有拆分的可能，需滿足以下超可加性和分配收益兩個條件，具體公式如下

式中:N為一個聯盟；UN為收益；Ui為聯盟中第i個成員分配到的收益；US為成員組成的最小收益，即聯盟的收益不能低于該值，低于該值該聯盟就無法形成。

（2）售電商收益限制

售電商通過撮合DG和電采暖負荷用戶組成聯盟，并指導其與配電網進行交易，其收益主要來自于向配電網的批發電量和向聯盟零售電量的費用之差。

若批發電量電價不變，則售電商可通過調整零售電價提升收益，降低聯盟成員收益，但是若過度提升價格，將破壞聯盟穩定條件，導致交易終止。

（3）配電網收益限制

配電網收益主要來自于與聯盟的電量交易，聯盟交易可以減少DG和電采暖負荷不確定性對電網的沖擊，降低配電網備用容量，提高配電網供電可靠性。為此，考慮配電網為低盈利收益的服務者，參與交易的收益大于其最低投資和運行成本。

2 基于合作博弈的供電聯盟成立交易電價

2.1 供電聯盟內部交易電價

供電聯盟內DG 和電采暖負荷用戶進行交易時，雙方均是以各自利益最優來確定買賣電量，內部電價即為零售價格，其定價依據在滿足聯盟成立條件下，遵守公平和效率約束，反映成員貢獻水平。

聯盟成員貢獻水平主要與成員的發用電量有關，即，若假設G和L分別DG和電采暖負荷用戶構成的集合，Gt、Lt分別為聯盟在第t個時間段的DG的發電量和電采暖負荷用電量（Gt＞0，Lt＜0），成員貢獻水平由Gt和Lt決定。

2.2 聯盟與配電網之間的交易電價

聯盟與配電網之間的交易電價主要分為3 部分:能量電價、源荷出力波動補償電價和過網費，具體計算如下。

2.2.1 能量電價

能量電價主要體現在配電網向用戶供給和自身可調資源的運行維護費用，考慮配電網最低收益，具體計算公式如下

式中:P、P分別為聯盟向配電網買賣電價；P為配電網向上級電網批發電價；P為配電網單位電量的設備運行維護費。

2.2.2 源荷出力波動補償電價

源荷出力波動補償電價為聯盟內部出力波動的消納成本，若聯盟內部供需電量差距過大，將增加配電網運行費用，為此增加了此部分費用以在能量電價基礎上增加或減少交易電價。為此引入源荷出力波動系數，如下

式中:當α＆lt;αˉ時，買賣電價按式（3）計算。

2.2.3 過網費

為體現電能傳輸成本，本文認為其主要體現在線路損耗上，為了簡化問題，認為線損僅和傳輸的能量有關，在t時段內由于電能傳輸而產生的費用Closs,t計算公式如下

式中:c為網損費率，為定值；Pt=min(|Gi|, |Li|)為供電聯盟內部電量的盈缺額。聯盟和電網之間的網損考慮在配電網的運行維護費用中。

3 市場各參與者收益

考慮DG 出力和電采暖負荷需求的不確定性，可采用抽樣和統計的方法分析零售商、電采暖負荷、DG以及負荷聚合商的收益期望值。

3.1 配電網收益

配電網參與聯盟交易模式后，其收益可用式（7）計算得到

式中:EDN為配電網一天內的收益；P為式（7）計算得到的交易電價；( )Gt+Lt為聯盟與配電網的交易電量，大于0表示向配電網賣電，反之為買電。

3.2 供電聯盟及成員的收益

本文根據收益公平分配的原則，確定DG 和電采暖負荷的收益，含DG 與電采暖負荷的供電聯盟收益可用DG 和電采暖負荷節點的收益分別表示。聯盟中第i個成員的收益δi和聯盟的總收益ELM可由式（8）和式（9）計算得到

3.3 售電商收益

售電商收益為供電聯盟和配電網交易額收益之間的差價，其收益ESE的計算公式如下

4 售電商定價策略與優化求解

售電商在日前市場通過預測各DG的出力值和電采暖用戶負荷值，選擇特性互補的DG和電采暖負荷協商，撮合其組成供電聯盟，并且提前確定聯盟的買賣電量與電價，售電商的優化決策模型如下

式中:E(ESE)為售電商的期望收益；UGmin為配電網的最低收益。約束條件中包括了配電網的最低收益和供電聯盟穩定判據約束。

售電商優化定價的求解流程如圖3所示。其中包括3 個主要部分:①說明外部條件，也就是優化問題的邊界條件，包括配電網結構和組成、市場出清價格、參與者收益約束，以及分布式電源和負載出力預測和誤差分布函數等；②根據式（11）生成滿足電網約束的候選供電聯盟的集合；③抽樣產生一天24 h的DG出力和電采暖負荷需求連續變化的場景。

圖3 求解式（11）優化問題的流程Fig.3 Solution optimization process of formula(11)

5 算例與結果分析

本算例測試網絡的拓撲結構中有4 個DG 和4個打捆電采暖負荷可參與聯盟交易模式，其中DG出力預測值可參考文獻［14］，電采暖負荷的預測值參考文獻［15］，由于DG 的出力和電采暖負荷的負荷值均有不確定性［14—15］，為此本算例中假設DG 出力和電采暖負荷需求的預測誤差服從正態分布。

給定UGmin=500 元，、P，c分別為0.50，0.05，0.05 元∕kWh，用β表示DG 出力和電采暖負荷需求分布的標準差占該時段預測出力∕需求的百分比。在本算例中，β=10%。

該配電網內共有8 個可能的聯盟成員，可形成28=256 種聯盟組合。經過篩選，有125 個聯盟可以滿足式（11）中配電網允許最低收益的要求。

5.1 確定供電聯盟的結果分析

最終可以滿足式（11）中所有約束條件的供電聯盟個數為5，將這些聯盟稱為候選聯盟，候選聯盟數量用Nc表示，如表1所示，其中0∕1代表了是否選入聯盟?？梢钥闯?，第5號聯盟的ESE最大，對應優化聯盟和零售電價為:N={DG2，DG3，DG4，電采暖負荷1，電采暖負荷2，電采暖負荷3}，E(ESE)=421.82 元，售電商零售電價Pd=［0.420,0.421,0.430,-0.590,-0.600,-0.590］元∕kWh。

表1 符合限制條件的解Table 1 Solutions satisfying constraints

若DG 和電采暖負荷單獨與配電網交易，DG 賣電價格P=P-P=0.450 元∕kWh，而電采暖負荷用戶買電價格PPP=0.550 元∕kWh。組成聯盟后成員電價Pd和上述分析結果對比可知，組成供電聯盟的DG和電采暖負荷較兩者單獨與配電網交易時獲得更優惠的電價，同時售電商也能獲得可觀的收益。

5.2 不同因素對聯盟交易的影響

聯盟成員DG 發電的不確定性、電采暖負荷用電的不確定性β以及電網最低盈利UGmin均會對聯盟與售電商市場化交易的過程產生影響。那么在算例中調整相關的算例參數，即可分析上述諸多因素的變化對聯盟與配電網市場化交易的過程產生影響，具體的分析結果如表2 所示，其中Nc表示滿足式（13）的聯盟數量，即候選聯盟數。

表2 不同因素對聯盟交易模式的影響Table 2 Influences of external changes on coalition trading mode

算例1至算例3，配電網最低盈利UGmin相同，DG出力和電采暖負荷需求的不確定性依次增加?？梢钥闯?，隨著不確定性的增加，滿足式（7）的候選聯盟數量減少，售電商的收益也逐漸減少，這是由于不確定性的增加會使原本穩定的聯盟變得不穩定，進而影響市場化交易過程，導致負荷聚合商的期望收益減小。

比較算例1、算例4 和算例5，3 方關于DG 出力和電采暖負荷需求的不確定性相同，但是電網最低盈利UGmin依次增加，可候選的供電聯盟的個數依次減小。當配電網最低盈利UGmin=1 500元，會出現沒有滿足式（13）要求的供電聯盟。并且從算例1和算例4中可以發現，雖然電網的最低盈利增加了，但是售電商依然會找到最優的聯盟組合并且售電商的最大收益不會發生變化。

6 結束語

本文研究了基于合作博弈的配電系統源網荷間市場化交易方法，通過提出的第三售電商對DG和電采暖負荷進行撮合形成供電聯盟，并參與供電聯盟和配電網作為零售商交易的運行模式。應用合作博弈理論和聯盟交易模式下3 方收益模型，以售電商利益最優為目標，構建了售電商日前聯盟撮合和報價的模型，并提出解決方案。算例表明，合理電價機制下，供電聯盟參與交易的模式可使DG、電采暖負荷用戶分別獲得較傳統交易模式更高的收益。售電商通過撮合供電聯盟最優組合和制定合理報價機制，在保障聯盟和配電網收益可行的運行模式下，獲得最大利益。D