钱晓瑞，詹祥澎，沈一民，肖 恺，潘舒宸，杨 军

（1.国网福建省电力有限公司营销服务中心，福州 350011；2.武汉大学 电气与自动化学院，武汉 430072）

0 引言

随着新型电力系统的发展，配电网接入了电动汽车、分布式储能和分布式电源等灵活资源［1］，使得部分用户从消费者向产消者转变［2］。相比传统电力用户，产消者能够在生产和消费之间权衡，不仅具有更大的需求价格弹性，还能够向电网反送电能［3］。产消者拥有优质的灵活调控资源，有望通过市场化交易的形式参与电网互动，提升电力资源的配置效率［4］。因此，研究需求侧电力市场的交易机制具有重要意义。

需求侧灵活资源具有单体容量小但数量庞大的特点，为了减小市场运营机构的压力，在当前阶段需要整合后以虚拟电厂［5］或负荷聚合商［6］的身份参与市场交易。其中，虚拟电厂通常以属地化的形式管理，通过能量管理系统统一调度所整合的灵活资源，常见于智慧园区、大型企业等场景［7］。虚拟电厂在一些示范工程中取得了一定意义上的成功，但其存在着内部利益难以分配等问题，限制了该模式的大面积推广［8］。相比之下，负荷聚合商作为更加灵活的市场主体，仅需获得灵活资源的代理权而不必拥有设备的所有权［9］。在现阶段，售电公司能够兼具负荷聚合商的职能，通过签订合同等形式有偿暂时获得灵活资源的调度权并参与市场互动［10］。然而，售电公司往往收取一定比例或固定的代理费用，若售电侧没有形成足够的竞争，市场互动产生的经济效益将难以顺当传递至终端用户［11］。因此，产消者直接参与市场交易的呼声愈发强烈。

但受制于技术手段，海量产消者的涌入势必对市场运营机构带来极大的压力，对市场出清与结算带来巨大的挑战［12］。对此，一些学者提出了分布式交易的解决方案［13］。其中，文献［14］利用区块链技术提出了微电网群的电能分布式交易方案。文献［15］提出了交互能源模式，其利用分布式算法，通过传递价格信号，使得产消者不断改变电能计划，在算法迭代过程中完成电能交互。文献［16］提出了能量共享模式，其通过需求侧产消者之间的点对点交易完成电能的就地平衡，降低了交易中心的压力。文献［17］利用智能合约取代传统电能合同，通过共识算法代替人为仲裁，提出了电能去中心化交易模式。上述分布式交易机制各有千秋，但缺少系统性的比较与总结。因此本文梳理了集中交易模式、弱中心化交易模式和完全分布式交易模式的数学模型，总结了不同交易模式的特点与适用场景。并通过一个包含10个产消者的算例比较了3种模式的交易成本和市场效率，为需求侧电能分布式交易模式的发展指明了路径。

1 产消者的数学模型

1.1 产消者的自发自用状态

产消者同时拥有发电设备、用电设备和储能设备，其目标是自身的净效用最大化［18］，如式（1）所示。

式中：fi(·)表示产消者i的效用函数；gi(·)表示产消者i的成本函数；Di表示产消者i的用电量；Si表示产消者i的发电量。

产消者通过能量管理系统协调自身拥有的灵活设备，分布式光伏、分布式储能和灵活负荷等设备的复杂约束条件在能量管理系统内部考虑，在每个时间断面将对外呈现式（2）所示的边界条件［19］。

式中：Dmax，i表示产消者i的最大负荷；Smax，i表示产消者i的发电容量。

当产消者不与外界发生功率交换，以自发自用方式运行时，其用电量将等于发电量，如式（3）所示。

本文假设产消者为完全理性个体，在自发自用状态下根据式（1）—（3）所示的数学规划模型确定自身的发用电计划。

1.2 集中调度模式

若存在调度中心能够统一管理区域内的产消者，式（3）将转变为式（4），此时产消者之间协调互济，仅需保证整体功率平衡。

式中：I表示区域内的产消者集合。

调度中心则通过求解式（5）所示的数学规划问题确定各产消者的发用电计划。

2 需求侧电能交易机制

集中调度模式默认产消者均为电网企业的统调负荷，但事实上产消者作为独立的经济主体，在非紧急情况下没有接受电网调度指令的义务。同时，在集中调度模式下产消者之间存在电能交换，但缺乏合适的价格信号衡量电能价值，无法保证产消者间利益额的公平分配。可见，式（5）所示的数学模型仅反应理想状态下的资源配置结果。在现实中必须设计合理的市场机制，使得产消者能够有偿让渡自身设备的使用权并形成合理的价格信号引导产消者优化自身的电能计划。

2.1 集中交易模式

集中交易模式作为最常见的市场模式，在电力批发市场中已有丰富的运行经验。如图1 所示，集中交易模式又称为场内交易，在该模式下产消者均通过电力交易中心完成电能的申报、撮合、出清与结算。

图1 集中交易模式示意图

产消者通常以对外交换电能作为标的参与市场申报。对于产消者自身而言，其电能平衡约束如式（6）所示；而对于区域整体而言，其电能平衡约束如式（7）所示。

式中：Ei表示产消者i对外交换电能，当其为正时表示从市场中购买电量，当其为负时表示向市场售卖电量。

作为理性个体，产消者将根据市场出清电价决定其交换电能的数量，如式（8）所示［20］。

式中：p表示市场出清电价；α表示价格敏感系数；βi表示产消者i的基准电量。

根据统一出清价格机制，区域内的产消者将面临相同的出清价格，且该价格由所有产消者共同决定，如式（9）所示。

式中：I表示区域内的产消者数量。

此时产消者将根据式（10）所示的最优反应函数优化自身的市场行为。

如文献［21］所示，在上述模式下，产消者之间形成了纳什博弈，并具有广义纳什均衡，且均衡状态能通过求解式（11）所示的等价一般纳什均衡问题得到。

2.2 弱中心化交易模式

在集中交易模式下，产消者必须在交易中心注册入市，并按照手续完成电能的申报、出清与结算。为了保证交易的可靠性，交易中心可能要求产消者签订合同并完成一系列流程。繁琐的操作带来了高昂的交易成本，使得小容量的产消者放弃自身灵活调控能力，不愿参与市场互动。另一方面，集中竞价模式通常是“一次性买卖”，申报信息为参与主体的私有信息且不允许用户更改申报内容。因此产消者之间产生了信息壁垒，可能造成过度竞争并引发“无谓损失”［20］。

因此，弱中心化交易模式孕育而生。如图2所示，产消者之间通过区块链网络形成弱中心化交易平台，并在该平台上完成电能的申报、撮合、出清与结算。

图2 弱中心化交易模式示意图

区块链网络的结构如图3所示，其通过在链上部署去中心化交易应用的形式取代交易中心职能，利用区块内容的不可篡改特性记录交易信息，并形成公信力，从而代替人为仲裁。去中心化交易应用可以以小程序或应用程序的方式存在，甚至能够内嵌入智能电表中。产消者仅需在应用中注册并共同维护区块链网络，即可与其他产消者进行电能交易。

图3 适用于电能交易的区块链网络

为了保证市场的公平出清，区块链网络将公开出清算法并封存在智能合约中。如图4所示，智能合约存在于区块中并不可篡改。到达预置的出清时间时，智能合约将根据封存的申报数据与实时量测数据，按照预置出清算法完成市场出清。

图4 适用于电能交易的智能合约

常见的出清算法为拉格朗日对偶分解算法［18］，其假设每个产消者以式（12）作为目标函数确定申报电量，并且在收集所有产消者的申报电量后按照式（13）更新出清价格，只到满足式（14）所示的精度条件后完成市场出清。

式中：pk表示第k轮迭代的出清电价。

式中：δ为迭代步长。

式中：ξ为交易精度。

由上述可知，由于区块链网络的存在，产消者能够共同维护并管理交易平台，不再依赖交易中心。在该平台中，产消者既是市场主体又是市场运营机构，因此确保了电能交易的公平性。但是由式（13）可知，出清算法中仍需要有数据中心收集所有产消者的申报计划以形成出清电价，因此该模式是一种不完全分布式交易模式，又称为弱中心化交易模式，常用于地理区域跨越较大的产消者间的电能交易。

2.3 完全分布式交易模式

在弱中心化交易模式中，产消者不必通过交易中心登记交易信息，因此节约了一定的交易成本。但区块链网络的维护费用与数据中心的存在仍带来了一定的交易成本。

因此，完全分布式交易模式孕育而生。如图5所示，产消者与相邻产消者之间构成有限的通信关系，通过交互信息完成电能的申报、撮合、出清与结算，不再依赖于交易中心与数据中心。

图5 完全分布式交易模式示意图

完全分布式交易模式的核心是分布式出清算法，例如一致性算法［22］。其将产消者的边际电价视为一致性变量，并通过迭代的方式实现产消者间关于价值的认同。当产消者拥有相同的边际电价时即完成了市场出清，此时该电价即为市场出清电价。

同样，该算法假设每个产消者以式（15）作为目标函数。产消者在本地求解式（15）所示的数学规划问题后，将电能申报意愿告知相邻的产消者，并在接收相邻产消者传递的信息后，根据式（16）更新边际电价。

式中：λi，k表示产消者i在第k轮迭代的边际电价。

式中：(i，j)表示产消者i与产消者j形成的关联关系；M是所有关联关系的集合；wij表示产消者i与产消者j的一致性系数，由式（17）计算得到；γi，k表示产消者i在第k轮迭代的梯度；ζ表示迭代步长。

式中：N+i表示节点i的父节点集合，满足N+i={nj∈N|(nj，ni)∈M}，其中元素的数量为Ni+。

在每一轮迭代后，通过式（18）更新梯度。

式中：vij表示产消者i与产消者j的反馈项系数，由式（19）计算得到。

式中：Ni-表示节点i的子节点集合，满足Ni-={nj∈N|(ni，nj)∈M}，其中元素的数量为Ni-。

由上述可知，在完全分布式交易模式中产消者仅需交换部分信息即可完成市场交易，而不必依赖于交易中心和信息中心。随着PLC（电力线通信）技术的发展，市面上出现了电力猫等产品，使得配电网成为了CPS（信息物理融合系统）。因此，仅需对智能电表进行改造，依赖现有的HPLC 模块即可实现产消者间的分布式电能交易。但另一方面HPLC 通信技术对配电网拓扑结构有一定要求，通常要求用户在同一个台区范围，因此完全分布式交易模式一般适用于区域跨度较小的微电网系统。

3 算例分析

本文通过10 个产消者之间的电能交易比较3种交易机制的成效，产消者之间的信息物理关联关系如图6所示。

图6 完全分布式交易模式示意图

如图7所示，产消者通常分段申报边际效用曲线与边际成本曲线，并满足边际效用递减和边际成本递增规律。考虑到产消者数量庞大，形成的联合效用曲线与联合成本曲线有足够多的分段，可以用一次函数拟合，如式（20）所示［23］。

图7 产消者申报曲线

此时，根据统一出清价格理论，产消者i的效用函数与成本函数如式（21）所示。

10 个产消者的基本参数与自发自用下的运行状态如表1所示。

表1 产消者的基本参数与自发自用状态

产消者以自发自用状态运行时，总的发电量为3 053.89 kWh，远低于其最大发电容量，此时社会经济效益为986.14元。

产消者通过集中交易模式进行电能交易时，总的发电量为3 355.33 kWh，社会经济效益提升为1 225.90元。

弱中心化交易模式的迭代出清过程如图8、图9 所示，在经过40 轮迭代后完成了收敛。最终出清价格为0.747 4 元/kWh，总的发电量为3 453.08 kWh，社会经济效益提升为1 432.85元。

图8 弱中心化交易模式迭代出清过程

图9 弱中心化交易模式迭代收敛情况

完全分布式交易模式的迭代出清过程如图10、图11 所示，在经过300 轮迭代后完成收敛。最终出清价格为0.747 4元/kWh，总的发电量为3 453.08 kWh，社会经济效益提升为1 432.85元。

图10 一致性变量迭代过程

图11 完全分布式交易模式迭代收敛情况

3种交易机制下的仿真结果如表2所示，可见3种交易模式下发电量与社会经济效益相比于自发自用模式均有显著提升，因此需求侧电能交易能够促进新能源消纳率并提高电力资源的配置效率。同时，对比每个产消者的净效用可知，在参与市场交易后每个产消者的净效用均得到了提升，实现了市场多主体共赢。

表2 3种交易机制的仿真结果

另一方面，集中交易模式的市场效率低于弱中心化交易模式与完全分布式交易模式。这是因为集中交易模式下产消者之间形成了非合作博弈，在竞争过程中产生了市场“无谓损失”。同时通过求解模型（5）可知，弱中心化交易模式与完全分布式交易模式达到了集中调度的效果，因此能够实现电力资源的最优配置。

弱中心化交易模式与完全分布式交易模式下，市场出清电价如图12所示。

图12 交易前后产消者的边际电价

由图12 可知，市场出清电价介于产消者的最高与最低边际电价之间，可见分布式交易的本质是建立了产消者之间的贸易关系，打破了电力设备所有权与使用权的界限，实现了产消者间的协调互济。根据微观经济学原理，贸易能够促进低成本的电能向高效用产消者流动，因此提升了社会经济效益。

3种交易机制的比较如表3所示，可以看出：

表3 3种交易机制的比较

1）集中交易模式依赖于交易中心和数据中心，基于现有的征信体系保证市场出清结果的公平性并实现清分结算与偏差考核，该模式产生了高昂的交易成本，使得大量产消者放弃参与市场互动。同时，产消者之间往往形成非合作博弈关系，过度的竞争可能会引发市场“无谓损失”，降低市场效率。但集中交易模式合规性强，并有健全的法规保护，因此可能会受到大型电力用户的青睐。

2）去中心化交易模式不再依赖于交易中心，其通过区块链等技术实现算法仲裁，替代了原有的征信体系，因此降低了交易成本，但其仍需要数据中心的支持。该模式能够实现电力资源的最优配置且仅需要较少的迭代次数即能完成市场出清，因此适用于跨区域电能交易。

3）完全分布式交易模式则完全抛弃了交易中心与数据中心，利用一致性协议实现市场主体关于价值的认同，大大降低了交易成本，能够吸引大量产消者参与市场互动，实现电力资源的优化配置。该模式同样能够实现电力资源的最优配置，但受到通信网络的限制一般仅适用于微电网内部交易。

在市场推广阶段，应当从集中交易模式入手，培养产消者参与市场化互动的习惯，并进一步发展分布式交易模式。考虑到基于区块链技术的数字货币不具备法币地位，使用比特币、以太币等虚拟货币支付电费不被法律保护，弱中心化交易模式失去了其保证资金安全的优势。同时为了保证交易数据的不可篡改，智能合约必须部署在公有链上，产生了大量挖矿行为，造成电能的浪费。因此，从我国国情的角度出发应当优先发展完全分布式交易模式，以解决电力市场化交易的“最后一公里”问题。

4 结语

本文从新型电力系统背景下产消者参与电力市场化互动所存在的问题出发，提出了需求侧电能分布式交易机制，并从交易成本、关键技术、市场效率和适用场景等角度比较了集中交易模式、弱中心化交易模式和完全分布式交易模式的特点与成效。通过仿真分析表明，分布式交易模式能够降低交易成本，打破产消者之间的信息壁垒，建立产消者之间的贸易关系，实现产消者间的协调互济，解决电力市场化交易的“最后一公里”问题，从而提升电力资源的配置效率。下一步要从系统建设的角度研究支撑需求侧电能分布式交易的流程与系统改造方案，为需求侧电能交易的落地打下基础。