考虑低碳竞价的分布式源荷交易策略

杨塞特，喻 洁，陈 谦

（1．国网浙江省电力有限公司温州供电公司，浙江 温州 325000；2．东南大学 电气工程学院，南京 210096；3．河海大学 能源与电气学院，南京 211100）

0 引言

随着电力体制改革的深入，各种形式的分布式能源不断渗透，分布式电源逐渐成为配电网的重要组成部分[1]，电力系统将面临着新的运行环境，系统的供需平衡不确定性增加，现有的能源电力逐渐不能适应未来能源结构调整的需求和发展，这对系统的稳定、可靠、经济运行提出了更大的挑战。为适应新的形势，通过激发用户侧的需求响应潜力，促进供需实时平衡无疑是一个重要的发展方向。在智能电网的构想中，连接到电网的设备将积极参与当地的协调工作[2]。构建一个可交易能源体系，将为各种分布式资源与电力用户参与市场交易和系统运行提供良好的机制支撑与激励，从而有利于更好地保障电力系统的安全经济运行[3]。另一方面，随着全球气候的变化及其影响加剧，广泛开发低碳能源、使用低碳技术、建立低碳发展机制已成为不可阻挡的新浪潮。电力是全球脱碳和影响温升目标实现与否的关键行业，但目前电力全球总碳强度上的进展是令人失望的。可以预见，为了促进节能减排，低碳的推行将会渗透到未来电力产业的各个方面。

目前，国内外学者对于分布式的算法、策略等均有了一定的研究。文献[4]基于区块链技术构建了分布式的碳排放交易框架模型，用于解决碳排放交易的匿名交易代理问题。文献[5]利用可交易能源的概念，对可再生能源在电网中的成本和收益按照可交易能源产品、可交易能源市场和参与者进行分类。文献[6]针对买方和卖方制定不同的收益函数，并以买方和卖方的收益之和最大作为目标函数，利用双边拍卖的平均机制计算电价用转移分布因子来计算传输的费用。文献[7]提出了一个集中解决方案和分布式博弈论方法来解决智能电网中的能源交易问题，首先将能源交易问题制定为集中优化问题；然后提出了一种基于博弈论的分布式解决方案，该解决方案要求每个用户仅将其最佳响应策略应用于系统的当前状态；买家以最小化他们的能源账单为目标，同时考虑到与电网基础设施相关的不同约束，决定从每个卖家购买的能量。文献[8]提出了一种P2P 交互式微电网的模型，其中生产型消费者可以通过智能管理系统相互交换本地发电量；能源的交易利用区块链技术，以去中心化的形式进行，能量交易的拍卖模型是通过智能合约实现的。文献[9]提出无需中心机构参与的配电网交易机制与模型，设计了电能多边交易的智能合约，实现偏差电量的多边竞价交易，最小化消除偏差电量的成本。文献[10]在社区级微网中构建了一个分布式交易的应用场景，微网用户在微网内部直接交易电量并按报价支付， 交易者可以根据实时电价选择在P2P 市场购售电或者对储能充放电，并提出一种适用于微网用户的分布式电源P2P 交易和市场出清机制。文献[11]给出了区域配电网中联盟交易模式的存在条件，并且基于公用电网的作用和合作博弈理论，建立了相应的交易价格模型；进一步，以集成售电商的收益为优化目标，构建了联盟选择和定价的优化决策模型。

现有的研究仍缺乏针对分布式源荷交易的策略算法，将碳排放因素考虑进分布式交易的更是寥寥无几。本文首先提出了一种分布式源荷的交易策略，将购电用户和售电用户确定交易对象、交易量和交易价格的过程看作一个合作博弈的过程，根据一定的规则选择交易对象和交易量，并根据不同分布式电源发电产生的碳排放差异，制定报价修改规则，再根据核仁法进行合作利润的分配，确定交易的合约价格。而后，面向配售电侧的分布式市场主体，利用可交易能源机制设计了一个供需双方能够实时互动、匹配的交易机制。交易主体可自由、灵活地发起交易请求，经过与另一方的协商，确认交易并形成合约，之后进入交易执行和结算环节。最后，在上述交易机制下，本文利用算例对策略的合理性进行了验证分析。

1 考虑低碳竞价的分布式源荷交易策略

1.1 分布式源荷交易利润分配的核仁模型

在分布式源荷交易的合作博弈过程中，可以将分布式源荷交易的合作利润分配定义为一个n人对策问题Γ（N，v），其中N={1，2，…，n}为所有交易用户的总联盟，特征函数v 为合作利润。此处，一个局中人就是一个交易用户。用M 表示任意个交易用户构成的联盟，即M 是N 的子集，共有2n个子集。合作利润数值为假定M 外的用户不存在时，联盟M 获得的合作利润。设此时的利润分配向量为x=（x1，x2，…，xn），表示待求的各个用户分配到的利润值。定义e（M，x）为联盟M对x 的超出值，它的大小反应联盟M 对分配x 的满意程度，联盟M 的超出值即为该联盟的合作利润与该联盟分配到的利润的差值。利用核仁法进行合作利润的分配时，为使分配的满意度最大即超出值最小，应尽可能使e（M，x）的最大值最小。于是，利润分配的核仁模型定义如下：

定义的目标函数表示优化的目标为使超出值的最大值最小，第一条约束条件表示各联盟M的超出值应小于M 中的最大超出值；第二条约束条件表示最终分配的结果中，全体局中人的分配之和应为总联盟N 下的合作利润值。ΔPk表示A 与Bj的价差，由购电用户报价减去售电用户报价；Qk表示A 与Bj的交易量。表示一个用户遍历所有可交易的对象后，计算出与多个用户交易产生的总合作利润。若主体用户的交易量得到了满足，该交易者将不再参与交易，与其他合作对象的交易利润为零。

1.2 基于利润分配的合约电价计算

基于核仁法进行利益分配求得各个用户获得的利润xi后，将xi根据用户属性分为xA和xBj。A表示某个主观发起交易的用户，B 表示对于用户A 而言可交易的用户。若A 为购电用户，则B为售电用户；若A 为售电用户，则B 为购电用户，Bj为表示可交易用户中的用户j。显然xA表示用户A 和与多个用户进行交易后分配到的利润，xBj表示用户Bj与用户A进行交易后分配到的利润。而后利用分配的利润值，求出合约电价。

当A 为购电用户时，对应的合约电价计算公式如下：

式中：PABj即为待求的A 和Bj的合约电价；QABj为A 与Bj的交易量。

当A 为售电用户时，对应的价格利润公式如下：

1.3 分布式发电低碳竞价策略

节能减排常见的经济手段有征收碳税和碳交易2 种。本文将不同电源发电产生的碳排放以价格的形式考虑到报价中，直接影响电力报价，进而影响到交易的最终结果。

设不同分布式电源基于全生命周期的碳足迹方法计算得到的单位发电量的平均碳排放为Ci（i=1，2，…表示不同的分布式电源种类），单位为g/kWh，设每吨碳排放量的价格为pcarbon，单位为元/t。交易达成时各电源由于碳排放需要支付的单位发电量费用可以表示为Ci·pcarbon·10-6，单位为元/kWh。记售电方的初始报价为pseller，购电方的初始报价为ppurchaser。

发电用户将这一部分损失按一定的比例分摊给交易双方，具体分摊比例由发电用户主观设定，可以各不相同。设发电用户i 分摊的比例为δgeneratori，则与发电用户i 进行交易的用电用户分摊的比例为δuser，i=1-δgeneratori，本文为方便起见将所有发电用户设置的分摊比例设定为一致，即δuser=δuser，i（i=1，2，…）。在组织交易的时候应将此价格因素考虑进去，由用电用户承担的碳排放费用应直接反应到初始的报价pseller中，所以售电用户（即发电用户）最终的报价应在初始报价的基础上再加上购电用户（即用电用户）分摊的碳排放费用，即：

将Ci·pcarbon·δuser·10-6记为pcarbon，seller，购电方需要承担的碳排放分摊费用即可直观地加入到价格中。可以看到，不同分布式电源因其单位发电量所产生的碳排放值Ci不同，会导致其报价发生不同程度的上升。考虑到碳排放所需要增加的费用，为促进用户之间的交易达成，购电用户应为此提高自身报价，将提高的报价部分记为pcarbon，purchaser。购电方报价的修改不应影响购电方在参与交易时的优先顺序，因此pcarbon，purchaser的大小应为由购电方承担的交易区域内所有分布式电源单位电量碳排放的平均价格，即：

在考虑碳排放前，若要符合交易能获得利润的情况需要使购电用户报价大于售电用户报价，即ΔP＞0。考虑碳排放时，要想使交易获得利润，则应使ΔP′＞0，可以看到，相较于ΔP，ΔP′增加了的部分，记为ΔPcarbon。

考虑低碳竞价时，应将式（1）中的ΔP 转变为ΔP′进行计算。

2 基于合作博弈核仁法的分布式源荷交易原理

2.1 合作利润及分配对象

分布式源荷交易涉及交易的双方，因此可以看成是为了维护交易双方利益，均衡交易价格，从而促进交易达成，使得交易双方利益都尽可能增加的一个合作博弈的过程，对此可以采用核仁法对利益实施合理的分配。分布式源荷交易的合作利润是指在分布式源荷交易中，交易双方由于报价差异所产生的可供分配的纯利润部分。由于合作利润是交易双方共同获得的总利润，每个参与交易的用户具体应分配到多少利润难以确定，所以用核仁法对合作利润进行分配具有一定的合理性。 合作利润的分配对象为参与交易的各用户，即售电用户和购电用户。

2.2 交易对象和交易量的确定

在分布式交易中，交易形式为多方交叉交易。在多方交叉交易模式下，无论是售电用户还是购电用户，都可以选择同时与多个交易对象合作。针对不同的用户，将交易者之间的报价差ΔP 按照从大到小的顺序排列为ΔP1≥ΔP2≥…≥ΔPn，其中，n 表示可供选择的交易用户数量（对于售电用户而言即为购电用户数量，对于购电用户而言即为售电用户数量）。售电用户的报价可能低于或高于购电用户的报价，当售电用户的报价低于购电用户的报价时，双方若要达成交易，最后达成的交易价格会使售电用户的售电价格升高，购电用户的购电价格降低，符合交易双方的利益需求，因此认为这种情况下的交易可以让双方都增加利润；当售电用户的报价高于购电用户的报价时，双方若要进行交易，最后的交易价格会使售电用户的售电价格降低，购电用户的购电价格升高，可以认为这种交易情况下双方都会造成损失，因此认为情况无法达成交易。

当售电用户的报价低于购电用户的报价时，双方都可以增加利润；而当双方的报价差最大时，交易取得的总利润也最大。因此，用户在选择交易对象时，会优先选择与自己报价差最大的用户进行交易。确定交易对象后，在最终进行利润分配确定交易价格之前还需进行交易量的确定。因为交易对象选择的是可获得最大利润的用户，所以在与该用户进行交易时，规定进行最大交易量的交易，即交易其中一方的需求交易量全部达成。在达成最大利润的交易后，将剩余的交易用户（包括在参与交易后仍有电量剩余或购电需求的用户）按照同样的原则继续组织交易，直至不存在获得利润的交易情况。由此可以确定进行交易的双方用户以及交易的交易量。

2.3 分布式源荷交易机制

分布式源荷交易的进行依赖于有效交易机制的设计和运行。本文设计分布式源荷的交易机制如下所述。首先，参与交易的交易主体可以简单归为两类，一为购电用户，二为售电用户，各用户需缴纳一定金额的保证金，并在刚注册时具备一定的信用额度。平台会公示用户的注册时间、交易次数以及信用额度，各用户在选择交易对象时，除了观察价格、电量等信息之外还可以参考信用额度等信息。 交易的实现主要包括信息发布、交易发起、信息反馈及交易确认、交易执行和结算等环节。其中，各用户公布的信息包含报价、电量、发用电时间等内容，在发布信息之前，各用户应根据负荷/发电预测，并综合考虑发电成本、碳排放费用等确定最终公布的交易信息。

交易机制流程示意如图1 所示，图中省略了信息发布的步骤，并认为各用户均公布了交易信息。图中1 表示交易发起，交易用户根据可交易对象的信息，选择合适交易对象，利用核仁法分配利润后计算电价，并将电价、电量等信息发送给期望交易的对象，图中用细实线表示；2 表示信息反馈及交易确认，用户对收到的交易请求进行回复，回复包括接受交易请求、拒绝交易请求以及继续就交易进行协商等，图中用虚线表示；3 表示交易执行和结算，经协商双方均同意交易后，达到约定的时间后执行交易并进行结算，图中用粗实线表示；4 表示剩余待交易电量的处理，在进行分布式交易后，若用户仍有待交易电量，可以选择与电网进行交易，图中用点划线表示。

图1 分布式源荷交易机制流程示意

3 算例分析

3.1 基础交易信息

在某小型交易平台组织某一低碳区域内的分布式源荷交易，在一个待交易的时间段中，有5个用户发布了交易信息，交易信息情况见表1。

表1 初始交易信息

3.2 考虑低碳竞价策略前后的交易结果对比

3.2.1 未考虑低碳竞价策略时的交易过程及结果

对于购电用户A1而言，其可交易的售电用户有3 个，但由于B1的报价过高，不符合售电用户的报价低于购电用户的报价从而获得利润的情况，因此首先排除。接着在B2和B3中，由于B3的报价与A1的报价差最大，所以A1将优先选择B3进行交易，且由于A1需求电量为1 500 kWh 而B3待售电量为500 kWh，所以A1将尝试向B3发起交易量为500 kWh 的交易。而后对于自身仍然需求的1 000 kWh 电量，A1将尝试向B2发起交易。分别计算2 次交易的合作利润，得：

xA1B3=（PA1-PB3）QA1B3=（60-55）×500=25 元

xA1B2=（PA1-PB2）QA1B2=（60-57）×1 000=30 元

A1和多个售电用户交易获得的总合作利润为55 元。

对于购电用户A2而言，按照同样的原则，A2希望先与B3达成500 kWh 电量的交易，而后与B2达成500 kWh 电量的交易，从而使其需求的1 000 kWh 电量完全得到满足，求得合作利润分别为：xA2B3=15 元，PA1B2=5 元，总合作利润为20 元。

A1和A2利用核仁法求得利润分配见表2。

表2 未考虑低碳竞价策略时，购电用户与交易对象的合作利润分配情况

根据求得的各用户分配到的利润，利用式（3）求得合约电价为：PA1B3=0．569 71，PA1B2=0．586 96；PA2B3=0．562 37，PA2B2=0．575 17，单位为元/kWh。接下来购电用户A1，A2将与每个售电用户交易的合约电价和电量需求分别发送给各个售电用户，等待其进行回应。

对于售电用户B2而言，其接收到2 条交易请求，其中A1希望达成的合约电价为PA1B2=0．586 96，A2希望达成的合约电价为PA2B2=0．575 17。虽然两者给出合约电价都大于B2的预期售价0．57，但是显然，PA1B2=0．586 96＞PA2B2=0．575 17，所以售电用户B2势必选择购电用户A1进行交易，交易达成后B2仍有剩余电量200 kWh，因此会与A2达成200 kWh 电量的交易。同样，售电用户B3也将优先选择购电用户A1进行交易，但由于交易后B3无剩余电量，因此将不会再与A2进行交易。对于仍有剩余电量或未达成交易的用户，可以与电网进行电力交易。

因此，若排除一些用户可能存在的主观因素的影响，仅根据自动的分布式交易策略，则最后达成的以购电用户为交易发起方的交易情况应如表3 所示。主观用户表示主动发起交易的用户，合作用户表示接收到交易请求的用户。

表3 未考虑低碳竞价时，购电用户为主观用户的交易结果

接下来，以售电用户为主观用户，同样用核仁法分配利润，并依据相同的原则组织交易。排除不符合交易条件的售电用户后，可以得到交易结果如表4 所示。

表4 未考虑低碳竞价时，售电用户为主观用户的交易结果

可以看到，在以售电用户为主观用户时，最终交易的对象及电量不变，但合约电价会发生小程度的变化。

若交易双方同时发起交易诉求，由于双方对于电价的意见并不一致，所以会进入信息反馈的协商阶段。若采取折中的方式，则在表1 的初始交易信息下，双方同时发起交易诉求的交易结果如表5 所示。

表5 未考虑低碳竞价时，交易双方同时发起交易诉求时的交易结果

综上，在使用本文所设计的方法组织交易时，若发起交易的主观用户不同，交易结果也会相应地呈现一定的变化。这种结果符合在分布式发电交易中，用户自主参与交易，在达成交易的同时尽可能为自身获取利益的情况。

3.2.2 考虑低碳竞价策略时的交易过程及结果

首先需要确定一系列的相关参数。如不同分布式电源的Ci，发电方和用电方对于的碳排放费用的分摊比例等。根据基于全生命周期的碳足迹的分析方法得到不同分布式电源的Ci见表6，表中数据表示均值，括号内数据表示上下限值。

表6 部分分布式电源的单位发电量碳排放情况

关于发电方和用电方对于碳排放费用的分摊比例， 这里假设发电方承担20%， 购电方承担80%，即δgeneratori=20%，δuser=80%。碳减排的主要处理手段包括碳交易和碳税的方法，目前中国已经开始实行了全国范围内的碳排放权交易，但受覆盖面和调控范围限制、碳市场中价格形成机制构建难度大以及可能发生市场失灵等因素影响，目前的碳交易价格并不高，根据专家推算，未来的碳交易价格会达到200～300 元/t，这也与国际碳交易价格趋势相吻合，因此本文选取单位电量的碳排放价格pcarbon=200 元/t。

将售电用户B1，B2，B3的电源类型分别划分为风力发电、光伏发电和天然气发电，计算各用户由于碳排放而增加的报价数额以及新的报价值，购电用户计算pcarbon，purchaser和， 售电用户计算pcarbon，seller 和。

结果如表7 所示。可以看到交易的情况将发生变化，满足购电用户报价大于售电用户报价的价差最大的情况由A1与B3变为A1与B2。

接下来，利用核仁法进行利润的分配和合约电价的计算。得到报价分别为：PA1B1=0．619 33，PA1B2=0．604 61，PA2B2=0．597 48。根据目前的报价信息，第一轮交易时，A1将与B2达成1 200 kWh 电量的交易，与B1达成300 kWh 电量的交易。由于B2无剩余可交易电量与A1进行交易，因此A2将发起第二轮的交易对象搜寻和交易请求，最终以0．610 85 的价格向B1发送700 kWh 电量的交易请求（B1与A1交易后仅剩余700 kWh 电量）。因此，在不考虑主观因素的情况下，按照交易规则和方法组织交易的最终结果如表8 所示。

表7 考虑低碳竞价策略时的报价更新情况

表8 考虑低碳竞价策略时的交易结果

可以看到，在考虑低碳竞价策略后，售电用户参与交易的优先级发生了变化。优先级由最初的B3＞B2＞B1变为B2＞B1＞B3。对于售电用户，观察2 种情况下达成交易时的合约电价与初始报价，可以发现：未考虑碳排放时，B2与A1达成交易的单位电价获利为0．016 96，考虑碳排放时的单位电价获利为0．021 01。这说明，发电方式产生少量碳排放的售电用户最终达成交易时，获利相较不考虑碳排放时会增加。

因此，利用考虑低碳竞价的合作博弈核仁法分配利润组织交易，不仅能够保障交易双方利益，提供良好的交易组织依据，同时还能够鼓励低碳发电产业的发展，促进节能减排。

4 结语

随着我国分布式发电市场化交易试点的开展，分布式发电交易的相关研究成为一大热点。分布式发电交易具有去中心化、自由交易的特点，能够使分布式资源得到更充分、自由的利用。

本文设计了分布式源荷交易机制及运行流程，明确了各个交易用户在参与交易过程中的行为，并且在此交易机制下设计了分布式源荷的交易策略。 根据各分布式电源单位发电量碳排放的差异，利用碳交易的价格设计报价的修改机制，并将此机制运用于利用合作博弈核仁法进行利润分配的分布式源荷交易策略中。考虑各电源的碳排放差异后得到的交易结果不仅能够兼顾交易双方的利益，根据合理的规则进行交易量的分配和交易价格的确定，取得交易双方都较为满意的交易结果，而且能够促进低碳售电用户的交易达成，使得低碳售电用户能够获得更多的收益，从而鼓励低碳电力产业的发展。