面向分布式主体的可交易能源系统:体系架构、机制设计与关键技术

陈启鑫, 王克道, 陈思捷, 夏 清

(1. 电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学), 北京市 100084;2. 电力传输与功率变换控制教育部重点实验室(上海交通大学), 上海市 200240)

0 引言

随着大量分布式新能源、分布式储能、电动汽车、智能用电设备等接入电网,电力系统的运行将面临着新的环境,给系统供需平衡带来了更大的不确定性,对系统的稳定、可靠、经济运行提出了更大的挑战。

为适应新的情形,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。然而,现有的电力系统仍然存在着明显的层级结构,分散的用户群体和分布式电源处于结构底层,与市场的电价信号相对“绝缘”,参与系统供需平衡与优化调节的动力不足、能力欠缺。尽管近年来业界也提出了需求侧管理、需求响应等新的机制,但实际效果并不显著,仅有一小部分弹性较高的用户能主动参与平衡调节。以美国PJM电力市场为例,其日前参与申报具有价格弹性用电需求的市场用户,用电量大致仅为全系统用电量的1%～3%。

为了进一步促进供需互动、维护系统平衡，可交易能源(transactive energy,TE)的概念被提出。其定义最初是由美国GridWise Architecture Council(GWAC)在2013年提出。GWAC在其GridWise Transactive Energy Framework中,将可交易能源概括为“一套通过经济手段和控制手段,以价值为参数调节系统全局供需动态平衡的电力系统运行机制”[1]。

广义的可交易能源机制覆盖了各类具有价值响应特性的电力交易形式,包括批发市场和零售市场。然而,现有的市场机制下,电力系统的运行状况与价格信号大多没有传递到终端用户,配售侧交易的价值响应特性和供需调节能力弱,也没有能够激发分布式电源参与市场,这一方面是由于配电网区域内现有的分布式电源数量少、功率低,一般仅作为自发自用;另一方面是由于缺乏支持终端用户与分布式电源参与市场的政策约束和技术支撑。

近年来,随着售电市场的逐渐开放、分布式电源的快速发展、用户侧智能设备的不断普及,以及支持去中心化交易的区块链技术的试验应用,受益于政策导向、用户需求和技术支撑,使得提出一套面向分布式市场主体的可交易能源体系与机制成为可能。需要说明的是,本文所讨论的可交易能源系统,其交易范围定位于配电网层面,面向新型的分布式市场主体,通过供需双方直接实时互动,以去中心化为特征形成交易体系。交易主体包括终端消费者、分布式电源、分布式储能、售电商等;交易标的包括了能量交易与调频等辅助服务,也可以是其他的增值服务;交易双方针对参考市场中形成的价格信号做出交易决策,自主开展交易的发起、确认、执行、验证等行为,这些交易行为将通过各种智能化设备响应执行,实现实时的供需对接。

面向分布式主体的可交易能源系统在配电网侧形成扁平化,甚至去中心化的交易体系架构,有利于提升市场成员交易的便利性;而以直接交易、按报价支付(PAB)为特征的交易机制也为分布式电源、储能、用户等参与市场并从变动的价格中“获利”提供了可能性。可交易能源系统的机制设计,实质上是将响应扩展到需求与供给双侧,通过设计合理、有效的激励机制,能够达到个体收益与系统效益的激励相容[2]。

可交易能源目前已经吸引了众多研究机构和学者的研究兴趣。理论探讨方面:文献[3]提到了“C2C交易平台”，即可交易能源系统的雏形,文献[4-9]讨论了可交易能源的背景、特征、意义等;文献[10-11]探讨了通过多层能量调度系统的调控,在可交易能源机制下实现电力系统的优化运行,文献[12-13]论述了用户在可交易能源系统中自身用电行为的优化;文献[14-17]列举了可交易能源系统中不同市场主体的成本和收益,进行了终端用户的成本效益分析。工程项目方面:文献[18-19]介绍并分析了现有的西北太平洋智能电网示范工程(PNWSGD)项目中区域间能量交易的实现方式;文献[20]探讨了可交易能源系统在孤岛微网环境下的应用可能性。此外,部分研究工作拓展了可交易能源的应用范畴,文献[21-22]分别论述了可交易能源系统与智慧城市和能源网(enernet)的关系。

尽管现有的研究工作已对可交易能源系统的概念、意义等方面进行了探讨,并分析了一些具体的应用场景和效益,但目前的研究没有聚焦可交易能源系统去中心化、分布式等“新”的特性;对交易缺乏具体的设计描述,研究较为概念化;尤其没有结合大量分布式主体接入,在配电网层面上开展可交易能源系统的体系构建、具体的交易关系梳理与机制设计,没有呈现具体场景下可交易能源系统的运行方式。这些恰是本文的研究主题所在。

1 可交易能源系统的特征与意义

可交易能源系统中,配电网范围内终端消费者、分布式电源、分布式储能、售电商等之间实时发生着分散的、点对点的交易,交易的决策由各交易主体自行制定,交易达成后将自动执行。其主要具备以下特性[2]。

1)去中心化:可交易能源系统的交易主体是分布式的,交易过程是分散化、点对点的,也就是说各主体对等,交易网络是去中心化的。

2)自优化:交易主体为自愿参与交易,在价值信号的作用下能自我判断并执行,以这样的方式完成系统的优化,而不是单纯地响应一个集中机构的调度指令。

3)自动化:价值信号处于不断的变化中,出于动态平衡的要求,交易过程在决策阶段和执行阶段都要尽可能实现自动化,以达到实时响应的目的。

4)价值响应:价值信号,即市场中形成的价格信号,反映了供求关系,其能影响到交易的量、方向等,即交易具备价值响应特征。

引入可交易能源机制,对于电力行业系统全局与市场成员个体而言,均具有其重要的意义。从全局上看,其意义在于以下几点。

1)在价值信号下实现电力系统的实时供求平衡,有利于激发需求侧的响应能力,有效解决可再生能源消纳问题,提高系统的可靠性、稳定性。

2)有利于消除电力系统、电力市场中的信息不对称,将价值合理分配给系统中各主体,通过市场的方式解决问题,做到资源的有效配置,提高系统的经济性。

3)以价格信号促进分布式电源自行优化其生产行为,有利于降低系统调度控制的难度。

4)适应电力系统从集中式向分布式的转变,推进电力系统更加设备智能、信息互联、市场开放。

5)促进分布式电源投资由政府规划向市场引导的转变,促进分布式可再生能源的进一步发展,为能源转型、环境保护作出贡献。

从交易成员层面来看,其意义主要体现在成员的经济效益与用户用能体验的提升上,本文总结如下。

1)丰富市场成员的购电途径。用户除了从售电商购电外,还可能以不同的价格从其他分布式电源处购电,提升了售电侧的市场竞争。除了用户以外,售电商也可以扩展其交易渠道,除了从批发市场购电外,也可从分布式电源处购电。

2)增加分布式电源的售电途径。现有机制下,分布式电源一般采用“自发自用、余量上网”的机制,以一个固定的价格或批发市场的实时电价出售电能。在可交易能源机制下,其将拥有定价权,可通过更加灵活的交易机制售出余量。

3)售电商、配电网运营商等可以通过交易的形式实时满足其需求,降低偏差惩罚等,从而提高其收益。

4)提升成员的自主性,为各成员主动参与零售市场、编制个性化定价方案等提供可能性。

2 可交易能源系统的体系设计

2.1 可交易能源系统的市场主体

可交易能源系统中的相关市场主体包括但不限于以下几个方面。

1)终端消费者、电源及储能等分布式主体:分布式电源和储能既可以有单独的运营主体,又可以“植入”终端用户。普遍性起见,本文将讨论的对象集中于终端用户,将其分为普通消费者(consumer)和生产型消费者(prosumer)两种[10]。生产型消费者即具备分布式电源;对于生产型消费者,又区分为有储能能力和无储能能力两个子类。

2)售电商:可交易能源系统中,售电商可以作为独立的市场主体,在配电网层面与其他成员进行交易，也可以作为用户参与批发市场进行交易的代理商,即售电商同时具有代理属性和交易属性。

3)配电系统运营商(DSO):可交易能源机制下,配电系统运营商也可以作为独立的市场主体参与交易,向配电网中的用户发布特定的交易需求,此外,其依然为区域提供配电服务,收取配电费用,拥有配电网资产,负责配电网规划、建设、维护等,即DSO同时具备配电网运营属性和交易属性。

此外,为避免出现违反安全约束的交易和故意制造阻塞以控制市场等行为,DSO还具备安全预警发布、临时交易剪裁和关闭交易等权责。DSO实时监测系统,预期可能发生违规交易时,可以提示对应线路、变压器的负荷重载,或发布对应节点发电出力的约束;当形成的交易提交到DSO,其交割违背系统安全约束时,DSO直接实施交易裁剪,并公布相关信息;当系统处于高负载或者不稳定情况时,DSO甚至可以根据市场规则暂停交易,直至系统恢复正常。

2.2 可交易能源系统的交易机制

由上述对可交易能源主体的描述,得出可交易能源系统的交易架构,如图1所示。

该架构是一个扁平、去中心化的配售侧交易架构,交易行为在一个去中心化的公共交易平台上自主达成并自动执行。各类交易主体的交易行为包括但不限于以下几个方面。

1)生产型消费者拥有分布式电源,可以提交其富余的生产能力,将发电余量在平台上出售。

2)具备储能的生产型消费者享有对自身储能的控制权,在充放条件允许的情况下可自由参与交易。

3)任一购电方可以选择在平台上实时购买电能,这种交易行为与其跟售电商的长期交易合约可以并存。

图1 可交易能源系统的交易架构Fig.1 Transaction structure of transactive energy system

4)售电商由于其代理用户的用电量偏差或交易误差,存在着实时的功率偏差(批发市场上往往对功率偏差采用实时价格结算,风险较大,部分市场甚至引入了偏差惩罚机制)[23],可以通过可交易能源平台对偏差进行调节。

5)配电运营商也可参与市场交易,以实现降低其与主网的交换功率、减少重载设备运行压力、减少网损等目标[24]。此类需求也可以转化为具体的交易标的(服务类),在平台上向部分或全部成员发布,如向某条馈线上成员发布降负荷请求等。

6)其他增值服务及一些可转让的金融合约等,也可以在交易平台上进行交易。

从交易的时间尺度来看,可交易能源系统中现货交易和中长期交易并存,如购电方与售电商以中长期的菜单电价达成交易,也可以从生产型消费者处实时交易购电。

从交易的标的分类来看,可以是能量、辅助服务、增值服务、金融合约等。交易的达成代表了电能传输、服务确认、合同转移等。

从交易的操作层面来看,可交易能源系统中交易的执行大多是自动化的,交易的决策和确认过程也尽可能自动化实现[25]。这不仅能灵敏响应价值信号,降低人力成本,而且能保证交易执行真实有效,对系统而言则有利于提高实时平衡能力。

相比于传统电力系统,以上的去中心化的公共交易平台,能够整合不同类型的交易方式,有效打破信息隔离,对系统具备整体优化功能。但同时交易关系在时间和空间上更加复杂,需要先进的信息技术与智能技术进行支撑。

总之,在该交易机制下,交易是去中心化的,交易双方可以自由选择交易的达成,不需要经过第三方审核;交易标的是多样化的;交易类型是跨时间尺度的；交易执行是自动化的。可交易能源系统不仅能满足微观层面上交易主体的经济效益和各类个性化需求,也能满足宏观层面上系统供需平衡、系统优化运行等的调节需求。

2.3 可交易能源系统的运行方式

可交易能源系统的运行过程,是成员在该机制下需求发布、交易匹配、合约执行的过程。从交易组织的角度,可以分为“发起、确认、执行、验证”4个环节。以下将分别从这4个环节对可交易能源的运行方式进行阐述。

2.3.1交易的发起

将可交易能源系统中的交易分为自动发起和人工发起两大类。自动发起交易的交易逻辑简单,发起过程易于规范化,可编程控制,能够自动化实现,如能量交易、部分辅助服务交易等;人工发起交易随机性较高,主体性明显(即掺杂较多主观因素成分),如售电商偏差调节的交易,配电运营商减小网损的交易等,发起不易完全自动化实现,往往需要人工辅助,甚至完全由人工发起。

自动发起交易由成员的智能决策系统发起,能够做到“实时监测,自动发起”。例如：在能量交易中,生产型消费者利用实时监测数据,综合发电预测、负荷预测、储能预测与实时电价预测的结果做出交易决策,交易的时间、功率等要素确定后,以标价挂牌方式向交易平台上其他成员提出交易请求。该类型交易按照标准化的格式发起。

人工发起交易的发起策略,一般需要人为制定。如售电商或配电服务商对正在面临或预期的某个特定需求,可以人为将其转换为可交易的标的,向系统内全体或特定成员发送,该类型交易的发起格式也不固定,在紧急情况下可以按照标准格式发出,以得到自动化回应。

此外,交易的发起通常要对发起人的履约能力进行审核。由于可交易能源系统是去中心化的,因此没有独立的校核机构,审核由智能校核系统完成,该系统将综合成员的交易状态(是否有未完成交易等)、历史交易及违约记录(成员自动存储)等作出审核。

2.3.2交易的确认

在交易的确认环节,也区分为自动确认和人工确认两大类。对于标准格式发出的交易请求,智能决策系统能够结合自身信息给出自动回复,交易的发起方在收到多个回复时,参照时间优先、价格优先等原则进行自动确认。对于非标准格式发出的交易请求,需要经过人为决策给出回复,交易也可能要经过双方多次协商才能得到最终确认。

交易确认也需对回应方的履约能力进行审核,这同样由智能校核系统完成,过程与发起环节类似。

需要说明的是,一旦交易经过确认,将自动转换为标准合约。合约包含交易时间、交易内容等,由交易双方自动存储,以备交易验证和最终结算。

2.3.3交易的执行

交易的执行环节为统一的自动执行,由成员的自动执行终端完成。该终端能对分布式电源、分布式储能、智能用电设备的运行状态、输出/消耗功率等物理量进行控制,严格按照已确认的标准交易合约内容,在约定的时间执行。同时,无论是否有交易在执行,成员的输入输出功率、时间等关键指标均由智能电表不间断监测并存储。

2.3.4交易的验证

对于电力市场而言,由于电网中对于电能的传输基于基尔霍夫定律,所以电力交易一般不区分“哪个电源提供给了哪个用户”,而只考察合约双方是否分别执行了其约定的行为。例如:发电方是否按合约发电,用电方是否按合约用电。当有一方未能履约时,只判定一方违约,而另一方不承担违约责任。

由此,验证时只需对成员智能电表的历史监测数据进行分析,对照合约就能评定各自的履约状况(如可以通过最近连续若干天同一时间的功率监测值得出一个基准值,将合约时间内的监测值与该基准值比较,得出合约的实际执行情况),该功能由成员的智能验证终端完成,最终将评定结果自动存储。评定结果也可以作为成员信用等级的判定标准,在可交易能源系统引入信用体系和惩罚机制后,进一步减小交易的不确定性。

上述交易的发布和匹配等流程已经以订单模式在其他众多领域得到成功的应用。作为参考,也可将该模式应用到可交易能源系统中[3],如图2所示。

图2 订单模式在可交易能源系统中的应用Fig.2 Application of order model in transactive energy system

该模式下,订单发布平台即交易平台,不断更新实时电价和订单、需求公告等;订单发布对应交易发起、抢单对应成员回复、付款对应交易确认。达成标准化合约后由自动执行终端完成点对点交易。

2.4 可交易能源系统的效益分析

可交易能源作为一个新的机制,为配售侧成员提供了一个市场化的交易平台,其运行的必要条件是有足够的成员参与,而成员在该平台“能够获益”是保证成员数量和交易量的重要前提。

首先给出美国德州休斯顿地区一日内典型的电价曲线(批发市场),如图3所示,其中实时电价处于波动状态,在用电高峰阶段电价明显上涨;销售电价(或称套餐电价、菜单电价)是用户从售电商处的购电价格[26],大多是固定的。可以看出,实时电价有可能低于或高于销售电价。

图3 典型日电价曲线Fig.3 Electricity price curve in a typical day

现有机制下,分布式发电的余量通常被售电商收购,其上网电价有标杆电价加补贴形式或实时电价形式,在本文中假设为实时电价收购;可交易能源机制下,分布式发电量将不再被收购,而完全以点对点交易售出,售电商也可作为交易方从生产型消费者处购电。事实上,与现有机制相比,成员在可交易能源机制下有获利的空间。

1)参考文献[27]，当实时电价低于菜单电价时,生产型消费者可以按某个高于实时电价但低于套餐电价的价格与其他终端用户达成交易,这是因为终端用户有购买低于套餐电价电量的需求;当实时电价高于菜单电价时,可以按某个低于实时电价的价格与售电商达成交易,这是因为售电商有购买低于实时电价电量的需求。由于套餐电价通常高于实时电价,生产型消费者收入得到提升。

2)对于普通消费者,当实时电价低于菜单电价时,在可交易能源机制下可以从其他生产型消费者处购买到低于套餐电价的电量，以降低购电成本。

3)对于售电商,当实时电价高于菜单电价时,有可能从其他生产型消费者处购买到低于实时电价的电量,但总体而言,其从用户处赚取的套餐电价与实时电价差额将会减少。这也促使传统售电商身份的转换,如提供多元化的服务提高竞争力,售电商可以选择建立和维护一个区域内的可交易能源系统,赚取成员准入费用等[28]。此外售电商可以通过交易满足其风险规避需求。

4)对于配电网运营商,可交易能源机制下可以通过交易满足其各种辅助服务需求。

3 可交易能源系统的支撑技术

可交易能源系统中,去中心化的交易体系及自动化的交易决策和执行等,均需要各类先进设备和技术的支撑,即可交易能源系统的政策制度和商业模式应当建立在成熟可靠的底层技术之上。结合2.3节中对于可交易能源系统的运行方式描述,所需的关键技术主要包括以下几点。

1)精准预测技术:在可交易能源系统中,许多决策的制定都是基于预测值,如分布式发电预测、用户负荷预测、实时电价预测等。由于大多为实时或短期交易,提供超短期和短期精准预测值能有效提升交易的可靠性、平衡调节的准确性等。精准预测是十分关键的技术。

2)智能决策系统:类似文献[29]所述“家庭能量管理系统”，智能决策系统用于代替人工,在实时价格、节点供需预测值等参数输入下,以自身经济优化为目标制定交易计划,签署交易和储能的充放电管理等。例如：对于具备储能的生产型消费者,由于购售电和储能充放电的结合,用户行为将分为5类,如表1所示。

表1 具备储能的生产型消费者行为分类Table 1 Performance classification of prosumerwith storage system

智能决策系统需要综合电价预测、负荷预测等确定该用户的行为是否在这5类之间进行转换,以及何时转换、如何转换等,其功能如图4所示。智能决策系统是“大脑”。

3)自动执行终端:主要完成交易的自动执行。涉及物理执行的交易,执行过程大致相同,均按照交易内容控制功率流的流动时间、方向、大小等。

4)智能监测技术:具备实时监测流入流出节点功率,并将监测值存储的功能,以备最终结算,同时也能对增值服务制定等提供数据信息。

图4 生产型消费者(具备储能)的智能决策系统Fig.4 Intelligent decision system for prosumer with energy storage system

5)实时交易验证:难点在于如何通过监测数据判断交易是否被执行。例如：交易内容为“用户在特定时间降低负荷”,如何通过该用户的历史用电数据制定基准值，这需要大数据分析的相关技术支持。

6)区块链技术:可交易能源系统为节点提供了一个主体多元、内容公开、信息真实的交易平台,该平台具有去中心化、分布式、交易信息可追溯等特征。以上特征是互联网思维下扁平、民主、开放的要求,近年来发展的区块链技术,不具备中央服务器,所有节点平权,具备可追溯性、强壮性,恰好迎合上述特点。基于底层区块链技术搭建的交易平台在国外已有试点工程,纽约布鲁克林地区有少量用户参与了基于区块链技术实现的可交易能源系统,该系统中用户能实现多余电量的相互交易[30]。

7)配电网运行控制技术:配电网运营商需要对实时发生的交易行为进行监测,在违背安全约束时进行交易削减或发布优化配电网运行方式的交易“订单”,能够实现配电网实时的运行控制、拓扑重构与降损分析。

此外,可交易能源系统中,不仅在信息层面需要配套大量的通信、采集、自动化、智能化等技术与设备支撑;在物理层面也将由于潮流的双向流动等改变,需要加强配电网建设,使其具备适应大量分布式电源、储能并网后主动配电网多变的运行方式。

4 结语

可交易能源是能源系统未来的发展方向,将与分布式电源、储能的发展相互促进,互为支撑。符合新经济下共享、平等、开放、对等的“互联网+”精神,是互联网思维在电力行业的典型体现。

本文重点对面向分布式主体可交易能源系统的体系架构、机制设计与关键技术进行了全面、深入的探讨。对具体的交易关系进行了梳理与机制设计,以呈现出具体场景下可交易能源系统的运行方式,分析了支撑可交易能源系统运行的关键技术需求与实施难点。所讨论的可交易能源系统,从机制、运作、技术等方面为大量分布式电源接入后，配电网乃至全系统的经济优化运行提供了一套可行的思路。

本文强调面向分布式和配电网层面的限定,一方面缩小了问题的范围,另一方面考虑到了技术上的可实现性,在该限定下可交易能源系统的研究将更加具备可行性和必要性。在此前提下，本文呈现了配电网层面可交易能源系统运行的图景,以具体的体系架构、机制和技术体现了可交易能源系统的特性,以实际的运行场景诠释了可交易能源的重要意义,使可交易能源这个新的概念“脱虚向实”。此外,经过本文相关的顶层和细节设计,也显现出目前可交易能源系统还未涉及的论点,如关键技术、运行模拟等,将在后续的研究中进一步加以讨论。

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ZHANG Ning, WANG Yi, KANG Chongqing, et al. Blockchain technique in the energy internet: preliminary research framework and typical applications[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(15): 4011-4022.

陈启鑫(1982—),男,通信作者,副教授,主要研究方向:电力市场、低碳电力技术、电力调度、能源互联网、大数据技术等。E-mail： qxchen@tsinghua.edu.cn

王克道(1993—),男,硕士研究生,主要研究方向:电力市场。

陈思捷(1987—),男,特别副研究员,主要研究方向:电力市场、需求侧响应、电力系统运行等。

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