能源互联网市场体系设计、交易机制和关键问题

3.2 能源互联网市场的运行机制

运行机制是能源互联网市场实现资源优化配置的根本保证,由价格、供求、竞争、结算和激励等机制构成。 其中,价格机制处于核心地位。

1)价格机制。 价格机制是实现市场调节作用的集中体现,与交易方式以及能源类型有关。 对于双边交易,主要为交易双方协商定价;对于集中交易,可以根据能源类型选择采用撮合价格、系统边际价格、分区边际价格及节点边际价格等不同的定价机制。 目前,在电力市场中普遍承认节点边际电价在价格引导和阻塞管理等方面具有优越性[18] ;边际成本定价方法在瑞典、芬兰等自由度较高的区域热力市场有所应用[19] 。 考虑到能源互联网市场的网络经济属性,辅助服务及输配费用的定价机制必不可少。 国际上现行输配电价主要以“成本+收益”的定价方法为主,还出现了最高上限以及基于成果的激励性管制办法[20] ;天然气管输价格的确定方法主要有服务成本定价法、价格帽定价法等[21] 。

2)供求机制。 在传统能源市场中一般认为能源需求是刚性的,对能源价格变化不敏感。 而能源互联网中多能互补系统的形成、大量分布式设备的接入以及产消型用户的出现,促进了能源替代和共享,增加了需求侧的灵活性。 此外,随着市场观念和节能意识的加强,用户会主动根据市场价格改变用能类型和用能时间并积极参与需求侧响应,从而进一步增强了能源需求弹性,有利于市场供求平衡。

3)竞争机制。 竞争机制是能源互联网市场优胜劣汰的手段并产生极大的社会价值。 例如:美国各区域性电力市场通过引入电力零售服务竞争机制,使得零售价格有效降低,从而为用户节省了总额巨大的开支[22] 。 因此,能源零售商为了提高自身竞争力,需要增加用户的能源选择权,例如提供电、气、热等能源的不同组合产品,同时开展个性化的增值服务以增强用户黏性。 能源互联网环境下大数据处理、分析和挖掘能力将成为市场主体的核心竞争力之一。

4)结算机制。 能源商品的交易达成时间与实际交割时间不同,且大规模分布式交易的出现导致双向的能量传输,因此建立合理的结算机制对于维护市场主体利益、规范市场交易行为起到重要的作用。例如,美国 PJM 电力市场通过建立日前市场和实时市场的双结算机制,有效规范结算工作、提高结算效率并降低结算风险[23] ,具有很好的参考价值。

5)激励机制。 为了调动市场积极性,促进社会节能减排,需要制定相应的激励机制。 例如:合理的用户侧补贴政策可以刺激用户自主安装分布式新能源、使用电动汽车及参与中央空调集中控制等需求侧管理;可再生能源的大规模利用依赖于激励政策的出台与实施,美国、挪威、瑞典等国家通过采用可再生能源配额制与绿色证书交易相结合的方式保证了可再生能源发电的市场份额[24] 。

此外,政府和市场监管部门还需要制定相应的制度政策来明确主体义务、规范交易行为。 例如:制定能源供给及消费偏差考核制度,从而加强市场交易的专业性;规定能源传输商必须提供同等质量、公平开放的输配服务,杜绝不正当竞争;设置市场报价上下限,防止新能源厂商因边际成本低而恶意报低价等。

4 能源互联网市场关键问题及研究展望

目前,能源互联网市场尚处于起步阶段,需要借鉴现有电力、天然气、区域冷/热等市场的研究成果,在市场模型、主体行为及高效算法等各方面开展新的研究。 此外,能源互联网已从电—气耦合、电—热耦合、电—气—热耦合等多种能源互联形式出发,在

潮流计算[25-27] 、最优潮流[28-29] 、经济调度[30] 及机组组合[31-32] 等方面开展了大量研究,为能源互联网市场提供了良好的物理基础。 能源互联网市场发展过程中遇到的关键问题及研究展望总结归纳如下。

4.1 实现多能源综合交易的能源互联网市场模型

基于多能耦合的能源互联网基本特征,实现多类型能源的综合交易是能源互联网市场的核心目

标。 鉴于不同类型能源在传输速度和储存能力上存在明显差异,需要研究不同能源系统的时间常数对于市场交易的影响,从而建立含多类型能源、多时间尺度的能源互联网市场模型。 例如:电、气、热等能源不同的物理特性导致集中交易环节出清时间粒度不同,因此如何在日前和实时市场上实现多能源的联合出清成为一大难点。

目前,单一电力或单一天然气市场模型[6,33-34]已经较为成熟,多能源市场模型的研究也逐步展开。文献[35-36]以联合循环燃气轮机为研究对象,将天

然气供给合约及天然气网络阻塞引入中期电力市场均衡模型中。 文献[37]在实时以及日前层面上建立了电—气联合市场的均衡模型,并提出了一种特殊的对角化算法。 文献[38]在考虑风电不确定性的基础上,建立了电—气联合日前市场的出清框架,并提出了天然气备用容量这一新产品。 文献[39-40] 考虑需求侧灵活性、节点边际价格等因素对电—热联合系统进行了市场均衡分析。 现有研究以市场出清和市场均衡模型为主,大多集中于电—气联合以及电—热联合市场,不同类型能源、不同时间尺度市场

之间的相互影响需要进一步明确。 此外,可以考虑电转气设备等新型市场参与者、可再生能源等随机性因素、复杂耦合网络的精确模型及高效求解算法对多能源市场模型开展更为深入的研究。

4.2 面向大规模分布式主体的行为分析及市场机制

在能源互联网中,分布式电源、储能、电动汽车、天然气分布式能源等灵活性资源的大量接入以及用户主动性的增加,导致了市场成员的多样化以及交易模式的灵活化。 为了使小型分散化主体参与市场成为可能,有必要面向大规模分布式主体进行策略行为分析,并提出相适应的市场机制。 能源互联网市场是一个多方互动、动态博弈的过程,如何基于非合作博弈论研究分布式市场主体之间的复杂博弈行为是实现市场均衡、提高市场竞争力的关键。

考虑到需求侧灵活性资源参与市场的需求,文献[41-42]提出一种新的日前电力联营市场机制,并对电动汽车和热泵系统的行为进行了建模。 文献[43-44]提出“能源细胞”的概念用于管理高渗透率的分布式新能源、储能设备及产消型用户,并建立了电力零售市场的出清模型。 文献[45]将需求侧资源聚合为多能源运营商这一新型产消者,并分析了其策略性行为。 此外,分布式能源可以通过微虚拟电厂[46] 、用户可以通过负荷聚合商[39] 等方式进行统一管理,以便积极参与能源市场。 目前,随着电力零售市场的开放及大量分布式发电的接入,关于分布式主体的市场研究主要集中于电力市场层面,后续可以结合气、热等分布式主体的特点,将电力零售市场的研究成果推广到能源互联网区域分布市场。

4.3 能源互联网市场分布式交易支撑技术

能源互联网市场中,能源生产者和消费者的界限逐渐消失,市场准入规模不再受限,形成自由、对等、双向、灵活的交易模式,海量的分布式市场主体以及高随机性的交易行为催生了研究分布式交易支撑技术的需求。 为了保证大规模分布式交易的可行性,需要研究和开发适用于能源互联网市场的分布式存储、分布式计算以及分布式优化等技术。

多代理系统作为一种高度并行的分布式处理系统,具有自主性、社会能力以及主动性等特点[47] ,可以为以分布式能源运营商和产消型用户为核心的分布式市场模拟仿真及决策支持提供有效的技术手段。 区块链技术是一种互联网分布式数据库技术,

其去中心化、开放性、透明性、自治性等特点与能源互联网理念相吻合[48] ,在能源互联网分布式交易领域具有广阔的应用前景。 交替方向乘子法是一种求解大规模分布式凸优化问题的计算框架,目前已经应用于电—气耦合系统的最优潮流[28] 、优化调度[49]等问题中。 如何在平衡各主体自身利益的同时实现整体最优,如何克服各分布式主体之间的信息保密困难,以及在通信共识时如何消除随机因素干扰、考虑网络随机特性等均是分布式交易算法的研究关键与热点。

4.4 能源互联网市场中多元化辅助服务交易机制

能源互联网市场的重要任务是实现可再生能源,尤其是分布式可再生能源的大规模交易和共享。为了解决高比例可再生能源接入带来的不确定性,亟须建立合理的辅助服务市场。 随着各种储能技术、能源转化技术的发展,灵活性资源成为活跃的市场主体,为辅助服务的多元化提供新的契机。 如何结合灵活性资源的自身特点,因地制宜地开发辅助服务商品及相应的交易机制是能源互联网市场的关注重点。

文献[50]分析了热电联产机组参与以频率控制为主的电力备用市场的可行性,并指出热电联产机组将从中获取更高的收益。 电动汽车通过合理的充放电控制和调度可以为能源系统提供分布式的辅助服务,文献[51]证明了在电力市场环境下电动汽车通过代理机构提供调频和旋转备用服务在经济上是可行的。 抽水蓄能[52] 、大容量储热[53] 等大容量储能技术的应用有效提高能源互联网运行的灵活性、促进大规模可再生能源的消纳,是一种具有广阔前景的辅助服务手段。

4.5 能源互联网市场信息披露与互动体系设计

能源互联网市场中信息量大幅增加,信息互动更加频繁,市场交易对于信息技术的依赖程度显著提高。 构建及时、详细的信息披露体系,有助于向市场传递清晰有效的信号,为市场成员的决策提供充分的信息支撑促进能源的优化配置[54] 。 与此同时,多元化的市场主体和自由化的市场交易催生了建立信息互动机制的新需求,多类型能量的双向流动对于信息的采集、分析及传递提出了新的挑战。为了满足能源互联网市场对于信息及时性、有效性、安全性及隐私性的更高要求,需要研究适用的数据分析方法、通信网络技术及网络标准和协议等。

信息技术的快速发展与深度融合将极大地推动能源互联网市场建设,促进多能源市场供需两侧的扁平化,进一步实现能源共享与替代。

5 结语

能源互联网是大规模利用可再生能源、推动能源生产和消费革命的重要手段,为了更好地实现能源的优化配置,提出了建立能源互联网市场的新需求。 与传统电力、天然气、区域热/冷等单一能源市场相比,能源互联网市场具有明显的差别,主要体现在支撑多类型能源的综合交易,实现大规模分布式主体的市场参与,支持灵活、智能的能源消费,以及信息技术依赖程度提高4个方面。 本文提出了能源互联网市场的初步定义和建设目标,对市场的体系设计和交易机制进行分析讨论,并在此基础上,总结归纳了能源互联网市场的关键问题及研究展望。

新型预测技术、能源储存和转化技术、分布式技术、信息技术等的进步及能源互联网协同规划与运行技术的发展有助于推动能源互联网市场的建设。除此之外,更需要市场设计者及相关研究人员利用互联网思维实现能源互联网市场模式的创新,打造全新的多元化市场格局。 目前,能源互联网市场的相关研究刚起步,希望本文研究工作可以为能源互联网市场基础理论的发展提供一些思路和参考。

作者简介：

刘 凡(1993—),女,博士研究生,主要研究方向:电力系统优化、能源互联网市场。

别朝红(1970—),女,通信作者,教授,博士生导师,主要研究方向:电力系统规划与可靠性、新能源消纳以及能源互联网。

刘诗雨(1991—),女,博士研究生,主要研究方向:电力系统优化、能源互联网市场。