張 凡，高紅均，吳子豪，劉俊勇

（1. 四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065；2. 國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，陜西 西安 710099）

0 引言

隨著局域能源市場(chǎng)中分布式能源的快速發(fā)展以及電力市場(chǎng)的逐漸放開，具有生產(chǎn)、消費(fèi)電能的產(chǎn)消者在配電網(wǎng)中逐漸興起。2017 年11 月國(guó)家能源局發(fā)布了《關(guān)于開展分布式發(fā)電市場(chǎng)化交易試點(diǎn)的通知》，明確分布式能源市場(chǎng)化交易機(jī)制，允許分布式能源與電力負(fù)荷等產(chǎn)消者用戶進(jìn)行電量直接交易，產(chǎn)消者能夠整合多種分布式能源參與市場(chǎng)交易［1］。通過(guò)合理協(xié)調(diào)調(diào)度產(chǎn)消者可以實(shí)現(xiàn)局域能源市場(chǎng)電能共享，具有降低運(yùn)行成本、為配電網(wǎng)擴(kuò)容、實(shí)現(xiàn)分布式能源就地消納等優(yōu)點(diǎn)。

傳統(tǒng)的集中式交易模式下，隨著交易主體規(guī)模的擴(kuò)大和數(shù)量的增多可能會(huì)產(chǎn)生維數(shù)災(zāi)和求解復(fù)雜等問(wèn)題。文獻(xiàn)［2］中的交易模式通過(guò)中心化機(jī)構(gòu)對(duì)市場(chǎng)中的交易進(jìn)行管理，其存在著運(yùn)行成本提高、交易信任問(wèn)題有危機(jī)、運(yùn)行效率下降等問(wèn)題。相較而言，目前點(diǎn)對(duì)點(diǎn)P2P（Peer-to-Peer）交易平臺(tái)已經(jīng)出現(xiàn)在許多領(lǐng)域，可以為在局域能源市場(chǎng)中的推廣提供借鑒意義。如Uber 的P2P 運(yùn)輸，Airbnb 的P2P 住宿和eBay 的P2P 拍賣已經(jīng)興起［3］。在電力市場(chǎng)領(lǐng)域，智能電網(wǎng)架構(gòu)委員會(huì)提出了交互能源的概念，為P2P 交易模式推廣至局域能源市場(chǎng)中提高小規(guī)模能源的就地消納能力提供了政策支持［4］。P2P 平臺(tái)上產(chǎn)消者之間的匹配機(jī)制可以分為以上級(jí)系統(tǒng)為中心或以點(diǎn)為中心［5］，這種交易模式為適應(yīng)產(chǎn)消者偏好［6］提供了更多的靈活性，降低了電網(wǎng)公司管理存在的信息安全風(fēng)險(xiǎn)和終端用戶隱私數(shù)據(jù)泄露［7］。針對(duì)目前電力市場(chǎng)中集中式交易存在的不足以及P2P 交易在許多領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，考慮在局域能源市場(chǎng)中推廣P2P 交易以提高區(qū)域配電網(wǎng)層面交易的高效性、可靠性以及可再生能源的消納率。

P2P 能源交易市場(chǎng)應(yīng)該尊重市場(chǎng)參與者的差異化偏好，允許產(chǎn)消者內(nèi)部資源發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。將產(chǎn)品進(jìn)行差異化表征應(yīng)用于電力系統(tǒng)中可以顯著誘導(dǎo)產(chǎn)消者更有效、更精準(zhǔn)地滿足用戶對(duì)電力的需求［8］。文獻(xiàn)［9］提出了基于城市社區(qū)微電網(wǎng)信息物理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行P2P 能源交易，考慮了產(chǎn)消者的差異化特征，以實(shí)現(xiàn)2 種不同產(chǎn)消者之間資源的協(xié)調(diào)和互補(bǔ)。但是產(chǎn)消者的種類考慮得較少，可能不滿足未來(lái)產(chǎn)消者的多元發(fā)展需求。針對(duì)以上文獻(xiàn)的不足，本文更細(xì)致地考慮了產(chǎn)消者動(dòng)態(tài)組合所產(chǎn)生的差異化特征，包括了效益型、電源型、可中斷負(fù)荷型、可平移負(fù)荷型等動(dòng)態(tài)組合模式的典型產(chǎn)消者類型參與局域能源市場(chǎng)交易。

在產(chǎn)消者的競(jìng)價(jià)行為模式方面，主要有3 種模型：伯特蘭德模型［10］是基于產(chǎn)消者設(shè)置的市場(chǎng)報(bào)價(jià)進(jìn)行調(diào)度；古諾模型［11］是采用對(duì)產(chǎn)消者的電量進(jìn)行競(jìng)標(biāo)；供給函數(shù)均衡［12］SFE（Supply Function Equalization）模型是采用向調(diào)度部門提交包括電價(jià)和電量的競(jìng)標(biāo)信息，相較于前2 種模型，SFE 模型可產(chǎn)生比伯特蘭德模型更低的純粹競(jìng)爭(zhēng)價(jià)格，比古諾模型更接近實(shí)際市場(chǎng)價(jià)格，使產(chǎn)消者獲得更高收入［13］。P2P市場(chǎng)交易的求解算法主要可分為以下2類：其一是包括拉格朗日松弛法［14］、交替方向乘子法［15］等直接迭代的求解方式，這種基于對(duì)偶價(jià)格變量更新的算法迭代次數(shù)相對(duì)較多，運(yùn)算時(shí)間較長(zhǎng)；其二是融入經(jīng)濟(jì)機(jī)制設(shè)計(jì)理論，以連續(xù)拍賣理論［16］、均衡占優(yōu)策略［17］、VCG（Vickrey-Clarke-Groves）機(jī)制［18］等來(lái)處理用戶側(cè)P2P 交易，這類方法具有低信任成本、短決策時(shí)間等優(yōu)勢(shì)，符合P2P 日前交易環(huán)境下產(chǎn)消者對(duì)交易公平性和隱私性等的要求［19］。綜合以上研究，本文考慮產(chǎn)消者采用SFE 模型進(jìn)行競(jìng)價(jià)，采用連續(xù)拍賣理論對(duì)局域能源市場(chǎng)中的產(chǎn)消者進(jìn)行交易撮合以實(shí)現(xiàn)不同類型產(chǎn)消者之間的能量交易求解。

綜上所述，針對(duì)局域能源市場(chǎng)中含有多個(gè)產(chǎn)消者參與日前市場(chǎng)交易，本文設(shè)計(jì)了基于連續(xù)雙邊拍賣機(jī)制的P2P 日前交易框架。首先，對(duì)產(chǎn)消者的類型、基本特性進(jìn)行歸納分析，根據(jù)不同的對(duì)外特性對(duì)多類型產(chǎn)消者進(jìn)行組合分類；然后，在產(chǎn)消者層面采用SFE 模型對(duì)產(chǎn)消者競(jìng)價(jià)行為進(jìn)行建模，確立了含多產(chǎn)消者的P2P 交易平臺(tái)參與局域能源市場(chǎng)交易，同時(shí)采用連續(xù)雙邊拍賣方法對(duì)產(chǎn)消者之間進(jìn)行P2P匹配，以提升小規(guī)模能源就地消納能力；最后，基于含有多個(gè)產(chǎn)消者的不同規(guī)模的系統(tǒng)驗(yàn)證了在局域能源市場(chǎng)中該P(yáng)2P日前市場(chǎng)交易框架的有效性。

1 局域能源市場(chǎng)框架設(shè)計(jì)

1.1 產(chǎn)消者特性和組合策略

局域能源市場(chǎng)可含有多種能源，本文的交易主體主要考慮進(jìn)行電力交易的產(chǎn)消者。產(chǎn)消者是由包括微型燃?xì)廨啓C(jī)MT（MicroTurbine）、風(fēng)電機(jī)組WT（Wind Turbine）、光伏PV（PhotoVoltaic）、儲(chǔ)能系統(tǒng)ESS（Energy Storage System）、可響應(yīng)負(fù)荷RL（Responsive Load）、電動(dòng)汽車EV（Electric Vehicle）等資源整合而成的聚合體，因此具有源荷雙重屬性。電力與信息的高度融合與交互、對(duì)“價(jià)值”信號(hào)的高度敏感是產(chǎn)消者區(qū)別于傳統(tǒng)電源和負(fù)荷的重要特征。產(chǎn)消者具有角色多重性、效用趨優(yōu)性、多樣性、非一致性、不確定性、復(fù)雜性、交互性等基本特性［1］。

產(chǎn)消者內(nèi)部用戶資源的組合具有動(dòng)態(tài)性，是由于其內(nèi)部資源在不同時(shí)段的發(fā)用電特性不同，可以由不同生產(chǎn)、消費(fèi)方進(jìn)行組合構(gòu)成不同對(duì)外特性的產(chǎn)消者參與局域能源市場(chǎng)進(jìn)行交易。在不同時(shí)段，未達(dá)到市場(chǎng)交易準(zhǔn)入的資源可以通過(guò)集體聯(lián)盟參與組建產(chǎn)消者，共同達(dá)到準(zhǔn)入量。圖1 展示了市場(chǎng)中某一個(gè)產(chǎn)消者內(nèi)部的組合機(jī)制，組合形成效益型、電源型、可中斷負(fù)荷型和可平移負(fù)荷型產(chǎn)消者，將組合后形成的產(chǎn)消者實(shí)時(shí)上報(bào)上層交易中心。產(chǎn)消者準(zhǔn)入規(guī)則的設(shè)立主要在于考慮到規(guī)模過(guò)小的分散式資源，若直接參與傳統(tǒng)電網(wǎng)調(diào)度機(jī)制，則缺乏自主決策權(quán)。因此，也給予小規(guī)模資源參與P2P 交易的權(quán)利，產(chǎn)消者代理商可優(yōu)先考慮將未達(dá)到準(zhǔn)入規(guī)則的小用戶組合起來(lái)參與P2P平臺(tái)進(jìn)行交易。

圖1 產(chǎn)消者組合策略機(jī)制Fig.1 Combination strategy mechanism of prosumer

基于組合的產(chǎn)消者對(duì)外特性，將外部特性呈現(xiàn)供需并存的產(chǎn)消者定義為效益型產(chǎn)消者；將外部特性呈電源特性的產(chǎn)消者定義為電源型產(chǎn)消者；將外部特性呈負(fù)荷特性的產(chǎn)消者根據(jù)可中斷負(fù)荷、可平移負(fù)荷進(jìn)一步分為可中斷負(fù)荷型產(chǎn)消者和可平移負(fù)荷型產(chǎn)消者。局域能源市場(chǎng)中的分散式資源可通過(guò)向產(chǎn)消者動(dòng)態(tài)組合平臺(tái)上報(bào)實(shí)時(shí)電量和價(jià)格，優(yōu)先組合上報(bào)電量、電價(jià)低于準(zhǔn)入規(guī)則的分散式資源。在不同交易時(shí)刻，根據(jù)內(nèi)部資源的產(chǎn)消特性，產(chǎn)消者的對(duì)外特性都有可能會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變。具體各類產(chǎn)消者內(nèi)部所含有的資源將在第2節(jié)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

1.2 P2P交易規(guī)則

在局域能源市場(chǎng)中設(shè)立P2P 交易平臺(tái)主要是讓產(chǎn)消者之間進(jìn)行P2P 的日前市場(chǎng)電量合同交易。P2P交易可分為P2P協(xié)同交易和P2P分布式交易，兩者區(qū)別主要是前者需要第三方中心化機(jī)構(gòu)進(jìn)行協(xié)調(diào)，后者不需要第三方中心化機(jī)構(gòu)對(duì)交易進(jìn)行協(xié)調(diào)?？紤]到P2P 交易平臺(tái)在局域能源市場(chǎng)處于推廣建設(shè)初期，因此本文引入拍賣商對(duì)產(chǎn)消者之間P2P 交易進(jìn)行協(xié)調(diào)，P2P 交易平臺(tái)中進(jìn)行的是P2P 協(xié)同交易，隨著市場(chǎng)逐步成熟，可進(jìn)一步發(fā)展為P2P 分布式交易。局域能源市場(chǎng)交易模式如圖2 所示，在局域能源市場(chǎng)中主要有產(chǎn)消者和普通用戶、拍賣商、電網(wǎng)公司3類主體。

1）產(chǎn)消者和普通用戶。圖2 中含有多余電能的產(chǎn)消者將多余的電能出售給P2P 平臺(tái)中其他的產(chǎn)消者，存在電量缺額的產(chǎn)消者需要向其余產(chǎn)消者購(gòu)買電能，此時(shí)該產(chǎn)消者可視為用電用戶。對(duì)于未參與P2P平臺(tái)交易的普通用戶，由電網(wǎng)公司向其供電。

圖2 局域能源市場(chǎng)交易模式Fig.2 Local energy market trading mode

2）拍賣商。拍賣商是P2P 交易過(guò)程的管理者與監(jiān)督者，保證P2P 交易安全執(zhí)行。具有獨(dú)立優(yōu)化決策且完全理性的產(chǎn)消者通過(guò)向拍賣商提交投標(biāo)、報(bào)價(jià)曲線與其余產(chǎn)消者形成競(jìng)爭(zhēng)，以最大化自身利益。對(duì)于擬達(dá)成交易的訂單，需經(jīng)由拍賣商簽字確認(rèn)。

3）電網(wǎng)公司。在建立P2P 交易平臺(tái)后，電網(wǎng)公司的角色逐漸由傳統(tǒng)配電網(wǎng)從上一級(jí)電網(wǎng)購(gòu)電轉(zhuǎn)變?yōu)閾碛信潆娊?jīng)營(yíng)權(quán)，主要為用戶提供保底供電服務(wù)的公共服務(wù)類企業(yè)。一方面，向局域能源市場(chǎng)中的產(chǎn)消者收取過(guò)網(wǎng)輸電費(fèi)用；另一方面，在局域能源市場(chǎng)中主體存在供電不足時(shí)維持電量平衡，保證供電的可靠性。除此以外，對(duì)于未參與P2P 交易的局域能源市場(chǎng)普通用戶，電網(wǎng)公司還可直接向其供電，為傳統(tǒng)配電網(wǎng)交易模式向P2P 交易模式轉(zhuǎn)變提供平穩(wěn)過(guò)渡。

首先對(duì)產(chǎn)消者內(nèi)部進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度確定其購(gòu)售電需求。然后在交易窗口期，產(chǎn)消者買賣雙方分別向第三方中心化機(jī)構(gòu)提交由電價(jià)／電量組成的購(gòu)售電報(bào)價(jià)，買賣雙方可以同時(shí)提交多個(gè)報(bào)價(jià)；P2P 交易平臺(tái)中拍賣商展示所有可選用的報(bào)價(jià)，買家和賣家除了提交自己的報(bào)價(jià)外，還可以分別瀏覽平臺(tái)內(nèi)其他產(chǎn)消者報(bào)價(jià)；拍賣商基于連續(xù)雙邊拍賣機(jī)制撮合產(chǎn)消者之間進(jìn)行P2P 交易，當(dāng)買家瀏覽到一份合約并有意進(jìn)行交易時(shí)，其可以向該售電產(chǎn)消者發(fā)送一份合同，并請(qǐng)求確認(rèn)。同樣地，賣家也可以瀏覽買家報(bào)價(jià)并尋求交易。

產(chǎn)消者之間確認(rèn)合同后，會(huì)自動(dòng)發(fā)送至拍賣商進(jìn)行最終審核，并刪除平臺(tái)上顯示的報(bào)價(jià)，以防多次購(gòu)買。在交易窗口期，拍賣商進(jìn)行審批流程，檢查當(dāng)前收到的所有合同是否符合系統(tǒng)安全約束，拒絕對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行造成威脅的合同，并批準(zhǔn)剩余的合同。通知已批準(zhǔn)合同的買賣雙方產(chǎn)消者，已批準(zhǔn)的合同不得再撤回。被拒絕的客戶，經(jīng)調(diào)整后，可以重新提交報(bào)價(jià)。拍賣商在后續(xù)的審批過(guò)程中總是接納先前批準(zhǔn)的合同，即已批準(zhǔn)的合同不會(huì)在后續(xù)的審批過(guò)程中被拒絕。

2 產(chǎn)消者模型

本文研究的局域能源市場(chǎng)中產(chǎn)消者可能含有可再生能源、MT、ESS、EV、需求響應(yīng)等資源［20］，本節(jié)對(duì)不同類型產(chǎn)消者內(nèi)部資源以及競(jìng)價(jià)行為分別進(jìn)行建模。

2.1 產(chǎn)消者內(nèi)部資源模型

1）電源型產(chǎn)消者。

電源型產(chǎn)消者內(nèi)部大多是發(fā)電單元，對(duì)外整體呈現(xiàn)供電特性，包括PV、WT、MT 等資源。設(shè)產(chǎn)消者的數(shù)量為N，對(duì)于其中的產(chǎn)消者i（i=1，2，…，N）而言，其PV和WT模型如下：

對(duì)于產(chǎn)消者i而言，其MT模型如下：

2）可中斷負(fù)荷型產(chǎn)消者。

產(chǎn)消者中允許用戶參與需求響應(yīng)。需求響應(yīng)可以分為可中斷負(fù)荷和可平移負(fù)荷，可中斷負(fù)荷型產(chǎn)消者模型如下：式中：為t時(shí)段可中斷負(fù)荷的調(diào)節(jié)成本；為t時(shí)段可中斷負(fù)荷用戶的負(fù)荷中斷量；為可中斷負(fù)荷用戶負(fù)荷中斷的單位補(bǔ)償費(fèi)用；、分別為可中斷負(fù)荷用戶申報(bào)的獨(dú)立可中斷負(fù)荷合同上、下限?？芍袛嘭?fù)荷型產(chǎn)消者中可能也含有少量的PV、WT，其建模分別見式（1）和式（2）。

3）可平移負(fù)荷型產(chǎn)消者。

可平移負(fù)荷型產(chǎn)消者中包含了EV 和可平移負(fù)荷，其模型如下。

EV調(diào)度成本為：

可平移負(fù)荷模型為：

4）效益型產(chǎn)消者。

效益型產(chǎn)消者內(nèi)部可能包含了包括ESS 在內(nèi)的多種資源，對(duì)外呈現(xiàn)供需并存的特性。

產(chǎn)消者中第k個(gè)ESS模型為：

5）產(chǎn)消者能量平衡約束。

在滿足市場(chǎng)準(zhǔn)入規(guī)則的情況下，產(chǎn)消者可以參與局域能源市場(chǎng)進(jìn)行P2P 交易，根據(jù)其在調(diào)度時(shí)段所屬角色不同，產(chǎn)消者i又可細(xì)分為賣方e或買方f。產(chǎn)消者的購(gòu)售電需滿足如下約束：

賣方產(chǎn)消者需滿足如下電量平衡約束：

除此以外，在P2P 交易過(guò)程中仍需滿足系統(tǒng)潮流約束等約束條件，不再贅述。

2.2 產(chǎn)消者競(jìng)價(jià)模型

產(chǎn)消者利用分布式資源產(chǎn)生的電能除了需滿足自身需求外，還可以與其他產(chǎn)消者進(jìn)行P2P 模式下日前市場(chǎng)電量合同簽訂。考慮到在一天24 h進(jìn)行每時(shí)段報(bào)價(jià)交易過(guò)于頻繁復(fù)雜，不符合實(shí)際各產(chǎn)消者需求，本文根據(jù)電力市場(chǎng)中峰、谷、平電價(jià)時(shí)段進(jìn)行分段報(bào)價(jià)，具體將一天24 h 分為4 段報(bào)價(jià)，單日用電峰時(shí)段為07:00—11:00、19:00—23:00；平時(shí)段為11:00—19:00；谷時(shí)段為23:00至次日07:00。設(shè)d為分段報(bào)價(jià)時(shí)段，T為某一分段中t時(shí)段的集合，D為分段d集合，則有t∈T，d∈D。在局域能源市場(chǎng)中產(chǎn)消者不會(huì)按照邊際發(fā)電成本和用電需求進(jìn)行投標(biāo)、報(bào)價(jià)，而是為提高收益或降低成本調(diào)整投標(biāo)、報(bào)價(jià)曲線。產(chǎn)消者向拍賣商提交包括電價(jià)和電量的競(jìng)標(biāo)信息，因此產(chǎn)消者競(jìng)價(jià)函數(shù)考慮使用SFE 模型能夠很好地保證其收益。

本文采用基于SFE 模型構(gòu)造的產(chǎn)消者競(jìng)價(jià)函數(shù)為：

最終成交的拍賣價(jià)格為：

交易價(jià)格為：

在賣方產(chǎn)消者完成報(bào)價(jià)，拍賣商收集到買方產(chǎn)消者投標(biāo)信息之后，確定買賣雙方交易匹配，采用按報(bào)價(jià)結(jié)算的收益機(jī)制結(jié)算，產(chǎn)消者收益的具體目標(biāo)為：

式中：Bi(i=e，f)為產(chǎn)消者的收益；(i=e，f)為產(chǎn)消者內(nèi)部單元運(yùn)行成本。

P2P 準(zhǔn)入規(guī)則和維持市場(chǎng)秩序給分散式資源的準(zhǔn)入提出了一定的要求，產(chǎn)消者需在滿足P2P 平臺(tái)準(zhǔn)入規(guī)則的情況下參與平臺(tái)交易，即需滿足如下約束：

3 基于連續(xù)雙邊拍賣機(jī)制的拍賣商交易撮合

3.1 拍賣商目標(biāo)

在P2P 交易模式下，拍賣商需要對(duì)收集到的信息進(jìn)行合理審批，目標(biāo)為盡可能促進(jìn)局域能源市場(chǎng)中P2P 交易，減少?gòu)纳霞?jí)電網(wǎng)購(gòu)電電量，具體的目標(biāo)函數(shù)可表示為：

3.2 交易撮合過(guò)程

本文提出的連續(xù)雙邊拍賣機(jī)制包括多個(gè)買家和賣家，其通過(guò)相互之間的競(jìng)價(jià)來(lái)決定P2P 交易的交易電價(jià)和交易電量。連續(xù)雙邊拍賣是指在市場(chǎng)參與者以多對(duì)多形式存在的情況下，買賣雙方在交易周期內(nèi)可以隨時(shí)提交報(bào)價(jià)，一旦價(jià)格匹配即可成交的交易形式。關(guān)于競(jìng)價(jià)交易遵循以下2 個(gè)原則。①價(jià)格優(yōu)先。當(dāng)有多個(gè)產(chǎn)消者進(jìn)行報(bào)價(jià)時(shí)，對(duì)于買方而言，買方出價(jià)高者擁有優(yōu)先交易權(quán)，對(duì)于賣方而言，賣方報(bào)價(jià)低者可以優(yōu)先選擇交易。②時(shí)間優(yōu)先。當(dāng)買賣雙方的物品及價(jià)格相同時(shí)，先進(jìn)入市場(chǎng)的報(bào)價(jià)者優(yōu)先交易。

產(chǎn)消者之間的競(jìng)價(jià)策略相互影響，屬于完全信息下的非合作博弈。通常，P2P 平臺(tái)擬定的拍賣計(jì)劃包含買方、賣方和拍賣商這3 個(gè)要素。買賣雙方角色在每個(gè)報(bào)價(jià)時(shí)段都可能會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，這取決于產(chǎn)消者的供需情況，具體定義如下。

買方：在某時(shí)段存在電量缺額需要向市場(chǎng)購(gòu)買電量的產(chǎn)消者。

賣方：在某時(shí)段存在剩余電量可以出售的產(chǎn)消者。

拍賣商：拍賣商可以是第三方如局域能源市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)商通過(guò)數(shù)字交易平臺(tái)發(fā)起拍賣，或自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)如區(qū)塊鏈等。拍賣商需要確保準(zhǔn)確地提供交易價(jià)格和交易電量給所有參與雙邊拍賣的客戶。

在本文所建立的模型中，買方為消費(fèi)者，賣方為生產(chǎn)者，通過(guò)拍賣商進(jìn)行拍賣，然后由拍賣商完成產(chǎn)消者之間的合同簽訂。最終，各產(chǎn)消者之間可以達(dá)成博弈均衡。

產(chǎn)消者之間的拍賣分為2步，具體如下。

步驟1：確定拍賣價(jià)格和參與合同簽訂的產(chǎn)消者。在拍賣過(guò)程中，拍賣商根據(jù)產(chǎn)消者的投標(biāo)、報(bào)價(jià)來(lái)決定雙邊合同簽訂進(jìn)行能源交易的產(chǎn)消者的數(shù)量。首先，賣方e∈S針對(duì)交易時(shí)段提供售電報(bào)價(jià)，標(biāo)明其供電數(shù)量與對(duì)應(yīng)的價(jià)格需求，售電報(bào)價(jià)按照從低到高的順序排列，可以得到P2P 交易市場(chǎng)上的供應(yīng)曲線；同樣，買方f∈B提交包含電量、電價(jià)信息的投標(biāo)，并按照價(jià)格從高到低的順序進(jìn)行排序，可以得到P2P交易市場(chǎng)上的需求曲線。

式中：n、m分別為產(chǎn)消者中的賣方數(shù)和買方數(shù)。

步驟2：拍賣商根據(jù)產(chǎn)消者的投標(biāo)報(bào)價(jià)可得到市場(chǎng)上的供需曲線，如附錄A 圖A1所示。拍賣價(jià)格可以通過(guò)式（24）計(jì)算得到，一旦確定了拍賣價(jià)格，則確定了基于拍賣價(jià)格參與P2P 交易的買家數(shù)量和賣家數(shù)量。所有滿足拍賣條件≥的買賣雙方產(chǎn)消者將可以在局域能源市場(chǎng)中參與P2P交易。

交易合同經(jīng)過(guò)買賣雙方以及拍賣商三方簽名后被視為生效，過(guò)網(wǎng)輸電費(fèi)用由買賣雙方共同承擔(dān)。買方所支付的費(fèi)用包括確定的拍賣價(jià)格以及相應(yīng)的過(guò)網(wǎng)輸電費(fèi)用，賣方獲得拍賣價(jià)格減去相應(yīng)的過(guò)網(wǎng)輸電費(fèi)用，所收取費(fèi)用存在P2P平臺(tái)如區(qū)塊鏈［22］中。當(dāng)買方確定收貨后，在平臺(tái)中將過(guò)網(wǎng)輸電費(fèi)用和拍賣價(jià)格成交費(fèi)用分別發(fā)放到電網(wǎng)公司和賣方賬戶。

4 算例驗(yàn)證

4.1 模型求解流程

本文采用連續(xù)雙邊拍賣規(guī)則與CPLEX 求解器相結(jié)合的方法求解模型的均衡解，具體的P2P 交易流程見附錄A 圖A2。對(duì)于拍賣商收集信息和優(yōu)化決策模型，采用連續(xù)雙邊拍賣規(guī)則計(jì)算產(chǎn)消者的最優(yōu)競(jìng)價(jià)策略，并將產(chǎn)消者形成的購(gòu)售電計(jì)劃和相應(yīng)購(gòu)售電價(jià)傳輸?shù)絇2P 平臺(tái)，各產(chǎn)消者通過(guò)在P2P 平臺(tái)中獲得的信息尋求最優(yōu)的買方或賣方。對(duì)于各產(chǎn)消者優(yōu)化調(diào)度模型，基于Yalmip 平臺(tái)，采用CPLEX求解器進(jìn)行求解，以保證解的計(jì)算效率和最優(yōu)性。

4.2 仿真條件

本文采用10 kV 電壓等級(jí)對(duì)未來(lái)局域能源市場(chǎng)中多產(chǎn)消者并存的P2P 日前市場(chǎng)交易機(jī)制進(jìn)行仿真驗(yàn)證。該系統(tǒng)內(nèi)含10 個(gè)產(chǎn)消者和1 個(gè)電網(wǎng)公司，電網(wǎng)公司擁有該配電系統(tǒng)經(jīng)營(yíng)權(quán)并可向產(chǎn)消者進(jìn)行購(gòu)售電。其余基本仿真數(shù)據(jù)見附錄B，各產(chǎn)消者內(nèi)部的PV、WT出力曲線采用預(yù)測(cè)曲線，清潔能源出力供產(chǎn)消者內(nèi)部使用或參與市場(chǎng)交易?；诒疚奶岢龅哪Ｐ颓蠼饬鞒桃约耙阎獢?shù)據(jù)，采用MATLAB 2018a仿真軟件求解多產(chǎn)消者在P2P 交易平臺(tái)日前市場(chǎng)中的交易行為。

4.3 仿真結(jié)果

P2P 交易平臺(tái)中各產(chǎn)消者在峰谷平電價(jià)時(shí)段都可以進(jìn)行電量合同簽訂，本文以19:00—23:00時(shí)段為例，對(duì)P2P 交易行為進(jìn)行分析。圖3 給出了19:00—23:00時(shí)段在P2P平臺(tái)中各產(chǎn)消者的報(bào)價(jià)、投標(biāo)策略，圖中Pro 1 表示產(chǎn)消者1，其他類似。從圖中可以看出：產(chǎn)消者9、3、7、5、1 在該時(shí)段處于售電狀態(tài)，向市場(chǎng)出售電量；產(chǎn)消者2、4、8、6 在該時(shí)段處于購(gòu)電狀態(tài)，從市場(chǎng)購(gòu)買電量滿足自身用電需求。

圖3 19:00—23:00時(shí)段P2P交易平臺(tái)的報(bào)價(jià)、投標(biāo)策略Fig.3 Quotation and bidding strategy of P2P trading platform during 19:00-23:00

根據(jù)P2P交易平臺(tái)中的連續(xù)雙邊拍賣規(guī)則，圖4給出了19:00—23:00 時(shí)段各產(chǎn)消者在P2P平臺(tái)中的交易情況，含買賣雙方交易價(jià)格和交易電量。買賣雙方在P2P 匹配后得到拍賣價(jià)格，然后以交易價(jià)格進(jìn)行電量交易，達(dá)成交易的雙方彼此交易價(jià)格不同是因?yàn)榇嬖谶^(guò)網(wǎng)輸電費(fèi)用。19:00—23:00 時(shí)段P2P交易平臺(tái)中每筆交易的拍賣價(jià)格和交易價(jià)格見附錄C 表C1。從表中可以看出，產(chǎn)消者2 和產(chǎn)消者9、產(chǎn)消者2 和產(chǎn)消者3、產(chǎn)消者3 和產(chǎn)消者4、產(chǎn)消者4 和產(chǎn)消者7、產(chǎn)消者7 和產(chǎn)消者8、產(chǎn)消者5 和產(chǎn)消者8在進(jìn)行P2P 匹配后的拍賣價(jià)格相同，各產(chǎn)消者與其余不同產(chǎn)消者進(jìn)行匹配有著不同的拍賣價(jià)格，這是因?yàn)樽鳛橘u方產(chǎn)消者，同時(shí)售電給其余多個(gè)買方產(chǎn)消者，根據(jù)式（24）所示的拍賣價(jià)格計(jì)算規(guī)則會(huì)產(chǎn)生不同的拍賣價(jià)格。同時(shí)可以看出，產(chǎn)消者9、3、7、5的最終交易價(jià)格低于拍賣價(jià)格，而產(chǎn)消者2、4、8 的最終交易價(jià)格高于拍賣價(jià)格，這是因?yàn)楫a(chǎn)消者9、3、7、5 作為賣方需向電網(wǎng)公司提交一定的過(guò)網(wǎng)輸電費(fèi)用，而產(chǎn)消者2、4、8 作為買方也需向電網(wǎng)公司提交一定的過(guò)網(wǎng)輸電費(fèi)用，因此實(shí)際支付費(fèi)用除拍賣價(jià)格外還需額外支付一部分過(guò)網(wǎng)輸電費(fèi)用。最終只有產(chǎn)消者9、3、7、5、2、4、8 能夠達(dá)成電量成交，而且產(chǎn)消者8 不能從該輪P2P 交易中完全滿足自身用電需求，產(chǎn)消者1、6競(jìng)標(biāo)失敗。

圖4 19:00—23:00時(shí)段的P2P交易Fig.4 P2P trading during 19:00-23:00

在該輪P2P 交易中競(jìng)標(biāo)失敗不能達(dá)成交易的產(chǎn)消者可以調(diào)整決策變量αi，d后重新提交報(bào)價(jià)，繼續(xù)參與下一輪P2P 交易尋求買家或賣家。產(chǎn)消者在各時(shí)段的投標(biāo)／報(bào)價(jià)的決策變量αi，d值如圖5 所示。圖中：時(shí)段1 為23:00 至次日07:00；時(shí)段2 為07:00—11:00；時(shí)段3 為11:00—19:00；時(shí)段4 為19:00—23:00。通過(guò)分析得出買賣雙方的決策變量在更大的范圍內(nèi)取值可促進(jìn)局域能源市場(chǎng)中達(dá)成更高比例的P2P交易成交量，產(chǎn)消者可以通過(guò)調(diào)整αi，d提高交易電量以獲得更多的利潤(rùn)。最終仍存在電量缺額的產(chǎn)消者由電網(wǎng)公司補(bǔ)充不平衡電量。為分析SFE模型的優(yōu)越性，同時(shí)對(duì)產(chǎn)消者采用伯特蘭德模型和古諾模型來(lái)進(jìn)行競(jìng)價(jià)，產(chǎn)消者3 的收益和總成交量見附錄C表C2。因?yàn)樵诟?jìng)價(jià)過(guò)程中SFE模型可以通過(guò)調(diào)整報(bào)價(jià)決策變量獲得更多的報(bào)價(jià)自主權(quán)，所以具有更高比例的成交量。

圖5 產(chǎn)消者決策變量取值Fig.5 Value of decision variable for prosumers

通過(guò)設(shè)置不同的過(guò)網(wǎng)輸電費(fèi)用標(biāo)準(zhǔn)，得到不同過(guò)網(wǎng)輸電費(fèi)用下的交易電價(jià)如附錄C 圖C1 所示。場(chǎng)景1不設(shè)置過(guò)網(wǎng)輸電費(fèi)用，場(chǎng)景2的過(guò)網(wǎng)輸電費(fèi)用設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)過(guò)網(wǎng)輸電費(fèi)用的0.6，場(chǎng)景3 的過(guò)網(wǎng)輸電費(fèi)用設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)過(guò)網(wǎng)輸電費(fèi)用，場(chǎng)景4 的過(guò)網(wǎng)輸電費(fèi)用設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)過(guò)網(wǎng)輸電費(fèi)用的1.2倍。從圖C1中可以看出，不同的過(guò)網(wǎng)輸電費(fèi)用設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)對(duì)產(chǎn)消者的競(jìng)標(biāo)結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生影響，各產(chǎn)消者依據(jù)交易電量的不同會(huì)產(chǎn)生不同的過(guò)網(wǎng)輸電費(fèi)用。當(dāng)不設(shè)置過(guò)網(wǎng)輸電費(fèi)用時(shí)，各產(chǎn)消者賣方售電價(jià)格最高，買方購(gòu)電價(jià)格最低，隨著過(guò)網(wǎng)輸電費(fèi)用設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)的提高，賣方售電價(jià)格逐漸下降，買方購(gòu)電價(jià)格逐漸上升，電網(wǎng)公司獲利逐漸增加。而過(guò)網(wǎng)輸電費(fèi)用的增加也會(huì)進(jìn)一步影響各產(chǎn)消者在P2P 平臺(tái)的交易量和交易出清順序，使得距離較遠(yuǎn)的產(chǎn)消者之間的P2P 匹配成本增加，因此電網(wǎng)公司設(shè)置合適的過(guò)網(wǎng)輸電費(fèi)用至關(guān)重要。

本文對(duì)典型產(chǎn)消者組合類型（效益型、電源型、可平移負(fù)荷型、可中斷負(fù)荷型）的內(nèi)部資源的出力情況進(jìn)行分析，具體的調(diào)度結(jié)果見附錄C 圖C2 和圖C3。不同類型的產(chǎn)消者通過(guò)不同的競(jìng)價(jià)策略以最大化自身利益。產(chǎn)消者1 作為效益型產(chǎn)消者，以自身最大化收益為目標(biāo)，產(chǎn)消者1 在04:00—19:00 時(shí)段內(nèi)供大于求，因此向P2P 平臺(tái)報(bào)價(jià)售電，其余時(shí)段存在電量缺額，因此需向P2P 平臺(tái)進(jìn)行投標(biāo)購(gòu)電。產(chǎn)消者4 作為電源型產(chǎn)消者，主要向P2P 平臺(tái)售電來(lái)獲得收益，自身內(nèi)部沒有傳統(tǒng)負(fù)荷，因此考慮自身發(fā)電成本后最大化地向市場(chǎng)售電。因?yàn)楦鲿r(shí)段MT的發(fā)電成本都低于向平臺(tái)報(bào)價(jià)的價(jià)格，所以從圖C3中可以看出，MT 滿發(fā)出力。產(chǎn)消者2 作為可中斷負(fù)荷型產(chǎn)消者，從圖C3 中可以看出，其在負(fù)荷高峰時(shí)段電量需求大，通過(guò)可中斷負(fù)荷的調(diào)控來(lái)達(dá)到削峰填谷的作用，以保持內(nèi)部各單元安全穩(wěn)定運(yùn)行。產(chǎn)消者6 作為可平移負(fù)荷型產(chǎn)消者，在滿足內(nèi)部用戶用電需求的情況下，還需要盡可能減少棄風(fēng)棄光量，因此考慮對(duì)產(chǎn)消者內(nèi)的可平移負(fù)荷進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)來(lái)減少可再生能源的棄風(fēng)棄光量。另外從圖C3 中可看出，在通過(guò)利用可平移負(fù)荷的出力變化來(lái)平抑可再生能源出力波動(dòng)性后，WT、PV 的電量曲線的穩(wěn)定性得到大幅提升。在09:00—12:00和16:00—18:00時(shí)段內(nèi)，產(chǎn)消者6 因自身存在電量缺額，需向P2P 平臺(tái)進(jìn)行投標(biāo)購(gòu)電滿足電量平衡。

為進(jìn)一步分析局域能源市場(chǎng)中產(chǎn)消者進(jìn)行P2P交易相較于傳統(tǒng)模式下集中式調(diào)度的優(yōu)勢(shì)，圖6 給出了在P2P 交易模式和傳統(tǒng)模式下產(chǎn)消者交易的效益對(duì)比，在此過(guò)程中，賣方產(chǎn)消者會(huì)獲得售電收益，買方產(chǎn)消者需支付購(gòu)電成本。通過(guò)圖6 可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)模式下賣方產(chǎn)消者的交易價(jià)格低于P2P 模式，買方產(chǎn)消者的交易價(jià)格高于P2P 模式，這說(shuō)明在傳統(tǒng)模式下，賣方售電價(jià)格更低，買方購(gòu)電價(jià)格更高。除此以外，通過(guò)圖6 展示的P2P 模式和傳統(tǒng)模式下的收益可以進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)模式下賣方產(chǎn)消者收益更低，買方產(chǎn)消者支付成本更高。這是因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)模式下，各產(chǎn)消者按照電網(wǎng)公司制定的購(gòu)售電價(jià)買賣電量，售電利潤(rùn)低而購(gòu)電成本高，同時(shí)傳統(tǒng)模式需要更長(zhǎng)的輸電距離，因此產(chǎn)生更多的過(guò)網(wǎng)輸電費(fèi)用，而P2P 交易則可以通過(guò)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)在提高售電價(jià)格的同時(shí)降低購(gòu)電價(jià)格，另外縮短輸電距離也減少了過(guò)網(wǎng)輸電費(fèi)用。通過(guò)以上分析可得出，在集中式交易模式下，電網(wǎng)公司的收益更高，產(chǎn)消者的收益則更少，在P2P 交易模式下，產(chǎn)消者收益更高，這可能會(huì)影響電網(wǎng)公司的效益。相較于傳統(tǒng)模式的集中式調(diào)度方法，采用本文所提的P2P 交易模式更有利于市場(chǎng)中的產(chǎn)消者獲利。

圖6 P2P交易與傳統(tǒng)交易模式對(duì)比Fig.6 Comparison between P2P trading mode and traditional trading mode

為說(shuō)明本文所提模型在大規(guī)模市場(chǎng)的有效性和實(shí)用性，進(jìn)一步擴(kuò)大算例規(guī)模進(jìn)行驗(yàn)證分析。將局域能源市場(chǎng)中的產(chǎn)消者數(shù)量從10 個(gè)增加到60 個(gè)進(jìn)行P2P 交易。附錄C 表C3 給出了不同規(guī)模產(chǎn)消者接入下計(jì)算得到的交易求解時(shí)間，附錄C 圖C4 給出了60 個(gè)產(chǎn)消者進(jìn)行交易的連續(xù)拍賣過(guò)程?？梢钥闯霰M管交易主體數(shù)量成倍數(shù)增加，但是交易時(shí)間仍在秒級(jí)，這是因?yàn)榻灰字黧w跟隨交易市場(chǎng)交易信息，通過(guò)程序自動(dòng)執(zhí)行競(jìng)價(jià)策略發(fā)起交易請(qǐng)求，因此交易時(shí)間很短。故可以認(rèn)為本文提出的交易機(jī)制能夠適應(yīng)不同規(guī)模的產(chǎn)消者加入局域能源市場(chǎng)進(jìn)行交易，并且交易時(shí)間滿足日前市場(chǎng)的交易要求。

5 結(jié)論

本文提出了一種在局域能源市場(chǎng)中多產(chǎn)消者參與日前市場(chǎng)的P2P 交易框架，并基于SFE 模型與連續(xù)雙邊拍賣規(guī)則設(shè)計(jì)了面向多類型產(chǎn)消者交易的P2P 交易平臺(tái)。通過(guò)算例仿真驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：①所提交易框架能夠有效降低不同類型產(chǎn)消者的購(gòu)電成本，增加產(chǎn)消者的售電收益，提高了參與主體的利益；②所設(shè)計(jì)的P2P 交易平臺(tái)在產(chǎn)消者層面可以通過(guò)投標(biāo)、報(bào)價(jià)進(jìn)行供需匹配達(dá)到能量共享，降低了每個(gè)產(chǎn)消者和系統(tǒng)整體的交易成本；③在局域能源市場(chǎng)中建立的P2P 日前交易框架提升了小規(guī)模能源就地消納的能力，解決了因市場(chǎng)準(zhǔn)入規(guī)則而導(dǎo)致的資源浪費(fèi)。

本文所建的交易框架主要應(yīng)用于局域能源市場(chǎng)中多產(chǎn)消者P2P 日前市場(chǎng)電量交易，下一階段將進(jìn)一步考慮融入實(shí)時(shí)市場(chǎng)來(lái)設(shè)計(jì)合理有效的P2P 交易框架。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.epae.cn）。