考慮能量存取的自備電廠去中心化交易機制探究

任景，薛晨，馬曉偉，崔偉，孟鑫羽，楊迎，王劍曉

(1.國家電網(wǎng)公司西北分部，西安市 710048；2.北京清能互聯(lián)科技有限公司，北京市 100080；3.華北電力大學電氣與電子工程學院，北京市 102206)

0 引 言

自備電廠長期以來與主網(wǎng)上下網(wǎng)功率交換較少，且裝機容量小、響應速度快、調(diào)峰能力強，對促進新能源消納有較大潛力。目前，國內(nèi)關于自備電廠參與新能源消納的研究主要集中于發(fā)電權交易。文獻[1-2]設計了自備電廠與新能源企業(yè)間的發(fā)電權轉(zhuǎn)讓交易模式和交易規(guī)則。文獻[3-6]建立了發(fā)電權交易模式下各方效益模型，通過量化分析驗證了發(fā)電權交易能夠?qū)崿F(xiàn)社會效益最大化。文獻[7-8]提出了計及網(wǎng)損的發(fā)電權交易模式，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定性和交易結果的公平性。文獻[9]研究了發(fā)電權交易機制促進可再生能源消納效果的中長期評價與優(yōu)化工具，實現(xiàn)對發(fā)電權交易關鍵參數(shù)的優(yōu)化。在交易策略方面，文獻[10-11]研究了雙向叫價發(fā)電權拍賣模式和集中撮合交易模式的競價策略。文獻[12]基于合作博弈論設計了發(fā)電權交易模式，提出采用Shapley值分配策略實現(xiàn)利益均衡、多方共贏。自備電廠在中長期市場中轉(zhuǎn)讓發(fā)電權后，執(zhí)行過程中通過調(diào)峰完成交易用電量，并支付用電費用，其收益主要取決于發(fā)電權轉(zhuǎn)讓和市場用電的價格差。受市場價格波動影響，自備電廠轉(zhuǎn)讓發(fā)電權的收益具有較大的不確定性[13]。為此，自備電廠可利用自主調(diào)節(jié)發(fā)用電的特性，在總電量計劃不變的情況下，在中長期價格較低時買入電量(電量存儲)，現(xiàn)貨價格較高時賣出電量(電量釋放)，通過套利規(guī)避價格風險。

自備電廠在用戶側(cè)分布較廣，采用傳統(tǒng)的中心化能源交易模式存在運維成本高、交易效率低、信息透明度低、數(shù)據(jù)易受攻擊等缺點[14]。而近年新興的區(qū)塊鏈技術，基于哈希算法、非對稱加密以及智能合約等構成共識機制，能夠使交易信息可追溯且難以篡改，具有去中心化和高安全性特點[15]。文獻[16-17]分析了區(qū)塊鏈在能源電力行業(yè)中的典型應用場景，并給出了發(fā)展完善建議。文獻[18]將智能合約技術與可交易能源控制相結合，以實現(xiàn)風電消納的控制目標。

為了規(guī)避發(fā)電權交易價格風險，激勵自備電廠消納新能源的意愿，同時提高新能源消納效率，本文提出自備電廠能量存取服務模式，探究考慮能量存取服務的自備電廠參與新能源消納的去中心化交易機制，在保證各方利益和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的前提下，構建以新能源消納量最大和服務費用最小為目標的發(fā)電權與能量存取配比優(yōu)化模型，通過算例分析驗證該模式的有效性，為完善新能源消納機制提供有益參考。

1 自備電廠能量存取服務模式

1)開展能量存取服務的必要性。

在發(fā)電權交易中，自備電廠將發(fā)電量指標轉(zhuǎn)讓給新能源場站，新能源場站支付轉(zhuǎn)讓費用，則新能源消納價格等于其上網(wǎng)電價與發(fā)電權價格之差。不同棄電率情況下新能源企業(yè)對消納價格的意向曲線如圖1所示，消納價格意向隨著區(qū)域新能源棄電率的增長而不斷下降。因此，隨著棄電率的增長，新能源對于發(fā)電權的價格意向不斷提高。

圖1 新能源價格意向Fig.1 Intention of new energy price

自備電廠轉(zhuǎn)讓發(fā)電權后再從電網(wǎng)中以下網(wǎng)電價購買電量，則其用電成本的變化為：

(1)

當發(fā)電權價格高于自備電廠下網(wǎng)電價與自身發(fā)電成本之差時，自備電廠可獲益。隨著棄電率的下降，新能源發(fā)電權交易價格意向低于某一臨界點時，即：

(2)

此時，自備電廠不再從發(fā)電權交易中獲利，沒有利益驅(qū)動其參與新能源消納，自備電廠對新能源的消納電量為0。

因此，在棄風棄光率比較低的情況下需要改進消納模式，結合能量存取服務交易，激發(fā)自備電廠參與新能源消納的積極性。此外，隨著后續(xù)新能源平價上網(wǎng)政策措施的落實，發(fā)電權交易的效益空間被逐漸壓低，對于自備電廠參與新能源消納的長效交易機制的建立十分迫切。

2)能量存取服務模式概述。

自備電廠的“自發(fā)自用”特征使其能夠如同儲能設施一樣通過能量存取發(fā)揮調(diào)峰功能，即在新能源出力高峰時段，減少自發(fā)電量并通過電網(wǎng)供電滿足自身用電需求，達到存儲新能源電量的效果；在新能源出力低谷時段，提高發(fā)電量使自身需求之外的電力上網(wǎng)供電，達到釋放新能源電量的效果。

在能量存取服務模式下，自備電廠的電量指標總體不變，通過發(fā)電計劃的“時空平移”實現(xiàn)消納新能源的目的。自備電廠通過提供的能量存取服務，上、下網(wǎng)電量互抵后將不再結算存取電量的上、下網(wǎng)費用，并獲取一定的存取服務費，由相關的新能源企業(yè)分攤能量存取服務費用。由于新能源發(fā)電上網(wǎng)能夠獲得固定的發(fā)電補貼，當能量存取服務成本低于新能源上網(wǎng)電費(含發(fā)電補貼)時，可引導新能源主動參與能量存取交易。

在參與新能源消納的交易中，利用能量存取功能，作為發(fā)電權交易的補充，使自備電廠通過收取能量存取服務費用獲益，以規(guī)避發(fā)電權交易存在的價格風險，進一步釋放自備電廠消納新能源的潛力。

2 考慮能量存取的去中心化交易機制

2.1 去中心化與中心化交易機制對比分析

傳統(tǒng)的電力交易采用中心化的交易方式，通過交易中心機構進行集中撮合或優(yōu)化實現(xiàn)出清[19]。這種方式下交易架構簡單，市場成員操作方便，市場建立的速度更快；信息、數(shù)據(jù)都是“中心化”，便于市場成員查詢和更迭，有利于實現(xiàn)全局優(yōu)化。但由于所有信息和交易記錄由中心機構統(tǒng)一管理，數(shù)據(jù)安全系數(shù)低，用戶隱私難以保障；中心化交易平臺需要更多的資源維護，導致運行成本高、運行效率低；參與交易的市場主體之間存在信息壁壘，可利用信息較為局限，且交易撮合及優(yōu)化過程封閉，信息透明度低，更無法實現(xiàn)交易過程的實時追溯[20]。

去中心化交易機制利用區(qū)塊鏈技術，用戶之間點對點進行交易，鏈上的全部節(jié)點共同確認和維護所有交易，并通過共識機制保證結果的有效性和一致性[21]。所有的交易數(shù)據(jù)都基于密碼學技術存儲在各節(jié)點上，能夠保證交易公平透明，且每一筆交易都可追溯并難以篡改，數(shù)據(jù)安全可靠；公共記賬的特性也讓交易成本更低、運行效率更高。電力商品具有特殊的物理屬性，將去中心化機制直接應用于電力交易，受線路傳輸容量和電網(wǎng)安全約束影響，會存在交易結果與調(diào)度安全難以匹配的問題。

2.2 基于聯(lián)盟鏈的去中心化交易機制

聯(lián)盟鏈是部分去中心化的，由各個組織機構共同管理，并具有一定的準入機制[22]。為保障相關機構對交易過程的監(jiān)管功能，提高數(shù)據(jù)的安全性和隱私性，自備電廠參與新能源消納宜采用基于聯(lián)盟鏈的去中心化交易機制。

本文設計的自備電廠參與新能源消納的去中心化交易架構如圖2所示，相關的組織機構包括自備電廠、新能源場站、調(diào)度機構和支付機構4類。自備電廠提供發(fā)電權和能量存取服務；新能源場站為購買方；調(diào)度機構執(zhí)行相關的物理層面的操作；支付機構以數(shù)字代幣作為交易介質(zhì)，基于合約執(zhí)行情況進行支付。針對每一類組織機構至少要在聯(lián)盟鏈中注冊一個管理員，對準入的用戶進行資格審核。聯(lián)盟鏈發(fā)揮交易賬本功能，只負責記錄自備電廠與新能源場站之間的發(fā)電權和能量存取服務的交易信息。交易采用集中出清模式通過智能合約對市場主體進行撮合，為提高出清效率，鏈上只記錄申報信息和交易結果，在鏈下執(zhí)行撮合算法和存儲中間數(shù)據(jù)。

圖2 去中心化交易架構Fig.2 Architecture of decentralized transaction

交易采用Hyperledger Fabric提出的“背書-排序-驗證”方式達成共識[23]。首先聯(lián)盟鏈會從所有機構中選取幾個受信任的背書節(jié)點，負責接收市場申報信息并調(diào)用優(yōu)化算法生成模擬交易結果，通過數(shù)字簽名進行背書處理。集齊了所有背書節(jié)點的簽名且結果一致的交易將由調(diào)度機構節(jié)點進行排序，并打包成區(qū)塊發(fā)送給所有的節(jié)點。各節(jié)點對收到的區(qū)塊進行有效性驗證，將通過驗證的交易提交到賬本中，視為所有節(jié)點達成了共識。該過程中，通過背書和驗證保證在交易結果的合理性和合法性上達成共識，通過排序保證在交易順序的一致性上達成共識。

以某一筆交易為例，某些新能源場站根據(jù)功率預測情況確定新能源消納需求量，發(fā)起發(fā)電權/能量存取服務交易請求，以降低棄電風險。有發(fā)電可調(diào)空間的自備電廠可提交自身下網(wǎng)電價和發(fā)電成本，響應新能源場站的請求。綜合新能源場站和自備電廠的申報信息，通過智能合約對交易進行撮合，撮合時以新能源最大化消納和社會福利最大化為目標，考慮企業(yè)利益和電網(wǎng)物理約束，集中出清交易結果，包括發(fā)電權和能量存取交易規(guī)模和交易價格。社會福利最大化的目的是實現(xiàn)全局最優(yōu)，在自備電廠參與新能源消納的過程中，主要體現(xiàn)為以最小的成本實現(xiàn)更多的新能源消納，發(fā)電計劃滾動調(diào)整工作最少，同時需要全體新能源企業(yè)分攤的能量存取費用最少。

區(qū)塊鏈通常指的是公有鏈，通過點對點交易和分布式算法實現(xiàn)出清。相較于一般的區(qū)塊鏈，聯(lián)盟鏈去中心化程度較弱，但更適用于電力交易場景，理由為：1)基于管理員的審核機制有利于電力交易的監(jiān)管；2)通過集中出清模式保證交易結果滿足電網(wǎng)物理約束；3)鏈下執(zhí)行優(yōu)化出清算法有利于提高出清效率；4)共識速度更快。

3 去中心化交易撮合模型

3.1 去中心化交易撮合流程

考慮將能量存取服務作為發(fā)電權交易的補充，以去中心化的方式實現(xiàn)自備電廠消納新能源的交易撮合流程如圖3所示。

圖3 撮合交易流程Fig.3 Flowchart of matchmaking transaction

1)市場主體注冊。符合交易條件的自備電廠企業(yè)和新能源場站提交注冊申請，通過資格審核后則能上鏈交易。

2)市場交易申報。新能源申報發(fā)電權交易意向價格、電量，自備電廠申報發(fā)電成本、下網(wǎng)電價、可調(diào)電量，將申報信息寫入聯(lián)盟鏈數(shù)據(jù)庫中。

3)鏈下集中出清。首先在不保證自備電廠虧損的前提下出清與新能源的發(fā)電權交易電量，再判斷是否還有新能源消納需求和可消納的空間；若有，則進一步撮合能量存取服務交易，得到預出清結果，并進行安全校核。

4)合同簽訂執(zhí)行。自備電廠和新能源場站雙方應簽訂發(fā)電權或能量存取合同，合同約定交易電量、電價和執(zhí)行條件，由調(diào)度機構通過調(diào)整雙方發(fā)電計劃實現(xiàn)自備電廠與新能源場站的發(fā)電替代或能量存取。

3.2 交易組合模式及收益模型

1)發(fā)電權交易。

當區(qū)域新能源棄電率較高時，新能源的發(fā)電權價格意向高于自備電廠下網(wǎng)電價與自備電廠發(fā)電成本之差，自備電廠參與新能源發(fā)電權交易可獲利。在此區(qū)間內(nèi)，沿用自備電廠參與新能源發(fā)電權交易的模式。

新能源發(fā)電的邊際成本接近0，本文暫不考慮，則新能源企業(yè)參與發(fā)電權交易后獲取的收益為：

(3)

自備電廠參與發(fā)電權交易后獲益為：

(4)

2)“發(fā)電權+能量存取”組合交易。

當區(qū)域新能源棄電率較低時，新能源的發(fā)電權價格意向低于下網(wǎng)電價與自備電廠發(fā)電成本之差，自備電廠無法從發(fā)電權交易中獲益。此時，分配一定的自備電廠電量指標提供能量存取服務，使其獲得一定收益，繼續(xù)消納新能源。

在組合交易模式下，新能源企業(yè)的獲益Ej為：

(5)

(6)

在組合交易模式下，自備電廠企業(yè)的獲益Ei為：

(7)

(8)

組合交易模式下，考慮自備電廠利益不虧損的前提下，通過調(diào)整發(fā)電權電量與存取電量的配比，實現(xiàn)收益與虧損額度互補。

3)能量存取服務。

當區(qū)域新能源棄電率繼續(xù)降低，使發(fā)電權意向價格低于一定閾值時，無法通過調(diào)整2種交易的配比避免自備電廠虧損。為進一步促進新能源消納，減少新能源的棄電損失，只能采取能量存取的模式鼓勵自備電廠參與新能源消納。

僅能量存取服務模式下，新能源企業(yè)多發(fā)的電量全部通過能量存取的形式進行消納，并獲得上網(wǎng)費用、支付能量存取費用，其獲益為兩者之差：

(9)

自備電廠企業(yè)的獲益為：

(10)

3.3 發(fā)電權與能量存取配比優(yōu)化模型

該模型以新能源最大化消納和自備電廠能量存取服務費用最小為目標，綜合考慮電廠企業(yè)利益、機組電量空間、消納空間及電網(wǎng)安全等約束條件，對交易區(qū)間內(nèi)參與2種交易的電量進行優(yōu)化分配。

優(yōu)化模型的目標函數(shù)為：

min(ω1Qs+ω2Ca)

(11)

式中：ω1、ω2為新能源消納和費用成本2個目標的優(yōu)化權重，ω1+ω2=1，可根據(jù)優(yōu)化需求靈活進行調(diào)整；Qs為新能源棄電量；Ca為能量存取中用于補貼自備電廠的支出。

(12)

(13)

配比模型的約束條件包括：

1)企業(yè)利益約束。配比的選取需要保證自備電廠企業(yè)的利益不受損，即：

(14)

2)電量空間約束。自備電廠參與發(fā)電權交易和能量存取的電量空間不能超過自備電廠機組的可調(diào)電量總空間，即：

(15)

新能源參與發(fā)電權交易和能量存取的電量空間不能超過新能源消納總電量需求，即：

(16)

3)其他約束條件。包括線路潮流約束、斷面潮流約束、機組出力爬坡約束等。

4 算例分析

4.1 單一主體交易

選取具有高比例新能源的西北電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)的甘肅省蘭鋁公司自備電廠與青海省風力發(fā)電項目，進行發(fā)電權和能量存取服務組合交易分析。其中，蘭鋁自備電廠年發(fā)電量約為6 000 GW·h，發(fā)電成本為0.309 0元/(kW·h)，下網(wǎng)電價為0.425 7元/(kW·h)。青海省風電年發(fā)電量約為6 800 GW·h，本文根據(jù)國家確定的2020年Ⅳ類資源區(qū)風電指導電價0.470 0元/(kW·h)作為青海風電的上網(wǎng)電價。

根據(jù)需求曲線特性以及風電上網(wǎng)價格和補貼水平等因素，假設青海風電消納意向價格與區(qū)域棄風率的關系如圖4所示。

圖4 青海風電消納意向價格與棄風率的關系Fig.4 Relation between wind power consumption intention price and wind curtailment rate in Qinghai

新能源企業(yè)對于發(fā)電權的意向價格為：

Pa=Pon-P*

(17)

式中：P*為新能源消納意向價格。

代入實際價格數(shù)據(jù)，可以得出青海省風力發(fā)電企業(yè)對于發(fā)電權價格的意愿值為：

Pa=0.470 0元/(kW·h)-P*

(18)

根據(jù)區(qū)域棄風率，得到青海省風電的消納需求為：

Qd=Qmγs=6 800 GW·h·γs

(19)

式中：Qm為青海風電的最大可發(fā)電量；γs為區(qū)域風電的棄風率。

能量存取服務交易尚未開展市場交易，價格主要由政府制定，西北電網(wǎng)能量存取服務的定價為0.100 0元/(kW·h)。

蘭鋁自備電廠下網(wǎng)電價與自身發(fā)電成本之差為0.116 7元/(kW·h)，根據(jù)新能源消納價格意向曲線可知，當棄風率小于17.2%時，適用于組合交易模式。根據(jù)發(fā)電權與能量存取配比優(yōu)化模型，2個目標的優(yōu)化權重均取0.5，通過去中心化的交易撮合模型計算，得到青海風電的棄風率在0～17.2%區(qū)間時，蘭鋁電廠發(fā)電權轉(zhuǎn)讓電量和能量存取電量以及能量存取電量的占比如圖5所示。

圖5 發(fā)電權與能量存取配比優(yōu)化結果Fig.5 Optimization results of power generation rights and energy access power

由圖5可知，隨著棄風率的減小，蘭鋁自備電廠能量存取電量占比越大。當棄風率小于17.2%，若只開展發(fā)電權交易，青海風電與蘭鋁自備電廠無法成功達成交易，棄風電量的消納量為0。發(fā)電權和能量存取組合交易時新增的風電消納量和消納收益如圖6所示，最大可新增風電消納量1 170 GW·h，新增消納收益41 372萬元。

圖6 新增風電消納量和消納收益Fig.6 Increased wind power consumption and income

4.2 多主體交易

交易系統(tǒng)中共有3家自備電廠企業(yè)，各電廠的可調(diào)電量空間和下網(wǎng)電價與發(fā)電成本的差值如表1所示。

表1 自備電廠基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of self-contained power plant

系統(tǒng)中6家新能源企業(yè)的消納需求和申報的發(fā)電權價格如表2所示。

表2 新能源發(fā)電權價格申報情況Table 2 Price of power generation rights declared by new energy

若只開展發(fā)電權交易，自備電廠在保證不虧損的前提下只能消納部分新能源，具體交易結果如表3所示。

表3 發(fā)電權交易結果(僅發(fā)電權交易)Table 3 Power generation right transaction results (generation rights trading only)MW·h

根據(jù)交易結果，新能源消納需求僅滿足48%，將產(chǎn)生棄風棄光電量5 850 MW·h，新能源獲益600.91萬元，自備電廠獲益6.57萬元，交易共計產(chǎn)生經(jīng)濟效益607.58萬元。

若采用發(fā)電權和能量存取服務組合交易模式，能量存取服務價格取0.100 0元/(kW·h)，根據(jù)去中心化的交易撮合模型，2個目標優(yōu)化權重均取0.5，計算得到發(fā)電權和能量存取服務的具體交易結果如表4和表5所示。

表4 發(fā)電權交易結果(考慮能量存取服務)Table 4 Power generation right transaction results (considering energy access services)MW·h

表5 能量存取交易結果Table 5 Energy access transaction resultsMW·h

根據(jù)交易結果，考慮能量存取服務后，能夠?qū)崿F(xiàn)新能源全額消納。從經(jīng)濟效益來看，新能源通過發(fā)電權交易可獲益1 130.81萬元，通過能量存取服務可獲益130.93萬元，總獲益為1 261.74萬元，新增了654.26萬元；自備電廠通過發(fā)電權交易會虧損6.52萬元，通過提供能量存取服務可獲益13.09萬元，總獲益為6.57萬元，獲益不變。

5 結 論

高比例風光新能源并網(wǎng)消納對系統(tǒng)靈活性和調(diào)峰能力提出了更高要求，而平價上網(wǎng)趨勢將會限制發(fā)電權交易給自備電廠企業(yè)帶來的經(jīng)濟效益。為進一步釋放自備電廠消納新能源的潛力，提高交易效率，在發(fā)電權交易模式的基礎上，提出了考慮能量存取服務的去中心化交易機制，分析在不同的棄電率水平下，發(fā)電權交易和能量存取服務的組合交易方式及交易主體的收益，構建了去中心化的交易撮合模型。最后通過算例驗證，結合能量存取服務，能夠有效提升自備電廠的新能源消納貢獻度，增加新能源消納效益，實現(xiàn)多方利益共贏，為高比例新能源區(qū)域完善新能源消納機制提供參考。