电力系统保护与控制 第 50 卷 第 4 期 2022 年 2 月 16 日 Power System Protection and Control Vol.50 No.4 Feb. 16, 2022 DOI: 10.19783/j.cnki.pspc.210387 基于区域互联的能源零售市场双边竞价出清策略 黄德裕 1，王 丹 1,2，贾宏杰 1,2，胡庆娥 1,3，陈竟成 4，李敬如 5 (1.天津大学智能电网教育部重点实验室，天津 300072; 2.天津市智慧能源与信息技术重点实验室(天津大学)， 天津 300072; 3.国网天津市电力公司滨海供电分公司，天津 300450; 4.国网天津供电公司，天津 300010； 5.国网经济技术研究院，北京 102209) 摘要：随着综合能源系统与多能源市场的发展，通过市场交易实现能源优化分配已成为研究热点。当前区域间能 源互联成为趋势，多区域的能源传输与交易得以实现。以分布式能源站及多能用户为市场参与主体进行研究，首 先研究互联分布式能源站的运行原理与连接方式，并建立机理模型，引入用户竞价策略，构建互联区域能源零售 市场框架。其次，对比独立或互联区域内双边竞价市场交易机制差异，提出以各区域总社会剩余最大化为目标的 互联区域能源零售市场出清策略。最后，以某区域综合能源系统为例对冬季典型日的市场出清与区域间能源传输 结果进行量化分析，验证了所提方法可在各个市场出清时刻实现多区域资源优化分配，提升区域总社会剩余。 关键词：综合能源系统；能源零售市场；双边竞价；互联分布式能源站；综合需求响应 Energy retail market double auction clearing strategy for interconnected regions HUANG Deyu1, WANG Dan1, 2, JIA Hongjie1, 2, HU Qing’e1, 3, CHEN Jingcheng4, LI Jingru5 (1. Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. Key Laboratory of Smart Energy & Information Technology of Tianjin Municipality, Tianjin 300072, China; 3. Binhai Power Supply Branch, State Grid Tianjin Electric Power Company, Tianjin 300450, China; 4. State Grid Tianjin Electric Power Company, Tianjin 300010, China; 5. State Grid Economic and Technological Research Institute Co., Ltd., Beijing 102209, China) Abstract: With the development of integrated energy systems and energy markets, the realization of optimal energy allocation through market transactions has become a current research hotspot. Inter-regional energy interconnection has become a trend, and multi-regional energy transmission and trading can be realized. Taking distributed energy stations and multi-energy users as the main market participants, the operating principles and connection methods of interconnected distributed energy stations is studied first. And its mechanism model is established, and user bidding strategies are introduced to construct the framework of an energy retail market. Then, the differences in the trading mechanism of a double auction market in independent or interconnected regions are compared, and an energy retail market clearing strategy with the goal of maximizing the social surplus of regions is proposed. Finally, an integrated energy system is taken as an example to quantitatively analyze the results of market clearing and energy transmission on typical winter days, verifying that the proposed method can realize the optimal allocation of multi-regional resources and increase the total social surplus at each market clearing time. This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 51977141). Key words: integrated energy system; energy retail market; double auction; interconnected distributed energy stations; integrated demand response 0 引言 随着经济和科技的飞速发展，基于化石能源的 基金项目：国家自然科学基金项目资助(51977141); 国家重 点研发计划项目资助(2018YFB0905000)；国家电网公司总部 科技项目资助(SGTJDK00DWJS1800232) 能源消费体系使发展中国家的能源短缺和环境问题 日益突出[1-3]，因此，综合能源系统(Integrated Energy System, IES)的概念被提出，实现多种能源子系统间 的协调规划、优化运行与协同管理[4-11]。IES 中丰富 的可调度资源对于需求响应提出了更高的要求，综 合需求响应(Integrated Demand Response, IDR)应运 而生，成为促进能量耦合设备和可再生能源匹配的 -2- 电力系统保护与控制 有效方法[12]。随着研究的推进，多能源市场的调节 作用日益凸显，市场规则的设计和制定将直接影响 IDR 效果[13-14]。 同时，随着电力体制改革的推进和相关支撑技 术的发展，以电能为主的综合能源交易迅速发展， 成为学界与能源企业关注的焦点 [15-17]。文献[18]对 比了传统的统一出清机制，提出了一种新型的双边 等效 PAB(Pay As Bid)出清算法，使出清结果更加贴 合供需曲线交点；文献[19]考虑到联合能源储备及 发电商的机会成本，提出将控制储备采购纳入日前 电力市场，并设计相应出清算法，可归类为混合整 数二次规划问题进行求解；文献[20]研究了包含多 个主体的市场博弈机制， 分析在双边合同市场中售、 购电量对多主体收益的影响，并利用强化学习法对 其进行优化；文献[21]基于火电机组深度调峰潜力 建立了电力日前市场出清模型，利用市场调节实现 可再生能源消纳率的提升。然而，以上对于能源市场 的研究大多局限于电力市场， 随着IES 的普及与应用， 单一能源服务方式已无法满足用户的多能源需求。 同时，分布式能源站(Distributed Energy Station, DES)作为多能源市场的重要参与者，研究其优化运 行对于市场交易的顺利进行具有重要意义。文献[22] 基于能源集线器概念，建立了最优扩展规划模型， 解决了在负荷和能量站约束条件下的多能量系统规 划问题；文献[23]提出了天然气 DES 的综合价值， 并建立模型，从能源站本身、电力系统及用户等角 度，分析利用其进行发电的价值；文献[24]结合了 电热能源系统与储能设备，提出在一个调度周期内 对于总输出的优化策略并建立模型，利用遗传算法 求解此优化模型；文献[25]关注于家庭能源的管理， 以降低成本为优化目标，采用两点估计方法模拟能 量输出功率的不确定性，建立新的家庭能源管理框 架；文献[26]以最小化运营成本和最大化用户满意 度为优化目标，采用重组粒子群优化算法研究能源 站中能量管理的最优策略。 然而，以上研究中 DES 仅为单一区域供能，各 区域间缺少能源互动和信息交流，能源市场也相对 封闭，导致区域间利益损失和分配不均衡，阻碍了 DES 运行可靠性和经济性的提高[27]。当区域能源互 联成为趋势，区域间能源互补得以实现，能源系统 的物理结构发生改变，相应的能源市场交易机制与 出清策略却鲜有研究。如何在更高的层面上实现跨 区域的资源优化及各区域市场参与者共同利益的最 大化，更大程度地发挥能源互补带来的优势，成为 互联区域能源市场面临的挑战。 因此，本文首先研究了互联分布式能源站的运 行机理与建模方法，并构建了区域电热联合能源市 场架构；之后分析了不同场景下的双边竞价市场交 易机制，并提出了互联区域能源市场出清策略，建 立了最大化社会剩余的理论基础；最后，通过算例 对所提方法进行量化分析与验证。 1 电热联合能源市场模型 1.1 分布式能源站模型 综合能源系统中，分布式能源站(DES)是用户 侧的能源供应中心，可通过能源互补与梯级利用， 满足用户的多样化用能需求[28]。本文以 A 型与 B 型两种典型 DES 为例进行分析，其主要设备包括： 风机(Wind Turbin