[论文解读] A Transactive Energy Market Framework Considering Network Constraints and Fairness

Fredmar N. Asarias, Michael Angelo A. Pedrasa|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2021

Smart Grid Energy Management参考文献 27被引用 4

一句话总结

本文提出了一种三阶段可交易能源市场框架，整合了完整的交流最优潮流（AC OPF）与公平意识的收益分配算法，以确保分布式能源资源（DER）参与者之间的利润分配公平。通过联合优化DER出力、交易价格与网络约束，该框架实现了系统整体福利最大化，并确保所有参与者——尤其是DER所有者——根据其贡献获得与其成比例的公平激励，该有效性已在IEEE 33节点系统中得到验证，系统成本显著降低且现金流分配均衡。

ABSTRACT

The continuous penetration of distributed energy resources (DER) in the electric power grid is driving a new paradigm shift towards transactive energy system (TES), an active and more sustainable system characterized by distributed generation and energy exchanges among consumers and producers in the network. This transition, however, comes with challenges such as dealing with the nonlinear and non-convex power flows of the system, determining an optimal transaction price to maximize overall system welfare, and ensuring fairness for all participants. In this paper, we propose a three-stage transactive energy framework that aims to address these challenges. In the first stage, the cost without trading is calculated which will serve as the reference in the profit maximization problem in the next stage. DER dispatch, power flows and initial transaction payments/incentives of the participants will then be determined in the second stage. A benefit allocation algorithm is applied in the third control stage to determine the optimal transaction price and final payments/incentives that will ensure fairness for trading participants. The proposed framework was tested in an IEEE 33-bus system and results show that fair benefits are given for all participants during trading and the system operates within the network and economic constraints.

研究动机与目标

• 为解决现有可交易能源系统中缺乏公平性与准确的网络建模问题，特别是非线性交流潮流问题。
• 确保在DER参与者之间按单位能量交易量实现公平的利润分配，防止小型或可再生能源丰富的产消者参与积极性受挫。
• 开发一种三阶段框架，集成交流最优潮流、利润最大化与基于公平的激励分配。
• 验证该框架在维持网络约束的同时提升系统整体经济效率与参与者福利的能力。
• 为高DER渗透率的现实配电网层级能源交易提供可扩展、公平且经济高效的机制。

提出的方法

• 第一阶段计算无交易情况下的基准成本，作为后续阶段利润最大化的参考基准。
• 第二阶段通过交流最优潮流（AC OPF）求解联合优化问题，以确定最优DER出力、潮流分布及初始交易支付/激励。
• 第三阶段应用基于纳什议价理论的收益分配算法，计算公平的交易价格与最终支付，确保单位能量交易的利润相等。
• 该框架采用非线性、非凸的AC OPF模型，准确反映实际配电网约束，避免使用线性化或松弛近似。
• 收益分配算法使所有发电者与用户单位能量的利润相等，同时考虑了电能输出/输入量与网络损耗。
• 整个框架在具有实际时变负荷与可再生能源出力特性的IEEE 33节点系统上进行了测试。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在尊重交流潮流约束的前提下，使可交易能源市场框架确保DER参与者之间的利润分配公平？
• RQ2 与松弛化或线性化模型相比，使用完整AC OPF模型对配电网中能源交易的准确性与效率有何影响？
• RQ3 是否三阶段框架（集成AC OPF、利润最大化与基于公平的激励分配）能够带来系统整体福利提升与现金流平衡？
• RQ4 收益分配算法如何影响不同时间段内发电者与用户单位能量交易的利润？
• RQ5 所提出的框架在多大程度上降低了整体能源成本并提升了DER所有者的参与激励？

主要发现

• 所提出的框架确保所有参与者，包括高DER输出者，均获得公平激励，经收益分配后单位能量交易的利润趋于一致。
• 在时间t=23时，输出超过1,000 kWh的发电者分别仅获得0.92美元与2.80美元，凸显了公平机制对防止参与积极性受挫的必要性。
• 在应用收益分配算法后，所有发电者与用户单位能量交易的利润均等，实现了所有时间步长下的公平性。
• 最优交易价格高于电网的售电价格，低于电网的购电价格，确保所有参与者均能获益。
• 通过在优化过程中使用完整的AC OPF，系统完全符合网络约束，包括热稳定极限与电压水平。
• 仿真结果表明，参与者整体能源成本降低，现金流分配均衡，证明了系统整体经济效率的提升。