[论文解读] Evaluation of Energy Resilience and Cost Benefit in Microgrid with Peer-to-Peer Energy Trading

Divyanshi Dwivedi, K. Victor Sam Moses Babu+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2022

Smart Grid Energy Management被引用 6

一句话总结

本文提出了一种基于合作博弈论与复杂网络分析的对等（P2P）能源交易模型，用于评估在韧性微电网中成本效益与能源韧性。通过在IEEE 123节点馈线中集成太阳能光伏与电池储能，研究显示P2P交易使年度电网购电量减少17,852千瓦时，韧性提升10.67%，家庭平均成本节省5.81%。

ABSTRACT

Integration of distributed energy resources (DERs) at a residential level has given way to the development of a self-sufficient energy-resilient system and peer-to-peer (P2P) energy trading at a community level. Several researchers have developed models to implement energy trading in the P2P network with DERs that enables prosumers to avail cost benefits. However, the impact of DERs and P2P energy network on the system's resilience is not evaluated with a quantifiable measure. In this work, we use the percolation threshold as a measure to quantify energy resilience, which can be computed using complex network. We consider a standard IEEE-123 node test feeder integrated with renewable energy sources and partitioned into microgrids. The microgrid with the highest percolation threshold value is considered for P2P energy trading analysis. We use cooperative game theory to model the P2P energy trading so that all prosumers take part rationally. The simulation is carried out using time series data of houses with varying load profiles, solar generation, and energy storage capacities. The results show 5.81\% of total cost benefit in a year and 10.67\% improvement in the resilience of the system due to P2P energy trading.

研究动机与目标

• 评估对等（P2P）能源交易对住宅微电网能源韧性与成本效率的影响。
• 通过将复杂网络理论应用于时间序列能源数据，量化渗透阈值以衡量韧性。
• 采用基于合作博弈论的模型，结合成本分摊机制，确保所有产消者之间的公平性与盈利性。
• 在真实负荷、太阳能与储能配置下，对比分析无P2P交易与有P2P交易的微电网在经济性与韧性方面的表现。
• 评估可再生能源集成、储能系统与P2P交易对长期系统韧性与家庭成本节约的综合影响。

提出的方法

• 在48户住宅的修改版IEEE 123节点配电网馈线中，集成分布式能源资源（DERs），包括太阳能光伏与电池储能，进行仿真。
• 通过切换操作将系统划分为多个微电网，并选取渗透阈值最高的微电网进行分析。
• 从时间序列能源数据（电网购电/售电）构建可视化图，将系统建模为复杂网络。
• 利用单变量能源时间序列的相关性矩阵计算渗透阈值，以量化网络韧性。
• 应用基于核仁解的协作博弈论成本分摊机制，确保产消者之间能源交易的稳定与公平。
• 整合分时电价（ToU）与净计量政策，以反映P2P交易模型中的实际计费条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 P2P能源交易如何通过渗透阈值衡量，影响微电网的能源韧性？
• RQ2 与仅依赖中心化电网运行相比，参与P2P能源交易的家庭年成本节约多少？
• RQ3 P2P交易如何影响一年内从主电网获取的总电能？
• RQ4 P2P交易在多大程度上增强了系统抵御干扰事件的能力，如韧性指标所示？
• RQ5 能否基于合作博弈论设计一种公平且稳定的P2P能源交易机制，确保所有产消者在经济上均受益？

主要发现

• P2P能源交易使年度总购电量减少17,852千瓦时，从492,483千瓦时降至474,631千瓦时。
• 渗透阈值从无P2P时的0.22653提升至有P2P时的0.25077，表明系统韧性提高10.67%。
• 所有48户家庭的年均成本节约达5.81%，个体节约幅度在1.53%至20.98%之间。
• 在一月份，最高单月成本节约达7.99%；而四月与五月因太阳能发电量高、需求低，节约最少（分别为0.87%与0.21%）。
• 27户家庭节约低于5%，17户节约在5%至10%之间，4户节约超过10%，表明收益分配具有公平性。
• 合作博弈论模型确保了稳定且公平的成本分摊，使所有产消者能够理性参与并从能源交易中获益。