基于馈线的本地能源交易两步市场清算

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英文标题：
《Two-Step market clearing for local energy trading in feeder-based
  markets》
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作者：
Mohsen Khorasany, Yateendra Mishra, Gerard Ledwich
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最新提交年份：
2019
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英文摘要：
  Recent innovations in Information and Communication Technologies (ICT) provide new opportunities and challenges for integration of distributed energy resources (DERs) into the energy supply system as active market players. By increasing integration of DERs, novel market platform should be designed for these new market players. The designed electricity market should maximize market surplus for consumers and suppliers and provide correct incentives for them to join the market and follow market rules. In this paper, a feeder-based market is proposed for local energy trading among prosumers and consumers in the distribution system. In this market, market players are allowed to share energy with other players in the local market and with neighborhood areas. A Two-StepMarket Clearing (2SMC) mechanism is proposed for market clearing, in which in the first step, each local market is cleared independently to determine the market clearing price and in the second step, players can trade energy with neighborhood areas. In comparison to a centralized market, the proposed method is scalable and reduces computation overheads, because instead of clearing market for a large number of players, the market is cleared for a fewer number of players. Also, by applying distributed method and Lagrangian multipliers for market clearing, there is no need for a central computation centre and private information of market players. Case studies demonstrate the efficiency and effectiveness of the proposed market clearing method in increasing social welfare and reducing computation time.
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中文摘要：
信息和通信技术（ICT）的最新创新为分布式能源（DER）作为活跃的市场参与者融入能源供应系统提供了新的机遇和挑战。通过增加DER的整合，应为这些新的市场参与者设计新的市场平台。设计的电力市场应使消费者和供应商的市场盈余最大化，并为他们加入市场和遵守市场规则提供正确的激励。本文提出了一个基于馈线的市场，用于配电系统中消费者和消费者之间的本地能源交易。在这个市场中，市场参与者可以与当地市场和邻近地区的其他参与者共享能源。提出了一种两步市场清算（2SMC）机制，第一步，每个本地市场独立清算，以确定市场清算价格，第二步，参与者可以与邻近地区进行能源交易。与集中式市场相比，所提出的方法具有可扩展性，并减少了计算开销，因为不是为大量参与者清算市场，而是为较少的参与者清算市场。此外，通过应用分布式方法和拉格朗日乘数进行市场清算，不需要中央计算中心和市场参与者的私人信息。案例研究证明了所提出的市场清算方法在提高社会福利和减少计算时间方面的效率和有效性。
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分类信息：

一级分类：Mathematics        数学
二级分类：Optimization and Control        优化与控制
分类描述：Operations research, linear programming, control theory, systems theory, optimal control, game theory
运筹学，线性规划，控制论，系统论，最优控制，博弈论
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一级分类：Quantitative Finance        数量金融学
二级分类：General Finance        一般财务
分类描述：Development of general quantitative methodologies with applications in finance
通用定量方法的发展及其在金融中的应用
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PDF下载：
--> Two-Step_market_clearing_for_local_energy_trading_in_feeder-based_markets.pdf (336.21 KB)

2022-6-11 15:30:31 上传

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关键词：Quantitative neighborhood Optimization Technologies distribution

昆士兰科技大学电气工程与计算机科学学院Gerard Ledwich*，Yateendra Mishra*，feeder-based Marketsmohsen Khorasany*，Gerard Ledwich*，当地能源交易的两步市场清算：m。khorasany@qut.edu.au，yateendra。mishra@qut.edu.au，g。ledwich@qut.edu.auKeywords：交易能源、本地交易、市场设计、分配优化。信息和通信技术（ICT）的最新创新为将分布式能源（DER）整合到能源供应系统中作为主动市场层提供了新的机遇和挑战。随着DER的不断集成，不应为这些新的市场参与者设计任何虚拟市场平台。设计的电力市场应使消费者和供应商的市场盈余最大化，并为他们加入市场和降低市场规则提供正确的激励。在这一领域，一种基于Feeder的m ark e t i为消费者和消费者之间的本地能源交易提供了一种分布式系统。在这一时期，马累克tpl每年都要为当地市场和周边地区提供大量能源。提出了一种两步市场清算（2SMC）机制，第一步，每个本地市场独立清算，以确定市场清算价格，第二步，参与者可以与邻近地区进行能源交易。与集中式市场相比，所提出的方法具有可扩展性，并减少了计算开销，因为市场不是针对大量参与者的清算市场，而是针对较少的参与者的清算市场。

此外，通过应用分布式方法和拉格朗日乘数进行市场清算，不需要一个中央计算中心和市场参与者的私人信息。案例研究表明，适当的市场清理方法在提高社会福利和减少计算时间方面的效率和效果。1简介信息和通信技术（ICT）和智能系统的最新发展促使消费者成为更积极的参与者，而不是次级纳税人。这些新的活动参与者通过使用当地资源、管理需求以及与其他参与者沟通，以消费者的身份参与市场。利用m at i o n和e ner gy的双向f l o w，这些新层可以自行和与电网交换bot h i nf或mat i o n和能量。在配电网中，消费者可以与其他消费者和消费者进行能源交易，当他们需要更多能源时从他们那里购买能源，或者当他们有剩余能源时向他们出售能源。这种能源交易激励消费者和消费者更积极地参与市场。随着配电网中具有分布式能源（DER）的预热器数量的增加，通过提供本地发电而不是集中和大型发电厂的生产能源，减少了对电网中传统ma的依赖。当地发电商为在开放和灵活的市场中进行能源交易提供了机会。DERowne r s开放灵活市场的新环境引发了对当地能源贸易的关注。

在传统市场中，能源交易是针对大规模发电和输电侧进行的。然而，在当地的能源市场上，许多小型能源商之间进行能源交易。因此，将传统市场应用于当地能源市场并非易事，需要针对小规模交易和当地能源市场的新机制。在当地能源市场，能源系统的结构使电力用户和消费者能够加入能源供应系统[1]。本地市场的定义是基于同一地区或类似地区的微观市场概念，即我们分布在同一个街区，并有可能在相邻地区之间进行交易。在一些研究中，已经研究了如何设计一个市场来激励小规模消费者和消费者之间的当地能源交易。市场设计旨在鼓励市场参与者组成能源交易的卖方和买方群体。[4]中提出了一组储能装置之间的局部能量交易概念，这是一种基于拍卖的储能装置和消费者之间能量交易方法。文献[5]提出了一个本地化的零售能源市场，其中能源经纪人充当中间人，根据搜索理论匹配卖家和买家。[6]中的作者提出了一种基于拍卖的本地能源交易市场清算方法，其中背包算法用于P2P能源交易的市场清算。

随着越来越多的用户被集成到电力系统中，集中式方法不适用于具有大量层的异构系统[7]，而计算能力和快速计算基础设施对于任何新市场设计都是一个挑战。近年来，有一种趋势是在市场设计中使用传统方法。在这些方法中，决策可以跨多个决策者进行，从而使这些方法具有可扩展性，并通过消除对中央计算中心的需求来减少计算开销。分布式方法需要市场参与者之间的协调信号才能达到全局最优，因此可以将电功率不匹配作为协调信号。在最近的文献中，基于分布式方法的市场设计得到了高度重视。作者在[8]中提出了一种基于社区的电力市场结构，该结构允许用户使用分布式优化积极优化其资产。在[9]中，提出了一种基于分布式共识的能源交易算法，其中，将流量失配的局部估计用作协调信号，以达成共识。【10】中提出了分布式能源交易中P2P能源交易的业务模型，该模型是具有大量小型用户的系统的首选解决方案。使用分布式解决方案，将系统的社会成本降至最低，从而实现能源节约。

本文设计了一种基于讨价还价的能源交易，以鼓励当地的能源交易。在以前关于分布式能源交易的大多数工作中，重点是确定交易能源的总量，以满足整个系统的需求，而不必支付计算开销。然而，当市场层数较高时，以最终成本投入的成本和收益率成为市场设计和实施的关键因素。本文提出了一种用于本地能源交易的基于馈线的市场拓扑，其中总电网被划分为几个具有有限数量层的本地市场。在e ac h l ocal MARKET中，pr o s um e r s和consum e r s无法最大限度地满足客户的需求。公共市场的优势在于，通过形成任意数量的本地市场，可以为任意数量的参与者提供公共市场，这些市场可以在本地清理，而无需任何参与者的个人和私人信息。换句话说，它不需要为大量玩家清除标记t，而可以在只有有限数量玩家的本地标记et上轻松执行。它使系统更易于管理和操作，减少了系统中的通信和计算负担。lso、Tw o-Step市场清算（2SMC）方法用于市场清算，具有以下特点：-市场清算不需要市场参与者的个人信息。

此外，消费者和消费者之间不需要有沟通渠道，就可以与所有参与者交换信息。-每个玩家都可以通过响应协调信号（价格信号）来决定自己在市场中的行为-玩家有机会与邻近地区进行交易，以增加他们的福利。-该方案可以是一系列玩家的首选方案。本文的组织如下：第2节详细介绍了基于馈线的市场设计的假设和优化问题的公式。2SMC已在第3节中说明。第4节提供了数值分析和案例研究。最后，第5节总结了本文并讨论了未来的工作。2馈线基础d市场2.1假设为配电网中基于馈线的能量交易提供了一个有效的解决方案。在这方面，市场结构旨在激励市场参与者进行本地能源交易。整个配电系统分为多个当地市场和prosumers，以及连接到sa me feed er n trad e energy y y Locally的消费者，在这里，拥有多余能源的玩家试图出售这些能源，而需要能源的玩家则试图以较低的价格从当地市场购买这些能源。市场参与者通过响应电价和调整其负荷/发电量参与市场。在每个地区，都有一个数据中心，接收该地区玩家的信息，以清理市场并充当协调员。图1展示了支线市场的结构，包括卖方、买方和数据中心三个区域。2.2问题公式：本地市场的目标是最大限度地提高所有市场参与者的社会福利。

社会福利最大化不仅可以最大限度地减少所有玩家的总体福利，还可以保证每个人的福利最大化[12]。总面积的数量由 和和说明区域内的卖方和买方数量 分别地本节定义了消费者的效用函数和消费者的成本函数。每个消费者的效用函数是基于图1的唯一函数：基于支线市场的本地能源交易参数模式 和.  的实用函数消费者inarea 可由（1）[13]建模。=            < 2. ()4.                    2.（1） 在哪里能源需求来自市场的消费者。买方的福利可以用消费者的幸福指数来衡量，该指数由（2）表示：= （2） 在哪里  是消费者为每千瓦时能源支付的费用。产品输出功率的总成本可由带参数的二次成本函数估计,  和 为每个prosumer定制成本函数[14]。()= ()+ + （3） 消费者的福利是消费者在市场中获得的利益，可以用（4）表示。()= ()（4） 其中，是prosumer i向the m ark et提供的能源。在每个区域，prosumer和消费者可以与该区域（区域内）和邻近区域（区域间）的其他参与者进行能源交易。

因此，每个消费者/生产者的需求/供应能量可以用（5）和（6）表示。= ,  + ,(5)= , + ,（6） 其中，,和,消费者需要能源 伊纳雷亚  分别来自区域内和区域间市场,和,是prosumer提供的能量 伊纳雷亚 尊重这些市场。每个地区的社会福利是所有消费者的效用减去所有消费者的成本之和。因此，市场上所有参与者的目标函数可以写成（7）。最大值()（7） 由于系统中的需求和供给应该平衡，所以（7）中的问题受到（8）的约束。此外，每个玩家都有自己的能量限制或加载s（9）和d（10）。 ,+ ,= ,+ ,(8),,+ ,,(9),,+ ,,（10） （1）中的优化问题可以使用不同的方法（如内点法或捆绑法）轻松解决。然而，这种优化需要所有人员的个性化信息。lso（中央竞争中心）需要收集所有玩家的信息，并找到所有玩家的能源位置和价格。随着市场参与者数量的增加，市场学习所需的计算设备和通信信号将为新的市场设计提供支持。因此，本文采用分布式方法进行市场清算，该方法不需要为所有参与者设置任何一个新的分中心。

在这种方法中，总问题被分解为每个ar ea的几个子问题，而e ac hsub问题也被分解为几个局部问题，每个参与者都可以局部解决这些局部问题。3两步市场清算法本文采用基于一元双梯度下降法的分布式市场清算法进行市场清算【15】。在这种方法中，用Karush-Kuhn-Tucker（KKT）mu-ltipris对目标函数进行了增强，然后开发了一种分布式迭代方法，该方法朝着最大化增强目标函数的方向发展[16，17]。在这里，KKT mu lti钳子是协调信号，应该不断更新，直到玩家就他们在市场上的行为达成共识。根据（8）求解（7）的拉格朗日函数可定义如下：,, ,, ,, , =()+ , ,+ ,=1.=1. ,=1.=1.（11） 其中，和是KKT乘数。下一步是开发基于双重分解的分布式迭代方法。在这个市场中，每个消费者/消费者都可以向当地市场或附近市场出售/购买能源。市场清算设计为在tw o步骤中执行。第一步，球员可以在区域内与其他球员进行能源交易，并以统一的价格获得每个球员的能源（). 在经济方面，玩家可以与附近地区进行能源交易，而价格较低的地区的消费者可以向价格较高的地区的其他消费者出售能源。这两步市场清算允许市场参与者根据清算价格调整负荷/发电量，从而决定其在市场中的行为。