科研速递 | 理工学院吴辰晔教授团队在电力领域顶级期刊探讨配电网定价问题
近日，香港中文大学（深圳）理工学院的吴辰晔教授团队在《IEEE Transactions on Smart Grid 》发表题为“Power-Electronics-Enabled Transactive Energy Market Design for Distribution Networks”的文章。
下载链接：
https://ieeexplore.ieee.org/document/9612584
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《IEEE Transactions on Smart Grid》介绍
IEEE Transactions on Smart Grid是一本跨学科期刊，旨在传播智能电网最新的研究和开发成果。研究内容围绕由产消者、电力运输、分布式能源和通信这些不可或缺的和互动的部分组成的能源网络，例如与输电网相接的微电网和有源配电网、需求响应、高级计量基础设施、网络物理系统、多能源系统、交互能源、数据分析和电动汽车集成等。IEEE Transactions on Smart Grid 的 2020 年影响因子为 8.960，JCR分区Q1。
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引言
这个问题最早是我（吴辰晔）在UC Berkeley跟着Kameshwar Poolla教授和Pravin Varaiya教授做博士后的时候的一个想法。当时斯坦福大学的Stephen Boyd教授来访问，和大家交流凸优化的各种酷炫的技能和应用，我们就一起在畅想凸优化在电力领域的应用。和Boyd教授交流之初，其实我们Berkeley这边几个做电力的年轻人对凸优化在电力中的应用都不太乐观，因为电力系统里面的非凸性太明显了，虽然在输电网中可以进行一些近似（DC approximation），但是实际效果实在是差强人意。更别提在配电网里面了……
这个时候，Boyd的教授的人格魅力就凸显出来了，他开始和我们讲他的畅想和愿景，他认为建设输配电网络太耗钱了，随着电力电子设备的不断成熟和成本不断的下降，电力系统中的电力电子设备会越来越多，未来电力系统中的电流可以跳脱很多物理定律的限制，想怎么流就怎么流，那电力网络就和传统的网络流没什么区别了！那咱们的凸优化就可以大显身手了！
然后，我们当时就被Boyd教授镇住了……电力电子设备确实非常神奇，如果不计成本的话，确实可以把电力控制问题进行极大的简化，不过，他们是真的贵。但是，畅想未来嘛，怎么能还不让想想呢，万一实现了呢！
上面这段经历发生在2016年前后，没想到2020年，我们看到University of Michigan-Dearborn的Wencong Su教授在IEEE Transactions on Smart Grid组织了一个特刊，刊名就叫Power-Electronics-Enabled Smart Power Distribution Grid，这个特刊欢迎大家畅想如果电力电子设备全方位地融入到了配电网中，我们的配电网会变成什么样子？我看到这个特刊之后，就兴奋地和我的学生顾楠聊起，或许我们可以畅想一下，在这样的一个配电网，我们开展配电网的定价可能就更有意义了。于是，就有了这篇文章。
下面的技术部分，我是请顾楠同学撰写的。
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研究背景
电力电子设备之所以可以在提高电网可靠性方面发挥着关键作用，因为它们提供了可变补偿的解决方案来控制潮流，比传统解决方案更灵活、更准确、更快。因此，电力电子设备大规模部署将重塑未来电力系统控制的格局以及未来电力市场的设计。由于输电层面的市场设计已经较为成熟，这项工作主要针对电力电子设备全面部署的背景，设计了一个更为有效的配电市场。另一方面，由于可再生能源发电成本近年来大幅下降，大规模的分布式发电发展可期，从而使得配电网从一个从垄断市场转变为更加活跃和交互性更强的市场。未来，配电网系统调度员（DSO）将负责监管框架，并将支持交互能源市场 (TEM)，其中分布式能源产生的剩余电力与配电系统中的其他缺电消费者进行交易。
总的来说，对未来配电网络的电力电子研究以及市场设计研究上缺乏连接，同时对这两者进行分析的研究数量很少。因此，我们的工作旨在弥合这两个不同的研究方向，探讨电力电子设备全面部署下的未来市场结构和定价机制。
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研究内容
文章的主体思路如图1所示。首先介绍了配电网中最佳潮流的建模以及配电网节点电价（distributed LMP）推导的通用框架；其次，结合电力电子器件的原理及特点，分析了电力电子设备提供的电压和无功功率控制的理想情况，从而可以简化distributed LMP的计算。在这个近似的基础上，我们得以直观的理解distributed LMP的性质并分析其物理意义，从而作为DTM以及TEM定价的基础。
图1 文章基本结构
对于TEM市场， 我们设计了市场组织流程，如图2所示。我们将市场出清过程建模为合作 Stackelberg 博弈，其中DSO为领导者（leader），负责监管并提供未接入TEM市场的节点的供电保障。其他节点均作为跟随者（follower），分为供电者（supplier）与消费者（consumer）。每个TEM市场由一个生产者和多个消费者组成。
图2 TEM市场组织过程流程图
为保证物理连接上的可行性以及每个TEM市场的独立性，我们也考虑了用远程开关重构配电网的拓扑结构的问题。如图3-1以及3-2的转变所示，通过调整常开开关（NO）与常闭开关（NC）的状态，配电网可以被重构成许多个以供电节点为父节点的独立放射状电网，对应着每一个TEM市场。
图3-1 拓扑改变前
图3-2 拓扑改变后
从定价层面，为保证 TEM 中的预算平衡（budget balance) 和个人合理性（individual rationality），我们重新设计了distributed LMP中的损失分配策略，从而使得每个TEM的参与者的distributed LMP均比DTM中低。
总的来说，TEM的好处分为以下两点。首先，它有助于负载平衡和减轻负载较重路径的压力。其次，它减少了传统发电并激励了可再生能源分布式发电。
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主要贡献
这篇文章的主要贡献可以总结如下：
电力电子设备与潮流计算：电力电子设备提供的电压控制和无功功率补偿功能对配电网很有价值。具体来说，我们考虑电力电子设备的全面部署能够如何简化distributed LMP的计算。
虚拟（经济）交易和物理拓扑重构的结合：在经济层面，我们设计了交互能源市场TEM，其中DG产生的剩余电力可以与配电系统中的其他缺电消费者进行交易。为了保障TEM的可行性和独立性，我们也进一步考虑了物理层面的拓扑重构，这在类似市场结构分析的其他研究中很少被提到。
DSO角色的转变：我们分析了DSO从被动的市场参与者到主动的市场领导者的转变，特别是在监管和支持TEM方面发挥了新的作用。我们设计了一个合作的 Stackelberg 博弈市场出清算法，以满足每个参与者的理性。此外，通过设计新的损失分配策略，每个 TEM 都可以保证预算平衡。
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作者简介
本文通讯作者为香港中文大学（深圳）助理教授吴辰晔。
吴辰晔，香港中文大学（深圳）理工学院助理教授。吴教授长期在姚期智院士指导下从事智能电网的前瞻性研究和核心技术推广应用，既有卓越的理论研究成果，又有杀手锏级应用，理论联系实际特色明显。在理论研究上，他将计算科学的框架引入电力系统，解决电力系统难题：含高比例可再生能源的电力系统稳定控制难题、匹配系统物理特性的市场设计与市场监管难题及数据驱动的高效系统控制难题。在学术成果影响力上，他早在2012年，由于创新性地在电力系统分析中引入网络经济学的研究理念而获得教育部学术新人的荣誉称号；于2018年，由于在教改项目、网络科学等一系列课程中做出突出贡献，入选了首届高校计算机专业优秀教师奖励计划，该计划受教育部、国家自然科学基金委指导，旨在推动中国本科计算机专业教学质量的整体提升。吴辰晔教授还于2013、2020年两度获得IEEE能源与电气协会年会最佳论文奖，于2012年获得IEEE智能电网通信会议最佳论文奖，于2020年荣获CCF-滴滴盖亚青年科学基金。
本文第一作者：清华大学博士生顾楠
顾楠是清华大学交叉信息院的博士生，师从吴辰晔教授。本科毕业于清华大学电机工程与应用电子技术系，获得电气工程及其自动化学士学位。2019年被评为清华大学优良毕业生。她的主要研究方向包括电力系统中的市场设计和优化控制问题。
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