一项关于基于声誉的点对点共享交易策略在农村分布式能源存储中的应用研究

《Sustainable Futures》：A study on reputation-based peer-to-peer sharing transaction strategy for rural distributed energy storage

针对中国农村高成本能源问题，提出基于声誉模型的分布式能源存储P2P共享交易机制，结合农村生产生活周期设计分层拍卖策略。通过陕西案例模拟，验证该机制使农户年度能源成本降低91%，不同用户类型成本降幅显著（UH降308%，DOH降168%），市场效率提升5%，社会福利增长20%。摘要分隔符：

　　在中国的农村地区，多数家庭难以负担高质量的能源。随着农村能源存储设备的广泛应用，利用闲置农业机械电池（IAMB）进行电力交易可以显著降低农村家庭的能源负担。然而，农村地区缺乏适当的能源存储交易模型，导致其发展停滞。本文提出了一种基于农村生产与生活模式的分布式能源存储（DES）点对点（P2P）共享交易模型，并引入了基于声誉的定价机制，以确保交易的可靠性和公平性。研究结果显示：1）基于拍卖理论的声誉高低匹配机制使年能源消费成本降低了91%；2）与传统拍卖模型相比，引入声誉模型提高了市场效率超过5%，并使总社会福利提高了20%以上；3）成本降低在不同家庭类型中存在差异：农业家庭（AH）年能源成本降低37%，畜牧养殖家庭（LRH）降低99%，多元化职业家庭（DOH）降低168%，失业家庭（UH）降低308%。从成本角度来看，农村DES P2P共享交易的推广应优先考虑失业家庭，其次是多元化职业家庭，最后是畜牧养殖家庭和农业家庭。

近年来，农村家庭分布式光伏发电系统迅速发展。然而，其发电的间歇性、波动性和不确定性对电力系统的安全稳定运行构成了重大挑战。能源存储是缓解可再生能源波动、确保电力系统供需平衡和实现供需快速动态匹配的关键技术之一。但由于成本高、农村住宅分布分散和商业模型不成熟，其发展速度始终未能达到预期。随着农村电气化的深入，电池驱动的农业机械和电动汽车在农村地区日益普及。此外，由于农村家庭的生产周期较短且集中，导致电池在非生产季节的闲置率较高，这为能源存储共享提供了有利条件。通过价格信号引导用户行为，共享能源存储（SES）可以吸引更多的用户参与可再生能源消费，从而提升电力系统的安全性和稳定性。因此，国家发布的《加快新型储能发展的指导意见》鼓励探索农村地区的SES交易，以增强农村能源和电力系统的调控能力。此外，由于农村地区收入水平相对较低，许多家庭无法承担高昂的能源成本。利用闲置的能源存储设备进行交易可以降低整体能源成本，提高自给自足能力，从而缓解农村家庭的能源负担。

除了交易模型，农村分布式SES的发展还需要设计合理的结算定价机制。农村社区的互动通常基于长期的邻里关系和信任体系，这种独特的社会结构在P2P SES交易中发挥着关键作用。由于农村经济活动，如农产品交易和合作生产，高度依赖于信誉，因此信誉体系对于确保交易顺利进行至关重要。然而，现有研究往往忽视了信誉机制的重要性，而在农村环境中，信誉是保障交易可靠性和公平性的核心。目前，P2P SES交易的定价机制主要基于边际定价、领导跟随博弈、夏普利值、核方法和拍卖理论。其中，拍卖理论因其透明性和灵活性在电力市场交易和需求侧管理中被广泛应用。然而，现有的基于拍卖的定价机制通常采用高低匹配来决定最终结算价格，忽略了信誉在确保农村地区小型、个性化经济交易成功中的关键作用。一些参与者为了追求更大的利润和福利最大化而违约，导致实际交易量与预期交易量出现偏差，严重影响了市场的效率和公平性。因此，将信誉整合到定价机制中对于有效促进资源分配和确保交易顺利执行至关重要。

为了解决上述挑战，本文从农村用户的角度出发，提出了一种结合双拍卖方法与信誉模型的DES P2P共享交易机制。首先，选择常见的农村能源存储设备作为SES交易对象，并根据农村生产与生活模式设定交易时间和流程。其次，将信誉模型整合到结合双拍卖方法中，设计一种将信誉与高低匹配结算过程相结合的定价机制。该机制在不同时间段内分配农村能源存储资源和交易策略，并结算差异化的能源存储交易价格以及所有参与者的收入和支出。最后，通过模拟验证了所提出共享模型和收益分配方案的可行性与合理性。本文的主要贡献包括：

1）提出了一种基于农村生产与生活模式的DES P2P共享交易模型。
2）设计了一种结合双拍卖方法的基于信誉的定价机制，实现了农村地区不同时间段的差异化收益分配方案。

在第二部分中，提出了农村DES P2P共享交易的基础和流程。该部分主要基于初步的实地调查数据，涵盖了农村生产与日常生活中的能源使用特征、SES交易框架以及DES P2P交易流程。通过实地访问陕西典型农村地区，对调查家庭的能源存储设备进行了统计分析。研究发现，农村家庭的能源存储设备可以分为两类：用于农业生产和用于日常生活的设备。在完成农业活动后，这些设备的电池通常有较长的闲置期，这使得IAMB可以有效地用于SES交易。农村家庭的能源存储设备使用情况统计如表2所示。

表2显示，除了用于生产的电动旋转耕作机，其他设备的电池容量相对较小。而在日常生活中，电动三轮车因其广泛使用和较大的电池容量而尤为突出。因此，本文选择了电动旋转耕作机的电池用于生产，电动三轮车的电池用于日常生活的能源存储设备作为可交易的SES资源。同时，为了提高农村DES P2P共享交易市场的稳定性以及用户间时间共享利用的合理性，本文根据农村居民的生产方式将用户分为以下几类：

1）AH：主要在早晨和白天进行能源消费，晚上电力需求较低，主要用于照明和简单家庭活动；
2）DOH：既参与农业生产，又从事其他职业或兼职；
3）LRH：需要定期喂养、清洁和照顾牲畜，导致全天候的能源需求；
4）UH：具有灵活的工作时间，可能从事季节性农业工作或灵活就业。

在第三部分中，介绍了方法论。该方法分为两个步骤：首先，使用结合双拍卖方法确定参与者的投标中标电量；其次，应用基于信誉的结算价格策略，以确定中标者的交易价格并促进后续的财务结算。结合双拍卖方法的规则和模型包括以下几个阶段：

1）投标前的准备：获取农村家庭在无农业周期波动情况下的基准电力负荷，并引入基于农业活动的周期性电力需求波动参数。为准确捕捉农业周期的变化，选择了四个代表性时期：夏季非高峰日、夏季高峰日、冬季非高峰日和过渡季节非高峰日，并为每个时期分配不同的电力需求波动参数。
2）投标阶段：在系统中，有Ms={1,...,m,...,Ms}个能源存储卖家和Nb={1,...,n,...,Nb}个能源存储买家。一天被划分为T个时间段，参与者可以在这些时间段内拍卖能源存储容量，而剩余时间段则用于为能源存储设备充电。卖家的投标信息包括一个数量向量Q1和一个相应的价格向量Q2。如果卖家在某个时间段没有提交投标，则数量向量和价格向量的值被设置为0。在投标过程中，所有可能的Q1和Q2组合构成了卖家m的策略空间。买家的投标信息包括一个数量向量和一个相应的价格向量。如果买家在某个时间段没有提交投标，则数量向量和价格向量的值被设置为0。在投标过程中，所有可能的组合构成了买家n的策略空间。
3）目标函数：农村社区长期稳定的邻里关系和信任体系使农村用户倾向于选择能够最大化集体利益的交易模型。因此，本文采用社会福利最大化作为确定中标者的优化目标函数，以缓解交易初期资源分散和市场参与不足的问题。该方法同时为参与者提供了一个公平高效的交易平台，从而加速交易市场的形成。
4）约束条件：投标数量约束规定，买家n获得的投标数量越多越好，但获得的投标数量不能超过买家提交投标的周期数。这一约束可以表示为：对于每个买家n，其在各个时间段的投标中标数量之和不能超过其提交投标的周期数。赢得数量约束规定，在相同的时间段内，卖家的总投标中标数量应大于等于买家的总投标中标数量。赢得系数约束规定，对于能源存储卖家，赢得系数为1表示其全部投标数量已售出，而赢得系数为0表示其未售出任何投标数量。对于能源存储买家，赢得系数为0表示买家未中标，而赢得系数为1表示买家中标。

在第四部分中，进行了案例研究分析。案例研究涉及一个农村P2P交易场景，其中包含小型能源存储系统。通过设定四个典型场景，对农村DES P2P共享交易策略的经济可行性进行了分析。这四个场景分别是：M1场景，不考虑DES P2P共享交易，所有电力由电网供应，唯一收入来源是向电网出售剩余电力；M2场景，采用结合双拍卖方法的DSES机制（统一价格结算）；M3场景，采用结合双拍卖方法的DSES机制（高低匹配价格结算）；M4场景，基于结合双拍卖方法的DSES机制，考虑信誉模型（信誉高低匹配价格结算）。这四个场景主要从以下三个方面进行评估和比较：1）每户的年度电力成本；2）从电网购买电力的成本；3）参与P2P能源交易的财务收入和支出。

从用户的角度来看，AH（用户1）的年度电力成本从M1到M4减少了37%，是四个用户中减少幅度最小的。LRH（用户2）由于其全天候的电力需求，主要用于畜牧设施中的通风、供暖、供水和饲料加工设备，其年度电力成本从M1到M4减少了99%，在四个用户中排名第三。DOH（用户3）因其同时参与农业和其他非农业活动，电力需求更加多样化。与M1相比，M4场景下的年度电力成本减少了168%，仅次于UH。UH（用户4）拥有大量闲置的能源存储资源，经常参与交易，因此其年度电力成本从M1到M4减少了308%，是四个用户中减少幅度最大的。

在公平性和效率分析中，表5展示了不同定价机制下的比较分析。市场效率定义为农村家庭订单完全满足的百分比，表示成功交易的参与者比例。公平性通过最终的平均交易价格（元/kWh）来衡量。从表5可以看出，市场效率的排名从高到低为：基于信誉的高低匹配价格结算机制、统一价格结算机制和高低匹配价格结算机制。具体而言，基于信誉的高低匹配价格结算机制的市场效率为85%，比统一价格结算机制高6%，比高低匹配价格结算机制高8%。这表明，基于信誉的机制使更多的参与者能够成功完成交易。在公平性方面，基于信誉的高低匹配价格结算机制的平均交易价格最高，这意味着信誉高的用户可以在相对较高的价格下进行交易。此外，该机制在整体表现上优于传统模型，总社会福利增加了36%和21%。

这些发现表明，所提出的机制有效激励用户遵守或履行合同，进一步提升交易的市场效率和公平性。该研究为中国的农村地区提供了一种可行的能源交易解决方案。通过利用IAMB并系统分析季节性能源需求波动，所提出的交易机制有效地降低了农村社区家庭的能源成本。然而，需要注意的是，当前模型并未考虑极端天气条件和农业生产力的意外波动等外部因素，这些因素可能影响交易系统在实际应用中的稳定性和可靠性。此外，本研究的样本量相对有限，这可能在将其发现应用于其他地理或社会经济背景时带来限制。未来的研究将重点放在以下几个改进方向：首先，引入更广泛的外部不确定性因素，以增强模型的稳健性和适用性；其次，探索更好地平衡个人用户利益的同时确保整体系统效益的方法；最后，深入分析不同行为模式对市场交易动态的影响，从而为不同用户群体制定更具针对性的策略，提高本研究的普遍性和实际价值。