《Agriculture》：Enabling Cooperative Dispatch of Heterogeneous Agricultural Microgrids Through Trusted-Node Coordination
编辑推荐：
在乡村能源脱碳和农业电气化的驱动下，农业微电网（agri-microgrids）已成为消纳分布式可再生能源和波动性农业负荷的关键范式。然而，农业微电网通常面临显著的成本敏感性问题。自主农业微电网的协同运行提供了一种有前景的解决方案，但协调异构能源资源以挖掘时间
在乡村能源脱碳和农业电气化的驱动下，农业微电网（agri-microgrids）已成为消纳分布式可再生能源和波动性农业负荷的关键范式。然而，农业微电网通常面临显著的成本敏感性问题。自主农业微电网的协同运行提供了一种有前景的解决方案，但协调异构能源资源以挖掘时间互补性并公平分配成本仍然是一个关键挑战。信息不对称、可信节点缺失以及收益分配的计算复杂性阻碍了多微电网的协同调度。研究人员提出了一种用于协同多微电网调度的去中心化博弈论框架。（1）设计了一种分布式节点信息收集算法，在保护本地隐私的同时获取必要数据；（2）提出了一种可信节点选举方法，无需外部权威或预定义的集中式协调器即可实现可靠的联盟利润计算；（3）提出了一种增强的基于Shapley值的收益分配策略，降低了计算复杂度；（4）案例研究验证了所提算法在降低运行成本、促进农业微电网间绿色能源协调方面的有效性。
农村能源脱碳与农业电气化进程不断推进，传统农村配电网已难以满足日益增长的清洁可靠供电需求。以光伏（Photovoltaic, PV）、储能（Energy Storage System, ESS）、生物质能、小水电等分布式能源为基础的农业微电网（agri-microgrid）成为消纳可再生能源、满足农业负荷需求的重要范式。例如，美国北卡罗来纳州某农场微电网部署了2 MW光伏阵列与2.5 MW/5 MWh电池储能系统，并在电网故障时支持孤岛运行。然而，多数农业微电网仍以单个农场或微电网为边界独立运行，不同微电网在资源禀赋与负荷特性上呈现显著异构性，其光伏出力、储能容量、可调度发电能力及农业负荷之间存在明显的时间互补性。利用这种互补性需要跨越独立运营主体的边界进行协调，同时兼顾运营自主性、信息隐私、信任建立与公平利益分配。信息不对称、可信节点缺失以及传统Shapley值方法在收益分配中的指数级计算复杂度，共同构成了多微电网协同调度的主要障碍。为此，研究人员提出了一种去中心化博弈论协同调度框架，旨在实现高效、公平且保护隐私的农业微电网协同运行。该研究发表于《Agriculture》。
该框架主要包括三个环节。首先，设计了一种基于改进泛洪机制的分布式节点信息收集算法，使每个农业微电网在保护本地敏感数据隐私的前提下获取必要的全局运行信息。其次，提出了一种分布式可信节点选举方法，从负载需求型节点中选取性能得分最高者担任可信节点，替代外部权威或预定义的集中式协调器，从而将信任内生于系统运行规则，保障联盟利润计算的可靠性与公正性。最后，提出了一种低复杂度的改进Shapley值收益分配策略，采用留一法比较各成员对联盟运行成本节省的边际贡献，避免了穷举所有子联盟带来的计算负担，在保持公平性与激励兼容性的同时提升了可扩展性。
为验证所提框架的有效性，研究人员基于Python 3.10环境，采用Pyomo 6.6.2优化建模语言和GLPK 5.0开源求解器进行仿真计算，并利用NumPy 1.24.3、pandas 2.0.3完成数值与数据处理。案例构建参考了加州大学伯克利分校下一代食品系统中心所展示的农场级微电网用能模式，重构了具有早晚双峰特征的基线农业负荷曲线，并叠加温室通风负荷形成增强型农业负荷场景。联盟成员包括光伏农业微电网、储能农业微电网、燃气轮机农业微电网、生物质（Biomass, BM）发电农业微电网、小水电（Small Hydropower Station, SHS）农业微电网及负荷农业微电网，调度周期为24小时。收益分配采用改进Shapley值方法，基于全天边际成本节省确定各成员的贡献权重，并将联盟收益按权重分配。
4.1 小时级能量调度结果分析
在基线负荷场景中，早、晚负荷高峰时段由燃气轮机和ESS提供额外支撑；午间可再生能源出力较高而负荷较低，出现部分弃光与弃水现象。在增强负荷场景中，午间温室通风负荷与光伏高出力时段重叠，光伏直接供电比例显著提高，ESS在盈余时段吸收过剩电能并在晚间高峰释放。整体上看，联盟调度充分体现了各类型微电网在时间尺度上的互补性，有效提升了可再生能源利用率并降低了系统运行成本。
4.2 联盟收益分析
在基线负荷下，联盟收益随负荷需求与电价变化，早、晚高峰时段因启用可调度机组和ESS导致运行成本上升。在增强负荷下，午间额外负荷由低成本光伏供应，售电收入增加而边际运行成本未成比例上升，联盟经济性得到改善。
4.2.1 基于改进Shapley值的收益分配
改进Shapley值方法基于各发电型微电网对联盟24小时运行成本节省的边际贡献进行收益分配。结果表明，各成员的贡献比例与其发电能力、成本特性及运行模式密切相关，分配结果满足公平性与个体理性，验证了该分配策略在联盟收益共享中的适用性。
4.2.2 微电网时序成本节省特征
时序成本节省分析表明，燃气轮机（Micro Gas Turbine, MT）在负荷高峰及可再生能源不足时段贡献最为显著；光伏在日照充足时段贡献突出；生物质与小水电全天保持平稳出力，其贡献与出力水平密切相关；ESS在用电高峰时段发挥削峰填谷作用。受爬坡约束与最小出力限制影响，燃气轮机和生物质在某些时段可能出现负边际贡献，但24小时累计贡献仍为正值。
讨论部分指出，所提框架通过可信节点选举机制内生了信任，避免了对外部权威的依赖，同时通过分布式信息收集保护了参与者的隐私。改进Shapley值方法在降低计算复杂度的同时，保持了分配结果的公平性与激励兼容性。案例结果验证了协同调度在降低运行成本、促进绿色能源协调方面的有效性。然而，当前模型未充分考虑农业场景中固有的电–热耦合特性，温室加热与冷却等热负荷依赖电驱动设备（如热泵、风机和通风系统），与电力需求动态关联。未来研究将扩展至电–热耦合调度模型，联合优化温室气候控制热需求与微电网电力需求，利用热泵、电锅炉等电–热转换设备的灵活性，进一步提升农业微电网的综合能源利用效率与经济性能。
