面向跨载体智能市场运营的综合服务提供商双层排放流调度与碳金融治理

《Sustainable Cities and Society》：Bi-Level Emission-Flow Scheduling with Carbon-Finance Governance for Integrated Service Providers in Cross-Carrier Smart Market Operation

　　

• 自适应协调方法在成本不变的情况下将市场出清迭代次数减少了54.25%。
• 碳感知定价使报告的碳足迹降低了28.25%。
• 太阳能转换与储能系统在降低成本的同时支撑了两个网络的运行。
• 车辆柔性电池将每日总支出减少了8.44%。
• 全面的不确定性保护在所有情景下均避免了负荷削减。

**引言**

城市减碳日益需要在区域尺度上协调分布式发电、能源转换技术、储能资产、柔性建筑和电动出行。能源社区为此类协调提供了制度基础，因为本地管理的资源能够在保持参与者自主性的同时对网络条件做出响应。然而，仅通过能量平衡无法全面评估其对可持续城市的贡献。城市区域通常依赖电力和天然气的耦合基础设施，供暖和制冷服务通过热电联产机组、锅炉、热泵和吸收式冷机在不同能源载体间转移需求。氢能驱动的公共交通可通过将出行需求与电力、氢气和天然气的协调运行相连接来扩展部门耦合（Mohammadian等，2026）。

这些相互作用还产生了与碳相关的财务义务，因为所交付能源的排放取决于其技术来源和网络来源。碳金融治理因此将城市能源管理从排放核算扩展至将物理排放源与碳价风险敞口、结算义务及参与者层面的财务责任相连接。这一问题尤为相关，因为绿色转型的韧性在不同城市类型和地区之间呈现出异质性轨迹（Wang等，2026），而碳市场设计则可能影响城市经济绩效、绿色转型和包容性发展。

可再生能源转换进一步改变了这种运营和财务关系。光热和光电资源减少了上游采购和直接燃烧，但可变可再生能源输出也会影响残余需求、区域价格、网络负载以及与能源交付相关的碳负债。储能系统和车辆电池可将低碳能源在不同运行时段间转移，使柔性价值的财务价值取决于时间、地点、能源载体以及相应供电路径的碳强度。因此，碳收费应考虑发电技术、输送损失、燃气生产、网络路径和本地转换决策，而非仅依赖总量排放。区域低碳转型还受技术能力、经济条件、财政支持和政策投资的影响（Hu等，2026）。因此，城市多能研究已开始将碳交易与财务优化和社区协同运行相连接（Yang等，2025）。

这些相互作用为综合服务商创造了治理难题。集中式调度可以保留详细的物理信息，但需要获取私有的需求和设备数据。去中心化协调保留了参与者自主性，但仍必须维持可行的电压和燃气压力剖面、稳定的市场结算、出行需求以及不确定性下的供应安全。碳金融治理引入了额外的要求：排放的财务责任必须在电力、燃气、转换、储能和交通交易之间，与其运营来源保持连接。由此产生的挑战在于，在可持续城市社区中协调跨载体智能市场，同时联合管理物理能量流、排放归因、碳相关财务结算、参与者自主性和网络安全。

**碳金融治理的研究综述**

在过去几十年中，随着能源系统减碳与碳定价、排放负债、市场结算和环境责任的财务分配越来越紧密地联系在一起，碳金融治理受到了越来越多的关注。近期关于碳感知多能运行的研究已从孤立的排放惩罚转向能源、碳和证书市场的联合优化。文献（Li等，2025）将综合能源调度与碳配额和绿色证书之间的双向互动联系起来，展示了耦合环境工具如何改变运营决策。文献（Liu等，2025）将此治理视角扩展至区域多智能体环境，通过参考依赖分配和证书交易来协调异质利益。文献（Guo等，2025）中的市场耦合变得更加战略化，在碳和绿色证书交易下协调虚拟电厂调度，而文献（Li等，2025）则在多个资源网络而非单一聚合组合内考察了类似的互动。文献（Gong等，2025）在可再生能源不确定性下引入了分层竞价结构，将上层虚拟电厂决策与电力、碳和证书市场的下层出清相连接。文献（Li等，2025）通过嵌入在能源-碳-证书机制中的混合天然气和氢能路径扩展了物理范围。Zare等（Zare等，2026）将CCUS赋能的虚拟能源社区与联合碳和绿色证书交易、熵权经济-排放调度和数字化社会福利评估相结合。综合来看，这些研究确立了环境工具不能被当作外部核算项来处理；然而，其治理结构通常仍局限于预定义的市场实体，并未追踪碳责任在社区级跨载体服务交换中的传递。

**分层协调与博弈模型**

第二股研究潮流考察了运营商、用户、聚合商、建筑和储能提供商之间的分层协调。文献（Liu，2025）将基于排放流信息的可变负荷碳价与Stackelberg互动和合作收益分配相结合，从而将碳信号与响应式需求联系起来。文献（Wu等，2021）利用改进的Pareto最优提出了需求响应模型，在季节性电价下将电价变化与孤岛能源系统中的柔性负荷调度相联系。

文献（Yu等，2026）考察了新能源系统发展的企业层面驱动因素，识别出利润增长、可持续性、环境监管和政策激励是企业参与的关键决定因素。

文献（Li等，2025）保留了领导者-跟随者结构，但将重点转向多个综合系统间的低碳调度和Nash议价收益分配。氢介导的互动在文献（Su和Zhang，2026）中进入这一研究脉络，其中电力-氢运营商通过激励响应决策协调近零能耗建筑。文献（Bao等，2025）将Stackelberg逻辑转移至柔性制造园区，将运营商定价与多个工业过程中的生产-能源选择联系起来。文献（Li等，2025）通过云储能运营商与多个用户之间基于时间的容量和功率价格解决了基于服务的储能市场问题。文献（Li等，2026）进一步将层级扩展至配电运营商、储能投资者和多个动态容量租赁的微电网。这些模型阐明了多层级决策的经济价值，但大多数将分层定价与详细的载体特定碳归因以及能源服务和碳负债的统一结算分离开来。

**物理减碳研究**

物理减碳研究同步扩展了集成系统中考虑的能源载体、转换设备、储能介质和碳汇的范围。文献（Flores-Perez等，2026）将战略氢能供应链设计与生产者竞争下的双层运营管理联系起来，从而将基础设施与市场行为结合在一起。文献（Li等，2025）采用双层结构规划储能支持的低碳园区，但主要关注投资和容量协调。文献（Zhao等，2026）在离网系统中建模了太阳能、氢能、电力、热能和氢增强气态燃料，提供了详细的转换路径表示但缺乏竞争性市场层。SeyedShenava等（SeyedShenava等，2026）提出了领导者-跟随者多能模型，将氢能路径和碳捕集与固定式电池及共享两轮交通资产结合用于柔性充放电。文献（Brosius等，2026）增加了组件故障并在系统设计期间平衡了成本、可靠性和温室气体绩效。文献（Gao等，2025）中碳管理超越了排放减少，将植物固碳作为农村全链碳循环中的运营资源。文献（Kilicaslan和Dincer，2026）采用城市跨部门视角，将可再生氢生产与废水管理相结合。这一系列工作加强了跨载体减碳的物理基础，但模型大多涉及技术配置、规划或生态集成，而非服务商治理和交易级排放分配。

**不确定性感知协调**

不确定性感知协调通过随机、鲁棒、分布式和多目标方法得以发展。文献（Kiani-Moghaddam等，2025）提出了面向医院多载体系统同时不确定性问题的多目标双层模型，区分了风险规避和风险寻求的运营态度。文献（Gao等，2025）将随机和鲁棒决策与混合博弈结合用于多个综合微电网，从而将不确定性管理与领导者-跟随者互动和议价联系起来。Zare等（Zare等，2027）将Stackelberg电力-热市场协调与基于IGDT的风险感知竞价、拥堵感知的重型移动储能以及生态工业园区中的碳-证书交易相结合。文献（Pu和Yi，2025）专注于低碳能源共享中多个综合系统间的可再生能源输出不确定性和收益分配。文献（Cheng和Li，2025）在可再生能源和价格波动下的随机经济调度中嵌入碳机制，利用分解方法管理计算结构。文献（Zheng和Chen，2020）开发了基于Wasserstein模糊集的数据驱动分布鲁棒机组组合模型，在不确定概率分布下保持计算可行性的同时实现运营决策。

文献（Chen等，2025）强调了配备多种储能技术的区域系统间的协作优化，平衡了经济、环境和效率标准。文献（Wu等，2026）将视野转向包含季节性氢转移和生物源碳回收的鲁棒区域规划。这些研究提供了不确定性和跨期灵活性的方法，但其碳处理方式仍然停留在总量或规划层面，未能将不确定的物理流量与去中心化社区市场中特定参与者的碳金融充分连接。

**数据驱动与实时方法**

数据驱动和实时方法构成了互补的运营研究脉络。文献（Li等，2025）将深度强化学习应用于电力-燃气-热系统的连续多目标调度，解决了维数问题同时保留了经济和环境标准。文献（Huang等，2026）将深度强化学习应用于具有客户对约束的集装箱短途运输，将数据驱动调度扩展至出行和物流协调。文献（Long等，2026）开发了基于AutoML的机动目标跟踪应急调度方法，展示了自动化模型选择对时间关键决策任务的价值。文献（Li等，2026）将阶梯式碳交易和绿色证书交易纳入包含碳捕集和电制气技术的多情景园区调度。文献（Zare等，2026）提出了包含区块链保障的环境市场交易、拥堵感知的重型电动车协调和共享移动储能灵活性的随机生态工业调度模型。文献（Lan等，2026）专注于包含氢储能的本地多能运行，建立了灵活的物理平台但对分层碳结算关注有限。文献（Lan等，2026）将深度强化学习调度与绿氢综合系统中的电力和碳交易相结合。文献（Xi等，2025）更接近社区市场治理，通过耦合能源-碳价格、受限信息交换、议价、碳捕集和碳产品商业化协调多载体消费者。文献（Lin等，2025）通过动态供需交互下的模型预测控制解决了在线电力-热-氢-燃气调度问题。文献（Xu等，2026）通过多时期和多区域能源-环境框架评估了智能交通技术，表明社会福利收益可能随着相关环境负担的积累而逐步减弱。

这些文献展示了自适应控制和耦合价格信号的价值，但学习、在线运行和碳市场协调通常在没有统一的排放流和服务商决策架构的情况下进行研究。表1通过对代表性原始研究和本研究进行创新驱动特征映射，提供了相关文献的结构化综述。

**现有研究的局限与不足**

现有研究已将多能调度与碳配额、证书市场和低碳调度联系起来，但碳责任通常仍通过总量排放、预定义的配额规则或实体级账户来表示（Li等，2025）。此类模型未能保留电力和天然气流、输送路径、转换技术与分配给各社区的碳负债之间的物理和财务联系。如表1所示，排放流调度很少与耦合的电力-燃气市场运行相集成。因此，碳价格和结算可能在财务上一致，但与排放的物理来源、转移和转换的联系却很弱。这限制了可持续城市社区中一致的碳金融治理结构的形成。

分层和基于博弈的模型协调了网络运营商、聚合商、建筑、工业用户和储能提供商，但碳金融、柔性采购、定价和服务结算通常通过独立的参与者结构来处理（Liu，2025）。作为跨载体采购、转换和碳相关财务义务协调者的综合服务商受到了有限关注，而社区则保持自主调度。这一差距很重要，因为可再生能源转换、热技术、固定式储能和电动汽车既可以将运营成本也可以在电力和天然气之间转移碳风险敞口。

去中心化和不确定性感知方法改进了对可再生能源变异性、需求偏差和隐私保护调度的处理，但特定参与者的排放归因很少与耦合网络可行性、出行灵活性和碳条件结算相结合（Xi等，2025）。表1进一步显示，现有模型很少将去中心化市场出清与载体解析的碳负债和内生于不确定性保护相集成。

随机方法、分布鲁棒方法和传统鲁棒方法在概率分布、模糊集或不确定性预算能够被合理论证时仍然有效，但它们并不能直接确定决策者所定义的经济牺牲所能容忍的同时可再生能源与需求偏差水平。由此产生的研究空白在于缺乏一种统一的层级架构，该架构能够将碳金融治理与排放流归因、保护隐私的电力-天然气市场出清、网络可行性、出行服务以及不确定性防护联系起来。本研究的研究问题涉及自主多能社区与综合城市服务提供商之间的协同运行，其中每一笔交易必须保持物理可行性，同时其碳负债及相关的财务责任需根据排放的运行起源进行分配。这种耦合构成了跨载体智能市场中碳责任结算的基础。

本研究的主要贡献是一种载体解析的结算公式，将碳金融治理嵌入电力与天然气配电网耦合的去中心化出清过程中。包括残差自适应ADMM、信息间隙决策理论、储能调度、可再生能源转换、电动汽车灵活性和层级协调在内的既有技术，被作为支撑组件使用，而非作为独立的方法论创新加以宣称。该公式根据用于确定可行电力和天然气交易的同一受网络约束的运行状态来分配碳责任。电力相关责任反映上游采购、燃气发电和输送效应，而天然气责任则纳入上游载体强度和管道相关排放。这些数量被转移至社区耦合点并纳入市场结算，从而将碳财务责任与每一笔交易的载体、供应构成、输送路径和网络状态联系起来。

另一项贡献是在信息交换受限的条件下实现该机制的去中心化运行。每个多能社区保留其私有需求和转换单元的内部调度，包括可再生能源资源、储能系统、灵活负荷和车辆电池。只有电力和天然气界面交易被通信给基础设施运营商，运营商则分别执行电压、支路容量、气压、管道、压缩机、发电和网络储能约束。残差自适应ADMM在不需要披露内部运行数据的情况下协调社区侧和网络侧的交易决策。

由此产生的架构通过公共交易变量和迭代反馈将碳责任、网络可行性和市场结算耦合在一起。社区转换、储能或出行决策的变化会改变载体提取量、网络状态、发电分配和耦合点碳强度；这些变化随后影响碳条件化结算信号和社区调度。这种相互作用使所提出的碳金融治理结构区别于调度后顺序执行的碳核算。

可再生能源发电、多形式储能、出行灵活性和基于IGDT的不确定性防护被集成在该核心公式周围，以评估其在日益灵活和不确定的城市运行条件下的表现。它们的作用是考察当来源构成、时间能量转移、车辆参与以及联合可再生能源-需求偏差改变物理运行和金融碳暴露时，同一碳解析市场机制的表现如何。

本文其余部分的结构如下。第2节介绍跨层级市场架构。第3节建立综合社区-网络模型，第4节介绍保护隐私的市场结算机制。第5节报告并讨论数值结果。第6节对全文进行总结。

**段落摘录**

**碳金融治理的跨载体市场架构**

图1展示了耦合电力和天然气市场的去中心化出清架构。多能社区在上层确定日前调度，而运营商在下层管理电力和燃气网络可行性。两层之间的协调通过残差自适应交替方向乘子法实现，该方法迭代交换共享的载体交易，直到数量和结算价格收敛。

**碳金融整合的社区-网络模型**

混合整数线性公式在统一的碳金融治理结构下，将社区级调度与安全的电力和天然气网络运行耦合起来。在上层表示社区转换、储能、电动汽车运行、载体交换和碳相关负债，在下层执行电力和燃气网络可行性约束。由此产生的公式将物理载体流与碳归因联系起来。

**碳金融治理的去中心化市场结算**

图5展示了独立调度的多能社区与耦合电力-天然气网络的迭代协调过程。社区仅公开其计划的电力和燃气交易，而需求曲线、设备调度、储能轨迹和车辆决策保持私有。运营商评估网络可行的交换并返回更新的载体数量和结算信号。在此过程中，碳金融治理将交易与……联系起来

**耦合网络基准与数值配置**

案例研究结合了改进的IEEE 69节点配电网、65节点天然气网络以及连接两种基础设施的十个多能社区。层级模型在GAMS中实现并使用CPLEX求解。七个案例分别隔离了自适应协调、碳税、太阳能电力、太阳能热生产、多形式储能和协同电动汽车运行的影响。输入数据来源于（Zare et al., 2026, SeyedShenava et al., 2025）。

**结论**

将自主多能社区与耦合电力和天然气网络协调需要在一个共同的运行过程中调和物理可行性、私有调度、排放归因和碳金融治理。本研究通过一种层级混合整数线性架构来公式化该问题，该架构将社区转换、储能和车辆决策与电力流、燃气流和网络安全约束耦合起来。载体解析的……

**资金支持**

本研究未获得公共、商业或非营利部门基金机构的任何专门资助。

**发表同意**

不适用。

**生成式AI和AI辅助技术在写作过程中的声明**

在本文撰写过程中，作者使用了生成式AI和AI辅助工具，包括ChatGPT、Grammarly和QuillBot，仅用于语言润色、语法检查和可读性改善。这些工具未被用于开发所提……

**CRediT作者贡献声明**

Liu Jiexian：撰写——初稿，可视化，验证，监督，软件，项目管理，方法论，调查，概念化。Xu Shiju：撰写——审阅与编辑，软件，资源，方法论，调查，形式化分析，数据整理。

**利益冲突声明**

作者声明，他们不存在任何已知的可能影响本文所呈现工作的冲突财务利益或个人关系。

**致谢**

本工作部分得到教育部人文社科青年基金项目"绿色发展促进高质量发展的机制与政策优化研究"（编号24YJC630132）的资助；安徽省社会科学重点项目：企业碳信息披露关系专用性投资价值创造机制——以安徽省为例（编号AHSKQ2022D042）的资助；以及高层次人才引进和培养项目"Jiexian Liu | Shiju Xu"。