混合能源存储与微电网及工业城镇中的点对点交易集成：博弈论与决策方法

《Journal of Energy Storage》：Hybrid energy storage-integrated peer-to-peer trading in microgrids and industrial towns: Game theory and decision-making approaches

P2P能源交易框架融合电池与氢能储能系统及健康监测模块，通过博弈论优化策略实现成本降低、收益提升、存储寿命延长及碳排放减少。摘要：该研究提出一种集成电池（BESS）和氢能存储系统（HESS）的健康感知P2P能源交易框架，利用NASA公开电池退化数据集训练健康监测模块，动态调整交易策略以平衡经济收益、设备寿命和系统可靠性。实验表明，相比传统电网模式，该框架可降低22%碳排放，提升15%运营收益，并延长储能系统寿命。

　　

穆罕默德·迈萨姆·卡兹米（Muhammad Meisam Kazmi）| 莫丁·侯赛因（Md Momin Hossain）| 拉塞尔·萨克尔（Md Rasel Sarkar）| 穆斯林·乌丁（Moslem Uddin）| 斯卡·A·谢赞（Sk.A. Shezan）| 伊诺森特·卡姆瓦（Innocent Kamwa）| 莫夫塔胡尔·费尔达乌斯（Md Meftahul Ferdaus）| 林润熙（Runxi Lin）| 乌莎·阿克特（Usha Akter）

中国四川省绵阳市西南科技大学信息与控制工程学院，邮编621000

摘要

分布式能源资源（DERs）的日益普及以及全球对低碳能源系统的推动，凸显了在微电网和工业社区中需要智能、灵活的管理策略。点对点（P2P）能源交易为提高地方自主性、降低成本和支持可持续能源交换提供了有前景的途径。本文提出了一个紧凑的多目标、基于博弈论的P2P交易框架，该框架整合了电池储能系统（BESS）、氢储能系统（HESS）和实时异常检测技术。一个健康监测模块利用NASA公开的电池和燃料电池退化数据集进行训练，评估储能状况并动态调整交易和调度决策。这使得能源调度能够兼顾盈利能力、资产寿命和系统可靠性。通过使用修改后的IEEE-14母线系统，所提出的框架显示出显著的优势：与仅依赖电网的运行方式相比，运营成本降低、生产者消费者的收入增加、储能寿命延长，以及$CO{}_{\text{2}}排放大幅减少。结果证实了将健康意识决策与混合BESS-HESS系统相结合对于构建高效、有弹性和符合环境要求的P2P能源市场的价值。$

引言

随着各国寻求减少温室气体排放、提高能源安全并支持长期可持续性，向更清洁、去中心化和更智能的能源系统的转型正在全球加速[1]、[2]。传统电力网络严重依赖化石燃料，面临着从环境影响到管理需求波动灵活性有限等一系列挑战[3]。随着太阳能和风能等可再生能源的广泛采用，现代电力系统还必须解决间歇性、可变性以及由此导致的供需不平衡问题[3]。

点对点（P2P）能源交易已成为一种实用的去中心化能源管理解决方案。通过使生产者消费者能够交换本地产生的能源，P2P市场可以提高自主性、降低对电网的依赖、降低运营成本，并促进社区层面的韧性[4]、[5]。根据设计不同，P2P系统可以从中央协调的市场到完全去中心化的模型不等，后者使用区块链和智能合约[6]、[7]。在所有结构中，储能系统（ESS），特别是BESS和HESS，在缓冲可再生能源波动和提高交易灵活性方面发挥着关键作用[8]。

尽管有这些优势，现有文献中仍存在一些局限性。首先，P2P市场经常受到可再生能源不稳定性导致的过剩和短缺周期的影响[9]、[10]。其次，许多现有的交易机制没有考虑公平性、激励对齐或长期可持续性，这可能导致参与度不稳定和能源分配不佳[11]、[12]。第三，虽然ESS单元支持可靠性，但它们也会经历电化学退化。电池会因循环老化和内部电阻增加而退化，而燃料电池则面临膜和催化剂的退化[13]。大多数P2P模型将储能视为理想化的，并未能将其健康状况纳入交易决策[14]。这就形成了一个关键的研究空白：缺乏一个统一的P2P市场框架，该框架能够结合实时健康状况、异常检测和针对BESS及HESS的退化意识决策（见表1）。

为了解决上述挑战，本文提出了一种具有健康意识的、集成储能的P2P能源交易框架，其主要贡献包括：

• •
  一个结合了来自NASA真实数据集的电池和燃料电池异常指标的健康意识P2P能源交易模型。
• •
  一个根据动态ESS健康状况调整交易、储能和定价策略的退化适应决策层。
• •
  一个结合博弈论定价模型和基于VAM的分配方法的统一优化框架，以最小化成本并最大化生产者消费者的收入。
• •
  对BESS、HESS以及混合BESS+HESS系统的联合评估，展示了它们对经济性、储能寿命和${}_2$
  减排的影响。

•

一项详细的数值分析，展示了在多种情景下成本效率的提高、排放量的降低以及交易稳定性的改善。

这些贡献共同建立了一种适用于工业集群和互联微电网环境的可扩展的、注重健康意识的P2P交易方法。

本文的结构如下：第2节回顾了P2P市场、储能系统和异常检测的相关工作。第3节介绍了所提出的系统模型、异常检测策略和退化意识交易机制。第4节描述了实施和案例研究设置。第5节总结了工作内容并概述了潜在的未来研究方向。

部分摘录

背景

随着各国努力应对气候变化、能源安全和经济可持续性的紧迫挑战，向去中心化和可再生能源系统的转型正在加速[15]。传统的集中式能源基础设施越来越多地被分布式能源资源（DERs）所补充或取代，如屋顶太阳能板、风力涡轮机和BESS，这些资源允许更本地化、灵活和有弹性的电力生产和消费[15]。由于通信技术的最新发展

方法论

图1所示的架构展示了互联的微电网和生产者消费者，它们与光伏（PV）、电池储能和氢储能系统集成在一起。能量通过电网基础设施流动，而与市场运营商的双向数据通信实现了协调控制和基于市场的能源交易。

实验与结果

本节展示了所提出框架的结果。分析分为两部分：（i）通过检测异常和跟踪退化来评估电池和燃料电池的状态；（ii）评估P2P能源交易对经济和环境的影响。总体而言，结果表明，考虑储能状态的决策结合去中心化能源交换能够塑造整个系统的性能。

结论

本研究提出了一个适用于工业城镇和互联微电网的健康意识P2P能源交易框架。该模型使每个代理都能灵活地作为买家或卖家进行操作，得到了分布式能源资源（DERs）和混合BESS-HESS储能的支持。通过结合NASA的真实电池数据集和质子交换膜（PEM）燃料电池数据集的退化信息，系统根据储能状况调整其交易行为，确保了长期可靠性和经济合理性

CRediT作者贡献声明

穆罕默德·迈萨姆·卡兹米（Muhammad Meisam Kazmi）：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、软件、资源、方法论、调查、形式分析、数据整理、概念化。莫丁·侯赛因（Md Momin Hossain）：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、软件、资源、方法论、调查、形式分析、数据整理、概念化。拉塞尔·萨克尔（Md Rasel Sarkar）：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：斯卡·A·谢赞（Sk. A. Shezan）报告称获得了北方边境大学（Northern Border University）的财务支持。伊诺森特·卡姆瓦（Innocent Kamwa）报告称获得了拉瓦尔大学（Laval University）的财务支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本项工作部分得到了加拿大国家科学与工程研究委员会通过拉瓦尔大学（Grant编号：ALLRP567550-21）的支持。作者感谢沙特阿拉伯阿拉尔（Arar）北方边境大学科学研究系通过项目编号“NBU-FFR-2026-3623-99”对这项研究的资助。