CN106846179A - 一种基于非合作博弈的居民负荷双层调度优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非合作博弈的居民负荷双层调度优化方法，包括以下步骤：S1：针对上层市场侧，构建负荷聚合商非合作博弈模型；S2：针对下层用户侧，构建居民负荷实时调度模型；S3：通过求解非合作博弈模型以及实时调度模型，负荷聚合商获得最优的负荷削减投标量以及最合理的负荷调度策略。本发明将非合作博弈思想引入到需求响应当中，根据非合作博弈思想将负荷聚合商利润函数转化为非合作博弈模型，通过求解非合作博弈模型，即寻找纳什均衡解，聚合商获得在峰负荷时段最优的负荷削减投标量，并根据用户三类负荷用电物理特性，基于投标量进行用户负荷最优实时调度，从而在保证用户舒适度的情况下使得聚合商利润最大。

Description

一种基于非合作博弈的居民负荷双层调度优化方法

技术领域

本发明涉及居民负荷双层调度优化方法，特别是涉及一种基于非合作博弈的居民负荷双层调度优化方法。

背景技术

需求侧作为智能电网重要组成部分，需求侧资源在电网中的调控作用也逐渐显现出来，并以需求响应的形式和电网进行双向互动。在需求侧资源中，居民用户用电量占社会总用电量的36.6％，但是单个用户负荷弹性水平较低，达不到参与需求响应的最低水平。因此，可以通过负荷聚合商聚合用户柔性负荷资源以便达到参与需求响应的最低水平，从而参与到电网调度。作为新兴的独立售电组织，聚合商通过整合需求响应资源售卖给电力公司调度部门，并从中获得一定的利润。聚合商的出现不仅可以将居民用户侧需求响应资源引入市场交易，提高需求响应的效益，还可以帮助用户形成高效的用电方式，提高终端用电效率。

目前，国内关于负荷聚合商的研究尚处于起步阶段，研究内容多是以一种负荷作为聚合商调控对象(如空调、电动汽车)或者并未指出具体的调控对象，很少有考虑在用户拥有多种不同特性的柔性负荷情况下，研究聚合商对这些负荷的调度和控制策略。然而，现实生活中居民用户一般都会有多种柔性负荷，聚合商针对不同负荷的调控调度对用户产生的影响不同，从而给予用户的补偿费用也不尽相同。例如，聚合商对用户空调进行调控时，用户的舒适度会受到较大的影响；而聚合商对电动汽车进行调控时，只需电动汽车蓄电量满足用户出行条件就不会对用户产生任何影响。另外，目前鲜有文章考虑利用非合作博弈思想对聚合商负荷削减投标量进行优化决策。

由此可见，当前尚未有通过运用非合作博弈思想对居民各类家庭负荷进行双层调度优化。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种能够解决现有技术中存在的缺陷的基于非合作博弈的居民负荷双层调度优化方法。

技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的基于非合作博弈的居民负荷双层调度优化方法，包括以下步骤：

S1：针对上层市场侧，构建负荷聚合商非合作博弈模型；

S2：针对下层用户侧，构建居民负荷实时调度模型；

S3：通过求解非合作博弈模型以及实时调度模型，负荷聚合商获得最优的负荷削减投标量以及最合理的负荷调度策略。

进一步，所述步骤S1中的负荷聚合商非合作博弈模型的构建包括以下步骤：

S1.1：计算所有聚合商在时段h总负荷削减量

式(1)中，为聚合商n在h时段负荷削减量，1≤n≤N，1≤h≤H；

S1.2：计算电网调度部门支付给聚合商的费用p_h：

式(2)中，a_h＜0，b_h＞0为只与h相关的常量，L_h为时段h预测负荷量；

S1.3：根据负荷特性将居民负荷分为I类负荷、II类负荷和III类负荷，其中，I类负荷可转移可中断，II类负荷可转移不可中断，III类负荷不可转移可间歇性中断；

S1.4：计算聚合商n在削峰时段的总利润

式(3)中，表示聚合商n的负荷削减策略，为聚合商n的负荷削减量；λ_i为聚合商对第i类负荷的补偿费用，i＝1,2,3，且满足λ₁＜λ₂＜λ₃；为聚合商n的第i类负荷削减量；表示除了聚合商n以外的其他N-1个聚合商负荷削减策略。

进一步，所述步骤S2中的居民负荷实时调度模型的构建包括以下步骤：

S2.1：计算聚合商n实际调度环节时段h可以削减的负荷量

式(4)中，为负荷在时段h的功率，为第i类负荷中的一种，为用户m的第i类负荷，i＝1,2,3，1≤m≤M，Δh为时间间隔，表示负荷在时段h的状态，表示负荷处于关闭状态，表示负荷处于开启状态；

S2.2：以最小化和偏差作为聚合商对用户负荷实时调度的目标函数，即

式(5)中，为所有需要削减负荷的时段；

负荷聚合商在进行负荷调度时应当遵守三类负荷的用电物理约束，其中：

1)I类负荷的用电物理约束如式(6)所示：

式(6)中，为用户m负荷日所需电量，Δh₁为聚合商对I类负荷的调控时间间隔，为I类负荷可以工作的时段；

2)II类负荷的用电物理约束如式(7)所示：

式(7)中，为用户m负荷日所需电量，Δh₂为聚合商对II类负荷的调控时间间隔，为II类负荷可以工作的时段，且

3)III类负荷的用电物理约束如式(8)和式(9)所示：

式(8)中，表示用户m负荷最小开通时间，表示用户m负荷最大中断时间，Δh₃为聚合商对III类负荷的调控时间间隔。

有益效果：本发明公开了一种基于非合作博弈的居民负荷双层调度优化方法，将非合作博弈思想引入到需求响应当中，根据非合作博弈思想将负荷聚合商利润函数转化为非合作博弈模型，通过求解非合作博弈模型，即寻找纳什均衡解，聚合商获得在峰负荷时段最优的负荷削减投标量，并根据用户三类负荷用电物理特性，基于投标量进行用户负荷最优实时调度，从而在保证用户舒适度的情况下使得聚合商利润最大。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的居民负荷双层调度的场景图；

图2为本发明具体实施方式中负荷聚合商最优负荷削减量；

图3为本发明具体实施方式中的电网原始负荷和经过负荷聚合商负荷削减后的电网负荷。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。

本具体实施方式涉及的居民负荷双层调度场景如图1所示，在上层市场侧，电力公司调度部门在日前会根据历史负荷数据对第二天负荷水平进行预测，确定负荷峰时段以及各时段关于负荷削减的市场价格信息，并将相关信息通报给所有聚合商。聚合商接收到负荷和价格信息后，以管辖区域所有参与负荷调度用户上报的最大柔性负荷量作为约束条件，和其他聚合商共同进行非合作博弈投标，以确定各聚合商在每个时段的调度计划。在下层用户侧，聚合商管辖区域用户自愿和聚合商签订合同，合同内容主要涉及用户参与调度的柔性负荷类型以及相应的补偿机制。为了实现居民负荷的双层调度，电力公司调度部门和聚合商间均已安装通信设备；用户均已安装包括智能电表、双向通信网络以及量测数据管理系统在内的高级量测体系。

本具体实施方式公开了一种基于非合作博弈的居民负荷双层调度优化方法，包括以下步骤：

S1：针对上层市场侧，构建负荷聚合商非合作博弈模型；

S2：针对下层用户侧，构建居民负荷实时调度模型；

S3：通过求解非合作博弈模型以及实时调度模型，负荷聚合商获得最优的负荷削减投标量以及最合理的负荷调度策略。

步骤S1中的负荷聚合商非合作博弈模型的构建包括以下步骤：

S1.1：设博弈模型中共有个负荷聚合商参与需求响应，共有个时段需要削减负荷，聚合商n在h时段负荷削减量为1≤n≤N，1≤h≤H，则所有聚合商在时段h总负荷削减量为：

S1.2：电网调度部门支付给聚合商的费用按照市场价格来结算，市场价格通常与负荷水平之间呈显著的线性关系，由此可根据式(2)计算电网调度部门支付给聚合商的费用p_h：

式(2)中，a_h＜0，b_h＞0为只与h相关的常量，L_h为时段h预测负荷量；

S1.3：根据负荷特性将居民负荷分为I类负荷、II类负荷和III类负荷，其中，I类负荷可转移可中断，如电动汽车、电热水器等；II类负荷可转移不可中断，如洗衣机、洗碗机等；III类负荷不可转移可间歇性中断，如空调、电地暖等；

S1.4：计算聚合商n在削峰时段的总利润

式(3)中，表示聚合商n的负荷削减策略，为聚合商n的负荷削减量；λ_i为聚合商对第i类负荷的补偿费用，i＝1,2,3，且满足λ₁＜λ₂＜λ₃；为聚合商n的第i类负荷削减量；表示除了聚合商n以外的其他N-1个聚合商负荷削减策略。

步骤S2中的居民负荷实时调度模型的构建包括以下步骤：

S2.1：设负荷聚合商n管辖区域中共有个用户参加负荷调度，计算聚合商n实际调度环节时段h可以削减的负荷量

式(4)中，为负荷在时段h的功率，为第i类负荷中的一种，为用户m的第i类负荷，i＝1,2,3，1≤m≤M，Δh为时间间隔，表示负荷在时段h的状态，表示负荷处于关闭状态，表示负荷处于开启状态；

S2.2：聚合商在投标环节经过博弈后决策出使自身利润最大的投标策略，但由于用户负荷固有的用电物理属性约束以及聚合商实时调度时控制变量是离散变量，所以计划负荷削减量和实际削减量并不一定总是相同。为了能够利润最大化，聚合商会通过控制的开断状态来缩小计划和实时调度的偏差。因此，以最小化和偏差作为聚合商对用户负荷实时调度的目标函数，即

式(5)中，为所有需要削减负荷的时段；

负荷聚合商在进行负荷调度时应当遵守三类负荷的用电物理约束，其中：

1)I类负荷的用电物理约束如式(6)所示：

式(6)中，为用户m负荷日所需电量，Δh₁为聚合商对I类负荷的调控时间间隔，为I类负荷可以工作的时段；

2)II类负荷的用电物理约束如式(7)所示：

式(7)中，为用户m负荷日所需电量，Δh₂为聚合商对II类负荷的调控时间间隔，为II类负荷可以工作的时段，且

3)III类负荷的用电物理约束如式(8)和式(9)所示：

式(8)中，表示用户m负荷最小开通时间，表示用户m负荷最大中断时间，Δh₃为聚合商对III类负荷的调控时间间隔。

本具体实施方式中，图1场景中有3个负荷聚合商，聚合商1管辖区域有8千个用户愿意参加负荷调度，聚合商2、3分别为9千和1万个用户愿意参加负荷调度，并将用户按照500户一组进行统一调度控制。用户三类负荷为：(I)类负荷：电动汽车；(II)类负荷：洗衣机和洗碗机；(III)类负荷：空调。电网部门确定的调度间隔为Δh＝15min，需要削减负荷的峰时段为晚上18:00-21:00共12个时段，调度周期为晚上18:00-次日06:00共48个时段。电网调度部门设置的电价参数为：a_h＝-0.030，b_h＝0.012(h＝1～5和11～12)；a_h＝-0.0272，b_h＝0.013(h＝6～10)。聚合商补偿给用户的费用参数为：λ₁＝0.152，λ₂＝0.228，λ₃＝0.380。另外，三类负荷用电物理约束为：电动汽车充电时间段为晚上18:00-次日06:00；用户洗衣机功率服从[0.4,0.6]kW上的均匀分布，洗碗机功率服从[0.6,1]kW上的均匀分布，洗衣机和洗碗机用电时间段晚上18:00-24:00；空调功率为1.5kW，空调使用时段为晚上18:00-次日06:00，受聚合商控制时段为18:00-21:00。

根据上述数据和模型，经过计算可得最优结果，如图2—图3以及表1所示。图2为博弈后3个负荷聚合商在12个时段内各自计划削减的负荷量，从中可以看出削减量与电网预测的峰时段负荷曲线趋势一致。表1所示为聚合商投标与实际削减量的偏差，从中可以看出，出现较大偏差的是聚合商2在时段1的10.67kWh以及聚合商3在时段3的8.50kWh，其余时段偏差均小于1kWh。图3为调度优化后的电网负荷曲线，从图中可以看出峰时段的负荷大幅度降低，尤其是在尖峰时段6～10，而谷时段通过电动汽车的充电使得负荷有所上升，因此聚合商对电网负荷起到了很好的削峰填谷作用。经过计算可得，负荷聚合商1的利润为8.61千元，聚合商2为9.41千元，聚合商3为10.59千元；管辖区域1用户受益为9.13千元，区域2用户受益为9.42千元，区域3用户受益为10.06千元。从上述分析可以看出，居民负荷双层调度模型可以使得聚合商、调度部门以及居民用户均能从中受益。

表1投标与实际削减量偏差(kWh)

Claims (3)

1.一种基于非合作博弈的居民负荷双层调度优化方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：针对上层市场侧，构建负荷聚合商非合作博弈模型；

S2：针对下层用户侧，构建居民负荷实时调度模型；

S3：通过求解非合作博弈模型以及实时调度模型，负荷聚合商获得最优的负荷削减投标量以及最合理的负荷调度策略。

2.根据权利要求1所述的基于非合作博弈的居民负荷双层调度优化方法，其特征在于：所述步骤S1中的负荷聚合商非合作博弈模型的构建包括以下步骤：

S1.1：计算所有聚合商在时段h总负荷削减量

$L_s^h=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{L}_{sn}^h---\left(1\right)$

式(1)中，为聚合商n在h时段负荷削减量，1≤n≤N，1≤h≤H；

S1.2：计算电网调度部门支付给聚合商的费用p_h：

$p_h=a_h{L}_s^h+b_h{L}_h---\left(2\right)$

式(2)中，a_h＜0，b_h＞0为只与h相关的常量，L_h为时段h预测负荷量；

S1.3：根据负荷特性将居民负荷分为I类负荷、II类负荷和III类负荷，其中，I类负荷可转移可中断，II类负荷可转移不可中断，III类负荷不可转移可间歇性中断；

S1.4：计算聚合商n在削峰时段的总利润

$R_n(L_n^s,L_{-n}^s)=\underset{h=1}{\overset{H}{\Σ}}\[p_h{L}_{sn}^h-\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_i{L}_{{\mathrm{sn}}_i}^h\]---\left(3\right)$

式(3)中，表示聚合商n的负荷削减策略，为聚合商n的负荷削减量；λ_i为聚合商对第i类负荷的补偿费用，i＝1,2,3，且满足λ₁＜λ₂＜λ₃；为聚合商n的第i类负荷削减量；表示除了聚合商n以外的其他N-1个聚合商负荷削减策略。

3.根据权利要求2所述的基于非合作博弈的居民负荷双层调度优化方法，其特征在于：所述步骤S2中的居民负荷实时调度模型的构建包括以下步骤：

S2.1：计算聚合商n实际调度环节时段h可以削减的负荷量

式(4)中，为负荷在时段h的功率，为第i类负荷中的一种，为用户m的第i类负荷，i＝1,2,3，1≤m≤M，Δh为时间间隔，表示负荷在时段h的状态，表示负荷处于关闭状态，表示负荷处于开启状态；

S2.2：以最小化和偏差作为聚合商对用户负荷实时调度的目标函数，即

式(5)中，为所有需要削减负荷的时段；

负荷聚合商在进行负荷调度时应当遵守三类负荷的用电物理约束，其中：

1)I类负荷的用电物理约束如式(6)所示：

式(6)中，为用户m负荷日所需电量，Δh₁为聚合商对I类负荷的调控时间间隔，为I类负荷可以工作的时段；

2)II类负荷的用电物理约束如式(7)所示：

式(7)中，为用户m负荷日所需电量，Δh₂为聚合商对II类负荷的调控时间间隔，为II类负荷可以工作的时段，且

3)III类负荷的用电物理约束如式(8)和式(9)所示：

式(8)中，表示用户m负荷最小开通时间，表示用户m负荷最大中断时间，Δh₃为聚合商对III类负荷的调控时间间隔。