CN109919452A - 一种基于多主体博弈的电力-天然气综合能源系统联合规划方法 - Google Patents

Abstract

一种基于多主体博弈的电力‑天然气综合能源系统联合规划方法，包括以下步骤：步骤一：构建天然气公司、电网公司的规划收益模型；步骤二：使天然气公司的天然气能源系统与电网公司的电能系统之间形成联合规划的动态博弈；步骤三：对决策方案进行安全校核，首先计算电力网络的潮流，然后根据耦合节点以及天然气网络的原始参数计算天然气网络的潮流，从而实现两个能源网络的参数信息交互。本发明目的是为了提供一种同时考虑电力系统、天然气能源系统，并将它们联合规划以实现了两个能源网络的参数信息交互，并保证两个博弈主体统一在同一个博弈模型中规划决策的安全可靠性的能源系统联合规划方法。

Description

一种基于多主体博弈的电力-天然气综合能源系统联合规划 方法

技术领域

本发明属于电力系统规划研究领域，尤其是涉及以电力为核心的综合能源系统规划领域。

背景技术

随着环境问题和能源危机日益突显，电网的运行更加复杂，综合能源协调规划问题进一步加剧，亟需研究以电力网络为核心的综合能源系统联合规划方法。一方面，天然气投资商开始作为独立主体参与综合能源协调规划的投资与运营，使得投资主体多元化成为我国增量配电网最显著的特征之一；另一方面，博弈理论已在电力系统的多类规划问题中得到了有效应用，但是将其应用于综合能源系统联合规划问题的研究尚未见报道。在此背景下，研究考虑多主体博弈的电力-天然气综合能源系统联合规划方法研究具有重要的理论和实际意义。

事实上，在综合能源协调规划中，不同主体在规划时往往是以自身利益为出发点，较少考虑整个市场中的整体利益。此外，多主体联合规划时，多博弈主体处于相对独立的网络中，其决策方案无法直接放入到同一个网络模型中进行安全校核。可见，现有研究规划模型，存在以下问题：

1)由于忽略了独立投资主体之间的博弈关系，这种规划方法很难兼顾市场中每一个投资主体的利益诉求，因而规划决策的精确性和有效性不高；

2)部分基于多主体博弈构建的规划模型，难以有效描述实际综合能源系统中广泛存在的多博弈主体在同一博弈模型安全校核问题。

因此，在研究独立主体间博弈机理的基础上，分别构建电网和天然气规划收益模型，提出基于顺序求解法的电力-天然气混合潮流计算对多个投资主体的决策方案进行安全校核，以寻求多主体参与的规划决策纳什均衡，是一个更为符合市场机制的有效思路。

发明内容

本发明目的是为了提供一种同时考虑电力系统、天然气能源系统，并将它们联合规划以实现了两个能源网络的参数信息交互，并保证两个博弈主体统一在同一个博弈模型中规划决策的安全可靠性的能源系统联合规划方法。

发明的目的是这样实现的：

一种基于多主体博弈的电力-天然气综合能源系统联合规划方法，包括以下步骤：

步骤一：构建天然气公司、电网公司的规划收益模型；

对于天然气公司，以降低天然气网络的投资建设及运行成本、增加售气收入、使收益最大化为目标构建收益模型；

对于电网公司，以降低网损成本、投资成本、购电成本、增加售电收入、使自身利益最大化为目标构建收益模型；

步骤二：使天然气公司的天然气能源系统与电网公司的电能系统之间形成联合规划的动态博弈；电网公司的规划决策包括对燃气机组进行选址定容、对输电线路的投建位置进行选择，天然气公司的决策为管道的新建方案，天然气公司可以决策天然气管道结构，影响电网燃气机组的投资建设及电网售电收益；而电网公司可以决策网架，追求最小化投资，影响天然气的消纳；两个主体独立决策，但彼此相互影响，形成博弈关系；

步骤三：对决策方案进行安全校核，首先计算电力网络的潮流，然后根据耦合节点以及天然气网络的原始参数计算天然气网络的潮流，从而实现两个能源网络的参数信息交互，将两个博弈主体统一到同一个博弈模型中，进而实现天然气网络规划方案安全校核，最后根据校核结果确定该博弈回合下，两个投资主体的最终决策方案。

在步骤一中，在构建电网公司规划收益模型时，包括目标函数的设置和约束条件的设置；

1.电网公司规划收益模型的目标函数如下：

电网公司收益目标函数包括售电收入I_GSE、燃气机组的投资成本C_IG、输电线路的投资成本C_IT、发电机的运行成本C_OG和网损成本C_TL。具体计算如下：

F_E＝I_GSE-C_IG-C_IT-C_OG-C_TL (1)

式中：t为规划水平年，T为规划水平年总数，E_Ldt为t水平年的年负荷，ρ_E为电价。S_GGU为燃气机组的待选集合，x_i为燃气机组i的投资0-1变量，α_i为燃气机组i的投资费用，ω为资金折现率，T_G是燃气机组的设备使用寿命。S_TL为输电线路的待选集合，y_j输电线路j 的投资0-1变量，β_j为输电线路j的投资费用，T_TL是线路的使用寿命。m是发电机的编号， g_mt是发电机m在t水平年的的运行时间，C_GCm是发电机m的运行成本，P_Gm是发电机m 的有功功率。l是线路的编号，N_LOSSlt是线路l在t水平年的网损，μ_l是单位线路网损费用。

2.电网公司规划收益模型的约束条件包括功率平衡约束和潮流约束和火电机组出力约束和线路输送容量约束。

上述电网公司规划收益模型的约束条件如下：

1)功率平衡约束

式中：H、J和K分别表示输电线路、发电机、负荷与电力网络节点的关联矩阵；f_Llt表示 t水平年线路l上流过的潮流；P_gmt表示发电机m在t水平年的出力；E_Ldkt表示t水平年节点k的负荷；l、m、k和η分别表示输电线路、发电机、电力负荷和电力网络节点；S₁、S₂、 S₃和S₄分别表示输电线路集合、发电机集合、电力负荷集合和电力网络节点集合。

2)潮流约束

式中：P_q和Q_q分别为节点q处有功、无功注入；U_q和U_r分别为节点q和r电压幅值；G_qr和B_qr分别为支路q_r的电导、电纳；θ_qr为节点q、r间电压相角差。

3)火电机组出力约束

式中：表示火电机组b的出力上下限；S_TPU表示火电机组的集合。

4)线路输送容量约束

式中：f_Lqr是线路qr的潮流，为线路qr最大传输容量。

在步骤一中，在构建天然气公司收益模型时，包括目标函数的设置和约束条件的设置；

1.天然气公司规划收益模型的目标函数如下：

天然气公司收益目标函数包括售气收入I_GSG、输气管道的投资成本C_IP，天然气源的运行成本C_OW。具体计算如下：

F_G＝I_GSG-C_Ip-C_OW (11)

式中：E_Gdt为年负荷，ρ_G为气价。S_GP为输气管道的待选集合，z_i是输气管道的投资0-1变量，γ_i为输气管道的投资费用，ω为资金折现率，T_p是输气管道的使用寿命。n是天然气源的编号，g_nt是天然气源n在t水平年的运行时间，C_WCn是天然气源的运行成本，W_nt是天然气源的生产量。

2.天然气公司规划收益模型的约束条件包括节点压力约束、升压器容量约束、火电机组出力约束、线路输送容量约束。

上述天然气公司规划收益模型的约束条件如下：

1)节点压力约束

式中：分别代表节点h气压的最大值和最小值；S₅表示天然气网络节点的集合，其中t表示水平年。

2)升压器容量约束

式中：f_ct、π_a1t和π_a2t分别为t水平年升压器c流过的气流、进气口和出气口端的气压；Γ_c为升压器c的升压比例；O_c ^max为升压器的传输容量上限；S_C是升压器的集合。

3)天然气源出气量约束

式中：W_nt为气源n在t水平年的出气量；分别为气源n出气量的上下限；S_WT为所有气源节点的集合。

4)天然气管道输送容量约束

式中：f_ppt是管道p在t水平年的管道天然气流量；O_p ^max代表管道传输的容量上限；S_P表示天然气管道集合。

5)气流平衡约束

式中：A、V、R和Y分别表示天然气管道、加压器、天然气源、天然气负荷和天然气网络节点的关联矩阵；p、c、n、h和w分别表示天然气管道、加压器、天然气源、天然气负荷、天然气网络节点和负荷节点；S_GP、S_C、S_WT和S_WL分别表示天然气管道集合、加压器集合、天然气源集合、天然气负荷集合、天然气网络节点集合和所有负荷节点集合；f_ppt是管道p 在t水平年的管道天然气流量；f_ct为t水平年升压器c流过的气流；W_nt为气源n在t水平年的出气量；E_Gdht表示t水平年节点h的天然气负荷；S₅表示天然气网络节点的集合。

在步骤二中，在开始博弈时，首先由电网公司根据耦合节点得到的天然气网络传递的信息，通过调整燃气机组和输电线路的新建方案，给出决策M_E，使得电网公司收益最大化；然后再将潮流信息传递给耦合节点，耦合节点将电力潮流信息经过转化后传递给天然气公司，通过调整输气管道的决策，优化网络拓扑，给出决策M_G，使得天然气公司收益最大化；两个博弈主体的决策方案使得综合能源系统的拓扑更新，进入下一个博弈回合。

在博弈过程中当电网公司和天然气公司任意一方改变策略都无法获得更多的收益时，博弈达到均衡状态，动态博弈模型具体描述如下：

式中：均为在对方选择最优策略下的己方最优策略，在该策略组合下电网公司和天然气公司均能达到均衡意义下的最大收益；argmax()为使目标函数取值最大的变量集合； F_E、F_G分别是电网公司和天然气公司收益目标函数。

在步骤三中首先在电网给定决策方案后，计算该网架结构下的电力系统的潮流，得到耦合节点的节点功率，并对方案进行校核；然后利用耦合节点的能源转化关系，根据节点有功功率计算得到天然气流量，并将其带入到天然气潮流模型中进行计算，从而实现两个能源网络的参数信息交互。

所述耦合节点的能源转化关系如式(21)所示：

Ω_e＝δ_egΩ_g (21)

式中：Ω_g是输出量，Ω_e是输入量，δ_eg是输入量与输出量间的耦合系数。

式(21)中耦合节点约束的约束条件包括燃气机组出力约束、耦合节点功率平衡约束。

1.燃气机组出力约束

式中：表示燃气机组u的出力上下限；S_GF表示燃气机组的集合。

2.耦合节点功率平衡约束

式中：f_Lio表示流入耦合节点的电力潮流，f_po表示流入耦合节点的气流，Θ为燃气机组转化系数，f_Lco表示流出耦合节点的电力潮流，E_Ldo为耦合节点的负荷，o表示耦合节点。

电网公司和天然气公司在规划过程中互相掌握对方的全部策略信息。

采用上述技术方案，能带来以下技术效益：

1)引入电力-天然气混合潮流模型顺序求解法的思想，实现了两个能源网络的参数信息交互，保证了两个博弈主体统一在同一个博弈模型中规划决策的安全可靠性。

2)将博弈理论引入综合能源系统联合规划中，实现了不同投资主体间的完全信息动态博弈，决策机制更加合理和科学，更符合市场运行机制。

3)考虑了多个市场主体的博弈行为，提高电力-天然气综合能源系统总收益的同时保证了每个市场主体自身收益最大化，从而提升综合能源系统的市场活力和规划决策的有效性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1是本发明的流程图；

图2是本发明实施例中风光水储接入前的IEEE-39节点电力系统单线图；

图3是本发明实施例中风力发电站的系统结构示意图；

图4是本发明实施例中光伏发电站的系统结构示意图。

具体实施方式

一种基于多主体博弈的电力-天然气综合能源系统联合规划方法，考虑到投资主体有电网公司和天然气公司。与传统以电网公司为单一主体的规划问题不同，本发明中涉及多个投资主体且各主体彼此的利益诉求并不相同。对于天然气公司而言，希望降低天然气网络的投资建设及运行成本，增加售气收入，从而使收益最大化；对于电网公司，则希望降低网损、投资、购电等成本，增加售电收入，从而使自身利益最大化；不同投资主体在参与规划时目标偏向不同，彼此独立决策，因此需要分别构建上述两个投资主体的规划收益模型。

它包括以下步骤：

步骤一：构建天然气公司、电网公司的规划收益模型；

对于天然气公司，以降低天然气网络的投资建设及运行成本、增加售气收入、使收益最大化为目标构建收益模型；

对于电网公司，以降低网损成本、投资成本、购电成本、增加售电收入、使自身利益最大化为目标构建收益模型；

步骤二：使天然气公司的天然气能源系统与电网公司的电能系统之间形成联合规划的动态博弈；电网公司的规划决策包括对燃气机组进行选址定容、对输电线路的投建位置进行选择，天然气公司的决策为管道的新建方案，天然气公司可以决策天然气管道结构，影响电网燃气机组的投资建设及电网售电收益；而电网公司可以决策网架，追求最小化投资，影响天然气的消纳；两个主体独立决策，但彼此相互影响，形成博弈关系；

步骤三：对决策方案进行安全校核，首先计算电力网络的潮流，然后根据耦合节点以及天然气网络的原始参数计算天然气网络的潮流，从而实现两个能源网络的参数信息交互，将两个博弈主体统一到同一个博弈模型中，进而实现天然气网络规划方案安全校核，最后根据校核结果确定该博弈回合下，两个投资主体的最终决策方案。

在步骤一中，在构建电网公司规划收益模型时，包括目标函数的设置和约束条件的设置；

1.电网公司规划收益模型的目标函数如下：

电网公司收益目标函数包括售电收入I_GSE、燃气机组的投资成本C_IG、输电线路的投资成本C_IT、发电机的运行成本C_OG和网损成本C_TL。具体计算如下：

F_E＝I_GSE-C_IG-C_IT-C_OG-C_TL (1)

式中：t为规划水平年，T为规划水平年总数，E_Ldt为t水平年的年负荷，ρ_E为电价。S_GGU为燃气机组的待选集合，x_i为燃气机组i的投资0-1变量，α_i为燃气机组i的投资费用，ω为资金折现率，T_G是燃气机组的设备使用寿命。S_TL为输电线路的待选集合，y_j输电线路j 的投资0-1变量，β_j为输电线路j的投资费用，T_TL是线路的使用寿命。m是发电机的编号， g_mt是发电机m在t水平年的的运行时间，C_GCm是发电机m的运行成本，P_Gm是发电机m 的有功功率。l是线路的编号，N_LOSSlt是线路l在t水平年的网损，μ_l是单位线路网损费用。

2.电网公司规划收益模型的约束条件包括功率平衡约束和潮流约束和火电机组出力约束和线路输送容量约束。

所述电网公司规划收益模型的约束条件如下：

1)功率平衡约束

式中：H、J和K分别表示输电线路、发电机、负荷与电力网络节点的关联矩阵；f_Llt表示 t水平年线路l上流过的潮流；P_gmt表示发电机m在t水平年的出力；E_Ldkt表示t水平年节点k的负荷；l、m、k和η分别表示输电线路、发电机、电力负荷和电力网络节点；S₁、S₂、 S₃和S₄分别表示输电线路集合、发电机集合、电力负荷集合和电力网络节点集合。

2)潮流约束

式中：P_q和Q_q分别为节点q处有功、无功注入；U_q和U_r分别为节点q和r电压幅值；G_qr和B_qr分别为支路q_r的电导、电纳；θ_qr为节点q、r间电压相角差。

3)火电机组出力约束

式中：表示火电机组b的出力上下限；S_TPU表示火电机组的集合。

4)线路输送容量约束

式中：f_Lqr是线路qr的潮流，为线路qr最大传输容量。

在步骤一中，在构建天然气公司收益模型时，包括目标函数的构建和约束条件的设立；

1.天然气公司规划收益模型的目标函数如下：

天然气公司收益目标函数包括售气收入I_GSG、输气管道的投资成本C_IP，天然气源的运行成本C_OW。具体计算如下：

F_G＝I_GSG-C_Ip-C_OW (11)

式中：E_Gdt为年负荷，ρ_G为气价。S_GP为输气管道的待选集合，z_i是输气管道的投资0-1变量，γ_i为输气管道的投资费用，ω为资金折现率，T_p是输气管道的使用寿命。n是天然气源的编号，g_nt是天然气源n在t水平年的运行时间，C_WCn是天然气源的运行成本，W_nt是天然气源的生产量。

2.天然气公司规划收益模型的约束条件包括节点压力约束、升压器容量约束、火电机组出力约束、线路输送容量约束。

所述天然气公司规划收益模型的约束条件如下：

1)节点压力约束

式中：分别代表节点h气压的最大值和最小值；S₅表示天然气网络节点的集合，其中t表示水平年。

2)升压器容量约束

式中：f_ct、π_a1t和π_a2t分别为t水平年升压器c流过的气流、进气口和出气口端的气压；Γ_c为升压器c的升压比例；O_c ^max为升压器的传输容量上限；S_C是升压器的集合。

3)天然气源出气量约束

式中：W_nt为气源n在t水平年的出气量；分别为气源n出气量的上下限；S_WT为所有气源节点的集合。

4)天然气管道输送容量约束

式中：f_ppt是管道p在t水平年的管道天然气流量；O_p ^max代表管道传输的容量上限；S_P表示天然气管道集合。

5)气流平衡约束

式中：A、V、R和Y分别表示天然气管道、加压器、天然气源、天然气负荷和天然气网络节点的关联矩阵；p、c、n、h和w分别表示天然气管道、加压器、天然气源、天然气负荷、天然气网络节点和负荷节点；S_GP、S_C、S_WT和S_WL分别表示天然气管道集合、加压器集合、天然气源集合、天然气负荷集合、天然气网络节点集合和所有负荷节点集合；f_ppt是管道p 在t水平年的管道天然气流量；f_ct为t水平年升压器c流过的气流；W_nt为气源n在t水平年的出气量；E_Gdht表示t水平年节点h的天然气负荷；S₅表示天然气网络节点的集合。

在步骤二中，在开始博弈时，首先由电网公司根据耦合节点得到的天然气网络传递的信息，通过调整燃气机组和输电线路的新建方案，给出决策M_E，使得电网公司收益最大化；然后再将潮流信息传递给耦合节点，耦合节点将电力潮流信息经过转化后传递给天然气公司，通过调整输气管道的决策，优化网络拓扑，给出决策M_G，使得天然气公司收益最大化；两个博弈主体的决策方案使得综合能源系统的拓扑更新，进入下一个博弈回合。

在博弈过程中当电网公司和天然气公司任意一方改变策略都无法获得更多的收益时，博弈达到均衡状态，其求解流程过程如图2所示。动态博弈模型具体描述如下：

式中：均为在对方选择最优策略下的己方最优策略，在该策略组合下电网公司和天然气公司均能达到均衡意义下的最大收益；argmax()为使目标函数取值最大的变量集合； F_E、F_G分别是电网公司和天然气公司收益目标函数。

在步骤三中首先在电网给定决策方案后，计算该网架结构下的电力系统的潮流，得到耦合节点的节点功率，并对方案进行校核；然后利用耦合节点的能源转化关系，根据节点有功功率计算得到天然气流量，并将其带入到天然气潮流模型中进行计算，从而实现两个能源网络的参数信息交互。

所述耦合节点的能源转化关系如式(21)所示：

Ω_e＝δ_egΩ_g (21)

式中：Ω_g是输出量，Ω_e是输入量，δ_eg是输入量与输出量间的耦合系数。

式(21)中耦合节点约束的约束条件包括燃气机组出力约束、耦合节点功率平衡约束。

1.燃气机组出力约束

式中：表示燃气机组u的出力上下限；S_GF表示燃气机组的集合。

2.耦合节点功率平衡约束

式中：f_Lio表示流入耦合节点的电力潮流，f_po表示流入耦合节点的气流，Θ为燃气机组转化系数，f_Lco表示流出耦合节点的电力潮流，E_Ldo为耦合节点的负荷，o表示耦合节点。

电网公司和天然气公司在规划过程中互相掌握对方的全部策略信息。

本发明以一个典型的电力和天然气综合能源系统为例进行具体分析，该系统由IEEE24 节点电力系统和15节点的天然气网络组成。IEEE 24节点系统现有38条输电线路和9台火电机组。天然气的网络包括两个天然气源，五个天然气负荷(不包括耦合节点)，十二个天然气管道和4个升压器。已有燃气机组3台(编号6—8)，待选燃气机组5台(编号 1—5)。针对综合能源系统的规划，将电力-天然气综合能源系统规划分为各自单独规划、不考虑博弈的联合规划和考虑博弈的联合规划三种场景。三种场景的电力网络规划结果对比如图3所示，天然气网络规划结果对比如图4所示。

联合规划的必要性分析。将场景1各自单独规划和场景2不考虑博弈的联合规划进行对比分析，场景1和场景2的成本及收益对比如表1所示。

表1场景1和场景2的成本及收益对比

由表1可以看出，就投资成本而言，场景2比场景1的投资成本增加了1.763x10⁷元，其中电网投资增加了5.917x10⁶元，天然气网络投资也增加了1.171x10⁷元；这是因为场景 2以电力-天然气综合能源系统建设总体收益最优为目标制定相应的规划方案，所以在场景2中耦合点附近的线路扩建条数多于场景一，如支路1-3和7-8，从而使得投资成本增大。

就运行成本而言，和场景1相比，场景2的总运行成本减少了1.173x10⁷元，其中电网运行成本减少了2x10⁷元，天然气网络运行成本增加了2.886x10⁶元，网损成本增加了7.88x10⁶元。这是因为场景2在燃气机组附近扩增线路，一部份的发电量将会由火电机组转移到燃气机组，从而导致电网运行成本大幅降低，而天然气网络的运行成本小幅度增加。

从总体收益来看，场景2比场景1提升了2.544x10⁸元。这是因为场景2从电力-天然气综合能源系统的整体角度进行统筹协调，虽然会使投资成本和网损成本有所增加，但是由于其将部分发电负荷从火电机组转移到燃气机组，从而大大降低了整个系统的运行成本。所以，与场景1相比，场景2可以从整体上增加了电力-天然气综合能源系统的总收益，从而证明了电力-天然气综合能源系统联合规划的必要性。

考虑多主体博弈的必要性分析。将场景2不考虑博弈的联合规划和场景3考虑博弈的联合规划进行对比分析，场景2和场景3的成本及收益对比分析如下。

表2电网公司各项成本及收益

由表2可知，与情景2相比，情景3的电力网络投资成本减少了4.807x10⁶元，运行成本增加了1.990x10⁶元，网损成本减少了9.040x10⁶元。其原因是，情景3在计及多主体博弈以后，电网公司改变了线路投资组合，在1-3支路没有扩建线路，而9-11和10-11的投资成本相同，所以与情景2相比，降低了线路投资成本和网损成本。但是情景2与情景3都在节点1新建了一台燃气机组，所以与情景2相比，情景3在1-3支路的输送容量会降低，从而制约燃气机组的有功出力，并使得火电机组的出力增加、运行本增大，从而增大了电网公司的总运行成本。

表3天然气公司各项成本及收益

由表3可知，与情景2相比，情景3的天然气网络投资成本减少了1.943x10⁶元，运行成本减少了1x10⁶元，天然气公司收入减少了5.130x10⁷元。其原因是考虑多主体博弈以后，电网燃气机组运行成本的降低会减少天然气的需求量，从而减少天然气网络的供应量，进而降低天然气网络的运行成本和投资成本，同时也导致天然气网络的总收入降低。

表4电网公司和天然气公司的总收益

由表2、3、4可知，与情景2相比，情景3中电网公司收益增加了1.186x10⁷元，天然气公司收益减少了4.846x10⁷元，从而使得电力-天然气综合能源系统的总收益减少了3.660x10⁷元。其原因是在情景2中，规划方案是以整体利益最大化为目标，统一规划一次性得出，各投资主体需要服从总体收益最大化的目标，不能通过独立的策略改变来获得更有利于自身的规划结果。在这种情景下，整体收益的最大化是建立在牺牲电网公司收益的基础之上的，这种规划方法一方面不符合能源市场的实际运行机制，因为作为独立市场主体的电网公司不可能为了整体利益的最大化而接受使自己利益受损的规划方案；另一方面，如果将这种方案强加给电网公司，将会降低综合能源系统市场的活力，这无疑是与当前能源市场的改革背道而驰的。

情景3中，两个市场主体都是从自身利益出发进行独立决策，在相互制约的动态博弈过程中寻求令双方都满意的均衡博弈结果。相比与场景2，场景3的总体收益虽然有所降低，但是其规划方案统筹兼顾了所有市场参与主体的利益，不仅更符合市场运行机制，而且有效保证了市场活力。

Claims (10)

1.一种基于多主体博弈的电力-天然气综合能源系统联合规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：构建天然气公司、电网公司的规划收益模型；

对于天然气公司，以降低天然气网络的投资建设及运行成本、增加售气收入、使收益最大化为目标构建收益模型；

对于电网公司，以降低网损成本、投资成本、购电成本、增加售电收入、使自身利益最大化为目标构建收益模型；

步骤二：使天然气公司的天然气能源系统与电网公司的电能系统之间形成联合规划的动态博弈；电网公司的规划决策包括对燃气机组进行选址定容、对输电线路的投建位置进行选择，天然气公司的决策为管道的新建方案，天然气公司可以决策天然气管道结构，影响电网燃气机组的投资建设及电网售电收益；而电网公司可以决策网架，追求最小化投资，影响天然气的消纳；两个主体独立决策，但彼此相互影响，形成博弈关系；

步骤三：对决策方案进行安全校核，首先计算电力网络的潮流，然后根据耦合节点以及天然气网络的原始参数计算天然气网络的潮流，从而实现两个能源网络的参数信息交互，将两个博弈主体统一到同一个博弈模型中，进而实现天然气网络规划方案安全校核，最后根据校核结果确定该博弈回合下，两个投资主体的最终决策方案。

2.根据权利要求1所述的一种基于多主体博弈的电力-天然气综合能源系统联合规划方法，其特征在于：在步骤一中，在构建电网公司规划收益模型时，包括目标函数的构建和约束条件的设立；

1.电网公司规划收益模型的目标函数如下：

电网公司收益目标函数包括售电收入I_GSE、燃气机组的投资成本C_IG、输电线路的投资成本C_IT、发电机的运行成本C_OG和网损成本C_TL，具体计算如下：

F_E＝I_GSE-C_IG-C_IT-C_OG-C_TL (1)

式中：t为规划水平年，T为规划水平年总数，E_Ldt为t水平年的年负荷，ρ_E为电价，S_GGU为燃气机组的待选集合，x_i为燃气机组i的投资0-1变量，α_i为燃气机组i的投资费用，ω为资金折现率，T_G是燃气机组的设备使用寿命，S_TL为输电线路的待选集合，y_j输电线路j的投资0-1变量，β_j为输电线路j的投资费用，T_TL是线路的使用寿命，m是发电机的编号，g_mt是发电机m在t水平年的的运行时间，C_GCm是发电机m的运行成本，P_Gm是发电机m的有功功率，l是线路的编号，N_LOSSlt是线路l在t水平年的网损，μ_l是单位线路网损费用，

2.电网公司规划收益模型的约束条件包括功率平衡约束和潮流约束和火电机组出力约束和线路输送容量约束。

3.根据权利要求2所述的一种基于多主体博弈的电力-天然气综合能源系统联合规划方法，其特征在于：所述电网公司规划收益模型的约束条件如下：

1)功率平衡约束

式中：H、J和K分别表示输电线路、发电机、负荷与电力网络节点的关联矩阵；f_Llt表示t水平年线路l上流过的潮流；P_gmt表示发电机m在t水平年的出力；E_Ldkt表示t水平年节点k的负荷；l、m、k和η分别表示输电线路、发电机、电力负荷和电力网络节点；S₁、S₂、S₃和S₄分别表示输电线路集合、发电机集合、电力负荷集合和电力网络节点集合，

2)潮流约束

式中：P_q和Q_q分别为节点q处有功、无功注入；U_q和U_r分别为节点q和r电压幅值；G_qr和B_qr分别为支路q_r的电导、电纳；θ_qr为节点q、r间电压相角差，

3)火电机组出力约束

式中：表示火电机组b的出力上下限；S_TPU表示火电机组的集合，

4)线路输送容量约束

式中：f_Lqr是线路qr的潮流，为线路qr最大传输容量。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于多主体博弈的电力-天然气综合能源系统联合规划方法，其特征在于：在步骤一中，在构建天然气公司收益模型时，包括目标函数的构建和约束条件的设立；

1.天然气公司规划收益模型的目标函数如下：

天然气公司收益目标函数包括售气收入I_GSG、输气管道的投资成本C_IP，天然气源的运行成本C_OW，具体计算如下：

F_G＝I_GSG-C_Ip-C_OW (11)

式中：E_Gdt为年负荷，ρ_G为气价，S_GP为输气管道的待选集合，z_i是输气管道的投资0-1变量，γ_i为输气管道的投资费用，ω为资金折现率，T_p是输气管道的使用寿命，n是天然气源的编号，g_nt是天然气源n在t水平年的运行时间，C_WCn是天然气源的运行成本，W_nt是天然气源的生产量，

2.天然气公司规划收益模型的约束条件包括节点压力约束、升压器容量约束、火电机组出力约束、线路输送容量约束。

5.根据权利要求4所述的一种基于多主体博弈的电力-天然气综合能源系统联合规划方法，其特征在于：所述天然气公司规划收益模型的约束条件如下：

1)节点压力约束

式中：分别代表节点h气压的最大值和最小值；S₅表示天然气网络节点的集合，t表示水平年，

2)升压器容量约束

式中：f_ct、π_a1t和π_a2t分别为t水平年升压器c流过的气流、进气口和出气口端的气压；Γ_c为升压器c的升压比例；O_c ^max为升压器的传输容量上限；S_C是升压器的集合，

3)天然气源出气量约束

式中：W_nt为气源n在t水平年的出气量；分别为气源n出气量的上下限；S_WT为所有气源节点的集合，

4)天然气管道输送容量约束

式中：f_ppt是管道p在t水平年的管道天然气流量；O_p ^max代表管道传输的容量上限；S_P表示天然气管道集合，

5)气流平衡约束

式中：A、V、R和Y分别表示天然气管道、加压器、天然气源、天然气负荷和天然气网络节点的关联矩阵；p、c、n、h和w分别表示天然气管道、加压器、天然气源、天然气负荷、天然气网络节点和负荷节点；S_GP、S_C、S_WT和S_WL分别表示天然气管道集合、加压器集合、天然气源集合、天然气负荷集合、天然气网络节点集合和所有负荷节点集合；f_ppt是管道p在t水平年的管道天然气流量；f_ct为t水平年升压器c流过的气流；W_nt为气源n在t水平年的出气量；E_Gdht表示t水平年节点h的天然气负荷；S₅表示天然气网络节点的集合。

6.根据权利要求1或2或3或5所述的一种基于多主体博弈的电力-天然气综合能源系统联合规划方法，其特征在于：在步骤二中，在开始博弈时，首先由电网公司根据耦合节点得到的天然气网络传递的信息，通过调整燃气机组和输电线路的新建方案，给出决策M_E，使得电网公司收益最大化；然后再将潮流信息传递给耦合节点，耦合节点将电力潮流信息经过转化后传递给天然气公司，通过调整输气管道的决策，优化网络拓扑，给出决策M_G，使得天然气公司收益最大化；两个博弈主体的决策方案使得综合能源系统的拓扑更新，进入下一个博弈回合。

7.根据权利要求6所述的一种基于多主体博弈的电力-天然气综合能源系统联合规划方法，其特征在于：在博弈过程中当电网公司和天然气公司任意一方改变策略都无法获得更多的收益时，博弈达到均衡状态，动态博弈模型具体描述如下：

式中：均为在对方选择最优策略下的己方最优策略，在该策略组合下电网公司和天然气公司均能达到均衡意义下的最大收益；argmax()为使目标函数取值最大的变量集合；F_E、F_G分别是电网公司和天然气公司收益目标函数。

8.根据权利要求6所述的一种基于多主体博弈的电力-天然气综合能源系统联合规划方法，其特征在于：在步骤三中首先在电网给定决策方案后，计算该网架结构下的电力系统的潮流，得到耦合节点的节点功率，并对方案进行校核；然后利用耦合节点的能源转化关系，根据节点有功功率计算得到天然气流量，并将其带入到天然气潮流模型中进行计算，从而实现两个能源网络的参数信息交互。

9.根据权利要求8所述的一种基于多主体博弈的电力-天然气综合能源系统联合规划方法，其特征在于：所述耦合节点的能源转化关系如式(21)所示：

Ω_e＝δ_egΩ_g (21)

式中：Ω_g是输出量，Ω_e是输入量，δ_eg是输入量与输出量间的耦合系数，

式(21)中耦合节点约束的约束条件包括燃气机组出力约束、耦合节点功率平衡约束，

1.燃气机组出力约束

式中：表示燃气机组u的出力上下限；S_GF表示燃气机组的集合，

2.耦合节点功率平衡约束

式中：f_Lio表示流入耦合节点的电力潮流，f_po表示流入耦合节点的气流，Θ为燃气机组转化系数，f_Lco表示流出耦合节点的电力潮流，E_Ldo为耦合节点的负荷，o表示耦合节点。

10.根据权利要求1或2或3或5或7所述的一种基于多主体博弈的电力-天然气综合能源系统联合规划方法，其特征在于：电网公司和天然气公司在规划过程中互相掌握对方的全部策略信息。