CN110555562B - 一种泛在电力物联网中综合能源系统分层能量管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泛在电力物联网中综合能源系统分层能量管理方法，属于泛在电力物联网领域。在泛在电力物联网背景下，本发明通过综合能源分层管理架构描述综合能源系统能源与设备之间信息物理融合的开放互联体系；基于分层博弈和Cartel框架理论设计日前市场多Energy hub与能源市场交易机制，实现能源公司和Energy hub交易的日前规划；基于需求侧响应与异质能源转化模型设计能源局域网内部源网荷的协同优化算法，实现能源用户和Energy hub交易的实时调度。

Description

一种泛在电力物联网中综合能源系统分层能量管理方法

技术领域

本发明涉及泛在电力物联网领域，尤其是一种的综合能源系统分层能量管理方法。

背景技术

随着能源短缺、环境污染等问题日益严峻，新能源逐渐引起用户重视，能源需求也向着多元化趋势发展，传统能源系统的基本特征正在发生变化，一方面，能源供给侧的随机性波动增多，可控性下降；另一方面，能源需求侧的负荷种类更加多样化。打破各个能源系统之间单独设计、单独运行的运营模式，对不同的能源系统进行统一优化设计、协调优化运行，构建统一的能源系统，是促进能源领域变革、解决能源问题的有效手段。在泛在电力物联网的大背景下，能源系统的各种设备在任何时间、任何地点进行信息连接和交互，为综合能源系统的优化调度提供了数据基础。基于综合能源管控技术，综合能源系统协同优化异质能源的生产、输送、转换、存储和消费等环节，实现多种能源的深度融合与紧密互动，新能源的质效提升与扰动平稳，并全面提高能源网络的综合效益。

发明内容

本发明中提供了一种泛在电力物联网中综合能源分层能源管理方法；旨在从能源网络优化调度角度，研究泛在电力物联网背景下综合能源系统能量管理问题，通过建立基于能量管理层的网络化分层能量管理框架，构建能量供给层和能量管理层的纵向交易模型以及能量管理层的横向合作机制，设计能源局域网内部源网荷的协同优化算法，实现综合能量从交易、配送到消费全过程的智能管理。

为解决上述技术问题，本发明所提供的技术方案为：一种泛在电力物联网中综合能源系统分层能量管理方法，其特征在于，其包括如下步骤：

步骤1，建立综合能源分层能源管理框架，其从上到下包括能量供给层、能量管理层、能量消费层；

其中，能量供给层负责为能量管理层提供外部能源，能量供给层与能量管理层之间进行日前交易，获取能量管理层最优日前分时能源投标策略；

能量管理层负责各个能源局域网内部源网荷协同优化；

能量消费层为能量管理层提供需求侧响应，给予能量管理层能量调节能力，改善能量管理所面临的双向扰动问题；

步骤2，日前市场能量管理层与能量供给层交易机制设计，基于分层博弈和Cartel框架理论设计交易策略，完成能量供给层和能量管理层交易的日前规划，确定日前能源投标量，为综合能源实时调度提供外部能源支持；构造能量供给层和能量管理层的效用函数。基于分层博弈理论建立能量供给层和能量管理层的纵向交易模型；基于Cartel框架建立能量管理层内部之间的横向合作机制；

步骤3，能量管理层内部源网荷的协同优化算法设计，基于异质能源成本模型、异质能源转换效率模型、温控负荷用户不舒适度(PPD)成本模型以及共享电池站成本收益模型，设计能源局域网内部源网荷的协同优化算法，获得分时最优能源转换量、共享电池站调度以及温控负荷用户的最优温度设定值。

上述技术方案中，所述能量供给层包括电-气能源公司。

上述技术方案中，所述能量管理层包括Energy hub及其所管控的能源局域网内部新能源电厂、共享电池站以及能源转化设备。

上述技术方案中，所述能量消费层即温控负荷设备，包括空调、电暖气和燃气取暖炉。

上述技术方案中，所述交易机制设计方法为：

从经济学的角度出发，假设能量供给层的效益函数为能源销售额减去能源成本，表示为g(x,l^u,l^v)，其中x表示能量供给层的价格参数，l^u和l^v分别表示为Energy hub组成的联盟从能量供给层购置的总电量和总天然气量。

和

分别表示Energy hubi的购电量和购气量；

考虑Energy hub的内部能源转换存储以及Energy hub对需求侧用户的调节能力，Energy hubi的效用函数假设为

其中，T_i表示Energy hub i所服务用户的温控负荷温度设定值；

和

分别表示Energy hubi内部的气转电转化量和电转气转化量，温控负荷的温度设定值是关于Energy hub所提供的能源总量(购买量和转化量)的函数，所以得

然后建立能量供给层与Energy hub的分层博弈框架以及Energy hub的Cartel合作框架；

能量供给层的优化目标为其效益最高，给定随机额的购电量和购气量l^u和l^v，能量供给层的效用函数如下：

x^*＝maxg(x,l^u,l^v)

优化后的价格参数x^*将提供给Energy hub，Energy hub将根据Cartel框架进行合作优化；

根据Cartel框架，能量管理层中所有的Energy hub将以联盟的整体收益最大为目标，即社会福利最优，背离合作的行为将受到联盟惩罚，能量管理层Energy hubi的横向交易机制为：

式中，

表示Energy hub的策略，s^NE表示惩罚策略，P_trig表示惩罚机制被触发的概率，β表示折扣参数，则能量管理层的效用函数为

s^*＝∑U_i(x,s,P^*,T)

能量供给层与能量管理层效用函数分层博弈，能量供给层将根据Energy hub输入的参数继续优化，直到迭代终止，即纵向交易模型。

上述技术方案中，所述协同优化算法设计方法为：整合新能源发电、共享电池站调度和温控负荷需求侧响应数学模型及复杂约束，基于多energy hub的网络化分层能量管理框架，建立能源局域网调度的效用函数：

其中，R(E_s,E_sc)为共享电池站效益，

为能源转换、购能成本模型，Γ为不满意度成本，

令

其中，A为能源转换元件的功率耦合矩阵，B为新能源供电效率矩阵，C储能效率矩阵，P_ec(i)、P_gc(i)分别为用户实际用电、气功率，P_ne新能源供电功率，P_et、P_gt分别为电气、气电转换功率，P_s为共享电池站充放电功率，充电为正，放电为负，P_e、P_g分别表示电、气投标功率；

建立基于温控负荷需求侧响应的用户消费收益函数如下：

其中，

为能源供给价格矩阵，P′_ec(i)，P′_gc(i)分别为需求侧响应前电气消费量，P_de(i)，P_dg(i)为需求侧响应改变的电气消费量；

考虑共享电池站的供能成本与收益，建立其效益模型如下：

其中，E_s,E_sc分别为交换前后电池的荷电状态，a_i,σ_i,c_i,j电池损耗参数，D表示交换矩阵；

其中，

分别表示能源购买价格矩阵、能源存储价格矩阵和能源转换价格矩阵；

为了评估隔热保温室内热舒适参数，考虑环境温度和相对湿度等因素，建立简化的热舒适成本表达式：

PMV＝a·T_i+b·P_v-c

Γ＝λPPD＝λ(a_i-b_i*exp(-c_i*PMV⁴-d_i*PMV²))

其中，T_i,P_v分别表示的室内温度与相对湿度，a,b,c表示冷热感觉参数，a_i,b_i,c_i,d_i表示不舒适度参数。

为了保障能源局域网的可靠运行，需满足多能源产消动态平衡条件：

管理架构描述综合能源系统能源与设备之间信息物理融合的开放互联体系；基于分层博弈和Cartel框架理论设计日前市场多Energy hub与能源市场交易机制，实现能源公司和Energy hub交易的日前规划；基于需求侧响应与异质能源转化模型设计能源局域网内部源网荷的协同优化算法，实现能源用户和Energy hub交易的实时调度。

附图说明

图1泛在电力物联网中综合能源系统分层能量管理模型。

图2泛在电力物联网中综合能源系统分层能量管理技术路线图。

具体实施方式

为更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

一种泛在电力物联网中综合能源系统分层能量管理方法，其特征在于，其包括如下步骤：

步骤1，建立综合能源分层能源管理框架，其从上到下包括能量供给层、能量管理层、能量消费层；

其中，能量供给层负责为能量管理层提供外部能源，能量供给层与能量管理层之间进行日前交易，获取能量管理层最优日前分时能源投标策略；

能量管理层负责各个能源局域网内部源网荷协同优化；

能量消费层为能量管理层提供需求侧响应，给予能量管理层能量调节能力，改善能量管理所面临的双向扰动问题；

步骤2，日前市场能量管理层与能量供给层交易机制设计，基于分层博弈和Cartel框架理论设计交易策略，完成能量供给层和能量管理层交易的日前规划，确定日前能源投标量，为综合能源实时调度提供外部能源支持；构造能量供给层和能量管理层的效用函数，其中能源公司的效用函数可实现能源价格和能源销售量的折衷。Energy hub的效用函数模型可实现能源转换成本，储存成本和能源购买成本的折衷。基于分层博弈理论建立能量供给层和能量管理层的纵向交易模型，通过定价策略，提高能源公司的效益；基于Cartel框架建立能量管理层内部之间的横向合作机制，提高Energy hub的社会福利；

步骤3，能量管理层内部源网荷的协同优化算法设计，基于异质能源成本模型、异质能源转换效率模型、温控负荷用户不舒适度(PPD)成本模型以及共享电池站成本收益模型，设计能源局域网内部源网荷的协同优化模型，获得分时最优能源转换量、共享电池站调度以及温控负荷用户的最优温度设定值，实现Energy hub与用户协同调度优化的区域社会福利最大化。

如图1所示，泛在电力物联网中综合能源系统分层能量管理模型具有层次化结构，从上到下依次为能量供给层、能量管理层、能量消费层。

在能量供给层，配置电-气能源公司，负责为能源局域网提供外部能源供给，各能源公司与Energy hub之间基于能源交易策略进行议价，完成日前交易。

在能量管理层，配置多个Energy hub，向上负责与能源公司交易完成日前规划，向下负责能源局域网内部的能源优化调度。每个Energy hub能源局域网内部能源供给、转化、存储管理以及需求侧响应控制信号的下发，通过协调异质能源调度与需求侧响应实现综合能源的效益最大化。

在能量消费层，即温控负荷用户，配置空调、电暖气和燃气炉用户，温控负荷基于Energy hub下发的控制信号，在用户满意度合理的范围内，提供需求侧响应能力，提高区域能源系统的调节能力。

综合能源系统分层能量管理架构通过建立网络化分层能量管理框架，考虑海量分布式设备(包括负荷、多种能源设备和储能设备)运行特性，基于Energy hub完成日前能量规划与实时能量调度，实现电-气综合能源系统的多能源交易、多能源供应、多能源互补、可再生能源最大化消纳以及需求侧响应与能源转化的协同管理。

如图2所示，泛在电力物联网中综合能源系统分层能量管理技术路线。

1.基于对局部能源网络的能力预估，Energy hub与电-气综合能源市场之间通过卡特尔机制进行议价完成综合能源的最优日前规划，日前规划为实时调度提供投标能源的供给量，从经济学的角度出发，假设能源公司的效益函数为能源销售额减去能源成本，表示为g(x,l^u,l^v)，其中x表示能源公司的价格参数，l^u和l^v分别表示为Energy hub组成的联盟从能源公司购置的总电量和总天然气量。

和

分别表示Energyhubi的购电量和购气量；

考虑Energy hub的内部能源转换存储以及Energy hub对需求侧用户的调节能力，Energy hubi的效用函数假设为

其中，T_i表示Energy hub i所服务用户的温控负荷温度设定值；

和

分别表示Energy hubi内部的气转电转化量和电转气转化量，温控负荷的温度设定值是关于Energy hub所提供的能源总量(购买量和转化量)的函数，所以得

然后建立能源公司与Energy hub的分层博弈框架以及Energyhub的Cartel合作框架；

能源公司的优化目标为其效益最高，给定随机额的购电量和购气量l^u和l^v，能源公司的效用函数如下：

x^*＝maxg(x,l^u,l^v)

优化后的价格参数x^*将提供给Energy hub，Energy hub将根据Cartel框架进行合作优化；

根据Cartel框架，能量管理层中所有的Energy hub将以联盟的整体收益最大为目标，即社会福利最优，背离合作的行为将受到联盟惩罚，能量管理层Energy hubi的横向交易机制为：

式中，

表示Energy hub的策略，s^NE表示惩罚策略，P_trig表示惩罚机制被触发的概率，β表示折扣参数，则能量管理层的效用函数为

s^*＝∑U_i(x,s,P^*,T)

能量供给层与能量管理层效用函数分层博弈，能源公司将根据Energy hub输入的参数继续优化，直到迭代终止，即纵向交易模型。

2.基于日前投标量的能源、实时新能源电厂供给以及电-气-热综合能源用户实时负荷，Energy hub通过协同优化区域能源系统内部电-气能源转化量、气-电能源转化量、共享电池站调度、温控负荷设定值，保障区域能源系统的安全可靠运行，实现区域能源系统综合效益的最大化；整合新能源发电、共享电池站调度和温控负荷需求侧响应数学模型及复杂约束，基于多energy hub的网络化分层能量管理框架，建立能源局域网调度的效用函数：

其中，R(E_s,E_sc)为共享电池站效益，

为能源转换、购能成本模型，Γ为不满意度成本，

令

其中，A为能源转换元件的功率耦合矩阵，B为新能源供电效率矩阵，C储能效率矩阵，P_ec(i)、P_gc(i)分别为用户实际用电、气功率，P_ne新能源供电功率，P_et、P_gt分别为电气、气电转换功率，P_s为共享电池站充放电功率，充电为正，放电为负，P_e、P_g分别表示电、气投标功率；

建立基于温控负荷需求侧响应的用户消费收益函数如下：

其中，

为能源供给价格矩阵，P′_ec(i)，P′_gc(i)分别为需求侧响应前电气消费量，P_de(i)，P_dg(i)为需求侧响应改变的电气消费量；

考虑共享电池站的供能成本与收益，建立其效益模型如下：

其中，E_s,E_sc分别为交换前后电池的荷电状态，a_i,σ_i,c_i,j电池损耗参数，D表示交换矩阵；

其中，

分别表示能源购买价格矩阵、能源存储价格矩阵和能源转换价格矩阵；

为了评估隔热保温室内热舒适参数，考虑环境温度和相对湿度等因素，建立简化的热舒适成本表达式：

PMV＝a·T_i+b·P_v-c

Γ＝λPPD＝λ(a_i-b_i*exp(-c_i*PMV⁴-d_i*PMV²))

其中，T_i,P_v分别表示的室内温度与相对湿度，a,b,c表示冷热感觉参数，a_i,b_i,c_i,d_i表示不舒适度参数。

为了保障能源局域网的可靠运行，需满足多能源产消动态平衡条件：

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种泛在电力物联网中综合能源系统分层能量管理方法，其特征在于，其包括如下步骤：

步骤1，建立综合能源分层能量管理框架，其从上到下包括能量供给层、能量管理层、能量消费层；

其中，能量供给层负责为能量管理层提供外部能源，能量供给层与能量管理层之间进行日前交易，获取能量管理层最优日前分时能源投标策略；

能量管理层负责各个能源局域网内部源网荷协同优化；

能量消费层为能量管理层提供需求侧响应，给予能量管理层能量调节能力，改善能量管理所面临的双向扰动问题；

步骤2，日前市场能量管理层与能量供给层交易机制设计，基于分层博弈和Cartel框架理论设计交易策略，完成能量供给层和能量管理层交易的日前规划，确定日前能源投标量，为综合能源实时调度提供外部能源支持；构造能量供给层和能量管理层的效用函数，基于分层博弈理论建立能量供给层和能量管理层的纵向交易模型，基于Cartel框架建立能量管理层内部之间的横向合作机制；

步骤3，能量管理层内部源网荷的协同优化算法设计，基于异质能源成本模型、异质能源转换效率模型、温控负荷用户不舒适度成本模型以及共享电池站成本收益模型，设计能源局域网内部源网荷的协同优化模型，获得分时最优能源转换量、共享电池站调度以及温控负荷用户的最优温度设定值。

2.根据权利要求1所述的一种泛在电力物联网中综合能源系统分层能量管理方法，其特征在于，所述能量供给层包括电-气能源公司。

3.根据权利要求1所述的一种泛在电力物联网中综合能源系统分层能量管理方法，其特征在于，所述能量管理层包括Energy hub及其所管控的能源局域网内部新能源电厂、共享电池站以及能源转化设备。

4.根据权利要求1所述的一种泛在电力物联网中综合能源系统分层能量管理方法，其特征在于，所述能量消费层即温控负荷设备，包括空调、电暖气和燃气取暖炉。

5.根据权利要求1所述的一种泛在电力物联网中综合能源系统分层能量管理方法，其特征在于，所述交易机制设计方法为：

从经济学的角度出发，假设能量供给层的效用函数为能源销售额减去能源成本，表示为g(x,l^u,l^v)，其中x表示能量供给层的价格参数，l^u和l^v分别表示为Energy hub组成的联盟从能量供给层购置的总电量和总天然气量；

和

分别表示Energyhubi的购电量和购气量；

考虑Energy hub的内部能源转换存储以及Energy hub对需求侧用户的调节能力，Energy hubi的效用函数假设为

其中，T_i表示Energy hub i所服务用户的温控负荷温度设定值；

和

分别表示Energy hubi内部的气转电转化量和电转气转化量，温控负荷的温度设定值是关于Energy hub所提供的能源总量的函数，所以得

然后建立能量供给层与Energy hub的分层博弈框架以及Energy hub的Cartel合作框架；

能量供给层的优化目标为其效益最高，给定随机额的购电量和购气量l^u和l^v，能量供给层的效用函数如下：

x^*＝maxg(x,l^u,l^v)

优化后的价格参数x^*将提供给Energy hub，Energy hub将根据Cartel框架进行合作优化；

根据Cartel框架，能量管理层中所有的Energy hub将以联盟的整体收益最大为目标，即社会福利最优，背离合作的行为将受到联盟惩罚，能量管理层Energy hubi的横向交易机制为：

式中，

表示Energy hub的策略，s^NE表示惩罚策略，P_trig表示惩罚机制被触发的概率，β表示折扣参数，则能量管理层的效用函数为

s^*＝∑U_i(x,s,P^*,T)

能量供给层与能量管理层效用函数分层博弈，能量供给层将根据Energy hub输入的参数继续优化，直到迭代终止，即纵向交易模型。

6.根据权利要求1所述的一种泛在电力物联网中综合能源系统分层能量管理方法，其特征在于，所述协同优化算法设计方法为：整合新能源发电、共享电池站调度和温控负荷需求侧响应数学模型及复杂约束，基于多energy hub的网络化分层能量管理框架，建立能源局域网调度的效用函数：

其中，R(E_s,E_sc)为共享电池站效益，E_s,E_sc分别为交换前后电池的荷电状态，

为成本模型，Γ为不满意度模型，

为用户消费收益函数，

令

其中，A为能源转换元件的功率耦合矩阵，B为新能源供电效率矩阵，C储能效率矩阵，P_ec(i)、P_gc(i)分别为用户实际用电、气功率，P_ne新能源供电功率，P_et、P_gt分别为电气、气电转换功率，P_s为共享电池站充放电功率，充电为正，放电为负，P_e、P_g分别表示电、气投标功率；

建立基于温控负荷需求侧响应的用户消费收益函数如下：

其中，

为能源供给价格矩阵，P_e′_c(i)，P_g′_c(i)分别为需求侧响应前电气消费量，P_de(i)，P_dg(i)为需求侧响应改变的电气消费量；

考虑共享电池站的供能成本与收益，建立其效益模型如下：

其中，E_s,E_sc分别为交换前后电池的荷电状态，a_i,σ_i,c_i,j电池损耗参数，D表示交换矩阵；

其中，

分别表示能源购买价格矩阵、能源存储价格矩阵和能源转换价格矩阵；

为了评估隔热保温室内热舒适参数，考虑环境温度和相对湿度因素，建立简化的热舒适成本表达式：

PMV＝a·T_i+b·P_v-c

Γ＝λPPD＝λ(a_i-b_i*exp(-c_i*PMV⁴-d_i*PMV²))

其中，T_i,P_v分别表示的室内温度与相对湿度，a,b,c表示冷热感觉参数，a_i,b_i,c_i,d_i表示不舒适度参数；

为了保障能源局域网的可靠运行，需满足多能源产消动态平衡条件：

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