CN111009903A - 一种基于博弈模型的电采暖分布式协作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于博弈模型的电采暖分布式协作方法，所述协作方法包括：电网公司与电采暖用户互动的信息；电网公司为电采暖用户匹配连接的过程；电采暖用户所辖的分散式电采暖负荷与分散式电采暖负荷之间互动的信息；以及分散式电采暖负荷与分散式电采暖负荷之间博弈的过程。本发明协商后最终所削减的任务量达到电网公司的要求。

Description

一种基于博弈模型的电采暖分布式协作方法
技术领域
本发明属于电力系统需求侧管理的技术领域，具体涉及一种基于博弈模型的电采暖分布式协作方法。
技术背景
随着电能替代的推广，分散式电采暖负荷在北方尤其是北京、河北和天津等地区得到了大量普及。分散式电采暖负荷已逐渐成为了北方地区用户冬季取暖的重要途径。但是考虑到现有网架架构薄弱，配网台区容量较小，一旦大规模分散式电采暖负荷同时开启，将会严重影响配网台区的安全稳定运行。因此面向大规模分散式电采暖负荷的调度目前已纳入至电网的需求侧管理工作中。
分散式电采暖负荷调度仍采用主从调度的集中式控制模式。常规需求响应参与电网削峰填谷的调度，即便是利用可中断负荷实现日负荷曲线的调整也会存在一定偏差。有时候基础设施计量和通信模式问题是制约自动需求响应发展的技术瓶颈，电网调度中心和负荷聚合商在很多情况下明知负荷调控发生偏差却无法实时校正。即便是为负荷终端升级支持分钟、秒级又或是毫秒级负荷控制的计量装置(例如江苏省2016年7月部署的大规模源网荷友好互动系统FT-86605型号智能网荷互动终端)，利用负荷聚合商完成实时响应量校正，这种方式也仅适用于大型工业用户。主流的还是通过发电机组或者备用容量来承担，或者有序用电保障。负荷终端常规情况下统一由负荷聚合商整合至电网集中式控制，由电网分配任务，再由聚合商按照任务调度各个可参与需求响应的终端。但并非所有的负荷终端属于无偏差响应，响应量的表现参差不齐。此时负荷聚合商下所辖的负荷种类多样，很多情况下所有的资源尚未完全被调动。可能部分的负荷终端响应未达到要求的任务量，部分的负荷终端完全超额响应，甚至有很大一部分的负荷不具备此次负荷聚合商要求的参与需求响应准入能力(尤其是一些不易计量、容量小、响应速度慢、响应时长短的零散负荷)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种协商后最终所削减的任务量达到电网公司的要求的基于博弈模型的电采暖分布式协作方法。
本发明的技术方案：
一种基于博弈模型的电采暖分布式协作方法，所述协作方法包括：
电网公司与电采暖用户互动的信息；
电网公司为电采暖用户匹配连接的过程；
电采暖用户所辖的分散式电采暖负荷与分散式电采暖负荷之间互动的信息；
以及分散式电采暖负荷与分散式电采暖负荷之间博弈的过程。
优选的，所述电网公司与电采暖用户互动的信息包括实时调节的功率容量大小、负荷调节时间和调节的电价激励。
优选的，所述实时调节的功率容量大小
Figure BDA0002336043120000021
包括以下步骤：
假定已知参与调度的分散式电采暖负荷终端集为M，终端数为M；此时被电网调度的分散式电采暖负荷终端m在t时刻的负荷量以
Figure BDA0002336043120000022
表示，能参与的最大响应量为
Figure BDA0002336043120000023
分析得知t时刻的配网台区负荷量Ot以及参与调度的负荷值Ct计算表达式
Figure BDA0002336043120000024
Figure BDA0002336043120000025
式(1)中的Rt是t时刻决定不参与需求响应的用户负荷量，为每个负荷终端m每个时段配置任务
Figure BDA0002336043120000026
Figure BDA0002336043120000027
终端m按照任务
Figure BDA0002336043120000028
削减负荷量，式(3)中α为电网预期调节的负荷量与电网总体负荷量占比；此时若终端m由于个人用电需求比较大，无法完成
Figure BDA0002336043120000029
存在偏差
Figure BDA00023360431200000210
Figure BDA00023360431200000211
优选的，所述电网公司为电采暖用户匹配连接的过程包括用户选择、选择原则和通信连接方式的内容。
优选的，通信连接方式包括：D2D、Wifi、Zigbee和Can总线通信方式。
优选的，所述电采暖用户所辖的分散式电采暖负荷与分散式电采暖负荷之间互动的信息包括协商的负荷调节量、调节的时间和调节的补偿费用，协商的结果是终端m可以与终端m+1分布式协作。
优选的，被请求协作的终端m+1存在两种可选择策略：第一种是协商且响应的策略W，响应概率p；第二种协商但不做响应动作的策略NW，不响应概率1-p；响应后执行收益为w，其支出成本为g，两者数值满足要求w≥g；负荷终端m同样存在两种可选择策略。
优选的，第一种策略是终端m发出协商的同时，在协商的同时向电网请求获取其计量数据，核实终端m+1是否响应；策略A发生概率q表示；第二种就是不向电网请求获取终端m+1的计量数据NA，不发出概率为1-q；需要声明的是策略A是能确保负荷终端m确知m+1是否响应，从而决定是否给予m+1激励w，但是该策略执行的额外代价为h。
优选的，博弈的过程包括四种博弈情况：第一种是(NW,A)＝(0,-w):终端m+1未响应，而m获取了m+1实时响应量；此时m可不支付w给m+1；最后m+1获0利润，m损失-h；
第二种是(NW,NA)＝(w,-w):终端m+1在协商后响应动作，m也未核实m+1实时响应量；此时终端m+1获得w利润，m为响应量支出-w；
第三种是(W,A)＝(w-g,v-w-h):终端m+1在协商后响应动作，m也核实m+1的实时响应量；m+1获得w-g利润，m获得v-w-h利润；
第四种情况是
Figure BDA0002336043120000031
终端m+1在协商后响应动作，获利w-g。
优选的，博弈的整个过程遵循非对称信息博弈，最终达成协商的补偿费用。
本发明的有益效果：
本发明用于支撑电网开展大规模负荷供需互动业务。本发明考虑了配网台区变压器容量限制，在大规模分散式电采暖负荷接入并同时开启的情况下，由电网公司统一调度分散式电采暖负荷。在电采暖终端参与电网调度的同时，用户许可的情况下，分散式电采暖负荷终端与终端亦可建立新的通信连接，直接进行信息交互与协作。分散式电采暖负荷终端与终端只要协商后最终所削减的任务量达到电网公司的要求。
附图说明
图1为根据本发明实施例一种基于博弈模型的电采暖分布式协作流程图；
图2为根据本发明实施例一种基于博弈模型的电采暖分布式协作物理架构图。
附图中，1-负荷聚合商、2-分布式电采暖用户、3-4G/LTE无线通信链路、4-接入网光缆、5-防火墙、6-4G/LTE无线基站、7-分布式电采暖负荷、8-通信连接、9-接入网交换机。
具体实施方式
现在参考附图1-2介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
电网在监测到配网台区出现电压器容量越线的情况下，要求分散式电采暖负荷自动削减负荷。假定已知参与调度的分散式电采暖负荷终端集为M，终端数为M。此时被电网调度的分散式电采暖负荷终端m在t时刻的负荷量以
Figure BDA0002336043120000041
表示，能参与的最大响应量为
Figure BDA0002336043120000042
可分析得知t时刻的配网台区负荷量Ot以及参与调度的负荷值Ct计算表达式
Figure BDA0002336043120000043
Figure BDA0002336043120000044
式(1)中的Rt是t时刻决定不参与需求响应的用户负荷量。进入步骤201：为每个负荷终端m每个时段配置任务
Figure BDA0002336043120000045
Figure BDA0002336043120000051
终端m按照任务
Figure BDA0002336043120000052
削减负荷量。式(3)中α为电网预期调节的负荷量与电网总体负荷量占比。此时若终端m由于个人用电需求比较大，无法完成
Figure BDA0002336043120000053
存在偏差
Figure BDA0002336043120000054
Figure BDA0002336043120000055
电网与分散式电采暖负荷之间的互动信息包括实时调节的功率容量大小
Figure BDA0002336043120000056
负荷调节时间t、调节的电价激励ρ。
电网和分散式电采暖用户于步骤202发现存在负荷响应偏差。
分散式电采暖用户可以在步骤203处决定是否协商，协商的结果是终端m可以与终端m+1分布式协作。终端m+1根据自身的负荷调节能力额外削减
Figure BDA0002336043120000057
但是需要终端m与其连接并博弈。而这个连接建立的过程需要电网授权并匹配，即进入步骤204。最后终端与终端能按照在图1的电采暖分布式协作物理架构图开展互动。电网公司为电采暖用户匹配连接的过程主要按照以下方式：
首先电采暖用户所辖的分散式电采暖负荷终端利用就近的4G/LTE无线基站与电网互动，电网确知终端m由于个人用电需求比较大，无法完成
Figure BDA0002336043120000058
存在偏差
Figure BDA0002336043120000059
此时电网通过信息采集和感知确定m+1能与m互动，因为其能够根据自身的负荷调节能力额外削减
Figure BDA00023360431200000510
且表现出互动的意愿。终端m与终端m+1最终利用D2D、Wifi、Zigbee、Can总线等通信方式分布式协作。
负荷终端与终端将会在步骤205开展博弈且自行协商实现区域自治。电网所充当的角色仅需授权和配置连接。负荷终端m可以在其电网原来给予的单位容量激励基础上ρ根据惩罚η来让利w于m+1。被请求协作的终端m+1会存在两种可选择策略。第一种是协商且响应的策略(W)，响应概率p；第二种协商但不做响应动作的策略(NW)，不响应概率1-p。响应后执行收益为w，其支出成本为g。规定两者数值满足要求w≥g。负荷终端m同样会存在两种可选择策略。第一种策略是终端m发出协商的同时如图1所介绍，在协商的同时向电网请求获取其计量数据，核实终端m+1是否响应。该策略(A)发生概率q表示；第二种就是不向电网请求获取终端m+1的计量数据(NA)，不发出概率为1-q。需要声明的是策略(A)是能确保负荷终端m确知m+1是否响应，从而决定是否给予m+1激励w，但是该策略执行的额外代价为h。若m+1响应则获得收益v。那么如果w、g、h和v都为全局信息，均可信息共享。此时唯一不对称的信息是，负荷终端m无法直接确知m+1的每个时刻
Figure BDA0002336043120000061
的响应量或者动作。这个响应量需要付出额外的代价，从电网处获取。终端m与m+1之间互动的信息包括w、g、h、v以及
Figure BDA0002336043120000062
因此终端m与m+1之间会存在以下博弈。博弈的整个过程遵循非对称信息博弈。
表1电采暖与电采暖之间的非对称信息博弈
A NA
NW 0,-h w,-w
W w-g,v-w-h w-g,v-w
由上可分析知道存在四种博弈情况。第一种是(NW,A)＝(0,-w):终端m+1未响应，而m获取了m+1实时响应量。此时m可不支付w给m+1。最后m+1获0利润，m损失-h。第二种是(NW,NA)＝(w,-w):终端m+1在协商后响应动作，m也未核实m+1实时响应量。此时终端m+1获得w利润，m为响应量支出-w。第三种是(W,A)＝(w-g,v-w-h):终端m+1在协商后响应动作，m也核实m+1的实时响应量。m+1获得w-g利润，m获得v-w-h利润。第四种情况是
Figure BDA0002336043120000063
终端m+1在协商后响应动作，获利w-g。负荷终端m也未核实m+1实时响应量，获利v-w。根据以上4种博弈情况开始推导终端m+1及m之间的利益平衡点。
(1)负荷终端m+1利益平衡点
在终端m+1与m协商后未做响应动作的情况下，m+1的利益能以u1(NW)表示
Figure BDA0002336043120000064
终端m+1在与m协商后做出相应响应动作，此时m+1的利益u1(W)为
Figure BDA0002336043120000065
本处令u1(NW)＝u1(W)可得到
Figure BDA0002336043120000071
此时式(7)意味着无论终端m+1在协商之后是否做出响应动作，m采用qm,d的概率去执行策略(A)都能使得m+1表现出无所谓的态度。m+1既不会因为u1(NW)的利润过高故意不响应，同时也不会因为u1(W)的利润过低消极怠工。
(2)负荷终端m利益平衡点
在负荷终端m决定向电网请求获取m+1的实时计量数据情况下，m能核实m+1响应情况。负荷的利益u2(A)为
Figure BDA0002336043120000072
若负荷终端不决定邀约，此时负荷的利益u2(NA)为
Figure BDA0002336043120000073
同理，令u2(A)＝u2(NA)可得
p＝h/w (18)
那么能确定的是最后终端
Figure BDA0002336043120000074
为达到纳什均衡执行策略(W)和(NW)的概率为
Figure BDA0002336043120000075
m为达到纳什均衡，执行策略(A)和(NA)的概率为
Figure BDA0002336043120000076
可确定负荷终端m最终给m+1支付的费用参考值应满足以下关系式
Figure BDA0002336043120000077
因此可知参考的费用w应该为
Figure BDA0002336043120000081
最后由式(15)可确知单位补贴成本应该满足以下关系式
Figure BDA0002336043120000082
若终端m与m+1在步骤205之后进入下一轮的分散式电采暖负荷调度。开始重新新一轮调度，并返回步骤201。

Claims (10)

1.一种基于博弈模型的电采暖分布式协作方法，其特征在于，所述协作方法包括：
电网公司与电采暖用户互动的信息；
电网公司为电采暖用户匹配连接的过程；
电采暖用户所辖的分散式电采暖负荷与分散式电采暖负荷之间互动的信息；
以及分散式电采暖负荷与分散式电采暖负荷之间博弈的过程。
2.根据权利要求1所述的一种基于博弈模型的电采暖分布式协作方法，其特征在于，所述电网公司与电采暖用户互动的信息包括实时调节的功率容量大小、负荷调节时间和调节的电价激励。
3.根据权利要求2所述的一种基于博弈模型的电采暖分布式协作方法，其特征在于，所述实时调节的功率容量大小
Figure FDA0002336043110000011
包括以下步骤：
假定已知参与调度的分散式电采暖负荷终端集为M，终端数为M；此时被电网调度的分散式电采暖负荷终端m在t时刻的负荷量以
Figure FDA0002336043110000012
表示，能参与的最大响应量为
Figure FDA0002336043110000013
分析得知t时刻的配网台区负荷量Ot以及参与调度的负荷值Ct计算表达式
Figure FDA0002336043110000014
Figure FDA0002336043110000015
式(1)中的Rt是t时刻决定不参与需求响应的用户负荷量，为每个负荷终端m每个时段配置任务
Figure FDA0002336043110000016
Figure FDA0002336043110000017
终端m按照任务
Figure FDA0002336043110000018
削减负荷量，式(3)中α为电网预期调节的负荷量与电网总体负荷量占比；此时若终端m由于个人用电需求比较大，无法完成
Figure FDA0002336043110000019
存在偏差
Figure FDA00023360431100000110
Figure FDA00023360431100000111
4.根据权利要求1所述的一种基于博弈模型的电采暖分布式协作方法，其特征在于，所述电网公司为电采暖用户匹配连接的过程包括用户选择、选择原则和通信连接方式的内容。
5.根据权利要求4所述的一种基于博弈模型的电采暖分布式协作方法，其特征在于，通信连接方式包括：D2D、Wifi、Zigbee和Can总线通信方式。
6.根据权利要求1所述的一种基于博弈模型的电采暖分布式协作方法，其特征在于，所述电采暖用户所辖的分散式电采暖负荷与分散式电采暖负荷之间互动的信息包括协商的负荷调节量、调节的时间和调节的补偿费用，协商的结果是终端m可以与终端m+1分布式协作。
7.根据权利要求6所述的一种基于博弈模型的电采暖分布式协作方法，其特征在于，被请求协作的终端m+1存在两种可选择策略：第一种是协商且响应的策略W，响应概率p；第二种协商但不做响应动作的策略NW，不响应概率1-p；响应后执行收益为w，其支出成本为g，两者数值满足要求w≥g；负荷终端m同样存在两种可选择策略。
8.根据权利要求7所述的一种基于博弈模型的电采暖分布式协作方法，其特征在于，第一种策略是终端m发出协商的同时，在协商的同时向电网请求获取其计量数据，核实终端m+1是否响应；策略A发生概率q表示；第二种就是不向电网请求获取终端m+1的计量数据NA，不发出概率为1-q；策略A是能确保负荷终端m确知m+1是否响应，从而决定是否给予m+1激励w，但是该策略执行的额外代价为h。
9.根据权利要求8所述的一种基于博弈模型的电采暖分布式协作方法，其特征在于，博弈的过程包括四种博弈情况：第一种是(NW,A)＝(0,-w):终端m+1未响应，而m获取了m+1实时响应量；此时m可不支付w给m+1；最后m+1获0利润，m损失-h；
第二种是(NW,NA)＝(w,-w):终端m+1在协商后响应动作，m也未核实m+1实时响应量；此时终端m+1获得w利润，m为响应量支出-w；
第三种是(W,A)＝(w-g,v-w-h):终端m+1在协商后响应动作，m也核实m+1的实时响应量；m+1获得w-g利润，m获得v-w-h利润；
第四种情况是
Figure FDA0002336043110000031
终端m+1在协商后响应动作，获利w-g。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种基于博弈模型的电采暖分布式协作方法，其特征在于，博弈的整个过程遵循非对称信息博弈，最终达成协商的补偿费用。
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