CN112598224A - 一种园区综合能源系统群与电网的互动博弈调度方法 - Google Patents

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CN112598224A CN202011401155.8A CN202011401155A CN112598224A CN 112598224 A CN112598224 A CN 112598224A CN 202011401155 A CN202011401155 A CN 202011401155A CN 112598224 A CN112598224 A CN 112598224A
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Abstract

一种园区综合能源系统群与电网的互动博弈调度方法，属于综合能源系统运行与控制技术领域，其特点是包括以下步骤：①建立常规发电机组、分布式电源、储能及其他设备的出力模型及成本模型；②建立园区综合能源系统群与电网协同优化控制框架；③建立电网和园区综合能源系统群博弈结构；④设置阀值，判断是否进行互动博弈；⑤建立基于主从博弈的园区综合能源系统群与电网互动博弈模型；⑥建立园区综合能源系统群与电网的互动博弈调度Matlab平台求解互动流程；⑦对分层协调的园区综合能源系统群与电网的互动博弈调度策略有效性进行仿真分析，验证分层协调的园区综合能源系统群与电网的互动博弈调度策略能够实现园区综合能源系统群与电网的稳定经济运行。本发明采用的互动博弈调度方法，能够有效和可靠的进行园区综合能源系统群与电网协同优化运行，为园区综合能源系统群与电网的稳定运行提供技术依据和实用方法。

Description

一种园区综合能源系统群与电网的互动博弈调度方法
技术领域
本发明涉及一种园区综合能源系统群与电网的互动博弈调度方法，特别涉及一种基于分层协同控制与主从博弈的园区综合能源系统群与电网的互动博弈调度方法，属于综合能源系统运行与控制技术领域。
背景技术
分布式电源的大规模并网使得原有单端供电的辐射式网络演变为多端供电的复杂网络，配电网的潮流方向随着分布式电源与负荷功率的波动出现随机变化，使得线路运行控制与继电保护的复杂度大大提高；同时，可再生分布式电源的出力具有很强的随机性与波动性，会对电网的功率平衡产生破坏，从而影响系统中的电压与频率稳定性。目前，综合能源系统群是解决高渗透率的分布式电源接入的有效途径，未来在配电网中将大量存在，并整合综合能源系统内资源与电网进行互动。综合能源系统的迅速发展，需要对电网与综合能源系统之间的协调运行进行进一步研究，成为亟待解决的问题。
目前国内外对园区综合能源系统群与电网的研究主要集中在“源-网-荷”互动运行机制、高渗透率分布式电源的配网协同优化技术、基于多智能体的配网协同控制技术、配电网多元主体的竞价机制和博弈方法等方面，但对综合能源系统群与电网的协同优化调度问题的研究还相对较少。
有专家针对多园区综合能源系统建立考虑不同园区之间功率交互和协调出力的优化调度模型，计及了园区与园区之间，园区与配电网之间的功率交互，但以上研究将电网的影粗略地以园区与配电网之间的交互功率代替纳入最小运行成本目标函数，是一种统一调度方式，电网与MCIES之间的协同交互并不明显。
目前有以下3个待进一步探究的问题：①MCIES的优化调度较少考虑园区间多能协同交互对多园区优化运行以及配电网络对MCIES的影响；②将多园区和电网作为不同利益主体建模，但求解时先主动配电网经济最优，后多园区综合能源系统系统“二次协调”最优，不能实现多微网和电网并行求解。③MCIES多主体分散协调调度中考虑的利益主体不全面，未考虑电网和园区间的利益分配问题。
本发明的目的在于解决现有技术存在的上述问题,提出了一种园区综合能源系统群与电网的互动博弈调度方法，电网与综合能源系统群之间的互动博弈运行策略存在一定的复杂性，其表现为：建立的协同运行策略需要满足不同利益主体需求，同时使得系统整体的运行状态达到最优。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的上述问题，出了一种园区综合能源系统群与电网的互动博弈调度方法。本发明采用的这种协调控制方法，能够更有效和可靠的进行电网和综合能源系统群之间的协调控制，为综合能源系统协调控制提供技术依据和实用方法。
本文提出的一种园区综合能源系统群与电网的互动博弈调度方法的基本思想是：针对园区综合能源系统群与电网两个不同的利益主体，搭建上层集中区域协调和下层分布局域协调框架，建立互动博弈模型，通过主从博弈论确定各博弈参与者最优策略集，实现电网和园区综合能源系统群的经济稳定运行。
本发明给出的技术方案是：在电网和园区综合能源系统群系统中，通过搭建上层集中区域协调和下层分布局域协调框，建立互动博弈模型，通过主从博弈论即电网根据自身效益制定机组处理计划并下发给各园区；各园区结合自身的生产计划，选定电、热负荷模型及收益函数，在保证自身效益最大化的基础上向电网侧上报可平移负荷、可削减负荷及可改变负荷的量。电网侧汇总各户的情况之后，根据自身效益重新制定发电机组出力计划，并下发给用户，用户继续对自己的收益函数寻优，再次与电网互动，直至所有优化对象策略集不再发生改变，此时各优化对象的策略集为纳什均衡解下的各参与者策略集。实现电网和园区综合能源系统群的经济稳定运行。
其特点是包括以下步骤：
步骤1)建立常规发电机组、分布式电源、储能及其他设备的出力模型及成本模型；
步骤2)建立园区综合能源系统群与电网协同优化控制框架；
(1)建立分层分解优化模型来实现电网与园区综合能源系统群的协调控制：上层为电网与园区运营商区域协调控制、下层为园区综合能源系统群局域协调控制；
(2)电网侧模型以电网与园区间的电能交互费用以及电网侧常规机组发电成本为收益函数，决策园区群的出力；园区综合能源系统群模型以运行成本为优化收益函数，决策各园区中各分布式能源及其他设备的出力。
步骤3)建立电网和园区综合能源系统群博弈结构；
(1)实际博弈参与者：电网和园区综合能源系统群；
(2)虚拟博弈参与者：电网和园区综合能源系统群的运行收益。
(3)电网策略集：电网与园区综合能源系统群电能交互费用、电网侧发电机组总生产成本。
(4)园区综合能源系统群策略集：园区综合能源系统群的购能费用、园区综合能源系统群与电网电能交互费用、综合能源系统群的运行维护费用。
步骤4)设置阀值，判断是否进行互动博弈；
步骤5)建立基于主从博弈的园区综合能源系统群与电网互动博弈模型；
(1)确定博弈决策变量；
(2)确定收益函数；
(3)电网根据自身效益制定机组处理计划并下发给各园区；各园区结合自身的生产计划，选定电、热负荷模型及收益函数，在保证自身效益最大化的基础上向电网侧上报可平移负荷、可削减负荷及可改变负荷的量；
(4)电网侧汇总各户的情况之后，根据自身效益重新制定发电机组出力计划，并下发给用户，用户继续对自己的收益函数寻优，再次与电网互动；
(5)重复步骤3和4，直至所有优化对象策略集不再发生改变，此时各优化对象的策略集为纳什均衡解下的各参与者策略集。
步骤6)建立园区综合能源系统群与电网的互动博弈调度Matlab平台求解互动流程；
(1)输入初始数据并设置参数,包括各园区典型日热电负荷曲线、园区电价、机组运行参数等；
(2)初始化种群a，该种群包各园区上报的冷热电负荷需求、互动响应量等信息；
(3)电网调度中心将互动响应量及机组出力计划下发给园区综合能源系统群，进而调用子流程对园区的效益进行寻优；
(4)园区综合能源系统群将优化得到的策略上报给电网调度中心，电网侧计算自身效益B1；
(5)进行交叉、变异形成新的子种群b；
(6)调用下层算法，园区群对自身效益进行寻优，并将优化得到的策略上报给电网调度中心，电网侧计算自身效益B2；
(7)下层算法：利用非线性规划求解方法求解园区群的效益，并将优化后的结果上报给电网调度中心，所有园区均参与优化求解，则结束流程。
(8)若B2>B1，则令a＝b,B1＝B2,然后跳转至步骤(5)，否则判断是否满足迭代结束要求，若满足，则互动模拟结束，否则跳转至步骤(5)；
步骤7)对分层协调的园区综合能源系统群与电网的互动博弈调度策略有效性进行仿真分析，验证分层协调的园区综合能源系统群与电网的互动博弈调度策略能够实现园区综合能源系统群与电网的稳定经济运行。
园区综合能源系统群与电网通过电能的互动进行协同优化控制。
建立分层协同优化控制模型与互动博弈模型来实现对园区综合能源系统群与电网的最优调度策略。
分层协同优化控制模型中，区域调度层电网根据各园区提供的购售电价格、“出力”上下限等信息与电网中其他发电公司进行联合调度，以电网公司效益最大化为目标确定发电计划。各园区还需根据发电计划、分布式电源出力以及自身负荷预测数据以运行成本最小化为目标进行“二次协调”。
区域调度侧收益函数：
Figure BDA0002816968220000051
式中：FPG为区域侧总生产成本；μi(t)为电网与第i个综合能源系统的分时交易电价；PG，i(t)为电网与第i个综合能源系统传输的电功率；其值为负(正)时表示电网向综合能源系统售(购)电，n和m分别为综合能源系统和电网侧常规发电机组的数量；PG，j(t)为电网侧第j个常规机组的出力；aj、bj和cj为对应的成本系数。
局域调度侧成本收益函数：
Figure BDA0002816968220000061
式中：FLI为局域侧总生产成本；pgas为天然气价格；PMT，i(t)为第i个综合能源系统的燃气轮机出力；ηMT，i为第i个综合能源系统的燃气轮机发电效率；Hgas为天然气热值；NGB，i(t)为第i个综合能源系统的燃气锅炉消耗燃气量；vi，x为设备x在第i个园区内单位时间的运行维护费用；
Figure BDA0002816968220000062
为设备x在第i个园区内的出力；X为各园区内设备种类。
电网与园区综合能源系统群的互动过程可以是一次或有限的若干次，直至求得纳什博弈均衡解，即电网和各园区都不能通过单独改变自身策略来增加收益为止。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.本园区综合能源系统群与电网的互动博弈调度方法，能够兼顾不同园区的利益诉求，各园区通过互动博弈达成利益分配，更符合实际情况。有效实现对配网-园区联络线功率和园区间交互功率的分散协调调度，兼顾运行经济性及安全性和不同主体的利益诉求，使各主体经过区域调度和局域调度两阶段的利益博弈，最终达到协同经济最优运行。
2.本方法易于实施。本方法是在综合能源系统群内部优化调度的基础之上建立起来的，加入综合能源系统群与电网的电能交互环节，使得综合能源系统的运行调度不脱离现实环境更符合实际情况。从控制上易于实施；同时，各预测函数有现成的算法或软件，控制策略也易于实施。
3.本方法便于商业化开发。随着综合能源系统应用的增多，该系统与电网的协同优化控制策略的开发必然具有较大需求，本发明具有较好的商业开发前景。
附图说明
图1是园区综合能源系统群与电网的互动博弈调度方法总体流程图；
图2是电网与园区综合能源系统群协同博弈框架图；
图3是园区综合能源系统群与电网协同运行结构示意图；
图4-5是园区综合能源系统群优化结果。
具体实施方式
下面结合附图和仿真实验对本发明的技术方案做进一步详细说明。
如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明包括以下步骤：
步骤1)建立常规发电机组、分布式电源、储能及其他设备的出力模型及成本模型；
步骤2)建立园区综合能源系统群与电网协同优化控制框架；
(1)建立分层分解优化模型来实现电网与园区综合能源系统群的协调控制：上层为电网与园区运营商区域协调控制、下层为园区综合能源系统群局域协调控制；
(2)电网侧模型以电网与园区间的电能交互费用以及电网侧常规机组发电成本为收益函数，决策园区群的出力；园区综合能源系统群模型以运行成本为优化收益函数，决策各园区中各分布式能源及其他设备的出力。
步骤3)建立电网和园区综合能源系统群博弈结构；
(1)实际博弈参与者：电网和园区综合能源系统群；
(2)虚拟博弈参与者：电网和园区综合能源系统群的运行收益。
(3)电网策略集：电网与园区综合能源系统群电能交互费用、电网侧发电机组总生产成本。
(4)园区综合能源系统群策略集：园区综合能源系统群的购能费用、园区综合能源系统群与电网电能交互费用、综合能源系统群的运行维护费用。
步骤4)设置阀值，判断是否进行互动博弈；
步骤5)建立基于主从博弈的园区综合能源系统群与电网互动博弈模型；
(1)确定博弈决策变量；
(2)确定收益函数；
(3)电网根据自身效益制定机组处理计划并下发给各园区；各园区结合自身的生产计划，选定电、热负荷模型及收益函数，在保证自身效益最大化的基础上向电网侧上报可平移负荷、可削减负荷及可改变负荷的量；
(4)电网侧汇总各户的情况之后，根据自身效益重新制定发电机组出力计划，并下发给用户，用户继续对自己的收益函数寻优，再次与电网互动；
(5)重复步骤3和4，直至所有优化对象策略集不再发生改变，此时各优化对象的策略集为纳什均衡解下的各参与者策略集。
步骤6)建立园区综合能源系统群与电网的互动博弈调度Matlab平台求解互动流程；
(1)输入初始数据并设置参数,包括各园区典型日热电负荷曲线、园区电价、机组运行参数等；
(2)初始化种群a，该种群包各园区上报的冷热电负荷需求、互动响应量等信息；
(3)电网调度中心将互动响应量及机组出力计划下发给园区综合能源系统群，进而调用子流程对园区的效益进行寻优；
(4)园区综合能源系统群将优化得到的策略上报给电网调度中心，电网侧计算自身效益B1；
(5)进行交叉、变异形成新的子种群b；
(6)调用下层算法，园区群对自身效益进行寻优，并将优化得到的策略上报给电网调度中心，电网侧计算自身效益B2；
(7)下层算法：利用非线性规划求解方法求解园区群的效益，并将优化后的结果上报给电网调度中心，所有园区均参与优化求解，则结束流程。
(8)若B2>B1，则令a＝b,B1＝B2,然后跳转至步骤(5)，否则判断是否满足迭代结束要求，若满足，则互动模拟结束，否则跳转至步骤(5)；
步骤7)对分层协调的园区综合能源系统群与电网的互动博弈调度策略有效性进行仿真分析，验证分层协调的园区综合能源系统群与电网的互动博弈调度策略能够实现园区综合能源系统群与电网的稳定经济运行。
园区综合能源系统群与电网通过电能的互动进行协同优化控制。
建立分层协同优化控制模型与互动博弈模型来实现对园区综合能源系统群与电网的最优调度策略。
分层协同优化控制模型中，区域调度层电网根据各园区提供的购售电价格、“出力”上下限等信息与电网中其他发电公司进行联合调度，以电网公司效益最大化为目标确定发电计划。各园区还需根据发电计划、分布式电源出力以及自身负荷预测数据以运行成本最小化为目标进行“二次协调”。
区域调度侧收益函数：
Figure BDA0002816968220000091
式中：FPG为区域侧总生产成本；μi(t)为电网与第i个综合能源系统的分时交易电价；PG，i(t)为电网与第i个综合能源系统传输的电功率；其值为负(正)时表示电网向综合能源系统售(购)电，n和m分别为综合能源系统和电网侧常规发电机组的数量；PG，j(t)为电网侧第j个常规机组的出力；aj、bj和cj为对应的成本系数。
局域调度侧成本收益函数：
Figure BDA0002816968220000101
式中：FLI为局域侧总生产成本；pgas为天然气价格；PMT，i(t)为第i个综合能源系统的燃气轮机出力；ηMT，i为第i个综合能源系统的燃气轮机发电效率；Hgas为天然气热值；NGB，i(t)为第i个综合能源系统的燃气锅炉消耗燃气量；νi，x为设备x在第i个园区内单位时间的运行维护费用；
Figure BDA0002816968220000102
为设备x在第i个园区内的出力；X为各园区内设备种类。
电网与园区综合能源系统群的互动过程可以是一次或有限的若干次，直至求得纳什博弈均衡解，即电网和各园区都不能通过单独改变自身策略来增加收益为止。
图1是总体流程图，与上述计算步骤是一致的，值得说明的是本方法在电网与园区综合能源系统群分层协同控制的基础框架上，加入主从博弈思想，建立互动博弈模型，求得纳什均衡下的参与者最优策略集即最优调度策略，这是与其它方法本质的区别所在。
图2是电网与园区综合能源系统群协同博弈框架图，电网调度中心根据综合能源系统的典型信息、电网侧典型信息制定发电计划，通过动态SCADA系统进行实时监控，当|ΔPIES|(各园区出力变化绝对值)大于δlim(指标体系中的阀值)时进行电网与园区综合能源系统群的互动博弈调度，直至达到纳什均衡，输出最优参与者策略集。
图3是园区综合能源系统群与电网协同运行结构示意图，上层为区域调度层，下层为局域调度层，采用分布式建模。
图4是园区综合能源系统群优化结果。
假设某区域电网共有3个园区每个园区配有CCHP系统，风、光伏发电设备，以及电、热储能。其中CCHP系统各设备参数设置如下；燃气轮机发电效率
Figure BDA0002816968220000111
余热回收效率
Figure BDA0002816968220000112
热泵、吸收式制冷机的转换效率分别为
Figure BDA0002816968220000113
Figure BDA0002816968220000114
电热储能容量限制为
Figure BDA0002816968220000115
Figure BDA0002816968220000116
电热储能充％放电效率为
Figure BDA0002816968220000117
园区负荷分别为电、冷、热负荷，其中，园区1电负荷、园区2冷负荷、园区3热负荷高于其他园区同类负荷。
从图中可以看出，各园区在谷时段通过分布式电源和大电网对储电设备进行充电，并在峰时段为园区提供电能，从而既可以降低园区能源费用，又可以进一步消纳分布式发电所发电能。CCHP系统在平时段开始启用，随后在时段10-22系统电出力跟随总电负荷和分布式电源出力波动，其间在时段11-12，19出力达到峰值，因此，有效降低峰、平时段购电量，从而达到降低能源费用的目的。另外，从各园区各时段购电量可以看出，经过互动博弈优化后，峰时段负荷需求被大大削减，负荷需求峰谷差减小，从而有利于大电网的安全稳定运行。
在峰时段和平时段，园区的热负荷基本由CCHP和储能提供，而在谷时段，热负荷基本由电能提供，这是因为峰、平时段电价较高，园区为了降低购电费用选择利用CCHP统向园区供电，并利用余热提供热能，余热不足时再利用燃气锅炉提供热能％而谷时段电价较低，分布式电源发电过剩，通过分布式发电及电网购电再由电制热的供热方式比CCHP直接供热方式的费用更低。另外，对比三个园区优化结果可以看出，由于园区3热负荷需求量较大，储热设备在谷时段通过电热转换存储了较多能量，以便在晚高峰时段为园区提供热能，从而可以减少供热费用，也可以促进分布式发电的消纳。

Claims (5)

1.一种园区综合能源系统群与电网的互动博弈调度方法，包括在园区综合能源系统群与电网协同优化运行策略基础之上，引入园区综合能源系统群与电网的互动博弈优化机制，充分利用电网侧和园区侧负荷峰谷特性进行能量优化管理，从而降低系统整体的运行成本与负荷峰谷差，实现园区综合能源系统群与电网的经济安全运行；包括以下步骤：
步骤1)建立常规发电机组、分布式电源、储能及其他设备的出力模型及成本模型；
步骤2)建立园区综合能源系统群与电网协同优化控制框架；
(1)建立分层分解优化模型来实现电网与园区综合能源系统群的协调控制：上层为电网与园区运营商区域协调控制、下层为园区综合能源系统群局域协调控制；
(2)电网侧模型以电网与园区间的电能交互费用以及电网侧常规机组发电成本为收益函数，决策园区群的出力；园区综合能源系统群模型以运行成本为优化收益函数，决策各园区中各分布式能源及其他设备的出力；
步骤3)建立电网和园区综合能源系统群博弈结构；
(1)实际博弈参与者：电网和园区综合能源系统群；
(2)虚拟博弈参与者：电网和园区综合能源系统群的运行收益；
(3)电网策略集：电网与园区综合能源系统群电能交互费用、电网侧发电机组总生产成本；
(4)园区综合能源系统群策略集：园区综合能源系统群的购能费用、园区综合能源系统群与电网电能交互费用、综合能源系统群的运行维护费用；
步骤4)设置阀值，判断是否进行互动博弈；
步骤5)建立基于主从博弈的园区综合能源系统群与电网互动博弈模型；
(1)确定博弈决策变量；
(2)确定收益函数；
(3)电网根据自身效益制定机组处理计划并下发给各园区；各园区结合自身的生产计划，选定电、热负荷模型及收益函数，在保证自身效益最大化的基础上向电网侧上报可平移负荷、可削减负荷及可改变负荷的量；
(4)电网侧汇总各户的情况之后，根据自身效益重新制定发电机组出力计划，并下发给用户，用户继续对自己的收益函数寻优，再次与电网互动；
(5)重复步骤3和4，直至所有优化对象策略集不再发生改变，此时各优化对象的策略集为纳什均衡解下的各参与者策略集；
步骤6)建立园区综合能源系统群与电网的互动博弈调度Matlab平台求解互动流程；
(1)输入初始数据并设置参数,包括各园区典型日热电负荷曲线、园区电价、机组运行参数等；
(2)初始化种群a，该种群包各园区上报的冷热电负荷需求、互动响应量等信息；
(3)电网调度中心将互动响应量及机组出力计划下发给园区综合能源系统群，进而调用子流程对园区的效益进行寻优；
(4)园区综合能源系统群将优化得到的策略上报给电网调度中心，电网侧计算自身效益B1；
(5)进行交叉、变异形成新的子种群b；
(6)调用下层算法，园区群对自身效益进行寻优，并将优化得到的策略上报给电网调度中心，电网侧计算自身效益B2；
(7)下层算法：利用非线性规划求解方法求解园区群的效益，并将优化后的结果上报给电网调度中心，所有园区均参与优化求解，则结束流程；
(8)若B2>B1，则令a＝b,B1＝B2,然后跳转至步骤(5)，判断是否满足迭代结束要求，若满足，则互动模拟结束，否则跳转至步骤(5)；
步骤7)对分层协调的园区综合能源系统群与电网的互动博弈调度策略有效性进行仿真分析，验证分层协调的园区综合能源系统群与电网的互动博弈调度策略能够实现园区综合能源系统群与电网的稳定经济运行。
2.根据权利要求1所述的一种园区综合能源系统群与电网的互动博弈调度方法，其特征在于：园区综合能源系统群与电网通过电能的互动进行协同优化控制。
3.根据权利要求1所述的一种园区综合能源系统群与电网的互动博弈调度方法，其特征在于：建立分层协同优化控制模型与互动博弈模型来实现对园区综合能源系统群与电网的最优调度策略。
4.根据权利要求1所述的一种园区综合能源系统群与电网的互动博弈调度方法，其特征在于：分层协同优化控制模型中，区域调度层电网根据各园区提供的购售电价格、“出力”上下限等信息与电网中其他发电公司进行联合调度，以电网公司效益最大化为目标确定发电计划。各园区还需根据发电计划、分布式电源出力以及自身负荷预测数据以运行成本最小化为目标进行“二次协调”；
区域调度侧收益函数：
Figure FDA0002816968210000031
式中：FPG为区域侧总生产成本；μi(t)为电网与第i个综合能源系统的分时交易电价；PG，i(t)为电网与第i个综合能源系统传输的电功率；其值为负(正)时表示电网向综合能源系统售(购)电，n和m分别为综合能源系统和电网侧常规发电机组的数量；PG，j(t)为电网侧第j个常规机组的出力；aj、bj和cj为对应的成本系数；
局域调度侧成本收益函数：
Figure FDA0002816968210000041
式中：FLI为局域侧总生产成本；pgas为天然气价格；PMT，i(t)为第i个综合能源系统的燃气轮机出力；ηMT，i为第i个综合能源系统的燃气轮机发电效率；Hgas为天然气热值；NGB，i(t)为第i个综合能源系统的燃气锅炉消耗燃气量；νi，x为设备x在第i个园区内单位时间的运行维护费用；
Figure FDA0002816968210000042
为设备x在第i个园区内的出力；X为各园区内设备种类。
5.根据权利要求1所述的一种园区综合能源系统群与电网的互动博弈调度方法，其特征在于：电网与园区综合能源系统群的互动过程可以是一次或有限的若干次，直至求得纳什博弈均衡解，即电网和各园区都不能通过单独改变自身策略来增加收益为止。
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