CN112862352A - 一种广域综合能源系统联合规划方法 - Google Patents

Abstract

一种广域综合能源系统联合规划方法，它包括以下步骤：1）建立用户用能决策的效用模型，对电力用户综合用能决策进行分析；2）分别构建综合能源系统中各类主体的规划模型，建立供能决策机构对供需双侧污染排放的评估模型；3）构建面向广域综合能源系统的双层动态博弈规划模型；4）利用迭代搜索法对模型进行求解。本发明的目的是在多重异质能源系统联合规划的背景下提供一种计及电力用户综合用能决策和供暖改造决策导向的广域综合能源系统规划方法，以进一步提升综合能源系统规划的精确性。

Description

一种广域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，尤其涉及电力能源系统规划领域。具体说是本发明提出了一种计及电力用户综合用能决策和供暖改造决策导向的广域综合能源系统规划方法。

背景技术

近年来，面对日益加深的能源环境危机，从更大范围的宏观角度来统筹考虑不同类型能源系统的发展问题，从而提高能源的综合利用效率已成为世界各国的普遍共识。以我国为例，为解决日益严重的大气污染问题，我国供能决策机构在京津冀地区推动大规模煤改电、煤改气计划，然而由于不同能源系统是独立规划、独立设计，彼此之间缺乏统筹协调，在煤改过程中虽然有效降低了燃煤消耗，缓解了大气污染，但又导致北方在冬季供暖季出现大规模气荒，严重影响居民正常生活。由此可见，传统将不同能源系统割裂开分别进行规划的思路已经无法满足当今能源发展的需要，而从更大范围的宏观角度出发，打破异质能源间的壁垒，研究面向广域多重异质能源系统的联合规划理论具有重要的理论和工程意义。

目前，针对综合能源系统规划方法已经有了一定研究，其主要是考虑综合能源系统中多种能源的耦合特性，通过研究多种能源之间的转化关系，以最低投资运行费用或效用最大为目标，构建考虑多种能源系统之间相互影响的规划模型，并利用相关算法进行求解，这类规划方法主要是针对区域综合能源系统。从整体来看，现有研究一方面涉及的供能范围相对较小，多是工业园区或者城镇，一般不涉及省域大范围的能量传输；另一方面，其能量耦合节点一般集中在能源供给侧，如燃气轮机、燃气锅炉、空气能热泵等，而且其不同能源形式间存在物理上的耦合关系，因而其能量转换关系也是清晰而明确的。因此，可以说目前人们研究提出的综合能源系统规划方法，是一种面向刚性强耦合的区域综合能源系统的规划方法。

事实上，从整个社会的宏观角度来看，由于人们在能源消费过程中，可供其选择的能源形式日趋多样化，如天然气、电能、燃煤等。而在较长的时间尺度下，受市场环境、供暖改造决策导向等因素的影响，人们对不同形式能源的选择也并非一成不变，而且由于人们的能源消费需求往往相对稳定，如生产、取暖、照明、烹饪等，因此，从能源需求侧来看，在中长期时间尺度下，受市场、供暖改造决策、环境等因素影响，人们的用能负荷有可能会在不同形式的能源之间发生转移。而这种转换是以人的用能决策为纽带进行，这也就意味着，不同形式的异质能源会在用户侧实现耦合。而从已有研究来看，在更大范围内考虑用户侧不同能源形式之间弱耦合关系的研究尚未见报道。

需求侧用户的综合用能决策和供给侧各类能源公司的投资建设均受供能决策机构决策导向的影响，尤其在现阶段供改造、电能替代等项目中，供能决策机构发挥的作用尤为显著。而将供能决策机构作为一个独立的决策主体，充分考虑供能决策机构在综合能源系统规划过程中主动性的研究目前尚未见报道。

发明内容

本发明的目的是在多重异质能源系统联合规划的背景下提供一种计及电力用户综合用能决策和供暖改造决策导向的广域综合能源系统规划方法，以进一步提升综合能源系统规划的精确性。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种广域综合能源系统联合规划方法，它包括以下步骤：

1)建立用户用能决策的效用模型，对电力用户综合用能决策进行分析；

2)分别构建综合能源系统中各类主体的规划模型，建立供能决策机构对供需双侧污染排放的评估模型；

3)构建面向广域综合能源系统的双层动态博弈规划模型；

4)利用迭代搜索法对模型进行求解。

上述广域综合能源系统的耦合节点包括两类，一类包括以CCHP机组为代表的，存在于电源侧的强耦合节点，其不同能源之间的转换关系，由能源转换关系矩阵CP＝L描述，另一类包括存在于需求侧的柔性弱耦合节点，它以电力用户用能决策为纽带，由不同能源形式之间的耦合系数决定，具体描述为：

式中：P_e、P_g、P_h分别为用户侧的电负荷、天然气负荷和热负荷需求；

分别为区域内选择以电能、天然气和热能对第i类可替代负荷需求供能的用户比例系数；

为用户以电能、天然气和热能满足第i类可替代负荷需求时消耗的电负荷、气负荷、热负荷。

上述电力用户综合用能决策包括用户对供暖改造方式的决策行为，其中供暖改造方式包括电供暖和天然气供暖，目标函数为：

其中：

式中，p表示不同的供暖区域；q可取e、g、c，其表示供暖方式时分别为电供暖、天然气供暖和燃煤供暖，表示供暖负荷时分别为电供暖负荷、天然气供暖负荷和燃煤供暖负荷；

分别为各种供暖改造方式的总成本、投资成本和燃料费用；

为投资成本现值；

为各种供暖设备的使用寿命；λ_pq、δ_q分别为各种供暖方式所用燃料的市场价格和供能决策机构的需求响应价格；

为能耗量；r为贴现率；

各种供暖方式的综合使用效用为：

将用户在面临多种供暖选择时，出现的不确定的变量因素设置为修正效用ξ_pq，以反映决策者的随机偏好，表征用户选择行为的一种偶然性，则各区域用户的供暖决策模型为：

U_pq(η_pq)＝max(V_pq+ξ_pq) (5)

式中：U_pq为各区域用户侧选择供暖方式q的效用值；η_pq为决策变量，表示各区域用户中各种供暖方式改造的比例。

由效用最大化决策准则，结合Logit模型，利用概率分布函数计算方法，推导计算各区域用户选择供暖方式q的概率

以该概率值表征供暖方式q在各区域用户中所占比例的期望值：

进而结合各区域的基本负荷，确定供暖改造完成后不同区域的各类负荷水平；

式中：

P_pq、ΔP_pq为改造前、改造后以及新增的各类供暖负荷需求；P_p为各区域的待改造供暖总负荷。

建立供能决策机构对供需双侧污染排放的评估模型的方法，分别构建综合能源系统中各类市场主体的规划模型，考虑供能改造的环境效益，建立供能决策机构对供需双侧污染排放的评估模型；

其中，考虑的综合能源系统中的投资主体包括发电公司、电网公司和天然气公司，对于发电公司，希望降低燃气机组的投资运行费用及环境成本，增加售电收入；对于电网公司而言，希望降低线路的投资费用及网损；对于天然气公司，则希望降低管道投资费用及系统运行费用，增加售气收入；

发电公司决策函数如下：

式中：I_F为发电公司的总效益；

为发电公司的售电收入；

为新建燃气机组的投资成本；

为燃气机组的购气费用；

为机组的运行费用；

为机组排污的环境成本；Ω_T为规划周期；Ω_E为电力系统节点集合；

为在时刻t节点i处的电功率；

为在时刻t节点i处的购气功率；

为在时刻t节点i处的售电电价；

为在时刻t节点i处的天然气价格，T_GT为新增燃气机组的使用年限；Ω_XG为待选燃气机组集合；x_a为待选燃气机组a的投建0-1变量；

为待选燃气机组a投资费用；

为燃气机组和燃煤机组在单位功率下的运行费用；P_gt、P_mt为燃气机组和燃煤机组在时间t的功率；

为燃气机组和燃煤机组在单位功率下的环境成本；Ω_GT、Ω_MT为投运的燃气机组集合和燃煤机组集合。

电网公司的决策函数如下：

式中：I_E为电网公司的总效益；

为电网公司的收入；Ω_L为输电线路集合；Ω_T为规划周期，T为规划年限；

为时段t线路l的运行费用；

为时段t线路l的可靠性效用；

为新建输电线路的投资费用；

为电网公司的运营费用；

为流过线路l的最大功率值；

为线路l的容量；θ_es为单位停电损失；EENS_l,t为时段t线路l的缺供电量期望值；T_EL为输电线路的使用年限；Ω_XL为待选输电线路集合；y_b为待选输电线路b的投建0-1变量；

为待选输电线路b的投资费用；

天然气公司的决策函数如下：

式中：I_G为天然气公司的总效益；

为天然气公司的收入；

为天然气网络的运行费用；

新建输气管道的投资费用；Ω_G为天然气网络的节点集合；G_j,t为在时刻t节点j处的天然气功率；

为时刻t节点j处的天然气价格；Ω_h为气源点集合；

为气源点h的在单位功率下的运行费用；G_ht为气源点h在时间t的天然气功率，T_GL为输气管道的使用年限；Ω_GL为待选输气管道集合；z_c为输气管道c的建设决策0-1变量；

为待选输气管道c的投资费用。

上述综合能源系统内各子系统的约束条件主要包括功率平衡约束、潮流约束、线路管道的输送容量约束以及机组和气源点的出力约束，同时也需要考虑综合能源系统内以燃气机组为耦合节点的相关约束条件：

1)燃气机组出力约束

式中：

表示燃气机组g的出力上下限。

2)耦合节点功率平衡约束

式中：

为流入耦合节点的电功率；

为流入耦合节点的天然气功率；Θ为燃气机组转化系数；

为流出耦合节点的电功率；E_Lg为耦合节点的负荷。

以供暖改造下用户侧和供给侧的排污量最小为优化目标，以供暖改造单位费用、用户侧供暖改造规模为约束条件，构建考虑环境效益的供能决策机构规划模型；

式中：R为用户及能源系统总排污量；δ_E、δ_G为供能决策机构的决策变量：电价和气价单位改造补偿费用；

分别为燃煤供暖单位煤耗量、燃气供暖单位煤气耗量、燃煤机组单位煤耗量以及燃气机组单位气耗量所排放的第d种污染物的量；

分别为以燃煤、燃气供暖用户的煤耗量和气耗量以及发电公司中燃煤机组和燃气机组的煤耗量和气耗量；Q_d为第d种污染物的排放权重因子；Ω_d为污染物的种类；

考虑环境效益的供能决策机构规划模型的约束条件如下：

1)供暖改造需求响应价格约束

式中：

为用电需求响应价格上下限；

为用气需求响应价格上下限；

2)用户侧供暖改造规模约束

其中：

式中：

为区域内用户供暖改造比例；

为区域内用户供暖改造规模上下限；

为各区域气源点h的待改造供暖总负荷；η_p,e为电供暖在各区域用户中所占比例的期望值；η_p,g为天然气供暖在各区域用户中所占比例的期望值。

一种构建双层动态博弈规划模型的方法，基于用户、供能决策机构、综合能源系统以及其中各类主体间的博弈机理分析，构建面向广域综合能源系统的双层动态博弈规划模型；

具体包括以下步骤：

在一个外层博弈回合中，首先供能决策机构对当前供暖改造工程的环境效益进行评估，并调整供暖改造制定的需求响应价格标准，给出决策

以降低区域内的排污量；再将信息传递给用户，用户根据能价及其需求响应价格标准，确定供暖改造方式，给出决策

使得用户侧的供暖费用最小；

进而再将负荷信息传递给综合能源系统，在一个内层博弈回合中，发电公司根据用户的电负荷需求以及耦合节点处的天然气网络信息，对新建电源进行选址定容，给出决策

然后电网公司根据发电公司的规划方案，确定输电线路的新建方案，给出决策

然后再将耦合节点上电力网络潮流信息传递给天然气公司，天然气公司结合用户侧的天然气负荷需求，调整输气管道的新建方案，给出决策

三个投资主体的决策方案使得综合能源系统的拓扑更新，进入下一个内层博弈回合，当发电公司、电网公司、天然气公司任意一方改变策略都无法获得更多的效益时，形成内层动态博弈均衡状态，给出综合能源系统的决策

此时，外层三个主体的决策方案使得广域综合能源系统的规划信息更新，进入下一个外层博弈回合，当供能决策机构、用户、综合能源系统任意一方改变策略都无法提升自身效益，形成外层博弈均衡状态。

其中，内层综合能源系统各投资主体博弈均衡状态具体描述如下：

式中：X_E ^*、X_F ^*、X_G ^*分别为电网公司、发电公司和天然气公司在对方选择最优策略下的己方最优策略；X_E、X_F、X_G分别为电网公司、发电公司和天然气公司在对方选择最优策略下的己方策略。

外层广域综合能源系统各参与主体博弈均衡状态具体描述如下：

式中：X_U ^*、X_I ^*、X_R ^*分别为用户、天然气公司和供能决策机构在对方选择最优策略下的己方最优策略；X_U、X_I、X_R分别为用户、天然气公司和供能决策机构在对方选择最优策略下的己方策略。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

本发明通过用户的综合用能决策分析对需求侧的负荷水平进行科学的评估预测，同时充分考虑供能决策机构在综合能源系统规划过程中主动性，将供能决策机构作为一个独立的决策主体纳入到规划过程中，从而提升了综合能源系统规划的精确性。

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是传递关系图；

图2是博弈行为示意图；

图3是求解流程图；

图4是综合能源系统拓扑结构图。

具体实施方式

一种广域综合能源系统联合规划方法，包括以下几个步骤：

1)建立用户用能决策的效用模型，对电力用户综合用能决策进行分析；

2)分别构建综合能源系统中各类市场主体的规划模型，同时考虑供能改造的环境效益，建立供能决策机构对供需双侧污染排放的评估模型；

3)基于用户、供能决策机构、综合能源系统以及其中各类市场主体间的博弈机理分析，构建面向广域综合能源系统的双层动态博弈规划模型；

4)利用迭代搜索法对模型进行求解。

进一步所述步骤1)中，本发明在我国供暖改造问题的基础上，研究广域综合能源系统规划方法，因此，在本发明中电力用户综合用能决策特指用户对供暖改造方式的决策行为。

针对分散用户燃煤供暖改造问题，本发明仅考虑电供暖和天然气供暖两种改造方式。用户供暖改造决策受自身特性与外界环境多方面的影响，如各类能源价格、供能决策机构的供暖改造决策、供暖费用、用户自身评价等。其中，供暖费用为最主要的影响因素，包括供暖改造成本和燃料成本。

目标函数具体如公式(1)所示。

其中：

式中，p表示不同的供暖区域；q可取e、g、c，其表示供暖方式时分别为电供暖、天然气供暖和燃煤供暖，表示供暖负荷时分别为电供暖负荷、天然气供暖负荷和燃煤供暖负荷；

分别为各种供暖改造方式的总成本、投资费用和燃料费用；

为投资费用现值；

为各种供暖设备的使用寿命；λ_pq、δ_q分别为各种供暖方式所用燃料的市场价格和需求响应价格；

为能耗量；r为贴现率。

由于各种供暖方式的供暖费用越高，其综合使用效用V_pq越低，各种供暖方式的综合使用效用为：

事实上，用户在面临多种供暖选择时，经常会出现不确定效用参与到最后的决策中，如用户对各种供暖方式的舒适性、环保性等方面的主观评价。因此，本文对这种不可确定的变量因素设置修正效用ξ_pq，反映决策者的随机偏好，表征用户选择行为的一种偶然性。则各区域用户的供暖决策效用模型为：

U_pq(η_pq)＝max(V_pq+ξ_pq) (5)

式中：U_pq为各区域用户侧选择供暖方式q的效用值；η_pq为决策变量，表示各区域用户中各种供暖方式改造的比例。

根据效用最大化决策准则，结合Logit模型，利用概率分布函数计算方法，可推导计算各区域用户选择供暖方式q的概率

本文以该概率值表征供暖方式q在各区域用户中所占比例的期望值。

进而结合各区域的基本负荷，确定供暖改造完成后不同区域的各类负荷水平。

式中：

P_pq、ΔP_pq为改造前、改造后以及新增的各类供暖负荷需求；P_p为各区域的待改造供暖总负荷。

所述步骤2)中，在供暖改造的背景下，为满足区域内新增电负荷和天然气负荷需求，同时响应节能减排的要求，能源市场下的不同能源投资主体将对能源供应系统进行设施改造、扩容新建。本文考虑的综合能源系统中的投资主体包括发电公司、电网公司和天然气公司。对于发电公司，希望降低燃气机组的投资运行费用及环境成本，增加售电收入；对于电网公司而言，希望降低线路的投资成本及网损；对于天然气公司，则希望降低管道投资成本及系统运行费用，增加售气收入。

发电公司的决策函数如下：

式中：I_F为发电公司的总效益；

为发电公司的售电收入；

为新建燃气机组的投资费用；

为燃气机组的购气费用；

为机组的运行费用；

为机组排污的环境成本；Ω_T为规划周期；Ω_E为电力系统节点集合；

为在时刻t节点i处的有功功率；

为在时刻t节点i处的购气功率；

为在时刻t节点i处的售电电价；

为在时刻t节点i处的天然气价格。T_GT为新增燃气机组的使用年限；Ω_XG为待选燃气机组集合；x_a为待选燃气机组a的投建0-1变量；

为待选燃气机组a投资费用；

为燃气机组和燃煤机组在单位功率下的运行费用；P_gt、P_mt为燃气机组和燃煤机组在时间t的功率；

为燃气机组和燃煤机组在单位功率下的环境成本；Ω_GT、Ω_MT为投运的燃气机组集合和燃煤机组集合。

电网公司的决策函数如下：

式中：I_E为电网公司的总效益；

为电网公司的收入；Ω_L为输电线路集合；Ω_T为规划周期，T为规划年限；

为时段t线路l的运行费用；

为时段t线路l的可靠性成本；

为新建输电线路的投资费用；

为电网公司的运营费用；

为流过线路l的最大功率值；

为线路l的容量；θ_es为单位停电损失；EENS_l,t为时段t线路l的缺供电量期望值；T_EL为输电线路的使用年限；Ω_XL为待选输电线路集合；y_b为待选输电线路b的投建0-1变量；

为待选输电线路b的投资费用。

天然气公司的决策函数如下：

式中：I_G为天然气公司的总效益；

为天然气公司的收入；

为天然气网络的运行费用；

新建输气管道的投资费用；Ω_G为天然气网络的节点集合；G_j,t为在时刻t节点j处的天然气功率；

为时刻t节点j处的天然气价格；Ω_h为气源点集合；

为气源点h的在单位功率下的运行费用；G_ht为气源点h在时间t的天然气功率。T_GL为输气管道的使用年限；Ω_GL为待选输气管道集合；z_c为输气管道c的投资0-1变量；

为待选输气管道c的投资成本。

综合能源系统内各子系统的约束条件主要包括功率平衡约束、潮流约束、线路管道的输送容量约束以及机组和气源点的出力约束，同时也需要考虑综合能源系统内以燃气机组为耦合节点的相关约束条件：

1)燃气机组出力约束

式中：

表示燃气机组g的出力上下限。

2)耦合节点功率平衡约束

式中：

为流入耦合节点的电功率；

为流入耦合节点的天然气功率；Θ为燃气机组转化系数；

为流出耦合节点的电功率；E_Lg为耦合节点的负荷。

用户和综合能源系统在进行规划决策时侧重于考虑规划决策效益，而供能决策机构更侧重于社会环境效益，将供能决策机构作为决策主体，可以对供暖改造的工程效益进行综合评估，从而使规划决策更加合理。本发明以供暖改造下用户侧和供给侧的排污量最小为优化目标，以供暖改造制定的需求响应价格、用户侧供暖改造规模为约束条件，构建考虑环境效益的供能决策机构规划模型。

式中：R为用户及能源系统总排污量；δ_E、δ_G为供能决策机构的决策变量：电价和气价单位改造补偿费用；

分别为燃煤供暖单位煤耗量、燃气供暖单位煤气耗量、燃煤机组单位煤耗量以及燃气机组单位气耗量所排放的第d种污染物的量；

分别为以燃煤、燃气供暖用户的煤耗量和气耗量以及发电公司中燃煤机组和燃气机组的煤耗量和气耗量；Q_d为第d种污染物的排放权重因子；Ω_d为污染物的种类。

供能决策机构决策单位补偿费用标准时需考虑的约束条件如下：

1)供暖改造单位补偿费用标准约束

式中：

为用电需求响应价格上下限；

为用气需求响应价格上下限。

2)用户侧供暖改造规模约束

其中：

式中：

为区域内用户供暖改造比例；

为区域内用户供暖改造规模上下限；

为各区域气源点h的待改造供暖总负荷；η_p,e为电供暖在各区域用户中所占比例的期望值；η_p,g为天然气供暖在各区域用户中所占比例的期望值。

所述步骤3)中，在考虑供能决策机构影响的广域综合能源系统联合规划中，决策主体为用户、供能决策机构和综合能源系统，用户可以决策供暖改造方式，综合能源系统可以决策各能源网络拓扑结构和各种能价，供能决策机构可以决策供暖改造需求响应价格标准。而其中综合能源系统规划中又包含发电公司、电网公司和天然气公司多个能源市场投资主体。

各主体在规划决策时的传递关系如图1所示。在外层广域综合能源系统规划决策过程中，用户根据各能源公司确定的能源价格，结合供能决策机构制定的需求响应价格决策供暖改造方案，并将供暖改造结果传递给供能决策机构，同时将各类负荷增量反馈到各能源公司。综合能源系统内各能源公司根据用户侧的各类负荷信息，决策各能源系统扩容新建及定价方案，并将能价信息传递给用户，将各能源公司的排污情况反馈给供能决策机构。在内层综合能源系统决策过程中，电力系统的源侧和网侧中发电公司机组新建和电网公司线路新建的决策直接互为影响；天然气公司决策管道建设，可以影响发电公司燃气机组的新建方案，同时，通过综合能源系统的规划决策效益和安全调度确定的节点边际气价进一步影响发电公司的购气计划，相反，发电公司燃气机组的新建也可以影响天然气公司管道建设；而电网公司和天然气公司通过燃气机组传递的混合潮流信息间接影响彼此的决策，因此，综合能源系统内三个能源市场投资主体各自独立决策，又互为影响，构成博弈关系。供能决策机构根据区域内用户及各能源系统的排污情况，对供暖改造工程的环境效益进行综合评估，修正供暖改造需求响应价格标准，以引导用户及综合能源系统进行更为合理的规划决策。故用户、综合能源系统和供能决策机构各自独立决策，彼此相互影响，也构成博弈关系，因此，本发明考虑供能决策机构影响的广域综合能源系统规划中多主体构成了一种双层博弈的框架。

由于需要在独立决策的前提下共同完成广域综合能源系统的规划决策，用户、供能决策机构、综合能源系统在规划过程中互相掌握对方的全部策略信息，其中综合能源系统中发电公司、电网公司和天然气公司也同样掌握其他公司的全部策略信息。在供暖改造工程规划中，供能决策机构需首先制定需求响应价格标准，然后用户根据现行能价及供暖改造决策制定供暖改造方式，最后各能源公司基于负荷水平决策系统的规划建设，所以外层各主体在决策上是先后给出决策方案的；而在综合能源系统规划中，本发明采用顺序求解法计算电-气混合潮流，首先基于发电公司和电网公司信息计算电力网络潮流，然后根据燃气机组及天然气公司信息计算天然气网络潮流，所以内层综合能源系统各投资主体在决策上也是先后进行的。因此，本发明广域综合能源系统中所有参与主体构成了双层完全信息动态博弈格局。其博弈行为示意图如图2所示。

在一个外层博弈回合中，首先供能决策机构对当前供暖改造工程的环境效益进行评估，并调整供暖改造产生的需求响应价格标准，给出决策

以降低区域内的排污量；再将信息传递给用户，用户根据能价及其需求响应价格标准，确定供暖改造方式，给出决策

使得用户侧的供暖费用最小；进而再将负荷信息传递给综合能源系统，在一个内层博弈回合中，发电公司根据用户的电负荷需求以及耦合节点处的天然气网络信息，对新建电源进行选址定容，给出决策

然后电网公司根据发电公司的规划方案，确定输电线路的新建方案，给出决策

然后再将耦合节点上电力网络潮流信息传递给天然气公司，天然气公司结合用户侧的天然气负荷需求，调整输气管道的新建方案，给出决策

三个投资主体的决策方案使得综合能源系统的拓扑更新，进入下一个内层博弈回合，当发电公司、电网公司、天然气公司任意一方改变策略都无法获得更多的效益时，形成内层动态博弈均衡状态，给出综合能源系统的决策

此时，外层三个主体的决策方案使得广域综合能源系统的规划信息更新，进入下一个外层博弈回合，当供能决策机构、用户、综合能源系统任意一方改变策略都无法提升自身效益，形成外层博弈均衡状态。

其中，内层综合能源系统各投资主体博弈均衡状态具体描述如下：

式中：X_E ^*、X_F ^*、X_G ^*分别为电网公司、发电公司和天然气公司在对方选择最优策略下的己方最优策略；X_E、X_F、X_G分别为电网公司、发电公司和天然气公司在对方选择最优策略下的己方策略。

外层广域综合能源系统各参与主体博弈均衡状态具体描述如下：

式中：X_U ^*、X_I ^*、X_R ^*分别为用户、天然气公司和供能决策机构在对方选择最优策略下的己方最优策略；X_U、X_I、X_R分别为用户、天然气公司和供能决策机构在对方选择最优策略下的己方策略。

所述步骤4)中，多主体博弈环境下的规划问题是一个各参与者基于各自目标的独立优化问题，很难通过统一的优化方法进行求解。针对上述博弈模型，本发明采用迭代搜索法求解其纳什均衡，具体求解流程如图3所示。求解步骤如下：

步骤1：输入原始数据和参数。初始化求解所需的数据，包括负荷数据、机组出力数据、供暖设施数据(造价、能耗参数、排污参数)。

步骤2：生成内外层博弈参与者策略空间。nR、nU、nI和nF、nE和nG依次是供能决策机构、用户、综合能源系统和发电公司、电网公司、天然气公司策略集合中元素的总数。

步骤3：设定初值。分别从内层和外层策略空间中随机选取一组值

和

作为内外层博弈的迭代初值。

步骤4：参与者进行方案优化。

步骤5：判断是否达到均衡状态。

步骤6：输出用户、供能决策机构、综合能源系统三个主体的最终决策方案

及其效益。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

1、参数设置

本文通过修改的IEEE24电力系统和修改的17节点天然气系统构成区域综合能源系统进行仿真分析。其中，电力系统和天然气系统的大部分节点存在地理位置上的重合，天然气网络5’、6’、10’、11’、14’号节点覆盖多个电力网络节点，如图4所示。各类型用户对供能方式的惠民性和舒适性偏好程度不同，基于用户效用层次结构，构建判断矩阵，得到各类型用户对各种指标权重如表1所示。

表1外层各主体的规划结果

针对本文计及供能决策机构参与博弈的广域综合能源系统规划问题，设置了三种情景：

情景1为不计及电力用户综合用能决策分析的广域综合能源系统规划；

情景2为计及电力用户综合用能决策分析的广域综合能源系统规划；

情景3为计及电力用户综合用能决策分析，同时考虑供能决策机构参与博弈的广域综合能源系统规划。

2、规划结果

三种情景下的外层各参与主体用户、综合能源系统、供能决策机构的规划结果对比如表1所示，内层各能源投资主体发电公司、电网公司、天然气公司的规划结果对比如表2所示。

表2综合能源系统内各市场主体的规划结果

由表1可知，相较于情景1，情景2中的能价产生的需求响应价格与之相同，均为初始需求响应价格标准，是因为情景1和情景2均未考虑供能决策机构参与规划决策；情景2中用户侧电供暖和天然气供暖改造比例均有所提升，而综合能源系统内各能源投资公司对能源定价均有所下调，且由表2可知，情景2中各公司对系统的扩容规划建设均有所加强。其原因在于，与情景1在用户侧仅考虑规划结果的经济性的供暖改造决策模型不同，情景2在考虑了用户供暖费用的基础上，计及了用户主观决策中不确定因素的影响，基于电力用户的综合用能决策构建用户供暖改造决策模型，故用户侧供暖改造方案存在差异，从而导致两种情景下的各类负荷需求不同，并进一步影响了各能源投资公司的定价决策和系统扩容规划结果。情景2和情景3均计及电力用户综合用能决策，但其各主体及各公司规划结果均有所差异，其原因在于，在情景3中考虑将供能决策机构作为博弈主体参与到广域综合能源系统规划中，供能决策机构为最大化供暖改造的环境效益，通过调整电能和天然气用能需求响应价格制定标准，引导用户进行燃煤供暖改造，而综合能源系统内各公司的规划决策随着用户侧各类负荷的变化而发生调整。

3、考虑电力用户用能决策的有效性验证

为了验证本文方法在广域综合能源系统规划中计及电力用户综合用能决策分析的必要性，本文对情景1和情景2的规划结果进行对比分析，情景1与情景2各主体成本及效益对比如表3所示。

表3情景1、2中各主体成本及效益对比

由表3可知，就用户侧供暖成本而言，与情景1相比，情景2中用户的供暖费用增加了2.28×10⁹元，这是由于情景1中用户仅依据供暖费用决策供暖方式，而电供暖费用和天然气供暖费用略高于燃煤供暖，故情景1中供暖改造规模相对较小为了验证本文方法在广域综合能源系统规划中计及电力用户综合用能决策分析的必要性，本文对情景1和情景2的规划结果进行对比分析，情景1与情景2各主体成本及效益对比如表3所示。

由表3可知，就用户侧供暖成本而言，与情景1相比，情景2中用户的供暖费用增加了2.28×10⁹元，这是由于情景1中用户仅依据供暖费用决策供暖方式，而电供暖费用和天然气供暖费用略高于燃煤供暖，故情景1中供暖改造规模相对较小；情景2在用户供暖决策模型中深入分析了电力用户的综合用能决策，不仅考虑供暖的规划结果的经济性，同时也计及用户对各种供暖方式的舒适性、环保性的主观评价这类不确定因素的影响，而电供暖和天然气供暖在这个方面具有一定的优势，故在情景2中供暖改造规模有所提升，但同时也在一定程度上增加了供暖费用。事实上，用户选择供暖方式并不会简单的仅考虑供暖成本，相较于情景1中的供暖改造规划结果的经济性模型，情景二中基于电力用户的综合用能决策的供暖改造决策模型更为合理有效。

就综合能源系统而言，与情景1相比，情景2中其总体效益提升了5.52×10⁹元，其中，发电公司、电网公司和天然气公司各能源投资主体的效益均有所提升，这是因为，在供能决策机构制定的供暖改造需求响应价格标准，相较于情景1，情景2在考虑了电力用户综合用能决策后，一定程度上增加了区域内的电负荷和天然气负荷，为各能源公司提供了更多的用能客户，各公司均扩大投资建设，提高售能收入，从而提升了自身的效益。

就区域内供暖改造的环境效益而言，与情景1相比，情景二中总排污量降低8.03×10⁷吨，其中，用户侧由于供暖产生的排污量减少1.114×10⁸吨，供给侧发电公司由于发电产生的排污量增加3.11×10⁷吨，这是因为情景2中供暖改造规模扩大，更多用户选择将原有燃煤供暖方式改造为排污较低的电供暖和天然气供暖，故用户侧排污量大幅降低；另一方面，情景2中整个区域内电供暖改造比例提升了5.2％，供暖电负荷需求有所提升，发电公司需提高发电量，由于天然气的价格比煤的价格贵，燃气机组的总发电成本(购气成本和机组运行费用)高于燃气机组，发电公司为提高效益，降低发电成本，部分新增电供暖负荷仍然由燃煤机组承担，故导致供给侧的排污量有所提升，因此，综合区域内用户和发电公司的的总排污量来看，情景2可以有效提升了供暖改造的环境效益。

综上所述，情景2深入分析了电力用户综合用能决策，在考虑供暖规划结果的经济性的基础上，进一步纳入不确定因素对用户供暖改造决策的影响，从而提出基于效用函数的供暖改造决策方法，相较于情景1，虽然一定程度上增加了供暖费用，但其规划模型更符合用户的供暖决策行为，同时增加综合能源系统内各能源投资主体的效益，并提升供暖改造的环境效益。

4、考虑供能决策机构参与规划决策的有效性验证

为了验证本文方法在计及电力用户用能决策分析的广域综合能源系统规划中考虑供能决策机构作为博弈主体参与规划的影响，本文对情景2和情景3的规划结果进行对比分析，情景2与情景3中用户和供能决策机构的成本及效益对比如表4所示，综合能源系统的效益对比如表5所示。

表4情景2、3中用户和供能决策机构的成本及效益对比

表5情景2、3中综合能源系统效益对比

由表4可知，就用户而言，相较于情景2，情景3中用户的供暖成本增加了4.2×10⁸元，其原因在于，首先情景2和情景3中的规划结果均是基于考虑了电力用户综合用能决策的供暖改造决策模型求解得出，由表1可知，由于在计及供能决策机构作为博弈主体参与规划决策后，供暖改造的能价单位补偿费用和能源公司决策的能价均发生调整，导致用户供暖所需承担的能价发生变化，从而影响用户供暖改造决策。从总体上看，用户侧供暖改造总量略有提升，成本较低的燃煤供暖比例下降，故区域内的总供暖成本会相应提升，而天然气供暖成本基本不变，电供暖成本随着需求响应价格的提升而减小，因此，用户的总供暖费用涨幅并不大，在情景2的基础上，仅增加了0.5％的供暖成本。

就综合能源系统而言，相较于情景2，情景3中其总效益提高了7.7×10⁸元，其中，两家电力公司的效益均有所增加，发电公司效益增加1.29×10⁹元，电网公司效益增加3.1×10⁸元，但天然气公司的效益减少8.3×10⁸元。其原因在于，由表1可知，供能决策机构决策的供暖电价单位补偿费用增加0.008元/kw·h，气价单位补偿费用减少0.03元/m³，在这种供暖改造单位补偿费用供暖改造决策下，各能源公司在均衡博弈过程中均选择了使自己效益最大或损失最小的规划方案。就天然气公司而言，在气供暖改造单位补偿费用下降的前提下，天然气公司选择以降低能价的方式保留用户，故天然气供暖改造比例仅下降0.6％，同时也可以扩大发电公司对天然气的需求，从发电公司购气成本的大幅提升可以看出，因此天然气公司的收入增加9.6×10⁸元，但由于扩大投资和生产，也相应的提高了投资成本和运行费用，从总体上看天然气公司的效益有所下降。就电力公司而言，由于电供暖改造单位补偿费用增加，用户侧的电力负荷需求提升，故发电公司的投资运行等各项成本及售电收入均有所增加，而在天然气公司下调气价后，发电公司扩大燃气机组的投资，提高燃气发电占比，故购煤成本减少4.13×10⁸元，而购气成本大幅增加了1.282×10⁹元，同时更多的利用燃气机组承担发电任务，也可以有效地控制环境成本，但由于总发电量的提升，导致环境成本仍然有小幅度的增加，因此，从总体上看发电公司的效益进一步提高。就电网公司而言，由于电力用户增加使电负荷水平得以提升，电网公司需提高电力网络的输电能力，故输电线路投资成本增加2.45×10⁷元，同时输电收入也增加5.2×10⁸元，由于输电距离的增加也提高可靠性成本1.89×10⁸元，从总体上看电网公司的效益有所提高。

就供能决策机构而言，相较于情景2，情景3中区域内的总排污量降低1.97×10⁷吨，其中，用户侧排污量减少2.27×10⁷吨，供给侧排污量增加3×10⁶吨，其原因在于，用户侧电供暖以及总供暖改造比例提升，更多用户选择无污染排放的电能供暖；另一方面，从上述发电公司的环境成本分析可以看出，供给侧的排污量涨幅不大，因此，区域内的总排污量得以降低。

综上所述，情景3考虑将供能决策机构作为博弈主体参与到广域综合能源系统规划中，充分计及供能决策机构供暖改造决策的影响，可以有效引导用户进行供暖改造，推进供暖改造工程，同时提升供暖改造的环境效益，可以统筹兼顾所有参与主体的效益，基于博弈的思想进行多主体规划决策更为切合实际，可以有效提升规划方案的有效性。

Claims (10)

1.一种广域综合能源系统联合规划方法，其特征在于，它包括以下步骤：

1)建立用户用能决策的效用模型，对电力用户综合用能决策进行分析；

2)分别构建综合能源系统中不同利益主体的规划模型，建立供能决策机构对供需双侧污染排放的评估模型；

3)构建面向广域综合能源系统的双层动态博弈规划模型；

4)利用迭代搜索法对模型进行求解。

2.根据权利要求1所述的广域综合能源系统联合规划方法，其特征在于，所述广域综合能源系统的耦合节点包括两类，一类包括以CCHP机组为代表的，存在于电源侧的强耦合节点，其不同能源之间的转换关系，由能源转换关系矩阵CP＝L描述，另一类包括存在于需求侧的柔性弱耦合节点，它以电力用户用能决策为纽带，由不同能源形式之间的耦合系数决定，具体描述为：

式中：P_e、P_g、P_h分别为用户侧的电负荷、天然气负荷和热负荷需求；

分别为区域内选择以电能、天然气和热能对第i类可替代负荷需求供能的用户比例系数；

为用户以电能、天然气和热能满足第i类可替代负荷需求时消耗的电负荷、气负荷、热负荷，N为可替代负荷的种类。

3.根据权利要求1或2所述的广域综合能源系统联合规划方法，其特征在于，所述电力用户综合用能决策包括用户对供暖改造方式的决策行为，其中供暖改造方式包括电供暖和天然气供暖，目标函数为：

其中：

式中，p表示不同的供暖区域；q可取e、g、c，其表示供暖方式时分别为电供暖、天然气供暖和燃煤供暖，表示供暖负荷时分别为电供暖负荷、天然气供暖负荷和燃煤供暖负荷；

分别为各种供暖改造方式的总成本、投资成本和燃料费用；

为投资成本现值；

为各种供暖设备的使用寿命；λ_pq、δ_q分别为各种供暖方式所用的燃料价格和供能决策机构的需求响应价格；

为能耗量；r为贴现率；

各种供暖方式的综合使用效用为：

4.根据权利要求3所述的广域综合能源系统联合规划方法，其特征在于，将用户在面临多种供暖选择时，出现的不确定的变量因素设置为修正效用ξ_pq，以反映决策者的随机偏好，表征用户选择行为的一种偶然性，则各区域用户的供暖决策模型为：

U_pq(η_pq)＝max(V_pq+ξ_pq) (5)

式中：U_pq为各区域用户侧选择供暖方式q的效用值；η_pq为决策变量，表示各区域用户中各种供暖方式改造的比例。

5.根据权利要求4所述的广域综合能源系统联合规划方法，其特征在于，由效用最大化决策准则，结合Logit模型，利用概率分布函数计算方法，推导计算各区域用户选择供暖方式q的概率

以该概率值表征供暖方式q在各区域用户中所占比例的期望值：

进而结合各区域的基本负荷，确定供暖改造完成后不同区域的各类负荷水平；

式中：

P_pq、ΔP_pq为改造前、改造后以及新增的各类供暖负荷需求；P_p为各区域的待改造供暖总负荷。

6.建立供能决策机构对供需双侧污染排放的评估模型的方法，其特征在于，分别构建综合能源系统中各类博弈主体的规划模型，考虑供能改造的环境效益，建立供能决策机构对供需双侧污染排放的评估模型；

其中，考虑的综合能源系统中的投资主体包括发电公司、电网公司和天然气公司，对于发电公司，希望降低燃气机组的投资运行费用及环境成本，增加售电收入；对于电网公司而言，希望降低线路的投资费用及网损；对于天然气公司，则希望降低管道投资费用及系统运行费用，增加售气收入；

发电公司决策函数如下：

式中：I_F为发电公司的总效益；

为发电公司的售电收入；

为新建燃气机组的投资成本；

为燃气机组的购气费用；

为机组的运行费用；

为机组排污的环境成本；T为规划水平年；Ω_T为规划周期；Ω_E为电力系统节点集合,Ω_t为运行时段集合；

为在时刻t节点i处的电功率；

为在时刻t节点i处的购气功率；

为在时刻t节点i处的售电电价；

为在时刻t节点i处的天然气价格，r为折现率,T_GT为新增燃气机组的使用年限；Ω_XG为待选燃气机组集合；x_a为待选燃气机组a的投建0-1变量；

为待选燃气机组a投资费用；

为燃气机组和燃煤机组在单位功率下的运行费用；P_gt、P_mt为燃气机组和燃煤机组在时间t的功率；g为燃气机组编号；m为燃煤机组编号；

为燃气机组和燃煤机组在单位功率下的环境成本；Ω_GT、Ω_MT为投运的燃气机组集合和燃煤机组集合。

7.根据权利要求6所述的建立供能决策机构对供需双侧污染排放的评估模型的方法，其特征在于，

电网公司的决策函数如下：

式中：I_E为电网公司的总效益；

为电网公司的收入；Ω_L为输电线路集合；Ω_T为规划周期，T为规划年限；

为时段t线路l的运行费用；

为时段t线路l的可靠性效用；

为新建输电线路的投资费用；

为电网公司的运营费用；

为流过线路l的最大功率值；P_l ^cap为线路l的容量；θ_es为单位停电损失；Ω_b为输电线路的集合；λ_b为第b条线路的故障率；Ω_n为负荷节点集合；

为节点n在t时刻的原始负荷；EENS_l,t为时段t线路l的缺供电量期望值；T_EL为输电线路的使用年限；Ω_XL为待选输电线路集合；y_b为待选输电线路b的投建0-1变量；

为待选输电线路b的投资费用；

天然气公司的决策函数如下：

式中：I_G为天然气公司的总效益；

为天然气公司的收入；

为天然气网络的运行费用；

新建输气管道的投资费用；Ω_T为规划周期，T为规划年限；Ω_G为天然气网络的节点集合；Ω_t为运行时段集合；G_j,t为在时刻t节点j处的天然气功率；

为时刻t节点j处的天然气价格；Ω_h为气源点集合；

为气源点h的在单位功率下的运行费用；G_ht为气源点h在时间t的天然气功率，T_GL为输气管道的使用年限；Ω_GL为待选输气管道集合；z_c为输气管道c的建设决策0-1变量；

为待选输气管道c的投资费用。

8.根据权利要求1或7所述的广域综合能源系统联合规划方法，其特征在于，所述综合能源系统内各子系统的约束条件主要包括功率平衡约束、潮流约束、线路管道的输送容量约束以及机组和气源点的出力约束，同时也需要考虑综合能源系统内以燃气机组为耦合节点的相关约束条件：

1)燃气机组出力约束

式中：

表示燃气机组g的出力上下限；Ω_GT为投运的燃气机组集合；

2)耦合节点功率平衡约束

式中：

为流入耦合节点的电功率；

为流入耦合节点的天然气功率；Θ为燃气机组转化系数；

为流出耦合节点的电功率；E_Lg为耦合节点的负荷。

9.根据权利要求6所述的广域综合能源系统联合规划方法，其特征在于，以供暖改造下用户侧和供给侧的排污量最小为优化目标，以供暖改造单位费用、用户侧供暖改造规模为约束条件，构建考虑环境效益的供能决策机构规划模型；

式中：R为用户及能源系统总排污量；δ_E、δ_G为供能决策机构的决策变量：电价和气价单位改造补偿费用；

分别为燃煤供暖单位煤耗量、燃气供暖单位煤气耗量、燃煤机组单位煤耗量以及燃气机组单位气耗量所排放的第d种污染物的量；

分别为以燃煤、燃气供暖用户的煤耗量和气耗量以及发电公司中燃煤机组和燃气机组的煤耗量和气耗量；Q_d为第d种污染物的排放权重因子；Ω_T为规划周期，T为规划年限；Ω_d为污染物的种类；

考虑环境效益的供能决策机构规划模型的约束条件如下：

1)供暖改造需求响应价格约束

式中：

为用电需求响应价格上下限；

为用气需求响应价格上下限；

2)用户侧供暖改造规模约束

其中：

式中：

为区域内用户供暖改造比例；p表示不同的供暖区域；

为区域内用户供暖改造规模上下限；

为各区域气源点h的待改造供暖总负荷；η_p,e为电供暖在各区域用户中所占比例的期望值；η_p,g为天然气供暖在各区域用户中所占比例的期望值。

10.一种构建双层动态博弈规划模型的方法，其特征在于：基于用户、供能决策机构、综合能源系统以及其中各类主体间的博弈机理分析，构建面向广域综合能源系统的双层动态博弈规划模型；

具体包括以下步骤：

在外层博弈模块中，首先供能决策机构对当前供暖改造工程的环境效益进行评估，并调整供暖改造制定的需求响应价格标准，给出决策

以降低区域内的排污量；再将信息传递给用户，用户根据能价及其需求响应价格标准，确定供暖改造方式，给出决策

使得用户侧的供暖费用最小；

进而再将负荷信息传递给综合能源系统，在一个内层博弈回合中，发电公司根据用户的电负荷需求以及耦合节点处的天然气网络信息，对新建电源进行选址定容，给出决策

然后电网公司根据发电公司的规划方案，确定输电线路的新建方案，给出决策

然后再将耦合节点上电力网络潮流信息传递给天然气公司，天然气公司结合用户侧的天然气负荷需求，调整输气管道的新建方案，给出决策

三个投资主体的决策方案使得综合能源系统的拓扑更新，进入下一个内层博弈回合，当发电公司、电网公司、天然气公司任意一方改变策略都无法获得更多的效益时，形成内层动态博弈均衡状态，给出综合能源系统的决策

此时，外层三个主体的决策方案使得广域综合能源系统的规划信息更新，进入下一个外层博弈回合，当供能决策机构、用户、综合能源系统任意一方改变策略都无法提升自身效益，形成外层博弈均衡状态。

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