CN112886565B - 一种考虑多方利益均衡的配电网协调运行策略制定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑多方利益均衡的配电网协调运行策略制定方法，该策略能够协调分布式电源运营商、配电公司以及电采暖用户三个主体之间的利益冲突，满足各利益主体具有的优化目标和主动发用电要求。本发明能够协调各方利益，减少网损，促进新能源消纳，实现配电网的高效公平运行。

Description

一种考虑多方利益均衡的配电网协调运行策略制定方法

技术领域

本发明涉及一种考虑多方利益均衡的配电网协调运行策略制定方法。适用于我国公共机构城市配电网运行调度工作，属于城网运行管理领域。

背景技术

针对日益严重的能源危机和环境污染问题，世界各国均在积极寻求清洁能源的发展，随之而来的是大量分布式电源接入配电网以及用户终端电采暖负荷所占比重的增加。然而，随着投资主体呈现多样化趋势，配电网中接入的新能源由分布式发电运营商建设与管理，改变了以往分布式电源归电网管辖的模式。此外,参与需求响应的电采暖用户等也成为配电网中新增的利益主体，当它们分别按照各自利益实行独立运行时是相互影响制约的，每个利益主体的收益都受到其他利益主体决策变量的影响。因此，实现在新环境下含多利益主体的配电网的高效公平运行是亟待解决的问题。

目前，在协调多主体之间利益关系的研究中，一般采用博弈理论的方法。博弈论(Game Theory)又称为对策论，是一种研宄当多利益主体之间互相影响、互相制约时，各决策主体依据各自可调配的资源和能力，做出使自己或者群体利益最大化的理论。根据博弈过程中，各参与者之间是否存在一个具有约束力的协议，可以将博弈分成非合作博弈和合作博弈。非合作博弈的特点是博弈中有多个参与者,每个参与者均企图使各自收益最大。合作博弈中各决策主体之间存在具有约束力的协议，主要研究内容在于合作联盟的形成和因合作而产生的额外收益的分配。

然而，随着分布式电源的增加以及城市再气化水平的提高，分布式电源运行商和参与需求响应的电采暖用户成为配电网中新增的利益主体，在多利益主体互动协调运行模式中，每个分布式电源或者电采暖负荷以个体形式作为一个利益主体，独立地进行多目标优化。新增利益主体和配电网调度中心不分主次，按照自己的组成特点和目标函数并行优化制定出力计划。在保证配电网安全运行的前提下赋予各分布式电源、电采暖用户一定的自主权,允许其以个体形式为制定发用电计划，参与配电网的优化运行并从中获得相应的经济利益。配电网将对分布式电源的调度控制权移交给DG运营商可以应对分布式电源管理问题维数庞大、控制计算复杂的问题。但是，各利益主体作为基本优化单元，具有自己的优化目标和主动发用电要求，需以一定的规则来协调各控制中心之间的耦合变量达到一致。因而，在高比例可再生能源接入与城市再电气化背景下，研究考虑多方利益均衡的配电网运行控制策略，可以有效适应可再生能源与电采暖负荷接入带来的变化，为配电网精益化调度运行提供科学的技术手段。

发明内容

本发明的目的在于提出一种考虑多方利益均衡的配电网协调运行策略，该策略能够协调分布式电源运营商、配电公司以及电采暖用户三个主体之间的利益冲突，满足各利益主体具有的优化目标和主动发用电要求。

为实现本发明的目的，本发明提供了一种考虑多方利益均衡的配电网协调运行策略制定方法，

在多利益主体协调优化模式下的主动配电网优化调度模型为：

式(1)中，x_i表示运行调度模型中的优化变量；x_i,min、x_i,max分别表示优化变量取值的最小值与最大值；G表示运行调度模型中须满足的等式约束；H表示运行调度模型中须满足的不等式约束；m表示配电网中利益主体的个数；s表示利益主体n中的优化目标个数，根据不同利益主体的实际情况，可以考虑选择多个优化目标；

其中，DG运营商模型

从经济性出发,以DG运营商的利益S_DG最大为目标，以分布式电源的出力约束为约束条件，建立模型如下：

式(2)中，C_S表示DG运营商售电收益，其数学表达式

其中C_sell表示DG运营商售电向配电网售电的电价；P_DG,t表示分布式电源在第t时段的出力；/>

分别表示分布式电源在第t时段的最小、最大出力；C_B表示新能源发电的政府补贴；C_y表示分布式电源的运行维护成本；C_f表示分布式电源的发电成本；

其中，配电公司模型

作为电网的运营管理者，配电公司以电网安全运行为约束,以经济运行为目标；

max S_DN＝C_GD-(C_WS+C_S+C_DR) (3)

式(3)中，S_DN为配电公司的收益；C_GD为用户购电成本；C_WS为网络损耗成本；C_S为配电网向DG运营商购电的费用；C_DR为实施需求响应，其中网络损耗成本可以表示为：

式(4)中，C_load,t表示配电公司在第t时段向用户售电的实时电价；P_loss,t表示配电网在第t时段的网损；

需求响应费用表示为：

式(5)中，C_DRM为需求响应项目的单位管理费用；C_B为可中断负荷的单位补偿费用，即激励信息；P_IL,t、P_TL,t分别为第t时段可中断负荷的中断功率和可转移负荷的转移功率；

约束条件有节点电压约束、潮流约束；

U_imin＜U_i,t＜U_imax (6)

式(6)和式(7)中P_Gi,t、Q_Gi,t、L_i,t和D_i,t分别为节点i在时段t的有功出力、无功出力、有功负荷和无功负荷；G_ij和B_ij分别为节点导纳矩阵的实部和虚部；θ_ij为节点i和j之间的电压相角差；U_i,t为节点i在时段t的电压幅值；

其中，电采暖用户模型

max S_L＝C_DR-C_load (8)

式(8)中，C_load为用户的用电成本；

约束条件为可转移负荷约束和可中断负荷约束：

式(9)、(10)中，

分别表示第t时段负荷可转移功率上下限值；/>

分别表示第t时段负荷可中断功率上下限值；

所述方法应用了均衡博弈函数f，最大化所有博弈者收益之和，公平对待每个博弈者的收益：

式(11)中，i表示博弈参与者，a表示博弈参与者的动作策略；π(·)表示博弈策略；Q_i(s,a)表示博弈参与者i在状态s下执行动作a后采取后续策略的折扣奖赏之和的期望；

对于均衡策略π^t，定义t+1时刻博弈者i的状态值函数V_i ^t+1(s)：

所述方法应用Q学习算法的改进算法进行求解，Q学习算法中Q值函数的单步迭代误差为：

δ_k＝(1-γ)R(s_k,a_k)+γV_k(s)-Q_k(s_k,a_k) (13)

式(13)中，δ_k为Q值函数的单步迭代误差；γ为奖励折扣因子；R(s_k,a_k)为立即奖励函数值；s_k为第k次迭代时博弈者的状态；a_k为在第k次迭代时博弈者选择的动作策略；

博弈者在状态s和动作a下的Q值函数为：

Q_k+1(s_k,a_k)＝Q_k(s_k,a_k)+αδ_k(s_k,a_k) (14)

式(14)中，Q_k(s_k,a_k)为最优动作值函数的第k次迭代值，代表博弈者的累积奖励的期望值；a为学习因子，值较大时能够加快更新速度,然而不利于算法稳定；

考虑多方利益均衡的配电网协调运行策略求解流程如下：

步骤1：初始化DG运营商、配电网及用户的Q值和V值，初始化均衡选择函数f，设定算法各参数；

步骤2：各博弈者执行动作a，DG运营商动作策略为可控分布式电源出力；配电网动作策略为分时售电电价、激励信息以及与DG运营商所辖微网联络线交换功率；用户动作策略为可转移功率与可中断功率；

步骤3：进行潮流计算，基于潮流计算结果得到状态变量值节点电压幅值和相角，并计算立即奖励函数值并反馈给各博弈者；

步骤4：由式(12)计算状态值函数；

步骤5：由式(13)、(14)对Q值函数进行迭代更新,并且由式(11)均衡选择函数来选择相关均衡策略；

步骤6：判断是否满足迭代结束条件,若满足,输出主动配电网多利益主体协调优化调度方案；若不满足，转至步骤2，继续循环。

与现有技术相比，本发明的有益效果为，本发明能够协调各方利益，减少网损，促进新能源消纳，实现配电网的高效公平运行。

附图说明

图1所示为本申请配电网中各利益主体之间的博弈关系图。

图2所示为本申请考虑多方利益均衡的配电网协调运行策略求解流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、部件或者模块、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明涉及一种考虑多方利益均衡的配电网协调运行策略制定方法，包括以下：

(1)考虑多利益主体的配电网优化调度模型

在保证电网安全运行的基础上给予分布式电源和电采暖用户一定的自主性,考虑分布式电源、电采暖用户与配电网的协调运行控制。分布式电源以及电采暖用户等新增利益主体主动制定发用电计划，参与配合电网的调度运行,从中获得相应的经济收益。此外，将电网对分布式电源的调度控制权限转移给各分布式发电运营商自主管理能够应对分布式电源优化问题维数庞大、控制复杂的问题。然而，各利益主体作为基本优化单元具有各自的发用电计划和优化目标，因此，需要制定方法来协调控制各利益主体的冲突变量达到一致。在多利益主体协调优化模式下的主动配电网优化调度模型为：

式(1)中，x_i表示运行调度模型中的优化变量；x_i,min、x_i,max分别表示优化变量取值的最小值与最大值；G表示运行调度模型中须满足的等式约束；H表示运行调度模型中须满足的不等式约束；m表示配电网中利益主体的个数；s表示利益主体n中的优化目标个数。根据不同利益主体的实际情况，可以考虑选择多个优化目标。

(2)配电网中各利益主体之间的博弈关系

DG运营商作为分布式发电设备的所有者和运营者，其目的在于尽可能地向配电公司售出其所生产的电力，实现利益最大化。然而，新能源具有的随机性和波动性会对电网的安全经济运行造成影响，如：网络有功损耗增加，电压波动幅度变大等。配电公司作为配电网的运营管理者，以电网的安全经济运行为目标。在保护DG运营商的自主性的同时，其决策对DG运营商也有一定的约束与影响。配电公司通过调整联络线功率来改变网络中的潮流分布,实现电网的安全经济运营。参与需求响应的电采暖用户能够根据实时电价改变用电计划，从而改变负荷曲线，影响电网的调度运行。当它们分别按照各自利益实行独立优化时是相互影响制约的，每个利益主体的收益都受到其他利益主体决策变量的影响，需要采用博弈论的方法来解决冲突。图1配电网中各利益主体之间的博弈关系

(3)配电网中各利益主体的优化调度模型

1)DG运营商模型

分布式发电运营商作为配电网中的新增投资主体，需要对其进行建设与运营管理，并且以向配电网售出电能的方式获取收益。从经济性出发,以DG运营商的利益S_DG最大为目标，以分布式电源的出力约束为约束条件，建立模型如下：

式(2)中，C_S表示DG运营商售电收益，其数学表达式

其中C_sell表示DG运营商售电向配电网售电的电价；P_DG,t表示分布式电源在第t时段的出力；/>

分别表示分布式电源在第t时段的最小、最大出力；C_B表示新能源发电的政府补贴；C_y表示分布式电源的运行维护成本；C_f表示分布式电源的发电成本。

2)配电公司模型

作为电网的运营管理者，配电公司以电网安全运行为约束,以经济运行为目标。

max S_DN＝C_GD-(C_WS+C_S+C_DR) (3)

式(3)中，S_DN为配电公司的收益；C_GD为用户购电成本；C_WS为网络损耗成本；C_S为配电网向DG运营商购电的费用；C_DR为实施需求响应。其中网络损耗成本可以表示为：

式(4)中，C_load,t表示配电公司在第t时段向用户售电的实时电价；P_loss,t表示配电网在第t时段的网损。

需求响应费用表示为：

式(5)中，C_DRM为需求响应项目的单位管理费用；C_B为可中断负荷的单位补偿费用，即激励信息；P_IL,t、P_TL,t分别为第t时段可中断负荷的中断功率和可转移负荷的转移功率。

约束条件有节点电压约束、潮流约束等。

U_imin＜U_i,t＜U_imax (6)

式(6)和式(7)中P_Gi,t、Q_Gi,t、L_i,t和D_i,t分别为节点i在时段t的有功出力、无功出力、有功负荷和无功负荷；G_ij和B_ij分别为节点导纳矩阵的实部和虚部；θ_ij为节点i和j之间的电压相角差；U_i,t为节点i在时段t的电压幅值。

3)电采暖用户模型

max S_L＝C_DR-C_load (8)

式(8)中，C_load为用户的用电成本。

约束条件为可转移负荷约束和可中断负荷约束：

式(9)、(10)中，

分别表示第t时段负荷可转移功率上下限值；/>

分别表示第t时段负荷可中断功率上下限值。

(4)基于改进Q学习算法的配电网协调运行模型求解方法本专利应用了均衡博弈函数f，最大化所有博弈者收益之和，公平对待每个博弈者的收益：

式(11)中，i表示博弈参与者，a表示博弈参与者的动作策略；π(·)表示博弈策略；Q_i(s,a)表示博弈参与者i在状态s下执行动作a后采取后续策略的折扣奖赏之和的期望。

对于均衡策略π^t，定义t+1时刻博弈者i的状态值函数V_i ^t+1(s)：

本专利应用Q学习算法的改进算法进行求解，Q学习算法中Q值函数的单步迭代误差为：

δ_k＝(1-γ)R(s_k,a_k)+γV_k(s)-Q_k(s_k,a_k) (13)

式(13)中，δ_k为Q值函数的单步迭代误差；γ为奖励折扣因子；R(s_k,a_k)为立即奖励函数值；s_k为第k次迭代时博弈者的状态；a_k为在第k次迭代时博弈者选择的动作策略。

博弈者在状态s和动作a下的Q值函数为：

Q_k+1(s_k,a_k)＝Q_k(s_k,a_k)+αδ_k(s_k,a_k) (14)

式(14)中，Q_k(s_k,a_k)为最优动作值函数的第k次迭代值，代表博弈者的累积奖励的期望值；a为学习因子，值较大时能够加快更新速度,然而不利于算法稳定。

(5)考虑多方利益均衡的配电网协调运行策略求解流程

步骤1：初始化DG运营商、配电网及用户的Q值和V值，初始化均衡选择函数f，设定算法各参数；

步骤2：各博弈者执行动作a，DG运营商动作策略为可控分布式电源出力；配电网动作策略为分时售电电价、激励信息以及与DG运营商所辖微网联络线交换功率；用户动作策略为可转移功率与可中断功率；

步骤3：进行潮流计算，基于潮流计算结果得到状态变量值节点电压幅值和相角，并计算立即奖励函数值并反馈给各博弈者；

步骤4：由式(12)计算状态值函数；

步骤5：由式(13)、(14)对Q值函数进行迭代更新,并且由式(11)均衡选择函数来选择相关均衡策略；

步骤6：判断是否满足迭代结束条件,若满足,输出主动配电网多利益主体协调优化调度方案；若不满足，转至步骤2，继续循环。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种考虑多方利益均衡的配电网协调运行策略制定方法，其特征在于，

在多利益主体协调优化模式下的主动配电网优化调度模型为：

式(1)中，x_i表示运行调度模型中的优化变量；x_i,min、x_i,max分别表示优化变量取值的最小值与最大值；G表示运行调度模型中须满足的等式约束；H表示运行调度模型中须满足的不等式约束；m表示配电网中利益主体的个数；s表示利益主体n中的优化目标个数，根据不同利益主体的实际情况，可以考虑选择多个优化目标；

其中，DG运营商模型

从经济性出发,以DG运营商的利益S_DG最大为目标，以分布式电源的出力约束为约束条件，建立模型如下：

式(2)中，C_S表示DG运营商售电收益，其数学表达式

其中C_sell表示DG运营商售电向配电网售电的电价；P_DG,t表示分布式电源在第t时段的出力；/>

分别表示分布式电源在第t时段的最小、最大出力；C_B表示新能源发电的政府补贴；C_y表示分布式电源的运行维护成本；C_f表示分布式电源的发电成本；

其中，配电公司模型

作为电网的运营管理者，配电公司以电网安全运行为约束,以经济运行为目标；

max S_DN＝C_GD-(C_WS+C_S+C_DR) (3)

式(3)中，S_DN为配电公司的收益；C_GD为用户购电成本；C_WS为网络损耗成本；C_S为配电网向DG运营商购电的费用；C_DR为实施需求响应，其中网络损耗成本可以表示为：

式(4)中，C_load,t表示配电公司在第t时段向用户售电的实时电价；P_loss,t表示配电网在第t时段的网损；

需求响应费用表示为：

式(5)中，C_DRM为需求响应项目的单位管理费用；C_B为可中断负荷的单位补偿费用，即激励信息；P_IL,t、P_TL,t分别为第t时段可中断负荷的中断功率和可转移负荷的转移功率；

约束条件有节点电压约束、潮流约束；

U_imin＜U_i,t＜U_imax (6)

式(6)和式(7)中P_Gi,t、Q_Gi,t、L_i,t和D_i,t分别为节点i在时段t的有功出力、无功出力、有功负荷和无功负荷；G_ij和B_ij分别为节点导纳矩阵的实部和虚部；θ_ij为节点i和j之间的电压相角差；U_i,t为节点i在时段t的电压幅值；

其中，电采暖用户模型

max S_L＝C_DR-C_load (8)

式(8)中，C_load为用户的用电成本；

约束条件为可转移负荷约束和可中断负荷约束：

式(9)、(10)中，

分别表示第t时段负荷可转移功率上下限值；/>

分别表示第t时段负荷可中断功率上下限值；

所述方法应用了均衡博弈函数f，最大化所有博弈者收益之和，公平对待每个博弈者的收益：

式(11)中，i表示博弈参与者，a表示博弈参与者的动作策略；π(·)表示博弈策略；Q_i(s,a)表示博弈参与者i在状态s下执行动作a后采取后续策略的折扣奖赏之和的期望；

对于均衡策略π^t，定义t+1时刻博弈者i的状态值函数V_i ^t+1(s)：

所述方法应用Q学习算法的改进算法进行求解，Q学习算法中Q值函数的单步迭代误差为：

δ_k＝(1-γ)R(s_k,a_k)+γV_k(s)-Q_k(s_k,a_k) (13)

式(13)中，δ_k为Q值函数的单步迭代误差；γ为奖励折扣因子；R(s_k,a_k)为立即奖励函数值；s_k为第k次迭代时博弈者的状态；a_k为在第k次迭代时博弈者选择的动作策略；

博弈者在状态s和动作a下的Q值函数为：

Q_k+1(s_k,a_k)＝Q_k(s_k,a_k)+αδ_k(s_k,a_k) (14)

式(14)中，Q_k(s_k,a_k)为最优动作值函数的第k次迭代值，代表博弈者的累积奖励的期望值；a为学习因子，值较大时能够加快更新速度,然而不利于算法稳定；

考虑多方利益均衡的配电网协调运行策略求解流程如下：

步骤1：初始化DG运营商、配电网及用户的Q值和V值，初始化均衡选择函数f，设定算法各参数；

步骤2：各博弈者执行动作a，DG运营商动作策略为可控分布式电源出力；配电网动作策略为分时售电电价、激励信息以及与DG运营商所辖微网联络线交换功率；用户动作策略为可转移功率与可中断功率；

步骤3：进行潮流计算，基于潮流计算结果得到状态变量值节点电压幅值和相角，并计算立即奖励函数值并反馈给各博弈者；

步骤4：由式(12)计算状态值函数；

步骤5：由式(13)、(14)对Q值函数进行迭代更新,并且由式(11)均衡选择函数来选择相关均衡策略；

步骤6：判断是否满足迭代结束条件,若满足,输出主动配电网多利益主体协调优化调度方案；若不满足，转至步骤2，继续循环。

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