CN112906997B - 基于Stackelberg博弈的区域综合能源系统优化调度方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于Stackelberg博弈的区域综合能源系统优化调度方法及装置，方法包括：依据系统管理商发布以经济收益最大化为优化目标函数的电价信号，用户反馈以运行成本最小化为优化目标函数的热电负荷；响应于获取的用户反馈热电负荷，基于热电负荷需求‑电价的敏感关系，系统管理商判断是否更新电价信号；若系统管理商判断不更新电价信号，系统管理商向产能基地发送生产控制指令；响应于获取的生产控制指令，产能基地判断风电并网功率是否达到目标值；若产能基地判断风电并网功率未达到目标值，控制系统管理商更新电价信号。采用Stackelberg博弈优化的策略中风电并网功率能够明显的提高，从而保障了产能基地的风电并网需求。
Description
技术领域
本发明属于综合能源系统技术领域，尤其涉及基于Stackelberg博弈的区域综合能源系统优化调度方法及装置。
背景技术
区域综合能源系统是伴随着能源互联网出现的一种新兴概念。区域综合能源系统以电力为枢纽实现多能耦合与转换，促进能源梯级利用和新能源消纳，有良好的发展前景和积极的研究意义。
区域综合能源系统的优化调度是“源-网-荷-储”层面多个利益主体的协同问题，但现有的多目标优化调度方法往往追求整体利益的最大化而忽略了系统内各参与主体的利益诉求，从而使得多主体利益的均衡优化效果差。
发明内容
本发明提供基于Stackelberg博弈的区域综合能源系统优化调度方法及装置，用于至少解决上述技术问题之一。
第一方面，本发明提供一种基于Stackelberg博弈的区域综合能源系统优化调度方法，包括：依据系统管理商发布以经济收益最大化为优化目标函数的电价信号，综合能源用户反馈以运行成本最小化为优化目标函数的热电负荷，其中，以运行成本最小化为优化目标函数的表达式为：
式中，
为综合能源用户k在t时刻的电负荷，
为综合能源用户k在t时刻的偏好电负荷；
代表综合能源用户k在t时刻的电负荷偏离惩罚系数，其中，
和
分别代表综合能源用户k中电力变压器的等效效率、换热设备的等效效率、热制冷设备的等效效率和电制冷设备的等效效率；系统管理商t时刻的售电单价和售热单价分别为
和
综合能源用户k在t时刻产生的直接电能、热能和冷能需求分别为
和
响应于获取的所述综合能源用户反馈热电负荷，基于热电负荷需求-电价的敏感关系，所述系统管理商判断是否更新电价信号；若所述系统管理商判断不更新电价信号，所述系统管理商向产能基地发送生产控制指令；响应于获取的所述生产控制指令，所述产能基地判断风电并网功率是否达到目标值；若所述产能基地判断风电并网功率未达到目标值，控制所述系统管理商更新电价信号。
第二方面，本发明提供一种基于Stackelberg博弈的区域综合能源系统优化调度装置，包括：反馈模块，配置为依据系统管理商发布以经济收益最大化为优化目标函数的电价信号，综合能源用户反馈以运行成本最小化为优化目标函数的热电负荷；第一判断模块，配置为响应于获取的所述综合能源用户反馈热电负荷，基于热电负荷需求-电价的敏感关系，所述系统管理商判断是否更新电价信号；发送模块，配置为若所述系统管理商判断不更新电价信号，所述系统管理商向产能基地发送生产控制指令；第二判断模块，配置为响应于获取的所述生产控制指令，所述产能基地判断风电并网功率是否达到目标值；更新模块，配置为若所述产能基地判断风电并网功率未达到目标值，控制所述系统管理商更新电价信号。
第三方面，本发明提供一种电子设备，其包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行本发明任一实施例的基于Stackelberg博弈的区域综合能源系统优化调度方法的步骤。
第四方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非易失性计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，使所述计算机执行本发明任一实施例的基于Stackelberg博弈的区域综合能源系统优化调度方法的步骤。
本申请的基于Stackelberg博弈的区域综合能源系统优化调度方法及装置，采用了基于电价信号的需求侧响应实现了多主体共同参与电价定价，发挥了综合能源用户侧整体的热电负荷替代能力，与现有的多主体独立优化相比，采用Stackelberg博弈优化的策略中风电并网功率能够明显的提高，从而保障了产能基地的风电并网需求，发挥了热电负荷替代能力，实现了电价对热电负荷的灵活调控以及区域综合能源系统多主体利益诉求的联合优化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提供的一种基于Stackelberg博弈的区域综合能源系统优化调度方法的流程图；
图2为本发明一实施例提供的区域综合能源系统的示意图；
图3为本发明一实施例提供的产能基地风电并网功率的折线图；
图4为本发明一实施例提供的系统管理商售电单价的折线图；
图5为本发明一实施例提供的综合能源用户聚合电负荷的折线图；
图6为本发明一实施例提供的燃气轮机总发电功率的折线图；
图7为本发明一实施例提供的一种基于Stackelberg博弈的区域综合能源系统优化调度装置的结构框图；
图8是本发明一实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，其示出了本申请的一种基于Stackelberg博弈的区域综合能源系统优化调度方法的流程图。
如图1所示，在S101中，依据系统管理商发布以经济收益最大化为优化目标函数的电价信号，综合能源用户反馈以运行成本最小化为优化目标函数的热电负荷，其中，以运行成本最小化为优化目标函数的表达式为：
式中，
为综合能源用户k在t时刻的电负荷，
为综合能源用户k在t时刻的偏好电负荷；
代表综合能源用户k在t时刻的电负荷偏离惩罚系数，其中，
和
分别代表综合能源用户k中电力变压器的等效效率、换热设备的等效效率、热制冷设备的等效效率和电制冷设备的等效效率；系统管理商t时刻的售电单价和售热单价分别为
和
综合能源用户k在t时刻产生的直接电能、热能和冷能需求分别为
和
在S102中，响应于获取的综合能源用户反馈热电负荷，基于热电负荷需求-电价的敏感关系，系统管理商判断是否更新电价信号；
在S103中，若系统管理商判断不更新电价信号，系统管理商向产能基地发送生产控制指令；
在S104中，响应于获取的生产控制指令，产能基地判断风电并网功率是否达到目标值；
在S105中，若产能基地判断风电并网功率未达到目标值，控制系统管理商更新电价信号。
在本实施例中，由于产能基地的生产行为直接受系统管理商控制，因此可将产能基地的利益诉求与系统管理商的利益诉求统一，作为系统管理商收益的约束条件，根据动作的先后划分博弈的主导者和跟随者，则此处主导者为系统管理商跟随者为综合能源用户，跟随者依据主导者的优先动作而决策，该Stackelberg博弈模型可表示为：
其中，
表示综合能源用户k在t时刻以电负荷作为决策变量的策略集；
表示系统管理商在t时刻以电价和风电并网功率作为决策变量的策略集，为综合能源用户提供电价信号；
代表综合能源用户k在t时刻的优化目标函数，力求运行成本的最小化；St代表系统管理商在t时刻的优化目标函数，力求经济收益的最大化。
式中，
为综合能源用户k在t时刻的电负荷，
为综合能源用户k在t时刻的偏好电负荷；
代表综合能源用户k在t时刻的电负荷偏离惩罚系数，其中，
和
分别代表综合能源用户k中电力变压器的等效效率、换热设备的等效效率、热制冷设备的等效效率和电制冷设备的等效效率；系统管理商t时刻的售电单价和售热单价分别为
和
综合能源用户k在t时刻产生的直接电能、热能和冷能需求分别为
和
式中，系统管理商t时刻的售电单价和售热单价分别为
和
N为区域综合能源系统用户的数量；
和
为综合能源用户k在t时刻的电负荷和热负荷；t时刻外部天然气网络的天然气售价和外部电网的电能售价分别为
和
区域综合能源系统中的燃气轮机数量为IGT；Lgas为天然气热值；采样时间间隔取为Δt；
为燃气轮机k在t时刻的制热功率；燃气轮机k的热电比和发电效率分别为
和
为区域综合能源系统在t时刻的风电并网功率。
本实施例的方案，采用电价信号实现了多主体共同参与电价定价，发挥了综合能源用户侧整体的热电负荷替代能力，并且通过系统管理商和综合能源用户进行博弈，直至达到一个状态即系统管理商不能再通过改变电价或综合能源用户不能再通过改变负荷的方式来使自身利益更优，则此时就达到了纳什均衡的状态，所得纳什均衡解就是区域综合能源系统优化调度策略的最优解，从而实现了电价对热电负荷的灵活调控以及区域综合能源系统多主体利益诉求的联合优化。
请参阅图2，其示出了一个具体实施例的区域综合能源系统的示意图。
如图2所示，设置的区域综合能源系统仿真算例，包含一个18节点电力系统和一个16节点热力系统，通过4台燃气轮机耦合并连接12个综合能源用户；该综合能源系统由节点4与外部电网相连，节点6与一座小型风电场相连。采用MATLAB+YALMIP+CPLEX求解器对区域综合能源系统多主体经济优化调度进行求解，基于Stackelberg博弈的区域综合能源系统多主体经济优化调度结果如图3-图6所示。
具体地，由图3可知，与多主体独立优化相比，采用Stackelberg博弈优化的策略中风电并网功率有明显的提高，保障了产能基地的风电并网需求。
由图4和图5可知，在系统管理商售电单价高于外部电网电价时(如1-4时)，综合能源用户为降低成本会倾向于增加热负荷来满足直接能源需求，因此偏好值会低于电负荷水平；而当系统管理商售电单价低于外部电网电价时(如17-24时)，综合能源用户优先选择用电负荷满足直接能源需求，使得电负荷高于偏好值。相比于独立优化的结果，采用博弈优化的结果更加符合需求。
由图4和图6可知，燃气轮机的发电功率也与系统管理商售电单价的变化保持基本一致，如在17时-24时由于系统管理商降低售电单价，促使综合能源用户提高了对电负荷的偏好，将热负荷转化为电负荷，燃气轮机功率明显下降，为风电并网提供了空间。体现了电价对热电负荷的灵活调控以及区域综合能源系统多主体利益诉求的联合优化。
综上描述，从优化调度的结果中可以看出，基于Stackelberg博弈的区域综合能源系统多主体经济优化调度利用电价信号实现了多主体共同参与电价定价，发挥了综合能源用户侧整体的热电负荷替代能力。与多主体独立优化相比，采用Stackelberg博弈优化的策略中风电并网功率有明显的提高，保障了产能基地的风电并网需求。在电价上，系统管理商售电单价高于外部电网电价时，对应综合能源用户电负荷处于较低水平，转而增加热负荷来满足直接能源需求；而当系统管理商的售电单价低于外部电网电价时，综合能源用户提高电负荷水平满足直接能源需求，因此电负荷高于偏好值。在降低自身运行成本的同时，还为风电并网提供了空间，与此同时，燃气轮机的发电功率也与售电单价的变化保持基本一致，实现电价对热电负荷的灵活调控以及区域综合能源系统多主体利益诉求的联合优化。
请参阅图7，其示出了本申请的一种基于Stackelberg博弈的区域综合能源系统优化调度装置的结构框图。
如图7所示，区域综合能源系统优化调度装置200，包括反馈模块210、第一判断模块220、发送模块230、第二判断模块240以及更新模块250。
其中，反馈模块210，配置为依据系统管理商发布以经济收益最大化为优化目标函数的电价信号，综合能源用户反馈以运行成本最小化为优化目标函数的热电负荷；第一判断模块220，配置为响应于获取的综合能源用户反馈热电负荷，基于热电负荷需求-电价的敏感关系，系统管理商判断是否更新电价信号；发送模块230，配置为若系统管理商判断不更新电价信号，系统管理商向产能基地发送生产控制指令；第二判断模块240，配置为响应于获取的生产控制指令，产能基地判断风电并网功率是否达到目标值；更新模块250，配置为若产能基地判断风电并网功率未达到目标值，控制系统管理商更新电价信号。
应当理解，图7中记载的诸模块与参考图1中描述的方法中的各个步骤相对应。由此，上文针对方法描述的操作和特征以及相应的技术效果同样适用于图7中的诸模块，在此不再赘述。
在另一些实施例中，本发明实施例还提供了一种非易失性计算机存储介质，计算机存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行上述任意方法实施例中的区域综合能源系统优化调度方法；
作为一种实施方式，本发明的非易失性计算机存储介质存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令设置为：
依据系统管理商发布以经济收益最大化为优化目标函数的电价信号，综合能源用户反馈以运行成本最小化为优化目标函数的热电负荷；
响应于获取的综合能源用户反馈热电负荷，基于热电负荷需求-电价的敏感关系，系统管理商判断是否更新电价信号；
若系统管理商判断不更新电价信号，系统管理商向产能基地发送生产控制指令；
响应于获取的生产控制指令，产能基地判断风电并网功率是否达到目标值；
若产能基地判断风电并网功率未达到目标值，控制系统管理商更新电价信号。
非易失性计算机可读存储介质可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据区域综合能源系统优化调度装置的使用所创建的数据等。此外，非易失性计算机可读存储介质可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，非易失性计算机可读存储介质可选包括相对于处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至区域综合能源系统优化调度装置。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
本发明实施例还提供一种计算机程序产品，计算机程序产品包括存储在非易失性计算机可读存储介质上的计算机程序，计算机程序包括程序指令，当程序指令被计算机执行时，使计算机执行上述任一项区域综合能源系统优化调度方法。
图8是本发明实施例提供的电子设备的结构示意图，如图8所示，该设备包括：一个或多个处理器310以及存储器320，图8中以一个处理器310为例。电子设备还可以包括：输入装置330和输出装置340。处理器310、存储器320、输入装置330和输出装置340可以通过总线或者其他方式连接，图8中以通过总线连接为例。存储器320为上述的非易失性计算机可读存储介质。处理器310通过运行存储在存储器320中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行服务器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例区域综合能源系统优化调度方法。输入装置330可接收输入的数字或字符信息，以及产生与区域综合能源系统优化调度装置的综合能源用户设置以及功能控制有关的信号输入。输出装置340可包括显示屏等显示设备。
上述产品可执行本发明实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明实施例所提供的方法。
作为一种实施方式，上述电子设备应用于区域综合能源系统优化调度装置中，用于客户端，包括：至少一个处理器；以及，与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够：
依据系统管理商发布以经济收益最大化为优化目标函数的电价信号，综合能源用户反馈以运行成本最小化为优化目标函数的热电负荷；
响应于获取的综合能源用户反馈热电负荷，基于热电负荷需求-电价的敏感关系，系统管理商判断是否更新电价信号；
若系统管理商判断不更新电价信号，系统管理商向产能基地发送生产控制指令；
响应于获取的生产控制指令，产能基地判断风电并网功率是否达到目标值；
若产能基地判断风电并网功率未达到目标值，控制系统管理商更新电价信号。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种基于Stackelberg博弈的区域综合能源系统优化调度方法，其特征在于，包括：
依据系统管理商发布以经济收益最大化为优化目标函数的电价信号，综合能源用户反馈以运行成本最小化为优化目标函数的热电负荷，其中，以运行成本最小化为优化目标函数的表达式为：
式中，
为综合能源用户k在t时刻的电负荷，
为综合能源用户k在t时刻的偏好电负荷；
代表综合能源用户k在t时刻的电负荷偏离惩罚系数，其中，
和
分别代表综合能源用户k中电力变压器的等效效率、换热设备的等效效率、热制冷设备的等效效率和电制冷设备的等效效率；系统管理商t时刻的售电单价和售热单价分别为
和
综合能源用户k在t时刻产生的直接电能、热能和冷能需求分别为
和
响应于获取的所述综合能源用户反馈热电负荷，基于热电负荷需求-电价的敏感关系，所述系统管理商判断是否更新电价信号；
若所述系统管理商判断不更新电价信号，所述系统管理商向产能基地发送生产控制指令；
响应于获取的所述生产控制指令，所述产能基地判断风电并网功率是否达到目标值；
若所述产能基地判断风电并网功率未达到目标值，控制所述系统管理商更新电价信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于Stackelberg博弈的区域综合能源系统优化调度方法，其特征在于，在响应于获取的生产控制指令，所述产能基地判断风电并网功率是否达到目标值之后，所述方法还包括：
若所述产能基地判断风电并网功率达到目标值，所述产能基地向所述综合能源用户供能，所述综合能源用户向所述系统管理商支付购能成本。
3.根据权利要求1所述的一种基于Stackelberg博弈的区域综合能源系统优化调度方法，其特征在于，所述以经济收益最大化为优化目标函数的表达式为：
式中，系统管理商t时刻的售电单价和售热单价分别为
和
N为区域综合能源系统用户的数量；
和
分别为综合能源用户k在t时刻的电负荷和热负荷；t时刻外部天然气网络的天然气售价和外部电网的电能售价分别为
和
区域综合能源系统中的燃气轮机数量为IGT；Lgas为天然气热值；采样时间间隔取为Δt；
为燃气轮机k在t时刻的制热功率；燃气轮机k的热电比和发电效率分别为
和
为区域综合能源系统在t时刻的风电并网功率。
4.一种基于Stackelberg博弈的区域综合能源系统优化调度装置，其特征在于，包括：
反馈模块，配置为依据系统管理商发布以经济收益最大化为优化目标函数的电价信号，综合能源用户反馈以运行成本最小化为优化目标函数的热电负荷，其中，以运行成本最小化为优化目标函数的表达式为：
式中，
为综合能源用户k在t时刻的电负荷，
为综合能源用户k在t时刻的偏好电负荷；
代表综合能源用户k在t时刻的电负荷偏离惩罚系数，其中，
和
分别代表综合能源用户k中电力变压器的等效效率、换热设备的等效效率、热制冷设备的等效效率和电制冷设备的等效效率；系统管理商t时刻的售电单价和售热单价分别为
和
综合能源用户k在t时刻产生的直接电能、热能和冷能需求分别为
和
第一判断模块，配置为响应于获取的所述综合能源用户反馈热电负荷，基于热电负荷需求-电价的敏感关系，所述系统管理商判断是否更新电价信号；
发送模块，配置为若所述系统管理商判断不更新电价信号，所述系统管理商向产能基地发送生产控制指令；
第二判断模块，配置为响应于获取的所述生产控制指令，所述产能基地判断风电并网功率是否达到目标值；
更新模块，配置为若所述产能基地判断风电并网功率未达到目标值，控制所述系统管理商更新电价信号。
5.一种电子设备，其特征在于，包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1至3任一项所述方法的步骤。
6.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现权利要求1至3任一项所述方法的步骤。
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