CN113128036B - 一种多主体能源系统互动运营协调控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多主体能源系统互动运营协调控制方法及系统，包括：根据每个主体能源系统内电力设备运行状态数据和负荷需求数据，构建区域能源互联网联合投标模型；根据多主体能源系统互动运营特征解列联合投标模型，构建主体能源系统间的P2P交互约束，得到基于P2P交互的多主体能源系统分布式投标模型；采用替代式梯度算法对分布式投标模型进行求解，得到不同主体能源系统的交互功率，并以此得到区域能源互联网的互动运营协调控制方案。实现分布式运营下的区域能源互联网的整体控制，从区域能源互联网整体视角设计每个主体能源系统的运营控制方法以及对不同主体能源系统交互运营的协调控制，协调控制多重主体能源系统实现有效能源互动。

Description

一种多主体能源系统互动运营协调控制方法及系统

技术领域

本发明涉及区域能源互联网技术领域，特别是涉及一种多主体能源系统互动运营协调控制方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

区域能源互联网是以电力系统为核心与纽带，构建多种类型能源的互联网络(多能流系统)，是实现多能互补协同、清洁低碳和安全高效的新一代能源体系。因此，区域能源互联网中电力公司、天然气公司、供热公司等多能源供应主体呈现多元化。随着综合能源服务商与能源零售商的参与，能源供需互动更频繁，交易更灵活，交易模式更为复杂。例如以能源消费为主体的用户可以选择通过提交能源需求给综合能源服务商，由综合能源服务商向市场集中购买能源进行集中式的交易；用户也可以选择向能源零售商单独购买所需要的能源，或者通过与其他具有分布式能源的产销一体化用户进行双向拍卖交易来满足能源需求。在用户用能行为方面，新型城镇用能需求趋向多样化，用能规律难以把握，用能主观能动性更强，用能行为复杂化，加重了随机化趋势。因此，如何协调控制多重主体的能源系统实现能源有效的交易互动，并降低随机性因素扰动对能源系统运行的影响是践行区域能源互联网要义的重要环节。

然而，现有的论文研究成果和专利技术大都围绕区域能源互联网内多主体能源系统效益分摊、独立运行控制、价值评估等问题开展研究和技术实现，并未解决从系统角度、区域能源互联网整体运营下，不同能源系统之间如何交互、协调等问题。此外，现有成果还忽略了多主体能源系统交易运营过程中的随机性，这些随机性能够导致能源交易的中断和失败。面向区域能源互联网架构，现有控制方法和技术仅实现了多主体能源系统分布式运营控制目标，未实现分布式运营下的区域能源互联网的整体控制目标，需要解决如何从区域能源互联网整体视角设计每个主体能源系统的运营控制方法，以及不同主体能源系统交互运营的协调控制问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种多主体能源系统互动运营协调控制方法及系统，实现分布式运营下的区域能源互联网的整体控制，从区域能源互联网整体视角设计每个主体能源系统的运营控制方法以及对不同主体能源系统交互运营的协调控制，协调控制多重主体能源系统实现有效能源互动。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种多主体能源系统互动运营协调控制方法，包括：

根据每个主体能源系统内电力设备运行状态数据和负荷需求数据，构建基于随机卡特尔聚合博弈的区域能源互联网联合投标模型；

根据多主体能源系统互动运营特征解列区域能源互联网联合投标模型，并构建主体能源系统间的P2P交互约束，得到基于P2P交互的多主体能源系统分布式投标模型；

采用替代式梯度算法对多主体能源系统分布式投标模型进行求解，得到不同主体能源系统的交互功率，并以此得到区域能源互联网的互动运营协调控制方案。

第二方面，本发明提供一种多主体能源系统互动运营协调控制系统，包括：

模型构建模块，被配置为根据每个主体能源系统内电力设备运行状态数据和负荷需求数据，构建基于随机卡特尔聚合博弈的区域能源互联网联合投标模型；

模型解列模块，被配置为根据多主体能源系统互动运营特征解列区域能源互联网联合投标模型，并构建主体能源系统间的P2P交互约束，得到基于P2P交互的多主体能源系统分布式投标模型；

分布式求解模块，被配置为采用替代式梯度算法对多主体能源系统分布式投标模型进行求解，得到不同主体能源系统的交互功率，并以此得到区域能源互联网的互动运营协调控制方案。

第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成第一方面所述的方法。

第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成第一方面所述的方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明在区域能源互联网整体运营角度下，实现不同能源系统之间的交互、协调。

(2)本发明考虑了多主体能源系统交易运营过程中的随机性，避免由于随机性导致的能源交互运行的中断和失败。

(3)本发明实现分布式运营下的区域能源互联网的整体控制目标，从区域能源互联网整体视角设计每个主体能源系统的运营控制方法，以及对不同主体能源系统交互运营的协调控制。

(4)本发明解决了区域能源互联网内不同主体能源系统之间的安全稳定能源交易问题，具有广泛的现实意义。

(5)本发明可实现区域能源互联网整体的经济效益的最优运行控制问题，即实现区域能源互联网的最优投标。

(6)本发明所提的面向区域能源互联网的多主体能源系统互动运营协调控制方法层次清晰、计算便捷，更具实用性。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1提供的多主体能源系统互动运营协调控制方法示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

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发明的示例性实施方式。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，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种多主体能源系统互动运营协调控制方法，包括：

S1：根据每个主体能源系统内电力设备运行状态数据和负荷需求数据，构建基于随机卡特尔聚合博弈的区域能源互联网联合投标模型；

S2：根据多主体能源系统互动运营特征解列区域能源互联网联合投标模型，并构建主体能源系统间的P2P交互约束，得到基于P2P交互的多主体能源系统分布式投标模型；

S3：采用替代式梯度算法对多主体能源系统分布式投标模型进行求解，得到不同主体能源系统的交互功率，并以此得到区域能源互联网的互动运营协调控制方案。

在所述步骤S1中，根据区域能源互联网系统配置的集中式信息管理中心，采集每个主体能源系统内的新能源(风机)发电、燃气轮机、储能装置的运行状态、外部市场的电价和气价、以及负荷需求数据；基于此构建基于随机卡特尔聚合博弈的区域能源互联网联合投标模型；其具体方法包括：

S1-1：根据威布尔分布刻画风力发电的随机性输出功率：

其中，p^r是风力发电的额定电量；v^ci、v^co、v^r代表切入、切出和额定风速；p^w是风机的实际发电功率，v是实际风速。

基于公式(1)，采用离散化场景刻画风速的随机性特征，定义每个场景为

其对应概率为π_s＝1，则有∑_s∈Ωπ_s＝1，Ω是所有随机场景的集合。

S1-2：根据燃气轮机的运行过程，建立能源生产设备的容量约束和爬坡约束：

其中，

是第i个主体能源系统内燃气轮机在t时刻的输出功率，

和

是发电机的最大和最小上下限值，RD_i和RU_i是燃气轮机的爬坡上下限。

S1-3：根据储能充电和放电过程建立储能设备的模型：

ES_i,min≤ES_s,i,t≤ES_i,max (6)

其中，

和

是第i个主体能源系统内储能装置在t时刻的充放电功率，

和

是充放电功率的上限，ES_s,i,t是储能装置的当前容量，ES_i,min和ES_i,max是容量的上下限，

和

是充放电效率。

S1-4：面向区域能源互联网的整体运营状态，建立整个系统的对外投标模型：

其中，

代表多主体能源系统聚合投标价格，

是多主体能源系统的投标功率，C^g和D^g是来自于市场的需求-价格包。

S1-5：基于公式(1)-(8)建立区域能源互联网总体运营目标，为：

其中，式(9)是区域能源互联网总体运营控制目标，即通过不同主体能源间的协作实现总体系统投标效益的最大化；c^es和c^dg分别代表不同设备的运营费用。

S1-6：通过联立公式(1)-(9)可得基于随机卡特尔聚合博弈的区域能源互联网联合投标运营控制模型；然而，公式(9)是非线性的，存在

并且每个主体能源系统的互动过程和平衡约束并没有在整体模型中被体现，为此，本实施例采用拉格朗日方法解列上述模型。

在所述步骤S2中，根据多主体能源系统交易特征，采用拉格朗日方法解列联合投标模型，并建立P2P互动交易约束，搭建带有P2P交易的多主体能源系统分布式投标模型；其具体方法包括：

S2-1：不同主体能源系统之间存在互动运营过程，即具有端对端的交互约束：

其中，

和

是多主体能源系统i和多主体能源系统j之间的交易能源量，

是不同能源主体之间交易量的最大极限。

S2-2：在P2P交易环境和投标约束下，每个主体能源系统的功率平衡约束为：

其中，

是每个主体能源系统所面对的负荷需求量。

S2-3：由于公式(12)的存在，使模型(1)-(9)无法以主体个数解列，为此，本实施例采用增广拉格朗日松弛约束式(12)，将其引入到每个主体能源系统的控制目标函数中，即：

S2-4：整合每个主体能源系统的互动运营控制模型，对应区域能源互联网内的任意一个主体能源系统的模型为式(14)、式(10)-(11)、式(13)、式(1)-(8)。

在所述步骤S3中，针对已经被解耦的模型，采用替代次梯度算法对上述模型进行分布式求解，实施分布式优化控制，完成每个主体能源系统的控制目标，进一步实现整体的控制目标，并获得最优的控制方案；其具体方法包括：

S3-1：设定迭代次数k＝0，基于公式(1)选取一个随机性场景下的风机功率

在此场景下计算每个主体能源系统无投标和无交互的生产装备的功率，在本实施例中采用功率平衡加减运算，即

所获得的功率为该算法的初始值；此外，由于功率初始值的获取没有考虑交互，因此不同主体能源系统之间的交易初始价格为0。

S3-2：将初始值代入到式(14)、式(10)-(11)、式(13)、式(1)-(8)中，利用商业求解器Gurobi中成熟的求解器(一般采用的是很成熟的分支定界算法)计算，获得不同主体能源系统交互功率

和

S3-3：构建基于替代次梯度的λ_s,i,j,t和

其具体构建公式如下：

其中，σ_k是更新步长。

S3-4：检查收敛性，如果

小于特定值，则表示多主体能源系统交互运营是收敛的，否则，更新S3-2中的λ_s,i,j,t,k+1，返回至S3-2。

本实施例提出了一种面向区域能源互联网的多主体能源系统互动运营协调控制方法，该方法针对包含多主体能源系统的区域能源互联网建立整体运营控制目标、面向电力市场的能源投标模型、发电装备的容量和功率约束、网络潮流约束、P2P交易约束等，采用随机场景技术刻画系统中可能存在的供需不确定性，搭建区域能源互联网随机卡特尔聚合博弈联合投标模型，依据多主体能源系统分解上述模型，采用替代次梯度技术实施分布式计算，实现多主体能源系统交互运营协调控制目标。

实施例2

本实施例提供一种多主体能源系统互动运营协调控制系统，包括：

模型构建模块，被配置为根据每个主体能源系统内电力设备运行状态数据和负荷需求数据，构建基于随机卡特尔聚合博弈的区域能源互联网联合投标模型；

模型解列模块，被配置为根据多主体能源系统互动运营特征解列区域能源互联网联合投标模型，并构建主体能源系统间的P2P交互约束，得到基于P2P交互的多主体能源系统分布式投标模型；

分布式求解模块，被配置为采用替代式梯度算法对多主体能源系统分布式投标模型进行求解，得到不同主体能源系统的交互功率，并以此得到区域能源互联网的互动运营协调控制方案。

此处需要说明的是，上述模块对应于实施例1中所述的步骤，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例1所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。

在更多实施例中，还提供：

一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例1中所述的方法。为了简洁，在此不再赘述。

应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。

一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例1中所述的方法。

实施例1中的方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种多主体能源系统互动运营协调控制方法，其特征在于，包括：

根据每个主体能源系统内电力设备运行状态数据和负荷需求数据，构建基于随机卡特尔聚合博弈的区域能源互联网联合投标模型；

其具体方法包括：

S1-1：根据威布尔分布刻画风力发电的随机性输出功率：

其中，p^r是风力发电的额定电量；v^ci、v^co、v^r代表切入、切出和额定风速；p^w是风机的实际发电功率，v是实际风速；

基于公式(1)，采用离散化场景刻画风速的随机性特征，定义每个场景为

其对应概率为π_s＝1，则有∑_s∈Ωπ_s＝1，Ω是所有随机场景的集合；

S1-2：根据燃气轮机的运行过程，建立能源生产设备的容量约束和爬坡约束：

其中，

是第i个主体能源系统内燃气轮机在t时刻的输出功率，

和

是发电机的最大和最小上下限值，RD_i和RU_i是燃气轮机的爬坡上下限；

S1-3：根据储能充电和放电过程建立储能设备的模型：

ES_i,min≤ES_s,i,t≤ES_i,max (6)

其中，

和

是第i个主体能源系统内储能装置在t时刻的充放电功率，

和

是充放电功率的上限，ES_s,i,t是储能装置的当前容量，ES_i,min和ES_i,max是容量的上下限，

和

是充放电效率；

S1-4：面向区域能源互联网的整体运营状态，建立整个系统的对外投标模型：

其中，

代表多主体能源系统聚合投标价格，

是多主体能源系统的投标功率，C^g和D^g是来自于市场的需求-价格包；

S1-5：基于公式(1)-(8)建立区域能源互联网总体运营目标，为：

其中，式(9)是区域能源互联网总体运营控制目标，即通过不同主体能源间的协作实现总体系统投标效益的最大化；c^es和c^dg分别代表不同设备的运营费用；

S1-6：通过联立公式(1)-(9)可得基于随机卡特尔聚合博弈的区域能源互联网联合投标运营控制模型；

根据多主体能源系统互动运营特征解列区域能源互联网联合投标模型，并构建主体能源系统间的P2P交互约束，得到基于P2P交互的多主体能源系统分布式投标模型；

其具体方法包括：

S2-1：不同主体能源系统之间存在互动运营过程，即具有端对端的交互约束：

其中，

和

是多主体能源系统i和多主体能源系统j之间的交易能源量，

是不同能源主体之间交易量的最大极限；

S2-2：在P2P交易环境和投标约束下，每个主体能源系统的功率平衡约束为：

其中，

是每个主体能源系统所面对的负荷需求量；

S2-3：由于公式(12)的存在，使模型(1)-(9)无法以主体个数解列，为此，本实施例采用增广拉格朗日松弛约束式(12)，将其引入到每个主体能源系统的控制目标函数中，即：

S2-4：整合每个主体能源系统的互动运营控制模型，对应区域能源互联网内的任意一个主体能源系统的模型为式(14)、式(10)-(11)、式(13)、式(1)-(8)；

采用替代式梯度算法对多主体能源系统分布式投标模型进行求解，得到不同主体能源系统的交互功率，并以此得到区域能源互联网的互动运营协调控制方案。

2.如权利要求1所述的一种多主体能源系统互动运营协调控制方法，其特征在于，所述区域能源互联网联合投标模型包括风机发电随机性输出功率模型、燃气轮机运行状态模型、储能设备充放电模型和区域能源互联网的对外投标模型。

3.如权利要求2所述的一种多主体能源系统互动运营协调控制方法，其特征在于，采用威布尔分布构建风机发电随机性输出功率模型。

4.如权利要求1所述的一种多主体能源系统互动运营协调控制方法，其特征在于，所述区域能源互联网联合投标模型以不同主体能源系统间互动运营投标效益的最大化为目标函数。

5.如权利要求1所述的一种多主体能源系统互动运营协调控制方法，其特征在于，根据多主体能源系统互动运营特征采用拉格朗日方法解列区域能源互联网联合投标模型。

6.如权利要求5所述的一种多主体能源系统互动运营协调控制方法，其特征在于，所述解列包括：构建不同主体能源系统间P2P交互约束，在P2P交互约束和投标约束下，得到每个主体能源系统的功率平衡约束。

7.如权利要求1所述的一种多主体能源系统互动运营协调控制方法，其特征在于，所述电力设备运行状态数据包括风机发电的输出功率、燃气轮机的输出功率和储能设备的充放电功率。

8.一种多主体能源系统互动运营协调控制系统，其特征在于，包括：

模型构建模块，被配置为根据每个主体能源系统内电力设备运行状态数据和负荷需求数据，构建基于随机卡特尔聚合博弈的区域能源互联网联合投标模型；

其具体方法包括：

S1-1：根据威布尔分布刻画风力发电的随机性输出功率：

其中，p^r是风力发电的额定电量；v^ci、v^co、v^r代表切入、切出和额定风速；p^w是风机的实际发电功率，v是实际风速；

基于公式(1)，采用离散化场景刻画风速的随机性特征，定义每个场景为

其对应概率为π_s＝1，则有∑_s∈Ωπ_s＝1，Ω是所有随机场景的集合；

S1-2：根据燃气轮机的运行过程，建立能源生产设备的容量约束和爬坡约束：

其中，

是第i个主体能源系统内燃气轮机在t时刻的输出功率，

和

是发电机的最大和最小上下限值，RD_i和RU_i是燃气轮机的爬坡上下限；

S1-3：根据储能充电和放电过程建立储能设备的模型：

ES_i,min≤ES_s,i,t≤ES_i,max (6)

其中，

和

是第i个主体能源系统内储能装置在t时刻的充放电功率，

和

是充放电功率的上限，ES_s,i,t是储能装置的当前容量，ES_i,min和ES_i,max是容量的上下限，

和

是充放电效率；

S1-4：面向区域能源互联网的整体运营状态，建立整个系统的对外投标模型：

其中，

代表多主体能源系统聚合投标价格，

是多主体能源系统的投标功率，C^g和D^g是来自于市场的需求-价格包；

S1-5：基于公式(1)-(8)建立区域能源互联网总体运营目标，为：

其中，式(9)是区域能源互联网总体运营控制目标，即通过不同主体能源间的协作实现总体系统投标效益的最大化；c^es和c^dg分别代表不同设备的运营费用；

S1-6：通过联立公式(1)-(9)可得基于随机卡特尔聚合博弈的区域能源互联网联合投标运营控制模型；

模型解列模块，被配置为根据多主体能源系统互动运营特征解列区域能源互联网联合投标模型，并构建主体能源系统间的P2P交互约束，得到基于P2P交互的多主体能源系统分布式投标模型；

其具体方法包括：

S2-1：不同主体能源系统之间存在互动运营过程，即具有端对端的交互约束：

其中，

和

是多主体能源系统i和多主体能源系统j之间的交易能源量，

是不同能源主体之间交易量的最大极限；

S2-2：在P2P交易环境和投标约束下，每个主体能源系统的功率平衡约束为：

其中，

是每个主体能源系统所面对的负荷需求量；

S2-3：由于公式(12)的存在，使模型(1)-(9)无法以主体个数解列，为此，本实施例采用增广拉格朗日松弛约束式(12)，将其引入到每个主体能源系统的控制目标函数中，即：

S2-4：整合每个主体能源系统的互动运营控制模型，对应区域能源互联网内的任意一个主体能源系统的模型为式(14)、式(10)-(11)、式(13)、式(1)-(8)；

分布式求解模块，被配置为采用替代式梯度算法对多主体能源系统分布式投标模型进行求解，得到不同主体能源系统的交互功率，并以此得到区域能源互联网的互动运营协调控制方案。

9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-7任一项所述的方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-7任一项所述的方法。

Images