CN113393125A - 基于源荷双侧互动博弈的综合能源系统协同调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于综合能源系统运行与控制技术领域，尤其涉及一种基于源荷双侧互动博弈的综合能源系统协同调度方法。包括以下步骤：①输入初始数据，包括初始电、气、热负荷曲线，服务商中各个设备的参数，能源供应商制定的初始能源价格；②建立园区级综合能源系统源荷互动博弈框架；③建立园区级综合能源系统源荷互动博弈结构；④建立基于源荷双侧互动博弈的园区级综合能源系统多能协同优化调度模型；⑤建立基于源荷双侧互动博弈的园区级综合能源系统多能协同优化调度Matlab平台求解互动流程；⑥对基于源荷双侧互动博弈的园区级综合能源系统多能协同优化调度有效性进行仿真分析。本发明能够充分发挥多种能源的互补替代作用。
Description
技术领域
本发明属于综合能源系统运行与控制技术领域，尤其涉及一种基于源荷双侧互动博弈的综合能源系统协同调度方法。
背景技术
传统的能源单独供应模式因其能源利用率低以及污染严重等缺点已经不能满足时代的需要。在此背景下，统筹多能源联合供应、协同调度的能源互联网将逐渐成为未来能源供应模式的主流。
由于园区级综合能源系统包含冷热电燃气联供机组、电热锅炉、电制冷机、储能以及新能源发电等众多物理设备，系统运行数据量巨大，待优化参数众多，给合理安排生产经营计划和决策管理带来了诸多困难。此外，园区级综合能源系统内存在多个不同的利益主体，如何在集中管理的基础上，充分保证各方的收益已经成为园区级综合能源系统调度中亟需解决的难题。
目前，关于综合能源系统的协同优化调度主要分为几个研究方向：(1)设置单一优化目标或将多目标人为赋予权重变换成单一目标，并结合园区级综合能源系统内在的运行限制条件，构建集中式优化模型，然后利用GUROBI、CPLEX以及LINGO等求解器进行模型求解。此类方法针对单目标优化模型求解速度快，计算精度高，但在园区级综合能源系统实际运营优化中需要考虑的目标远远不止一个，而人为给各个目标赋予权重，太过于主观化，不利于从多个维度考虑问题。(2)构建具有两个待优化目标的调度模型并直接运用NSGA-II、多目标粒子群等求解算法来计算双目标优化问题的帕累托最优前沿解集，然后依据个人的主观喜好从众多可行解中筛选出最优解作为最终的调度结果。这一类方法较第1类方法考虑的目标维度更多，且能给出多种帕累托最优解，便于决策者基于不同的方面制定更为合理的日前调度计划；然而，该类方法也仅从两个维度进行优化，且没有客观的基于实际可行解集分析的筛选策略，往往先基于某个主观指标进行粗略筛选，不利于决策者全面分析众多可行调度方案的整体特点。
发明内容
本发明就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种基于源荷双侧互动博弈的综合能源系统协同调度方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，包括：输入初始数据，初始数据包括初始电、气、热负荷曲线，服务商中各个设备的参数、能源供应商制定的初始能源价格；作为求解园区级综合能源系统源荷互动博弈模型的基础数据；
建立园区级综合能源系统源荷互动博弈框架；
在总体博弈框架基础上，建立园区级综合能源系统源荷互动博弈结构；
在具体的互动博弈结构基础上，建立基于源荷双侧互动博弈的园区级综合能源系统多能协同优化调度模型；
建立基于源荷双侧互动博弈的园区级综合能源系统多能协同优化调度Matlab平台求解互动流程。
进一步地，对基于源荷双侧互动博弈的园区级综合能源系统多能协同优化调度有效性进行仿真分析，验证基于源荷双侧互动博弈的园区级综合能源系统多能协同优化调度策略能够实现园区综合能源系统的稳定经济运行。
进一步地，所述建立园区级综合能源系统源荷互动博弈框架包括：荷侧(能源枢纽和园区用户)交易中，能源供应商作为能源售卖者和能源拥有者，有优先决定权，因此其为博弈中的领导者，能源枢纽为跟随者。两者在做出策略时有先后顺序，即能源供应商制定面向服务商的能源售价后，后者据此调整自身的用能策略；
双方能够共享信息，即供应商能准确获得服务商的用能信息，能源枢纽能准确获得能源售价；同理，荷侧交易中，能源枢纽为领导者，园区用户为跟随者，且两者也能够相互共享信息。
进一步地，所述建立园区级综合能源系统源荷互动博弈结构包括：
实际博弈参与者：能源供应商、能源枢纽及园区用户；
虚拟博弈参与者：三个博弈主体的运行效益；
能源供应商策略集：实时电价、气价；
能源枢纽策略集：购能量、售能价格及设备出力；
园区用户：用能负荷。
进一步地，建立基于源荷双侧互动博弈的园区级综合能源系统多能协同优化调度模型包括：
步骤1、确定博弈决策变量；
步骤2、确定收益函数；
步骤3、参与博弈的有能源供应商、能源枢纽和园区用户，能源枢纽作为多种能源转换传输的纽带，在接收到能源经销商的售能报价之后，通过调整购能量和各能源转换设备的出力来使得自身收益最大化，还可以通过制定销售给用户的能源价格来改变用户的用能习惯；
步骤4、能源供应商通过能源枢纽的购能量来调整销售策略，使得自身利益最大化。用户则通过改变用能负荷大小来适应能源枢纽的售能价格，满足自身的用能效益；
步骤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。
进一步地，所述建立基于源荷双侧互动博弈的园区级综合能源系统多能协同优化调度Matlab平台求解互动流程包括：
(1)输入初始数据并设置参数；
(2)能源供应商向服务商下发第i次博弈的能源价格；
(3)能源枢纽获得多能源价格后，进行荷侧博弈，获得最优售能收益，之后以自身净收益最大化为目标，进行寻优，并将最终的购能策略上传给能源供应商；
(4)能源供应商获得服务商上传的最新购能策略后，制定第x+1次博弈的能源价格，并判断是否达到下述约束条件，若尚未达到，则跳转至第(2)步，否则进行到下一步；
(5)输出能源供应商制定的能源价格，服务商的购能策略及向用户制定的能源价格，用户的最终负荷。
更进一步地，所述初始数据包括各园区典型日热电负荷曲线、园区电价、机组运行参数。
与现有技术相比本发明有益效果。
1.基于源荷双侧互动博弈的园区级综合能源系统多能协同优化调度调度方法，能够兼顾园区内不同主体的利益诉求，各主体通过互动博弈达成利益分配，更符合实际情况，相比于传统集中式调度方法，考虑“源-荷”双侧博弈互动能更有效提高园区综合能源系统中各主体的经济收益，实现了能源枢纽与能源供应商以及用户之间的博弈互动，优化能源枢纽中各设备的出力，有助于实现电、气、热多能源互补利用，提升能源利用率，降低成本，提高系统运行灵活性。
2.本发明易于实施，其是在园区级综合能源系统群优化调度的基础之上建立起来的，考虑园区各利益主体之间的交互及互补支撑作用和其对博弈互动机制的影响，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.本发明便于商业化开发，随着综合能源系统应用的增多，园区级系统综合能源系统的互动博弈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
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。
图1是是互动博弈总体结构示意图；
图2是是源荷双侧博弈流程图；
图3-4是能源枢纽及能源供应商迭代收敛曲线；
图5-6是园区综合能源系统优化结果。
具体实施方式
本发明涉及一种基于源荷双侧互动博弈的综合能源系统协同调度方法，特别涉及一种基于Stackelberg博弈方法分析源、荷两侧的能源供应商、园区服务商与园区用户之间的交易互动方法。其以园区级综合能源系统作为研究对象，结合不同利益主体的效益诉求，设置新能源供应商、用户以及综合能源服务商等3个利益目标，并建立考虑多方利益诉求的集中式优化模型。
本发明基本思想为构建了以能源供应商(源侧)、能源枢纽和园区用户(荷侧)为主体的园区综合能源系统框架。其次，利用Stackelberg博弈方法分析“源-荷”双侧三个主体之间交易互动，并以能源供应商、能源枢纽各自收益最大和园区用户综合成本最小为目标，考虑功率平衡、设备出力、可再生能源出力、价格上下限等约束，优化“源”侧能源供应商的定价策略与能源枢纽各设备的出力计划，以及“荷”侧园区服务商的定价策略与园区用户的购能方案。技术方案是：参与博弈的有能源供应商、能源枢纽和园区用户，能源枢纽作为多种能源转换传输的纽带，在接收到能源经销商的售能报价之后，通过调整购能量和各能源转换设备的出力来使得自身收益最大化，还可以通过制定销售给用户的能源价格来改变用户的用能习惯。能源经销商通过能源枢纽的购能量来调整销售策略，使得自身利益最大化。用户则通过改变用能负荷大小来适应能源枢纽的售能价格，满足自身的用能效益。
具体地，在构建以能源供应商(源侧)、能源枢纽和园区用户(荷侧)为主体的园区综合能源系统框架基础之上，利用Stackelberg博弈方法分析“源-荷”双侧三个主体之间交易互动，并以能源供应商、能源枢纽各自收益最大和园区用户综合成本最小为目标，考虑功率平衡、设备出力、可再生能源出力、价格上下限等约束，优化“源”侧能源供应商的定价策略与能源枢纽各设备的出力计划，以及“荷”侧园区服务商的定价策略与园区用户的购能方案。
如图1-4所示，本发明包括以下步骤：
步骤1)针对海城菱镁产业园区综合能源系统，输入初始数据，包括初始电、气、热负荷曲线，服务商中各个设备的参数，能源供应商制定的初始能源价格，作为求解园区级综合能源系统源荷互动博弈模型的基础数据。
步骤2)针对海城菱镁产业园区综合能源系统，建立园区级综合能源系统源荷互动博弈框架；
(1)“荷”侧交易中，能源供应商作为能源售卖者和能源拥有者，有优先决定权，因此其为博弈中的领导者，能源枢纽为跟随者。两者在做出策略时有先后顺序，即能源供应商制定面向服务商的能源售价后，后者据此调整自身的用能策略；
(2)双方能够共享信息，即供应商能准确获得服务商的用能信息，能源枢纽能准确获得能源售价。同理，“荷”侧交易中，能源枢纽为领导者，园区用户为跟随者，且两者也能够相互共享信息。
步骤3)针对海城菱镁产业园区综合能源系统，在总体博弈框架基础上，建立园区级综合能源系统源荷互动博弈结构；
(1)实际博弈参与者：能源供应商、能源枢纽及园区用户；
(2)虚拟博弈参与者：三个博弈主体的运行效益。
(3)能源供应商策略集：实时电价、气价。
(4)能源枢纽策略集：购能量、售能价格及设备出力。
(5)园区用户：用能负荷。
步骤4)针对海城菱镁产业园区综合能源系统，在具体的互动博弈结构基础上，建立基于源荷双侧互动博弈的园区级综合能源系统多能协同优化调度模型；
(1)确定博弈决策变量；
(2)确定收益函数；
(3)参与博弈的有能源供应商、能源枢纽和园区用户，能源枢纽作为多种能源转换传输的纽带，在接收到能源经销商的售能报价之后，通过调整购能量和各能源转换设备的出力来使得自身收益最大化，还可以通过制定销售给用户的能源价格来改变用户的用能习惯；
(4)能源供应商通过能源枢纽的购能量来调整销售策略，使得自身利益最大化。用户则通过改变用能负荷大小来适应能源枢纽的售能价格，满足自身的用能效益；
(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5)针对海城菱镁产业园区综合能源系统，在所建立的协同优化调度模型基础上，建立基于源荷双侧互动博弈的园区级综合能源系统多能协同优化调度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)能源供应商向服务商下发第i次博弈的能源价格；
(3)能源枢纽获得多能源价格后，进行“荷”侧博弈，获得最优售能收益，之后以自身净收益最大化为目标，进行寻优，并将最终的购能策略上传给能源供应商；
(4)能源供应商获得服务商上传的最新购能策略后，制定第x+1次博弈的能源价格，并判断是否达到约束条件，若尚未达到，则跳转至第2步，否则进行到下一步；
(5)输出能源供应商制定的能源价格，服务商的购能策略及向用户制定的能源价格，用户的最终负荷。
步骤6)针对海城菱镁产业园区综合能源系统，对基于源荷双侧互动博弈的园区级综合能源系统多能协同优化调度有效性进行仿真分析，验证基于源荷双侧互动博弈的园区级综合能源系统多能协同优化调度策略能够实现园区综合能源系统的稳定经济运行。
优选地，能源枢纽中多种能源转换设备以及储电设备的引入能够使得各种能源间灵活转换，有利于实现源-荷-储协同优化运行。
优选地，将园区级综合能源系统分为三个不同对的利益主体，并运用主从博弈思想进行优化调度，最终给出纳什均衡解，且求解算法有较好收敛性。
优选地，当能源枢纽与能源供应商进行多种能源博弈互动时，能够充分发挥多种能源的互补替代作用有更多购能选择，供应商有更灵活的定价策略，所提出来的博弈互动能够使参与者的经济性得到提升。
优选地，针对Pareto解集的筛选，提出了基于决策者满意度和聚类分析的混合筛选策略，与传统方法相比，所提出的方法能将决策者偏好与解集整体分布特点相结合，筛选出的解整体表现更为出色。
如图1，能源供应商作为能源售卖者和能源拥有者，有优先决定权，因此其为博弈中的领导者，园区枢纽为跟随者。两者在做出策略时有先后顺序，即能源供应商制定面向能源枢纽的能源售价后，后者据此调整自身的用能策略；同时双方能够共享信息，即供应商能准确获得能源枢纽的用能信息，能源枢纽能准确获得能源售价。同理，“荷”侧交易中，能源枢纽为领导者，园区用户为跟随者，且两者也能够相互共享信息。
如图2，能源供应商向服务商下发第i次博弈的能源价格；能源枢纽获得多能源价格后，进行“荷”侧博弈，获得最优售能收益，之后以自身净收益最大化为目标，进行寻优，并将最终的购能策略上传给能源供应商；能源供应商获得服务商上传的最新购能策略后，制定第x+1次博弈的能源价格，并判断是否达到约束条件，若尚未达到，则跳转至第2步，否则进行到下一步；输出能源供应商制定的能源价格，服务商的购能策略及向用户制定的能源价格，用户的最终负荷。
如图3-4，场景1为考虑源荷侧的互动博弈情况；场景2为能源价格固定时的情况；场景3为不考虑源荷侧的互动博弈情况。迭代初始时，双方的收益变化较大，每一轮博弈都会引起双方策略较大变动。随着迭代次数的增加，能源供应商收益整体上呈现下降趋势，能源枢纽收益整体上呈现上升趋势，并在约50次博弈后，竞争互动态势逐渐缓和，双方收益函数都达到了互动均衡下的最优解，体现了双方博弈互动直至收敛的过程。当达到Stackelberg博弈均衡后，其收益及定价策略、购能策略基本不发生改变，即在该策略集下，博弈中的任何参与者都不能通过单独改变自己的策略来获得更多的收益。
如图5-6，对海城菱镁产业园区综合能源系统群与辽宁电网的协调控制进行仿真分析及研究。园区内存在电、热两种类型的负荷需求，且多集中于低谷时段生产，园区采用热电联产机组，电负荷平衡由燃气轮机发电、光伏出力、储能充放电、与电网交互功率五个部分组成,设备参数如下所示：
表1设备参数表
电网侧负荷峰时段，园区内的燃气轮机机组满功率运行，同时园区内蓄电池进行放电，满足园区内的电负荷需求，并对电网输送电功率，降低电网峰时负荷；在电网负荷低谷时段，园区内的燃气轮机机组降低运行功率，蓄电池进行充电，电网向园区输送电功率，提升电网侧的谷时负荷，实现削峰填谷的效果，避免了辽宁电网谷电价时段大范围弃风现象的出现。
园区的热负荷由燃气锅炉和换热装置共同提供，当燃气锅炉无法满足园区内供热需求时，通过换热装置进行补发，同时燃气锅炉的出力受到燃气轮机和园区热负荷的限制。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.基于源荷双侧互动博弈的综合能源系统协同调度方法，其特征在于，输入初始数据；
建立园区级综合能源系统源荷互动博弈框架；
在总体博弈框架基础上，建立园区级综合能源系统源荷互动博弈结构；
在具体的互动博弈结构基础上，建立基于源荷双侧互动博弈的园区级综合能源系统多能协同优化调度模型；
建立基于源荷双侧互动博弈的园区级综合能源系统多能协同优化调度Matlab平台求解互动流程。
2.根据权利要求1所述的基于源荷双侧互动博弈的综合能源系统协同调度方法，其特征在于：对基于源荷双侧互动博弈的园区级综合能源系统多能协同优化调度有效性进行仿真分析，验证基于源荷双侧互动博弈的园区级综合能源系统多能协同优化调度策略能够实现园区综合能源系统的稳定经济运行。
3.根据权利要求1所述的基于源荷双侧互动博弈的综合能源系统协同调度方法，其特征在于：所述建立园区级综合能源系统源荷互动博弈框架包括：
荷侧交易中，能源供应商作为能源售卖者和能源拥有者，有优先决定权，因此其为博弈中的领导者，能源枢纽为跟随者；
两者在做出策略时有先后顺序，即能源供应商制定面向服务商的能源售价后，后者据此调整自身的用能策略；
双方能够共享信息，即供应商能准确获得服务商的用能信息，能源枢纽能准确获得能源售价；同理，荷侧交易中，能源枢纽为领导者，园区用户为跟随者，且两者也能够相互共享信息。
4.根据权利要求1所述的基于源荷双侧互动博弈的综合能源系统协同调度方法，其特征在于：所述建立园区级综合能源系统源荷互动博弈结构包括：
实际博弈参与者：能源供应商、能源枢纽及园区用户；
虚拟博弈参与者：三个博弈主体的运行效益；
能源供应商策略集：实时电价、气价；
能源枢纽策略集：购能量、售能价格及设备出力；
园区用户：用能负荷。
5.根据权利要求1所述的基于源荷双侧互动博弈的综合能源系统协同调度方法，其特征在于：建立基于源荷双侧互动博弈的园区级综合能源系统多能协同优化调度模型包括：
步骤1、确定博弈决策变量；
步骤2、确定收益函数；
步骤3、参与博弈的有能源供应商、能源枢纽和园区用户，能源枢纽作为多种能源转换传输的纽带，在接收到能源经销商的售能报价之后，通过调整购能量和各能源转换设备的出力来使得自身收益最大化，还可以通过制定销售给用户的能源价格来改变用户的用能习惯；
步骤4、能源供应商通过能源枢纽的购能量来调整销售策略，使得自身利益最大化；
用户则通过改变用能负荷大小来适应能源枢纽的售能价格，满足自身的用能效益；
步骤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。
6.根据权利要求1所述的基于源荷双侧互动博弈的综合能源系统协同调度方法，其特征在于：所述建立基于源荷双侧互动博弈的园区级综合能源系统多能协同优化调度Matlab平台求解互动流程包括：
(1) 输入初始数据并设置参数；
(2) 能源供应商向服务商下发第i次博弈的能源价格；
(3) 能源枢纽获得多能源价格后，进行荷侧博弈，获得最优售能收益，之后以自身净收益最大化为目标，进行寻优，并将最终的购能策略上传给能源供应商；
(4) 能源供应商获得服务商上传的最新购能策略后，制定第x+1次博弈的能源价格，并判断是否达到下述约束条件，若尚未达到，则跳转至第 （2）步，否则进行到下一步；
(5) 输出能源供应商制定的能源价格，服务商的购能策略及向用户制定的能源价格，用户的最终负荷。
7.根据权利要求6所述的基于源荷双侧互动博弈的综合能源系统协同调度方法，其特征在于：所述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。
8.根据权利要求1所述的基于源荷双侧互动博弈的综合能源系统协同调度方法，其特征在于：所述初始数据包括初始电、气、热负荷曲线，服务商中各个设备的参数、能源供应商制定的初始能源价格；作为求解园区级综合能源系统源荷互动博弈模型的基础数据。
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