CN114862568B - 基于切蛋糕博弈的p2p能源交易中的碳排放权划分方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于切蛋糕博弈的P2P能源交易中的碳排放权划分方法，涉及能源交易技术领域，方法包括：分析整个微电网中P2P用能交易过程，建立能源卖方的优化模型；分析能源买家参与P2P交易市场的模型，建立优化模型和对应约束条件；确定每个参与P2P交易的买卖双方的目标函数与约束条件之后，能源买家的优化模型可以以等效的KKT条件的形式写入卖家的模型中，进而可以根据卖家的优化模型求解出其符合对应的切蛋糕博弈的解；将单调的变分不等式的结果求解出来，即可得到原微电网的碳排放权的切蛋糕博弈模型的最优解。本发明改进了碳排放配额下的P2P交易模型的求解过程，具有隐私保护性、灵活性和实用性，且算法效率更高，运算速度更快，易于推广。
Description
技术领域
本发明属于能源交易技术领域，具体涉及基于切蛋糕博弈的P2P能源交易中的碳排放权划分方法。
背景技术
近年来，随着分布式发电资源的日益普及和信息通信技术的不断进步，基于P2P(Peer-to-Peer)的配电网交易形式逐渐流行起来。这种能源交易形式允许能源产消者直接进行电力交易，从而提高了用户端可再生能源的消纳率。但是，参与P2P配电网级交易市场的电能卖家不全是可再生能源的持有者，微型燃气轮机、小型分布式发电机等传统发电技术的持有者也会参与到P2P交易中来，这些传统发电技术的碳排放强度较高。在全电力市场的碳排放总量的约束下，如何正确地划分能源卖家的碳排放权，从而最大化整个市场的电能效益，并提高用电、卖电方各个体的市场参与度是一个亟待解决的重要问题。因此，在P2P的配电网交易市场中优化碳排放权的划分方案具有较强的现实意义和经济价值。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供基于切蛋糕博弈的P2P能源交易中的碳排放权划分方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：基于切蛋糕博弈的P2P能源交易中的碳排放权划分方法，该方法包括以下步骤：
S1、获取用户负荷、实时电网电价、碳排放总量上限等数据；
S2、分析整个微电网中P2P用能交易过程，建立能源卖方的优化模型，将步骤S1中收集到的数据作为参数传入优化模型中；
S3、分析能源买家参与P2P交易市场的模型，建立优化模型和约束条件；
S4、确定每个参与P2P交易的买卖双方的目标函数与约束条件之后，S3中的优化买家模型可以以等效的KKT条件的形式写入S2中卖家的模型中；
S5、将S4中卖家的优化模型等效变换为变分不等式，求解变分不等式，即可得到原微电网的碳排放权的切蛋糕博弈模型的最优解。
作为本发明可选地的方案，步骤(1)中，所述用户负荷数据包括每个社区级微电网中用户的全年负荷数据，数据采集间隔最小15分钟；实时电网电价采用国家统一的峰谷平三时电价；碳排放总量上限包括各微电网的碳排放总量的配额，以及各种分布式发电机的碳排放强度。
作为本发明可选地的方案，步骤(2)中，所述能源卖方的优化模型具体包括：
(21)因为在微电网的P2P交易过程中，分布式电源的持有者可以向同在微电网内的其他能源买家卖电，也可以向电网卖电，所以能源卖家的总收益包含了两个部分，而总成本主要包括了分布式电源的发电成本；
式中：为P2P交易市场中卖家s向买家b卖电的价格，/>为P2P交易市场中卖家s向买家b卖电的功率，/>为卖家s向电网的卖电价格，/>为卖家s的总产电功率，为卖电方生产电能/>的产电成本，αs,βs,γs分别表示卖电方成本函数的二次、一次和常数项，Δt为P2P交易市场的时间步长；
(22)P2P市场中的能源卖家的总卖电功率不能超过总产电功率，因此需要满足如下约束：
式中：为P2P交易市场中交换的功率，/>为能源卖家s的总产电功率，b为能源买家的索引，B表示全体能源买家的集合；
(23)能源卖家参与P2P交易的能量不能为负，所以交易电能需满足如下约束：
式中：为能源卖家s向能源买家b交换的电能功率，设定该功率为非负即可保证能量不会发生从买家到卖家的倒灌现象；
(24)考虑整个微电网的碳排放量的上限，总碳排放量约束可计算如下：
式中：为时刻t下能源生产者s的发电量，/>为时刻t下能源生产者s发电的碳排放强度，/>为整个微电网的碳排放上限。
作为本发明可选地的方案，所述步骤(3)能源买家参与P2P交易市场的模型具体包括：
(31)因为每个能源的购买者需要通过向P2P市场和上级电网购买一定的电能以满足自身的负荷需求，所以能源购买者的成本主要包含了向其他发电方购买和向上级电网购买两个部分，该模型如下：
式中：表示的含义与(2)中对应的变量的含义一致，/>为能源买家b向所有交易的卖家购买的电能的支出，/>为能源买家b在t时刻的负荷总量，/>为能源买家b向上级电网购买电能的价格，Δt为市场的时间步长；
(32)能源购买者一般还会在用户侧配置分布式储能用于削峰填谷、提高用电灵活性，为了保证能源买家的功率实时平衡，该节点处的功率平衡约束可建模为：
式中：为所有能源卖家s向能源买家b卖出的电能，/>为能源买家b向上级电网购买的电能，/>为能源买家b的储能设备的放电功率，/>为能源买家b的储能设备的充电功率，/>为能源买家b的刚性负荷；
(33)除了功率平衡约束，配置有分布式储能的能源买家还需要满足储能的充放电运行约束和买电功率约束，这些约束可以建模如下：
式中：为能源买家b在用户侧安装的分布式储能的额定容量大小，/>为用户b安装的分布式储能在t时刻的储能的电量，/>和/>分别为用户b的储能充电和放电效率，为用户b安装的储能的容量上限。
作为本发明可选地的方案，所述步骤(4)包括：
(41)切蛋糕博弈模型的特点如下：
式中：包含了能源卖方s总生产电能的量，/>为对应的碳排放强度，/>为整个微电网的碳排放上限，当所有能源卖家的碳排放值总和正好等于整个系统的碳排放上限时，该划分方案是完备的。当所有用户的效用函数满足如下条件时，该划分方案为社会最优：
式中：FS为第s个能源卖家的效用函数，其表达式与(2)中能源卖家的目标函数一致，表示了S个能源的卖方生产电能的功率，当所有能源卖家的效用总和最大时，该碳排放划分方案即达到社会最优。当没有用户在不损害其他用户效益的前提下提高自身效益时，划分方案即达到了帕累托最优，当没有分配方案达到如下条件时，划分方案/>达到帕累托最优：
在切蛋糕博弈中，各用户的碳排放权的划分方案既是完备的，又是社会最优的时，该划分方案即为帕累托最优的；
(42)因此切蛋糕博弈模型可以表示如下：
Γ＝{S,P,Fs}
式中，为能源卖方的集合，P为能源卖方s的生产电能策略，FS为第s个用户的效用函数，基于上述博弈模型，切蛋糕博弈的最优解可以表示如下：
式中：表示除了能源卖家s以外所有其他能源卖家的生产电能的策略；
(43)考虑切蛋糕博弈的求解较为复杂，基于变分不等式首先证明了切蛋糕博弈均衡点的存在性，求解切蛋糕博弈模型即等同于求解对应的变分不等式<X(p*)，p-p*>≥0，其中X为效用函数的负梯度，其表达式如下：
这个变分不等式的解即为该系统的碳排放权的切蛋糕博弈的均衡点，考虑能源卖家的目标函数的伪梯度的雅可比矩阵各阶主子式均为正的，所以雅可比矩阵为正定，X为单调递增的效用函数，所以该博弈存在唯一的均衡点。
(44)碳排放权的切蛋糕博弈模型可以被等效为单调的变分不等式进行求解，因此基于超平面投影的变分不等式的求解算法可以被用来进行求解。
本发明的有益效果：本发明利用切蛋糕博弈模型描述微电网中各能源生产者的碳排放权的划分，可以在保证不超出系统碳排放上限的情况下，最大化各参与P2P市场的能源卖方的经济效益，基于变分不等式的求解算法可以高效准确地计算出对应的博弈均衡点，具有较高的使用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，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是本发明的P2P用能交易市场的买卖双方的匹配图；
图2是P2P用能交易市场所构成的两种博弈模型及其对应发用电技术的示意图；
图3是P2P用能交易市场中的市场参与者与碳排放配额的关系示意图；
图4是切蛋糕博弈问题的求解流程图；
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参见图1，其示出了本发明基于切蛋糕博弈的P2P能源交易市场的碳排放权划分方法的示意图，该方法包括以下步骤：
S1获取用户负荷、实时电网电价、碳排放总量上限等数据，将收集到的数据作为参数传入优化模型中；
进一步地，所述用户负荷数据包括每个社区级微电网中用户的全年负荷数据，数据采集间隔最小15分钟。
进一步地，实时电网电价采用国家统一的峰谷平三时电价。
进一步地，碳排放总量上限包括各微电网的碳排放总量的配额，以及各种分布式发电机的碳排放强度。
S2分析整个微电网中P2P用能交易过程，建立能源卖方的优化模型；
(21)因为在微电网的P2P交易过程中，分布式电源的持有者可以向同在微电网内的其他能源买家卖电，也可以向电网卖电，所以能源卖家的总收益包含了两个部分，而总成本主要包括了分布式电源的发电成本。
式中：为P2P交易市场中卖家s向买家b卖电的价格，/>为P2P交易市场中卖家s向买家b卖电的功率，/>为卖家s向电网的卖电价格，/>为卖家s的总产电功率，为卖电方生产电能/>的产电成本，αs,βs,γs分别表示卖电方成本函数的二次、一次和常数项，Δt为P2P交易市场的时间步长。
(22)P2P市场中的能源卖家的总卖电功率不能超过总产电功率，因此需要满足如下约束：
式中：为P2P交易市场中交换的功率，/>为能源卖家s的总产电功率，b为能源买家的索引，B表示全体能源买家的集合。
(23)能源卖家参与P2P交易的能量不能为负，所以交易电能满足如下约束：
式中：为能源卖家s向能源买家b交换的电能功率，设定该功率为非负即可保证能量不会发生从买家到卖家的倒灌现象。
(24)为了保证整个微电网的碳排放量的上限，本发明采集了不同能源生产者的碳排放强度，并计算了生产者的总碳排放约束。总碳排放量约束可计算如下：
式中：为时刻t下能源生产者s的发电量，/>为时刻t下能源生产者s发电的碳排放强度，/>为整个微电网的碳排放上限。
S3除了能源卖家，本发明还需要分析能源买家参与P2P交易市场的模型，建立优化模型和对应约束条件；
(31)因为每个能源的购买者需要通过向P2P市场和上级电网购买一定的电能以满足自身的负荷需求，所以能源购买者的成本主要包含了向其他发电方购买和向上级电网购买两个部分。该模型如下：
式中：表示的含义与S2中对应的变量的含义一致，/>为能源买家b向所有交易的卖家购买的电能的支出，/>为能源买家b在t时刻的负荷总量，/>为能源买家b向上级电网购买电能的价格，Δt为市场的时间步长。
(32)能源购买者一般还会在用户侧配置分布式储能用于削峰填谷、提高用电灵活性，为了保证能源买家的功率实时平衡，该节点处的功率平衡约束可建模为：
式中：为所有能源卖家s向能源买家b卖出的电能，/>为能源买家b向上级电网购买的电能，/>为能源买家b的储能设备的放电功率，/>为能源买家b的储能设备的充电功率，/>为能源买家b的刚性负荷。
(33)除了功率平衡约束，配置有分布式储能的能源买家还需要满足储能的充放电运行约束和买电功率约束，这些约束可以建模如下：
式中：为能源买家b在用户侧安装的分布式储能的额定容量大小，/>为用户b安装的分布式储能在t时刻的储能的电量，/>和/>分别为用户b的储能充电和放电效率，为用户b安装的储能的容量上限。
S4请参照图2，由于P2P电能交易的买卖双方为非合作博弈的关系，确定每个参与P2P交易的买卖双方的目标函数与约束条件之后，能源买家在S3中的优化模型可以以等效的KKT条件的形式写入S2中卖家的模型中，进而将原模型中的买卖双方的两个目标统一为一个目标，可以根据S2中卖家的优化模型求解出其符合对应的切蛋糕博弈的解。基于切蛋糕博弈模型的碳排放权划分问题可以求解如下；
(41)请参照图3，每个能源卖方的产电功率对应的碳排放量需要满足整个系统的碳排放上限的约束，因此切蛋糕博弈模型的特点如下：
式中：包含了能源卖方s总生产电能的量，/>为对应的碳排放强度，/>为整个微电网的碳排放上限。当所有能源卖家的碳排放值总和正好等于整个
系统的碳排放上限时，该划分方案是完备的。当所有用户的效用函数满足如下条件时，该划分方案为社会最优：
式中：Fs为第s个能源卖家的效用函数，其表达式与S2中能源卖家的目标函数一致。表示了S个能源的卖方生产电能的功率，当所有能源卖家的效用总和最大时，该碳排放划分方案即达到社会最优。当没有用户在不损害其他用户效益的前提下提高自身效益时，划分方案即达到了帕累托最优，当没有分配方案达到如下条件时，划分方案/>达到帕累托最优：
在切蛋糕博弈中，各用户的碳排放权的划分方案既是完备的，又是社会最优的时，该划分方案即为帕累托最优的。
(42)因此切蛋糕博弈模型可以表示如下：
Γ＝{S,P,Fs}
式中，为能源卖方的集合，P为能源卖方s的生产电能策略，Fs为第s个用户的效用函数。基于上述博弈模型，切蛋糕博弈的最优解可以表示如下：
式中：表示除了能源卖家s以外所有其他能源卖家的生产电能的策略。
(43)因为本发明对应的切蛋糕博弈的求解较为复杂，本发明基于变分不等式首先证明了切蛋糕博弈均衡点的存在性。求解本发明的切蛋糕博弈模型即为求解对应的变分不等式<X(p*)，p-p*>≥0，其中X为效用函数的负梯度，其表达式如下：
这个变分不等式的解即为该系统的碳排放权的切蛋糕博弈的均衡点，因为本发明涉及的能源卖家的目标函数的伪梯度的雅可比矩阵各阶主子式均为正的，所以雅可比矩阵为正定，X为单调递增的效用函数，所以该博弈存在唯一的均衡点。
(44)正如(43)中所证明的，本发明的碳排放权的切蛋糕博弈模型可以被等效为单调的变分不等式进行求解，因此一种基于超平面投影的变分不等式的求解算法可以被用来进行求解，算法流程图见附图4。
(5)将变分不等式的结果求解出来，即可得到原微电网的碳排放权的切蛋糕博弈模型的最优解。
本发明适用于碳排放总量的配额下的微电网中P2P交易，从能源卖家的角度进行碳排放权的划分可以进一步扩大能源市场参与者的效益，提高了分布式发电技术的拥有者参与P2P交易市场的积极性，从微电网运营商的角度保证了整个系统的碳排放总量在配额以内，为P2P能源交易和碳排放市场的划分提供了一种新的思路，有效地提高了能源生产者参与碳排放市场的积极性。
对于本领域技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型。因此，从任意一处来说，都应将实施例看作是指导性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所有的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.基于切蛋糕博弈的P2P能源交易中的碳排放权划分方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、获取用户负荷、实时电网电价、碳排放总量上限数据；
S2、分析整个微电网中P2P用能交易过程，建立能源卖方的优化模型，将步骤S1中收集到的数据作为参数传入优化模型中；
S3、分析能源买家参与P2P交易市场的模型，建立优化模型和约束条件；
S4、确定每个参与P2P交易的买卖双方的目标函数与约束条件之后，S3中的优化买家模型以等效的KKT条件的形式写入S2中卖家的模型中；
S5、将S4中卖家的优化模型等效变换为变分不等式，求解变分不等式，即可得到原微电网的碳排放权的切蛋糕博弈模型的最优解；
步骤(2)中，所述能源卖方的优化模型具体包括：
(21)因为在微电网的P2P交易过程中，分布式电源的持有者向同在微电网内的其他能源买家卖电，也向电网卖电，所以能源卖家的总收益包含了两个部分，而总成本主要包括了分布式电源的发电成本；
式中：为P2P交易市场中卖家s向买家b卖电的价格，/>为P2P交易市场中卖家s向买家b卖电的功率，/>为卖家s向电网的卖电价格，/>为卖家s的总产电功率，为卖电方生产电能/>的产电成本，αs,βs,γs分别表示卖电方成本函数的二次、一次和常数项，Δt为P2P交易市场的时间步长；
(22)P2P市场中的能源卖家的总卖电功率不能超过总产电功率，因此需要满足如下约束：
式中：为P2P交易市场中交换的功率，/>为能源卖家s的总产电功率，b为能源买家的索引，B表示全体能源买家的集合；
(23)能源卖家参与P2P交易的能量不能为负，所以交易电能需满足如下约束：
式中：为能源卖家s向能源买家b交换的电能功率，设定该功率为非负即可保证能量不会发生从买家到卖家的倒灌现象；
(24)考虑整个微电网的碳排放量的上限，总碳排放量约束可计算如下：
式中：为时刻t下能源生产者s的发电量，/>为时刻t下能源生产者s发电的碳排放强度，/>为整个微电网的碳排放上限；
所述步骤(3)能源买家参与P2P交易市场的模型具体包括：
(31)因为每个能源的购买者需要通过向P2P市场和上级电网购买一定的电能以满足自身的负荷需求，所以能源购买者的成本主要包含了向其他发电方购买和向上级电网购买两个部分，该模型如下：
式中：表示的含义与(2)中对应的变量的含义一致，/>为能源买家b向所有交易的卖家购买的电能的支出，/>为能源买家b在t时刻的负荷总量，/>为能源买家b向上级电网购买电能的价格，Δt为市场的时间步长；
(32)能源购买者一般还会在用户侧配置分布式储能用于削峰填谷、提高用电灵活性，为了保证能源买家的功率实时平衡，该节点处的功率平衡约束可建模为：
式中：为所有能源卖家s向能源买家b卖出的电能，/>为能源买家b向上级电网购买的电能，/>为能源买家b的储能设备的放电功率，/>为能源买家b的储能设备的充电功率，/>为能源买家b的刚性负荷；
(33)除了功率平衡约束，配置有分布式储能的能源买家还需要满足储能的充放电运行约束和买电功率约束，这些约束建模如下：
式中：为能源买家b在用户侧安装的分布式储能的额定容量大小，/>为用户b安装的分布式储能在t时刻的储能的电量，/>和/>分别为用户b的储能充电和放电效率，/>为用户b安装的储能的容量上限。
2.根据权利要求1所述的基于切蛋糕博弈的P2P能源交易中的碳排放权划分方法，其特征在于，步骤(1)中，所述用户负荷数据包括每个社区级微电网中用户的全年负荷数据，数据采集间隔最小15分钟；实时电网电价采用国家统一的峰谷平三时电价；碳排放总量上限包括各微电网的碳排放总量的配额，以及各种分布式发电机的碳排放强度。
3.根据权利要求1所述的基于切蛋糕博弈的P2P能源交易中的碳排放权划分方法，其特征在于，所述步骤(4)包括：
(41)切蛋糕博弈模型的特点如下：
式中：包含了能源卖方s总生产电能的量，/>为对应的碳排放强度，/>为整个微电网的碳排放上限，当所有能源卖家的碳排放值总和正好等于整个系统的碳排放上限时，该划分方案是完备的；当所有用户的效用函数满足如下条件时，该划分方案为社会最优：
式中：FS为第s个能源卖家的效用函数，其表达式与(2)中能源卖家的目标函数一致，表示了S个能源的卖方生产电能的功率，当所有能源卖家的效用总和最大时，该碳排放划分方案即达到社会最优；当没有用户在不损害其他用户效益的前提下提高自身效益时，划分方案即达到了帕累托最优，当没有分配方案达到如下条件时，划分方案/>达到帕累托最优：
在切蛋糕博弈中，各用户的碳排放权的划分方案既是完备的，又是社会最优的时，该划分方案即为帕累托最优的；
(42)因此切蛋糕博弈模型表示如下：
Γ＝{S,P,Fs}
式中，为能源卖方的集合，P为能源卖方s的生产电能策略，Fs为第s个用户的效用函数，基于上述博弈模型，切蛋糕博弈的最优解表示如下：
式中：表示除了能源卖家s以外所有其他能源卖家的生产电能的策略；
(43)考虑切蛋糕博弈的求解较为复杂，基于变分不等式首先证明了切蛋糕博弈均衡点的存在性，求解切蛋糕博弈模型即等同于求解对应的变分不等式<X(p*)，p-p*>≥0，其中X为效用函数的负梯度，其表达式如下：
这个变分不等式的解即为该系统的碳排放权的切蛋糕博弈的均衡点，考虑能源卖家的目标函数的伪梯度的雅可比矩阵各阶主子式均为正的，所以雅可比矩阵为正定，X为单调递增的效用函数，所以该博弈存在唯一的均衡点；
(44)碳排放权的切蛋糕博弈模型被等效为单调的变分不等式进行求解，因此基于超平面投影的变分不等式的求解算法被用来进行求解。
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