CN116050804A - 基于合作博弈和成本因果关系的共享储能成本分摊方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于合作博弈和成本因果关系的共享储能成本分摊方法，属于电气工程技术领域，该方法针对现阶段用户侧社区共享储能成本分配不合理的现状，同时为了降低社区储能投建的成本，利用共享储能作为灵活性资源、社区内主体依据合作博弈进行成本分摊的交易框架，首先通过成本因果关系与合作博弈的形式共同考虑ES的运营和成本分配，以实现经济效益最大化；然后利用基于成本因果关系的原理，对传统的shapley模型进行改进；最后根据改进后的成本分配模型获取分摊到各个主体的分摊值。本发明能够对社区主体间的储能成本进行公平分配，改进的shapley模型计算量降低且可以保证公平性。

Description

基于合作博弈和成本因果关系的共享储能成本分摊方法

技术领域

本发明涉及电气工程技术领域，尤其涉及一种基于合作博弈和成本因果关系的共享储能成本分摊方法。

背景技术

在“构建以新能源为主体的新型电力系统”目标的推进下，发展新能源成为缓解能源危机和实现低碳减排的重要举措。同时，用户侧社区对分布式新能源发电资源的配置和使用成为新的趋势，用户侧的分布式发电不仅能够降低生产消费者的用能成本，还可以促进清洁能源消纳，有利于绿色经济的发展。而在分布式发电渗透率逐渐上升的背景下，额外配置分布式储能装置实现二者的联合运行，可以帮助生产消费者降低购电成本、促进消纳，并且可以平抑可再生能源波动。然而，目前分布式储能投资成本较高，给用户带来了巨大的经济压力，不利于用户侧分布式发电与储能的扩张发展。与此同时，用户配置的分布式储能实际利用率较低，仅在部分新能源大发时刻使用，闲置率较高。要合理共享分布式储能，在用户之间实现分时复用。将储能(Energy Storage，ES)引入社区并由社区共享，利用用户的互补性，可以提高ES的利用率；共享储能可以节约安装成本。相比于在每个主体安装一共储能电站，共享储能可节约总成本的20％-50％。而现有关于社区共享储能的成本分摊方法较少且不成熟，因此考虑多因素的改进Shapley(沙普利)模型对于成本分摊具有一定的研究意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于合作博弈和成本因果关系的共享储能成本分摊方法。本发明能够达成公平计算社区内各个主体分摊成本的目的。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于合作博弈和成本因果关系的共享储能成本分摊方法，包括以下步骤：

(1)社区内的储能由多个主体参与共享，基于联盟博弈中的联盟及联盟值获取社区共享储能的成本；所述社区共享储能的成本包括投资成本和运行成本，所述投资成本包括容量成本，所述运行成本包括购电成本；

(2)将所述社区共享储能的成本用于表征储能的联盟值，并基于联盟博弈构建共享储能的联盟成本模型；

(3)确定联盟成本模型的约束条件，并将约束条件中的非线性部分进行线性化处理，以将模型转化为线性规划问题，使用线性规划求解器Gurobi求解；其中，所述联盟成本模型的约束条件包括储能容量约束、充放电速率约束、瞬时供需平衡约束、充放电物理限制约束；

(4)采用Shapley值法构建成本分摊的Shapley模型，基于成本因果关系原则并结合步骤(2)获取的联盟成本模型构建双边Shapley模型，根据修正因素获取改进因子，并基于改进因子对所述双边Shapley模型进行修正，以获取成本分配模型；

(5)将社区内的电站预测出力和共享储能参数作为所述成本分配模型的输入，以获取共享储能的成本结算分摊到各个主体的分摊值。

可选地，所述联盟成本模型为：

v(S)＝minc(S)

c(S)＝c_p(S)+c_g(S)

c_p＝λ_eE_S+λ_pP_S

其中，v(S)表示联盟成本，c(S)表示ES总成本，c_p、c_g分别表示投资成本、运行成本，λ_e、λ_p分别为储能的单位容量价格和单位功率价格，

分别表示从电网购入的价格、能量，

分别表示出售的价格、能量，E_S表示能量容量，P_S表示功率容量，i表示第i个主体，t表示时间。

可选地，所述储能容量约束的表达式为：

其中，

为第i个主体在t时刻储存的能量，

为第i个主体在t时刻充电能量，

为第i个主体在t时刻放电能量；

所述充放电速率约束的表达式为：

其中，

为第i个主体在t时刻充电能量上限，

为第i个主体在t时刻放电能量上限，η^ch为充电效率，η^dis为放电效率；

所述瞬时供需平衡约束的表达式为：

其中，

分别为向电网采购和出售的能量，

为本地可再生能源发电量；

所述充放电物理限制约束具体为：对于同一个时段的储能不能同时充放电，其表达式为：

可选地，所述成本分摊的Shapley模型为：

其中，R_i是第i个主体在Shapley值法下的成本分摊值，N表示联盟主体总数量，S表示社区联盟，R(S)-R(S-{i})表示第i个主体的边际贡献。

可选地，所述成本因果关系原则包括公平性、单调性、个体理性、平衡性和独立成本原则。

可选地，所述双边Shapley模型的表达式为：

其中，

表示双边Shapley模型下第i个主体的分摊成本，C_N-C_N-i表示第i个主体的边际贡献，C_{i}表示社区联盟内只有i一个主体时的成本。

可选地，所述修正因素包括：

(a)净出力的大小，表示为：

其中，

为主体i的净出力，

为配有光伏的主体i产生的功率，

为负荷功率，K_i,1为净出力再分摊系数；

(b)利润贡献度，表示为：

其中，R(S)-R(S-{i})表示主体i的边际贡献，R(i)表示联盟内只有i一个主体时的收益；

(c)不可替代性，表示为：

其中，k_I是第I类用户的数量，k_J是类别数量。

可选地，所述改进因子表示为：

其中，K_i＝η₁K_i,1+η₂K_i,2+η₃K_i,3，η₁、η₂、η₃为改进权重系数，η₁+η₂+η₃＝1，n表示联盟中的成员。

可选地，所述成本分配模型为：

其中，

为双边Shapley模型分摊的结果，ΔK为改进因子，c(S)为联盟成本。

本发明的有益效果是，本发明的社区内所有主体共享储能，可以降低社区储能投建的成本；本发明通过成本因果关系与合作博弈的形式共同考虑ES的运营和成本分配，可以实现经济效益最大化；本发明利用基于成本因果关系的原理，对传统Shapley模型进行改进，其中，成本因果关系的原理在电力能源系统中具有悠久的历史传统，并已被证明能提供经济效率，应用改进的Shapley方法，来对社区主体间的储能成本进行公平分配，改进的Shapley模型计算量降低且可以保证公平性，能够公平计算社区内各个主体分摊的成本。

附图说明

图1为本发明基于合作博弈和成本因果关系的共享储能成本分摊方法的框架图；

图2为社区共享储能的示意图。

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。

参见图1，本发明的基于合作博弈和成本因果关系的共享储能成本分摊方法，包括以下以下步骤：

(1)社区内的储能由多个主体参与共享，基于联盟博弈中的联盟及联盟值获取社区共享储能的成本。其中，社区共享储能的成本包括投资成本和运行成本，投资成本包括容量成本，运行成本包括购电成本。

对于由多个可再生能源发电(即风能和太阳能)的主体组成的并网社区，建筑物合作投资并共享一个储能。由多个用户合作投资和共享储能可以节约整个社区的成本。将多主体的社区视为一个联盟。由于储能由多个主体共享，假设有一个中央协调器负责协调建筑物的充放电行为。作为天然形成的联盟，各社区通过聚合所有用户的负荷需求和社区内部投建的光伏资源与其它社区实现功率互济。本实施例中，假设社区内有五个主体进行仿真分析，其中包括三个光伏电站与两个负荷，如图2所示。

社区内的储能参与共享，用户首先根据自身的用能情况制定储能容量日前占用计划，并与其他用户交互签订共享合约，同时通过用户侧同一变压器与电网进行连接，并作为代理商实现社区与配电网的功率交易，然后在次日利用智能终端设备对各时段分配到的储能资源进行控制调用，最后共享储能的成本结算分摊到各个主体。应当理解的是，终端设备包括但不限于：电脑、手机等。

本实施例中，将这个问题归结为联盟博弈问题。联盟博弈是博弈论的一个分支，研究一群理性主体的合作行为，这些行为符合设定。在联盟博弈中，包括：

(a)联盟：对于由N个建筑物组成的社区，建筑物的任何子集

合作共享一个ES作为ES联盟或子联盟S。

(b)特征函数：联盟值v(S)量化了ES联盟S的经济效益，用(N,v)表示一个N人联盟博弈，其中函数v：2N→R表示联盟博弈的特征函数。

在本实施例中，用总成本(总电费加上ES资本成本)来表征ES联盟v(S)的价值。

(2)将社区共享储能的成本用于表征储能的联盟值，并基于联盟博弈构建共享储能的联盟成本模型。

本实施例中，可以把成本问题归结为联盟博弈，总成本用来表征ES联盟v(S)的价值。当使用一组有代表性的情景来捕捉可再生能源发电和建筑需求的模式时，共享储能的联盟成本v(S)可以用一个随机优化问题来表示，该问题耦合了最优ES规模和操作从中可以求出共享储能成本的最小值。联盟成本模型为：

v(S)＝minc(S)

c(S)＝c_p(S)+c_g(S)

c_p＝λ_eE_S+λ_pP_S

其中，v(S)表示联盟成本，c(S)表示ES总成本，c_p、c_g分别表示投资成本、运行成本，λ_e、λ_p分别为储能的单位容量价格和单位功率价格，

分别表示从电网购入的价格、能量，

分别表示出售的价格、能量，E_S表示能量容量，P_S表示功率容量，i表示第i个主体，t表示时间。

(3)确定联盟成本模型的约束条件，并将约束条件中的非线性部分进行线性化处理，以将模型转化为线性规划问题，使用线性规划求解器Gurobi求解。其中，联盟成本模型的约束条件包括储能容量约束、充放电速率约束、瞬时供需平衡约束、充放电物理限制约束。应当理解的是，约束条件约束了用户的运行策略。

(a)储能容量约束，其表达式为：

其中，

为第i个主体在t时刻储存的能量，

为第i个主体在t时刻充电能量，

为第i个主体在t时刻放电能量。

(b)充放电速率约束，其表达式为：

其中，

为第i个主体在t时刻充电能量上限，

为第i个主体在t时刻放电能量上限，η^ch为充电效率，η^dis为放电效率。

(c)瞬时供需平衡约束，其表达式为：

其中，

分别为向电网采购和出售的能量，

为本地可再生能源发电量。

(d)储能充放电物理限制约束，即对于同一个时段的储能不能同时充放电，其表达式为：

本实施例中，将约束条件中的非线性部分进行线性化处理，具体为，引入二进制变量转化为：

其中，b_t为二进制变量，表示t时段储能的状态；M为一个足够大的正数。通过将非线性约束转化为等价形式的线性约束，该联盟成本模型转化为混合线性整数规划，降低了求解难度。

应当理解的是，线性规划求解器Gurobi是一种全局优化器，能够支持多种模型，例如连续和混合整数线性问题、凸目标或约束连续和混合整数二次问题、非凸目标或约束连续和混合整数二次问题等等，可以求解大规模线性问题、二次型问题和混合整数线性和二次型问题、支持多目标优化等。

(4)采用Shapley值法构建成本分摊的Shapley模型，基于成本因果关系原则并结合步骤(2)获取的联盟成本模型构建双边Shapley模型，根据修正因素获取改进因子，并基于改进因子对双边Shapley模型进行修正，以获取成本分配模型。

本实施例中，Shapley值法是求解多成员合作博弈问题的常用方法，通过计算组合中所有成员边际贡献的期望值，可以确定要分担的成本。对于联盟成员，采用Shapley值法分配成本，其表达式为：

其中，R_i是第i个主体在Shapley值法下的成本分摊值，N表示联盟主体总数量，S表示社区联盟，R(S)-R(S-{i})表示第i个主体的边际贡献。

本实施例中，成本因果关系原则包括公平性、单调性、个体理性、平衡性和独立成本原则。首先基于成本因果关系原则，明确双边Shapley模型的合理性与有效性。双边Shapley模型是Shapley模型的一种简化方法。常规Shapley值法在时间上的复杂程度取决于参与者数目的阶乘，为应对广泛用户数量带来的维数灾问题，采用双边Shapley值法代替常规Shapley值法进行成本分摊。双边Shapley值法是在对第i个主体进行成本划分时仅将联盟的参与者划分为{i}和{S/i}2个部分，通过牺牲部分不必要的精度来降低计算复杂程度，还可以降低时间复杂度，双边Shapley模型可以满足成本因果关系原则的公平性、单调性、个体理性、平衡性和独立成本原则。

结合步骤(2)中获取的联盟成本模型构建双边Shapley模型，通过该双边Shapley模型可以获取主体i的最终分配收入。双边Shapley模型的表达式为：

其中，

表示双边Shapley模型下第i个主体的分摊成本，C_N-C_N-i表示第i个主体的边际贡献，C_{i}表示社区联盟内只有i一个主体时的成本。

然后对双边Shapley模型进行修正，修正因素包括：净出力大小、利润贡献度、不可替代性。Shapley值法存在一些缺陷，它将联盟中各成员的风险都看成是相等的1/n，简化和忽略了C成本分配中需要考虑的其他因素。为了弥补Shapley值法的这一缺点，本实施例中将成员的净出力大小、利润贡献度和不可替代性纳入双边Shapley模型的考虑范围，引入改进因子对结果进行再调整，提出基于多因素改进Shapley的社区多成员成本分配模型。分配结果保证社区共享储能可以在维持社区内系统稳定运行的同时实现储能成本最小，有利于激励社区主体通过合作提高社会福利。

本实施例中，修正因素包括：

(a)净出力的大小：社区内各个成员的出力也对联盟成本具有一定影响，社区联盟的目的是减小用电成本，假定光伏余量全部上网或交给储能充电，则成员出力越大对于降低联盟购电成本越有利。通过计算各成员净出力，然后对联盟成本进行再分摊，净出力越大则再分摊的成本就越小，净出力再分摊系数由下式得到：

其中，

为主体i的净出力，

为配有光伏的主体i产生的功率，

为负荷功率，K_i,1为净出力再分摊系数。

(b)利润贡献度：在进行利润分配时除了Shapley值法中考虑的边际贡献，还应考虑每个可再生能源(Renewable Energy Sources，RES)对于整个社区的利润贡献。定义社区内的RES利润贡献度取决于各种组合下其参与前后收益增量与整体收益增量之比，即

其中，R(S)-R(S-{i})表示主体i的边际贡献，R(i)表示联盟内只有i一个主体时的收益。

(c)不可替代性：考虑到主体i的不可替代性，提出了分配联盟收入的指数，并表示为：

其中，k_I是第I类用户的数量，k_J是类别数量。

将成员的净出力大小、利润贡献度和不可替代性纳入双边Shapley模型考虑范围，引入改进因子对结果进行再调整，提出基于多因素改进Shapley的社区多成员成本分配模型：

K_i＝η₁K_i,1+η₂K_i,2+η₃K_i,3

其中，η₁、η₂、η₃为改进权重系数，η₁+η₂+η₃＝1。则改进因子可表示为：

其中，n表示联盟中的成员。

基于多因素改进Shapley的社区多成员成本分配模型为：

其中，

为双边Shapley模型分摊的结果，ΔK为改进因子，c(S)为联盟成本。

(5)将社区内的电站预测出力和共享储能参数作为成本分配模型的输入，以获取共享储能的成本结算分摊到各个主体的分摊值。

本实施例中，以含有5个主体的社区进行仿真分析，其中包括3个光伏电站和2个负荷，将社区三个光伏电站预测出力和共享储能参数作为输入，输入到成本分配模型中，即可获取共享储能的成本结算分摊到各个主体的分摊值。

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 (9)

1.一种基于合作博弈和成本因果关系的共享储能成本分摊方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)社区内的储能由多个主体参与共享，基于联盟博弈中的联盟及联盟值获取社区共享储能的成本；所述社区共享储能的成本包括投资成本和运行成本，所述投资成本包括容量成本，所述运行成本包括购电成本；

(2)将所述社区共享储能的成本用于表征储能的联盟值，并基于联盟博弈构建共享储能的联盟成本模型；

(3)确定联盟成本模型的约束条件，并将约束条件中的非线性部分进行线性化处理，以将模型转化为线性规划问题，使用线性规划求解器Gurobi求解；其中，所述联盟成本模型的约束条件包括储能容量约束、充放电速率约束、瞬时供需平衡约束、充放电物理限制约束；

(4)采用Shapley值法构建成本分摊的Shapley模型，基于成本因果关系原则并结合步骤(2)获取的联盟成本模型构建双边Shapley模型，根据修正因素获取改进因子，并基于改进因子对所述双边Shapley模型进行修正，以获取成本分配模型；

(5)将社区内的电站预测出力和共享储能参数作为所述成本分配模型的输入，以获取共享储能的成本结算分摊到各个主体的分摊值。

2.根据权利要求1所述的基于合作博弈和成本因果关系的共享储能成本分摊方法，其特征在于，所述联盟成本模型为：

v(S)＝minc(S)

c(S)＝c_p(S)+c_g(S)

c_p＝λ_eE_S+λ_pP_S

其中，v(S)表示联盟成本，c(S)表示ES总成本，c_p、c_g分别表示投资成本、运行成本，λ_e、λ_p分别为储能的单位容量价格和单位功率价格，

分别表示从电网购入的价格、能量，

分别表示出售的价格、能量，E_S表示能量容量，P_S表示功率容量，i表示第i个主体，t表示时间。

3.根据权利要求1所述的基于合作博弈和成本因果关系的共享储能成本分摊方法，其特征在于，所述储能容量约束的表达式为：

其中，

为第i个主体在t时刻储存的能量，

为第i个主体在t时刻充电能量，

为第i个主体在t时刻放电能量；

所述充放电速率约束的表达式为：

其中，

为第i个主体在t时刻充电能量上限，

为第i个主体在t时刻放电能量上限，η^ch为充电效率，η^dis为放电效率；

所述瞬时供需平衡约束的表达式为：

其中，

分别为向电网采购和出售的能量，

为本地可再生能源发电量；

所述充放电物理限制约束具体为：对于同一个时段的储能不能同时充放电，其表达式为：

4.根据权利要求1所述的基于合作博弈和成本因果关系的共享储能成本分摊方法，其特征在于，所述成本分摊的Shapley模型为：

其中，R_i是第i个主体在Shapley值法下的成本分摊值，N表示联盟主体总数量，S表示社区联盟，R(S)-R(S-{i})表示第i个主体的边际贡献。

5.根据权利要求1所述的基于合作博弈和成本因果关系的共享储能成本分摊方法，其特征在于，所述成本因果关系原则包括公平性、单调性、个体理性、平衡性和独立成本原则。

6.根据权利要求1所述的基于合作博弈和成本因果关系的共享储能成本分摊方法，其特征在于，所述双边Shapley模型的表达式为：

其中，

表示双边Shapley模型下第i个主体的分摊成本，C_N-C_N-i表示第i个主体的边际贡献，C_{i}表示社区联盟内只有i一个主体时的成本。

7.根据权利要求1所述的基于合作博弈和成本因果关系的共享储能成本分摊方法，其特征在于，所述修正因素包括：

(a)净出力的大小，表示为：

其中，

为主体i的净出力，

为配有光伏的主体i产生的功率，

为负荷功率，K_i,1为净出力再分摊系数；

(b)利润贡献度，表示为：

其中，R(S)-R(S-{i})表示主体i的边际贡献，R(i)表示联盟内只有i一个主体时的收益；

(c)不可替代性，表示为：

其中，k_I是第I类用户的数量，k_J是类别数量。

8.根据权利要求1所述的基于合作博弈和成本因果关系的共享储能成本分摊方法，其特征在于，所述改进因子表示为：

其中，K_i＝η₁K_i,1+η₂K_i,2+η₃K_i,3，η₁、η₂、η₃为改进权重系数，η₁+η₂+η₃＝1，n表示联盟中的成员。

9.根据权利要求1所述的基于合作博弈和成本因果关系的共享储能成本分摊方法，其特征在于，所述成本分配模型为：

其中，

为双边Shapley模型分摊的结果，ΔK为改进因子，c(S)为联盟成本。

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