CN117172815A - 一种多水电气能源子系统主动配电网混合博弈方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多水电气能源子系统主动配电网混合博弈方法涉及综合能源调度技术领域包括：基于多水电气综合能源共享框架，建立多利益体水电气互补型能源系统的单元数学模型；基于能源系统内多利益体关系，将内部角色进行分层，利用博弈理论，建立配电网运营商与多水电气综合能源子系统混合博弈非对称纳什议价模型；基于上层配电网运营商运营效益和下层多水电气综合能源子系统运行成本，利用改进遗传算法，求解目标函数，本发明在执行成本和综合能源利用效率方面都取得更加良好的效果。
Description
技术领域
本发明涉及综合能源调度技术领域，具体为一种多水电气能源子系统主动配电网混合博弈方法及系统。
背景技术
随着能源需求的不断增长和环境问题的日益严重，人们在探索可再生能源和综合能源利用方面做出了巨大努力。综合能源系统是现代能源体系中新兴的概念，旨在通过各种能源类型之间的互补特性和能量梯级利用原则，实现多能系统的统一规划和协调优化运行，以提高能源利用率。然而，在综合能源系统中，水、电、气等多种能源具有时空关联性和动态特性，使得系统的运行、调度与管理变得复杂。
随着新型能源水系统打破传统的气电综合能源系统，原本旨在降低系统运行成本、提升能源利用率以及实现配电网运营商和多水气电综合能源系统整体的效益最大化的一些单一合作博弈或者非合作博弈优化调度方法，难以实现衡量复杂主体间的混合行为。如何构建一套科学合理的低碳经济的多能源交易机制已成为水气电综合能源市场的热点。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明解决的技术问题是：现有的气电综合能源系统存在系统运行成本高，能源利用率低，以及如何实现能源互补利用的同时保证运营效益最大化问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种多水电气能源子系统主动配电网混合博弈方法，包括：基于多水电气综合能源共享框架，建立多利益体水电气互补型能源系统的单元数学模型；基于能源系统内多利益体关系，将内部角色进行分层，利用博弈理论，建立配电网运营商与多水电气综合能源子系统混合博弈非对称纳什议价模型；基于上层配电网运营商运营效益和下层多水电气综合能源子系统运行成本，利用改进遗传算法，求解目标函数。
作为本发明所述的多水电气能源子系统主动配电网混合博弈方法的一种优选方案，其中：所述多水电气综合能源共享框架包括大电网运营商、配电网运营商以及多水电气综合能源子系统；所述多利益体水电气互补型能源系统的单元数学模型包括配电网运营商运营效益和多水电气综合能源子系统运行成本。
作为本发明所述的多水电气能源子系统主动配电网混合博弈方法的一种优选方案，其中：所述配电网运营商运营效益包括配电网运营商内部购电价与售电价，配电网运营商运营效益目标函数表示为：
UADN＝Uu+Ul
其中，UADN为配电网运营商运营效益总盈利，Uu与Ul分别表示配电网运营商与大电网、配电网运营商与多水电气综合能源子系统交易电能带来的盈利，T为总时间；监管约束：
制定的内部电价同时需要满足如下条件：
其中，与/>分别表示t时段上级大电网运营商的购电价与售电价；/>与/>分别表示t时段配电网运营商面向多水电气综合能源子系统的售电价与购电价，/>与/>分别表示t时段配电网运营商与上级大电网运营商的购电量与售电量，/>与/>分别表示t时段配电网运营商与多水电气综合能源子系统的售电量与购电量。
作为本发明所述的多水电气能源子系统主动配电网混合博弈方法的一种优选方案，其中：所述多水电气综合能源子系统包括光伏发电装置、风电装置、碳捕集装置、燃气机组、电转气装置、水电联产机组、废水发电装置、储能装置以及需求响应。
多水电气综合能源子系统运行总成本包括燃气机组成本、水电联产成本、与配电网运营商交易电能成本、储能设备成本、水泵成本以及碳排放成本；燃气机组成本表示为：
其中，Ci,MT为单一水电气综合能源系统燃气机组成本；Pi,MT,t为单一水电气综合能源系统在t时段内的出力；ηi,t为单一水电气综合能源系统燃气机组在t时刻的转换效率；Cg,t为t时段内购气的价格；LHVgas为天然气的低热值；燃气机组出力的约束条件表示为：
Pi,min≤Pi,MT,t≤Pi,max
其中，Pi,max、Pi,min分别为单一水电气综合能源系统燃气机组出力上、下限；水电联产机组的燃料成本与输出的水功率与电功率相关，表示为：
其中，Ci,CWP为单一水电气综合能源系统水电联产成本，αc、βc、yc、ζc、和ξc分别为水电联产机组的燃料消耗特性系数，Pi,c,t表示为第t时段水电联产机组c的发电功率，Wi,c,t表示为第t时段水电联产机组c的产水率，Ui,c,t表示为二进制变量，当水电联产机组c开启时为1，否则为0；水电联产机组的运行约束表示为：
其中，分别表示为水电联产机组c的最小发电功率和最大发电功率，分别表示为水电联产机组c的最小产水率和最大产水率，/>分别表示为水电联产机组c的最小水电比和最大水电比；单一水电气综合能源系统与配电网运营商的交易成本表示为：
其中，Ci,Y为配电网运营商交易电能成本；与/>分别表示t时段配电网运营商与下级单一水电气综合能源系统的售电量与购电量；交易成本的运行约束表示为：
其中，分别为单一水电气综合能源系统与配电网运营商的交易电量限制；储能装置在接入系统中参与协调优化运行时会存在储能设备运行成本表示为：
Ci,ES＝∑pES(Pi,char,t+Pi,dis,t)
运行约束表示为：
Ei,min≤Ei,t≤Ei,max
0≤Pi,char,t≤αi,char,tPi,char,max
0≤Pi,dis,t≤αi,dis,tPi,dis,max
αi,char,t+αi,dis,t≤1
Ei,1＝Ei,T+1
其中，Ci,ES为储能装置在接入系统中储能设备运行成本；PES为储能装置运行消耗的电功率；Ei,t表示t时段储能装置的存储容量；Ei,t-1表示t-1时段储能装置的存储容量；Pi,char,t表示储能装置t时段储能、充能功率；Pi,dis,t表示储能装置t时段储能、放能功率；ηloss、ηchar、ηdis分别为储能装置的储能损耗率、充能效率和放能效率；Ei,min、Ei,max表示储能装置的储能容量的上限、下限；αi,char,t、αi,dis,t表示充能和放能状态，为0、1变量，1表示设备处于充能或者放能状态，0表示设备停止充放状态；Pi,char,max、Pi,dis,max表示储能设备的最大充放电功率；Ei,1表示初始时段储能装置的存储容量；Ei,T+1表示T+1时段储能装置的存储容量；Δt为变化的时间间隔；废水利用装置输出的水功率与消耗的电功率表示为：
其中，表示单一水电气综合能源系统废水利用装置的输出水功率，/>表示单一水电气综合能源系统废水利用装置的输入电功率，ηf表示单一水电气综合能源系统废水利用装置的转换效率；电转气装置吸收二氧化碳转，生成甲烷燃料和水，运行约束条件表示为：
Pi,P2G,min≤Pi,P2G≤Pi,P2G,max
其中，Pi,P2G为电转气设备的出力；Pi,P2G,min、Pi,P2G,max分别为P2G出力上、下限；水泵为水网中的独立元件，仅产生水资源供水，单一水电气综合能源系统的水泵运行成本表示为：
其中，Ci,CW为单一水电气综合能源系统的水泵成本；ai,w分别表示电驱动水泵w的电能消耗特性系数；Wi,w,t表示为第t时段电驱动水泵w的产水率；Ui,w,t表示为二进制变量，当电驱动水泵w开启时为1，否则为0；碳捕集装置能够捕集所排放的二氧化碳，减少系统尾气排放成本，约束表示为：
ηmin≤ηi,t≤ηmax
其中，为单一水电气综合能源系统的碳捕集装置在t时段内的能耗，/>为碳捕集设备运行能耗，ηi,t为碳捕集设备功率，ηmax、ηmin为碳捕集率的最大与最小值，一般ηmax为90％，ηmin为0；多水电气综合能源子系统运行总成本表示为：
其中，CMMGs为多水电气综合能源子系统运行总成本。
作为本发明所述的多水电气能源子系统主动配电网混合博弈方法的一种优选方案，其中：所述需求响应包括不参与需求响应的刚性负荷和参与需求响应的柔性负荷；参与需求响应后的电、气、水负荷表示为：
Le t＝Le,o t+ΔLe t
Lg t＝Lg,o t+ΔLg t
Lw t＝Lw,o t-ΔLw t
其中，Le t、Lg t、Lw t分别表示参与需求响应后的电、气、水负荷，Le,o t、Lg,o t、Lw,o t分别表示参与需求响应前的电、气、水负荷初始预测值，ΔLe t、ΔLg t分别表示电、气负荷响应变化量，ΔLw t表示水负荷效减变化量；柔性负荷在需求响应过程中变化前后总量不变，表示为：
电、气、水负荷减少/增加的百分比应满足以下约束：
-ΔLe max≤ΔLe t≤ΔLe max
-ΔLg max≤ΔLg t≤ΔLg max
0≤ΔLw t≤ΔLw max
其中，ΔLe max、ΔLg max、ΔLw max分别表示为电、气、水负荷允许变化量的最大值。
作为本发明所述的多水电气能源子系统主动配电网混合博弈方法的一种优选方案，其中：所述配电网运营商与多水电气综合能源子系统混合博弈非对称纳什议价模型包括通过能源系统内多利益体关系，划分为上层配电网运营商和下层多水电气综合能源子系统，通过主从博弈和合作博弈，建立配电网运营商与多水电气综合能源子系统混合博弈非对称纳什议价模型，表示为：
其中，为综合能源子系统参与者提供的功率；/>为综合能源子系统参与者获得的功率；/>为第i个综合能源系统输出电功率；/>为第i个综合能源系统输出热功率；/>为第i个综合能源系统输入电功率；/>为第i个综合能源系统输入热功率；将所述配电网运营商与多水电气综合能源子系统混合博弈非对称纳什议价模型拆分成两个凸子问题，定义如下：
其中，Ci,MG *为求解后第i个水电气综合能源系统运行的最优值；Gi为第i个水电气综合能源系统与其余水电气综合能源系统进行协商后交付的成本费用。
作为本发明所述的多水电气能源子系统主动配电网混合博弈方法的一种优选方案，其中：所述改进遗传算法是指在遗传算法的基础上对粒子群中κ个粒子的位置与速度进行杂交，设杂交概率为ψ，则对于κ个粒子中的第h个粒子子代位置和速度表示为：
其中，h∈[1,2,...,κ]；rr1为0-1均匀分布的随机数；u和r分别为从κ个粒子重选择杂交的粒子序号，且u、r∈[1,2,...,κ]；I1和I2分别为向量/>和/>的最大奇异值；/>为第i个粒子的位置；/>为第i个粒子的速度；则u和r进一步表示为：
其中，rr2和rr3均为[0,1]均匀分布的随机数；所述求解目标函数最优解过程包括设置参数，上层优化，下层算法寻优，递归计算上层目标函数，更新内部电价并寻优
本发明的另外一个目的是提供一种多水电气能源子系统主动配电网混合博弈系统，其能通过混合博弈非对称纳什议价模块用于求出最优的议价交易策略，解决了现有的气电综合能源系统存在系统运行成本高问题。
作为本发明所述的多水电气能源子系统主动配电网混合博弈系统的一种优选方案，其中：包括单元数学模型建立模块，内部角色分层模块，配电网运营商模块，混合博弈非对称纳什议价模块，目标函数求解模块；所述单元数学模型建立模块用于计算配电网运营商运营效益和多水电气综合能源子系统运行成本；所述内部角色分层模块用于划分上层配电网运营商和下层多水电气综合能源子系统；所述配电网运营商模块用于求出配电网运营商运营效益；所述混合博弈非对称纳什议价模块用于求出最优的议价交易策略，进行运营成本的最小化；所述目标函数求解模块用于通过改进遗传算法，求解目标函数最优解。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序是实现多水电气能源子系统主动配电网混合博弈方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现多水电气能源子系统主动配电网混合博弈方法的步骤。
本发明的有益效果：本发明提供的多水电气能源子系统主动配电网混合博弈方法通过对系统内利益体关系分层，建立上层配电网运营商和下层多水气电综合能源系统的合作博弈模型，更好的衡量彼此的利益关系，提高上下层间的能源共享程度。同时，提高区域水电气综合能源系统间的能源就地消纳能力，也能减少由于上层配电网运营商地位优势带来了经济损失，本发明在执行成本和综合能源利用效率方面都取得更加良好的效果。
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，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明第一个实施例提供的一种多水电气能源子系统主动配电网混合博弈方法的整体流程图。
图2为本发明第二个实施例提供的一种多水电气能源子系统主动配电网混合博弈方法三个水电气综合能源系统中子系统1的可再生能源出力以及负荷预测图。
图3为本发明第二个实施例提供的一种多水电气能源子系统主动配电网混合博弈方法三个水电气综合能源系统中子系统2的可再生能源出力以及负荷预测图。
图4为本发明第二个实施例提供的一种多水电气能源子系统主动配电网混合博弈方法三个水电气综合能源系统中子系统3的可再生能源出力以及负荷预测图。
图5为本发明第二个实施例提供的一种多水电气能源子系统主动配电网混合博弈方法的配电网运营商博弈均衡的内部优化电价图。
图6为本发明第二个实施例提供的一种多水电气能源子系统主动配电网混合博弈方法上下层达到均衡时三个子系统与上层配电网交易的电量图。
图7为本发明第二个实施例提供的一种多水电气能源子系统主动配电网混合博弈方法水电气综合能源子系统1的电设备调度计划图。
图8为本发明第二个实施例提供的一种多水电气能源子系统主动配电网混合博弈方法水电气综合能源子系统1的气设备调度计划图。
图9为本发明第二个实施例提供的一种多水电气能源子系统主动配电网混合博弈方法水电气综合能源子系统1的水设备调度计划图。
图10为本发明第二个实施例提供的一种多水电气能源子系统主动配电网混合博弈方法水电气综合能源系统1电负荷需求响应前后变化图。
图11为本发明第二个实施例提供的一种多水电气能源子系统主动配电网混合博弈方法水电气综合能源系统1气负荷需求响应前后变化图。
图12为本发明第二个实施例提供的一种多水电气能源子系统主动配电网混合博弈方法水电气综合能源系统1水负荷需求响应前后变化图。
图13为本发明第三个实施例提供的一种多水电气能源子系统主动配电网混合博弈系统的整体流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
参照图1，为本发明的一个实施例，提供了一种多水电气能源子系统主动配电网混合博弈方法，包括：
S1：基于多水电气综合能源共享框架，建立多利益体水电气互补型能源系统的单元数学模型。
更进一步的，多水电气综合能源共享框架包括大电网运营商、配电网运营商以及多水电气综合能源子系统。
应说明的是，多利益体水电气互补型综合能源系统各单元数学模型包括配电网运营商运营效益和多水电气综合能源子系统运行成本。
S2：基于能源系统内多利益体关系，将内部角色进行分层，利用博弈理论，建立配电网运营商与多水电气综合能源子系统混合博弈非对称纳什议价模型。
更进一步的，配电网运营商运营效益由配电网运营商内部购电价与售电价决定，配电网运营商运营效益目标函数表示为：
UADN＝Uu+Ul
其中，UADN为配电网运营商运营效益总盈利；Uu与Ul分别表示配电网运营商与大电网、配电网运营商与多水电气综合能源子系统交易电能带来的盈利；与/>分别表示t时段上级大电网运营商的购电价与售电价；/>与/>分别表示t时段配电网运营商面向多水电气综合能源子系统的售电价与购电价；/>与/>分别表示t时段配电网运营商与上级大电网运营商的购电量与售电量；/>与/>分别表示t时段配电网运营商与多水电气综合能源子系统的售电量与购电量；T为总时间。
为保证配电网运营商制定价格的合理性，避免其恶意提高价格进行盈利，需要考虑其政策价格监管约束：
同时为配电网运营商盈利需求的合理性，其制定的内部电价同时需要满足如下条件：
应说明的是，多水电气综合能源子系统包括光伏发电装置、风电装置、碳捕集装置、燃气机组、电转气装置、水电联产机组、废水发电装置、储能装置以及需求响应。
还应说明的是，多水电气综合能源子系统包括光伏发电装置、风电装置、碳捕集装置、燃气机组、电转气装置、水电联产机组、废水发电装置、储能装置以及需求响应。
还应说明的是，多水电气综合能源子系统运行总成本包括燃气机组成本、水电联产成本、与配电网运营商交易电能成本、储能设备成本、水泵成本以及碳排放成本。
燃气机组成本表示如下：
其中，Ci,MT为单一水电气综合能源系统燃气机组成本；Pi,MT,t为单一水电气综合能源系统在t时段内的出力；ηi,t为单一水电气综合能源系统燃气机组在t时刻的转换效率；Cg,t为t时段内购气的价格；LHVgas为天然气的低热值。
燃气机组出力的约束条件如下：
Pi,min≤Pi,MT,t≤Pi,max
其中，Pi,max、Pi,min分别为单一水电气综合能源系统燃气机组出力上、下限。
水电联产机组的燃料成本与输出的水功率与电功率相关，其表示如下：
其中，Ci,CWP为单一水电气综合能源系统水电联产成本；αc、βc、yc、ζc、和ξc分别为水电联产机组的燃料消耗特性系数；Pi,c,t表示为第t时段水电联产机组c的发电功率；Wi,c,t表示为第t时段水电联产机组c的产水率；Ui,c,t表示为二进制变量，当水电联产机组c开启时为1，否则为0。
水电联产机组的运行约束如下：
其中，分别表示为水电联产机组c的最小发电功率和最大发电功率；分别表示为水电联产机组c的最小产水率和最大产水率；/>分别表示为水电联产机组c的最小水电比和最大水电比。
单一水电气综合能源系统与配电网运营商的交易成本表示为：
其中，Ci,Y为配电网运营商交易电能成本；与/>分别表示t时段配电网运营商与下级单一水电气综合能源系统的售电量与购电量。
交易成本的运行约束如下：
其中，分别为单一水电气综合能源系统与配电网运营商的交易电量限制。
储能装置在接入系统中参与协调优化运行时会存在储能设备运行成本，具体如下：
Ci,ES＝∑pES(Pi,char,t+Pi,dis,t)
运行约束如下：
Ei,min≤Ei,t≤Ei,max
0≤Pi,char,t≤αi,char,tPi,char,max
0≤Pi,dis,t≤αi,dis,tPi,dis,max
αi,char,t+αi,dis,t≤1
Ei,1＝Ei,T+1
其中，Ci,ES为储能装置在接入系统中储能设备运行成本；PES为储能装置运行消耗的电功率；Ei,t表示t时段储能装置的存储容量；Ei,t-1表示t-1时段储能装置的存储容量；Pi,char,t表示储能装置t时段储能、充能功率；Pi,dis,t表示储能装置t时段储能、放能功率；ηloss、ηchar、ηdis分别为储能装置的储能损耗率、充能效率和放能效率；Ei,min、Ei,max表示储能装置的储能容量的上限、下限；αi,char,t、αi,dis,t表示充能和放能状态，为0、1变量，1表示设备处于充能或者放能状态，0表示设备停止充放状态；Pi,char,max、Pi,dis,max表示储能设备的最大充放电功率；Ei,1表示初始时段储能装置的存储容量；Ei,T+1表示T+1时段储能装置的存储容量；Δt为变化的时间间隔。
废水利用装置输出的水功率与消耗的电功率表示如下：
其中，表示单一水电气综合能源系统废水利用装置的输出水功率；/>表示单一水电气综合能源系统废水利用装置的输入电功率；ηf表示单一水电气综合能源系统废水利用装置的转换效率。
电转气装置可以吸收二氧化碳转，生成甲烷燃料和水，其运行约束条件如下：
Pi,P2G,min≤Pi,P2G≤Pi,P2G,max
其中，Pi,P2G为电转气设备的出力；Pi,P2G,min、Pi,P2G,max分别为P2G出力上、下限。
水泵为水网中的独立元件，仅产生水资源供水，单一水电气综合能源系统的水泵运行成本为：
其中，Ci,CW为单一水电气综合能源系统的水泵成本；ai,w分别表示电驱动水泵w的电能消耗特性系数；Wi,w,t表示为第t时段电驱动水泵w的产水率；Ui,w,t表示为二进制变量，当电驱动水泵w开启时为1，否则为0。
碳捕集装置能够捕集所排放的二氧化碳，减少系统尾气排放成本，具体约束如下：
ηmin≤ηi,t≤ηmax
其中，为单一水电气综合能源系统的碳捕集装置在t时段内的能耗；/>为碳捕集设备运行能耗，ηi,t为与其相对应的碳捕集设备功率；ηmax、ηmin为碳捕集率的最大与最小值，一般ηmax为90％，ηmin为0。
因此，多水电气综合能源子系统运行总成本为：
其中，CMMGs为多水电气综合能源子系统运行总成本。
还应说明的是，需求响应包括不参与需求响应的刚性负荷和参与需求响应的柔性负荷。
参与需求响应后的电、气、水负荷表示为：
Le t＝Le,o t+ΔLe t
Lg t＝Lg,o t+ΔLg t
Lw t＝Lw,o t-ΔLw t
其中，Le t、Lg t、Lw t分别表示参与需求响应后的电、气、水负荷；Le,o t、Lg,o t、Lw,o t分别表示参与需求响应前的电、气、水负荷初始预测值；ΔLe t、ΔLg t分别表示电、气负荷响应变化量，ΔLw t表示水负荷效减变化量。
柔性负荷在需求响应过程中变化前后总量不变，表示为：
电、气、水负荷减少/增加的百分比应满足以下约束：
-ΔLe max≤ΔLe t≤ΔLe max
-ΔLg max≤ΔLg t≤ΔLg max
0≤ΔLw t≤ΔLw max
其中，ΔLe max、ΔLg max、ΔLw max分别表示为电、气、水负荷允许变化量的最大值。
还应说明的是，能源系统内多利益体关系是指配电网运营商具有优先制定电价的权利，多水电气综合能源子系统需要根据配电网运营商的内部电价进行交易电量的响应，该交互电量决定着配电网运营商的目标函数。因此，划分为上层配电网运营商和下层多水电气综合能源子系统。基于博弈理论，该过程中二者的策略具有先后顺序，即二者地位不均等，为此上层配电网运营商与下层多水电气综合能源子系统，属于主从博弈的范畴；对于下层，各多水电气综合能源子系统间能够进行能量共享，属于合作博弈的范畴。基于主从博弈和合作博弈，建立了配电网运营商与多水电气综合能源子系统混合博弈非对称纳什议价模型。
还应说明的是，配电网运营商与多水电气综合能源子系统混合博弈非对称纳什议价模型，如下：
约束条件为：
其中，各综合能源服务商为纳什议价的局中人，N为局中人数量，Ci,MG为参与合作博弈的效用函数；为非合作博弈时各综合能源系统独立运行的最优成本，同时也作为合作博弈的谈判破裂点。/>为通过合作博弈获得的支付收益。通过求解问题的均衡解，综合能源服务商可以求解出最优的议价交易策略，实现运营成本的最小化。di为第i个综合能源系统的议价能力，具体表示如下：
其中，与/>分别为第i个综合能源系统参与合作博弈时，其余参与者提供的功率和其余参与者获得的功率，进一步表示为：
/>
其中，为各综合能源子系统参与者提供的功率；/>为各综合能源子系统参与者获得的功率；/>为第i个综合能源系统输出电功率；/>为第i个综合能源系统输出热功率；/>为第i个综合能源系统输入电功率；/>为第i个综合能源系统输入热功率。
将配电网运营商与多水电气综合能源子系统混合博弈非对称纳什议价模型拆分成两个凸子问题，定义如下：
其中，Ci,MG *为求解后第i个水电气综合能源系统运行的最优值；Gi为第i个水电气综合能源系统与其余水电气综合能源系统进行协商后交付的成本费用。
S3：基于上层配电网运营商运营效益和下层多水电气综合能源子系统运行成本，利用改进遗传算法，求解目标函数。
更进一步的，改进遗传算法是指在遗传算法的基础上对粒子群中κ个粒子的位置与速度进行杂交，设杂交概率为ψ，则对于κ个粒子中的第h个粒子子代位置和速度可表示为：
其中，h∈[1,2,...,κ]；rr1为0-1均匀分布的随机数；u和r分别为从κ个粒子重选择杂交的粒子序号，且u、r∈[1,2,...,κ]；I1和I2分别为向量/>和/>的最大奇异值；/>为第i个粒子的位置；/>为第i个粒子的速度。
则u和r进一步可表示为：
其中，rr2和rr3均为0-1均匀分布的随机数。
应说明的是，求解目标函数最优解过程如下：
步骤一：设置参数。设计带有约束的改进遗传算法，设置算法中相关参数，并初始化系统参数，步骤二：上层优化。编码并形成初始不确定集种群，对配电网运营商内部电价随机生成N组集合，并将内部电价集传至下层多水电气综合能源系统解决成本问题，步骤三：下层算法寻优。利用MATLAB中CPLEX求解器对下层多水电气综合能源系统进行优化求解，得到系统群内各设备的调度计划以及与上层的耦合交易电量，并保存每个水电气综合能源系统的策略和目标函数值，步骤四：递归计算上层目标函数。将与上层的耦合交易电量返回给上层，计算上层当前收益，步骤五：更新内部电价。用最大的UADN更新替代当前的最优解，即最差场景，利用随机枚举、变异的方式生成新的不确定集，返回步骤四，步骤六：最终寻优。如果最终计算得到整个系统收敛状态下的最优解，保存最差场景以及下层问题中的优化策略结果并结束程序；否则，返回步骤五，步骤二中的约束为：和
实施例2
参照图2-12，为本发明的一个实施例，提供了一种多水电气能源子系统主动配电网混合博弈方法，为了验证本发明的有益效果，通过经济效益计算和仿真实验进行科学论证。
三个水气电综合能源系统的内部可再生能源出力以及负荷预测值如图2-图4所示，其中的水电气综合能源系统的具体参数为：P2G出力上下限分别为800kW和0，效率为60％；碳捕集出力上下限分别为100kW和0，二氧化碳捕集率为90％，排放强度为0.2；电、气、水负荷能进行一定范围内的调整，其中电、气负荷调整前后的总量保持不变，电、气负荷一天内每时段最大允许调整比例分别为5％和3％，水负荷效减上限取10％；储能电池的额定容量与充放电功率上限分别为300kWh和60kW，荷电状态的最大最小值分别为0.9和0.1，初始荷电状态为0.2，充、放电效率系数均取0.95；储气罐的额定容量与蓄放气功率上限分别为60kWh和12kW，荷电状态的最大最小值分别为0.9和0.1，初始荷电状态为0.5，充、放气效率系数均取0.95。水电机组的电水比为1.5，电转气效率与废水发电效率分别为95％与90％；水电机组1的成本系数分别为0.0004433元/kW2，0.003546元/kW，0.007093元，-1.106元/kW2，-4.426元/kW以及737.4元，最大电出力与最小电出力分别为800kW与160kW，最大水出力与最小水出力分别为200kW与30kW，爬坡率上下限为9kW/s与4kW/s，水电机组2的成本系数分别为0.0007881元/kW2，0.006305元/kW，0.01261元，-1.475元/kW2，-5.901元/kW以及737.4元，最大电出力与最小电出力分别为600kW与120kW，最大水出力与最小水出力分别为150kW与23kW，爬坡率上下限为9kW/s与4kW/s；水泵的成本系数分别为0.00018元/kW2，0.0374元/kW，0，最大出力与最小出力分别为250kW与0。
3个水电气综合能源系统设置三个场景，在Matlab软件里对其进行仿真验证，比较分析，并给出仿真结果。场景一：各子系统单独运行，直接与大电网进行交易；场景2：各子系统合作运行，直接与大电网进行交易；场景3：各子系统合作运行，与配电网运营商主从博弈。
通过仿真计算，可以得出场景1配电网运营商收益为0元，系统运行时的总成本为95644.36元，碳排放总成本1047.14元；场景2配电网运营商收益为0元，系统运行时的总成本为95173.67元，碳排放总成本0元；场景3配电网运营商收益为773.82元，系统运行时的总成本为94819.27元，碳排放总成本0元。可以分析得出，场景1下子系统群总运行成本最高，且碳排总成本也最高。原因在于，该场景下三个子系统间无法进行能源共享，系统灵活性最劣，所需运行的费用也最高；场景2中子系统群总成本相比场景1减少了，且总碳排成本减少为0，这是由于子系统间的能源共享进一步消纳了系统群内的可再生能源，减少与大电网的交易成本，并充分发挥系统内电转气与碳捕集设备的作用；场景3中，由于配电网运营商参与子系统群的主从博弈机制中，在上层运营商内部电价的作用下，二者均可盈利，使得子系统群内总运行成本进一步得到减少，并为配电网运营商创造盈利空间。
场景2和场景3具体的议价过程如表1和表2所示，采用非对称纳什议价的方法对各水电气综合能源系统的收益再分配与调整，以均衡参与合作博弈的各方收益。其中，场景2与场景3下层多水电气综合能源系统为合作模式，表1与表2分别给出了三个子系统的分摊过程。
表1：场景二各水电气综合能源系统议价过程
表2：场景三各水电气综合能源系统议价过程
由于场景2与场景3的分摊过程类似，以表2的结果展开进行分析：对于场景3，子系统1、子系统2、子系统3的合作盈余依次为342.41元、103.14元以及379.54元，这说明在能源共享的过程中，子系统3的贡献最大，其次是子系统1，最后是子系统2。分摊结果参考依据了各个子系统在能源共享过程中的交互贡献度，合理有序地平衡了三个子系统的运行成本。
图5和图6分别是配电网运营商博弈均衡的内部优化电价和上下层达到均衡时三个子系统与上层配电网交易的电量。结合图5和图6分析，配电网运营商根据大电网购售电价的边界以及下层多子系统群的电量响应作出最优内部电价制定决策，在这种内部电价的框架下子系统1在一天内3：00～7：00、11：00～16：00区间表征售电，子系统2主要在一天内12：00～16：00表征售电，而子系统3则主要呈现购电的状态，这是由三个子系统内部可再生能源与负荷的初始特征决定的。而与配电网运营商交易的具体电量则由上层配电网运营商所制定的内部电价博弈决定，如在12：00～15：00时段配电网运营商制定较高的购电价，引导下层多子系统进行售电。
图7-图9和图10-图12是以三个水电气综合能源系统的系统1为例，分别分析子系统1内三种能源的各类设备调度计划曲线和在场景3下系统1内电、气、水各类负荷需求响应前后变化曲线。从图中可以得出：系统1内电、气两类负荷可在一天内不同时刻进行负荷转移，具体来说，可转移负荷以电负荷为例：电负荷主要集中在一天内18：00～24：00时段进行效减，而在一天内0：00～6：00、11：00～15：00时段有所提高，原因在于，子系统1需要在考虑机组运行、交易电量等多项成本总和较高的时段转移至成本较低的时段，以提高系统经济性。对于可效减的水负荷来说，决策人员需要在效减成本与效减能够带来的经济效益中寻找权衡点，进而使得系统经济性最优。
实施例3
参照图13，为本发明的一个实施例，提供了一种多水电气能源子系统主动配电网混合博弈系统，包括：单元数学模型建立模块，内部角色分层模块，配电网运营商模块，混合博弈非对称纳什议价模块，目标函数求解模块。
其中单元数学模型建立模块用于计算配电网运营商运营效益和多水电气综合能源子系统运行成本；内部角色分层模块用于划分上层配电网运营商和下层多水电气综合能源子系统；配电网运营商模块用于求出配电网运营商运营效益；混合博弈非对称纳什议价模块用于求出最优的议价交易策略，进行运营成本的最小化；目标函数求解模块用于通过改进遗传算法，求解目标函数最优解。
功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，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)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)、便携式计算机盘盒(磁装置)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)、光纤装置以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。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限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
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限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种多水电气能源子系统主动配电网混合博弈方法，其特征在于，包括：
基于多水电气综合能源共享框架，建立多利益体水电气互补型能源系统的单元数学模型；
基于能源系统内多利益体关系，将内部角色进行分层，利用博弈理论，建立配电网运营商与多水电气综合能源子系统混合博弈非对称纳什议价模型；
基于上层配电网运营商运营效益和下层多水电气综合能源子系统运行成本，利用改进遗传算法，求解目标函数。
2.如权利要求1所述的多水电气能源子系统主动配电网混合博弈方法，其特征在于：所述多水电气综合能源共享框架包括大电网运营商、配电网运营商以及多水电气综合能源子系统；
所述多利益体水电气互补型能源系统的单元数学模型包括配电网运营商运营效益和多水电气综合能源子系统运行成本。
3.如权利要求1或2所述的多水电气能源子系统主动配电网混合博弈方法，其特征在于：所述配电网运营商运营效益包括配电网运营商内部购电价与售电价，配电网运营商运营效益目标函数表示为：
UADN＝Uu+Ul
其中，UADN为配电网运营商运营效益总盈利，Uu与Ul分别表示配电网运营商与大电网、配电网运营商与多水电气综合能源子系统交易电能带来的盈利，T为总时间；
监管约束：
制定的内部电价同时需要满足如下条件：
其中，与/>分别表示t时段上级大电网运营商的购电价与售电价；/>与/>分别表示t时段配电网运营商面向多水电气综合能源子系统的售电价与购电价，/>与/>分别表示t时段配电网运营商与上级大电网运营商的购电量与售电量，/>与/>分别表示t时段配电网运营商与多水电气综合能源子系统的售电量与购电量。
4.如权利要求3所述的多水电气能源子系统主动配电网混合博弈方法，其特征在于：所述多水电气综合能源子系统包括光伏发电装置、风电装置、碳捕集装置、燃气机组、电转气装置、水电联产机组、废水发电装置、储能装置以及需求响应；
多水电气综合能源子系统运行总成本包括燃气机组成本、水电联产成本、与配电网运营商交易电能成本、储能设备成本、水泵成本以及碳排放成本；
燃气机组成本表示为：
其中，Ci,MT为单一水电气综合能源系统燃气机组成本；Pi,MT,t为单一水电气综合能源系统在t时段内的出力；ηi,t为单一水电气综合能源系统燃气机组在t时刻的转换效率；Cg,t为t时段内购气的价格；LHVgas为天然气的低热值；
燃气机组出力的约束条件表示为：
Pi,min≤Pi,MT,t≤Pi,max
其中，Pi,max、Pi,min分别为单一水电气综合能源系统燃气机组出力上、下限；
水电联产机组的燃料成本与输出的水功率与电功率相关，表示为：
其中，Ci,CWP为单一水电气综合能源系统水电联产成本，αc、βc、yc、ζc、和ξc分别为水电联产机组的燃料消耗特性系数，Pi,c,t表示为第t时段水电联产机组c的发电功率，Wi,c,t表示为第t时段水电联产机组c的产水率，Ui,c,t表示为二进制变量，当水电联产机组c开启时为1，否则为0；
水电联产机组的运行约束表示为：
其中，分别表示为水电联产机组c的最小发电功率和最大发电功率，分别表示为水电联产机组c的最小产水率和最大产水率，/>分别表示为水电联产机组c的最小水电比和最大水电比；
单一水电气综合能源系统与配电网运营商的交易成本表示为：
其中，Ci,Y为配电网运营商交易电能成本；与/>分别表示t时段配电网运营商与下级单一水电气综合能源系统的售电量与购电量；
交易成本的运行约束表示为：
其中，分别为单一水电气综合能源系统与配电网运营商的交易电量限制；
储能装置在接入系统中参与协调优化运行时会存在储能设备运行成本表示为：
运行约束表示为：
Ei,min≤Ei,t≤Ei,max
0≤Pi,char,t≤αi,char,tPi,char,max
0≤Pi,dis,t≤αi,dis,tPi,dis,max
αi,char,t+αi,dis,t≤1
Ei,1＝Ei,T+1
其中，Ci,ES为储能装置在接入系统中储能设备运行成本；PES为储能装置运行消耗的电功率；Ei,t表示t时段储能装置的存储容量；Ei,t-1表示t-1时段储能装置的存储容量；Pi,char,t表示储能装置t时段储能、充能功率；Pi,dis,t表示储能装置t时段储能、放能功率；ηloss、ηchar、ηdis分别为储能装置的储能损耗率、充能效率和放能效率；Ei,min、Ei,max表示储能装置的储能容量的上限、下限；αi,char,t、αi,dis,t表示充能和放能状态，为0、1变量，1表示设备处于充能或者放能状态，0表示设备停止充放状态；Pi,char,max、Pi,dis,max表示储能设备的最大充放电功率；Ei,1表示初始时段储能装置的存储容量；Ei,T+1表示T+1时段储能装置的存储容量；Δt为变化的时间间隔；
废水利用装置输出的水功率与消耗的电功率表示为：
其中，表示单一水电气综合能源系统废水利用装置的输出水功率，/>表示单一水电气综合能源系统废水利用装置的输入电功率，ηf表示单一水电气综合能源系统废水利用装置的转换效率；
电转气装置吸收二氧化碳转，生成甲烷燃料和水，运行约束条件表示为：
Pi,P2G,min≤Pi,P2G≤Pi,P2G,max
其中，Pi,P2G为电转气设备的出力；Pi,P2G,min、Pi,P2G,max分别为P2G出力上、下限；
水泵为水网中的独立元件，仅产生水资源供水，单一水电气综合能源系统的水泵运行成本表示为：
其中，Ci,CW为单一水电气综合能源系统的水泵成本；ai,w分别表示电驱动水泵w的电能消耗特性系数；Wi,w,t表示为第t时段电驱动水泵w的产水率；Ui,w,t表示为二进制变量，当电驱动水泵w开启时为1，否则为0；
碳捕集装置能够捕集所排放的二氧化碳，减少系统尾气排放成本，约束表示为：
ηmin≤ηi,t≤ηmax
其中，为单一水电气综合能源系统的碳捕集装置在t时段内的能耗，/>为碳捕集设备运行能耗，ηi,t为碳捕集设备功率，ηmax、ηmin为碳捕集率的最大与最小值，一般ηmax为90％，ηmin为0；
多水电气综合能源子系统运行总成本表示为：
其中，CMMGs为多水电气综合能源子系统运行总成本。
5.如权利要求4所述的多水电气能源子系统主动配电网混合博弈方法，其特征在于：所述需求响应包括不参与需求响应的刚性负荷和参与需求响应的柔性负荷；
参与需求响应后的电、气、水负荷表示为：
Le t＝Le,o t+ΔLe t
Lg t＝Lg,o t+ΔLg t
Lw t＝Lw,o t-ΔLw t
其中，Le t、Lg t、Lw t分别表示参与需求响应后的电、气、水负荷，Le,o t、Lg,o t、Lw,o t分别表示参与需求响应前的电、气、水负荷初始预测值，ΔLe t、ΔLg t分别表示电、气负荷响应变化量，ΔLw t表示水负荷效减变化量；
柔性负荷在需求响应过程中变化前后总量不变，表示为：
电、气、水负荷减少/增加的百分比应满足以下约束：
-ΔLe max≤ΔLe t≤ΔLe max
-ΔLg max≤ΔLg t≤ΔLg max
0≤ΔLw t≤ΔLw max
其中，ΔLe max、ΔLg max、ΔLw max分别表示为电、气、水负荷允许变化量的最大值。
6.如权利要求5所述的多水电气能源子系统主动配电网混合博弈方法，其特征在于：所述配电网运营商与多水电气综合能源子系统混合博弈非对称纳什议价模型包括通过能源系统内多利益体关系，划分为上层配电网运营商和下层多水电气综合能源子系统，通过主从博弈和合作博弈，建立配电网运营商与多水电气综合能源子系统混合博弈非对称纳什议价模型，表示为：
其中，为综合能源子系统参与者提供的功率；/>为综合能源子系统参与者获得的功率；/>为第i个综合能源系统输出电功率；/>为第i个综合能源系统输出热功率；/>为第i个综合能源系统输入电功率；/>为第i个综合能源系统输入热功率；
将所述配电网运营商与多水电气综合能源子系统混合博弈非对称纳什议价模型拆分成两个凸子问题，定义如下：
其中，Ci,MG *为求解后第i个水电气综合能源系统运行的最优值；Gi为第i个水电气综合能源系统与其余水电气综合能源系统进行协商后交付的成本费用。
7.如权利要求6所述的多水电气能源子系统主动配电网混合博弈方法，其特征在于：所述改进遗传算法是指在遗传算法的基础上对粒子群中κ个粒子的位置与速度进行杂交，设杂交概率为ψ，则对于κ个粒子中的第h个粒子子代位置和速度表示为：
其中，h∈[1,2,...,κ]；rr1为0-1均匀分布的随机数；u和r分别为从κ个粒子重选择杂交的粒子序号，且u、r∈[1,2,...,κ]；I1和I2分别为向量/>和/>的最大奇异值；/>为第i个粒子的位置；/>为第i个粒子的速度；
则u和r进一步表示为：
其中，rr2和rr3均为[0,1]均匀分布的随机数；
所述求解目标函数最优解过程包括设置参数，上层优化，下层算法寻优，递归计算上层目标函数，更新内部电价并寻优。
8.一种采用如权利要求1～7任一所述的多水电气能源子系统主动配电网混合博弈方法的系统，其特征在于：包括单元数学模型建立模块，内部角色分层模块，配电网运营商模块，混合博弈非对称纳什议价模块，目标函数求解模块；
所述单元数学模型建立模块用于计算配电网运营商运营效益和多水电气综合能源子系统运行成本；
所述内部角色分层模块用于划分上层配电网运营商和下层多水电气综合能源子系统；所述配电网运营商模块用于求出配电网运营商运营效益；
所述混合博弈非对称纳什议价模块用于求出最优的议价交易策略，进行运营成本的最小化；
所述目标函数求解模块用于通过改进遗传算法，求解目标函数最优解。
9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述的多水电气能源子系统主动配电网混合博弈方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的多水电气能源子系统主动配电网混合博弈方法的步骤。
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