CN117595267A - 一种交流潮流配电网综合能源分布式合作博弈方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明所述方法及系统，涉及综合能源调度技术领域，包括基于二阶锥松弛的动态，建立计及无功调控的多时段动态优化潮流模型；采集能源数据进行归一化处理，建立综合能源子系统的模型；基于配电网系统子系统群的合作关系，建立主动配电网和综合能源子系统合作博弈模型；建立合作博弈模型分布式求解策略，计算能源利用度，消纳配电网系统内新能源。本发明子系统在保证系统潮流约束下进行多种能源的共享交易，提高不同子系统间的能源共享程度；子系统能够在所提框架下对配电网的无功偏移进行调控，减少上层配电网无功设备的运行成本；模型使配电网中的新能源进一步被有效利用与消纳；多个子系统间能源共享通过分布式算法进行调配，减少计算的负担。
Description
技术领域
本发明涉及综合能源调度技术领域，具体为一种交流潮流配电网综合能源分布式合作博弈方法及系统。
背景技术
综合能源系统可实现能源的梯级利用及多种能源的协调互补，是应对传统能源枯竭、环境污染和全球气候恶化等一系列问题的必然途径，主动配电网向下依托微网的自治控制，向上和主网进行动态交互，随着越来越多的综合能源系统和分布式电源接入配网，可能会引起配网中能量双向流动、系统网损增加和调度管理复杂化的问题，对综合能源接入主动配电网的研究，没有考虑多综合能源的交互作用对主动配电网和多综合能源系统协同运行带来的影响，对能源互联网的特性挖掘不够；针对主动配电网和综合能源系统协同运行优化的复杂模型，存在现有的智能算法寻优能力不足的问题。
现有技术在综合能源调度中存在不足之处，首先，建模复杂性是一个挑战，因为综合能源系统的多样性和复杂性使得系统建模变得困难，需要更精确和高效的建模方法，其次，现有技术往往将不同能源独立调度，缺乏一体化的协同调度策略，无法充分发挥不同能源的协同效应，此外，数据不完整和不准确也是一个问题，缺乏实时准确的数据可能导致调度决策的不准确或延迟，最后，现有技术偏重于技术和经济效益，而对于社会、环境和可持续发展等因素关注程度不够，需要更全面地考虑多方面的因素，因此，未来需要改进现有技术，解决建模复杂性、实时数据准确性和一体化调度策略等问题，以实现更高效、可靠和可持续的综合能源调度。
发明内容
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：现有的综合能源调度方法存在准确度低，效率低，可靠性低，以及如何优化配电网系统内的能源利用程度，并进一步消纳配电网系统内的新能源的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种交流潮流配电网综合能源分布式合作博弈方法，包括基于二阶锥松弛的动态，建立计及无功调控的多时段动态优化潮流模型；采集能源数据进行归一化处理，建立综合能源子系统的模型；基于配电网系统子系统群的合作关系，建立主动配电网和综合能源子系统合作博弈模型；建立合作博弈模型分布式求解策略，计算能源利用度，消纳配电网系统内新能源。
作为本发明所述的交流潮流配电网综合能源分布式合作博弈方法的一种优选方案，其中：所述建立计及无功调控的多时段动态优化潮流模型包括建立节点功率平衡约束、线路潮流约束以及节点电压相角约束；节点功率平衡约束表示为：
其中，git表示传统发电机组i在t时段的发电功率，prt表示新能源机组r在t时段的发电功率，pst为储能设备s在t时段的功率，flt表示与节点n相连的输电线路l有功潮流，dJt表示负载机组J负荷功率，分别对应节点n上发电机、新能源机组、储能以及负荷的集合，r(l),s(l)分别表示线路l的首端和末端节点；线路潮流约束表示为：
其中，表示线路容量，flt表示线路潮流，Xl表示线路电抗，θs(l)t,θr(l)t分别表示线路l首端和末端节点电压相角，表示已有线路集合；节点电压相角约束表示为：
其中，节点电压相角在约束范围内。
作为本发明所述的交流潮流配电网综合能源分布式合作博弈方法的一种优选方案，其中：所述采集能源数据进行归一化处理包括对系统可再生能源消纳、电压偏移、新能源、需求响应以及综合能源进行归一化，目标函数表示为：
其中，CP表示系统总成本，Pmt表示节点m在时段t的弃风弃光功率，Cab表示弃风弃光惩罚系数，κt为现值系数，git为机组i在t时间段发电功率，Gi为机组运行成本系数，与分别表示t时段上级大电网的购电价与售电价，与分别表示t时段配电网与用户的购电量与售电量，CA为弃风弃光惩罚成本，CJ为单位电压偏移成本，Ui表示节点电压，UN表示额定电压，r为折现率，ΩT为发电时间的集合，ΩRE为新能源设备的集合，ΩG为机组设备的集合，ΩI为已有线路的集合。
作为本发明所述的交流潮流配电网综合能源分布式合作博弈方法的一种优选方案，其中：所述建立综合能源子系统包括新能源、热电联产、电锅炉、储能、电负荷以及热负荷；建立的综合能源子系统的模型包括热电联产、电锅炉装置、储能装置、交易成本、需求响应、可再生能源以及交互耦合约束；综合能源子系统的热电联产机组成本表示为：
其中，Pi,MT,t为综合能源子系统i在t时段内的电功率出力，Cg,t为t时段内购气的价格，ηi,t为第i个燃气机组在t时刻的转换效率，LHVgas为天然气的低热值；运行约束表示为：
Pi,min≤Pi,MT,t≤Pi,max
其中，Pi,max、Pi,min为综合能源子系统i内机组电功率出力上、下限；电、热耦合约束表示为：
Pi,MT,t＝δPi,H,t
其中，Pi,H,t综合能源子系统i在t时段内的热功率出力，δ为热电联产机组的热电比；电锅炉为电热耦合设备，消耗电能产生热能满足热负荷和储热罐需求，电锅炉在分时电价的引导下配合热电联产系统满足热负荷需求增加谷时段的用电量；运行约束表示为：
Pi,EH,min≤Pi,EH,t≤Pi,EH,max
其中，Pi,EH,t为电锅炉设备的热出力，Pi,EH,min和Pi,EH,max为电锅炉热出力上限和下限；电、热耦合约束如下：
Pi,EH,t＝γPi,E,t
其中，Pi,E,t子系统i在t时段内消耗的电功率，γ为电锅炉设备的效率；储能装置在接入系统中参与协调优化运行时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
其中，pES表示储能设备运行成本系数，Pi,char,t表示储能装置t时段储能和充能功率，Pi,dis,t表示储能装置t时段储能和放能功率，Ei,t表示t时段储能装置的存储容量，ηloss、ηchar以及ηdis分别为储能装置的储能损耗率、充能效率以及放能效率，Ei,min和Ei,max表示储能装置的储能容量的上限和下限，αi,char,t和αi,dis,t表示充能和放能状态，为0和1变量，1表示设备处于充能或放能状态，0表示设备停止充放状态，Pi,char,max和Pi,dis,max表示储能设备的最大充放电功率；计算综合能源子系统i的交易成本表示为：
其中，与分别表示t时段上级大电网的购电价与售电价，与分别表示t时段配电网运营商与下级子系统i的售电量与购电量；运行约束表示为：
其中，和分别为子系统i与配电网运营商的交易电量限制；对于电、热综合能源需求负荷分为不参与需求响应的刚性负荷与参与需求响应的柔性负荷，参与需求响应后的电、热负荷表示为：
Le t＝Le,o t+ΔLe t
Lg t＝Lg,o t+ΔLg t
其中，Le t、Lg t分别表示参与需求响应后的电、热负荷，Le,o t和Lg,o t分别表示参与需求响应前的电、热负荷初始预测值，ΔLe t和ΔLg t分别表示电、热负荷响应变化量；柔性负荷在需求响应过程中变化总量不变，表示为：
电、热负荷减少或增加的百分比满足约束表示为：
-ΔLe max≤ΔLe t≤ΔLe max
-ΔLg max≤ΔLg t≤ΔLg max
其中，ΔLe max和ΔLg max分别表示为电、热负荷允许变化量的最大值；可再生能源数学模型包括风机出力随机性和间歇性；当风速小于切入风速或大于切出风速时，风机出力均为0；当风速处于切入风速与额定风速之间时，风机出力与风速呈线性关系；当风速处于额定风速与切出风速之间时，风机出力为额定出力，风机的出力与风速的关系表示为：
其中，Pw(V)表示为风机的出力与风速关系，Pr为风机额定出力，Vin、Vout以及Vr分别表示切入风速、切出风速以及额定风速，V为风速变量；光照强度概率密度函数表示为：
其中，r和rmax分别为当前时段内的实际光强和最大光强，α和β为Beta分布形状参数；光强r中，PV的可用输出功率pp为一个分段函数，当r小于PV模块的额定光照强度rrated时，输出功率随光强线性递增；当r达到或超过rrated，PV输出将维持在额定输出功率，表示为：
其中，rrated及分别为光伏模块的额定光强及对应的额定输出功率；可再生能源出力约束表示为：
0≤Ppv,t≤PPV,t
0≤Pfj,t≤PFJ,t
其中，PPV,t为系统光伏装置在t时段内的预测出力上限，PFJ,t为系统风机在t时段内的预测出力上限；
其中，为第i个子系统在一天内t时段与第j个子系统的电功率交互，和分别为第i个子系统与第j个子系统的电功率交互的下限和上限，表示为：
其中，为第i个子系统在一天内t时段与第j个子系统的热功率交互，和分别为第i个子系统与第j个子系统的热功率交互的下限和上限。
作为本发明所述的交流潮流配电网综合能源分布式合作博弈方法的一种优选方案，其中：所述主动配电网和综合能源子系统合作博弈模型包括综合能源子系统通过电力线或能源管道互联，进行能源在不同子系统和不同时段的转移与消纳，目标函数为系统群整体运行成本，表示为：
其中，ci,MT、Ci,Y以及Ci,ES分别表示综合能源子系统i的燃气机组成本、与配电网运营商交易电能成本以及储能设备成本，I为综合能源子系统的数量；基于合作博弈和多子系统合作调度模型，子系统为纳什谈判的参与者，合作联盟的优化目标为参与主体的效用乘积最大值，表示为：
其中，与分别表示第i个子系统的目标函数以及与配电网交互过程中的交互成本；通过对数函数描述不同参与主体的决策偏好和收益期望，表示为：
合作联盟内部不同利益主体对自身效用期望服从收益递减。
作为本发明所述的交流潮流配电网综合能源分布式合作博弈方法的一种优选方案，其中：所述建立合作博弈模型分布式求解策略包括在纳什谈判的过程中，联盟内部参与者的电量和热量作为议价策略，表示为：
纳什谈判模型的增广拉格朗日函数表示为：
其中，和表示对偶变量，表示惩罚参数，通过交替方向乘子法进行分层处理，构建下层子问题优化模型，表示为：
其中，表示为固定的对偶变量，表示为耦合变量；计算和更新对偶变量以及辅助变量，获取与最优交易量的偏差量最小，构建上层子问题模型，表示为：
其中，表示为固定的对偶变量，表示为耦合变量。
作为本发明所述的交流潮流配电网综合能源分布式合作博弈方法的一种优选方案，其中：所述消纳配电网系统内新能源包括通过算例分析的求解策略提供配电网系统内的能源利用程度，消纳配电网系统内的新能源。
本发明的另外一个目的是提供一种交流潮流配电网综合能源分布式合作博弈系统，其能通过建立合作博弈模型分布式求解策略，计算能源利用度，消纳配电网系统内新能源，解决了目前的综合能源调度含有可靠性低的问题。
作为本发明所述的交流潮流配电网综合能源分布式合作博弈系统的一种优选方案，其中：包括动态优化模块，数据采集模块，合作博弈模块，求解策略模块；所述动态优化模块用于基于二阶锥松弛的动态，建立计及无功调控的多时段动态优化潮流模型；所述数据采集模块用于采集能源数据进行归一化处理，建立综合能源子系统的模型；所述合作博弈模块用于基于配电网系统子系统群的合作关系，建立主动配电网和综合能源子系统合作博弈模型；所述求解策略模块用于建立合作博弈模型分布式求解策略，计算能源利用度，消纳配电网系统内新能源。
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交流潮流配电网综合能源分布式合作博弈方法的步骤。
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交流潮流配电网综合能源分布式合作博弈方法的步骤。
本发明的有益效果：本发明提供的交流潮流配电网综合能源分布式合作博弈方法基于配电网框架建立了多子系统间的合作博弈模型，子系统在保证系统潮流约束下进行多种能源的共享交易，提高了不同子系统间的能源共享程度；子系统能够在所提框架下对配电网的无功偏移进行调控，减少了上层配电网无功设备的运行成本，具有很好的经济效益与实际应用；所提模型中考虑了需求响应、新能源消纳、综合能源等多元因素，使得配电网中的新能源能够进一步被有效利用与消纳；多个子系统间能源共享通过分布式算法进行调配，减少了每次计算的负担，并在交互过程中保护了用户侧的隐私，能够更好的应用于实际工程背景中，本发明在效率、利用率以及可靠性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交流潮流配电网综合能源分布式合作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交流潮流配电网综合能源分布式合作博弈方法的场景4下分布式计算过程中的总运行成本的收敛过程图。
图3为本发明第二个实施例提供的一种交流潮流配电网综合能源分布式合作博弈方法的场景4下分布式计算过程中的原始残差的收敛过程图。
图4为本发明第二个实施例提供的一种交流潮流配电网综合能源分布式合作博弈方法的场景4下分布式计算过程中的对偶残差的收敛过程图。
图5为本发明第二个实施例提供的一种交流潮流配电网综合能源分布式合作博弈方法的场景3与场景4下节点系统消纳新能源对比图。
图6为本发明第二个实施例提供的一种交流潮流配电网综合能源分布式合作博弈方法的场景4下电热综合能源子系统1电平衡结果图。
图7为本发明第二个实施例提供的一种交流潮流配电网综合能源分布式合作博弈方法的场景4下电热综合能源子系统1热平衡结果图。
图8为本发明第二个实施例提供的一种交流潮流配电网综合能源分布式合作博弈方法的场景4下电热综合能源子系统2电平衡结果图。
图9为本发明第二个实施例提供的一种交流潮流配电网综合能源分布式合作博弈方法的场景4下电热综合能源子系统2热平衡结果图。
图10为本发明第二个实施例提供的一种交流潮流配电网综合能源分布式合作博弈方法的场景4下子系统1内电负荷需求响应前后变化曲线图。
图11为本发明第二个实施例提供的一种交流潮流配电网综合能源分布式合作博弈方法的场景4下子系统1内热负荷需求响应前后变化曲线图。
图12为本发明第三个实施例提供的一种交流潮流配电网综合能源分布式合作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，提供了一种交流潮流配电网综合能源分布式合作博弈方法，包括：
S1：基于二阶锥松弛的动态，建立计及无功调控的多时段动态优化潮流模型。
更进一步的，建立计及无功调控的多时段动态优化潮流模型包括建立节点功率平衡约束、线路潮流约束以及节点电压相角约束；节点功率平衡约束表示为：
其中，git表示传统发电机组i在t时段的发电功率，prt表示新能源机组r在t时段的发电功率，pst为储能设备s在t时段的功率，flt表示与节点n相连的输电线路l有功潮流，dJt表示负载机组J负荷功率，分别对应节点n上发电机、新能源机组、储能以及负荷的集合，r(l),s(l)分别表示线路l的首端和末端节点；线路潮流约束表示为：
其中，表示线路容量，flt表示线路潮流，Xl表示线路电抗，θs(l)t,θr(l)t分别表示线路l首端和末端节点电压相角，表示已有线路集合；节点电压相角约束表示为：
其中，节点电压相角在约束范围内。
应说明的是，二阶锥松弛方法是一种将非线性约束转化为凸锥约束的优化技术，它在电力系统中具有重要的应用，动态的原理是通过引入辅助变量和凸锥约束，将电力系统中涉及二次约束的问题转化为凸优化形式的问题，具体而言，通过引入辅助变量来线性化二次约束，并将其表示为辅助变量与非负实数的乘积，这样，二次约束就可以转化为辅助变量落在二阶锥内的凸锥约束，通过引入多个辅助变量和相应的凸锥约束，将所有的二次约束以及其他非线性约束都转化为凸优化形式，从而应用凸优化算法进行求解，这种方法在电力系统中的应用范围广泛，包括优化电力市场交易、发电计划安排以及电网调度等方面，有助于提高电力系统的效率、降低成本，增强电网的稳定性和可靠性。
S2：采集能源数据进行归一化处理，建立综合能源子系统的模型。
更进一步的，采集能源数据进行归一化处理包括对系统可再生能源消纳、电压偏移、新能源、需求响应以及综合能源进行归一化，目标函数表示为：
其中，CP表示系统总成本，Pmt表示节点m在时段t的弃风弃光功率，Cab表示弃风弃光惩罚系数，κt为现值系数，git为机组i在t时间段发电功率，Gi为机组运行成本系数，与分别表示t时段上级大电网的购电价与售电价，与分别表示t时段配电网与用户的购电量与售电量，CA为弃风弃光惩罚成本，CJ为单位电压偏移成本，Ui表示节点电压，UN表示额定电压，r为折现率，ΩT为发电时间的集合，ΩRE为新能源设备的集合，ΩG为机组设备的集合，ΩI为已有线路的集合。
应说明的是，建立综合能源子系统包括新能源、热电联产、电锅炉、储能、电负荷以及热负荷；建立的综合能源子系统的模型包括热电联产、电锅炉装置、储能装置、交易成本、需求响应、可再生能源以及交互耦合约束；综合能源子系统的热电联产机组成本表示为：
其中，Pi,MT,t为综合能源子系统i在t时段内的电功率出力，Cg,t为t时段内购气的价格，ηi,t为第i个燃气机组在t时刻的转换效率，LHVgas为天然气的低热值；运行约束表示为：
Pi,min≤Pi,MT,t≤Pi,max
其中，Pi,max、Pi,min为综合能源子系统i内机组电功率出力上、下限；电、热耦合约束表示为：
Pi,MT,t＝δPi,H,t
其中，Pi,H,t综合能源子系统i在t时段内的热功率出力，δ为热电联产机组的热电比；电锅炉为电热耦合设备，消耗电能产生热能满足热负荷和储热罐需求，电锅炉在分时电价的引导下配合热电联产系统满足热负荷需求增加谷时段的用电量；运行约束表示为：
Pi,EH,min≤Pi,EH,t≤Pi,EH,max
其中，Pi,EH,t为电锅炉设备的热出力，Pi,EH,min和Pi,EH,max为电锅炉热出力上限和下限；电、热耦合约束如下：
Pi,EH,t＝γPi,E,t
其中，Pi,E,t子系统i在t时段内消耗的电功率，γ为电锅炉设备的效率；储能装置在接入系统中参与协调优化运行时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
其中，pES表示储能设备运行成本系数，Pi,char,t表示储能装置t时段储能和充能功率，Pi,dis,t表示储能装置t时段储能和放能功率，Ei,t表示t时段储能装置的存储容量，ηloss、ηchar以及ηdis分别为储能装置的储能损耗率、充能效率以及放能效率，Ei,min和Ei,max表示储能装置的储能容量的上限和下限，αi,char,t和αi,dis,t表示充能和放能状态，为0和1变量，1表示设备处于充能或放能状态，0表示设备停止充放状态，Pi,char,max和Pi,dis,max表示储能设备的最大充放电功率；计算综合能源子系统i的交易成本表示为：
其中，与分别表示t时段上级大电网的购电价与售电价，与分别表示t时段配电网运营商与下级子系统i的售电量与购电量；运行约束表示为：
其中，和分别为子系统i与配电网运营商的交易电量限制；对于电、热综合能源需求负荷分为不参与需求响应的刚性负荷与参与需求响应的柔性负荷，参与需求响应后的电、热负荷表示为：
Le t＝Le,o t+ΔLe t
Lg t＝Lg,o t+ΔLg t
其中，Le t、Lg t分别表示参与需求响应后的电、热负荷，Le,o t和Lg,o t分别表示参与需求响应前的电、热负荷初始预测值，ΔLe t和ΔLg t分别表示电、热负荷响应变化量；柔性负荷在需求响应过程中变化总量不变，表示为：
电、热负荷减少或增加的百分比满足约束表示为：
-ΔLe max≤ΔLe t≤ΔLe max
-ΔLg max≤ΔLg t≤ΔLg max
其中，ΔLe max和ΔLg max分别表示为电、热负荷允许变化量的最大值；可再生能源数学模型包括风机出力随机性和间歇性；当风速小于切入风速或大于切出风速时，风机出力均为0；当风速处于切入风速与额定风速之间时，风机出力与风速呈线性关系；当风速处于额定风速与切出风速之间时，风机出力为额定出力，风机的出力与风速的关系表示为：
其中，Pw(V)表示为风机的出力与风速关系，Pr为风机额定出力，Vin、Vout以及Vr分别表示切入风速、切出风速以及额定风速，V为风速变量；光照强度概率密度函数表示为：
其中，r和rmax分别为当前时段内的实际光强和最大光强，α和β为Beta分布形状参数；光强r中，PV的可用输出功率pp为一个分段函数，当r小于PV模块的额定光照强度rrated时，输出功率随光强线性递增；当r达到或超过rrated，PV输出将维持在额定输出功率，表示为：
其中，rrated及分别为光伏模块的额定光强及对应的额定输出功率；可再生能源出力约束表示为：
0≤Ppv,t≤PPV,t
0≤Pfj,t≤PFJ,t
其中，PPV,t为系统光伏装置在t时段内的预测出力上限，PFJ,t为系统风机在t时段内的预测出力上限，表示为：
其中，为第i个子系统在一天内t时段与第j个子系统的电功率交互，和分别为第i个子系统与第j个子系统的电功率交互的下限和上限，表示为：
其中，为第i个子系统在一天内t时段与第j个子系统的热功率交互，和分别为第i个子系统与第j个子系统的热功率交互的下限和上限。
S3：基于配电网系统子系统群的合作关系，建立主动配电网和综合能源子系统合作博弈模型。
更进一步的，主动配电网和综合能源子系统合作博弈模型包括综合能源子系统通过电力线或能源管道互联，进行能源在不同子系统和不同时段的转移与消纳，目标函数为系统群整体运行成本，表示为：
其中，Ci,MT、Ci,Y以及Ci,ES分别表示综合能源子系统i的燃气机组成本、与配电网运营商交易电能成本以及储能设备成本，I为综合能源子系统的数量；基于合作博弈和多子系统合作调度模型，子系统为纳什谈判的参与者，合作联盟的优化目标为参与主体的效用乘积最大值，表示为：
其中，与分别表示第i个子系统的目标函数以及与配电网交互过程中的交互成本；通过对数函数描述不同参与主体的决策偏好和收益期望，表示为：
合作联盟内部不同利益主体对自身效用期望服从收益递减。
应说明的是，建立合作博弈模型分布式求解策略包括在纳什谈判的过程中，联盟内部参与者的电量和热量作为议价策略，表示为：
纳什谈判模型的增广拉格朗日函数表示为：
其中，和表示对偶变量，表示惩罚参数，通过交替方向乘子法进行分层处理，构建下层子问题优化模型，表示为：
其中，表示为固定的对偶变量，表示为耦合变量；计算和更新对偶变量以及辅助变量，获取与最优交易量的偏差量最小，构建上层子问题模型，表示为：
其中，表示为固定的对偶变量，表示为耦合变量。
S4：建立合作博弈模型分布式求解策略，计算能源利用度，消纳配电网系统内新能源。
更进一步的，采用交替方向乘子法，建立了主动配电网和综合能源子系统合作博弈模型的分布式求解策略，通过算例分析，所提求解策略能够提供配电网系统内的能源利用程度，并进一步消纳配电网系统内的新能源。
应说明的是，能源利用程度是指能源在特定系统或过程中的有效利用程度，它衡量了能源利用的效率和可持续性，一个高能源利用程度意味着能源被有效地转化和利用，最大限度地减少能源的浪费和损耗，通过提高能源转换效率、优化能源系统的设计和操作、合理配置能源资源以及促进可再生能源的利用来实现，综合考虑能源的生产、传输、转换和利用环节，以及技术、经济和环境因素，评估和改进能源利用程度，达到降低能源消耗、减少环境影响、实现可持续能源发展的目标。
实施例2
参照图2-图11，为本发明的一个实施例，提供了一种交流潮流配电网综合能源分布式合作博弈方法，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。
首先，所考虑的场景包含一个配电网交流系统与两个电热综合能源子系统，其中交流配电网选取标准IEEE33节点系统，电热综合能源子系统的具体参数为：电、热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、热负荷一天内每时段最大允许调整比例分别为5％和3％；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；储热罐的额定容量与蓄放热功率上限分别为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0.5，蓄、放热效率系数均取0.95，热电机组的热电比为1.2，电锅炉效率为90％；热电机组的最大电出力与最小电出力分别为500kW与0kW，爬坡率上下限均为200kW/h，三个子系统内可再生能源出力以及负荷预测值参考一般工业电热用户的数据并做修改。
在MATLAB 2021a编译环境下，采用Yalmip语言调用CPLEX进行求解，设置4个场景：
场景1：各子系统单独运行，直接与大电网进行交易，不考虑子系统内需求响应。
场景2：各子系统单独运行，直接与大电网进行交易，考虑子系统内需求响应。
场景3：各子系统合作运行，不考虑子系统内需求响应。
场景4：各子系统合作运行，考虑子系统内需求响应。
表1与表2分别给出了考虑需求响应(场景2、场景4)与不考虑需求响应(场景1、场景3)系统内优化的成本结果。
表1场景2与场景4下各利益体运行成本
表2场景1与场景3下各利益体运行成本
由表1分析可得：从子系统内是否考虑需求响应来看，计及需求响应能够使得子系统内的成本得到减少，因为需求响应能够实现子系统内多种能源负荷的灵活调整，特别地，若子系统群与配电网直接相连，则也会进一步影响配电网的运行成本，原因在于，当处于合作模式时，子系统群能够与配电网进行能源交互，从而使得需求响应的优势拓展至配电网中，从是否考虑子系统参与合作运行来看，合作模式可以使得子系统群与配电网间的能源灵活利用，进一步消纳配电网中盈余的新能源，释放子系统内切负荷的压力，进而实现配电网与子系统群系统的整体经济性提高，另外，基于交替方向乘子法(ADMM算法)设计了分布式求解流程，从表中还能看出，分布式求解与集中式求解所得到的运行成本相差不大，进一步诠释了本文所提分布式流程的精确性，也表明所提方法与模型能够符合工程应用标准。
由图2-图4分析可得：在分布式计算至16次后，系统内总运行成本、原始残差以及对偶残差均保证了收敛，说明了所设计方法具体较好的收敛性能，无需过多次的繁琐迭代计算。
由图5分析可得：合作运行可以使得配电网系统内的新能源进一步得到消纳，即配电网系统光伏在一天内9：00～17：00时段有着不同程度的减少，原因在于，由于子系统间的互济作用，使得子系统内能够产生更大的消纳空间，以承载配电网系统中更多的可再生能源。
图10-图11中子系统1内电、热两类负荷可在一天内不同时刻进行负荷转移，其中，电负荷主要集中在一天内0：00～9：00、18：00～24：00时段进行效减，而在一天内9：00～18：00时段有所提高，而热负荷主要集中在一天内9：00～16：00时段进行效减，而在一天内0：00～9：00、16：00～24：00时段有所提高，原因在于，子系统1需要在考虑机组运行、与配电网交易电量、与其它子系统进行交易、新能源消纳等多项成本总和较高的时段转移至成本较低的时段，子系统需要权衡一天内所有时段响应的成本效益与损失的利益，以提高系统经济性。
交替方向乘子法非常适用于大规模分布式计算系统，由于不需要将综合能源系统信息进行集中计算，而是各综合能源系统自行求解目标函数后，根据多综合能源系统层面的约束条件进行乘子的更新与迭代，其在满足各综合能源系统运行成本最小的同时也实现了整个系统的能量平衡，在保护用户隐私及保证系统潮流约束的前提下具有很好的经济效益和实际应用能力。
实施例3
参照图12，为本发明的一个实施例，提供了一种交流潮流配电网综合能源分布式合作博弈系统，包括动态优化模块，数据采集模块，合作博弈模块，求解策略模块。
其中所述动态优化模块用于基于二阶锥松弛的动态，建立计及无功调控的多时段动态优化潮流模型；数据采集模块用于采集能源数据进行归一化处理，建立综合能源子系统的模型；合作博弈模块用于基于配电网系统子系统群的合作关系，建立主动配电网和综合能源子系统合作博弈模型；求解策略模块用于建立合作博弈模型分布式求解策略，计算能源利用度，消纳配电网系统内新能源。
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)
1.一种交流潮流配电网综合能源分布式合作博弈方法，其特征在于，包括：
基于二阶锥松弛的动态，建立计及无功调控的多时段动态优化潮流模型；
采集能源数据进行归一化处理，建立综合能源子系统的模型；
基于配电网系统子系统群的合作关系，建立主动配电网和综合能源子系统合作博弈模型；
建立合作博弈模型分布式求解策略，计算能源利用度，消纳配电网系统内新能源。
2.如权利要求1所述的交流潮流配电网综合能源分布式合作博弈方法，其特征在于：所述建立计及无功调控的多时段动态优化潮流模型包括建立节点功率平衡约束、线路潮流约束以及节点电压相角约束；
节点功率平衡约束表示为：
其中，git表示传统发电机组i在t时段的发电功率，prt表示新能源机组r在t时段的发电功率，pst为储能设备s在t时段的功率，flt表示与节点n相连的输电线路l有功潮流，dJt表示负载机组J负荷功率，分别对应节点n上发电机、新能源机组、储能以及负荷的集合，r(l),s(l)分别表示线路l的首端和末端节点；
线路潮流约束表示为：
其中，表示线路容量，flt表示线路潮流，Xl表示线路电抗，θs(l)t,θr(l)t分别表示线路l首端和末端节点电压相角，表示已有线路集合；
节点电压相角约束表示为：
其中，节点电压相角在约束范围内。
3.如权利要求2所述的交流潮流配电网综合能源分布式合作博弈方法，其特征在于：所述采集能源数据进行归一化处理包括对系统可再生能源消纳、电压偏移、新能源、需求响应以及综合能源进行归一化，目标函数表示为：
其中，CP表示系统总成本，Pmt表示节点m在时段t的弃风弃光功率，Cab表示弃风弃光惩罚系数，κt为现值系数，git为机组i在t时间段发电功率，Gi为机组运行成本系数，与分别表示t时段上级大电网的购电价与售电价，与分别表示t时段配电网与用户的购电量与售电量，CA为弃风弃光惩罚成本，CJ为单位电压偏移成本，Ui表示节点电压，UN表示额定电压，r为折现率，ΩT为发电时间的集合，ΩRE为新能源设备的集合，ΩG为机组设备的集合，ΩI为已有线路的集合。
4.如权利要求3所述的交流潮流配电网综合能源分布式合作博弈方法，其特征在于：所述建立综合能源子系统包括新能源、热电联产、电锅炉、储能、电负荷以及热负荷；
建立的综合能源子系统的模型包括热电联产、电锅炉装置、储能装置、交易成本、需求响应、可再生能源以及交互耦合约束；
综合能源子系统的热电联产机组成本表示为：
其中，Pi,MT,t为综合能源子系统i在t时段内的电功率出力，Cg,t为t时段内购气的价格，ηi,t为第i个燃气机组在t时刻的转换效率，LHVgas为天然气的低热值；
运行约束表示为：
Pi,min≤Pi,MT,t≤Pi,max
其中，Pi,max、Pi,min为综合能源子系统i内机组电功率出力上、下限；
电、热耦合约束表示为：
Pi,MT,t＝δPi,H,t
其中，Pi,H,t综合能源子系统i在t时段内的热功率出力，δ为热电联产机组的热电比；
电锅炉为电热耦合设备，消耗电能产生热能满足热负荷和储热罐需求，电锅炉在分时电价的引导下配合热电联产系统满足热负荷需求增加谷时段的用电量；
运行约束表示为：
Pi,EH,min≤Pi,EH,t≤Pi,EH,max
其中，Pi,EH,t为电锅炉设备的热出力，Pi,EH,min和Pi,EH,max为电锅炉热出力上限和下限；
电、热耦合约束如下：
Pi,EH,t＝γPi,E,t
其中，Pi,E,t子系统i在t时段内消耗的电功率，γ为电锅炉设备的效率；
储能装置在接入系统中参与协调优化运行时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
其中，pES表示储能设备运行成本系数，Pi,char,t表示储能装置t时段储能和充能功率，Pi,dis,t表示储能装置t时段储能和放能功率，Ei,t表示t时段储能装置的存储容量，ηloss、ηchar以及ηdis分别为储能装置的储能损耗率、充能效率以及放能效率，Ei,min和Ei,max表示储能装置的储能容量的上限和下限，αi,char,t和αi,dis,t表示充能和放能状态，为0和1变量，1表示设备处于充能或放能状态，0表示设备停止充放状态，Pi,char,max和Pi,dis,max表示储能设备的最大充放电功率；
计算综合能源子系统i的交易成本表示为：
其中，与分别表示t时段上级大电网的购电价与售电价，与分别表示t时段配电网运营商与下级子系统i的售电量与购电量；
运行约束表示为：
其中，和分别为子系统i与配电网运营商的交易电量限制；
对于电、热综合能源需求负荷分为不参与需求响应的刚性负荷与参与需求响应的柔性负荷，参与需求响应后的电、热负荷表示为：
Le t＝Le,o t+ΔLe t
Lg t＝Lg,o t+ΔLg t
其中，Le t、Lg t分别表示参与需求响应后的电、热负荷，Le,o t和Lg,o t分别表示参与需求响应前的电、热负荷初始预测值，ΔLe t和ΔLg t分别表示电、热负荷响应变化量；
柔性负荷在需求响应过程中变化总量不变，表示为：
电、热负荷减少或增加的百分比满足约束表示为：
-ΔLe max≤ΔLe t≤ΔLe max
-ΔLg max≤ΔLg t≤ΔLg max
其中，ΔLe max和ΔLg max分别表示为电、热负荷允许变化量的最大值；
可再生能源数学模型包括风机出力随机性和间歇性；
当风速小于切入风速或大于切出风速时，风机出力均为0；
当风速处于切入风速与额定风速之间时，风机出力与风速呈线性关系；
当风速处于额定风速与切出风速之间时，风机出力为额定出力，风机的出力与风速的关系表示为：
其中，Pw(V)表示为风机的出力与风速关系，Pr为风机额定出力，Vin、Vout以及Vr分别表示切入风速、切出风速以及额定风速，V为风速变量；
光照强度概率密度函数表示为：
其中，r和rmax分别为当前时段内的实际光强和最大光强，α和β为Beta分布形状参数；
光强r中，PV的可用输出功率pp为一个分段函数，当r小于PV模块的额定光照强度rrated时，输出功率随光强线性递增；
当r达到或超过rrated，PV输出将维持在额定输出功率，表示为：
其中，rrated及分别为光伏模块的额定光强及对应的额定输出功率；
可再生能源出力约束表示为：
0≤Ppv,t≤PPV,t
0≤Pfj,t≤PFJ,t
其中，PPV,t为系统光伏装置在t时段内的预测出力上限，PFJ,t为系统风机在t时段内的预测出力上限；
其中，为第i个子系统在一天内t时段与第j个子系统的电功率交互，和分别为第i个子系统与第j个子系统的电功率交互的下限和上限，表示为：
其中，为第i个子系统在一天内t时段与第j个子系统的热功率交互，和分别为第i个子系统与第j个子系统的热功率交互的下限和上限。
5.如权利要求4所述的交流潮流配电网综合能源分布式合作博弈方法，其特征在于：所述主动配电网和综合能源子系统合作博弈模型包括综合能源子系统通过电力线或能源管道互联，进行能源在不同子系统和不同时段的转移与消纳，目标函数为系统群整体运行成本，表示为：
其中，Ci,MT、Ci,Y以及Ci,ES分别表示综合能源子系统i的燃气机组成本、与配电网运营商交易电能成本以及储能设备成本，I为综合能源子系统的数量；
基于合作博弈和多子系统合作调度模型，子系统为纳什谈判的参与者，合作联盟的优化目标为参与主体的效用乘积最大值，表示为：
其中，与分别表示第i个子系统的目标函数以及与配电网交互过程中的交互成本；
通过对数函数描述不同参与主体的决策偏好和收益期望，表示为：
合作联盟内部不同利益主体对自身效用期望服从收益递减。
6.如权利要求5所述的交流潮流配电网综合能源分布式合作博弈方法，其特征在于：所述建立合作博弈模型分布式求解策略包括在纳什谈判的过程中，联盟内部参与者的电量和热量作为议价策略，表示为：
纳什谈判模型的增广拉格朗日函数表示为：
其中，和表示对偶变量，表示惩罚参数，通过交替方向乘子法进行分层处理，构建下层子问题优化模型，表示为：
其中，表示为固定的对偶变量，表示为耦合变量；
计算和更新对偶变量以及辅助变量，获取与最优交易量的偏差量最小，构建上层子问题模型，表示为：
其中，表示为固定的对偶变量，表示为耦合变量。
7.如权利要求6所述的交流潮流配电网综合能源分布式合作博弈方法，其特征在于：所述消纳配电网系统内新能源包括通过算例分析的求解策略提供配电网系统内的能源利用程度，消纳配电网系统内的新能源。
8.一种采用如权利要求1～7任一所述的交流潮流配电网综合能源分布式合作博弈方法的系统，其特征在于：包括动态优化模块，数据采集模块，合作博弈模块，求解策略模块；
所述动态优化模块用于基于二阶锥松弛的动态，建立计及无功调控的多时段动态优化潮流模型；
所述数据采集模块用于采集能源数据进行归一化处理，建立综合能源子系统的模型；
所述合作博弈模块用于基于配电网系统子系统群的合作关系，建立主动配电网和综合能源子系统合作博弈模型；
所述求解策略模块用于建立合作博弈模型分布式求解策略，计算能源利用度，消纳配电网系统内新能源。
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中任一项所述的交流潮流配电网综合能源分布式合作博弈方法的步骤。
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中任一项所述的交流潮流配电网综合能源分布式合作博弈方法的步骤。
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