一种考虑电碳市场的产消者动态碳计量运行优化方法及系统与流程

本发明涉及能源系统低碳运行优化，尤其涉及一种考虑电碳市场的产消者动态碳计量运行优化方法及系统。

背景技术：

1、在低碳发展与能源系统转型目标的驱动下，能源系统的低碳化已成为区域能源可持续发展的重要方向。园区综合能源系统（park integrated energy system, pies）作为工业生产、能源消费与碳排放的集中载体，其高效运行与精准控碳能力，直接关系到低碳转型目标的实现程度。近年来，电-碳市场的协同联动逐渐成为推动园区低碳转型的关键路径，通过能源市场与碳市场的信号融合，可引导能源生产与消费向低碳化方向优化。

2、本发明所称“产消者”，是指同时具备分布式能源生产、能源消费、储能调节以及电能交易和碳配额交易能力的园区主体；园区综合能源系统（park integrated energysystem，pies）是所述产消者的一种典型物理实现形式。

3、随着分布式可再生能源和柔性负荷的大量接入，源侧和荷侧均呈现强烈的随机波动性，这种不确定性不仅加剧了系统状态的动态变化，还使得确定性调度方法难以保证决策的时效性与鲁棒性。此外，由于储能设备状态的多元性和时间耦合性，传统的碳排放流模型难以对含储能设备的系统的碳排放特性进行准确的刻画，致使储能设备在调度决策中的灵活性难以得到充分挖掘；在分层优化调度方面，现有方法多上层制定交易计划后下层被动执行，上层无法感知下层的实际可执行能力，导致计划与执行之间存在偏差；当出现预测误差或设备状态突变时，缺乏有效的反馈修正机制，造成交易计划不可执行或执行效率低下；同时，现有分层调度中碳价多作为外生给定参数，未与能源调度形成闭环联动，上层交易计划无法响应碳排放强度的实时变化，下层执行也难以通过碳价信号引导低碳调度。在不确定性处理方面，现有随机优化依赖精确概率分布，鲁棒优化过于保守，二者均难以在不确定环境下兼顾经济性与鲁棒性；且现有方法多将不确定性处理与上层交易决策分离，缺乏电-碳协同框架下的统一不确定性量化与优化机制。

4、综上，在碳交易市场逐渐成熟背景下，对于pies碳排放流的研究中仍旧存在碳排放流量化精细度不足的问题。在储能应用率逐步上升的背景下，传统碳计量模型难以精准捕捉储能设备“充放一体”的双重碳特性，且已有的模型求解方法与多能流耦合过程碳特性的适配性不足，随着源荷两侧随机性加剧系统动态波动，现有优化模型难以同时适应电-碳市场动态变化、多层协同调度以及不确定性量化与优化相统一的需求，亟需构建计及动态碳计量、电-碳协同交易与分层滚动优化的综合能源系统运行优化方法。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种考虑电碳市场的产消者动态碳计量运行优化方法及系统。

2、为实现上述发明目的，本发明具体采用以下技术方案。

3、第一方面，本发明公开了一种考虑电碳市场的产消者动态碳计量运行优化方法，其特征在于，所述方法包括：

4、构建产消者园区的碳排放流模型，计算产消者园区的节点碳排放强度，并根据所述节点碳排放强度计算动态碳价信号；

5、基于所述碳排放流模型及动态碳价信号，构建包括上层跨园区电碳交易协同优化模型与下层各产消者园区本地运行优化模型的双层优化模型；所述上层跨园区电碳交易协同优化模型用于确定各产消者园区的计划交易量以及交易边界；所述计划交易量包括计划电能交易量、计划碳配额交易量；所述交易边界包括电能交易边界、碳配额交易边界；所述下层各产消者园区本地运行优化模型，用于在满足包括计划交易量跟踪约束、交易边界约束的各约束条件下，确定各产消者园区的设备控制量与实际交易量；所述实际交易量包括实际电能交易量、实际碳配额交易量；

6、基于滚动反馈机制对双层优化模型进行分层迭代求解，包括：求解上层跨园区电碳交易协同优化模型得到各产消者园区的计划交易量及交易边界；基于所述计划交易量及交易边界，更新下层各产消者园区本地运行优化模型的计划交易量跟踪约束以及交易边界约束，并求解得到各产消者园区设备控制量与实际交易量；各产消者园区将实际交易量相对于计划交易量的执行偏差、以及基于实测状态计算的可执行交易能力区间反馈至上层，用于修正未来时段的计划交易量及交易边界，并重新下发至下层；所述可执行交易能力区间包括电能可执行交易能力区间、碳配额可执行交易能力区间。

7、进一步优选地，

8、所述产消者园区的碳排放流模型包括电力网络碳排放流模型、热力网络碳排放流模型和天然气网络碳排放流模型，各网络碳排放流模型基于碳排放守恒原则，结合网络潮流计算各类能源的节点碳排放强度。

9、进一步优选地，

10、所述产消者园区的节点碳排放强度按以下方式确定: 将产消者园区等值为电-热-气耦合网络中的综合能源节点，分别计算产消者园区与外部能源网络连接处的关口电力节点、热力节点和天然气节点对应的节点碳排放强度，以各类能源注入园区的能量占比为权重，对各类能源节点的节点碳排放强度进行加权平均，得到产消者园区的节点碳排放强度。

11、进一步优选地，

12、所述动态碳价信号，具体按以下方式确定：

13、

14、其中，为园区

i在时段

t的动态碳价信号，为基准碳价，为园区

i在时段

t的节点碳排放强度，为基准节点碳排放强度，为碳价映射系数，和分别为预设碳价下限和上限。

15、进一步优选地，

16、所述上层跨园区电碳交易协同优化模型，其优化目标为最小化各园区总运行成本，所述各园区总运行成本包括跨园区交易成本，所述跨园区交易成本，其中，、分别为园区在时段与园区的电能交易量、碳配额交易量；为园区在时段与园区的电能交易价格；为园区

i在时段

t与园区

j的碳配额交易价格，取园区与园区动态碳价信号的算术平均值。

17、进一步优选地，

18、所述上层跨园区电碳交易协同优化模型，还包括碳排放量约束：

19、

20、其中，和分别为园区

i在时段

t和时段的碳排放量；为园区

i在时段

t与园区

j的碳配额交易量；为全部产消者园区构成的集合；为电储能设备

b在时段

t的电碳比；为电储能设备

b在时段

t的可用容量；和分别为外购电力和外购天然气的碳势；为园区

i在时段

t的外购电功率；为园区

i在时段

t的外购天然气等效热功率。

21、进一步优选地，

22、所述电储能设备

b在时段

t的电碳比，按以下方式确定：

23、

24、

25、

26、其中，、分别为电储能设备

b在时段

t、

t-1的电碳比；、分别为电储能设备

b在时段

t-1、

t的可用容量；为电储能设备

b在时段

t充入的碳排放量；为电储能设备

b在时段

t释放的碳排放量；为电储能设备

b在时段

t的充电功率；为电储能设备

b所在节点在时段

t的节点碳排放强度；为时间间隔；为电储能设备

b在时段

t的放电功率；为电储能设备

b充当发电设备时在时段

t的源侧碳排放强度；为电储能设备

b的放电效率。

27、进一步优选地，

28、所述上层跨园区电碳交易协同优化模型，还包括电-碳耦合约束，即当园区

j向园区

i售电时，需满足：

29、

30、其中，为时段

t园区

j和园区

i的电能交易量；为对应的碳配额交易量；为卖方园区

j在时段

t的实时节点碳排放强度；为碳责任转移系数，且0≤≤1。

31、进一步优选地，

32、所述下层各产消者园区本地运行优化模型，其计划交易量跟踪约束，具体为：

33、

34、其中，、分别为下层各产消者园区本地运行优化模型中待求解的实际电能交易量、实际碳配额交易量；、为上层跨园区电碳交易协同优化模型输出的计划电能交易量、计划碳配额交易量；为预设的允许波动比例；、分别为电能和碳配额交易基准量；、分别为电能可执行交易能力区间的下限和上限，、分别为碳配额可执行交易能力区间的下限和上限；所述可执行交易能力区间的下限和上限，由下层各产消者园区基于上一时段实际交易量执行完毕后的实测状态计算得到。

35、进一步优选地，

36、所述下层各产消者园区本地运行优化模型采用分布鲁棒优化方法处理新能源出力及负荷的不确定性，所述分布鲁棒优化通过生成不确定性场景、筛选典型场景并赋予权重构建经验分布，在wasserstein距离约束的不确定分布集合内优化最坏概率分布下的园区综合期望运行成本；其目标函数具体为：

37、

38、其中，为典型场景

s的本地运行成本；为典型场景

s的权重，且全部典型场景权重之和为1；为典型场景总数量；

λ为不确定性惩罚权重；为不确定性惩罚成本；、分别为电能交易与碳配额交易的跟踪惩罚系数；、分别为园区

i在时段

t待求解的实际电能交易量、实际碳配额交易量；、分别为上层跨园区电碳交易协同优化模型输出的计划电能交易量、计划碳配额交易量。

39、进一步优选地，

40、所述对双层优化模型进行分层迭代求解，其中，所述上层跨园区电碳交易协同优化模型采用分布式优化方法求解，将跨园区协同优化问题拆解为各产消者园区子问题，通过交替更新各园区子问题的本地决策变量与全局一致性变量迭代求解；所述下层各产消者园区本地运行优化模型采用模型预测控制滚动优化机制求解，预测窗口包含未来多个时段，每次仅执行首个时段决策，后续时段决策随实测数据更新动态调整。

41、进一步优选地，

42、所述各产消者园区将实际交易量相对于计划交易量的执行偏差、以及基于实测状态计算的可执行交易能力区间反馈至上层，用于修正未来时段的计划交易量及交易边界，具体包括：

43、上层跨园区电碳交易协同优化模型基于产消者园区当前的执行偏差，计算综合偏差指标，当所述综合偏差指标超过预设偏差阈值时，触发对越限园区及与其存在交易关系的园区对应的子问题的局部重迭代，所述局部重迭代包括：仅对偏差越限园区及与其存在交易关系的园区对应的子问题重新求解，其他园区子问题保持前次迭代值不变；将参与重新求解的园区的交易量限制在下层回传的可执行交易能力区间内，并依据执行偏差自适应更新一致性惩罚系数；以前次迭代值为初值进行热启动，当执行偏差不超过预设偏差阈值、一致性残差小于预设残差值、或重迭代次数达到预设最大次数时，停止迭代并重新下发未来时段的计划交易量及交易边界。

44、第二方面，本发明公开了一种基于前述方法的考虑电碳市场的产消者动态碳计量运行优化系统，包括产消者园区碳排放流模型构建及动态碳价信号计算模块、双层优化模型构建模块和双层优化模型求解模块；

45、产消者园区碳排放流模型构建及动态碳价信号计算模块，用于构建产消者园区的碳排放流模型，计算产消者园区的节点碳排放强度，并根据所述节点碳排放强度计算动态碳价信号；

46、双层优化模型构建模块，用于基于所述碳排放流模型及动态碳价信号，构建包括上层跨园区电碳交易协同优化模型与下层各产消者园区本地运行优化模型的双层优化模型；所述上层跨园区电碳交易协同优化模型用于确定各产消者园区的计划交易量以及交易边界；所述计划交易量包括计划电能交易量、计划碳配额交易量；所述交易边界包括电能交易边界、碳配额交易边界；所述下层各产消者园区本地运行优化模型，用于在满足包括计划交易量跟踪约束、交易边界约束的各约束条件下，确定各产消者园区的设备控制量与实际交易量；所述实际交易量包括实际电能交易量、实际碳配额交易量；

47、双层优化模型求解模块，用于基于滚动反馈机制对双层优化模型进行分层迭代求解，包括：求解上层跨园区电碳交易协同优化模型得到各产消者园区的计划交易量及交易边界；基于所述计划交易量及交易边界，更新下层各产消者园区本地运行优化模型的计划交易量跟踪约束以及交易边界约束，并求解得到各产消者园区设备控制量与实际交易量；各产消者园区将实际交易量相对于计划交易量的执行偏差、以及基于实测状态计算的可执行交易能力区间反馈至上层，用于修正未来时段的计划交易量及交易边界，并重新下发至下层；所述可执行交易能力区间包括电能可执行交易能力区间、碳配额可执行交易能力区间。

48、第三方面，本发明提供一种终端，包括处理器及存储介质；

49、所述存储介质用于存储指令；

50、所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行本发明第一方面中任一项所述方法的步骤。

51、第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本发明第一方面中任一项所述方法的步骤。

52、本发明的有益效果在于，与现有技术相比：

53、（1）通过碳排放流模型和储能电碳比对产消者园区的碳状态进行动态计量，使储能充放电过程对应的碳责任能够在运行优化中体现，为储能充放电时机和交易量决策提供量化依据；

54、（2）通过实时节点碳排放强度形成动态碳价信号和电—碳耦合交易约束，使购入电能对应的碳责任在交易计划阶段同步体现；

55、（3）通过下层回传执行偏差向量和可执行交易能力区间，使上层交易计划与园区设备物理可行域保持一致；

56、（4）通过偏差触发的局部热启动重迭代和惩罚系数自适应更新，仅重解受影响园区及其交易对手，减少全量迭代；

57、（5）通过场景权重和分布鲁棒容忍半径随预测误差更新，在预测误差增大时增强鲁棒性、误差减小时降低保守性。