基于非合作博弈的柔性配电网端对端电能交易方法及装置与流程

1.本发明涉及城市电网规划评估技术领域，特别是涉及基于非合作博弈的柔性配电网端对端电能交易方法及装置。


背景技术：

2.分布式电源、电动汽车等新元素的大量接入对配电网运行提出了更高要求，为满足用户侧多元化、定制化用电需求，传统配电网在多端多电压等级智能软开关(soft open point，sop)等柔性配电设备的支撑下，将逐渐从传统的辐射状结构发展为高度灵活可控的柔性互联结构。通过多端智能软开关互联的各配电网区域将拥有多条能量交互途径，并支持精确可控的功率传输，为多区域柔性互联配电网端对端(peer to peer，p2p)电能交易奠定了物理基础。
3.面对多区域柔性互联配电网的端对端电能交易需求，如何实现多利益主体之间公平有效的电能交易、考虑系统运行约束对交易的影响成为有待解决的问题。
4.端对端电能交易的关键问题在于如何设计具备保护数据隐私、信息对称、公平竞争特性的交易机制。分布式市场出清算法可以用于实现隐私保护、信息对称的柔性互联配电网端对端电能交易。而非合作博弈竞争规则可以用于实现各区域之间公平合理的利润竞争。
5.目前，国内外对多区域柔性互联配电网的研究主要集中在多端智能软开关的运行优化策略制定，如何实现基于智能软开关的端对端电能交易有待进一步研究。因此，面向多区域柔性互联配电网的电能交易需求，需要一种促进各区运行成本降低、考虑隐私保护的端对端电能交易方法。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于针对柔性互联配电网电能交易中交易规则公平性、数据隐私保护等问题，提供一种基于非合作博弈的柔性配电网端对端电能交易方法及装置。
7.本发明提供的基于非合作博弈的柔性配电网端对端电能交易方法，包括如下步骤：
8.以柔性互联配电系统中各互联配电网区域的电能成本最低以及节点电压偏移最小为目标，通过潮流分析形成时段t关于交易功率的成本函数，并根据潮流约束、安全运行约束获取智能软开关端口输出有功功率限制；
9.根据各互联配网区域成本函数及潮流约束、安全运行约束，基于非合作博弈进行各互联配网区域之间的分布式市场出清计算，在实现隐私保护的前提下，确定各时段下层端对端电能交易的出清价格及交易有功功率；
10.智能储能软开关依据得到的下层端对端电能交易结果及成本函数，考虑变流器功率损耗，计算获取智能软开关在各配电网区域的实际传输功率；
11.配电网区域之间按照交易功率及出清价格进行结算，配电网各区域与上级电网按
照实际传输功率及电能价格结算。
12.进一步的，各互联配电网区域形成的时段t关于交易功率的成本函数为：
[0013][0014][0015]
式中，f
k，t
表示区域k时段t的成本函数，π
t
为下层端对端电能交易中所确定的各区之间电能交易价格；为各配电网区域与上级电网进行电能交易的电能价格；分别为时段t区域k在端对端电能交易中的购买、出售有功功率；分别为时段t区域k向上级电网买入、出售有功功率；f
u，k，t
为时段t区域k电压偏移成本函数；δt为交易时段时长；为节点i的负荷功率；ωu为电压越限时失负荷成本折算系数；v
i，t
为节点i的电压的平方值；为节点i额定电压的平方。
[0016]
进一步的，所述的潮流约束为：
[0017][0018][0019][0020][0021][0022]vi，t-v
j，t
＝2(r
ij
p
ij，t
x
ijqij，t
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0023]
式中，分别为区域k的支路、节点集合；为智能储能软开关接入区域k的节点集合；p
ji，t
、q
ji，t
分别为时段t支路ji上流过的有功、无功功率；p
ik，t
、q
ik，t
分别为时段t支路ik上流过的有功、无功功率；p
i，t
、q
i，t
分别为时段t节点i的净注入有功、无功功率；分别为时段t节点i分布式电源有功、无功出力；为智能储能软开关在接入节点的注入有功功率；分别为时段t节点i的有功、无功负荷；r
ij
、x
ij
分别为支路ij的电阻和电抗。
[0024]
进一步的，所述的系统安全运行约束为：
[0025][0026][0027]
式中，ω
t
为一个交易日的交易时段集合；i
ij，t
为支路ij电流值平方；为支路ij电流平方值的上限；vi分别为节点i的电压的平方值上、下限；
[0028]
其中，各区域k的有功功率平衡约束可以表示如下：
[0029][0030][0031]
各区域在端对端电能交易市场中，同一时段下仅作为买方或者卖方参与电能交易，相应的约束可以表示为：
[0032][0033][0034]
式中，β
k，t
为表示区域k在时段t市场身份的二进制变量，取1时表示区域k为卖方；s
sop
为智能储能软开关的变流器容量。
[0035]
进一步的，基于非合作博弈进行各互联配网区域之间的分布式市场出清计算方法为：
[0036]
a)设置迭代次数h＝1，各区域k设置初始端对端电能交易市场售电电价
[0037]
b)各区域收集其他区域的售电电价，并根据最高电价计算本区域是买家还是卖家，以及最佳购电功率或售电功率，其计算方式如下：
[0038][0039][0040]
式中，f
s，t
为卖方s的成本函数，f
b，t
为买方b的成本函数；分别为卖方s、买方b的售电和购电功率；
[0041]
c)出于隐私保护需求，卖方之间产生并共享同一辅助参数mh，各卖方s生成辅助变量并传给各买方；各买方b根据如下公式计算其分配给各个卖方s的电能需求量：
[0042][0043]
ωb∪ωs＝ωrꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)
[0044]
式中，ωb为买方区域集合，ωs为卖方区域集合，ωr为柔性互联配电网区域集合，为卖方s分配得到的买方b的电能需求；
[0045]
d)各卖方根据如下公式计算并更新售电电价：
[0046][0047]
式中，σ
s，t
为卖方s的电能价格调整系数；
[0048]
e)判断各个卖方的电价是否满足迭代收敛条件，满足则终止迭代，不满足则设置h
＝h 1，并重复步骤b)-d)，收敛条件如下所示：
[0049][0050]
式中，ε为卖方售电价格迭代收敛误差。
[0051]
基于非合作博弈的柔性配电网端对端电能交易装置，该装置包括如下：
[0052]
成本函数及潮流约束、安全运行约束获取模块，用于以柔性互联配电系统中各互联配电网区域的电能成本最低以及节点电压偏移最小为目标，通过潮流分析形成时段t关于交易功率的成本函数，并根据潮流约束、安全运行约束获取智能软开关端口输出有功功率限制；
[0053]
出清价格及交易有功功率获取模块，用于根据各互联配网区域成本函数及潮流约束、安全运行约束，基于非合作博弈进行各互联配网区域之间的分布式市场出清计算，在实现隐私保护的前提下，确定各时段下层端对端电能交易的出清价格及交易有功功率；
[0054]
智能软开关实际传输功率获取模块，用于智能储能软开关依据得到的下层端对端电能交易结果及成本函数，考虑变流器功率损耗，计算获取智能软开关在各配电网区域的实际传输功率；
[0055]
电能结算模块，用于配电网区域之间按照交易功率及出清价格进行结算，配电网各区域与上级电网按照实际传输功率及电能价格结算。
[0056]
一种计算设备，包括：
[0057]
一个或多个处理单元；
[0058]
存储单元，用于存储一个或多个程序，
[0059]
其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理单元执行，使得所述一个或多个处理单元执行如上所述的基于非合作博弈的柔性配电网端对端电能交易方法。
[0060]
一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的基于非合作博弈的柔性配电网端对端电能交易方法。
[0061]
本发明的优点和积极效果是：
[0062]
本发明的柔性互联配电网端对端电能交易方法，立足于实现柔性互联配电网中区域之间公平竞争的电能交易，以智能软开关的功率调整为交易主体，充分考虑各区域的电压控制需求，以电能成本以及电压偏差最小为目标构建各区域关于交易功率的成本函数，各区以自身交易获利最高为目标，依据成本函数进行基于非合作博弈的端对端电能交易，并采用分布式算法实现数据隐私保护及市场出清，进一步考虑智能软开关变流器损耗进行交易功率微调，使得交易结果满足系统运行约束。
附图说明
[0063]
图1是本发明的基于非合作博弈的柔性配电网端对端电能交易方法流程图；
[0064]
图2是天津北辰示范区四端智能软开关柔性互联配电网示意图；
[0065]
图3是光伏、风机及负荷运行曲线；
[0066]
图4是上级电网电能价格曲线；
[0067]
图5是两种方案下各配电网区域的电压分布；
[0068]
图6是端对端电能交易中各区的成本降低；
[0069]
图7是各区在交易微调后的端对端电能交易有功功率；
[0070]
图8是端对端交易电价结果。
具体实施方式
[0071]
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术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，都属于本发明保护的范围。
[0072]
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
[0073]
本发明的基于非合作博弈的柔性配电网端对端电能交易方法，如图1所示，包括如下步骤：
[0074]
根据选定的柔性互联配电系统，输入各配电网区域的系统参数、网络拓扑连接关系，输入智能软开关接入位置及相关参数，并以智能软开关的调节功率为电能交易对象；输入负荷及分布式电源接入位置、容量及参数；输入负荷及分布式电源日运行曲线；设置系统运行电压水平和支路电流限制；选取基准电压和基准功率值；输入各时段t各配电网区域与上级电网的电能交易价格；设置一个运行日中各交易时段时长δt；输入极端电压偏移下的失负荷单位成本；
[0075]
对于本实施例，天津北辰示范区含四端智能软开关的配电网如图2所示，详细参数见表1和表2。示范区以喜逢台110kv变电站、风电园110kv变电站作为中心形成包含四条馈线的双环网结构，四个配电网区域通过四端智能软开关柔性互联，电压等级均设置为10.5kv，负荷总有功功率需求和总无功功率需求分别为9.9880mw和7.3350mvar。
[0076]
为考虑高渗透率分布式电源的接入影响，分布式电源接入情况如表3所示。分布式电源功率因数均设定为1.0。分布式电源出力和负荷需求曲线如图3所示。四端智能软开关各端口换流器容量均设置为3mva，损耗系数设置为0.01。设定系统基准功率为1mva。有源配电网电压安全运行范围为0.90p.u.～1.10p.u.。
[0077]
一个交易日中，每个交易时段时长δt设置为1小时，总计24个交易时段。上级电网在各时段的电能价格曲线如图4所示。依据失负荷成本计算得到的电压偏移成本系数ωu设置为0.011。
[0078]
依据提供的各配电网区域的系统参数、网络拓扑、智能软开关接入位置、负荷和分布式电源的位置、容量、日运行曲线、以及上级电网电能价格、失负荷单位成本参数，各互联配电网区域k以电能成本最低以及节点电压偏移最小为目标，通过潮流分析形成t时段关于交易功率的成本函数f
k，t
，并根据潮流约束、安全运行约束等计算智能软开关端口输出有功功率限制；
[0079]
各互联配电网区域形成的时段t关于交易功率的成本函数为：
[0080][0081]
[0082]
式中，f
k，t
表示区域k时段t的成本函数，π
t
为下层端对端电能交易中所确定的各区之间电能交易价格；为各配电网区域与上级电网进行电能交易的电能价格；分别为时段t区域k在端对端电能交易中的购买、出售有功功率；分别为时段t区域k向上级电网买入、出售有功功率；f
u，k，t
为时段t区域k电压偏移成本函数；δt为交易时段时长；为节点i的负荷功率；ωu为电压越限时失负荷成本折算系数；v
i，t
为节点i的电压的平方值；为节点i额定电压的平方。
[0083]
所述的潮流约束为：
[0084][0085][0086][0087][0088][0089]vi，t-v
j，t
＝2(r
ij
p
ij，t
x
ijqij，t
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0090]
式中，分别为区域k的支路、节点集合；为智能储能软开关接入区域k的节点集合；p
ji，t
、q
ji，t
分别为时段t支路ji上流过的有功、无功功率；p
ik，t
、q
ik，t
分别为时段t支路ik上流过的有功、无功功率；p
i，t
、q
i，t
分别为时段t节点i的净注入有功、无功功率；分别为时段t节点i分布式电源有功、无功出力；为智能储能软开关在接入节点的注入有功功率；分别为时段t节点i的有功、无功负荷；r
ij
、x
ij
分别为支路ij的电阻和电抗。
[0091]
所述的系统安全运行约束为：
[0092][0093][0094]
式中，ω
t
为一个交易日的交易时段集合；i
ij，t
为支路ij电流值平方；为支路ij电流平方值的上限；vi分别为节点i的电压的平方值上、下限；
[0095]
其中，各区域k的有功功率平衡约束可以表示如下：
[0096][0097][0098]
各区域在端对端电能交易市场中，同一时段下仅作为买方或者卖方参与电能交
易，相应的约束可以表示为：
[0099][0100][0101]
式中，β
k，t
为表示区域k在时段t市场身份的二进制变量，取1时表示区域k为卖方；s
sop
为智能储能软开关的变流器容量。
[0102]
依据得到的各配网区域成本函数，进行各区之间基于非合作博弈的分布式市场出清计算，在实现隐私保护的前提下，确定端对端电能交易的交易价格π
t
，以及各区域k在t时段的买入功率或出售功率
[0103]
所述的基于非合作博弈的分布式市场出清计算方法，可描述为：
[0104]
a)设置迭代次数h＝1，各区域k设置初始端对端电能交易市场售电电价
[0105]
b)各区域收集其他区域的售电电价，并根据最高电价计算本区域是买家还是卖家，以及最佳购电功率或售电功率其计算方式如下：
[0106][0107][0108]
式中，f
s，t
为卖方s的成本函数，f
b，t
为买方b的成本函数；分别为卖方s、买方b的售电和购电功率。
[0109]
c)出于隐私保护需求，卖方之间产生并共享同一辅助参数mh，各卖方s生成辅助变量并传给各买方。各买方b根据如下公式计算其分配给各个卖方s的电能需求量：
[0110][0111]
ωb∪ωs＝ωrꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)
[0112]
式中，ωb为买方区域集合，ωs为卖方区域集合，ωr为柔性互联配电网区域集合，为卖方s分配得到的买方b的电能需求。
[0113]
d)各卖方根据如下公式计算并更新售电电价：
[0114][0115]
式中，σ
s，t
为卖方s的电能价格调整系数。
[0116]
e)判断各个卖方的电价是否满足迭代收敛条件，满足则终止迭代，不满足则设置h＝h 1并重复步骤b)-d)，收敛条件如下所示：
[0117]
[0118]
式中，ε为卖方售电价格迭代收敛误差。
[0119]
智能软开关依据得到的端对端电能交易结果，考虑变流器功率损耗，计算智能软开关在各配电网区域的实际传输功率；
[0120]
(1)所述的智能软开关实际传输功率计算方法可以表示为：
[0121][0122][0123]
式中，为t时段区域k在交易微调中待确定的智能软开关实际有功功率设定值；为t时段区域k在端对端电能交易中所确定的有功交易功率；为t时段智能软开关在区域k变流器端口的损耗功率；a
sop
为智能软开关变流器损耗系数。
[0124]
各区之间按照交易功率及出清价格进行结算，各区与上级电网按照实际传输功率及电能价格结算。
[0125]
为了验证本发明中交易方法的可行性及有效性，本实施例中，采取如下两种场景进行验证分析：
[0126]
方案i：各配电网区域不参与电能交易，得到配电网初始状态下的运行水平及成本。
[0127]
方案ii：各配电网区域通过智能软开关进行多区域柔性互联配电网端对端电能交易，并在交易后进行基于智能软开关的有功功率交易微调。
[0128]
方案i、ii中，各区的日运行成本如表4所示。两种方案中，各配电网区域的电压分布如图5所示。在方案ii的端对端电能交易结果中各区域的成本降低如图6所示，各区在端对端电能交易中微调后的有功功率交易结果如图7所示。方案ii中，端对端电能交易电价如图8所示。
[0129]
执行求解计算的计算机硬件环境为intel(r)core(tm)i5-5200u cpu，主频为2.20ghz，内存为4gb；软件环境为windows 10操作系统。
[0130]
相比于不参与市场交易的方案i，方案ii中基于非合作博弈的柔性互联配电网端对端电能交易实现了各区运行成本的有效降低、改善了各区电压分布，并保障了市场参与者成本隐私。
[0131]
由两种方案对比看出，利用本发明提出的一种基于非合作博弈的多区域柔性互联配电网端对端电能交易方法，可以有效提升系统运行经济性，改善系统电压分布。
[0132]
表1天津北辰示范区配电网算例负荷接入位置及功率
[0133][0134][0135]
表2天津北辰示范区配电网算例线路参数
[0136][0137][0138]
表3分布式电源接入位置及容量
[0139]
区域光伏容量/mva风机容量/mva风331.0-郎171.02.0喜64-2.0喜51-2.0
[0140]
表4各配电网区域日运行成本
[0141]
[0142]
基于非合作博弈的柔性配电网端对端电能交易装置，该装置包括如下：
[0143]
成本函数及潮流约束、安全运行约束获取模块，用于以柔性互联配电系统中各互联配电网区域的电能成本最低以及节点电压偏移最小为目标，通过潮流分析形成时段t关于交易功率的成本函数，并根据潮流约束、安全运行约束获取智能软开关端口输出有功功率限制；
[0144]
出清价格及交易有功功率获取模块，用于根据各互联配网区域成本函数及潮流约束、安全运行约束，基于非合作博弈进行各互联配网区域之间的分布式市场出清计算，在实现隐私保护的前提下，确定各时段下层端对端电能交易的出清价格及交易有功功率；
[0145]
智能软开关实际传输功率获取模块，用于智能储能软开关依据得到的下层端对端电能交易结果及成本函数，考虑变流器功率损耗，计算获取智能软开关在各配电网区域的实际传输功率；
[0146]
电能结算模块，用于配电网区域之间按照交易功率及出清价格进行结算，配电网各区域与上级电网按照实际传输功率及电能价格结算。
[0147]
一种计算设备，包括：
[0148]
一个或多个处理单元；
[0149]
存储单元，用于存储一个或多个程序，
[0150]
其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理单元执行，使得所述一个或多个处理单元执行上述的基于非合作博弈的柔性配电网端对端电能交易方法；需要说明的是，计算设备可包括但不仅限于处理单元、存储单元；本领域技术人员可以理解，计算设备包括处理单元、存储单元并不构成对计算设备的限定，可以包括更多的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如计算设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
[0151]
一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的基于非合作博弈的柔性配电网端对端电能交易方法的步骤；需要说明的是，可读存储介质例如可以是，但不限于，电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合；可读介质上包含的程序可以用任何适当的介质传输，包括，但不限于无线、有线、光缆，rf等等，或者上述的任意合适的组合。例如，可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本发明操作的程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，诸如java，c 等，还包括常规的过程式程序设计语言，诸如c语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行，或者完全在远程计算设备或服务器上执行。在涉及远程计算设备的情形中，远程计算设备可以通过任意种类的网络——包括局域网(lan)或广域网(wan)连接到用户计算设备，或者，可以连接到外部计算设备(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
[0152]
最后需要指出的是：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。