基于主从博弈的区域综合能源系统的优化设计方法和装置与流程

1.本发明涉及区域综合能源系统领域，尤其是涉及基于主从博弈的区域综合能源系统的优化设计方法和装置。


背景技术：

2.区域综合能源系统是以分布式能源产消者为节点，以电、冷、热能源网络为纽带，连接能源生产、输配、储存和使用等诸环节而形成的多元、立体能源网络系统。区域综合能源系统可以看成是传统单体分布式供能系统与以区域供热供冷系统为主体的区域能源系统的耦合与集成。其提出的根本动因是破解区域内供能侧与用能侧存在的多元能源的匹配与平衡问题。
3.作为一种多能联供系统，随之而来的是复杂的系统配合与能量调控，因此，区域综合能源系统的运行管理对系统综合效益的实现至关重要。区域综合能源系统运行管理研究的主要目的是在满足系统供能与用户需求相互匹配的前提下，最大化挖掘系统收益和价值，因此需要综合考虑到能源和需求方面进行综合考虑，实现整体优化，目前的方法尚不能考虑全面，实现整体优化。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种综合考虑能源和需求方面的基于主从博弈的区域综合能源系统的优化设计方法和装置
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种基于主从博弈的区域综合能源系统的优化设计方法，包括以下步骤：
7.构建以分布式冷、热、电三联供系统为核心的能量传输模型，同时设置能量平衡条件，包括电平衡条件、热平衡条件、冷平衡条件、原动机出力特性约束；
8.建立分布式能源站与能源用户之间的主从博弈模型，该主从博弈模型的博弈方包括供能侧及其策略集、以及用户侧及其策略集，所述主从博弈模型的效用函数包括供能侧的效用函数和用户侧的效用函数；
9.所述供能侧的效用函数包括能源站的收益和能源站的成本；
10.所述用户侧的效用函数包括用户满意函数和用户的能源支付费用。
11.进一步地，所述主从博弈模型的求解流程包括：
12.s1：首先初始化冷、热、电的能源价格，并代入用户侧的效用函数；
13.s2：求得在用户侧的效用函数最优条件下的负荷配置，并将该最优的负荷配置代入所述供能侧的效用函数，求得此时的最优能源价格；
14.s3：重复步骤s2，直至相邻两次迭代后的最优能源价格的偏差小于预设的偏差阈值。
15.进一步地，所述负荷配置求解过程中，还包括设置用户侧实际负荷调整约束，该用户侧实际负荷调整约束的计算表达式为：
16.(d
k，n，mh-l
k，n，mh
≤v
kdk，n，mh
)
17.式中，d
k，n，mh
为在能源种类k下用户逐时需求负荷，l
k，n，mh
为在能源种类k下的实际能源负荷，n为用户，m为月份，n为小时，vk为能源种类k的负荷调整比例。
18.进一步地，所述电平衡条件的计算表达式为：
[0019][0020]
式中，e为电能，n为用户，m为月份，n为小时，l
b，n，m，h
为实际电负荷，q
grid，m，h
为电网购电量，q
pm，m，h
、q
ec，m，h
分别为原动机的发电功率、电制冷机的耗电功率。
[0021]
进一步地，所述热平衡条件的计算表达式为：
[0022][0023]
式中，l
h，n，m，h
为实际热负荷，h
h，pm，m，h
为原动机余热供热量，g
gb，m，h
为燃气锅炉耗气量，η
hb
、η
gb
分别为换热器和燃气锅炉效率，ω为天然气低位热值。
[0024]
进一步地，所述冷平衡条件的计算表达式为：
[0025][0026]
式中，l
c，n，m，h
为实际冷负荷，hc
pm，|m，h
为原动机余热制冷量，cop
ac
、cop
ec
分别为吸收式制冷机和电制冷机的性能系数。
[0027]
进一步地，所述用户满意函数满足：
[0028]
当实际负荷小于用户需求负荷时，函数取正值，表示用户不满意，随着实际负荷接近需求负荷，函数值减小，不满意程度降低；当实际负荷大于需求负荷时，用户满意度函数为负值，表示用户满意，随着实际负荷增加，满意度函数继续减小，用户满意程度持续增加，但变化幅度逐渐趋缓，最终趋于稳定。
[0029]
进一步地，所述用户满意函数的计算表达式为：
[0030][0031]
式中，u
eu,n
为用户满意函数，e为电能，n为用户，m为月份，n为小时，l
k,n,mh
为在能源种类k下的实际能源负荷，d
k,n,mh
为在能源种类k下用户逐时需求负荷，αk为用户用能的弹性参数，为负值；βk为常规负荷下的能源价格。
[0032]
进一步地，所述能源站的成本函数的计算表达式为：
[0033]cdes
＝c
inv
c
grid
c
gas
c
om
[0034]
式中，c
des
为能源站的成本函数，c
inv
为设备年均折算投资费，c
grid
为电网购电费用，c
gas
为燃气费，c
om
为设备运行维护费用。
[0035]
本发明还提供一种基于主从博弈的区域综合能源系统的优化设计装置，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，处理器调用所述计算机程序执行如上所述的方法的步骤。
[0036]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0037]
本发明在区域综合能源系统的能源系统方面，构建了以分布式冷、热、电三联供系统为核心的能量传输模型，并计及了电平衡条件、热平衡条件、冷平衡条件、原动机出力特
性约束；然后通过构建分布式能源站与能源用户之间的主从博弈模型，进行优化求解，综合考虑了能源供给和用户需求方面，通过依次进行的博弈优化，获得综合考虑的区域综合能源系统的负荷和价格配置结果，实现了区域综合能源系统的综合优化配置。
附图说明
[0038]
图1为本发明实施例中提供的一种供电供热模型的结构示意图；
[0039]
图2为本发明实施例中提供的一种供电供冷模型的结构示意图；
[0040]
图3为本发明实施例中提供的一种供热供冷模型的结构示意图；
[0041]
图4为本发明实施例中提供的一种能源站冷、热、电三联供系统的结构示意图；
[0042]
图5为本发明实施例中提供的一种区域综合能源系统中供需两侧博弈示意图；
[0043]
图6为本发明实施例中提供的一种用户的满意度函数示意图；
[0044]
图7为本发明实施例中提供的一种博弈模型求解流程图。
具体实施方式
[0045]
为使本发明实施例的目的、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清楚、完整地描述，显然，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0046]
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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。
[0047]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0048]
实施例1
[0049]
本实施例提供一种基于主从博弈的区域综合能源系统的优化设计方法，包括以下步骤：
[0050]
构建以分布式冷、热、电三联供系统为核心的能量传输模型，同时设置能量平衡条件，包括电平衡条件、热平衡条件、冷平衡条件、原动机出力特性约束；
[0051]
建立分布式能源站与能源用户之间的主从博弈模型，该主从博弈模型的博弈方包括供能侧及其策略集、以及用户侧及其策略集，主从博弈模型的效用函数包括供能侧的效用函数和用户侧的效用函数；
[0052]
供能侧的效用函数包括能源站的收益和能源站的成本；
[0053]
用户侧的效用函数包括用户满意函数和用户的能源支付费用。
[0054]
下面对本发明方法进行详细描述
[0055]
一、区域综合能源系统物理建模
[0056]
1)供电供热模型
[0057]
供电供热模型主要是考虑到热负荷较多的地区，一般以燃气轮机或者
[0058]
燃气内燃机为原动机，辅助设备为余热锅炉和热转换装置，如图1所示。
[0059]
2)供电供冷模型
[0060]
根据区域能源用户的需求，供冷模型中一般以各种制冷机来提供冷负荷，如图2所示。
[0061]
3)供热供冷模型
[0062]
供热-供冷模型一般以热转换器和制冷机作为热负荷、冷负荷的输出端，根据需求，还可以配备水源热泵或空气源热泵作为辅助供能设备，如图3所示。
[0063]
为了实现区域综合能源系统中冷热电需求，本节中供给侧区域分布式能源系统以分布式冷、热、电三联供系统(图4)为核心，主要包括原动机(如燃气内燃机、燃气轮机等)、燃气锅炉、吸收式制冷机、电制冷机等设备。
[0064]
原动机发电为能源用户提供用电需求，不足电量由电网购电补足；原动机发电余热(高温烟气、缸套水余热等)经由换热器换热为用户供热(包括供暖和热水需求)，燃气锅炉备用；溴化锂吸收式制冷机与电制冷机共同满足用户所需冷负荷。基于上述供能结构，在构建各单元设备模型的基础上，以满足终端用户的冷、热、电动态负荷为前提，以多元能量流为纽带，确立综合能源系统冷、热、电能量平衡关系。
[0065]
二、能量平衡
[0066]
在所构建的能源站的物理模型中，需要满足用户侧用能需求，建立冷、热、电能源的平衡。本研究所建立的模型将一天分为24个时段，以每一时段为一个基本单元进行合理的优化。此外，为了增大研究的适用性范围，在本实施例研究中以一年为时间跨度对进行运行优化研究。
[0067]
1)电平衡
[0068]
在整个系统中，假设电能供应由能源站负责，当能源站发电满足不了用户需求时，从电网购电。下式左侧为用户的实际电负荷，右侧为能源站提供的电负荷。电平衡计算式为：
[0069][0070]
式中，e为电能，n为用户，m为月份，n为小时，l
e，n，m，h
为实际电负荷，q
grid，m，h
为电网购电量，q
pm，m，h
、q
ec，m，h
分别为原动机的发电功率、电制冷机的耗电功率。
[0071]
2)热平衡
[0072]
下式左侧为用户的实际热负荷，右侧为能源站提供的热负荷。热负荷由燃气锅炉和原动机余热通过换热器转化共同提供。热平衡计算式为：
[0073][0074]
式中，l
h，n，m，h
为实际热负荷，h
h，pm，，m，h
为原动机余热供热量，g
gb，m，h
为燃气锅炉耗气量，η
he
、η
gb
分别为换热器和燃气锅炉效率，ω为天然气低位热值。
[0075]
3)冷平衡
[0076]
下式左侧为冷负荷的实际负荷，右侧为能源站输出的冷负荷。冷负荷由电制冷机和吸收式制冷机共同提供。
[0077]
[0078]
式中，l
c，n，m，h
为实际冷负荷，hc
pm，|m，h
为原动机余热制冷量，cop
ac
、cop
ec
分别为吸收式制冷机和电制冷机的性能系数。
[0079]
4)原动机出力特性
[0080]
原动机的设备容量须在设备的允许范围之内，另外，其热输出和电输出关系见下式：
[0081]
0≤q
pm，m，h
≤q
pm，max
[0082]hpm，m，h
hc
pm，m，h
＝q
pm，m，h
·
λ
[0083]
式中，q
pm，max
为原动机的额定容量，λ为原动机热电比。
[0084]
5)其他设备出力特性
[0085]
其他各设备运行必须在允许范围内，各自出力均有上下限约束：
[0086]
0≤q
ec，m，h
≤q
ec，max
[0087]
0≤hc
pm，m，h
≤q
ac，max
[0088]
0≤ω
gb，m，h
≤q
gb，max
[0089]
式中，q
ec，max
为电制冷机额定容量，q
ac，max
为吸收式制冷机额定容量，q
gb，max
为燃气锅炉额定容量。
[0090]
三、基于主从博弈的设计与运行优化模型
[0091]
3.1、博弈优化的基本框架
[0092]
本实施例假定所研究的区域综合能源系统由一个分布式能源站和n个独立用户构成，从而形成了1-n型供能架构。供需两侧基于冷、热、电等多元能源需求及相应价格确立能量流与价值流的互动机制，通过博弈协调最终确立区域综合能源系统最优设计与运行方案。考虑到供需两侧明显的主次关系，本文建立分布式能源站与能源用户之间的1-n型主从博弈模型，分析能源站与能源用户之间的多能均衡交易问题。图5为区域综合能源系统中供需两侧博弈示意。图5中，能源站作为博弈的领导者，用户为跟随者，冷、热、电多元能源价格和相应负荷为决策变量。通常，博弈包括博弈方、博弈方策略及效用函数几个主要因素，本实施例所提出的主从博弈基本模型可以表示为：
[0093]
γ＝{s∪z，{w
des
}，{w
eu
}}
[0094]
式中，s为供能侧的策略集，主要包括电、热、冷价，z为用户的策略集，主要为用户实际负荷。w
des
为供能侧的效用函数，w
eu
为用户侧的效用函数；用(s
*
，z
*
)表示主从博弈均衡点，(s
*
，z
*
)∈s
×
z。
[0095]
作为主从博弈的领导者，分布式能源站以最大化收益为原则制定单位能源价格，能源用户对于领导者的策略做出响应，在兼顾用能满意度的前提下实现效用最大化。博弈模型的最终解将会是一个stackerlberg均衡。在均衡解中，能源站侧通过策略集s使得w
des
函数最大化，能源用户在策略集z中求解目标函数w
eu
的最优解。
[0096]
3.2、参与者效用函数
[0097]
效用函数的概念一开始应用于经济学中消费者在消费过程中所获得的效用与所消费的商品之间的关系的函数，以此来衡量用户在参与消费过程中满意的程度，随着能源市场化的推广，在能源市场中也逐渐使用效用函数来表示交易双方的参与能源消费过程中的效益。在博弈过程中，每个参与者对博弈结果有着不同的满意程度，获得不同的收益或支付，而收益或支付往往采用效用的概念。较高的效用意味着参与者获得的满意程度更高。
[0098]
1)供给侧能源站效用函数
[0099]
区域综合能源系统中，供给侧分布式能源站通过对外销售冷、热、电等能源，以弥补其投资和运营费用并获取一定收益，其效用函数主要由两部分组成，能源站的收益和能源站的成本，具体如下式所示：
[0100]
max w
des
＝f
des-c
des
[0101]
式中：w
des
为能源站的效用函数，f
des
为能源站的售能收入，c
des
为能源站的成本函数。
[0102]
(1)能源站的收益
[0103]
能源站的售能收入f
des
表达式见下式，由n个用户的购能总支付组成。由于本节研究的时间跨度为一年，此处能源站的收益表示为每个月的收益与每个月份的天数的乘积，具体如下式所示。
[0104]fdes
＝∑∑∑(pc·
l
c，n，m，h
ph·
l
h，n，m，h
pe·
l
e，n，m，h
)
·
mom[0105]
式中，pc、ph、pe分别为单位冷、热、电价格，mom为m月对应的天数。
[0106]
(2)能源站的成本
[0107]
能源站的成本函数的计算表达式为：
[0108]cdes
＝g
inv
c
grid
c
gas
c
om
[0109]
式中，c
des
为能源站的成本函数，c
inv
为设备年均折算投资费，c
grid
为电网购电费用，c
gas
为燃气费，c
om
为设备运行维护费用。
[0110]
设备的年投资折算费用为：
[0111][0112]
式中，q
i，max
为设备i的额定容量，δi为设备单位容量造价，crfi为投资回报系数，计算公式为：
[0113][0114]
式中，r为资金投资年利率，ni为设备使用年限。
[0115]
电网购电费用计算式为
[0116][0117]
式中，p
grid，m
为电网购电价格。
[0118]
燃气费用由原动机和燃气锅炉消费的天然气两部分组成：
[0119][0120]
式中，η
pm，h
为原动机发电效率，p
gas1
、p
gas2
分别为发电、供热用燃气价格。
[0121]
设备的运行维护费用计算式为：
[0122][0123]
式中，为设备i的运行维护系数，q
i，m，h
为设备i的逐时输出功率。
[0124]
2)需求侧用户效用函数
[0125]
为进一步优化用户用能体验，本实施例将用户的实际负荷偏移理论需求负荷的程度与用户的满意度函数关联，构建用户侧的用户满意度函数作为用户决策的重要依据之一。
[0126]
区域能源用户的效用函数为所有用户的效用函数之和，计算式为：
[0127][0128]
式中，w
eu
为区域所有用户效用函数总和，w
eu，n
为用户n的效用函数。
[0129]
能源用户的效用函数为用户的满意度函数与购能支付费用之和。以用户n为例，由于要求用户效用函数取最大值，所以在式前加负号，即
[0130]weu，n
＝-(u
eu，n
f
des，n
)
[0131]
(1)用户满意度函数
[0132]ueu，n
表示用户的满意度函数，其应该具备以下要求：当实际负荷小于用户需求负荷时，函数取正值，表示用户不满意，随着实际负荷接近需求负荷，函数值减小，不满意程度降低；当实际负荷大于需求负荷时，用户满意度函数为负值，表示用户满意，随着实际负荷增加，满意度函数继续减小，用户满意程度持续增加，但变化幅度逐渐趋缓，最终趋于稳定。
[0133]
如图6所示：
①
当实际负荷小于需求负荷时，即1＜d时，用户不满意，如图6左侧所示，用户的满意度函数为正值，随着实际负荷越接近于需求负荷，用户的满意度函数减小，表示用户的不满意情况降低。
②
当用户实际负荷大于需求负荷时，用户的满意度函数为负值，表示用户满意，随着实际负荷增加，用户满意度函数继续减小，用户的满意情况增加，但是，用户满意度函数也不是一直减小，当达到一定情况，会趋于一个定值。
[0134]
本实施例中，用户的满意度函数为用户购买电、热、冷所获满意度之和，即
[0135][0136]
式中，u
eu，n
为用户满意函数，e为电能，n为用户，m为月份，n为小时，l
k，n，mh
为在能源种类k下的实际能源负荷，d
k，n，mh
为在能源种类k下用户逐时需求负荷，αk为用户用能的弹性参数，为负值；βk为常规负荷下的能源价格。
[0137]
这里所谓能源需求弹性，指在一定时期内能源需求量的相对变动对于价格相对变动的反应程度。研究结果显示，用户对商品的需求弹性与商品的重要程度有关，需求越紧要的商品，其需求弹性越小，反之越大。
[0138]
(2)用户的能源支付费用
[0139]
用户能源支付费用与能源站的能源售能费用相同。
[0140]
四、模型求解
[0141]
4.1、主从博弈均衡存在性证明
[0142]
在主从博弈论中，求得主从博弈(stackerlberg)均衡解是博弈的最终目的，也是对研究结果的理论印证。均衡是指当所有参与者取得均衡策略时，任何一个参与者都无法通过仅改变自身策略来提升自我利益，即均衡的策略为各个理性参与者在一定环境下利益最大的策略。
[0143]
当博弈模型存在纳什均衡时，由纳什均衡的定义可知，(s
*
，z
*
)为博弈模型的均衡
解，此时，供能侧的策略s，用户侧的策略z，双方的效益均可达到纳什均衡意义的最佳值。设s、z是度量空间的紧子集，并且z是度量空间的非空凸集，可知当主从博弈同时满足以下条件时，stackerlberg均衡存在：
[0144]
1)w
eu
是关于策略集z的连续性函数；
[0145]
2)w
eu
是关于l
k，n，m，h
的拟凸函数；
[0146]
3)w
des
是关于策略集s的连续性函数。
[0147]
首先证明条件(1)、条件(3)，由于能源站的效用函数根据能源站售能收益与成本之差计算得到，用户侧的效用函数用上文方式计算，二者关于各变量的连续性显而易见。证明stackerlberg均衡存在，重点要证明上述条件(2)是否满足。由定义“函数f(x)在开区间i有定义，若x2∈i，有：
[0148]
f[rx1 (1-r)x2]≤rf(x1) (1-r)f(x2)，则称f(x)区间i是凸函数或者向下凸函数。”通过推导计算可知，w
eu
满足定义中的凸函数特点，是关于l
k，n，m，h
的拟凹函数。
[0149]
此外，由上述分析可知，能源用户对于能源价格有唯一的最优响应，所有参与博弈的策略集非空且紧凑，因此，能源站和用户之间能源交易的主从博弈存在均衡解。
[0150]
4.1、博弈模型的求解
[0151]
本实施例所构建的主从博弈模型需要经过博弈参与者多轮对弈后达到均衡结果。首先在供给侧，初始化冷、热、电能源价格并代入用户侧效用函数；然后求得用户效用函数最优条件下的负荷，将最优负荷代入能源站侧的效用函数，求得此时的最优能源价格；重复此过程，直至求得最优价格的均衡解。求解流程图如图7所示。
[0152]
用户的负荷调整必须满足正常的负荷要求。此外，为确保用户不会由于能源价格的偏低或过高而影响用户合理的用能需求，对用户侧实际负荷调整约束如下：
[0153]
(d
k，n，m，h-l
k，n，m，h
)≤v
kdk，n，m，h
[0154]
式中，vk为负荷调整比例，针对不同的能源负荷，其取值不同。
[0155]
供能侧根据用户调整后的负荷需求确定能源定价，优化其收益。将用户侧目标函数w
eu
对实际负荷求偏导，得到最优负荷表达式为
[0156][0157]
将此最优负荷代入能源站侧效用函数进行寻优，得到最优能源价格。同时得到能源价格与实际负荷的关系为
[0158][0159]
作为能源价格的约束条件，即：
[0160][0161]
式中：为用户侧取得最优负荷时的最优能源价格。
[0162]
本实施例所应用的求解软件为matlab中的yalmip工具箱，对供需双方互动博弈求解。
[0163]
本实施例还提供一种基于主从博弈的区域综合能源系统的优化设计装置，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，处理器调用所述计算机程序执行如上所述的基于主从博弈的区域综合能源系统的优化设计方法的步骤。
[0164]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。