一种多微网主体非合作博弈交易方法与流程

[0001]
本发明涉及配电网终端电力市场领域，具体为一种多微网主体非合作博弈交易方法。


背景技术：

[0002]
微电网(micro-grid)也译为微网，是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等组成的小型发配电系统。微电网的出现实现了分布式电源的灵活、高效应用，使分布不同的各类可再生能源相互弥补，优化了资源利用效率。微电网能够通过价格信号或激励信号，参与电网辅助调节，还能以多方博弈的方式参与电力市场调节，有助于实现资源的合理优化配置。
[0003]
但是现有设计存在以下问题：
[0004]
1、缺少能够提供各个微网主体交易的平台。
[0005]
2、没有考虑各微网主体内部清洁能源不确定性对其参与交易可能造成的微网风险。


技术实现要素：

[0006]
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多微网主体非合作博弈交易方法。
[0007]
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0008]
一种多微网主体非合作博弈交易方法，包括以下步骤：
[0009]
步骤1，对配电网终端不同内部构成的各类型微网主体进行市场行为特征分析并进行分类建模，实现对配电网终端各类型微网主体在市场中不同市场行为的模拟；
[0010]
步骤2，根据配电网终端各类型微网主体在市场中不同市场行为的模拟，构建多微网主体之间的分布式交易平台；
[0011]
步骤3，通过分布式交易平台对多个微网主体之间的市场交易行为构建多微网主体非合作博弈交易机制；
[0012]
步骤4，在多微网主体非合作博弈交易机制中，采用两阶段鲁棒优化的方法构建微网主体内两阶段鲁棒优化模型；
[0013]
步骤5，利用列与约束生成算法对微网主体内两阶段鲁棒优化模型进行求解，对求解结果实现多次迭代后各微网主体决策出自身交易策略；
[0014]
步骤6，各微网主体将不断根据博弈情况实行自我优化直至达到纳什均衡，并呈现出不同的市场交易行为。
[0015]
优选的，所述步骤1中对配电网终端不同内部构成的各类型微网主体进行市场行为特征分析并进行分类建模是以配电网终端各微网主体之间交易达到博弈均衡为目标，以微网主体内部功率平衡、微网主体间购售电量平衡、购售电结算限制、燃气轮机及柔性负荷可调控单元调节及运行限制、微网主体间博弈均衡为约束条件，包括对不同类型微网主体
内部构成、不同微网主体内部经济目标、不同微网主体参与购售电过程中的运行成本及收益进行建模；
[0016]
所述微网主体运营商目标函数：
[0017][0018]
其中，为微网主体运营商i在t时刻向其余微网主体运营商、微网购售电运营商以及传统用能用户售电所获取的内部售电收益；为微网主体运营商i在t时刻向电力市场其余参与者售电所获取的外部售电收益；为微网主体运营商i在t时刻采用“自发自用，余量上网”模式时所获取的清洁能源发电补贴收益；为微网主体运营商i在t时刻向其余微网主体运营商、微网购售电运营商购电过程中所需支付的内部购电成本；为微网主体运营商i在t时刻向电力市场其余参与者购电所需支付的外部购电成本；为微网主体运营商i在t时刻为了保证自身内部负荷用电需求采用燃气轮机发电时的生产成本；为微网主体运营商i在t时刻为保证供电稳定性调整柔性负荷时所产生的成本；为微网主体运营商i在t时刻向其余微网主体运营商、微网购售电运营商以及传统用能用户售电时需向电网公司支付的过网费。
[0019]
所述微网主体运营商所获得的发电补贴及售电收益：
[0020][0021]
其中，λ
re
为风电机组采用“自发自用，余量上网”模式时的清洁能源度电补贴；为微网主体运营商i在t时刻向其余微网主体运营商、微网购售电运营商以及传统用能用户售电时的售电报价；为微网主体运营商、微网购售电运营商以及传统用能用户在t时刻向电力市场售电时的外部售电电价；为微网主体运营商i中风电机组在t时刻的发电量；为微网主体运营商i中风电机组在t时刻的发电量；分别为微网主体运营商i在t时刻向其余微网主体运营商、微网购售电运营商以及传统用能用户售电的售电电量；n
i
为微网主体运营商集合i中微网主体运营商的数量；n
n
微网购售电运营商集合n中微网购售电运营商的数量；n
l
为传统用能用户集合l中传统用能用户的数量；为微网主体运营商i在t时刻向电力市场售电时的售电电量。
[0022]
所述微网主体运营商所需支出购电成本及过网费：
[0023][0024]
其中，分别为微网主体运营商j以及微网购售电运营商n在t时刻向其余微网主体运营商、微网购售电运营商以及传统用能用户售电时的售电报价；为微网主体运营商、微网购售电运营商以及传统用能用户在t时刻向电力市场购电时的外部购电电价；λ
td
为微网主体运营商在售电过程中需要向电网公司支付的度电过网费费用；分别为微网主体运营商i在t时刻向其余微网主体运营商以及微网购售电运营商购电的购电电量；为微网主体运营商i在t时刻向电力市场购电时的购电电量。
[0025]
所述微网主体运营商燃气轮机生产成本：
[0026][0027]
燃气轮机生产成本主要由燃气轮机的启停机成本、燃气轮机的发电成本以及燃气轮机的污染气体排放成本组成，其中，λfic、λsuc和λsud分别为燃气轮机在运行过程中的固定成本、启停成本；本专利对燃气轮机的发电成本采用分段线性化的方式进行表征，nn为发电过程中分段的数量；bn为燃气轮机发电出力处于第n段时的成本斜率；δn,t为燃气轮机在t时刻处于第n段上发电出力；为微网主体i中燃气轮机在时刻t发电出力总和；为微网主体i中燃气轮机在时刻t排放的第k类污染气体的排放量；yk、vk分别为微网主体i中燃气轮机在时刻t排放的单位第k类污染气体所需支付的惩罚成本和环境价值；n
k
为污染气体的种类数；和为0-1变量，分别表示微网主体i中的燃气轮机在t时刻是否处于启机状态、停机状态或工作状态。
[0028]
所述微网主体运营商柔性负荷成本：
[0029][0030]
柔性负荷主要是在微网主体运营商供电不足的情况下，通过补偿的方式切除部分负荷以降低供电负担，其中，为供电不足情况下，需要通过补偿手段降低的负荷量；a、b、c为进行补偿过程中需要考虑的价格因素系数。
[0031]
所述微网主体运营商购售电约束：
[0032][0033]
其中，d
it
为微网主体运营商i在t时刻的缺额电量；q
it
为微网主体运营商i内部能量单元在t时刻的富余电量。
[0034]
所述微网主体运营商功率平衡约束：
[0035][0036]
其中，为微网主体i在t时刻的内部负荷量。
[0037]
所述微网主体运营商内部燃气轮机机组相关运行约束：
[0038][0039]
其中，分别表征燃气轮机在运行过程中的最小、最大输出功率；表征燃气轮机在运行过程中第n段的出力上限；r
iu
、r
id
分别表征燃气轮机运行过程中的向上、向下爬坡率。
[0040]
所述微网购售电运营商目标函数：
[0041][0042]
其中，分别为微网购售电运营商的内部售电收益以及外部售电收益；则分别为微网购售电运营商的内部购电成本以及外部购电成本；为微网购售电运营商的储能运行成本；则为微网购售电运营商在售电过程中所需向电网公司支付的过网费。
[0043]
所述微网购售电运营商售电收益：
[0044][0045]
其中，为微网购售电运营商n在t时刻向其余微网购售电运营商、微网主体运营商及传统用能用户售电时的售电报价；分别为微网购售电运营商n在t时刻向其余微网购售电运营商、微网主体运营商以及传统用能用户售电的售电电量；为微
网购售电运营商n在t时刻向电力市场售电时的售电电量。
[0046]
所述微网购售电运营商购电成本：
[0047][0048]
其中，为微网购售电运营商m以及微网主体运营商i在t时刻向其余微网主体运营商、微网购售电运营商以及传统用能用户售电时的售电报价；分别为微网购售电运营商n在t时刻向其余微网购售电运营商以及微网主体运营商购电的购电电量；为微网购售电运营商n在t时刻向电力市场购电时的购电电量。
[0049]
所述微网购售电运营商储能运行成本：
[0050][0051]
其中，λ
esr
为储能单元的单位运行成本；为微网购售电运营商n在t时刻运行时的运行容量。
[0052]
所述微网购售电运营商过网费费用：
[0053][0054]
其中，λ
td
为微网购售电运营商在售电过程中需要向电网公司支付的度电过网费费用。
[0055]
所述微网购售电运营商购售电约束：
[0056][0057]
其中，为微网购售电运营商n内部储能单元在t-1时刻储存的电量；分别为储能单元储存电量的最大值与最小值。此约束主要用于限制微网购售电运营商在交易过程中不能超出储能单元的储存容量。
[0058]
所述微网购售电运营商功率平衡约束：
[0059][0060]
此约束主要限制微网购售电运营商所进行交易仅为当日。
[0061]
所述传统用能用户目标函数：
[0062][0063]
其中，分别为传统用能用户l在t时刻向微网主体运营商、微网购售电运营商购电的内部购电成本、参与电力市场购电的外部购电成本。
[0064]
所述传统用能用户购电成本：
[0065][0066]
其中，分别为传统用能用户l在t时刻向微网主体运营商i购电的购电电价以及购电电量；分别为传统用能用户l在t时刻向微网购售电运营商n购电的购电电价以及购电电量；为传统用能用户l在t时刻的外部购电电量。
[0067]
所述传统用能用户功率平衡约束：
[0068][0069]
其中，为传统用能用户l在t时刻的内部负荷量。
[0070]
所述不同微网主体结算约束：
[0071][0072][0073][0074][0075]
此约束主要表征交易过程中不同微网主体购售电量平衡。
[0076][0077]
此约束主要表征通过平台交易对不同微网主体的售电报价进行限制。
[0078]
优选的，所述多微网主体之间的分布式交易平台采用区块链技术进行构建，区块链技术去中心化、智能合约、可追溯等特点与分布式交易模式的需求相契合，为实现多个微网主体之间的市场交易合理有效的完成，构建了准入机制、加密机制、智能合约机制、共识机制与内外层级购售电机制；
[0079]
所述准入机制即为保证交易平台上交易合理有序的完成对加入平台用户所设置的准入机制，具体应包含用户发电能力、负荷需求、所处地理区域以及信息交互能力等，通过采用准入机制可以在一定程度上确保交易的可靠性，并且为保护用户隐私，对于准入机制的审核应交由当地政府或电网公司进行。
[0080]
所述加密机制即为平台上各用户均可通过区块链技术的特性生成自身专属的公私密钥，当用户在平台上发布消息时仅需提供自身公钥，这样可确保其余用户在响应其需求时的信息交互仅其自身可以进行解密，可以有效降低信息泄露的危险，且可以作为交易双方对相互身份进行校验的依据。
[0081]
所述智能合约机制为分布式交易平台的核心机制，其本质为一个自动执行的程序，交易过程中交易双方可将协议上预设交易达成的条件(交易电量的数额、协商的电价、交易双方基本信息等)录入平台并转入相关交易费用，实际运行过程中平台将根据交易双方所预设的交易条件来处理交易双方电子钱包内的交易费用。
[0082]
所述共识机制是分布式交易平台的基础之一，在用户交易结算后，平台将公布诸如交易电量、双方id等基础信息以供其余用户查验，这一机制可以有效保证平台上交易信息的真实性以及有效性，并为新加入平台的用户降低信任成本提供了可靠的依据。
[0083]
所述内外层级购售电机制则是基于电力市场交易过程中交易双方仅需向电网公司支付过网费，交易双方定价不受电网电价影响，故而交易双方交易电价可视作内部交易电价，取值可介于电网购售电价之间，当平台内部交易结束后仍富余或紧缺的电量可作为整体参与电力市场购电。采用内外层级购售电机制可在一定程度上促进交易双方的定价且有助于提升交易双方经济性。
[0084]
优选的，所述分布式交易平台上的交易流程为以下内容：
[0085]
信息发布阶段：传统用能用户根据自身历史用能数据预测次日需求曲线，通过交易平台发布需求；微网主体运营商根据天气预测及对自身用户负荷的数据分析，预测自身次日需求曲线，根据平台已有信息进行内部优化后发布自身需求；
[0086]
交易协商阶段：微网主体运营商、传统用能用户、微网购售电运营商根据平台上公布的信息选取合适的交易对象进行协商，并在协商过程中调整自身需求，直到达成协议；
[0087]
交易确认阶段：交易平台上各微网主体达成协议后，通过平台签署智能合约并将其中所涉及的资产金额转入平台电子钱包等待结算；
[0088]
交易执行阶段：各微网主体按照合约内容执行交易；
[0089]
交易结算阶段：各微网主体执行完合约后，平台按照智能合约结算资金；
[0090]
信息公开阶段：交易结算完成后，将交易相关基础信息记录至区块链上以供日后查阅。
[0091]
优选的，所述微网主体内两阶段鲁棒优化模型考虑各微网主体内部清洁能源不确定性对其参与交易可能造成的微网风险，根据微网主体运营商内部组成部分经济性，将内外层购售电量、燃气轮机运行状态等作为第一阶段变量，切负荷电量、柔性负荷削减量作为第二阶段变量，并分为主问题与子问题进行表征：
[0092][0093]
其中，x、y为决策变量；a、b、c与h、m、d分别为上式目标函数与约束条件的列向量；a、b、c、d、e、h、m则表示了约束条件的系数矩阵。
[0094][0095][0096]
通过求解主问题mp得出决策变量x
*
，将其代入子问题sp中进行求解得出最恶劣场景以及在此场景下内部可控单元为了保证鲁棒性的出力，通过产生的最恶劣场景又实现对主问题mp中min模型的求解，从而实现主问题与子问题之间的迭代求解，由于子问题在求解之前需要转化为单层，子问题模型为线性，故可采用对偶方法进行处理，λ、π、γ则为相应的变量；
[0097]
风电出力的波动性场景主要由不确定集进行表征，并在此基础上进行优化，不确定集合z
i
为:
[0098][0099][0100][0101]
其中，z
i
表征微网主体运营商i中风电机组的各出力情况的集合；分别为微网主体运营商i中所包含风电机组出力的预测值以及出力波动范围的上下限；γ为风电不确定性的调节参数，取值范围为[0,1]，故而通过选取合适的γ值可以获得实际场景。
[0102]
优选的，所述微网主体内两阶段鲁棒优化模型利用强对偶理论与big-m法将子问题进行线性化处理，然后采用ccg算法实现mp与sp的迭代求解，以求取最优运行策略.
[0103]
优选的，选取合理收敛精度ε后，所述微网主体内两阶段鲁棒优化模型求解步骤为：
[0104]
步骤一：令模型上界u＝+∞，下界l＝-∞迭代次数为n，其中初始值为1，最大值为n
max
；
[0105]
步骤二：求解主问题，得出决策结果并求解目标函数值a
t
x
*
+l
*
，将模型下
界更新为l＝max{l，a
t
x
*
+l
*
}；
[0106]
步骤三：子问题根据主问题决策结果x
*
，求解不确定参数关键场景ξ
*
和y
*
，计算子问题目标函数值b
t
ξ
*
+c
t
y
*
，并将模型上界更新为u＝min{u,a
t
x
*
+b
t
ξ
*
+c
t
y
*
}；
[0107]
步骤四：若(u-l)≤ε，迭代结束，返回x
*
和y
*
；否则，令n＝n+1，将最恶劣场景更新为ξ
n
＝ξ
*
后代入主问题再次求解，并从步骤二开始按流程求解，直到实现收敛或是迭代次数达到nmax。
[0108]
通过采用上述技术方案，利用分解算法将模型分为主问题和子问题进行反复迭代求解，能够加快求解速度，并采用现有求解工具包cplex进行有效求解。
[0109]
本发明的有益效果是：
[0110]
1、多微网主体之间的分布式交易平台采用区块链技术进行构建，区块链技术去中心化、智能合约、可追溯等特点与分布式交易模式的需求相契合，为实现多个微网主体之间的市场交易合理有效的完成，构建了准入机制、加密机制、智能合约机制、共识机制与内外层级购售电机制。
[0111]
2、考虑各微网主体内部清洁能源不确定性对其参与交易可能造成的微网风险情况下，根据微网主体内部风电出力历史数据为依据，构建包括微网主体运营商内部两阶段鲁棒优化模型，利用分解算法将模型分为主问题和子问题进行反复迭代求解，能够加快求解速度，并采用现有求解工具包cplex进行有效求解。
附图说明
[0112]
图1为微网主体运营商1在博弈过程中的电量交易明细；
[0113]
图2为微网主体运营商2在博弈过程中的电量交易明细；
[0114]
图3为微网主体运营商3在博弈过程中的电量交易明细；
[0115]
图4为微网购售电运营商在博弈过程中的电量交易明细；
[0116]
图5为传统用能用户在博弈过程中的电量交易明细；
[0117]
图6为系统构成；
[0118]
图7为不同微网主体在分布式平台上交易流程；
[0119]
图8为分布式交易平台上非合作博弈详细过程。
具体实施方式
[0120]
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
[0121]
本发明除了传统微网主体内部包含的燃气轮机、柔性负荷等可调控因素建模，重点对配电网终端不同内部构成的各类型微网主体进行市场行为特征分析并进行分类建模，实现了对配电网终端各类型微网主体在市场中不同市场行为的模拟，并在此基础上构建了一个多微网主体之间的分布式交易平台，通过分布式交易平台对多个微网主体之间的市场交易行为构建了多微网主体非合作博弈交易机制。在此基础上，考虑内部含有风电的微网主体特性，结合风电典型场景数据以及决策变量的调节特性，构建微网主体内部两阶段鲁棒优化模型，并采用ccg算法对模型进行求解，在实现优化后参与交易过程中则通过不同微网主体的市场行为选择实现了多微网主体之间的非合作博弈，最后通过算例验证了该方法
的有效性。
[0122]
假设系统由不同微网主体构成具体如图5所示，微网主体运营商内部构成各不相同，具体如表1所示；微网主体运营商内部燃气轮机机组采用tau5670型号，具体运行参数及排污参数如表2-3所示；选用psdr的基准负荷占微网主体总负荷的10％。
[0123]
表1各微网主体运营商内部可控单元组成情况
[0124][0125]
表2燃气轮机机组运行参数
[0126][0127]
表3燃气轮机机组排污参数
[0128][0129]
上述微网主体运营商内部构成各不相同，采用随机生成典型场景下的不同微网主体运营商、传统用能用户负荷预测及风电出力预测。
[0130]
根据上述模拟仿真方案进行仿真模拟，微网主体运营商在博弈过程中所产生的电量交易情况如图1-图5所示：
[0131]
如表4所示，通过分析对比图1-图5可知，在进行非合作博弈交易时，不同微网主体用户行为均受其自身构成影响。其中，微网主体运营商因为自身内部既含有能量生产单元又含有能量消费单元的特殊组成，使得其用户行为最为复杂，且其内部清洁能源的波动性进一步加深了复杂程度，故而采用鲁棒优化方式提升其不确定风险抵抗能力对于微网主体
运营商参与分布式交易具有重要的意义；
[0132]
表4不同微网主体收益
[0133][0134]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解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。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。本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。