考虑综合能源系统灵活性的市场互动收益模型计算装置的制作方法

1.本发明属于电力系统及其自动化，考虑综合能源系统优化配置技术领域，尤其涉及一 种考虑综合能源系统灵活性的市场互动收益模型计算装置。


背景技术：

2.能源是人类赖以生存和发展的基础，是国民经济的命脉。为此“开源”和“节流”已 成为人类未来能源发展的两大重要趋势：“开源”在于开发各类清洁能源，如电力系统中 天然气、风、光等清洁能源发电比例不断提高；“节流”在于利用多能协同互补，提高能 源综合利用效率。电力系统是能源清洁高效利用的最重要载体之一，其燃气、新能源发电 等装机容量近年来获得迅猛发展，系统低碳化水平不断提高。然而，随着具有极强波动性 和随机性的可再生电源以及数量日益增加的电力电子设备接入电网，其低抗扰、弱支撑、 低惯量特性将使电网频率、电压等安全稳定问题日益突出，同时也限制了可再生能源在电 网中能源利用水平的提升。
3.为解决上述问题，世界各国开展了大量学术研究和工程示范，如增加清洁电源选址多 样性，降低网络中清洁能源发电总值的波动幅度；建立跨区域特高压互联大电网，使得新 能源发电充足的区域能够及时向高负荷区域输电；增加网络中储能(抽蓄，压缩空气，电 池等)，实现过剩电能的存储和转移利用；在一定范围内实施需求侧管理，如基于分时电 价引导用户改变其用电时间分布等，进而提升电网中功率平衡调节水平。归纳来看，上述 手段均从不同侧面提升了电力系统的设备可控性或配置冗余性，使电力系统运行更为灵活， 有助于系统应对各类不确定性扰动，维持稳定运行。然而，随着电力系统的发展，系统复 杂度逐渐提升，其源、荷两端的功率波动水平将持续增加，一味加大投入、增加冗余的解 决方案将难以为继。如何进一步经济高效地开发系统中可调控灵活性资源，有待实现进一 步突破。
4.近年来，随着能源互联网及综合能源利用理念的发展，电力与燃气、供热乃至供水、 交通系统等的耦合水平不断增强，由此产生的新形态特征一方面给电力系统引入了更高的 运行复杂度，另一方面多种能源系统之间横向的互补协同也可转化为一类新型可调控灵活 性资源。综合能源系统灵活性是电力系统灵活性在综合能源系统(integrated energysystem,综合能源系统)中发展出的一种新形式，目前已有大量相关研究。经过国内外文 献调研，本节将综合能源系统灵活性与电力系统灵活性做一简要对比，如表1所示。可见， 综合能源系统灵活性不仅可为功率实时平衡强刚性电网提供“能量缓冲”、提升电力系统 应对随机扰动的能力，还可为综合能源系统灵活调度提供支撑，有助于提升综合能源系统 运行经济性。
5.表1电力系统灵活性与综合能源系统灵活性的对比
[0006][0007]
欧盟已在其“horizon 2020project:tools and technolog综合能源系统forcoordination and integration of the european energy system”项目中，明确提出“要 通过电力与燃气、供热系统的协同运行，为欧洲电网提供灵活性调控潜力，并建立相应市 场机制”。中国国家能源局与德国联邦经济能源部联合开展的“中德能源转型研究
”ꢀ
(2017-2022年)中，也将多能协同背景下能源灵活性的提升作为主要研究内容之一。然而， 目前综合能源系统灵活性概念尚缺乏学术界公认的定义，相关研究的思路和方法亟待系统 性的梳理和归纳。
[0008]
要挖掘综合能源系统中的综合能源系统灵活性潜力，首先应明确综合能源系统灵活性 的概念。综合能源系统灵活性作为综合能源系统灵活性中的一类，其概念由电力系统灵活 性发展而来，因此本节首先对电力系统灵活性的定义做一综述，并指出其对综合能源系统 灵活性概念的支撑作用。国内外已有诸多学者从不同角度给对电力系统灵活性进行了定义， 表1归纳了其中具有代表性的定义。
[0009]
表1电力系统灵活性定义归纳
[0010][0011]
由表1可见，在电力系统发展的不同阶段，灵活性的定义和内涵各有不同的侧重，总 结如下：
[0012]
1)强调平抑电力系统源、荷两端功率波动的电力系统灵活性定义。这一类是较为基 础的电力系统灵活性定义，强调电力系统通过冗余配置维持源-荷间功率平衡的能力，侧 重于电力系统对自身备用资源的调控。
[0013]
2)在电力系统灵活性定义中考虑不同时间尺度。随着电力系统灵活性外延逐渐扩大、 相关辅助服务市场不断发展，电力系统灵活性的研究已涉及日前、小时级、分钟级等不同 时间尺度。为此，一些学者在提出电力系统灵活性的定义时，对灵活性的时间尺度做出了 进一步界定。
[0014]
3)在电力系统灵活性定义中精细化考虑可调控资源的运行约束。随着电力系统的发 展，柔性开关、负荷管理、电动汽车充电规划等技术为电力系统提供了更丰富的可调控灵 活性资源。然而这些灵活性资源的调控方式较通过冗余配置获得的灵活性更为复杂，在调 控中需更精细化地考虑这些可调控资源的运行约束。
[0015]
将上述分析推广到综合能源系统灵活性中，可见其概念应包含以下几项要点：
[0016]
1)综合能源系统灵活性是一种促进综合能源系统中电能与其他能源形式分别实现
ꢀ“
源-荷”能量平衡的可调控的资源，可响应系统中的波动或不确定性，在系统“源-荷
”ꢀ
间起到“能量缓冲”的作用；
[0017]
2)综合能源系统灵活性应包含不同的时间尺度；
灵活性的能源定价策略和购售能方案；将该定价策略用于实际园区运行调控中，以实现园 区综合能源系统各主体对购售能策略的合理制定，保障用户用能需求，提升园区运行经济 性。
[0026]
其具体采用以下技术方案：
[0027]
一种考虑综合能源系统灵活性的市场互动收益模型计算装置，基于计算机系统，包括：
[0028]
园区综合能源系统供应商收益模型、园区综合能源系统运营商收益模型和园区综合能 源系统用户收益模型；
[0029]
以及关联以上三个模型的园区综合能源系统灵活性的市场互动收益优化模型，其第一 层以最大化园区综合能源系统供应商盈利为目标函数，第二层以运营商盈利最大为目标函 数，将用户收益转化为约束；通过求解园区综合能源系统灵活性的市场互动收益优化模型， 输出能源定价策略和购售能方案。
[0030]
进一步地，在所述园区综合能源系统供应商收益模型中，同时考虑上级配电网和上级 配气网，收益模型为盈利最大；对所述上级配电网中配电网主体的网络节点功率平衡通过 distflow模型进行刻画，对配电线路的电流上下界进行节点电压上下界的约束，对配电 网运营商面向电力用户的电力价格进行约束；对所述上级配气网进行节点能量平衡约束、 配气网潮流约束和天然气价格约束；其中，在配气网潮流约束中，使用weymouth方程对 天然气潮流进行近似化出力；
[0031]
在所述园区综合能源系统运营商收益模型中，设园区综合能源运营商的收益目标为盈利最 大，并进行能源设备约束、能量平衡约束和能源价格约束；
[0032]
在所述园区综合能源系统用户收益模型中，设园区能源用户能够根据能源运营商制定能源 价格调整自身用能行为，其收益目标为用能成本最低；并将负荷分为刚性负荷和柔性负荷， 刚性负荷不受价格影响，柔性负荷则是对能源价格敏感的可转移负荷，即可根据能源运营 商制定的能源价格从价格峰值阶段转移到价格谷时阶段。
[0033]
进一步地，所述园区综合能源系统灵活性的市场互动收益优化模型通过matlab进行 建模，并采用snopt求解器对双层优化模型进行求解。
[0034]
将该计算装置用于实际园区运行调控中，以实现园区综合能源系统各主体对购售能策 略的定量规划，保障用户用能需求，提升园区运行经济性。
[0035]
与现有的技术相比，本发明及其优选方案通过模型定量表征了园区级参与市场互动的 主体及其互动关系，分别建立了园区综合能源系统供应商、运营商、用户收益模型，并在 上述模型基础上建立考虑综合能源系统灵活性的市场互动收益模型，以保障了园区不同主 体的利益诉求且结合了能源系统的客观规律属性，有效提高园区运行的合理性与经济性， 接着通过横向、纵向两个维度提炼了不同市场参与主体之间的博弈关系及博弈框架，各参 与主体通过能源价格信息及能源需求进行耦合互动，参与市场响应能够该模型能够覆盖不 同类型用户侧灵活性资源。考虑到用户侧灵活性资源价格响应模型对用户参与度的分析， 同时考虑到市场电价、气价不确定性、电池成本和市场调查等因素，提出用价格激励机制 来描述用户侧灵活性资源对不同时段激励价格的响应。
[0036]
该模型能够考虑园区能源市场不同参与主体不同利益诉求，包括能源供应商、能源运 营上和能源用户的收益，并且该模型将激励价格转化为优化的决策变量来最大化能
源运营 商的收益；同时，该模型的优化约束将考虑能源用户不同类型灵活性资源对能源价格的响 应程度，以最小化能源用户的用能成本。
[0037]
其主要有益效果包括：
[0038]
1)考虑了不同市场参与主体之间的博弈关系及博弈框架，确保各参与主体通过能源 价格信息及能源需求进行耦合互动；
[0039]
2)该模型能够表征园区能源市场不同参与主体不同利益诉求，包括能源供应商、能 源运营上和能源用户的收益，并且该模型将激励价格转化为优化的决策变量来最大化能源 运营商的收益；
[0040]
3)该模型的优化约束将考虑能源用户不同类型灵活性资源对能源价格的响应程度， 以最小化能源用户的用能成本。
附图说明
[0041]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
[0042]
图1是本发明实施例中多主体互动机制框架示意图；
[0043]
图2是本发明实施例模型中各主体关键要素示意图；
[0044]
图3是本发明实施例中能源用户电负荷示意图；
[0045]
图4是本发明实施例中能源用户热负荷示意图；
[0046]
图5是本发明实施例中配电网运营商电价示意图；
[0047]
图6是本发明实施例中能源运营商售电价格示意图；
[0048]
图7是本发明实施例中能源运营商售热价格示意图；
[0049]
图8是本发明实施例中能源运营商经济效益结果示意图；
[0050]
图9是本发明实施例中能源用户经济效益结果示意图。
具体实施方式
[0051]
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
[0052]
如图1、图2所示，本实施例提供考虑综合能源系统灵活性的市场互动收益模型计算 装置的具体构建过程：
[0053]
首先，建立园区综合能源系统供应商收益模型。其次，建立园区综合能源系统运营商 收益模型。再次，建立园区综合能源系统用户收益模型。最后，分析园区综合能源系统参 与主体及其互动机制，建立考虑综合能源系统灵活性的市场互动收益模型。并通过一个典 型ices算例验证所提方法的准确性。
[0054]
本实施例提供的考虑综合能源系统灵活性的市场互动收益模型，参见图1，构建过程 包括：
[0055]
步骤101：构建园区综合能源系统供应商收益模型；
[0056]
步骤102：构建园区综合能源系统运营商收益模型；
[0057]
步骤103：构建园区综合能源系统用户收益模型；
[0058]
步骤104：基于步骤101-103所得的园区综合能源系统参与主体收益模型，构建考虑综 合能源系统灵活性的市场互动收益优化模型，上层为园区综合能源系统供应商，以一定的 能源价格向能源运营商提供能源；中间层以最大化园区综合能源系统运营商净收益
为目标 函数，求解能源运营商售能价格及总成本；下层以最小化园区综合能源系统用户成本为目 标函数，求解能源用户用能策略。
[0059]
采用matlab对步骤104中所建立的优化模型进行求解，实现园区综合能源系统各类用 户收益最大化。
[0060]
最后获得的计算装置基于计算机系统将步骤104所得的方案用于实际园区综合能源系 统运行调控中，以保障园区综合能源系统能源服务商制定面向用户的能源价格，实现其利 益最大化；园区用户根据能源服务上制定的能源价格，调整自身的用能策略(可控负荷的 数值)，实现用户自身购能成本最小化。
[0061]
下面结合计算公式、实例、附图对上述的考虑综合能源系统灵活性的市场互动收益模 型进行进一步地介绍，详见下文描述：
[0062]
步骤201：构建园区综合能源系统供应商收益模型
[0063]
园区能源供应商主要由上游电力公司和上游燃气公司构成。上游电力公司为配电网运 营商，上游燃气公司为配气网运营商。在园区能源互联网中，电力公司和燃气公司分别制 定电力价格和燃气价格向园区能源运营商售卖电力和天然气。
[0064]
其中，步骤201具体为：
[0065]
一、上级配电网
[0066]
上级配电网主体的收益模型为盈利最大，主要包括了售电利润和网损费用。其目标函 数可表示为：
[0067][0068]
其中，第一项为配电网运营商向终端园区综合能源系统售电利润，第二项为配电网网 损费用。为t时刻配电网电价，p
te,g
为上级配电网t时刻售卖给能源运营商的电能， p
te,loss
为配电网的网损。
[0069]
配电网主体的网络节点功率平衡可通过distflow模型进行刻画，如(2)-(3)所示，节 点降落方程如(4)所示，支路电流与功率关系如(5)所示。
[0070][0071][0072][0073][0074]
式中，δj为配电网中以j为末端节点的支路首端节点集合；ωj为配电网中以j为首 端节点的支路末端节点集合；r
ij
、x
ij
分别为线路ij的电阻、电抗值；i
ij,t
为t时刻线路 ij电流；v
i,t
为t时刻节点i的电压；和分别为t时刻上级电网通过节点j向配 电网输送的有功功率和无功功率；p
ij,t
和q
ij,t
分别为t时刻配电网线路ij的有功功率和 无功功率；和分别为t时刻节点j的有功负荷和无功负荷。p
jk,t
和q
jk,t
分别为t 时刻配电网线路jk
的有功功率和无功功率。
[0075]
由于配电线路的传输容量有一定的上限，故对配电线路的电流上下界进行如(6)所示 的约束；配电网节点电压其上下界的约束如(7)所示：
[0076][0077]vimin
≤v
i,t
≤v
imax
ꢀꢀꢀ
(7)
[0078]
式中，为配电线路ij能够传输的最大电流；v
imin
和v
imax
分别为配电网节点i 电压的最小值和最大值。
[0079]
配电网运营商以批发电价从上级电网购买电能，并向配电网区域内的电力用户出售电 力。为保证配电网区域内电力用户的利益，需要对配电网运营商面向电力用户的电力价格 进行约束：
[0080][0081][0082]
式中，和α分别为配电网运营商售电价格和购电价格比值的上限和下限；式(8) 给出了配电网运营商售电价格上下限约束；式(9)使得优化时段t内配电网区域电力用户 的平均购电价格低于直接从外网的购电价格。
[0083]
二、上级配气网
[0084]
配气网运营商参与园区级市场目标为盈利最大为目标，其目标函数可表达为：
[0085][0086]
其中，为配气网运营商t时刻售卖给园区能源运营商的天然气价格，p
tg
为配气网 运营商t时刻售卖给园区能源运营商的天然气量。
[0087]
配气网主要是由天然气传输管道和天然气负荷组成。和配电网类似，在运行过程中 同样存在约束条件，即节点能量平衡约束、传输管道约束。
[0088]
1)节点能量平衡约束
[0089]
配气网的运行也必须满足能量的节点平衡守恒规律。配气网的节点平衡代表了流入天 然气节点的气量等于流出节点的气量，如所示。
[0090][0091]
式中，δm为配气网中以m为末端节点的支路首端节点集合；ωm为配气网中以m为 首端节点的支路末端节点集合；g
mn,t
为t时刻配气网传输管道mn段的流量；g
rm,t
为t 时刻配气网传输管道rm段的流量；为t时刻注入m节点的天然气量；为t时刻 m节点的天然气负荷。
[0092]
2)配气网潮流约束
[0093]
由于本发明考虑的是配电网系统的日前优化运行，其调度时间间隔为1小时，时间尺 度较长，故可忽略天然气的传输慢惯性。对天然气配气系统的日前经济调度研究多采用
天 然气系统稳态模型，管道中的天然气潮流可以利用节点气压和管道特性的非线性关系来表 示。在一定供气压力要求下，使用weymouth方程对天然气潮流进行近似化出力，如所示(12) 所示；天然气管道的传输容量将收到其上下界的限制，如(13)所示；配气网的节点气压将 受到其上下界的限制，如(14)所示。由于压缩机一般用于远距离传输、节点运行气压较高、 天然气潮流传输较大的输气网运行模型中，配气网的节点气压一般属于中低压，其实际运 行中不含压缩机，故本实施例中忽略压缩机的影响。
[0094][0095][0096][0097]
式中，g
mn,t
为t时刻配气网管道的流量；π
m,t
和π
n,t
分别为t时刻配气网节点m和n 的气压；和分别为配气网节点m最小和最大压强；k
mn
为配气网管道的weymouth 特性参数。
[0098]
3)天然气价格约束
[0099]
配气网运营商以批发天然气价格从上级输气网购买天然气，并以天然气零售价格出售 给配气网区域内的天然气用户。为保证配气网区域内燃气用户的利益，需要对配气网面向 燃气用户的零售气价进行约束。
[0100][0101][0102]
式中，和β分别为配气网运营商售气价格和购气价格比值上下限；式(15)给出了 配气网运营商售气价格的上下限约束；式(16)使得优化时段t内配气网区域内燃气用户的 平均购气价格低于直接从外部气网购得的燃气价格；r
tg
为t时刻燃气网气价，上标min 和max分别代表最大值和最小值。
[0103]
步骤202：构建园区综合能源系统运营商收益模型
[0104]
园区综合能源系统内“源—储”元件设备、控制和保护设备、数据采集设备和信息细 化平台往往由不同主体投资。对于分布式能源、配电设备等现有设施，主要由电、热(冷)、 气等能源领域企业进行投资改造；对于储能、数据采集设备、信息化平台等新增设施，园 区管委会可实行开放公平的竞争机制，吸引社会资本积极参与园区综合能源系统投资、建 设和运营。不同设施、不同主体之间利益在运营过程中通常存在冲突和矛盾，为保证能源 供需实时平衡和总体收益最大化，园区综合能源系统通常采取一体化运营，即园区综合能 源系统内有且仅有一个能源运营商。园区的能源运营商虽然唯一，但是可由能源领域企业、 设备制造企业、互联网企业、园区管委会等多元主体联合成立。
[0105]
园区能源运营商在园区级综合能源系统中的角色为能源供应商和能源用户的中间商。 通过从能源供应商，即上级配电网和上级配气网处购买电力、天然气，园区能源运营商能 够经由园区综合能源系统中的能源转换设备，在满足园区能源用户的电、热(冷)、气等 负荷需求的前提下获取合理的收益和投资回报。
[0106]
假设园区综合能源运营商作为能源供应商和能源用户的中间商，其收益目标为盈利最 大，其目标函数为：
[0107]
max c
pro-c
om
ꢀꢀ
(17)
[0108]
其中，c
pro
为售能收益；c
om
为运行维护成本。以满足园区电、热能源用户需求为 例，c
pro
具体可表示为：
[0109][0110]
其中，r
te
和r
th
分别为能源运营商制定的t时刻电价和热价；和分别为园区 能源用户t时刻的电、热负荷。
[0111]
运行维护成本由三部分组成：配电网购电费用，配气网购气费用和设备维护费用， c
om
具体可表示为：
[0112][0113]
其中，和分别为t时刻能源运营商从能源供应商处的购电价格和购气价格；f
te
和f
tg
为t时刻能源运营商从能源供应商处的购电量和购气量；p
i,t
为t时刻设备i的出 力；vi为设备i的单位维护成本。
[0114]
能源运营商的约束条件由能源设备约束、能量平衡约束和能源价格约束三部分构成。
[0115]
典型园区能源运营商能源设备主要包括了热电联产机组，光伏、燃气锅炉、电热锅炉 和储能设备。
[0116]
1)热电联产机组约束
[0117]
热电联产机组通过消耗天然气产生电能和热能，其运行约束为：
[0118][0119][0120][0121]
式中：p
tchp
和分别为t时刻chp机组电出力和热出力；和p
chp
分别为chp 机组出力上下限；f
tchp
为d日t时刻chp机组消耗的天然气；为chp机组天然气发 电效率；为天然气机组热电比；cap
chp
为chp容量。
[0122]
2)光伏约束
[0123]
光伏(photovoltaic,pv)出力主要受其安装容量和光照强度所影响，其约束如(22) 所示：
[0124]
p
tpv
＝λ
pv
cap
pvgt
/g
stc
ꢀꢀꢀ
(23)
[0125]
式中：p
tpv
为t时刻pv出力；λ
pv
为pv降额系数，一般取0.9；g
t
为t时刻光照强度； g
stc
为标准测试条件下光照强度，一般取1kw/m2；cap
pv
为光伏容量。
[0126]
3)燃气锅炉约束
[0127]
燃气锅炉(gas boiler,gb)通过消耗天然气产热，约束如下所示：
[0128][0129][0130]
式中：为t时刻gb的热出力；为t时刻gb消耗的天然气；η
gb
为gb的效 率；和q
gb
分别为gb的热出力上下限；cap
gb
为gb容量。
[0131]
4)电热锅炉约束
[0132]
电热锅炉(electric boiler,eb)通过消耗电能产热，约束如(26)-(27)所示：
[0133][0134][0135]
式中：为t时刻eb的热出力；为t时刻eb消耗的电功率；η
eb
为eb的效 率；和q
eb
分别为eb热出力上下限；cap
eb
为eb容量。
[0136]
5)储能设备约束
[0137]
电储能单元(electricity storage system,ess)和热储能单元(heating storagesystem,hss)充放能功率在一定范围内连续可调，储能量不超过储能上下限，充能和放能 不能同时进行，并在一个调度周期内将存储的能量释放完，避免长期存储带来的能量损耗。
[0138]
式(28)-(29)给出ess约束，hss约束可类比ess约束，在此不再赘述。
[0139][0140][0141][0142][0143][0144]
p
tes,ch
p
tes,dis
＝0
ꢀꢀꢀ
(33)
[0145]
式中：p
tes,ch
和p
tes,dis
分别为t时刻ess充电功率和放电功率；和分别为ess 充放电上限；σ
es
为ess自放电率；η
es,ch
和η
es,dis
分别为ess充放电效率；w
tes
为t时刻 ess的储能量；w
es
和分别为ess储能量上下限。
[0146]
6)功率平衡约束
[0147]
能源运营商向能源用户提供电、热能源，须满足以下功率平衡约束：
[0148]
p
tgrid
+p
tpv
+p
tchp
+p
tes,dis-p
tes,ch
＝p
tld
+p
teb
ꢀꢀ
(34)
[0149][0150]
7)能源定价约束
[0151]
能源运营商向能源用户供能的同时，为保证能源用户的利益，还需对能源运营商制定 的能源价格进行约束，使其制定的能源平均价格不得高于能源供应商能源售价的平均价格， 具体表述如下：
[0152][0153][0154][0155][0156]
其中式(36)和式(38)分别为能源运营商售电价格和售热价格上下限约束，α和分 别为能源运营商售电价格与能源供应商售电价格的比值下限和上限；β和分别为售热 价格与能源供应商售热价格的比值下限和上限；式(37)和式(39)分别为售电价格和售热价 格平均值约束，和分别为ep的t时刻售电价格和售热价格。
[0157]
步骤203：构建园区综合能源系统用户收益模型
[0158]
能源用户作为园区综合能源系统的终端用户，根据能源运营商能源价格，从能源运营 商处购买电、热(冷)、气满足自身用能需求。能源用户作为用能设备按照能源类型可分 为电负荷，如电动汽车、照明负荷等，热(冷)负荷为热水、冷水、供热负荷等。按照负 荷的可转移性和可削减性，能源用户用能负荷能够分为两大类负荷，分别为柔性负荷和刚 性负荷，其中柔性负荷能够根据能源运营商的能源价格进行响应调整，如电动汽车，供热 (冷)负荷等，刚性负荷则是不受能源运营商能源价格的影响。
[0159]
园区能源用户能够根据能源运营商制定能源价格调整自身用能行为，可调节的设备包 括空调、供暖阀门、电动汽车等负荷设备，其收益目标为用能成本最低，具体表达如所示：
[0160][0161]
能够看出，能源用户的用能成本与能源运营商的售能收益相同。
[0162]
对于能源用户来讲，可将负荷分为刚性负荷和柔性负荷。刚性负荷不受价格影响，柔 性负荷则是对能源价格敏感的可转移负荷，即可根据能源运营商制定的能源价格从价格峰 值阶段转移到价格谷时阶段。能源用户柔性负荷：
[0163][0164]
式中：p
tld,fixed
和p
tld,flex
分别为t时刻ec的电刚性负荷和柔性负荷；和 分别为t时刻ec的热刚性负荷和柔性负荷；和p
tld,flex
分别为t时刻ec电 柔性负荷的可调上下限；和分别为t时刻ec热柔性负荷的可调上下限； 当p
tld,flex
＞0且时，柔性负荷从其他时刻转移至该时刻，当p
tld,flex
＜0且 时，柔性负荷从该时刻转出至其他时刻。
[0165]
步骤204：构建考虑综合能源系统灵活性的市场互动收益模型
[0166]
根据本实施例图1所示的模型框架，构建考虑综合能源系统灵活性的市场互动收益模 型如下。
[0167]
一、主体博弈框架及价格引导激励机制
[0168]
针对园区级市场下综合能源系统，根据上述分析可以分为配电网运营商，配气网运营 商、能源运营商和能源用户，各主体互动机制如图1、图2所示。能源运营商作为园区综 合能源系统的主导者，以电能和热能售价为纽带联动参与者能源用户、配电网运营商和配 气网进行系统的优化运行。下面分析各参与主体的互动机制。
[0169]
(1)配电网运营商和配气网运营商作为上级能源供应商，能够分别向园区能源运营 商售卖电能和天然气，配电网运营商能够调节面向能源运营商的售电价格引导能源服务商 的用电行为，从而达到削峰，降低网损，最大化售电利润的目的；配气网运营商能够调节 面向能源运营商天然气价格引导能源运营商的用气行为，从而达到售气利润最大化的目的。 因此，能源供应商中的配电网运营商和配气网运营商通过价格信号引导能源运营商的用能 行为，两个主体因为个体理性调整售电价格和售气价格，在保证自身系统运行安全稳定的 前提下，争抢能源运营商的用能市场，构成非合作博弈关系。
[0170]
(2)能源运营商为上层能源供应商和下层能源用户的中介，融合电、天然气和热能 为用户提供综合能源服务，同时投资建设chp系统并负责其运营，丰富其能源服务来源， 提高综合能源服务运营灵活性，降低能源成本，提高市场竞争能力以获取更高收益。作为 以社会资本为基础的利益主体，其运营目标即为通过协调能源来源和能源价格策略最大化 运营收益。能源运营商的运营成本包括分别从电网、天然气网和热网购电、天然气和热能 成本，设备维护成本和运营基本费用，其收益则为售电和售热价差收益。因此，作为配电 网运营商和配气网运营商的价格接收者，上层配电网运营商、配气网运营商和中间层能源 运
营商构成了主从博弈模型。
[0171]
(3)能源用户作为用能主体，随者用电智能化，能够通过自主的用能管理根绝能源 运营商提供的能源价格调整自身用能行为。因此，作为能源运营商的价格接收者，能源用 户和能源运营商构成了主从博弈模型。
[0172]
二、考虑综合能源系统灵活性的市场互动收益模型
[0173]
对于下层的园区用户来讲，能源价格是确定的，即该优化模型是线性模型。因此可转 为等价kkt最优条件，并作为中间层优化模型的约束条件，从而将三层优化模型转化为双 层优化模型，模型如式(42)所示。
[0174]
min f
inv
(x)
[0175]
s.t.
[0176][0177]
g1(x)≤0
ꢀꢀ
(42)
[0178]
式中：f
inv
(x)为第一层目标函数；x为第一层优化变量；f
opr
(z)为第二层目标函数； z为第二层优化变量；g2(z,x)为第二层等式约束条件；h2(z,x)为第二层不等式约 束条件；g1(z,x)为第一层等式约束条件；
[0179]
仅考虑能源运营商与能源用户之间的互动及价格引导激励关系时。
[0180]
1、第一层模型
[0181]
第一层模型控制变量为园区能源价格、购能策略。
[0182]
第一层模型的目标函数为园区综合能源系统供应商盈利最大，主要包括了售电利润和 网损费用，如式(1)所示：约束条件如式(2)-(16)所示。
[0183]
2、第二层模型
[0184]
第二层模型控制变量为园区能源价格、购能策略、用户用能策略。
[0185]
第二层模型的目标函数为园区综合能源系统供应商净收益最大化及用户成本最小化， 主要包括了售能收益和运行维护成本，如式(17)所示：约束条件如式(18)-(39)、(41)所 示。
[0186]
本实施例在matlab中使用基于该算法的snopt求解器对上述双层规划模型进行求解。
[0187]
步骤205：求解双层优化配置问题
[0188]
本实施例所构建考虑综合能源系统灵活性的市场互动收益模型为典型的非线性优化 问题，可使用matlab软件进行求解。具体步骤如下：
[0189]
1)构建模型：使用matlab编写上述考虑综合能源系统灵活性的市场互动收益模型；
[0190]
2)数据初始化：输入计算所需数据如电采暖系统典型日负荷及光照强度，设备经济、 技术参数等；
[0191]
3)求解：使用snopt工具箱进行求解并输出数据。
[0192]
由此基于计算机系统获得考虑综合能源系统灵活性的市场互动收益模型计算装置，包 括以下模块：
[0193]
园区综合能源系统供应商收益计算模块，获取园区内部供能价格、网损、供应商购能 策略，构建园区综合能源系统供应商收益模型，确定供应商售能收益；
[0194]
园区综合能源系统运营商收益计算模块，获取外部供能价格、设备容量、输出功率、 用户负荷数据，构建园区综合能源系统运营商收益模型，确定运营商定价策略及购电策略；
[0195]
园区综合能源系统用户收益计算模块，获取园区综合能源系统能源价格、设备容量、 输出功率、用户负荷数据，构建园区综合能源系统用户收益模型，确定用户用能策略；
[0196]
园区综合能源系统灵活性的市场互动收益优化模块，集成园区综合能源系统供应商收 益计算模块、园区综合能源系统运营商收益计算模块、园区综合能源系统用户收益计算模 块，构建园区综合能源系统灵活性的市场互动收益优化模型，使各主体收益最大化。
[0197]
应用例
[0198]
本应用例选取中国北方某ices验证本发明方法的正确性及有效性。
[0199]
能源供应商与能源运营商之间的博弈关系在该算例中暂不考虑，在此仅考虑能源运营 商与能源用户之间的互动及价格引导激励关系。其中能源用户为电热耦合用户，能源运营 商对ices多能设备和可再生能源设备进行运营。其中园区的多能设备为热电联供机组chp， gb，eb，ess和hss，ices系统相关参数如表2所示。
[0200]
表2 ices能源转换设备参数
[0201][0202][0203]
考虑到ices全年实际运行情况，选取过渡季、夏季和冬季典型日的光照数据和负
荷 数据，各典型日电/热负荷曲线如图3，4所示，能源供应商对能源采用分时电价，如图5 所示。天然气价格为2.53元/m3，折算为0.26元/kwh。
[0204]
为充分体现考虑市场多主体及其博弈行为对ices运行调控的影响及所提方法的有效 性，算例设置两个场景进行对比分析：
[0205]
场景一：考虑能源运营商与能源用户进行博弈，园区各参与主体的收益；
[0206]
场景二：不考虑能源运营商与能源用户博弈，园区各参与主体的收益。
[0207]
1)引导激励价格结果分析
[0208]
图6、图7分别给出的增量配网运营商能源价格曲线，图内从左至右依次是运营商在 过渡季、夏季、冬季制定的能源价格，运营商将峰值能源价格制定在能源用户负荷峰时阶 段，主要有两方面原因，一方面原因是在负荷峰时阶段获取更多的收益，另一方面原因是 引导能源用户将峰时柔性负荷转移至能源价格谷时阶段，减少外部电网高价时段运营商从 外部电网购买的电量。
[0209]
2)园区主体经济效益结果分析
[0210]
对于增量配网运营商来讲，由图8可知，与场景一相比，场景二中从上级电网的年购 电成本降低了4.92万元，降幅为1.44％；从上级气网的年购气成本减少了16.21万元， 降幅为4.65％；年维护成本增加了1.93万元，增幅为3.06％。
[0211]
对于能源用户来讲，由图9可知，与场景一相比，场景二中的ec年购电费用降低了 28.03万元，购热费用增加2.64万元，总费用降低25.39万元。其原因是能源用户根据 增量配网运营商制定的能源价格调整自身的用能策略，将柔性负荷转移到价格谷时阶段， 以降低其用能成本。
[0212]
基于该ices的优化结果证明了本发明提供装置的有效性，结论如下：
[0213]
研究了综合能源系统需求侧运行灵活性，研究了园区级市场下综合能源系统参与主体 及其互动机制，构建了园区及综合能源系统供应商、运行商、用户的多主体收益模型。
[0214]
1)该模型能够考虑园区能源市场不同参与主体不同利益诉求，包括能源供应商、能 源运营上和能源用户的收益，并且该模型将激励价格转化为优化的决策变量来最大化能源 运营商的收益，降低了园区综合能源系统的运行成本；
[0215]
2)该模型的优化约束将考虑能源用户不同类型灵活性资源对能源价格的响应程度， 以最小化能源用户的用能成本。
[0216]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产 品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实 施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机 可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产 品的形式。
[0217]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和 /或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和 /或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指 令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生 一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现 在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能
的装置。
[0218]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方 式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装 置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个 方框中指定的功能。
[0219]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机 或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他 可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方 框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0220]
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要 能完成上述功能的器件均可。
[0221]
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号 仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0222]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则 之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0223]
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形 式的考虑综合能源系统灵活性的市场互动收益模型计算装置，凡依本发明申请专利范围所 做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。