一种基于合作博弈的区域综合能源系统扩展规划方法与流程

1.本发明属于综合能源系统的扩展规划领域，具体涉及一种基于合作博弈的区域综合能源系统扩展规划方法。


背景技术：

2.区域综合能源系统是满足园区内多种能源需求的能源系统，核心为以热电联产机组等为代表的多能耦合装置。区域综合能源系统扩展规划是指在给定地区能源发展情况的条件下，对系统内发电机组及线路进行扩建以实现各设备最优配置的规划方案。
3.常见规划方法通常从全局优化的角度考虑规划周期内系统的成本，以全系统经济最优为目标建立混合整数非线性规划模型，但却忽略了各主体在规划过程中各自的利益需求，不能全面体现市场中实际的运行情况。
4.实际系统规划过程中主体间可以存在合作关系。在合作博弈中由于共同利益驱动而组成的合作整体称为联盟，保证联盟中参与者的利益是合作博弈存在的前提。合作博弈模型目前多用于综合能源系统的容量规划问题，在扩展规划中的应用方法还鲜有涉及。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于合作博弈的区域综合能源系统扩展规划方法，该方法可以在保障系统可靠运行的情况下降低合作者和系统整体的规划成本。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于合作博弈的区域综合能源系统扩展规划方法，包括以下步骤：
7.步骤1、读取系统扩展规划周期内的基础数据和参数；
8.步骤2、建立以电源侧主体为合作联盟的区域综合能源系统合作博弈扩展规划模型，规划对象为系统内各主体的扩建策略，并依据合作博弈理论建立联盟，以各主体达到纳什均衡下的策略最优为目标，约束条件包括区域综合能源系统运行过程中的功率约束、设备约束与扩展规划建设年限约束；
9.步骤3、采用粒子群算法优化各主体扩建策略至自身决策最优；电源侧投资者和电网侧投资者共享信息，交替迭代，达到源网协同扩展规划的目的；
10.步骤4、求解该合作博弈模型的均衡解，此时各主体扩建策略组合即为最终扩展规划方案，输出均衡解；
11.步骤5、应用shapley值方法对合作联盟中的成员成本进行分配，得到扩展规划结果。
12.进一步地，所述步骤1中，所述基础数据和参数包括网络拓扑、节点编号、线路编号、线路电阻、现有电源安装位置及容量、待扩建电源参数、待扩建线路参数、系统电热负荷数据、系统折现率和网损参数；所述待扩建电源参数包括机组容量、建设成本、可建设年份和可安装位置，所述待扩建线路参数包括线路最大输送功率、建设成本、起始节点位置、末端节点位置和可建设年份。
13.进一步地，所述步骤2中，系统内主体包含电源侧主体与电网侧主体，电源侧分别为火电机组g与热电联产机组c，电网侧主体为电网n，电源侧主体的策略空间为机组待接入节点的状态集合，火电机组决策变量为与分别代表火电机组的安装位置与容量状态；chp机组决策变量为与分别表示chp机组的位置与容量状态；电网侧主体决策变量主要为表示待新建电力线路的接入状态。
14.进一步地，所述步骤2中，依据合作博弈理论建立发电侧火电机组和热电联产机组之间的合作联盟，电源侧火电机组和chp机组在实际规划过程中视为合作联盟与电源侧进行博弈，认为基于合作博弈的区域综合能源系统扩展规划模型效益函数为[c
gc
,cn]，分别表示电源侧火电-chp联盟成本和电网侧成本；各主体的效益函数定义为各投资主体成本，博弈目标设定为追求各主体规划期内在纳什均衡意义下的成本最低；
[0015]
火电机组成本包括投资成本与发电成本；所述火电机组投资成本c
gin
表示为：
[0016][0017]
式中，表示0-1开关量，表示节点sg处新建火电机组，表示节点sg处不新建火电机组；φ
sg
为火电机组待接入节点集合；为节点sg处新建火电机组容量；r为系统折现率；lg表示火电机组折旧年限；
[0018]
所述火电机组发电成本c
gf
表示为：
[0019][0020]
式中，t为年度小时数；n为节点编号；w
gf
为火电机组单位发电量燃煤成本；为节点sg火电机组t时刻发电量；
[0021]
chp机组成本包括投资成本、天然气成本；所述chp机组投资成本c
chpin
为：
[0022][0023]
式中，表示0-1开关量，表示节点sc处新建chp机组，表示节点sc处不新建chp机组；φ
sc
为chp机组待接入节点集合；为节点sc处新建火电机组的功率；r为系统折现率；lc表示chp机组使用年限；
[0024]
所述天然气成本c
chpf
为：
[0025][0026]
式中，t为年度小时数；w
cf
为天然气单价；为节点sc在t时刻chp机组的出力；η
chp
为chp机组效率；l
ng
为天然气热值；
[0027]
线路成本包含新建线路投资成本与网损成本；所述新建线路投资成本表示为：
[0028]
[0029]
式中，ωk为可新建线路集合；为0-1变量，代表第k条待建线路的状态；为单位长度新建线路成本；lk为第k条待建线路长度；ln表示线路使用年限；
[0030]
网损成本表示为：
[0031][0032]
式中，kn为网损系数，单位为元/kw
·
h；为系统总网损。
[0033]
进一步地，考虑到建设年限的存在，规划主体的成本的目标函数表示为：
[0034][0035]
式中，y表示总规划年限；上标y表示规划年度；
[0036]
所述目标函数中的约束条件包括电功率平衡约束、有功潮流约束、电热耦合约束、热功率平衡约束、发电机组出力约束、联络线功率约束、建设年限约束；
[0037]
所述电功率平衡约束表示为：
[0038][0039]
式中，k1表示输电线路集合；k2表示发电机集合；k3表示电力负荷集合；k4表示电力网络所有节点集合；n
ηl
表示输电线路l与节点η的关联矩阵；pf
lt
表示线路l在t时刻的有功潮流；g
ηs
表示发电机s与节点η的关联矩阵；p
st
表示发电机s在t时刻的输出功率；b
ηm
表示负荷m与节点η的关联矩阵；e
mt
为负荷m在t时刻的功率；
[0040]
所述有功潮流约束表示为：
[0041][0042]
式中，和分别为节点i的常规机组、chp机组的有功出力及节点有功负荷；ui、uj分别为节点i、节点j的电压；g
ij
、b
ij
和θ
ij
分别为节点i和j间的电导、电纳和相角差；
[0043]
所述电热耦合约束表示为：
[0044][0045]
式中，表示r节点t时刻chp机组产热量；μ表示燃气轮机热电系数，即燃气轮机发1mmbtu的热量时所发电量；表示r节点t时刻chp机组发电量；γ1表示电热耦合节点的集合；
[0046]
所述热功率平衡约束表示为：
[0047][0048]
式中，hr(t)表示节点r在t时刻热负荷；表示chp机组供热效率；表示节点r在t时刻chp机组天然气消耗量；表示燃气锅炉供热效率；表示节点r在t时刻燃
气锅炉天然气消耗量；
[0049]
所述发电机组出力约束表示为：
[0050][0051]
式中，和分别表示节点s待选机组出力上下限；p
g,s
(t)表示节点s发电机组出力；k2表示发电机组接入节点集合；
[0052]
所述联络线功率约束表示为：
[0053]
p
l
≤p
lmax
[0054]
式中：p
lmax
为联络线最大传输功率；
[0055]
所述建设年限约束表示为：
[0056][0057][0058]
式中，为新建发电机组0-1状态变量，只有当时才表示节点sg新建待选发电机并正常出力；sg为待新建发电机节点集合；为节点sg上发电机可新建年份；
[0059][0060][0061]
式中，为新建线路0-1状态变量，只有当时，第k条待选线路上可新建线路；k为待新建发电机节点集合；为第k条待选线路上可新建线路年份。
[0062]
进一步地，所述步骤4中，博弈的均衡解表示为：
[0063][0064]
进一步地，所述步骤5中，采用shapley值对合作联盟中成员i收益进行分配的计算公式为：
[0065][0066]
式中，n为所有参与者的集合，n为参与者数量，s为包含参与者i的所有子集，|s表示集合s中的参与者数量，v((s)\{i})为不包含参与者i时的收益。
[0067]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提出了一种基于合作博弈的区域综合能源系统扩展规划方法，用于降低区域综合能源系统中投资主体合作联盟成本与系统总成本。本方法在解决区域综合能源系统扩展规划问题上能够在满足系统负荷增长需求的同时，降低系统内合作联盟的规划成本，提升主体参与积极性。
附图说明
[0068]
图1是本发明实施例的方法实现流程图。
具体实施方式
[0069]
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
[0070]
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0071]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0072]
如图1所示，本实施例提供了一种基于合作博弈的区域综合能源系统扩展规划方法，包括以下步骤：
[0073]
步骤1、读取系统扩展规划周期内的基础数据和参数。算例参数如表1至表5所示。
[0074]
表1系统原始机组数据
[0075][0076][0077]
表2系统原始线路数据
[0078][0079]
表3备选火电机组参数
[0080][0081]
表4备选chp机组参数
[0082][0083]
表5备选线路参数
[0084][0085][0086]
步骤2、建立以电源侧主体为合作联盟的区域综合能源系统合作博弈扩展规划模型，规划对象为系统内各主体的扩建策略，并依据合作博弈理论建立联盟，以各主体达到纳什均衡下的策略最优为目标，约束条件包括区域综合能源系统运行过程中的功率约束、设备约束与扩展规划建设年限约束。
[0087]
系统内主体包含电源侧主体与电网侧主体，电源侧分别为火电机组g与热电联产机组c，电网侧主体为电网n，电源侧主体的策略空间为机组待接入节点的状态集合，火电机组决策变量为与分别代表火电机组的安装位置与容量状态；chp机组决策变量为与分别表示chp机组的位置与容量状态；电网侧主体决策变量主要为表示待新建电力线路的接入状态。
[0088]
依据合作博弈理论建立发电侧火电机组和热电联产机组之间的合作联盟，电源侧火电机组和chp机组在实际规划过程中视为合作联盟与电源侧进行博弈，认为基于合作博弈的区域综合能源系统扩展规划模型效益函数为[c
gc
,cn]，分别表示电源侧火电-chp联盟成本和电网侧成本；各主体的效益函数定义为各投资主体成本，博弈目标设定为追求各主体规划期内在纳什均衡意义下的成本最低；
[0089]
火电机组成本包括投资成本与发电成本；所述火电机组投资成本c
gin
表示为：
[0090][0091]
式中，表示0-1开关量，表示节点sg处新建火电机组，表示节点sg处不新建火电机组；φ
sg
为火电机组待接入节点集合；为节点sg处新建火电机组容量；r为系统折现率；lg表示火电机组折旧年限；
[0092]
所述火电机组发电成本c
gf
表示为：
[0093][0094]
式中，t为年度小时数；n为节点编号；w
gf
为火电机组单位发电量燃煤成本；为节点sg火电机组t时刻发电量；
[0095]
chp机组成本包括投资成本、天然气成本；所述chp机组投资成本c
chpin
为：
[0096][0097]
式中，表示0-1开关量，表示节点sc处新建chp机组，表示节点sc处不新建chp机组；φ
sc
为chp机组待接入节点集合；为节点sc处新建火电机组的功率；r为系统折现率；lc表示chp机组使用年限；
[0098]
所述天然气成本c
chpf
为：
[0099][0100]
式中，t为年度小时数；w
cf
为天然气单价；为节点sc在t时刻chp机组的出力；η
chp
为chp机组效率；l
ng
为天然气热值；
[0101]
线路成本包含新建线路投资成本与网损成本；所述新建线路投资成本表示为：
[0102][0103]
式中，ωk为可新建线路集合；为0-1变量，代表第k条待建线路的状态；为单位长度新建线路成本；lk为第k条待建线路长度；ln表示线路使用年限；
[0104]
网损成本表示为：
[0105][0106]
式中，kn为网损系数，单位为元/kw
·
h；为系统总网损。
[0107]
考虑到建设年限的存在，规划主体的成本的目标函数表示为：
[0108][0109]
式中，y表示总规划年限；上标y表示规划年度；
[0110]
所述目标函数中的约束条件包括电功率平衡约束、有功潮流约束、热功率平衡约束、电热耦合约束、发电机组出力约束、联络线功率约束、建设年限约束；
[0111]
所述电功率平衡约束表示为：
[0112][0113]
式中，k1表示输电线路集合；k2表示发电机集合；k3表示电力负荷集合；k4表示电力网络所有节点集合；n
ηl
表示输电线路l与节点η的关联矩阵；pf
lt
表示线路l在t时刻的有功潮流；g
ηs
表示发电机s与节点η的关联矩阵；p
st
表示发电机s在t时刻的输出功率；b
ηm
表示负荷m与节点η的关联矩阵；e
mt
为负荷m在t时刻的功率；
[0114]
所述有功潮流约束表示为：
[0115][0116]
式中，和分别为节点i的常规机组、chp机组的有功出力及节点有功负荷；ui、uj分别为节点i、节点j的电压；g
ij
、b
ij
和θ
ij
分别为节点i和j间的电导、电纳和相角差；
[0117]
所述电热耦合约束表示为：
[0118][0119]
式中，表示r节点t时刻chp机组产热量；μ表示燃气轮机热电系数，即燃气轮机发1mmbtu的热量时所发电量；表示r节点t时刻chp机组发电量；γ1表示电热耦合节点的集合；
[0120]
所述热功率平衡约束表示为：
[0121][0122]
式中，hr(t)表示节点r在t时刻热负荷；表示chp机组供热效率；表示节点r在t时刻chp机组天然气消耗量；表示燃气锅炉供热效率；表示节点r在t时刻燃气锅炉天然气消耗量；
[0123]
所述发电机组出力约束表示为：
[0124][0125]
式中，和分别表示节点s待选机组出力上下限；p
g,s
(t)表示节点s发电机组出力；k2表示发电机组接入节点集合；
[0126]
所述联络线功率约束表示为：
[0127]
p
l
≤p
lmax
[0128]
式中：p
lmax
为联络线最大传输功率；
[0129]
所述建设年限约束表示为：
[0130][0131][0132]
式中，为新建发电机组0-1状态变量，只有当时才表示节点sg新建待选发电机并正常出力；sg为待新建发电机节点集合；为节点sg上发电机可新建年份；
[0133][0134][0135]
式中，为新建线路0-1状态变量，只有当时，第k条待选线路上可新建线路；k为待新建发电机节点集合；为第k条待选线路上可新建线路年份。
[0136]
步骤3、采用粒子群算法优化各主体扩建策略至自身决策最优；电源侧投资者和电网侧投资者共享信息，交替迭代，达到源网协同扩展规划的目的。
[0137]
具体操作方法为，电网侧联盟投资者与电网投资者共享信息，各自根据上一轮对方的最优策略，在本轮过程中利用粒子群算法更新在对方最优策略下的自身策略。
[0138]
步骤4、重复步骤3，求解出该合作博弈模型的均衡解，此时各主体扩建策略组合即为最终扩展规划方案，输出均衡解。
[0139]
博弈的均衡解表示为：
[0140][0141]
确定结果是否收敛到纳什均衡的判断方法是，如果每个博弈参与者在接下来的两次迭代最优策略相等，即可以认为在现有策略组合下，没有一个参与者可以通过单方面改变策略获得更大的收益。
[0142]
表6使用本方法的机组新建情况
[0143][0144]
表7使用本方法的线路新建情况
[0145][0146]
步骤5、应用shapley值方法对合作联盟中的成员成本进行分配，得到扩展规划结果。
[0147]
采用shapley值对合作联盟中成员i收益进行分配的计算公式为：
[0148][0149]
式中，n为所有参与者的集合，n为参与者数量，s为包含参与者i的所有子集，|s|表示集合s中的参与者数量，v((s)\{i})为不包含参与者i时的收益。
[0150]
电源侧合作联盟中火电机组成本分配过程：
[0151]
表8电源侧合作联盟中火电机组成本分配过程
[0152][0153]
电源侧合作联盟中常规机组成本分配过程：
[0154]
表9电源侧合作联盟中chp机组成本分配过程
[0155][0156]
两种场景下电源侧主体成本对比：
[0157]
表10两种场景下电源侧主体成本对比
[0158][0159]
综上所述，本发明能够在保障系统负荷增长需求的同时，降低区域综合能源系统内电源侧合作联盟成本，提高系统中规划主体的经济性。
[0160]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。