【CN110210712A】一种考虑不确定性和多主体博弈的综合能源系统规划方法【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号(43)申请公布日(21)申请号201910370408.0(22)申请日2019.05.05(71)申请人三峡大学地址443002湖北省宜昌市西陵区大学路8号(72)发明人杨楠　李雍　黄禹　黄悦华　张涛　刘颂凯　张磊　王灿　(74)专利代理机构宜昌市三峡专利事务所42103代理人余山(51)Int.Cl.G06Q10/06(2012.01)G06Q50/06(2012.01)(54)发明名称一种考虑不确定性和多主体博弈的综合能源系统规划方法(57)摘要一种考虑不确定性和多主体博弈的综合能源系统规划方法，包括以下步骤：1）构建包括发电公司、电网公司以及天然气公司在内的不同利益主体的规划收益模型；2）采用鲁棒优化方法处理风电出力的不确定性，并将风电出力的不确定性作为一个虚拟主体——“大自然”，参与到联合规划的博弈当中；3）将所述利益主体作为博弈参与者，提出双层动态博弈规划模型；4）通过逆向归纳法对上述模型进行求解。本发明的目的是提供一种基于不确定性规划方法且能对多种不确定性因素诸如可再生能源出力、负荷变化以及电力、天然气价格等进行综合考虑的综合能源系统的联合规划方法。权利要求书6页说明书21页附图5页CN110210712A2019.09.06CN110210712A1.一种考虑不确定性和多主体博弈的综合能源系统规划方法，其特征在于，包括以下步骤：1)构建包括发电公司、电网公司以及天然气公司在内的不同利益主体的规划收益模型；2)采用鲁棒优化方法处理风电出力的不确定性，并将风电出力的不确定性作为一个虚拟主体——“大自然”，参与到联合规划的博弈当中；3)将所述利益主体作为博弈参与者，提出双层动态博弈规划模型；4)通过逆向归纳法对上述模型进行求解。2.根据权利要求1所述的一种考虑不确定性和多主体博弈的综合能源系统规划方法，其特征在于：将三个博弈主体的决策方案分别放入电力系统潮流和天然气系统潮流模型中进行计算，然后根据耦合节点燃气机组的能源转化关系，实现两个能源网络的参数信息交互，进而在实现安全校核的同时，将三个博弈主体统一到同一个博弈模型中。3.根据权利要求2所述的一种考虑不确定性和多主体博弈的综合能源系统规划方法，其特征在于，所述发电公司收益模型为：发电公司的收入来自于售电收入IGSE，成本包括燃气机组的投资成本CIG，燃气机组的购气成本CBG，燃气机组的运行成本CGO和环境成本CGEC，燃煤机组的运行成本CEO和环境成本CEEC，其收益函数FF如下所示：FF＝IGSE-CIG-CBG-CGO-CGEC-CEEC-CEO  (1)其中：式中，t为规划水平年，T为规划水平年总数，EBdt为t水平年的电网公司购电量，ρS为发电公司售电电价，式中，SGGU为燃气机组的待选集合，xi为燃气机组i的投资0-1变量，αi为燃气机组i的投资费用，ω为资金折现率，TG是燃气机组的设备使用寿命，式中，t为规划水平年，T为规划水平年总数，GBdt为t水平年的发电公司购气量，ρG为天然气价格，式中，u是燃气机组的编号，gut是燃气机组u在t水平年的运行时间，CGCu是燃气机组u在单位功率下的运行成本，PGu是燃气机组u的有功功率，式中，CCCu是燃气机组u在单位功率下的环境成本，权　利　要　求　书1/6页2CN110210712A2式中，m是燃煤机组的编号，gmt是燃煤机组m在t水平年的运行时间，CGCm是燃煤机组m在单位功率下的运行成本，PGm是燃煤机组m的有功功率，式中，CCCm是燃煤机组m在单位功率下的环境成本。4.根据权利要求3所述的一种考虑不确定性和多主体博弈的综合能源系统规划方法，其特征在于，所述电网公司收益模型为：电网的收入来自于售电收入IESE，成本包括输电线路的投资成本CIT，网损成本CTL以及购电成本(即发电公司的售电收入)，其收益函数FE如下所示：FE＝IESE-CIT-CTL-IGSE  (9)其中：式中，t为规划水平年，T为规划水平年总数，ELdt为t水平年的年负荷，ρE为电网公司售电电价，式中，STL为输电线路的待选集合，yj为输电线路j的投资0-1变量，βj为输电线路j的投资费用，TTL是线路的使用寿命，式中，l是线路的编号，NLOSSlt是线路l在t水平年的网损，μl是单位线路网损费用，电力网络约束如下：1)功率平衡约束式中：H、J和K分别表示输电线路、发电机、负荷与电力网络节点的关联矩阵；fLlt表示t水平年线路l上流过的潮流；Pgmt表示发电机m在t水平年的出力；ELdkt表示t水平年节点k的负荷；S1、S2、S3和S4分别表示输电线路集合、发电机集合、电力负荷集合和电力网络节点集合，2)潮流约束式中：Pq和Qq分别为节点q处的注入有功、注入无功；Uq和Ur分别为节点q和r电压幅值；Gqr和Bqr分别为支路qr的电导、电纳；θqr为节点q和r之间电压相角差，3)燃煤机组出力约束权　利　要　求　书2/6页3CN110210712A3式中：表示燃煤机组b的出力上下限；STPU表示燃煤机组的集合，4)线路输送容量约束式中：fLqr是线路qr的潮流，为线路qr最大传输容量。5.根据权利要求2或3或4所述的一种考虑不确定性和多主体博弈的综合能源系统规划方法，其特征在于，在天然气公司收益模型中，天然气网络主要由天然气源、输气管道、压缩机和天然气负荷组成，这里仅考虑输气管道的新建；在输气管道中，最重要的两个变量是管道中的天然气流量和管道两端的压力(节点压力)，本发明中采用以下模型来描述两者的关系：其中，O是管道体积流量，Δπ是气体压力降，D是管道的直径，ψ是管道壁的摩擦系数，L是管道的长度，δ是气体的比重，天然气公司的收入来自于售气收入IGSG，成本包括输气管道的投资成本CIp，天然气源的运行成本COW，其收益函数FG如下所示：FG＝IGSG-CIp-COW  (18)其中式中，EGdt为年负荷，ρG为气价，式中，SGP为输气管道的待选集合，zi是输气管道的投资0-1变量，γi为输气管道的投资费用，Tp是输气管道的使用寿命，式中，N是天然气源的编号，gNt是天然气源N在t水平年的运行时间，CWCN是天然气源的单位生产量运行成本，WNt是天然气源的生产量，天然气网络约束如下：1)节点压力约束天然气网络各节点的气压必须在安全合理的运行范围内，式中：分别代表节点h气压的最大值和最小值；S5表示天然气网络节点的集合，2)压缩机容量约束权　利　要　求　书3/6页4CN110210712A4仅保留压缩机进气端和出气端之间的升压关系，以及压缩机的传输容量限制，式中：fct、πa1t和πa2t分别为t水平年压缩机c流过的气流、进气口和出气口端的气压；Γc为压缩机c的升压比例；Ocmax为压缩机的传输容量上限；SC是压缩机的集合，3)天然气源出气量约束天然气从气井被开采后，需要通过精炼厂提纯，由于气井处气压和设备容量限制，单位时间内天然气源的出气量上下限如式所示，式中：WNt为气源N在t水平年的出气量；分别为气源N出气量的上下限；SWT为所有气源节点的集合，4)气流平衡约束式中：A、V、R和Y分别表示天然气管道、压缩机、天然气源、天然气负荷和天然气网络节点的关联矩阵；EGdht表示t水平年节点h的天然气负荷；fppt是管道p在t水平年的管道天然气流量；SWL为所有负荷节点的集合，5)天然气管道输送容量约束式中：Opmax代表管道传输的容量上限；SP表示天然气管道集合。6.根据权利要求5所述的一种考虑不确定性和多主体博弈的综合能源系统规划方法，其特征在于，电力网络和天然气网络通过耦合节点连接，并形成一个完整的综合能源系统，耦合节点包括至少1个能源变换装置，能源变换装置包括冷热电联产设备和/或燃气机组。7.根据权利要求6所述的一种考虑不确定性和多主体博弈的综合能源系统规划方法，其特征在于，所述耦合节点约束的数学模型如下：1)燃气机组出力约束式中：表示燃气机组u的出力上下限；SGF表示燃气机组的集合，2)耦合节点功率平衡约束式中：fLio表示流入耦合节点的电力潮流，fpo表示流入耦合节点的气流，Θ为燃气机组权　利　要　求　书4/6页5CN110210712A5转化系数，fLco表示流出耦合节点的电力潮流，ELdo为耦合节点的负荷，o表示耦合节点。8.根据权利要求1或2或3或4或6或7所述的一种考虑不确定性和多主体博弈的综合能源系统规划方法，其特征在于：在步骤2)中，发电公司的规划决策为燃气机组的新建方案，电网公司的规划决策为输电线路的新建方案，天然气公司的规划决策为管道的新建方案，在决策过程中，天然气公司规划天然气管道结构，同时影响发电公司燃气机组的投资建设及售电收益；电网公司规划输电网架，追求自身收益最大化的同时，影响发电公司燃气机组的投资建设及售电收益；发电公司制定燃气机组建设方案，从而影响电网公司输电网架的投资建设和天然气公司的售气收入；电网公司和天然气公司还可通过耦合节点传递的潮流信息间接影响彼此的网络拓扑结构；将可再生能源的出力视为特殊的决策变量用于表征其不确定性，并引入“大自然”作为相应的虚拟主体。9.根据权利要求1所述的一种考虑不确定性和多主体博弈的综合能源系统规划方法，其特征在于：在步骤3)中，采用鲁棒优化的方法处理可再生能源出力的不确定性，通过不确定区间描述其出力的波动范围，具体刻画如下：式中：Yw代表可再生能源出力，分别表示可再生能源出力的出力区间上下界；可再生能源出力的出力区间上下界可以根据可再生能源出力的概率分布求得，如下所示：式中：α为可再生能源出力的置信概率，而考虑可再生能源出力不确定性的发电公司鲁棒规划问题，可由如下数学模型表示：式中：X代表电网公司的决策变量，其中的不等式约束和等式约束均在前文中给出，所以在此以简化形式表示；面对“大自然”这样的博弈者，先观察其最坏干扰，再构建应对之策，由此形成博弈回合中两者行动具有先后顺序的动态博弈过程，在发电公司与大自然的一个博弈回合中，首先“大自然”将针对当前燃气机组的结构在不确定区间内不断调整可再生能源出力，增大发电公司的弃电水平，最小化发电公司总效益，其后，发电公司将以“大自然”所造成的最恶劣规划场景为基础，通过优化燃气机组的投资组合，最大化发电公司总效益，然后更新燃气机组新建方案，进入下一个博弈回合；在博弈过程中当“大自然”和发电公司任意一方改变策略都无法获得更优的支付时，博弈达到均衡状态，具体描述如下：式中：为均衡状态下发电公司的策略，为均衡状态下的“大自然”的策略；argmin权　利　要　求　书5/6页6CN110210712A6(·)为目标函数取最小值时的变量集合；argmax(·)为使目标函数取值最大的变量集合。10.根据权利要求9所述的一种考虑不确定性和多主体博弈的综合能源系统规划方法，其特征在于：还包括外层动态博弈行为，首先由发电公司根据耦合节点得到的天然气潮流信息和天然气网络规划方案，通过调整燃气机组的新建方案，给出决策MG，使得发电公司收益最大化；然后再将信息传递给电网公司，通过调整输电线路的决策ME，使得电网公司收益最大化，同时计算电力网络的潮流，然后再将潮流信息传递给耦合节点；耦合节点将电力潮流信息经过转化后传递给天然气公司，通过调整输气管道的决策MG，并计算天然气潮流，在满足约束条件的前提下使得天然气公司收益最大化；三个博弈主体的决策方案使得综合能源系统的规划方案更新，进入下一个博弈回合；基于此，在博弈过程中当发电公司、电网公司和天然气公司任意一方改变策略都无法获得更多的收益时，博弈达到均衡状态，具体描述如下：式中：均为在对方选择最优策略下的己方最优策略，在该策略组合下发电公司、电网公司和天然气公司均能达到均衡意义下的最大收益，所述双层动态博弈模型，首先由发电公司和“大自然”进行动态博弈，此为内层动态博弈模型；然后将决策出的发电公司规划结果再与电网公司、天然气公司进行动态博弈，此为外层动态博弈模型，最终形成的博弈均衡状态具体描述如下：权　利　要　求　书6/6页7CN11