一种基于网络安全约束的双边协商交易仿真方法与流程

本发明涉及电力交易仿真领域，尤其是涉及一种基于网络安全约束的双边协商交易仿真方法。

背景技术：

目前国内外电力市场的竞价交易机制一般分为双边交易和撮合交易两种模式。

双边交易是指购售双方直接协商，确定交易电量、交易曲线以及交易价格，经电力调度交易机构安全校核确认后，双方签订双边交易合同的交易方式。

撮合交易是指购电方或售电方申报电量(或电力)和对应电价，购电方按照报价由高到低进行优先级排序，售电方按照折算排序价由低到高进行优先级排序，在满足一定的网络约束条件下，通过交易算法撮合购售双方成交的交易方式。一般分为单买(或单卖)的单边撮合交易和多买多卖的双边撮合交易两种形式。

目前现有技术中直接交易仿真方法有个共同的缺陷，就是没有考虑网络安全约束。本质上，电力直接交易仅考虑电量平衡，缺乏电力实时平衡机制，无法真正满足电力发、输、配、用实时平衡的物理属性要求，这也正是目前我国电力直接交易电量占比不高、安全校核难以真正有效展开的主要原因。

技术实现要素：

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基于网络安全约束的双边协商交易仿真方法。本发明针对目前电力直接交易仿真领域存在各种问题，提出考虑网络安全约束、适用于不同交易模式的电力双边协商交易仿真方法，为理论分析电力直接交易提供了有效工具。在双边协商交易仿真过程中，通过随机建立、删除交易方式模拟交易过程的不确定性；为了满足潮流约束，通过用户负荷曲线及电网潮流转移分布因子予以考虑。此外，本文还证明了所提双边协商仿真方法的收敛性，确保了所提方法对大规模直接交易模拟的适应性。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于网络安全约束的双边协商交易仿真方法，所述的双边协商交易仿真通过随机建立、删除交易方式满足网络安全约束条件，所述的双边协商交易仿真方法包括以下步骤：

s1、随机选取一对发电商和用户，计数时间段累加单位时间；

s2、判断发电商和用户是否建立直接交易，若为是，则进行步骤s3，若为否，则进行步骤s4；

s3、求解以发电商为主动方进行删除交易的优化计算模型，判断是否存在可行解，若存在则更新数据后返回s1，若不存在则进行步骤s5；

s4、求解以发电商为主动方进行建立交易的优化计算模型，判断是否存在可行解，若存在则更新数据后返回s1，若不存在则进行步骤s5；

s5、求解以用户为主动方进行建立交易的优化计算模型，判断是否存在可行解，若存在则更新数据后返回s1，若不存在则进行步骤s6；

s6、判断计数时间段是否大于设定值，若为否则返回s1，若为是则仿真结束输出仿真结果。

s3中以发电商为主动方进行删除交易的优化计算模型的目标函数为：

满足约束条件：

其中，ρm为发电商成本报价，γn’为删除交易过程中用户报价；

h折算到小时的直接交易周期；

g^t为时刻t的交易网络；

t为政府核定的输配电价；

δmn′为发电商与用户之间进行删除交易的交易量；

δmn为发电商与用户之间的交易电量；

为发电商m出力pm的下限；

为发电商m出力pm的上限；

为发电商m在时段h对应的售电量；

为建立交易过程中的电量分解系数；

为删除交易过程中的电量分解系数；

为发电商m与用户n已建立的交易量；

为用户n’负荷qn，的最大值；

为用户n’在时段h对应的售电量。

以发电商为主动方进行删除交易的优化计算模型的目标函数还满足网络安全约束条件：

其中，jlm、jln、jln’分别为线路l对发电商m、用户n、用户n’所在母线节点的潮流转移分布因子ptdf；

fl为安全绝对值；

为建立交易过程中的电量分解系数；

为发电商m与用户n已建立的交易量；

fl^h,t为线路l在时段h的潮流；

为删除交易过程中的电量分解系数；

δmn′为发电商与用户之间进行删除交易的交易量；

l为线路总数；

h为折算到小时的直接交易周期。

s4中以发电商为主动方进行建立交易的优化计算模型的目标函数为：

满足约束条件：

(1/2·t-αmn)δmn≤0

其中，αmn＝(ρm+γn)/2-ρm＝γn-(ρm+γn)/2，ρm为发电商成本报价，γn为建立交易过程中用户报价；

δmn为发电商与用户之间的交易量；

t为政府核定的输配电价；

为发电商m出力pm的下限；

为发电商m出力pm的上限；

为发电商m在时段h对应的售电量；

为建立交易过程中的电量分解系数；

为用户n负荷qn的最大值；

为用户n在时段h对应的售电量；

h为折算到小时的直接交易周期；

g^t+1为时刻t+1的交易网络。

以发电商为主动方进行建立交易的优化计算模型的目标函数还满足网络安全约束条件：

其中，jlm、jln分别为线路l对发电商m、用户n所在母线节点的潮流转移分布因子ptdf；

fl为安全绝对值；

fl^h,t为线路l在时段h的潮流；

为建立交易过程中的电量分解系数；

l为线路总数；

h为折算到小时的直接交易周期；

g^t+1为时刻t+1的交易网络；

δmn为发电商与用户之间的交易电量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)首次提出了考虑交易对象、交易次序不确定性的双边协商电力直接交易仿真方法；

2)首次将网络安全约束纳入直接交易市场出清约束条件中，有助于解决目前我国电力直接交易安全校核难以有效开展等问题，为直接交易规模进一步扩大做了理论储备；

3)为市场监管者、市场个体深入分析研究双边协商交易提供了有效仿真工具。

附图说明

图1为直接交易网络图；

图2为双边协商交易仿真算法流程图；

图3为4节点网络接线图；

图4为负荷曲线图。

具体实施方式

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的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

1双边协商交易仿真

1.1基本假设

双边协商交易是指发电企业和电力用户通过双边协商确定直接交易意向，并经调度机构安全校核，同时向电网支付相关输电费用的交易方式。与集中撮合交易不同，双边协商交易模拟的最大难点在于需要考虑交易对象和交易顺序的不确定性。

为此，本文对双边协商交易仿真做如下假设：1)、假设市场个体都是理性趋利个体，通过建立或删除双边交易方式实现自身收益最大化；2)、假设每次双边协商交易过程在随机选取的发电商-用户对之间进行；3)、在双边交易建立过程中，需要保证交易双方至少一方获利，另一方不受损；4)、在双边交易删除过程中，只需保证交易删除主动方(通过删除直接交易并增加其他相关直接交易量方式)效益增加即可；5)、假设双边协商交易演化过程没有时间限制，当任意发电商-用户对无法通过建立或删除直接交易增加其自身收益时交易结束。

1.2基本概念

1.2.1直接交易网络

为了直观表达双边协商交易情况，采用图1所示g表示直接交易网络。图中节点1、3和节点2、4分别代表发电商和用户，各条边代表直接交易，边的权值代表直接交易电量。另外，为了形象模拟双边协商交易演化过程，通过对直接交易网络的加边(建立交易)、减边(删除交易)操作加以实现。

1.2.2市场个体收益函数

假设市场中有m个发电商,n个用户：其中发电商m(m＝1,2,…，m)的成本报价为ρm，用户n(n＝1,2,...,n)的报价为γn；假设在任意演化时刻t，发电商m与用户n之间的直接交易电量为价格等于买卖双方报价的平均值，即(ρm+γn)/2；假设政府核定的输配电价为t，输配电成本由买卖双方平均承担。于是，直接交易网络g^t对应发电商m与用户n的收益函数um^t、un^t分别为：

其中，αmn＝(ρm+γn)/2-ρm＝γn-(ρm+γn)/2。

此外，为便于分析，定义直接交易网络g^t对应的收益函数u(g^t)等于所有发电商和用户收益函数之和，即

1.2.3电量分解

为考虑网络安全约束，在对直接交易进行仿真之前，还需要根据用户提供的负荷曲线把双边协商交易合同电量分解到每个小时。对于任意交易xmn^t，假设直接交易为年度交易，则分解到时段h的电量为fn^h·xmn^t(fn^h为电量分解系数，σh∈hfn^h＝1，h为折算到小时的直接交易周期)。

于是，对演化时刻t形成的直接交易网络g^t来说，发电商m和用户n在时段h对应的售电量xm^h,t和购电量xn^h,t分别为：

1.3建立交易过程

假设演化时刻t的直接交易网络为g^t，发电商m(主动方)欲与用户n建立交易量为δmn的直接交易，如果交易成功，则在t+1时刻发电商m的交易量为xm^t+1：

对于用户n来说，其交易量xn^t+1为：

于是，在直接交易网络g^t+1下，线路l在时段h的潮流为：

其中，jlm、jln分别为线路l对发电商m、用户n所在母线节点的潮流转移分布因子ptdf^[14]。

假设发电商m出力pm的上下限分别为和用户n负荷qn最大值为则以发电商m为建立交易主动方的目标函数为：

(1/2·t-αmn)δmn≤0(16)

式(14)表示发电商m追求其自身收益最大化；式(15)表示发电商m收益在交易建立过程中有正增量；式(16)表示用户n收益在交易建立过程中不减少；式(17)、(18)分别表示发电出力限制和最大负荷限制；式(19)表示网络安全校核。

同理，当用户n为主动方时，也有类似式(14-19)的优化模型。

1.4删除交易过程

假设某演化时刻t的金融网络为g^t，发电商m(主动方)欲删除与用户n已建立的交易量为的双边交易，则其最优交易模型为(注：省去了公式推导)：

其中，ρm为发电商成本报价，γn’为删除交易过程中用户报价；

t为政府核定的输配电价；

δmn，为发电商与用户之间进行删除交易的交易量；

jlm、jln、jln’分别为线路l对发电商m、用户n、用户n’所在母线节点的潮流转移分布因子ptdf；

fl为安全绝对值；

为发电商m与用户n已建立的交易量；

fl^h,t为线路l在时段h的潮流；

为删除交易过程中的电量分解系数；

δmn，为发电商与用户之间进行删除交易的交易量；

为用户n’负荷qn，的最大值；

为用户n’在时段h对应的购电量。

式(20)表示发电商m追求其自身收益最大化；式(21)表示主动方收益在交易删除过程中有正增量；式(22)、(23)分别表示发电出力限制和最大负荷限制；式(24)表示网络安全校核。

同理，当用户n为主动方时，也有类似式(20-24)的优化模型。

1.5双边协商交易仿真流程图

上述双边协商交易仿真过程通过随机选取发电商和用户对，对其进行合同建立或删除操作，逐步形成均衡直接交易网络，其仿真流程图如图2所示。

1.6双边协商交易仿真方法的收敛性

显然，双边协商交易仿真模型是一个不断演化的随机过程，那么这个演化过程是否一定会收敛？

结论1：任何建立交易或删除交易的操作过程都会增加的直接交易网络效益

证明：首先证明当以发电商m为主动方在任意t+1时刻与用户n建立δmn的双边交易后，由式(5-12)可以得到直接交易网络收益的变化量δu^t(g)为：

同时，考虑到建立δmn的双边交易过程中的约束(15)需成立，所以直接交易网络的网络效益在建立δmn之后是增加的，且是发电商m收益增量的两倍。同理，还证明当用户n为主动方在任意t+1时刻与发电商m建立δmn的双边交易以及删除双边交易操作时均有类似结论。

结论2：本文提出的集中撮合交易模型计算得到的直接交易网络是均衡直接交易网络

证明：采用反证法，假如由上节所提集中撮合交易模型得到的直接交易网络g不是均衡直接交易网络，说明存在某个建立(或删除)交易操作，使g演化到别的直接交易网络g’。由结论1可知，u(g’)大于u(g)，这与g是集中撮合交易出清模型的最优解相矛盾，所以g是均衡直接交易网络，证毕。

结论3：本文提出的双边协商交易模拟方法是收敛的，即通过有限长的改进路径可以达到某个均衡直接交易网络。

证明：考虑以演化路径上各直接交易金融网络效益组成的序列u(g¹),u(g²),u(g³),…，由结论1得知该序列是递增数列，由结论2得知该序列有上界，为集中撮合模型得到的直接交易网络收益，又因为单调有界数列必收敛，所以该序列收敛，收敛后对应的直接交易网络即为均衡直接交易网络，证毕。

2算例分析

以4节点系统(见图3)为例，系统中所有支路电抗均为1，潮流约束均为10mw；该系统中有三个发电商(分别位于节点1、2、3)和四个用户(分别位于节点1、2、3、4)，其他参数见表1。选num为300次，输配电价为2$/mw。

表1发电商和用户参数

2.1单时段算例

2.1.2双边协商交易仿真结果

考虑到交易选择的随机性，对算例进行了1000次仿真，获得了82个不同的均衡直接交易网络，其中有39个与集中撮合交易仿真结果具有相同的市场个体交易量(即xm、xn相同，但xmn却不尽相同)，其他均衡直接交易网络收益均小于925$。下面通过2个仿真得到的均衡直接交易网络进一步说明双边协商交易的特点。

表2单时段典型均衡直接交易网络

1)、与集中撮合交易结果pws1不同，表2中psw2并没有按照买卖价差对由大到小进行撮合，但却具有最大收益。

2)、受到了诸如潮流越限、发电容量以及最大负荷等约束的限制，虽然表2中pws3的收益小于最大收益，但它仍然是均衡直接交易网络。

2.2多时段算例

本文假设时段集合为h＝{1,2,…,24}，用户l1、l2、l3和l4的负荷曲线如图4所示。

2.2.2双边协商交易仿真结果

类似单时段情况，对算例进行了1000次仿真，获得了99个不同的均衡直接交易网络，其中有16个同集中撮合交易仿真结果具有相同的市场个体交易量，其他83个均衡直接交易网络的收益均小于最大收益18719$。下面通过3个仿真得到的均衡直接交易网络进一步说明多时段双边协商交易的特点：

1)、与集中撮合交易结果pws4不同，表3中psw5并没有按照买卖价差对由大到小进行撮合，但却具有相同的收益。

2)、均衡直接交易网络pws6具有与pws4完全一样的直接交易总量和用户收益，但对应效益却较pws4少，这主要是由直接交易量在发电侧的不同分配所致。

3)、受到了诸如潮流越限、发电容量以及最大负荷等约束的限制，虽然pws7对应收益小于pws4对应收益，但它仍然是均衡直接交易网络。

表3多时段典型均衡直接交易网络

3结论

在双边协商交易仿真程中，通过随机建立、删除交易方式模拟交易过程的不确定性；为了满足潮流约束，通过用户提交的负荷曲线及电网潮流转移分布因子予以考虑。此外，还证明了所提双边协商交易仿真方法的收敛性，为进一步应用该方法提供了理论保障。算例表明，本发明所提方法可以真实的反映交易随机性和网络安全约束对电力直接交易的各种影响，计及了交易过程中的各种不确定性以及网络安全等实际约束。

仿真结果表明，双边协商交易在交易网络演化过程中很容易收敛到多个不同的均衡直接交易网络，这主要是由于交易对象和交易次序的无序性导致某些约束率先达到了限制，从而导致市场效率的降低，甚至整体社会收益减少。

本文所提仿真方法具有如下意义：1)、首次提出了考虑交易对象、交易次序不确定性的双边协商电力直接交易仿真方法；2)、首次将网络安全约束纳入直接交易市场出清约束条件中，有助于解决目前我国电力直接交易安全校核难以有效开展等问题，为直接交易规模进一步扩大做了理论储备；3)、为市场监管者、市场个体深入分析研究双边协商交易提供了有效仿真工具。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。