一种基于多方合作博弈的电能替代效益分析方法与流程
本发明涉及电能替代技术领域，具体来说，特别涉及一种基于多方合作博弈的电能替代效益分析方法。
背景技术：
随着全球化石能源的过度消耗，目前能源短缺和环境污染的问题日趋突出。全球各国共同确定降低碳排放的“硬指标”，为此欧洲各国制定了燃油汽车退出市场的时间表。我国明确指出要以提高电能占终端能源消费比重、提高电能占煤炭消费比重、提高可再生能源占电力消费比重，2016-2020年实现电能占终端能源消费比重达到约27％，根据不同电能替代方式的技术经济特点，因地制宜，逐步扩大电能替代范围，形成清洁、安全、智能的新型能源消费方式，并提出对电能替代项目进行适度、合理补偿。
我国能源生态问题突出，环境承载能力已经达到和接近上限，解决化石能源燃烧带来的排放问题刻不容缓，对电能替代项目进行合理补偿，有利于提高能源利用效率，更好地促进清洁能源发展和提高电气化水平，分析基于多方合作博弈的电能替代效益，才能实现电能替代中产生的效益合理的均摊，加快电能替代领域的市场化进程，进而推动电能替代项目经济、合理、科学的开展。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是：提出一种基于多方合作博弈的电能替代效益分析方法，确定用户群的被替代数量决策、政府的补贴决策和电网企业的电价定价决策，在满足电网安全运行和电网改造经济性的同时，实现政府、电网企业和用群收益最大化的目标。
为解决上述技术问题，本发明提出的一种基于多方合作博弈的电能替代效益分析方法包括以下步骤：
步骤10)梳理电能替代项目博弈中博弈参与方的各方关系，确定博弈点；
步骤20)基于多方合作博弈，构建博弈参与方决策量集合；
步骤30)考虑动态效益波动，建立电能替代效益博弈模型；
步骤40)采用改进交互式nsga-ⅱ算法求解电能替代效益博弈模型，在不同场景下，得到nash均衡解。
所述步骤10)中，所述博弈参与方包括用户群、电网企业、以及政府，采用集合p中的元素pi表示电能替代项目中的博弈参与方，具体如式(1)所示：
p＝{p1,p2,p3…pn}(1)
电能替代项目开展后产生效益，效益成为博弈中的利益矛盾点，其数学形式表示如式(2)所示：
rij,i＝1,2,3…n,j＝1,2,3…n(2)
rij表示博弈参与方i,j之间的效益矛盾点，即博弈参与方i,j的博弈点；
电能替代项目博弈中博弈参与方的博弈点的综合表示如式(3)所示：
rm表示电能替代项目中的全部效益，来源于博弈参与方的效益矛盾点之和，rij为博弈参与方i,j的博弈点。
所述步骤20)中，电能替代项目中政府决策量集合如式(4)所示：
ωg为政府在电能替代项目中的决策量集合，包含两钟决策变量，scons为政府每年对每个被改造用户群的电能替代补贴费用，sgrid为政府第j年对电网企业参与电能替代项目中改造配网架构的补贴费用；
用户群作为电能替代项目中的主体，其决策量集合如式(5)所示：
ωcons为用户群在电能替代项目中的决策量集合，
电网企业在电能替代项目中对电价进行决策，其决策量集合如式(6)所示：
ωgrid为电网企业在电能替代项目中的决策量集合，
所述步骤30)中，关注博弈中各博弈参与方的电能替代收入及成本，考虑资金贴现率和项目运行寿命，构建电能替代效益博弈模型如下：
政府收益函数及约束条件：
sgrid＝e-αθs′grid(8)
式(7)中qi为替代用户数量，li·carbon为替代用户减少的碳排放量，p为绿色交易价格，kj为政府对用户补偿系数，式(8)中α为政府对电网企业补偿系数，反映政府对电网企业的补贴倾向程度，θ为电网改造的规模系数，scons和sgrid定义同上；式(9)为各变量不等式约束条件；
用户群的收益函数及约束条件：
式(10)中δm为电能替代用户产量提高量，r’为电能替代后单位产品价格，r为电能替代前单位产品价格，
电网企业收益函数及约束条件：
式(12)中ca为电网企业参与电能替代项目的配网网架改造及建设成本，τ为年利率，tg为电网线路的使用寿命，式(13)中nl为电能替代区域需要扩增10kv线路杆塔数，β为联网系数，ct·k为每个杆塔及之间线路的建设成本，式(14)为各变量不等式约束条件；
三个博弈参与方的博弈格局形成后，构建以下电能替代博弈模型：
式(15)中，argmax()为使三个博弈参与方收益函数取值最大的变量集合，以上最优均衡策略均需满足(7)、(8)、(9)、(10)、(11)、(12)、(13)、(14)的等式及不等式约束条件。
所述步骤40)中，所述采用改进交互式nsga-ⅱ算法求解电能替代效益博弈模型的具体步骤如下：
s4.1：以最大化效益为目标函数，输入博弈三方目标函数；
s4.2：输入各博弈参与方等式、不等式约束；
s4.3：种群进化总代数为gen，进化代数为r＝0；
s4.4：非支配排序和拥挤度计算；
s4.5：父、子代个体合并；
s4.6：生成新种群，若是，跳转到步骤s4.7，若否，跳转到步骤s4.8
s4.7：对种群采取选择、变异、交叉操作。
s4.8：交互式非支配排序，计算拥挤度，并生成新种群，跳转步骤s4.5。
s4.9：种群进化总代数gen是否超过上限，若是，跳转s4.10，若否，跳转步骤
s4.10：生成pareto面，进行nash均衡分析，结束。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明提出一种基于多方合作博弈的电能替代效益分析方法，目的在于在能源用户终端提高电能占比，并不断优化用能结构，本发明针对电能替代项目开展产生的效益问题，根据受益对象和效益主体，在电网企业、用户群和政府间建立了电能替代效益博弈模型，该模型接受电能替代改造的用户数量、补贴费用和电价作为相应博弈参与方的决策量，同时以三个博弈参与方的收益量化为目标函数，求取电能替代效益博弈模型的nash均衡解，在均衡解下得到最优补偿，本发明提供的方法能够有效促进电力市场的发展，进而推动电能替代项目经济、合理、科学的开展。
附图说明
图1为算例非劣解的分布示意图；
图2为基础算例的pareto面示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。
本发明提出的一种基于多方合作博弈的电能替代效益分析方法包括以下步骤：
步骤10)梳理电能替代项目博弈中博弈参与方的各方关系，确定博弈点；
步骤20)基于多方合作博弈，构建博弈参与方决策量集合；
步骤30)考虑动态效益波动，建立电能替代效益博弈模型；
步骤40)采用改进交互式nsga-ⅱ算法求解电能替代效益博弈模型，在不同场景下，得到nash均衡解。
所述步骤10)中，所述博弈参与方包括用户群、电网企业、以及政府，采用集合p中的元素pi表示电能替代项目中的博弈参与方，具体如式(1)所示：
p＝{p1,p2,p3…pn}(1)
电能替代项目开展后产生效益，效益成为博弈中的利益矛盾点，其数学形式表示如式(2)所示：
rij,i＝1,2,3…n,j＝1,2,3…n(2)
rij表示博弈参与方i,j之间的效益矛盾点，即博弈参与方i,j的博弈点；
电能替代项目博弈中博弈参与方的博弈点的综合表示如式(3)所示：
rm表示电能替代项目中的全部效益，来源于博弈参与方的效益矛盾点之和，rij为博弈参与方i,j的博弈点。
所述步骤20)中，电能替代项目中政府决策量集合如式(4)所示：
ωg为政府在电能替代项目中的决策量集合，包含两钟决策变量，scons为政府每年对每个被改造用户群的电能替代补贴费用，sgrid为政府第j年对电网企业参与电能替代项目中改造配网架构的补贴费用；
用户群作为电能替代项目中的主体，其决策量集合如式(5)所示：
ωcons为用户群在电能替代项目中的决策量集合，
电网企业在电能替代项目中对电价进行决策，其决策量集合如式(6)所示：
ωgrid为电网企业在电能替代项目中的决策量集合，
所述步骤30)中，关注博弈中各博弈参与方的电能替代收入及成本，考虑资金贴现率和项目运行寿命，构建电能替代效益博弈模型如下：
政府收益函数及约束条件：
sgrid＝e-αθs′grid(8)
式(7)中qi为替代用户数量，li·carbon为替代用户减少的碳排放量，p为绿色交易价格，kj为政府对用户补偿系数，式(8)中α为政府对电网企业补偿系数，反映政府对电网企业的补贴倾向程度，θ为电网改造的规模系数，scons和sgrid定义同上；式(9)为各变量不等式约束条件；
用户群的收益函数及约束条件：
式(10)中δm为电能替代用户产量提高量，r’为电能替代后单位产品价格，r为电能替代前单位产品价格，
电网企业收益函数及约束条件：
式(12)中ca为电网企业参与电能替代项目的配网网架改造及建设成本，τ为年利率，tg为电网线路的使用寿命，式(13)中nl为电能替代区域需要扩增10kv线路杆塔数，β为联网系数，ct·k为每个杆塔及之间线路的建设成本，式(14)为各变量不等式约束条件；
三个博弈参与方的博弈格局形成后，构建以下电能替代博弈模型：
式(15)中，argmax()为使三个博弈参与方收益函数取值最大的变量集合，以上最优均衡策略均需满足(7)、(8)、(9)、(10)、(11)、(12)、(13)、(14)的等式及不等式约束条件。
所述步骤40)中，所述采用改进交互式nsga-ⅱ算法求解电能替代效益博弈模型的具体步骤如下：
s4.1：以最大化效益为目标函数，输入博弈三方目标函数；
s4.2：输入各博弈参与方等式、不等式约束；
s4.3：种群进化总代数为gen，进化代数为r＝0；
s4.4：非支配排序和拥挤度计算；
s4.5：父、子代个体合并；
s4.6：生成新种群，若是，跳转到步骤s4.7，若否，跳转到步骤s4.8
s4.7：对种群采取选择、变异、交叉操作。
s4.8：交互式非支配排序，计算拥挤度，并生成新种群，跳转步骤s4.5。
s4.9：种群进化总代数gen是否超过上限，若是，跳转s4.10，若否，跳转步骤
s4.10：生成pareto面，进行nash均衡分析，结束。
实施例
以云南曲靖地区煤烤烟的电能替代项目作为实施例，煤烤房数量及功率如表1所示：
表1
曲靖地区烤烟电能替代项目配网改造静态估算投资如表2所示：
表2
算例系数范围如表3所示：
表3
将以上数据按步骤代入建立电能替代效益博弈模型，采用改进交互式nsga-ⅱ算法求解，得到第20次非支配解如图1所示，改进交互式nsga-ⅱ算法具有良好的收敛性。
然后采用pareto面的nash均衡分析理论，通过研究非劣解移动方向，政府、被替代用户群、电网企业三方均在合作博弈中收益达到最大，即在pareto求得nash均衡解，得到pareto前沿如图2所示，电能替代项目中的效益被各博弈参与方分割，为了得出使各博弈参与方均能接受的决策，在pareto面上存在博弈优化区，即用户群和政府盈利尽可能大，电网企业损失尽可能小，造成电网企业无法与用户群和政府同时盈利的原因是配网改造的成本高昂。
本发明针对电能替代项目开展产生的效益问题，根据受益对象和效益主体，在电网企业、用户群和政府间建立了电能替代效益博弈模型，该模型接受电能替代改造的用户数量、补贴费用和电价作为相应博弈参与方的决策量，同时以三个博弈参与方的收益量化为目标函数，求取电能替代效益博弈模型的nash均衡解，在均衡解下得到最优补偿，本发明提供的方法能够有效促进电力市场的发展，进而推动电能替代项目经济、合理、科学的开展。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
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