一种工业企业综合能源系统优化规划方法

1.本发明涉及工业企业综合能源系统优化规划技术领域，尤其是涉及一种基于多利益主体博弈的工业企业综合能源系统优化规划方法。


背景技术：

2.工业综合能源系统涉及电、热、冷、气等多种能源的生产、转移和消费。传统的工业企业配用电系统缺少产能侧与需求侧的有效互动，普遍存在资源浪费、能源短缺问题，极大影响了系统运行效率和经济环境效益。近年来，随着智能配用电技术和需求响应技术的发展，科学合理的互动机制成为实现工业企业综合用户优化、促进多方互动的有效解决方案，有助于更好地满足用户用能需求和降低用能成本。与此同时，能源互联网和多能互补技术的发展，也为电、热、冷等多种能源系统间的互动响应提供了技术和环境条件。
3.由于综合能源系统结构和多种能源流动耦合关系复杂，涉及的运营主体包括电力系统、天然气系统、热力系统等多个能源子系统以及安装了新能源的用户等，不同主体利益目标不同，所考虑的运行约束也不相同。国家鼓励社会资本参与电力市场当中，就包括各类发电企业、售电企业、电力用户、电力交易机构、电力调度机构和独立辅助服务提供商等，以此提高电力市场主体的多样性和竞争性。现货市场从商品属性上可以分为电能市场、辅助服务市场、需求响应市场等，综合能源系统作为配售侧角色，借助上级电网参与现货交易市场。因此，建立合理的能源交易机制，在保证不同利益主体的安全运行的基础上寻求利益均衡的能源交易、调度策略，是保障能源高效合理利用的重要基础。
4.目前国内外对综合能源系统中多利益主体互动机制的相关研究有很多，提出了一系列综合能源系统中多利益主体间交易的机制，极大提升了综合能源系统内供能渠道的多样性，增强系统可再生能源的消纳能力，有助于双碳目标的实现，然而，既有多利益主体交互的综合能源系统规划相关研究很少聚焦于单个工业企业，虽然很多都是从博弈论视角分析多主体间的交互，但大多着眼于合作博弈方法，基于非合作博弈视角的研究相对较少。


技术实现要素：

5.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工业企业综合能源系统优化规划方法，考虑多主体利益交互，提高各参与主体效益，增强可再生能源消纳能力，能够为用户提供稳定能源供应。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.一种工业企业综合能源系统优化规划方法，包括以下步骤：
8.收集工业企业综合能源系统的设备相关数据；
9.基于工业企业综合能源系统的多方参与主体，确定综合能源系统设备配置，所述参与主体包括储能运营商、综合能源运营商、工业企业用户，所述储能运营商和综合能源运营商成立合作联盟，作为多利益主体；
10.基于综合能源系统设备配置，建立各设备模型和设备容量约束；
11.建立多主体博弈模型，所述多主体博弈模型中多利益主体与工业企业用户之间非合作博弈，多利益主体之间合作博弈；
12.基于kkt-bm方法对多主体博弈模型中的非合作博弈进行求解，确定综合能源系统的设备容量和交易价格；
13.基于shapley值法对多主体博弈模型中的合作博弈进行求解，对储能运营商和综合能源运营商进行效益分配。
14.作为本发明的一种优选方案，所述工业企业综合能源设备相关数据包括，工业企业用户全年电和热负荷数据、燃气轮机性能参数、燃气锅炉性能参数、光伏设备性能参数、储电装置性能参数、储热装置性能参数、电锅炉性能参数、配电网分时电价、购气成本、热网热价。
15.作为本发明的一种优选方案，所述综合能源系统设备配置为：设备配置与主体属性有关，综合能源运营商是能源生产者，由热电联产(chp)机组、燃气锅炉和光伏板组成；储能运营商也是能源生产者，由混合储能系统构成，具体包括储电设备(蓄电池)、储热设备(蓄热罐)和电锅炉；工业企业用户是能源消费者，没有配置供能设备。
16.作为本发明的一种优选方案，所述设备模型为：
[0017][0018]
其中，表示chp机组燃烧天然气后产生的总功率，kw；hg表示天然气平均低热值，取9.97kw
·
h/m3；表示chp机组进气功率，m3/h；分别表示chp机组产电功率和产热功率，kw；表示chp机组的电效率，％；表示chp机组的热电比；η
he
表示换热器效率，％；
[0019][0020]
其中，为燃气锅炉功率，kw；η
gb
为燃气锅炉效率，％；为燃气锅炉进气功率，m3/h；
[0021][0022]
其中，表示光伏发电出力，kw；g
t
表示逐时太阳辐射，kw/m2；λ表示光伏组件发电效率，％；a为光伏板面积，m2；
[0023][0024]
其中，表示t时段蓄电池储能量，kwh；分别为电池充能效率和放能效率，％；分别为电池充电功率和放电功率，kw；δt表示单位时间段，h；
[0025][0026]
其中，表示t时段蓄热罐储热量，kwh；分别表示蓄热罐蓄热效率和放热效率，％；分别表示蓄热罐蓄热功率和放热功率，kw；δt表示单位时间段，h；
[0027][0028]
其中，表示电锅炉产热功率，kw；η
eb
表示电锅炉的电热转化效率，％；表示电锅炉的耗电功率，kw。
[0029]
作为本发明的一种优选方案，所述设备容量约束包括：
[0030][0031][0032][0033]
其中，分别表示chp机组输出电功率上下限，kw；分别表示燃气锅炉出力上下限，kw；分别表示分布式光伏设备输出电功率上下限，kw；
[0034][0035]
其中，分别表示电池调度起始时刻和结束时刻储能设备容量，kwh，两者相等是确保调度的连续性；分别为储电设备容量的上下限，kwh；分别表示储电系统充、放电功率的上限，kw；和分别表示储能系统充、放电状态的0-1变量；表示储电系统充放电功率，正表示放电，负表示充电，kw；
[0036]
[0037]
其中，分别表示蓄热罐调度起始时刻和结束时刻储能设备的容量,kwh，两者相等是确保调度的连续性；分别表示蓄热设备容量的上下限，kwh；分别表示储热系统蓄、放热功率的上限，kw；和分别表示储能系统蓄、放热状态的0-1变量；表示储热系统蓄放热功率，正表示放热，负表示蓄热，kw；
[0038][0039]
其中，表示电锅炉额定容量，kw。
[0040]
作为本发明的一种优选方案，综合能源系统的多方参与主体中，多主体的互动机制为：
[0041]
在综合能源系统中，各主体在交易过程中具有自主选择、自主调节能力。不同能源转换设备、市场交易主体，其能量管理机制以及交易过程中的信息共享等要素构成了系统多主体互动机制。市场交易主体的类型包括能源生产者属性和能源消费者属性两类：能源生产者根据用户用能需求，合理制定能源报价；能源消费者根据各方的能源报价，合理安排自身能源消费策略；
[0042]
综合能源系统中，综合能源服务商和储能运营商即能源生产者，它们之间进行合作博弈，组成一个合作联盟，制定统一的售能价格，向能源消费者即工业企业用户供能。综合能源服务商和储能运营商进行合作博弈的最终效益通过shapley值法进行分配。工业企业用户即能源消费者，能源生产者和能源消费者间是完全信息动态博弈，即主从博弈，生产者是领导者，消费者是跟随者。生产者根据消费者的负荷需求进行定价，然后消费者根据能源价格和目标函数最大制定购能策略，能源供能侧根据用户的购能情况调整设备容量进行合理规划从而达到效益最优。生产者与消费者进行非合作博弈，通过kkt-bm方法对非合作博弈进行求解，可得到各设备容量和能源交易价格，在此之上，能进一步求得具体的外购能源量和各设备出力情况。
[0043]
作为本发明的一种优选方案，所述多主体博弈模型中包括多利益主体的目标函数、工业企业用户的目标函数、非合作博弈约束条件和合作博弈约束条件。
[0044]
作为本发明的一种优选方案，多利益主体的目标函数为：
[0045][0046]
其中：π
p
表示供能侧综合能源服务商和储能运营商组成的合作联盟的效益函数，是其向需求侧用户售能所获收入与设备投资成本、运行成本等支出的差值，元；表示供能侧售能收益，元；表示供能侧设备年均投资费用，元；表示供能侧从外部网络购买能源支付的费用，元；表示供能侧设备年运维费用，元；
[0047][0048]
其中，s为典型日；s为典型日数量，表示一年中具有明显季节性的几个典型日(夏季/过渡季/冬季典型日)；ds为第s个典型日的天数，天；t为调度周期，取24h；δt为调度时间间隔，取1h；p
e,t
、p
h,t
分别表示供能侧向工业企业用户售能的单位电价和热价，元/kwh；we,t
、w
h,t
分别表示工业企业用户实际电负荷和热负荷，kw；
[0049][0050]
其中，通过年等额投资折算系数，将设备初期投资费用折算到每年；k为综合能源服务商和储能运营商拥有的设备类型；k为设备类型数目；αk为设备k的单位容量装机成本，元/kw；为设备k的安装容量，kw；r为年利率，％；yk为设备k的运行寿命，年；
[0051][0052][0053]
其中，pg表示单位天然气的价格，元/m3；表示综合能源服务商单位时间段总进气功率，m3/h；表示配电网的分时电价，元/kwh；表示供能侧向配电网购电功率，kw；表示热网的热价，元/kwh；表示供能侧向热网购热的功率，kw；
[0054][0055]
其中，分别表示综合能源服务商chp机组、燃气锅炉、分布式光伏发电的单位产能运维成本，元/kwh；分别表示储能运营商蓄电池、蓄热罐和电锅炉的运维成本，元/kwh；分别表示综合能源服务商chp机组、燃气锅炉以及分布式光伏设备的出力，kw。
[0056]
作为本发明的一种优选方案，工业企业用户的目标函数为：
[0057][0058]
其中，fu为工业企业用户的效用函数；
[0059][0060]
其中：ae、be分别表示工业企业用户电能消耗的偏好常数；ah、bh分别表示工业企业用户热能消耗的偏好常数；这些常数与不同用户的用能特性相关，会影响用户的需求响应能力。
[0061]
作为本发明的一种优选方案，非合作博弈约束条件包括电平衡约束、热平衡约束、需求响应约束、储能设备运行约束和用户交易价格约束：
[0062]
所述电平衡约束包括：
[0063]
[0064][0065]
其中：表示电网购电中直接出售给用户部分，kw；表示电网购电出售给储能运行商部分，kw；
[0066]
所述热平衡约束包括：
[0067][0068][0069]
所述需求响应约束包括：
[0070][0071][0072][0073]
其中：表示用户的固定电负荷，即维持用户正常运行所需电负荷，kw；表示用户在t时段可平移负荷，基于实时能源价格进行调整，kw；表示用户可平移电负荷的数值上限，kw；表示用户t时段内可平移电负荷总量，kw；
[0074]
所述储能设备运行约束包括：
[0075][0076]
其中：表示购电功率用于蓄电池充电部分，kw；
[0077]
若t处于谷时段，则有：
[0078][0079]
若t处于峰时段，储能运营商不向配电网购电，则有：
[0080][0081]
所述能源交易价格约束包括：
[0082][0083]
其中：分别表示供能侧出售给用户电价的最小值和最大值约束，元/
kwh；表示平均电价的上限，元/kwh。
[0084]
作为本发明的一种优选方案，合作博弈约束条件为：
[0085]
根据合作博弈思想，把工业企业综合能源系统参与主体的利益诉求分为个体理性和集体理性两部分：对一个收益能分配的合作联盟，合作联盟整体收益不小于联盟之前的个体收益之和，即集体理性；参与合作的个体的收益必须优于合作之前的个体收益，即个体理性。当且仅当合作联盟s中每个参与者满足上述诉求，合作联盟才会成立；据此，综合能源服务商和储能运营商合作博弈的约束条件为：
[0086][0087]
其中：v(i)表示参与主体i在合作联盟g中分配的收益，元；u(i)表示参与主体i独立运营的收入，元；
[0088][0089][0090]
其中：u
co
表示合作联盟的总收益；n表示参与主体数量。
[0091]
作为本发明的一种优选方案，所述基于kkt-bm方法对非合作博弈进行求解包括：
[0092]
kkt-bm转换方法是将用户的目标函数转化为供能侧的约束条件，从而将双层优化转化基于kkt条件的非线性规划，具体表达式如下：
[0093][0094][0095][0096][0097]
其中：l
gu
表示工业企业用户构造的拉格朗日函数；θe、θesu、μe分别表示kkt条件引入的对偶变量，其中θe、θesu分别表示不等式约束对应的拉格朗日乘数，μe表示对应等式约束的拉格朗日乘数；“a
⊥
b”表示a≥0,b≥0,a
×
b＝0；
[0098]
由于互补约束是非线性的，所有需要凸优化，利用big-m变换法，通过引入0-1变量将原来的非线性式转化为混合整数线性规划约束，具体表示如下式：
[0099][0100]
其中：β
θe
、β
θesu
表示0-1变量，m是一个足够大的正数，此处利用大m方法可使得这个类型得约束线性化，最终得到非合作博弈的线性单层模型；
[0101]
同时，根据kkt条件，利用对偶变量将其转化为二次项，具体如下式所示：
[0102][0103]
经过上述转换后，博弈中的非线性项仅为二次项，利用kkt-bm方法将双层博弈模型等效转化为单层混合整数非线性规划问题，求解确定综合能源系统的设备容量和交易价格。
[0104]
作为本发明的一种优选方案，所述基于shapley值法对合作联盟中的各参与主体进行效益分配包括：
[0105][0106]
其中：表示参与者i所应当分得的效益；(|g|-1)！表示各参与者联盟时的排序总数，其中|g|表示部分参与者的数量，剩余(n-|g|)个参与者的排序有(n-|g|)！种，表示各参与者参与合作的不同排序组合除以n个参与者随机排序得到各参与者所占的权重；v(g)表示参与者i参与合作时，联盟g的效益；v(g\{i})表示去除参与者i时，联盟g的效益；v(g)-v(g\{i})表示参与者i参与不同联盟g创造的边际贡献。
[0107]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0108]
提出一种基于多利益主体博弈的工业企业综合能源系统优化规划方法，考虑多主体利益交互，提高各参与主体效益，增强可再生能源消纳能力，能够为用户提供稳定能源供应，克服了以往只考虑单个供能运营商向用户供能的情况，考虑了多利益主体博弈的工业企业综合能源系统，从而达到兼顾多方利益公平性的工业企业综合能源系统最佳设备配置方案。
附图说明
[0109]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。其中：
[0110]
图1为本发明一个实施例提供的工业企业综合能源系统优化规划方法的多利益主体互动机制图；
[0111]
图2为本发明一个实施例提供的工业企业综合能源系统优化规划方法的工业企业综合能源系统多利益主体博弈模型结构图；
[0112]
图3为本发明一个实施例提供的工业企业综合能源系统优化规划方法的某工业企业典型日的逐时热电负荷图；
[0113]
图4为本发明一个实施例提供的工业企业综合能源系统优化规划方法的模型求解流程图；
[0114]
图5为本发明一个实施例提供的工业企业综合能源系统优化规划方法的系统最优运行下的夏季典型日电出力平衡图；
[0115]
图6为本发明一个实施例提供的工业企业综合能源系统优化规划方法的系统最优运行下的过渡季典型日电出力平衡图；
[0116]
图7为本发明一个实施例提供的工业企业综合能源系统优化规划方法的系统最优运行下的冬季典型日电出力平衡图；
[0117]
图8为本发明一个实施例提供的工业企业综合能源系统优化规划方法的工业用户分时电价图。
具体实施方式
[0118]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细说明，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。基于本发明中实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护范围。
[0119]
在下面描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0120]
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0121]
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0122]
实施例1：
[0123]
参见图1和图2，本发明提供了一种工业企业综合能源系统优化规划方法，包括以下步骤：
[0124]
s1、收集工业企业综合能源系统的设备相关数据，分析用户全年的电和热负荷；
[0125]
需要说明的是：工业企业用户全年电和热负荷数据、燃气轮机性能参数、燃气锅炉性能参数、光伏设备性能参数、储电装置性能参数、储热装置性能参数、电锅炉性能参数、电网分时电价、热网分时热价、购气成本，其中对工业企业用户全年的电和热负荷进行分析时，选定每个季度1个典型日负荷数据作为重点负荷分析。
[0126]
s2、基于工业企业综合能源系统的多方参与主体，确定综合能源系统设备配置；其中，工业企业综合能源系统的参与主体包括储能运营商、综合能源运营商、工业企业用户，储能运营商和综合能源运营商成立合作联盟，作为多利益主体；
[0127]
设备配置与主体属性有关，综合能源运营商是能源生产者，由热电联产(chp)机组、燃气锅炉和光伏板组成；储能运营商也是能源生产者，由混合储能系统构成，具体包括储电设备(蓄电池)、储热设备(蓄热罐)和电锅炉；工业企业用户是能源消费者，没有配置供能设备。
[0128]
s3、基于综合能源系统设备配置，建立各设备模型和设备容量约束；
[0129]
其中，设备模型包括：
[0130]
(1)热电联产(chp)机组
[0131][0132]
其中，表示chp机组燃烧天然气后产生的总功率，kw；hg表示天然气平均低热值，取9.97kw
·
h/m3；表示chp机组进气功率，m3/h；分别表示chp机组产电功率和产热功率，kw；表示chp机组的电效率，％；表示chp机组的热电比；η
he
表示换热器效率，％；
[0133]
(2)燃气锅炉
[0134][0135]
其中，为燃气锅炉功率，kw；η
gb
为燃气锅炉效率，％；为燃气锅炉进气功率，m3/h；
[0136]
(3)光伏板
[0137][0138]
其中，表示光伏发电出力，kw；g
t
表示逐时太阳辐射，kw/m2；λ表示光伏组件发电效率，％；a为光伏板面积，m2；
[0139]
(4)储电设备(蓄电池)
[0140][0141]
其中，表示t时段蓄电池储能量，kwh；分别为电池充能效率和放能效率，％；分别为电池充电功率和放电功率，kw；δt表示单位时间段，h；
[0142]
(5)储热设备(蓄热罐)
[0143][0144]
其中，表示t时段蓄热罐储热量，kwh；分别表示蓄热罐蓄热效率和放热效率，％；分别表示蓄热罐蓄热功率和放热功率，kw；δt表示单位时间段，h；
[0145]
(6)电锅炉
[0146][0147]
其中，表示电锅炉产热功率，kw；η
eb
表示电锅炉的电热转化效率，％；表示电锅炉的耗电功率，kw。
[0148]
设备容量约束包括：
[0149]
(1)综合能源运营商
[0150][0151][0152][0153]
其中，分别表示chp机组输出电功率上下限，kw；分别表示燃气锅炉出力上下限，kw；分别表示分布式光伏设备输出电功率上下限，kw；
[0154]
(2)储能运营商
[0155][0156]
其中，分别表示电池调度起始时刻和结束时刻储能设备容量，kwh，两者相等是确保调度的连续性；分别为储电设备容量的上下限，kwh；分别表示储电系统充、放电功率的上限，kw；和分别表示储能系统充、放电状态的0-1变量；表示储电系统充放电功率，正表示放电，负表示充电，kw；
[0157][0158]
其中，分别表示蓄热罐调度起始时刻和结束时刻储能设备的容量,kwh，两者相等是确保调度的连续性；分别表示蓄热设备容量的上下限，kwh；分别表示储热系统蓄、放热功率的上限，kw；和分别表示储能系统蓄、放热状态的0-1变量；表示储热系统蓄放热功率，正表示放热，负表示蓄热，kw；
[0159][0160]
其中，表示电锅炉额定容量，kw。
[0161]
s4、建立多主体博弈模型，多主体博弈模型中多利益主体与工业企业用户之间非
合作博弈，多利益主体之间合作博弈；
[0162]
综合能源系统的多方参与主体中，多主体的互动机制为：
[0163]
在综合能源系统中，各主体在交易过程中具有自主选择、自主调节能力。不同能源转换设备、市场交易主体，其能量管理机制以及交易过程中的信息共享等要素构成了系统多主体互动机制。市场交易主体的类型包括能源生产者属性和能源消费者属性两类：能源生产者根据用户用能需求，合理制定能源报价；能源消费者根据各方的能源报价，合理安排自身能源消费策略；
[0164]
综合能源系统中，综合能源服务商和储能运营商即能源生产者，它们之间进行合作博弈，组成一个合作联盟，制定统一的售能价格，向能源消费者即工业企业用户供能。综合能源服务商和储能运营商进行合作博弈的最终效益通过shapley值法进行分配。工业企业用户即能源消费者，能源生产者和能源消费者间是完全信息动态博弈，即主从博弈，生产者是领导者，消费者是跟随者。生产者根据消费者的负荷需求进行定价，然后消费者根据能源价格和目标函数最大制定购能策略，能源供能侧根据用户的购能情况调整设备容量进行合理规划从而达到效益最优。生产者与消费者进行非合作博弈，通过kkt-bm方法对非合作博弈进行求解，可得到各设备容量和能源交易价格，在此之上，能进一步求得具体的外购能源量和各设备出力情况。
[0165]
据此，建立的多主体博弈模型中，多利益主体与工业企业用户之间非合作博弈，多利益主体之间合作博弈。多主体博弈模型中包括多利益主体的目标函数、工业企业用户的目标函数、非合作博弈约束条件和合作博弈约束条件。
[0166]
首先，进行主从博弈均衡存在性证明：
[0167]
多利益主体组成的合作联盟是非合作博弈中的领导者，拥有能源的定价权，为供能侧，也称供给侧；工业企业用户是跟随者，为需求侧，也称用能侧，根据供能侧公布的能源价格调整自己的用能策略。在主从博弈中，求得纳什均衡解是非合作博弈的最终目的，也是对研究结果的理论验证。均衡解是指当所有参与者取得均衡解策略时，任何一个参与者都无法通过仅改变自身策略来提升自我利益，即均衡的策略为各个理性参与者在一定环境下利益最大的策略。
[0168]
当博弈模型存在纳什均衡时，由纳什均衡的定义可知，(h
*
,z
*
)为博弈模型的均衡解，此时，供能侧的均衡解h，用户侧的策略z。双方的效益均可达到纳什均衡意义的最佳值。设h、z是度量空间的紧子集，并且z是度量空间的非空凸集，可知当主从博弈同时满足一下几个条件时，博弈均衡存在：
[0169]
(1)πu是关于策略集z的连续性凸函数；
[0170]
(2)πu是关于w
e,t
的拟凸函数；
[0171]
(3)π
p
是关于策略集h的连续性函数；
[0172]
首先证明条件(1)、(3)，由于供能侧的目标函数是收益与支出的差值，工业企业用户的效益函数是根据其效用函数和目标函数计算得到，二者关于变量的连续性显而易见,证明纳什均衡存在，重点要证明上述第二个条件是否满足。
[0173]
由定义“函数π(x)在开区间w有定义，若有π[rx1+(1-r)x2]≤rπ(x1)+(1-r)π(x2)，则称π(x)在区间w是凸函数或者向下凸函数。”通过推导计算可知，πu满足定义中的凸函数特点，是关于w
e,t
的拟凸函数。
[0174]
综上，需求侧用户对于能源价格有着唯一的最优响应，所有参与博弈的策略集非空且紧凑，故供能侧与需求侧用户之间能源交易的主从博弈均衡解存在。
[0175]
(1)多利益主体的目标函数为：
[0176][0177]
其中：π
p
表示供能侧综合能源服务商和储能运营商组成的合作联盟的效益函数，是其向需求侧用户售能所获收入与设备投资成本、运行成本等支出的差值，元；表示供能侧售能收益，元；表示供能侧设备年均投资费用，元；表示供能侧从外部网络购买能源支付的费用，元；表示供能侧设备年运维费用，元；
[0178][0179]
其中，s为典型日；s为典型日数量，表示一年中具有明显季节性的几个典型日(夏季/过渡季/冬季典型日)；ds为第s个典型日的天数，天；t为调度周期，取24h；δt为调度时间间隔，取1h；p
e,t
、p
h,t
分别表示供能侧向工业企业用户售能的单位电价和热价，元/kwh；w
e,t
、w
h,t
分别表示工业企业用户实际电负荷和热负荷，kw；
[0180][0181]
其中，通过年等额投资折算系数，将设备初期投资费用折算到每年；k为综合能源服务商和储能运营商拥有的设备类型；k为设备类型数目；αk为设备k的单位容量装机成本，元/kw；为设备k的安装容量，kw；r为年利率，％；yk为设备k的运行寿命，年；
[0182][0183][0184]
其中，pg表示单位天然气的价格，元/m3；表示综合能源服务商单位时间段总进气功率，m3/h；表示配电网的分时电价，元/kwh；表示供能侧向配电网购电功率，kw；表示热网的热价，元/kwh；表示供能侧向热网购热的功率，kw；
[0185][0186]
其中，分别表示综合能源服务商chp机组、燃气锅炉、分布式光伏发电的单位产能运维成本，元/kwh；分别表示储能运营商蓄电池、蓄热罐和电锅炉的运维成本，元/kwh；分别表示综合能源服务商chp机组、燃气锅炉以及分布式光伏设备的出力，kw。
[0187]
(2)工业企业用户的目标函数为：
[0188][0189]
其中，fu为工业企业用户的效用函数；
[0190][0191]
其中：ae、be分别表示工业企业用户电能消耗的偏好常数；ah、bh分别表示工业企业用户热能消耗的偏好常数；这些常数与不同用户的用能特性相关，会影响用户的需求响应能力。
[0192]
(3)非合作博弈约束条件包括电平衡约束、热平衡约束、需求响应约束、储能设备运行约束和用户交易价格约束：
[0193]
电平衡约束包括：
[0194][0195][0196]
其中：表示电网购电中直接出售给用户部分，kw；表示电网购电出售给储能运行商部分，kw；
[0197]
热平衡约束包括：
[0198][0199][0200]
需求响应约束包括：
[0201][0202][0203][0204]
其中：表示用户的固定电负荷，即维持用户正常运行所需电负荷，kw；表示用户在t时段可平移负荷，基于实时能源价格进行调整，kw；表示用户可平移电负荷的数值上限，kw；表示用户t时段内可平移电负荷总量，kw；
[0205]
储能设备运行约束包括：
[0206]
[0207]
其中：表示购电功率用于蓄电池充电部分，kw；
[0208]
若t处于谷时段，则有：
[0209][0210]
若t处于峰时段，储能运营商不向配电网购电，则有：
[0211][0212]
能源交易价格约束包括：
[0213][0214]
其中：分别表示供能侧出售给用户电价的最小值和最大值约束，元/kwh；表示平均电价的上限，元/kwh。
[0215]
(4)合作博弈约束条件为：
[0216]
根据合作博弈思想，把工业企业综合能源系统参与主体的利益诉求分为个体理性和集体理性两部分：对一个收益能分配的合作联盟，合作联盟整体收益不小于联盟之前的个体收益之和，即集体理性；参与合作的个体的收益必须优于合作之前的个体收益，即个体理性。当且仅当合作联盟s中每个参与者满足上述诉求，合作联盟才会成立；据此，综合能源服务商和储能运营商合作博弈的约束条件为：
[0217][0218]
其中：v(i)表示参与主体i在合作联盟g中分配的收益，元；u(i)表示参与主体i独立运营的收入，元；
[0219][0220][0221]
其中：u
co
表示合作联盟的总收益；n表示参与主体数量。
[0222]
s5、基于kkt-bm方法对多主体博弈模型中的非合作博弈进行求解，确定综合能源系统的设备容量和交易价格；
[0223]
需要说明的是：基于kkt-bm方法，对非合作博弈进行求解，得到各设备容量，结果的能源交易价格可视为影响因素，拟获取供能侧的具体外购能源量和单位时间设备出力情况；
[0224]
kkt-bm转换方法是将用户的目标函数转化为供能侧的约束条件，从而将双层优化转化基于kkt条件的非线性规划，具体表达式如下：
[0225][0226][0227][0228][0229]
其中：l
gu
表示工业企业用户构造的拉格朗日函数；θe、θesu、μe分别表示kkt条件引入的对偶变量，其中θe、θesu分别表示不等式约束对应的拉格朗日乘数，μe表示对应等式约束的拉格朗日乘数；“a
⊥
b”表示a≥0,b≥0,a
×
b＝0；
[0230]
由于互补约束是非线性的，所有需要凸优化，利用big-m变换法，通过引入0-1变量将原来的非线性式转化为混合整数线性规划约束，具体表示如下式：
[0231][0232]
其中：β
θe
、β
θesu
表示0-1变量，m是一个足够大的正数，此处利用大m方法可使得这个类型得约束线性化，最终得到非合作博弈的线性单层模型；
[0233]
同时，根据kkt条件，利用对偶变量将其转化为二次项，具体如下式所示：
[0234][0235]
经过上述转换后，博弈中的非线性项仅为二次项，利用kkt-bm方法将双层博弈模型等效转化为单层混合整数非线性规划问题，求解确定综合能源系统的设备容量和交易价格。
[0236]
s6、基于shapley值法对多主体博弈模型中的合作博弈进行求解，对储能运营商和综合能源运营商进行效益分配，具体的，包括：
[0237][0238]
其中：表示参与者i所应当分得的效益；(|g|-1)！表示各参与者参与联盟时的排序总数，其中|g|表示部分参与者的数量，剩余(n-|g|)个参与者的排序有(n-|g|)！种，表示各参与者参与合作的不同排序组合除以n个参与者随机排序得到各参与者所占的权重；v(g)表示参与者i参与合作时，联盟g的效益；v(s\{i})表示去除参与者i时，联盟g的效益；v(g)-v(g\{i})表示参与者i参与不同联盟g创造的边际贡献。
[0239]
实施例2：
[0240]
为了对本方法的技术效果加以验证说明，本实施例选择某工业企业的负荷数据进
行模拟建模，以验证本方法所具有的真实效果。
[0241]
本实施例以上海某工业企业为研究对象，基于所构建模型对多利益主体博弈的综合能源系统进行配置规划分析，其电价采用一般工商业单一制分时电价，电度电价有夏季和非夏季之分，工业企业典型日的热电负荷曲线如图3所示，具体的设备参数如表1所示，设备投资成本及维护成本具体如表2所示。
[0242]
表1：设备技术参数表。
[0243][0244]
表2：设备投资与运维费用。
[0245]
设备投资成本(元/kw)运维成本(元/kw
·
h)热电联产80000.2079燃气锅炉8000.08光伏设备63000.06电锅炉10000.04蓄电池14000.029蓄热罐350.00536
[0246]
本案例设定3个典型情景，情景1为综合能源服务商独立给工业企业供能，储能运营商不参与供能；情景2为储能运营商独立给工业企业供能，综合能源服务商不参与供能；
情景3为综合能源服务商和储能运营商组成合作联盟为工业企业供能。模型的具体求解流程如图4所示。
[0247]
基于前述参数设定，应用本发明所构建的优化模型，确立3个典型情景下供给侧设备配置，运行得到不同情景下设备的规划容量及最优效益，具体如表3所示。从表3中，易见供给侧合作联盟的净利润比他们单独供能运行之和的利润大，合作联盟成立，经过shapley值法进行进一步利益分配，可得合作联盟中的ieo(综合能源服务商)的净利润是251.04万元，eso(储能运营商)的净利润是3.60万元，增长率分别为5.99％和5.88％。
[0248]
表3：不同情景下设备优化配置及效益结果表。
[0249][0250]
基于上述系统配置，供给侧进行合作可以带来更大的利益，虽然设备投资相比其他两种情景有着明显增加，但投资带来的收益也是增长明显。通过图5-图7典型日电平衡图可知，工业企业电负荷全年变化不大，需求量比较平稳，且由于工业企业为维持正常运转所需的固定负荷占比大，故而需求响应不明显。相应的，供需侧间电力交易都是贴近配电网的分时售电价格，具体如图8所示。
[0251]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。