低碳综合能源园区主从博弈实现协同运行的方法及装置

本发明涉及低碳综合能源园区主从博弈实现协同运行的方法及装置，属于社区综合能源系统及低碳建筑的优化运行。

背景技术：

1、住宅建筑在全球能源消耗中的份额约为40％，其中约50％用于制冷或者制热。因此，住宅建筑供热的节能降耗和能效提升显得尤为重要，而高效的住宅建筑供热解决方案和能量管理方法具有重要意义。

2、社区综合能源系统(integrated community energy systems,ices)已广泛用于为住宅社区的住宅建筑物集中供热。其主要优势体现在：(1)与分布式电供热方案相比，ices通过集中供热的形式满足住宅建筑采暖负荷，可以节省空间并减少住宅社区的噪音排放；(2)ices可以充分利用多种能源设备的协同互补特性，实现高效、经济的住宅建筑供热方案。此外，由于住宅建筑物的热惯性，用户可以在一定舒适度范围内调整其热负荷，具备主动参与系统调控的能力，即热需求响应能力，并在这一过程中获得收益。但是ices和住宅建筑用户之间存在差异化的利益诉求，而且ices和住宅建筑用户在协同优化过程中面临的风电和光伏出力、ices运营商向上级能源系统购买能源的价格、室外温度和光照强度等预测数据的不确定性，这是目前现有技术中比较难以解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术存在的不足，提供一种低碳综合能源园区主从博弈实现协同运行的方法及装置，可合理平衡ices(社区综合能源系统integrated community energysystems)和住宅建筑用户的差异化利益诉求，并有效应对二者协同运行中所面临的不确定性。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：低碳综合能源园区主从博弈实现协同运行的方法，所述方法包括以下步骤：

3、步骤一、构建ices与住宅建筑协同优化调度框架，ices与住宅建筑的用能协同优化本质上是主从博弈关系；

4、步骤二、基于所述ices与住宅建筑协同优化调度框架下，构建社区供热网络模型，对社区建筑进行集中供热；

5、步骤三、基于所述ices与住宅建筑协同优化调度框架下，构建含智能散热器的住宅建筑用户用热模型，并将针对所述住宅建筑用户用热模型的热需求响应与针对所述社区供热网络模型的社区供热网络进行集成；

6、步骤四、针对步骤三的集成结果，考虑到所述住宅建筑用户用热模型中的住宅建筑用户与ices的差异化利益诉求，构建了基于双层优化的ices与住宅建筑主从博弈模型；

7、步骤五、基于双层优化的ices与住宅建筑主从博弈模型进行协同优化，在兼顾ices运营商和住宅建筑用户的差异化利益诉求的基础上，进一步考虑了二者在协同优化过程中面临的风电和光伏出力、ices运营商向上级能源系统购买能源的价格、室外温度和光照强度等预测数据的不确定性，构建基于双层模型预测控制(model predictive control,mpc)的ices与住宅建筑主从博弈的双层优化问题数学模型；

8、步骤六、构建基于双层mpc的ices与住宅建筑协同优化求解算法，该方法创新地通过卡鲁什-库恩-塔克(karush-kuhn-tucker,kkt)条件将双层优化问题数学模型转化为单层的带有平衡约束的模型，并基于强对偶理论和大m法对单层的带有平衡约束的模型中的双线性项进行了线性化，有效加快算法求解速度。

9、步骤七、通过执行转化为单层的且线性化后的双层mpc的ices与住宅建筑协同优化求解算法，运行基于双层模型预测控制的ices与住宅建筑主从博弈的双层优化问题数学模型，实现住宅建筑与社区综合能源系统主从博弈协同优化运行：ices运营商可以根据住宅建筑用户的热需求响应，考虑住宅建筑用户与ices运营商之间的主从博弈关系，从而得到针对住宅建筑用户热需求的住宅建筑用户优化热价制定及能量采购方案与住宅用户热需求智能散热器响应方案。同时，本发明方法可以有效应对二者主从博弈协同优化过程中面临的风电和光伏出力、ices运营商向上级能源系统购买能源的价格、室外温度和光照强度等预测数据的不确定性，可以同时保证不确定预测误差情况下二者的经济利益。

10、进一步的，步骤一中，ices与住宅建筑协同优化调度框架包括配电网、供热网络和天然气网络将各种能源生产和转换设备等，它们连接在一起，共同为住宅建筑提供多种形式的能源服务；所述天然气网络与配电网通过chp连接，所述天然气网络与供热网络通过chp连接，所述配电网和供热网络通过热泵连接。

11、进一步的，步骤五中，基于双层mpc的ices与住宅建筑主从博弈的双层优化问题数学模型分为上层模型和下层模型，所述上层模型为ices能源调度模型，所述下层模型为住宅建筑用户用热模型：

12、ices能源调度模型目标函数，如式(1)所示：

13、

14、式中：和分别为ices运营商在时刻t向住宅建筑用户的售电和售热价格；和分别为住宅建筑用户n在时刻t的电负荷和热负荷；pte,l_o和pth,l_o分别为时刻t的非住宅建筑用户的电负荷和热负荷，也即非灵活负荷；和分别为ices运营商在时刻t向上级能源系统购电、购气和购热的价格；pte、ptg和pth分别为ices运营商在时刻t向上级能源系统的购电量、购气量和购热量。

15、ices能源调度模型的约束条件：包括ices的电功率平衡、ices的热功率平衡、ices向住宅建筑的售热价格约束、ices中的热网约束、ices中的电网约束；

16、ices的电功率平衡：

17、

18、式中ptchp为chp在时刻t的电功率输出，其由公式(3)计算所得；ptpv和ptwind分别为光伏和风机在时刻t的电功率输出(假设ices中的光伏和风机由ices建设和运营)；pthp为热泵在时刻t的电功率消耗；ptloss为电网在时刻t的功率损耗；为第k个控制时域的时间；

19、其中，

20、式中ηe为chp的产电效率。

21、ices的热功率平衡：

22、

23、式中为chp在时刻t的热功率输出，其由公式(5)计算所得；为热泵在时刻t的热功率输出，其由公式(6)计算所得；

24、

25、式中ηh为chp的产热效率。

26、

27、式中ηhp为热泵的电转热效率。

28、ices向住宅建筑的售热价格约束：

29、为了保证ices的盈利，ices向住宅建筑的售热价格需要约束在一定范围内，如式(7)所示。此外，为了保证住宅建筑用户与ices的协同互动，售热价格不能太高，因此采用式(8)来对ices的售热价格进行约束。

30、

31、

32、式中为住宅建筑用户在时刻t直接向上级热网够热的价格(也即市政供热价格)；α2和α1为上下限系数，分别取值为0.9和1.1；nc为控制时域时长；

33、ices中的热网约束：

34、对于供热网络中的每个节点，进入节点的流量等于流出节点的流量，如式(9)所示：

35、ahdnmpipe＝mnode  (9)

36、式中，ahdn为二次热网的关联矩阵；mpipe和mnode分别为各个管道流量矩阵和节点流量矩阵；

37、管道中热水的流量控制范围为式(10)所示：

38、

39、式中，和分别为管道l中热水流量的下限和上限；npipe为管道数量；ml,tpipe为t时刻管道中热水的流量；

40、水流沿管道摩擦产生管道压降，压降与水流量的平方成正比，如式(11)所示；节点压力的约束，如式(12)所示：

41、

42、pmin≤pn,t≤pmax  (12)

43、式中，pn,t为节点n在t时刻的压力，pn+1,t为节点(n+1)在t时刻的压力；表示管道特性，κl、ll和dl分别为管道l的摩擦系数、长度和内壁管径；ρ为水的密度；nnode为节点数量；pmin和pmax分别为节点压力的上限值和下限值。

44、ices中的电网约束：

45、单条配电网支路的功率和节点电压如式(13)-(15)所示：

46、

47、

48、

49、节点n是发送端，节点(n+1)是接收端，功率从节点n流向节点(n+1)，式中，pn是节点n的有功功率，pn+1是节点(n+1)的有功功率；qn是节点n的无功功率，qn+1是节点(n+1)的无功功率，pn+iqn是节点n的复功率；vn是节点n的电压，vn+1是节点(n+1)的电压；是节点(n+1)所带负荷的有功功率，是节点(n+1)所带负荷的无功功率，是节点(n+1)所带负荷的复功率；rf是从节点n到节点(n+1)线路的电阻，xf是从节点n到节点(n+1)线路的电抗，rf+ixf是从节点n到节点(n+1)线路的复阻抗；i为虚数；

50、沿线的电压变化满足式(16)：

51、1-ε≤vn≤1+ε  (16)

52、其中ε设置为0.05。

53、住宅建筑用户用热模型目标函数：

54、每个住宅建筑用户n的优化目标为其每个控制时域内的用能成本最小，如式(17)所示：

55、

56、住宅建筑用户用热模型约束条件包括：住宅建筑热动态平衡约束、制热区域室内温度约束、智能散热器流量约束；

57、住宅建筑热动态平衡约束：

58、住宅建筑热动态平衡约束主要包括每个单独制热区域的墙体的热动态平衡及室内空气的热动态平衡，如式(18)和式(19)所示：

59、

60、

61、式中tw1,2、tw1,3、tw1,4和tw1,5分别为制热区域1的四面墙体的温度；troom为制热区域1的室内空气温度；t2～t5分别为与制热区域1相邻的其他制热区域的室内温度；为满足制热区域1室内温度所需要的供热负荷；r1,2、r1,3、r1,4、r1,5在该面墙体接受阳光照射时取1，否则取0；α1,2、α1,3、α1,4、α1,5和aw1,2、aw1,3、aw1,4、aw1,5分别表示四面墙体的吸热率和表面积；cr1为制热区域1的室内空气等效热容；分别表示制热区域1的智能散热器热量、内热源；制热区域1和制热区域5之间的墙体设有窗，因此，透过窗得到的室外光照强度为awin为窗户面积，τwin为窗户透光率。每个住宅建筑制热区域的热负荷均是通过智能散热器换热来满足的，其可由公式(12)计算所得：

62、

63、式中cp为水的比热容；为制热区域1在t时刻的智能散热器流量；ts和tr分别为智能散热器的供水和回水温度；q1,tload为制热区域1的热负荷；将所有制热区域的热负荷叠加就可以得到整个住宅建筑的总体制热负荷，如式(21)所示。

64、

65、式中，p1,th,l为整个建筑的热负荷；i为该建筑中制热区域的总数；

66、制热区域室内温度约束：

67、

68、智能散热器流量约束：

69、

70、式中，和ttroom分别为t时刻制热区域的智能散热器中热水流速和室内温度；和ttroom分别为室内温度的上限和下限；和分别为智能散热器流量的上限和下限。

71、进一步的，步骤六中，双层优化问题数学模型为：

72、

73、式中，twt1,2、twt1,3、twt1,4和twt1,5分别为制热区域1的四面墙体在时刻t的温度；j为不等式约束的编号；k为等式约束的编号；ωinequal为不等式合集；ωequal为等式合集；hj为第j个不等式约束，hj≥0；βi为第i个不等式约束的对偶变量；gk＝0为第k个等式约束；λk为第k个等式约束的对偶变量；l为拉格朗日函数的函数名；其中，墙体热平衡约束式(18)的对偶变量分别为λ1,t,、λ2,t,、λ3,t,、λ4,t；室内热平衡约束(19)的对偶变量为λ5,t；室内舒适温度约束(22)的对偶变量为智能散热器可调流量约束(23)的对偶变量为

74、对公式(24)中各个下层变量和对偶变量求偏导得到单层的带有平衡约束的模型如式(25)-(29)所示：

75、

76、

77、

78、

79、

80、进一步的，步骤六中，基于强对偶理论对目标函数里的双线性项进行了线性化处理：

81、对偶问题和原问题的目标函数之间的关系采用式(30)描述：

82、

83、根据公式(30)，将目标函数式(1)中的非线性部分进行替换，替换后的线性目标函数为：

84、

85、至此，目标函数式(1)的各项均为线性项，可以实现高效求解。

86、进一步的，步骤六中，利用大m法对式(28)和式(29)进行线性化：通过引入布尔变量和足够大的常数m将式(28)和式(29)进一步转化为式(32)-(39)：

87、

88、

89、

90、

91、

92、

93、

94、

95、进一步的，步骤六将双层优化问题数学模型转换单层优化模型后，在步骤七中利用双层mpc实现住宅建筑与社区综合能源系统主从博弈协同优化运行，具体流程如下：

96、1)在当前调度时刻t＝k&k＝1时，ices运营商和住宅建筑用户分别预测其第k个预测时域的预测数据；

97、2)求解第k个控制时域时，以式(31)为目标函数的ices运营商和住宅建筑用户的协同优化模型，并分别得到ices运营商和各建筑用户在第k个控制时域的优化结果。其中ices运营商的优化结果包括第k个控制时域的售热价格、能源购置方案以及能源设备的运行方案；每个建筑用户的优化结果包括第k个控制时域的热负荷、室内温度及智能散热器的流量；

98、3)ices运营商和住宅建筑用户分别应用第2)步得到的第k个控制时域的优化结果的第一个时段t的结果，作为当前调度时刻t的优化结果；

99、4)下一个调度时刻t＝k&k＝2时，ices运营商和住宅建筑分别重新预测其下一个预测时域的预测数据；

100、5)重新执行第2)步，直到ices运营商和住宅建筑得到全天所有调度时刻的优化结果。

101、本发明还公开了一种低碳综合能源园区主从博弈实现协同运行的装置，所述低碳综合能源园区主从博弈实现协同运行的装置至少包括处理器，所述处理器执行本发明所述低碳综合能源园区主从博弈实现协同运行的方法。

102、本发明的有益效果是：

103、(1)通过建住宅筑用户与ices的集成，用户的热需求响应可以通过供热网络传递给ices运营商，进一步发掘建筑用户的用能灵活性。

104、(2)针对ices运营商和建筑用户的差异化利益诉求，构建两者的主从博弈协同优化框架，实现用户与ices的灵活互动和协同优化。

105、(3)针对ices运营商和住宅建筑用户主从博弈协同优化过程中面临的风电和光伏出力、ices运营商向上级能源系统购买能源的价格、室外温度和光照强度等预测数据的不确定性，构建了双层mpc方法，相较于传统的单断面开环优化方法，双层mpc方法在不同的预测不确定等级下均可以提高ices运营商的收益同时降低住宅建筑用户的用能花费。

106、(4)ices运营商售热价格约束范围越大，其最优的售热价格波动也越大，住宅建筑用户的智能散热器流量和室内温度调节也越频繁，表明住宅建筑用户参与ices运行互动也越积极。

107、(5)本发明所述低碳综合能源园区主从博弈实现协同运行的方法，与分布式电供热方案相比，ices通过集中供热的形式满足住宅建筑采暖负荷，可以节省空间并减少住宅社区的噪音排放；ices可以充分利用多种能源设备的协同互补特性，实现高效、经济的住宅建筑供热方案。此外，由于住宅建筑物的热惯性，用户可以在一定舒适度范围内调整其热负荷，具备主动参与系统调控的能力，即热需求响应能力，并在这一过程中获得收益。而且，本发明所述方法是一种住宅建筑用户电/热综合负荷与社区综合能源系统主从博弈方法，能够实现对住宅建筑用户电/热综合负荷的处理，对住宅建筑用户的用能情况实现更加全面完整的处理。