一种考虑需求侧响应的基于博弈论的主动配电网孤岛恢复方法与流程

技术特征：

1.一种考虑需求侧响应的基于博弈论的主动配电网孤岛恢复方法，其特征在于，所述方法步骤如下：

步骤1，分析需求响应对配电网故障恢复的影响，建立分时电价下的需求响应模型，平抑负荷曲线的峰值；

步骤2，以恢复负荷量最大为目标，将不同的分布式电源(DG)作为博弈参与者，建立合作博弈和非合作博弈恢复模型；

步骤3，给出合作和非合作博弈方法；

步骤4，根据DG的利用率(Utilization Rate，UR)和负荷恢复率(restoration rate，RR)指标对孤岛范围进行微调，得到最优的恢复方案，即纳什均衡解；实现失电负荷的最大恢复，对能源进行合理配置。

2.根据权利要求1所述的考虑需求侧响应的基于博弈论的主动配电网孤岛恢复方法，其特征在于，分时电价影响下需求响应模型的建立方法如下：

峰谷分时电价实施前后用户的用电量变化关系如下式，由此可得电价调整后用户响应的电量:

$\left[\begin{array}{c}{Q}_1\\ Q_2\\ Q_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{Q}_{01}\\ Q_{02}\\ Q_{03}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}{Q}_{01}& 0& 0\\ 0& Q_{02}& 0\\ 0& 0& Q_{03}\end{array}\right]E\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{P}_1/P_1\\ \mathrm{\Δ}{P}_2/P_2\\ {\mathrm{\ΔP}}_3/P_3\end{array}\right]$

式中：Q₀₁、Q₀₂、Q₀₃表示传统电价响应下用户的用电量，Q₁、Q₂、Q₃表示峰谷分时电价响应下用户的用电量，E为电量电价弹性矩阵；ΔP/P表示电价调整前后变化量；

为达到需求侧优化负荷曲线的目的，以削峰填谷为目标制定峰谷分时电价，保障负荷曲线最大峰负荷最小化，最低谷负荷最大化，从而改善负荷曲线，提高系统运行可持续性和稳定性；目标函数为：

$\underset{{\mathrm{\φ}}_1,{\mathrm{\φ}}_2}{\min }\underset{i=1,2,3}{max}\left(L_{oi}\right(t)+\frac{Q_i-Q_{0i}}{T_i\mathrm{\Δ}t})$

$\underset{{\mathrm{\φ}}_1,{\mathrm{\φ}}_2}{\min }\underset{i=1,2,3}{max}\left(L_{oi}\right(t)+\frac{Q_i-Q_{0i}}{T_i\mathrm{\Δ}t})-\underset{i=1,2,3}{\min }\left(L_{oi}\right(t)+\frac{Q_i-Q_{0i}}{T_i\mathrm{\Δ}t})\]$

式中：L_0i(t)为优化前负荷；Δt为各时段持续时长；为各个时段用电量变化在该时段的分摊；

需要满足以下两个约束条件，实行峰谷分时电价后保证用户侧平均电价水平不上涨：不会因为反应过度而导致峰谷飘移、甚至峰谷倒错等现象；公式表示分别为

$\frac{P_0\left(\right(1+{\mathrm{\φ}}_1)Q_1+Q_2+(1-{\mathrm{\φ}}_2)Q_3)}{Q_1+Q_2+Q_3}\≤P_0$

式中：P₀表示实行峰谷电价前的用户平均购电价格，￥/kW.h；

0.8L≤L^*≤1.2L

式中：L为用户响应分时电价前负荷，L^*为用户响应分时电价后负荷。

3.根据权利要求1所述的考虑需求侧响应的基于博弈论的主动配电网孤岛恢复方法，其特征在于，合作博弈和非合作博弈恢复模型的建立方法如下：

3.1 博弈参与人和方法

按照DG不同特性大致可以分为三类，1)不具备黑启动能力的DG；2)具备黑启动能力的清洁DG；3)具备黑启动能力的传统DG；从以上三类DG中分别选其一再加上EV形成的虚拟DG作为博弈参与人；参与人包括：含光储DG、不含光储的DG、EV形成的虚拟DG和柴油发电机形成的DG；

(1)非合作博弈

假设有n个DG，n个博弈参与人的集合可以表示为N＝{A_j}，其中j＝1,2,...,n；每个DG的方法是确定孤岛的划分区域，A_i的重构方法表示为φ_i＝{L_i}，即某个DG包含的负荷集合，其中，L_i表示第i个DG孤岛区域内包含的负荷节点；

(2)合作博弈

合作博弈是以特征函数的形式(characteristic function)(N,P)给出，简称博弈的特征型，也称联盟型(coalitional form)；其中N依然表示参与人的集合，S是N的子集，表示参与人之间的联盟，合作博弈的参与人是以几个DG组成联盟的形式参与到博弈重构中，合作博弈的重构方法的集合为其中，LL_i表示第i个DG联盟区域内包含的负荷节点；

3.2 收益函数

含光储DG代表清洁能源光伏发电的利益，简称为清洁DG；柴油发电机DG出力稳定，简称为传统DG；EV形成的虚拟DG是一种移动式的储能电源，具有荷源二性，既可以在故障时为电网提供放电服务，又作为一种可控负荷吸收电能，称为灵活DG；定义DG的利用率(utilization rate)作为其收益函数；公式如下：

$UR=\frac{\underset{i\∈C}{\Σ}{L}_i}{P_j}\×100\%$

式中：P_j为参与恢复的第j个DG发电量，单位是kW；C为DG所在供电孤岛区域内的所有负荷集合；L_i为由DG供电的节点i的负荷量，单位是kW；

3.3 恢复模型

3.3.1 目标函数

在配电网断电的紧急情况下，以负荷的最大恢复量作为目标函数：

$\max F=\underset{i\∈(D_1+D_2+D_3)}{\Σ}{\mathrm{\λ}}_i{L}_{i-get}$

式中：λ_i为负荷的状态变量，负荷i失电时为0，得电时为1；L_i-get为节点i恢复的负荷量，kW；

定义负荷恢复率(restoration rate，RR)来评价负荷恢复相对多少，公式如下：

$RR=\frac{\underset{i\∈E}{\Σ}{L^{*}}_i}{\underset{i\∈E}{\Σ}{L}_i}\×100\%$

式中：L_i为节点i的负荷值，单位是kW；为节点i恢复的负荷量，单位是kW；E为所有负荷集合；

3.3.2 约束条件

(1)辐射状结构，其公式如下：

g_k∈G_k

式中：g_k为已恢复的供电区域；G_k为保证配电网辐射状的所有拓扑结构集合；

(2)配电网各线路的容量约束

I_l≤I_lmax,(l＝1,2,…,n)

式中：I_l为流过l的电流；I_lmax为流过线路l的最大电流；n为配电网支路数量；

(3)节点电压约束

U_imin≤U_i≤U_imax,(i＝1,2,…,m)

式中：U_imin为节点i电压的下限；U_imax为节点i电压的上限；m为配电网节点数量；

(4)DG出力约束

$P_{DG}^{\min }\left(t\right)\≤P_{0G}\left(t\right)\≤P_{DG}^{\max }\left(t\right)$

式中：P_DG(t)为t时刻DG的实际出力；为t时刻DG出力的下限；为t时刻DG出力的上限；

(5)储能装置充放电约束

$P_{dis}^{\min }\≤P_{dis}\left(t\right)\≤P_{dis}^{\max }$

$P_{ch}^{\min }\≤P_{ch}\left(t\right)\≤P_{ch}^{\max }$

式中：P_dis(t)为t时刻储能装置的实际放电功率；为储能装置放电功率的上限；为储能装置放电功率的下限；P_ch(t)为储能装置的实际充电功率；为储能装置充电功率的上限；为储能装置充电功率的下限；

(6)EV充放电约束

1)EV充放电电池约束

S_chmin≤S_ch(t)≤S_chmax

S_mastermin≤S_master(t)

式中：S_chmin和S_chmax为保证电池寿命的最小和最大充放电约束，以防止过分充放电；S_mastermin为车主可以接受的最低放电状态；

2)EV充放电约束

EV除了满足电池约束外，还需要满足自身的功率约束，且不能同时处于充放电状态；

0≤P_ch(t)≤P_chmax

0≤P_dis(t)≤P_dismax

P_ch(t)·P_dis(t)＝0

式中：P_chmax和P_dismax分别为EV最大充电和放电功率约束。

4.根据权利要求1所述的考虑需求侧响应的基于博弈论的主动配电网孤岛恢复方法，其特征在于：所述非合作博弈方法，在非合作博弈恢复中，每个DG都尽可能多地恢复失电负荷，在故障发生后，具有黑启动能力的DG独自恢复部分失电负荷，没有与其他DG进行任何沟通与协作；各个DG以各自电源作为根节点进行孤岛树搜索，直到搜索到容量不足则停止，从而形成孤岛搜索树；在每个具有黑启动的DG形成的孤岛树的下游有若干的负荷；在搜索过程中，会遇到几个不同负荷择其一的情况，倘若n个负荷的重要度等级不同，则选择重要等级的负荷优先恢复；倘若n个负荷的重要度等级相同，则选择负荷值大的负荷优先恢复，可以增大DG的利用率；DG彼此之间的竞争是一种无序竞争，在孤岛划分时遵循“霸王式”的规则。

5.根据权利要求4所述的考虑需求侧响应的基于博弈论的主动配电网孤岛恢复方法，其特征在于，所述非合作博弈所遵从的“霸王式”规则，具体内容如下：

规则(一)：倘若遇到孤岛区域有重叠的情况，那么重叠区域内的节点根据距离DG的远近随机包含于较近的孤岛进行恢复；

规则(二)：倘若遇到某一个孤岛区域完全被包含于另一个孤岛的情况，处理同规则一；

规则(三)：即使两个DG孤岛间有联络开关相连接，但是不通过联络开关进行互联；

各个DG间不存在任何的合作，不能很好地进行协调恢复，会造成部分DG的能量浪费，而有部分负荷却没有得到恢复。

6.根据权利要求1所述的考虑需求侧响应的基于博弈论的主动配电网孤岛恢复方法，其特征在于，所述合作博弈方法的内容如下：

(1)优先确定DG的启动顺序；

(2)制定基于合作博弈的孤岛划分规则；

(3)协调联盟内的DG出力。

7.根据权利要求6所述的考虑需求侧响应的基于博弈论的主动配电网孤岛恢复方法，其特征在于，合作博弈中DG启动的孤岛划分规则，同样以DG为根节点，孤岛树的搜索方法同非合作博弈所述相同，在划分各个DG孤岛区域时遵循的规则不同；具体内容如下：

规则(一)：倘若出现某一个孤岛的范围完全包含于另一个孤岛，则这两个孤岛合作，以共同的容量进行孤岛树范围搜索；

规则(二)：倘若两个孤岛的范围出现相交的情况，处理同规则(一)；

规则(三)：倘若两个孤岛范围之间含有联络开关，处理同规则(一)；

规则(四)：倘若孤岛联盟和另一个孤岛发生如以上四条规则中规定的情况，可对孤岛联盟进行扩展；

规则(五)：根据各个DG的收益函数，对每个DG形成的孤岛区域或孤岛联盟区域进行微调。

8.根据权利要求7所述的考虑需求侧响应的基于博弈论的主动配电网孤岛恢复方法，其特征在于，所述DG的收益函数，含光储DG代表清洁能源光伏发电的利益，具有环保的收益；柴油发电机DG出力稳定，具有可靠的收益；EV形成的虚拟DG是一种移动式的储能电源，具有荷源二性，既可以在故障时为电网提供放电服务，又作为一种可控负荷吸收电能；每一类DG都希望自身的能量被充分利用尽可能多地恢复失电负荷，从而获得较大的价值，定义DG的利用率(Utilization Rate,UR)作为其收益函数；

$UR=\frac{\underset{i\∈C}{\Σ}{L}_i}{P_j}\×100\%$

式中：P_j为参与恢复的第j个DG发电量，单位是kW；C为DG所在供电孤岛区域内的所有负荷集合；L_i为由DG供电的节点i的负荷量，单位是kW。

9.根据权利要求6所述的考虑需求侧响应的基于博弈论的主动配电网孤岛恢复方法，其特征在于，所述协调DG出力，在一个孤岛联盟中，DG合作可以恢复更多的负荷，满足超可加性；在协调各个DG出力时，考虑联盟博弈中能源的均衡配置与联盟分割，此问题转化为合作博弈形式(N,P,v)，其中P表示联盟分割；分割的过程即是求解孤岛联盟关于电力能源分配的过程，可以通过计算博弈的核和夏普利值(Sharply value)来计算；

按照夏普利值的思想，参与人i所应承担的成本或所应获得的收益等于该参与人对每一个他所参与的联盟的边际贡献的平均值，故采用Shapley方法，其定义如下：

$v_i\left(P\right)=\underset{i\∈A}{\Σ}\frac{(A-1)!(n-A)!}{n!}\[P\left(A\right)-P(A/i)\]$

式中：A表示孤岛联盟A中参与的人数，P(A)为联盟A的收益，P(A/i)表示局中人i离开联盟A后联盟的收益值；

通过以上Shapley值进行电能分配，可以计算出联盟的DG之间的能源配置。