一种综合能源系统分布式能量优化方法及系统与流程
本发明涉及能源优化领域，特别是涉及一种综合能源系统分布式能量优化方法及系统。
背景技术：
传统的化石能源燃烧时会产生有害气体，易对环境造成破坏；另外，其储量有限，且不可再生，因此能源危机亟待解决。通过建立综合能源系统，改变原有各能源的供用模式，对不同供能系统进行协调、配合和优化，实现能源高效利用。通过研究综合能源系统中能源路由器和用户的市场交易行为，建立并优化能量管理模型，能一定程度增加运营收益，减少能源浪费，同时，若将储能装置加入该系统，将有效实现能源的高效利用。
因此本发明提出一种考虑储能的综合能源系统分布式能量优化方法，通过建立综合能源系统中能源路由器与用户的基本模型，并在此基础上加入储能装置，以得到完善的效益函数模型，再构建非合作斯塔克伯格主从博弈模型对于二者进行分布式优化能源管理求解，得到含储能装置的综合能源系统最优的能源管理方案，能够有效提高能源的利用效率，实现社会能源的持续供应，提高能源供用系统的灵活性、安全性、经济性和自愈能力。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种综合能源系统分布式能量优化方法及系统，实现对能源的优化调度，提高能源利用率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种综合能源系统分布式能量优化方法，所述方法包括：
建立用户侧负荷基础模型；
建立能源路由器基础模型；
根据所述用户侧负荷基础模型和所述能源路由器基础模型建立能源路由器中增加储能装置后用户的效益函数模型和能源路由器的效益函数模型；
根据增加储能装置后用户的效益函数模型和能源路由器的效益函数模型确定能源路由器的最优收益模型；
构建以能源路由器作为主导者，用户作为跟从者的主从博弈框架；
制定能源路由器的博弈策略，所述能源路由器的博弈策略为所述能源路由器对用户销售和回购电能的价格；
将所述能源路由器的博弈策略下发给用户；
根据所述能源路由器的博弈策略和用户的效益函数模型制定用户的博弈策略，所述用户的博弈策略为用户从所述能源路由器处购买的电量；
将所述用户的博弈策略反馈给所述能源路由器；
能源路由器根据用户反馈的策略并结合所述能源路由器的效益函数模型和最优收益模型计算自身效益；
判断能源路由器和用户是否均达到最大效益，若均达到最大效益，则博弈达到均衡，所述博弈停止，当前能源路由器的博弈策略和用户的博弈策略为最优策略；
若能源路由器和用户均没有达到最大效益，重新制定能源路由器的博弈策略，直到达到博弈均衡。
可选的，建立用户侧负荷基础模型具体包括建立电负荷模型、热负荷模型、光伏出力模型以及净负荷模型；所述电负荷模型包括固定负荷模型和可平移负荷模型；
所述固定电负荷模型包括：
所述可平移电负荷模型包括：
所述电负荷基础模型包括：
ti,t＝fi,t+si,t
所述热负荷模型包括：
所述光伏出力模型包括：
所述净负荷模型包括：
其中，nli,t＝ti,t-pvi,t，ti,t表示电负荷模型，pvi,t表示光伏出力模型，t表示将一天平均划分为t段，n为用户总数量。
可选的，所述建立能源路由器基础模型具体包括：
其中，
可选的，所述根据所述用户侧负荷基础模型和所述能源路由器基础模型建立能源路由器中增加储能装置后能源路由器的效益函数模型具体包括：
其中，toi,t为t时刻能源路由器实际需要从供电公司购买的电能，pgs为电网的售电价格，pgas为天然气价格，l为天然气低热值，γ为售热价格，
所述根据所述用户侧负荷基础模型和所述能源路由器基础模型建立能源路由器中增加储能装置后用户的效益函数模型具体包括：
其中，ki为偏好系数，β为光伏补贴价格，pgs为电网的售电价格，pgas为天然气价格，γ为售热价格，phb,t为对于用户光伏出力回购价格，phs,t为能源路由器对用户的售电价格，nli,t表示用户i在t时刻的净负荷，hi,t为用户i在t时刻的热负荷；pvi,t为i在t时刻的光伏出力，ti,t为用户i在t时刻的电负荷。
可选的，所述根据增加储能装置后用户的效益函数模型和能源路由器的效益函数模型确定能源路由器的最优收益模型具体包括：
其中，pgs为电网的售电价格，pgas为天然气价格，γ为售热价格，phb,t为对于用户光伏出力回购价格，phs,t为能源路由器对用户的售电价格，hi,t为用户i在t时刻的热负荷；pvi,t为i在t时刻的光伏出力，ti,t为用户i在t时刻的电负荷，est,t表示系统剩余能量，x表示第一比例系数，
本发明还另外提供一种综合能源系统分布式能量优化系统，所述系统应用于上述方法，系统包括：
用户侧负荷基础模型建立模块，用于建立用户侧负荷基础模型；
能源路由器基础模型建立模块，用于建立能源路由器基础模型；
效益函数模型建立模块，用于根据所述用户侧负荷基础模型和所述能源路由器基础模型建立能源路由器中增加储能装置后用户的效益函数模型和能源路由器的效益函数模型；
最优收益模型建立模块，用于根据增加储能装置后用户的效益函数模型和能源路由器的效益函数模型确定能源路由器的最优收益模型；
主从博弈框架建立模块，用于构建以能源路由器作为主导者，用户作为跟从者的主从博弈框架；
能源路由器博弈策略制定模块，用于制定能源路由器的博弈策略，所述能源路由器的博弈策略为所述能源路由器对用户销售和回购电能的价格；
下发模块，用于将所述能源路由器的博弈策略下发给用户；
用户博弈策略制定模块，用于根据所述能源路由器的博弈策略和用户的效益函数模型制定用户的博弈策略，所述用户的博弈策略为用户从所述能源路由器处购买的电量；
反馈模块，用于将所述用户的博弈策略反馈给所述能源路由器；
自身效益计算模块，用于能源路由器根据用户反馈的策略并结合所述能源路由器的效益函数模型和最优收益模型计算自身效益；
判断模块，用于判断能源路由器和用户是否均达到最大效益，若均达到最大效益，则博弈达到均衡，所述博弈停止；
循环模块，用于当能源路由器和用户均没有达到最大效益，重新制定能源路由器的博弈策略，直到达到博弈均衡。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明通过建立综合能源系统中含储能装置的能源路由器和用户的基本模型和效益函数模型，并将其应用到分布式能源优化管理中，实现对于能源的优化调度，能够提高能源利用率，保证能源的持续供应，同时提高供用能系统的经济性、灵活性；
通过构建非合作斯塔克伯格主从博弈框架解决综合能源系统中能源路由器与用户之间的互动优化过程，二者不断进行信息传递以进行动态博弈，提高了优化结果的准确性、可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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他的附图。
图1为本发明实施例一种综合能源系统分布式能量优化方法流程图；
图2为本发明实施例一种综合能源系统分布式能量优化系统结构示意图。
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做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。
本发明的目的是提供一种综合能源系统分布式能量优化方法，实现对能源的优化调度，提高能源利用率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例一种综合能源系统分布式能量优化方法流程图，如图1所示，所述方法包括：
步骤101：建立用户侧负荷基础模型；
步骤102：建立能源路由器基础模型；
步骤103：根据所述用户侧负荷基础模型和所述能源路由器基础模型建立能源路由器中增加储能装置后用户的效益函数模型和能源路由器的效益函数模型；
步骤104：根据增加储能装置后用户的效益函数模型和能源路由器的效益函数模型确定能源路由器的最优收益模型；
步骤105：构建以能源路由器作为主导者，用户作为跟从者的主从博弈框架；
步骤106：制定能源路由器的博弈策略，所述能源路由器的博弈策略为所述能源路由器对用户销售和回购电能的价格；
步骤107：将所述能源路由器的博弈策略下发给用户；
步骤108：根据所述路由器的博弈策略和用户的效益函数模型制定用户的博弈策略，所述用户的博弈策略为用户从所述能源路由器处购买的电量；
步骤109：将所述用户的博弈策略反馈给所述能源路由器；
步骤110：能源路由器根据用户反馈的策略并结合所述能源路由器的效益函数模型和最优收益模型计算自身效益；
步骤111：判断能源路由器和用户是否均达到最大效益，若均达到最大效益，则博弈达到均衡，所述博弈停止，当前能源路由器的博弈策略和用户的博弈策略为最优策略；
步骤112：若能源路由器和用户均没有达到最大效益，重新制定能源路由器的博弈策略，直到达到博弈均衡。
具体的，步骤101中，建立用户侧负荷基础模型具体包括建立电负荷模型、热负荷模型、光伏出力模型以及净负荷模型；所述电负荷模型包括固定负荷模型和可平移负荷模型；
其中，所述固定电负荷模型包括：
所述可平移电负荷模型包括：
所述电负荷基础模型包括：
ti,t＝fi,t+si,t
所述热负荷模型包括：
所述光伏出力模型包括：
对于用户i，在时间段t的电负荷为固定电负荷和可平移电负荷之和，可以表示为:
ti,t＝fi,t+si,t
则，所述净负荷模型为：
其中，nli,t＝ti,t-pvi,t，ti,t表示电负荷模型，pvi,t表示光伏出力模型，t表示将一天平均划分为t段，n为用户总数量。
具体的步骤102中，本发明中电能和天然气作为输入能源被送入能源路由器。在能源路由器内部，电能经过变压器进行适当转换供给用户；天然气则被分配成两部分，一部分供给微燃机，产生电能和热能两部分能量，一部分供给气炉，产生热能。能源路由器内具备能源管理中心(ems)，能够接收反馈能量需求和供应的信息，例如，根据用户侧反馈的电能和热能需求量来决定天然气如何进行分配。本发明中能源路由器内部含有储能装置，可实现电能的存储与释放。因此能源路由器会收购用户多余的光伏产能，并将能量储存，等到用户向外界请求电能供应时，先将电池中的储能释放供应用户，若该部分能量不足以满足用户需求，则能源路由器再从供电公司购买电能来供应用户。增加储能装置后，减少或避免了能源路由器从供电公司购买的电能量值，降低了能源路由器的成本，增加了收益。
能源路由器t时刻的电能输出和热能输出分别为
其中，
写成矩阵形式为：
对上式进行求逆，可以得到
其中，
具体的步骤103中，加入储能设备后，在时刻t，若nli,t＜0，则能源路由器以
所述根据所述用户侧负荷基础模型和所述能源路由器基础模型建立能源路由器中增加储能装置后能源路由器的效益函数模型具体包括：
其中，toi,t为t时刻能源路由器实际需要从供电公司购买的电能，pgs为电网的售电价格，pgas为天然气价格，l为天然气低热值，γ为售热价格，
时刻t＝1时，
时刻t＝2时，
时刻t＝3时，
时刻t时，
增加储能装置后用户的效益函数模型具体包括：
其中，ki为偏好系数，β为光伏补贴价格，pgs为电网的售电价格，pgas为天然气价格，γ为售热价格，phb,t为对于用户光伏出力回购价格，phs,t为能源路由器对用户的售电价格，nli,t表示用户i在t时刻的净负荷，hi,t为用户i在t时刻的热负荷；pvi,t为i在t时刻的光伏出力，ti,t为用户i在t时刻的电负荷。
具体的，步骤104中，分析加入能源路由器储能装置后分配系数对能源路由器收益的影响。对于用户i，t时刻的净负荷为nli,t，热负荷为hi,t，定义比例系数
本发明讨论t时段能源路由器的收益，因而此时系统中储存的能量为之前所有时段累计剩余的总能量。此部分能量多少不确定，可能没有剩余储能，也可能剩余一定量的储能。假定t时系统中剩余的储能为est,t，因此
能源路由器的收益可表示为：
对于上式关于分配系数αt进行求导，可得到
具体的，步骤105-步骤112，采用非合作斯塔克伯格博弈框架来描述能源路由器和用户之间的交互关系，其中能源路由器作为主导者，用户作为跟随者，能源路由器的策略为其对于用户销售和回购电能的价格，用户的策略为从能源路由器处购买的电量，二者策略的制定原则均为实现自身收益最大化；
(1)能源路由器将初始对于用户销售和回购电能的价格下发给用户；
(2)用户接收能源路由器策略，并根据该策略结合效益函数模型制定自身策略，即从能源路由器处购买的电量，并将该信息反馈给能源路由器；
(3)能源路由器根据用户反馈的策略结合自身效益函数模型计算能源路由器效益，若能源路由器和用户均达到最大效益，即二者均不能通过改变自身策略增加效益，则博弈达到均衡，该博弈停止，否则，能源路由器则重新制定对于用户销售和回购电能的价格，并重复进行(1)，直至达到博弈均衡点。
如图2所示，图2为发明实施例综合能源系统分布式能量优化系统结构示意图，系统包括：
用户侧负荷基础模型建立模块201，用于建立用户侧负荷基础模型；
能源路由器基础模型建立模块202，用于建立能源路由器基础模型；
效益函数模型建立模块203，用于根据所述用户侧负荷基础模型和所述能源路由器基础模型建立能源路由器中增加储能装置后用户的效益函数模型和能源路由器的效益函数模型；
最优收益模型建立模块204，用于根据增加储能装置后用户的效益函数模型和能源路由器的效益函数模型确定能源路由器的最优收益模型；
主从博弈框架建立模块205，用于构建以能源路由器作为主导者，用户作为跟从者的主从博弈框架；
能源路由器博弈策略制定模块206，用于制定能源路由器的博弈策略，所述能源路由器的博弈策略为所述能源路由器对用户销售和回购电能的价格；
下发模块207，用于将所述能源路由器的博弈策略下发给用户；
用户博弈策略制定模块208，用于根据所述路由器的博弈策略和用户的效益函数模型制定用户的博弈策略，所述用户的博弈策略为用户从所述能源路由器处购买的电量；
反馈模块209，用于将所述用户的博弈策略反馈给所述能源路由器；
自身效益计算模块210，用于能源路由器根据用户反馈的策略并结合所述能源路由器的效益函数模型和最优收益模型计算自身效益；
判断模块211，用于判断能源路由器和用户是否均达到最大效益，若均达到最大效益，则博弈达到均衡，所述博弈停止；
循环模块212，用于当能源路由器和用户均没有达到最大效益，重新制定能源路由器的博弈策略，直到达到博弈均衡。
本发明中建立增加储能装置后能源路由器的模型，通过构造时刻能源路由器实际需要从供电公司购买的电能toi,t来实际反映出加入储能装置后对于能源路由器的影响。
考虑能源路由器储能装置后用户和能源路由器的效益函数模型的建立，由于能源路由器含有储能装置，因此如果用户光伏出力超过自身电能需求，那么可以将多余电能卖给能源路由器，而能源路由器可以根据电网对于光伏出力回购价格进行权衡，决定是直接出售给电网或者储存进储能装置，以便之后用户需求较高时出售给用户；若用户对于电能的需求量较大，能源路由器也可以选择直接从电网购电出售给用户或者从自身储能装置中取电出售给用户，因此，能源路由器中储能装置的加入会影响用户和能源路由器的效益函数模型。
对于比例系数的定义，对于用户i，t时刻的净负荷为nli,t，热负荷为hi,t，定义比例系数
考虑能源路由器储能装置后，天然气分配系数对于能源路由器效益函数的影响分析。根据不同的比例系数范围，将能源路由器效益函数进行分段，而每段由于天然气分配系数相关，在用户需求负荷确定的条件下，即确定值条件下，可根据值范围确定最优分配系数，实现收益最大化。
通过构建非合作斯塔克伯格主从博弈框架对于含储能的综合能源系统进行分布式能量优化，能源路由器与用户基于储能的效益函数，不断进行互动，直至二者均达到不可再继续增长的最大收益处，则博弈停止，达到博弈均衡。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
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