基于多主體博弈的配電網(wǎng)多時間尺度源荷智能調(diào)度方法*

唐俊刺 ，李 鐵 ，皮俊波 ，王明凱

(1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110000；2.國家電網(wǎng)有限公司，北京 100031)

0 引言

目前，電能的大規(guī)模儲蓄仍是未解決的難題，要保證配電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，就必須保證配電網(wǎng)的發(fā)電和負荷始終處于平衡狀態(tài)，傳統(tǒng)的調(diào)度方法已經(jīng)不能滿足如今超負荷的配電網(wǎng)運行[1]，這一問題引起了相關(guān)學(xué)者的廣泛關(guān)注。

張亞超等人[2]針對風(fēng)電出力的配電網(wǎng)運行的不穩(wěn)定性，提出了基于風(fēng)電波動的源荷智能調(diào)度方法。對于風(fēng)電出力的配電網(wǎng)的風(fēng)電消納作用，提出了基于風(fēng)電波動的源荷智能調(diào)度模式，在此基礎(chǔ)上，以降低配電網(wǎng)的運行成本為目標(biāo)，構(gòu)建配電網(wǎng)多時間多尺度荷智能調(diào)度模型，綜合日前調(diào)度與實時調(diào)度，通過統(tǒng)籌配合實現(xiàn)配電網(wǎng)的智能優(yōu)化，再利用小波函數(shù)求解，驗證基于風(fēng)電波動的源荷智能調(diào)度方法的合理性。李愷等人[3]針對工業(yè)園電源負荷高等問題，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)自動控制技術(shù)的配電網(wǎng)多時間尺度源荷智能調(diào)度方法，建立配電網(wǎng)源荷一體化工業(yè)園物聯(lián)網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)，基于物理信息構(gòu)建工業(yè)園的智能調(diào)度機制，提出了基于配電網(wǎng)生產(chǎn)強化的調(diào)度策略。通過對該調(diào)度方式的實踐，實現(xiàn)工業(yè)園配電網(wǎng)絡(luò)的智能調(diào)度，以此促進工業(yè)園配電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。實驗結(jié)果證明，基于物聯(lián)網(wǎng)自動控制技術(shù)的配電網(wǎng)多時間尺度源荷智能調(diào)度方法可有效解決供電園區(qū)能力不足等問題。

但是上述調(diào)度方法存在運行成本高和發(fā)電容量低等問題。為此本文基于多主體博弈，提出了配電網(wǎng)多時間尺度源荷智能調(diào)度方法，以期為促進配電網(wǎng)的高效運行提供有力的理論依據(jù)。所謂的多主體博弈，是指以配電網(wǎng)為主體的直接相互作用的均衡決策[4]。根據(jù)配電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性，可以將多主體博弈分為多主體博弈和激勵性多主體博弈，兩種多主體博弈資源是根據(jù)配電網(wǎng)用戶自主決定的，利用多主體博弈，對配電網(wǎng)多時間尺度源荷智能調(diào)度，實現(xiàn)電源、電能負荷和配電網(wǎng)三者之間均衡地交互作用，實現(xiàn)運行成本最低和發(fā)電容量利用率更高的配電網(wǎng)調(diào)度[5]。因此，利用多主體博弈有利于提高配電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性和安全性。

1 配電網(wǎng)多時間尺度源荷智能調(diào)度方法設(shè)計

1.1 分析配電網(wǎng)的源荷特性

為了分析配電網(wǎng)的源荷特性，解決配電網(wǎng)在運行過程中出現(xiàn)的調(diào)峰能力不足等問題[6]，通過對配電網(wǎng)多時間尺度的源荷調(diào)度進行削峰填谷，可以有效地提高配電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。

考慮到配電網(wǎng)在運行過程中電能負荷具有波動性[7]，為此，分析了配電網(wǎng)多時間尺度源荷變化情景，如圖1所示。

圖1 配電網(wǎng)多時間尺度源荷變化情景

在圖1 所示的情境中，情景1 中的配電網(wǎng)的負荷下降P2-P1，其中t1到t2時段電能負荷上升到P4-P3，配電網(wǎng)實際的凈負荷為ΔP。當(dāng)(t2-t1)＜ΔP 時，配電網(wǎng)的實際運行速度為，此時t2時刻的發(fā)電機已經(jīng)不能滿足配電網(wǎng)的實際需求，導(dǎo)致切負荷。通過對配電網(wǎng)B 類負荷的源荷智能調(diào)度，可以減輕發(fā)電機組的風(fēng)電消納。在場景2 中，當(dāng)＜ΔP′，配電網(wǎng)的實際運行速度為。通過對B 類負荷的智能調(diào)度，使時減少用電量，可以有效增加配電網(wǎng)的負荷能力。在上述的兩種情境中，利用源荷智能調(diào)度的B 類可以有效地減少調(diào)峰能力[8]。

綜合上述分析可知，在實際運行過程中可以將配電網(wǎng)的C 類和D 類負荷作為備用電源，通過短時間的交互作用可以緩解配電網(wǎng)運行的壓力，從而維持配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

1.2 建立配電網(wǎng)源荷智能優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

基于多主體博弈，對配電網(wǎng)多時間尺度源荷智能調(diào)度，在考慮差異值變化的前提下，以配電網(wǎng)運行成本最低為目標(biāo)[9]，構(gòu)建配電網(wǎng)多時間尺度源荷智能優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)模型：

其中，配電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度周期為T；配電網(wǎng)的分布電源調(diào)度和負荷值分別為G 和S，第k 臺的配電網(wǎng)控制成本為FDG，k；第i 組的配電網(wǎng)調(diào)度成本為FESS，i。

各個配電網(wǎng)的源荷調(diào)度模型如下：

(1)配電網(wǎng)的可控源荷調(diào)度成本

其中，第k 臺的配電網(wǎng)可控分布式源荷調(diào)度系數(shù)為αk、βk、γk，第k 臺的配電網(wǎng)可控分布電源與信道輸出功率分別為PDG，k(t)和，第k 臺的配電網(wǎng)可控安裝成本、負荷系數(shù)和運行效率分別為hDG，k、uDG，k和TDG，k，第k 臺 的配電網(wǎng)源荷調(diào)度成本系數(shù)和容量因素分別為MDG，k和CDG，k。

(2)配電網(wǎng)的源荷調(diào)度成本

配電網(wǎng)在t 時間段的源荷狀態(tài)為SOC，與該時間段配電網(wǎng)的放電量t-1 時段有關(guān)[10]，其配電網(wǎng)的源荷調(diào)度描述為：

在時間段t 內(nèi)，配電網(wǎng)多時間尺度源荷智能優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為：

其中，配電網(wǎng)第i 組的源荷調(diào)度成本系數(shù)為δESS，i，第i 組的配電網(wǎng)放電功率為PESS，i。

通過上述步驟建立了配電網(wǎng)源荷智能優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。

1.3 構(gòu)建配電網(wǎng)多時間尺度源荷調(diào)度模型

1.3.1 配電網(wǎng)日前調(diào)度模型

配電網(wǎng)源荷日前調(diào)度模型：源荷調(diào)度確定配電網(wǎng)多時間尺度的調(diào)度計劃，基于多主體博弈[11]，確定配電網(wǎng)的多時間尺度調(diào)度A 類和B 類的源荷調(diào)度方法，此時確定配電網(wǎng)的源荷調(diào)度的影響因素，并制定配電網(wǎng)多時間尺度源荷智能調(diào)度方法。

以配電網(wǎng)的經(jīng)濟效益為出發(fā)點[12]，構(gòu)建配電網(wǎng)多時間尺度源荷智能調(diào)度優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為：

其中，配電網(wǎng)多時間尺度的源荷調(diào)度發(fā)電成本和負荷成本分別為FG1和FFG；源荷智能調(diào)度成本為Fs；A 類和B類的多時間尺度源荷調(diào)度成本分別為FATL和FBTL，式(6)的各項調(diào)度成本計算公式為：

式中，以15 min 為一個源荷調(diào)度時間段，當(dāng)T=96 時，配電網(wǎng)多時間尺度的調(diào)度方式和數(shù)量分別為NG和NFG，配電網(wǎng)的常規(guī)調(diào)度機組速度與效率分別為和PFG，i，t，配電網(wǎng)的源荷調(diào)度成本系數(shù)分別為和，配電網(wǎng)的發(fā)電成本系數(shù)為和，配電網(wǎng)的調(diào)度狀態(tài)為和；當(dāng)配電網(wǎng)停止運行時，配電網(wǎng)多時間尺度的啟停成本為Si，A 類和B 類的配電網(wǎng)多時間尺度源荷單位調(diào)度成本分別為αj，ATL和αj，BTL，源荷智能調(diào)度的電量分別為和，源荷電量為，單元源 荷成本為αw。

1.3.2 配電網(wǎng)日內(nèi)2 h 調(diào)度模型

配電網(wǎng)源荷日內(nèi)2 h 調(diào)度模型：對配電網(wǎng)多時間尺度的調(diào)度執(zhí)行，確定未來配電網(wǎng)多時間尺度的調(diào)度計劃，再采用多主體博弈滾動修正配電網(wǎng)的調(diào)度[13]。在源荷智能調(diào)度的基礎(chǔ)上，基于多主體博弈對配電網(wǎng)B 類負荷調(diào)度的多時間尺度源荷智能調(diào)度，并對結(jié)果修正，用時確定配電網(wǎng)C 類負荷的源荷智能調(diào)度計劃[14]。

在源荷智能調(diào)度的基礎(chǔ)上，配電網(wǎng)多時間尺度源荷日內(nèi)2 h 調(diào)度的目標(biāo)函數(shù)為：

其中，F(xiàn)G2為配電網(wǎng)多時間尺度源荷調(diào)度的發(fā)電成本，配電網(wǎng)調(diào)度過程中的啟停成本為Fs，配電網(wǎng)B 類和C 類多時間尺度的源荷調(diào)度成本分別為FBTL和FCTL。下式為配電網(wǎng)多時間尺度源荷調(diào)度的各項成本，即：

其中，當(dāng)T2=16 時，配電網(wǎng)多時間尺度的調(diào)度時效為配電網(wǎng)B 類和C 類多時間尺度的源荷調(diào)度電量分別為和，αj，CTL為C 類源荷調(diào)度單位成本。

1.3.3 配電網(wǎng)日內(nèi)15 min 調(diào)度模型

通過調(diào)度配電網(wǎng)的多時間尺度源荷，設(shè)定時間為15 分鐘/次，確定配電網(wǎng)的C 類和D 類多時間尺度源荷調(diào)度計劃，并隨時滾動修正配電網(wǎng)[15]。

配電網(wǎng)日內(nèi)15 min 調(diào)度模型以快速啟停機組為發(fā)電成本，此時以D 類源荷調(diào)度成本最小為目標(biāo)，其公式為：

其中，當(dāng)T3=2 時，配電網(wǎng)D 類多時間尺度源荷調(diào)度單位成本為αj，DIL，此時的D 類源荷調(diào)度總成本為Pj，DIL，t。

根據(jù)以上過程，構(gòu)建了配電網(wǎng)多時間尺度源荷調(diào)度模型，實現(xiàn)了配電網(wǎng)多時間尺度源荷調(diào)。

2 實驗分析

為了驗證基于多主體博弈的配電網(wǎng)多時間尺度源荷智能調(diào)度方法在實際應(yīng)用中的可行性，下面進行實驗測試。

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

以某一配電網(wǎng)為例，設(shè)置兩臺可控分布式電源，其出力上、下限值分別為80 kW、20 kW、160 kW 和47 kW，其他相關(guān)參數(shù)設(shè)置情況如表1 所示。

表1 可控分布式電源的相關(guān)參數(shù)設(shè)置情況

配電網(wǎng)由3 種負荷組成，具體組成情況如圖2 所示，出力預(yù)測如圖3 所示。

圖2 配電網(wǎng)負荷組成情況

圖3 配電網(wǎng)風(fēng)光出力預(yù)測值

基于圖2 和圖3 的數(shù)據(jù)，將配電網(wǎng)的負荷用電劃分為3 個時段，峰時段分別為10:00～12:00 和16:00～21:00兩個時段，平時段分別為8:00～10:00 和12:00～16:00 兩個時段，谷時段分別為00:00～8:00 和21:00～24:00 兩個時段。

2.2 仿真場景

將仿真場景劃分為3 類，場景一是基本場景，在配電網(wǎng)多時間尺度源荷調(diào)度時不考慮用戶的用電需求響應(yīng)；場景二是價格型需求響應(yīng)場景，先分類配電網(wǎng)的用電負荷，得到價格型需求響應(yīng)負荷值，優(yōu)化求解配電網(wǎng)多時間尺度源荷調(diào)度模型；場景三是綜合場景，基于場景二，考慮多時間尺度對配電網(wǎng)源荷調(diào)度的影響，綜合考慮價格型和激勵型兩種需求響應(yīng)。

2.3 結(jié)果與分析

2.3.1 不同策略下配電網(wǎng)多時間尺度源荷調(diào)度效果

在其他所有參數(shù)都相同的條件下，對比測試了配電網(wǎng)多時間尺度源荷智能調(diào)度方法在不同策略下的調(diào)度效果，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同策略下的調(diào)度效果

從圖4 的結(jié)果可以看出，當(dāng)采用文獻[4]的源荷智能調(diào)度方法時，配電網(wǎng)多時間尺度源荷調(diào)度的總成本都超過了16 萬美元，說明大規(guī)模風(fēng)電機組對調(diào)度效果的影響比較大；當(dāng)采用文獻[5]的源荷智能調(diào)度方法時，配電網(wǎng)多時間尺度源荷調(diào)度的總成本在12 萬美元～15 萬美元之間；當(dāng)采用基于多主體博弈的配電網(wǎng)多時間尺度源荷智能調(diào)度方法時，4 種策略下配電網(wǎng)多時間尺度源荷調(diào)度的總成本都在6 萬美元以下，說明本文設(shè)計的調(diào)度方法可以通過構(gòu)建配電網(wǎng)多時間尺度源荷調(diào)度模型，滿足配電網(wǎng)多時間尺度的調(diào)度需求，從而降低了調(diào)度的總成本，具有更好的調(diào)度效果。

2.3.2 不同場景下配電網(wǎng)多時間尺度源荷調(diào)度效果

了更加直觀分析配電網(wǎng)多時間尺度源荷智能調(diào)度方法在不同場景下的源荷調(diào)度效果，每一種場景中的源荷資源總量始終保持不變，測試結(jié)果如圖5 所示。

從圖5 的結(jié)果可以看出，3 種配電網(wǎng)多時間尺度源荷智能調(diào)度方法在場景一中的調(diào)度總成本都比較高，但是在其他4 種場景中，只有采用基于多主體博弈的配電網(wǎng)多時間尺度源荷智能調(diào)度方法時，配電網(wǎng)多時間尺度源荷調(diào)度的總成本低于5 萬美元，而采用文獻[4]的源荷智能調(diào)度方法和文獻[5]的源荷智能調(diào)度方法時，配電網(wǎng)多時間尺度源荷調(diào)度的總成本基本都超過10 萬美元，表明本文設(shè)計的源荷調(diào)度方法可以使調(diào)度總成本達到最低，提高了配電網(wǎng)的調(diào)度經(jīng)濟性，具有更好的調(diào)度效果。

圖5 不同場景中的調(diào)度效果

3 結(jié)論

本文提出了基于多主體博弈的配電網(wǎng)多時間尺度源荷智能調(diào)度方法研究，基于多主體博弈模型，分析了配電網(wǎng)的源荷特性，通過建立配電網(wǎng)源荷智能優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建了配電網(wǎng)多時間尺度源荷調(diào)度模型，實現(xiàn)了配電網(wǎng)多時間尺度源荷的調(diào)度。結(jié)果顯示，本文設(shè)計的源荷調(diào)度方法具有更好的調(diào)度效果。