基于主从博弈的电热综合能源系统优化运行.pdf

第42 卷第 2 期2023 年 6 月青海电力QINGHAI ELECTRIC POWERJUN.，2023Vol.42 NO.2DOI:10.15919/ki.qhep.2023.02.006基于主从博弈的电热综合能源系统优化运行林泓键（百色新铝电力有限公司，广西 百色 533000）摘 要：电热综合能源系统可以实现多种能源的协调互补，达到能源高效利用的目的。针对含电热耦合的综合能源系统，提出了基于主从博弈的综合能源系统优化调度策略。首先建立燃气轮机、储电池、蓄热槽等设备模型，然后以综合能源系统运营商为领导者，系统能耗用户为追随者，形成主从互动的均衡模型，同时优化系统能耗用户需求响应方案以及系统内各类能量转换耦合设备的出力，提升运营商和能耗用户综合效益。最后通过算例分析论证所提方案的合理性和有效性。关键词：电热综合能源系统；优化运行；需求响应；主从博弈；定价策略中图分类号：F713.5 文献标志码：B 文章编号：1006-8198（2023）02-0031-06Optimal Operation of Electrothermal Integrated Energy System Based on Master-slave GameLIN HongJianAbstract:The electric heating integrated energy system can realize the coordination and complementary of various energy sources,and achieve the purpose of efficient use of energy.For the integrated energy system with electrothermal coupling,the optimal scheduling strategy of the integrated energy system based on master-slave game is proposed.Firstly,equipment models such as gas turbine,storage battery and heat storage tank are established,and then a master-slave interactive equilibrium model is formed with integrated energy system operators as leaders and system energy consumption users as followers.At the same time,the demand response scheme of system energy consumption users and the output of various energy conversion coupling devices in the system are optimized to improve the comprehensive benefits of operators and energy consumption users.Finally,the rationality and effectiveness of the proposed scheme are demonstrated by an example analysis.Keywords:electric heating integrated energy system;optimized operation;demand response;master-slave game;pricing strategy0 引言未来能源领域将向绿色、高效的方向发展。含电热耦合的综合能源系统充分发挥各种类型能源的互补特性，协调优化能源的生产、传输、分配、存储、消费等环节，使多类异质能源实现耦合，实现能源产销供一体。但电热耦合的综合能源系统能流耦合及运行工况复杂，使其优化运行具有挑战性1-2。目前已有较多文献对收稿日期：2023-02-09；修回日期 2023-04-21作者简介：林泓键(1986)，男，学士，工程师，研究方向为高压电气设备检修维护。32第 42 卷青海电力含电热耦合的综合能源系统优化运行展开研究，文献 3-4 研究了冷热电联供型微网的多目标优化运行，实现微电网总运行成本最小。以上文献仅对供能侧的成本进行优化，而忽略了能耗用户用能需求行为对系统运行成本的影响。综合能源系统的能耗用户根据用能价格对能源的需求做出调整称为需求响应。对于综合能源系统的能耗用户的需求响应已有广泛的的研究，文献 5 建立价格响应型风-光-电热微网优化运行模型，并通过算例证明模型能够有效降低用户用电成本和提高风光消纳率；文献6建立价格型电-气综合型微电网优化调度模型，优化结果有效降低微网内部用户用电成本和用气成本。以上研究建立的模型仅考虑能耗用户的用电成本，未考虑将综合能源系统运营商和用户之间的利益交互。博弈模型是分析能源系统中运营商和用户利益交互的有力工具。综合能源系统能量流动过程中，系统运营商首先制定价格，用户根据价格制定自身用能计划，所以系统运营商和用户之间的交互行为构成主从博弈模型。基于已有的研究，本文构建了基于主从博弈的电热综合能源系统优化运行策略，以电热综合能源系统为领导者、系统能耗用户为跟随者，同时优化系统定价策略和用户用能计划，提升运营商和能耗用户综合效益，最后以某一实际电热综合能源系统为算例对所建立的模型进行验证。1 电热综合能源系统模型本文研究的电热综合能源系统包括供电部分和供热部分。其中，供电部分由燃气轮机和风光储设备组成，而供热部分由燃气轮机余热回收装置、燃气锅炉及蓄热槽组成。1.1燃气轮机（gasturbine,GT）电热综合能源系统中的燃气轮机在发电的同时，产生的余热通过余热锅炉输出热功率，其电、热出力表达式为：2GT,GT,GT,GT,HE,GTGT,GT()()/ttttttGa PbPc IHP=+=（）式中：GGT,t、PGT,t和 HHE,t分别为 GT 在 t 时段消耗的天然气功率、输出电功率和通过余热锅炉回收到的发电余热功率；IGT,t为 0-1 变量，表示燃气轮机的开停机状态；a、b、c 为燃耗系数；GT为微型燃气轮机的输出电热功率比；GT为热回收效率。GT 运行时还需满足运行功率约束和爬坡约束：minmaxGTGT,GTdownupGTGT,GT,1GTtttPPPPPPP （）式中：Pmin GT、Pmax GT为燃气轮机的输出电功率上下限值；Pdown GT、Pup GT为燃气轮机爬坡功率上、下限值。1.2蓄电池储能储能系统可以存储电能，使得功率在时间维度平移以满足新能源发电随机性的要求。蓄电池运行时要满足充放电约束和荷电状态约束，即：chr,chr,minchr,chr,chr,maxdis,dis,mindis,dis,dis,maxttttttUPPUPUPPUP （）-1chrchr,dis,disminmax(/)tttttSOCSOCPPtSOCSOC SOC=+（）式 中：SOCt为 蓄 电 池 的 荷 电 状 态，单 位 为kWh；Pchr,t、Pdis,t分别为蓄电池的充、放电功率，单位为kW；chr、dis分别为蓄电池的充、放电效率；Uchr,t、Udis,t为蓄电池的充放电状态标记位，0 时为停运，1 为运行；且满足互斥约束和充放电频率约束，即：dis,chr,1ttUU+（）实际运行时，蓄电池要满足式（6）所示的充放电爬坡率约束：chr,downchr,chr,-1chr,updis,downdis,dis,-1dis,upttttPPPPPPPP （）式中：Pchr,down/Pchr,up和 Pdis,down/Pdis,up分别为蓄电池充、放电状态下的最小/大充、放电功率，单位为kW。1.3外部配电网模型综合能源系统可以通过向外部配电网购买、出售电力以维持系统内电负荷平衡，为保障配电网安全运行，综合能源系统不能同时向电网购电和售电，且与配电网的交互功率上限规定在一定范围内，满足以下约束：33第 2 期林泓键：基于主从博弈的电热综合能源系统优化运行bGrid,sGrid,1ttII+（7）bGrid,bGrid,maxsGrid,sGrid,max00ttPPPP （8）式中：IbGrid,t和 IsGrid,t为 0-1 变量，表示综合能源系统在 t 时段的购售电状态；PbGrid,t、PsGrid,t为t 时段合能源系统的购、售电功率；PbGrid,max、PsGrid,max为综合能源系统的购售电功率上、下限。1.4燃气锅炉（gasboiler,GB）GB 通过燃烧天然气产生热能补充 GT 产热不足时的热负荷，其输出热功率 H t GB与输入天然气功率 G t GB的关系为：GB,GBGB,GB,GB,max0tttHGHH=（9）式中：GB为 GB 的产热效率；H GB,max为 GB 的输出热功率上限。1.5蓄热槽蓄热槽可以在热能富余时储存热能，而在热能不足或产热费用较高时，释放热能，提高系统运行灵活性和经济性，其满足式（10）和（11）所示的容量约束和蓄、放热功率约束。chrdistst,tst,1htst.chrtst,tst,tst.disminmaxtsttst,tst(1)(/)tttttWWHHWWW=+（10）chrminchrmaxchrtst,tst.chrtst,tst.chrtst,dismindismaxdistst,tst.distst,tst.distst,ttttttUHHHUUHHHU （11）式中：Wtst,t为蓄热槽的存储热能，单位为kWh；Hchr tst,t、Hdis tst,t分别为蓄热槽的蓄、放热功率，kW；h为蓄热槽能量自损率；tst,chr、tst,dis分别为蓄热效率和放热效率；Uchr tst,t、Udis tst,t为蓄热槽的充、放电状态标记位，0 时为停止，1 为运行；且满足互斥约束，即：chrdistst,tst,1ttUU+（12）与蓄电池的运行模式相同，要满足式（13）所示爬坡率约束。chrchrchrchrtst.downtst,tst,-1tst.updisdisdisdistst.downtst,tst,-1tst.upttttHHHHHHHH （13）式中：Hchr tst,down、Hchr tst,up和Hdis tst,down、Hdis tst,up分别为蓄热槽蓄、放热状态下的最小/大蓄、放热功率，单位为kW。2 系统收益函数模型2.1综合能源运营商收益模型综合能源运营商可以看做是一个具有双向能量流动的能源枢纽，起到能源生产、传输和供应的作用，是综合能源系统中的领导者和协调者，用户可以通过反馈用能需求来与综合能源运营商进行互动交易。综合能源运营商在考虑自身供能设备出力计划和用能侧负荷需求的基础上制定价格策略，优化目标是收益最大，可以表示为：esosellgridCCHP1max()TtECCC=（14）式中：Eeso表示系统运营商收益，Csell表示第 t时段向用能侧的供能收入，Cgrid表示电网交互成本，当其大于 0 时表示向电网购电，否则表示向电网售电，CCCHP表示其燃料成本。以上各式可以表示为：sellel,e,s,hl,h,s,()ttttCP cQ ct=+（15）gridel,es,g,s,el,max(,0)min(,0)ttttes tg b tCPPcPPct=+（16）2CCHPeGT,eGT,2ehGB,hGB,h()()ttttCa Pb Pca Qb Qc=+（17）式中：Pel,t和 Qhl,t分别表示用户的电负荷和热负荷，ce,s,t和 ch,s,t分别表示运营商向用户的售电和售热价格，cg,s,t和 cg,b,t分别表示运营商向外部电网的售电和购电价格，Pes,t表示运营商总的供电量。PGT,t和 QGB,t分别表示燃气轮机输出电功率和燃气锅炉输出热功率。此外，ae、be、ce、ah、bh、ch分别表示燃气轮机和燃气锅炉燃料成本系数。此外为避免用能侧直接与电网交易，应该保证运营商卖出的价格略低于市场价格，需要满足如下约束：g,b,e,s,g,s,tttccc （18）minmaxh,h,s,h,tttcccU1，则 a=b，U1=U2，若U2U1，则保持不变。步骤 9：判断是否满足迭代次数，若满足，则输出最优结果，否则跳转至步骤 6。下层算法包括以下步骤：步骤 1：用户调用 Cplex求解工具根据式(21)计算用户电、热、冷可调节负荷。步骤 2：将优化结果发送给上层领导者。4 算例仿真与分析本文以某电热联供型工业园区为研究对象，该园区中用户的电、热需求负荷、光伏和风机预测出力如图 1(a)所示。设园区内用户可转移电负荷占需求电负荷总量的 20%，可转移热负荷占总热负荷的20%。综合能源运营商的燃气轮机（燃气锅炉）燃料成本系数ae,be,ce(ah/c,bh/c,ch/c)分别为 0.0015，0.16，0(0.0008，0.13，0)。从图 1(b)、图 1(c)的能源运营商收益曲线和用户收益曲线可以看出，经过 42 次迭代后结果已经收敛，可见所用的差分进化算法具有就好的收敛效果。当双方博弈达到均衡后，各自收益不再改变，说明在主从博弈模型下，双方均不能通过改变自身策略而获得更大的收益。最终，能源运营商和用户的收益分 3 587 元/天和18 394 元/天。图 1 预测曲线及均衡收敛结果电热综合能源系统运营商的售电定价如图 2（a）所示，深色虚线和浅色虚线表示配电网的售电分时电价和上网电价，从图中可以看出，运营商的售电电价均位于深色虚线和浅色虚线包络线内，以对配电网取得价格优势。另外，运营商的电价和配电网的分时电价具有相近的波动趋势，目的是保持对配电网的价格优势的同时提高自身收益。热价与电价情况类似，不再赘述。图 2 电价及热价优化结果优化后电热能源系统内用户的电负荷曲线和热负荷曲线如图 3（a）、3（b）所示，从电负荷曲线可以看出，经过优化后原电负荷曲线低谷期负荷增加，高峰期负荷有所下降达到削36第 42 卷青海电力峰填谷的作用；由图 3（b）可以看出用户原热负荷曲线两个较大峰值出现在 02:0008:00 和22:0024:00，经过用户侧优化，热负荷峰值明显下降，转移到 09:0022:00 的热负荷谷值阶段，使热负荷曲线更加平稳，体现“削峰填谷”的效果。经优化后电热综合能源系统各发电设备的出力如图 3（c）所示，从图中可以看出，在负荷低谷期（00:0007:00），考虑到新能源的环保性，新能源优先上网，燃气轮机作为补充，此时富余的电量由储能设备存储或通过能源系统运营商出售给配电网，在负荷高峰期（10:0022:00）储能设备释放电能，不足部分由运营商向配电网购电。从图 3（d）可以看出，余热锅炉和燃气锅炉一起供热，余热锅炉出力受燃气轮机出力影响，在整个调度周期内，燃气轮机出力较大，所以余热锅炉供热幅度大，对比图3（b）和图3（d）可以看出，在热负荷较低时段，热量通过蓄热槽存储，在热负荷较大时段释放，以提高系统热能利用率。5 结论本文提出一种热电综合能源系统主从博弈协优化运行调度模型，将热电综合能源系统运营商作为领导者，系统能耗用户作为跟随者，利用差分进化算法求解衡交互策略，实现系统协同优化运行。以算例对模型进行验证，得到以下结论：1）采用的差分进化算法能很快收敛于均衡解，表明算法和模型具有一定的实用价值。2）算例计算结果说明本文建立的热电综合能源系统主从博弈模型，通过价格引导电能和热能生产商制定出力计划和能耗用户制定用能计划，提高系统运营商收益，同时保证降低用能成本，平抑负荷波动，让系统更经济运行。3）本文建立的电热综合能源系统主从博弈模型的计算结果有助于系统各个决策主体制定自己的生产计划，具有一定的实用价值。参考文献：1 李 政，陈思源，董文娟，等.碳约束条件下电力行业低碳转型路径研究J.中国电机工程学报，2021，41（12）：3987-4001.2 张 涛，郭玥彤，李逸鸿，等.计及电气热综合需求响应的区域综合能源系统优化调度 J.电力系统保护与控制，2021，49（1）：52-61.3 施泉生，丁建勇，刘 坤，等.含电、气、热 3种储能的微网综合能源系统经济优化运行 J.电力自动化设备，2019，39（8）：269-276，293.4 盛四清，吴 昊，顾 清，等.含碳捕集装置的电气综合能源系统低碳经济运行J.电测与仪表，2021，58（6）：82-905 陈 志，胡志坚，翁菖宏，等.基于阶梯碳交易制的园区综合能源系统多阶段规划 J.电力自动化设备，2021，41（9）：148-155.（下接第 46 页）图 3 系统优化结果46第 42 卷青海电力11 赵江河,杨 莉.RPA 在电网异常数据告警的探索与应用 J.云南电力技术,2022,50(02):87-90+93.12 喜崇彬.RPA 技术助力某手机制造企业“数智化”升级 J.物流技术与应用,2022,27(04):94-95.13 周 娟,周劼翀,倪 玉,等.RPA 技术自动化运维的研究及应用 J.电脑编程技巧与维护,2022,441(03):132-134.本文编辑：黄海川（上接第 41 页）可有效减少在运电缆故障率；另外，建议推广试运行平滑铝套电缆，可有效减少局部放电现象发生，对提高电缆线路运行质量、提升电网安全稳定运行具有重要意义。参考文献：1 赵健康，樊友兵高压电缆缓冲层的设计与工艺研究 J电线电缆，2010，53(3):17-212 黄 宇，尹 毅，吴长顺高压电缆阻水缓冲层电性能研究 J电线电缆，2018，61(6):6-9+193 王 伟，欧阳本红，徐明忠，等电缆缓冲层烧蚀现象初步分析J电线电缆，2019，62(5):5-104 黄 宇，吴长顺，孙 利高压电缆用缓冲层材料体积电阻率测试方法研究 J电气技术，2020，21(10)：123-126+1325 赵 琦，周 凯，孔佳明，等高压 XLPE 电缆阻水缓冲层烧蚀机理研究现状 J绝缘材料，2022，55(4)：20-286 JB/T 10259-2014，电缆和光缆用阻水带 S本文编辑：盖大忠（上接第 36 页）6 崔 杨，邓贵波，曾 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