四川大学：配电网多元主体互动博弈与分层自治运行优化方法

配电网多元主体互动博弈与分层自治运行优化方法高红均副教授/博士生导师四川大学电气工程学院四川大学智能电网分析与运营控制研究室2023年11月研究背景新型电力系统构建新型电力系统构建助力碳达峰碳中和的迫切需要，是顺应能源技术进步趋势、促进系统转型升级的必然要求，是实现电力行业高质量发展、服务构建新传统电力系统供给侧新能源将逐步成为装机和电量主体发用电一体“产消者”大量涌现种电网形态并存电网侧新型电力清洁低碳、安全可控、灵活高系统效、智能友好、开放互动√从系统角度，运行机理和平衡模式将出现深刻变化川大拳整县分布式光伏试点整县分布式光伏试点2021年4月，在国家能源局《关于2021年风电、河北、山东、河南、安徽等二十余省份已纷纷发布整县分布式光伏试点申报方案分布式光伏行业开发与商业模式发生巨变取消工商业目录电价取消工商业目录电价12021年10月，国家发改委发布《关于进一步深化燃煤发电上网电价市场化改革的通知》中，提出要|改革后配电网发展配电网发展当前电力改革以及电力市场的不断推进，配电网作为改革的重点环节和市场交易复杂因素的主要集中部分，在其区域内会出现包括售电公司、微电网、智能楼宇以及虚拟电厂等复杂多类型市场主体并存的格局。多类型市场主体多类型市场主体综合综合风电光伏交易主体不确定性供需不确定性市场模式与交易机制配电商配电商方式1:中心化(当前阶段)↓M方式2:弱中心化(必经阶段)●市场竞争逐渐放开●分散决策、自治协同●配电网负责运行管理方式3:完全分布式(最终阶段)●市场完全自由竞争●所有用户共同管理运行市场维度信息维度运行维度市场维度信息维度运行维度口特大型城市配电网结构复杂市场投资技术水平随着经济的增长，特大型城市的快速发展特大型城市配电网传统配电网特大型城市配电网用户需求政策导向，高比例清洁能源和电气化负荷接入配电网>城市配电网规模不断增加>城市配电网复杂程度不断增加>城市配电网低碳化运行成为要求“双碳目标”的提出特大型城市配电网复杂场景社会各方广泛参与多利益主体深度博弈角色定位动态转换大规模智能量测终端受限通信网络连接海量多源数据挖掘分布式电源功率调节可控负荷需求侧响应柔性联络开闭控制多元市场主体互动博弈分析>多元主体博弈下的运行优化分层自治重构运行优化方法多主体间互动博弈共享—集中共享模式1.多主体集中共享机制协调者协调者主体1主体n主体2决策机制集中优化>协调者统一决策，各主体信息完全共享√系统经济效益最好√系统风险成本最高√系统协调成本最低协调者协调者主体1主体2主体n分层自治>协调者匹配供需关系、制定内部电价，各主体独立决策，共享供需信息√系统经济效益较好√系统风险成本较高√系统协调成本较低主体1主体1主体2主体n决策机制竞标出清集中出清>协调者统一出清，各主体独立决策，单独报量报价，无信息共享√系统经济效益最差√系统风险成本最低√系统协调成本最高需求量供给量负荷数量负荷类型设备约束设备数量设备参数需求量供给量负荷数量负荷类型设备约束设备数量设备参数设备类型Step2:Step2:确定指标权重Step3:共享模式综合评估V模糊层次分析法V模糊层次分析法反熵权法二2二2//,X经济性风险性协调性设备信息负荷信息供需信息主观权重W主观权重Wg模式k下指标模式k下指标m的评估值合性能评估值8mk模式k下指标m的主客观权重系数四川大葶SICHUAN工业楼宇群居民楼宇群信息聚合分析节能楼宇群需求信息楼宇群代理商能源共享中心发布能源共享对等聚合模型√楼宇群经济性√楼宇群用户舒适度√电动汽车服务满意度√口能源共享中心通过对各楼宇群上报的共享需求和配电网电价进行资源信息聚合分析，生成并对等发布能源共享价格激励信号。口各楼宇群代理商接收到能源共享中心发布的最新共享价格，对内部楼宇资源进行自治运行优化。口通过各楼宇群资源需求信息聚合和能源共享中心价格信号对等发布的交互迭代，从而实现各楼宇群的能源互动共享。口在实际应用中，可将自治优化策略部署在各楼宇群代理商，可将整体协调共享策略部署在共享中心。整体协调共享策略整体协调共享策略3.净零能耗驱动的能源共享对等聚合方法>净零能耗驱动的共享价格机制>净零能耗驱动的共享价格机制√价格函数改进√√价格函数改进在能源共享价格制定中进一步在能源共享价格制定中进一步考虑整体净零能耗水平的影响，使共享价格函数能够反映不同时段的净零能耗水平的差异，加强共享价格对楼宇群间能源不同净零能耗水平下的共享价格多主体间互动博弈共享—集中共享模式四川大尊4.智能楼宇群电-碳耦合互动共享>基于各楼宇的信息采集，计算联盟内部电-碳>基于各楼宇的信息采集，计算联盟内部电-碳共享价格，并向下层发布动态价格协调共享。>各楼宇调整自己的用能计划，与其他楼宇进>各楼宇调整自己的用能计划，与其他楼宇进行共享迭代得出联盟最优运行计划。光伏楼宇：在屋顶或者空地安装分布式光储系统，利用光伏发电来满足自身的负荷需求，不足或者剩余的工业楼宇：装有高能耗高碳排放设备的智能楼宇，用能需求大，需要支付昂贵的电能费用，同时因为超额农业楼宇：农业科技与光伏技术互补的智能楼宇，具有时序平移特性，楼宇可以灵活调节自身用能计划，在满足自身用能需求的情况下，具有低碳排放的特性。考虑分时碳计量的智能楼宇群电-碳耦合互动共享机制考虑分时碳计量的智能楼宇群电-碳耦合互动共享机制上级热网联盟共享平台光伏楼宇1农业楼宇1光伏楼宇N农业楼宇M工业楼宇K工业楼宇1共享联盟天然气网上级电网智能楼宇群电-碳耦合共享框架示意图4.智能楼宇群电-碳耦合互动共享③楼宇决策③楼宇决策②电碳共享策略ee工业楼宁电价目自楼宇用能计划他他代用能计划农业多主体间互动博弈共享—P2P分布式模式P2P分布式交易机制设计①内部供需自平衡通过电网公司给出零售电价和上网电价，产消者进行内部自主能量管理，可以实现各产消0竞价策略记录之前与其余产消者的P2P交易历史信息，并考虑自身偏好以预期期望利益最大为目标，对产消者能在市场中的能源交易分为信息发布、双边灵活磋商、余量市场集中撮卖方产消者；卖方产消者；P2P交易机制执行步骤0ssx◆产消者内的能源交易委托商在每段时间可能收到其余各产消者的信总发布公告，卖方产消者会优先选择价格较高的买方产消者进行能量灵活磋商：买方产消者：买方产消者：拟达成交易的产消者发布话药结果8◆在完成Step2后，未成功交易的产消者可将信息上报EBSP,对于存在能源缺额的产消者经EBSP传送信息，由电网公司补充不平衡功率。)中wN)中wNSICHUANUNIVERSFTYP2PP2P交易机制算例分析交籍动率；005变男资棒：818交易功率，02x交易功率，02xa交察选率。0335交易价洛：9或4村交易价洛：9或41000元MW文动的咨：8108口产消者之间只需要交换很少的信息(交易功率和交易价口产消者之间只需要交换很少的信息(交易功率和交易价600元/MW格格)就可以完成点对点匹配，很好的保护了隐私。口各产消者对自身历史交易行为进行记录，分析在获得最大利润和最大交易成功率之间取得了均衡。交易加章：4063单位：交五功率-MW交易价格交易加章：4063单位：交五功率-MW交易价格-元/MW653型更有利于市场中产消者获利。1多元市场主体互动博弈分析多元主体博弈下的运行优化分层自治重构运行优化方法多类型市场主体动态博弈模拟框架配电网公司配电网公司需求响应售电公司代理-互动分散式资源多元主体园区微网虚拟电厂聚合商配电网配电网1局域能源市场局域能源市场P2P交易平台过网输电费用x₁x₁pimnspimns功率基于电气距离的分级过网费核算基于边介数的广义电气距离基于边介数的广义电气距离①点对点交易中的过网费计算C=8P单位功率传输成本②网络边介数的定义②网络边介数的定义“边介数”即为网络中经过某条边的最短路径的数目占网络中所有最短路径数的比例。③③基于边介数的广义电气距离将“边介数”作为网络中各条边的权值，两点间带权路径长度的最小值即为该两节点之间的电气距离。节点等效电气距离经过n次迭代后，所得到短路径长度。D*[i][j]=min{D*-[i][j],D^~[i][D*[]U]表示从节点v,到节点v,的路径中经过的节点序号不大于k的最短路径长度。采用Floyd算法求解任意两节点间的最短路径及其长度。基于电气距离的分级过网费核算考虑过网输电费用的考虑过网输电费用的P2P交易算例分析川大葶考虑过网输电费用下的产消者竞价策略产消者2(Pro2toPro9】产消者2(Pro2toPro⁷)产消者2(Pro2toPro3)产消者9(Pro6toPro9】产消者9(Pro2toPro9】产消者7(Pro2toPro7)产消者3(Pro2toPro3)口各产消者依据交易电量的不同会产生不同的过网输电费用，促使各产消者更加经济的进行生产、消费电能。口考虑过网输电费用能够充分体现过网费对交易结果的影响，鼓励各产消者尽可能就近完成交易。口采用基于电气距离的过网输电费用分析方法，可以更准确地体现不同产消者之间交易对网络线路的使用程度，可以为市场用户提供不同的经济信号。交易流程图多主体与配电网互动博弈交易流程图多微网系统点对点交易机制多微网系统点对点交易机制■多微网系统可以发挥微网间的联动增益、提高可再生能源利■传统的电力交易模式从集中式向去中心化发展>不需第三方机构集中式协调>多主体分布式信息交互>多主体分布式能量交易求较高交易机制交易机制Step1:市场运营商下发初始电价，微网间传递报价信息；Step2:各微网制定最优调度策略，并将购电计划点对点传递给相关微网Step3:各微网检验是否满足供需关系，若不满足，则更新报价；Step4:各微网重新传递报价信息并进行第二轮策略制定；Step5:经过多轮报价更新和策略制定后收敛，上报最终交易结果。各微网制定最优交易策略，并将是否收敛?否是否收敛?是上报交多元主体博弈下的运行优化多微网配电系统双层优化调度多微网配电系统双层优化调度三层系统架构>>在经济层实现多微网交易；>在物理层实现能量传输和配网安全运行；>在信息层实现微网间以及微-配间的信息交流。双层互动机制双层互动机制网(交易量价目标函数：多微网系统效益最大化行约束配网拓扑配网拓扑结构配网重构目标函数：开关动作成本和网约束条件：潮流约束、安全约!.束、配网重构约束节点等效负荷值配网运行层川大葶>多微网系统经济效益>设备运行约束口配电网运行成本口二阶锥潮流约束、安全约束口配网重构约束考虑网络使用费的配电网运行优化2.考虑网络使用费的主动配电网运行管控模型多聚合体参与市场下，配电网运行管理以网络使用费收益最大为目标，并将网络损失和设备动作损失降至最低：运行管控指令反馈P2P交易平台交易联盟1聚合体聚合体聚合光伏储能风机主动配电网各聚合本之间的电力交易行为可以改变主动配电网中的电力潮分布，各聚合体或者联盟之间的交易量也会影响主动配电网的网络功率损耗和调节设备损耗。本研究中的设备损耗表示所有设备的调整次数和范围，包括OLTC、CB、>多元市场主体互动博弈分析>多元主体博弈下的运行优化分层自治重构运行优化方法川大拳配电网分层自治重构运行川大拳作为配电网运行管理的关键技术之一，动态重构通过对分段开关和联络开关的组合状态进行动态调整，能够改善调度周期内的网络潮流分布，在促进清洁能源消纳和提高负荷供电可靠性方面具有关键地位。动态重构多省面临“能耗双控”压力，高耗能企业拉闸限电常态化双控”压力，高耗能企业拉闸限电常态化口提高电网供电能力口实现灵活运行>经济持续稳定恢复全社会用电量持续增长经济持续稳定恢复全社会用电量持续增长有效途径口全局动态重构模型求解困难有效途径时空灵活性需求口数据通信压力和计算能耗过大时空灵活性需求口提高清洁能源消纳光伏大规模接入，光伏大规模接入，净负荷时空分布不均衡，弃光现象严重滞后全局协调能源供给清洁化低碳化配电网分层自治运行管理能源供给清洁化低碳化新能源逐渐成为装机和电量主体配电网分层自治重构运行>多类型联络开关通过调节馈线联络开关、变压器联络开关、变电站联络开关与分段开关的开关状态组合，可以分别实现同一变压器供电、不同变压器供电和不同变电站供电的两条馈线之间的净负荷转移，即“馈线-变压器-变电馈线潮流转移馈线潮流转移变压器潮流转移变压器潮流转移变电站潮流转移变电站潮流转移配电网分层自治重构运行>多层级平衡机制建建立分层自治、逐级递进(变压器内馈线间-站内馈线间-站间)的多层级平衡机制(如图所示)馈线级平衡运行变压器级平衡运行变压器级平衡运行变电站级平衡运行变电站级平衡运行配电网重构级别包括三类：配电网重构级别包括三类：馈线级、变压器级、变电站级不同级别的联络开关(潮流转移)参与类别不同。馈线级变压器级、变电站级重构的潮流分布调节范围逐渐扩大重构区域由单一变压器到单一变电站再到多变电站，实现了由局部自治到大范围协调的多层级平衡运行。SICHUANUNIVERSICHUANUNIVER馈线联络开关变压器联络开关变电站联络开关>重构级别识别双层模型上层重构级别决策模型馈线级重构变压器级重构变电站级重构下层多个局部重构同时进行，与上层变电站、变压器的重构级别选择向量决策结果相关。的变压器f_变电站及关联变电站下层重构优化模型重构级别识别双层模型 ——表示隶属j电站的变压器f进行馈线级重构的状态标识β'RβSR——表示j变电站进行变压器级重构和变电站级重构的状态标识c下层优化主体数目重构级别决策约束多级重构约束1)节点功率平衡2)主网出力约束Pfmmn≤PP,VjeBVferi)3)辐射性&连通性约束统一，形成单层模型求解4)光伏出力约束5)失负荷约束第一第一阶段分时段多级重构>分段多级动态重构对净负荷空间分布进行对净负荷空间分布进行时段划分，要求隶属于同一类中心的各时段各变电划分下的多级重构在减小时间计算维度的同时，能够降低不必要的空间计√时间和空间降维分时分层局部重构c第c类时段多毁重构已Y压墨级重内确定/变电站SS。丽定/变电站TS、NNYN第二阶段协调优化运行变电站与关联变电站进行变电站级重枕镇故缴重构的定没压图NYNYY¥潮流分布改善能力的不足!!!配电网分层自治重构运行云计算数据中心分段重构级别识别>云计算数据中心分段重构级别识别能量流变电站级重构变压器级重构(S2)变压器级重构(S3)变压器转移变压器级重构(S4)局部信息10kV10kV集中-分布式联合控制计算体系口云端：集中式重构级别识别口边缘节点：集中-分布式联合控制计算体系口云端：集中式重构级别识别口边缘节点：分布式分段多级重构协同机制集中-分布式优化需求集中-分布式优化需求>云边协同运行控制技术重构级别识别重构级别识别●决策变量：变电站、变压器各时段重构级别需求模糊C均值聚类(FCMJ分段重构级别集中式优化集中式优化,级别识别需同时计及系统内各层级净负荷网络被划分为多个子网络，可单独进行分段分段多级动态重构「隶属委电站的L变压器f_1变电站失负荷、开关动作成本分布式优化在各变电站设置边缘节点，完成具体重构方案计算在各变电站设置边缘节点，完成具体重构方案计算,可以有效减小云端的集中计算能耗基于云边协同的多级重构，其集中-分布式联合控制计算体系能够适应配电网规模化发展及分布式能时刻n分段多级重构级别建立的重构级别识别双层模型能够准确识别偏好低层级重构下的“馈线-变压器-变电站”多级重构需求。配电网分层自治重构运行>云边协同运行控制C第一阶段第二阶段时间/s调节次数开关成本/$成本/$弃光成本/S45678两阶段优化运行策略通过第一阶段分段多级重构和第二阶段CL协调优化能够显著减小弃光、失负重构方法求解方法求解时间全局动态重构全局动态重构集中式分段多级重构分层自治重构运行分层自治重构运行相比采用Cplex或二进制粒子群算法求解的全局动态重构模型，提出的云边协同运行控制方法基于集中-分布式联构策略，能够显著降低求解难度、大幅度缩短重构求解时川大葶SICHUANUNIVERSFTY基于机器学习的重构级别快速识别川大葶SICHUANUNIVERSFTY引入机器学习，利用双层模型引入机器学习，利用双层模型的配电网重构判定结果建立数据集并进行训练，可以有效节省数学模型重复计算的算力并配电网实际运行数据分类数学模型机器学习可以与数学模型结pSubpSubSetfortenrione基于深度学习的多级动态重构决策方法Setfortenrione>数据预处理平衡与生成>神经网络模型川大拳样处理，均衡变电站海量净负荷对历史数据采用蒙特运行场景待学习样本pPVPLR1pL,口净负荷数据在空间分布上呈现不平衡特征口引入特征空间注意力机制和卷积神经网络口充分感知非连续净负荷数据之间的细微联系口净负荷数据在时间分布上呈现不平衡特征口引入时间序列注意力机制和门控循环单元口充分感知非连续净负荷数据之间的细微联系验证精度对比训练时间对比弃光量对比验证精度对比训练时间对比弃光量对比失负荷量对比②数据驱动与模型驱动方法对比③中小规模配电网算例分析基于大规模配电网算例分析基于大规模配电网算例分析①①组合神经网络性能验证节点系统33节点系统69节点系统损失精确率召回率33节点系统69节点系统总成本/美元求解时间/秒总成本/美元求解时间/秒1234口所提组合神经网络，验证精度最高，收敛速度较快，综合性能最佳口所提方法优化性能优于传统的启发式算法和数学规划算法口所提方法有较好的泛化性能，可适应不同规模的配电网>多智能体系统框架多级动态重构参与的两阶段有功-无功协调优化Abatchofdata>配电网系统规模：满足三级NN配电网>多智能体系统范式：“集中Datna(C)tpdataData(tpdatDaa()Lpda训练，分散执行”高效结合高效结合集中训练：价值网络部署于分散执行：策略网络部署于相应变电站处，训第二阶段：配电网有功-无功优化CRRa长时间尺度：第一阶段短时间尺度：第二阶段为短时间尺