一种多能源集线器综合能源系统低碳调度方法及系统

摘要

本发明属于综合能源系统技术领域，提供了一种多能源集线器综合能源系统低碳调度方法及系统。该方法包括，根据多能源集线器综合能源系统的购电成本、购气成本和碳交易成本构建目标函数，结合设备出力约束、能量平衡约束和联络线传输功率约束，构建多主体合作博弈模型；获取负荷、能源价格、碳交易价格和设备参数；基于负荷、能源价格、碳交易价格和设备参数，采用多主体合作博弈模型，求解得到优化调度策略，以及不联盟时每个主体收益、部分联盟时的联盟收益和完全联盟时的总收益；采用不同分配策略均对不联盟时每个主体收益、部分联盟时的联盟收益和完全联盟时的总收益进行处理，得到综合能源系统内每个主体的收益，验证不同分配策略的稳定性。

说明书

技术领域

本发明属于综合能源系统技术领域，尤其涉及一种多能源集线器综合能源系统低碳调度方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着分布式能源技术的发展，在综合能源系统(integrated energy system,IES)中的同一能源配送网络下通常连接着多个能源集线器(energy hub,EH)，各能源集线器在IES的区域中心能源控制器的统一调度下，充分利用自身的自然禀赋和需求特性，实现协调运行与互补，提高供能可靠性。但多能源集线器IES具有多主体、强耦合的特性，不仅需要考虑每个能源集线器内部多种异质能流的交互，而且也需要考虑各能源集线器之间的能流交互，因此对其开展优化调度更加困难。而且，目前的研究大多仅考虑多能源集线器互联在降低系统运行成本方面的作用，缺乏合适的减碳机制的引导，从而无法充分挖掘其在降低碳排放方面的潜力，且对于多个主体之间的利益分配问题也少有涉及。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种多能源集线器综合能源系统低碳调度方法及系统，其在低碳技术方面，引进了碳交易机制，将碳排放以碳交易成本的形式加入目标函数中；在多主体利益分配方面，对于通过联盟合作所产生的额外收益，建立多主体合作博弈模型，采用Shapley值法、核仁法、等DP法进行收益二次分配，并验证各分配策略的稳定性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种多能源集线器综合能源系统低碳调度方法。

一种多能源集线器综合能源系统低碳调度方法，包括：

根据多能源集线器综合能源系统的购电成本、购气成本和碳交易成本构建目标函数，结合设备出力约束、能量平衡约束和联络线传输功率约束，构建多主体合作博弈模型；

获取负荷、能源价格、碳交易价格和设备参数；

基于负荷、能源价格、碳交易价格和设备参数，采用多主体合作博弈模型，求解得到优化调度策略，以及不联盟时每个主体收益、部分联盟时的联盟收益和完全联盟时的总收益；

采用不同分配策略均对不联盟时每个主体收益、部分联盟时的联盟收益和完全联盟时的总收益进行处理，得到综合能源系统内每个主体的收益；

采用DP指标验证不同分配策略的稳定性，选取最优的分配策略，以兼顾系统内每个主体的利益，降低系统的运行成本和碳排放。

本发明的第二个方面提供一种多能源集线器综合能源系统低碳调度系统。

一种多能源集线器综合能源系统低碳调度系统，包括：

模型构建模块，其被配置为：根据多能源集线器综合能源系统的购电成本、购气成本和碳交易成本构建目标函数，结合设备出力约束、能量平衡约束和联络线传输功率约束，构建多主体合作博弈模型；

数据获取模块，其被配置为：获取负荷、能源价格、碳交易价格和设备参数；

收益计算模块，其被配置为：基于负荷、能源价格、碳交易价格和设备参数，采用多主体合作博弈模型，求解得到优化调度策略，以及不联盟时每个主体收益、部分联盟时的联盟收益和完全联盟时的总收益；

收益处理模块，其被配置为：采用不同分配策略均对不联盟时每个主体收益、部分联盟时的联盟收益和完全联盟时的总收益进行处理，得到综合能源系统内每个主体的收益；

验证模块，其被配置为：采用DP指标验证不同分配策略的稳定性，选取最优的分配策略，以兼顾系统内每个主体的利益，降低系统的运行成本和碳排放。

本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述第一个方面所述的多能源集线器综合能源系统低碳调度方法中的步骤。

本发明的第四个方面提供一种计算机设备。

一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述第一个方面所述的多能源集线器综合能源系统低碳调度方法中的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种多能源集线器综合能源系统低碳调度方法及系统，通过在优化调度中引入碳交易机制，能够降低运行成本和碳排放量，实现经济性和环保性的双赢；对于不同能源集线器之间通过完全联盟而产生的合作剩余，采用合作博弈的方法，能够实现公平分配，兼顾各参与者的利益。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例一示出的多能源集线器综合能源系统低碳调度方法的流程图

图2为本发明实施例一示出的综合能源系统结构图；

图3为本发明实施例一示出的能源集线器结构图；

图4(a)为本发明实施例一示出的综合能源系统内能源集线器EH1电能调度策略图；

图4(b)为本发明实施例一示出的综合能源系统内能源集线器EH2电能调度策略图；

图4(c)为本发明实施例一示出的综合能源系统内能源集线器EH3电能调度策略图；

图5(a)为本发明实施例一示出的综合能源系统内能源集线器EH1热能调度策略图；

图5(b)为本发明实施例一示出的综合能源系统内能源集线器EH2热能调度策略图；

图5(c)为本发明实施例一示出的综合能源系统内能源集线器EH3热能调度策略图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要注意的是，附图中的流程图和框图示出了根据本公开的各种实施例的方法和系统的可能实现的体系架构、功能和操作。应当注意，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，所述模块、程序段、或代码的一部分可以包括一个或多个用于实现各个实施例中所规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为备选的实现中，方框中所标注的功能也可以按照不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，或者它们有时也可以按照相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。同样应当注意的是，流程图和/或框图中的每个方框、以及流程图和/或框图中的方框的组合，可以使用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以使用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

实施例一

如图1所示，本实施例提供了一种多能源集线器综合能源系统低碳调度方法，本实施例以该方法应用于服务器进行举例说明，可以理解的是，该方法也可以应用于终端，还可以应用于包括终端和服务器和系统，并通过终端和服务器的交互实现。服务器可以是独立的物理服务器，也可以是多个物理服务器构成的服务器集群或者分布式系统，还可以是提供云服务、云数据库、云计算、云函数、云存储、网络服务器、云通信、中间件服务、域名服务、安全服务CDN、以及大数据和人工智能平台等基础云计算服务的云服务器。终端可以是智能手机、平板电脑、笔记本电脑、台式计算机、智能音箱、智能手表等，但并不局限于此。终端以及服务器可以通过有线或无线通信方式进行直接或间接地连接，本申请在此不做限制。本实施例中，该方法包括以下步骤：

根据多能源集线器综合能源系统的购电成本、购气成本和碳交易成本构建目标函数，结合设备出力约束、能量平衡约束和联络线传输功率约束，构建多主体合作博弈模型；

获取负荷、能源价格、碳交易价格和设备参数；

基于负荷、能源价格、碳交易价格和设备参数，采用多主体合作博弈模型，求解得到优化调度策略，以及不联盟时每个主体收益、部分联盟时的联盟收益和完全联盟时的总收益；

采用不同分配策略均对不联盟时每个主体收益、部分联盟时的联盟收益和完全联盟时的总收益进行处理，得到综合能源系统内每个主体的收益；

采用DP指标验证不同分配策略的稳定性，选取最优的分配策略，以兼顾系统内每个主体的利益，降低系统的运行成本和碳排放。

本实施例具体的技术方案可参考以下内容实现；

其中，所述综合能源系统由三个能源集线器组成，三个能源集线器之间可互相交换电、热功率，如图2所示；由能源转换设备和储能设备组成，其中能源转换设备包括风机、燃气轮机、燃气锅炉、电制冷机、吸收式制冷机，储能设备包括蓄电池和蓄热装置。电负荷由上级电网购电、燃气轮机、蓄电池满足；热负荷由燃气轮机、燃气锅炉、蓄热装置满足；冷负荷由电制冷机和吸收式制冷机满足。如图3所示。通过本实施例所述优化调度方法合理安排各机组出力，从而降低运行成本和碳排放，然后通过合作博弈，公平分配各参与者的利益。

本实施例具体通过建立系统的多主体合作博弈模型，通过Cplex求解器求解得到各联盟收益及系统的优化调度策略，并采用Shapley值法、核仁法、等DP法进行收益二次分配，通过DP指标验证各分配策略的稳定性，选择合适的分配策略。

下面对多主体合作博弈模型的目标函数和约束条件进行分析：

1、目标函数

本实施例所提模型的目标函数同时考虑系统的经济性和环保性，其中环保性目标以碳交易成本表示，因此目标函数可以表示为：

式中，F

能源集线器i的购电费用和购气费用分别与其购电功率和购气功率呈正比，因此可表示为：

式中，

能源集线器i的碳交易成本与其碳排放量和碳排放配额有关，可表示为：

式中，m为能源集线器i中碳排放源的种类，主要包括外购电力、燃气轮机和燃气锅炉，

其中外购电力均视为火力发电，其碳排放配额可以表示为：

D

式中，D

燃气轮机发电的同时额外提供热能，因此其碳配额可以表示为：

D

式中，D

燃气锅炉仅用于提供热能，因此其碳配额可以表示为：

D

式中，D

外购电力、燃气轮机、燃气锅炉的实际碳排放可以分别表示为与电量和热量成比例的模型：

A

A

A

式中，A

2、约束条件

(1)设备出力约束：

(a)燃气轮机

式中，

(b)燃气锅炉

式中，

(c)电制冷机

式中，

(d)吸收式制冷机

式中，

(e)储能装置

式中，下标x为能量的种类，本实施例为电能和热能。

(2)能量平衡约束(此处为书写简便均省略了上标t)：

式中，L

(3)联络线传输功率约束

(a)与上级网络传输功率约束

式中，

(b)能源集线器之间传输功率约束

式中，

式中，

至此，建立了多能源集线器综合能源系统的多主体合作博弈模型，采用CPLEX求解器求解得到各能源集线器内各机组24小时出力，实现对综合能源系统的优化调度。为验证在多能源集线器IES中引入碳交易及考虑功率交互的优势，特设置以下四个场景：

场景一：不考虑碳交易机制，三个能源集线器独立运行，各能源集线器之间无电能及热能的交互。

场景二：考虑碳交易机制，三个能源集线器独立运行，各能源集线器之间无电能及热能的交互。

场景三：不考虑碳交易机制，三个能源集线器合作运行，通过电能和热能联络线交互电、热功率。

场景四：考虑碳交易机制，三个能源集线器合作运行，通过电能和热能联络线交互电、热功率。

不同场景下的优化调度结果如表1所示。

表1不同场景下优化调度结果

(1)各能源集线器之间有无功率交互对调度结果的影响分析

对比场景一三及二四，可以看出，当各能源集线器之间合作运行时，即可以通过联络线交互功率时，相比于独立运行，运行成本分别降低了1089元和1078元，这是因为当处于独立运行模式时，能量供应主要取决于各自的供给能力，而在合作模式下通过各能源集线器之间的功率的交互实现了能量的共享，如图4(a)-图4(c)、图5(a)-图5(c)的能源集线器间传输功率所示，用能更加合理，从而降低了整个系统的运行成本。对比场景一三，当计及功率交互时，碳排放量反而升高，这是由于购电量上升所引起的；而对比场景二四，碳排放量明显降低，这也充分说明了引进碳交易机制的必要性。

(2)是否考虑碳交易对调度结果的影响分析

对比场景一二及三四，当考虑碳交易机制时，运行成本分别降低了2139元和2127元，碳排放量分别降低了5.3吨和7吨，实现了经济性和环保性的双赢。由表1可以看出，这是因为在考虑碳交易时，系统会更倾向于采用更加清洁的燃气轮机来供电，因而从上级电网购电量下降，而购气量上升，因此碳排放量有所下降。由图4(a)-图4(c)可知，引入碳交易机制后，电能主要由风机及燃气轮机来满足，从上级电网购电较少，导致整个系统的碳排放量小于碳配额，系统可以出售碳配额获取收益，表1中场景二和四对应的碳交易成本为负值，因此系统的运行成本相较于不考虑碳交易时有所降低。

下面以场景四为例，具体分析多能源集线器IES的调度策略。

图4(a)-图4(c)为合作模式下考虑碳交易的多能源集线器IES的电能调度策略，在调度周期内的任意时刻电能保持平衡。图4(a)、图4(b)、图4(c)分别为能源集线器1、2、3的电能优化运行结果，由此可见各个能源集线器的电负荷主要由风机和燃气轮机满足，不足部分由其他能源集线器供给和电网购电满足，其中，各能源集线器从上级电网购电的时段集中于23和24时，因为此时的电负荷需求较大且电价处于低谷时期。以能源集线器1为例，蓄电池在5：00-7：00电价较低且电能供给有剩余时进行充电，在8：00-9：00、14：00电价较高且电能有所缺额时进行放电，实现了电能在时间上的转移。此外在3：00到9：00，能源集线器1的电负荷需求较高，因此系统内其他能源集线器向其输送电能，在10：00-11：00，能源集线器1的电负荷需求较低，产生的多余电能因此可以通过电网输送至系统内的其他能源集线器，对于其他时间段和系统内的其他能源集线器与上述分析类似，在此不再赘述。因此，系统内各主体之间通过电能的相互传输，实现了电能的互补互济，从而提高了收益。

图5(a)-图5(c)为合作模式下考虑碳交易的多能源集线器IES的热能调度策略，在调度周期内的任意时刻热能保持平衡。图5(a)、图5(b)、图5(c)分别为能源集线器1、2、3的热能优化运行结果，由此可见各个能源集线器的热负荷主要由燃气轮机满足，不足部分由燃气锅炉和系统内其他能源集线器传输的热能满足。由图5(a)可以看出，在3：00和5：00燃气轮机的出力较低，产生的热不足以满足热负荷，因此启动燃气锅炉来产热。在19：00、21：00-22：00，能源集线器1内燃气轮机出力高于热负荷需求，此时蓄热装置处于吸热状态，而在9：00、12：00-14：00、20：00，燃气轮机出力不足以满足热负荷，这部分则由蓄热装置放热满足，蓄热装置在系统中实现了能量缓冲的作用。此外，在1：00-2：00燃气轮机出力较高且超过热负荷的需求，因此可以通过热网将剩余的热能输送至系统内的其他能源集线器中，实现能量的互补利用，其他时间段和能源集线器2、3与上述分析同理。因为不考虑各能源集线器之间的冷能相互传输，故不再对系统的冷能平衡单独分析。

利益分配策略分析

合作博弈可以用来解决利益分配问题，在上述模型中，每一个能源集线器可视为博弈问题中的一个参与者，三个能源集线器之间可以有七种组合：{EH1}、{EH2}、{EH3}、{EH1,EH2}、{EH1,EH3}、{EH2,EH3}、{EH1,EH2,EH3}，每个组合视为一种联盟，上述七种组合又可分为不联盟、部分联盟和完全联盟三种运行模式，分别计算出七种组合的运行成本及收益(减少的成本)，如表2所示。

表2不同运行模式下节省成本

由表2可以看出，所有的部分联盟和完全联盟对应的运行模式下的成本相较于不联盟时均有所减小，且当三个能源集线器之间完全联盟时，收益最高，此时成本降低1078元。根据上述结果，可计算不同分配策略下各参与者所分得利益如表3所示：

表3不同分配策略下各参与者所得利益

为验证上述三种分配方案得稳定性，计算不同分配策略下得DP指标，如表4所示：

表4不同分配策略下的DP指标

在Shapley值分配策略中，EH2的DP值为负数，由以上分析可知，此时虽然满足整体理性和个体理性，但不能满足联盟理性，因此这种联盟是不稳定的，EH1和EH3会倾向于不接受该分配策略而组成新的联盟{EH1,EH3}来获取更大的收益。在核仁法的分配策略中，虽然EH3的DP值能取最小值，表示此时EH3的满意度最高，但此时EH2的DP值接近1，也就是说，此时EH2拒绝接受此分配对于其他参与者造成的损失与对自己造成的损失几乎相等，此时EH2可能接受这种分配策略也可能通过拒绝合作而威胁其他参与者以获得更高的收益，因此也是不稳定的。在等DP的分配策略中，各参与者的DP值均为大于0小于1的正数，也就是说，在这种分配策略下各参与者无法通过拒绝参与合作而对其他参与者造成更大的损失，且此时对分配策略的满意程度是相同的，因此是稳定的。

本实施例先确定系统内的碳排放源，包括外购电力、燃气轮机、燃气锅炉，其中，外购电力视为由燃煤机组发电得到。然后对参与碳交易的机组无偿分配碳配额，如果机组的碳排放超过相应的碳配额，则需要从碳交易市场购买碳排放权；如果机组的碳排放低于相应的碳配额，则可向碳交易市场出售相应的碳排放权以获得收益。从而通过采用碳交易的方式来降低系统的碳排放，促进IES的低碳运行。

实施例二

本实施例提供了一种多能源集线器综合能源系统低碳调度系统。

一种多能源集线器综合能源系统低碳调度系统，包括：

模型构建模块，其被配置为：根据多能源集线器综合能源系统的购电成本、购气成本和碳交易成本构建目标函数，结合设备出力约束、能量平衡约束和联络线传输功率约束，构建多主体合作博弈模型；

数据获取模块，其被配置为：获取负荷、能源价格、碳交易价格和设备参数；

收益计算模块，其被配置为：基于负荷、能源价格、碳交易价格和设备参数，采用多主体合作博弈模型，求解得到优化调度策略，以及不联盟时每个主体收益、部分联盟时的联盟收益和完全联盟时的总收益；

收益处理模块，其被配置为：采用不同分配策略均对不联盟时每个主体收益、部分联盟时的联盟收益和完全联盟时的总收益进行处理，得到综合能源系统内每个主体的收益；

验证模块，其被配置为：采用DP指标验证不同分配策略的稳定性，选取最优的分配策略，以兼顾系统内每个主体的利益，降低系统的运行成本和碳排放。

此处需要说明的是，上述模型构建模块、数据获取模块、收益计算模块、收益处理模块和验证模块与实施例一中的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例一所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。

实施例三

本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例一所述的多能源集线器综合能源系统低碳调度方法中的步骤。

实施例四

本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述实施例一所述的多能源集线器综合能源系统低碳调度方法中的步骤。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。