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 整县分布式光伏试点 构建以新能源为主体的新型电力系统，是推动能源清洁低碳转型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、服务构建新发展格局的重要途径。 2021年4月，在国家能源局《关于2021年风电、光伏发电开发建设有关事项的通知（征求意见稿）》中，明确要求积极推进分布式光伏发电的建设，结合乡村振兴战略启动“千乡万村沐光”行动。 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 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，，提出要有序推动尚未进入市场的工商业用户全部进入电力市场，取消工商业目录销售电价 研究背景 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。 研究背景 方式2：弱中心化（必经阶段） 方式1：中心化（当前阶段） 特点 特点 特点 完全去中心化市场完全自由竞争所有用户共同管理运行 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 集中式运行调度信息收集量大求解难度高 研究背景 特大型城市配电网复杂场景 目录 多元市场主体互动博奔分析多元主体博奔下的运行优化分层自治重构运行优化方法 多主体间互动博奔共享一集中共享模式 决策机制 决策机制 决策机制 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 》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 >协调者统一决策，各主体信息完全共享 性能分析 性能分析 性能分析 系统经济效益最差系统风险成本最低系统协调成本最高 系统经济效益较好系统风险成本较高系统协调成本较低 系统经济效益最好系统风险成本最高系统协调成本最低 多主体间互动博奔共享一集中共享模式 多主体间互动博奔共享一集中共享模式 3.净零能耗驱动的能源共享对等聚合方法 自治优化策略 楼宇群经济性F=pinsellpselyr=l楼宇群用户舒适度F.:Tsr)?SEY-SY电动汽车服务满意度F,=7优化目标综合F=pF+p,F-P,FP, +P, +p, =1 结合不同主体的差异性及实际情况，选择自治优化目标及其权重 能源共享对等聚合模型 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。 多主体间互动博奔共享一集中共享模式 3.净零能耗驱动的能源共享对等聚合方法 不同净零能耗水平下的共享价格 整体协调共享策略 净零能耗驱动的共享价格机制 价格函数改进 pad popuad0≤%≤1pmd)y, + pidpa, +prab (12,)X,>1p,7,+psridoel(1-y.)0≤7,≤1purd anepuad7, >1[(pridhuy pmid)i, + prmidpaduparpuad(peidee p)y, + pnid0≤Y,≤1X>I[(ppid,buy 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互补共享的引导。 口将净零能耗引入楼宇群的短期能源协调应用，进一步促进能源协调共享口目前净零能耗水平存在成本、排放、能耗等计算标准，可以根据具体情况下的考核要求进行选择 多主体间互动博奔共享一集中共享模式 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-碳共享价格，并向下层发布动态价格协调共享。 各楼宇调整自已的用能计划，与其他楼宇进行共享选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，不足或者剩余的电能可以向联盟其他成员买卖工业楼宇：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，同时因为超额的二氧化碳排放需要支付高额的碳税，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。 多主体间互动博奔共享一集中共享模式 4.智能楼宇群电-碳耦合互动共享 ②电碳共享策略为保证用户侧楼宇群在联盟市场中共享电能或者碳排放权带来的收益相同，需要对电能和碳排放权耦合定价以保证公平性。 ①分时碳计量及奖惩通过对楼宇购电碳排放进行分时计量，同时实行碳排放奖惩机制，深入挖掘楼宇群间的清洁能源共享潜力。 ③楼宇决策各楼宇进行内部自主能量理管，根据电-碳耦合决策模型优化选代，求解各楼宇最优运行方案。 多主体间互动博奔共享一P2P分布式模式 P2P分布式交易机制设计 ③P2P交易在市场中的能源交易分为信息发布、双边灵活商、余量市场集中撮合三个阶段。 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，可以实现各产消者内部资源最优调度。 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，对产消者能量交易的投标/报价定价进行优化。 多主体间互动博奔共享一P2P分布式模式 P2P交易机制执行步骤 多主体间互动博奔共享一P2P分布式模式 P2P交易机制算例分析 产消者供需平衡 产消者之间只需要交换很少的信息（交易功率和交易价格）就可以完成点对点匹配，很好的保护了隐私。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相较于传统的集中式调度，采用本文所提的P2P交易模型更有利于市场中产消者获利 目录 多元市场主体互动博奔分析 多元主体博奔下的运行优化 分层自治重构运行优化方法 多类型市场主体动态博奔模拟框架 配电网公司 配电网运行与多主体交易的互动 基于电气距离的分级过网费核算 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 ③基于边介数的广义电气距离 ②网络边介数的定义 ①点对点交易中的过网费计算 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 “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。 ④Floyd算法 定义一个n阶方阵序列Do...Dk....Dn，其中，Do-A。D*[i][i]= min, D*-[i]Lj], D*-I[i][k]+ D-'[k][j]k = 1,2...,.nD[i]表示从节点v到节点v,的路径中经过的节点序号不大于的最短路径长度 经过n次迭代后，所得到的D"[]就是v,到v,的最短路径长度。 基于电气距离的分级过网费核算 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，享鼓励各产消者尽可能就近完成交易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。 多主体与配电网互动博奔 多微网系统点对点交易机制 >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 对交易的高频性、时效性、准确性及安全性要求较高 交易机制 Stepl：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。 多元主体博奔下的运行优化 多微网配电系统双层优化调度 设备运行约束 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。 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： maxF-(=1nEN,AetjeEjeB(Wi+W2+WPiao,min=Pid1min2Z(r,iu)3f1 tje EWio3CBDEW,=W20各聚合体之间的电力交易行为可以改变主动配电网中的电力潮流分布，各聚合体或者联盟之间的交易量也会影响主F(osvei.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、CBW30SVC和ESS 目录 多元市场主体互动博奔分析多元主体博奔下的运行优化分层自治重构运行优化方法 配电网分层自治重构运行 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 配电网分层自治重构运行 多级重构模式 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-变电站”三个层级的潮流转移 配电网自然分层特性：馈线层、变压器层、变电站层 配电网分层自治重构运行 多层级平衡机制 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） 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遂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。 配电网分层自治重构运行 多层级平衡机制 配电网分层自治重构运行 上层重构级别决策模型·目标：优先局部自治，全网弃光、失负荷成本最小 重构级别识别双层模型 确保负荷可靠供电和光伏大规模消纳前提下配电系统操作人员通过优先实施低层级重构来满足净负荷不均衡分布产生的灵活性需求 min F(xlev,xsw)= Cley + Cnl 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。 ·自标：各优化区域弃光、失负荷成本最小·决策变量：“变电站-变压器-馈线”各层级联络开关、支路分段开关 下层重构优化模型 配电网分层自治重构运行 重构级别识别双层模型 口目标函数优先局部自治 口约束条件 重构级别决策约束BTR +BSR ≤I,Vje BSubBSR=βSRZ + No(βR +β)≤ NTn, Vje Bb多级重构约束1）节点功率平衡2）主网出力约束pTransP,Vje Bstb,fe 0)kEa(J)3）辐射性&连通性约束E Ph- Z P, =P' =&,Vje Btea()ep)PmP' Pm",Vije ElEsw4）光伏出力约束5）失负荷约束 级别决策层和重构层实现统一，形成单层模型求解 下层优化主体数目 Ndown_ZBR 配电网分层自治重构运行 》分段多级动态重构 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站、变压器采用相同重构级别。时段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算成本。 阶段分段多级重构弃光、失负荷、开