配電網多元主體互動博弈與分層自治運行優化方法高紅均副教授/博士生導師四川大學電氣工程學院四川大學智能電網分析與運營控制研究室2023年11月研究背景新型電力系統構建新型電力系統構建助力碳達峰碳中和的迫切需要，是順應能源技術進步趨勢、促進系統轉型升級的必然要求，是實現電力行業高質量發展、服務構建新傳統電力系統供給側新能源將逐步成為裝機和電量主體發用電一體“產消者”大量涌現種電網形態并存電網側新型電力清潔低碳、安全可控、靈活高系統效、智能友好、開放互動√從系統角度，運行機理和平衡模式將出現深刻變化川大拳整縣分布式光伏試點整縣分布式光伏試點2021年4月，在國家能源局《關于2021年風電、河北、山東、河南、安徽等二十余省份已紛紛發布整縣分布式光伏試點申報方案分布式光伏行業開發與商業模式發生巨變取消工商業目錄電價取消工商業目錄電價12021年10月，國家發改委發布《關于進一步深化燃煤發電上網電價市場化改革的通知》中，提出要|改革后配電網發展配電網發展當前電力改革以及電力市場的不斷推進，配電網作為改革的重點環節和市場交易復雜因素的主要集中部分，在其區域內會出現包括售電公司、微電網、智能樓宇以及虛擬電廠等復雜多類型市場主體并存的格局。多類型市場主體多類型市場主體綜合綜合風電光伏交易主體不確定性供需不確定性市場模式與交易機制配電商配電商方式1:中心化(當前階段)↓M方式2:弱中心化(必經階段)●市場競爭逐漸放開●分散決策、自治協同●配電網負責運行管理方式3:完全分布式(最終階段)●市場完全自由競爭●所有用戶共同管理運行市場維度信息維度運行維度市場維度信息維度運行維度口特大型城市配電網結構復雜市場投資技術水平隨著經濟的增長，特大型城市的快速發展特大型城市配電網傳統配電網特大型城市配電網用戶需求政策導向，高比例清潔能源和電氣化負荷接入配電網>城市配電網規模不斷增加>城市配電網復雜程度不斷增加>城市配電網低碳化運行成為要求“雙碳目標”的提出特大型城市配電網復雜場景社會各方廣泛參與多利益主體深度博弈角色定位動態轉換大規模智能量測終端受限通信網絡連接海量多源數據挖掘分布式電源功率調節可控負荷需求側響應柔性聯絡開閉控制多元市場主體互動博弈分析>多元主體博弈下的運行優化分層自治重構運行優化方法多主體間互動博弈共享—集中共享模式1.多主體集中共享機制協調者協調者主體1主體n主體2決策機制集中優化>協調者統一決策，各主體信息完全共享√系統經濟效益最好√系統風險成本最高√系統協調成本最低協調者協調者主體1主體2主體n分層自治>協調者匹配供需關系、制定內部電價，各主體獨立決策，共享供需信息√系統經濟效益較好√系統風險成本較高√系統協調成本較低主體1主體1主體2主體n決策機制競標出清集中出清>協調者統一出清，各主體獨立決策，單獨報量報價，無信息共享√系統經濟效益最差√系統風險成本最低√系統協調成本最高需求量供給量負荷數量負荷類型設備約束設備數量設備參數需求量供給量負荷數量負荷類型設備約束設備數量設備參數設備類型Step2:Step2:確定指標權重Step3:共享模式綜合評估V模糊層次分析法V模糊層次分析法反熵權法二2二2//,X經濟性風險性協調性設備信息負荷信息供需信息主觀權重W主觀權重Wg模式k下指標模式k下指標m的評估值合性能評估值8mk模式k下指標m的主客觀權重系數四川大葶SICHUAN工業樓宇群居民樓宇群信息聚合分析節能樓宇群需求信息樓宇群代理商能源共享中心發布能源共享對等聚合模型√樓宇群經濟性√樓宇群用戶舒適度√電動汽車服務滿意度√口能源共享中心通過對各樓宇群上報的共享需求和配電網電價進行資源信息聚合分析，生成并對等發布能源共享價格激勵信號。口各樓宇群代理商接收到能源共享中心發布的最新共享價格，對內部樓宇資源進行自治運行優化。口通過各樓宇群資源需求信息聚合和能源共享中心價格信號對等發布的交互迭代，從而實現各樓宇群的能源互動共享。口在實際應用中，可將自治優化策略部署在各樓宇群代理商，可將整體協調共享策略部署在共享中心。整體協調共享策略整體協調共享策略3.凈零能耗驅動的能源共享對等聚合方法>凈零能耗驅動的共享價格機制>凈零能耗驅動的共享價格機制√價格函數改進√√價格函數改進在能源共享價格制定中進一步在能源共享價格制定中進一步考慮整體凈零能耗水平的影響，使共享價格函數能夠反映不同時段的凈零能耗水平的差異，加強共享價格對樓宇群間能源不同凈零能耗水平下的共享價格多主體間互動博弈共享—集中共享模式四川大尊4.智能樓宇群電-碳耦合互動共享>基于各樓宇的信息采集，計算聯盟內部電-碳>基于各樓宇的信息采集，計算聯盟內部電-碳共享價格，并向下層發布動態價格協調共享。>各樓宇調整自己的用能計劃，與其他樓宇進>各樓宇調整自己的用能計劃，與其他樓宇進行共享迭代得出聯盟最優運行計劃。光伏樓宇：在屋頂或者空地安裝分布式光儲系統，利用光伏發電來滿足自身的負荷需求，不足或者剩余的工業樓宇：裝有高能耗高碳排放設備的智能樓宇，用能需求大，需要支付昂貴的電能費用，同時因為超額農業樓宇：農業科技與光伏技術互補的智能樓宇，具有時序平移特性，樓宇可以靈活調節自身用能計劃，在滿足自身用能需求的情況下，具有低碳排放的特性。考慮分時碳計量的智能樓宇群電-碳耦合互動共享機制考慮分時碳計量的智能樓宇群電-碳耦合互動共享機制上級熱網聯盟共享平臺光伏樓宇1農業樓宇1光伏樓宇N農業樓宇M工業樓宇K工業樓宇1共享聯盟天然氣網上級電網智能樓宇群電-碳耦合共享框架示意圖4.智能樓宇群電-碳耦合互動共享③樓宇決策③樓宇決策②電碳共享策略ee工業樓寧電價目自樓宇用能計劃他他代用能計劃農業多主體間互動博弈共享—P2P分布式模式P2P分布式交易機制設計①內部供需自平衡通過電網公司給出零售電價和上網電價，產消者進行內部自主能量管理，可以實現各產消0競價策略記錄之前與其余產消者的P2P交易歷史信息，并考慮自身偏好以預期期望利益最大為目標，對產消者能在市場中的能源交易分為信息發布、雙邊靈活磋商、余量市場集中撮賣方產消者；賣方產消者；P2P交易機制執行步驟0ssx◆產消者內的能源交易委托商在每段時間可能收到其余各產消者的信總發布公告，賣方產消者會優先選擇價格較高的買方產消者進行能量靈活磋商：買方產消者：買方產消者：擬達成交易的產消者發布話藥結果8◆在完成Step2后，未成功交易的產消者可將信息上報EBSP,對于存在能源缺額的產消者經EBSP傳送信息，由電網公司補充不平衡功率。)中wN)中wNSICHUANUNIVERSFTYP2PP2P交易機制算例分析交籍動率；005變男資棒：818交易功率，02x交易功率，02xa交察選率。0335交易價洛：9或4村交易價洛：9或41000元MW文動的咨：8108口產消者之間只需要交換很少的信息(交易功率和交易價口產消者之間只需要交換很少的信息(交易功率和交易價600元/MW格格)就可以完成點對點匹配，很好的保護了隱私。口各產消者對自身歷史交易行為進行記錄，分析在獲得最大利潤和最大交易成功率之間取得了均衡。交易加章：4063單位：交五功率-MW交易價格交易加章：4063單位：交五功率-MW交易價格-元/MW653型更有利于市場中產消者獲利。1多元市場主體互動博弈分析多元主體博弈下的運行優化分層自治重構運行優化方法多類型市場主體動態博弈模擬框架配電網公司配電網公司需求響應售電公司代理-互動分散式資源多元主體園區微網虛擬電廠聚合商配電網配電網1局域能源市場局域能源市場P2P交易平臺過網輸電費用x?x?pimnspimns功率基于電氣距離的分級過網費核算基于邊介數的廣義電氣距離基于邊介數的廣義電氣距離①點對點交易中的過網費計算C=8P單位功率傳輸成本②網絡邊介數的定義②網絡邊介數的定義“邊介數”即為網絡中經過某條邊的最短路徑的數目占網絡中所有最短路徑數的比例。③③基于邊介數的廣義電氣距離將“邊介數”作為網絡中各條邊的權值，兩點間帶權路徑長度的最小值即為該兩節點之間的電氣距離。節點等效電氣距離經過n次迭代后，所得到短路徑長度。D*[i][j]=min{D*-[i][j],D^~[i][D*[]U]表示從節點v,到節點v,的路徑中經過的節點序號不大于k的最短路徑長度。采用Floyd算法求解任意兩節點間的最短路徑及其長度。基于電氣距離的分級過網費核算考慮過網輸電費用的考慮過網輸電費用的P2P交易算例分析川大葶考慮過網輸電費用下的產消者競價策略產消者2(Pro2toPro9】產消者2(Pro2toPro?)產消者2(Pro2toPro3)產消者9(Pro6toPro9】產消者9(Pro2toPro9】產消者7(Pro2toPro7)產消者3(Pro2toPro3)口各產消者依據交易電量的不同會產生不同的過網輸電費用，促使各產消者更加經濟的進行生產、消費電能。口考慮過網輸電費用能夠充分體現過網費對交易結果的影響，鼓勵各產消者盡可能就近完成交易。口采用基于電氣距離的過網輸電費用分析方法，可以更準確地體現不同產消者之間交易對網絡線路的使用程度，可以為市場用戶提供不同的經濟信號。交易流程圖多主體與配電網互動博弈交易流程圖多微網系統點對點交易機制多微網系統點對點交易機制■多微網系統可以發揮微網間的聯動增益、提高可再生能源利■傳統的電力交易模式從集中式向去中心化發展>不需第三方機構集中式協調>多主體分布式信息交互>多主體分布式能量交易求較高交易機制交易機制Step1:市場運營商下發初始電價，微網間傳遞報價信息；Step2:各微網制定最優調度策略，并將購電計劃點對點傳遞給相關微網Step3:各微網檢驗是否滿足供需關系，若不滿足，則更新報價；Step4:各微網重新傳遞報價信息并進行第二輪策略制定；Step5:經過多輪報價更新和策略制定后收斂，上報最終交易結果。各微網制定最優交易策略，并將是否收斂?否是否收斂?是上報交多元主體博弈下的運行優化多微網配電系統雙層優化調度多微網配電系統雙層優化調度三層系統架構>>在經濟層實現多微網交易；>在物理層實現能量傳輸和配網安全運行；>在信息層實現微網間以及微-配間的信息交流。雙層互動機制雙層互動機制網(交易量價目標函數：多微網系統效益最大化行約束配網拓撲配網拓撲結構配網重構目標函數：開關動作成本和網約束條件：潮流約束、安全約!.束、配網重構約束節點等效負荷值配網運行層川大葶>多微網系統經濟效益>設備運行約束口配電網運行成本口二階錐潮流約束、安全約束口配網重構約束考慮網絡使用費的配電網運行優化2.考慮網絡使用費的主動配電網運行管控模型多聚合體參與市場下，配電網運行管理以網絡使用費收益最大為目標，并將網絡損失和設備動作損失降至最低：運行管控指令反饋P2P交易平臺交易聯盟1聚合體聚合體聚合光伏儲能風機主動配電網各聚合本之間的電力交易行為可以改變主動配電網中的電力潮分布，各聚合體或者聯盟之間的交易量也會影響主動配電網的網絡功率損耗和調節設備損耗。本研究中的設備損耗表示所有設備的調整次數和范圍，包括OLTC、CB、>多元市場主體互動博弈分析>多元主體博弈下的運行優化分層自治重構運行優化方法川大拳配電網分層自治重構運行川大拳作為配電網運行管理的關鍵技術之一，動態重構通過對分段開關和聯絡開關的組合狀態進行動態調整，能夠改善調度周期內的網絡潮流分布，在促進清潔能源消納和提高負荷供電可靠性方面具有關鍵地位。動態重構多省面臨“能耗雙控”壓力，高耗能企業拉閘限電常態化雙控”壓力，高耗能企業拉閘限電常態化口提高電網供電能力口實現靈活運行>經濟持續穩定恢復全社會用電量持續增長經濟持續穩定恢復全社會用電量持續增長有效途徑口全局動態重構模型求解困難有效途徑時空靈活性需求口數據通信壓力和計算能耗過大時空靈活性需求口提高清潔能源消納光伏大規模接入，光伏大規模接入，凈負荷時空分布不均衡，棄光現象嚴重滯后全局協調能源供給清潔化低碳化配電網分層自治運行管理能源供給清潔化低碳化新能源逐漸成為裝機和電量主體配電網分層自治重構運行>多類型聯絡開關通過調節饋線聯絡開關、變壓器聯絡開關、變電站聯絡開關與分段開關的開關狀態組合，可以分別實現同一變壓器供電、不同變壓器供電和不同變電站供電的兩條饋線之間的凈負荷轉移，即“饋線-變壓器-變電饋線潮流轉移饋線潮流轉移變壓器潮流轉移變壓器潮流轉移變電站潮流轉移變電站潮流轉移配電網分層自治重構運行>多層級平衡機制建建立分層自治、逐級遞進(變壓器內饋線間-站內饋線間-站間)的多層級平衡機制(如圖所示)饋線級平衡運行變壓器級平衡運行變壓器級平衡運行變電站級平衡運行變電站級平衡運行配電網重構級別包括三類：配電網重構級別包括三類：饋線級、變壓器級、變電站級不同級別的聯絡開關(潮流轉移)參與類別不同。饋線級變壓器級、變電站級重構的潮流分布調節范圍逐漸擴大重構區域由單一變壓器到單一變電站再到多變電站，實現了由局部自治到大范圍協調的多層級平衡運行。SICHUANUNIVERSICHUANUNIVER饋線聯絡開關變壓器聯絡開關變電站聯絡開關>重構級別識別雙層模型上層重構級別決策模型饋線級重構變壓器級重構變電站級重構下層多個局部重構同時進行，與上層變電站、變壓器的重構級別選擇向量決策結果相關。的變壓器f_變電站及關聯變電站下層重構優化模型重構級別識別雙層模型 ——表示隸屬j電站的變壓器f進行饋線級重構的狀態標識β'RβSR——表示j變電站進行變壓器級重構和變電站級重構的狀態標識c下層優化主體數目重構級別決策約束多級重構約束1)節點功率平衡2)主網出力約束Pfmmn≤PP,VjeBVferi)3)輻射性&連通性約束統一，形成單層模型求解4)光伏出力約束5)失負荷約束第一第一階段分時段多級重構>分段多級動態重構對凈負荷空間分布進行對凈負荷空間分布進行時段劃分，要求隸屬于同一類中心的各時段各變電劃分下的多級重構在減小時間計算維度的同時，能夠降低不必要的空間計√時間和空間降維分時分層局部重構c第c類時段多毀重構已Y壓墨級重內確定/變電站SS。麗定/變電站TS、NNYN第二階段協調優化運行變電站與關聯變電站進行變電站級重枕鎮故繳重構的定沒壓圖NYNYY￥潮流分布改善能力的不足!!!配電網分層自治重構運行云計算數據中心分段重構級別識別>云計算數據中心分段重構級別識別能量流變電站級重構變壓器級重構(S2)變壓器級重構(S3)變壓器轉移變壓器級重構(S4)局部信息10kV10kV集中-分布式聯合控制計算體系口云端：集中式重構級別識別口邊緣節點：集中-分布式聯合控制計算體系口云端：集中式重構級別識別口邊緣節點：分布式分段多級重構協同機制集中-分布式優化需求集中-分布式優化需求>云邊協同運行控制技術重構級別識別重構級別識別●決策變量：變電站、變壓器各時段重構級別需求模糊C均值聚類(FCMJ分段重構級別集中式優化集中式優化,級別識別需同時計及系統內各層級凈負荷網絡被劃分為多個子網絡，可單獨進行分段分段多級動態重構「隸屬委電站的L變壓器f_1變電站失負荷、開關動作成本分布式優化在各變電站設置邊緣節點，完成具體重構方案計算在各變電站設置邊緣節點，完成具體重構方案計算,可以有效減小云端的集中計算能耗基于云邊協同的多級重構，其集中-分布式聯合控制計算體系能夠適應配電網規模化發展及分布式能時刻n分段多級重構級別建立的重構級別識別雙層模型能夠準確識別偏好低層級重構下的“饋線-變壓器-變電站”多級重構需求。配電網分層自治重構運行>云邊協同運行控制C第一階段第二階段時間/s調節次數開關成本/$成本/$棄光成本/S45678兩階段優化運行策略通過第一階段分段多級重構和第二階段CL協調優化能夠顯著減小棄光、失負重構方法求解方法求解時間全局動態重構全局動態重構集中式分段多級重構分層自治重構運行分層自治重構運行相比采用Cplex或二進制粒子群算法求解的全局動態重構模型，提出的云邊協同運行控制方法基于集中-分布式聯構策略，能夠顯著降低求解難度、大幅度縮短重構求解時川大葶SICHUANUNIVERSFTY基于機器學習的重構級別快速識別川大葶SICHUANUNIVERSFTY引入機器學習，利用雙層模型引入機器學習，利用雙層模型的配電網重構判定結果建立數據集并進行訓練，可以有效節省數學模型重復計算的算力并配電網實際運行數據分類數學模型機器學習可以與數學模型結pSubpSubSetfortenrione基于深度學習的多級動態重構決策方法Setfortenrione>數據預處理平衡與生成>神經網絡模型川大拳樣處理，均衡變電站海量凈負荷對歷史數據采用蒙特運行場景待學習樣本pPVPLR1pL,口凈負荷數據在空間分布上呈現不平衡特征口引入特征空間注意力機制和卷積神經網絡口充分感知非連續凈負荷數據之間的細微聯系口凈負荷數據在時間分布上呈現不平衡特征口引入時間序列注意力機制和門控循環單元口充分感知非連續凈負荷數據之間的細微聯系驗證精度對比訓練時間對比棄光量對比驗證精度對比訓練時間對比棄光量對比失負荷量對比②數據驅動與模型驅動方法對比③中小規模配電網算例分析基于大規模配電網算例分析基于大規模配電網算例分析①①組合神經網絡性能驗證節點系統33節點系統69節點系統損失精確率召回率33節點系統69節點系統總成本/美元求解時間/秒總成本/美元求解時間/秒1234口所提組合神經網絡，驗證精度最高，收斂速度較快，綜合性能最佳口所提方法優化性能優于傳統的啟發式算法和數學規劃算法口所提方法有較好的泛化性能，可適應不同規模的配電網>多智能體系統框架多級動態重構參與的兩階段有功-無功協調優化Abatchofdata>配電網系統規模：滿足三級NN配電網>多智能體系統范式：“集中Datna(C)tpdataData(tpdatDaa()Lpda訓練，分散執行”高效結合高效結合集中訓練：價值網絡部署于分散執行：策略網絡部署于相應變電站處，訓第二階段：配電網有功-無功優化CRRa長時間尺度：第一階段短時間尺度：第二階段為短時間尺