技术领域
[0001] 本发明涉及电力系统调度技术领域，尤其涉及一种电网‑聚合商‑用户三方参与需求响应博弈的优化方法。
相关背景技术
[0002] 随着我国电力市场的逐步发展成熟，电力市场交易主体和交易模型不断呈现多样化发展，使得市场主体之间产生了复杂的互动调控和激烈的博弈关系。在互动调控方面，电网为了保持电力系统稳定，需要频繁做出调控，而通过用户侧进行需求响应，可以极大的提升调控效率，节省电网建设成本。由于存在用户数量多，分布广，难以直接接受调控等问题，故需要聚合商对其进行聚合。然而，目前的调控主要通过辅助服务市场进行需求响应，其存在市场出清计算规模大、需求时间长、难以满足调频及紧急响应等情况下调控要求的问题。目前，已有许多研通过建立聚合商利润最大化和用户购电成本最小化的主从博弈模型来优化调控方案，但在这些模型中，电网作为需求响应的发起者只起到提供固定激励价格和固定需求电量数额的作用，并未参与到博弈中，容易造成聚合商获取过多资源，不利于社会资源在各主体之间的合理分配，源荷侧相应的控制成效有待提高。
具体实施方式
[0082] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部实施例。基于本发明精神，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的有所其它实施例，都属于本发明的保护范围。
[0083] 实施例一：
[0084] 参照图1，本发明实施例提供一种电网‑聚合商‑用户三方参与需求响应博弈的优化方法，具体包括以下步骤：
[0085] 步骤S1:分别建立电网、聚合商及用户参与需求响应互动的数学模型；
[0086] 本实施例中，聚合商参与需求响应互动的数学模型如下：
[0087]
[0088] 式中， 为聚合商j参与需求响应互动的总收益； 为电网向聚合商j下发的响应激励总价； 为聚合商j向用户下发的响应补偿总价； 为电网下发给聚合商j的单位电能激励价格；I为用户集合；T为时间集合； 为聚合商j所辖范围内的用户i在t时段的响应电量； 为聚合商j向其所辖范围内的用户i下发的单位电能补偿价格； 和 分别为聚合商j下发给用户的单位电能激励价格最小值和最大值。
[0089] 用户参与需求响应的数学模型如下：
[0090]
[0091] 式中， 为聚合商j所辖范围内所有用户参与需求响应互动的总收益； 为聚合商j向用户下发的响应补偿总价； 为聚合商j所辖范围内所有用户减少的用电费用；为聚合商j所辖范围内所有用户的响应成本； 为聚合商j所辖范围内的用户i在t时段的补偿价格； 为聚合商j所辖范围内的用户i在t时段的响应电量；χi为用户i的损失厌恶系数，其大小取决于用户对于损失的敏感程度，其值越大，说明用户越敏感，在相同条件下，相比于其他损失敏感度较低的用户，这类用户的响应意愿更低；αt和βt分别为在t时刻的用户响应成本第一系数和第二系数，受到用户舒适敏感度等因素的影响，不同用户的系数一般不同，但可以通过用户过去参与需求响应的行为进行衡量； 为聚合商j所辖范围内的用户i在t时段响应的最大电量。
[0092] 电网参与需求响应的数学模型如下：
[0093]
[0094] 式中，PK为电网参与需求响应互动的总收益；CNl为电网参与需求响应互动减少的Ou Se网络损耗成本；C 为电网参与需求响应互动减少的切负荷赔偿成本；C 为电网参与需求响应互动减少的售电收益；J为聚合商集合；I为用户集合； 为聚合商j在一个时间周期T内的平均电价；δ为网损率；γt为t时段的赔偿系数； 为聚合商j所辖范围内的用户i在t时段的响应电量； 为聚合商j所辖范围内的用户i在t时段的补偿价格； 为聚合商j的i号用户在t时段的平均用电量； 为聚合商j在t时段的电价； 为聚合商j在t时段的总聚合负荷，其值大小为该时段下聚合商j所代理的各用户响应电量之和，若其值为零，表示该聚合商不参与本时段的需求响应项目； 为电网下发给聚合商j的单位电能激励价格； 和分别为电网下发的单位电能激励的最小值和最大值。
[0095] 步骤S2:基于各所述数学模型，将电网作为博弈的第一主导者，聚合商作为第一从属者，构建电网‑聚合商主从博弈模型；同时以聚合商作为博弈的第二主导者，用户作为第二从属者，构建聚合商‑用户主从博弈模型；
[0096] 进一步说明的是，博弈主体主要包括电网、聚合商以及聚合商所代理的各类终端用户。这三方主体之间，只有电网‑聚合商和聚合商‑用户之间存在直接联系，且构成主从博弈关系。在电网‑聚合商之间，电网是需求响应的发起者，占据信息优势，在博弈中占据主导地位。在聚合商‑用户之间，用户受限于自身精力以及信息获取成本，在博弈中处于被动地位。
[0097] 本实施例中，电网‑聚合商主从博弈模型的表达式如下：
[0098]
[0099] 式中，PK为电网参与需求响应互动的总收益；pjk为电网下发给聚合商j的单位电能K LAa激励价格；θ表示电网向聚合商下发的单位电能激励价格策略集；θ 为聚合商向电网反馈的响应电量策略集； 为聚合商j在t时段的总聚合负荷； 为聚合商j参与需求响应互动的总收益。在电网‑聚合商的主从博弈模型中，占据主导地位的电网的策略是 在从属地位的聚合商的策略是
[0100] 本实施例中，聚合商‑用户主从博弈模型的表达式如下：
[0101]
[0102] 式中， 为聚合商j参与需求响应互动的总收益；θLAb表示聚合商向用户下发的单Us位电能补偿价格策略集；θ 表示用户向聚合商反馈的响应电量策略集； 为聚合商j所辖Us
范围内的用户i在t时段的响应电量；Pj 为聚合商j所辖范围内所有用户参与需求响应互动的总收益。在聚合商‑用户的主从博弈模型中，占据主导地位的聚合商的策略是 在从属地位的用户的策略是
[0103] 步骤S3:通过建立基于激励和响应的双样本集，并结合双层Kriging元模型理论，对构建的两所述主从博弈模型进行优化，获得电网‑聚合商主从博弈元模型及聚合商‑用户主从博弈元模型；
[0104] 一种优选但非限制性的实施例，步骤S3中建立基于激励和响应的双样本集的步骤包括：
[0105] 步骤1：使用拉丁超立方采样法从电网向聚合商下发的单位电能激励价格策略集K LAbθ和聚合商向用户下发的单位电能补偿价格策略集θ 中进行随机抽样，获得主导策略样本集A：
[0106]
[0107] 式中， 表示电网下发给聚合商j的第n个策略的单位电能激励价格； 为聚合商j下发给用户的第n个策略的单位电能补偿价格；
[0108] 步骤2：将主导策略样本集A代入所述聚合商参与需求响应互动的数学模型中，获得从属策略样本集B：
[0109]
[0110] 式中， 表示聚合商j在t时段第n个策略的总聚合负荷； 为聚合商j所辖范围内的用户i在t时段的第n个策略的响应电量；
[0111] 步骤3：将所述主导策略样本集A和从属策略样本集B代入构建的两所述主从博弈模型中，分别获得更新后的主导策略样本集A1和从属策略样本集B1：
[0112]
[0113] 式中， 表示聚合商j在t时段更新后的第n个策略的总聚合负荷， 聚合商j所辖范围内的用户i在t时段更新后的第n个策略的响应电量。其中，A1为低可信度样本集，B1为高可信度样本集。
[0114] 作为本发明的一种实施例，步骤S3中对构建的两所述主从博弈模型进行优化的步骤包括：
[0115] 先将从属策略样本集B1输入MATLAB的DACE工具箱构建双层Kriging元模型，其中，双层Kriging元模型的表达式如下：
[0116]
[0117] 式中，Kr(x)为双层Kriging元模型函数输出值；x为元模型输入值；为自适应因子，反映了样本集A1和B1之间的相关性； 为底层Kriging元模型的输出值； 为均值2
为0、方差为σ的静态随机过程； 为双层Kriging元模型的最终输出值；τ为相关矢量，由所有已知点与未知点间的相关函数组成；R为相关矩阵，由已知样本点间的相关函数值组成；为底层Kriging元模型的输出值函数值集合；xh为第h个元模型输入值。
[0118] 再使用主导策略样本集A1进行训练，获得两所述主从博弈模型中占据从属地位的隐性映射关系如下：
[0119]
[0120] 式中，Fkri1(·)为构建完成的聚合商Kriging元模型；Fkri2(·)为构建完成的用户Kriging元模型；
[0121] 基于所述聚合商Kriging元模型，得到优化后的电网‑聚合商主从博弈元模型的表达式如下：
[0122]
[0123] 基于所述用户Kriging元模型，得到优化后的聚合商‑用户主从博弈元模型的表达式如下：
[0124]
[0125] 步骤S4:对优化后的两所述主从博弈元模型进行求解，得到电网、聚合商及用户参与需求响应的优化方案。
[0126] 本实施例采用YALMIP工具包调用CPLEX求解器对步骤S3中的模型进行求解，先求解所述聚合商‑用户主从博弈元模型，获得聚合商的报量和报价策略后，将其策略带入所述电网‑聚合商主从博弈元模型，获得电网最终成交价格及响应成本；
[0127] 其中，电网‑聚合商和聚合商‑用户的主从博弈元模型在达到均衡后满足以下约束：
[0128]
[0129] 式中， 表示两所述主从博弈元模型的博弈均衡解； 为电网下发给聚合商j的均衡策略； 为聚合商j自身的均衡策略； 为聚合商j在t时段的用户的均衡策略； 为聚合商j所代理的除了用户i∈I之外的其他用户的均
衡策略。上述公式表示，当博弈达到均衡状态时，任何博弈主体都无法通过单独调整其策略来获得更高的收益，即博弈达到均衡时的解为最优策略。
[0130] 下面通过具体的实验算例来验证本发明提供的电网‑聚合商‑用户三方参与需求响应博弈的优化的有效性。
[0131] 需要说明的是，本实施例提供的方法的使用前提包括：
[0132] (1)假设电网发布的需求响应仅由各聚合商直接参与响应；由于本实施例的主要关注点在于聚合商在需求响应过程中的策略，因此包括大工业用户在内的其他直接参与主体暂不考虑在本实施例中。
[0133] (2)在实际需求响应中，切换需求响应主体需要较长时间，不利于需求侧负荷资源的快速响应；因此，本实施例假设在需求响应过程中，电网不对参与响应的聚合商进行切换，直到该次响应完成。
[0134] (3)考虑到博弈地位和信息差的客观存在，假设各聚合商之间以及各终端用户之间不存在同级博弈或信息交流。
[0135] (4)假设所有需求响应参与方均已安装需求响应智能设备，并满足相关技术条件，且不考虑通讯异常情况。
[0136] 本发明实施例模拟电网、聚合商及其代理的终端用户三方之间的互动博弈结构如图2所示。模拟数据包括：设置3个聚合商参与响应，每个聚合商下有3类用户；实施例场景为需要调度电量688MWh，进行源荷互动以获取所需电量；将电网下发的激励价格 范围设置为300元/MWh‑3000/MWh，聚合商下发的激励价格 范围设置为200元/MWh‑2800/MWh；用户在该时段的用电电价 为1000元/MWh，3类用户的χi依次取2.0，1.7，1.5，αt，βt分别取0.0001元/kWh，1.5元/kWh，每类用户的最大响应量 依次取181.33，326.40，217.60MW，周期平均电价 为850元/MWh，网损率δ为0.06，赔偿系数γt为3.5，时间间隔设置为15分钟，调度周期为24小时；采用MATLAB软件进行求解，所得结果包括：使用本发明方法(电网‑聚合商‑用户主从博弈元模型)与传统方法中(聚合商‑用户主从博弈模型)参与市场出清的收益结果如表1所示；使用双样本集构建Kriging元模型计算主从博弈模型(本发明)与使用传统单样本集构建Kriging元模型计算主从博弈模型的计算结果如表2所示。
[0137] 表1不同方法计算结果对比
[0138]
[0139]
[0140] 表2单/双样本集构建元模型计算结果对比
[0141]
[0142] 从表1可以看出，传统的聚合商‑用户博弈模型的总收益为511.53元，本发明的电网‑聚合商‑用户博弈元模型总收益为588.6元，总体利益提高了15％；并且与传统的聚合商‑用户博弈模型相比而本发明的电网‑聚合商‑用户博弈元模型，避免了聚合商获取过多的资源，增加用户收益，促进现社会资源的合理分配，平衡多主体的利益的同时更好的激励用户积极参与源荷响应。从表2可以看出，本发明使用双样本集的计算结果更接近无算法的直接计算，说明本发明双样本集构建的元模型计算精度比传统单样本集方式更高。
[0143] 本发明的有益效果在于，与现有技术相比：
[0144] 本发明对电力市场中的电网、聚合商和用户三个主体建立主从博弈模型，准确反映各主体的运行利益需求，克服了现有方法中只考虑聚合商和用户的主从博弈模型易造成聚合商获取过多资源的问题，促进了模型中资源的合理分配，平衡多主体的利益的同时更好的激励用户积极参与源荷响应，促进源荷侧协调优化，实现电网的供需平衡，推动了电力系统巨量负荷侧资源常态化参与互动调控。
[0145] 本发明基于双层Kriging元模型对各主从博弈模型中的下层进行拟合，生成上层策略与下层参数之间的函数关系，大大减低了计算的复杂度，提高了主从博弈模型的计算速度；此外，本发明通过建立双样本集对Kriging元模型进行构建与训练，克服了传统的单样本集Kriging元模型构建方式在误差估计精度以及模型的近似能力方面难以与越来越复杂的实际问题相适应的缺点，提高了Kriging元模型的拟合精度。
[0146] 实施例二：
[0147] 如图3所示，本发明提供一种电网‑聚合商‑用户三方参与需求响应博弈的优化系统，系统用于实现上述实施例一中方法的步骤，系统具体包括：
[0148] 建立模块，用于分别建立电网、聚合商及用户参与需求响应互动的数学模型；
[0149] 构建模块，用于基于各所述数学模型，将电网作为博弈的第一主导者，聚合商作为第一从属者，构建电网‑聚合商主从博弈模型；同时以聚合商作为博弈的第二主导者，用户作为第二从属者，构建聚合商‑用户主从博弈模型；
[0150] 优化模块，用于通过建立基于激励和响应的双样本集，并结合双层Kriging元模型理论，对构建的两所述主从博弈模型进行优化，获得电网‑聚合商主从博弈元模型及聚合商‑用户主从博弈元模型；
[0151] 求解模块，用于对优化后的两所述主从博弈元模型进行求解，得到电网、聚合商及用户参与需求响应的优化方案。
[0152] 作为本发明的一种实施例，优化模块包括；
[0153] 获得主导策略样本集单元，用于从电网向聚合商下发的单位电能激励价格策略集K LAbθ和聚合商向用户下发的单位电能补偿价格策略集θ 中进行随机抽样，获得主导策略样本集A：
[0154]
[0155] 式中， 表示电网下发给聚合商j的第n个策略的单位电能激励价格； 为聚合商j下发给用户的第n个策略的单位电能补偿价格；
[0156] 获得从属策略样本集单元，用于将主导策略样本集A代入所述聚合商参与需求响应互动的数学模型中，获得从属策略样本集B：
[0157]
[0158] 式中， 表示聚合商j在t时段第n个策略的总聚合负荷； 为聚合商j所辖范围内的用户i在t时段的第n个策略的响应电量；
[0159] 更新样本集单元，用于将所述主导策略样本集A和从属策略样本集B代入构建的两所述主从博弈模型中，分别获得更新后的主导策略样本集A1和从属策略样本集B1：
[0160]
[0161] 式中， 表示聚合商j在t时段更新后的第n个策略的总聚合负荷， 聚合商j所辖范围内的用户i在t时段更新后的第n个策略的响应电量。
[0162] 训练双层Kriging元模型单元，用于将所述从属策略样本集B1输入DACE工具箱构建双层Kriging元模型，再使用主导策略样本集A1进行训练，获得两所述主从博弈模型中占据从属地位的隐性映射关系如下：
[0163]
[0164] 式中，Fkri1(·)为构建完成的聚合商Kriging元模型；Fkri2(·)为构建完成的用户Kriging元模型；
[0165] 第一优化单元，用于基于所述聚合商Kriging元模型，得到优化后的电网‑聚合商主从博弈元模型的表达式如下：
[0166]
[0167] 第二优化单元，用于基于所述用户Kriging元模型，得到优化后的聚合商‑用户主从博弈元模型的表达式如下：
[0168]
[0169] 本发明实施例提供的电网‑聚合商‑用户三方参与需求响应博弈的优化系统与实施例一提供的电网‑聚合商‑用户三方参与需求响应博弈的优化方法基于相同的技术构思，能够产生如实施例一所述的有益效果，在本实施例中未详尽描述的内容可以参见实施例一。
[0170] 实施例三：
[0171] 本发明实施例提供的一种终端，包括处理器及存储介质；
[0172] 所述存储介质用于存储指令；
[0173] 所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据实施例一中任一项所述方法的步骤。
[0174] 实施例四：
[0175] 本发明实施例提供的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实施例一任一项所述方法的步骤。
[0176] 本公开可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本公开的各个方面的计算机可读程序指令。
[0177] 计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD‑ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其它自由传播的电磁波、通过波导或其它传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。
[0178] 这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。
[0179] 用于执行本公开操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++等，以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本公开的各个方面。
[0180] 最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
