含分布式能源的电网优化调度研究

张 倩， 张延迟， 解 大

(1. 上海电机学院 电气学院， 上海 201306；2. 上海交通大学 电子信息与电气工程学院， 上海 200240)

据统计，2018年，国家电网26家省公司积极开拓综合能源服务市场，累计实施2 943个项目，实现综合能源服务业务收入49亿元，同比增长了133%[1]。从业务领域来看，实施综合能效服务项目数量最多，占比73%，分布式能源服务项目占比9%。

随着售电侧的放开，大批能源服务商自建分布式能源，在自给自足的同时，也实施余电上网，拓展企业新的利润增长点。开发的电力市场赋予需求侧用户以购电主体和售电主体双重身份参与电网的双向互动。博弈论作为解决2个及以上的决策主体之间利益关联问题的重要工具[2-4]，在电力系统规划、电力市场方面应用已久。文献[5-6]介绍了将谷诺博弈模型(Cournot duopoly model)和伯特兰德博弈模型(Bertrand duopoly model)运用于发电公司竞价上网的问题。文献[7-8]讨论分析了非合作博弈和斯塔克尔伯格博弈模型(Strackel-berg leadership model)运用于售电公司将储能反向售电给电网的情景；文献[9]设计了N人非合作博弈框架，讨论了居民用户售电商在分布式能源与储能的运行管理方面的作用；文献[10-11]介绍了演化博弈论的均衡分析方法运用于电力大用户与发电公司之间的直接交易情况。

本文介绍了博弈论的基本理论，分析了售电侧改革对需求侧博弈行为的影响，重点讨论了以能源服务商为群体与电网的博弈关系以及各能源服务商之间博弈行为，以此达到电网和能源服务商之间的收益平衡。

1 对需求侧博弈行为的影响

1.1 能源服务商的影响

为了主动适应能源供给侧改革和电力体制改革的新要求，国家发改委发布的《关于做好2018年降成本重点工作的通知》提出，要合理降低用能成本，支持有条件的企业自建分布式能源，支持新能源发电与用能企业就近就地进行交易。

新电改鼓励发展能源服务业务，支持能源服务商自建分布式能源，参与电力市场交易竞争，从而丰富了需求侧的用户类型，从单一的用电用户向购售电用户转变，增加了需求侧的博弈行为，建立起能源服务商群体与电网之间的博弈关系。

1.2 分布式能源发展的影响

新电改提出绿证交易，鼓励开发和发展可再生能源，但是分布式可再生能源受诸多因素影响，如地理位置、规模大小和天气环境等，其输出功率具有明显的波动性、随机性和间歇性，影响电网的功率平衡，降低其供电的稳定性和可靠性。

因此，一方面自带分布式能源的能源服务商可以作为售电方参与市场博弈，另一方面电网也需要考虑分布式能源接入电网，使电力系统尤其是配电网面临一些新问题，在追求电网收益最大的同时，也需保证电力系统安全可靠的运行。

1.3 博弈行为的转变

根据《推进售电侧改革的实施意见》，电力市场交易方式从单一的由电网公司统购统销向用户自主选择售电主体转变[12]，售电侧市场主体不再局限于传统的电网企业，还包括了售电公司和能源服务商。随着售电侧改革的推进，需求侧出现了新的博弈行为(见图1)。在电力市场改革前，电网公司与售电公司存在单一博弈关系，即博弈A，但是所有的销售电价和交易模式都是由电网公司制定，用户并不参与任何售电行为；博弈B表示电力大用户直接与发电公司进行购电交易，以此省去中间环节，降低购电成本；博弈C表示中低能用户与电网公司或售电公司进行购电交易，例如商业、居民等中小型用户可以在电力市场中自主选择售电主体，彼此之间存在博弈行为；博弈D表示自建分布式能源的能源服务商在自给自足的情况下，余电上网，以售电主体的身份与电网进行交易，两者之间存在利益冲突。

图1 电力市场博弈行为

2 博弈模型

在售电侧改革的大背景下，本文主要讨论由新电改产生的能源服务商(具备分布式能源发电的能力，具有售电和用电的双重身份)群体和电网公司之间的博弈行为，以及能源服务商个体之间的博弈关系。

2.1 博弈理论

一个博弈格局包括参与者、策略空间和支付函数，其中，参与者为决策主体，一般为两个及其以上，用N={1,2,…,n}表示一个含多名参与者的集合，Si表示参与者i(i∈N)的策略集合，S={s1,s2,…,sn}表示所有参与者的策略组合，支付用于衡量参与者之间博弈所获的收益，U={u1,u2,…,un}。

2.2 电网与能源服务商群体的博弈模型

2.2.1 双方拍卖 将多个能源服务商作为一个群体来与电网公司进行交易，一般经历4个阶段：电网公司确定分布式能源上网的电量，双方双向报价，序贯报价、交易成功或失败。但是这一切交易是在确保电网安全稳定的大前提下进行的，如果交易电量不满足安全校核的条件，则需要电网公司重新确定分布式能源并网的电量，交易流程见图2。

图2 交易流程图

在双方拍卖的交易博弈中，电网公司对该对象的估价为vb，能源服务商群体对该对象的估价为vs，电网公司确定一个买价为pb，能源服务商群体确定一个卖价为ps，若pb≥ps，则交易以p=(pb+ps)/2的价格进行，若pb

由贝叶斯纳什均衡定理[14]推导可知，只要满足pb、ps在一定条件下的最大化，则策略{pb(vb)，ps(vs)}即可达到贝叶斯纳什均衡，有：

Prob{pb≥ps(vs)}

(1)

Prob{pb(vb)≥ps}

(2)

表1 双方报价表

则电网公司第2轮出价pb2应该满足

(3)

式中：pb*为能源服务商群体能接受的二次报价。

于是发电商群体第2轮出价ps2应该满足

(4)

式中：ps*为电网公司能接受的二次报价。

由推导可得：

(5)

(6)

2.3 能源服务商个体间的博弈模型

2.3.1 收益函数 文中讨论的是2层模型(见图3)，第1层模型是电网公司与能源服务商群体的博弈关系(即图1中的博弈D，此处定义为博弈1)，以能源服务商群体的收益为目标，结合分布式能源上网的价格政策得出价格区间。第2层为能源服务商之间的博弈关系(博弈2)，但不是简单的能源服务商个体之间的价格博弈，而是构建电网收益函数，由电网公司给出某时段电网可以接纳分布式能源上网的总电量，各能源服务商个体在价格区间内自由报价竞争，计算总体收益，在电力系统约束条件内达到电网收益的最大目标。电网的收益模型为

(7)

式中：p*为电网购电价的平均值；pDG_loss为该时间段内的网损；ρ为电网公司能接纳的能源服务商并网电量。

图3 2层博弈模型

2.3.2 电力系统约束

(1) 电压约束

Umin≤|Ui|≤Umax

(8)

式中：Umin和Umax分别为i节点的电压上下限。

(9)

式中：Vtotal为所有节点的电压稳定因子的加和，用来表示整个系统的电压稳定情况，值越小说明系统越不稳定。

(2) 分布式能源的最大渗透率

(10)

(11)

式中：PD和QD为i节点负荷的有功功率和无功功率；PL0和QL0为在没有接入分布式电源之前的系统总的有功网损和无功网损。

3 算例分析

本文以修改的IEEE-39节点电力系统的数据来分析上述2个博弈模型，测试系统见图4(图中数字表示节点，表示发电机，表示风力发电)。

图4 IEEE-39节点电力系统

第1层：假设某时刻电网公司和能源商群体进行谈判交易，并且交易电量满足系统的安全可靠性要求且电网公司和能源服务商群体的估价和对彼此的出价推断都服从均匀分布，双方估价分别为vb～U(0.72，0.77)和vs～U(0.73，0.78)，其中vb=0.75，vs=0.756；双方的出价分别为ps～U(0.71，0.76)和pb～U(0.73，0.765)，则博弈交易结果见表2。

由表2可见，由于第1轮报价不满足贝叶斯纳什均衡条件，故进入第2轮的谈判，根据公式计算出第2轮的报价满足pb≥ps，交易成功。故根据定义和政策，则能源服务商个体的报价策略需在[0.752 1，1]之间。

表2 均匀概率分布的谈判结果

第2层：假设该时段电网允许1 000 MW分布式能源并网，且能源服务商A和B分别处于节点37和34附近，配备有自建的风电机组和自备储能装置，而且能源服务商A和B的报价是已知的，分别为0.76和0.77。由式(8)～(13)可知，该模型必须在满足式(12)的情况下使式(13)获取最大值，即

(12)

y=max{ρApA+ρBpB-

(PA_Loss+PB_Loss)·p*}

(13)

采用Matpower软件中IEEE-39节点系统验证上述模型和算法的正确性，功率基准值为100 MVA，测试了能源服务商A和B的各种策略组合得出系统总网损和电网总收益的对应关系(见图5)，并选择3组方案进行具体比较。

图5 电网总收益与系统总网损的关系图

表3 3种规划方案

由表3可知，方案2相较于方案1电网收益更高、并网总量更多，并且系统总网损较低；方案2相较于方案3在电网收益相差不多的情况下，系统网损较低。因此，方案2优于其他2个方案。由图5可知，在本文的模型下，电网收益与系统网损开始是成正比关系，随后达到顶峰，但是需要考虑系统网损的限制，系统网损过大，也不建议实施对应的策略。

4 结 语

随着售电侧改革的推进，需求侧用户的博弈行为发生了质的变化，自建分布式能源的用户可以以售电主体的身份向电网公司或售电公司进行售电。本文介绍了能源服务商群体和电网公司之间的博弈模型以及能源服务商个体之间的博弈模型。通过第1层模型可以采用拍卖竞价的方式得出以能源服务商为收益对象的售电价区间。第2层模型在第1层模型得出的价格区间内，能源服务商个体之间进行博弈，以电网为收益对象，得出在电网收益最优和电力系统安全稳定的基础下的分布式能源并网的策略方案。