鐘永潔，李玉平，胡兵，張瑋，孫永輝，陳棟

(1.國電南京自動化股份有限公司，江蘇 南京 210032；2.南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司，江蘇 南京 211153； 3.河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 210098)

0 引 言

隨著世界范圍內(nèi)對低碳、經(jīng)濟、高效、可持續(xù)發(fā)展的關(guān)注，多類型能源的協(xié)同優(yōu)化運行成為一種新的提高能源系統(tǒng)運行綜合效率、提升經(jīng)濟效益的有效方式[1-4]?！皺M向多種能源互補，縱向源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)”是能源互聯(lián)網(wǎng)的重要特征[1-2,4-5]，發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)是提升用能綜合效率、降低經(jīng)濟成本的有效手段、是實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的有效途徑之一[2-3,5-7]。能源互聯(lián)網(wǎng)作為未來能源領(lǐng)域發(fā)展的方向，有助于實現(xiàn)能源的高效利用、發(fā)揮多能優(yōu)勢互補潛力、達(dá)到節(jié)能減排的目的，符合構(gòu)建清潔低碳、安全高效的新一代能源系統(tǒng)的目標(biāo)要求[2,7-9]。

能源互聯(lián)網(wǎng)在地理資源稟賦、運行調(diào)度、效益需求、能量管理等多要素驅(qū)使下產(chǎn)生了多維度的分層現(xiàn)象[6,8-10]。多層次能源互聯(lián)網(wǎng)在能量管理、運行調(diào)度、信息交換等現(xiàn)實應(yīng)用作用需求下亦具有明顯的互動特征[1,11-13]。不同層次的能源互聯(lián)網(wǎng)在用能量級、用能形式、能源轉(zhuǎn)換設(shè)備、物理架構(gòu)等方面已有明顯的差異[8,14-16]。大中型區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)通常有較高的經(jīng)濟性需求，而對工業(yè)園區(qū)、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)區(qū)等小區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)則往往希冀有較高的運行能效。以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的提出對能源互聯(lián)網(wǎng)“靈活高效”能效性指標(biāo)提出更高要求[3-4,17-19]。然而現(xiàn)有技術(shù)缺乏綜合考慮能源品質(zhì)特征，聚焦關(guān)注能源的數(shù)量特性。隨著能量梯級轉(zhuǎn)化，能量品質(zhì)逐漸降低，從而導(dǎo)致不同形式的能源除有數(shù)量上的聯(lián)系外，還存在質(zhì)量品位上的高低[20-23]。

目前國內(nèi)外對園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)、區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)已有一些基礎(chǔ)研究和試點示范項目實踐，對于能源互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)架構(gòu)、協(xié)同優(yōu)化方面已經(jīng)有了一些基礎(chǔ)性成果[6,15,22-23]。1)在分層結(jié)構(gòu)方面：文獻(xiàn)[3]通過比較能源互聯(lián)網(wǎng)和傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的異同點，提出了能源互聯(lián)網(wǎng)能量管理分層多級系統(tǒng)的基礎(chǔ)框架，并闡明了各層系統(tǒng)的總體構(gòu)成和主要功能；文獻(xiàn)[10]以綜合能源系統(tǒng)為研究對象，基于主從調(diào)度中心的關(guān)系及能量管理系統(tǒng)信息交互原理提出電熱氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)分層協(xié)同優(yōu)化架構(gòu)、模型、流程及方法，解決了變工況特性下的綜合能源系統(tǒng)日前分層多目標(biāo)模糊協(xié)同優(yōu)化問題；文獻(xiàn)[14]對園區(qū)型能源互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)內(nèi)涵進(jìn)行了剖析，并對能源互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的層次劃分；文獻(xiàn)[15]針對含可再生能源的能源互聯(lián)網(wǎng)，提出分層控制與協(xié)同優(yōu)化的策略，構(gòu)建了多源多層次的調(diào)度層級劃分模型實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)的分布式設(shè)備進(jìn)行管理；文獻(xiàn)[16]分析了能源互聯(lián)網(wǎng)的基本特點，并提出其“三網(wǎng)一體”的網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)，并構(gòu)建“群”層級構(gòu)建能源價值網(wǎng)絡(luò)，“互”層級提供價格區(qū)間，“自”層級基于能量樞紐實現(xiàn)內(nèi)部能量優(yōu)化整體架構(gòu)；文獻(xiàn)[22]從數(shù)據(jù)信息和多類型能源角度出發(fā)構(gòu)建了能源互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)交易基礎(chǔ)架構(gòu)，并基于博弈論提出了能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交易解決方案。以上研究成果在分層結(jié)構(gòu)方面缺乏考慮分層需求互動因素，有待進(jìn)一步發(fā)掘、提升空間。2)在協(xié)同優(yōu)化方面：文獻(xiàn)[4]針對多能源系統(tǒng)提出雙時間尺度經(jīng)濟優(yōu)化策略，第一個時間尺度下通過日前經(jīng)濟優(yōu)化運行確定全天的最小運行成本，第二個時間尺度下針對虛擬存儲特定進(jìn)行短期詳細(xì)優(yōu)化，實現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)的經(jīng)濟性能；文獻(xiàn)[6]從城鎮(zhèn)型能源互聯(lián)網(wǎng)的視角出發(fā)，在考慮電網(wǎng)參與方、電廠參與方和用戶參與方的基礎(chǔ)上建立了非合作博弈多市場主體收益模型，且獲取了博弈模型中的納什均衡范圍；文獻(xiàn)[15]考慮能源互聯(lián)網(wǎng)的多樣化能源設(shè)備耦合轉(zhuǎn)換與多能流協(xié)同優(yōu)化特性，在遵循分層控制和協(xié)同優(yōu)化原則基礎(chǔ)上提出多類型能源、多層級的調(diào)度層級劃分模型，實現(xiàn)系統(tǒng)能量管理自治和多能源協(xié)同優(yōu)化運行；文獻(xiàn)[19]提出由柴油發(fā)電機、電池儲能、分布式光伏發(fā)電組成的混合多能供電系統(tǒng)能量運行方式，進(jìn)一步提出混合供電系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化模型和策略，實現(xiàn)多電源集成耦合系統(tǒng)的高效經(jīng)濟、靈活供電協(xié)同運行。

綜上所述，現(xiàn)有研究集中以園區(qū)型、城鎮(zhèn)型等特定場景或?qū)哟蔚哪茉椿ヂ?lián)網(wǎng)為研究對象，開展較為單一的經(jīng)濟成本優(yōu)化、能量綜合協(xié)調(diào)管理剖析，偏重于能源互聯(lián)網(wǎng)的物理模型構(gòu)建及優(yōu)化策略生成。尚缺乏從多維度、多層級分層角度研究能源互聯(lián)網(wǎng)，尤其在分層能源互聯(lián)網(wǎng)的需求互動場景下的分層建模、動態(tài)協(xié)同優(yōu)化分析、詳細(xì)的對比驗證分析方面亟待深入研究。因此本文從需求互動角度出發(fā)，創(chuàng)新性地構(gòu)建下層園區(qū)型能源互聯(lián)網(wǎng)與上層區(qū)域型能源互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟、能效需求互動的雙層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。針對不同層次能源互聯(lián)網(wǎng)實際現(xiàn)場工程應(yīng)用運行需求，提供火用效率能效動態(tài)協(xié)同優(yōu)化運行、經(jīng)濟動態(tài)協(xié)同優(yōu)化運行方案。在多維度分層能源互聯(lián)需求互動場景中還特別的關(guān)注了能量“量”與“質(zhì)”，以實現(xiàn)能源高品質(zhì)利用、系統(tǒng)高能效運行，進(jìn)一步促進(jìn)新能源消納。進(jìn)一步改進(jìn)，將能效、經(jīng)濟多目標(biāo)優(yōu)化問題映射到合作博弈策略中，提出基于合作博弈的分層協(xié)同優(yōu)化求解方法。通過詳細(xì)對比驗證分析進(jìn)一步佐證模型及方法的創(chuàng)新性和通用性。

1 園區(qū)與區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)分層結(jié)構(gòu)

1.1 能源互聯(lián)網(wǎng)分層現(xiàn)象

能源互聯(lián)網(wǎng)在運行調(diào)度、地理資源稟賦、效益需求、分區(qū)協(xié)同調(diào)控、能量管理等多要素驅(qū)使下產(chǎn)生了明顯的多維度分層現(xiàn)象[1,3,6,9]。多維度分層現(xiàn)象具體體現(xiàn)在[12,15-16]：縱向看有源-網(wǎng)-荷-儲層次；時空尺度上有穩(wěn)態(tài)和動態(tài)層次運行；能量流程上有輸入層、轉(zhuǎn)換層及輸出層之分；能源的傳輸利用可以按照傳輸、調(diào)度和決策3個不同的邏輯層級，進(jìn)而分為傳輸層、信息層和價格層，不同層為協(xié)同優(yōu)化調(diào)度提供不同的技術(shù)支撐；調(diào)度管理上有就地控制和跨區(qū)優(yōu)化層次；能源互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度控制是面向系統(tǒng)運行全過程的動態(tài)調(diào)度控制，通常包括日前調(diào)度、日內(nèi)調(diào)度和實時控制3個層次；對于能源互聯(lián)網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)亦可按照傳統(tǒng)能量管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分布自律-集中協(xié)同的分層互聯(lián)架構(gòu)設(shè)計；對應(yīng)于能源互聯(lián)網(wǎng)的能量供應(yīng)側(cè)和需求側(cè)，協(xié)同優(yōu)化調(diào)度問題可以被分為經(jīng)濟分配和需求響應(yīng)兩個層次方面的主要問題；能量管理總體架構(gòu)自底向上可分為局域供需管控層、區(qū)域集中調(diào)度層和廣域需求匹配層3個層次；中國能源互聯(lián)網(wǎng)具備多能源耦合網(wǎng)絡(luò)體系，全域信息共享網(wǎng)絡(luò)體系以及價值發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造網(wǎng)絡(luò)體系“三網(wǎng)一體”結(jié)構(gòu)；分層優(yōu)化架構(gòu)按照“分而治之”的思想在空間尺度上可將能源互聯(lián)網(wǎng)分為系統(tǒng)層、區(qū)域?qū)雍驮O(shè)備層3個層次等。

在能量綜合管理與數(shù)據(jù)信息上下交互影響及作用的基礎(chǔ)上，下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)與上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)需求互動分層結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。在圖1中，能源互聯(lián)網(wǎng)在需求互動背景層次下分為上層和下層，其中上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)通常所屬的地理區(qū)域范圍較廣，通常集成了多能源生產(chǎn)系統(tǒng)、多能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、多能源傳輸系統(tǒng)，主要是多能源系統(tǒng)層次上的優(yōu)化運行。在能源生產(chǎn)方面，以大型的燃煤機組、燃?xì)鈾C組、熱電廠、光伏電站、風(fēng)電場等為主。多能源傳輸系統(tǒng)一般是將熱力網(wǎng)絡(luò)、電力網(wǎng)絡(luò)、天然氣網(wǎng)絡(luò)等多類型、多異質(zhì)能源子系統(tǒng)耦合互聯(lián)成整體，起到能源遠(yuǎn)距離傳輸?shù)淖饔?。生產(chǎn)、傳輸、轉(zhuǎn)換之間是相互協(xié)同工作的，根據(jù)具體能源形式和需求有不同的工作、運行模式，不同的實際現(xiàn)場工程應(yīng)用場景中有一定程度上的差異。

圖1 園區(qū)與區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)互動分層架構(gòu)示意Fig.1 Framework of interaction between the community and regional energy internet

下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)主要承擔(dān)多類型能源配給和消費的功能，主要面向工業(yè)園區(qū)、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園、大型娛樂中心、大型商業(yè)區(qū)中心等多元化負(fù)荷需求用戶、用能終端。因此通常會涉及的常見的燃?xì)廨啓C、燃?xì)忮仩t、微型內(nèi)燃機、電制冷機、電制熱等中小型能源耦合轉(zhuǎn)換組件，不同類型的電、熱、氣、冷等能源耦合轉(zhuǎn)換組件有機協(xié)調(diào)配合起來運行，實現(xiàn)不同特性的能源以最佳模式重新組合互聯(lián)、相互轉(zhuǎn)化、逐級傳遞、供需互動協(xié)調(diào)，達(dá)到能量梯級利用、高能效用能的目的。同時根據(jù)園區(qū)能源資源稟賦特征，可以在下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)中充分利用光伏、風(fēng)電等清潔能源。若需要進(jìn)一步提升多能源配給的彈性和靈活性，還可以適當(dāng)配置多類型的儲能，如儲電、儲熱、蓄冷等。

1.2 園區(qū)與區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)耦合互聯(lián)特征

下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)與上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)通過調(diào)度中心及能源管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息上送與下達(dá)，為雙層能源互聯(lián)網(wǎng)能源效率、經(jīng)濟成本等需求互動提供數(shù)據(jù)流、信息流基礎(chǔ)支撐，下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)與上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)根據(jù)優(yōu)化運行模式信息或指令實時調(diào)整所隸屬系統(tǒng)的優(yōu)化運行策略。而配氣站、配電站則是下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)與上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵的能量物理橋梁，整個多能源系統(tǒng)通過配氣站、配電站完成能量流層次上的優(yōu)化運行，適應(yīng)不同應(yīng)用場景需求。

上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)與下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)在物理通道上通過配氣站和配電站耦合互聯(lián)聯(lián)系在一起，進(jìn)行能量傳輸和控制，通過能量管理中心或控制中心等完成信息交互、運行模式反饋。上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)與下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)通常屬于不同的利益主體，各個利益主體所關(guān)注的綜合效益亦是不同的。不同層次的能源互聯(lián)網(wǎng)在用能量級、用能形式、控制方式、運行調(diào)度策略、能源轉(zhuǎn)換設(shè)備、物理架構(gòu)等方面已有明顯的差異。

對大區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)如圖1中的上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)通常有較高的經(jīng)濟性需求，更加關(guān)注整體能源系統(tǒng)的運行經(jīng)濟成本，希冀供能經(jīng)濟費用達(dá)到最小化，換言之，上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)采用最佳的供能經(jīng)濟優(yōu)化運行策略運營且能有較高的綜合效益。而對工業(yè)園區(qū)、大型娛樂中心、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)區(qū)、大型商業(yè)中心等用戶側(cè)能源互聯(lián)網(wǎng)如圖1中的下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)往往希冀有較高的運行能效，以期達(dá)到綜合高效用能、能量綜合梯級利用的目的，系統(tǒng)整體上是一種高效率的用能運行模式為最佳選擇。亦可以發(fā)現(xiàn)，下層園區(qū)和上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)在需求上是存在一定程度的矛盾和沖突的。能量管理及優(yōu)化運行過程中如何兼顧各個利益主體的效益并通過配氣站和配電站來進(jìn)行能量物理層次上的呈現(xiàn)是亟需關(guān)注和解決的。因此上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)與下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)在需求上需要進(jìn)行互動，通過一定策略如博弈策略進(jìn)行平衡、兼顧各自的效益，使得整體效益最佳。

正是基于此，接下來從下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)高能效運行需求、上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)高經(jīng)濟運行需求角度出發(fā)，分別對應(yīng)提出火用效率能效動態(tài)協(xié)同優(yōu)化運行模型、經(jīng)濟動態(tài)協(xié)同優(yōu)化運行模型，并提出基于合作博弈的分層協(xié)同多目標(biāo)優(yōu)化求解策略，通過合作博弈方式使得下層園區(qū)與上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)都可以達(dá)到滿意的優(yōu)化運行模式。

2 園區(qū)與區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化運行

2.1 下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)火用效率優(yōu)化運行

能源綜合利用效率主要是從能源的數(shù)值或數(shù)量上對能源利用的有效程度進(jìn)行綜合評判，此時能源的“量”是其評判的核心要素。而能源火用效率不僅包含“量”這一核心要素，還兼顧另一個核心要素，即能源的“質(zhì)”，火用效率基于不同能量質(zhì)量的品位或品質(zhì)差異來評估能源系統(tǒng)的能效[11,17-18]，基于能量品位或品質(zhì)特性綜合考慮了能量“量”與“質(zhì)”屬性。文中從火用效率角度進(jìn)行下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)的動態(tài)協(xié)同優(yōu)化調(diào)度，可以實現(xiàn)能源高品質(zhì)利用、系統(tǒng)高能效運行，進(jìn)一步的促進(jìn)新能源消納[4,13]。

輸入火用值中特別是下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)的購電電能的來源成分會影響上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)各類型發(fā)電機組的出力情況。為進(jìn)一步體現(xiàn)出火用效率在衡量能源系統(tǒng)的能效方面的優(yōu)勢，文中充分考慮了在一般的能源綜合利用效率中未考慮電能來源成分因素，構(gòu)建在火用效率評估模型，進(jìn)一步凸顯所建立的火用效率優(yōu)化運行策略的優(yōu)勢[6,18,21]。

基于上述分析，綜合考慮多類型的供能、用能方式，構(gòu)建火用效率優(yōu)化運行模型為

(1)

其中：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

在負(fù)載用能火用值Xout確定已知或負(fù)荷預(yù)測精度滿足要求的前提下，式(1)所構(gòu)建的火用效率優(yōu)化運行模型在數(shù)學(xué)上等價于求輸入火用值Xin的最小值，即

(10)

2.2 上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟優(yōu)化運行

上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)一般有更高的經(jīng)濟性需求，更關(guān)注整體能源系統(tǒng)的經(jīng)濟成本，希冀供能經(jīng)濟成本最低，也即上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)以一種經(jīng)濟的能源供給模式優(yōu)化運行且能有較高的綜合效益。上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟優(yōu)化調(diào)度可描述為：

(11)

其中：

(12)

(13)

(14)

(15)

3 基于合作博弈的多目標(biāo)優(yōu)化求解

3.1 多目標(biāo)優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)描述

多目標(biāo)優(yōu)化問題可描述如下：

(16)

3.2 多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化成博弈問題

博弈論是一種分析多主體利益沖突、矛盾的工具，為兩個或兩個以上參與者并且它們的決策會相互影響的問題提供了一種解決辦法。運用博弈論處理多學(xué)科多目標(biāo)優(yōu)化問題，在不同領(lǐng)域已經(jīng)是較常見、較通用的一種方式。多目標(biāo)優(yōu)化問題是否可以轉(zhuǎn)化成博弈問題關(guān)鍵在于“多目標(biāo)優(yōu)化是否可以對應(yīng)或映射到博弈問題中所必須的3個基本要素，即博弈的參與主體、博弈參與方策略、博弈參與方收益”，很顯然，根據(jù)3.1節(jié)描述，多目標(biāo)優(yōu)化問題是可以很容易轉(zhuǎn)換成博弈問題的。

特別地，根據(jù)2.1節(jié)和2.2節(jié)所建立的模型，博弈問題中的博弈參與者分別為下層園區(qū)能源互聯(lián)運行火用效率、上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)運行經(jīng)濟成本；博弈參與主體收益分別為下層園區(qū)能源互聯(lián)火用效率最大化目標(biāo)值、上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)運行經(jīng)濟成本最小化目標(biāo)值；博弈參與方策略為各目標(biāo)相關(guān)優(yōu)化變量，如風(fēng)電出力、光伏出力、氣源出力、熱電聯(lián)供機組出力、火電機組出力等。

3.3 博弈中的合作博弈與非合作博弈界定

將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為博弈問題之后，更具體地，需要結(jié)合實際工程應(yīng)用現(xiàn)實場景，確定并采用具體的合作博弈法還是非合作博弈法。具體應(yīng)該采用那一種具體博弈法，通?？梢酝ㄟ^如下兩種方式進(jìn)行選擇界定[6,11,15,21]。

方式1：依據(jù)博弈參與主體的理性特征或?qū)傩圆町?，博弈通常可以被劃分為非合作博弈與合作博弈兩大類。非合作博弈中的博弈參與主體通常僅僅具有個體理性，往往不關(guān)注集體的整體效益。在非合作博弈的基礎(chǔ)上，若博弈的參與主體相互間具有有效的可執(zhí)行協(xié)議，此時博弈類型為合作博弈的。

方式2：合作博弈兼顧集體利益最優(yōu)的同時考慮每個博弈參與主體的滿意度，集體的利益能否達(dá)到最佳會受到各個博弈參與主體的深刻影響，因此，在合作博弈中，每個博弈參與主體需要以整體理性為導(dǎo)向和約束，這就要求每個博弈參與主體適當(dāng)?shù)乜刂苹蚣s束其個體理性以實現(xiàn)集體效益的更大化；而非合作博弈在博弈參與主體的個體理性競爭模式基礎(chǔ)下，以博弈參與主體自身的利益為目標(biāo)和導(dǎo)向來實現(xiàn)個體的利益最優(yōu)。

3.4 基于合作博弈求解多目標(biāo)優(yōu)化問題

根據(jù)上文綜合所述，文中所建立的具體園區(qū)與區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)需求互動的多目標(biāo)優(yōu)化運行問題可以采用合作博弈策略進(jìn)行求解。其理由如下：

其一，文中博弈在綜合調(diào)度能量管理信息和數(shù)據(jù)交換指導(dǎo)下，系統(tǒng)整體的利益與每個個體博弈參與主體的關(guān)系十分緊密，每個博弈參與主體在跟蹤聚焦整體調(diào)度運行效益的同時也尋求個體在經(jīng)濟運行成本、能源利用火用效率的個性化效益，整體上以整體效益為導(dǎo)向和目標(biāo)，從而使得集體的利益達(dá)到最大化。并且上下層博弈參與者之間存在明顯的聯(lián)絡(luò)線功率傳輸限制、滲透率等有效的可執(zhí)行協(xié)議。顯然滿足方式1的界定。

其二，文中所述博弈把綜合調(diào)度整體作為目標(biāo)方向，在尋求個體經(jīng)濟運行成本、能源利用火用效率的個性化效益的同時又兼顧集體的綜合利益，以達(dá)到集體效益的增長和理想期望。博弈解中的“最優(yōu)折中解”正是確保整體收益最大化的選擇結(jié)果。顯然滿足方式2的界定。

基于上述分析，針對園區(qū)與區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化運行問題建立的合作博弈模型為

(17)

4 算例分析

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

結(jié)合圖1所示的園區(qū)與區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)互動分層架構(gòu)，并以圖2架構(gòu)為下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)和圖3架構(gòu)為上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建仿真分析案例，選取北方冬季典型日為一個優(yōu)化運行調(diào)度周期，并設(shè)置優(yōu)化仿真間隔步長為1小時。冬季典型日暫時供熱不供冷。采用通用的商業(yè)優(yōu)化求解軟件LINGO并調(diào)用其集成的Global Solver求解包處理文中所構(gòu)建的多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。

圖2 下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)架構(gòu)Fig.2 Architecture of lower-level community energy internet

圖3 上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)架構(gòu)Fig.3 Architecture of upper-level regional energy internet

圖2和圖3中所采用各類型能源轉(zhuǎn)換設(shè)備模型已較為成熟，可具體參見文獻(xiàn)[1,3,5-6,9-12,15,17-18]。下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)火用效率優(yōu)化調(diào)度模型安全運行約束條件涉及到多樣化能源轉(zhuǎn)換組件單元安全運行約束條件、電熱氣能量守恒約束條件、太陽能和風(fēng)能新能源發(fā)電出力安全運行約束條件、上下層能源互聯(lián)網(wǎng)能量傳輸聯(lián)絡(luò)線物理限制約束條件等；上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)安全運行約束條件則涉及到多樣化能源轉(zhuǎn)換組件單元安全運行約束條件、太陽能和風(fēng)能新能源發(fā)電出力安全運行約束條件、能量平衡約束、火電機組旋轉(zhuǎn)備用約束、不同類型能源發(fā)電滲透率等。由于篇幅所限，不再贅述，具體參見文獻(xiàn)[1,13,17-18,20-22]。圖2所示的下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)中各類型用戶負(fù)荷需求以及風(fēng)電、光伏的預(yù)測出力如圖4所示，上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)中涉及的電熱氣負(fù)荷需求以及風(fēng)能發(fā)電即風(fēng)電出力、太陽能發(fā)電即光伏出力的預(yù)測值如圖5所示。

圖4 下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)負(fù)荷需求及新能源預(yù)測出力Fig.4 Loads demand and new energy forecast output of lower level community energy internet

圖5 上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)負(fù)荷需求及新能源預(yù)測出力Fig.5 Loads demand and new energy forecast output of upper level regional energy internet

上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)中火電發(fā)電機組有2臺，分別簡記為火電#1、火電#2。多能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中所涉及的主要多樣化能源轉(zhuǎn)換組件單元參數(shù)數(shù)據(jù)根據(jù)表1設(shè)置，其他算例仿真相關(guān)參數(shù)參見表2，其中地源熱泵工作在供熱工況模式，可允許棄風(fēng)電、棄光伏上限均為60%。

4.2 結(jié)果分析

1)合作博弈下的分層協(xié)同優(yōu)化調(diào)度。

為進(jìn)一步體現(xiàn)本方法相比較其他文獻(xiàn)所用方法更具優(yōu)越性、創(chuàng)新性，文中在采用合作博弈策略的同時增加了與其他文獻(xiàn)所述方法的對比試驗。根據(jù)文獻(xiàn)[10]所述的方法即調(diào)度中心思想分層協(xié)同優(yōu)化策略來處理上述所涉及的上下層能源互聯(lián)網(wǎng)算例，并采用通用的商業(yè)優(yōu)化軟件LINGO獲得優(yōu)化運行調(diào)度結(jié)果，實現(xiàn)過程的階段結(jié)果如圖6所示，其他求解結(jié)果展示類似，不再贅述。

表1 下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)和上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)主要能源轉(zhuǎn)換設(shè)備參數(shù)Table 1 Main energy conversion equipment parameters of lower-level community and upper-level regional energy internet

表2 算例仿真相關(guān)參數(shù)Table 2 Simulation parameters of the example

圖6 采用文獻(xiàn)[10]的方法獲得的優(yōu)化結(jié)果Fig.6 Optimization results obtained by the method of literature[10]

2)不同運行模式下能源發(fā)電占比差異分析。

不同優(yōu)化調(diào)度下下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)購電電能中不同類型能源發(fā)電的占比變化如圖7所示。在已有的與火用效率相關(guān)的優(yōu)化調(diào)度研究中，一般不考慮或在細(xì)分電能的來源成分。然而，電能的來源成分可以體現(xiàn)出上層系統(tǒng)電源出力的占比，特別是下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)的購電電能的來源成分會影響上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)各類型發(fā)電機組的出力情況。為進(jìn)一步體現(xiàn)出火用效率在衡量能源系統(tǒng)的能效方面的優(yōu)勢，充分考慮在一般的能源綜合利用效率中未考慮電能來源成分因素，構(gòu)建在火用效率評估模型，可以進(jìn)一步凸顯所建立的火用效率優(yōu)化運行策略的優(yōu)勢。在僅考慮購電電能中僅有新能源發(fā)電、火電機組發(fā)電成分且火電的發(fā)輸電效率設(shè)置為0.32，則購電電能、輸入火用、新能源發(fā)電的占比之間的關(guān)系見圖8和圖9。當(dāng)輸入火用設(shè)置為定值100 MWh時，購電電能與新能源發(fā)電的占比關(guān)系如圖8所示，由圖可知下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)購電電能隨新能源發(fā)電的占比增大而增大，可見在輸入火用確定的情況下，提高上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)新能源滲透率可以促進(jìn)下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)的外購電功率數(shù)量，上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)與下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)的電能功率聯(lián)絡(luò)交換關(guān)系密切；當(dāng)購電電能設(shè)置為定值100 MWh時，輸入火用值與新能源發(fā)電的占比關(guān)系如圖9所示，由圖可知輸入火用值隨著新能源發(fā)電的占比的增大而減少，也即是火用效率隨著新能源發(fā)電的占比的增大而增大，上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)新能源滲透率提高會促進(jìn)下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)火用效率的提高。綜合對圖8和圖9的分析可以發(fā)現(xiàn)，上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)新能源滲透率會影響下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)能效。再結(jié)合圖7可以發(fā)現(xiàn)，在能效優(yōu)化調(diào)度運行模式下，新能源滲透率占比最大，相比較于能效優(yōu)化調(diào)度而言，在博弈最優(yōu)折中解的運行模式下燃煤機組發(fā)電的占比進(jìn)一步提高以平衡、兼顧能效、經(jīng)濟利益的沖突。由圖7可知，不同優(yōu)化運行模式下新能源發(fā)電的占比接近且均高于燃煤火電機組發(fā)電的占比，可見不同優(yōu)化運行模式下消納新能源的能力接近，不同優(yōu)化運行模式主要影響了燃煤火電機組與燃?xì)鈾C組發(fā)電的占比。

進(jìn)一步的，園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)購電電能中不同類型能源發(fā)電的一次能源來源滲透率逐時段變化如圖10所示，現(xiàn)有的與火用效率相關(guān)的優(yōu)化調(diào)度研究中，一般不考慮或在細(xì)分電能的來源成分。然而，下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)的購電電能的來源成分會影響上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)各類型發(fā)電機組的出力情況，文中構(gòu)建的火用效率評估模型可以合理的反映出外購電中不同電源出力的占比情況。

圖7 不同優(yōu)化運行模式下購電電能中不同類型能源發(fā)電的占比變化Fig.7 Proportion change of different types of energy generation in power purchase under different operating modes

圖8 輸入火用確定下購電電能與新能源發(fā)電占比的關(guān)系Fig.8 Relationship between electricity purchased and the proportion of new energy generation in the case of input exergy determination

圖9 購電電能確定下輸入火用與新能源發(fā)電的占比關(guān)系Fig.9 Relationship between input exergy and the proportion of new energy generation in the case of electricity purchased determination

由圖10可知，上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)中新能源滲透率會影響下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)火用效率能效，可見文中所提的計及一次能源滲透率的能源互聯(lián)網(wǎng)火用效率能效評估方法可以有效、精確評估火用效率及反映一次能源滲透率的影響要素，本方法具有明顯的創(chuàng)新性。

圖10 購電電能中各類型能源發(fā)電的一次能源來源滲透率Fig.10 Primary energy permeability changes of different types of energy generation in electricity purchasing

3)不同調(diào)度模式下配電/配氣站能量傳輸特征。

上層區(qū)域與下層園區(qū)綜合能源為一個整體能源互聯(lián)網(wǎng)在不同運行模式下配氣、配電數(shù)據(jù)信息變化如圖11所示，圖中YITA表示采用下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)單一的能效優(yōu)化調(diào)度模式，COST表示采用上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)單一的經(jīng)濟優(yōu)化調(diào)度模式，GAME表示采用基于合作博弈的最優(yōu)折中解下能效經(jīng)濟優(yōu)化調(diào)度模式。

由圖11可知，YITA和GAME運行模式下的配氣、配電數(shù)據(jù)重合度較高，尤其是配電數(shù)據(jù)僅僅在5：00～7：00期間有稍微的差別，這也表明YITA和GAME運行模式下上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)對下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)的電能輸送方式差異較小，這種方式對火用效率影響較小，尤其是GAME運行模式下配電數(shù)據(jù)與YITA下配電數(shù)據(jù)高度重合以使得GAME下火用效率仍然較高，配氣的數(shù)據(jù)信息情況亦是類似，但曲線的重合度沒有配電數(shù)據(jù)的高，主要原因在于電能的數(shù)據(jù)直接影響輸入火用中各類型電源發(fā)電的占比，這在上文中已經(jīng)做了分析，COST運行模式下配氣、配電顯然不同于其它兩種模式尤其是配電數(shù)據(jù)信息，因為COST運行模式更關(guān)注經(jīng)濟成本要素而弱化火用效率的效益。

圖11 不同運行模式下配氣、配電數(shù)據(jù)變化Fig.11 Data changes of gas distribution station and power station under different operating modes

4)多能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中典型設(shè)備單元不同運行模式下運行特征差異分析。

外層博弈最優(yōu)折中解、內(nèi)層博弈最優(yōu)折中、文獻(xiàn)[10]運行模式下燃?xì)鉄犭娐?lián)供電、熱出力在優(yōu)化調(diào)度運行周內(nèi)的變化情況如圖12所示。

圖12 不同運行模式下燃?xì)鉄犭娐?lián)供電、熱出力變化Fig.12 Variation of power supply and thermal output of gas cogeneration under different operation modes

由圖12可知，燃?xì)鉄犭娐?lián)供的電、熱出力運行域為多邊形區(qū)域，即圖12中的梯形虛線條所示，但不同運行模式下實際燃?xì)鉄犭娐?lián)供均在背壓工況工作方式運行，在這種工作方式下，整個運行周期內(nèi)熱功率調(diào)節(jié)11.97 MW時，對應(yīng)電功率可以調(diào)節(jié)81.07 MW，電功率的調(diào)節(jié)范圍較大，可以為新能源上網(wǎng)提供適當(dāng)?shù)目臻g。根據(jù)不同運行模式下燃?xì)鉄犭娐?lián)供電、熱的實際出力數(shù)據(jù)情況可以發(fā)現(xiàn)，在1：00～8：00和21：00～24：00期間熱電聯(lián)供的電、熱出力均較大，這使得這一時期風(fēng)電未被完全接收。文獻(xiàn)[10]與外層博弈最優(yōu)折中解的運行模式下燃?xì)鉄犭娐?lián)供的運行狀態(tài)較為接近，而內(nèi)層博弈最優(yōu)折中解的運行模式下顯然不同于以上兩種情況，這表明在外層博弈結(jié)束后在進(jìn)行內(nèi)層博弈是可以進(jìn)一步調(diào)整上層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)的機組運行狀態(tài)，機組出力優(yōu)化空間仍然可以進(jìn)一步提升。

5 結(jié) 論

針對能源互聯(lián)網(wǎng)多維度的分層現(xiàn)象，文中提出了下層園區(qū)與上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)需求互動分層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，并根據(jù)上、下層能源互聯(lián)網(wǎng)的不同運行需求，分別對應(yīng)提出經(jīng)濟、火用效率能效動態(tài)協(xié)同優(yōu)化運行模型，并采用合作博弈策略處理分層協(xié)同優(yōu)化求解問題，最后通過算例仿真詳細(xì)分析了需求互動下的動態(tài)協(xié)同優(yōu)化運行效果。研究表明：

1)提出能源互聯(lián)網(wǎng)需求互動分層模型，并將合作博弈策略應(yīng)用到多目標(biāo)分層協(xié)同優(yōu)化實際問題中，更加符合工程應(yīng)用實際場景，有一定實用性。

2)綜合考慮上、下層能源互聯(lián)網(wǎng)的不同實際需求，提出博弈下的協(xié)同優(yōu)化運行模式，滿足多元化利益主體的多重需求。外層合作博弈最優(yōu)折中解與文獻(xiàn)[10]方法相比，能效目標(biāo)提高1.46%，經(jīng)濟目標(biāo)降低0.1%。內(nèi)層合作博弈的最優(yōu)折中解與文獻(xiàn)[10]相比經(jīng)濟成本降低了19.9%，總成本值提高了1.1%，其增幅幅度較小。有利于降低經(jīng)濟成本、提高綜合能效水平、平衡各方利益沖突與矛盾。

3)引入火用效率綜合考慮能量“量”與“質(zhì)”兩種屬性，考慮一次能源滲透率，火用效率總體維持在0.48的較高水平，高效地綜合評估能效、進(jìn)一步促進(jìn)梯級利用、促進(jìn)新能源消納與占比、進(jìn)一步發(fā)揮資源優(yōu)化配置潛力。

文中研究內(nèi)容或范圍暫時未涉及到下層園區(qū)有多個的情況，僅以簡潔直觀的典型系統(tǒng)進(jìn)行了研究分析，進(jìn)而簡化了工作量與內(nèi)容篇幅。下層園區(qū)有多個的情況下模型和方法的適應(yīng)度等更深入的相關(guān)研究分析將在后續(xù)研究中詳細(xì)涉及。