电力系统保护与控制 第 50 卷 第 1 期 2022 年 1 月 1 日 Power System Protection and Control Vol.50 No.1 Jan. 1, 2022 DOI: 10.19783/j.cnki.pspc.210303 含多区域综合能源系统的主动配电网双层博弈优化调度策略 李咸善，马凯琳，程 杉 (梯级水电站运行与控制湖北省重点实验室(三峡大学)，湖北 宜昌 443002) 摘要：区域综合能源系统(Regional Integrated Energy System, RIES)通常经电气接口与主动配电网(Active Distribution Network, ADN)相连，参与 ADN 需求响应调度。为了提高 RIES 与 ADN 的交互效益，提出了含多 RIES 的 ADN 双层博弈优化调度策略。在 RIES 内部，以 RIES 效益最大为目标，建立满足电-气-热负荷需求、响应 ADN 需求 调度的 RIES 异质能优化协调调度策略。在此基础上，建立 ADN 与多 RIES 联盟的双层博弈调度模型。上层为 ADN 与 RIES 联盟的非合作博弈，ADN 通过制定分时购售电价引导 RIES 联盟制定购售电策略。下层为 RIES 联 盟成员合作博弈，达到联盟出力在成员之间的最优分配，并基于 Shapley 值对联盟成员分摊合作利益。采用粒子 群算法求解博弈模型的纳什均衡点，得到最优电价策略及各 RIES 的最优购售电策略。算例结果表明，所提策略 能够提高 ADN 削峰填谷能力，保障 RIES 的经济性及 ADN 的可靠运行。 关键词：区域综合能源系统；主动配电网；双层博弈；优化调度 Dispatching strategy of an active distribution network with multiple regional integrated energy systems based on two-level game optimization LI Xianshan, MA Kailin, CHENG Shan (Hubei Provincial Key Laboratory of Operation and Control of Cascade Hydropower Stations, China Three Gorges University, Yichang 443002, China) Abstract: A regional integrated energy system (RIES) is usually connected with an active distribution network (ADN) through an electrical interface, and participates in the ADN demand response dispatch. To improve the interaction efficiency of RIES and ADN, a two-level game optimal scheduling strategy for ADN with multiple RIES is proposed. In RIES, a heterogeneous energy optimization and coordination scheduling strategy is established to meet the demands of electricity-gas-heat load of the RIES, and to respond to ADN electricity demand scheduling with the goal of maximizing RIES benefit. A two-layer game scheduling model of ADN and RIES-coalition is established. The upper layer is the non-cooperative game between ADN and RIES-coalition, and the ADN guides RIES-coalition to formulate power purchase and sale strategies responding to the ADN demand scheduling through a time-of-use purchase and sale price policy. The lower layer is RIES-coalition members’ cooperative game to achieve the optimal distribution of coalition trading power among members, and cooperation benefits are shared among coalition members based on the Shapley value. The particle swarm optimization algorithm is used to solve the Nash equilibrium point of the game model, and the optimal electricity price strategy and the optimal electricity purchase and sale strategy of each RIES are obtained. The results of a numerical example show that the proposed strategy can improve the peak shifting and valley filling capacity of ADN, ensure the economy of RIES and the reliable operation of the ADN. This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 51607105) and the Natural Science Foundation of Hubei Province (No. 2016CFA097). Key words: regional integrated energy system; active distribution network; two-level game; optimal scheduling 0 引言 随着化石能源供给匮乏的形势日益严峻，能源 基金项目：国家自然科学基金项目资助(51607105)；湖北省 自然科学基金项目资助(2016CFA097) 互联及能源高效利用成为当前研究的热点问题[1]。 区 域 综 合 能 源 系 统 (Regional Integrated Energy System, RIES)将异质能源协调管理，实现电、气、 热系统的耦合[2-4]，对异质能源的生产、传输、消费 环节进行统筹优化，极大地减少了资源的浪费[5-6]， 并在满足自身异质能负荷需求的同时参与主动配电 李咸善，等 含多区域综合能源系统的主动配电网双层博弈优化调度策略析 网(Active Distribution Network, ADN)的电力需求调 度，提升系统的整体效益。 当多个 RIES 通过电气接口接入 ADN 时， RIES 对于 ADN 是电力产消者，具有电功率双向调节效 应，是 ADN 的电力需求调度响应资源[7-8]；对 RIES 本身来说，它包含电-气-热等相互耦合的异质能系 统，RIES 的电力需求侧响应须通过其内部的多异质 能资源协调调度来实现。 多 RIES 具有不同的产消能力，多 RIES 联合运 行，有利于 RIES 互联互济，提高 RIES 资源利用效 率。多 RIES 具有共同的新能源消纳及高效运行目 标，组成 RIES 联盟参与 ADN 电力需求调度，有利 于发挥多 RIES 资源互补效应，提高 RIES 需求侧响 应能力，促进 RIES 联盟和 ADN 调度效益的提升。 RIES 及其联盟的电力需求侧响应，将改变 RIES 内部及 RIES 之间的“电-气-热”能量调度机制及 其成本分摊机制，进而影响到“RIES-RIES 联盟 -ADN”等多层次系统的能量调度协调机制。与普 通电力产消者相比，RIES 电力产消者的需求侧响应 资源不仅是电力产消资源，还包括气、热产消资 源 [9-10]，因此需要建立满足 RIES 内部电-气-热负荷 需求，以 RIES 经济效益最大，响应 ADN 需求调度 的 RIES 异质能优化协调调度策略。 当多 RIES 联盟参与 ADN 调度时，由于两者属 于不同的利益主体，有着各自的运行目标，基于博 弈理论，两者之间可实施非合作博弈调度。ADN 实 施分时电价激励政策，以削峰填谷和运行效益最大 为目标；多 RIES 联盟响应电价政策，以联盟效益 最大为目标。求解博弈模型获得 ADN 的电价优化 策略及各主体的能量优化调度策略。在 RIES 联盟 内部，可基于 Shapley 值分配合作效益[11]。 目前，对于区域综合能源系统的研究已取得丰 富的成果，文献[12]针对配网级 RIES，考虑了光伏 及负荷的不确定性，实现多能互补及环境效益；文 献[13]运用最优负荷削减量分层解耦计算方法，得 到 RIES 各种故障状态下的最优负荷削减量；文献 [14]基于一种新型综合能源系统，以清洁的方式产 生氢气，并对太阳能-水-氢-动力循环进行热力学分 析和评估；文献[15]建立了工业园区多参与主体合 作博弈模型，根据各参与主体独立及合作运营模式 的特点提出了基于 Shapley 值的利益分配方法；文 献[16]建立了基于多主多从 Stackelberg 博弈的能源 交易模型，分析了 IES 中多个分布式能源站和用户 之间的多能交互方式。以上文献对于 RIES 的研究 具有一定的指导意义，但多为单个 RIES 的优化， 未涉及多个 RIES 的协调优化问题。 - 9 - 针对多区域综合能源系统的研究，目前对 RIES 参与 ADN 削峰填谷调度的研究还尚欠缺。文献[17] 针对各子区域内冷热电负荷的峰谷交错现象，通过 协调各冷热电联供系统的热出力满足该区域的热负