创酷suv陈梦恺(1997—),男,硕士研究生,研究方向为微电网能源管理。
付保川(1964—),男,教授,博士,研究方向为建筑智能化、建筑智慧节能。
吴征天(
1986—),男,副教授,博士,研究方向为运筹学与博弈论、整数规划与分布式计算、节能技术与区块链技术。 基金项目:国家自然基金项目资助(
61672371、61803279、51874205);江苏省研究生创新项目资助(SJCX20_1108)微电网中博弈问题及其发展动向
陈梦恺1, 付保川1,2, 吴征天1,2, 陈珍萍1,2
, 吴建悍1
(1.苏州科技大学电子与信息工程学院,江苏苏州 215009;
2.苏州市智慧城市研究院,江苏苏州 215009)
摘 要:微电网作为分布式能源的并网手段,现已成为智能电网的重要组成部分,也使得电网呈现出
多样化的特征,平衡多方利益成为微电网需要解决的难题之一。博弈论作为一种先进的优化工具,能够处理复杂多目标优化问题,使各方利益达到均衡,因而在微电网领域得到了广泛的应用。在分析微电网各个组成部分中存在的博弈问题的基础上,对可再生性能源和电动汽车并网、储能技术发展、电力市场竞价交易策略3个核心要素进行了深入分析,指出了将区块链与人工智能应用于微电网博弈模型的思路与发展动向。
关键词:微电网;博弈论;分布式能源;区块链技术;人工智能
中图分类号:TM73 文献标志码:A 文章编号:2095 8188(2021)01 0001 08DOI:10.16628/j.cnki.2095 8188.2021.01.001
迈巴赫车多少钱GameProblemsinMicro gridandItsDevelopmentTrend
CHENMengkai1, FUBaochuan1,2, WUZhengtian1,2, CHENZhenping1,2, WUJianhan
(1.SchoolofElectronicandInformationEngineeri
ng,SuzhouUniversityofScienceandTechnology,
Suzhou215009,China;2.SuzhouSmartCityResearchInstitute,Suzhou215009,China)
Abstract:Asameansofgridconnectionofdistributedenergy,micro gridhasbecomeanimportantpartofsmartgrid,whichalsomakesthegridpresentdiversifiedcharacteristics.Howtobalancetheinterestsofmultiplepartieshasbecomeoneoftheproblemstobesolvedinmicro grid.Asanadvancedoptimizationtool,gametheorycandealwithcomplexmulti objectiveoptimizationproblemsandbalancetheinterestsofallparties,soithasbeenwidelyusedinthefieldofmicro grid.Basedontheanalysisofthegameproblemsineachpartofmicro grid,thispaperanalyzesthreecoreelementscontainingrenewableenergyandelectricvehiclegridconnection,developmentof
energystoragetechnologyandtradingstrategyinpowermarket,andpointsouttheideasanddevelopmenttrendofapplyingblockchainandartificialintelligencetothemicro gridgamemodel.
Keywords:micro grid;gametheory;distributedenergy;blockchaintechnology;artificialintelligence
0 引 言
当前全球资源紧缺的情况下,可再生性能源的开发利用已成为能源可持续发展的重要策
略[1]
起亚k2质量怎么样,但传统的可再生性能源因缺少大电网的支
持,无法改变现有能源类型与使用比例,难以形成
规模化使用[2]
。近年来,在我国政府的大力推动
下,电力市场已逐步向分布式电源接入电网发
冬天汽车保养展[3 4]
。在分布式能源接入电网的过程中,会遇到并网困难等诸多管理难题[5],微电网的发展很
好地改善了这个难题,成为了复杂、零散的分布式能源与配电网可靠连接的纽带,弥补了传统配电网供电可靠性方面的不足,促进了电力市场改革
的快速发展[6 7]。
然而,我国微电网的发展还处于初级阶段,在具体的运行过程中阻碍重重。微电网使得分布式能源也同样成为了售电主体,让市场中的各个主体之间产生了更加复杂的利益关系,如何平衡源、网、荷、储中各主体利益使其更好地在智能电网系统中运行是目前需要解决的难题。博弈论是一种先进的最优决策理论,主要用于研究多个主体如何进行优化决策的问题,适合解决该类复杂
问题[8 9]。
本文针对微电网电源侧、用户侧、储能系统、多微网交互4个部分,
综述了其中的博弈问题。进一步,考虑了博弈问题中核心要素,从可再生能源与电动汽车并网、储能技术发展、电力市场竞价交易策略3个角度进行了分析。最后,指出了融合区块链与人工智能技术的微电网发展动向。
1 微电网的构成及其博弈关系分析
随着智能电网系统的发展,微电网有了创新的运行模式,即“源-网-荷-储”一体化运行模式。在这种模式下,微电网各部分有了统一的运行主体,既能实现内部的电量交换,又能以整体形式与大电网进行交互,但同时也增加了系统运行的复杂性。在实际运行过程中,源网协调、源源互补、源荷互动、网荷互动、网储互动等互动方式都是十分常见的,这些主体之间也产生了复杂的利益关系,给微电网的进一步发展带来了较大困难。微电网中各主体复杂关系如图1
所示。
图1 微电网中各主体复杂关系
  微电网与各主体复杂关系大致可表达为微电网M=f1(G,P,U,S,M1,M2,…,Mn),其中G表示大电网,M1,M2,…,Mn表示第1个到第n个不同的微电网;电源侧P=f2(M,U,S,P1,P2,P3);用户侧U=f3(M,P,S,U1,U2,U3);储能系统S=f4(M,P,U,S1,S2
)。由上述表达式可见,微电网与各主体之间都存在交互关系且层层迭代,难以进行问题的分析。在此情形下,综合考虑各类因素并将其转化为博弈问题是描述这些复杂关系的有效方法。下面将围绕微电网中电源侧、用户侧、储能系统、多微网交互4个方面对其中存在的博弈问题进行概述。1.1 电源侧
在微电网的电源侧,主要关注可再生能源发电不稳定导致的电网波动、供需不平衡问题、电力
调度问题[
雪佛兰suv科帕奇10 11]
采用博弈论可以对电网运行的安全性、稳定性、经济性、高效性起到提升的作用。电源侧涉及到的博弈问题,主要体现在提升系统的整体稳定性、促进可再生能源消纳以及电力调度优化问题上。善领
(1)在提升系统的整体稳定性方面,主要针对可再生能源发电的不稳定性,对电力系统的电压和发电量进行合理的规划,使微电网运行更加可靠。文献[12]为了保证电网的稳定运行,应用主从博弈论来调整系统的负荷和电压,结果比较后表明该方法在考虑负荷优先性的前提下,为电力和电压调节创造竞争环境。文献[13]针对能源的高度间歇性和电动汽车在微电网中的不可预测性,提出了一种基于非合作博弈的分布式实时功率分配方案,增加了智能电网与电网社区的整体社会效益,提高了微电网在当地的能源效率和可靠性发电量。
(2)在促进可再生能源消纳方面,主要针对可再生能源大规模并入智能电网时困难重重且出现许多“弃风弃光”现象,通过市场竞价等手段让分布式能源融入智能电网的体系中。文献[14]针对微电网参与配电侧电力市场投标竞争问题,建立了一个同时考虑配电侧电力市场、日前批发市场和天然气市场的多能源市场联合博弈均衡模型,弥补发电出力具有不确定性的微电网在配电市场的投标偏差,有助于提高微电网的市场竞争力和分布式可再生能源的消纳。文献[15]建立了一个动态匹配机制,单个发电机和负载单元相遇进行双边贸易,在随机匹配的发电机组和负荷单位报价相容的前提下建立其间交易,很好地解决了电源与负荷的匹配问题。
(3)在电力调度优化方面,主要是指电源、负
荷、储能之间能源的合理调度。文献[16]针对可再生能源如风力和太阳能发电的稳定性不足问题,研究了微电网在线分散协同调度问题,基于贝叶斯博弈进行分散调度建模,实现了实时调度的要求。文献[17]针对微电网的市场运行问题,构建了一个包含车辆到电网的多智能体住宅微电网模型,并建立了一个基于拍卖的微电网市场,从而确定最优的调度策略来保证微电网市场的效率并实现各市场参与者利益的平衡。
1.2 用户侧
在智能电网的概念提出之前,用户负荷管理仅指大电网对下层用户的一种自上而下的管理模式[18],地位的不平等使用户只能被动接受大电网的负荷分配。此外,电动汽车的加入也给用户侧增加了复杂性。因此,在用户侧主要存在运营商与用户地位不平等问题以及电动汽车的并网问题。
随着智能电网的逐步发展,用户负荷也成为主动单元参与智能电网的运行,需求侧响应成为一个值得研究的关键问题[19]。需求侧响应即电力用户针对供电侧制定的随时间变化的电价或激励机制,对自身用电习惯做出调整的行为[20 21]。这使得电网系统由单向管理模式演变为双向,让电网更加灵活与智能。在微电网用户侧,博弈论主要基于需求响应来提升用户满意度,促进电动汽车并入微电网。
(1)在提升用户满意度方面,文献[22]考虑用户存在的可转移负荷,建立了主从博弈模型,以
上层零售商为领导者,下层电力用户为跟随者,通过双方的博弈进行负荷控制和实时定价,最后利用仿真验证了实时电价模型的有效性和经济性,实现了用户和零售商的双方收益。文献[23]针对多微电网和多用户,建立了微电网和用户之间的主从需求响应博弈模型,并对均衡策略进行了系统分析,提出了一种数值算法,最后利用MATLAB仿真验证了算法的收敛性。文献[24]基于模糊最大满意度法建立了兼顾用电成本和用电舒适度的微网用户效用函数,并通过博弈模型的求解验证为预测评估微电网主动响应特性和供电公司科学优化定价提供参考。文献[25]考虑了需求侧管理中用户之间的博弈,用户根据电价和其他用户的用电情况来对自身负荷进行调整,在维护隐私的前提下实现削峰填谷和用电成本的节约。
(2)在促进电动汽车的并网方面,将电动汽车看作负荷与分布式能源的结合体进行考虑,解决了并网难的问题。文献[26]在用户侧引入电动汽车,针对电动汽车插电和放电随机性的特点,建立了电动汽车买卖双方的效用模型。其中包括电动汽车的随机变量模型,在主从博弈模型中,卖方协调能源的共享并使利润最大化,而买方使自身效用和需求响应可用性最大化,使电动汽车成功参与微电网的运行。
1.3 储能系统
分布式发电中包含大量例如风力发电、光伏发电、电动汽车等不稳定因素,使微电网难以在特殊情况
下独立运行,储能系统作为微电网的后备力量能够很好地胜任负载管理、调峰、成本控制等多种任务的处理[27 28],增加智能电网系统的整体稳定性和安全性。在储能系统中博弈问题主要体现在储能容量配置、储能系统优化等方面。
(1)在储能容量配置方面,主要是根据可再生能源的发电量以及用户负荷的使用量,确定合理的储能容量,以备不时之需。文献[29]以多个微电网组成的微电网为研究对象,通过引入非合作博弈理论建立的数学模型,优化了各微电网的储能容量配置和购能策略。文献[30]在多主体微电网中,基于用户价格激励需求响应实现了风电、光伏、柴油发电机和储能的最优容量配置。
(2)在储能系统优化方面,主要包括储能系统可靠性和利用率两个角度。文献[31]综合考虑了需求响应和储能系统对微电网的影响,通过合作博弈对分时电价下用户、负荷转移用户和储能系统进行3方博弈,实现了最佳收益和最大可靠性。文献[32]在配电系统设计中引入弹性元件,通过合作博弈使互联微电网能够协调总能量需求,从而提高间歇性可再生能源和分布式储能系统的利用率。
1.4 多微网交互
微电网的数量在未来将会越来越多,在相同时间段,可能出现一部分微电网电能有剩余,而另一部分微电网电能不足的问题。实际上,微电网与大电网相同,也是智能电网中的一个能动主体[33],不仅可以与分布式能源和大电网进行交互,而且多个微电网之间也可以相互合作或是交
易,进行多余电能的消纳或是电能缺损的补充。多微电网交互能够实现电能的有效利用,减少对大电网的依赖[34 35],但是增加了电网整体的复杂程度,因此博弈论同样可以在多微电网交互方面有所应用。目前,多数研究主要围绕多微电网能源内部交换分析其优势,体现其损耗小、成本低的特点。
文献[36]提出了一个双层非合作博弈模型,使得微电网被整合到主动配电网中,能够有效地协调多个微电网之间的运行。文献[37]针对多微电网协同控制难以实现的问题,提出了一种基于博弈论的非合作分布式协调控制方案,解决了多运营商的能量交易问题,并为多微电网提供了一个强大的控制结构。文献[38]提出了一种基于博弈论和粒子优化算法的分布式发电机组优化配置方法,减少大电网和微电网之间的功率交换,使得通过微电网间的交换,尽可能充分利用微电网的负荷,使负荷的利用和供电成本降到最低。文献[39]对微电网与大电网进行电能交互以及多微电网之间交互进行了比较,发现微电网之间的能量共享成本和电力线损耗率远低于微电网与大电网交互,并提出了一种基于联盟博弈论的合作模型,仿真结果表明,与非合作模型相比,合作模型可以减少42%的线损,并使能量共享成本最小化。文献[40]同样采用合作博弈的方法,降低了微电网的停电风险,同时还提高了收益。
2 微电网博弈问题中的核心要素
2.1 可再生能源与电动汽车并网
分布式能源除去气体燃料以外,可再生能源的规模也在不断扩大,其庞大的体量使得分布式能源对电网产生了极大的冲击,如何使可再生能源合理并网是需要关注的要点[5,41]。在这个问题中,主要关注以下两个角度:
(1)分布式能源高渗透率导致的不稳定性。国家能源局原副局长张玉清在接受采访时曾表示,预计到2050年我国非化石能源比例将达到35%,能源消费结构将基本形成煤炭、油气和非化石能源“三分天下”的格局,顺利实现这个目标必须首先解决分布式能源高渗透率带来的电力系统不稳定性。可再生能源的加入使得电力成本大大降低,传统电能来源组成的大电网电价的经济性被不断削弱,会有更多的人倾向于购买可再生能源发电的电能,使电力系统的安全性和稳定性受到了很大的冲击。
(2)电动汽车接入智能电网。随着电动汽车的不断普及,未来电动汽车接入智能电网也是一种趋势。电动汽车的加入一方面增加了电力系统的复杂程度,另一方面也是一个负荷控制的重要手段。对于可再生能源发电的不稳定性,形成规模的电动汽车如果调控得当,能够实现削峰填谷的作用[42]。电网通过制定电价,可以引导电动汽车在电能盈余时充电。电动汽车作为跟随者响应电网的定价,主从博弈是双方实现互利共赢的完美手段。
2.2 储能技术
储能技术是分布式能源得到发展的“最后一公里”,确保电网运行安全稳定[43]。目前光伏和风力等新能源的装机容量非常大,然而最后得以利用的却是其中很少一部分,供需矛盾是最大原因,因此储能技术是微电网发展好与坏的决定性因素[25]。在目前的技术下,储能系统造价相对较高,但是从长远来看,储能系统带来的收益十分显著,因此发展储能技术是十分有必要的[44]。
(1)电池材料决定储能的质量,进而影响储能成本,因此电池质量是博弈问题中考虑的因素之一。发展寿命长且实用的峰谷型储能电池、功率型调频储能电池、能量型负荷储能电池等新型储能电池是提高储能技术的基础手段。
(2)储能电池的接口大部分都是直流接口,因此在能量传输过程中需要将交流电直流化。在直流化之后,储能还需要进行控制与优化,以及确定储能系统的合理容量。
2.3 电力市场竞价交易策略
博弈论在经济学领域应用最为广泛,而微电网各方交互时,电价是影响各方主体利益的重要因素[45],合理的定价策略能够减少许多问题的发生。因此,通过博弈进行合理定价是解决各类难题的有效手段。
文献[46]研究了微电网的能源交易问题,引入了微电网运营商代替配电运营商,优化内电
价,促进微电网内的能源互动。文献[47]考虑了多微电网聚合商和配电系统运营商之间的竞争问题,使配电系统运营商能更好地应对价格
波动。文献[48]针对电力市场的最优竞价策略和运营商的最优经济调度问题,给出了一种双层优化算法求解市场均衡,并考虑了网架结构、潮流分布、安全运行约束等因素对电力市场竞价的影响。文献[49]研究了同一区域中互连微电网在与大电网相连接时的价格竞争博弈问题,增加了电能交互的灵活性。文献[50]提出了一个电力市场竞争模型,采用动态实时定价将公用事业发电量最小化,降低了需求侧的电力成本,实现双方的互惠互利。文献[51]引入了一种新的定价机制,提出了聚合器的概念来作为买卖双方的调解人。
3 微电网博弈问题发展动向
3.1 将区块链技术用于博弈模型
在电力市场的发展过程中,交易总量随着微电网规模的扩大也在不断增长,与此同时也逐渐涌现了诸如政府干预、违背交易规则、不按有关政策规定交易之类的问题,造成了某些主体的利益损失。这些问题的产生让更多的人意识到,各主体之间进行交易时,自身数据的保护是很重要的一个方面。博弈论虽然实现了多主体同时收益的效果,但在确保交易安全性与透明性层面并没有有效的手段,而区块链技术正好能够弥补这个缺点[52]。
3.1.1 区块链的基本概念与分类
区块链是一种去中心化、无需信任的新型数据架构,由网络中所有节点共同拥有、管理和监督,不接受单方面控制[53]。区块链技术采用非对称密码学原理和数字签名技术对数据进行加密,并采用共识算法形成的算力来抵御外部攻击,保证数据的不可篡改、不可伪造、公开透明[54 55],因此适合作为支撑分布式能源交易的底层技术[56 58]。
区块链根据去中心化程度主要分为以下3种类型:公有区块链(完全去中心化)、联盟区块链(部分去中心化)、私有区块链(完全中心化)[59]。3.1.2 基于区块链技术的微电网博弈模型3种区块链类型中,联盟区块链相比公共区块链而言效率高、灵活性强、交易成本低、节点连接性好,出现故障时可以进行人工干预修复,且允许共识算法加快交易速度。此外还能在某些情况下修改规则,因此对于智能电网市场交易而言,联盟区块链是提升交易灵活度和可靠度的最合适技术手段[60]。文献[52,55,60 61]都基于联盟区块链对电力市场交易进行了研究。其中文献[52,55]引入了“弱中心化”的监管方式,建立了一个安全能源交易模型,帮助能源交易实体安全、快速、可信地完成交易。文献[60]基于联盟区块链建立了光伏微电网的博弈模型,对比“余电上网”模式,突出了区块链技术下新型电力交易的优势。文献[61]在工业物联网领域提出了一种基于主从博弈的信用贷款最优定价策略,对交易的效率与安全性起到了优化作用。
除联盟区块链外,还有许多研究将微电网、博弈理论与区块链3者相结合考虑。文献[62]运用与区块链去中心化特征相同的改进蚁算法对博弈模型进行了求解。文献[63]为了增加拍卖的安全性和隐私性,使用了差异隐私技术并开发了一种基于区块链的微电网能源拍卖方法。文献[64]构建的区块链智能管理平台使得个体决策可以获取微电网的实时信息,弥补博弈模型的不足,并引进了与区块链技术类似的奖惩机制来控制个体的膨胀,使微电网能源得到最大程度的利用。
总的来说,将区块链技术应用于微电网博弈问题,增加了数据信息的安全性,为各个主体之间的交易提供了信任基础,是未来微电网发展的重要关注点之一。
3.2 将人工智能技术用于博弈模型
在微电网各主体进行博弈时,复杂博弈模型用传统方法分析或求解时较为困难。随着智慧城市的大力发展,人工智能已经融入到了各行业领域,将人工智能用于复杂博弈决策模型的分析与求解是一个可行的方法。
文献[65]建立了以多智能体间利益均衡为目标的联合博弈决策模型,并引入人工智能求解方法,提出了基于Nash博弈和强化学习算法的综合能源微电网协调调度方法。文献[66]针对直流微电网,在博弈论的框架下基于Bellman最优性原理设计了一种分布式迭代学习算法,并利用近似动态规划技术进行了实现。该算法以数据为基础,不需要精确的直流微电网模型参数,保证了直流
微电网进入纳什均衡。文献[67]同时考虑环境因素和经济因素建立合作博弈模型,并用粒