CN112381421B - 一种考虑电力市场全维度的源网荷多主体博弈规划方法 - Google Patents
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Abstract
一种考虑电力市场全维度的源网荷多主体博弈规划方法，其具体步骤如下：基于电力市场运行的整体角度，将独立***运营商纳入到博弈规划体系之中，同时引入一种考虑输电管制特性的输电效用计算方法，构建从发电到用电完整电力市场运行机制的源‑网‑荷多主体规划博弈模型；然后考虑各主体间的博弈关系，构建包括从发电到用电电力市场全维度的博弈决策架构；最后采用迭代搜索法对模型进行求解，得出最终的规划方案。
Description
技术领域
本发明属于电力***技术领域，具体涉及一种考虑电力市场全维度的源网荷多主体博弈规划方法。
背景技术
全球范围内电力市场化改革的不断推进，给电力行业发展带来了一系列机遇和挑战。一方面，传统输电规划在计算输电效用时没有灵活的根据用户需求及时调整电价策略；另一方面，在构建规划模型时基于电力市场整体角度，可以充分提高电力***的资源配置能力。因而传统规划方法研究重点侧重于如何解决***规划过程中的新能源消纳、需求侧响应等问题。这种方法虽然能够在一定程度上提高***投资规划的效率，但其既没有充分模拟包括ISO和源网荷各规划主体在内的全维度博弈决策过程，也缺乏资源配置的活力。因而还存在以下问题：
1)由于在成熟的电力市场中，源网荷不同主体(尤其是对于输电公司而言) 的效用不仅仅取决于节点电价，其还受市场运行机制(ISO决策、输电组织、阻塞情况等其他因素)的影响。因而，这种直接以节点边际电价结果作为各主体决策信息的方法，在规划中往往仅针对单一或者部分规划主体的决策，因而所考虑的ISO决策也仅涉及其与部分市场主体的信息交互(其他市场信息一般固定不变)。而实际上，在成熟的电力市场中，源、网、荷和ISO构成了完整的信息交互和博弈互动关系，ISO提供的决策信息既有节点电价还包括机组出力和输电公司的单位效用费率参数，在博弈过程中源、网、荷任何一个投资主体的规划方案更新也都会导致ISO决策边界条件的改变，因而只有建立包括ISO在内的全维度决策架构，才能实现对电力市场规划决策的精确模拟；
2)传统规划方法对输电公司的效用核算较为简单(简单核算投资运行费率或者效用)，基本上没有站在实际电力市场的角度核算输电公司的规划效用和费率。在成熟的电力市场中，源、网、荷不同主体(尤其是对于输电公司而言)的效用不仅仅取决于节点电价，其还受不确定因素(ISO决策、输电组织、阻塞情况等其他因素)的影响。只有在输电公司规划模型中完整的考虑所有市场要素，才能保证规划结果能有效缓解拥堵、降低节点边际电价从而进一步提升整个电力***的规划投资效率。
因此在此背景下，研究一种能够全面分析源-网-荷及ISO完整市场要素的动态博弈行为，对实现对电力市场规划决策的精确模拟，提高整个电力***的规划投资效率，具有重要的理论和实际意义。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种能对电力市场规划决策实现更精确模拟的源网荷多主体博弈规划方法。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种考虑电力市场全维度的源网荷多主体博弈规划方法，包括以下过程：
步骤1：引入考虑输电管制特性的输电效用计算方法，构建考虑垄断管制和市场运行的输电公司规划模型；
步骤2：以电源新建，分布式电源投运为决策变量，构建考虑多市场主体的源网荷规划模型；
步骤3：提出考虑电力市场运行的源-网-荷规划博弈决策架构；
步骤4：求解纳什均衡，得出最终模型的规划方案。
在步骤1中，在引入考虑输电管制特性的输电效用计算方法，构建输电公司规划模型时，其目标函数由输电服务收入、可靠性费用构成，线路运行费率基于电价潮流数据分线路核算得出，保证对输电线路规划的市场合理引导。
上述目标函数具体如公式(1)所示：
式中，
为规划输电线路项目的向量集合，其中
mT∈ΩmT均为0-1变量，表示规划输电线路项目是否新建；
表示输电公司线路的规划扩容容量集合；
mT∈ΩmT表示各规划线路的扩容容量；ΩmT表示规划输电线路项目的集合；
为第l条线路的输电费率；UTra为输电公司总效用；
为输电公司输电服务收入；
为运行维护效用；
为运营效用；
为通信等其他服务效用；
为第t年线路l的可靠性效用；ψes为单位停电损失；EENSl,t为第t 年线路l的缺供电量期望值；Ωl为线路集合；
其中，输电公司输电服务收入中的运行维护效用
运营效用
通信等其他服务效用
的求解公式如式(2)所示：
式中，
为第t年流过线路l的最大功率值；Pl cap为线路l的容量；Pl len为线路l的长度；
为输电公司单位容量建模分析费率；
为输电公司单位有功功率的运行费率；σm为单位容量输电线路运营费率；σc为单位长度输电线路通信等其他服务费率；在具体效用计算时所涉及的相关参数如
σm和σc均由ISO在决策阶段得出；
约束条件包括新建线路投资约束、支路潮流约束以及安全约束；
(1)新建线路数量约束
(2)支路潮流约束
式中：Pi.t和Qi.t分别为t时刻节点i的有功功率和无功功率；Ui.t和Uj.t分别为t 时刻节点i和节点j的电压幅值；Gij和Bij分别为支路ij的电导和电纳；θij为节点i与节点j电压间的相角差；
(3)安全约束
式中：Ui.min和Ui.max分别为节点i的电压幅值在任意典型时刻t的下限和上限值；Pij.t和Pij.max分别为支路ij在任意典型时刻t的传输功率及其上限值。
在步骤2中，发电公司在电力***规划中对新增机组进行选址定容，其规划模型的目标函数由现有机组的售电效用和运行费率构成，决策变量为新增机组的位置、容量。
在步骤2中，所述目标函数如公式(6)所示；
式中，UGen表示发电公司的总效用；
为规划发电机组项目的向量集合，其中
mG∈ΩmG均为0-1变量，表示发电机组项目是否新建，ΩmG为规划发电机组项目的集合；
表示发电公司的机组规划容量集合，其中
mG∈ΩmG表示各发电机组项目的规划容量；
为发电报价信息；λpn表示节点n处的节点边际电价；
为发电公司机组的售电效用；
为发电公司机组的运行费用；r为折现率；T为工程运行的年份；
为n节点t时刻的售电量；Ωt为第T年内峰值负荷典型时刻 t的集合；ΩT为规划周期集合；ΩN为节点集合；
为发电机组的单位运行费率；
约束条件包括可发电新建机组数量约束和新建发电机组出力上下限约束：
(1)可发电新建机组数量约束
(2)新建发电机组出力上下限约束
式中，
分别为新建发电机出力
的上限和下限约束。
若构建的为电力大用户公司规划模型，其目标函数如(9)所示：
式中，
为规划DG项目的向量集合，其中
mU∈ΩmU均为0-1变量，表示规划DG项目是否新建；
表示电力大用户的规划分布式电源台数的向量集合；
表示各规划方案的总分布式电源建设容量；mU∈ΩmU表示规划新建DG项目的集合；
为用户向主网的购电量；UUse为用户的用电成本效用；
为用户的购电成本效用；
为用户的主网购电成本效用；
为分布式电源发电收入；
为设备运行维护成本效用；
为n节点处分布式电源c在t时刻的出力；Ωc为n节点处分布式电源c的集合；
为单位DG出力的运行维护费率；
其中，电力大用户的购电成本效用
中的主网购电费用和分布式电源发电收入的计算公式如式(10)所示：
式中，fn,t为规划周期内t时刻节点n的峰值负荷；
电力大用户的规划模型的约束条件主要包括DG待选节点接入数目限制、DG 渗透率约束以及DG出力约束；
(1)DG待选节点接入数目限制
式中：Ni.min和Ni.max分别为在待选节点i接入DG数目的下限和上限值；
(2)节点功率平衡约束
式中：qn,t为规划周期内峰值负荷在t时刻节点n的购电量；
为分布式电源在t时刻节点n的发电量；
为n节点在t时刻的总负荷；
(3)DG出力约束
式中：
和
分别为DG出力的下限和上限；
(4)电力大用户的新建DG容量存在以下等式约束的关系：
在步骤4中，对于所提出的动态博弈模型，通过迭代搜索法求解纳什均衡，具体求解步骤如下：
1)输入原始数据和参数：初始化建立博弈模型所需的数据，包括负荷信息、待新建机组参数、待新建线路参数、待新建分布式电源参数、发电公司各机组报价、电力市场运行相关参数原始网络拓扑参数等计算参与者效用必备参数；
2)生成博弈参与者策略集合：发电公司根据新建机组待选集合，生成发电公司规划策略集合
输电公司根据输电线路待选集合，生成电网规划策略集合
用户根据分布式电源待选集合，生成分布式电源建设策略集合
mG、mT和mU依次是发电公司、输电公司和电力大用户策略集合中元素的总数；
3)从三个参与者策略集合任意抽取一组规划策略方案作为规划方案初值；
4)设定迭代初值δ＝2；
5)参与者进行方案优化：每一位参与者根据上一轮其他参与者的信息，对自身的规划方案进行再一次决策、校核以及计算，在通过潮流计算和电价计算后得到此博弈回合下的三方最终的效用；
6)判断是否达到均衡状态：若连续两次博弈回合的效用相同，则视为达到均衡状态，进入步骤4.7；若不是，则令k＝k+1，返回步骤4.5；
4.7)输出模型均衡解
以及各方的最终效用。
一种源-网-荷规划博弈决策架构的构建方法，包括以下步骤：
步骤1)发电公司根据输电公司决策得到的网架结构方案，以及ISO计算得到的发电出力计划，提出自己的电源选址定容方案(XGen,NGen)、和发电报价信息
步骤2)发电公司将电源的位置和容量信息传递给输电公司，将发电报价信息转递给ISO；输电公司根据日前ISO传递的单位费率效用计算参数，并结合发电公司提供的电源位置和容量信息以及电力大用户的购电量信息
决策制定线路升级方案，形成新的网架结构；
步骤3)输电公司同时确定输电费率
并将网架结构信息(XTra,NTra) 传递给发电公司，将输电费率信息传递给电力大用户，将输电网络参数(线路长度Pl len、线路容量Pl cap、输电潮流约束)传递给ISO；
步骤4)电力大用户则是根据输电公司确定的输电费率，结合ISO计算的节点边际电价SPpi制定购电和DG投资计划(XUse,NUse)，并将其购电量信息反馈给输电公司和ISO；
步骤5)ISO通过收集源-网-荷三方的信息进行决策，根据输电公司的输电网络参数制定单位费率效用计算参数并将其传递给输电公司，在制定发电公司出力计划Pg的同时计算节点边际电价，最后将节点边际电价信息传递给发电公司和电力大用户。
上述电力大用户规划模型的目标函数如(15)所示：
式中，
为规划DG项目的向量集合，其中
mU∈ΩmU均为0-1变量，表示规划DG项目是否新建；
表示电力大用户的规划分布式电源台数的向量集合；
表示各规划方案的总分布式电源建设容量；mU∈ΩmU表示规划新建DG项目的集合；
为用户向主网的购电量；UUse为用户的用电成本效用；
为用户的购电成本效用；
为用户的主网购电成本效用；
为分布式电源发电收入；
为设备运行维护成本效用；
为n节点处分布式电源c在t时刻的出力；Ωc为n节点处分布式电源c的集合；
为单位DG出力的运行维护费率；
其中，电力大用户的购电成本效用
中的主网购电费用和分布式电源发电收入的计算公式如式(16)所示：
式中，fn,t为规划周期内t时刻节点n的峰值负荷；
电力大用户的规划模型的约束条件主要包括DG待选节点接入数目限制、DG 渗透率约束以及DG出力约束；
(1)DG待选节点接入数目限制
式中：Ni.min和Ni.max分别为在待选节点i接入DG数目的下限和上限值；
(2)节点功率平衡约束
式中：qnt为规划周期内峰值负荷在t时刻节点n的购电量；
为分布式电源在t时刻节点n的发电量；
为n节点在t时刻的总负荷；
(3)DG出力约束
式中：
和
分别为DG出力的下限和上限；
(4)电力大用户的新建DG容量存在以下等式约束的关系：
式中，Ωw为发电机组w的集合；Pgw为发电机组w的出力；Pg＝[Pg1,Pg2,…,Pgw]为各发电机组出力的向量集合；fpw(·)为调度函数。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
1)本发明能对电力市场规划决策实现更精确的模拟；
2)本发明能技术性的提升整个电力***的规划投资效率。
附图说明
图1是各主体传递关系图；
图2是各主体动态博弈行为分析图；
图3是规划结果示意图；
图4是两种方法各线路峰值负荷时流入功率对比图。
具体实施方式
一种考虑电力市场全维度的源网荷多主体博弈规划方法，主要包括以下几个步骤：
1)基于电力市场运行的整体角度，将独立***运营商ISO纳入到博弈规划体系之中，同时引入一种考虑输电管制特性的输电效用计算方法，构建考虑垄断管制和市场运行的输电公司规划模型；
2)以电源新建，分布式电源投运为决策变量，构建考虑多市场主体的源网荷规划模型；
3)考虑各主体间的博弈关系，提出一种考虑电力市场运行的源-网-荷规划博弈决策架构；
4)采用迭代搜索法求解纳什均衡，得出最终模型的规划方案。
进一步所述步骤1)中，输电公司在电力***规划中主要对输电网进行规划，目标为自身效用最大化，决策变量为线路新建扩容方案。本发明通过引入一种考虑输电管制特性的输电效用计算方法，构建输电公司的规划模型，其目标函数由输电服务收入、可靠性费用构成，其中为了在监管输电公司的同时，发挥资源配置优势，提升规划效率，输电公司效用参考美国成熟电力市场的输电效用计算方法将效用计算项目具体细分为运行维护、运营管理和服务收入三种效用计算方式，以此为基础保证了输电公司的规划和盈利能力。与此同时，线路运行费率基于电价潮流数据分线路核算得出，在计算效用时所涉及到的单位效用费率计算参数均由ISO在市场出清阶段得出，以此保证对输电线路规划的市场合理引导。目标函数具体如公式(1)所示。
目标函数具体如公式(1)所示。
式中，
为规划输电线路项目的向量集合，其中
mT∈ΩmT均为0-1变量，表示规划输电线路项目是否新建；
表示输电公司线路的规划扩容容量集合；
mT∈ΩmT表示各规划线路的扩容容量；ΩmT表示规划输电线路项目的集合；
为第l条线路的输电费率；UTra为输电公司总效用；
为输电公司输电服务收入；
为运行维护效用；
为运营效用；
为通信等其他服务效用；
为第t年线路l的可靠性效用；ψes为单位停电损失；EENSl,t为第t 年线路l的缺供电量期望值；Ωl为线路集合。
其中，输电公司输电服务收入中的运行维护效用
运营效用
通信等其他服务效用
的求解公式如式(2)所示：
式中，
为第t年流过线路l的最大功率值；Pl cap为线路l的容量；Pl len为线路l的长度；
为输电公司单位容量建模分析费率；
为输电公司单位有功功率的运行费率；σm为单位容量输电线路运营费率；σc为单位长度输电线路通信等其他服务费率；在具体效用计算时所涉及的相关参数如
σm和σc均由ISO在决策阶段得出。
约束条件包括新建线路投资约束、支路潮流约束以及安全约束。
(1)新建线路数量约束
(2)支路潮流约束
式中：Pi.t和Qi.t分别为t时刻节点i的有功功率和无功功率；Ui.t和Uj.t分别为t 时刻节点i和节点j的电压幅值；Gij和Bij分别为支路ij的电导和电纳；θij为节点i与节点j电压间的相角差。
(3)安全约束
式中：Ui.min和Ui.max分别为节点i的电压幅值在任意典型时刻t的下限和上限值；Pij.t和Pij.max分别为支路ij在任意典型时刻t的传输功率及其上限值。
所述步骤2)中所述发电公司在电力***规划中主要是对新增机组进行选址定容。其规划模型的目标函数由现有机组的售电效用和运行费率构成，决策变量为新增机组的位置、容量。
具体目标函数如公式(6)所示。
式中，UGen表示发电公司的总效用；
为规划发电机组项目的向量集合，其中
mG∈ΩmG均为0-1变量，表示发电机组项目是否新建，ΩmG为规划发电机组项目的集合；
表示发电公司的机组规划容量集合，其中
mG∈ΩmG表示各发电机组项目的规划容量；
为发电报价信息；λpn表示节点n处的节点边际电价；
为发电公司机组的售电效用；
为发电公司机组的运行费用；r为折现率；T为工程运行的年份；
为n节点t时刻的售电量；Ωt为第T年内峰值负荷典型时刻 t的集合；ΩT为规划周期集合；ΩN为节点集合；
为发电机组的单位运行费率。
约束条件包括可发电新建机组数量约束和新建发电机组出力上下限约束：
(1)可发电新建机组数量约束
(2)新建发电机组出力上下限约束
式中，
分别为新建发电机出力
的上限和下限约束。
所述步骤2)中电力大用户通过两种方式满足用户电力负荷：1)向发电商购电，再通过输电网传输，其中电能结算方式为所在节点的节点边际电价，输电费率根据所在节点的峰值负荷由输电商按一定费率收取；2)自身通过新建分布式电源，减小对发电公司和输电公司的依赖，分布式电源的投资运行费率由电力用户自身承担。电力大用户在电力***规划中主要对自身用电计划进行规划，目标为自身用电费率最小化，决策变量为分布式电源建设方案。本发明构建的电力大用户公司规划模型，其目标函数由用户购电费用和DG运行维护费用构成。具体计算公式如(9)所示：
式中，
为规划DG项目的向量集合，其中
mU∈ΩmU均为0-1变量，表示规划DG项目是否新建；
表示电力大用户的规划分布式电源台数的向量集合；
表示各规划方案的总分布式电源建设容量；mU∈ΩmU表示规划新建DG项目的集合；
为用户向主网的购电量；UUse为用户的用电成本效用；
为用户的购电成本效用；
为用户的主网购电成本效用；
为分布式电源发电收入；
为设备运行维护成本效用；
为n节点处分布式电源c在t时刻的出力；Ωc为n节点处分布式电源c的集合；
为单位DG出力的运行维护费率。
其中，电力大用户的购电成本效用
中的主网购电费用和分布式电源发电收入的计算公式如式(10)所示：
式中，fn,t为规划周期内t时刻节点n的峰值负荷。
电力大用户的规划模型的约束条件主要包括DG待选节点接入数目限制、DG 渗透率约束以及DG出力约束。
(1)DG待选节点接入数目限制
式中：Ni.min和Ni.max分别为在待选节点i接入DG数目的下限和上限值。
(2)节点功率平衡约束
式中：qn,t为规划周期内峰值负荷在t时刻节点n的购电量；
为分布式电源在t时刻节点n的发电量；
为n节点在t时刻的总负荷。
(3)DG出力约束
式中：
和
分别为DG出力的下限和上限。
(4)电力大用户的新建DG容量存在以下等式约束的关系：
所述步骤2)中ISO发电出力计划的决策模型为最优经济调度模型，具体公式为：
式中，Ωw为发电机组w的集合；Pgw为发电机组w的出力；Pg＝[Pg1,Pg2,…,Pgw]为各发电机组出力的向量集合；fpw(·)为调度费率函数。
其中，ISO的调度费用计算公式如下：
式中，NG为接入发电机总数；cpw、bpw、apw为发电机组w的报价参数。
ISO发电计划决策模型约束条件为：
(1)等式约束为：
式中，Pgw,Qgw分别为发电机w的有功、无功发电容量；Pdw,Qdw分别为发电机w 的有功、无功负荷；Ui,Uj分别为节点i和j的电压幅值；θi,θj分别为节点i和 j的电压相角；Yij为节点导纳矩阵元素；δij为导纳相角。
(2)不等式约束
式中，Pgwmax,Pgwmin分别为发电机w有功出力Pgw的上下限约束；Qgwmax,Qgwmin分别为发电机w无功出力Qgw的上下限约束；Uimax,Uimin分别为节点i电压幅值Ui的上下限约束；Pl为流过线路l的有功功率；Plmax为线路l有功功率的上限约束；
表示电源节点n分配由线路l传输的发电量。
根据边际费率定价理论，节点边际电价为***费率对各节点注入功率的微增率，在公式(15)-(18)的基础上，通过引入松弛变量和障碍函数，构建引入潮流方程的拉格朗日函数如下：
式中，λ，β，ω为拉格朗日乘子向量；o，u为松弛变量，其中o，u均大于0；P为o和u的向量维度；h(x)为公式(17)中的等式约束；g(x)＝g(Pgw,Qgw,Ui,Pl) 为公式(18)中的不等式约束；μ为障碍因子，且大于0。
其中，引入障碍函数项，得到扩展目标函数为：
拉格朗日函数中引入松弛变量化的等式约束为：
由此得到有功节点n的节点边际电价如下：
式中，*表示最优解。
所述步骤3)中考虑全维度的源网荷规划博弈决策模型中涉及到的各主体在规划决策时的传递关系如图1所示。
在决策过程中，发电公司根据输电公司决策得到的网架结构方案，以及ISO 计算得到的发电出力计划，提出自己的电源选址定容方案(XGen,NGen)、和发电报价信息
并将电源的位置和容量信息传递给输电公司，将发电报价信息转递给ISO；输电公司根据日前ISO传递的单位费率效用计算参数，并结合发电公司提供的电源位置和容量信息以及电力大用户的购电量信息
决策制定线路升级方案，形成新的网架结构；
同时确定输电费率
并将网架结构信息(XTra,NTra)传递给发电公司，将输电费率信息传递给电力大用户，将输电网络参数(线路长度Pl len、线路容量 Pl cap、输电潮流约束)传递给ISO；
电力大用户则是根据输电公司确定的输电费率，结合ISO计算的节点边际电价SPpi制定购电和DG投资计划(XUse,NUse)，并将其购电量信息反馈给输电公司和ISO；ISO是电力市场的独立运行决策机构；
其通过收集源-网-荷三方的信息进行决策，根据输电公司的输电网络参数制定单位费率效用计算参数并将其传递给输电公司，在制定发电公司出力计划Pg的同时计算节点边际电价，最后将节点边际电价信息传递给发电公司和电力大用户。
上述三个市场主体中，对于发电公司和输电公司而言，由于其决策均需要通过安全校核，而安全校核是从电力网络的整体角度出发，需要收集***源网荷每个环节的信息才能实现，所以发电公司和输电公司的决策会以安全校核为核心节点，受到来自源网荷其他各个主体决策行为的直接影响和制约，从而形成博弈关系。对于用户侧而言，其决策既受到来自输电公司的直接影响，也受到来自发电公司的间接影响。具体而言，输电公司在制定输电费率之前，会首先根据规划后的网架结构等信息进行一次输电网络的安全校验，避免将许多安全性能不足的策略传递给发电侧和用户侧，进而向电力用户传递校验后的输电费率影响其用电费率和决策。而发电公司则是首先将发电费率报给ISO进行决策，ISO再通过独立的运行优化决策计算得到节点边际电价来影响电力用户的用电费率和决策。总体而言，上述三个市场主体的决策彼此独立但相互制约，决策信息完全共享，因而形成的是一种完全信息博弈关系。
由于需要在独立决策的前提下共同完成电力***的规划与建设，发电公司、输电公司和电力大用户在规划过程中互相掌握对方的全部策略信息，在博弈过程中，三者行动具有先后顺序，其博弈行为示意图如图2所示。
在图2所示的一个博弈回合中，将ISO作为独立于源网荷的特殊主体，融入到博弈规划体系之中，并在发电公司和电力大用户之前起信息传递作用，ISO在接受发电公司的机组报价信息和电力大用户的用电计划后，给出节点边际电价和调度计划。电力大用户在收到电价信息和输电费率信息后，以最小用电费率为目标确定购电计划和分布式电源的建设计划，并反馈给ISO和输电公司。输电公司根据上一轮电力大用户的购电计划和发电公司的电源建设计划，通过调整线路建设方案使得输电网总效用最大，同时发电公司根据上一轮输电公司的新建线路决策方案和电力大用户的用电计划，通过调整新建发电机组的选址定容方案使得发电公司的售电效用最大。在更新新建机组的选址定容、网络拓扑和购电计划后，进入下一个博弈回合。
在博弈过程中当发电公司、输电公司和电力大用户任意一方改变策略都无法获得更多的效用时，博弈达到均衡状态，具体描述如下：
式中：
均为在对方选择最优策略下的己方最优策略，在该策略组合下发电公司、输电公司和电力大用户均能达到均衡意义下的最大效用； argmax(·)为使目标函数取值最大的变量集合。
所述步骤4)中对于所提出的动态博弈模型，通过迭代搜索法求解纳什均衡，具体求解步骤如下：
4.1)输入原始数据和参数。初始化建立博弈模型所需的数据，包括负荷信息、待新建机组参数、待新建线路参数、待新建分布式电源参数、发电公司各机组报价、电力市场运行相关参数原始网络拓扑参数等计算参与者效用必备参数；
4.2)生成博弈参与者策略集合。发电公司根据新建机组待选集合，生成发电公司规划策略集合
输电公司根据输电线路待选集合，生成电网规划策略集合
用户根据分布式电源待选集合，生成分布式电源建设策略集合
mG、mT和mU依次是发电公司、输电公司和电力大用户策略集合中元素的总数。
4.3)从三个参与者策略集合任意抽取一组规划策略方案作为规划方案初值；
4.4)设定迭代初值δ＝2；
4.5)参与者进行方案优化。每一位参与者根据上一轮其他参与者的信息，对自身的规划方案进行再一次决策、校核以及计算，在通过潮流计算和电价计算后得到此博弈回合下的三方最终的效用。其中，本发明基于ISO调度模型，采用原-对偶内点法计算***的节点边际电价；
4.6)判断是否达到均衡状态。若连续两次博弈回合的效用相同，则视为达到均衡状态，进入步骤4.7；若不是，则令k＝k+1，返回步骤4.5；
4.7)输出模型均衡解
以及各方的最终效用。
实施例：
1、参数设置
本发明选择修改后的IEEE30节点***作为仿真算例。设本发明算例中的市场定价机制为节点边际电价，决策机制为考虑安全约束的机组组合，规划周期为 20年。假设随着负荷增长，发电公司需在1-6号节点新建电源，可新建电源的相关参数如表1所示。需要说明的是，表1及以下所提波动率均为效用波动率。
表1发电公司可新增电源参数表
输电公司依据电网内负荷变化和自身发展需要，制定输电扩展计划，规划周期内待升级改造的线路集合为{2,6,16,28,35,32}，其效用波动率为 {0.4,0.41,0.38,0.23,0.29,0.32}，可扩展新建的线路技术参数如表2所示。
表2输电公司可扩容线路参数表
电力大用户可新建分布式电源相关参数如表3所示。
表3电力大用户可新建分布式电源参数表
与此同时，为验证本发明方法的正确性和有效性，增加两种不同方法对本发明算例进行求解，并将其结果与本发明方法进行对比分析，这些方法如下。
方法1：不考虑全维度的传统规划方法。即不考虑ISO决策的动态影响和输电公司效用的规划模型；
方法2：考虑全维度的规划方法。即考虑ISO决策的动态影响和输电公司效用的规划模型。
2、仿真结果
采用两种方法在上述算例中进行仿真计算，得到各市场主体的规划决策方案结果如表4所示。
表4各方法不同市场主体的规划方案和总效用
由表4可知，本发明发电公司的规划方案为在节点1、3和5新建10MW的电源；输电公司的规划方案为将线路6、线路2、线路16和线路35进行升级改造，且都采用2型号的线路；电力大用户的规划方案为在节点8、19、21和30新建 5MW的分布式电源。规划结果示意图如图4所示。
3、对比分析
1)输电公司
首先，对比方法1、方法2所得方案输电公司可靠性费用、总收入和输电公司总效用，计算结果如表5所示。
表5输电公司两种方法计算结果对比(万元)
由表5可知，就输电线路的总体效用和费用而言，方法2的总收入较方法1 增加了295.37万元，可靠性费用减少了300万元，因而最终的总效用较方法1 增加595.37万元。其主要原因是：方法2和方法1相比，不是简单的以节点边际电价差和成本效用为优化目标，而是从整个电力市场优化运行角度出发进行规划决策，因而，其比方法1多扩建一条线路。这条线路从整体上强化了输电网架的结构。这一方面优化了电网潮流，减少了输电公司的网损从而降低了其可靠性费用；另一方面从整个电力市场角度降低了用户的用电费用并增加了售电量，从而增加了输电公司的效用。
由此可见，与方法1相比，由于方法2构建了考虑输电网市场特性的规划规划模型，促使输电公司从整体市场体效用的宏观角度进行规划决策。在保证项目总收入的同时，有效的强化了输电公司的整体网架结构，在增加整体售电收入的同时降低了运行费用，从而可以有效提升输电公司的总体效用。
2)发电公司
对比方法1、方法2所得方案发电公司的总运行费用、总收入和发电公司总效用，计算结果如表6所示。
表6发电公司两种方法计算结果对比(万元)
由表6可得，就发电公司所有机组的总运行费用、总收入而言，方法2较方法1分别增加34500万元、329000万元，从而使发电公司总效用较于方法1增加363500万元。其原因是：一方面，由于方法2从整体角度优化了输电网结构，为整个电力市场接纳更多的发电机组提供了条件；另一方面，方法2将ISO决策纳入到规划博弈体系之中，保证发电公司在规划决策过程中会计及电力市场的动态反映，使其能够根据电力市场的动态博弈，通过降低***的节点边际电价来提升售电量，从而从总体上提升发电公司的总效用。
由此可见，方法2除了使用节点边际电价信息引导不同主体规划外，还将 ISO作为独立主体纳入到规划体系之中，使得发电公司在决策过程中会充分考虑资源配置优化问题，在保证项目效用的同时，从优化整体电力市场的用电费用角度进行决策，通过增强自身市场竞争力，以获得最大化的总效用。
3)电力大用户
对比方法1、方法2所得方案电力大用户新建项目的项目投资运行费用、收入以及除新建项目外电力大用户的总运行费用、总收入和电力大用户效用，计算结果如表7所示，其中电力大用户用电费用由总收入和购电费用构成，而部分节点峰值负荷时节点边际电价如表8所示。
表7电力大用户两种方法计算结果对比(万元)
表8部分节点峰值负荷时节点边际电价(元)
由表7可得，电力大用户总的运行费用和总收入均为0。其主要原因是：在新建项目之前，用户没有存量分布式电源。方法2的购电费用和总的电力大用户用电费用相较于方法1均减少66521.63万元。其主要原因是：方法2在规划决策过程中从电力市场全维度出发，引入了ISO决策的影响，将用户的分布式电源新建信息动态反馈给其他市场主体，从而形成市场博弈。促使输电公司从电力市场整体角度出发，加强了电网的网架结构，同时使得发电公司能够根据电力市场的动态反应，调整自身的规划决策方案，因此有效降低了节点边际电价。这就使得电力用户可以根据节点电价调整自己的分布式电源的投资计划，进而从客观上降低了用户的总用电费用。
由此可见，方法2将ISO引入到规划体系之中，可以将发电公司和输电公司的规划信息以节点边际电价的形式在每轮博弈回合中动态反馈给电力大用户，使得电力大用户可以根据变化的市场信息，在决策过程中实现购电和自身新建分布式电源的动态最优平衡，并且将相关信息通过ISO实时反馈给市场，进而在规划过程中引导其他主体决策，有效提升各主体规划效益。
方法2和方法1相比，线路1、线路7和线路10等的输电功率均有所增加，这就提高了输电线路的设备利用率，进而增加了输电公司总体效用。其主要原因是：方法1选择对2号和35号线路扩建，而没有扩建附近节点边际电价更高的 16号线路。这是由于方法1采用的是直接将节点边际电价差作为输电网规划效用计算模型，并且在规划过程中没有考虑ISO及其他市场主体的动态市场反馈。这种规划方法是从输电网短期的项目效用角度进行规划决策，而16号线路的建设费用更高因而不会纳入规划方案。这也就导致了部分节点的电价相较于方法2 更高，直接增加了用户的购电费用并进一步导致用户选择扩大分布式电源的新建规模，从而减小了部分线路的输送功率，降低了输电设备的利用率。与方法1 不同，方法2将ISO决策纳入到多主体博弈框架之中，在此基础上，进一步引入一种考虑输电管制特性的输电效用计算方法，促使输电公司从电力市场整体角度对网架进行优化，因此除了扩建2号和35号线路，还扩建了费用较高的16号线路。缓解拥堵的同时还增加了发电公司的上网容量和效用，同时线路的扩建和机组的增加还有效降低了节点的边际电价，增加了用户的购电量，从而进一步增加了部分线路的输送功率，提高了输电设备利用率，进而从整体上提高了输电公司的综合效用。
综上所述，本发明提出的在规划过程中充分考虑全维度的思路，可以有效提升各主体的规划效益，是正确有效的。
Claims (2)
1.一种考虑电力市场全维度的源网荷多主体博弈规划方法，其特征在于，包括以下过程：
步骤1：引入考虑输电管制特性的输电效用计算方法，构建考虑垄断管制和市场运行的输电公司规划模型；
步骤2：以电源新建，分布式电源投运为决策变量，构建考虑多市场主体的源网荷规划模型；
步骤3：提出考虑电力市场运行的源-网-荷规划博弈决策架构；
步骤4：求解纳什均衡，得出最终模型的规划方案；
在步骤1中，在引入考虑输电管制特性的输电效用计算方法，构建输电公司规划模型时，其目标函数由输电服务收入、可靠性费用构成，线路运行费率基于电价潮流数据分线路核算得出，保证对输电线路规划的市场合理引导；输电公司规划模型的目标函数具体如公式(1)所示：
式中，
为规划输电线路项目的向量集合，其中
均为0-1变量，表示规划输电线路项目是否新建；
表示输电公司线路的规划扩容容量集合；
表示各规划线路的扩容容量；ΩmT表示规划输电线路项目的集合；
为第l条线路的输电费率；UTra为输电公司总效用；
为输电公司输电服务收入；
为运行维护效用；
为运营效用；
为通信效用；
为第t年线路l的可靠性效用；ψes为单位停电损失；EENSl,t为第t年线路l的缺供电量期望值；Ωl为线路集合；
其中，输电公司输电服务收入中的运行维护效用
运营效用
通信效用
的求解公式如式(2)所示：
式中，
为第t年流过线路l的最大功率值；Pl cap为线路l的容量；Pl len为线路l的长度；
为输电公司单位容量建模分析费率；
为输电公司单位有功功率的运行费率；σm为单位容量输电线路运营费率；σc为单位长度输电线路通信费率；在具体效用计算时所涉及的相关参数如
σm和σc均由ISO在决策阶段得出；
约束条件包括新建线路投资约束、支路潮流约束以及安全约束；
(1)新建线路数量约束
(2)支路潮流约束
式中：Pi.t和Qi.t分别为t时刻节点i的有功功率和无功功率；Ui.t和Uj.t分别为t时刻节点i和节点j的电压幅值；Gij和Bij分别为支路ij的电导和电纳；θij为节点i与节点j电压间的相角差；
(3)安全约束
式中：Ui.min和Ui.max分别为节点i的电压幅值在任意典型时刻t的下限和上限值；Pij.t和Pij.max分别为支路ij在任意典型时刻t的传输功率及其上限值；
发电公司在电力***规划中对新增机组进行选址定容，其规划模型的目标函数由现有机组的售电效用和运行费率构成，决策变量为新增机组的位置、容量；发电公司的目标函数如公式(6)所示；
式中，UGen表示发电公司的总效用；
为规划发电机组项目的向量集合，其中
均为0-1变量，表示发电机组项目是否新建，ΩmG为规划发电机组项目的集合；
表示发电公司的机组规划容量集合，其中
表示各发电机组项目的规划容量；
为发电报价信息；λpn表示节点n处的节点边际电价；
为发电公司机组的售电效用；
为发电公司机组的运行费用；r为折现率；T为工程运行的年份；
为n节点t时刻的售电量；Ωt为第T年内峰值负荷典型时刻t的集合；ΩT为规划周期集合；ΩN为节点集合；
为发电机组的单位运行费率；
约束条件包括可发电新建机组数量约束和新建发电机组出力上下限约束：
(1)可发电新建机组数量约束
(2)新建发电机组出力上下限约束
式中，
分别为新建发电机出力
的上限和下限约束；
电力大用户公司规划模型的目标函数如(9)所示：
式中，
为规划DG项目的向量集合，其中
均为0-1变量，表示规划DG项目是否新建；
表示电力大用户的规划分布式电源台数的向量集合；
表示各规划方案的总分布式电源建设容量；mU∈ΩmU表示规划新建DG项目的集合；
为用户向主网的购电量；UUse为用户的用电成本效用；
为用户的购电成本效用；
为用户的主网购电成本效用；
为分布式电源发电收入；
为设备运行维护成本效用；
为n节点处分布式电源c在t时刻的出力；Ωc为n节点处分布式电源c的集合；
为单位DG出力的运行维护费率；
其中，电力大用户的购电成本效用
中的主网购电费用和分布式电源发电收入的计算公式如式(10)所示：
式中，fn,t为规划周期内t时刻节点n的峰值负荷；
电力大用户的规划模型的约束条件主要包括DG待选节点接入数目限制、DG渗透率约束以及DG出力约束；
(1)DG待选节点接入数目限制
式中：Ni.min和Ni.max分别为在待选节点i接入DG数目的下限和上限值；
(2)节点功率平衡约束
式中：qn,t为规划周期内峰值负荷在t时刻节点n的购电量；
为分布式电源在t时刻节点n的发电量；
为n节点在t时刻的总负荷；
(3)DG出力约束
式中：
和
分别为DG出力的下限和上限；
(4)电力大用户的新建DG容量存在以下等式约束的关系：
2.根据权利要求1所述的一种考虑电力市场全维度的源网荷多主体博弈规划方法，其特征在于，在步骤4中，对于所提出的动态博弈模型，通过迭代搜索法求解纳什均衡，具体求解步骤如下：
1)输入原始数据和参数：初始化建立博弈模型所需的数据，包括负荷信息、待新建机组参数、待新建线路参数、待新建分布式电源参数、发电公司各机组报价、电力市场运行相关参数原始网络拓扑参数计算参与者效用必备参数；
2)生成博弈参与者策略集合：发电公司根据新建机组待选集合，生成发电公司规划策略集合
输电公司根据输电线路待选集合，生成电网规划策略集合
用户根据分布式电源待选集合，生成分布式电源建设策略集合
mG、mT和mU依次是发电公司、输电公司和电力大用户策略集合中元素的总数；
3)从三个参与者策略集合任意抽取一组规划策略方案作为规划方案初值；
4)设定迭代初值δ；
5)参与者进行方案优化：每一位参与者根据上一轮其他参与者的信息，对自身的规划方案进行再一次决策、校核以及计算，在通过潮流计算和电价计算后得到此博弈回合下的三方最终的效用；
6)判断是否达到均衡状态：若连续两次博弈回合的效用相同，则视为达到均衡状态，进入步骤7)；若不是，则令k＝k+1，返回步骤5)；
7)输出模型均衡解
以及各方的最终效用。
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