鐘永潔，李玉平，胡 兵，張 瑋，齊以年，孫永輝

（1. 國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 南京 210032；2. 南京國(guó)電南自電網(wǎng)自動(dòng)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

21 世紀(jì)以來，能源是國(guó)家發(fā)展的基礎(chǔ)［1-3］，如何在保證能源利用及供應(yīng)的可持續(xù)性、靈活性和經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定增長(zhǎng)的同時(shí)提升能效等級(jí)，促進(jìn)節(jié)能減排，是當(dāng)今社會(huì)共同關(guān)注的焦點(diǎn)［2，4-5］。而能源互聯(lián)網(wǎng)是新一代智慧能源系統(tǒng)，它通過多種能源的源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)的統(tǒng)一高效協(xié)調(diào)、緊密互動(dòng)和集成協(xié)同優(yōu)化［6-7］，實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)利用，減少對(duì)化石能源的依賴與利用，發(fā)揮能源梯級(jí)利用優(yōu)勢(shì)，提高能源的綜合利用水平［5，8-9］，從而極大地提高整個(gè)能源系統(tǒng)的安全性、靈活性和可靠性，受到國(guó)內(nèi)外的高度關(guān)注［2，6，10］。構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)是提升系統(tǒng)綜合能效、促進(jìn)可再生能源規(guī)模化開發(fā)利用、提高經(jīng)濟(jì)效益、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和多能協(xié)同供應(yīng)的有效途徑之一，這對(duì)推動(dòng)能源可持續(xù)發(fā)展具有重要意義［6，10-11］。

目前，國(guó)內(nèi)外綜合能源系統(tǒng)（綜合能源系統(tǒng)是能源互聯(lián)網(wǎng)的物理載體）［5-7，11-12］、能源互聯(lián)網(wǎng)等已步入試點(diǎn)示范和技術(shù)驗(yàn)證階段，重點(diǎn)開展了區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)、園區(qū)型綜合能源系統(tǒng)示范項(xiàng)目實(shí)踐［3，6，13-14］。國(guó)內(nèi)外在能源互聯(lián)網(wǎng)建模、協(xié)同優(yōu)化方面已經(jīng)有了一些基礎(chǔ)性研究［6，14-15］，主要集中在協(xié)同優(yōu)化調(diào)度模型、算法等方面，具體體現(xiàn)如下。①基礎(chǔ)架構(gòu)方面：文獻(xiàn)［11］從能源互聯(lián)網(wǎng)分層管理體系角度出發(fā)，提出了基于能量路由器的能源互聯(lián)網(wǎng)分層分區(qū)優(yōu)化策略；文獻(xiàn)［12］提出了綜合能源系統(tǒng)上、下層的統(tǒng)一架構(gòu)模型，上層面向能量傳輸網(wǎng)絡(luò)，下層面向配網(wǎng)級(jí)能源樞紐；文獻(xiàn)［13］提出了綜合能源系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)管理方式，緩解了信息不對(duì)稱性所帶來的需求響應(yīng)優(yōu)化決策問題；文獻(xiàn)［14］面向城市級(jí)能源互聯(lián)網(wǎng)，探討了能源互聯(lián)網(wǎng)多層次、多結(jié)構(gòu)、多維度的特性，并對(duì)其“區(qū)域自治，全局協(xié)調(diào)”的分層分區(qū)協(xié)調(diào)控制技術(shù)進(jìn)行了分析。②協(xié)同優(yōu)化方面：文獻(xiàn)［15］提出了計(jì)及子能源系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行效果的綜合能源系統(tǒng)多場(chǎng)景協(xié)同優(yōu)化調(diào)度問題，并采用多目標(biāo)層次規(guī)劃法處理多目標(biāo)優(yōu)化問題；文獻(xiàn)［16］針對(duì)終端能源互聯(lián)網(wǎng)特性，提出了相應(yīng)的能效優(yōu)化調(diào)度模型；文獻(xiàn)［17］建立了實(shí)用的熱電互聯(lián)多能流系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)排放多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化調(diào)度模型，并提出了一種兩階段優(yōu)化法來求解模型；文獻(xiàn)［18］提出了含冰蓄冷空調(diào)的多能聯(lián)供微電網(wǎng)多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度模型，建立了考慮冷熱負(fù)荷變化的雙層滾動(dòng)優(yōu)化平抑模型。③博弈論方面：文獻(xiàn)［19］建立了主要包含產(chǎn)能基地、系統(tǒng)管理商和綜合能源用戶三方面主體的斯塔克爾貝博弈和聯(lián)盟博弈模型；文獻(xiàn)［20］提出了由配電系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)和多個(gè)能量樞紐組成的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制，建立了綜合能源系統(tǒng)的主從博弈模型；文獻(xiàn)［21］基于不同投資主體的博弈機(jī)理分析，提出了基于多主體博弈的電氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)聯(lián)合規(guī)劃方法；文獻(xiàn)［22］在綜合能源系統(tǒng)基礎(chǔ)框架和模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了供需兩側(cè)主從博弈模型。

綜上所述，已有研究大多是針對(duì)某一特定層次的能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)進(jìn)行分析建模并進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度的，較多集中在某單一優(yōu)化運(yùn)行策略下，相對(duì)缺乏分層建模、協(xié)同優(yōu)化分析的研究。因此，有必要根據(jù)不同工程場(chǎng)景應(yīng)用需求進(jìn)一步提出基于合作博弈的分層協(xié)同優(yōu)化模型與方法，建立架構(gòu)清晰、完善的園區(qū)與區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)互動(dòng)的協(xié)同優(yōu)化調(diào)度體系?；诖耍疚奶岢隽嘶诤献鞑┺年P(guān)系及能量管理系統(tǒng)信息交互原理的能源互聯(lián)網(wǎng)互動(dòng)分層協(xié)同優(yōu)化架構(gòu)、上層及下層模型、優(yōu)化調(diào)度方式和求解流程，同時(shí)提出了基于合作博弈的能源互聯(lián)網(wǎng)分層協(xié)同優(yōu)化調(diào)度策略，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 園區(qū)與區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)分層架構(gòu)

能源互聯(lián)網(wǎng)在地理、調(diào)度、管理等方面存在明顯的分層結(jié)構(gòu)［1，3，5-6，9］，園區(qū)與區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)互動(dòng)分層架構(gòu)如圖1 所示。下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)主要面向終端用戶側(cè)［9，16］，園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用實(shí)體如新興經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、綜合商業(yè)區(qū)、高新技術(shù)開發(fā)區(qū)、工業(yè)示范區(qū)、大型娛樂中心等，在下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)中，各類型能源轉(zhuǎn)換設(shè)備相互協(xié)同配合工作，使得多類型能源以最優(yōu)方式耦合、轉(zhuǎn)換、互動(dòng)配合；上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)主要以能源傳輸系統(tǒng)為主［5，10，21］，通常主要包含天然氣、電力和熱力等多個(gè)異構(gòu)能源系統(tǒng)，各種能源子系統(tǒng)在傳輸能量的同時(shí)也通過大型能源轉(zhuǎn)換設(shè)備與其他類型的能源系統(tǒng)進(jìn)行耦合互聯(lián)、協(xié)調(diào)運(yùn)行工作，如電力系統(tǒng)與熱力系統(tǒng)通過電鍋爐、熱電聯(lián)供等耦合互聯(lián)在一起，電力系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)通過電轉(zhuǎn)氣、熱電聯(lián)供等耦合互聯(lián)在一起，天然氣系統(tǒng)與熱力系統(tǒng)通過燃?xì)忮仩t、熱電聯(lián)供等耦合互聯(lián)在一起。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)通過能源管理系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，上、下層能源互聯(lián)網(wǎng)根據(jù)調(diào)度指令調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行方案。

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)在地理位置上通常相距較遠(yuǎn)，且屬于不同的利益主體。下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)面向用戶側(cè)，關(guān)注園區(qū)的整體能效效益，是典型的消費(fèi)者［3，19］；而上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)面向中、大型能源傳輸系統(tǒng)，是能源生產(chǎn)、供能方，更關(guān)注能源系統(tǒng)整體的經(jīng)濟(jì)成本，從供能方的角度而言，在滿足下層消費(fèi)者的負(fù)荷需求的基礎(chǔ)上，希望供能經(jīng)濟(jì)成本最小，即能源傳輸系統(tǒng)以一種最優(yōu)的能源供給方式運(yùn)行。顯然上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)與下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)之間存在競(jìng)爭(zhēng)、矛盾沖突關(guān)系，即博弈關(guān)系，可以通過一定的博弈策略使得上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)與下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)獲得最佳調(diào)度方式。

2 園區(qū)與區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)模型和優(yōu)化調(diào)度

本文以圖1 所示的園區(qū)與區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)互動(dòng)分層架構(gòu)為例，研究基于合作博弈的分層協(xié)同優(yōu)化調(diào)度問題。在互動(dòng)分層架構(gòu)的基礎(chǔ)上，分別建立上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)與下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)模型，并提出能效、經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度策略。

圖1 園區(qū)與區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)互動(dòng)分層架構(gòu)Fig.1 Hierarchical architecture of interaction between park-level and regional energy internet

2.1 下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)模型與能效優(yōu)化

2.1.1 主要能源轉(zhuǎn)換設(shè)備模型

1）燃?xì)廨啓C(jī)。

計(jì)及變工況特性的燃?xì)廨啓C(jī)模型如下［17］：

式中：F、P、H、P?分別為燃料輸入量、電功率、熱功率、電負(fù)載率；η、τ、I分別為效率、多項(xiàng)式系數(shù)、表示運(yùn)行狀態(tài)的布爾變量，其中設(shè)備運(yùn)行時(shí)布爾變量取值為1，設(shè)備停機(jī)時(shí)布爾變量取值為0；n為多項(xiàng)式冪次；上標(biāo)t、loss 分別表示時(shí)刻、能量損失；下標(biāo)GT 表示燃?xì)廨啓C(jī)。

2）余熱回收裝置。

余熱回收裝置回收利用燃?xì)廨啓C(jī)排出的高溫?zé)煔膺M(jìn)行制熱，變工況特性下其模型如下［11］：

式中：下標(biāo)ACHI表示吸收式制冷機(jī)設(shè)備。

冰蓄冷空調(diào)模型與運(yùn)行約束見文獻(xiàn)［18］。

2.1.2 能效優(yōu)化調(diào)度

能效是園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行需要重點(diǎn)關(guān)注的問題之一，?效率不同于一次能源利用率或綜合能源利用率從能源數(shù)量角度衡量系統(tǒng)的效益，?效率是基于不同能源質(zhì)量差異即品質(zhì)差異來衡量系統(tǒng)的效益的［5，11，16］。在通常的?效率優(yōu)化調(diào)度相關(guān)研究中并不考慮輸入電能的成分因素，即購電電能中新能源發(fā)電的占比、燃煤機(jī)組發(fā)電的占比、燃?xì)鈾C(jī)組發(fā)電的占比等，然而實(shí)際工程應(yīng)用場(chǎng)景中，輸入?值，尤其是購電電能的成分會(huì)影響輸入?的大小，電能來源中各種成分占比不同、各類型發(fā)電機(jī)組的效率不同、各類型能源的品質(zhì)不同都會(huì)直接或間接地影響?效率和上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)各電源的出力情況。

本文提出的日前能效優(yōu)化調(diào)度即考慮?效率的優(yōu)化調(diào)度，能效優(yōu)化調(diào)度的目的是獲得最大?效率，?效率定義為系統(tǒng)的輸出?值與輸入?值之比［5，16］，下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)日前能效優(yōu)化調(diào)度模型如下：

2.1.3 運(yùn)行約束條件

下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)日前能效優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行約束主要包括能源轉(zhuǎn)換設(shè)備運(yùn)行約束、各類型新能源出力運(yùn)行約束、各類型能量平衡約束、聯(lián)絡(luò)線功率傳輸限制約束等。

1）能源轉(zhuǎn)換設(shè)備運(yùn)行約束。

能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的出力與爬坡能力、優(yōu)化調(diào)度周期內(nèi)啟動(dòng)次數(shù)運(yùn)行約束如下［7，9-11］：

式（11）為能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的統(tǒng)一運(yùn)行約束表示形式，當(dāng)具體到某一設(shè)備不具有某項(xiàng)約束時(shí)，該項(xiàng)自動(dòng)失去意義，如對(duì)于鍋爐，自動(dòng)刪除式（11）中第1、3、4、6個(gè)子式即可。

能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的最小停機(jī)、開機(jī)時(shí)間約束如下：

3）能量平衡約束。

下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)中涉及冷、熱、電、氣等多種能量，在優(yōu)化調(diào)度周期內(nèi)需實(shí)時(shí)滿足電母線、熱母線、冷母線、天然氣母線能量平衡約束要求，即［7，22］：

式中：下標(biāo)ISAC表示冰蓄冷空調(diào)。

4）聯(lián)絡(luò)線功率傳輸限制約束。

與下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)相連接的配電、配氣接口或端口受物理?xiàng)l件限制，其功率交換量受到約束，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)聯(lián)絡(luò)線或配電站、配氣站運(yùn)行約束為：

2.2 上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)模型與經(jīng)濟(jì)優(yōu)化

2.2.1 主要能源轉(zhuǎn)換設(shè)備模型

1）電鍋爐。

電鍋爐與燃?xì)忮仩t的變工況特性類似，其變工況特性模型如下：

式中：下標(biāo)EB表示電鍋爐設(shè)備。2）電轉(zhuǎn)氣。

電轉(zhuǎn)氣過程較為復(fù)雜，電轉(zhuǎn)氣技術(shù)使得電力、天然氣能源子系統(tǒng)之間的耦合互動(dòng)關(guān)系愈加緊密，它實(shí)現(xiàn)了2 個(gè)系統(tǒng)之間能量的雙向流動(dòng)，本文從能量轉(zhuǎn)換整體效率角度出發(fā)，建立能量轉(zhuǎn)換模型如下：

上層能源互聯(lián)網(wǎng)中燃?xì)忮仩t模型見式（3），不再贅述。

2.2.2 經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度

上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度成本主要包括棄風(fēng)懲罰費(fèi)用和棄光懲罰費(fèi)用fre、消耗氣源天然氣費(fèi)用fGW、熱電聯(lián)供機(jī)組消耗燃料費(fèi)用fCHP、火電機(jī)組消耗燃料費(fèi)用fTU，因此上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)日前經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型為：

2.2.3 運(yùn)行約束條件

上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行約束條件主要包括以下約束：能源轉(zhuǎn)換設(shè)備運(yùn)行約束；新能源出力約束；能量平衡約束。具體運(yùn)行約束形式見2.1.3 節(jié)，不再贅述。

因?yàn)樯蠈訁^(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)中的火電機(jī)組為電力系統(tǒng)的主要電源，所以電力系統(tǒng)需要滿足以下旋轉(zhuǎn)備用約束：

式中：U、D分別為機(jī)組的向上、向下旋轉(zhuǎn)備用容量；M、N分別為電力系統(tǒng)的向上、向下旋轉(zhuǎn)備用容量，通常取系統(tǒng)總負(fù)荷的5%左右。

基于合作博弈的分層協(xié)同優(yōu)化調(diào)度中的下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)購電電能來源于上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)，上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的電源主要有新能源發(fā)電、燃煤發(fā)電、燃?xì)獍l(fā)電。不同時(shí)刻下購電電能中不同類型能源發(fā)電的占比也在變化，不同類型能源發(fā)電滲透率約束為：

式中：下標(biāo)eps表示上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)電力系統(tǒng)中所有類型的發(fā)電機(jī)組。

3 基于合作博弈的分層協(xié)同優(yōu)化調(diào)度求解

3.1 合作博弈模型

3.1.1 多目標(biāo)優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)描述

多目標(biāo)優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)描述如下［19-21］：

3.1.2 基于合作博弈法求解多目標(biāo)優(yōu)化問題

在合作博弈中，各博弈參與方之間以集體理性為基礎(chǔ)，追求集體收益最大化的同時(shí)使各個(gè)博弈參與方滿意。因?yàn)榧w收益與各方的個(gè)體收益密切相關(guān)，所以要求各博弈參與方在追求自身利益的同時(shí)要考慮集體的利益，各博弈參與方需適當(dāng)控制其個(gè)體理性，以集體理性為指導(dǎo)，確保整體收益的增加。

基于此，建立合作博弈模型如下［19-22］：

式中：fi(O)為第i個(gè)目標(biāo)函數(shù)；fˉi(O)為fi(O)的最不理想值；fi(O*)為fi(O)的最優(yōu)值。

上述模型恰當(dāng)?shù)胤从沉撕献鞑┺闹兴蟮膫€(gè)體理性與集體理性，通過求解該合作博弈模型，可使各博弈參與方遠(yuǎn)離自身的最不理想收益，實(shí)現(xiàn)收益均衡，同時(shí)使合作的整體收益達(dá)到最高。

3.2 分層協(xié)同優(yōu)化調(diào)度求解

考慮園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)與區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)互動(dòng)的經(jīng)濟(jì)能效分層協(xié)同優(yōu)化調(diào)度求解及合作博弈基本流程如附錄A 圖A1所示，合作博弈過程分為外層合作博弈與內(nèi)層合作博弈，具體步驟如下：步驟1，在外層合作博弈中，下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)能效優(yōu)化調(diào)度與上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度進(jìn)行博弈，博弈參與方通過能量管理系統(tǒng)進(jìn)行信息交互；步驟2，外層博弈結(jié)束后，確定聯(lián)絡(luò)線信息；步驟3，上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)以外層合作博弈結(jié)果即確定的聯(lián)絡(luò)線信息為基礎(chǔ)，進(jìn)行電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本優(yōu)化與天然氣系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本優(yōu)化博弈，博弈參與方通過能源管理系統(tǒng)交互電源、氣源出力信息；步驟4，直至內(nèi)層合作博弈結(jié)束，輸出能源互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果；步驟5，如果有新的場(chǎng)景調(diào)整變化，可以通過再次調(diào)整重復(fù)步驟1—4來進(jìn)行求解。

內(nèi)層合作博弈過程的電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本優(yōu)化目標(biāo)與天然氣系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本優(yōu)化目標(biāo)分別如式（28）、（29）所示，合作博弈模型的求解步驟見附錄B。

4 算例分析

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文以圖1 所示的園區(qū)與區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)互動(dòng)分層架構(gòu)為仿真算例，以冬季典型日為一個(gè)仿真周期（即24 h），仿真步長(zhǎng)為1 h，冬季典型日中無冷負(fù)荷需求，地源熱泵以制熱工作模式運(yùn)行，因此圖1 中表示供冷能量流路徑暫時(shí)未啟用，并采用附錄A 圖A1 所示的外層、內(nèi)層能源互聯(lián)網(wǎng)合作博弈流程圖處理博弈求解過程。在MATLAB 2018a平臺(tái)進(jìn)行前期的數(shù)據(jù)輸入、處理及接口搭建，基于通用的商業(yè)優(yōu)化軟件LINGO18.0平臺(tái)編寫模型程序并調(diào)用全局求解器（Global Solver）進(jìn)行求解，全局求解器提供全局最優(yōu)解的選項(xiàng)，不同于一般算法只能獲得局部的最優(yōu)解，其可以通過多起始點(diǎn)的方式，通過劃分凸規(guī)劃，調(diào)用分支定界管理程序，從多個(gè)局部最優(yōu)解中確定全局最優(yōu)解，將非線性模型優(yōu)化到全局最優(yōu)解。

下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)中的熱負(fù)荷、電負(fù)荷、氣負(fù)荷需求以及風(fēng)電、光伏的預(yù)測(cè)出力如附錄D 圖D1所示（在不改變數(shù)據(jù)且利于直觀反應(yīng)曲線變化趨勢(shì)的前提下，下文中所述的所有離散的點(diǎn)均用連續(xù)的曲線方式呈現(xiàn)），下層主要能源轉(zhuǎn)換設(shè)備參數(shù)信息如附錄D 表D1 所示，其中優(yōu)化調(diào)度周期內(nèi)環(huán)境溫度設(shè)置為269.15 K；燃?xì)廨啓C(jī)熱能損失因子為0.1；余熱回收系統(tǒng)效率為0.82，余熱回收系統(tǒng)工作狀態(tài)與燃?xì)廨啓C(jī)配合協(xié)調(diào)一致組合在一起工作；地源熱泵允許的工作時(shí)段為［06:00，24:00］，要求停機(jī)時(shí)段為（00:00，06:00）；根據(jù)調(diào)度需要下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)可以接受的最大棄風(fēng)率為60%，最大棄光率為60%；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)電能聯(lián)絡(luò)線功率交換下限為5 MW／h，天然氣聯(lián)絡(luò)線功率交換下限為15 MW／h，下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)只允許從上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)購電、購氣，不允許反向功率傳輸。

上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)中的熱負(fù)荷、電負(fù)荷、氣負(fù)荷需求及風(fēng)電、光伏的預(yù)測(cè)出力如附錄D 圖D2所示，上層主要能源轉(zhuǎn)換設(shè)備參數(shù)信息如附錄D 表D2 所示，其中火電機(jī)組有2 臺(tái)，分別記為1 號(hào)TU、2 號(hào)TU；1 號(hào)TU 的上爬坡速率為50 MW／h，下爬坡速率為50 MW／h，上旋轉(zhuǎn)備用容量為50 MW，下旋轉(zhuǎn)備用容量為50 MW；2 號(hào)TU 的上爬坡速率為20 MW／h，下爬坡速率為20 MW／h，上旋轉(zhuǎn)備用容量為20 MW，下旋轉(zhuǎn)備用容量為20 MW；氣源出力限值為380 MW／h；棄風(fēng)懲罰系數(shù)設(shè)為30$／（MW·h），棄光懲罰系數(shù)設(shè)為10$／（MW·h）。其他仿真相關(guān)參數(shù)如附錄D表D3所示。

4.2 結(jié)果分析

4.2.1 合作博弈下的分層協(xié)同優(yōu)化調(diào)度

下層園區(qū)與上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)能效分層協(xié)同日前優(yōu)化調(diào)度結(jié)果如表1和表2所示。表中，能效優(yōu)化調(diào)度指下層園區(qū)與上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)為一個(gè)整體，優(yōu)化目標(biāo)為能效優(yōu)化即下層的?效率優(yōu)化調(diào)度，此時(shí)購電電能的不同類型能源發(fā)電的占比亦為變化量，下層園區(qū)與上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)通過聯(lián)絡(luò)線數(shù)據(jù)交互相互耦合在一起；經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度指下層園區(qū)與上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)為一個(gè)整體，優(yōu)化目標(biāo)為經(jīng)濟(jì)優(yōu)化即上層的經(jīng)濟(jì)調(diào)度，其他情況同能效優(yōu)化調(diào)度；博弈最優(yōu)折中解指采用合作博弈法，下層園區(qū)與上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)在博弈最優(yōu)折中解方式下的運(yùn)行情況；文獻(xiàn)［10］方法是采用文獻(xiàn)［10］介紹的基于調(diào)度中心關(guān)系的優(yōu)化運(yùn)行模式。下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)能效協(xié)同優(yōu)化調(diào)度即采用?效率最大化模式，在下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)各類型負(fù)荷確定的基礎(chǔ)上，優(yōu)化求解?效率最大等效于優(yōu)化求解輸入?最小。上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的合作博弈基礎(chǔ)為外層合作博弈最優(yōu)折中解，在上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)中，電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本目標(biāo)與天然氣系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本目標(biāo)進(jìn)行內(nèi)層合作博弈，電力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)為不同的利益綜合體，經(jīng)濟(jì)成本主要考慮各自能源系統(tǒng)在滿足正常供能的基礎(chǔ)上的能源耗量成本，從上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的整體角度而言，內(nèi)層合作博弈是使得區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)成本最低。

表1 外層合作博弈下的協(xié)同優(yōu)化調(diào)度結(jié)果Table 1 Collaborative optimal scheduling results under outer cooperative game

表2 內(nèi)層合作博弈下的協(xié)同優(yōu)化調(diào)度結(jié)果Table 2 Collaborative optimal scheduling results under inner cooperation game

根據(jù)表1 可知，在外層合作博弈過程中，下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)能效協(xié)同優(yōu)化調(diào)度的最優(yōu)結(jié)果為0.487 7294，上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)協(xié)同優(yōu)化調(diào)度最優(yōu)結(jié)果為$332 049.9，外層合作博弈的最優(yōu)折中解均略微次于對(duì)應(yīng)的單一能效優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)優(yōu)化的結(jié)果。外層合作博弈的最優(yōu)折中解的結(jié)果相較于能效優(yōu)化效率降低了0.8%，相較于經(jīng)濟(jì)目標(biāo)值提高了2.2%，可見其幅度均不大，但是合作博弈最優(yōu)折中解卻兼顧了能效優(yōu)化與經(jīng)濟(jì)優(yōu)化這2 個(gè)因素，使得下層園區(qū)與上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)均獲得了理想的滿意解。外層合作博弈最優(yōu)折中解與文獻(xiàn)［10］所提的優(yōu)化調(diào)度方法相比，能效目標(biāo)值由0.476 622 9增加至0.483 584 1，提高了1.46%，經(jīng)濟(jì)目標(biāo)值由$339 759.6 減少至$339 384.4，降低了0.1%。文獻(xiàn)［10］是基于調(diào)度中心的關(guān)系進(jìn)行分層協(xié)同優(yōu)化的，而基于合作博弈的分層協(xié)同優(yōu)化進(jìn)一步考慮了上、下層之間的利益沖突和矛盾，與文獻(xiàn)［10］中協(xié)同優(yōu)化調(diào)度結(jié)果相比，基于合作博弈的方法取得的最優(yōu)折中解更好。

根據(jù)表2 可知，在內(nèi)層合作博弈過程中，由于合作博弈雙方均為經(jīng)濟(jì)成本目標(biāo)，合作博弈相對(duì)于單一的電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本優(yōu)化、天然氣系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本優(yōu)化而言博弈最優(yōu)折中解均較大，然而最優(yōu)折中解的結(jié)果平衡了電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本優(yōu)化與天然氣系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本優(yōu)化，使得博弈雙方均獲得一個(gè)滿意解。與文獻(xiàn)［10］方法相比，內(nèi)層合作博弈的最優(yōu)折中解電力系統(tǒng)成本值減少了$14 280.95，經(jīng)濟(jì)成本降低了19.9%，而天然氣系統(tǒng)成本值增加了$18040.5，經(jīng)濟(jì)成本提高了6.7%，總成本值提高了1.1%，其增幅較小。與文獻(xiàn)［10］方法相比，內(nèi)層合作博弈最優(yōu)折中解中博弈參與方的目標(biāo)值有較大變化，可見基于合作博弈法的協(xié)同優(yōu)化調(diào)度在有效地平衡沖突方利益的同時(shí)也使得總體利益不會(huì)發(fā)生較大變化。

4.2.2 外層與內(nèi)層合作博弈Pareto前沿分析

基于合作博弈的下層園區(qū)與上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)能效分層協(xié)同優(yōu)化調(diào)度的外層合作博弈Pareto 前沿如圖2 所示，內(nèi)層合作博弈Pareto 前沿如圖3所示，均布搜索可行空間Pareto解集個(gè)數(shù)下的外層、內(nèi)層合作博弈的聯(lián)盟收益分別如附錄E 圖E1、E2 所示。由圖2 可知，上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)成本與輸入?之間存在一系列的可行解，最優(yōu)折中解對(duì)應(yīng)的輸入?為1872.634 MW·h，經(jīng)濟(jì)成本為$339384.4，同時(shí)對(duì)應(yīng)的?效率為0.4835841。在工程實(shí)際應(yīng)用中，上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)和下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)可以采用合作博弈最優(yōu)折中解的方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，對(duì)于不同的工程應(yīng)用場(chǎng)景需求，不同的協(xié)同優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行方案均可以在Pareto 前沿上找到對(duì)應(yīng)的方案。

圖2 外層合作博弈Pareto前沿Fig.2 Pareto frontier of outer cooperation game

圖3 內(nèi)層合作博弈Pareto前沿Fig.3 Pareto frontier of inner cooperation game

由圖2 可以看出，在一個(gè)優(yōu)化調(diào)度周期內(nèi)，能效優(yōu)化調(diào)度的?效率上限不超過0.49，下限不低于0.43，?效率取值集中在0.48 左右，與此同時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入?集中在1 870 MW·h 左右，對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)成本集中在$339000.0左右。偏離合作博弈最優(yōu)折中解對(duì)應(yīng)方案的調(diào)度運(yùn)行勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致能效或?效率性能變差，如使得上層園區(qū)經(jīng)濟(jì)成本降低會(huì)促使?效率急劇降低，反之結(jié)果類似。根據(jù)圖3，總經(jīng)濟(jì)成本與電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本之間存在二次函數(shù)的關(guān)系，在博弈的過程中，總經(jīng)濟(jì)成本有最小值，而圖3 所示的合作博弈結(jié)果表明，最優(yōu)折中解對(duì)應(yīng)的點(diǎn)不是總經(jīng)濟(jì)成本的最小值。內(nèi)層合作博弈的參與方為電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本與天然氣系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本，博弈的效果是平衡、兼顧兩者的利益，并不是單一地追求上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)總經(jīng)濟(jì)成本最小，當(dāng)然上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的總經(jīng)濟(jì)成本已經(jīng)在外層合作博弈予以考慮，內(nèi)層合作博弈正是在外層合作博弈的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。結(jié)合表1 所示的結(jié)果，內(nèi)層合作博弈與外層合作博弈對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)成本最優(yōu)折中解是不相同的，結(jié)果表明增加內(nèi)層合作博弈可以使得系統(tǒng)運(yùn)行方式得到進(jìn)一步優(yōu)化。

4.2.3 不同運(yùn)行模式下的能效經(jīng)濟(jì)動(dòng)態(tài)變化特征

不同運(yùn)行模式下的下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)?效率動(dòng)態(tài)變化如圖4所示。

圖4 不同運(yùn)行模式下的?效率動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Dynamic variation of exergy efficiency under different operating modes

根據(jù)圖4 可以明顯發(fā)現(xiàn)，在單一的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行模式下，?效率整體上均較低，在單一的能效優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行模式下，?效率整體上均較高，而在博弈最優(yōu)折中解的運(yùn)行模式下，?效率整體上與能效優(yōu)化調(diào)度變化趨勢(shì)相同且非常接近。采用文獻(xiàn)［10］的優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行模式時(shí)下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)的?效率波動(dòng)幅度相對(duì)較大。根據(jù)圖4，在整體優(yōu)化調(diào)度周期內(nèi)單一經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行模式下?效率相對(duì)較低，其他3 種運(yùn)行模式尤其是在01:00—07:00 和19:00—24:00 時(shí)段的?效率非常接近，可見在優(yōu)化調(diào)度周期內(nèi)，不同運(yùn)行模式下的?效率變化既有相同點(diǎn)也有不同點(diǎn)。結(jié)合表1 所示的外層合作博弈的結(jié)果，雖然經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度使得上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)成本最低，但是經(jīng)濟(jì)效益較好的前提是以犧牲?效率為代價(jià)的，在實(shí)際工程應(yīng)用中顯然需要顧及下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)的?效率利益，系統(tǒng)采用外層合作博弈下博弈最優(yōu)折中解的運(yùn)行方式可以平衡、兼顧上層和下層能源互聯(lián)網(wǎng)效益。

不同運(yùn)行模式下的上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)成本動(dòng)態(tài)變化如圖5 所示，圖中電力系統(tǒng)優(yōu)化和天然氣系統(tǒng)優(yōu)化指在外層合作博弈結(jié)果上進(jìn)行單一的經(jīng)濟(jì)成本優(yōu)化調(diào)度，外層合作博弈后獲得聯(lián)絡(luò)線數(shù)據(jù)信息，將外層合作博弈得到的最優(yōu)折中解下所對(duì)應(yīng)的聯(lián)絡(luò)線數(shù)據(jù)信息通過能量管理系統(tǒng)交換上傳到上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)中，而經(jīng)濟(jì)優(yōu)化對(duì)應(yīng)圖4 中的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行模式。

圖5 不同運(yùn)行模式下的經(jīng)濟(jì)成本動(dòng)態(tài)變化Fig.5 Dynamic variation of economic cost under different operating modes

根據(jù)圖5 所示的優(yōu)化結(jié)果，在電力系統(tǒng)優(yōu)化模式下上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)成本最高，在經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行模式下經(jīng)濟(jì)成本最低，在天然氣系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行模式下經(jīng)濟(jì)成本波動(dòng)幅度最大。對(duì)比電力系統(tǒng)優(yōu)化、天然氣系統(tǒng)優(yōu)化、經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行模式的結(jié)果可以看出，不同運(yùn)行模式下上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)成本差異較大，單一地追求電力系統(tǒng)效益或天然氣系統(tǒng)效益都是不合理的，而在博弈最優(yōu)折中解的運(yùn)行模式下經(jīng)濟(jì)成本總體均較低，且接近經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行模式。結(jié)合表1和圖5可以看出，采用文獻(xiàn)［10］的運(yùn)行模式也可以使得上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)成本較低且與博弈最優(yōu)折中解的運(yùn)行模式下的結(jié)果相接近，但博弈最優(yōu)折中解的運(yùn)行模式考慮了上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)不同利益方的經(jīng)濟(jì)成本效益，考慮的因素更為全面。

5 結(jié)論

在基于合作博弈的分層協(xié)同優(yōu)化調(diào)度方面，本文介紹了園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)與區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)互動(dòng)分層基本架構(gòu)，并在建立下層園區(qū)與上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了下層園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)日前能效優(yōu)化調(diào)度模型、上層區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)日前經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型，給出了基于合作博弈的分層協(xié)同優(yōu)化調(diào)度求解流程，進(jìn)一步地通過算例分析驗(yàn)證了基于合作博弈的分層協(xié)同優(yōu)化模型及方法的合理性、優(yōu)越性。研究表明：本文所提模型與方法綜合考慮了能源互聯(lián)網(wǎng)的互動(dòng)分層特征，更加符合工程應(yīng)用場(chǎng)景，有利于降低優(yōu)化調(diào)度經(jīng)濟(jì)成本，提高綜合能效水平；從經(jīng)濟(jì)、能效角度考慮能源互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的多重需求，更能滿足不同優(yōu)化調(diào)度模式下的利益需求；基于合作博弈考慮能源互聯(lián)網(wǎng)不同層次方的追求，有利于平衡各方利益沖突與矛盾。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.epae.cn）。