基于動(dòng)態(tài)博弈的雙邊現(xiàn)貨出清方法

余向前， 王林信， 趙光治， 覃智煒， 張龍基

(國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司, 甘肅， 蘭州 730030)

0 引言

隨著中國(guó)分布式新能源高比例滲透電網(wǎng)，新能源消納的問題日益凸顯[1-2]。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示：截至2020年底，中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量28 153萬kW，同比增長(zhǎng)34.6%；光伏裝機(jī)25 343萬kW，同比增長(zhǎng)24.1%。若不能有效消納新能源發(fā)電，將造成嚴(yán)重的棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象[3-4]。電力現(xiàn)貨市場(chǎng)可充分調(diào)動(dòng)供給雙方的的互動(dòng)性，提高新能源消納比例[5-6]。中國(guó)目前試點(diǎn)的發(fā)電側(cè)單邊現(xiàn)貨市場(chǎng)向用戶傳導(dǎo)價(jià)格能力有限，新能源消納比例提升不顯著[7]。

國(guó)內(nèi)外大量的學(xué)者對(duì)電力現(xiàn)貨交易進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[8]，提出了一種基于容量充裕性的現(xiàn)貨市場(chǎng)分析方法，通過對(duì)集中容量充裕補(bǔ)償?shù)姆绞剑鉀Q新能源消納的問題。文獻(xiàn)[9]，提出了一種基于靈敏度價(jià)格分析的現(xiàn)貨市場(chǎng)交易分析方法，通過平衡發(fā)電申報(bào)容量、價(jià)格與用戶負(fù)荷曲線之間的關(guān)系，提高新能源的消納水平。文獻(xiàn)[10]提出了一種基于節(jié)點(diǎn)邊際電價(jià)的現(xiàn)貨交易分析方法，通過位置信號(hào)的電價(jià)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)電力現(xiàn)貨的交易。文獻(xiàn)[11]提出了一種基于兩階段求解的現(xiàn)貨交易方法，通過分散協(xié)調(diào)和統(tǒng)一分級(jí)的現(xiàn)貨交易管理，實(shí)現(xiàn)了可再生能源的優(yōu)化消納。文獻(xiàn)[12]提出了一種基于關(guān)聯(lián)圖法的電力現(xiàn)貨交易分析方法，通過對(duì)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的6個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，優(yōu)化了現(xiàn)貨市場(chǎng)的內(nèi)在邏輯，從而實(shí)現(xiàn)新能源的有效消納。由此可見，現(xiàn)貨交易方法多樣，且取得了一定的成效。但上述研究缺少對(duì)雙邊現(xiàn)貨交易的博弈分析，不能達(dá)到最優(yōu)的出清效果。

針對(duì)單邊現(xiàn)貨價(jià)格向用戶傳導(dǎo)能力差、新能源消納比例低的問題，本文提出一種基于動(dòng)態(tài)博弈的雙邊現(xiàn)貨出清方法，該方法重點(diǎn)考慮發(fā)電側(cè)與最終用戶側(cè)的價(jià)格動(dòng)態(tài)博弈機(jī)制，采用自尋優(yōu)的方式，生成雙邊現(xiàn)貨交易的最佳出清機(jī)制，最后將本方法應(yīng)用在國(guó)內(nèi)某區(qū)域的電網(wǎng)公司，其應(yīng)用結(jié)果驗(yàn)證了本方法的有效行和可行性。

1 雙邊現(xiàn)貨交易出清框架

本文提出基于動(dòng)態(tài)博弈的雙邊現(xiàn)貨出清方法，該方法重點(diǎn)考慮了重點(diǎn)考慮發(fā)電側(cè)與最終用戶側(cè)的價(jià)格動(dòng)態(tài)博弈，雙邊現(xiàn)貨交易出清框架如圖1所示。該框架主要包括現(xiàn)貨交易數(shù)據(jù)清洗模型、交易維度分解、供需動(dòng)態(tài)博弈、交易魯棒控制4個(gè)環(huán)節(jié)。

圖1 雙邊現(xiàn)貨交易出清框架

在現(xiàn)貨交易數(shù)據(jù)清洗環(huán)節(jié)，對(duì)電力現(xiàn)貨交易的區(qū)域調(diào)度負(fù)荷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、發(fā)電能源可調(diào)容量、現(xiàn)貨交易結(jié)算機(jī)制、調(diào)度檢修計(jì)劃等數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，消除誤差數(shù)據(jù)對(duì)雙邊現(xiàn)貨出清模型的影響。在交易維度分解環(huán)節(jié)，對(duì)現(xiàn)貨交易中的交易類型、市場(chǎng)類型、統(tǒng)計(jì)口徑維度進(jìn)行分解，活動(dòng)不同類型的動(dòng)態(tài)博弈因子。在供需動(dòng)態(tài)博弈環(huán)節(jié)，以最佳現(xiàn)貨出清為目標(biāo)，對(duì)發(fā)電站、用電用戶的供需關(guān)系進(jìn)行動(dòng)態(tài)博弈，獲得最優(yōu)的現(xiàn)貨出清控制平衡點(diǎn)。在交易魯棒控制環(huán)節(jié)，針對(duì)電力現(xiàn)貨動(dòng)態(tài)博弈的結(jié)果，對(duì)新能源發(fā)電機(jī)組進(jìn)行魯棒控制，以提高新能源的消納比例。

2 雙邊現(xiàn)貨交易出清模型

基于動(dòng)態(tài)博弈的雙邊現(xiàn)貨出清方法是一種充分考慮新能源消納并采用電力供需動(dòng)態(tài)博弈進(jìn)行雙邊現(xiàn)貨出清的方法，可提高新能源消納比例。

2.1 雙邊現(xiàn)貨交易數(shù)據(jù)清洗

雙邊現(xiàn)貨的出清分析涉及區(qū)域調(diào)度負(fù)荷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、發(fā)電能源可調(diào)容量、現(xiàn)貨交易結(jié)算機(jī)制、調(diào)度檢修計(jì)劃、電網(wǎng)安全約束、發(fā)電機(jī)組出力約束等數(shù)據(jù)。上述的數(shù)據(jù)來源于多個(gè)控制系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)聚合的過程中極易受到噪聲干擾，若出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏差，將影響雙邊現(xiàn)貨交易的出清。

蒙特卡洛算法在進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗時(shí)對(duì)異常值的處理具有準(zhǔn)確度高、運(yùn)算速度快的特點(diǎn)[13-14]。因此，本文采用蒙特卡洛算法對(duì)雙邊現(xiàn)貨交易的分析數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗。設(shè)在連續(xù)數(shù)據(jù)x與z之間缺失的數(shù)據(jù)y存在na種變量，y的隨機(jī)變量可表示為

yi(i=1,2,…,na)

(1)

設(shè)缺失點(diǎn)的權(quán)重為wa，通過蒙特卡洛算法計(jì)算缺失點(diǎn)值Ga為

(2)

2.2 雙邊現(xiàn)貨交易維度分解

電力市場(chǎng)雙邊現(xiàn)貨中的數(shù)據(jù)具有周期變換頻繁、統(tǒng)計(jì)維度復(fù)雜等特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)雙邊現(xiàn)貨出清的動(dòng)態(tài)博弈管理，需對(duì)雙邊現(xiàn)貨數(shù)據(jù)的維度進(jìn)行分解，分解結(jié)果如表1所示。

表1 雙邊現(xiàn)貨交易維度分解表

在維度分解后，可建立雙邊現(xiàn)貨市場(chǎng)交易關(guān)系矩陣，為供需動(dòng)態(tài)博弈分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.3 供需動(dòng)態(tài)博弈分析

供需動(dòng)態(tài)博弈分析以最佳現(xiàn)貨出清為目標(biāo)，對(duì)發(fā)電站、用電用戶的供需關(guān)系進(jìn)行動(dòng)態(tài)博弈，獲得最優(yōu)的現(xiàn)貨出清控制平衡點(diǎn)。

設(shè)新能源發(fā)電站的發(fā)電現(xiàn)貨交易策略有m種，現(xiàn)貨交易策略集A為

A=(a1,a2,…,am)

(3)

設(shè)用電客戶的現(xiàn)貨交易策略有n種，用電客戶現(xiàn)貨交易策略集B為

B=(b1,b2,…,bm)

(4)

設(shè)新能源發(fā)電站與用電客戶進(jìn)行雙邊現(xiàn)貨動(dòng)態(tài)博弈矩陣為C，對(duì)策Da為

Da=(A,B，C)

(5)

設(shè)線性因子為O，動(dòng)態(tài)博弈求解為

(6)

雙邊現(xiàn)貨出清動(dòng)態(tài)博弈約束條件如下：

(1) 滿足電網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)荷平衡約束；

(2) 滿足新能源發(fā)電機(jī)組出力限制約束；

(3) 滿足電網(wǎng)潮流約束。

2.4 雙邊交易出清魯棒控制

針對(duì)雙邊現(xiàn)貨動(dòng)態(tài)博弈過程中存在的平衡點(diǎn)微小波動(dòng)的情況，采用魯棒控制新能源發(fā)電機(jī)組的發(fā)電出力和用電客戶購(gòu)電需求，以消除平衡點(diǎn)微小波動(dòng)對(duì)雙邊現(xiàn)貨交易帶來的影響，從而提高新能源的消納比例。

3 雙邊交易出清仿真流程

基于動(dòng)態(tài)博弈的雙邊現(xiàn)貨出清仿真流程如圖2所示。

圖2 雙邊交易出清仿真流程圖

雙邊交易出清方法的仿真流程步驟如下。

步驟1 根據(jù)輸入的調(diào)控負(fù)荷預(yù)測(cè)、可調(diào)容量、結(jié)算機(jī)制、檢修計(jì)劃等信息數(shù)據(jù)清洗，消除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)對(duì)模型帶來的影響。

步驟2 雙邊現(xiàn)貨交易數(shù)據(jù)維度分解，降低動(dòng)態(tài)博弈難度。

步驟3 對(duì)發(fā)電站、用電用戶的供需關(guān)系進(jìn)行動(dòng)態(tài)博弈，獲得最優(yōu)的現(xiàn)貨出清控制平衡點(diǎn)。

步驟4 采用魯棒控制新能源發(fā)電機(jī)組的發(fā)電出力和用電客戶購(gòu)電需求，平衡供需雙方的微小波動(dòng)。

4 算例分析

采用本文所提的基于動(dòng)態(tài)博弈的雙邊現(xiàn)貨出清方法，某地區(qū)電網(wǎng)公司進(jìn)行實(shí)例運(yùn)行。系統(tǒng)環(huán)境為Windows 10，64位操作系統(tǒng)，中央處理器為英特爾16核2.3G，內(nèi)存為64G。

(1) 雙邊交易出清動(dòng)態(tài)博弈價(jià)格分析

采用本文所提的基于動(dòng)態(tài)博弈的雙邊現(xiàn)貨出清方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)博弈價(jià)格分析，動(dòng)態(tài)博弈迭代次數(shù)為200次，模型的動(dòng)態(tài)博弈分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 電費(fèi)回收預(yù)測(cè)性能分析表

由圖3可見，迭代次數(shù)在100次左右，新能源發(fā)電站的報(bào)價(jià)和用電客戶的購(gòu)電報(bào)價(jià)區(qū)域一致。

(2) 新能源消納比例分析

采用本文所提的基于動(dòng)態(tài)博弈的雙邊現(xiàn)貨出清方法與多變量控制雙邊現(xiàn)貨出清方法比較新能源消納比例，新能源機(jī)發(fā)電站個(gè)數(shù)為758個(gè)。2020年1至12月消納比例如表2所示。

表2 2020年新能源消納比例分析表

由表2可見，基于動(dòng)態(tài)博弈的雙邊現(xiàn)貨出清方法新能源發(fā)電消納比例優(yōu)于多變量控制雙邊現(xiàn)貨出清方法。

5 總結(jié)

為了解決單邊現(xiàn)貨價(jià)格向用戶傳導(dǎo)能力差、新能源消納比例低的問題，本文提出一種基于動(dòng)態(tài)博弈的雙邊現(xiàn)貨出清方法，設(shè)計(jì)了一種基于動(dòng)態(tài)博弈的雙邊現(xiàn)貨出清模型：通過數(shù)據(jù)清洗，獲得了準(zhǔn)確的雙邊現(xiàn)貨交易基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，開展雙邊現(xiàn)貨交易數(shù)據(jù)維度分解，降低動(dòng)態(tài)博弈的難度，提高動(dòng)態(tài)博弈的速度；其次，以最佳現(xiàn)貨出清為目標(biāo)，通過對(duì)供需價(jià)格的動(dòng)態(tài)博弈，實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電站與用電客戶的供需價(jià)格平衡；再次，根據(jù)動(dòng)態(tài)博弈結(jié)果，采用魯棒控制新能源發(fā)電機(jī)組的發(fā)電出力和用電客戶購(gòu)電需求； 最后，將本方法應(yīng)用在國(guó)內(nèi)某區(qū)域的電網(wǎng)公司，其運(yùn)行結(jié)果驗(yàn)證了本方法在新能源消納比例方面優(yōu)于多變量控制雙邊現(xiàn)貨出清方法。

下一步，將結(jié)合各省的具體雙邊現(xiàn)貨政策，對(duì)本方法做進(jìn)一步優(yōu)化，以提高模型的適應(yīng)性。