【EI复现】基于主从博弈的新型城镇配电系统产消者竞价策略【IEEE33节点】附Matlab代码

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🔥 内容介绍

随着分布式能源资源（Distributed Energy Resources，DERs）在城镇配电系统中的广泛应用，产消者（Prosumers）的角色日益重要。为优化产消者在配电市场中的行为，本文提出一种基于主从博弈的竞价策略。以 IEEE33 节点配电系统为研究对象，构建配电系统运营商（Distribution System Operator，DSO）与产消者的主从博弈架构。上层模型以 DSO 的收益最大化为目标，制定动态电价；下层模型以产消者的运行成本最小化为目标，进行能源管理决策。通过卡罗需 - 库恩 - 塔克（Karush - Kuhn - Tucker，KKT）条件将双层优化模型转化为单层模型并求解。结果表明，该策略能有效协调 DSO 与产消者的利益，提升配电系统的运行效率与经济效益。

关键词

城镇配电系统；产消者；主从博弈；IEEE33 节点；竞价策略

一、引言

在全球推动能源转型与可持续发展的大背景下，城镇配电系统正经历深刻变革。分布式能源资源，如太阳能光伏、小型风力发电、储能设备等，凭借其清洁、灵活、靠近负荷中心等优势，在城镇区域的部署规模不断扩大。这促使传统的电力消费者逐渐转变为兼具发电与用电能力的产消者。产消者的出现，一方面为提高能源利用效率、改善电能质量、增强配电系统可靠性提供了新途径；另一方面，也给配电系统的运行与管理带来了诸多挑战，如功率波动、电压稳定性、市场交易复杂性等问题。

在这样的环境下，合理的竞价策略成为协调配电系统各方利益、保障系统稳定高效运行的关键。博弈论作为一种研究决策主体间相互作用的数学理论，为分析配电市场中各主体的行为提供了有力工具。主从博弈模型能够很好地刻画配电系统运营商与产消者之间的层级关系与利益博弈，通过构建合理的双层优化模型，可实现对电价制定与能源管理策略的协同优化。本文以 IEEE33 节点配电系统为基础，深入研究基于主从博弈的产消者竞价策略，旨在为新型城镇配电系统的市场化运营提供理论支持与实践指导。

二、城镇配电系统中产消者与 DSO 的角色分析

2.1 产消者的特性与行为

产消者拥有分布式能源发电设备与储能装置，其能源生产与消费行为具有显著的不确定性与灵活性。例如，太阳能光伏发电量受光照强度、天气状况等因素影响，呈现出明显的间歇性与波动性；而储能设备的充放电决策则取决于产消者自身的用电需求、电价信息以及对未来能源市场的预期。产消者在参与配电市场交易时，其目标是在满足自身用电需求的前提下，通过合理安排能源生产、存储与交易，最小化自身的运行成本或最大化收益。

2.2 DSO 的职责与目标

配电系统运营商负责配电网络的规划、运行与维护，保障电力的可靠供应与电能质量。在市场化环境下，DSO 的角色不仅是系统的管理者，还是市场的组织者与监管者。DSO 的主要目标是通过制定合理的电价机制，激励产消者采取有利于系统运行的行为，同时最大化自身的收益。这包括平衡电力供需、优化网络潮流、降低网络损耗、提高资产利用率等多个方面。DSO 需要综合考虑系统运行成本、市场供需关系、政策法规要求等因素，制定动态的电价策略，引导产消者参与市场交易，实现配电系统的整体优化运行。

三、基于主从博弈的模型构建

3.1 主从博弈架构

本文构建的主从博弈架构中，DSO 作为主方，处于决策的上层；产消者作为从方，处于决策的下层。主从双方通过电价信号进行信息交互与策略博弈。DSO 根据系统运行状况、负荷预测、发电成本等因素制定实时电价，以引导产消者调整其能源生产与消费行为；产消者则根据 DSO 发布的电价信息，结合自身的能源生产能力、用电需求、储能状态等，优化自身的能源管理策略，向 DSO 提交电力交易申请。双方的决策相互影响，共同构成一个动态的博弈过程。

四、基于 IEEE33 节点系统的模型求解与分析

4.1 IEEE33 节点系统介绍

IEEE33 节点配电系统是一个广泛应用于研究与教学的标准测试系统，包含 33 个节点、32 条馈线以及多个负荷节点与分布式电源接入点。该系统具有典型的配电网络结构与负荷分布特性，能够较好地模拟实际城镇配电系统的运行情况。通过在 IEEE33 节点系统上对所构建的主从博弈模型进行求解与分析，可以验证所提竞价策略的有效性与可行性。

4.2 模型求解方法

利用卡罗需 - 库恩 - 塔克（KKT）条件将主从博弈双层优化模型等效转化为单层优化模型。通过引入拉格朗日乘子，将下层产消者的优化问题的约束条件融入到上层 DSO 的目标函数中，从而将双层问题转化为一个单层的非线性规划问题。然后采用成熟的优化算法，如内点法、序列二次规划法等进行求解。在求解过程中，考虑到模型的复杂性与计算量，可采用分布式计算技术或并行计算方法，提高求解效率。

4.3 结果分析

4.3.1 电价与能源交易分析

通过求解模型，得到 DSO 的动态电价曲线以及产消者的能源交易策略。分析结果表明，DSO 能够根据系统的实时供需情况，合理调整电价。在负荷高峰时段，提高售电价格，引导产消者减少用电或增加发电；在负荷低谷时段，降低电价，鼓励产消者增加用电或储存电能。产消者则根据电价信号，优化自身的能源生产与消费行为，在电价较高时增加发电并向电网售电，在电价较低时增加购电并为储能设备充电。这种基于电价信号的互动机制，有效促进了电力资源的优化配置。

4.3.2 系统运行指标分析

对 IEEE33 节点系统在采用所提竞价策略前后的运行指标进行对比分析。结果显示，系统的功率平衡得到更好的维持，网络损耗明显降低，电压稳定性得到提升。例如，在实施竞价策略后，系统的网络损耗降低了 [X]%，节点电压偏差控制在更小的范围内。这表明基于主从博弈的竞价策略能够有效协调 DSO 与产消者的行为，提升配电系统的整体运行效率与可靠性。

4.3.3 利益分配分析

进一步分析 DSO 与产消者在不同场景下的利益分配情况。结果表明，在合理的电价机制下，DSO 与产消者能够实现双赢。DSO 通过优化电价策略，提高了自身的收益，同时也保障了系统的稳定运行；产消者通过合理安排能源生产与交易，降低了运行成本，提高了能源利用效率。此外，通过灵敏度分析，研究了不同参数（如分布式电源渗透率、负荷弹性系数等）对利益分配的影响，为制定合理的市场政策提供了参考依据。

五、结论

本文针对新型城镇配电系统中产消者的竞价策略问题，提出了一种基于主从博弈的双层优化模型，并以 IEEE33 节点配电系统为案例进行了详细分析与验证。研究结果表明，该策略能够有效协调配电系统运营商与产消者之间的利益关系，通过合理的电价制定与能源管理决策，实现电力资源的优化配置，提升配电系统的运行效率与经济效益。同时，该模型具有一定的灵活性与扩展性，能够适应不同规模与结构的城镇配电系统以及多样化的市场环境。未来的研究可以进一步考虑不确定性因素（如可再生能源发电的预测误差、负荷的不确定性等）对竞价策略的影响，以及引入更复杂的市场机制与交易品种，完善配电市场的运行机制，为新型城镇配电系统的可持续发展提供更坚实的理论支持。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 陈修鹏,李庚银,夏勇.基于主从博弈的新型城镇配电系统产消者竞价策略[J].电力系统自动化, 2019, 043(014):97-104.

[2] 陈修鹏,李庚银,夏勇.基于主从博弈的新型城镇配电系统产消者竞价策略[J].电力系统自动化, 2019, 43(14):8.DOI:10.7500/AEPS20181130005.

[3] 刘继文,侯强,晏鹏宇.基于主从博弈的具有多类型产消者的微电网电力交易动态定价策略[J].工业工程, 2024, 27(5):138-149.DOI:10.3969/j.issn.1007-7375.230239.

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