基于合作博弈的综合能源系统利益分配优化调度附Matlab代码

最新推荐文章于 2025-12-02 19:45:00 发布

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#能源 #matlab #数据结构

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🔥 内容介绍

随着全球能源转型和可持续发展战略的深入推进，综合能源系统（Integrated Energy System, IES）作为实现多能互补、提高能源利用效率的关键技术，正受到广泛关注。IES通过整合电力、热力、燃气等多种能源形式，实现能源的梯级利用和协同优化。然而，IES中涉及多个利益主体，如发电厂、热电联产机组、储能设备、可再生能源发电商以及终端用户等，各主体之间存在复杂的利益冲突与合作关系。如何设计一套公平、高效的利益分配机制，激励各主体积极参与IES的优化运行，是IES发展面临的重要挑战。本文将深入探讨基于合作博弈理论的综合能源系统利益分配优化调度问题。首先，阐述IES的构成与运行特点，分析利益分配的必要性与复杂性。其次，详细介绍合作博弈的基本概念、核心思想及其在能源领域的应用潜力。在此基础上，构建多主体合作博弈模型，并提出基于Shapley值、核仁等分配准则的利益分配方法，以实现IES内各参与方的互利共赢。最后，展望未来研究方向，为IES的健康发展提供理论依据与实践指导。

关键词

综合能源系统；合作博弈；利益分配；优化调度；Shapley值；核仁

1. 引言

能源是现代社会发展的重要物质基础，能源系统的变革与发展直接关系到国家经济安全和人民生活水平。传统的电力、热力、燃气等单一能源系统在规划、运行和管理上各自独立，导致能源利用效率不高， CO2排放量居高不下。为此，综合能源系统应运而生。IES通过将不同能源形式的生产、传输、储存和消费环节进行有机整合，实现能源的协同供应和梯级利用，从而达到节能降耗、减少排放、提升供能可靠性的目标。

然而，IES的建设与运行往往涉及众多独立或半独立的利益主体。例如，大型火电厂、分布式光伏电站、风力发电场、天然气热电联产机组、电储能装置、热储能装置以及多元化的负荷用户等。这些主体拥有各自的经济目标和运行约束，其参与IES的决策行为受到自身利益驱动。如果缺乏有效的利益协调和分配机制，可能会出现以下问题：一是各主体之间难以达成合作共识，导致IES的整体优化效益无法充分发挥；二是部分主体可能因为利益分配不公而选择退出合作，影响IES的稳定运行；三是信息不对称和市场不完善可能加剧利益冲突，阻碍IES的健康发展。

因此，研究IES中的利益分配问题，构建合理的利益分配机制，是促进IES可持续发展的关键。合作博弈理论为解决这类多主体合作与分配问题提供了有效的数学工具。合作博弈关注的是个体之间通过合作可以获得的集体收益，以及如何将这些集体收益在合作者之间进行公平、合理地分配。本文旨在将合作博弈理论引入IES的优化调度与利益分配研究中，以期为IES的规划、运行和管理提供新的思路和方法。

2. 综合能源系统概述

2.1 综合能源系统构成与特点

综合能源系统是一个多能源耦合、多技术集成、多主体参与的复杂系统。其典型构成包括：

能源生产单元：
传统火电机组、燃气轮机、核电站、水力发电、风力发电、太阳能光伏发电等。
能源转换单元：
热电联产（CHP）机组、锅炉、热泵、制冷机、电解槽等，负责将一种能源形式转换为另一种能源形式。
能源存储单元：
电池储能、抽水蓄能、压缩空气储能、储热罐、储冷罐等，用于实现能源的时空转移和削峰填谷。
能源传输与分配网络：
电网、热力管网、燃气管网等，负责将能源从生产端传输到消费端。
能源消费负荷：
电负荷、热负荷、冷负荷、燃气负荷等，包括居民、商业、工业等多种用户类型。

IES的特点主要体现在以下几个方面：

多能互补与耦合：
不同能源形式之间通过转换设备实现相互转换和协同供应，例如CHP机组可以同时提供电和热。
高效率与低排放：
能源的梯级利用和系统整体优化调度可以显著提高能源利用效率，减少一次能源消耗和碳排放。
灵活性与可靠性：
多元化的能源供应和存储能力增强了系统的灵活性和对偶发事件的适应能力，提升了供能可靠性。
复杂性与不确定性：
多个能源网络、多种设备运行相互耦合，加上可再生能源出力和负荷需求的不确定性，使得IES的优化调度问题更为复杂。
多利益主体参与：
IES中涉及的众多参与者拥有不同的利益诉求，需要有效的机制协调各方关系。

2.2 利益分配的必要性与复杂性

在IES的优化运行过程中，通过协同调度可以产生额外的系统效益，如降低总运行成本、减少碳排放、提高可再生能源消纳水平等。这些效益是单个主体独立运行时无法实现的。因此，需要将这些合作产生的“盈余”或“收益”在参与主体之间进行合理分配，以激励各方积极参与。

利益分配的复杂性主要体现在：

多目标性：
分配目标不仅包括经济收益，还可能涉及环境效益（如碳排放权分配）和社会效益（如供能可靠性提升）。
公平性与效率性：
理想的分配方案应兼顾公平与效率，既要保证各方获得合理回报，又要激励各方为系统整体效益最大化做出贡献。
信息不对称：
各主体可能掌握不同的内部信息（如运行成本、设备参数等），导致信息不对称，增加分配难度。
风险与不确定性：
可再生能源出力和负荷预测的误差会带来运行风险，如何将风险分配也纳入考量是一个挑战。
动态性：
IES的运行环境和市场条件是动态变化的，利益分配机制也需要具备一定的适应性。

3. 合作博弈理论基础

合作博弈理论是博弈论的一个分支，它研究的是理性决策者通过合作来获得共同利益，并探讨如何将合作产生的收益在合作者之间进行分配的问题。

3.1 合作博弈的基本概念

3.2 合作博弈的核心思想

合作博弈的核心在于寻找一个“稳定”或“公平”的收益分配方案。所谓“稳定”，是指没有任何子联盟有动机偏离大联盟，即没有任何子联盟通过独立行动能获得比在大联盟中分配到的收益更多。所谓“公平”，是指分配方案能够反映每个参与者对合作的贡献。

3.3 合作博弈在能源领域的应用潜力

合作博弈理论在能源领域的应用日益广泛，尤其是在微电网、区域能源系统和IES中。通过合作博弈，可以解决以下问题：

资源共享与调度：
各主体共享发电、储能资源，进行协同调度，实现整体效益最大化。
市场交易与定价：
协调各主体在能源市场中的交易行为，形成内部或外部的市场机制。
碳排放权分配：
在碳排放总量控制的背景下，公平合理地分配碳排放配额。
电网辅助服务：
协调分布式能源参与电网辅助服务，并分配相应的收益。

4. 基于合作博弈的综合能源系统利益分配优化调度模型

本节将构建一个多主体合作博弈模型，并引入经典的分配准则来解决IES的利益分配问题。

4.2 利益分配方法

在IES中，常用的合作博弈分配准则包括Shapley值和核仁。

4.2.1 Shapley值

Shapley值是合作博弈中最经典的分配方案之一，它具有对称性、效率性、虚拟参与者效应和边际贡献性等优良性质。Shapley值的思想是：每个参与者获得的收益应该等于其在所有可能的联盟形成顺序中对联盟的平均边际贡献。

4.3 分配方案选择与实施

在实际应用中，Shapley值和核仁都可以作为IES利益分配的参考。

如果注重根据贡献进行公平分配，Shapley值是更好的选择。
如果注重分配的稳定性，希望避免任何联盟强烈不满，核仁可能更具优势。

在实施分配方案时，还需要考虑以下几个方面：

数据共享与透明度：
各主体需要共享必要的运行数据和成本信息，以确保特征函数计算的准确性和分配过程的透明性。
协议与合同：
各参与方需要通过签订合作协议或合同，明确利益分配规则、权利与义务，确保分配方案的执行。
动态调整机制：
考虑到IES运行环境的动态变化，利益分配机制应具备一定的动态调整能力，以适应市场价格、可再生能源出力等不确定性因素。
风险分担机制：
在利益分配的同时，也需要考虑如何分担由于预测误差、设备故障等原因带来的运行风险。

5. 案例分析与讨论（此处为模型应用展望，非具体案例）

假设一个由分布式光伏电站（PV）、燃气热电联产机组（CHP）、电储能（ESS）和一批可控负荷用户组成的区域综合能源系统。

参与者：
{PV所有者, CHP运营方, ESS运营方, 用户集合}
目标：
通过合作优化调度，最小化系统总运行成本，最大化可再生能源消纳，并减少碳排放。

合作前的独立运行：

PV所有者：独立发电，根据电价售电，可能存在弃光。
CHP运营方：独立运行，根据电热负荷需求生产，燃料成本和排放。
ESS运营方：独立套利，低价充电高价放电。
用户：根据自身需求购电购热。

合作后的优化调度：

系统整体调度，CHP作为主力电源，调节出力平衡系统负荷。
PV发电优先消纳，多余电量由ESS储存或售给外部电网。
ESS在低谷充电，高峰放电，削峰填谷。
CHP的余热用于供热，提高能源利用效率。
用户根据系统调度指令，可能进行负荷响应，获得补偿。

利益分配：

计算合作总收益：
合作前各主体独立运行的总成本之和减去合作后系统总运行成本。
构建特征函数：
对所有可能的联盟（如{PV}, {CHP, PV}, {PV, ESS, 用户}等），运行其独立优化调度模型，计算其最小运行成本。
应用Shapley值/核仁：
根据计算的特征函数，使用Shapley值或核仁方法计算每个参与者应得的收益分配。

讨论：

激励机制：
通过公平的利益分配，激励PV所有者积极参与系统调度，CHP运营方优化其电热比，ESS运营方提供灵活性，用户进行负荷响应。
公平性考量：
Shapley值确保了贡献大的主体获得更多回报，避免“搭便车”行为。
计算挑战：
随着系统规模和参与者数量的增加，特征函数的计算将成为主要挑战。需要开发高效的算法来近似计算。
动态环境：
实际运行中，电价、气价、可再生能源出力等因素都是动态变化的，需要开发能够适应动态环境的利益分配机制。

6. 结论与展望

本文对基于合作博弈的综合能源系统利益分配优化调度问题进行了深入探讨。我们认识到，IES的建设与运行涉及多方利益主体，合作博弈理论为解决其中的利益冲突与分配问题提供了有力的工具。通过构建合作博弈模型，并引入Shapley值和核仁等经典的分配准则，可以设计出公平、有效的利益分配方案，激励各主体积极参与IES的优化运行，从而最大化系统整体效益。