[发明专利]一种基于非合作博弈的家庭电能均衡调度方法

摘要

本发明公开了一种基于非合作博弈的家庭电能均衡调度方法，一种有助于优化能源生产和消费智能电网技术，使得更好地均衡用电成本、家庭用户用电舒适性以及用电偏好型三者，替代根据能源发电量实时调节电价，在现有的电能消耗调度中只仅仅考虑减少用电成本，降低家庭用户用电舒适以及偏好的电网调度技术。

主权项

一种基于非合作博弈的家庭电能均衡调度方法，其步骤如下：a、假设所有家庭用户的集合为Π，其中所有家庭用户的个数为N＝|Π|，定义Γ为所有时段的集合，其中所有时段的个数为T＝|Γ|，任意一个时段t∈Γ＝{1,2,...,T}，对于任意一个家庭用户n∈Π＝{1,2,...,N}，所有家用电器的集合为R_n＝{REV_n,RF_n,RG_n,RH_n}，其中REV_n,RF_n,RG_n和RH_n分别表示电动汽车(可中断电器)、不可中断电器、功率可调电器以及不可控制电器的集合；b、定义电动汽车电能消耗调度向量：${\mathrm{Eev}}_{n,ch}=\[{\mathrm{Eev}}_{n,ch}^1,...,{\mathrm{Eev}}_{n,ch}^t,...,{\mathrm{Eev}}_{n,ch}^T\]---\left(1\right)$${\mathrm{Eev}}_{n,dis}=\[{\mathrm{Eev}}_{n,dis}^1,...,{\mathrm{Eev}}_{n,dis}^t,...,{\mathrm{Eev}}_{n,dis}^T\]---\left(2\right)$其中标量为家庭用户n在t时段电动汽车的充电电能，表示为了满足日常家庭用电需求电动汽车所需要充的基本电能，表示除了满足日常家庭用电需求外电动汽车额外充的电能，标量为家庭用户n在t时段电动汽车的放电电能，表示为了满足日常家庭用电需求电动汽车所需要放的基本电能，表示除了满足日常家庭用电需求外电动汽车额外放的电能；定义储能装置的电能消耗调度向量：${\mathrm{Ess}}_{n,ch}=\[{\mathrm{Ess}}_{n,ch}^1,...,{\mathrm{Ess}}_{n,ch}^t,...,{\mathrm{Ess}}_{n,ch}^T\]---\left(3\right)$${\mathrm{Ess}}_{n,dis}=\[{\mathrm{Ess}}_{n,dis}^1,...,{\mathrm{Ess}}_{n,dis}^t,...,{\mathrm{Ess}}_{n,dis}^T\]---\left(4\right)$其中标量和分别表示储能装置的充电和放电电能；定义不可中断电器的电能消耗调度向量：${\mathrm{Ef}}_n=\[{\mathrm{Ef}}_n^1,...,{\mathrm{Ef}}_n^t,...,{\mathrm{Ef}}_n^T\]---\left(5\right)$其中表示家庭用户n在t时段不可中断电器的电能消耗，表示不可中断电器中的第f种电器的电能消耗；定义功率可调电器的电能消耗调度向量：${\mathrm{Eg}}_n=\[{\mathrm{Eg}}_n^1,...,{\mathrm{Eg}}_n^t,...,{\mathrm{Eg}}_n^T\]---\left(6\right)$其中表示家庭用户n在t时段功率可调电器的电能消耗，表示不可中断电器中的第g种电器的电能消耗；定义不可中断电器的电能消耗调度向量：${\mathrm{Eh}}_n=\[{\mathrm{Eh}}_n^1,...,{\mathrm{Eh}}_n^t,...,{\mathrm{Eh}}_n^T\]---\left(7\right)$其中表示家庭用户n在t时段功率可调电器的电能消耗，表示不可中断电器中的第h种电器的电能消耗；为了满足日常家庭用电需求所有家庭电器的电能消耗调度向量定义为：${\mathrm{Er}}_n=\[{\mathrm{Er}}_n^1,...,{\mathrm{Er}}_n^t,...,{\mathrm{Er}}_n^T\]---\left(8\right)$其中对于光伏发电板，电能发电向量定义为：${\mathrm{Epv}}_n=\[{\mathrm{Epv}}_n^1,...,{\mathrm{Epv}}_n^t,...,{\mathrm{Epv}}_n^T\]---\left(9\right)$其中表示家庭用户n在t时段光伏发电板的发电电能；c、根据(1)‑(9)，家庭用户n的负荷向量定义为：$\begin{array}{c}{l}_n=\[l_n^1,...,l_n^t,...,l_n^T\]\\ ={\mathrm{Ef}}_n+{\mathrm{Eg}}_n+{\mathrm{Eh}}_n+{\mathrm{Eev}}_{n,char}+{\mathrm{Ess}}_{n,char}-({\mathrm{Eev}}_{n,dis}+{\mathrm{Ess}}_{n,dis}+{\mathrm{Epv}}_n)\end{array}---\left(10\right)$其中定义在t时段的电价为：$p^t=p_{base}^t+{\mathrm{\λ}}^t\underset{n\∈\mathrm{\Π}}{\Σ}{l}_n^t---\left(11\right)$其中为在t时段的基本电价，λ^t(λ^t>0)为外电网在t时段实行弹性定价所决定的参数；家庭用户n在t时段的用电成本函数定义为：$C_n^t\left(l^t\right)=l_n^t{p}^t{\mathrm{\Δ\δ}}_n^t=l_n^t(p_{base}^t+{\mathrm{\λ}}^t\underset{n\∈\mathrm{\Π}}{\Σ}{l}_n^t){\mathrm{\Δ\δ}}_n^t---\left(12\right)$其中为所有家庭用户在t时段的负荷向量和为t时段的长度；于是，家庭用户n的用电成本函数表示为：$C_n\left(l\right)=\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}{C}_n^t\left(l^t\right)=\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}{l}_n^t(p_{base}^t+{\mathrm{\λ}}^t\underset{n\∈\mathrm{\Π}}{\Σ}{l}_n^t){\mathrm{\Δ\δ}}_n^t---\left(13\right)$其中l＝[l₁,...,l_n,...,l_N]为所有家庭用户的负荷向量；d、优化问题，优化问题可描述为：$\begin{array}{ccc}SO:& \underset{l}{\min }& C_n\left(l\right)=\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}{l}_n^t(p_{base}^t+{\mathrm{\λ}}^t\underset{n\∈\mathrm{\Π}}{\Σ}{l}_n^t){\mathrm{\Δ\δ}}_n^t\end{array}---\left(14\right)$$\begin{array}{cc}s.t.& \underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}{\mathrm{Er}}_{n,a}^t=D_{n,a},\∀n\∈\mathrm{\Π},a\∈R_n\end{array}---\left(15\right)$$0\≤{\mathrm{Er}}_{n,a}^t\≤{\mathrm{Er}}_{n,a,max},\∀n\∈\mathrm{\Π},a\∈R_n,t\∈\mathrm{\Γ}---\left(16\right)$${\mathrm{Eev}}_{n,ch}^t\≤{\mathrm{Eev}}_{n,max},\∀n\∈\mathrm{\Π},t\∈\mathrm{\Γ}---\left(17\right)$${\mathrm{Eev}}_{n,dis}^t\≥{\mathrm{Eev}}_{n,\min },\∀n\∈\mathrm{\Π},t\∈\mathrm{\Γ}---\left(18\right)$${\mathrm{Ess}}_{n,ch}^t\≤{\mathrm{Ess}}_{n,max},\∀n\∈\mathrm{\Π},t\∈\mathrm{\Γ}---\left(19\right)$${\mathrm{Ess}}_{n,dis}^t\≥{\mathrm{Ess}}_{n,\min },\∀n\∈\mathrm{\Π},t\∈\mathrm{\Γ}---\left(20\right)$其中为家庭用户n的任意一种家用电器a∈R_n在t时段所消耗的电能，D_n,a为满足日常用电需求所需消耗的电能，Er_n,a,max为满足日常用电需求所消耗的最大电能，Eev_n,max,Eev_n,min分别为家庭用户n的电动汽车电池的最大储能与最小储能，Ess_n,max,Ess_n,min分别为家庭用户n的储能装置7的最大储能与最小储能；e、所有家庭用户在一天24个时段内相互竞争，调节他们的负荷以最大化他们的效益，减少用电成本的情况下实现了更高的舒适度以及偏好度，设定所有家庭用户集合Π，每个家庭用户制定出当天24个时段的负荷调度策略去调节电动汽车、不可中断电器以及功率可调电器；家庭用户n∈Π的负荷调节策略集为：$S_n^t=\left\{l_n^{{\mathrm{\α}}_n^t,{\mathrm{\β}}_n^t,t}\right|l_n^{{\mathrm{\α}}_n^t,{\mathrm{\β}}_n^t,t}\≤l_n^{{\mathrm{\α}}_n^t,{\mathrm{\β}}_n^t,max}\}---\left(21\right)$其中和分别表示家庭用户n在t时段的用户舒适度和偏好度的相关系数，为考虑用户舒适度以及偏好度的负荷，而为最大的负荷；定义家庭用户n在t时段考虑用户舒适度和偏好度的个人效益函数分别为：$V_n^t\left(l^{{\mathrm{\α}}_n^t,{\mathrm{\β}}_n^t,t}\right)={\mathrm{\α}}_n^t{\mathrm{\Δ\δ}}_n^{t}ln{(l_n^{{\mathrm{\α}}_n^t,t}-l_n^{{\mathrm{\α}}_n^t,{\mathrm{\β}}_n^t,t})}^2---\left(22\right)$$W_n^t\left(l^{{\mathrm{\α}}_n^t,{\mathrm{\β}}_n^t,t}\right)={\mathrm{\β}}_n^t{\mathrm{\Δ\δ}}_n^{t}ln{(l_n^{{\mathrm{\β}}_n^t,t}-l_n^{{\mathrm{\α}}_n^t,{\mathrm{\β}}_n^t,t})}^2---\left(23\right)$其中和分别表示家庭用户n在t时段考虑用户舒适度和偏好度后的负荷；根据(12)，(22)和(23)，家庭用户n在t时段的效益函数表示为：$\begin{array}{c}{U}_n^t\left(l^{{\mathrm{\α}}_n^t,{\mathrm{\β}}_n^t,t}\right)=-C_n^t\left(l^{{\mathrm{\α}}_n^t,{\mathrm{\β}}_n^t,t}\right)+V_n^t\left(l^{{\mathrm{\α}}_n^t,{\mathrm{\β}}_n^t,t}\right)+W\left(l^{{\mathrm{\α}}_n^t,{\mathrm{\β}}_n^t,t}\right)\\ =-l_n^{{\mathrm{\α}}_n^t,{\mathrm{\β}}_n^t,t}(p_{base}^t+{\mathrm{\λ}}^t\underset{n\∈\mathrm{\Π}}{\Σ}{l}_n^{{\mathrm{\α}}_n^t,{\mathrm{\β}}_n^t,t}){\mathrm{\Δ\δ}}_n^t\\ +{\mathrm{\α}}_n^t{\mathrm{\Δ\δ}}_n^t\ln {(l_n^{{\mathrm{\α}}_n^t,t}-l_n^{{\mathrm{\α}}_n^t,{\mathrm{\β}}_n^t,t})}^2+{\mathrm{\β}}_n^t{\mathrm{\Δ\δ}}_n^t\ln {(l_n^{{\mathrm{\β}}_n^t,t}-l_n^{{\mathrm{\α}}_n^t,{\mathrm{\β}}_n^t,t})}^2\end{array}---\left(24\right)$于是，家庭用户n的效益函数表示为：$U_n\left(l^{{\mathrm{\α}}_n,{\mathrm{\β}}_n}\right)=\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}\left(\begin{array}{c}-l_n^{{\mathrm{\α}}_n^t,{\mathrm{\β}}_n^t,t}(p_{base}^t+{\mathrm{\λ}}^t\underset{n\∈\mathrm{\Π}}{\Σ}{l}_n^{{\mathrm{\α}}_n^t,{\mathrm{\β}}_n^t,t}){\mathrm{\Δ\δ}}_n^t\\ +{\mathrm{\α}}_n^t{\mathrm{\Δ\δ}}_n^t\ln {(l_n^{{\mathrm{\α}}_n^t,t}-l_n^{{\mathrm{\α}}_n^t,{\mathrm{\β}}_n^t,t})}^2\\ +{\mathrm{\β}}_n^t{\mathrm{\Δ\δ}}_n^t\ln {(l_n^{{\mathrm{\β}}_n^t,t}-l_n^{{\mathrm{\α}}_n^t,{\mathrm{\β}}_n^t,t})}^2\end{array}\right)---\left(25\right)$因此，效益优化问题可描述为：$\begin{array}{ccc}UO:& \max & \underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}\left(\begin{array}{c}-l_n^{{\mathrm{\α}}_n^t,{\mathrm{\β}}_n^t,t}(p_{base}^t+{\mathrm{\λ}}^t\underset{n\∈\mathrm{\Π}}{\Σ}{l}_n^{{\mathrm{\α}}_n^t,{\mathrm{\β}}_n^t,t}){\mathrm{\Δ\δ}}_n^t\\ +{\mathrm{\α}}_n^t{\mathrm{\Δ\δ}}_n^t\ln {(l_n^{{\mathrm{\α}}_n^t,t}-l_n^{{\mathrm{\α}}_n^t,{\mathrm{\β}}_n^t,t})}^2\\ +{\mathrm{\β}}_n^t{\mathrm{\Δ\δ}}_n^t\ln {(l_n^{{\mathrm{\β}}_n^t,t}-l_n^{{\mathrm{\α}}_n^t,{\mathrm{\β}}_n^t,t})}^2\end{array}\right)\end{array}---\left(26\right)$$\begin{array}{cc}s.t.& \underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}{\mathrm{Er}}_{n,a}^t=D_{n,a},\∀n\∈\mathrm{\Π},a\∈R_n\end{array}---\left(27\right)$$0\≤{\mathrm{Er}}_{n,a}^t\≤{\mathrm{Er}}_{n,a,max},\∀n\∈\mathrm{\Π},a\∈R_n,t\∈\mathrm{\Γ}---\left(28\right)$${\mathrm{Eev}}_{n,ch}^t\≤{\mathrm{Eev}}_{n,max},\∀n\∈\mathrm{\Π},t\∈\mathrm{\Γ}---\left(29\right)$${\mathrm{Eev}}_{n,dis}^t\≥{\mathrm{Eev}}_{n,\min },\∀n\∈\mathrm{\Π},t\∈\mathrm{\Γ}---\left(30\right)$${\mathrm{Ess}}_{n,ch}^t\≤{\mathrm{Ess}}_{n,max},\∀n\∈\mathrm{\Π},t\∈\mathrm{\Γ}---\left(31\right)$${\mathrm{Ess}}_{n,dis}^t\≥{\mathrm{Ess}}_{n,\min },\∀n\∈\mathrm{\Π},t\∈\mathrm{\Γ}---\left(32\right)$f、定义庭用户n的最优反应函数为：$r_n\left(l^{{\mathrm{\α}}_n,{\mathrm{\β}}_n}\right)=\{l^{{\mathrm{\α}}_n,{\mathrm{\β}}_n}\∈{\left(S_n\right)}_{n\∈\mathrm{\Π}}|U_n(l_n^{{\mathrm{\α}}_n,{\mathrm{\β}}_n,*},l_{-n}^{{\mathrm{\α}}_n,{\mathrm{\β}}_n,*})\≥U_n(l_n^{{\mathrm{\α}}_n,{\mathrm{\β}}_n},l_{-n}^{{\mathrm{\α}}_n,{\mathrm{\β}}_n,*})\}---\left(33\right)$其中为家庭用户n在负荷调节策略下的负荷，为除了家庭用户n外其余家庭用户在负荷调节策略下的负荷，电网根据公式(33)对家庭电能进行智能优化调度。