分布式能源互联网协同优化方法与利益分配机制研究

The unbalance between energy supply and demand due to the "point-to-point" application of distributed energy resources has made many distributed energy systems, both at home and abroad, face the embarrassing situation of either suspended or under long-term inefficient operation. Under this background, based on the complementary, interactive and mutually beneficial relationship between end-users, while considering the internet thinking, this project proposes the concept of "Distributed Energy Internet" and establishes an integrated modeling framework integrating micro, mesoscopic, and macro levels. Following which, by employing the mixed integer linear programming, graph theory and bi-level programming theory, a collaborative optimization model of network architecture, equipment configuration and operation strategy is proposed for the distributed energy internet. In addition, from the viewpoint of fairness among end-users, a cooperative game model is developed and the profit allocation mechanisms based on nucleolus and Shapley value are proposed. As the final result, this project may establish the theoretical foundation for the rational planning and scientific decision-making of distributed energy internet from both viewpoints of efficiency and fairness, so as to promote the formation of networked, systematic and more efficient application mode of distributed energy resources.

分布式能源“点对点”供应所导致的能源供需不匹配问题使得目前国内外大量分布式能源系统面临要么停运，要么长期低效运行的尴尬局面。针对此问题，以互联网思维为导向，以终端能源用户间的互补、互动、互利为立足点，本项目提出“分布式能源互联网”的概念，并应用系统工程理论与方法建立集微观、细观、宏观于一体的多层次、多尺度集成建模框架。在此基础上，通过耦合应用混合整数线性规划、图论和双层规划理论，提出分布式能源互联网拓扑结构、设备配置与运行策略协同优化的系统方法。同时，在确保供能网络整体效率性的前提下，从网络内用户间的公平性视角出发，基于合作博弈理论建立分布式能源互联网用户间利益分配模型，并提出基于Shapley值和核仁的利益分配机制。本项目的研究成果将为兼顾效率与公平的分布式能源互联网的合理规划与科学决策奠定理论基础，推动分布式能源应用向网络化、系统化、高效化方向发展。

在分布式能源系统中，需求侧负荷通常具有明显时序波动性，若为了实现自给自足让供给侧主动适应需求侧用能行为的动态变化，常规分布式能源系统将长期处于变工况运行状态，基于现有技术水平和管理手段，系统性能将严重恶化。针对上述问题，本项目以互联网思维为导向，基于产能、用能行为的时空互补性，提出了以分布式能源产消者为基本节点，耦合电力和热力融通的区域分布式能源互联网理念。在此基础上，分别以效率性和公平性为导向，提出了分布式能源互联网协同优化方法以及网络内用户间利益的合理分配机制。取得的主要研究成果如下：. （1）针对分布式能源互联网在时间、空间、类型、层次上所呈现的多尺度特性，采用多尺度建模方法分别对分布式能源单元设备（微观）、分布式能源用户系统（细观）以及整个分布式能源互联网（宏观）进行分析，确立了分布式能源互联网的集成建模框架。. （2）以单元产消者及区域整体能量守恒为基本立足点，通过源、网、荷的耦合分析，兼顾考虑单元设备运行、产消者选型配置和能源融通网络架构三层决策目标，以网络整体（涵盖所有产消者）经济性最优为导向，构建了分布式能源互联网协同优化数学模型。模型可根据产消者的空间布局、以及对电、热多能源流的动态需求，以最低成本满足所有产消者能源需求为目标，对供给侧分布式能源系统的设备配置、运行策略，以及产消者间能量输送网络进行协同优化。. （3）在确保供能网络整体效率性的前提下，从分布式能源互联网内产消者间的公平性视角出发，基于合作博弈理论建立了分布式能源互联网用户间利益分配模型，并借助核和夏普利值法分别从稳定性和公平性两个角度提出并确立了公平、合理的利益分配方案。. 本项目将有效解决分布式能源、资源优化配置过程中要遵循的效率性、公平性和可持续性原则，为分布式能源互联网的合理规划与科学决策奠定理论基础，推动能源互联网理念在城市和区域层面的具象化。