本发明涉及工业园区综合需求响应领域，尤其涉及一种考虑自趋优的工业园区分布式综合需求响应方法。
背景技术：
随着化石能源的快速枯竭及其对环境、气候的影响日益显著，提高能源利用效率、充分利用现有的可调控资源而非单纯增加装机容量成为可持续发展的必由之路。需求响应(demandresponse，dr)通过整合需求侧的可调控资源与电网进行“双向互动”，是应对日益增长且多样化的电力需求和缓解电力供需不平衡的有效手段。目前国内外关于区域综合能源系统规划的研究主要集中在系统设备容量规划和考虑多能耦合的配电网扩展规划，而针对区域综合能源系统中能源站的数量、位置及供能管线布局规划的研究较少。
目前国内外关于综合需求响应(integrateddemandresponse,idr)的研究已经获得了一定成果。戚野白等人(戚野白，王丹，贾宏杰，等.基于需求响应的集群温控负荷建模及参与低频减载策略研究[j].中国电机工程学报，2017，37(3)：751-759.)建立了电热水器集群温控负荷的模型，研究了其在频率响应下的控制策略。tsuikm等人(tsuikm，chansc.demandresponseoptimizationforsmarthomeschedulingunderreal-timepricing[j].ieeetransactionsonsmartgrid，2012，3(4)：1812-1821.)对常见居民用户负荷的需求响应特性进行分类，提出利用家庭能量管理系统(energymanagementsystem，ems)响应实时电价的方法。曾丹等人(曾丹，姚建国，杨胜春，等.应对风电消纳中基于安全约束的价格型需求响应优化调度建模[j].中国电机工程学报，2014，34(31)：5571-5578.)研究了具有固定价格弹性系数的可调控负荷参与平衡风电功率波动的调度过程。上述文献分析了具有特定价格响应特性和运行约束的负荷参与dr的策略，未考虑不同能源间的互补作用。
综上所述，现有的idr研究多为集中式的统一优化调度，上级能量管理系统(energymanagementsystem，ems)需要获取用户的生产、用能等可能涉及私密性的信息，降低了用户参与需求响应的意愿。此外，现有研究中通常考虑用户对分时电价做出响应，但未考虑上级电网对响应结果安全性的评估及其与用户的互动。对于工业园区内部用户参与idr的容量分配和补偿机制，目前也尚未有充分的研究。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明考虑工业园区与上级电网的双向互动，提出一种园区用户分布式地参与idr的机制。工业用户首先对分时电价做出响应，考虑生产过程中的多能协同和热能梯级利用，以用能成本最小化为目标进行自趋优，并上报用能计划。上级电网对系统总体用能情况进行安全性评估，若不能通过安全校核，则向园区下发调峰需求指令。进而在设计的idr机制下，上层园区以idr总成本最小化为目标，下层工业用户以自身参与idr后的成本最小为目标，进行双层分布式优化。最终用户对idr的边际成本达成一致，得到使用户自身和园区idr总成本均最小的削峰量分配方案，并且在参与idr的过程中较好地保护了用户的信息私密性。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种考虑自趋优的工业园区分布式综合需求响应方法，包括如下步骤：
步骤1：在工业园区内部建立以统一价格结算的园区idr市场；工业用户对分时电价做出响应，以用能成本最小化为目标进行自趋优，并上报用能计划；上级电网对工业园区总体用能情况进行安全性评估，若能通过安全校核，则工业用户按原计划用能，若不能通过安全校核，则上级电网向工业园区下发削峰需求指令和电网调峰辅助服务价格；
步骤2：工业园区ems根据上级电网的削峰需求指令和工业用户缴纳的基本电费，分配各个工业用户应削峰量；
步骤3：各个工业用户根据最新的园区idr市场出清价格进行自趋优，并申报期望idr容量和期望价格，其中初始出清价格为电网调峰辅助服务价格；
步骤4：工业园区ems计算所有工业用户申报的期望idr容量的总量，判断idr总量和电网下发的削峰需求总量的大小，若idr总量≤削峰需求总量，则用户按照所申报的期望idr容量参与需求响应，园区idr市场按照上一次更新的出清价格进行结算；
若idr总量＞削峰需求总量，工业园区ems以idr市场供应方的总成本最小为目标选择中标用户，并得到更新后的出清价格；重复步骤3～4，直到idr总量≤削峰需求总量。
进一步的，步骤1所述的统一价格不应高于电网调峰辅助服务价格。
进一步的，所述的步骤2具体为：
工业园区ems参考工业用户缴纳的基本电费对应的需量分配各个工业用户的应削峰量，首先计算各工业用户的可用容量基准值：
其中，t为一天内的时段编号，pref,i,t为第i个工业用户在时段t的可用容量基准值，pi,t为未考虑idr时工业用户在时段t的计划购电功率，pd,t为上级电网在时段t的削峰需求总量，n为工业园区内的工业用户数量，pb,i为第i个工业用户的需量；
计算各工业用户的应削峰量：
pdref,i,t＝pi,t-pref,i,t
其中，pdref,i,t为第i个工业用户在时段t的应削峰量。
进一步的，所述的步骤3具体为：
步骤3.1：将一天分为96个时段，工业用户自趋优的目的是使其参与idr后的总成本最小，目标函数如下：
minci＝ceqp,i-ii
ceqp,i＝ce,i cgas,i ch,i com,i css,i cbsw,i
式中：ci为第i个工业用户参与idr后的总成本，ii为第i个工业用户在园区idr市场中获得的收益，pidr为园区idr市场出清价格，初始出清价格为电网调峰辅助服务价格；pdr,i,t为第i个工业用户参与idr后在时段t的购电需求，γ为削峰时段集合，ceqp,i为第i个工业用户的日用能成本，ce,i、cgas,i和ch,i分别为第i个工业用户的购电、购气和购热成本，com,i为第i个工业用户的设备运行维护成本，css,i为第i个工业用户的燃气轮机和燃气锅炉的启停成本，cbsw,i为第i个工业用户的电池储能折旧成本；
为了避免工业用户在需要调峰的一部分时段内用尽所有的可调控资源，导致其余时段无法提供需求响应，要求工业用户在各调峰时段等比例地进行削峰；
其中，αi为一正数变量；
购电成本的计算公式如下：
其中，ce,t为时段t的电价，t为单位时段的时长；
购气成本的计算公式如下：
其中，cgas为天然气价格，fgt,i,j,t和fgb,i,j,t分别为第i个工业用户的第j台燃气轮机在时段t的产电功率和天然气消耗速率；
购热成本的计算公式如下：
其中，ch为chp热蒸汽价格，hbuy,i,t为第i个工业用户在时段t的购热功率；
设备运行维护成本的计算公式如下：
其中，com,i,j为第i个工业用户的第j台设备单位输出功率的运行维护费用，pout,i,j,t为第i个工业用户的第j台设备在时段t的输出功率；
启停成本的计算公式如下：
其中，css,i,j为第i个工业用户的第j台设备的开停机费用，ui,j,t为第i个工业用户的第j台设备在时段t的状态，ui,j,t＝1表示开机，ui,j,t＝0表示停机；
电池储能折旧成本的计算公式如下：
其中，cbsw为蓄电池累计充电1kwh的折旧成本，pbs,c,i,j,t为第i个工业用户的第j个电池储能在时段t的充电功率。
步骤3.2：根据步骤3.1得到的minci获得pdr,i,t，计算各个工业用户的期望idr容量为：pi,t-pdr,i,t；期望价格pi为：
进一步的，所述的步骤4具体为：
工业园区ems计算所有工业用户申报的期望idr容量的总量，判断idr总量和电网下发的削峰需求总量的大小；
若idr总量≤削峰需求总量，则用户按照所申报的期望idr容量参与需求响应，园区idr市场按照上一次更新的出清价格进行结算，若出清价格还未进行迭代更新，则按照电网调峰辅助服务价格进行结算；
若idr总量＞削峰需求总量，工业园区ems以idr市场供应方的总成本最小为目标选择中标用户，确定用户在时段t的削峰比例αδ,i,t，其目标函数为：
0≤αδ,i,t≤αi
其中，c为idr市场供应方的总成本，λ为供应方的编号集合，αδ,i,t为第i个工业用户在时段t的削峰比例，若αδ,i,t＞0，则说明该工业用户中标；根据中标的工业用户在时段t的削峰比例αδ,i,t，得到各工业用户的中标容量：αδ,i,t*pdref,i,t；
将所有中标的工业用户中申报的期望价格最大值作为更新后的出清价格。
本发明具备的有益效果是：
1)与集中式idr相比，用户提供给园区ems的信息较少，有利于保护用户的信息私密性和控制自主权，使得需求响应更容易实际实施；
2)借鉴并结合现有市场机制设计了工业用户参与调峰需求响应的容量与收益分配机制，从而在现有的市场机制下具备实施的可行性；同时在该机制下用户可获得比各自独立参与idr更高的收益，提高了用户参与idr的积极性；
3)在idr过程中用户能够以自身成本最小化为目标进行自趋优，可促进用户充分考虑冷、热、电、气等多种能源在时空上的互补特性，挖掘自身的idr潜力；同时本发明分布式需求响应的结果可使园区整体idr成本也达到最小。
附图说明
图1为工业用户响应调峰需求的流程图；
图2为本实施例中工业用户计划购电功率；
图3为本实施例中用户1设备优化运行结果。
图4-a为各用户的交流电负荷曲线图；
图4-b为各用户的直流电负荷曲线图；
图4-c为各用户的热负荷曲线图；
图4-d为各用户的冷负荷曲线图；
图4-e为各用户的蒸汽驱动负荷曲线图；
图4-f为各用户的光伏预测出力曲线图。
具体实施方式
一种考虑能源网拓扑特性的区域综合能源系统布局规划方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、在工业园区内部建立以统一价格结算的园区idr市场，所述的统一价格不应高于电网调峰辅助服务价格。工业用户对分时电价做出响应，以用能成本最小化为目标进行自趋优，并上报用能计划；上级电网对工业园区总体用能情况进行安全性评估，若能通过安全校核，则工业用户按原计划用能，若不能通过安全校核，则上级电网向工业园区下发削峰需求指令和电网调峰辅助服务价格；
步骤二：工业园区ems根据上级电网的削峰需求指令和工业用户缴纳的基本电费，分配各个工业用户应削峰量。
首先计算各工业用户的可用容量基准值：
其中，t为一天内的时段编号，pref,i,t为第i个工业用户在时段t的可用容量基准值，pi,t为未考虑idr时工业用户在时段t的计划购电功率，pd,t为上级电网在时段t的削峰需求总量，n为工业园区内的工业用户数量，pb,i为第i个工业用户的需量；
计算各工业用户的应削峰量：
pdref,i,t＝pi,t-pref,i,t
其中，pdref,i,t为第i个工业用户在时段t的应削峰量。
步骤三：各个工业用户根据最新的园区idr市场出清价格进行自趋优，并申报期望idr容量和期望价格，其中初始出清价格为电网调峰辅助服务价格；
将一天分为96个时段，工业用户自趋优的目的是使其参与idr后的总成本最小，目标函数如下：
minci＝ceqp,i-ii
ceqp,i＝ce,i cgas,i ch,i com,i css,i cbsw,i
其中：ci为第i个工业用户参与idr后的总成本，ii为第i个工业用户在园区idr市场中获得的收益，pidr为园区idr市场出清价格，初始出清价格为电网调峰辅助服务价格；pdr,i,t为第i个工业用户参与idr后在时段t的购电需求，γ为削峰时段集合，ceqp,i为第i个工业用户的日用能成本，ce,i、cgas,i和ch,i分别为第i个工业用户的购电、购气和购热成本，com,i为第i个工业用户的设备运行维护成本，css,i为第i个工业用户的燃气轮机和燃气锅炉的启停成本，cbsw,i为第i个工业用户的电池储能折旧成本；
为了避免工业用户在需要调峰的一部分时段内用尽所有的可调控资源，导致其余时段无法提供需求响应，要求工业用户在各调峰时段等比例地进行削峰；
其中，αi为一正数变量；
根据得到的minci获得pdr,it,，计算各个工业用户的期望idr容量为：pi,t-pdr,i,t；期望价格pi为：
步骤四：工业园区ems计算所有工业用户申报的期望idr容量的总量，判断idr总量和电网下发的削峰需求总量的大小；
若idr总量≤削峰需求总量，则用户按照所申报的期望idr容量参与需求响应，园区idr市场按照上一次更新的出清价格进行结算，若出清价格还未进行迭代更新，则按照电网调峰辅助服务价格进行结算；
若idr总量＞削峰需求总量，工业园区ems以idr市场供应方的总成本最小为目标选择中标用户，确定用户在时段t的削峰比例αδ,i,t，其目标函数为：
0≤αδ,i,t≤αi
其中，c为idr市场供应方的总成本，λ为供应方的编号集合，αδ,i,t为第i个工业用户在时段t的削峰比例，若αδ,i,t＞0，则说明该工业用户中标；根据中标的工业用户在时段t的削峰比例αδ,i,t，得到各工业用户的中标容量：αδ,i,t*pdref,i,t；
将所有中标的工业用户中申报的期望价格最大值作为更新后的出清价格。
重复步骤三至步骤四，直到idr总量≤削峰需求总量。
实施例
以某工业园区为例分析所提的分布式idr方法。在工业园区中有5个用户参与idr，各用户工厂综合能源系统中的设备数量如表1所示，各类设备的参数如表2所示。广州于2019年4月起执行的分时电价如表3所示。
表1各用户的设备
表2设备参数
表3分时电价
各用户的电、热、冷、蒸汽驱动负荷和光伏预测出力如图4-a至4-f所示。天然气和chp热蒸汽的价格分别为3.45元/m3和348元/t，折合成单位热值价格分别为0.349元/kwh和0.465元/kwh。5个用户缴纳的基本电费所对应的需量分别为：4.5mw、2.1mw、1.6mw、1.8mw和3.8mw。各用户的可中断负荷参数如表4所示。相邻两次市场出清价格变化上限κ＝0.1元，最小价格单位ε＝0.001元。
表4各用户可中断负荷参数
1.分时电价响应结果：
根据工业园区idr机制，工业用户首先对分时电价做出响应，向园区ems上报用能计划。各用户利用自趋优模型优化得到的计划购电功率如图2所示。由图2可以得出，用户对分时电价的响应结果是尽可能在电价谷时段、平时段和峰时段的购电功率依次减小，从而降低用能成本。同时结合表1，可以得出能源设备种类、数量较多，多能耦合更为紧密的用户具有更强的idr能力。以用户1为例，分析其对分时电价的具体响应情况，该用户经自趋优后的设备运行计划如图3所示。图3所示的设备优化运行结果具有如下特征：电池储能在电价谷时段充电，在峰时段放电，在平时段放电或为下一个峰时段补充电量；在峰时段和平时段，燃气轮机的发电成本低于向电网购电成本，处于满发状态；冰蓄冷装置在谷时段进行蓄冰，在峰时段融冰释放冷量；吸收式制冷机可利用工业生产过程产生的余热作为热源进行制冷，是工厂中最经济的制冷设备，用户优先使用吸收式制冷机制冷，不足的冷量由冰蓄冷装置和中央空调补充。
根据上述分析，本方法的工业用户自趋优模型可有效利用工厂中的能源设备实现多能协同互补，充分挖掘用户对分时电价的响应潜力，同时可对热能进行梯级利用，进一步降低用能成本。
2.调峰需求响应结果：
得到工业用户自趋优的购电计划后，上级电网通过评估系统整体用能情况的安全性，向园区下发调峰需求：在11:15—12:15的四个时段，调峰需求分别为4.50mw、3.79mw、2.86mw和2.96mw。同时下发电网的调峰辅助服务价格为0.540元/kwh。
园区ems收到电网调峰需求指令后，各用户的应削峰量计算结果如表5所示。
表5各用户的应削峰量
初始以电网调峰辅助服务价格作为工业园区idr市场的结算价格。用户利用考虑idr的自趋优模型计算最优的削峰量与报价，园区ems以idr总成本最小化为目标确定市场出清结果，进行图1所示的分布式idr响应过程。
经过6次迭代后计算收敛，得到最终的idr市场结算价格为0.140元/kwh。用户1-5申报的削峰比例分别为3.20、0.897、0、0、0，其中用户1在idr市场中为供应方，用户2、3、4、5为需求方。各个用户最终提供的削峰容量如表6所示。
表6各用户提供的idr容量
由上述市场出清结果可知，用户1的idr能力最强，在相同的结算价格下，意愿提供的idr容量最大。用户3、4、5参与idr成本较高，在最终的市场结算价格下，自身不提供削峰容量，而是选择从idr市场购买削峰容量。用户2提供的削峰容量小于其应削峰量，不足的部分在idr市场中购买。
5个用户参与idr后的用能成本分别为95356、73835、66093、45019和59199元，关于idr容量边际成本分别为0.131、0.140、0.230、0.200和0.235元/kwh。由此可看出用户1的边际成本小于结算价格，其作为供应方可从idr市场获得收益。用户2的边际成本等于结算价格，此时其削峰成本比从市场购买全部应削峰量或由自身提供全部应削峰量都更低。用户3、4、5的边际成本此时已经达到最低值，但仍大于结算价格，因此选择从idr市场购买削峰容量相比其自身进行削峰的效益更高。
最终各用户在idr市场获得的收益分别为261、-14、-60、-66和-120元。上级电网支付给工业园区的idr补偿为1512元，园区ems按照各用户可用容量基准值与其基本电费对应需量的偏差分配从电网的补偿收益，分别为493、230、175、197和416元。各用户响应分时电价后的初始计划用能成本、参与分布式idr后的总成本和各自独立进行需求响应的成本如表7所示。
表7各用户的成本
由表7可知，相比于初始计划用能的成本，各用户按本方法idr机制参与削峰需求响应后的总成本更低，提高了用户具有参与idr的意愿。此外，若园区用户各自独立地参与idr，则无法实现用户之间idr资源的协调，每个用户的成本相比采用本方法机制均有所提高。
通过上述分析可以得出，本方法的工业园区idr机制能够有效地配置园区内idr资源。在削峰需求量一定的约束下，可使得各用户参与idr的成本达到最低或使收益达到最大。同时，最终迭代结果使园区整体的idr成本也达到最小。
以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
1.一种考虑自趋优的工业园区分布式综合需求响应方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在工业园区内部建立以统一价格结算的园区idr市场；工业用户对分时电价做出响应，以用能成本最小化为目标进行自趋优，并上报用能计划；上级电网对工业园区总体用能情况进行安全性评估，若能通过安全校核，则工业用户按原计划用能，若不能通过安全校核，则上级电网向工业园区下发削峰需求指令和电网调峰辅助服务价格；
步骤2：工业园区ems根据上级电网的削峰需求指令和工业用户缴纳的基本电费，分配各个工业用户应削峰量；
步骤3：各个工业用户根据最新的园区idr市场出清价格进行自趋优，并申报期望idr容量和期望价格，其中初始出清价格为电网调峰辅助服务价格；
步骤4：工业园区ems计算所有工业用户申报的期望idr容量的总量，判断idr总量和电网下发的削峰需求总量的大小，若idr总量≤削峰需求总量，则用户按照所申报的期望idr容量参与需求响应，园区idr市场按照上一次更新的出清价格进行结算；
若idr总量＞削峰需求总量，工业园区ems以idr市场供应方的总成本最小为目标选择中标用户，并得到更新后的出清价格；重复步骤3～4，直到idr总量≤削峰需求总量。
2.如权利要求1所述的一种考虑自趋优的工业园区分布式综合需求响应方法，其特征在于，步骤1所述的统一价格不应高于电网调峰辅助服务价格。
3.如权利要求1所述的一种考虑自趋优的工业园区分布式综合需求响应方法，其特征在于，所述的步骤2具体为：
工业园区ems参考工业用户缴纳的基本电费对应的需量分配各个工业用户的应削峰量，首先计算各工业用户的可用容量基准值：
其中，t为一天内的时段编号，pref,i,t为第i个工业用户在时段t的可用容量基准值，pi,t为未考虑idr时工业用户在时段t的计划购电功率，pd,t为上级电网在时段t的削峰需求总量，n为工业园区内的工业用户数量，pb,i为第i个工业用户的需量；
计算各工业用户的应削峰量：
pdref,i,t＝pi,t-pref,i,t
其中，pdref,i,t为第i个工业用户在时段t的应削峰量。
4.如权利要求1所述的一种考虑自趋优的工业园区分布式综合需求响应方法，其特征在于，所述的步骤3具体为：
步骤3.1：将一天分为96个时段，工业用户自趋优的目的是使其参与idr后的总成本最小，目标函数如下：
minci＝ceqp,i-ii
ceqp,i＝ce,i cgas,i ch,i com,i css,i cbsw,i
式中：ci为第i个工业用户参与idr后的总成本，ii为第i个工业用户在园区idr市场中获得的收益，pidr为园区idr市场出清价格，初始出清价格为电网调峰辅助服务价格；pdr,i,t为第i个工业用户参与idr后在时段t的购电需求，γ为削峰时段集合，ceqp,i为第i个工业用户的日用能成本，ce,i、cgas,i和ch,i分别为第i个工业用户的购电、购气和购热成本，com,i为第i个工业用户的设备运行维护成本，css,i为第i个工业用户的燃气轮机和燃气锅炉的启停成本，cbsw,i为第i个工业用户的电池储能折旧成本；
为了避免工业用户在需要调峰的一部分时段内用尽所有的可调控资源，导致其余时段无法提供需求响应，要求工业用户在各调峰时段等比例地进行削峰；
其中，αi为一正数变量；
购电成本的计算公式如下：
其中，ce,t为时段t的电价，t为单位时段的时长；
购气成本的计算公式如下：
其中，cgas为天然气价格，fgt,i,j,t和fgb,i,j,t分别为第i个工业用户的第j台燃气轮机在时段t的产电功率和天然气消耗速率；
购热成本的计算公式如下：
其中，ch为chp热蒸汽价格，hbuy,i,t为第i个工业用户在时段t的购热功率；
设备运行维护成本的计算公式如下：
其中，com,i,j为第i个工业用户的第j台设备单位输出功率的运行维护费用，pout,i,j,t为第i个工业用户的第j台设备在时段t的输出功率；
启停成本的计算公式如下：
其中，css,i,j为第i个工业用户的第j台设备的开停机费用，ui,j,t为第i个工业用户的第j台设备在时段t的状态，ui,j,t＝1表示开机，ui,j,t＝0表示停机；
电池储能折旧成本的计算公式如下：
其中，cbsw为蓄电池累计充电1kwh的折旧成本，pbs,c,i,j,t为第i个工业用户的第j个电池储能在时段t的充电功率；
步骤3.2：根据步骤3.1得到的minci获得pdr,i,t，计算各个工业用户的期望idr容量为：pi,t-pdr,i,t；期望价格pi为：
5.如权利要求1所述的一种考虑自趋优的工业园区分布式综合需求响应方法，其特征在于，所述的步骤4具体为：
工业园区ems计算所有工业用户申报的期望idr容量的总量，判断idr总量和电网下发的削峰需求总量的大小；
若idr总量≤削峰需求总量，则用户按照所申报的期望idr容量参与需求响应，园区idr市场按照上一次更新的出清价格进行结算，若出清价格还未进行迭代更新，则按照电网调峰辅助服务价格进行结算；
若idr总量＞削峰需求总量，工业园区ems以idr市场供应方的总成本最小为目标选择中标用户，确定用户在时段t的削峰比例αδ,i,t，其目标函数为：
0≤αδ,i,t≤αi
其中，c为idr市场供应方的总成本，λ为供应方的编号集合，αδ,i,t为第i个工业用户在时段t的削峰比例，若αδ,i,t＞0，则说明该工业用户中标；根据中标的工业用户在时段t的削峰比例αδ,i,t，得到各工业用户的中标容量：αδ,i,t*pdref,i,t；
将所有中标的工业用户中申报的期望价格最大值作为更新后的出清价格。
技术总结