基于遗传算法的综合能源市场交易优化决策

王 谊 虞 勇 徐 杰 杨建立

（宁波市电力行业协会）

0 引言

综合能源市场交易的建设需要引入多种能源。可以预见，综合能源市场的特点是需求不稳定，能源种类多，买卖双方多，能源市场发展不稳定。传统的能源交易模式由于不同能源商品的特性差异和能源供应商之间的利益矛盾而存在一些问题。能源供应和交易大多由行业独立运营，跨行业交易存在市场利益和制度壁垒。难以满足多智能体能源系统协调优化运行的交易需求，难以保证交易中冷、热、电等多能耦合的实现。需要一套科学合理的优化和交易理论来突破孤立的传统能源交易模式，构建合理完整的一体化多智能体服务运行优化（operation optimization，OO）交易模式。因此，本文提出一种基于遗传算法（genetic algorithm，GA）的综合能源市场交易优化决策。

能源交易势必会在多个决策主体之间产生利益关联和决策优化。公平的市场机制和能源管理方法是保证能源共享和提高能源效率的前提。Gautam P将博弈论应用于电力市场，并使用主从博弈研究感兴趣的parties的交互机制。综合能源系统（integrated energy system，IES）的发展和能源互联网的兴起，加速了综合能源业务的多元化和精细化，使综合能源服务商成为未来能源供应的新市场参与者。综合能源服务商功能灵活，业务广泛，与用户互动性强。他们不仅可以与能源供应商明确能源交易，还可以聚合一定的使用负荷，通过能量转换和存储调度自己的设备和能源供应，并以综合需求响应的方式与用户建立能源互动机制［1］。

研究能源资源协调优化运行，建立协调、绿色、经济、共享的综合性能源体系。IES整合冷、热、电、气等能源形式的生产和供应，充分利用各种能源形态之间的耦合和比较关系，在满足能源需求的基础上，通过协调不同能源服务主体之间的生产和利益关系，优化能源供应成本，提高能源供应效率。满足用户的能源需求；建立完整有效的综合能源多体系运营和交易模式，实现多个综合能源服务主体的协调优化运营。本文基于GA，研究分析了综合能源系统（IEM）的交易优化决策，协调了一体化市场中多方的利益分配，提高了参与者的积极性，在市场引导下逐步推动不同能源形态的融合发展，实现了IES中多方合作共赢的局面［2-3］。

1 IEM 交易

1.1 能源市场交易系统

能源产品不仅具有一般商品的特性，而且具有自己独特的属性。它们的交易方式也不同于一般商品。因此，在能源市场交易中需要建立并遵循符合能源市场规律和要求的交易制度。这一交易制度是能源市场各方必须遵循并能反映能源产品交易特点，使能源产品能够有效、有序、快速、经济、低消耗地完成交易。该交易系统是一系列具体交易规则的集合，包括期货交易系统、现货交易系统、大宗交易系统等各系统的组合，以及统一能源市场交易系统原则下的石油交易系统、煤炭交易系统、电力交易系统等系统的组合［4］。这些交易系统不应被分割和孤立，而应相互限制、关联和相互作用。

1.2 综合能源市场中多智能体交易模式分析

在IES中，有各种能源资源和市场参与者。IES的多智能体事务模式结构如图1所示。

图1 IES的多智能体事务模式图

在IES的多农业交易模式中，主要有三方：综合能源服务需求用户、IES供需市场和综合能源供需市场。下面将介绍不同市场参与者的角色和交易行为模式。

1.2.1 IEM的主要作用

综合能源服务的用户是多代理事务中的用户。他们不仅有冷、热、电等多种能源的消费需求，还有能源项目和金融服务的投资需求，以及自身能源系统管理等能源服务的需求。为了满足这些需求，用户进入综合能源供需市场，寻求清洁、高效、节能、经济上合理的综合能源解决方案［5］。

IES供求市场是多主体交易市场规则的制定者和执行者，它承担着各种任务，包括对用户、服务提供商等不同主体的市场准入资格进行验证，通过交易平台中心实时发布市场主体的能源交易信息，以及对用户与综合能源服务商之间达成的交易进行审核和监督，并负责结算市场的交易并公布交易结果［6-7］。

综合能源服务商是能够提供多种能源服务的服务商，包括分布式能源供应、冷热电联供、储能运营、配电管理等。综合能源服务商以客户的用能需求为导向，为客户提供基础能源销售服务和能源咨询、改造、租赁等能源增值服务［8］。综合能源服务商的目标是实现用能客户优化用能配置、压缩用能成本、提升能效水平，同时构建清洁低碳、安全高效的现代能源综合服务体系。为了在市场上获得更多的利益，综合能源服务商将通过市场竞争争取更大的市场份额。

根据综合能源服务主体的业务需求和综合能源用户的服务需求，本文初步设计了IES多智能体交易模式，并分析了其交易对象、交易方式和价格形成机制。

1.2.2 IEM的交易行为模式

IES多代理交易的主要参与者包括综合能源需求用户和综合能源服务主体。一方面，用户和服务主体利用自身的能源供需优势，在市场上进行各种能源服务交易，满足各自的需求；另一方面，为保证企业生存发展，拓展自身服务潜力，综合能源服务主体之间也开展不同类别的能源商品合作交易，形成能源运营与服务的多元化组合，提高综合能源服务主体的市场竞争力［9-10］。

IES的交易模式应采用多种市场化交易模式。长期以来，我国电力、石油、煤炭、天然气等能源产品以行政定价为主。在IES中，为了最大限度地发挥IES和协调能量耦合的作用，应利用价格和激励机制等市场手段，通过日内交易、日前交易、实时交易等多维度市场化交易方式，在保证能源稳定的同时，提高能源效率。在供需方面，应灵活调整综合能源交易的时空尺度，为IES的优化运营和区域能源利用的提高提供交易支撑［11］。

IES的交易价格机制应该能够保障能源供需的安全性、稳定性、经济性和清洁性。目前，我国的能源交易价格机制主要有两种，即实时价格和计划价格［12］。实时价格是根据交易前和交易中的实时信息确定的；计划价格是由能源企业根据自己的能源产品的边际成本和利润预估的。两种不同的价格机制的目的是通过价格反映能源供应的可靠性和效率。

2 基于GA的能源市场综合交易优化决策

本文采用了一种改进的基于环形链结构的GA，以提高优化算法的收敛性能，从而提高IES多智能体运算的优化精度。基于环形链结构的GA的具体操作步骤如下：适应度计算是GA与优化问题之间的桥梁，它通过优化目标函数的设计，评价不同个体对优化环境的适应程度，从而确定个体进化的方向选择。基于适应度的群体，个体有向地自我复制的过程称为GA选择过程。在个体自我复制的过程中，适应度高的个体更易存活，并将自己的优势特性遗传给下一代个体。

如果当前个体的适应度小于neighborhood的最大适应度值，则个体停止复制并退出个体的生存竞争。假设当前个体位于网格点（1，I）并且该区间有n个竞争个体，则竞争性选择公式将这些个体显示在公式（1）中：

其中交叉是一种通过交换优秀个体的遗传信息，从而产生更优秀后代的过程。相比于普通的随机交叉算子，正交交叉算子能够选取搜索空间中分布均匀的典型个体进行交叉。正交交叉算子的步骤如下：首先，确定两个亲本个体，它们需要产生后代；其次，对两个个体进行多因素正交试验；最后，从正交试验的结果中选择适应度最高的3个个体作为优化后代。

其中产生的突变是一种在交叉优化后的个体上进行微小改变，以避免陷入局部最优的过程。它是一种在个体的相对定义域内加入高斯扰动，从而实现小幅度突变的过程。编译新变体的过程如公式（2）所示：

终止条件。当总体中最优个体的适应度函数值达到设定限，或最优个体与整个总体的适应度函数值不变，或迭代次数达到设定上限时，终止运算并输出最终优化结果。

3 模拟IEM 中事务优化的解析

为了验证本文提出的基于GA的综合能源市场交易优化决策方法的有效性，本部分利用实际数据对优化模型进行仿真分析。本部分采用区域内的电价、天然气价格和能源供需的历史数据，对优化运行进行模拟计算。模拟的IES不仅包含可再生能源，还包含能源控制版本设备，以及供热网络和电网。各调度单元的容量见表。

表 综合能源设备运行参数

本文综合考虑了不同相关方的利益需求，以系统协调运营主体的投资比例的相对接近度为参考，从帕累托最优解集中确定了最终的优化运行方案。根据运营结果，采用GA优化决策方法的场景（以下简称场景1）相比于采用传统决策方法的场景（以下简称场景2），日常运营成本降低了47.87元，占场景2总运营成本的3.05%；在清洁能源利用方面，场景1比场景2提高了0.3个百分点，增长率为1.02%。两种场景下的目标函数数据变化如图2所示。

图2 经济比目标函数变化曲线

从上图可以看出，基于GA的场景1在经济性和清洁能源利用方面优于基于传统协同运行的场景2。在IES中，配电网、分布式光伏和CCHP的协调优化运行提高了系统运行的综合效益。其中，分布式光伏具有良好的环境效益，对提高区域清洁能源利用率具有重要作用。在多能并网协调运行的支持下，分布式光伏作为随机电源，其功率输出得到了最大程度的利用。配电网利用储能电池的市场机制响应分时电价，在保证系统运行经济性的同时，稳定分布式发电的随机输出波动。CCHP作为系统中制冷、供暖和电力的供应商，测量比较燃气价格和电价波动。同时，可以通过调节电加热比来改变电加热负荷的输出比，优化系统的运行成本，减少了煤电的使用。

4 结束语

本文从IES运营利益和社会效益的角度出发，建立了基于GA的综合能源交易市场优化模型，考虑了经济性和环境效益，通过仿真分析，验证了模型的有效性。仿真结果表明，基于GA的优化决策模型能够有效提高系统运行的社会效益和环境效益，降低运营的经济成本。利用GA求解优化模型的过程，并通过该算法验证了交易机制和优化模型的可行性。

随着电力市场的不断开放，特别是综合能源用户的商业化需求的增加，多个主体之间的电子密封交易不再是单向的。每个主体都有多种角色关系，在不同的交易过程中进行能量和信息的双向交换。面对未来这种灵活的市场竞争，为了提高各方经济效益，增加可再生能源的利用率，降低环境污染。未来综合能源市场交易优化决策模型需要考虑风电等随机电源的市场参与度，基于GA的综合能源市场交易优化决策方法还有待进一步研究。