深度 | 多能互补网络建模及动态演化机理初探

3.2多能互补网络发展的演化博弈模型

在多能互补网络演化博弈模型方面，首先基于主体策略演化驱动因素对多能源市场进行多阶段交易模拟，构建多能互补网络各主体策略迭代方程。其次，基于设备故障概率、修复时间、应急响应措施等故障传播驱动因素进行多分支过程估计，构建多能互补网络故障传播动力学模型。最后，结合网络生长驱动因素，构建基于邻域和历史信息的多能源生产、消费和传输主体策略演化的动力学模型，即演化博弈模型的核心—复制者动态方程。多能互补网络演化博弈模型如图8所示。

图8多能互补网络演化博弈模型

Fig.8Evolutionarygamemodelofmulti-carrierenergysystem

3.3多能互补网络演化的均衡求解与分析

由于多种能源的生产者、消费者、传输者等多主体之间存在竞争、合作等复杂博弈行为，多能互补网络生长演化的动力学模型，即复制者动态方程难以通过普通函数描述，呈现高度非线性，难以求解演化博弈全部均衡解。为此，可采用KKT最优性条件刻画参与者对其他参与者策略的理性反应，将复制者动态方程归结为一类微分互补系统。

对于演化稳定均衡策略，首先采用同伦法在给定范围内寻找该微分互补系统的平衡点，并根据平衡点处雅克比矩阵特征值筛选出稳定平衡点，即演化稳定均衡。其次，通过非线性系统半张量积稳定理论[81]计算每个演化稳定均衡的吸引域，给出系统能够维持结构稳定（即各类能源比例不发生大幅度变化）的扰动范围，精练演化稳定均衡。最后，获得减小物理经济总成本且保证系统安全的多能互补网络演化形态及多能源主体策略形态，供运行规划及调度等部门决策使用。对于非稳定均衡策略，即不稳定平衡点，需分析其失稳原因，给出防范措施，或设计合适的激励机制消除非稳定均衡策略。多能互补网络演化均衡求解与分析思路如图9所示。

图9多能互补网络演化均衡求解与分析思路

Fig.9Evolutionaryequilibriumofmulti-carrierenergysystem

4多能互补网络仿真模拟技术

多能互补网络仿真模拟平台是其建模分析与演化机理研究的必要工具。针对多能互补网络，开发一体化仿真模拟平台的重要性不言而喻。正如前文所述，多能互补网络动态特性复杂，既有纳秒到毫秒级的电网动态，又有分钟级甚至小时级的燃气、热力管网动态；既要考虑单一能源环节内部的动态，也要计及不同能源形式的耦合特性和综合优化；既要考虑人为主观决策因素，也要考虑大量不确定性因素的影响。特别是多能互补网络一体化网络模型及演化博弈模型分别是在固定时间断面和边界条件、长时间过程和变边界条件两种场景下对多能互补网络的模拟，但两者物理上密不可分。

影响多能互补网络运行和生长演化的因素众多，典型者如新能源、主动负荷、市场机制、市场参与者等均伴随着强不确定性，造成多能互补网络一体化网络模型和演化博弈模型具有高维不确定性特征，需要通过大量场景的仿真才能准确刻画其特性。海量场景的仿真导致计算量剧增，传统仿真计算平台难以在有限时间内完成全部仿真。因此，为实现多能互补网络全方位综合仿真模拟，需要突破大规模系统多时空尺度分解协调仿真和海量场景分布式并行仿真等技术难题。

在多能互补网络仿真模拟技术研究方面，首先，基于多Agent构建多能互补系统仿真模拟平台；其次，采用试验系统进行模型校正和平台验证；最后，基于其解决多能互补典型工程问题，包括多能互补网络规划设计、市场运营机制、连锁故障模拟及安全防御等。

4.1多能互补网络仿真模拟平台

在多能互补网络仿真模拟平台研发方面，首先在多能互补网络建模和演化机理基础上，根据多能互补网络的物理信息结构、市场模型和演化机制，设计数据交互接口和通信协议；在一体化模型的基础上编制大规模多能互补网络暂态仿真、稳态潮流分析、市场交易模拟模块；在多能互补动态演化机理的基础上编制5～30年中长期演化过程模拟模块；研发基于多Agent的多能互补网络仿真模拟平台，实现能量流动、信息传递和经济行为的模拟。其次，根据新能源的功率波动特性以及市场个体行为等不确定性设计大量仿真场景，采用场景削减技术压缩仿真模拟的场景数，进而利用并行计算技术对多能互补网络多场景仿真进行加速计算。在此基础上，综合考虑系统综合能效、新能源消纳比例、环境效益等方面因素建立系统状态评估体系，采用深度学习等方法训练系统评价指标，选取系统关键特征量。通过对不同边界条件、演化机制下系统的性能指标进行数据挖掘，形成知识并指导仿真场景的削减，以加速演化模拟过程。

4.2仿真模拟平台测试及工程应用

仿真模拟平台正确性验证是用其指导多能互补网络工程实践的前提，实际多能互补系统运行经验也可为仿真模型校正提供依据。在多能互补网络仿真模拟平台测试方面，首先采用成熟商用仿真软件对仿真平台的物理系统模型进行校准。然后，在仿真模拟平台中建立实际系统模型，对比仿真结果与实测数据，验证仿真平台的正确性。在此基础上，优化和调整仿真平台。

在多能互补网络仿真模拟平台工程应用方面，基于所研发的仿真模拟平台，研究多能互补网络的连锁故障模拟与安全防御技术、规划设计以及运营机制。具体研究内容包括：1）多能互补网络设备多样性、随机性强，故障可能在多个耦合系统交织传播，需要研究连锁故障演变机理和传播路径，进而设计快速安全防御策略；2）基于仿真模拟平台研究多能互补网络的中长期演化过程，提出系统规划设计方法，应用于实际多能互补网络；3）研究多边能源市场的分析与设计问题，探讨适合中国国情的能源交易体系，构建公平、自主、开放的能源市场，促进多能源互补利用与能源效率的提升。

5结语

多能互补网络已成为未来能源系统演化发展的必然趋势，而全球能源互联网将是多能互补网络演化发展的一种形态。本文适逢中国能源革命与电力体制改革的关键期，立足于能源产业发展面临的瓶颈，通过新理论、新方法攻克难题，以推动能源互联网的建设和普及。针对能源互联网的基础设施，即多能互补网络，分析了其运行所关心的建模分析及演化机理基本理论与技术瓶颈问题，详细分析了多能互补网络建模、动态演化机理及仿真三方面关键技术。本文有望为多能互补网络建模分析、规划设计及演化发展等相关研究提供参考。

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作者简介：梅生伟（1964），男，清华大学教授、博士生导师，长江学者，IEEEFellow，IETFellow，基金委创新群体学术带头人，青海大学启迪新能源学院院长。主要研究方向为电力系统鲁棒控制、大电网灾变防治和可再生能源综合利用等，E-mail:meishengwei@mail.tsinghua.edu.cn。

李瑞（1993），男，博士研究生，主要研究方向为多能互补网络优化控制、压缩空气储能系统建模及强化学习在线控制等，Email:eeairicky@gmail.com。

黄少伟（1985），男，博士，助理研究员，青海大学启迪新能源学院特聘研究员，主要研究方向为电力系统并行和分布式技术、复杂网络理论与大电网安全防御及微电网运行与控制，Email:huangsw@tsinghua.edu.cn。