集中管理的分布式电力市场竞标仿真系统 ——...

集中管理的分布式电力市场竞标仿真系统

——系统结构升级与发电商行为仿真分析

答辩人：仇进指导老师：高峰教授

基金支持国家自然科学基金重点项目 ( 批准号： 60736027)国家自然科学基金项目 ( 批准号： 60704033)国家 863计划 ( 批准号： 2007AA04Z154 )

内容提要研究背景和意义仿真系统 Agent 建模仿真系统设计实现考虑传输约束的电力市场竞标模式仿真案例分析总结回答评审老师提出的问题

电网

研究背景和意义传统电力工业电力市场改革

发电

输电

调电

配电

供电

输电

调电

配电

垂直一体化运营，缺乏竞争，效益低下

购电发电

引入竞争机制，优化资源配置

研究背景和意义研究电力市场的方法

数学建模：以发电商成本最小为目标，市场的影响因素非常多，问题很复杂，对市场精确建模很困难市场仿真：对市场结构进行适当简化，形成可供市场各方应用的市场仿真结构

研究背景和意义对电力市场的仿真研究具有以下重要意义模拟电力市场行为：有助于了解市场运作行为方式及运行规律分析竞标规则：对电力市场中交易各方的经济利益进行分析，检验市场运营决策的实施效果，找出问题所在、提出修订市场规则的正确意见验证市场模式设计：提高市场运作决策的预见性、超前性和科学性，及时发现市场中存在的问题并加以解决优化竞标策略：通过对电力市场中交易结果的分析，采用恰当的竞标从策略，尽可能提高交易利润

Multi-Agent 建模步骤个体 Agent 的划分静态结构的建模动态行为的确定系统的组成

仿真系统 Agent 建模

首先确定系统总的目标和功能，并列出完成总目标的各个子目标并分析子目标间的关系，得到目标间的层次关系图。由此确定个体 Agent 在系统中的作用和功能，由此可对 Agent 进行角色划分。一般来说，针对不同的应用，设

计不同的 Agent 功能和结构。 Agent 是系统的基本单位，划分不同的角色体现了系统建模过程中目标驱动的思想。以各级子目标为基础，根据建模的需要

选定角色粒度。

Agent 静态结构建模主要用于描述组织中由 Agent 角色关系反映出来的组织结构。这种结构具有静止和稳定的特点。比较典型的有控制关系的等级结构、平等关系的扁平结构等。组织结构的核心是 Agent 间的关系，这种关系影响了 Agent在彼此的交互过程中可能采用

的行为模式。

动态行为一方面侧重于 Agent的交互行为，另一方面着重于刻画每个 Agent 内部思维状态。

这两方面在本质上是统一的。 Agent外部交互行为可分为 Agent协商、协作、冲突消解等，而内部状态常采用 BDI

的描述方法。

在原理上，分散的自主的Agent 首先被定义，然后研究怎样完成一个或者几个实体的任务求解。整个 Multi-Agent系统建模的过程可以看作是采用自底向上的设计方法。

原有仿真系统的结构和缺陷


I SO参数输入界面 ISO Agent

数据库

GenCo端参数输入界面

GenCo Agent

原有系统软件结构原有系统仿真时操作示意

对改进后系统的功能需求具有集中管理的功能系统的网络结构是可变化的拥有容错能力系统管理者拥有与 Agent 系统的基本交互能力


作为首要实现的功能，改进的系统需要不依赖于具体仿真 Agent 的网络位置而获得对它们的建立以及初始化能力，并对现存的 Agent状态具有监视能力。

原有系统在 Agent建立后即无法对仿真过程进行任何干预。改进系统需要在管理者与 Agent之间建立一条交互的通道，使 Agent的状态可以反映到系统界面，而管理者的指令也可以通过系统界面影响到

各 Agent 。

作为一个改进的系统，不再像初始版本中每运行一次仿真案例就需要重新运行系统程序。由此带来的问题是，当某次仿真中出现数据错误并引起当前仿真崩溃后，需要将这种错误局限于当次仿真中，而不是带入整个系统

引起系统的崩溃。

不同的仿真实验中，参与 Agent 的数量、位置、策略都有可能是不同的，作为 Agent载体的主机也时有不同的情况发生。具备调整系统网络结构的功能，可以更加充分的利用网络中闲置的主机，避免因为某几个主机无法运行而导致系统无法运行仿真案例的情

况发生。

仿真系统 Agent 建模 Agent 角色模型Server AgentRemote AgentGenCo AgentISO Agent

仿真系统 Agent 建模 Agent 子系统功能结构

连接/脱离仿真系统

命令解释

本地用户指令

ACL命令

向Server Agent注册/注销

新Agent创建

本地Agent平台管理

Remote 子系统

竞价策略

利润分析

历史数据

竞价算法

报价曲线

利润曲线

机组参数

GenCo 子系统ISO 子系统

调度与交易

信息发布

各厂数据报价

市场规则

各竞标者负荷分配

各节点电价

负荷数据

Server 子系统

人机界面

系统黄页

Agent GUI事件交互

用户输入

ACL消息

系统状态

ACL命令

仿真系统 Agent 建模 Agent会话模型

仿真系统设计实现 Server Agent 与 Remote Agent状态转移

接受RemoteAgent注册，等待用户命令

Server

用户开始仿真

分配仿真角色至各主机

接受仿真Agent注册、注销，等待用户命令

用户命令到达

发送命令消息至相关Agent

否

否

是

向Server注册

Remoto

等待命令

命令消息是否到达

创建消息要求的Agent

否

是

是

仿真系统设计实现 ISO Agent 与 GenCo Agent状态转移

设定参数建立市场环境

等待GenCo注册

达到市场规模？

发布提交竞标数据的消息

等待提交数据

提交数据完成？

读取竞标数据

计算清算价和成交电量

把结算信息写入数据库

发布交易消息

否

否

是

是

向I SO注册

通知I SO完成提交

等待I SO消息

利用优化策略产生新的竞标数据

读取结算信息

计算利润并写入数据库

提交竞标数据

等待I SO消息GenCO

仿真系统 Agent 建模 Agent 网络拓扑模型

仿真系统 Agent 建模改进后系统在仿真时的结构示意

仿真系统设计实现系统用例建模

系统操作员

系统

查看联入系统的主机

查看仿真结果

查看/管理仿真案例运行状态

设置仿真案例初始参数

在指定主机建立仿真Agent

查看可以被系统使用的主机，以及这些主机上存在的 Agent 的状

况包括建立 ISO和 GenCo两种Agent ，分为参数的传递和

Agent 的建立两个步骤

通过界面设置仿真的初始参数，并将这些参数封装在数据包中以便创建仿真

Agent

通过系统界面与Server Agent之间的交互以及

Server Agent 与仿真 Agent之间ACL消息的交互查看 /管理仿

真状态通过查询数据库得到仿真的各项

数据

用户界面层

集中管理界面

分布式主机界面

控制逻辑层

Server Agent

Remote Agent

仿真逻辑层

I SO Agent

GenCo Agent

数据信息层

数据库

仿真系统设计实现系统结构模型

用户界面层：负责系统的人机交互，如设置信息、仿真形式、过程控制等。包含系统的使用者面对的管理界面以及同局域网内不同主机的使用者控制将本机联入或脱离分布式系统的选择

界面。只有控制逻辑层的单元才拥有界面。

控制逻辑层：负责系统的结构，及下一层 Agent 的生成位置，生存周期等的控制。包含对整个系统进行管理控制的

ServerAgent 子系统和对局域网各个主机上容器进行控制的RemoteAgent 子系统。

仿真逻辑层：负责实现对电力市场的模拟。包含系统模拟电力市场所需的 ISOAgent 和 GenCoAgent两大部分。

数据信息层：主要完成系统运行信息的设置和结果的保存，主要为数据库方式

系统逻辑层的类结构

仿真系统设计实现系统的类结构设计

Agent类

Strategy类+ Parameter

类+

||

Agent软件实体

仿真系统设计实现系统的类结构设计

数据信息层类结构

系统界面层类结构

+addgencototree()+get()+setprogressbar()+. . . ()

- cma_nodes-genco_nodes-marketscal e- . . .

sa

+addGenCo()+I SOAI D()+. . . ()

- sa- j tabl edpane- . . .

GenCoframe

+setti ngf rame()+. . . ()

-parentf rame-databasei p- . . .

setting_frame

+startGenCoAgent()+statschange()+. . . ()

- I SOAi d- l abel s- . . .

GenCo_JPanel

+addtabl epane()+removetabl edpane()+. . . ()

-parentf rame-markettype- . . .

ISO_frame

+getl oad()+setl oad()+startI SOAgent()+. . . ()

- changed_row-count_num- . . .

ISO_JPanel

+mousecl i ck()+wri tetodb()+. . . ()

- case-db-parent- . . .

Case_JPanel

+setparameter()+startGenCoAgent()+i ni tcontai ner()+. . . ()

-ac-strategy-fi el ds- . . .

Remote

-pause- ref reash-set-start- . . .

Event_State

1

1

*

1

*

1 *

1*

1

*

仿真系统设计实现GUI － Agent 交互

JAVA 中界面类的响应机制是基于在 actionPerformed() 方法中添加 handling event 来实现的，而 JADE平台的通信机制是基于 ACL Message ，从 Agent向界面类传递信息可以由Agent 直接调用界面类中的函数，但界面类却不能生成 ACL Message ，因此两者之间不能互通。需要通过在界面类中实现 postGuiEvent() 方法，并在与之事先建立关联的GuiAgent类中实现 onGuiEvent() 方法，才能使用户的操作反馈到 MAS 系统中。这种交互方式从界面向 Agent 传递信息时采用 GuiEvent 对象，一个 GuiEvent 在建立时需要定义其所在的实例和类型，某些时候还需要向其中添加参数。

仿真系统设计实现系统界面

考虑传输约束的竞标模式

极小化总购电费用

能量平衡约束

机组容量约束

支路容量约束

已知节点 i的负荷为 Di。机组总数为 N，其中机组 g对应节点 Ng，报价 pg，容量 Cg。具有容量限制支路的集合为 GL，其中支路（ i， j）∈ GL的最大传输有功功率 PMij。设决策变量机组 g 实际出力为 ug，可得线性规划模型如下：

考虑传输约束的竞标模式忽略无功潮流及网损后支路容量约束

1 1g

I IM Ml li g li i l

i N i i

P u D P

节点边际电价的计算

对于安全约束经济调度有：边际机组个数等于阻塞设备个数加一。设阻塞支路集合为 GC，边际机组集合为 GM。设节点 i增加单位负荷，边际机组 g应增加出力为 ygi。所有边际机组增加的出力应该不影响阻塞支路的潮流，而总出力为 1 ，故有：

(( ) ) 0,

1

gM

M

CkN ki gi

g G

gig G

y k G

y

, 1, , 1

Mi g gi

g G

p p y i N

考虑传输约束的竞标模式无阻塞情况下节点边际电价计算

当不考虑支路容量约束时，简化的模型求解可以通过直接对发电商提供的出力 -报价对进行排序，当出力累加值等于系统总负荷时最后加上的一个出力 -报价对的报价就是系统各节点的边际电价，报价小于此价格的容量全部成交。

考虑传输约束的竞标模式 ISO端节点边际电价混合算法流程

竞标数据

采用MCP结算方法计算结果

是否满足安全约束

发布竞标结果

采用LMP结算方法计算结果

是

否

QLISOParameter

resul tDataBean

-wri teMCPtodb()- l oadnetrestri ct()- l oadResul tData()-wri teMCPtodb()

QLISOStrategy

-deregi ster()- regi ster()#setup()#takeDown()

ISOAgent

+dbconfi gure()+executequery()+executeupdate()+setcl ose()

DBBean

+Capci tyRe()+MCPComputer()-Qui ksort()- . . . . . . ()

MCPGen +mcp()+capre()-sortpri ce()- sortpower()- sortnode()-creatA()- . . . . . . ()

LMPGen

NetRestri ctBean

+l psol ve()-doi t()-pi vot()- resi ze()

SimplexNew

QLBidDataBean

考虑传输约束的竞标模式考虑安全约束的 ISO 子系统类结构设计

Agent类，确定Agent 实例的子类型，通过实例化时传入的参数确定初始化信息、结束时处理办法和调用的策略类

策略类，确定仿真时竞标流程，管理 ACL消息的发与收，调用算

法类算法类，负责具体的算法实现

数据结构类，负责约定前 3 种类之间的数据传输格式和存取方法

数据库支持类，其他类通过调用它的公共方法实现对数据库的存

取

考虑传输约束的竞标模式数据库表结构发电机组位置：

支路容量约束：

节点负荷：

功率关联矩阵：

考虑传输约束的竞标模式算法耗时比较

速度最高提高 10% 以上，阻塞率15% 时提高8% ，阻塞率 30% 时提高 5% ，阻塞率 60%时速度相当。

仿真案例分析市场结构

仿真案例分析

日负荷曲线

系统总装机容量

去除机组 3后剩余机组

容量

去除机组1后剩余机组容量

仿真案例分析从 HHI指数角度分析

HHI(Herfindahl-Hirschman Index)指数一般用于计算市场的垄断程度，其计算公式为：

式中：n——市场中发电商个数，Xi——以百分比为单位的第 i个发电商的市场占有率。仿真案例中 HHI指数为 3240 。

2

1

=n

ii

HHI X

根据美国司法部的原则， HHI小于 1000表示市场处于自由竞争状态， HHI 在 1000 至1800之间为中度垄断， HHI大于 1800 为高度垄断。

申报充足率的计算公式如下：

式中：n——市场中的发电商个数，m——市场中的负荷个数，Ci——发电商 i申报的供给容量，Li——负荷 i 的需求量。

仿真案例分析从供给剩余系数和申报充足率的角度分析

1

1

n

ii

S m

ii

CB

L

供给剩余系数的计算公式如下：

式中：RSIi——第 i个发电商的供给剩余系数，Si——第 i个发电商申报量占总需求的百分比。

SIi S iR B S

仿真案例中市场的申报充足率在 152.6% 至 291.5%之间。容量最大的机组在负荷峰值和谷值时的供给剩余系数分别为 84.8%和 162% 。容量次之的机组在负荷峰值和谷值时的供给剩余系数分别为 102.6% 和 196% 。

申报充足率反映了市场供给的富余程度，从一个侧面反映了市场的竞争力度。供给剩余系数反映了市场成员在市场中的地位，如果某个发电厂的供给剩余系数小于 100% ，则表明该厂处于关键地位，在需求价格无弹性的

情况下该发电厂无论申报多高的价格都会被调用。

仿真案例分析无传输约束时案例分析

无约束市场清算电价

在 0 到 6000 次迭代之间，市场清算价格较高

且相对稳定在 6000 到 8500之间时，市场清算价格出现快速下降

在 8500 到 10000之间时，市场清算价格依然有下降趋势，但其最小值不再变化，而只是震荡区间不断

减小

仿真案例分析

(a) 机组 1 利润 (b) 机组 3 利润 (c) 机组 1 出力 (d) 机组 3 出力

机组 1 行使其市场力申报高价，相应发电量与利

润降低

机组 3 发电量提高，利润稳定中有稍许上

升机组 1报价降低，发电量回

升

机组 3 发电量停止上升，利润降低

当报价接近机组 3报价时，利润趋于稳定

因为边际成本高于机组 1 ，在竞争中发电量下滑，利润继续降低

仿真案例分析

负荷峰值时段的市场清算电价

电价极高的现象

基本消失

电价较高的现象大幅度减少

仿真案例分析

机组 5 实际出力

仿真案例分析

传输约束： <170MW

有传输约束时案例分析

仿真案例分析

(a)E节点边际电价(b)C节点边际电价(c) 机组 1 利润(c) 机组 3 利润(e) 机组 1 实际出力(f) 机组 3 实际出力

仿真案例分析

(a)节点 D上机组 2 实际出力 (b)节点 A上机组 5 实际出力节点 A上的机组由于对 DE 支路的影响较小，其出力随着仿真迭

代次数增加的变化情况与无网络安全约束时相仿。节点 D上的机组对于 DE 支路的潮流影响较大，尤其当机组 1 与机组 3 的报价相当时，其报价决定了机组 1申报的负荷是否会引起 DE 支路的

阻塞。

总结构建了一个基于 MAS 的有集中管理功能的分布式电力市场竞标仿真系统。

实现了考虑传输约束的电力市场竞标模式。构建了一个以 PJM5节点 5 机组系统组成的具有垄断性的市场环境，对日前市场发电商博弈行为进行了仿真分析，得出了当负荷需求较低时，由于相邻时段竞标策略的相互影响，发电商博弈行为受到限制，市场电价最终会趋于边际成本的结论。

回答卫老师问题本文研究和开发了一个“集中管理的分布式”仿真系统。请问“集中管理”体现在哪些方面？而“分布式”又体现在哪些方面？关于分布式：本系统的操作人员可以将仿真案例中任意几个机组的模拟任务交给网络上任意一台安装了 Remote端并将其联入系统的物理主机来运行，同时可以指派这些机组从不同的数据库读取信息。因此从案例运行时的系统结构看，这是一个分布式的系统。关于集中管理：系统中所有的操作，包括运行案例，查看结果，调整系统仿真时的网络结构，查询系统中联入的可用主机等，均由 Server 子系统所在主机的操作人员完成，其他装有 Remote端的主机上的操作人员仅能控制自己的主机是否加入仿真系统。

回答卫老师问题在分布式系统或分布式仿真中，系统状态分散于不同的计算节点上。

本文如何实现分布节点间的时间同步？如何实现系统状态的一致性？关于时间同步：通过阻塞与唤醒机制实现 Agent 间的时间同步，例如在每一轮迭代中，各 GenCo Agent 计算出自己报价的速度不等，但 ISO Agent会将自己的线程阻塞，轮询等待所有 GenCO 的报价消息到来再进行下一步动作，同样 GenCo Agent 在提交完报价后进入等待，直到被 ISO发来的消息唤醒。关于状态一致性：仿真逻辑中 ISO Agent 和 GenCo Agent每一轮迭代中的阻塞与唤醒机制保证了他们的状态一致性，当任何一个 Agent失败时，仿真将不会继续进行。控制逻辑中 Remote Agent 通过注册 /注销服务使 Server Agent 实时更新控制逻辑层的 Agent状态，同时 Server Agent 可以主动查询其余所有 Agent 的状态，这保证了它们的状态一致性。

回答王老师的问题 P49页图 5-7 很不清楚，也未做解释，请补充说明。

回答王老师的问题

负荷峰值时段的市场清算电价

电价极高的现象

基本消失

电价较高的现象大幅度减少

论文中对本图的说明文字过于简单且并未明确说明本图编号，这是作者写作的失误。因为仿真迭代达 1W 次，数据点过于密集使得图像不够清晰，但由于需要考察单次的数据所以不能

对数据进行合并处理。

回答王老师的问题在仿真模型中如何考虑需求侧响应（如可中断负荷）的问题

系统的仿真模型是通过 Agent 实现的，当考虑需求侧响应时，需要在仿真逻辑层加入代表购电商的 Buyer Agent 并设置相应的参数和仿真逻辑，同时需要修改原有的 ISO Agent逻辑，使其在仿真中接受Buy Agent 传递的竞标消息，并与从 GenCo 传来的发电商竞标数据相拟合，得到当前时段的成交电量和电价。可中断负荷严格来讲并不是市场行为，而是我国电网与一些大型用电企业达成的协议，当负荷过高导致电价飞升时，电网通知与其有协议的企业停止用电，并对企业因停止用电所减少的负荷进行补偿。这种调节在现实中是由电网完成的，因此在系统的仿真模型中仅需要更改ISO Agent端的逻辑即可以实现对可中断负荷的模拟。不须更改其他相关模块的内容。


等待GenCo注册



等待提交数据


读取竞标数据



发布交易消息

否

否

是

是


等待GenCo注册



等待提交数据


读取竞标数据



发布交易消息

否

否

是

是

市场电价是否超过对可中断负荷企业的补偿电价

否

将当前时段负荷减去可中断

负荷是


谢谢！

2008.6.6

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