基于分层博弈的港船能源交通系统融合运行方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于分层博弈的港船能源交通系统融合运行方法及系统，包括：步骤S1：制定港口与船舶能源交通融合运行的分层博弈架构；步骤S2：基于港口的优化目标函数和优化约束条件以及船舶的优化目标函数和优化约束条件建立港口与船舶分层博弈优化模型；步骤S3：分层博弈架构基于港口与船舶分层博弈优化模型，通过kkt最优性条件求解方法求解得到港口与船舶能源交通系统最优融合运行方法；所述港口与船舶分层博弈优化模型是港口作为上层的引导者制定策略并执行，船舶作为下层跟随者以港口制定的策略作为约束，做出相应的反应，港口根据船舶做出的反应更新自身策略，直至达到博弈均衡。到博弈均衡。到博弈均衡。

【技术实现步骤摘要】
基于分层博弈的港船能源交通系统融合运行方法及系统


[0001]本专利技术涉及港口船舶能源交通融合系统优化运行
，具体地，涉及基于分层博弈的港船能源交通系统融合运行方法及系统，更为具体地，涉及基于分层博弈理论的港口与船舶能源交通系统融合运行方法及系统。

技术介绍

[0002]港口作为链接海洋与陆地的重要枢纽，承担着物流交通运输等关键任务。而船舶是港口能源系统中最为重要的服务对象，其靠港服务管理及充放电优化管理是实现港口与船舶整体运行经济性的有效手段。
[0003]为了鼓励船舶与港口能源间进行能源交互，本专利技术建立了海上能源与服务交易机制，以实现船舶移动微电网与港口微能源网的能源交易与服务管理。在能源市场交易模型中，港口作为能源代理商参与公共电力市场的电能申报与交易，并制定港口与船舶间的日前能源交易价格；在海上泊位服务交易模型中，港口基于历史船舶泊位服务数据，制定船舶泊位服务价格。基于分层主从博弈模型，港口能源代理商制定出合理的能源交易价格和泊位服务价格引导船舶有序靠港，通过协调调度实现港口与船舶整体运行的经济性。
[0004]中国电机工程学报1
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12[2021
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12
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22]黄逸文,黄文焘,卫卫,邰能灵,李然的大型海港综合能源系统物流
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能量协同优化调度方法，为实现港口节能减排和能效提升，提出一种海港综合能源系统物流
‑
能量协同优化调度方法，充分挖掘物流系统与能源系统结合的经济优化潜力。从物流系统运行特性出发，分析岸桥调度对船舶在港状态影响，建立港船物流协同调度模型。分析海港物流系统用能特点，结合船舶在港状态和负荷运行特性，建立物流
‑
能源系统耦合负荷模型，以此实现物流系统与能源系统间的协同。以运行成本最低为目标，结合多种能源利用形式，对海港物流
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能源耦合系统协同优化，得到船舶负荷运行策略和岸桥调度方案，以及各能源设备出力。以上海某港口为算例，仿真结果表明所提方法在充分考虑船舶行程安排的基础上，能够有效结合港口物流系统与能源系统，降低运行成本和碳排放量，提高能源综合利用率。该文献提出了一种海港综合能源系统物流
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能量协同优化调度策略。该方法着眼于港口综合能源系统的经济性和环保性，未考虑船舶与港口间的能源交易机制，此外该文献也未考虑港口优化决策下船舶针对能源交易价格及泊位服务价格的动态响应。
[0005]中国电机工程学报:1
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20[2021
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12
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22].方斯顿,赵常宏,丁肇豪,张沈习,廖瑞金.面向碳中和的港口综合能源系统(二)：能源
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交通融合中的柔性资源与关键技术[J/OL]，港口综合能源系统是交通
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能源融合发展的标志。作为论文的第二部分，本文首先从能源侧与交通侧分析港口能源
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交通融合中的柔性资源，并提出这些柔性资源的建模方法。然后基于当前陆地综合能源系统的研究，本文展望了港口综合能源系统的能流建模方法。最后结合当前研究现状，提出能源
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交通融合规划方法、能源
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交通融合运行方法，能源
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交通融合评估指标体系三个未来关键技术。该文献综述了港口与船舶融合系统的关键技术，未涉及具体技术方案，也未考虑港船间的能源交易机制。
[0006]F.D.Kanellos,"Multiagent
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System
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Based Operation Scheduling of Large Ports
’
Power Systems With Emiss ions Limitation,"in IEEE Systems Journal,vol.13,no.2,pp.1831
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1840,June 2019,doi:10.1109/JSYST.2018.2850970.该文献针对大型港口优化运行提出了基于多代理系统的方法，着眼于港口自身的经济性与环境友好性，未考虑到港船间的能源交易策略优化。
[0007]专利文献CN113822578A(申请号：202111117258.6)公开了一种协同考虑船港综合能源系统的分布式能源管理方法，当船舶离港期间，港口综合能源系统内部进行能量管理；当船舶进岸靠港停留期间，将船舶视为移动电源，将其作为额外的供电设备参与至港口综合能源系统中，从而实现能源的充分利用。本专利技术针对船舶航行期间的集中式能量管理模式基于动态规划方法对其能量管理问题进行求解，基于船舶航行期间港口综合能源系统的分布式能量管理模式和船舶靠港期间协同考虑船舶与港口综合能源系统模式则采用分布式交替乘子算法对其进行优化调度。

技术实现思路

[0008]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于分层博弈的港船能源交通系统融合运行方法及系统。
[0009]根据本专利技术提供的一种基于分层博弈的港船能源交通系统融合运行方法，包括：
[0010]步骤S1：制定港口与船舶能源交通融合运行的分层博弈架构；
[0011]步骤S2：基于港口的优化目标函数和优化约束条件以及船舶的优化目标函数和优化约束条件建立港口与船舶分层博弈优化模型；
[0012]步骤S3：分层博弈架构基于港口与船舶分层博弈优化模型，通过kkt最优性条件求解方法求解得到港口与船舶能源交通系统最优融合运行方法；
[0013]所述港口与船舶分层博弈优化模型是港口作为上层的引导者制定策略并执行，船舶作为下层跟随者以港口制定的策略作为约束，做出相应的反应，港口根据船舶做出的反应更新自身策略，直至达到博弈均衡。
[0014]优选地，所述步骤S1采用：
[0015]G＝{(P∪S)；s
p
；F
p
；s
s
；F
s
}
ꢀꢀ
(1)
[0016]其中，P表示港口的供能设备；S表示船舶集合；s
p
表示港口固定式微电网的策略集；s
s
表示船舶移动式微电网策略集；F
p
表示基于港口固定式微电网的策略集实现的净收益；F
s
表示船舶移动式微电网策略集实现的净收益；
[0017]当博弈达到均衡时，效用函数应满足：
[0018][0019][0020]其中，F
s,i
为第i艘船舶的效用函数；为其它船舶的充放电策略集。
[0021]优选地，所述港口固定式微电网的策略集s
p
包括各功能设备有功出力、港口向船舶售电价格以及港口向船舶购电价格。
[0022]优选地，所述船舶移动式微电网策略集s
s
表示船舶的充电策略和放电策略。
[0023]优选地，所述港口的供能设备包括港口柴油发电机、港口储能系统以及可再生能
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于分层博弈的港船能源交通系统融合运行方法，其特征在于，包括：步骤S1：制定港口与船舶能源交通融合运行的分层博弈架构；步骤S2：基于港口的优化目标函数和优化约束条件以及船舶的优化目标函数和优化约束条件建立港口与船舶分层博弈优化模型；步骤S3：分层博弈架构基于港口与船舶分层博弈优化模型，通过kkt最优性条件求解方法求解得到港口与船舶能源交通系统最优融合运行方法；所述港口与船舶分层博弈优化模型是港口作为上层的引导者制定策略并执行，船舶作为下层跟随者以港口制定的策略作为约束，做出相应的反应，港口根据船舶做出的反应更新自身策略，直至达到博弈均衡。2.根据权利要求1所述的基于分层博弈的港船能源交通系统融合运行方法，其特征在于，所述步骤S1采用：G＝{(P∪S)；s
p
；F
p
；s
s
；F
s
}
ꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，P表示港口的供能设备；S表示船舶集合；s
p
表示港口固定式微电网的策略集；s
s
表示船舶移动式微电网策略集；F
p
表示基于港口固定式微电网的策略集实现的净收益；F
s
表示船舶移动式微电网策略集实现的净收益；当博弈达到均衡时，效用函数应满足：弈达到均衡时，效用函数应满足：其中，F
s,i
为第i艘船舶的效用函数；为其它船舶的充放电策略集。3.根据权利要求2所述的基于分层博弈的港船能源交通系统融合运行方法，其特征在于，所述港口固定式微电网的策略集s
p
包括各功能设备有功出力、港口向船舶售电价格以及港口向船舶购电价格。4.根据权利要求2所述的基于分层博弈的港船能源交通系统融合运行方法，其特征在于，所述船舶移动式微电网策略集s
s
表示船舶的充电策略和放电策略。5.根据权利要求2所述的基于分层博弈的港船能源交通系统融合运行方法，其特征在于，所述港口的供能设备包括港口柴油发电机、港口储能系统以及可再生能源发电系统；所述港口柴油发电机包括：所述港口柴油发电机包括：所述港口柴油发电机包括：其中，RU
n
、RD
n
分别为第n台柴油发电机的功率升高和降低范围上限；SD
n
、SU
n
分别为第n台柴油发电机的启动和关停功率变化值；γ
n,t
为第n台柴油机在t时段的启停状态指示变量；为第n台柴油机有功出力上下限；N为港口柴油发电机集合；T为整个日前调
度运行时段；为t时段港口柴油发电机成本；为港口柴油机出力成本系数；为港口第n台柴油机t时段有功出力；表示发电机组的旋转备用，z
n,t
表示发电机组启动指示变量，y
n,t
表示发电机组关停指示变量；所述港口储能系统包括：所述港口储能系统包括：所述港口储能系统包括：其中，为储能荷电状态上限；η
pch
，η
pdis
分别为港口储能设备充放电效率；表示t时段港口储能的荷电状态；P
pess,max
、P
pess,min
为港口储能充放电功率上下限；为港口储能初始容量；T为总调度时段；所述可再生能源发电系统包括光伏发电系统和风力发电系统，其各自出力P
tPV
和P
tWT
可以利用历史数据基于机器学习短期预测得到；其中，P
tPV
和P
tWT
分别表示t时段光伏和风电有功出力。6.根据权利要求1所述的基于分层博弈的港船能源交通系统融合运行方法，其特征在于，所述步骤S2采用：步骤S2.1：建立港口优化目标函数；其中，分别为t时段港口从电网购电和售电价格；P
tgb
，P
tgs
分别为t时段从电网购电量和售电量；T为整个日前调度运行时段；T
b
为船舶靠港停泊时段；Δt为优化调度时间间隔；c
ps,i,t
为第i艘船t时段靠港服务费；分别为t时段港口向船舶售电/购电费用；分别为第i艘船t时段充放电功率；表示第i艘船t时段的服务费，I表示参与港船互动的在港船舶集合；步骤S2.2：建立港口优化约束条件；港口
‑
船舶能源交易价格约束包括：其中，c
up
，c
lo
为港船间能源交易价格上下限；功率平衡约束：
其中，P
tpl
为t时段港口自身负荷；步骤S2.3：建立船舶优化目标函数；其中，T为整个日前调度运行时段；T
b
为船舶靠港停泊时段；Δt为优化调度时间间隔；c
ps,i,t
为第i艘船t时段靠港服务费；分别为t时段港口向船舶售电/购电费用；分别为第i艘船t时段充放电功率；步骤S2.4：建立船舶优化约束条件；全电力船储能相关约束采用：全电力船储能相关约束采用：其中，T
b
为船舶靠港停泊时段；Δt为优化调度时间间隔；I为计划到港船舶集合；分别为第i艘船t时段船载储能的充放电功率；分别为第i艘船t时段船载储能的充放电功率上限值；为第i艘船t时段船载储能的荷电能量；η
sch
，η
sdis
分别为船载储能的充放电效率；分别为第i艘船t时段充放电功率；物流相关约束采用：假定港口各调度时段对在港船舶的装卸速率基本一致，则其中，S
i
为第i艘船需装卸货物量，dl
i
第i艘船需装卸货物速率；N为港口柴油发电机集合。7.根据权利要求1所述的基于分层博弈的港船能源交通系统融合运行方法，其特征在于，所述步骤S3采用：步骤S3.1：利用Karush
‑
Kuhn

【专利技术属性】
技术研发人员：文书礼，林安妮，朱淼，徐莉婷，马建军，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：