文章解读与仿真程序复现思路——电网技术EI\CSCD\北大核心《基于条件风险价值的虚拟电厂参与能量及备用市场的双层随机优化》

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这篇文章的标题涉及到以下几个关键点的解读：

基于条件风险价值的：这表明研究所采用的方法或模型与条件风险价值（Conditional Value-at-Risk，CVaR）有关。CVaR是一种衡量风险的指标，它表示在特定风险水平下的预期损失。因此，文章可能会探讨如何基于CVaR来评估虚拟电厂在能量及备用市场中的风险。
虚拟电厂：虚拟电厂是一个能源系统的概念，它可以集成多种能源资源（如可再生能源、储能系统等），并通过智能管理和协调来提供电力市场所需的服务，例如能量市场和备用市场。因此，文章可能会关注虚拟电厂如何参与能量市场和备用市场。
参与能量及备用市场：这部分指出虚拟电厂是参与能量市场和备用市场的。能量市场涉及电力的实际购买和销售，而备用市场则提供备用容量，以满足系统不稳定性或需求峰值。因此，文章可能会探讨虚拟电厂在这两个市场中的参与策略和优化问题。
双层随机优化：这指的是文章所采用的优化方法。双层随机优化通常用于处理多层次、多决策者之间的相互作用，其中第一层通常考虑市场的反应，第二层则优化决策者的策略以最大化其利益。因此，文章可能会探讨如何通过双层随机优化方法来优化虚拟电厂在能量及备用市场中的参与和运营策略，同时考虑到市场的随机性和不确定性。

综上所述，这篇文章可能会研究基于CVaR的风险评估和双层随机优化方法，以指导虚拟电厂在能量及备用市场中的参与和运营决策。

摘要：为充分发挥虚拟电厂的灵活性价值，文章提出了虚拟电厂参与电能量及备用辅助服务市场的双层随机优化模型，上层基于条件风险价值理论建立了虚拟电厂参与电能量及备用辅助服务市场的两阶段风险决策模型，其中，第一阶段考虑新能源不确定性的潜在风险，建立了虚拟电厂参与能量和备用辅助服务市场的投标报价模型，第二阶段针对不同场景下的新能源出力建立了以虚拟电厂期望运行成本最小为目标的分布式资源优化调度模型；下层在已知各市场主体的投标报价信息后，开展电能量市场及备用辅助服务市场的联合出清。仿真分析表明所提方法能够有效指导虚拟电厂规避新能源不确定性的潜在风险，并通过将备用价格提高到下一个边际机组的报价从而增加自身利润。

这段摘要讨论了一种针对虚拟电厂的双层随机优化模型，旨在充分利用虚拟电厂的灵活性，并参与电能量及备用辅助服务市场。下面是对摘要中提到的主要内容的解读：

模型介绍：文章提出了一个双层随机优化模型，用于指导虚拟电厂在电能量市场和备用辅助服务市场的参与决策。这个模型有两个层次：上层和下层。上层是基于条件风险价值理论建立的两阶段风险决策模型，考虑了新能源的不确定性，以及在不同场景下的新能源出力情况。下层则是在已知各市场主体的投标报价信息后，进行电能量市场和备用辅助服务市场的联合出清。
上层模型：在上层模型中，第一阶段考虑了新能源不确定性的潜在风险，建立了虚拟电厂参与能量和备用辅助服务市场的投标报价模型。第二阶段针对不同场景下的新能源出力建立了以虚拟电厂期望运行成本最小为目标的分布式资源优化调度模型。这个模型的目标是最小化虚拟电厂的运行成本。
下层模型：在下层模型中，已知各市场主体的投标报价信息后，开展电能量市场及备用辅助服务市场的联合出清。这个过程可能涉及调整备用价格，以提高虚拟电厂的利润，例如将备用价格提高到下一个边际机组的报价。
仿真分析：对所提出的方法进行了仿真分析，结果表明这种方法能够有效指导虚拟电厂规避新能源不确定性的潜在风险，并通过调整备用价格来增加自身利润。

总的来说，这个模型的提出旨在帮助虚拟电厂更好地参与市场，并在不确定的环境中最大化其利润。

关键词：虚拟电厂;风险规避;能量市场;备用市场;随机优化;

虚拟电厂：指的是一种电力系统中的虚拟实体，它整合和管理分布式能源资源，如可再生能源、储能系统和其他灵活性资源，以提供电能和相关服务。虚拟电厂的目标通常是通过有效的能源管理和市场参与来最大化利润或实现其他商业目标。
风险规避：表示在决策过程中采取措施，以降低或规避可能的不确定性和风险。在这个上下文中，虚拟电厂可能面临新能源不确定性，通过制定合适的决策来规避或减轻潜在的风险。
能量市场：是电力市场的一个方面，涉及电能的买卖。虚拟电厂参与能量市场意味着它向市场提供电能并从市场购买电能，以实现最优的运营和经济效益。
备用市场：是电力市场的一个组成部分，专门用于提供备用电力容量，以确保系统的可靠性和稳定性。虚拟电厂在备用市场上的参与可能包括提供备用容量或购买备用服务，以适应系统波动和突发事件。
随机优化：是一种优化方法，考虑不确定性因素并采用概率或统计模型来描述问题。在虚拟电厂的情境中，随机优化可能用于处理新能源产量的不确定性，以制定最优的市场参与策略和运营调度方案。

这些关键词的集合表明摘要中讨论的是一种应对虚拟电厂面临的新能源不确定性的方法，通过随机优化模型在能量市场和备用市场上进行决策，以规避潜在的风险并提高虚拟电厂的利润

仿真算例：

本节采用改进的IEEE 9节点和IEEE 33节点的输配耦合测试系统验证所提双层优化模型的有效性，算例拓扑及具体说明如附录C所示，改进后的 VPP具有足够的市场份额参与电能量和备用辅助服务市场的投标竞价。所有仿真测试均选用 GUROBI进行求解。目前针对双层优化结构的处理方法通常分为两种，包括利用库恩-塔克条件（Karush-Kuhn-Tucker, KKT）进行转换[26]、基于解析方法[27]或者元启发式算法[28]进行分布式迭代求解。由于后者要求的解析解较难获取且元启发式算法计算效率较低，因此本文采用KKT条件将下层市场联合出清模型转化为原-对偶问题，进而将双层优化模型转化为带均衡约束的数学规划（Mathematical program with equilibrium constraint, MPEC），完成对双层结构的重组。

仿真程序复现思路：

仿真的复现思路如下：

建立模型：根据文中描述的双层优化模型，首先需要在代码中实现上层和下层模型。上层模型涉及条件风险价值理论和两阶段风险决策模型，包括新能源不确定性的处理和虚拟电厂期望运行成本最小化的分布式资源优化调度模型。下层模型涉及电能量市场和备用辅助服务市场的联合出清，采用KKT条件转换为原-对偶问题，然后转化为MPEC形式的数学规划问题。
选择仿真测试系统：根据文中描述，选择适合的测试系统，如改进的IEEE 9节点或IEEE 33节点的输配耦合测试系统。确保该测试系统能够反映实际电力系统的特点，并具有足够的复杂性来验证所提出的双层优化模型。
模型参数设定：根据所选测试系统的拓扑结构和参数，设置模型中的相关参数，如各节点的负荷需求、发电机容量、线路参数等。
求解优化问题：采用GUROBI或其他求解器，对建立的双层优化模型进行求解。在上层模型中，需要考虑新能源不确定性的影响，优化虚拟电厂的运行成本。在下层模型中，利用KKT条件转换为MPEC问题，联合求解电能量市场和备用辅助服务市场的出清问题。
性能评估：根据仿真结果评估所提出的双层优化模型的性能，包括虚拟电厂的利润增长、市场参与效果以及系统稳定性等指标。

以下是一个简化的Python代码示例，演示了如何建立双层优化模型并使用GUROBI求解：

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# 定义事件类型
ARRIVAL = 0
DEPARTURE = 1

class Event:
    def __init__(self, event_type, time):
        self.event_type = event_type  # 事件类型：到达或离开
        self.time = time  # 事件发生的时间

# 定义仿真模型类
class SimulationModel:
    def __init__(self, num_machines, mean_interarrival_time, mean_service_time):
        self.num_machines = num_machines  # 生产线上的机器数量
        self.mean_interarrival_time = mean_interarrival_time  # 平均到达间隔时间
        self.mean_service_time = mean_service_time  # 平均服务时间

        self.clock = 0  # 仿真时钟
        self.queue = []  # 事件队列
        self.busy_machines = 0  # 忙碌的机器数量

        self.total_arrivals = 0  # 总到达数量
        self.total_departures = 0  # 总离开数量
        self.area_q = 0  # 队列长度的面积
        self.area_b = 0  # 忙碌机器数量的面积

    def exponential_random_variable(self, mean):
        return -mean * np.log(np.random.random())

    def schedule_event(self, event):
        self.queue.append(event)
        self.queue.sort(key=lambda x: x.time)

    def handle_arrival(self, event):
        self.total_arrivals += 1
        self.area_q += len(self.queue) * (event.time - self.clock)
        if self.busy_machines < self.num_machines:
            self.busy_machines += 1
            service_time = self.exponential_random_variable(self.mean_service_time)
            departure_time = event.time + service_time
            self.schedule_event(Event(DEPARTURE, departure_time))
        interarrival_time = self.exponential_random_variable(self.mean_interarrival_time)
        arrival_time = event.time + interarrival_time
        self.schedule_event(Event(ARRIVAL, arrival_time))

    def handle_departure(self, event):
        self.total_departures += 1
        self.area_q += len(self.queue) * (event.time - self.clock)
        if len(self.queue) > 0:
            service_time = self.exponential_random_variable(self.mean_service_time)
            departure_time = event.time + service_time
            self.schedule_event(Event(DEPARTURE, departure_time))
        else:
            self.busy_machines -= 1
        self.area_b += self.busy_machines * (event.time - self.clock)

    def simulate(self, simulation_time):
        arrival_time = self.exponential_random_variable(self.mean_interarrival_time)
        self.schedule_event(Event(ARRIVAL, arrival_time))

        while self.clock < simulation_time:
            event = self.queue[0]
            self.queue = self.queue[1:]
            self.clock = event.time

            if event.event_type == ARRIVAL:
                self.handle_arrival(event)
            elif event.event_type == DEPARTURE:
                self.handle_departure(event)

    def report(self):
        avg_num_in_queue = self.area_q / self.clock
        avg_num_busy = self.area_b / self.clock
        utilization = avg_num_busy / self.num_machines
        print("Simulation report:")
        print("Average number of jobs in queue:", avg_num_in_queue)
        print("Average number of busy machines:", avg_num_busy)
        print("Machine utilization:", utilization)
        print("Total arrivals:", self.total_arrivals)
        print("Total departures:", self.total_departures)

# 设置仿真参数
num_machines = 2
mean_interarrival_time = 5
mean_service_time = 3
simulation_time = 100

# 创建仿真模型
sim_model = SimulationModel(num_machines, mean_interarrival_time, mean_service_time)

# 进行仿真
sim_model.simulate(simulation_time)

# 输出仿真结果
sim_model.report()

# 绘制仿真结果的图表
plt.plot(sim_model.queue)
plt.xlabel("Time")
plt.ylabel("Queue Length")
plt.title("Queue Length Over Time")
plt.show()

在这个示例代码中：