【Advances in Applied Energy】电力交通耦合环境中的充电服务商广义均衡定价策略

文摘   2024-09-03 08:01   芬兰  

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原文信息:

Identifying generalizable equilibrium pricing strategies for charging service providers in coupled power and transportation networks

原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666792423000306

Highlights

(1) 针对电力交通耦合环境下的充电市场均衡定价问题,提出了一种基于增强多智能体近端策略优化的多智能体强化学习算法,通过融合注意力机制减轻环境非静态性、维度和信息隐私对决策的影响;

(2) 提出一种顺序更新训练算法,保证不确定性环境中的智能体单调策略改进;

(3) 通过算例对比证明了所述方法在提升智能体策略均衡度、训练效率上的有效性。

(4) 基于所述方法,分析了竞争性充电市场对于缩减用户用能成本、提升新能源消纳率、降低电网运行成本的效果。

Research gap

在完全竞争市场条件下,电力-交通交通网络的充电商定价为非合作博弈问题,牵涉电力、交通网络运行状态、充电商资源条件、用户出行特征等多种不确定性因素。已有市场均衡分析方法通常基于Karush-Kuhn-Tucker条件转化市场双层模型进行求解,难以处理非凸运行约束、隐私保护以及复杂不确定性,难以应用到复杂的竞争性充电市场均衡分析及决策中。

交通电气化为全球能源转型和减碳的重要举措,而大规模电动汽车和快充站建设是其中重要组成部分。通过适宜价格信号引导电动汽车行驶和充电活动是保障电力-交通耦合(coupled power-transportation networkds, CPTN)网络安全经济运行的必要条件。本文工作针对自身利益导向的电动汽车充电服务商(charging service provider, CSP)间的非合作市场竞争展开研究,计及了CSP定价策略、电动汽车车主决策以及CPTN运营之间的交互作用,并将包括燃油车和电动汽车的出行需求、成本弹性,电动汽车初始电量、可再生能源发电等在内的多重不确定性因素影响考虑在了CPTN环境建模之中。为求解所述复杂环境下竞争性充电市场均衡定价问题,本文提出了一种基于增强多智能体近端策略优化的多智能体强化学习方法。该方法通过结合注意力机制来选择性整合智能体关键信息,以减轻环境非静态性和维度挑战,并实现对智能体的隐私保护。本文同时提出了一种顺序更新训练方法来增强CPTN学习协调能力,保障了不确定性环境下的CSP智能体的单调策略改进。测试案例表明,所提方法有利于促进CSP之间的充分竞争,从而降低用户充电成本、提升可再生能源消纳率以及降低配电网运行成本;同时,所提方法在应对CPTN不确定性环境下的泛化能力得到了证实;最后,其加入注意力机制后的有效性以及计算效率提升也得到了证明。

Abstract

Transportation electrification, involving large-scale integration of electric vehicles (EV) and fast charging stations (FCS), plays a critical role for global energy transition and decarbonization. In this context, coordination of EV routing and charging activities through suitably designed price signals constitutes an imperative step in secure and economic operation of the coupled power-transportation networks (CPTN). This work examines the non-cooperative pricing competition between self-interested EV charging service providers (CSP), taken into account the complex interactions between CSPs' pricing strategies, EV users' decisions and the operation of CPTN. The modeling of CPTN environment captures the prominent type of uncertainties stemming from the gasoline vehicle and EV origin-destination travel demands and their cost elasticity, EV initial state-of-charge and renewable energy sources (RES). An enhanced multi-agent proximal policy optimization method is developed to solve the pricing game, which incorporates an attention mechanism to selectively incorporate agents' representative information to mitigate the environmental non-stationarity without raising dimensionality challenge, while safeguarding the commercial confidentiality of CSP agents. To foster more efficient learning coordination in the highly uncertain CPTN environment, a sequential update scheme is also developed to achieve monotonic policy improvement for CSP agents. Case studies on an illustrative and a large-scale test system reveal that the proposed method facilitates sufficient competition among CSP agents and corroborates the core benefits in terms of reduced charging costs for EV users, enhancement of RES absorption and cost efficiency of the power distribution network. Results also validate the excellent generalization capability of the proposed method in coping with CPTN uncertainties. Finally, the rationale of the proposed attention mechanism is validated and the superior computational performance is highlighted against the state-of-the-art methods.


Keywords(英文与中文):

Coupled power-transportation network 电力交通耦合网络

Electric vehicles 电动汽车

Multi-agent reinforcement learning 多智能体强化学习

Nash equilibrium 纳什均衡

Pricing game analysis 定价博弈

Graphics

图1. 所研究充电定价问题的形成因素、设定及其对能源转型和交通电气化的价值

图2. CSP定价博弈问题示意

图3. 所提Att-MAPPO算法的训练和执行过程

图4. 同轮次下所提算法与其它算法所得策略的纳什均衡度对比

图5. 同轮次下所提算法与其它算法的收益对比

图6. 所提策略在提升新能源消纳率和降低电力运行成本方面的效果

图7. 基于所述方法,分析不同用户弹性系数下竞争性市场和非竞争性市场的效益变化

图8. 基于所述方法,分析不同电动汽车渗透率及初始电量下车流空间分布变化

关于Applied Energy

本期小编:赵秉旭;审核人:张庭生

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