小型梯級水電站群優(yōu)化調(diào)度損益計(jì)算及利益分配研究

楊 帆,談 飛,崔 祥

(河海大學(xué)商學(xué)院,江蘇 南京 211100)

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小型梯級水電站群優(yōu)化調(diào)度損益計(jì)算及利益分配研究

楊 帆,談 飛,崔 祥

(河海大學(xué)商學(xué)院,江蘇 南京 211100)

在剖析利益分配機(jī)理的基礎(chǔ)上,以龍巖區(qū)域小型水電站群歷史數(shù)據(jù)為依據(jù),基于粒子群算法構(gòu)建水電站群利益損益計(jì)算模型和利益分配模型并進(jìn)行分配系數(shù)計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明,該分配機(jī)制能激勵各水電站積極參與聯(lián)合調(diào)度,使水資源得到合理利用。

小型梯級水電站群;優(yōu)化調(diào)度;利益分配;損益計(jì)算

在我國流域梯級水電開發(fā)中,由于上下游的關(guān)系,各梯級水電站之間蘊(yùn)含著豐富的水力和電力聯(lián)系,各水電站運(yùn)用位置優(yōu)勢帶來的水力、電力聯(lián)系進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié),從而產(chǎn)生了各水電站發(fā)電效益的變化,實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合運(yùn)行總體效益的增加。在優(yōu)化調(diào)度過程中,部分水電站為實(shí)現(xiàn)總體利益最優(yōu)而犧牲個體利益,另一部分水電站則從中獲益。為平衡受損水電站與獲益水電站間的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)增量效益的利益共享,需要對參與優(yōu)化調(diào)度的水電站進(jìn)行利益分配。在梯級水電站之間進(jìn)行科學(xué)、合理的利益分配有利于提高各水電站尤其是具有良好調(diào)節(jié)能力的水電站參與優(yōu)化調(diào)度的積極性,維系梯級水電站聯(lián)合運(yùn)行工作的長久開展。

當(dāng)前,水電站群利益分配計(jì)算主要有單指標(biāo)法、貢獻(xiàn)系數(shù)法、多目標(biāo)綜合分析法、離差平方法、熵權(quán)法等。單指標(biāo)法是指按裝機(jī)容量、調(diào)節(jié)庫容、發(fā)電水頭等水電站群中對利益增量產(chǎn)生影響的眾因素中的一個按比例進(jìn)行劃分。該方法簡單易行,但分?jǐn)偨Y(jié)果過于片面[1]。貢獻(xiàn)系數(shù)法也被劃為單指標(biāo)方法,但它是以各水電站在水電站群總能量效益中的貢獻(xiàn)大小為標(biāo)準(zhǔn)來分配總能量效益,以確定各水電站的增量效益[2]。多目標(biāo)綜合分析法將單指標(biāo)法中的各類影響因素按照一定的數(shù)學(xué)計(jì)算方法賦予不同權(quán)重,然后對各指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)計(jì)算確定分配比例，人為因素較強(qiáng),爭議性較大[2]。熵權(quán)法是按照參與人的邊際期望值進(jìn)行分配,不需要人為確定指標(biāo)權(quán)重[3]。離差平方法是通過各種分配方法偏離分配均值的程度來確定權(quán)重系數(shù)[4],熵權(quán)法和離差平方法皆適用于3個或3個以上水電站構(gòu)成的水電站群,對小規(guī)模梯級水電站群的利益分配在計(jì)算過程中會因?yàn)閿?shù)據(jù)過少而失效。本文以福建省龍巖地區(qū)同一流域W、B兩水電站構(gòu)建的小規(guī)模梯級水電站群聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行為例,結(jié)合實(shí)際情況,采用貢獻(xiàn)系數(shù)法對各水電站的補(bǔ)償效益進(jìn)行分配。

1 貢獻(xiàn)系數(shù)法

貢獻(xiàn)系數(shù)法的貢獻(xiàn)作用值是指各水電站在水電站群總能量效益中的貢獻(xiàn)大小,由在水電站群中有該水電站和無該水電站時能量效益值的差值確定。水電站群中各水電站的貢獻(xiàn)作用值與各水電站貢獻(xiàn)作用值之和的比值,為各水電站對能量效益的貢獻(xiàn)系數(shù)[2]。計(jì)算能量效益時可采用年發(fā)電量、保證出力等指標(biāo)中的任意一個計(jì)算。當(dāng)水電站群包含的水電站數(shù)量為3個或3個以上時,下游水電站會同時受到上游一個或多個水電站的綜合影響,各水電站之間相互作用復(fù)雜,上游各水電站對下游水電站的貢獻(xiàn)作用值難以準(zhǔn)確區(qū)分和計(jì)算,貢獻(xiàn)系數(shù)法應(yīng)用難度較大。因此,貢獻(xiàn)系數(shù)法適用于只包含兩個水電站的小規(guī)模梯級流域水電站群,克服了其他單指標(biāo)分配法只選用某一指標(biāo)進(jìn)行分配的片面性。

假設(shè)某水電站群有甲、乙兩個水電站,其中甲為上游水電站,乙為下游水電站,則甲在聯(lián)合運(yùn)行中的貢獻(xiàn)作用值為

(1)

式中:G甲為甲在總發(fā)電收益中的貢獻(xiàn)作用值;V甲為甲對總發(fā)電收益的貢獻(xiàn)作用值,即甲在聯(lián)合運(yùn)行后的發(fā)電收益;V甲-乙為甲對乙發(fā)電收益增發(fā)所作出的貢獻(xiàn)。由于乙上游只有甲1個水電站,根據(jù)貢獻(xiàn)作用值的計(jì)算原理,該值應(yīng)取乙聯(lián)合運(yùn)行后的發(fā)電收益增量。

乙的貢獻(xiàn)作用值為

(2)

式中:G乙為乙在總發(fā)電收益中的貢獻(xiàn)作用值;V乙為乙對總發(fā)電收益的貢獻(xiàn)作用值,即乙聯(lián)合運(yùn)行后的發(fā)電收益。因?yàn)橐椅挥诩紫掠?在聯(lián)合運(yùn)行中,甲為施益方,表現(xiàn)為發(fā)電收益減少,乙為受益方,表現(xiàn)為發(fā)電收益增加。根據(jù)貢獻(xiàn)作用值計(jì)算原理,下游水電站接受上游水電站的利益犧牲,上游水電站發(fā)電收益沒有增加反而減少,此時下游水電站對上游水電站的貢獻(xiàn)作用值記為0。因此,乙的貢獻(xiàn)作用值只包含該水電站聯(lián)合運(yùn)行后的發(fā)電收益一項(xiàng)。

則各水電站貢獻(xiàn)系數(shù)αi的計(jì)算方程為

(3)

式中：i為水電站編號，i=甲,乙。將水電站聯(lián)合運(yùn)行后得到的總效益增量值Gi乘以各水電站的αi，得各水電站的應(yīng)分配效益Fi為

(4)

2 利益損益計(jì)算原理與方法

2.1 利益損益計(jì)算原理

分析水電站利益損益的產(chǎn)生原因可以看出水電站運(yùn)行方式的變化,即采用聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行是“因”,相關(guān)的利益變化是“果”,而這個“果”就是水電站的利益損益。將兩水電站不采用聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行定義為“無”運(yùn)行方式變化,采用聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行定義為“有”運(yùn)行方式變化,與“無”運(yùn)行方式變化相比,“有”運(yùn)行方式變化情況下兩水電站的利益變化程度即為各自水電站的利益增量。

2.2 聯(lián)合運(yùn)行前后發(fā)電量計(jì)算

由于目前W和B兩水電站還沒有采取聯(lián)合運(yùn)行的方式,為計(jì)算聯(lián)合運(yùn)行前后發(fā)電量的變化值,采用粒子群算法對兩水電站聯(lián)合運(yùn)行進(jìn)行模擬優(yōu)化計(jì)算。水電站聯(lián)合運(yùn)行是一個約束性強(qiáng)、非線性、多階段的優(yōu)化問題,采用粒子群算法進(jìn)行求解時,需找到一個發(fā)電流量變化序列(QP1,QP2,…,QPn),其中n為調(diào)節(jié)周期內(nèi)的時段數(shù),在滿足各種約束條件下使發(fā)電量最大[5]。以梯級水電站總發(fā)電量最大為目標(biāo)對兩水電站聯(lián)合運(yùn)行情況進(jìn)行測算,目標(biāo)函數(shù)為

(5)

式中:i=1,2,1為W水電站,2為B水電站;Ki為第i個水電站的綜合出力系數(shù);QPi(t)為第i個水電站t時段內(nèi)的平均發(fā)電流量;Hi(t)為第i個水電站t時段內(nèi)的平均水頭,是該水庫上游與下游水位的差值;Δt為時段t的長度。

需要說明的是,單個水電站的優(yōu)化計(jì)算也是以該水電站的發(fā)電量最大為目標(biāo),優(yōu)化模型可由兩個水電站聯(lián)合優(yōu)化模型演變而來。W、B水電站單獨(dú)優(yōu)化模型分別為

(6)

各約束條件如下。

a. 水量平衡約束:

(7)

式中:Li(t)為i水庫t時段末的庫容;QIi(t)為i水庫t時段的平均入庫流量;QOi(t)為i水庫t時段的平均下泄流量,是該時段QPi(t)與棄水QRi(t)之和。

b. 電站出力約束:

(8)

(9)

式中:Ni(t)為第i個水電站t時段的出力;Ni,max為第i個水電站電站裝機(jī)容量。

c. 水位約束

(10)

式中:Zi,min為第i個水電站水庫的死水位;Zi(t)為第i個水電站水庫t時段的水位;Zi,max為第i個水電站水庫t時段的最高水位。

d. 發(fā)電流量約束:

(11)

式中:QPi,min為第i個水電站最小發(fā)電引用流量,計(jì)算中取0;QPi,max為第i個水電站最大發(fā)電引用流量。

e. 非負(fù)條件約束。上述所有變量均為非負(fù)變量。

3 利益損益的確定

3.1 聯(lián)合運(yùn)行發(fā)電量的計(jì)算

龍巖市又稱閩西,位于福建省西部,屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候,全年氣候溫和,無霜期長,雨量充沛。龍巖市境內(nèi)溪河眾多,分別屬于汀江、九龍江北溪、閩江沙溪、梅江水系,河川年徑流量190億m3,水力資源理論蘊(yùn)藏量214.5萬kW,可供開發(fā)的水能蘊(yùn)藏量182.7萬kW。梯級水電站群是龍巖水電站分布的一個重要特征。W水電站為九龍江北溪支流某梯級開發(fā)的第1級水電站,壩址以上控制流域面積667 km2,總庫容2.289億m3,調(diào)節(jié)庫容1.68億m3,為多年調(diào)節(jié)水庫;B水電站是某梯級開發(fā)的第2級電站,壩址以上流域面積1 307 km2,水庫總庫容為1.992 6億m3,為不完全年調(diào)節(jié)水庫。W、B水電站運(yùn)行模型所需要的計(jì)算數(shù)據(jù)見表1、表2。

表1 W、B水電站運(yùn)行模型計(jì)算數(shù)據(jù)

表2 W、B水電站多年平均來水量

根據(jù)表1、表2數(shù)據(jù),計(jì)算出W、B水電站在單庫運(yùn)行和聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行條件下的發(fā)電量比較結(jié)果,見表3。

表3 W、B水電站發(fā)電量對比

由表3可見，作為梯級龍頭電站的W水電站因承擔(dān)對下游水電站的調(diào)節(jié)任務(wù),年發(fā)電量比單庫優(yōu)化運(yùn)行時減少0.68%,但是經(jīng)調(diào)節(jié)后下游的B水電站增發(fā)電量較多,產(chǎn)生的增量效益明顯。

3.2 兩水電站電價的計(jì)算

在計(jì)算發(fā)電量時采用多年平均來水量的水文資料,但目前沒有W、B水電站多年平均電價信息,為保證利益增量計(jì)算的公平性,應(yīng)對兩水電站電價進(jìn)行處理。由于W水電站采用的是峰谷發(fā)電方式,對應(yīng)的電價相應(yīng)分為峰價、谷價和非峰谷時期的基準(zhǔn)電價。因此,用于計(jì)算W水電站利益增量的電價可采用加權(quán)計(jì)算的方法。將W水電站各年的峰谷發(fā)電比例進(jìn)行算術(shù)平均,得到W水電站平均峰谷發(fā)電比例,然后將W水電站現(xiàn)有峰谷電價按平均峰谷發(fā)電比例進(jìn)行加權(quán)計(jì)算,從而得到W水電站的平均電價。計(jì)算得W水電站平均電價為0.415元/(kW·h)。需要說明的是,利用峰、谷、非峰谷時期基準(zhǔn)電量3時段發(fā)電比例的平均數(shù)作為加權(quán)系數(shù)來計(jì)算電價,是為了彌補(bǔ)沒有多年平均電價這一缺陷,并在最大程度上保證利益增量計(jì)算公平。利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù),將用加權(quán)電價計(jì)算的年發(fā)電收益與不用加權(quán)電價計(jì)算的年發(fā)電收益相比較,兩者所差無幾。B水電站不采用峰谷發(fā)電方式,因此,在進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算時只需采用當(dāng)前電價即可,即0.4元/(kW·h)。

3.3 兩水電站利益增量的計(jì)算

a. W水電站利益增量計(jì)算:

(12)

(13)

(14)

b. B水電站利益增量為ΔVB=247.47萬元,ΔVB為B水電站聯(lián)合運(yùn)行后的利益增量。

則梯級水電站群利益增量為

(15)

式中:ΔV總為梯級水電站群利益增量。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可得:ΔV總=204.29萬元。

4 利益分配機(jī)制的制定

本文采用貢獻(xiàn)系數(shù)法對梯級水電站群聯(lián)合運(yùn)行產(chǎn)生的利益增量進(jìn)行分配。

梯級水電站群利益增量的分配主要受制于水電站在梯級中所處的位置、水庫水電站特性參數(shù)(水庫興利庫容、發(fā)電水頭、調(diào)節(jié)性能等)以及工程效益指標(biāo)(保證出力、多年平均發(fā)電量以及裝機(jī)容量等)。W和B兩個水電站都是以發(fā)電為主要目標(biāo),航運(yùn)、灌溉等其他作用并不明顯,且W水電站實(shí)行峰谷制電價,以發(fā)電量或保證出力為指標(biāo)容易忽視W水電站電價較高這一情況,弱化W水電站在聯(lián)合運(yùn)行總收益中的貢獻(xiàn)。綜合兩水電站的客觀情況并參考以往研究[6-14],選取年發(fā)電收益為貢獻(xiàn)作用值計(jì)算指標(biāo)。

4.1 各水電站貢獻(xiàn)作用值

a. W水電站貢獻(xiàn)作用值:

(16)

式中:GW為W水電站在總發(fā)電收益中的貢獻(xiàn)作用值;VW-B為W水電站對B水電站發(fā)電收益增發(fā)所作出的貢獻(xiàn)。由于B水電站上游只有W 1個水電站,根據(jù)貢獻(xiàn)作用值的計(jì)算原理,該值應(yīng)取B水電站聯(lián)合運(yùn)行后的發(fā)電收益增量,即247.47萬元；VW為6 278.79萬元。

b. B水電站貢獻(xiàn)作用值:

(17)

式中:GB為B水電站在總發(fā)電收益中的貢獻(xiàn)作用值;VB為B水電站對總發(fā)電收益的貢獻(xiàn)作用值,即B水電站聯(lián)合運(yùn)行后的發(fā)電收益,為7 473.88萬元。因?yàn)锽水電站位于W水電站的下游,在聯(lián)合運(yùn)行中,B水電站對W水電站不存在貢獻(xiàn)作用,根據(jù)貢獻(xiàn)作用值的計(jì)算原理,B水電站的貢獻(xiàn)作用值只包含該水電站聯(lián)合運(yùn)行后的發(fā)電收益一項(xiàng)。

計(jì)算得:GW=6 526.26萬元,GB=7 473.88萬元。

4.2 各水電站貢獻(xiàn)系數(shù)

W水電站貢獻(xiàn)系數(shù)αW為

(18)

B水電站貢獻(xiàn)系數(shù)αB為

(19)

計(jì)算得:αW=46.6%;αB=53.4%。

梯級水電站利益增量分配計(jì)算過程見表4。

表4 梯級水電站利益增量分配計(jì)算

從上述計(jì)算過程可以看出,一方面,雖然W水電站在總發(fā)電收益中的貢獻(xiàn)量較B水電站有一定的差距,但是在聯(lián)合運(yùn)行中,B水電站獲得的利益增量來源于W水電站的犧牲,加上W水電站對B水電站做出的貢獻(xiàn),W水電站總貢獻(xiàn)作用值與B水電站總貢獻(xiàn)作用值的差距縮小,所以,兩水電站的貢獻(xiàn)系數(shù)比較接近。另一方面,B水電站總裝機(jī)容量和保證出力這兩個指標(biāo)皆比W水電站大,在未實(shí)行聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行之前,B水電站的年發(fā)電量多于W水電站的年發(fā)電量。在實(shí)行聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行之后,扣除W水電站對B水電站總發(fā)電量的貢獻(xiàn),B水電站的總發(fā)電量依舊大于W水電站的發(fā)電量,總發(fā)電收益也高于W水電站的收益,因此,B水電站的分配系數(shù)比W水電站的分配系數(shù)略高。

5 結(jié) 語

從只包含兩座水電站的小型梯級水電站群出發(fā),提出運(yùn)用貢獻(xiàn)系數(shù)法解決小型梯級水電站群聯(lián)合運(yùn)行后的利益分配問題,充分考慮水電站自身情況和聯(lián)合運(yùn)行中的博弈,避免了單指標(biāo)分配法的片面性,強(qiáng)調(diào)了各水電站對梯級水電站群的貢獻(xiàn)程度,計(jì)算得出的分?jǐn)偨Y(jié)果合理,提高了各水電站參與聯(lián)合運(yùn)行積極性,有利于維護(hù)聯(lián)合運(yùn)行的長期開展。但貢獻(xiàn)系數(shù)法適用于只包含兩個水電站的小型梯級水電站群,若水電站數(shù)量為3個或3個以上,該方法計(jì)算難度較大,適用性差,建議使用其他分配計(jì)算方法。

[ 1 ] 汪習(xí)文,李振全,李巧魚,等. 水庫補(bǔ)償效益分配問題研究[J].人民黃河,2011,33(9):117-119.

[ 2 ] 董子敖. 水電站水庫群效益和投資的合理分?jǐn)偡椒╗J].水利科技,1986(Z1):47.

[ 3 ] 高仕春,陶自成,陽蓉. 熵權(quán)法在梯級電站效益補(bǔ)償分?jǐn)傊械膽?yīng)用研究[J].水電能源科學(xué),2007,25(4):120-122.

[ 4 ] 趙麥換,徐晨光,黃強(qiáng),等.離差平方法在梯級水庫補(bǔ)償效益和綜合水利工程費(fèi)用分?jǐn)傊械膽?yīng)用[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2004,23(6):1-4.

[ 5 ] 余玉嬌. 基于粒子群算法的水庫調(diào)度函數(shù)的研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2013.

[ 6 ] 楊春花,許繼軍.金沙江下游梯級與三峽梯級水庫聯(lián)合發(fā)電調(diào)度[J].水電能源科學(xué),2011,29(5):142-144.

[ 7 ] 謝維,紀(jì)昌明,李克飛,等.金沙江梯級水電站群聯(lián)合發(fā)電運(yùn)行三種常規(guī)調(diào)度方法研究[J].水力發(fā)電,2011,37(8):81-84.

[ 8 ] 謝維.水電站(群)優(yōu)化調(diào)度與運(yùn)行規(guī)則研究[D].北京:華北電力大學(xué)(北京),2012.

[ 9 ] 曹云慧. 梯級水電站(群)中長期發(fā)電調(diào)度規(guī)則的提取及補(bǔ)償效益分?jǐn)俒D].保定:華北電力大學(xué),2013.

[10] 謝如昌. 清江梯級水電站水庫群優(yōu)化調(diào)度研究[D].北京:華北電力大學(xué)(北京),2012.

[11] 楊莉. 梯級水電站聯(lián)合發(fā)電優(yōu)化調(diào)度方法研究與應(yīng)用[D].武漢:華中科技大學(xué),2010.

[12] 唐海華,胡挺,梅亞東,等. 長江上游控制型梯級水庫群聯(lián)合補(bǔ)償效益分析[J].水電自動化與大壩監(jiān)測,2012,36(3)：61-65.

[13] 翁文林,王浩,張超然,等. 基于梯級水電站群聯(lián)合調(diào)度的長江干流“龍頭水庫”綜合效益分析[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2014,33(6):53-60.

[14] 閆正龍,高凡,黃強(qiáng),等. 黃河上游梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度補(bǔ)償機(jī)制研究[J].人民黃河,2010,32(9):118-119.

楊帆(1991—),女,黑龍江哈爾濱人,碩士研究生,主要從事技術(shù)經(jīng)濟(jì)及管理研究。E-mail:yangfan_106@126.com

10.3880/j.issn.1003-9511.2015.06.006

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1003-9511(2015)06-0026-04

2015-06-30 編輯：胡新宇)