小型梯级水电站群优化调度损益计算及利益分配研究

杨 帆,谈 飞,崔 祥

(河海大学商学院,江苏 南京 211100)



小型梯级水电站群优化调度损益计算及利益分配研究

杨 帆,谈 飞,崔 祥

(河海大学商学院,江苏 南京 211100)

在剖析利益分配机理的基础上,以龙岩区域小型水电站群历史数据为依据,基于粒子群算法构建水电站群利益损益计算模型和利益分配模型并进行分配系数计算。计算结果表明,该分配机制能激励各水电站积极参与联合调度,使水资源得到合理利用。

小型梯级水电站群;优化调度;利益分配;损益计算

在我国流域梯级水电开发中,由于上下游的关系,各梯级水电站之间蕴含着丰富的水力和电力联系,各水电站运用位置优势带来的水力、电力联系进行优化调节,从而产生了各水电站发电效益的变化,实现了联合运行总体效益的增加。在优化调度过程中,部分水电站为实现总体利益最优而牺牲个体利益,另一部分水电站则从中获益。为平衡受损水电站与获益水电站间的关系,实现增量效益的利益共享,需要对参与优化调度的水电站进行利益分配。在梯级水电站之间进行科学、合理的利益分配有利于提高各水电站尤其是具有良好调节能力的水电站参与优化调度的积极性,维系梯级水电站联合运行工作的长久开展。

当前,水电站群利益分配计算主要有单指标法、贡献系数法、多目标综合分析法、离差平方法、熵权法等。单指标法是指按装机容量、调节库容、发电水头等水电站群中对利益增量产生影响的众因素中的一个按比例进行划分。该方法简单易行,但分摊结果过于片面[1]。贡献系数法也被划为单指标方法,但它是以各水电站在水电站群总能量效益中的贡献大小为标准来分配总能量效益,以确定各水电站的增量效益[2]。多目标综合分析法将单指标法中的各类影响因素按照一定的数学计算方法赋予不同权重,然后对各指标进行加权计算确定分配比例，人为因素较强,争议性较大[2]。熵权法是按照参与人的边际期望值进行分配,不需要人为确定指标权重[3]。离差平方法是通过各种分配方法偏离分配均值的程度来确定权重系数[4],熵权法和离差平方法皆适用于3个或3个以上水电站构成的水电站群,对小规模梯级水电站群的利益分配在计算过程中会因为数据过少而失效。本文以福建省龙岩地区同一流域W、B两水电站构建的小规模梯级水电站群联合调度运行为例,结合实际情况,采用贡献系数法对各水电站的补偿效益进行分配。

1 贡献系数法

贡献系数法的贡献作用值是指各水电站在水电站群总能量效益中的贡献大小,由在水电站群中有该水电站和无该水电站时能量效益值的差值确定。水电站群中各水电站的贡献作用值与各水电站贡献作用值之和的比值,为各水电站对能量效益的贡献系数[2]。计算能量效益时可采用年发电量、保证出力等指标中的任意一个计算。当水电站群包含的水电站数量为3个或3个以上时,下游水电站会同时受到上游一个或多个水电站的综合影响,各水电站之间相互作用复杂,上游各水电站对下游水电站的贡献作用值难以准确区分和计算,贡献系数法应用难度较大。因此,贡献系数法适用于只包含两个水电站的小规模梯级流域水电站群,克服了其他单指标分配法只选用某一指标进行分配的片面性。

假设某水电站群有甲、乙两个水电站,其中甲为上游水电站,乙为下游水电站,则甲在联合运行中的贡献作用值为

(1)

式中:G甲为甲在总发电收益中的贡献作用值;V甲为甲对总发电收益的贡献作用值,即甲在联合运行后的发电收益;V甲-乙为甲对乙发电收益增发所作出的贡献。由于乙上游只有甲1个水电站,根据贡献作用值的计算原理,该值应取乙联合运行后的发电收益增量。

乙的贡献作用值为

(2)

式中:G乙为乙在总发电收益中的贡献作用值;V乙为乙对总发电收益的贡献作用值,即乙联合运行后的发电收益。因为乙位于甲下游,在联合运行中,甲为施益方,表现为发电收益减少,乙为受益方,表现为发电收益增加。根据贡献作用值计算原理,下游水电站接受上游水电站的利益牺牲,上游水电站发电收益没有增加反而减少,此时下游水电站对上游水电站的贡献作用值记为0。因此,乙的贡献作用值只包含该水电站联合运行后的发电收益一项。

则各水电站贡献系数αi的计算方程为

(3)

式中：i为水电站编号，i=甲,乙。将水电站联合运行后得到的总效益增量值Gi乘以各水电站的αi，得各水电站的应分配效益Fi为

(4)

2 利益损益计算原理与方法

2.1 利益损益计算原理

分析水电站利益损益的产生原因可以看出水电站运行方式的变化,即采用联合优化运行是“因”,相关的利益变化是“果”,而这个“果”就是水电站的利益损益。将两水电站不采用联合优化运行定义为“无”运行方式变化,采用联合优化运行定义为“有”运行方式变化,与“无”运行方式变化相比,“有”运行方式变化情况下两水电站的利益变化程度即为各自水电站的利益增量。

2.2 联合运行前后发电量计算

由于目前W和B两水电站还没有采取联合运行的方式,为计算联合运行前后发电量的变化值,采用粒子群算法对两水电站联合运行进行模拟优化计算。水电站联合运行是一个约束性强、非线性、多阶段的优化问题,采用粒子群算法进行求解时,需找到一个发电流量变化序列(QP1,QP2,…,QPn),其中n为调节周期内的时段数,在满足各种约束条件下使发电量最大[5]。以梯级水电站总发电量最大为目标对两水电站联合运行情况进行测算,目标函数为

(5)

式中:i=1,2,1为W水电站,2为B水电站;Ki为第i个水电站的综合出力系数;QPi(t)为第i个水电站t时段内的平均发电流量;Hi(t)为第i个水电站t时段内的平均水头,是该水库上游与下游水位的差值;Δt为时段t的长度。

需要说明的是,单个水电站的优化计算也是以该水电站的发电量最大为目标,优化模型可由两个水电站联合优化模型演变而来。W、B水电站单独优化模型分别为

(6)

各约束条件如下。

a. 水量平衡约束:

(7)

式中:Li(t)为i水库t时段末的库容;QIi(t)为i水库t时段的平均入库流量;QOi(t)为i水库t时段的平均下泄流量,是该时段QPi(t)与弃水QRi(t)之和。

b. 电站出力约束:

(8)

(9)

式中:Ni(t)为第i个水电站t时段的出力;Ni,max为第i个水电站电站装机容量。

c. 水位约束

(10)

式中:Zi,min为第i个水电站水库的死水位;Zi(t)为第i个水电站水库t时段的水位;Zi,max为第i个水电站水库t时段的最高水位。

d. 发电流量约束:

(11)

式中:QPi,min为第i个水电站最小发电引用流量,计算中取0;QPi,max为第i个水电站最大发电引用流量。

e. 非负条件约束。上述所有变量均为非负变量。

3 利益损益的确定

3.1 联合运行发电量的计算

龙岩市又称闽西,位于福建省西部,属亚热带海洋性季风气候,全年气候温和,无霜期长,雨量充沛。龙岩市境内溪河众多,分别属于汀江、九龙江北溪、闽江沙溪、梅江水系,河川年径流量190亿m3,水力资源理论蕴藏量214.5万kW,可供开发的水能蕴藏量182.7万kW。梯级水电站群是龙岩水电站分布的一个重要特征。W水电站为九龙江北溪支流某梯级开发的第1级水电站,坝址以上控制流域面积667 km2,总库容2.289亿m3,调节库容1.68亿m3,为多年调节水库;B水电站是某梯级开发的第2级电站,坝址以上流域面积1 307 km2,水库总库容为1.992 6亿m3,为不完全年调节水库。W、B水电站运行模型所需要的计算数据见表1、表2。

表1 W、B水电站运行模型计算数据

表2 W、B水电站多年平均来水量

根据表1、表2数据,计算出W、B水电站在单库运行和联合优化运行条件下的发电量比较结果,见表3。

表3 W、B水电站发电量对比

由表3可见，作为梯级龙头电站的W水电站因承担对下游水电站的调节任务,年发电量比单库优化运行时减少0.68%,但是经调节后下游的B水电站增发电量较多,产生的增量效益明显。

3.2 两水电站电价的计算

在计算发电量时采用多年平均来水量的水文资料,但目前没有W、B水电站多年平均电价信息,为保证利益增量计算的公平性,应对两水电站电价进行处理。由于W水电站采用的是峰谷发电方式,对应的电价相应分为峰价、谷价和非峰谷时期的基准电价。因此,用于计算W水电站利益增量的电价可采用加权计算的方法。将W水电站各年的峰谷发电比例进行算术平均,得到W水电站平均峰谷发电比例,然后将W水电站现有峰谷电价按平均峰谷发电比例进行加权计算,从而得到W水电站的平均电价。计算得W水电站平均电价为0.415元/(kW·h)。需要说明的是,利用峰、谷、非峰谷时期基准电量3时段发电比例的平均数作为加权系数来计算电价,是为了弥补没有多年平均电价这一缺陷,并在最大程度上保证利益增量计算公平。利用现有的数据,将用加权电价计算的年发电收益与不用加权电价计算的年发电收益相比较,两者所差无几。B水电站不采用峰谷发电方式,因此,在进行补偿计算时只需采用当前电价即可,即0.4元/(kW·h)。

3.3 两水电站利益增量的计算

a. W水电站利益增量计算:

(12)

(13)

(14)

b. B水电站利益增量为ΔVB=247.47万元,ΔVB为B水电站联合运行后的利益增量。

则梯级水电站群利益增量为

(15)

式中:ΔV总为梯级水电站群利益增量。根据计算结果可得:ΔV总=204.29万元。

4 利益分配机制的制定

本文采用贡献系数法对梯级水电站群联合运行产生的利益增量进行分配。

梯级水电站群利益增量的分配主要受制于水电站在梯级中所处的位置、水库水电站特性参数(水库兴利库容、发电水头、调节性能等)以及工程效益指标(保证出力、多年平均发电量以及装机容量等)。W和B两个水电站都是以发电为主要目标,航运、灌溉等其他作用并不明显,且W水电站实行峰谷制电价,以发电量或保证出力为指标容易忽视W水电站电价较高这一情况,弱化W水电站在联合运行总收益中的贡献。综合两水电站的客观情况并参考以往研究[6-14],选取年发电收益为贡献作用值计算指标。

4.1 各水电站贡献作用值

a. W水电站贡献作用值:

(16)

式中:GW为W水电站在总发电收益中的贡献作用值;VW-B为W水电站对B水电站发电收益增发所作出的贡献。由于B水电站上游只有W 1个水电站,根据贡献作用值的计算原理,该值应取B水电站联合运行后的发电收益增量,即247.47万元；VW为6 278.79万元。

b. B水电站贡献作用值:

(17)

式中:GB为B水电站在总发电收益中的贡献作用值;VB为B水电站对总发电收益的贡献作用值,即B水电站联合运行后的发电收益,为7 473.88万元。因为B水电站位于W水电站的下游,在联合运行中,B水电站对W水电站不存在贡献作用,根据贡献作用值的计算原理,B水电站的贡献作用值只包含该水电站联合运行后的发电收益一项。

计算得:GW=6 526.26万元,GB=7 473.88万元。

4.2 各水电站贡献系数

W水电站贡献系数αW为

(18)

B水电站贡献系数αB为

(19)

计算得:αW=46.6%;αB=53.4%。

梯级水电站利益增量分配计算过程见表4。

表4 梯级水电站利益增量分配计算

从上述计算过程可以看出,一方面,虽然W水电站在总发电收益中的贡献量较B水电站有一定的差距,但是在联合运行中,B水电站获得的利益增量来源于W水电站的牺牲,加上W水电站对B水电站做出的贡献,W水电站总贡献作用值与B水电站总贡献作用值的差距缩小,所以,两水电站的贡献系数比较接近。另一方面,B水电站总装机容量和保证出力这两个指标皆比W水电站大,在未实行联合优化运行之前,B水电站的年发电量多于W水电站的年发电量。在实行联合优化运行之后,扣除W水电站对B水电站总发电量的贡献,B水电站的总发电量依旧大于W水电站的发电量,总发电收益也高于W水电站的收益,因此,B水电站的分配系数比W水电站的分配系数略高。

5 结 语

从只包含两座水电站的小型梯级水电站群出发,提出运用贡献系数法解决小型梯级水电站群联合运行后的利益分配问题,充分考虑水电站自身情况和联合运行中的博弈,避免了单指标分配法的片面性,强调了各水电站对梯级水电站群的贡献程度,计算得出的分摊结果合理,提高了各水电站参与联合运行积极性,有利于维护联合运行的长期开展。但贡献系数法适用于只包含两个水电站的小型梯级水电站群,若水电站数量为3个或3个以上,该方法计算难度较大,适用性差,建议使用其他分配计算方法。

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杨帆(1991—),女,黑龙江哈尔滨人,硕士研究生,主要从事技术经济及管理研究。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 编辑：胡新宇)