小型梯級水電站群優化調度損益計算及利益分配研究

楊 帆,談 飛,崔 祥

(河海大學商學院,江蘇 南京 211100)

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小型梯級水電站群優化調度損益計算及利益分配研究

楊 帆,談 飛,崔 祥

(河海大學商學院,江蘇 南京 211100)

在剖析利益分配機理的基礎上,以龍巖區域小型水電站群歷史數據為依據,基于粒子群算法構建水電站群利益損益計算模型和利益分配模型并進行分配系數計算。計算結果表明,該分配機制能激勵各水電站積極參與聯合調度,使水資源得到合理利用。

小型梯級水電站群;優化調度;利益分配;損益計算

在我國流域梯級水電開發中,由于上下游的關系,各梯級水電站之間蘊含著豐富的水力和電力聯系,各水電站運用位置優勢帶來的水力、電力聯系進行優化調節,從而產生了各水電站發電效益的變化,實現了聯合運行總體效益的增加。在優化調度過程中,部分水電站為實現總體利益最優而犧牲個體利益,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系,實現增量效益的利益共享,需要對參與優化調度的水電站進行利益分配。在梯級水電站之間進行科學、合理的利益分配有利于提高各水電站尤其是具有良好調節能力的水電站參與優化調度的積極性,維系梯級水電站聯合運行工作的長久開展。

當前,水電站群利益分配計算主要有單指標法、貢獻系數法、多目標綜合分析法、離差平方法、熵權法等。單指標法是指按裝機容量、調節庫容、發電水頭等水電站群中對利益增量產生影響的眾因素中的一個按比例進行劃分。該方法簡單易行,但分攤結果過于片面[1]。貢獻系數法也被劃為單指標方法,但它是以各水電站在水電站群總能量效益中的貢獻大小為標準來分配總能量效益,以確定各水電站的增量效益[2]。多目標綜合分析法將單指標法中的各類影響因素按照一定的數學計算方法賦予不同權重,然后對各指標進行加權計算確定分配比例，人為因素較強,爭議性較大[2]。熵權法是按照參與人的邊際期望值進行分配,不需要人為確定指標權重[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重系數[4],熵權法和離差平方法皆適用于3個或3個以上水電站構成的水電站群,對小規模梯級水電站群的利益分配在計算過程中會因為數據過少而失效。本文以福建省龍巖地區同一流域W、B兩水電站構建的小規模梯級水電站群聯合調度運行為例,結合實際情況,采用貢獻系數法對各水電站的補償效益進行分配。

1 貢獻系數法

貢獻系數法的貢獻作用值是指各水電站在水電站群總能量效益中的貢獻大小,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作用值與各水電站貢獻作用值之和的比值,為各水電站對能量效益的貢獻系數[2]。計算能量效益時可采用年發電量、保證出力等指標中的任意一個計算。當水電站群包含的水電站數量為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雜,上游各水電站對下游水電站的貢獻作用值難以準確區分和計算,貢獻系數法應用難度較大。因此,貢獻系數法適用于只包含兩個水電站的小規模梯級流域水電站群,克服了其他單指標分配法只選用某一指標進行分配的片面性。

假設某水電站群有甲、乙兩個水電站,其中甲為上游水電站,乙為下游水電站,則甲在聯合運行中的貢獻作用值為

(1)

式中:G甲為甲在總發電收益中的貢獻作用值;V甲為甲對總發電收益的貢獻作用值,即甲在聯合運行后的發電收益;V甲-乙為甲對乙發電收益增發所作出的貢獻。由于乙上游只有甲1個水電站,根據貢獻作用值的計算原理,該值應取乙聯合運行后的發電收益增量。

乙的貢獻作用值為

(2)

式中:G乙為乙在總發電收益中的貢獻作用值;V乙為乙對總發電收益的貢獻作用值,即乙聯合運行后的發電收益。因為乙位于甲下游,在聯合運行中,甲為施益方,表現為發電收益減少,乙為受益方,表現為發電收益增加。根據貢獻作用值計算原理,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作用值記為0。因此,乙的貢獻作用值只包含該水電站聯合運行后的發電收益一項。

則各水電站貢獻系數αi的計算方程為

(3)

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

(4)

2 利益損益計算原理與方法

2.1 利益損益計算原理

分析水電站利益損益的產生原因可以看出水電站運行方式的變化,即采用聯合優化運行是“因”,相關的利益變化是“果”,而這個“果”就是水電站的利益損益。將兩水電站不采用聯合優化運行定義為“無”運行方式變化,采用聯合優化運行定義為“有”運行方式變化,與“無”運行方式變化相比,“有”運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 聯合運行前后發電量計算

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

(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;QPi(t)為第i個水電站t時段內的平均發電流量;Hi(t)為第i個水電站t時段內的平均水頭,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,單個水電站的優化計算也是以該水電站的發電量最大為目標,優化模型可由兩個水電站聯合優化模型演變而來。W、B水電站單獨優化模型分別為

(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. 發電流量約束:

(11)

式中:QPi,min為第i個水電站最小發電引用流量,計算中取0;QPi,max為第i個水電站最大發電引用流量。

e. 非負條件約束。上述所有變量均為非負變量。

3 利益損益的確定

3.1 聯合運行發電量的計算

龍巖市又稱閩西,位于福建省西部,屬亞熱帶海洋性季風氣候,全年氣候溫和,無霜期長,雨量充沛。龍巖市境內溪河眾多,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,水力資源理論蘊藏量214.5萬kW,可供開發的水能蘊藏量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,調節庫容1.68億m3,為多年調節水庫;B水電站是某梯級開發的第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,為不完全年調節水庫。W、B水電站運行模型所需要的計算數據見表1、表2。

表1 W、B水電站運行模型計算數據

表2 W、B水電站多年平均來水量

根據表1、表2數據,計算出W、B水電站在單庫運行和聯合優化運行條件下的發電量比較結果,見表3。

表3 W、B水電站發電量對比

由表3可見，作為梯級龍頭電站的W水電站因承擔對下游水電站的調節任務,年發電量比單庫優化運行時減少0.68%,但是經調節后下游的B水電站增發電量較多,產生的增量效益明顯。

3.2 兩水電站電價的計算

在計算發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,為保證利益增量計算的公平性,應對兩水電站電價進行處理。由于W水電站采用的是峰谷發電方式,對應的電價相應分為峰價、谷價和非峰谷時期的基準電價。因此,用于計算W水電站利益增量的電價可采用加權計算的方法。將W水電站各年的峰谷發電比例進行算術平均,得到W水電站平均峰谷發電比例,然后將W水電站現有峰谷電價按平均峰谷發電比例進行加權計算,從而得到W水電站的平均電價。計算得W水電站平均電價為0.415元/(kW·h)。需要說明的是,利用峰、谷、非峰谷時期基準電量3時段發電比例的平均數作為加權系數來計算電價,是為了彌補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算公平。利用現有的數據,將用加權電價計算的年發電收益與不用加權電價計算的年發電收益相比較,兩者所差無幾。B水電站不采用峰谷發電方式,因此,在進行補償計算時只需采用當前電價即可,即0.4元/(kW·h)。

3.3 兩水電站利益增量的計算

a. W水電站利益增量計算:

(12)

(13)

(14)

b. B水電站利益增量為ΔVB=247.47萬元,ΔVB為B水電站聯合運行后的利益增量。

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。根據計算結果可得:ΔV總=204.29萬元。

4 利益分配機制的制定

本文采用貢獻系數法對梯級水電站群聯合運行產生的利益增量進行分配。

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(水庫興利庫容、發電水頭、調節性能等)以及工程效益指標(保證出力、多年平均發電量以及裝機容量等)。W和B兩個水電站都是以發電為主要目標,航運、灌溉等其他作用并不明顯,且W水電站實行峰谷制電價,以發電量或保證出力為指標容易忽視W水電站電價較高這一情況,弱化W水電站在聯合運行總收益中的貢獻。綜合兩水電站的客觀情況并參考以往研究[6-14],選取年發電收益為貢獻作用值計算指標。

4.1 各水電站貢獻作用值

a. W水電站貢獻作用值:

(16)

式中:GW為W水電站在總發電收益中的貢獻作用值;VW-B為W水電站對B水電站發電收益增發所作出的貢獻。由于B水電站上游只有W 1個水電站,根據貢獻作用值的計算原理,該值應取B水電站聯合運行后的發電收益增量,即247.47萬元；VW為6 278.79萬元。

b. B水電站貢獻作用值:

(17)

式中:GB為B水電站在總發電收益中的貢獻作用值;VB為B水電站對總發電收益的貢獻作用值,即B水電站聯合運行后的發電收益,為7 473.88萬元。因為B水電站位于W水電站的下游,在聯合運行中,B水電站對W水電站不存在貢獻作用,根據貢獻作用值的計算原理,B水電站的貢獻作用值只包含該水電站聯合運行后的發電收益一項。

計算得:GW=6 526.26萬元,GB=7 473.88萬元。

4.2 各水電站貢獻系數

W水電站貢獻系數αW為

(18)

B水電站貢獻系數αB為

(19)

計算得:αW=46.6%;αB=53.4%。

梯級水電站利益增量分配計算過程見表4。

表4 梯級水電站利益增量分配計算

從上述計算過程可以看出,一方面,雖然W水電站在總發電收益中的貢獻量較B水電站有一定的差距,但是在聯合運行中,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,W水電站總貢獻作用值與B水電站總貢獻作用值的差距縮小,所以,兩水電站的貢獻系數比較接近。另一方面,B水電站總裝機容量和保證出力這兩個指標皆比W水電站大,在未實行聯合優化運行之前,B水電站的年發電量多于W水電站的年發電量。在實行聯合優化運行之后,扣除W水電站對B水電站總發電量的貢獻,B水電站的總發電量依舊大于W水電站的發電量,總發電收益也高于W水電站的收益,因此,B水電站的分配系數比W水電站的分配系數略高。

5 結 語

從只包含兩座水電站的小型梯級水電站群出發,提出運用貢獻系數法解決小型梯級水電站群聯合運行后的利益分配問題,充分考慮水電站自身情況和聯合運行中的博弈,避免了單指標分配法的片面性,強調了各水電站對梯級水電站群的貢獻程度,計算得出的分攤結果合理,提高了各水電站參與聯合運行積極性,有利于維護聯合運行的長期開展。但貢獻系數法適用于只包含兩個水電站的小型梯級水電站群,若水電站數量為3個或3個以上,該方法計算難度較大,適用性差,建議使用其他分配計算方法。

[ 1 ] 汪習文,李振全,李巧魚,等. 水庫補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攤方法[J].水利科技,1986(Z1):47.

[ 3 ] 高仕春,陶自成,陽蓉. 熵權法在梯級電站效益補償分攤中的應用研究[J].水電能源科學,2007,25(4):120-122.

[ 4 ] 趙麥換,徐晨光,黃強,等.離差平方法在梯級水庫補償效益和綜合水利工程費用分攤中的應用[J].水力發電學報,2004,23(6):1-4.

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

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

[ 7 ] 謝維,紀昌明,李克飛,等.金沙江梯級水電站群聯合發電運行三種常規調度方法研究[J].水力發電,2011,37(8):81-84.

[ 8 ] 謝維.水電站(群)優化調度與運行規則研究[D].北京:華北電力大學(北京),2012.

[ 9 ] 曹云慧. 梯級水電站(群)中長期發電調度規則的提取及補償效益分攤[D].保定:華北電力大學,2013.

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

[11] 楊莉. 梯級水電站聯合發電優化調度方法研究與應用[D].武漢:華中科技大學,2010.

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

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

[14] 閆正龍,高凡,黃強,等. 黃河上游梯級水庫群聯合調度補償機制研究[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,主要從事技術經濟及管理研究。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)