CN108988398A - 一种级联水电站群多利益主体调峰效益分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水电站调峰效益分配领域，具体涉及一种级联水电站群多利益主体调峰效益分配方法，本发明通过经优化计算后获得的调峰效益、级联水电站实时出力和水电站的基本参数，来分配级联水电站站群多利益主体的调峰效益。调峰效益分配值求解方法分为四个模块，分别为边际效益求解模块、机会成本求解模块、电站综合实力指标求解模块和改进shapley值法求解模块。该系统的优点在于针对级联水电调峰效益分配机制不明确的现状，综合考虑调峰边际效益、调峰机会成本和水电站综合实力，使得求出的调峰效益值更加合理，能够更好地调动级联水电调峰积极性，从而为电网人员分配级联水电站调峰效益提供参考。

Description

一种级联水电站群多利益主体调峰效益分配方法

技术领域

本发明属于水电站调峰效益分配领域，具体涉及一种级联水电站群多利益主体调峰效益分配方法。

背景技术

近几年来，国家对新能源发电的投入越来越大，大量的风电场、光伏电站投入运行。但是，由于风电、光电的不确定性、间歇性，使其有反调峰特性，因此，新能源发电的并网成了很大的问题。在我国的西北地区，有大量的风电、光电资源，但弃风弃光现象严重，造成大量资源浪费。目前，主要通过火电机组和水电机组的调峰，来实现新能源发电的并网。调峰服务作为电网的一项重要的辅助服务，需要遵循市场规律分配效益的。但一直以来，对于级联水电站群调峰，都认为其调峰成本可忽略不计，因此不对其分配调峰所得效益。但实际上，级联水电站群参与调峰是以牺牲自己的效益为代价的，理应参与调峰收益的分配。因此，需要有一种级联水电站群多利益主体调峰效益分配方法，合理分配水电站群的调峰效益，来提高水电站群各利益主体参与调峰的积极性。

发明内容

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种级联水电站群多利益主体调峰效益分配方法，其特征在于，包括：

数据获取：包括经优化计算获得的调峰效益、级联水电站实时出力和水电站的基本参数；其中，调峰效益可由电网通过优化算法计算获得后，直接取其优化结果，级联水电站实时出力和水电站基本参数由电网调度中心及水情处采集获得；

调峰效益分配值求解步骤：包括

边际效益求解子步骤：通过得到的经优化计算获得的调峰效益、级联水电站实时出力和水电站的基本参数数据，计算出各个水电站的边际效益；

机会成本子步骤：通过得到的经优化计算获得的调峰效益、级联水电站实时出力和水电站的基本参数数据，计算出各个水电站的机会成本；

电站综合实力指标子步骤：通过得到的经优化计算获得的调峰效益、级联水电站实时出力和水电站的基本参数数据，计算出各个水电站的电站综合实力指标；

改进shapley值法子步骤：基于得到的边际效益、机会成本以及电站综合实力指标用改进shapley值法求出各个水电站调峰效益的分配值。

在上述的一种级联水电站群多利益主体调峰效益分配方法，经优化计算获得的调峰效益，是各个水电站单独参与以及联合参与调峰时所获得的最大调峰效益，定义有{A₁,A₂...A_n}共n个水电站，将这些水电站联合调度参与调峰，它们之间的排列组合方式包括水电站之间单独调峰、两个电站联合调峰、三个电站联合调峰……n个水电站联合调峰，它们之间的组合数量个数C为

其中代表从n个水电站中挑选k个水电站参与调峰的组合数量，对于每种组合方式，都对应一个调峰效益，调峰效益为水电站参与调峰后的效益和未参与调峰前的效益的差值，在此假设该效益可由电网调度部门计算得到；

需要的输入数据水电站实时出力，就是水电站机组在某一时刻总的出力，而水电站基本参数包括水电站机组的额定容量、总装机容量、调节库容、额定水头、保证出力。

在上述的一种级联水电站群多利益主体调峰效益分配方法，边际效益求解子步骤具体是采用的是shapley值法，具体的算法为：定义整个联盟共有n个参与者，记为集合N＝{1,2,3...N}，N的任意子集S表示大联盟下的若干子集联盟，每个子集S对应一个特征函数满足

那么就(S，V)称为多人合作对策，在本文中，S就是流域水电站的联盟，V(S)就是该联盟下的收益值，每个水电站的边际贡献分配值为：

式中S\{i}表示除了i以外其他成员总成的联盟，(V(S)-V(S\{i}))表示i对联盟S所做出的边际贡献，λ(x)表示S的概率。

在上述的一种级联水电站群多利益主体调峰效益分配方法，机会成本求解子步骤具体是基于水电站因为执行调峰服务少发电量从而造成的利润损失来求出水电站的机会成本的，具体算法如下：

定义一台水电机组额定容量为P_N，以它的的日平均出力P_av作为参照，无偿调峰的范围在[P_av-αP_N,P_av+αP_N]这个区间内，即在此区间内调峰内是不计调峰成本的，其中α为浮动百分比，该参数可以由调度中心设置，超出这个区间，设机组t时刻实际出力为P_t，则：

(1)当P_t≥P_av-αP_N时，此时机组实际出力大于日平均出力的范围，机组相较于平时出力增加，出力增加意味着发电效益的增加，因此无需对该水电机组进行补偿；

(2)当P_t≤P_av-αP_N时，此时机组实际出力小于日平均出力的范围，机组相较于平时出力减少，出力减少意味着发电效益的减少，此时就要对该参与调峰服务的机组进行成本补偿，补偿的成本即为由于承担调峰服务所少发的电量乘上水电单位上网电价，即

式中，W_iT表示机组i在T时段应补偿的费用，C_eh为水电的单位上网电价(单位：千元/MWh)，然后，通过下式计算水电站j的成本补偿系数；

在上述的一种级联水电站群多利益主体调峰效益分配方法，电站综合实力指标求解子步骤具体是从水电站的调节库容、装机容量、保证出力、额定水头进行分析，得出一个综合的评价指标，定义级联水电站群有n个水电站，每一个水电站有m个自身特征指标，从而形成了一个指标值矩阵X＝(x_ij)_n×m，具体步骤如下：

步骤1：对m个指标进行归一化，并标准化指标值矩阵，表达式为：

式中y_ij为水电站i特征指标j的标准值；x_maxj、x_minj为最大特征指标和最小特征指标j的特征值；

步骤2：计算水电站i的特征指标j的比例：

步骤3：计算特征指标j的熵值：

步骤4：计算特征指标j的差异系数：

g_j＝1-e_j

步骤5：计算特征指标j的权重：

在上述的一种级联水电站群多利益主体调峰效益分配方法，改进shapley值法求解子步骤具体是将调峰机会成本因素和机组自身综合指标因素计入shapley值法进行，根据各个因素影响程度的不同，可以通过德尔菲法设定权重，权重用c＝(c₁,c₂)表示，在此基础上，shapley值法修正模型可以用下式表示：

式中，Φ_i(V)'为修正后第i个成员的收益分配，表示第i个水电站修正后的影响因素指标与平均影响因素指标之间的差值。

因此，本发明具有如下优点：针对级联水电调峰效益分配机制不明确的现状，综合考虑调峰边际效益、调峰机会成本和水电站综合实力，使得求出的调峰效益值更加合理，能够更好地调动级联水电调峰积极性，从而为电网人员分配级联水电站调峰效益提供参考。

附图说明

图1为本发明提供的一种级联水电站群多利益主体调峰效益分配方法流程图。

具体实施方式

下面通过实施例，对本发明提出的一种级联水电站群多利益主体调峰效益分配方法进行说明。

实施例：

一、首先介绍本发明的方法原理，具体包括：

(1)所需要的数据获取：主要是经优化计算获得的调峰效益、级联水电站实时出力和水电站的基本参数；其中，调峰效益可由电网通过优化算法计算获得后，直接取其优化结果，级联水电站实时出力和水电站基本参数可以由电网调度中心及水情处采集获得；

调峰效益分配值求解：该方法包括四个步骤，分别为边际效益求解步骤、机会成本求解步骤、电站综合实力指标求解步骤和改进shapley值法求解步骤，前三个步骤的输出作为第四个步骤的输入，作用是通过得到的经优化计算获得的调峰效益、级联水电站实时出力和水电站的基本参数数据，计算出各个水电站的边际效益、机会成本、电站综合实力指标，最后用改进shapley值法求出各个水电站调峰效益的分配值；

需要的输入数据即调峰效益，是各个水电站单独参与以及联合参与调峰时所获得的最大调峰效益，假设有{A₁,A₂...A_n}共n个水电站，将这些水电站联合调度参与调峰，它们之间的排列组合方式包括水电站之间单独调峰、两个电站联合调峰、三个电站联合调峰……以此类推到n个水电站联合调峰，它们之间的组合数量个数C为

其中代表从n个水电站中挑选k个水电站参与调峰的组合数量，对于每种组合方式，都可以由电网通过优化算法求出该组合方式下的最大调峰效益，假设电网能够计算出这些调峰效益，我们可以直接从电网获取这些数据；

需要的输入数据水电站实时出力，就是水电站机组在某一时刻总的出力，而水电站基本参数包括水电站机组的额定容量、总装机容量、调节库容、额定水头、保证出力等等。

(2)调峰效益分配值求解方法中的边际效益求解步骤，采用的是shapley值法，具体的算法为：假设整个联盟共有n个参与者，记为集合N＝{1,2,3...N}，N的任意子集S表示大联盟下的若干子集联盟，每个子集S对应一个特征函数满足

那么就(S，V)称为多人合作对策，在本文中，S就是流域水电站的联盟，V(S)就是该联盟下的收益值，每个水电站的边际贡献分配值为：

式中S\{i}表示除了i以外其他成员总成的联盟，(V(S)-V(S\{i}))表示i对联盟S所做出的边际贡献，λ(x)表示S的概率。

调峰效益分配值求解方法中的机会成本求解步骤，是基于水电站因为执行调峰服务少发电量从而造成的利润损失来求出水电站的机会成本的，具体算法如下：

首先，假设一台水电机组额定容量为P_N，以它的的日平均出力P_av作为参照，无偿调峰的范围在[P_av-αP_N,P_av+αP_N]这个区间内，即在此区间内调峰内是不计调峰成本的，其中α为浮动百分比，该参数可以由调度中心设置，超出这个区间，设机组t时刻实际出力为P_t，可以分为下述两种情况进行讨论：

(1)当P_t≥P_av-αP_N时，此时机组实际出力大于日平均出力的范围，机组相较于平时出力增加，出力增加意味着发电效益的增加，因此无需对该水电机组进行补偿；

(2)当P_t≤P_av-αP_N时，此时机组实际出力小于日平均出力的范围，机组相较于平时出力减少，出力减少意味着发电效益的减少，此时就要对该参与调峰服务的机组进行成本补偿，补偿的成本即为由于承担调峰服务所少发的电量乘上水电单位上网电价，即

式中，W_iT表示机组i在T时段应补偿的费用，C_eh为水电的单位上网电价(单位：千元/MWh)，然后，通过下式计算水电站j的成本补偿系数。

(3)调峰效益分配值求解步骤中的电站综合实力指标求解步骤，可以从它的调节库容、装机容量、保证出力、额定水头等方面进行分析，得出一个综合的评价指标，假设级联水电站群有n个水电站，每一个水电站有m个自身特征指标，从而形成了一个指标值矩阵X＝(x_ij)_n×m，具体步骤如下：

步骤1：对m个指标进行归一化，并标准化指标值矩阵，表达式为：

式中y_ij为水电站i特征指标j的标准值；x_maxj、x_minj为最大特征指标和最小特征指标j的特征值；

步骤2：计算水电站i的特征指标j的比例：

步骤3：计算特征指标j的熵值：

步骤4：计算特征指标j的差异系数：

g_j＝1-e_j

步骤5：计算特征指标j的权重：

(4)调峰效益分配值求解方法中的改进shapley值法求解步骤，主要将调峰机会成本因素和机组自身综合指标因素计入shapley值法进行，根据各个因素影响程度的不同，可以通过德尔菲法设定权重，权重用c＝(c₁,c₂)表示，在此基础上，shapley值法修正模型可以用下式表示：

式中，Φ_i(V)'为修正后第i个成员的收益分配，表示第i个水电站修正后的影响因素指标与平均影响因素指标之间的差值。

二、下面结合方法原理，进行具体案例的说明。

假设有A、B、C三个水电站，首先，从电网侧获得各个水电站单独参与以及联合参与调峰时所获得的最大调峰效益。实施案例有三个水电站，因此总共有种组合。三座水电站在不同组合下参与调峰所获得的收益如表1所示。将采集到的数据输入到边际效益求解步骤进行求解，求解公式如下：

式中S就是流域水电站的联盟，V(S)就是该联盟下的收益值，S\{i}表示除了i以外其他成员总成的联盟，(V(S)-V(S\{i}))表示i对联盟S所做出的边际贡献，λ(x)表示S的概率。边际效益求解步骤求解得到的A、B、C三个水电站的边际效益分别为207.99、76.33、65.46。

之后，数据采集步骤还要采集水电站的基本参数，假设采集到的水电站基本参数如表2所示，包括水电站的调节库容、装机容量、保证出力、额定水头这四个指标。将水电站基本参数输入到电站综合实力指标求解步骤求解，按照如下步骤求解：

步骤1：对4个指标进行归一化，并标准化指标值矩阵，表达式为：

式中y_ij为水电站i特征指标j的标准值；x_maxj、x_minj为最大特征指标和最小特征指标j的特征值；

步骤2：计算水电站i的特征指标j的比例：

步骤3：计算特征指标j的熵值：

步骤4：计算特征指标j的差异系数：

g_j＝1-e_j

步骤5：计算特征指标j的权重：

最后，通过该步骤，我们求解得出A、B、C三个水电站自身综合指标因素的权重系数分别为0.448、0.283、0.269。

然后，数据采集步骤采集电站的实际出力数据，将数据输入机会成本求解步骤进行求解。以一小时的时间段为例，水电上网电价为0.2元/(kW·h),三座水电站的机组实际出力值，日平均出力功率取额定值的20％，调峰浮动百分比α为10％，按照如下方法计算：

当P_t≥P_av+αP_N时，此时机组实际出力大于日平均出力，机组相较于平时出力增加，出力增加意味着发电效益的增加，因此无需对该水电机组进行补偿；

当P_t＜P_av+αP_N时，此时机组实际出力小于日平均出力，机组相较于平时出力减少，出力减少意味着发电效益的减少，此时就要对该参与调峰服务的机组进行成本补偿，补偿的成本即为由于承担调峰服务所少发的电量乘上水电单位上网电价，即

式中，W_iT表示机组i在T时段应补偿的费用，C_eh为水电的单位上网电价(单位：千元/MWh)，然后，通过下式计算水电站j的成本补偿系数。

水电站的实际出力和机会成本如表3所示，三个水电站的成本补偿系数分别为0.225、0.405、0.370。

最后，将前三个步骤的结果输入到改进shapley值法求解步骤，求解最终的调峰效益分配值。其中，改进shapley模型中的两个影响因素对应的权重向量为c＝(0.55，0.45)。求解式子如下：

最后得到使用改进shapley值法求得的调峰效益分配值，我们将它与传统shapley值法求解结果(边际效益求解步骤求出的结果)进行比较，如表4所示。通过两种方法的对比我们可以发现，由于水电站B调峰成本较另外两个水电站高，所以提高了水电站B的收益分配值，对于水电站A和水电站C，虽然水电站C的调峰成本比水电站A要高，但由于水电站A的综合实力要比水电站C要强，所以水电站A的收益分配值的减少量比水电站C少。通过对shapley值法的修正，将水电站的调峰成本和综合指标考虑进去，使得计算结果更加合理。

表1不同联盟组合下调峰收益

表2水电站主要参数

表3水电站的实际出力和调峰成本

表4Shapley值法和改进shapley值法模型对比

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种级联水电站群多利益主体调峰效益分配方法，其特征在于，包括：

数据获取：包括经优化计算获得的调峰效益、级联水电站实时出力和水电站的基本参数；其中，调峰效益可由电网通过优化算法计算获得后，直接取其优化结果，级联水电站实时出力和水电站基本参数由电网调度中心及水情处采集获得；

调峰效益分配值求解步骤：包括

边际效益求解子步骤：通过得到的经优化计算获得的调峰效益、级联水电站实时出力和水电站的基本参数数据，计算出各个水电站的边际效益；

机会成本子步骤：通过得到的经优化计算获得的调峰效益、级联水电站实时出力和水电站的基本参数数据，计算出各个水电站的机会成本；

电站综合实力指标子步骤：通过得到的经优化计算获得的调峰效益、级联水电站实时出力和水电站的基本参数数据，计算出各个水电站的电站综合实力指标；

改进shapley值法子步骤：基于得到的边际效益、机会成本以及电站综合实力指标用改进shapley值法求出各个水电站调峰效益的分配值。

2.根据权利要求1所述的一种级联水电站群多利益主体调峰效益分配方法，其特征在于，经优化计算获得的调峰效益，是各个水电站单独参与以及联合参与调峰时所获得的最大调峰效益，定义有{A₁,A₂...A_n}共n个水电站，将这些水电站联合调度参与调峰，它们之间的排列组合方式包括水电站之间单独调峰、两个电站联合调峰、三个电站联合调峰……n个水电站联合调峰，它们之间的组合数量个数C为

其中代表从n个水电站中挑选k个水电站参与调峰的组合数量，对于每种组合方式，都对应一个调峰效益，调峰效益为水电站参与调峰后的效益和未参与调峰前的效益的差值，在此假设该效益可由电网调度部门计算得到；

需要的输入数据水电站实时出力，就是水电站机组在某一时刻总的出力，而水电站基本参数包括水电站机组的额定容量、总装机容量、调节库容、额定水头、保证出力。

3.根据权利要求1所述的一种级联水电站群多利益主体调峰效益分配方法，其特征在于，边际效益求解子步骤具体是采用的是shapley值法，具体的算法为：定义整个联盟共有n个参与者，记为集合N＝{1,2,3...N}，N的任意子集S表示大联盟下的若干子集联盟，每个子集S对应一个特征函数满足

那么就(S，V)称为多人合作对策，在本文中，S就是流域水电站的联盟，V(S)就是该联盟下的收益值，每个水电站的边际贡献分配值为：

式中S\{i}表示除了i以外其他成员总成的联盟，(V(S)-V(S\{i}))表示i对联盟S所做出的边际贡献，λ(x)表示S的概率。

4.根据权利要求1所述的一种级联水电站群多利益主体调峰效益分配方法，其特征在于，机会成本求解子步骤具体是基于水电站因为执行调峰服务少发电量从而造成的利润损失来求出水电站的机会成本的，具体算法如下：

定义一台水电机组额定容量为P_N，以它的的日平均出力P_av作为参照，无偿调峰的范围在[P_av-αP_N,P_av+αP_N]这个区间内，即在此区间内调峰内是不计调峰成本的，其中α为浮动百分比，该参数可以由调度中心设置，超出这个区间，设机组t时刻实际出力为P_t，则：

(1)当P_t≥P_av-αP_N时，此时机组实际出力大于日平均出力的范围，机组相较于平时出力增加，出力增加意味着发电效益的增加，因此无需对该水电机组进行补偿；

(2)当P_t≤P_av-αP_N时，此时机组实际出力小于日平均出力的范围，机组相较于平时出力减少，出力减少意味着发电效益的减少，此时就要对该参与调峰服务的机组进行成本补偿，补偿的成本即为由于承担调峰服务所少发的电量乘上水电单位上网电价，即

式中，W_iT表示机组i在T时段应补偿的费用，C_eh为水电的单位上网电价(单位：千元/MWh)，然后，通过下式计算水电站j的成本补偿系数；

5.根据权利要求1所述的一种级联水电站群多利益主体调峰效益分配方法，其特征在于，电站综合实力指标求解子步骤具体是从水电站的调节库容、装机容量、保证出力、额定水头进行分析，得出一个综合的评价指标，定义级联水电站群有n个水电站，每一个水电站有m个自身特征指标，从而形成了一个指标值矩阵X＝(x_ij)_n×m，具体步骤如下：

步骤1：对m个指标进行归一化，并标准化指标值矩阵，表达式为：

式中y_ij为水电站i特征指标j的标准值；x_maxj、x_minj为最大特征指标和最小特征指标j的特征值；

步骤2：计算水电站i的特征指标j的比例：

步骤3：计算特征指标j的熵值：

步骤4：计算特征指标j的差异系数：

g_j＝1-e_j

步骤5：计算特征指标j的权重：

6.根据权利要求1所述的一种级联水电站群多利益主体调峰效益分配方法，其特征在于，改进shapley值法求解子步骤具体是将调峰机会成本因素和机组自身综合指标因素计入shapley值法进行，根据各个因素影响程度的不同，可以通过德尔菲法设定权重，权重用c＝(c₁,c₂)表示，在此基础上，shapley值法修正模型可以用下式表示：

式中，Φ_i(V)'为修正后第i个成员的收益分配，表示第i个水电站修正后的影响因素指标与平均影响因素指标之间的差值。