流域梯级龙头水电站效益补偿方法及系统与流程

本发明涉及电力行业龙头电站效益补偿领域，特别是一种流域梯级龙头水电站效益补偿方法。

背景技术：

流域中龙头电站的投运为下游梯级电站带来了可观的经济效益，但流域梯级电站可持续发展的龙头电站效益补偿问题一直未能得到很好的解决，严重制约了水电的发展。上游调节性能好的大型水电站为了满足下游发电、供水等综合利用要求，牺牲自身的发电效益，使流域中下游获得显著的经济、社会效益，而上游水电站自身效益却没有得到应有的补偿。这不仅加重了已建电站的运行负担，而且挫伤了待建电站投资者的积极性，不利于梯级水电的开发和管理。

现有龙头电站效益补偿问题研究内容：1.龙头电站对下游电站补偿效益的量化，考虑库水位、电站出力、发电流量、出库流量等因素，采用有无上游龙头电站下游梯级电站发电量的差值作为龙头电站的补偿效益；2.龙头电站补偿效益计算方法，采用神经网络、决策支持系统、大系统分解协调技术等；3.目前提出的流域龙头电站效益补偿的方法主要有按照固定比例分配下游电站增发电量的比例分配法和按照流域梯级电站库容、装机容量和发电水头等电站特性其中一个因素或者综合各因素确定分配比例的单因素法和综合因素法。

现行研究内容存在的问题：内容1中仅考虑电站调度的常规因素，但目前很多流域都面临大型引水工程建设，此因素未在调度中予以考虑；内容2中补偿效益计算过程中，计算量会随着电站数量增加而呈指数增长，当电站达到一定数量时就会出现维数灾问题，神经网络、决策支持系统、大系统分解协调技术等都主要用来解决维数灾问题，但这些方法很容易陷入局部最优解，或者出现多次计算结果不唯一的问题；内容3补偿效益分配各类方法实际操作性不强，存在如下具体问题：①比例分配法实施简单，但缺少对补偿效益明确的计算，不能反映双方实际施益和受益的大小，在具体的实施中往往因各方对补偿效益大小和分摊比例上产生分歧；②单因素分配法简单明了，但对同一梯级水电站进行补偿效益分摊时选择不同指标得到的结果差异较大，存在一定的片面性；③综合因素法相对单因素法有所进步，但需要人为确定权重或选定参考因素，主观性较强。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题之一是提供一种能够兼顾多方面的流域梯级龙头水电站效益补偿方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

流域梯级龙头水电站效益补偿方法，包括如下步骤：

S1.考虑电站运行约束，建立梯级发电量最大模型；

其中，E为流域(梯级)电站的总发电量，T为调度周期包含的时段数，M为电站总数，p_m,t为电站m第t时段的出力，Δ_t为第t时段的秒数；

约束条件如下：

A.水量平衡

V_m,t+1＝V_m,t+(Q_m,t-d_m,t)Δt (式2)

其中，V_m,t为电站m第t时段末库容，Q_m,t为电站m第t时段的入库流量，d_m,t为电站m第t时段的出库流量；

B.工程引水约束

其中，Q_m,t为电站m第t时段的入库流量，为电站m第t时段的区间天然流量，为电站m第t时段的区间引水流量，d_i,t为电站i第t时段的出库流量，K为电站m的直接上游电站序号的集合；

C.库水位约束

其中，Z_m,t、Z_m,t、分别为第m个水库在第t时段末的水位及其下限和上限；

D.末水位控制

其中，为电站m调度期末的水位固定值；

E.发电流量约束

其中，q_m,t、q_m,t、分别为第m个水库在第t时段的发电流量及其下限和上限；

F.出库流量约束

其中，d_m,t、d_m,t、分别为第m个水库在第t时段的出库流量及其下限和上限；

G.电站出力约束

其中，p_m,t、p_m,t、分别为第m个水库在第t时段的平均出力及其下限和上限；

H.变量非负约束

即所有变量均大于等于零；

S2.引入有向图，形成流域梯级拓扑结构，其中每个节点表示一个水电站，每条边表示从上游到下游的方向，同时下游电站记录其所有直接上游电站的引用；

S3.采用深度优先搜索(DFS)对流域梯级电站群进行排序；

S4.通过等出库流量法得到初始解轨迹，以梯级所有电站某一时段的水位组合作为基本计算单元，采用离散微分动态规划(DDDP)与逐次逼近(POA)的混合算法，对已排序的流域梯级电站群进行自上游至下游的顺序求解梯级发电量最大模型,以有无龙头电站的下游梯级多年平均发电量差值作为龙头电站的补偿效益；

S5.引入现行电价定价机制，根据龙头电站对下游梯级电站的补偿效益，测算龙头电站电价；

S51.采用经营期上网电价法进行电价测算，根据发电项目经济寿命周期，按照合理补偿成本、合理确定收益和依法计入税金的原则确定；其中，成本包括建设成本和发电成本；合理收益以资本金内部收益率为指标，取值为7％-8％；

S52.反向测算目前龙头电站电价下，下游梯级电量补偿比例，其计算公式为：

其中，CI为现金流入量；CO为现金流出量；(CI-CO)t为第t年的净现金流量；n为项目计算期，包括建设期和经营期；t为年份；FIRR为资本金内部收益率，值为8％；

S53.根据步骤S4中求解梯级发电量最大模型计算出的龙头电站多年平均发电量、项目投资，以步骤S51中的项目资本金财务内部收益率为目标，按照下游梯级电量补偿比例为0-100％，分别测算龙头电站电价,具体同步骤S52:

A.设定下游梯级电量补偿比例，按照流域梯级平均电价折算为龙头电站的现金流入量的一部分；

b.按照公式(9)，反算在当前资本金内部收益率下，补偿比例对应的龙头电站电价；

C.设定不同的补偿比例，计算对应的龙头电站电价，得到补偿比例与龙头电站电价关系；

S6.采用电价补偿与电量补偿相结合的方式对补偿效益进行分配；

S7.在研究流域梯级龙头水电站效益补偿方法和分配机制的基础上，开发流域梯级龙头水电站效益补偿软件系统，用以根据不同情况计算龙头电站的补偿效益，并进行效益分配。

作为优选，发电成本，包括固定资产折旧、摊销费、经营成本和利息支出，建设成本主要是项目资本金投资。

作为优选，CI包括发电销售收入(包括龙头电站自身发电收入和下游梯级电站返还效益)、回收固定资产余值、回收流动资金和其他现金流入量，下游梯级补偿电量按照流域梯级平均电价折算为收入后计入现金流入量；CO包括资本金投资、还本付息、经营成本、各项税款和其他现金流出。

作为优选，步骤S5中，测算龙头电站电价时，设定下游梯级电量补偿比例时的取值间距为1％至20％

本发明所要解决的技术问题之二是提供一种能够兼顾多方面的流域梯级龙头水电站效益补偿系统。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

流域梯级龙头水电站效益补偿系统，包括

客户机层，包括基础信息管理模块、优化计算模块和效益补偿计算模块，基础信息管理模块用于管理和维护电站基本参数和特征曲线，优化计算模块用于计算梯级发电量最大模型中龙头电站对下游梯级电站的增发电量，效益补偿计算模块用于确定最终补偿效益分配方法；

数据服务器层，用于存储基础信息数据、调度计算数据和效益分配数据；

外部接口，包括API、DBMS、URL和Web Service。

本发明所述的API为应用程序接口，DBMS为数据库管理系统接口，URL为万网通讯协议接口，Web Service为Web应用程序接口。

本发明同现有技术相比具有以下优点及效果：

1、由于本发明不仅考虑到电站调度的常规因素，而且考虑到了很多流域都面临大型引水工程建设的问题，因此本发明的计算结果更全面，具有更广泛的实用价值。

2、由于本发明构建梯级发电量最大模型并采用POA和DDDP混合算法求解，其中以梯级水位组合作为基本计算单元，大大降低了编写代码和程序整体逻辑的复杂程度，同事不会产生维数灾和计算结果不唯一的问题，使得求解更为高效，最终计算结果更加准确。

3、由于本发明采用电量补偿和电价补偿相结合的方法，有效克服了传统效益分配方法的缺点，且能反映双方实际施益和受益的大小，实际操作性强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的乌江流域梯级水电站群拓扑结构示意图。

图2为本发明的乌江流域梯级水电站群结构有向图。

图3为本发明的乌江流域梯级水电站群结构简化有向图。

图4为本发明的POA和DDDP混合算法流程图。

图5为本发明的系统架构示意图。

图6为本发明的部分系统运行流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例1：

本实施例的流域梯级龙头水电站效益补偿方法，包括如下步骤：

S1.考虑电站运行约束，建立梯级发电量最大模型

其中，E为流域(梯级)电站的总发电量；T为调度周期包含的时段数，本项目中以月为调度时段；M为电站总数；p_m,t为电站m第t时段的出力；Δ_t为第t时段的秒数。

步骤S1中的约束条件如下：

A.水量平衡

V_m,t+1＝V_m,t+(Q_m,t-d_m,t)Δt (式2)

其中，V_m,t为电站m第t时段末库容；Q_m,t为电站m第t时段的入库流量；d_m,t为电站m第t时段的出库流量。

B.工程引水约束

其中，Q_m,t为电站m第t时段的入库流量；为电站m第t时段的区间天然流量；为电站m第t时段的区间引水流量；d_i,t为电站i第t时段的出库流量，K为电站m的直接上游电站序号的集合。

C.库水位约束

其中，Z_m,t、Z_m,t、表示第m个水库在第t时段末的水位及其下限和上限。

D.末水位控制

其中，为电站m调度期末的水位固定值。

E.发电流量约束

其中，q_m,t、q_m,t、表示第m个水库在第t时段的发电流量及其下限和上限。

F.出库流量约束

其中，d_m,t、d_m,t、表示第m个水库在第t时段的出库流量及其下限和上限。

G.电站出力约束

其中，p_m,t、p_m,t、表示第m个水库在第t时段的平均出力及其下限和上限。

H.变量非负约束

即所有变量均大于等于零。

S2.引入有向图，形成流域梯级拓扑结构，其中每个节点表示一个水电站，每条边表示从上游到下游的方向，同时下游电站记录其所有直接上游电站的引用；

S3.采用深度优先搜索(DFS)对流域梯级电站群进行排序；

S4.通过等出库流量法得到初始解轨迹，以梯级所有电站某一时段的水位组合作为基本计算单元，采用离散微分动态规划(DDDP)与逐次逼近(POA)的混合算法，对已排序的流域梯级电站群进行自上游至下游的顺序求解梯级发电量最大模型,以有无龙头电站的下游梯级多年平均发电量差值作为龙头电站的补偿效益；

S5.引入现行电价定价机制，根据龙头电站对下游梯级电站的补偿效益，测算龙头电站电价；

S51.采用经营期上网电价法进行电价测算，根据发电项目经济寿命周期，按照合理补偿成本、合理确定收益和依法计入税金的原则确定；其中，成本包括建设成本和发电成本；合理收益以资本金内部收益率为指标，一般取值7％-8％。

S52.反向测算目前龙头电站电价下，下游梯级电量补偿比例，其计算公式为：

其中，CI为现金流入量；CO为现金流出量；(CI-CO)t为第t年的净现金流量；n为项目计算期，包括建设期和经营期；t为年份；FIRR为资本金内部收益率，值为8％；

S53.根据S4中求解梯级发电量最大模型计算出的龙头电站多年平均发电量、项目投资，以S51中的项目资本金财务内部收益率为目标，按照下游梯级电量补偿比例为0-100％，分别测算龙头电站电价,具体步骤同S52:

a.假定下游梯级电量补偿比例，按照流域梯级平均电价折算为龙头电站的现金流入量的一部分；

b.按照公式(9)，反算在当前资本金内部收益率下，补偿比例对应的龙头电站电价；

c.假定不同的补偿比例(0-100％)，计算对应的龙头电站电价，得到补偿比例与龙头电站电价关系。

S6.采用电价补偿与电量补偿相结合的方式对补偿效益进行分配。

S7.在研究流域梯级龙头水电站效益补偿方法和分配机制的基础上，开发流域梯级龙头水电站效益补偿软件系统，用以根据不同情况计算龙头电站的补偿效益，并进行效益分配。

具体地，引入有向图描述流域梯级拓扑结构的优化计算思想，采用深度优先搜索(DFS)对流域梯级电站群进行排序，以梯级所有电站某一时段的水位组合作为基本计算单元，采用离散微分动态规划(DDDP)与逐次逼近(POA)的混合算法进行求解，计算有无龙头电站时梯级电站的发电量差值，将其作为龙头电站对下游梯级电站的补偿效益。

以乌江流域为例，其梯级水电站群拓扑结构如图1所示，从图中可以看出流域梯级电站群的特点，即①流域中没有孤立的电站；②两个电站间要么没有水力联系，要么有唯一确定的水力联系；③每个电站都可能有一个或多个直接上游、一个直接下游电站；④电站间的水力联系是单向从上游到下游的关系。使用有向图对电站的关系进行描述如图2所示，对有向图进行简化如图3所示。有向图描述的梯级拓扑结构具有如下特点：①每个顶点都至少有一条边指向它或从它出发；②每两个顶点之间最多有一条有向边连接；③对于任意顶点A，指向A的边可以有多条，但从A出发的边只有一条；④图中不存在回路。由此可见，有向图能够与梯级电站的特点相对应。

通过DFS确定电站计算顺序的过程是先找到整个梯级的最下游电站，作为有向图的根s，放在目标排序队列D中，然后在有向图中通过上游电站的引用找到s的直接上游集合U，依次对U中的电站遍历，将循环电站u加入队列D，同时按相同的方法继续寻找电站u的直接上游，直到所有电站搜索完毕。最后队列D中电站的反向顺序即为电站的计算顺序，用G表示描述梯级的有向图，该搜索过程通过递归实现如下：

////主程序开始

S＝getLastHydro(G)；//找到最下游电站

addUpHydro(list,s)；//调用子函数

object＝reverse(list)；//获得最终的计算结果

////主程序结束

////递归子程序开始

Procedure addUpHydro(list,downHydro)//函数开始

list.add(downHydro)；//添加根节点

uPHydros＝downHydro.getUPHydros；//获得直接上游电站

for each hydro in upHydros//对上游电站集合循环

addUPHydro(list,hydro)；//递归调用

end for；//循环结束

end Procedure；

////递归子程序结束

根据DFS方法所获得的乌江流域梯级电站计算顺序为：

普定→引子渡→洪家渡→东风→索风营→乌江渡→构皮滩→思林→沙沱→彭水→银盘→白马

该计算顺序依然满足先算上游电站后算下游电站，先算电站数较少的支流后算干流的特点。

由等出库流量法计算初始解轨迹，以梯级12座电站各时段的水位组合作为基本计算单元，采用POA和DDDP混合算法自上游至下游进行梯级水电站优化调度计算，计算流程如图4所示，结算结果如表1所示。

表1有无龙头电站洪家渡时乌江流域梯级电站多年平均发电量情况

通过以上结果可知，有洪家渡电站时乌江流域梯级11座电站多年平均发电量369.6亿千瓦时，龙头电站洪家渡多年平均发电量12.76亿千瓦时，无洪家渡电站时流域梯级11座电站多年平均发电量357.7亿千瓦时，龙头电站洪家渡对乌江流域的补偿效益为11.9亿千瓦时，以梯级最低运行电价0.2574元/kW·h计算，龙头电站洪家渡为流域梯级年平均增加收益3.06亿元。

引入现行电价定价机制，测算龙头电站电价，采用电价补偿与电量补偿相结合的方式对补偿效益进行分配。

采用经营期上网电价法进行电价测算，根据发电项目经济寿命周期，按照合理补偿成本、合理确定收益和依法计入税金的原则核定。其中，发电成本为社会平均成本，主要包括固定资产折旧、人员工资及福利费、材料费、工程保险费、燃料动力费、水资源费、修理费、库区维护费、摊销费、利息支出和其他费用等；合理收益以资本金内部收益率为指标，按长期国债利率加一定百分点核定。

反向测算目前龙头电站电价下，下游梯级电量补偿比例。

其基本计算公式为：

式中：

CI——现金流入量。包括发电销售收入(包括龙头电站自身发电收入和下游梯级电站返还效益)、回收固定资产余值、回收流动资金和其他现金流入量，下游梯级补偿电量按照流域梯级平均电价折算为收入后计入现金流入量；

CO——现金流出量。包括建设投资、流动资金投资、经营成本、各项税款和其他现金流出；

(CI-CO)t——第t年的净现金流量；

n——项目计算期。包括建设期和经营期；

t——年份；

FIRR——资本金内部收益率，定为8％。

根据上述公式可以反算出，在当前龙头电站电价水平下，满足确定的资本金内部收益率8％的下游梯级电量补偿比例。

根据龙头电站多年平均发电量、项目投资，以项目资本金财务内部收益率8％为目标，按照下游梯级电量补偿比例0-100％，分别测算龙头电站电价。

原理同步骤S52：

假定下游梯级电量补偿比例，按照流域梯级平均电价折算为龙头电站的现金流入量的一部分；

按照公式(9)，反算资本金内部收益率8％时，当前补偿比例对应的龙头电站电价；

假定不同的补偿比例(0-100％)，计算对应的龙头电站电价，得到补偿比例与龙头电站电价关系。

考虑下游梯级返还洪家渡水电站补偿电量的不同比例，洪家渡对乌江流域补偿电量11.9亿千瓦时，各方案上网电价见表2，当下游梯级返还补偿电量在0％-70％之间时，洪家渡水电站的上网电价在0.4117-0.2471元/kW.h之间。

表2洪家渡电站各方案上网电价汇总表

以电量补偿和电价补偿相结合的方式，对龙头电站洪家渡提出以下三种补偿方案。

方案一：全部以电价进行补偿，即在流域梯级电站不对洪家渡电站返还电量时，洪家渡电价应为0.4117元/kW·h。

方案二：比例分配与电价补偿相结合，以洪家渡对乌江流域梯级电站年均增发电量11.9亿kW·h计算，采取5:5分配法，洪家渡得到流域梯级电站返还电量5.95亿kW·h，获得收益1.53亿元，洪家渡电价应为0.2715元/kW·h。

方案三：全部以电量返还方式补偿，以洪家渡对乌江流域梯级电站年均增发电量11.9亿千瓦时计算，在洪家渡当前电价0.2724元/kW·h下，流域梯级电站应以4.5：5.5方式进行返还，返还电量5.36亿千瓦时，获得收益1.38亿元。

如图5所示，流域梯级龙头水电站效益补偿系统，包括，

客户机层，包括基础信息管理模块、优化计算模块和效益补偿计算模块，基础信息管理模块用于管理和维护电站基本参数和特征曲线，优化计算模块用于计算梯级发电量最大模型中龙头电站对下游梯级电站的增发电量，效益补偿计算模块用于确定最终补偿效益分配方法；

数据服务器层，用于存储基础信息数据、调度计算数据和效益分配数据；

外部接口，包括API、DBMS、URL和Web Service。

图6为本系统的生成调度方案和效益补偿计算的运行流程。

具体地，生成调度方案的流程包括：新建方案；选取计算时间和参与计算电站；设置调度计算约束条件；优化调度计算，得出梯级增发电量；保存调度计算方案。

效益补偿计算流程包括：从保存的调度计算方案中选取调度计算方案；根据预设的算法计算补偿效益分配；生成龙头电站效益补偿分配结果。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。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，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。