梯级水电站群联合调度效益分配的Shapley值法
【专利摘要】本发明涉及一种梯级水电站群联合调度效益分配的Shapley值法，属于电力行业电站效益分配领域。目前难以有效解决大流域龙头电站、不同开发主体、干支流段梯级水电站群之间的效益分配问题。本发明包括如下步骤：1）对整个梯级系统中的不同利益主体的子系统进行分割；2）建立研究梯级电站群效益补偿问题的发电量最大模型，梯级系统内效益的计算模型是发电量最大；3）Shapley值法在效益分配过程中针对有调节能力电站，在不同的计算工况下的处理方法；4）按照Shapley值法的定义，完成各子系统的效益分配，最终得到各系统在不同模式下的效益分配。本发明解决了水电站联合调度中的效益分摊问题科学、可靠、合理。
【专利说明】
梯级水电站群联合调度效益分配的Shap I ey值法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种梯级水电站群联合调度效益中的一种分配方法，尤其是涉及一种 梯级水电站群联合调度效益分配的Shapley值法，属于电力行业电站效益分配领域。
【背景技术】
[0002] 当前，国内梯级水电开发面临着良好的机遇，流域梯级开发最主要的目的是以整 个流域为主体，充分利用流域内各电站的调节性能，最终达到梯级效益的最大利用，是提高 水能利用和节约水能资源的有力手段。大部分的同一梯级电站开发主体并不是同一家，对 梯级水电站进行统一调度也不是件容易的事情，上游水电站或水电站群可能为了梯级整体 利益的最大化而产生牺牲自身利益的调度方式（"施益调度"），或者下游水电站或水电站群 得不到本应该有的水量过程等。这必然会导致各方利益的不平衡，从而迫切需要合理的、科 学的效益分配方法，早在上世纪四十年代，北美哥伦比亚河流上的16座梯级水电站开启了 流域效益分配的研究，该河流由加拿大和美国联合开发，其中美国12座，加拿大4座。1961 年，美国、加拿大两国通过谈判、协商实现了水电建设共同规划，各自建设，效益共享。上世 纪八十年代以后，关于水电站水库调节的研究较多，而关于效益分摊方法的研究较少。1984 年，董子敷教授提出的按贡献系数法分摊总能量效益，并将此方法应用于红水河梯级，取得 良好的效果，但是贡献系数的计算具有一定的局限性。进入二十一世纪之后，我国对效益分 配的研究进入了全面发展时期，较多的研究集中在效益的分摊方法上，出现了单指标法、综 合指标法等分摊方法。
[0003] 其中，单指标法是根据电站的某一主要影响因子进行分摊，包括:装机容量法，调 节库容法，发电水头法和保证出力法等，其概念明确，易于理解，计算简单，但每种分摊方法 只能适应于某种特定的条件，结果比较片面，差异较大，不能满足各个投资方的要求。为了 克服单一指标法的缺点，一些学者提出了综合指标法。综合指标法主要有四种:多目标综合 分析法、模糊综合评判法、离差平方法、熵权法。多目标综合分析法、模糊综合评判法建立在 专家评定的权重基础上，主观性比较强；离差平方法根据单个分配的方法与多种分配方法 的平均值的接近程度来确定权重，但不能真实反映分摊方法在综合分摊中的重要程度;熵 权法也是一种加权的综合法，不需要人为确定权重，但同一指标的各方案值差异比较大。
[0004] 为了简单易行，便于操作，比例分配法得到了一定的使用，所谓的比例分配方法对 补偿效益在施益电站和受益电站之间按照一个固定的比例进行分配。如四川省1997年发布 了《四川省流域梯级水电站间水库调节效益偿付管理办法》（以下简称"四川办法"）。四川办 法中规定调节效益包括因水库调节增加的发电量收益以及因水库调节将较低电价季节、时 段的电量转移至较高电价季节、时段而增加的收益。在一个偿付段内，下游水电站因上游调 节电站的水库调节而获得的调节效益为主调节效益。当上一个偿付段的末端是一个调节电 站时，该调节电站因上游调节电站的调节而在本偿付段中所获效益为延伸效益。偿付方法 为:主调节效益由受益方以实际受益额的70%向偿付段上游调节电站偿付;延伸效益为末 端调节电站的施益净额与延伸系数的乘积。延伸系数计算方法为V上为上游调 节水库库容，VT为下游调节水库库容。
[0005]总结起来，综合指标法有着权重的确定需要主观设定或不能反映补偿效益产生的 原因等不足之处，使得在应用中存在争议，分摊的实施受到影响。四川办法中缺少上游水电 站对下游水电站调节补偿效益的规范性计算方法，加上单纯的以一个比例来衡量不同电站 对整个梯级的施益和受益情况太过粗矿，不够精细科学，使得四川办法的实施情况也并不 理想。同时对各种方法的合理性缺少深入的分析，特别是针对实际应用中的结果分析不足， 以至于尚未找到一个既合理易于实现又通用性强的分摊方法。从博弈论的角度上讲，梯级 水电站之间的效益分配实际上就是各个子系统在合作的基础上进行收益的分配，于是就有 研究者将Shapley值法引入到梯级水库收益分配的研究中。Shapley值法是1953年由 Shapley提出的经典n人合作对策的Shapley值的公理化方法，即利用被人们普遍接受的线 性性、哑元性、对称性和有效性公理，求解各个局中人的支付值，并称这样的值为Shapley 值，它是用于分配参与者合作所产生的效益的一种分配方案。近几年，部分水利工作者将这 种Shapley值法应用到梯级水库效益分配的研究中，研究情况和结论见表1。由于Shapley值 法在梯级水库效益分配上的研究是比较新兴的课题，目前的研究大部分是基于单库的效益 分配，且梯级联系较为简单，基本都是"一拖二"的模式（即一个有调节能力电站后面接着两 个无调节能力电站），即便是针对梯级水电站群体之间的联系，也是最简单的两梯级之间的 研究探讨，存在一定的局限性，无法直接应用到复杂水力联系的大型梯级水电站群体上使 用。
[0006 ]表1关于Shap 1 e y值法的使用情况总结
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于采用博弈论中的Shapley值法用以解决大流域龙头电站、不同 开发主体、干支流段梯级水电站群之间的效益分配问题，而提供一种梯级水电站群联合调 度效益分配的Shapley值法。
[0010] 本发明解决上述问题所采用的技术方案是:该梯级水电站群联合调度效益分配的 Shap 1 ey值法的特点在于:包括如下步骤：
[0011] 1)对整个梯级系统中的不同利益主体的子系统进行分割；
[0012] 2)建立研究梯级电站群效益补偿问题的发电量最大模型，梯级系统内效益的计算 模型是发电量最大；
[0013 ] 3) Shap 1 ey值法在效益分配过程中针对有调节能力电站(多年调节电站、年调节电 站、季调节电站等），在不同的计算工况下的处理方法；
[0014] 4)按照Shapley值法的定义，完成各子系统的效益分配，最终得到各系统在不同模 式下的效益分配。
[0015] 1.利益群体的分割
[0016] 由于本方法的应用主体不仅仅是面向单个水库的，也可以是面向多个水库群组成 的子系统，当然也可以是单个水库与水电站群子系统的结合，因此首先要进行相关利益群 体的分割，计算不同利益主体的子系统效益补偿，必然就存在不同的子系统构建模式，在针 对龙头电站效益补偿分配计算的时候，将各电站作为效益计算的利益子系统，换言之，每个 电站都是一个计算子系统;针对统一流域不同开发主体上或不同干支流上的效益分配，将 各开发主体或干支流的水电站群作为该开发主体的利益子系统，换言之，有几个开发主体 就有几个计算子系统;针对不同流域上的效益分配，将每个流域上的水电站群作为该流域 上的利益子系统，简言之，有几条流域就有几个不同的计算子系统;在以上子系统分配的过 程中，不同计算模式可以相互结合使用，比如:在计算龙头电站效益补偿过程中，如果下游 存在不同开发主体时，也可以直接将同一开发主体的水电站群作为同一个利益计算子系统 等。
[0017] 2.发电效益的计算
[0018] 针对梯级水电站群内各电站或各子系统的效益量化采用梯级、系统或者电站总发 电量最大模型进行计算，发电量最大模型是在给定调度期内入库流量过程和水库始末水 位，在考虑各种约束条件下，确定各个具有长期调节能力的水电站水库的调度过程，使得系 统发电量最大。该模型的目的是尽量利用水电站的调节能力，加大发电平均水头同时减少 弃水，尤其是充分利用梯级电站的水力联系和流域间的电力联系，最大程度的利用水能资 源。模型成立的约束条件有:水量平衡、水库上游水位约束(不可低于死水位，不可高于正常 高水位或汛限水位）、调度期末水位限制、电站最大过机流量限制、出库流量约束、电站出力 约束、变量非负约束等。
[0019] 对于大型梯级水电站发电量最大模型的求解，由于涉及电站数较多，若使用动态 规划法(DP)进行求解，尽管最终能够求得最优解，但无法解决"维数灾"问题，使得求解效率 大大降低。为了能够有效解决求解效率的问题，采用逐步优化算法(P0A)和离散微分动态规 划(DDDP)的混合型算法对模型进行求解。P0A算法的基本思想是将多阶段决策问题分解为 若干子问题，而子问题之间有系统的状态联系。此时每次只需对子问题寻优，针对水库群长 期优化调度问题，每个子问题仅需考虑某个时段的状态及相邻两时段的目标函数，逐个时 段进行寻优，直到收敛为止。而且数学上已经证明P0A算法是收敛的。DDDP算法的基本思路 是在初始解轨迹的上下各变动一个小的范围（即增量）。形成廊道，在廊道中使用DP求解，不 断的迭代直至收敛。此算法涉及到两个关键的问题:一是初始解的生成，初始解的生成对算 法的收敛速度和最终收敛的解的质量至关重要，由于DDDP并不能保证最终收敛到的是全局 最优解，所以在应用DDDP算法进行优化计算时可以选择不同的初始解进行试算，取目标值 最大的解作为最终解。DDDP算法涉及的另一个重要的问题是迭代过程中增量大小的选择， 若增量过大则难以收敛到全局最优解附近，若增量过小则容易陷入局部极值，同样难以收 敛到全局最优值附近。所以在迭代的过程中，增量可由大变小，而且增量也可以只在初始解 的一侧，同时各个电站的增量、每个电站在不同时刻的增量都是可以不同的。总之，增量的 选择和变化是一个很灵活的过程。通过实践证明，采用POA和DDDP相结合的求解算法能够满 足大型梯级水库群发电量最大生产实际的需要。
[0020] 3.各利益系统在计算中的处理方式
[0021] 针对不同的计算工况，对不同调节性能电站有着不同的处理方式;针对单个水电 站而言，在进行效益计算的过程中，对于季调节以上电站参与联调的时候按照有调节能力 电站处理，不参与联调的时候，为保障水力联系的统一性，按无调节性能电站处理;对于周 调节及以下的电站不管参不参与联调都按照无调节能力的电站处理;针对由水电站群(两 个及以上电站)组成的各不同利益主体的子系统而言，在参与联调时，系统内各电站根据其 自身的调节能力按照单站参与联调时的处理方式处理，在不参与联调时按照全子系统无调 节能力处理。
[0022] 4 ?基于Shapley值法的效益分配
[0023] Shapley值法由美国洛杉矶加州大学教授罗伊德?夏普利（Lloyd Shapley)于 1953年提出，是多人合作博弈理论中一种解的概念，实现了联盟总体利益在各成员之间的 公平和有效的分配。在2个或2个以上的决策者参与合作时的合作收益大于其各自独立行动 所得的收益总和时，每个参与者都希望从合作收益中获得自己满意的比例。假设有N个参与 人(电站)参与合作，S是N的子集，v(S)是{S}联合体(联盟)的特征函数，表示联合体S通过协 调其成员的策略所能获得的最大收益；可以把总收益v(N)按这样一种方式分配给各参与 人，使之不仅满足个体合理性和群体合理性，而且还满足联盟合理性，即任何联合体中的成 员在这种分配方式下的所得都不小于他独立出来时的所得，因此也就没有意愿拒绝这样的 分配，该分配方式即Shap 1 ey值法。
[0024] ①Shapley值法原理
[0025] 设有n人合作博弃G=[N，v]，其中~={1，2,3，一，11}。若1￡1记1在置换31下的位置 为Jii。若.gS；N,S = {il，i2,…，ik}，则规定Jis= {>il，Jii2,…，Jiik}。同时记Jiv为一个特征函 数u:
[0026] jtv(S)=u(S)=v[jt(S)] (1)
[0027] 式中，Jr 一 N的一个排列，也称为N的一个置换；
[0028] S-电站参与的一个联盟；
[0029] u-特征函数即电站联合后的发电效益。
[0030] 在n人合作博弃G=[N，v]中，G的Shapley值是n维向量：
[0031] ? 0〇 = (% (V)為 〇/)，"'，％〇/)) (2)
[0032] 式中，奶.(v)-第i个电站的Shapley值。
[0033] ②Shapley值3个公理 [0034] 对称性公理。对于置换31，有
[0035] = (PM (3)
[0036] 式中，.(.TV)-第i个电站在it置换下的Shapley值；
[0037] (p,(v)一第 i个电站的 Shapley值。
[0038] 即：电站因合作而分配到的利益与他被赋予的记号i无关，各电站的收益之和等于 全体电站的合作获利。
[0039] 有效性公理。对于G的每一个支柱D，有
[0040] Z^(v?)=y(D) ieB (4)
[0041 ] 式中，D-G的支柱；
[0042] 一第 i 个电站的 Shap 1 ey 值。
[0043] 即：如果电站i对其他所参与的任一合作都无贡献则给其他的分配应为0。
[0044] 可加性公理。对任意两个合作博弃Gl = [N，v]和G2 = [N，w]，对任意的i GN，有
[0045] ^(^+6>)=%(v)+%(6>) ( 5)
[0046] 式中，奶…）、％ (叻一两个合作博弃的Shap ley值。其中，（v+?)(S)=v(S)+?(S)
[0047] 即：如果N人同时进行2项合作时，每人的总分配分别是2项合作的分配之和。
[0048] 在满足上述三个公理后，Shapley具有唯一解：
(6):
[0050] 式中：
为联盟S出现的概率，v(S)-v(S-i)为局中人i对联盟的边际贡 献。
[0051] 按照Shapley值的分配方法，各参与者均清楚自己和合作者在合作中的贡献以及 与之相应的唯一收益，合作的各方不会出现相互欺骗和隐瞒等现象，体现了公平、合理的分 配原则，且该法具有很强的可操作性。按照上述计算过程，完成各电站、子系统的效益分配。
[0052] 本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果:提出了一种可应用于不同流域或 同一流域不同开发主体、干支流不同管理单位的梯级水库群效益分配方法;可应用到梯级 水电站群龙头电站效益补偿分摊中；也可应用到三个及以上子系统使用，计算过程中提出 了一种未参与联调子系统全径流式处理的概念。适用于多调节性能的电站组合，以及有着 复杂汇流关系的子系统联系等，同时为了避免大型梯级水电站较多时计算量繁重的问题， 可以将同一利益主体的部分电站进行打包处理，以减少计算工作量，提高计算效率。总之， 解决了原技术单一、不易于推广等弊端，有着广阔的应用前景。
【附图说明】
[0053] 图1是本发明实施例中同一流域不同干支流梯级水电站群或的示意图。
[0054] 图2是本发明实施例中不同流域梯级水电站群的示意图。
[0055] 图3是本发明实施例中同一流域不同主体梯级水电站群的示意图。
[0056]图4是本发明实施例中乌江流域梯级水电站群示意图。
【具体实施方式】
[0057]下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，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。
[0058] 实施例。
[0059]参见图1至图4,本实施例中梯级水电站群联合调度效益分配的Shapley值法包括 如下步骤：
[0060] 1)对整个梯级系统中的不同利益主体的子系统进行分割；
[0061] 2)建立研究梯级电站群效益补偿问题的发电量最大模型，梯级系统内效益的计算 模型是发电量最大；
[0062] 3)Shapley值法在效益分配过程中针对有调节能力电站，在不同的计算工况下的 处理方法；
[0063] 4)按照Shapley值法的定义，完成各子系统的效益分配，最终得到各系统在不同模 式下的效益分配。
[0064] 步骤1)中，不仅仅可以应用到龙头电站效益补偿分配中，还可以应用到同一流域 不同开发主体上的效益分配以及不同流域干支流上的效益分配，计算不同利益主体的子系 统效益补偿，必然就存在不同的子系统构建模式，在针对龙头电站效益补偿分配计算的时 候，将各电站作为效益计算的利益子系统，换言之，每个电站都是一个计算子系统;针对同 一流域不同开发主体或干支流上的效益分配，将各开发主体或干支流的水电站群作为该开 发主体的利益子系统，换言之，有几个开发主体或几个干支流就有几个计算子系统;针对不 同流域上的效益分配，将每个流域上的水电站群作为该流域上的利益子系统，简言之，有几 条流域就有几个不同的计算子系统;在以上子系统分配的过程中，不同计算模式可以相互 穿插使用，在计算龙头电站效益补偿过程中，如果下游存在不同开发主体时，也可以直接将 同一开发主体的水电站群作为同一个利益计算子系统。
[0065] 步骤2)中，针对效益的计算是采用调度目标为发电量最大来考虑，采用离散微分 动态规划(DDDP)和逐步优化算法(P0A)相结合的混合优化算法对模型进行求解。
[0066] 针对梯级水电站群内各电站或各子系统的效益量化采用梯级、系统或者电站总发 电量最大模型进行计算，发电量最大模型是在给定调度期内入库流量过程和水库始末水 位，在考虑各种约束条件下，确定各个具有长期调节能力的水电站水库的调度过程，使得系 统发电量最大;该模型的目的是尽量利用水电站的调节能力，加大发电平均水头的同时减 少弃水，尤其是充分利用梯级电站的水力联系和流域间的电力联系，最大程度的利用水能 资源。
[0067]为了能够有效解决求解效率的问题，采用逐步优化算法(P0A)和离散微分动态规 划(DDDP)的混合型算法对模型进行求解，P0A算法的基本思想是将多阶段决策问题分解为 若干子问题，而子问题之间有系统的状态联系，此时每次只需对子问题寻优，针对水库群长 期优化调度问题，每个子问题仅需考虑某个时段的状态及相邻两时段的目标函数，逐个时 段进行寻优，直到收敛为止;DDDP算法的基本思路是在初始解轨迹的上下各变动一个小的 范围，形成廊道，在廊道中使用DP求解，不断的迭代直至收敛，此算法涉及到两个关键的问 题:一是初始解的生成，初始解的生成对算法的收敛速度和最终收敛的解的质量至关重要， 由于DDDP算法并不能保证最终收敛到的是全局最优解，所以在应用DDDP算法进行优化计算 时可以选择不同的初始解进行试算，取目标值最大的解作为最终解，DDDP算法涉及的另一 个重要的问题是迭代过程中增量大小的选择，若增量过大则难以收敛到全局最优解附近， 若增量过小则容易陷入局部极值，同样难以收敛到全局最优值附近，所以在迭代的过程中， 增量可由大变小，而且增量也可以只在初始解的一侧，同时各个电站的增量、每个电站在不 同时刻的增量都是可以不同的。
[0068] 步骤3)中，有调节能力电站包括多年调节电站、年调节电站和季调节电站。
[0069] 针对不同的计算工况，对不同调节性能电站有着不同的处理方式;针对单个水电 站而言，在进行效益计算的过程中，对于季调节以上电站当参与联调的时候按照有调节能 力电站处理，当不参与联调的时候，为保障水力联系的统一性，按无调节能力电站处理;对 于周调节及以下的电站不管参不参与联调都按照无调节能力的电站处理;针对由水电站群 组成的各不同利益主体的子系统而言，在参与联调时，系统内各电站根据其自身的调节能 力按照单站参与联调时的处理方式处理，在不参与联调时按照全子系统无调节能力处理。
[0070] Shapley值法是多人合作博弈理论中一种解的概念，实现了联盟总体利益在各成 员之间的公平和有效的分配，在2个或2个以上的决策者参与合作时的合作收益大于其各自 独立行动所得的收益总和时，每个参与者都希望从合作收益中获得自己满意的比例，假设 有N个参与电站参与合作，S是N的子集，v (S)是{S}联合体的特征函数，表示联合体S通过协 调其成员的策略所能获得的最大收益;可以把总收益v(N)按这样一种方式分配给各参与电 站，使电站不仅满足个体合理性和群体合理性，而且还满足联盟合理性，即任何联合体中的 成员在这种分配方式下的所得都不小于他独立出来时的所得，因此也就没有意愿拒绝这样 的分配，该分配方式即Shap 1 ey值法。
[0071 ]①Shapley值法原理：
[0072] 设有n人合作博弃G=[N，v]，其中~={1，2,3，-_，11};若1￡1记1在置换31下的位置 为对；若SEWS: {il，i2,…，ik}，则规定Jis = {3iil，Jii2,…，Jiik};同时记Jiv为一个特征函 数u:
[0073] 3tv(S)=u(S)=v[jt(S)] (1)
[0074] 式中，Jr 一 N的一个排列，也称为N的一个置换；
[0075] S-电站参与的一个联盟；
[0076] u-特征函数即电站联合后的发电效益；
[0077] 在n人合作博弃G=[N，v]中，G的Shapley值是n维向量：
[0078] 由(V) = (<MV)為(v)，".，见(v)) (〇)
[0079] 式中，供(V)-第i个电站的Siapley值；
[0080] ②Shapley值3个公理
[0081 ] (1)对称性公理;对于置换I有
[0082] = (pliy) (3)
[0083] 式中，-第i个电站在jt置换下的Shap ley值；
[0084] </?, (V') 一第 i 个电站的 Shap 1 ey 值；
[0085] 即：电站因合作而分配到的利益与他被赋予的记号i无关，各电站的收益之和等于 全体电站的合作获利；
[0086] (2)有效性公理;对于G的每一个支柱D，有
[0087] 迪 (4)
[0088] 式中，D-G的支柱；
[0089] <Pj(v)-第 i 个电站的 Shapley 值；
[0090] 即：如果电站i对其他所参与的任一合作都无贡献则给其他的分配应为0;
[0091 ] (3)可加性公理;对任意两个合作博弃Gl = [N，v]和G2 = [N，w]，对任意的i GN，有
[0092] (P-Xv+〇))=(p：{v )+(〇：{(〇) (5)
[0093] 式中，供U')、识㈦)一两个合作博弃的Shap ley值;其中，（v+?)(S)=v(S)+?(S) [0094] 即：如果N个电站同时进行2项合作时，每个电站的总分配分别是2项合作的分配之 和；
[0095] 在满足上述三个公理后，Shapley具有唯一解：
(6)
[0097] 式中
为联盟S出现的概率，v(S)-v(S-i)为局中人i对联盟的边际贡 献。
[0098]按照Shapley值的分配方法，各参与者均清楚自己和合作者在合作中的贡献以及 与之相应的唯一收益，合作的各方不会出现相互欺骗和隐瞒现象，体现了公平、合理的分配 原则，且该法具有很强的可操作性;按照上述计算过程，完成各电站、子系统的效益分配。
[0099] 图1表示同一流域不同干支流梯级水库群之间的水力联系。图2表示不同流域梯级 水库群之间的水力联系。图3表示同一流域不同开发主体、管理单位梯级水库群之间的水力 联系。图4表示:本实例的计算方法用来解决同一流域不同开发主体、干支流梯级水库群效 益补偿分配，包括:子系统1 一乌江流域贵州段干流七座梯级水电站群，所属开发主体为中 国华电集团公司乌江分公司；子系统2-乌江流域重庆段干流三座梯级水电站群，所属开发 主体为中国大唐集团公司;子系统3-乌江流域三岔河支流梯级水电站群，所属开发主体为 中国华电集团公司黔源分公司。
[0100] 本发明包括利益群体的分割、发电效益的计算、各利益系统在计算中的处理方式 以及基于Shapley值法的效益分配等。本发明将基于Shapley值法推广到大型梯级水电站群 同一流域上的龙头电站效益补偿分配、各电站效益分配研究、各开发主体效益分配研究以 及不同流域上的效益分配研究等等。计算过程中提出了一种未参与联调子系统全径流式处 理的概念，适用于多调节性能的电站组合，以及有着复杂汇流关系的子系统联系等，同时为 了避免大型梯级水电站较多时计算量繁重的问题，可以将同一利益主体的部分电站进行打 包处理，以减少计算工作量，提高计算效率。总之，解决了原技术单一、不易于推广等弊端， 为解决水电站联合调度中的效益分摊问题提供了一个科学的、可靠地、合理的方法。
[0101] 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，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。凡依 据本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，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。
【主权项】
1. 一种梯级水电站群联合调度效益分配的Shapley值法，其特征在于:包括如下步骤： 1) 对整个梯级系统中的不同利益主体的子系统进行分割； 2) 建立研究梯级电站群效益补偿问题的发电量最大模型，梯级系统内效益的计算模型 是发电量最大； 3. Shap I ey值法在效益分配过程中针对有调节能力电站，在不同的计算工况下的处理 方法； 4) 按照Shapley值法的定义，完成各子系统的效益分配，最终得到各系统在不同模式下 的效益分配。2. 根据权利要求1所述的梯级水电站群联合调度效益分配的Shapley值法，其特征在 于:所述步骤1)中，不仅仅可以应用到龙头电站效益补偿分配中，还可以应用到同一流域不 同开发主体上的效益分配或同一流域干支流上以及不同流域的效益分配，计算不同利益主 体的子系统效益补偿，必然就存在不同的子系统构建模式，在针对龙头电站效益补偿分配 计算的时候，将各电站作为效益计算的利益子系统，换言之，每个电站都是一个计算子系 统；针对同一流域不同开发主体或不同干支流上的效益分配，将各开发主体或各干流和支 流的水电站群作为该开发主体的利益子系统，换言之，有几个开发主体或有几个支流和干 流就有几个计算子系统;针对不同流域上的效益分配，将每个流域上的水电站群作为该流 域上的利益子系统，简言之，有几条流域就有几个不同的计算子系统;在以上子系统分配的 过程中，不同计算模式可以相互穿插使用，在计算龙头电站效益补偿过程中，如果下游存在 不同开发主体时，也可以直接将同一开发主体的水电站群作为同一个利益计算子系统。3. 根据权利要求1所述的梯级水电站群联合调度效益分配的Shapley值法，其特征在 于:所述步骤2)中，针对效益的计算是采用调度目标为发电量最大来考虑，采用离散微分动 态规划(DDDP)和逐步优化算法(POA)相结合的混合优化算法对模型进行求解。4. 根据权利要求3所述的梯级水电站群联合调度效益分配的Shapley值法，其特征在 于:针对梯级水电站群内各电站或各子系统的效益量化采用梯级、系统或者电站总发电量 最大模型进行计算，发电量最大模型是在给定调度期内入库流量过程和水库始末水位，在 考虑各种约束条件下，确定各个具有长期调节能力的水电站水库的调度过程，使得系统发 电量最大;该模型的目的是尽量利用水电站的调节能力，加大发电平均水头的同时减少弃 水，尤其是充分利用梯级电站的水力联系和流域间的电力联系，最大程度的利用水能资源。5. 根据权利要求4所述的梯级水电站群联合调度效益分配的Shapley值法，其特征在 于：为了能够有效解决求解效率的问题，采用逐步优化算法（POA)和离散微分动态规划 (DDDP)的混合型算法对模型进行求解，POA算法的基本思想是将多阶段决策问题分解为若 干子问题，而子问题之间有系统的状态联系，此时每次只需对子问题寻优，针对水库群长期 优化调度问题，每个子问题仅需考虑某个时段的状态及相邻两时段的目标函数，逐个时段 进行寻优，直到收敛为止;DDDP算法的基本思路是在初始解轨迹的上下各变动一个小的范 围，形成廊道，在廊道中使用DP求解，不断的迭代直至收敛，此算法涉及到两个关键的问题： 一是初始解的生成，初始解的生成对算法的收敛速度和最终收敛的解的质量至关重要，由 于DDDP算法并不能保证最终收敛到的是全局最优解，所以在应用DDDP算法进行优化计算时 可以选择不同的初始解进行试算，取目标值最大的解作为最终解，DDDP算法涉及的另一个 重要的问题是迭代过程中增量大小的选择，若增量过大则难以收敛到全局最优解附近，若 增量过小则容易陷入局部极值，同样难以收敛到全局最优值附近，所以在迭代的过程中，增 量可由大变小，而且增量也可以只在初始解的一侧，同时各个电站的增量、每个电站在不同 时刻的增量都是可以不同的。6. 根据权利要求1所述的梯级水电站群联合调度效益分配的Shapley值法，其特征在 于:所述步骤3)中，有调节能力电站包括多年调节电站、年调节电站和季调节电站。7. 根据权利要求6所述的梯级水电站群联合调度效益分配的Shapley值法，其特征在 于:所述步骤3)中，针对不同的计算工况，对不同调节性能电站有着不同的处理方式;针对 单个水电站而言，在进行效益计算的过程中，对于季调节以上电站当参与联调的时候按照 有调节能力电站处理，当不参与联调的时候，为保障水力联系的统一性，按无调节能力电站 处理;对于周调节及以下的电站不管参不参与联调都按照无调节能力的电站处理;针对由 水电站群组成的各不同利益主体的子系统而言，在参与联调时，系统内各电站根据其自身 的调节能力按照单站参与联调时的处理方式处理，在不参与联调时按照全子系统无调节能 力处理。8. 根据权利要求1所述的梯级水电站群联合调度效益分配的Shapley值法，其特征在 于:Shapley值法是多人合作博弈理论中一种解的概念，实现了联盟总体利益在各成员之间 的公平和有效的分配，在2个或2个以上的决策者参与合作时的合作收益大于其各自独立行 动所得的收益总和时，每个参与者都希望从合作收益中获得自己满意的比例，假设有N个参 与电站参与合作，S是N的子集，V(S)是{S}联合体的特征函数，表示联合体S通过协调其成员 的策略所能获得的最大收益;可以把总收益V(N)按这样一种方式分配给各参与电站，使电 站不仅满足个体合理性和群体合理性，而且还满足联盟合理性，即任何联合体中的成员在 这种分配方式下的所得都不小于他独立出来时的所得，因此也就没有意愿拒绝这样的分 配，该分配方式即Shap I ey值法。9. 根据权利要求8所述的梯级水电站群联合调度效益分配的Shapley值法，其特征在 于:①Shap ley值法原理： 设有η人合作博弃G= [N，v]，其中N=U，2,3, ···，!!};若ieN，记i在置换π下的位置为π ：[;若3!:=丨\1,3={；[1，丨2，."，丨1^}，则规定318={31；[1，对2，."，对1^} ;同时记31￥为一个特征函数11: JTv(S) = u(S)=v[jt(S)] (1) 式中，π-N的一个排列，也称为N的一个置换； S一电站参与的一个联盟； u-特征函数即电站联合后的发电效益； 在η人合作博弃G = [N，V ]中，G的Shapl ey值是η维向量： = OO-OO-···,<?>" (ν)) (2) 式中，^(V)-第i个电站的Siapley值； ②Shapley值3个公理 (1)对称性公理;对于置换I有 <Ρπλβν)=φχν) ：(3) 式中，-第i个电站在:^置换下的Shap I ey值； (p, (v)一第i个电站的Shap I ey值； 即：电站因合作而分配到的利益与他被赋予的记号i无关，各电站的收益之和等于全体 电站的合作获利； (2) 有效性公理;对于G的每一个支柱D，有式中，D-G的支柱； 奶(V)-第i个电站的Shapley值； 即：如果电站i对其他所参与的任一合作都无贡献则给其他的分配应为〇; (3) 可加性公理;对任意两个合作博弃Gl = [N，v]和G2= [N，w]，对任意的i eN，有 ψ?(\·+〇))=φ!(ν)+φ!{(〇) (-} 式中，奶.(1')、朽0?):-两个合作博弃的Shapley值;其中，（ν+ω )(S)=v(S)+c〇 (S) SP :如果N个电站同时进行2项合作时，每个电站的总分配分别是2项合作的分配之和； 在满足上述三个公理后，Shapley具有唯一解：为联盟S出现的概率，v(S)-v(S-i)为局中人i对联盟的边际贡献。10.根据权利要求9所述的梯级水电站群联合调度效益分配的Shapley值法，其特征在 于:按照Shapley值的分配方法，各参与者均清楚自己和合作者在合作中的贡献以及与之相 应的唯一收益，合作的各方不会出现相互欺骗和隐瞒现象，体现了公平、合理的分配原则， 且该法具有很强的可操作性;按照上述计算过程，完成各电站、子系统的效益分配。
【文档编号】G06Q50/06GK105931131SQ201610243568
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月18日
【发明人】曹威, 徐金英, 顾文钰, 过团挺, 杨明山, 王利杰, 刘兴举, 岳龙, 石朝波, 王刚
【申请人】华电电力科学研究院