梯級水電站群聯合調度效益分配的Shapley值法
【專利摘要】本發明涉及一種梯級水電站群聯合調度效益分配的Shapley值法，屬于電力行業電站效益分配領域。目前難以有效解決大流域龍頭電站、不同開發主體、干支流段梯級水電站群之間的效益分配問題。本發明包括如下步驟：1）對整個梯級系統中的不同利益主體的子系統進行分割；2）建立研究梯級電站群效益補償問題的發電量最大模型，梯級系統內效益的計算模型是發電量最大；3）Shapley值法在效益分配過程中針對有調節能力電站，在不同的計算工況下的處理方法；4）按照Shapley值法的定義，完成各子系統的效益分配，最終得到各系統在不同模式下的效益分配。本發明解決了水電站聯合調度中的效益分攤問題科學、可靠、合理。
【專利說明】
梯級水電站群聯合調度效益分配的Shap I ey值法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種梯級水電站群聯合調度效益中的一種分配方法，尤其是涉及一種 梯級水電站群聯合調度效益分配的Shapley值法，屬于電力行業電站效益分配領域。
【背景技術】
[0002] 當前，國內梯級水電開發面臨著良好的機遇，流域梯級開發最主要的目的是以整 個流域為主體，充分利用流域內各電站的調節性能，最終達到梯級效益的最大利用，是提高 水能利用和節約水能資源的有力手段。大部分的同一梯級電站開發主體并不是同一家，對 梯級水電站進行統一調度也不是件容易的事情，上游水電站或水電站群可能為了梯級整體 利益的最大化而產生犧牲自身利益的調度方式（"施益調度"），或者下游水電站或水電站群 得不到本應該有的水量過程等。這必然會導致各方利益的不平衡，從而迫切需要合理的、科 學的效益分配方法，早在上世紀四十年代，北美哥倫比亞河流上的16座梯級水電站開啟了 流域效益分配的研究，該河流由加拿大和美國聯合開發，其中美國12座，加拿大4座。1961 年，美國、加拿大兩國通過談判、協商實現了水電建設共同規劃，各自建設，效益共享。上世 紀八十年代以后，關于水電站水庫調節的研究較多，而關于效益分攤方法的研究較少。1984 年，董子敷教授提出的按貢獻系數法分攤總能量效益，并將此方法應用于紅水河梯級，取得 良好的效果，但是貢獻系數的計算具有一定的局限性。進入二十一世紀之后，我國對效益分 配的研究進入了全面發展時期，較多的研究集中在效益的分攤方法上，出現了單指標法、綜 合指標法等分攤方法。
[0003] 其中，單指標法是根據電站的某一主要影響因子進行分攤，包括:裝機容量法，調 節庫容法，發電水頭法和保證出力法等，其概念明確，易于理解，計算簡單，但每種分攤方法 只能適應于某種特定的條件，結果比較片面，差異較大，不能滿足各個投資方的要求。為了 克服單一指標法的缺點，一些學者提出了綜合指標法。綜合指標法主要有四種:多目標綜合 分析法、模糊綜合評判法、離差平方法、熵權法。多目標綜合分析法、模糊綜合評判法建立在 專家評定的權重基礎上，主觀性比較強；離差平方法根據單個分配的方法與多種分配方法 的平均值的接近程度來確定權重，但不能真實反映分攤方法在綜合分攤中的重要程度;熵 權法也是一種加權的綜合法，不需要人為確定權重，但同一指標的各方案值差異比較大。
[0004] 為了簡單易行，便于操作，比例分配法得到了一定的使用，所謂的比例分配方法對 補償效益在施益電站和受益電站之間按照一個固定的比例進行分配。如四川省1997年發布 了《四川省流域梯級水電站間水庫調節效益償付管理辦法》（以下簡稱"四川辦法"）。四川辦 法中規定調節效益包括因水庫調節增加的發電量收益以及因水庫調節將較低電價季節、時 段的電量轉移至較高電價季節、時段而增加的收益。在一個償付段內，下游水電站因上游調 節電站的水庫調節而獲得的調節效益為主調節效益。當上一個償付段的末端是一個調節電 站時，該調節電站因上游調節電站的調節而在本償付段中所獲效益為延伸效益。償付方法 為:主調節效益由受益方以實際受益額的70%向償付段上游調節電站償付;延伸效益為末 端調節電站的施益凈額與延伸系數的乘積。延伸系數計算方法為V上為上游調 節水庫庫容，VT為下游調節水庫庫容。
[0005]總結起來，綜合指標法有著權重的確定需要主觀設定或不能反映補償效益產生的 原因等不足之處，使得在應用中存在爭議，分攤的實施受到影響。四川辦法中缺少上游水電 站對下游水電站調節補償效益的規范性計算方法，加上單純的以一個比例來衡量不同電站 對整個梯級的施益和受益情況太過粗礦，不夠精細科學，使得四川辦法的實施情況也并不 理想。同時對各種方法的合理性缺少深入的分析，特別是針對實際應用中的結果分析不足， 以至于尚未找到一個既合理易于實現又通用性強的分攤方法。從博弈論的角度上講，梯級 水電站之間的效益分配實際上就是各個子系統在合作的基礎上進行收益的分配，于是就有 研究者將Shapley值法引入到梯級水庫收益分配的研究中。Shapley值法是1953年由 Shapley提出的經典n人合作對策的Shapley值的公理化方法，即利用被人們普遍接受的線 性性、啞元性、對稱性和有效性公理，求解各個局中人的支付值，并稱這樣的值為Shapley 值，它是用于分配參與者合作所產生的效益的一種分配方案。近幾年，部分水利工作者將這 種Shapley值法應用到梯級水庫效益分配的研究中，研究情況和結論見表1。由于Shapley值 法在梯級水庫效益分配上的研究是比較新興的課題，目前的研究大部分是基于單庫的效益 分配，且梯級聯系較為簡單，基本都是"一拖二"的模式（即一個有調節能力電站后面接著兩 個無調節能力電站），即便是針對梯級水電站群體之間的聯系，也是最簡單的兩梯級之間的 研究探討，存在一定的局限性，無法直接應用到復雜水力聯系的大型梯級水電站群體上使 用。
[0006 ]表1關于Shap 1 e y值法的使用情況總結
【發明內容】
[0009] 本發明的目的在于采用博弈論中的Shapley值法用以解決大流域龍頭電站、不同 開發主體、干支流段梯級水電站群之間的效益分配問題，而提供一種梯級水電站群聯合調 度效益分配的Shapley值法。
[0010] 本發明解決上述問題所采用的技術方案是:該梯級水電站群聯合調度效益分配的 Shap 1 ey值法的特點在于:包括如下步驟：
[0011] 1)對整個梯級系統中的不同利益主體的子系統進行分割；
[0012] 2)建立研究梯級電站群效益補償問題的發電量最大模型，梯級系統內效益的計算 模型是發電量最大；
[0013 ] 3) Shap 1 ey值法在效益分配過程中針對有調節能力電站(多年調節電站、年調節電 站、季調節電站等），在不同的計算工況下的處理方法；
[0014] 4)按照Shapley值法的定義，完成各子系統的效益分配，最終得到各系統在不同模 式下的效益分配。
[0015] 1.利益群體的分割
[0016] 由于本方法的應用主體不僅僅是面向單個水庫的，也可以是面向多個水庫群組成 的子系統，當然也可以是單個水庫與水電站群子系統的結合，因此首先要進行相關利益群 體的分割，計算不同利益主體的子系統效益補償，必然就存在不同的子系統構建模式，在針 對龍頭電站效益補償分配計算的時候，將各電站作為效益計算的利益子系統，換言之，每個 電站都是一個計算子系統;針對統一流域不同開發主體上或不同干支流上的效益分配，將 各開發主體或干支流的水電站群作為該開發主體的利益子系統，換言之，有幾個開發主體 就有幾個計算子系統;針對不同流域上的效益分配，將每個流域上的水電站群作為該流域 上的利益子系統，簡言之，有幾條流域就有幾個不同的計算子系統;在以上子系統分配的過 程中，不同計算模式可以相互結合使用，比如:在計算龍頭電站效益補償過程中，如果下游 存在不同開發主體時，也可以直接將同一開發主體的水電站群作為同一個利益計算子系統 等。
[0017] 2.發電效益的計算
[0018] 針對梯級水電站群內各電站或各子系統的效益量化采用梯級、系統或者電站總發 電量最大模型進行計算，發電量最大模型是在給定調度期內入庫流量過程和水庫始末水 位，在考慮各種約束條件下，確定各個具有長期調節能力的水電站水庫的調度過程，使得系 統發電量最大。該模型的目的是盡量利用水電站的調節能力，加大發電平均水頭同時減少 棄水，尤其是充分利用梯級電站的水力聯系和流域間的電力聯系，最大程度的利用水能資 源。模型成立的約束條件有:水量平衡、水庫上游水位約束(不可低于死水位，不可高于正常 高水位或汛限水位）、調度期末水位限制、電站最大過機流量限制、出庫流量約束、電站出力 約束、變量非負約束等。
[0019] 對于大型梯級水電站發電量最大模型的求解，由于涉及電站數較多，若使用動態 規劃法(DP)進行求解，盡管最終能夠求得最優解，但無法解決"維數災"問題，使得求解效率 大大降低。為了能夠有效解決求解效率的問題，采用逐步優化算法(P0A)和離散微分動態規 劃(DDDP)的混合型算法對模型進行求解。P0A算法的基本思想是將多階段決策問題分解為 若干子問題，而子問題之間有系統的狀態聯系。此時每次只需對子問題尋優，針對水庫群長 期優化調度問題，每個子問題僅需考慮某個時段的狀態及相鄰兩時段的目標函數，逐個時 段進行尋優，直到收斂為止。而且數學上已經證明P0A算法是收斂的。DDDP算法的基本思路 是在初始解軌跡的上下各變動一個小的范圍（即增量）。形成廊道，在廊道中使用DP求解，不 斷的迭代直至收斂。此算法涉及到兩個關鍵的問題:一是初始解的生成，初始解的生成對算 法的收斂速度和最終收斂的解的質量至關重要，由于DDDP并不能保證最終收斂到的是全局 最優解，所以在應用DDDP算法進行優化計算時可以選擇不同的初始解進行試算，取目標值 最大的解作為最終解。DDDP算法涉及的另一個重要的問題是迭代過程中增量大小的選擇， 若增量過大則難以收斂到全局最優解附近，若增量過小則容易陷入局部極值，同樣難以收 斂到全局最優值附近。所以在迭代的過程中，增量可由大變小，而且增量也可以只在初始解 的一側，同時各個電站的增量、每個電站在不同時刻的增量都是可以不同的。總之，增量的 選擇和變化是一個很靈活的過程。通過實踐證明，采用POA和DDDP相結合的求解算法能夠滿 足大型梯級水庫群發電量最大生產實際的需要。
[0020] 3.各利益系統在計算中的處理方式
[0021] 針對不同的計算工況，對不同調節性能電站有著不同的處理方式;針對單個水電 站而言，在進行效益計算的過程中，對于季調節以上電站參與聯調的時候按照有調節能力 電站處理，不參與聯調的時候，為保障水力聯系的統一性，按無調節性能電站處理;對于周 調節及以下的電站不管參不參與聯調都按照無調節能力的電站處理;針對由水電站群(兩 個及以上電站)組成的各不同利益主體的子系統而言，在參與聯調時，系統內各電站根據其 自身的調節能力按照單站參與聯調時的處理方式處理，在不參與聯調時按照全子系統無調 節能力處理。
[0022] 4 ?基于Shapley值法的效益分配
[0023] Shapley值法由美國洛杉磯加州大學教授羅伊德?夏普利（Lloyd Shapley)于 1953年提出，是多人合作博弈理論中一種解的概念，實現了聯盟總體利益在各成員之間的 公平和有效的分配。在2個或2個以上的決策者參與合作時的合作收益大于其各自獨立行動 所得的收益總和時，每個參與者都希望從合作收益中獲得自己滿意的比例。假設有N個參與 人(電站)參與合作，S是N的子集，v(S)是{S}聯合體(聯盟)的特征函數，表示聯合體S通過協 調其成員的策略所能獲得的最大收益；可以把總收益v(N)按這樣一種方式分配給各參與 人，使之不僅滿足個體合理性和群體合理性，而且還滿足聯盟合理性，即任何聯合體中的成 員在這種分配方式下的所得都不小于他獨立出來時的所得，因此也就沒有意愿拒絕這樣的 分配，該分配方式即Shap 1 ey值法。
[0024] ①Shapley值法原理
[0025] 設有n人合作博棄G=[N，v]，其中~={1，2,3，一，11}。若1￡1記1在置換31下的位置 為Jii。若.gS；N,S = {il，i2,…，ik}，則規定Jis= {>il，Jii2,…，Jiik}。同時記Jiv為一個特征函 數u:
[0026] jtv(S)=u(S)=v[jt(S)] (1)
[0027] 式中，Jr 一 N的一個排列，也稱為N的一個置換；
[0028] S-電站參與的一個聯盟；
[0029] u-特征函數即電站聯合后的發電效益。
[0030] 在n人合作博棄G=[N，v]中，G的Shapley值是n維向量：
[0031] ? 0〇 = (% (V)為 〇/)，"'，％〇/)) (2)
[0032] 式中，奶.(v)-第i個電站的Shapley值。
[0033] ②Shapley值3個公理 [0034] 對稱性公理。對于置換31，有
[0035] = (PM (3)
[0036] 式中，.(.TV)-第i個電站在it置換下的Shapley值；
[0037] (p,(v)一第 i個電站的 Shapley值。
[0038] 即：電站因合作而分配到的利益與他被賦予的記號i無關，各電站的收益之和等于 全體電站的合作獲利。
[0039] 有效性公理。對于G的每一個支柱D，有
[0040] Z^(v?)=y(D) ieB (4)
[0041 ] 式中，D-G的支柱；
[0042] 一第 i 個電站的 Shap 1 ey 值。
[0043] 即：如果電站i對其他所參與的任一合作都無貢獻則給其他的分配應為0。
[0044] 可加性公理。對任意兩個合作博棄Gl = [N，v]和G2 = [N，w]，對任意的i GN，有
[0045] ^(^+6>)=%(v)+%(6>) ( 5)
[0046] 式中，奶…）、％ (叻一兩個合作博棄的Shap ley值。其中，（v+?)(S)=v(S)+?(S)
[0047] 即：如果N人同時進行2項合作時，每人的總分配分別是2項合作的分配之和。
[0048] 在滿足上述三個公理后，Shapley具有唯一解：
(6):
[0050] 式中：
為聯盟S出現的概率，v(S)-v(S-i)為局中人i對聯盟的邊際貢 獻。
[0051] 按照Shapley值的分配方法，各參與者均清楚自己和合作者在合作中的貢獻以及 與之相應的唯一收益，合作的各方不會出現相互欺騙和隱瞞等現象，體現了公平、合理的分 配原則，且該法具有很強的可操作性。按照上述計算過程，完成各電站、子系統的效益分配。
[0052] 本發明與現有技術相比，具有以下優點和效果:提出了一種可應用于不同流域或 同一流域不同開發主體、干支流不同管理單位的梯級水庫群效益分配方法;可應用到梯級 水電站群龍頭電站效益補償分攤中；也可應用到三個及以上子系統使用，計算過程中提出 了一種未參與聯調子系統全徑流式處理的概念。適用于多調節性能的電站組合，以及有著 復雜匯流關系的子系統聯系等，同時為了避免大型梯級水電站較多時計算量繁重的問題， 可以將同一利益主體的部分電站進行打包處理，以減少計算工作量，提高計算效率。總之， 解決了原技術單一、不易于推廣等弊端，有著廣闊的應用前景。
【附圖說明】
[0053] 圖1是本發明實施例中同一流域不同干支流梯級水電站群或的示意圖。
[0054] 圖2是本發明實施例中不同流域梯級水電站群的示意圖。
[0055] 圖3是本發明實施例中同一流域不同主體梯級水電站群的示意圖。
[0056]圖4是本發明實施例中烏江流域梯級水電站群示意圖。
【具體實施方式】
[0057]下面結合附圖并通過實施例對本發明作進一步的詳細說明，以下實施例是對本發 明的解釋而本發明并不局限于以下實施例。
[0058] 實施例。
[0059]參見圖1至圖4,本實施例中梯級水電站群聯合調度效益分配的Shapley值法包括 如下步驟：
[0060] 1)對整個梯級系統中的不同利益主體的子系統進行分割；
[0061] 2)建立研究梯級電站群效益補償問題的發電量最大模型，梯級系統內效益的計算 模型是發電量最大；
[0062] 3)Shapley值法在效益分配過程中針對有調節能力電站，在不同的計算工況下的 處理方法；
[0063] 4)按照Shapley值法的定義，完成各子系統的效益分配，最終得到各系統在不同模 式下的效益分配。
[0064] 步驟1)中，不僅僅可以應用到龍頭電站效益補償分配中，還可以應用到同一流域 不同開發主體上的效益分配以及不同流域干支流上的效益分配，計算不同利益主體的子系 統效益補償，必然就存在不同的子系統構建模式，在針對龍頭電站效益補償分配計算的時 候，將各電站作為效益計算的利益子系統，換言之，每個電站都是一個計算子系統;針對同 一流域不同開發主體或干支流上的效益分配，將各開發主體或干支流的水電站群作為該開 發主體的利益子系統，換言之，有幾個開發主體或幾個干支流就有幾個計算子系統;針對不 同流域上的效益分配，將每個流域上的水電站群作為該流域上的利益子系統，簡言之，有幾 條流域就有幾個不同的計算子系統;在以上子系統分配的過程中，不同計算模式可以相互 穿插使用，在計算龍頭電站效益補償過程中，如果下游存在不同開發主體時，也可以直接將 同一開發主體的水電站群作為同一個利益計算子系統。
[0065] 步驟2)中，針對效益的計算是采用調度目標為發電量最大來考慮，采用離散微分 動態規劃(DDDP)和逐步優化算法(P0A)相結合的混合優化算法對模型進行求解。
[0066] 針對梯級水電站群內各電站或各子系統的效益量化采用梯級、系統或者電站總發 電量最大模型進行計算，發電量最大模型是在給定調度期內入庫流量過程和水庫始末水 位，在考慮各種約束條件下，確定各個具有長期調節能力的水電站水庫的調度過程，使得系 統發電量最大;該模型的目的是盡量利用水電站的調節能力，加大發電平均水頭的同時減 少棄水，尤其是充分利用梯級電站的水力聯系和流域間的電力聯系，最大程度的利用水能 資源。
[0067]為了能夠有效解決求解效率的問題，采用逐步優化算法(P0A)和離散微分動態規 劃(DDDP)的混合型算法對模型進行求解，P0A算法的基本思想是將多階段決策問題分解為 若干子問題，而子問題之間有系統的狀態聯系，此時每次只需對子問題尋優，針對水庫群長 期優化調度問題，每個子問題僅需考慮某個時段的狀態及相鄰兩時段的目標函數，逐個時 段進行尋優，直到收斂為止;DDDP算法的基本思路是在初始解軌跡的上下各變動一個小的 范圍，形成廊道，在廊道中使用DP求解，不斷的迭代直至收斂，此算法涉及到兩個關鍵的問 題:一是初始解的生成，初始解的生成對算法的收斂速度和最終收斂的解的質量至關重要， 由于DDDP算法并不能保證最終收斂到的是全局最優解，所以在應用DDDP算法進行優化計算 時可以選擇不同的初始解進行試算，取目標值最大的解作為最終解，DDDP算法涉及的另一 個重要的問題是迭代過程中增量大小的選擇，若增量過大則難以收斂到全局最優解附近， 若增量過小則容易陷入局部極值，同樣難以收斂到全局最優值附近，所以在迭代的過程中， 增量可由大變小，而且增量也可以只在初始解的一側，同時各個電站的增量、每個電站在不 同時刻的增量都是可以不同的。
[0068] 步驟3)中，有調節能力電站包括多年調節電站、年調節電站和季調節電站。
[0069] 針對不同的計算工況，對不同調節性能電站有著不同的處理方式;針對單個水電 站而言，在進行效益計算的過程中，對于季調節以上電站當參與聯調的時候按照有調節能 力電站處理，當不參與聯調的時候，為保障水力聯系的統一性，按無調節能力電站處理;對 于周調節及以下的電站不管參不參與聯調都按照無調節能力的電站處理;針對由水電站群 組成的各不同利益主體的子系統而言，在參與聯調時，系統內各電站根據其自身的調節能 力按照單站參與聯調時的處理方式處理，在不參與聯調時按照全子系統無調節能力處理。
[0070] Shapley值法是多人合作博弈理論中一種解的概念，實現了聯盟總體利益在各成 員之間的公平和有效的分配，在2個或2個以上的決策者參與合作時的合作收益大于其各自 獨立行動所得的收益總和時，每個參與者都希望從合作收益中獲得自己滿意的比例，假設 有N個參與電站參與合作，S是N的子集，v (S)是{S}聯合體的特征函數，表示聯合體S通過協 調其成員的策略所能獲得的最大收益;可以把總收益v(N)按這樣一種方式分配給各參與電 站，使電站不僅滿足個體合理性和群體合理性，而且還滿足聯盟合理性，即任何聯合體中的 成員在這種分配方式下的所得都不小于他獨立出來時的所得，因此也就沒有意愿拒絕這樣 的分配，該分配方式即Shap 1 ey值法。
[0071 ]①Shapley值法原理：
[0072] 設有n人合作博棄G=[N，v]，其中~={1，2,3，-_，11};若1￡1記1在置換31下的位置 為對；若SEWS: {il，i2,…，ik}，則規定Jis = {3iil，Jii2,…，Jiik};同時記Jiv為一個特征函 數u:
[0073] 3tv(S)=u(S)=v[jt(S)] (1)
[0074] 式中，Jr 一 N的一個排列，也稱為N的一個置換；
[0075] S-電站參與的一個聯盟；
[0076] u-特征函數即電站聯合后的發電效益；
[0077] 在n人合作博棄G=[N，v]中，G的Shapley值是n維向量：
[0078] 由(V) = (<MV)為(v)，".，見(v)) (〇)
[0079] 式中，供(V)-第i個電站的Siapley值；
[0080] ②Shapley值3個公理
[0081 ] (1)對稱性公理;對于置換I有
[0082] = (pliy) (3)
[0083] 式中，-第i個電站在jt置換下的Shap ley值；
[0084] </?, (V') 一第 i 個電站的 Shap 1 ey 值；
[0085] 即：電站因合作而分配到的利益與他被賦予的記號i無關，各電站的收益之和等于 全體電站的合作獲利；
[0086] (2)有效性公理;對于G的每一個支柱D，有
[0087] 迪 (4)
[0088] 式中，D-G的支柱；
[0089] <Pj(v)-第 i 個電站的 Shapley 值；
[0090] 即：如果電站i對其他所參與的任一合作都無貢獻則給其他的分配應為0;
[0091 ] (3)可加性公理;對任意兩個合作博棄Gl = [N，v]和G2 = [N，w]，對任意的i GN，有
[0092] (P-Xv+〇))=(p：{v )+(〇：{(〇) (5)
[0093] 式中，供U')、識㈦)一兩個合作博棄的Shap ley值;其中，（v+?)(S)=v(S)+?(S) [0094] 即：如果N個電站同時進行2項合作時，每個電站的總分配分別是2項合作的分配之 和；
[0095] 在滿足上述三個公理后，Shapley具有唯一解：
(6)
[0097] 式中
為聯盟S出現的概率，v(S)-v(S-i)為局中人i對聯盟的邊際貢 獻。
[0098]按照Shapley值的分配方法，各參與者均清楚自己和合作者在合作中的貢獻以及 與之相應的唯一收益，合作的各方不會出現相互欺騙和隱瞞現象，體現了公平、合理的分配 原則，且該法具有很強的可操作性;按照上述計算過程，完成各電站、子系統的效益分配。
[0099] 圖1表示同一流域不同干支流梯級水庫群之間的水力聯系。圖2表示不同流域梯級 水庫群之間的水力聯系。圖3表示同一流域不同開發主體、管理單位梯級水庫群之間的水力 聯系。圖4表示:本實例的計算方法用來解決同一流域不同開發主體、干支流梯級水庫群效 益補償分配，包括:子系統1 一烏江流域貴州段干流七座梯級水電站群，所屬開發主體為中 國華電集團公司烏江分公司；子系統2-烏江流域重慶段干流三座梯級水電站群，所屬開發 主體為中國大唐集團公司;子系統3-烏江流域三岔河支流梯級水電站群，所屬開發主體為 中國華電集團公司黔源分公司。
[0100] 本發明包括利益群體的分割、發電效益的計算、各利益系統在計算中的處理方式 以及基于Shapley值法的效益分配等。本發明將基于Shapley值法推廣到大型梯級水電站群 同一流域上的龍頭電站效益補償分配、各電站效益分配研究、各開發主體效益分配研究以 及不同流域上的效益分配研究等等。計算過程中提出了一種未參與聯調子系統全徑流式處 理的概念，適用于多調節性能的電站組合，以及有著復雜匯流關系的子系統聯系等，同時為 了避免大型梯級水電站較多時計算量繁重的問題，可以將同一利益主體的部分電站進行打 包處理，以減少計算工作量，提高計算效率。總之，解決了原技術單一、不易于推廣等弊端， 為解決水電站聯合調度中的效益分攤問題提供了一個科學的、可靠地、合理的方法。
[0101] 此外，需要說明的是，本說明書中所描述的具體實施例，其零、部件的形狀、所取名 稱等可以不同，本說明書中所描述的以上內容僅僅是對本發明結構所作的舉例說明。凡依 據本發明專利構思所述的構造、特征及原理所做的等效變化或者簡單變化，均包括于本發 明專利的保護范圍內。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種 各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，只要不偏離本發明的結構或者超越本權利要求 書所定義的范圍，均應屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種梯級水電站群聯合調度效益分配的Shapley值法，其特征在于:包括如下步驟： 1) 對整個梯級系統中的不同利益主體的子系統進行分割； 2) 建立研究梯級電站群效益補償問題的發電量最大模型，梯級系統內效益的計算模型 是發電量最大； 3. Shap I ey值法在效益分配過程中針對有調節能力電站，在不同的計算工況下的處理 方法； 4) 按照Shapley值法的定義，完成各子系統的效益分配，最終得到各系統在不同模式下 的效益分配。2. 根據權利要求1所述的梯級水電站群聯合調度效益分配的Shapley值法，其特征在 于:所述步驟1)中，不僅僅可以應用到龍頭電站效益補償分配中，還可以應用到同一流域不 同開發主體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，計算不同利益主 體的子系統效益補償，必然就存在不同的子系統構建模式，在針對龍頭電站效益補償分配 計算的時候，將各電站作為效益計算的利益子系統，換言之，每個電站都是一個計算子系 統；針對同一流域不同開發主體或不同干支流上的效益分配，將各開發主體或各干流和支 流的水電站群作為該開發主體的利益子系統，換言之，有幾個開發主體或有幾個支流和干 流就有幾個計算子系統;針對不同流域上的效益分配，將每個流域上的水電站群作為該流 域上的利益子系統，簡言之，有幾條流域就有幾個不同的計算子系統;在以上子系統分配的 過程中，不同計算模式可以相互穿插使用，在計算龍頭電站效益補償過程中，如果下游存在 不同開發主體時，也可以直接將同一開發主體的水電站群作為同一個利益計算子系統。3. 根據權利要求1所述的梯級水電站群聯合調度效益分配的Shapley值法，其特征在 于:所述步驟2)中，針對效益的計算是采用調度目標為發電量最大來考慮，采用離散微分動 態規劃(DDDP)和逐步優化算法(POA)相結合的混合優化算法對模型進行求解。4. 根據權利要求3所述的梯級水電站群聯合調度效益分配的Shapley值法，其特征在 于:針對梯級水電站群內各電站或各子系統的效益量化采用梯級、系統或者電站總發電量 最大模型進行計算，發電量最大模型是在給定調度期內入庫流量過程和水庫始末水位，在 考慮各種約束條件下，確定各個具有長期調節能力的水電站水庫的調度過程，使得系統發 電量最大;該模型的目的是盡量利用水電站的調節能力，加大發電平均水頭的同時減少棄 水，尤其是充分利用梯級電站的水力聯系和流域間的電力聯系，最大程度的利用水能資源。5. 根據權利要求4所述的梯級水電站群聯合調度效益分配的Shapley值法，其特征在 于：為了能夠有效解決求解效率的問題，采用逐步優化算法（POA)和離散微分動態規劃 (DDDP)的混合型算法對模型進行求解，POA算法的基本思想是將多階段決策問題分解為若 干子問題，而子問題之間有系統的狀態聯系，此時每次只需對子問題尋優，針對水庫群長期 優化調度問題，每個子問題僅需考慮某個時段的狀態及相鄰兩時段的目標函數，逐個時段 進行尋優，直到收斂為止;DDDP算法的基本思路是在初始解軌跡的上下各變動一個小的范 圍，形成廊道，在廊道中使用DP求解，不斷的迭代直至收斂，此算法涉及到兩個關鍵的問題： 一是初始解的生成，初始解的生成對算法的收斂速度和最終收斂的解的質量至關重要，由 于DDDP算法并不能保證最終收斂到的是全局最優解，所以在應用DDDP算法進行優化計算時 可以選擇不同的初始解進行試算，取目標值最大的解作為最終解，DDDP算法涉及的另一個 重要的問題是迭代過程中增量大小的選擇，若增量過大則難以收斂到全局最優解附近，若 增量過小則容易陷入局部極值，同樣難以收斂到全局最優值附近，所以在迭代的過程中，增 量可由大變小，而且增量也可以只在初始解的一側，同時各個電站的增量、每個電站在不同 時刻的增量都是可以不同的。6. 根據權利要求1所述的梯級水電站群聯合調度效益分配的Shapley值法，其特征在 于:所述步驟3)中，有調節能力電站包括多年調節電站、年調節電站和季調節電站。7. 根據權利要求6所述的梯級水電站群聯合調度效益分配的Shapley值法，其特征在 于:所述步驟3)中，針對不同的計算工況，對不同調節性能電站有著不同的處理方式;針對 單個水電站而言，在進行效益計算的過程中，對于季調節以上電站當參與聯調的時候按照 有調節能力電站處理，當不參與聯調的時候，為保障水力聯系的統一性，按無調節能力電站 處理;對于周調節及以下的電站不管參不參與聯調都按照無調節能力的電站處理;針對由 水電站群組成的各不同利益主體的子系統而言，在參與聯調時，系統內各電站根據其自身 的調節能力按照單站參與聯調時的處理方式處理，在不參與聯調時按照全子系統無調節能 力處理。8. 根據權利要求1所述的梯級水電站群聯合調度效益分配的Shapley值法，其特征在 于:Shapley值法是多人合作博弈理論中一種解的概念，實現了聯盟總體利益在各成員之間 的公平和有效的分配，在2個或2個以上的決策者參與合作時的合作收益大于其各自獨立行 動所得的收益總和時，每個參與者都希望從合作收益中獲得自己滿意的比例，假設有N個參 與電站參與合作，S是N的子集，V(S)是{S}聯合體的特征函數，表示聯合體S通過協調其成員 的策略所能獲得的最大收益;可以把總收益V(N)按這樣一種方式分配給各參與電站，使電 站不僅滿足個體合理性和群體合理性，而且還滿足聯盟合理性，即任何聯合體中的成員在 這種分配方式下的所得都不小于他獨立出來時的所得，因此也就沒有意愿拒絕這樣的分 配，該分配方式即Shap I ey值法。9. 根據權利要求8所述的梯級水電站群聯合調度效益分配的Shapley值法，其特征在 于:①Shap ley值法原理： 設有η人合作博棄G= [N，v]，其中N=U，2,3, ···，!!};若ieN，記i在置換π下的位置為π ：[;若3!:=丨\1,3={；[1，丨2，."，丨1^}，則規定318={31；[1，對2，."，對1^} ;同時記31￥為一個特征函數11: JTv(S) = u(S)=v[jt(S)] (1) 式中，π-N的一個排列，也稱為N的一個置換； S一電站參與的一個聯盟； u-特征函數即電站聯合后的發電效益； 在η人合作博棄G = [N，V ]中，G的Shapl ey值是η維向量： = OO-OO-···,<?>" (ν)) (2) 式中，^(V)-第i個電站的Siapley值； ②Shapley值3個公理 (1)對稱性公理;對于置換I有 <Ρπλβν)=φχν) ：(3) 式中，-第i個電站在:^置換下的Shap I ey值； (p, (v)一第i個電站的Shap I ey值； 即：電站因合作而分配到的利益與他被賦予的記號i無關，各電站的收益之和等于全體 電站的合作獲利； (2) 有效性公理;對于G的每一個支柱D，有式中，D-G的支柱； 奶(V)-第i個電站的Shapley值； 即：如果電站i對其他所參與的任一合作都無貢獻則給其他的分配應為〇; (3) 可加性公理;對任意兩個合作博棄Gl = [N，v]和G2= [N，w]，對任意的i eN，有 ψ?(\·+〇))=φ!(ν)+φ!{(〇) (-} 式中，奶.(1')、朽0?):-兩個合作博棄的Shapley值;其中，（ν+ω )(S)=v(S)+c〇 (S) SP :如果N個電站同時進行2項合作時，每個電站的總分配分別是2項合作的分配之和； 在滿足上述三個公理后，Shapley具有唯一解：為聯盟S出現的概率，v(S)-v(S-i)為局中人i對聯盟的邊際貢獻。10.根據權利要求9所述的梯級水電站群聯合調度效益分配的Shapley值法，其特征在 于:按照Shapley值的分配方法，各參與者均清楚自己和合作者在合作中的貢獻以及與之相 應的唯一收益，合作的各方不會出現相互欺騙和隱瞞現象，體現了公平、合理的分配原則， 且該法具有很強的可操作性;按照上述計算過程，完成各電站、子系統的效益分配。
【文檔編號】G06Q50/06GK105931131SQ201610243568
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月18日
【發明人】曹威, 徐金英, 顧文鈺, 過團挺, 楊明山, 王利杰, 劉興舉, 岳龍, 石朝波, 王剛
【申請人】華電電力科學研究院