基于空間聚類的電力應急物資儲備一體化研究

郭珊珊 陳卓 王雅

摘 要：電力應急物資的儲備布局在綜合考慮物資購買力、年均裝機容量、年均電力消費量、輸電線路密度、交通通達度等屬性指標的基礎上，運用空間聚類的方法對電力應急物資的儲備布局進行一體化區(qū)域的劃分。選擇我國31個省份作為空間對象，聚類成十大區(qū)域，各區(qū)域據(jù)自身情況建立電力應急物資一體化儲備倉，并建立信息共享機制，在受災時由災區(qū)所屬電網(wǎng)公司進行應急調(diào)度的優(yōu)化決策。

關鍵詞：空間聚類;電力應急物資儲備;區(qū)域一體化

中圖分類號：BT???? 文獻標識碼：A????? doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.20.107

0 引言

近年來，國內(nèi)外自然災害頻發(fā)，有的受災地區(qū)的電力設備遭到了毀滅性的摧殘。同時，電力系統(tǒng)大面積停電事故造成了更加嚴重的損失，恢復災區(qū)供電刻不容緩。一般情況下，電力系統(tǒng)的相關部門都會儲備一定的備品配件作為電力應急物資，這些物資在發(fā)生較小規(guī)模事故時，可以發(fā)揮一定的作用。但隨著用電負荷的增加，電力系統(tǒng)事故的規(guī)模也將隨之增大，由于在目前的條件下自然災害造成的電力事故時間、強度和影響范圍很難預測，致使電力應急物資儲備難以滿足應急管理工作的需要。

目前來看，雖然發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)企業(yè)在部分應急設備和器械上具有共同性（如運輸車輛、通信設備、應急發(fā)電機組等），但他們均相對獨立地儲備電力應急物資，各主體甚至同一主體的不同單位間缺乏應急物資信息共享機制，各主體儲存的電力應急物資品種或重復，或短缺，未形成互補，導致保障系數(shù)和資金利用率下降，同時也造成在突發(fā)事件發(fā)生時需用較長的時間去協(xié)調(diào)物資的調(diào)度和運輸，使應急物資難以在短時間內(nèi)調(diào)配到位。

基于以上情況，研究提出建立電力應急物資儲備一體化，以提高物資一體化管理的信息化水平和各應急主體的應急物資利用效率，降低區(qū)域內(nèi)電力應急物資的儲存成本和管理成本，并提升應急物資的調(diào)度水平。

所謂建立應急物資一體化布局，就是將國家分為若干個區(qū)域，在每個區(qū)域內(nèi)建立應急物資的完備儲備體系。災難發(fā)生時，一體化區(qū)域內(nèi)物資儲備共享，統(tǒng)一協(xié)調(diào)調(diào)度，提高區(qū)域的儲備保障效率。王晶等人利用空間聚類方法來解決一體化區(qū)域的最佳層次確定，并給出相應的動態(tài)聚類算法，達到救援效率與儲備成本的折中，具有較好的實用性。劉滿芝等人在綜合考慮煤炭消費量、煤炭自給率、風險發(fā)生概率、區(qū)位、運輸條件、儲備基地的資源、空間相鄰性等影響因素的基礎上，運用空間聚類方法，對煤炭應急儲備布局進行一體化區(qū)域劃分。近些年來，隨著國家信息化水平的不斷提高，電力應急物資布局一體化成為可能。因此，基于王晶、劉滿芝等人的研究成果，用空間聚類方法研究電力應急物資儲備一體化布局，按照物資購買力、年均裝機容量、年均電力消費量、輸電線路密度、交通通達度等屬性指標，將我國劃分為幾大區(qū)域，在統(tǒng)籌區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展的基礎上，為各個區(qū)域根據(jù)自身的實際情況及條件建立電力應急物資儲備基地，實現(xiàn)一體化布局提供建議。

1 屬性選擇與計算方式

電力應急物資儲備一體化布局是一項系統(tǒng)的工程，應做到因地制宜，統(tǒng)籌規(guī)劃。研究表明，各地區(qū)的物資購買力、年平均發(fā)電裝機容量、年平均電力消費量、變電站輸電線路密度、交通通達度、災害下的損傷程度以及災害發(fā)生頻率是建立電力應急物資儲備一體化布局的關鍵影響因素。

（1）物資購買力。這一指標用經(jīng)濟發(fā)展水平來衡量，數(shù)據(jù)由各省份年均GDP組成。

（2）年均發(fā)電裝機容量。年裝機容量指的是一年內(nèi)某地區(qū)所有發(fā)電廠或區(qū)域電網(wǎng)具有的汽（水）輪發(fā)電機組總容量，代表一個地區(qū)的年發(fā)電能力。研究數(shù)據(jù)均采用中國統(tǒng)計局的相關數(shù)據(jù)，為使這一指標更具代表性，以及避免特殊情況帶來的發(fā)電機裝機容量激增或銳減，采用某地區(qū)五年內(nèi)年發(fā)電量的平均值作為參考指標，用以衡量該地區(qū)在受災情況下的自我電力救援能力。

（3）年均電力消費量。年電力消費量指的是某地區(qū)一年內(nèi)各行業(yè)及居民用電總量。采用五年內(nèi)年平均電力消費量用來衡量某地區(qū)在受災時對于電量的需求程度。

（4）變電站輸電線路密度。利用各地區(qū)的輸電線路密度來衡量某地區(qū)在受災時的輸電能力。輸電線路密度計算公式如下：

ρ=∑ni=1WiLiA

其中，Li為某地區(qū)第i種變電站輸電線路的總長度，Wi為該種輸電線路的權重，A為該地區(qū)的國土面積。

同時，為縮小各該指標的區(qū)域間差異，使得聚類結果不受指標過高或過低的影響，采用Z-score方法，將該指標進行歸一化處理，消除指標間量綱，將原始數(shù)據(jù)的均值（mean）和標準差（standard deviation）進行數(shù)據(jù)的標準化經(jīng)，使得過處理的數(shù)據(jù)符合標準正態(tài)分布，即均值為0，標準差為1，轉(zhuǎn)化函數(shù)為：

ρ*=（ρ-μ）σ

其中μ為所有樣本數(shù)據(jù)的均值，σ為所有樣本數(shù)據(jù)的標準差。該指標越大，證明該地區(qū)輸電線路密度越大，其電力輸送的能力就越強。

（5）交通通達度。該指標用以衡量某受災地區(qū)的交通情況，一方面可以衡量該地區(qū)內(nèi)部或周圍地區(qū)的救援速度，另一方面可以反映電力應急物資儲備規(guī)模的大小。如果運輸距離適中、速度快、運力充足、電力應急物資調(diào)運容易，則救援速度快，電力應急物資儲備規(guī)模就低或不需要布局儲備基地;反之，則需要建立電力物資應急儲備基地。該指標計算公式如下：

ρ=∑ni=1WiLiA

其中，Li為某地區(qū)第i種交通方式的路線總長度，Wi為該種方式所占的權重，A為該地區(qū)的國土面積。指標的歸一化處理方法和輸電線路密度的處理相同，為：ρ*=（ρ-μ）σ

該指標越大，證明該地區(qū)交通通達度越高。

（6）災害下的損傷程度。對該指標采用打分法，用0-5分來依次表示受災程度的從弱到強。該指標一定程度可以反映受災地區(qū)對于電力應急物資供應的需求數(shù)量以及急需程度。

如果損傷程度為5分，則證明該地區(qū)的受災程度極為嚴重，急需大批量的電力應急物資的供應，電力應急物資的儲備規(guī)模也就越大。

（7）災害發(fā)生頻率。根據(jù)20年來我國發(fā)生的自然災害相關數(shù)據(jù)來確定某地區(qū)災害發(fā)生的頻率。

2 電力應急物資儲備一體化模型構建

2.1 空間聚類方法的選擇

常用的聚類方法有k-means聚類和分層聚類。K均值聚類是隨機選取K個對象作為初始的聚類中心，然后計算每個對象與各個種子聚類中心之間的距離，把每個對象分配給距離它最近的聚類中心。而分層聚類是開始時把每個樣品作為一類，然后把最靠近的樣品（即距離最小的群品）首先聚為小類，再將已聚合的小類按其類間距離再合并，不斷繼續(xù)下去，最后把一切子類都聚合到一個大類。K-means聚類方法要事先設定聚類中心的個數(shù)，帶有一定的主觀性。若采用分層聚類法，類別的個數(shù)可以根據(jù)聚集過程或從樹形圖中所顯示的合并距離來確定，如果發(fā)現(xiàn)某個階段合并的距離有很大的跳動，則提示合并前的個數(shù)可能更合適?；诖耍娏蔽镔Y儲備一體化研究選擇分層聚類法進行聚類。

2.2 聚類中距離的表示

在空間聚類中，要求每一個個案不僅空間距離相近，同時也要求其屬性距離相近，所以在這里要綜合兩者。在空間距離中，各個省份的省會城市的經(jīng)緯度坐標作為計算空間距離的點坐標，記為Si（xi，yi），采用歐式距離，將個案間的空間距離表示為：

D（Si，Sj）=（xi-xj）2+（yi-yj）2

在屬性距離中，將各個屬性記為（ai1，ai2，…aim）T，個案間的屬性距離可表示為：

Da（Si，Sj）=∑nk=1（aik-ajk）2

綜上，對空間距離以及屬性距離進行加權，將綜合距離表達為：

D=ωα（xi-xj）2+（yi-yj）2+ωβ∑nk=1（aik-ajk）2

3 聚類結果及分析

3.1 聚類結果

依據(jù)空間聚類結果，將我國劃分為十大區(qū)域。劃分結果如表1所示。

為使一體化布局更加直觀明顯，劃分為同一區(qū)域的地區(qū)用相同顏色標注，如圖1所示。

3.2 聚類結果分析

從聚類結果我們可以看出，北京自成一類，其電力自給率不高，但電力消費量大，不能實現(xiàn)自給自足。天津、上海、江西、重慶、青海、吉林、黑龍江為一類，這一類中所有地區(qū)的自給量和消費量都屬于中等水平，但自給量都大于自身所消耗的電量，可以基本實現(xiàn)自給自足。河北和河南為一類，這兩個省份的自身發(fā)電能力較強，消費量也偏高，可以完全實現(xiàn)自給自足，甚至可以給予其他地區(qū)電力援助。江蘇、山東、廣東為一類，這一類地區(qū)所有省份的發(fā)電能力很強，自身的電力消耗量也很高，可以完全實現(xiàn)自給自足。浙江省自成一類，其自給量和消費量也都偏高。福建、安徽、湖南、廣西、貴州、陜西、甘肅、遼寧劃分為一類，這一類中電力自給量也遠遠大于消耗量。海南、西藏分為一類，這兩個地區(qū)的發(fā)電能力與消耗能力都不強。山西、湖北、新疆為一類，這一類地區(qū)的發(fā)電能力都遠遠大于消耗能力。內(nèi)蒙古自成一類，該地區(qū)發(fā)電能力很強，電力消耗能力較弱。四川、云南為一類，該地區(qū)的發(fā)電量很高，消耗量卻很少。

考慮以上各個類別的電力數(shù)據(jù)值以及實際區(qū)位因素，將聚類的結果進行如下調(diào)整。

研究發(fā)現(xiàn)：

（1）可將北京、天津跟河北省、河南省劃分為同一區(qū)域，天津和北京發(fā)電能力弱，但消耗能力強，而河北省與河南省這兩個地區(qū)與北京和天津恰好相反，且這四個地區(qū)相鄰，交通通達度高，所以這四個地區(qū)統(tǒng)籌建立電力應急物資儲備倉庫，發(fā)電能力弱但消耗能力強的省份可以在發(fā)生災難時接受來自發(fā)電能力強的地區(qū)的電力援助。

（2）重慶、青海、四川、云南、廣西、貴州可統(tǒng)籌一體化發(fā)展，這幾個地區(qū)自然災害頻發(fā)，既有可能發(fā)生地震災害，也有可能發(fā)生泥石流等自然災害，如云南普洱地震、四川汶川地震、雅安地震、昭通地震、青海玉樹地震，九寨溝地震以及云南泥石流、重慶暴雨引發(fā)的泥石流等，統(tǒng)籌一體化建設電力應急物資的儲備倉，可以在自然災害發(fā)生時及時調(diào)配電力應急物資，減少災害帶來的損失。

（3）將上海、江西、安徽、湖南、福建、湖北劃分為同一區(qū)域，這幾個地區(qū)的電力生產(chǎn)量與消費量都屬于均等水平，且有時會遭受長江流域一帶經(jīng)常發(fā)生的洪澇災害，可以統(tǒng)籌建立電力應急物資儲備倉，在災害發(fā)生時互幫互助。

（4）東北三省自成一類，這三個省份相鄰，自然災害較少，可建立一體化電力應急物資倉庫統(tǒng)籌發(fā)展。

（5）江蘇、廣東、浙江、山東可統(tǒng)籌一體化發(fā)展，這類地區(qū)電力的生產(chǎn)量和消耗量均偏高高，電力行業(yè)發(fā)展較為成熟，可以統(tǒng)籌建設一體化倉庫，共同發(fā)展。

（6）新疆、西藏與內(nèi)蒙古都各自為一個區(qū)域，這三個地區(qū)電力消耗量都偏低，新疆和內(nèi)蒙古的電力生產(chǎn)量處于中等，且都幅員遼闊，處于干旱地帶，可能會發(fā)生大風或火災，在災害發(fā)生時在很大程度上只能實現(xiàn)自救，所以各自建立一體化倉庫，自給自足;海南也可行建立電力應急物資倉庫，實現(xiàn)自給自足。

（7）陜甘寧晉為同一區(qū)域，這一區(qū)域地區(qū)相鄰，災害較少，可統(tǒng)籌建設一體化電力應急物資倉庫，實現(xiàn)共同發(fā)展。

4 總結與展望

運用空間聚類方法解決我國電力應急物資儲備的一體化區(qū)域劃分問題，選擇我國31個省市區(qū)作為空間聚類對象，綜合考慮地理位置以及相關屬性指標，將我國31個省市區(qū)聚類成十大類別，而后通過與實際情況進行比較，對聚類結果進行了相應改動，最終將我國劃分為十大區(qū)域，進行區(qū)域內(nèi)電力應急物資儲備一體化布局。

我國電力行業(yè)由國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)與蒙西電網(wǎng)三足鼎立，但在任何一個電網(wǎng)公司所轄范圍內(nèi)發(fā)生重大自然災害時，我國其他地區(qū)都會共同救援受災地區(qū)。因此，在考慮地區(qū)年均裝機容量、年均用電量、輸電線路密度、交通通達度、災害程度及頻率等因素的基礎上，將我國劃分為十大區(qū)域，各區(qū)域自行建立電力應急物資儲備一體化布局，并建立應急物資信息共享機制，在重大自然災害發(fā)生時，可由受災地所屬電網(wǎng)公司進行統(tǒng)一調(diào)度，實現(xiàn)對受災地區(qū)的電力應急物資的援助，進行應急調(diào)度的優(yōu)化決策。

參考文獻

[1]駱易杉.突發(fā)性自然災害應急物資管理研究[J].低碳世界，2018，（09）：263-264.

[2]廖輝.新形勢下電力物資管理存在的問題及優(yōu)化思路[J].居舍，2019，（14）：152.

[3]王晶，黃鈞，朱建明，等.基于空間聚類的應急物資儲備一體化區(qū)域劃分[J].計算機應用研究，2010，27（08）：2999-3001.

[4]劉滿芝，馬燕燕，王兆密.基于空間聚類方法的煤炭應急儲備布局研究[J].中國煤炭，2012，38（09）：17-21.

作者簡介：郭珊珊（1980-），女，河南南陽人，碩士，研究方向：電力物資管理和供應鏈管理;

陳卓（1982-），男，河南信陽人，國網(wǎng)信陽供電公司、經(jīng)濟師，主要研究方向：物資管理;

王雅（1996-），女，山西晉城人，華北電力大學（北京）碩士研究生，研究方向：物流工程。