基于空间聚类的电力应急物资储备一体化研究

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　　摘 要：电力应急物资的储备布局在综合考虑物资购买力、年均装机容量、年均电力消费量、输电线路密度、交通通达度等属性指标的基础上，运用空间聚类的方法对电力应急物资的储备布局进行一体化区域的划分。选择我国31个省份作为空间对象，聚类成十大区域，各区域据自身情况建立电力应急物资一体化储备仓，并建立信息共享机制，在受灾时由灾区所属电网公司进行应急调度的优化决策。
　　关键词：空间聚类;电力应急物资储备;区域一体化
　　中图分类号：BT     文献标识码：A      doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.20.107
　　0 引言
　　近年来，国内外自然灾害频发，有的受灾地区的电力设备遭到了毁灭性的摧残。同时，电力系统大面积停电事故造成了更加严重的损失，恢复灾区供电刻不容缓。一般情况下，电力系统的相关部门都会储备一定的备品配件作为电力应急物资，这些物资在发生较小规模事故时，可以发挥一定的作用。但随着用电负荷的增加，电力系统事故的规模也将随之增大，由于在目前的条件下自然灾害造成的电力事故时间、强度和影响范围很难预测，致使电力应急物资储备难以满足应急管理工作的需要。
　　目前来看，虽然发电企业、电网企业在部分应急设备和器械上具有共同性（如运输车辆、通信设备、应急发电机组等），但他们均相对独立地储备电力应急物资，各主体甚至同一主体的不同单位间缺乏应急物资信息共享机制，各主体储存的电力应急物资品种或重复，或短缺，未形成互补，导致保障系数和资金利用率下降，同时也造成在突发事件发生时需用较长的时间去协调物资的调度和运输，使应急物资难以在短时间内调配到位。
　　基于以上情况，研究提出建立电力应急物资储备一体化，以提高物资一体化管理的信息化水平和各应急主体的应急物资利用效率，降低区域内电力应急物资的储存成本和管理成本，并提升应急物资的调度水平。
　　所谓建立应急物资一体化布局，就是将国家分为若干个区域，在每个区域内建立应急物资的完备储备体系。灾难发生时，一体化区域内物资储备共享，统一协调调度，提高区域的储备保障效率。王晶等人利用空间聚类方法来解决一体化区域的最佳层次确定，并给出相应的动态聚类算法，达到救援效率与储备成本的折中，具有较好的实用性。刘满芝等人在综合考虑煤炭消费量、煤炭自给率、风险发生概率、区位、运输条件、储备基地的资源、空间相邻性等影响因素的基础上，运用空间聚类方法，对煤炭应急储备布局进行一体化区域划分。近些年来，随着国家信息化水平的不断提高，电力应急物资布局一体化成为可能。因此，基于王晶、刘满芝等人的研究成果，用空间聚类方法研究电力应急物资储备一体化布局，按照物资购买力、年均装机容量、年均电力消费量、输电线路密度、交通通达度等属性指标，将我国划分为几大区域，在统筹区域协调发展的基础上，为各个区域根据自身的实际情况及条件建立电力应急物资储备基地，实现一体化布局提供建议。
　　1 属性选择与计算方式
　　电力应急物资储备一体化布局是一项系统的工程，应做到因地制宜，统筹规划。研究表明，各地区的物资购买力、年平均发电装机容量、年平均电力消费量、变电站输电线路密度、交通通达度、灾害下的损伤程度以及灾害发生频率是建立电力应急物资储备一体化布局的关键影响因素。
　　（1）物资购买力。这一指标用经济发展水平来衡量，数据由各省份年均GDP组成。
　　（2）年均发电装机容量。年装机容量指的是一年内某地区所有发电厂或区域电网具有的汽（水）轮发电机组总容量，代表一个地区的年发电能力。研究数据均采用中国统计局的相关数据，为使这一指标更具代表性，以及避免特殊情况带来的发电机装机容量激增或锐减，采用某地区五年内年发电量的平均值作为参考指标，用以衡量该地区在受灾情况下的自我电力救援能力。
　　（3）年均电力消费量。年电力消费量指的是某地区一年内各行业及居民用电总量。采用五年内年平均电力消费量用来衡量某地区在受灾时对于电量的需求程度。
　　（4）变电站输电线路密度。利用各地区的输电线路密度来衡量某地区在受灾时的输电能力。输电线路密度计算公式如下：
　　ρ=∑ni=1WiLiA
　　其中，Li为某地区第i种变电站输电线路的总长度，Wi为该种输电线路的权重，A为该地区的国土面积。
　　同时，为缩小各该指标的区域间差异，使得聚类结果不受指标过高或过低的影響，采用Z-score方法，将该指标进行归一化处理，消除指标间量纲，将原始数据的均值（mean）和标准差（standard deviation）进行数据的标准化经，使得过处理的数据符合标准正态分布，即均值为0，标准差为1，转化函数为：
　　ρ*=（ρ-μ）σ
　　其中μ为所有样本数据的均值，σ为所有样本数据的标准差。该指标越大，证明该地区输电线路密度越大，其电力输送的能力就越强。
　　（5）交通通达度。该指标用以衡量某受灾地区的交通情况，一方面可以衡量该地区内部或周围地区的救援速度，另一方面可以反映电力应急物资储备规模的大小。如果运输距离适中、速度快、运力充足、电力应急物资调运容易，则救援速度快，电力应急物资储备规模就低或不需要布局储备基地;反之，则需要建立电力物资应急储备基地。该指标计算公式如下：
　　ρ=∑ni=1WiLiA
　　其中，Li为某地区第i种交通方式的路线总长度，Wi为该种方式所占的权重，A为该地区的国土面积。指标的归一化处理方法和输电线路密度的处理相同，为：ρ*=（ρ-μ）σ
　　该指标越大，证明该地区交通通达度越高。
　　（6）灾害下的损伤程度。对该指标采用打分法，用0-5分来依次表示受灾程度的从弱到强。该指标一定程度可以反映受灾地区对于电力应急物资供应的需求数量以及急需程度。 　　如果损伤程度为5分，则证明该地区的受灾程度极为严重，急需大批量的电力应急物资的供应，电力应急物资的储备规模也就越大。
　　（7）灾害发生频率。根据20年来我国发生的自然灾害相关数据来确定某地区灾害发生的频率。
　　2 电力应急物资储备一体化模型构建
　　2.1 空间聚类方法的选择
　　常用的聚类方法有k-means聚类和分层聚类。K均值聚类是随机选取K个对象作为初始的聚类中心，然后计算每个对象与各个种子聚类中心之间的距离，把每个对象分配给距离它最近的聚类中心。而分层聚类是开始时把每个样品作为一类，然后把最靠近的样品（即距离最小的群品）首先聚为小类，再将已聚合的小类按其类间距离再合并，不断继续下去，最后把一切子类都聚合到一个大类。K-means聚类方法要事先设定聚类中心的个数，带有一定的主观性。若采用分层聚类法，类别的个数可以根据聚集过程或从树形图中所显示的合并距离来确定，如果发现某个阶段合并的距离有很大的跳动，则提示合并前的个数可能更合适。基于此，电力应急物资储备一体化研究选择分层聚类法进行聚类。
　　2.2 聚类中距离的表示
　　在空间聚类中，要求每一个个案不仅空间距离相近，同时也要求其属性距离相近，所以在这里要综合两者。在空间距离中，各个省份的省会城市的经纬度坐标作为计算空间距离的点坐标，记为Si（xi，yi），采用欧式距离，将个案间的空间距离表示为：
　　D（Si，Sj）=（xi-xj）2+（yi-yj）2
　　在属性距离中，将各个属性记为（ai1，ai2，…aim）T，个案间的属性距离可表示为：
　　Da（Si，Sj）=∑nk=1（aik-ajk）2
　　综上，对空间距离以及属性距离进行加权，将综合距离表达为：
　　D=ωα（xi-xj）2+（yi-yj）2+ωβ∑nk=1（aik-ajk）2
　　3 聚类结果及分析
　　3.1 聚类结果
　　依据空间聚类结果，将我国划分为十大区域。划分结果如表1所示。
　　为使一体化布局更加直观明显，划分为同一区域的地区用相同颜色标注，如图1所示。
　　3.2 聚类结果分析
　　从聚类结果我们可以看出，北京自成一类，其电力自给率不高，但电力消费量大，不能实现自给自足。天津、上海、江西、重庆、青海、吉林、黑龙江为一类，这一类中所有地区的自给量和消费量都属于中等水平，但自给量都大于自身所消耗的电量，可以基本实现自给自足。河北和河南为一类，这两个省份的自身发电能力较强，消费量也偏高，可以完全实现自给自足，甚至可以给予其他地区电力援助。江苏、山东、广东为一类，这一类地区所有省份的发电能力很强，自身的电力消耗量也很高，可以完全实现自给自足。浙江省自成一类，其自给量和消费量也都偏高。福建、安徽、湖南、广西、贵州、陕西、甘肃、辽宁划分为一类，这一类中电力自给量也远远大于消耗量。海南、西藏分为一类，这两个地区的发电能力与消耗能力都不强。山西、湖北、新疆为一类，这一类地区的发电能力都远远大于消耗能力。内蒙古自成一类，该地区发电能力很强，电力消耗能力较弱。四川、云南为一类，该地区的发电量很高，消耗量却很少。
　　考虑以上各个类别的电力数据值以及实际区位因素，将聚类的结果进行如下调整。
　　研究发现：
　　（1）可将北京、天津跟河北省、河南省划分为同一区域，天津和北京发电能力弱，但消耗能力强，而河北省与河南省这两个地区与北京和天津恰好相反，且这四个地区相邻，交通通达度高，所以这四个地区统筹建立电力应急物资储备仓库，发电能力弱但消耗能力强的省份可以在发生灾难时接受来自发电能力强的地区的电力援助。
　　（2）重庆、青海、四川、云南、广西、贵州可统筹一体化发展，这几个地区自然灾害频发，既有可能发生地震灾害，也有可能发生泥石流等自然灾害，如云南普洱地震、四川汶川地震、雅安地震、昭通地震、青海玉树地震，九寨沟地震以及云南泥石流、重庆暴雨引发的泥石流等，统筹一体化建设电力应急物资的储备仓，可以在自然灾害发生时及时调配电力应急物资，减少灾害带来的损失。
　　（3）将上海、江西、安徽、湖南、福建、湖北划分为同一区域，这几个地区的电力生产量与消费量都属于均等水平，且有时会遭受长江流域一带经常发生的洪涝灾害，可以统筹建立电力应急物资储备仓，在灾害发生时互帮互助。
　　（4）东北三省自成一类，这三个省份相邻，自然灾害较少，可建立一体化电力应急物资仓库统筹发展。
　　（5）江苏、广东、浙江、山东可统筹一体化发展，这类地区电力的生产量和消耗量均偏高高，电力行业发展较为成熟，可以统筹建设一体化仓库，共同发展。
　　（6）新疆、西藏与内蒙古都各自为一个区域，这三个地区电力消耗量都偏低，新疆和内蒙古的电力生产量处于中等，且都幅员辽阔，处于干旱地带，可能会发生大风或火灾，在灾害发生时在很大程度上只能实现自救，所以各自建立一体化仓库，自给自足;海南也可行建立电力应急物资仓库，实现自给自足。
　　（7）陕甘宁晋为同一区域，这一区域地区相邻，灾害较少，可统筹建设一体化电力应急物资仓库，实现共同发展。
　　4 总结与展望
　　运用空间聚类方法解决我国电力应急物资储备的一体化区域划分问题，选择我国31个省市区作为空间聚类对象，综合考虑地理位置以及相关属性指标，将我国31个省市区聚类成十大類别，而后通过与实际情况进行比较，对聚类结果进行了相应改动，最终将我国划分为十大区域，进行区域内电力应急物资储备一体化布局。
　　我国电力行业由国家电网、南方电网与蒙西电网三足鼎立，但在任何一个电网公司所辖范围内发生重大自然灾害时，我国其他地区都会共同救援受灾地区。因此，在考虑地区年均装机容量、年均用电量、输电线路密度、交通通达度、灾害程度及频率等因素的基础上，将我国划分为十大区域，各区域自行建立电力应急物资储备一体化布局，并建立应急物资信息共享机制，在重大自然灾害发生时，可由受灾地所属电网公司进行统一调度，实现对受灾地区的电力应急物资的援助，进行应急调度的优化决策。
　　参考文献
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　　[4]刘满芝，马燕燕，王兆密.基于空间聚类方法的煤炭应急储备布局研究[J].中国煤炭，2012，38（09）：17-21.
　　作者简介：郭珊珊（1980-），女，河南南阳人，硕士，研究方向：电力物资管理和供应链管理;
　　陈卓（1982-），男，河南信阳人，国网信阳供电公司、经济师，主要研究方向：物资管理;
　　王雅（1996-），女，山西晋城人，华北电力大学（北京）硕士研究生，研究方向：物流工程。
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