華潤(rùn)電力投資有限公司深圳分公司 唐 偉 田鵬輝

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)風(fēng)電裝機(jī)容量持續(xù)快速增長(zhǎng)，為我國(guó)構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系發(fā)揮了重要作用。風(fēng)電機(jī)組由于其自動(dòng)化運(yùn)行水平高、安全可靠性要求高、生產(chǎn)環(huán)境惡劣多變等特點(diǎn)，設(shè)備可利用率一直很難達(dá)到100%。尤其對(duì)于一些運(yùn)營(yíng)規(guī)模較大的風(fēng)電場(chǎng)，機(jī)型種類(lèi)多，涉及到的備件種類(lèi)也紛繁復(fù)雜，而風(fēng)電機(jī)組的元器件均無(wú)冗余配置。因此，在保障風(fēng)電機(jī)組連續(xù)穩(wěn)定發(fā)電的過(guò)程中，備件起到了極其關(guān)鍵的作用[1]。在傳統(tǒng)單場(chǎng)運(yùn)營(yíng)模式下，各風(fēng)電場(chǎng)作為獨(dú)立單元分散進(jìn)行備件倉(cāng)儲(chǔ)，管理水平不高，普遍存在存貨規(guī)模大、存貨結(jié)構(gòu)不合理、庫(kù)存呆滯、調(diào)撥困難等諸多痛點(diǎn)，管理孤島效應(yīng)凸顯。

隨著風(fēng)電進(jìn)入平價(jià)上網(wǎng)時(shí)代后，各風(fēng)電企業(yè)更加重視風(fēng)電項(xiàng)目的精細(xì)化管理，提出區(qū)域集約化的管控思路和機(jī)制[2]。在集中運(yùn)維先進(jìn)管理理念的驅(qū)動(dòng)下，各風(fēng)電企業(yè)紛紛建立備件區(qū)域集中倉(cāng)儲(chǔ)中心庫(kù)房，利用地理位置優(yōu)勢(shì)，就近開(kāi)展備件聯(lián)儲(chǔ)，取得一定的管理成效，并在全局庫(kù)房網(wǎng)絡(luò)積極增加建設(shè)中心庫(kù)的數(shù)量，但由于缺少整體規(guī)劃或科學(xué)系統(tǒng)的評(píng)估方法，帶來(lái)了一些成本浪費(fèi)。因此，開(kāi)發(fā)一套科學(xué)規(guī)范的庫(kù)房網(wǎng)絡(luò)布局模型，構(gòu)建合理高效的服務(wù)輻射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)布局與系統(tǒng)成本最低，就顯得尤為重要。

1 庫(kù)房網(wǎng)絡(luò)布局原理

風(fēng)電備件庫(kù)房網(wǎng)絡(luò)由中心庫(kù)、子庫(kù)及其連接環(huán)路構(gòu)成。其中，中心庫(kù)主要負(fù)責(zé)備件的集中采購(gòu)、倉(cāng)儲(chǔ)與配送，服務(wù)對(duì)象為設(shè)定服務(wù)輻射關(guān)系內(nèi)的各風(fēng)電場(chǎng)子庫(kù)。中心庫(kù)作為網(wǎng)絡(luò)中的重要節(jié)點(diǎn)，其選址布局須充分考慮運(yùn)營(yíng)環(huán)境、庫(kù)房管理、備件儲(chǔ)備、備件運(yùn)輸、備件消耗、業(yè)務(wù)流程等要素，結(jié)合各風(fēng)電場(chǎng)分布特點(diǎn)和業(yè)務(wù)需求，以系統(tǒng)成本最低為目標(biāo)，統(tǒng)籌規(guī)劃在全國(guó)范圍內(nèi)進(jìn)行選點(diǎn)。在風(fēng)電備件庫(kù)房網(wǎng)絡(luò)中，要求中心庫(kù)能及時(shí)、快速、全方位滿(mǎn)足區(qū)域內(nèi)每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的備件使用，在保證不同廠家或不同機(jī)型的風(fēng)電機(jī)組健康運(yùn)行的前提下，通過(guò)合理布局、高效區(qū)域管理和層級(jí)管理，實(shí)現(xiàn)配送高時(shí)效、庫(kù)存低成本、消除呆滯減少浪費(fèi)的規(guī)劃目標(biāo)。

庫(kù)房網(wǎng)絡(luò)布局實(shí)質(zhì)為NP問(wèn)題，即能在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)可以驗(yàn)證得出一個(gè)正確的解。對(duì)于同一類(lèi)的所有NP問(wèn)題，若它們可以在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)約化成一個(gè)最難的NP類(lèi)問(wèn)題，那就等于變相地證明了其下的所有問(wèn)題都是存在多項(xiàng)式算法的。只要解決了這個(gè)最難的多項(xiàng)式時(shí)間算法問(wèn)題，那么所有的NP問(wèn)題就都解決了。類(lèi)似車(chē)輛路徑優(yōu)化問(wèn)題，要找到車(chē)輛路徑網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的最優(yōu)解，就須對(duì)一個(gè)龐大的多維、非連續(xù)空間進(jìn)行迭代計(jì)算[3]。在全局庫(kù)房網(wǎng)絡(luò)模型中，各中心庫(kù)需要向設(shè)定服務(wù)輻射關(guān)系內(nèi)的n個(gè)子庫(kù)完成備件配送，為滿(mǎn)足全局最優(yōu)設(shè)計(jì)，各中心庫(kù)的選址應(yīng)保證到n個(gè)子庫(kù)的總環(huán)路路徑最短與系統(tǒng)成本最低。

按照庫(kù)房網(wǎng)絡(luò)全局規(guī)劃思路，我們先從全國(guó)主要城市中粗篩選出多個(gè)符合建庫(kù)的城市，利用地圖爬取不同線路的里程數(shù)據(jù)，然后從歷史運(yùn)輸、歷史消耗等數(shù)據(jù)中歸納出運(yùn)費(fèi)和里程的函數(shù)關(guān)系，以聚類(lèi)分析和離散選址相結(jié)合，通過(guò)肘部法則+輪廓系數(shù)來(lái)確定全國(guó)范圍內(nèi)中心庫(kù)房最優(yōu)建庫(kù)數(shù)量和建庫(kù)地址，并得到中心庫(kù)房與各風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)輸距離和時(shí)間矩陣關(guān)系表。

2 庫(kù)房網(wǎng)絡(luò)布局規(guī)劃設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)庫(kù)房網(wǎng)絡(luò)布局規(guī)劃方案，需要認(rèn)真考慮現(xiàn)有業(yè)務(wù)狀況、數(shù)據(jù)狀況、業(yè)務(wù)需求等多方面因素，通過(guò)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理、聚類(lèi)分析以及網(wǎng)點(diǎn)尋優(yōu)等主要步驟，以挖掘現(xiàn)有數(shù)據(jù)質(zhì)量下最大價(jià)值為原則，對(duì)所有風(fēng)電場(chǎng)的服務(wù)輻射關(guān)系進(jìn)行重新定義，力求實(shí)現(xiàn)中心庫(kù)房布局最優(yōu)設(shè)計(jì)輸出。

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括：項(xiàng)目基本信息、風(fēng)機(jī)基本信息、庫(kù)存信息、消耗信息、發(fā)電量信息等多種標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、檢索、加工的過(guò)程中，應(yīng)及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別、度量與整理，保障基礎(chǔ)數(shù)據(jù)質(zhì)量[4]?；A(chǔ)數(shù)據(jù)處理則是對(duì)各種數(shù)據(jù)的分析、計(jì)算、編輯，具有通用的處理規(guī)則和方案，一般在實(shí)際操作中通常會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)情況有選擇的使用以下幾個(gè)或其組合：轉(zhuǎn)換、分組、組織、計(jì)算、排序、清洗等。

2.2 聚類(lèi)分析

運(yùn)用K-Means算法，從備選中心庫(kù)房中選取最優(yōu)庫(kù)房點(diǎn)集，默認(rèn)K值區(qū)間為[1，N]，N表示備選中心庫(kù)房總數(shù)量，通過(guò)肘部法則確定最優(yōu)K值，并采用輪廓系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，保證K值一致性。當(dāng)偏差程度范圍超過(guò)指定值時(shí)，模型重新測(cè)算。K-Means算法是一個(gè)不斷迭代的過(guò)程，需要不斷的計(jì)算和調(diào)整才能找到合適的聚類(lèi)中心，計(jì)算過(guò)程容易消耗大量時(shí)間，降低聚類(lèi)運(yùn)算效率[5]。因此，為了防止出現(xiàn)局部最優(yōu)解情況，通常采取50～100次初始化值，并從每種初始化值后期方案中選取出現(xiàn)概率最大的結(jié)果作為最終結(jié)果。

2.3 網(wǎng)點(diǎn)尋優(yōu)

建立庫(kù)房需要考慮庫(kù)房的服務(wù)輻射能力，服務(wù)輻射能力由庫(kù)房送往風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)輸距離和時(shí)間決定。網(wǎng)點(diǎn)布局需要對(duì)所有庫(kù)房和風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)輸線路進(jìn)行比較，從而得到最優(yōu)的選址。網(wǎng)點(diǎn)尋優(yōu)是計(jì)算備選中心庫(kù)房與各風(fēng)電場(chǎng)服務(wù)輻射關(guān)系以及相應(yīng)判優(yōu)的過(guò)程。根據(jù)中心庫(kù)房信息與風(fēng)電場(chǎng)信息，科學(xué)迭代出在不同組合下的可行方案，結(jié)合判優(yōu)算法給出最優(yōu)的中心庫(kù)房位置與服務(wù)輻射關(guān)系，輸出最佳中心庫(kù)房規(guī)劃方案。

3 庫(kù)房網(wǎng)絡(luò)布局方案

結(jié)合我司實(shí)際需求，按照備選城市選取—運(yùn)輸矩陣測(cè)算—備選城市聚類(lèi)—最短路徑模型—最優(yōu)成本模型的順序，編制集中倉(cāng)儲(chǔ)中心庫(kù)房布局方案，并據(jù)此給出中心庫(kù)布局建議。

3.1 備選城市聚類(lèi)分析

根據(jù)備選點(diǎn)與風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)緯度，我們通過(guò)百度地圖開(kāi)發(fā)者系統(tǒng)，獲取城市和風(fēng)電場(chǎng)兩兩之間的運(yùn)輸距離和運(yùn)輸時(shí)間，從而獲取得到中心庫(kù)布局規(guī)劃需要的數(shù)據(jù)。根據(jù)業(yè)務(wù)需求，車(chē)輛導(dǎo)航策略選擇走高速的方式進(jìn)行運(yùn)輸。備選城市為57個(gè)，風(fēng)電場(chǎng)為60個(gè)時(shí)，共爬取3420條運(yùn)輸線路的距離和運(yùn)輸時(shí)間。

若直接對(duì)57個(gè)備選城市進(jìn)行組合尋優(yōu)計(jì)算，那么當(dāng)計(jì)算到第6個(gè)備選點(diǎn)時(shí)，其組合尋優(yōu)計(jì)算次數(shù)將達(dá)到約4千萬(wàn)次，且隨著備選點(diǎn)數(shù)量增加，計(jì)算次數(shù)呈指數(shù)型遞增，極易導(dǎo)致計(jì)算機(jī)運(yùn)算過(guò)載。由于在一定程度上鄰近備選點(diǎn)組合尋優(yōu)效果均極為相似，因此可以將備選城市進(jìn)行聚類(lèi)，將臨近備選點(diǎn)歸為一類(lèi)以提高運(yùn)算效率和準(zhǔn)確性。在聚類(lèi)過(guò)程中，K值過(guò)小，預(yù)測(cè)目標(biāo)容易產(chǎn)生變動(dòng)性；K值過(guò)大，尋優(yōu)次數(shù)過(guò)多又無(wú)法計(jì)算，因此需要尋找最優(yōu)的K值。從輪廓系數(shù)結(jié)果可以看出聚類(lèi)K為20時(shí)是最優(yōu)的。

通過(guò)對(duì)聚類(lèi)結(jié)果評(píng)估發(fā)現(xiàn)：當(dāng)K=20，其組內(nèi)距離平方和總量為：86.5，組間距離平方和總量為：5013.8。依據(jù)組內(nèi)距離平方和總量/（組內(nèi)距離平方和總量+組間距離平方和總量）的比值來(lái)看聚類(lèi)效果，其值越接近1越好。因此，當(dāng)K=20時(shí)，其比值為0.98，表明組內(nèi)距離達(dá)到了最小，組間距離達(dá)到了最大，當(dāng)前聚類(lèi)效果最優(yōu)。

3.2 最短路徑

最短路徑是指在庫(kù)房網(wǎng)絡(luò)中，中心庫(kù)配送各風(fēng)電場(chǎng)的距離之和最小。隨著中心庫(kù)數(shù)量的增加，最短路徑會(huì)逐步變小，如表1所示。因此，在先不考慮建庫(kù)成本的基礎(chǔ)上初步確定中心庫(kù)房的數(shù)量和位置，然后再迭加最優(yōu)成本模型對(duì)比其合理性。

表1 最短路徑推算

3.3 最優(yōu)成本

成本是庫(kù)房規(guī)劃布局中重要的約束性條件之一。本文為簡(jiǎn)化計(jì)算，系統(tǒng)成本暫只考慮運(yùn)輸成本、建庫(kù)成本。

運(yùn)輸成本：每條線路年度運(yùn)費(fèi)=每公里單價(jià)×距離×次數(shù)，總運(yùn)輸成本為線路年度運(yùn)費(fèi)求和。不同省份的運(yùn)輸難度不一樣可能導(dǎo)致價(jià)格不一樣，需要借助可靠的物流數(shù)據(jù)來(lái)做準(zhǔn)確的預(yù)估。同時(shí)，不同運(yùn)輸方式帶來(lái)的成本差異也需要重點(diǎn)考慮，是外部物流運(yùn)輸還是自有車(chē)輛運(yùn)輸，都對(duì)運(yùn)輸成本有較大的影響。在本文中當(dāng)運(yùn)輸距離大于200公里或者運(yùn)輸時(shí)間大于4小時(shí)，則采用物流運(yùn)輸；否則，采取自有車(chē)輛運(yùn)輸（包含往返）。

建庫(kù)成本：建設(shè)成本+資金占有成本。在本文中中心庫(kù)房建庫(kù)成本主要根據(jù)服務(wù)輻射容量來(lái)定，當(dāng)輻射容量大于等于1000MW，按照35萬(wàn)元/個(gè)進(jìn)行成本預(yù)估；否則，則按照25萬(wàn)/個(gè)進(jìn)行成本預(yù)估。資金占用成本按照銀行5年期貸款利率確定。

通過(guò)最短路徑模型得到每種布局情況下的服務(wù)輻射關(guān)系，然后迭加最優(yōu)成本模型評(píng)估每種方案下運(yùn)輸成本與建庫(kù)成本的總和。由下圖1可以看出，當(dāng)庫(kù)房建設(shè)數(shù)量為6時(shí)，建庫(kù)成本和運(yùn)輸成本達(dá)到平衡。

圖1 庫(kù)房最優(yōu)成本

綜上所述，按照我司現(xiàn)有風(fēng)電場(chǎng)分布，建設(shè)6個(gè)備件中心庫(kù)房可滿(mǎn)足全局最佳的服務(wù)輻射關(guān)系以及最佳的系統(tǒng)成本。本文按照庫(kù)房網(wǎng)絡(luò)布局原理，提出完善布局設(shè)計(jì)方案與評(píng)估算法，邏輯層次清晰，實(shí)際效果較優(yōu)，可為風(fēng)電同行備件倉(cāng)儲(chǔ)中心庫(kù)房布局建設(shè)、供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及備件內(nèi)外部聯(lián)儲(chǔ)聯(lián)備等提供可供參考的管理經(jīng)驗(yàn)。