風電集中倉儲中心庫房布局規(guī)劃與應用

華潤電力投資有限公司深圳分公司 唐 偉 田鵬輝

近年來，國內(nèi)風電裝機容量持續(xù)快速增長，為我國構建清潔低碳、安全高效的能源體系發(fā)揮了重要作用。風電機組由于其自動化運行水平高、安全可靠性要求高、生產(chǎn)環(huán)境惡劣多變等特點，設備可利用率一直很難達到100%。尤其對于一些運營規(guī)模較大的風電場，機型種類多，涉及到的備件種類也紛繁復雜，而風電機組的元器件均無冗余配置。因此，在保障風電機組連續(xù)穩(wěn)定發(fā)電的過程中，備件起到了極其關鍵的作用[1]。在傳統(tǒng)單場運營模式下，各風電場作為獨立單元分散進行備件倉儲，管理水平不高，普遍存在存貨規(guī)模大、存貨結構不合理、庫存呆滯、調(diào)撥困難等諸多痛點，管理孤島效應凸顯。

隨著風電進入平價上網(wǎng)時代后，各風電企業(yè)更加重視風電項目的精細化管理，提出區(qū)域集約化的管控思路和機制[2]。在集中運維先進管理理念的驅(qū)動下，各風電企業(yè)紛紛建立備件區(qū)域集中倉儲中心庫房，利用地理位置優(yōu)勢，就近開展備件聯(lián)儲，取得一定的管理成效，并在全局庫房網(wǎng)絡積極增加建設中心庫的數(shù)量，但由于缺少整體規(guī)劃或科學系統(tǒng)的評估方法，帶來了一些成本浪費。因此，開發(fā)一套科學規(guī)范的庫房網(wǎng)絡布局模型，構建合理高效的服務輻射關系，實現(xiàn)最優(yōu)布局與系統(tǒng)成本最低，就顯得尤為重要。

1 庫房網(wǎng)絡布局原理

風電備件庫房網(wǎng)絡由中心庫、子庫及其連接環(huán)路構成。其中，中心庫主要負責備件的集中采購、倉儲與配送，服務對象為設定服務輻射關系內(nèi)的各風電場子庫。中心庫作為網(wǎng)絡中的重要節(jié)點，其選址布局須充分考慮運營環(huán)境、庫房管理、備件儲備、備件運輸、備件消耗、業(yè)務流程等要素，結合各風電場分布特點和業(yè)務需求，以系統(tǒng)成本最低為目標，統(tǒng)籌規(guī)劃在全國范圍內(nèi)進行選點。在風電備件庫房網(wǎng)絡中，要求中心庫能及時、快速、全方位滿足區(qū)域內(nèi)每臺風電機組的備件使用，在保證不同廠家或不同機型的風電機組健康運行的前提下，通過合理布局、高效區(qū)域管理和層級管理，實現(xiàn)配送高時效、庫存低成本、消除呆滯減少浪費的規(guī)劃目標。

庫房網(wǎng)絡布局實質(zhì)為NP問題，即能在多項式時間內(nèi)可以驗證得出一個正確的解。對于同一類的所有NP問題，若它們可以在多項式時間內(nèi)約化成一個最難的NP類問題，那就等于變相地證明了其下的所有問題都是存在多項式算法的。只要解決了這個最難的多項式時間算法問題，那么所有的NP問題就都解決了。類似車輛路徑優(yōu)化問題，要找到車輛路徑網(wǎng)絡優(yōu)化的最優(yōu)解，就須對一個龐大的多維、非連續(xù)空間進行迭代計算[3]。在全局庫房網(wǎng)絡模型中，各中心庫需要向設定服務輻射關系內(nèi)的n個子庫完成備件配送，為滿足全局最優(yōu)設計，各中心庫的選址應保證到n個子庫的總環(huán)路路徑最短與系統(tǒng)成本最低。

按照庫房網(wǎng)絡全局規(guī)劃思路，我們先從全國主要城市中粗篩選出多個符合建庫的城市，利用地圖爬取不同線路的里程數(shù)據(jù)，然后從歷史運輸、歷史消耗等數(shù)據(jù)中歸納出運費和里程的函數(shù)關系，以聚類分析和離散選址相結合，通過肘部法則+輪廓系數(shù)來確定全國范圍內(nèi)中心庫房最優(yōu)建庫數(shù)量和建庫地址，并得到中心庫房與各風電場的運輸距離和時間矩陣關系表。

2 庫房網(wǎng)絡布局規(guī)劃設計

設計庫房網(wǎng)絡布局規(guī)劃方案，需要認真考慮現(xiàn)有業(yè)務狀況、數(shù)據(jù)狀況、業(yè)務需求等多方面因素，通過基礎數(shù)據(jù)處理、聚類分析以及網(wǎng)點尋優(yōu)等主要步驟，以挖掘現(xiàn)有數(shù)據(jù)質(zhì)量下最大價值為原則，對所有風電場的服務輻射關系進行重新定義，力求實現(xiàn)中心庫房布局最優(yōu)設計輸出。

2.1 基礎數(shù)據(jù)處理

基礎數(shù)據(jù)主要包括：項目基本信息、風機基本信息、庫存信息、消耗信息、發(fā)電量信息等多種標準化數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集、存儲、檢索、加工的過程中，應及時對數(shù)據(jù)進行識別、度量與整理，保障基礎數(shù)據(jù)質(zhì)量[4]?；A數(shù)據(jù)處理則是對各種數(shù)據(jù)的分析、計算、編輯，具有通用的處理規(guī)則和方案，一般在實際操作中通常會根據(jù)數(shù)據(jù)情況有選擇的使用以下幾個或其組合：轉(zhuǎn)換、分組、組織、計算、排序、清洗等。

2.2 聚類分析

運用K-Means算法，從備選中心庫房中選取最優(yōu)庫房點集，默認K值區(qū)間為[1，N]，N表示備選中心庫房總數(shù)量，通過肘部法則確定最優(yōu)K值，并采用輪廓系數(shù)進行驗證，保證K值一致性。當偏差程度范圍超過指定值時，模型重新測算。K-Means算法是一個不斷迭代的過程，需要不斷的計算和調(diào)整才能找到合適的聚類中心，計算過程容易消耗大量時間，降低聚類運算效率[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)概率最大的結果作為最終結果。

2.3 網(wǎng)點尋優(yōu)

建立庫房需要考慮庫房的服務輻射能力，服務輻射能力由庫房送往風電場的運輸距離和時間決定。網(wǎng)點布局需要對所有庫房和風電場的運輸線路進行比較，從而得到最優(yōu)的選址。網(wǎng)點尋優(yōu)是計算備選中心庫房與各風電場服務輻射關系以及相應判優(yōu)的過程。根據(jù)中心庫房信息與風電場信息，科學迭代出在不同組合下的可行方案，結合判優(yōu)算法給出最優(yōu)的中心庫房位置與服務輻射關系，輸出最佳中心庫房規(guī)劃方案。

3 庫房網(wǎng)絡布局方案

結合我司實際需求，按照備選城市選取—運輸矩陣測算—備選城市聚類—最短路徑模型—最優(yōu)成本模型的順序，編制集中倉儲中心庫房布局方案，并據(jù)此給出中心庫布局建議。

3.1 備選城市聚類分析

根據(jù)備選點與風電場經(jīng)緯度，我們通過百度地圖開發(fā)者系統(tǒng)，獲取城市和風電場兩兩之間的運輸距離和運輸時間，從而獲取得到中心庫布局規(guī)劃需要的數(shù)據(jù)。根據(jù)業(yè)務需求，車輛導航策略選擇走高速的方式進行運輸。備選城市為57個，風電場為60個時，共爬取3420條運輸線路的距離和運輸時間。

若直接對57個備選城市進行組合尋優(yōu)計算，那么當計算到第6個備選點時，其組合尋優(yōu)計算次數(shù)將達到約4千萬次，且隨著備選點數(shù)量增加，計算次數(shù)呈指數(shù)型遞增，極易導致計算機運算過載。由于在一定程度上鄰近備選點組合尋優(yōu)效果均極為相似，因此可以將備選城市進行聚類，將臨近備選點歸為一類以提高運算效率和準確性。在聚類過程中，K值過小，預測目標容易產(chǎn)生變動性；K值過大，尋優(yōu)次數(shù)過多又無法計算，因此需要尋找最優(yōu)的K值。從輪廓系數(shù)結果可以看出聚類K為20時是最優(yōu)的。

通過對聚類結果評估發(fā)現(xiàn)：當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）的比值來看聚類效果，其值越接近1越好。因此，當K=20時，其比值為0.98，表明組內(nèi)距離達到了最小，組間距離達到了最大，當前聚類效果最優(yōu)。

3.2 最短路徑

最短路徑是指在庫房網(wǎng)絡中，中心庫配送各風電場的距離之和最小。隨著中心庫數(shù)量的增加，最短路徑會逐步變小，如表1所示。因此，在先不考慮建庫成本的基礎上初步確定中心庫房的數(shù)量和位置，然后再迭加最優(yōu)成本模型對比其合理性。

表1 最短路徑推算

3.3 最優(yōu)成本

成本是庫房規(guī)劃布局中重要的約束性條件之一。本文為簡化計算，系統(tǒng)成本暫只考慮運輸成本、建庫成本。

運輸成本：每條線路年度運費=每公里單價×距離×次數(shù)，總運輸成本為線路年度運費求和。不同省份的運輸難度不一樣可能導致價格不一樣，需要借助可靠的物流數(shù)據(jù)來做準確的預估。同時，不同運輸方式帶來的成本差異也需要重點考慮，是外部物流運輸還是自有車輛運輸，都對運輸成本有較大的影響。在本文中當運輸距離大于200公里或者運輸時間大于4小時，則采用物流運輸；否則，采取自有車輛運輸（包含往返）。

建庫成本：建設成本+資金占有成本。在本文中中心庫房建庫成本主要根據(jù)服務輻射容量來定，當輻射容量大于等于1000MW，按照35萬元/個進行成本預估；否則，則按照25萬/個進行成本預估。資金占用成本按照銀行5年期貸款利率確定。

通過最短路徑模型得到每種布局情況下的服務輻射關系，然后迭加最優(yōu)成本模型評估每種方案下運輸成本與建庫成本的總和。由下圖1可以看出，當庫房建設數(shù)量為6時，建庫成本和運輸成本達到平衡。

圖1 庫房最優(yōu)成本

綜上所述，按照我司現(xiàn)有風電場分布，建設6個備件中心庫房可滿足全局最佳的服務輻射關系以及最佳的系統(tǒng)成本。本文按照庫房網(wǎng)絡布局原理，提出完善布局設計方案與評估算法，邏輯層次清晰，實際效果較優(yōu)，可為風電同行備件倉儲中心庫房布局建設、供應鏈網(wǎng)絡規(guī)劃及備件內(nèi)外部聯(lián)儲聯(lián)備等提供可供參考的管理經(jīng)驗。