CN108491987A - 一种地区电能替代形势分析规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种地区电能替代形势分析规划方法，包括：获取构建地区电能替代形式评估的一级指标和二级指标，构建地区电能替代形势评估指标体系；对所述评估指标体系进行量化，确定各指标的权重，及各地区的评价数值，计算各地区的电能替代发展形势数值；结合所述指标体系建立多维空间以及所述各地区的电能替代发展形势数值，对各地区电能替代发展形势数值进行聚类；根据聚类结果，生成各地区电能替代形势分析规划结果并输出。通过上述方法，可以实现科学合理的进行各地区电能替代形势分析规划。
Description
技术领域
本发明涉及电力领域，具体地说，涉及一种地区电能替代形势分析规划方法。
背景技术
当前，国际能源格局正在发生深刻变化，全球能源转型的途径仍在探索中。我国也在积极推进能源革命以解决包括能源安全、环保压力等在内的相关问题，同时也将此作为能源供给侧结构性改革的重要组成部分。
在此背景下，电能替代面临难得的历史机遇。因为电能替代工作具有重要的节能环保功效，与能源消费革命的目标一致。另外，目前电能占终端能源的比重较低，而能源终端利用环节的节能环保成效具有倍数放大效应，故电能替代亟待有序推进，其潜力也十分巨大。
目前，在我国着力推进“再电气化”的进程中，全社会各界已经充分认识到电能替代是全球正在发生的能源转型和能源革命的重要战略举措，我国的电能替代工作也取得了重大进步，电能替代未来发展空间巨大。在此关键的能源转型和能源革命时期，电能替代工作的战略规划环节至关重要，将对电能替代工作开展产生深远的影响。本专利即为科学合理的分析各地区电能替代形势，根据聚类最优解将各地区电能替代形势划分为几大区类，相同区类中的地区面临相似的电能替代形势，为后续电能替代工作的战略规划、战略举措、战略实施提供支撑。
发明内容
本发明的主要目的，是提供一种能够适应能源形势发展要求的地区电能替代形势分析规划方法，考虑各地区环保压力和电能替代实施难度的地区电能替代形势综合评估和聚类分析方法，科学合理的实现各地区电能替代形势分析规划。
本发明实施例提供一种地区电能替代形势分析规划方法，包括：
步骤1，获取构建地区电能替代形式评估的一级指标和二级指标，构建地区电能替代形势评估指标体系；
步骤2，对所述评估指标体系进行量化，确定各指标的权重，及各地区的评价数值，计算各地区的电能替代发展形势数值；
步骤3，结合所述指标体系建立多维空间以及所述各地区的电能替代发展形势数值，对各地区电能替代发展形势数值进行聚类；
步骤4，根据聚类结果，生成各地区电能替代形势分析规划结果并输出。
较佳的，其中，所述步骤1中，所述一级指标包括：
能源消费结构、环保制约、经济型比较、配套支持。
较佳的，其中，所述能源消费结构，对应的二级指标包括：
煤炭消费量、天然气消费量、电力消费量。
较佳的，其中，所述环保制约，对应的二级指标包括：
年散烧煤量、年空气pm2.5平均浓度、机动车保有量。
较佳的，其中，所述经济性比较，对应的二级指标包括：
工业燃气价格、居民燃气价格、居民电价、大工业电价、一般工商业电价。
较佳的，其中，所述配套支持，对应的二级指标包括：
环保政策、电价补贴政策、规划政策、电力/天然气余缺。
较佳的，其中，所述步骤2，包括：
获取各地区各指标对应数据，并进行标准化处理；
结合标准化后的数据，通过熵权法计算各指标对应的权重；
根据所述权重，及各地区标准化处理后的数据，计算各地区的电能替代发展形势数值。
较佳的，其中，所述步骤3，包括：
根据所述地区电能替代形势评估指标体系中的多个指标，构建多维空间；
选择K个地区作为初始聚类中心，基于K-MEANS算法对所有地区的电能替代发展形势数值进行聚类。
较佳的，其中，所述步骤4，包括：
根据聚类结果，将各地区划分为几大区类；
根据各地区所属区类，制定电能替代战略举措，并输出。
较佳的，其中，所述几大区类，包括：
攻占区、突破区、渐进区、气电互补区。
本发明提出了一种地区电能替代形势分析规划方法，解决了以下问题：
一、评价各地区电能替代发展形势，区分工作重点方向。
二、分析能源消费结构、环保制约、经济性比较、配套支持对电能替代的影响。
三、建立电能替代形势聚类模型，用来分析各地区电能替代特点，自动归类类似区域，为电能替代战略规划打好基础。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1显示了根据本发明的一个实施例的一种地区电能替代形势分析规划方法流程图；
图2显示了根据本发明的一个实施例设定的一级指标及二级指标结构示意图；
图3显示了根据本发明的一个实施例的计算各地区的电能替代发展形势数值方法流程图；
图4显示了2020年电能替代发展形势指标影响权重示意图；
图5显示了各省市2020年电能替代发展形势示意图；
图6显示了2030年电能替代发展形势指标影响权重示意图；
图7显示了各省市2030年电能替代发展形势示意图；
图8显示了根据本发明的一个实施例的对各地区电能替代发展形势数值进行聚类的方法流程图；
图9显示了根据本发明的一个实施例的生成各地区电能替代形势分析规划结果的方法流程图；
图10显示了各省电能替代形势聚类示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。
另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
本发明的主要目的，是提供一种能够适应能源形势发展要求的地区电能替代形势分析规划方法，考虑各地区环保压力和电能替代实施难度，选取多种代表性参数分为一级指标与二级因子，构建指标体系。然后将指标体系进一步量化，以数值的方式来评定多因素约束下电能替代发展的形势。最后利用聚类算法将各地区划分为几大类，同一类地区可以采用类似的电能替代规划方案、推进路径。
如图1所示，本发明实施例提供一种地区电能替代形势分析规划方法，包括：
S101，获取构建地区电能替代形式评估的一级指标和二级指标，构建地区电能替代形势评估指标体系；
S102，对所述评估指标体系进行量化，确定各指标的权重，及各地区的评价数值，计算各地区的电能替代发展形势数值；
S103，结合所述指标体系建立多维空间以及所述各地区的电能替代发展形势数值，对各地区电能替代发展形势数值进行聚类；
S104，根据聚类结果，生成各地区电能替代形势分析规划结果并输出。
较佳的，其中，所述步骤1中，所述一级指标包括：
能源消费结构、环保制约、经济型比较、配套支持。
较佳的，其中，所述能源消费结构，对应的二级指标包括：
煤炭消费量、天然气消费量、电力消费量。
较佳的，其中，所述环保制约，对应的二级指标包括：
年散烧煤量、年空气pm2.5平均浓度、机动车保有量。
较佳的，其中，所述经济性比较，对应的二级指标包括：
工业燃气价格、居民燃气价格、居民电价、大工业电价、一般工商业电价。
较佳的，其中，所述配套支持，对应的二级指标包括：
环保政策、电价补贴政策、规划政策、电力/天然气余缺。
实际应用中，如图2所示，为了综合评估影响电能替代发展的多方面因素，构建地区电能替代形势评估指标体系，将电能替代形势评估细化为4个一级指标的15个二级因子。首先明确要研究的指标体系，然后将指标体系进一步量化，以数值的方式来评定多因素约束下电能替代形势，为电能替代发展潜力较大的区域市场提供决策参考。
电能替代作为一个相对新生的事物，想要获得一定的发展，需要有产业发展的驱动力(国家能源消费结构调整、环保制约)，同时电能具有经济成本优势(主要与天然气比较)，且区域具有相应的配套能力(政策支持、富余电量)。因此将全国各省的电能替代前景估算模型分成能源消费结构、环保制约、经济性比较、配套支持4个一级指标，每个一级指标又细分成多个二级指标。针对每个二级指标，分别选择可以量化的计算因子来进行量化。
在能源消费结构一级指标下，分成了3个二级指标，分别是煤炭消费量、天然气消费量和电力消费量。电能替代的主要潜力在于替代煤炭，其中天然气也属于清洁能源，是电能替代的竞争能源，因此一个地区的煤炭消费量和电力消费量越大，则该地区电能替代潜力越大；天然气消费量越大，则该地区电能替代竞争阻力越大。
在环保制约一级指标下，分成了3个二级指标，分别是年民用散烧煤量(包括农村生活、住宿餐饮、城镇生活、农业生产)、年空气pm2.5平均浓度、机动车保有量。散烧煤(简称散煤)治理是空气污染防治及燃煤治理的重点，也是难点。相对于集中燃煤，散煤点多面广，难以监管，常使用灰分、硫分含量高的劣质煤，燃烧后往往缺乏脱硫、脱销、除尘处理。散煤的单位排放强度远高于集中燃煤，散煤排放强度是电煤的约8倍。因此将地区年散烧煤量作为环境保护要求驱动的计算因子。一个地区环境保护的形势越严峻，则电能替代的发展机遇越大，因此选择地区年空气pm2.5平均浓度作为环境保护要求驱动的计算因子。在不考虑全生命周期能耗的情况下，单从车的角度来看，电动汽车是具有一定的节约能源效果的，一个地区传统燃油汽车的保有量越大，对汽油、柴油等能源的消耗量越大，对电动汽车的需求也越大，因此选择地区燃油汽车保有量作为环境保护碳排放要求驱动的计算因子。
由于国家战略鼓励电能和天然气替代化石能源，经济性比较主要在电能和天然气之间的比较。在经济性比较一级指标下，分成了5个二级指标，包括工业燃气价格、居民燃气价格、居民电价、大工业电价、一般工商业电价。居民燃气价格和居民电价主要针对分散式电采暖、热泵和电炊具，工业燃气价格、大工业电价和一般工商业电价主要针对电锅炉采暖、建筑材料窑炉和中频炉。总的思路是一个地区的电价越低，则该地区电能替代潜力越大；天然气价格越低，则该地区电能替代竞争阻力越大。
电能替代发展目前离不开配套政策的支持。在配套支持一级指标下，分成了 4个二级指标，分别是环保政策、电价补贴政策、规划政策和地区电力余缺指标。更严格的环保政策有利于推动电能替代的发展，电价补贴政策有利于电能替代获得成本优势争取用户，规划政策(电动汽车、配网建设等)有利于电能替代相关产业发展，地区电力富余程度决定了当地推动电能替代的积极性。
综上所述4个一级指标以及15个二级指标为：
能源消费结构：2015煤炭消费量，2015天然气消费量，2015电力消费量；
环保制约：年散烧煤量，年空气pm2.5平均浓度，机动车保有量；
经济性比较：工业燃气价格，居民燃气价格，居民电价，大工业电价，一般工商业电价；
配套支持：环保政策，电价补贴政策，规划政策，2017电力余缺。
当然，本领域技术人员可以采用其他指标作为构建地区电能替代形势评估指标体系的一级指标和二级指标，本申请不限于此。
较佳的，如图3所示，S102，包括：
S1021、获取各地区各指标对应数据，并进行标准化处理；
S1022、结合标准化后的数据，通过熵权法计算各指标对应的权重；
S1023、根据所述权重，及各地区标准化处理后的数据，计算各地区的电能替代发展形势数值。
实际应用中，模型确定之后，利用熵权法对各个指标的权重及各地区的评价数值进行计算。熵权值法是对指标提供的信息量进行分析，对于某个指标，若指标值的差异越大，则该指标在综合评价中所起的作用越大；若该项指标的指标值全部相等，则该指标在综合评价中不起作用。利用熵权法，可以计算出各指标的权重，为多指标综合评价提供依据。
如图4为2020年电能替代发展形势指标影响权重，从图中可见，权重最大的三个指标分别为配套政策、大工业电价和煤炭消费量；图5为各省市2020年电能替代发展形势，从图中可见电能替代发展形势最好的三个省市分别为山东、河北和山西，而电能替代发展形势最弱的为西藏；图6为2030年电能替代发展形势指标影响权重，从图中可见，权重最大的指标变为了煤炭消费量，因为在相对长期的评估中短期政策等的影响会弱化，而能源消费因素则会强化；图7为各省市2030年电能替代发展形势，河南代替山西成为第三大电能替代大省。
在电能替代发展潜力模型中，利用熵权法的计算步骤为：
1.数据标准化
将各个指标的数据进行标准化处理。
假设给定了k个指标X1,X2,…,Xk,其中Xi＝{xi1,xi2,…,xin}。在本例中k＝15， i＝1,2,…,k代表15个二级指标，n＝26，j＝1,2,…,n代表26个省市地区。假设对各指标数据标准化后的值为Y1,Y2,…,Yk,那么
2.求各指标的信息熵
根据信息论中信息熵的定义，一组数据的信息熵其中如果pij＝0，则定义
3.确定各指标权重
根据信息熵的计算公式，计算出各个指标的信息熵为E1,E2,…,Ek。通过信息熵计算各指标的权重：i＝1,2,…,k。
4.计算最终评分
根据计算出的指标权重，以及对各个省的15项指标的评分。设Z为第j个省的最终得分，则
5.电能替代发展形势计算
设Sj为第j个省的电能替代发展形势，则A为所有地区的总体电能替代规划目标。
当然，本领域技术人员可以采用其他方法实现S102，本申请不限于此。
较佳的，如图8所示，S103，包括：
S1031、根据所述地区电能替代形势评估指标体系中的多个指标，构建多维空间；
S1032、选择K个地区作为初始聚类中心，基于K-MEANS算法对所有地区的电能替代发展形势数值进行聚类。
实际应用中，根据影响电能替代的上述十余种指标建立多维空间，采用流行的启发式划分聚类算法——K-MEANS算法在多维空间中寻求聚类的局部最优解。 K-MEANS算法接受输入量K(划分的类别数量)；然后将N个数据对象划分为K 个聚类以便使得所获得的聚类满足：同一聚类中的对象相似度较高；而不同聚类中的对象相似度较小。聚类相似度是利用各聚类中对象的均值所获得一个“中心对象”(引力中心)来进行计算的。
K-MEANS算法基本步骤：
(1)从N个数据对象任意选择K个对象作为初始聚类中心；
(2)根据每个聚类对象的均值(中心对象)，计算每个对象与这些中心对象的距离；并根据最小距离重新对相应对象进行划分；
(3)重新计算每个(有变化)聚类的均值(中心对象)；
(4)计算标准测度函数，当满足一定条件，如函数收敛时，则算法终止；如果条件不满足则回到步骤(2)。
当然，本领域技术人员可以采用其他方法实现S103，本申请不限于此。
较佳的，如图9所示，S104，包括：
S1041、根据聚类结果，将各地区划分为几大区类；
S1042、根据各地区所属区类，制定电能替代战略举措，并输出。
根据聚类最优解将各省电能替代形势划分为四大区类(攻占区、突破区、渐进区、气电互补区)，为后续因地制宜制定电能替代战略举措、战略实施提供支撑。为便于展示，综合天然气比较优势、环保约束等因素，将各省电能替代呈现在2维坐标系中，计算后各省电能替代形势聚类如图10所示，以北京为代表的区域内省份属于电能替代攻占区，该部分省份环保约束较强，天然气竞争力相对不强，正是电能替代的窗口期，抓紧机遇，抢占电能替代市场为当务之急；以山西、安徽为代表的区域内省份，环保约束居中，天然气竞争力相对不强，可以因地制宜，以某种电能替代优势领域作为突破口，以点带面形成电能替代突破；以海南、福建等省为代表的区域内省份属于电能替代渐进区，这部分省份环保约束相对不强，天然气竞争力不大，替代的意愿相对较弱，可以实现渐进式替代；以新疆为代表的省份，气化水平较强，可以以“气电互补”的形式开展电能替代。
当然，本领域技术人员可以采用其他方法实现S104，本申请不限于此。
需要说明的是，本专利提出一种分析思路和方法，可以容易的通过选取不同指标体系推广到其他领域的分析、评估和规划中。
本发明提出了一种地区电能替代形势分析规划方法，解决了以下问题：
一、评价各地区电能替代发展形势，区分工作重点方向。
二、分析能源消费结构、环保制约、经济性比较、配套支持对电能替代的影响。
三、建立电能替代形势聚类模型，用来分析各地区电能替代特点，自动归类类似区域，为电能替代战略规划打好基础。
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种地区电能替代形势分析规划方法，其特征在于，包括：
步骤1，获取构建地区电能替代形式评估的一级指标和二级指标，构建地区电能替代形势评估指标体系；
步骤2，对所述评估指标体系进行量化，确定各指标的权重，及各地区的评价数值，计算各地区的电能替代发展形势数值；
步骤3，结合所述指标体系建立多维空间以及所述各地区的电能替代发展形势数值，对各地区电能替代发展形势数值进行聚类；
步骤4，根据聚类结果，生成各地区电能替代形势分析规划结果并输出。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述步骤1中，所述一级指标包括：
能源消费结构、环保制约、经济型比较、配套支持。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述能源消费结构，对应的二级指标包括：
煤炭消费量、天然气消费量、电力消费量。
4.如权利要求2所述的方法，其中，所述环保制约，对应的二级指标包括：
年散烧煤量、年空气pm2.5平均浓度、机动车保有量。
5.如权利要求2所述的方法，其中，所述经济性比较，对应的二级指标包括：
工业燃气价格、居民燃气价格、居民电价、大工业电价、一般工商业电价。
6.如权利要求2所述的方法，其中，所述配套支持，对应的二级指标包括：
环保政策、电价补贴政策、规划政策、电力/天然气余缺。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述步骤2，包括：
获取各地区各指标对应数据，并进行标准化处理；
结合标准化后的数据，通过熵权法计算各指标对应的权重；
根据所述权重，及各地区标准化处理后的数据，计算各地区的电能替代发展形势数值。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述步骤3，包括：
根据所述地区电能替代形势评估指标体系中的多个指标，构建多维空间；
选择K个地区作为初始聚类中心，基于K-MEANS算法对所有地区的电能替代发展形势数值进行聚类。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述步骤4，包括：
根据聚类结果，将各地区划分为几大区类；
根据各地区所属区类，制定电能替代战略举措，并输出。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述几大区类，包括：
攻占区、突破区、渐进区、气电互补区。
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