基于DEA模型評價電網(wǎng)投入產(chǎn)出效率方法研究

龍望成，王虓，李暉，韓豐，彭冬

（國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京100052）

基于DEA模型評價電網(wǎng)投入產(chǎn)出效率方法研究

龍望成，王虓，李暉，韓豐，彭冬

（國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京100052）

隨著我國電網(wǎng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，供電能力大幅提升，電網(wǎng)投入產(chǎn)出效率已成為我國電網(wǎng)規(guī)劃研究與建設(shè)運(yùn)作關(guān)注的重點問題。將電網(wǎng)視為一個投入產(chǎn)出環(huán)節(jié)，利用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析（Data Envelopment Analysis，DEA）方法對電網(wǎng)進(jìn)行投入產(chǎn)出效率評價，分析15年間電網(wǎng)投入產(chǎn)出綜合效率。結(jié)果表明，各年份效率水平與電力體制、經(jīng)濟(jì)形勢顯著相關(guān)，并結(jié)合電網(wǎng)不同分布范圍，分析電網(wǎng)企業(yè)規(guī)劃建設(shè)運(yùn)營對電網(wǎng)投入產(chǎn)出效率的影響。

電網(wǎng)規(guī)模；電力體制；投入產(chǎn)出效率；數(shù)據(jù)包絡(luò)分析；電網(wǎng)評價

0 引言

近年來，我國經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展，電力需求不斷增加，為適應(yīng)我國經(jīng)濟(jì)社會快速步伐，我國電網(wǎng)建設(shè)步伐不斷加快，電網(wǎng)規(guī)模持續(xù)快速擴(kuò)大，供電能力顯著提升。截止2011年底，我國35 kV及以上電網(wǎng)輸電線路長度達(dá)到1 409 698 km，較1997年增長了1.25倍，年均增速為5.56%；35 kV及以上電網(wǎng)變電容量達(dá)到408 582萬kVA，較1997年增長了5.6倍，年均增速達(dá)到13.4%；2011年我國電網(wǎng)供電電量為42 768億kWh，較1997年增長了3.47倍，年均增速為10.5%。面對我國電網(wǎng)規(guī)模和供電能力的同步高速增長，有必要對電網(wǎng)投入產(chǎn)出效率評價方法開展研究，進(jìn)而對判斷電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模是否適度、電網(wǎng)投入與產(chǎn)出是否匹配等問題具有重要意義。

本文利用DEA方法分析我國1997—2011年電網(wǎng)投入產(chǎn)出效率，依據(jù)輸入輸出數(shù)據(jù)的構(gòu)成部分，提出了各部分與整體DEA效率值的關(guān)系不等式，用于分析網(wǎng)公司電網(wǎng)投入產(chǎn)出效率關(guān)系。結(jié)果表明，我國電力改革體制、經(jīng)濟(jì)環(huán)境因素與電網(wǎng)投入產(chǎn)出效率具有顯著相關(guān)性，電網(wǎng)企業(yè)規(guī)劃經(jīng)營策略對電網(wǎng)相對效率也有重大影響。

1 數(shù)據(jù)包絡(luò)分析方法

1.1 數(shù)據(jù)包絡(luò)分析介紹

1978年，Charnes A.、Cooper W.W.和Rhodes E.給出了評價決策單元相對有效性的數(shù)據(jù)包絡(luò)分析方法［1］，該方法是一種非參數(shù)分析法，主要采用線性規(guī)劃方法和對偶理論，通過實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)點的距離構(gòu)造包含相對有效點的生產(chǎn)前沿包絡(luò)面，其分析結(jié)果是一種相對效率，是針對若干同類型的具有多輸入、多輸出系統(tǒng)的決策單元評價相對效率與效率方面比較的一種有效方法。DEA方法的優(yōu)點在于不需要了解具體的生產(chǎn)函數(shù)形式；結(jié)果直接表明各決策單元相對效率；輸入數(shù)據(jù)不受綱量限制；能夠分析多投入和多輸出情況［2-6］。近年來，DEA方法廣泛地應(yīng)用于醫(yī)院、大學(xué)、法院、企業(yè)管理等不同的行業(yè)投入產(chǎn)出效率的度量，也應(yīng)用于對不同地區(qū)、年度等決策單元投入產(chǎn)出效率的度量。

目前，國內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用DEA方法針對電力行業(yè)開展了大量綜合效率評價的研究，Vaninsky A．采用運(yùn)營成本和能量損失率作為輸入，容量利用率作為輸出，采用DEA方法分析了1994—2004年美國電網(wǎng)發(fā)電機(jī)利用效率［7］；Criswell D.R.分析了陸地和空間大規(guī)模電力系統(tǒng)優(yōu)越性對比分析，結(jié)論表明月球太陽能發(fā)電系統(tǒng)比陸地表面太陽能、化石能源、核能具有更高效率［8］；吳育華，甘世雄對電力工業(yè)效率進(jìn)行評價，采用C2R和B2C模型對國內(nèi)8個電力公司實施測評分析［9］；Panayotis A.Miliotis將供電區(qū)的多種配電設(shè)施作為輸入，多類負(fù)荷數(shù)據(jù)作為輸出，采用DEA方法研究希臘45個供電區(qū)效率［10］。張鐵峰運(yùn)用DEA方法開展了配電網(wǎng)利用效率的研究［11］，另外，國內(nèi)外大量學(xué)者主要通過DEA方法研究在發(fā)電行業(yè)的綜合效率評價［12-16］，但是針對涵蓋整個電網(wǎng)環(huán)節(jié)的綜合相對效率評價研究較少。

1.2 數(shù)據(jù)構(gòu)成映射效率值分析

數(shù)據(jù)包絡(luò)分析（DEA）作為一種“面向數(shù)據(jù)”的分析方法，在度量多投入多產(chǎn)出決策單元相對效率時具有顯著的優(yōu)勢。針對原始的分式規(guī)劃形式，采用C2變化將其等價為線性規(guī)劃形式，C2R模型線性規(guī)劃形式為：

式中：Xj為投入量矩陣，Yj為產(chǎn)出量矩陣，ω和μ為投入、產(chǎn)出系數(shù)矩陣。DEA方法的C2R模型線性規(guī)劃與對偶規(guī)劃是等價的，對偶形式如下：

研究某對象整體相對效率時，投入量矩陣為X，產(chǎn)出量矩陣為Y，相對效率值向量為θ。本文將以n年份為評價對象，擁有n個獨立的評價決策單元（Decision Making Units，DMU），每個年份中都有投入與產(chǎn)出DMU，評價電網(wǎng)投入產(chǎn)出效率過程中，可以C2R模型線性規(guī)劃對每個DMU決策單元進(jìn)行相對效率評價，通過比較分析綜合相對效率。

1.3 模型構(gòu)建

運(yùn)用DEA方法評估電網(wǎng)環(huán)節(jié)投入產(chǎn)出效率情況，以電網(wǎng)承擔(dān)的功能為基礎(chǔ)，構(gòu)建電網(wǎng)投入產(chǎn)出效率評價模型。電網(wǎng)作為現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社發(fā)展和社會進(jìn)步的重要基礎(chǔ)和保障，基本功能是從各發(fā)電廠接納電力，將電能輸送并分配給各電力用戶。

按照投入產(chǎn)出評價相對效率原則，將電網(wǎng)定義為一個生產(chǎn)決策環(huán)節(jié)，將實現(xiàn)電網(wǎng)功能占用的主要設(shè)備和電能消耗定義為投入量。電網(wǎng)的主要設(shè)備包括輸電線路和變電設(shè)備，電網(wǎng)運(yùn)行消耗的是電網(wǎng)損耗電量。電網(wǎng)實現(xiàn)的功能是提供輸送的電量。

本文以自然年為決策單元，選取電網(wǎng)35 kV及以上電壓等級變電容量（萬kVA）、35 kV及以上電壓等級線路長度（萬km）和綜合線損率定為投入部分，分別記為X1、X2和X3。將電網(wǎng)實現(xiàn)的功能定義為產(chǎn)出量，在本研究中，電網(wǎng)供電量（億kWh）為產(chǎn)出部分，記為Y1。

2 實證分析

2.1 數(shù)據(jù)搜集

選擇國網(wǎng)公司電網(wǎng)作為評價分析對象，采用1997—2011年電網(wǎng)運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)，利用DEA方法分析電網(wǎng)綜合效率。1997年至2011年，是我國電網(wǎng)飛速發(fā)展的時期，同時也是我國電力市場化改革、電力監(jiān)管體制建設(shè)和廠網(wǎng)分家、主輔分離電力體制改革等一系列產(chǎn)生巨大影響的關(guān)鍵時期，也是電網(wǎng)公司主導(dǎo)規(guī)劃、建設(shè)、發(fā)展的重要時期。

表1 1997—2011年國網(wǎng)公司電網(wǎng)規(guī)模與供電情況

數(shù)據(jù)來源于《電力統(tǒng)計年鑒》中對電網(wǎng)環(huán)節(jié)的相關(guān)統(tǒng)計。1997—2011年國家電網(wǎng)公司35 kV及以上電壓等級變電容量、35 kV及以上電壓等級線路長度和電網(wǎng)綜合線損率分別表1所示。變電容量與線路長度以及供電電量逐年增加、線路損耗率基本呈下降趨勢。

2.2 計算分析

利用lingo軟件計算電網(wǎng)DEA相對效率值如圖1所示。圖中為1997—2011年國網(wǎng)公司投入產(chǎn)出效率DEA值，結(jié)果表明，1997—2011年，我國電網(wǎng)建設(shè)與電網(wǎng)功能的投入產(chǎn)出效率處于波動發(fā)展的階段。

圖1 1997—2011年國家電網(wǎng)公司綜合相對效率DEA值

分年看，1997年，國家電網(wǎng)公司電網(wǎng)環(huán)節(jié)DEA效率值均為1，說明電網(wǎng)環(huán)節(jié)相對效率達(dá)到有效水平。1998—2001年，DEA效率值基本保持穩(wěn)定，出現(xiàn)小幅下滑。自1998年起，在亞洲金融危機(jī)外部環(huán)境因素和國內(nèi)自身經(jīng)濟(jì)形勢影響下，用電量增量放緩；另外，當(dāng)年我國電力系統(tǒng)隸屬電力工業(yè)部，由于體制機(jī)制原因，可能存在電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)與實際需求適應(yīng)性不高的局限，致使電網(wǎng)投入產(chǎn)出效率始終處于小幅度浮動狀態(tài)，沒有得到提升和改善。

2002—2006年，國網(wǎng)公司電網(wǎng)相對效率值均逐年提高，2007年電網(wǎng)投入產(chǎn)出效率值為1，達(dá)到相對有效。2002年國務(wù)院成立了電力體制改革小組，頒布了《關(guān)于印發(fā)電力體制改革方案的通知》，電力工業(yè)部改組撤銷，設(shè)立國家電力監(jiān)管委員會，同時，將原國家電力公司分為華能、國電、大唐、華電、中電投五大發(fā)電集團(tuán)公司；國家電網(wǎng)公司、南方電網(wǎng)公司兩大電網(wǎng)公司；水電規(guī)劃設(shè)計院和電力規(guī)劃設(shè)計院兩個設(shè)計單位以及葛洲壩集團(tuán)和水利水電建設(shè)總公司兩個施工單位構(gòu)成的四大副業(yè)公司。專門的兩大電網(wǎng)公司和電網(wǎng)規(guī)劃機(jī)構(gòu)后，為電網(wǎng)公司遵循電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，合理優(yōu)化電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)創(chuàng)造了有利條件，電網(wǎng)相對效率逐漸提升。但是，2008—2009年，電網(wǎng)相對效率值出現(xiàn)較明顯下降，2008年，全球經(jīng)濟(jì)全球金融危機(jī)爆發(fā)，對中國經(jīng)濟(jì)和對外貿(mào)易等影響巨大，造成用電增長未達(dá)到預(yù)期，導(dǎo)致電網(wǎng)DEA相對效率出現(xiàn)較大幅度下降，與1998年金融危機(jī)帶來影響相似，再次印證了電網(wǎng)投入產(chǎn)出效率與外部經(jīng)濟(jì)環(huán)境密切相關(guān)，經(jīng)過隨后2年的優(yōu)化調(diào)整，到2011年，國網(wǎng)公司電網(wǎng)相對效率值達(dá)到1，電網(wǎng)相對效率再次達(dá)到有效水平。

3 結(jié)語

本文提出了基于DEA法分析電網(wǎng)投入產(chǎn)出效率評估模型，針對國家電網(wǎng)公司15年間電網(wǎng)投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)開展分析。結(jié)果表明，電網(wǎng)投入產(chǎn)出效率與電力體制、經(jīng)濟(jì)環(huán)境和電網(wǎng)企業(yè)運(yùn)營管理顯著相關(guān)，1998年、2002年、2008年幾次效率變化的轉(zhuǎn)折點均伴隨著外界政策體制、經(jīng)濟(jì)環(huán)境的變換，由此體現(xiàn)出顯著地相關(guān)性。基于DEA方法分析電網(wǎng)投入產(chǎn)出效率，可以用于評價電網(wǎng)相對綜合效率，在今后的研究中，也可用于分析在給定電力增長需求情況下預(yù)測電網(wǎng)建設(shè)合理規(guī)模，以達(dá)到電網(wǎng)環(huán)節(jié)投入產(chǎn)出效率的規(guī)模和技術(shù)均保持有效。

［1］Charnes A，Cooper W W，Rhodes E．Measuring the efficiency of decision making units［J］．European Journal of Operational Researeh，1978．

［2］Zhou P，Ang B.W，Poh.K.L．A survey of data envelopment analysis in energyand environmental studies［J］．European Journal of Operational Research，2008．

［3］魏權(quán)玲．?dāng)?shù)據(jù)包絡(luò)分析［M］．北京：科學(xué)出版社，2004．

［4］何永秀.電力綜合評價方法及應(yīng)用［M］.北京：中國電力出版社，2011．

［5］柳順．基于數(shù)據(jù)包絡(luò)分析的模糊綜合評價方法及其應(yīng)用［D］．杭州：浙江大學(xué)出版社，2010．

［6］Panayotis A.Miliotis.Data Envelopment Analysis Applied to Electricity Distribution Districts［J］．The Journal of the Operational Research Society．1992．

［7］Alexander Vaninsky．Analysis and forecast based on data envelopment analysis［J］．Energy Economics，2006，28（3）：326-338．

［8］Criswell D．R，Thompson R．G．Data Envelopment Analysis of space and terrestrially-based large scale commercial power systems for earth：A prototype analysis of their relative economic advantages［J］．Solar Energy，1996，56（1）：119-131．

［9］吳育華，甘世雄．電力工業(yè)效率分析與實證研究［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報，2004，26（8）：90-92．

［10］Chitkara P．A data envelopment analysis approach to evaluation of operational inefficiencies in power generating units：a case study of Indian power plants［J］．Power Systems，IEEE Transactions on，1999，14（2）：419-425（in Chinese）．

［11］張鐵峰，苑津莎，王江濤，等．基于數(shù)據(jù)包絡(luò)分析的配電線路利用有效性研究［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（4）：97-102．

［12］任玉瓏，劉寧，劉煥．面向協(xié)調(diào)發(fā)展的活動行業(yè)效率綜合評價［J］．華東經(jīng)濟(jì)管理，2011，25（4）：80-82．

［13］吳杰康，唐利濤，黃奐，等．基于遺傳算法和數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法的水火電力系統(tǒng)發(fā)電多目標(biāo)經(jīng)濟(jì)調(diào)度［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2011，35（5）：76-81．

［14］李力，韓麗援．基于能源—經(jīng)濟(jì)—環(huán)境DEA分析的我國工業(yè)發(fā)展效率評價研究［J］．科技管理研究，2008（5）：93-95．

［15］羅道平，肖笛．?dāng)?shù)據(jù)包絡(luò)分析（DEA）在電力工業(yè)的應(yīng)用［J］．系統(tǒng)工程理論與實踐，1996（4）：60-66．

［16］劉文靜，吳杰康.基于DEA靈敏度分析的火電廠負(fù)荷經(jīng)濟(jì)調(diào)度［J］．現(xiàn)代電力，2012，29（1）：90-94．

［17］趙莎莎，呂智林，吳杰康，等，基于數(shù)據(jù)包絡(luò)分析和云模型的火電廠效率評價方法［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2012，36（4）：184-189.

The Power Grid Input-Output Efficiency Method Study Based on the Data Envelopment Analysis Model Evaluation

With the power grid scale of China continuously expanding，the power supply capacity increased dramatically，the grid input-output efficiency becomes an important matter in grid development planning study.The Data Envelopment Analysis model was used to evaluate the power grid input-output comprehensive efficiency within 15 years.As results，the relative efficiency of power grid is closely related to the electricity management system and economic situation，the influence of relative efficiency is effected by planning，construction and operation of the power grid corporation based on analyzing the different grid ranges results.

grid scale；electric power system；input-output efficiency；data envelopment analysis；power grid evaluation

F407.61；F223

：A

：1007－9904（2014）03－0021－04

2013-11-23

龍望成（1982—），男，工程師，研究方向為電網(wǎng)規(guī)劃與電網(wǎng)評價。