基于數(shù)據(jù)包絡(luò)分析的地區(qū)電網(wǎng)投入產(chǎn)出效率評價研究

王海燕1，馬瑞光1，汪 偉1，魏 俊1，楊東園2，畢林貴

(1.國網(wǎng)四川省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，四川 成都 610041；2.國網(wǎng)四川省電力公司調(diào)控中心，四川 成都 610041；3.國網(wǎng)眉山供電公司，四川 眉山 620000)

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基于數(shù)據(jù)包絡(luò)分析的地區(qū)電網(wǎng)投入產(chǎn)出效率評價研究

王海燕1，馬瑞光1，汪 偉1，魏 俊1，楊東園2，畢林貴3

(1.國網(wǎng)四川省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，四川 成都 610041；2.國網(wǎng)四川省電力公司調(diào)控中心，四川 成都 610041；3.國網(wǎng)眉山供電公司，四川 眉山 620000)

針對地區(qū)電網(wǎng)發(fā)展特點，從電網(wǎng)投入產(chǎn)出角度出發(fā)，研究和探索了地區(qū)電網(wǎng)評估體系，利用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析方法，以220 kV及110 kV電網(wǎng)、35 kV及以下電網(wǎng)分別作為研究對象構(gòu)建投入產(chǎn)出評價模型，通過綜合效率分析、投影分析，得到了基于投入與產(chǎn)出的電網(wǎng)效益值、非有效單元與目標(biāo)值的差距、投入要素的冗余等信息，系統(tǒng)全面地評價了地區(qū)電網(wǎng)的投入產(chǎn)出效率，為優(yōu)化資源配置，提高資源使用效率提供了科學(xué)的輔助決策依據(jù)，有利于促進各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展。實例計算結(jié)果證明了該方法的有效性。

數(shù)據(jù)包絡(luò)分析；投入產(chǎn)出效率；電網(wǎng)評價

0 引 言

地區(qū)電網(wǎng)作為省級(直轄市、自治區(qū))電網(wǎng)的下一級電網(wǎng)，是整個電力系統(tǒng)與用戶聯(lián)系、向用戶供應(yīng)和分配電能的重要環(huán)節(jié)[1]?！笆濉币詠恚S著國民經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展和人民生活水平的提高，地區(qū)電網(wǎng)建設(shè)的力度在逐步加大，相應(yīng)投入的資金也會越來越多。如果投資規(guī)模過小或滯后，必然滿足不了經(jīng)濟社會發(fā)展和負(fù)荷增長的要求，還影響企業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展，達(dá)不到預(yù)期的投資效益。但是如果投資規(guī)模過大或過于超前，必然造成資金浪費和資源過剩，還會造成企業(yè)經(jīng)營壓力。因此有必要對地區(qū)電網(wǎng)開展投入產(chǎn)出效率評價研究，進而判斷電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模是否適度、投入與產(chǎn)出是否匹配等，對加強地區(qū)電網(wǎng)建設(shè)指導(dǎo)，實現(xiàn)電網(wǎng)精準(zhǔn)投資，促使地區(qū)電網(wǎng)科學(xué)、合理、有序地發(fā)展，提升電網(wǎng)發(fā)展能力和企業(yè)發(fā)展效益具有重要意義。

目前，比較常見的效率分析法有參數(shù)法、隨機前沿分析(stochastic frontier analysis,SFA)、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(data envelopment analysis,DEA)法等等。參數(shù)法的局限性較大，且計算復(fù)雜，主要適用于單產(chǎn)出和多投入的相對效率測算[2]。文獻[3]基于SFA方法建立了隨機前沿知識生產(chǎn)函數(shù)模型，并對中國30個省市碳排放效率進行了實例研究。DEA是在“相對效率評價”概念的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種評價具有相同類型投入和產(chǎn)出的若干決策單元相對效率的非參數(shù)統(tǒng)計方法[4]，客觀性強、適用于多輸入-多輸出復(fù)雜系統(tǒng)，將其應(yīng)用于電網(wǎng)企業(yè)效率和投資效益評價分析，是近年來DEA方法應(yīng)用的一個新方向[5-9]。

從地區(qū)電網(wǎng)企業(yè)的實際情況出發(fā)，以220 kV及110 kV電網(wǎng)和35 kV及以下電網(wǎng)為研究對象分別構(gòu)建了基于數(shù)據(jù)包絡(luò)分析的電網(wǎng)投資效益評價模型，對各層級電網(wǎng)的投入和產(chǎn)出進行量化分析，為減少資源無效投入提供了科學(xué)的輔助決策依據(jù)。

1 基于DEA的地區(qū)電網(wǎng)投入產(chǎn)出效益評價模型

1.1 數(shù)據(jù)包絡(luò)分析

DEA是運籌學(xué)、管理科學(xué)和數(shù)理經(jīng)濟學(xué)交叉研究的一個新的領(lǐng)域，它是由Charnes和Cooper等人于1978年基于“相對效率評價”概念發(fā)展起來的一種系統(tǒng)分析方法，特別適合處理有多輸入和多輸出的復(fù)雜系統(tǒng)。

C2R模型是運用最廣泛的DEA模型之一。帶有阿基米德無窮小量和松弛變量的數(shù)學(xué)模型為

(1)

1.2 評估指標(biāo)選取

通過對地區(qū)電網(wǎng)建設(shè)投資情況進行調(diào)研；同時根據(jù)國內(nèi)外文獻研究內(nèi)容及咨詢有關(guān)專家的意見，結(jié)合“普遍適用性原則”和“易獲取性原則”，最終選出了包括變壓器容量、線路長度、容載比、綜合線損率、售電量、N-1通過率、電網(wǎng)利用效率等全面描述投資狀態(tài)的各項投入產(chǎn)出指標(biāo)。根據(jù)各類投資的安全性、經(jīng)濟性效率作為目標(biāo)值，將直接衡量安全性、經(jīng)濟性的指標(biāo)作為輸出指標(biāo)，間接影響的指標(biāo)作為輸入指標(biāo)。

1)輸入指標(biāo)

變壓器容量/線路長度：電網(wǎng)建設(shè)投入主要取決于變電站和線路的總投資費用，與變電容量和線路長度直接相關(guān)。

容載比：為變電容量與最高負(fù)荷之比，是衡量電網(wǎng)可靠性與經(jīng)濟性的重要評價指標(biāo)。容載比取值過大，容易造成投資浪費，取值過小，又影響電網(wǎng)的安全可靠運行，因此容載比屬于偏中間型指標(biāo)，位于導(dǎo)則范圍內(nèi)或與導(dǎo)則規(guī)定范圍越接近越好。對這類指標(biāo)，處理方式是計算出其與理想值之差的絕對值作為輸入。

綜合線損率：指供電系統(tǒng)在傳輸電能的過程中在線路和變壓器中的損耗電量占總供電量的百分比，是供電企業(yè)的重要經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)，綜合反映了電網(wǎng)企業(yè)的經(jīng)營管理水平。

2)輸出指標(biāo)

產(chǎn)出指標(biāo)則需要反映電網(wǎng)投入能夠最終轉(zhuǎn)化為直接經(jīng)濟效益以及最大程度滿足用電需求的能力。

售電量：電網(wǎng)公司產(chǎn)出的重要評價指標(biāo)，各級電網(wǎng)建設(shè)最基本的要求就是要最大程度地滿足當(dāng)?shù)赜秒娦枨蟆?/p>

“N-1”通過率：表征電網(wǎng)安全性水平的重要指標(biāo)。

電網(wǎng)利用效率：是電網(wǎng)運行水平和現(xiàn)代電網(wǎng)企業(yè)運營效率的重要體現(xiàn)，與經(jīng)濟性密切相關(guān)，是企業(yè)關(guān)注的核心問題。電網(wǎng)利用效率可以用最大負(fù)載率和等效平均負(fù)載率加以衡量。

1.3 基于DEA的地區(qū)電網(wǎng)投入產(chǎn)出評估模型

作為省網(wǎng)下一級的地區(qū)電網(wǎng)，其電壓等級主要由220kV及以下構(gòu)成。為全面細(xì)致衡量電網(wǎng)的投入產(chǎn)出效率，結(jié)合上述各類指標(biāo)涵義，基于地區(qū)電網(wǎng)各層級電網(wǎng)發(fā)展特點和所處發(fā)展階段，將220kV及110kV電網(wǎng)和35kV及以下電網(wǎng)分別作為研究對象構(gòu)建投入產(chǎn)出評價模型，以便清晰反映各層級電網(wǎng)在投入產(chǎn)出方面存在的問題或不足，有助于找準(zhǔn)對策，做出綜合決策?；贒EA的地區(qū)電網(wǎng)投入產(chǎn)出效益評估流程如圖1所示。

2 實例計算分析

2.1 DEA相對效率計算結(jié)果

以某省公司所轄的19個地區(qū)電網(wǎng)供電企業(yè)為研究決策單元，利用DEAP2.1軟件針對2014年各決策單元的220kV及110kV電網(wǎng)和35kV及以下電網(wǎng)分別計算其投入產(chǎn)出效率，運用C2R模型測算各個決策單元的綜合效率，然后根據(jù)變動規(guī)模報酬的BC2模型評價各單元的技術(shù)效率、規(guī)模效率以及規(guī)模報酬，計算結(jié)果見表1、表2。

2.2 投入產(chǎn)出效率分析

由表1可知，在19個地區(qū)中，DMU1、DMU2、DMU5、DMU7、DMU9～DMU10、DMU13～DMU16和DMU19評價結(jié)果為DEA有效，表明以上11個地區(qū)的220kV及110kV電網(wǎng)建設(shè)投入與效益產(chǎn)出達(dá)到了較好的狀態(tài)，既保證了各投入要素得到充分利用，又能最大程度滿足當(dāng)?shù)赜秒娦枨?。剩?個決策單元均為DEA無效，說明投入與產(chǎn)出之間的組合沒有達(dá)到最優(yōu)，存在輸入冗余或輸出虧空，其中DMU4、DMU6、DMU12和DMU17為DEA無效但技術(shù)有效，表明此4個地區(qū)在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、質(zhì)量上具有較好的擴展性，導(dǎo)致其綜合效率低的原因是規(guī)模效率；地區(qū)DMU3、DMU8、DMU11和DMU18同時為DEA無效和技術(shù)無效，且不難發(fā)現(xiàn)技術(shù)效率低是此4個地區(qū)電網(wǎng)綜合效率低的主要原因。從規(guī)模報酬看，8個DEA無效的地區(qū)電網(wǎng)均為規(guī)模收益遞減的，表明此8個地區(qū)220kV及110kV電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模已經(jīng)超前，繼續(xù)增加投入時，收益(產(chǎn)出)增加的效率已經(jīng)不高了，即沒有再繼續(xù)增加投資的積極性。

圖1 地區(qū)電網(wǎng)投入產(chǎn)出效益評估流程圖

表1 各地區(qū)供電企業(yè)220 kV及110 kV電網(wǎng)的效率值

從35kV及以下電網(wǎng)來看，DEA有效單元總共10個，分別是DMU2～7、DMU11、DMU14、DMU15及DMU17。剩余9個均為DEA無效，且技術(shù)效率與規(guī)模效率值均較低，說明投入與產(chǎn)出之間的組合沒有達(dá)到最優(yōu)，電網(wǎng)的投入和產(chǎn)出不成比例，效率值較低。與220kV、110kV電網(wǎng)不同的是，所有無效單元都是規(guī)模報酬遞增的，表示此9個地區(qū)有繼續(xù)增加電網(wǎng)建設(shè)投入的積極性，即繼續(xù)增加投入時，收益(產(chǎn)出)增加的效率會大于投入增加的效率。

綜合來看，19個地區(qū)220kV及110kV電網(wǎng)綜合效率、技術(shù)效率和規(guī)模效率值分別為0.934、0.964、0.970，均優(yōu)于35kV及以下電網(wǎng)的效率值0.804、0.888、0.884，這表明220kV、110kV電網(wǎng)總體效率較高，與“十二五”以來的地區(qū)電網(wǎng)主網(wǎng)架加快建設(shè)密不可分，也可從近幾年地區(qū)電網(wǎng)投資結(jié)構(gòu)(2011—2014年地區(qū)220kV、110kV電網(wǎng)投資占比52.6%、35kV及以下電網(wǎng)投資占比47.4%)得到印證。分地區(qū)看，220kV及110kV電網(wǎng)和35kV及以下電網(wǎng)投入產(chǎn)出均為DEA有效的僅5個地區(qū)，分別是DMU2、DMU5、DMU7、DMU14和DMU15。這在某種程度上反映出大部分地區(qū)各層級電網(wǎng)效率水平參差不齊，發(fā)展協(xié)調(diào)度不高，特別是決策單元8、12、18這3個DEA均無效的地區(qū)，亟待優(yōu)化電網(wǎng)布局，提升電網(wǎng)投入產(chǎn)出效益。對于其余11個地區(qū)，應(yīng)該有的放矢，如決策單元3、4、6、11和17，應(yīng)適度控制或減少220kV、110kV電網(wǎng)投入，充分發(fā)揮存量資產(chǎn)效率，提升電網(wǎng)投入產(chǎn)出綜合效率，而決策單元1、9、10、13、16和19應(yīng)該加大35kV及以下電網(wǎng)投入，提升電網(wǎng)發(fā)展質(zhì)量，改善其相對效率。

2.3 非有效決策單元的投影分析

表3 220 kV及110 kV電網(wǎng)非有效決策單元的松弛變量

表4 35 kV及以下電網(wǎng)非有效決策單元的松弛變量

表5 線損率和售電量指標(biāo)的最終目標(biāo)建議值

表6 地區(qū)電網(wǎng)各投入產(chǎn)出指標(biāo)的目標(biāo)值

表7 地區(qū)電網(wǎng)投入產(chǎn)出指標(biāo)的售電量目標(biāo)值

從表3、表4中可以看出，220kV、110kV電網(wǎng)投資效益值較差的地區(qū)普遍存在線路冗余過多和容載比相對偏高的問題。結(jié)合某省電網(wǎng)實際情況可知，處于這種狀態(tài)的地區(qū)基本屬于水電資源富集地區(qū)，區(qū)域面積大且距離負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，承擔(dān)了大量中小型水電匯集、上網(wǎng)和長距離送電任務(wù)。而35kV及以下電網(wǎng)效率值低所反映出的問題主要是線路冗余和線損率相對偏高，這與該省自然條件復(fù)雜、中低壓配網(wǎng)發(fā)展普遍滯后、負(fù)荷分布不均、供電半徑過長有較大關(guān)系。這也反映出持續(xù)加大35kV及以下電網(wǎng)改造力度，著力解決中低壓配網(wǎng)薄弱的問題是下一步地區(qū)電網(wǎng)發(fā)展的重中之重。

在19個地區(qū)中，220kV、110kV和35kV及以下電網(wǎng)投資效益值最低，排名最差的分別是DMU11和DMU13。由表3中松弛變量可知如果DMU11線路長度減少425km，110kV電網(wǎng)容載比與理想值的差距減小為0.23，或110kV變壓器、線路N-1通過率分別提高30.2%、14.0%，220kV變壓器最大負(fù)載率、等效平均負(fù)載率提高15.3%、5.3%，110kV變壓器最大負(fù)載率提高12.6%，同時所有投入數(shù)據(jù)等比例下降到67.1%的情況下，該地區(qū)220kV、110kV電網(wǎng)的投資效益才能達(dá)到DEA有效。同樣，對于地區(qū)13，由表4計算結(jié)果可知，要使其達(dá)到DEA相對有效，應(yīng)該使其35kV及以下變電容量減少3.6×104kV·A，線路長度減少2 300km，容載比與理想值之間的差距縮小到0.09，或35kV變壓器N-1通過率、10kV線路N-1通過率分別提升0.5%、3.4%，同時所有投入數(shù)據(jù)等比例下降到28.9%。

同時，應(yīng)該注意到，DEA方法是純粹的從數(shù)據(jù)出發(fā)進行評估的方法，因此上述模型所給出的改進方向、冗余或產(chǎn)出不足量只是從數(shù)據(jù)出發(fā)，在相關(guān)部門將投入冗余或產(chǎn)出不足量的大小作為制定投資措施的參考指標(biāo)時，還應(yīng)該結(jié)合當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的實際情況和指標(biāo)本身綜合考慮。如表6、表7所示，通過DEA模型計算得到的DMU4的110kV變壓器N-1通過率和110kV線路N-1通過率指標(biāo)目標(biāo)值均已超過100%，這與實際不符，應(yīng)將目標(biāo)調(diào)整為100%。DMU8、DMU11和DMU18也存在同樣的問題，其處理方式類似。

3 結(jié) 論

針對特性各異的地區(qū)電網(wǎng)，考慮到各層級電網(wǎng)建設(shè)特點和發(fā)展階段，對220kV、110kV電網(wǎng) 和35kV及以下電網(wǎng)分別建立基于DEA的電網(wǎng)投入產(chǎn)出效益評估模型，得到包括綜合效率、非有效決策單元與其理想狀況的差距、投入要素冗余或產(chǎn)出不足以及技術(shù)、規(guī)模有效性分布等管理信息，可以為相關(guān)部門制定提高電網(wǎng)效益的措施、制定電網(wǎng)投資規(guī)劃和計劃方案提供參考依據(jù)。

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According to the characteristics of the development of regional power grid, the regional power grid evaluation system is studied and explored as viewed from the power grid input-output. Using data envelopment analysis method and taking the power grids with 220 kV～110 kV and 35 kV and below as objective respectively, the input-output evaluation model is established. Through the comprehensive efficiency analysis and projection analysis, the grid efficiency value based on the inputs and outputs, the gap between non-effective unit and the target value and other information elements are obtained, which comprehensively evaluates the input-output efficiency of the regional power grid. It provides a scientific decision support for optimizing the allocation of resources and improving the efficient use of resources, which is conducive to promoting the coordinated development of power grids at all levels. The results of calculation examples demonstrate the effectiveness of the proposed method.

data envelopment analysis; input-output efficiency; power grid evaluation

TM71 <文獻標(biāo)志碼：a class="emphasis_bold"> 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1003-6954(2016)06-0078-07文獻標(biāo)志碼：a

1003-6954(2016)06-0078-07

A 文章編號：1003-6954(2016)06-0078-07

2016-07-27)

王海燕(1983)，碩士研究生、工程師，研究方向為電網(wǎng)投資分析、電網(wǎng)發(fā)展評價等。