基于函數(shù)性數(shù)據(jù)分析的各地電力消費(fèi)量的研究

宋君黛（西安交通大學(xué)，陜西 西安 710000）

1.緒論

1.1 研究背景

電力消費(fèi)量是指各行業(yè)電力消費(fèi)總量的總和，以及有哪些行業(yè)有電量消費(fèi)的一個(gè)統(tǒng)計(jì)。反映出國家電氣化發(fā)展水平和趨勢(shì)，以及經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與電力消費(fèi)量增長(zhǎng)的關(guān)系。電力消費(fèi)跟經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著密切關(guān)系，說得學(xué)術(shù)點(diǎn)，電力消費(fèi)隨著GDP而變化，經(jīng)濟(jì)發(fā)展越快，GDP增加得越高，則電力消費(fèi)就隨之增高。

改革開放40年來，我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展取得了舉世矚目的成就，經(jīng)濟(jì)總量躍居世界第二位；電力消費(fèi)快速增長(zhǎng)，電力消費(fèi)總量躍升世界首位，有力地支撐了經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展?；仡櫢母镩_放40年來電力消費(fèi)增長(zhǎng)軌跡，對(duì)于把握我國電力消費(fèi)增長(zhǎng)特點(diǎn)，科學(xué)研判未來電力需求增長(zhǎng)趨勢(shì)具有重要意義。

從2010年起，盡管全球發(fā)電量增加，但增幅走低。2015年中國發(fā)電量占全球總量的24.1%，美國占17.9%，兩國占全球總量的41%，但中美兩國各有特點(diǎn)：美國發(fā)電量貿(mào)易增加，幾乎沒有增幅，而中國快速增加。探其原因，美國GDP增幅小，而中國GDP增幅大。

我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展步入新常態(tài)以來，電力消費(fèi)也隨之進(jìn)入新常態(tài)。2015年，用電增速逐漸回落，我國經(jīng)濟(jì)增速換擋、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、動(dòng)力轉(zhuǎn)換特征更加明顯。當(dāng)前，我國正處于經(jīng)濟(jì)增速換擋期、結(jié)構(gòu)調(diào)整陣痛期和前期政策消化期，傳統(tǒng)動(dòng)力逐漸減弱，新生動(dòng)力不斷形成，但新的動(dòng)力難以彌補(bǔ)傳統(tǒng)動(dòng)力減弱帶來的影響，經(jīng)濟(jì)下行壓力仍然較大。

1.2 研究意義

“十三五”是我國經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)新舊動(dòng)力轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵階段，也是全面建成小康社會(huì)的決勝階段。我國將堅(jiān)持“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的發(fā)展理念，以創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)為核心，加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)和新型城鎮(zhèn)化建設(shè)，注重經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的質(zhì)量和效益。2016年，站在“十三五”的起點(diǎn)上，我國將加快推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和用電結(jié)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化，盡快釋放改革紅利和創(chuàng)新活力，促進(jìn)新生動(dòng)力發(fā)展，提升用電效率。

電力工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)工業(yè),是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略中的重點(diǎn)和先行產(chǎn)業(yè)。我國早在建國初期就確立了電力工業(yè)先行的地位。從各時(shí)期電力生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的比較來看,大部分時(shí)期電力生產(chǎn)的增長(zhǎng)超過了GDP的增長(zhǎng),并且往往在經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)的年份,電力生產(chǎn)彈性系統(tǒng)要接近或大于1，電力工業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的重要先行產(chǎn)業(yè)的作用,十分明顯。在＂九五＂前期,隨著國民經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,電力生產(chǎn)的增長(zhǎng)速度開始下滑,并且低于GDP的增長(zhǎng),但在國家積極的財(cái)政政策的作用下,自1999年開始,電力生產(chǎn)的增長(zhǎng)速度又開始大幅回升,并且超過了GDP的增長(zhǎng),有力地支持了國民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)。

本文基于函數(shù)性數(shù)據(jù)分析的方法，對(duì)各省電力消費(fèi)量進(jìn)行了分析，為深入了解我國電力結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度提供了新的思路。

2.研究問題

本文旨在探究各省電力消費(fèi)量變化的差異、與各自經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系，以及全國總體電力消費(fèi)的特征和影響因素，探究經(jīng)濟(jì)發(fā)展與電力消費(fèi)量之間的變動(dòng)關(guān)系。

本文選取了東部、中部和西部的六個(gè)省份1999-2016共18年的電力消費(fèi)量數(shù)據(jù)，利用matlab進(jìn)行了函數(shù)性數(shù)據(jù)分析，使用了函數(shù)性數(shù)據(jù)修勻、函數(shù)性數(shù)據(jù)描述統(tǒng)計(jì)和函數(shù)性主成分分析等方法對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和分析。最終得到了北京、河北、上海、福建、陜西、新疆六省電力消費(fèi)量變化的差異，以及總體電力消費(fèi)的特征和影響因素，探究經(jīng)濟(jì)發(fā)展與電力消費(fèi)量之間的變動(dòng)關(guān)系。

3.變量選取與方法選擇

3.1 變量選取

本文選擇東部、中部和西部地區(qū)的部分省份，包括北京、河北、上海、福建、陜西、新疆六個(gè)省份的1999-2016年每年的電力消費(fèi)量（億千瓦小時(shí)），數(shù)據(jù)來自《國家統(tǒng)計(jì)年鑒》。以年份作為橫坐標(biāo)的變量。

3.2 方法選擇

本文選取了東部、中部和西部的六個(gè)省份1999-2016共18年的電力消費(fèi)量數(shù)據(jù)，利用matlab進(jìn)行了函數(shù)性數(shù)據(jù)分析，使用了函數(shù)性數(shù)據(jù)修勻、函數(shù)性數(shù)據(jù)描述統(tǒng)計(jì)和函數(shù)性主成分分析等方法對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和分析。目的是得到北京、河北、上海、福建、陜西、新疆六省電力消費(fèi)量變化的差異，以及總體電力消費(fèi)的特征和影響因素，探究經(jīng)濟(jì)發(fā)展與電力消費(fèi)量之間的變動(dòng)關(guān)系。

4.數(shù)據(jù)收集與處理

4.1 數(shù)據(jù)收集

本文選擇東部、中部和西部地區(qū)的部分省份，包括北京、河北、上海、福建、陜西、新疆六個(gè)省份的1999-2016年每年的電力消費(fèi)量（億千瓦小時(shí)），數(shù)據(jù)來自《國家統(tǒng)計(jì)年鑒》。

六個(gè)省份的部分原始數(shù)據(jù)如下：

表1 1999-2016年各地區(qū)電力消費(fèi)量（億千瓦小時(shí)）

4.2 數(shù)據(jù)處理

將原始數(shù)據(jù)用matlab進(jìn)行函數(shù)性數(shù)據(jù)修勻，本文選擇的基函數(shù)為2階傅里葉函數(shù)，結(jié)果如下：

北京、河北、上海、福建、陜西趨勢(shì)基本相似，北京電力消費(fèi)量增長(zhǎng)較快，經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度也處于領(lǐng)先位置。新疆在2008年之前的電力消費(fèi)量一直處于低迷狀態(tài)，說明2008年之前經(jīng)濟(jì)比較落后，2008年政府實(shí)行西部大開發(fā)政策后，電力消費(fèi)量有了顯著增速，說明政策起到了效果。

5.分析過程

5.1 函數(shù)性數(shù)據(jù)的描述統(tǒng)計(jì)

利用matlab可以求得擬合函數(shù)后六個(gè)省份電力消費(fèi)量的總體均值函數(shù)m，總體方差函數(shù)y，總體標(biāo)準(zhǔn)差函數(shù)r，總體協(xié)方差函數(shù)z和總體相關(guān)系數(shù)函數(shù)l。

總體均值隨時(shí)間遞增，說明電力消費(fèi)逐年增長(zhǎng)，總體經(jīng)濟(jì)水平逐年發(fā)展。，2004年之后，各省電力消費(fèi)量開始出現(xiàn)較大差異，且差異逐年拉高，體現(xiàn)出各地發(fā)展的不平均隨年份增長(zhǎng)，各地發(fā)展的差異逐漸增大的現(xiàn)象。

5.2 函數(shù)性主成分分析

用matlab對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)性主成分分析，最終得到兩個(gè)主成分，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率超過99%，分別為PC1和PC2，得到對(duì)應(yīng)的系數(shù)矩陣和擬合函數(shù)；令總體均值曲線分別加上和減去主成分的一個(gè)適當(dāng)倍數(shù)，得到曲線圖；第一主成分主要反映2008年后電力消費(fèi)量變動(dòng)引起的總體電力消費(fèi)量的變動(dòng)，在這一年發(fā)生了世界性的金融危機(jī)，影響波及到了中國，對(duì)中國各地區(qū)的經(jīng)濟(jì)造成了影響，也反映在了電力消費(fèi)量的變化上。第二主成分在2012年以前是負(fù)值，反映抑制電力消費(fèi)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的因素，在2012年之后，第二主成分轉(zhuǎn)為正值，成為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的因素。

經(jīng)分析得出，電力消費(fèi)量影響因素有很多，主要由四種因素影響，包括全國人口總量，居民生活用電，作為總體電力消費(fèi)量的一個(gè)重要組成部分，與全國人口數(shù)量有著密切的聯(lián)系；全國工業(yè)總產(chǎn)值，工業(yè)部門多數(shù)屬于高密度用電部門；電力出廠價(jià)格指數(shù)；以及GDP，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國內(nèi)生產(chǎn)總值的提高，用電需求也會(huì)隨之增加。

6.結(jié)論與展望

6.1 結(jié)論

北京、河北、上海、福建、陜西經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)基本相似，其中北京的函數(shù)曲線較陡峭，反映出北京電力消費(fèi)量增長(zhǎng)較快，經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度也處于領(lǐng)先位置。新疆在2008年之前的電力消費(fèi)量一直處于低迷狀態(tài)，經(jīng)濟(jì)比較落后，2008年政府實(shí)行西部大開發(fā)政策后，電力消費(fèi)量有了顯著增速，政策起到了效果。

總體電力消費(fèi)量均值隨時(shí)間遞增，總體電力消費(fèi)逐年增長(zhǎng)，總體經(jīng)濟(jì)水平逐年發(fā)展。2004年之后，各省電力消費(fèi)量開始出現(xiàn)較大差異，且差異逐年拉高，體現(xiàn)出各地發(fā)展的不平均。隨年份增長(zhǎng)，各地發(fā)展的差異逐漸增大。

電力消費(fèi)量主要由兩個(gè)主成分作用，第一主成分主要反映2008年后電力消費(fèi)量變動(dòng)引起的總體電力消費(fèi)量的變動(dòng)，在這一年發(fā)生了世界性的金融危機(jī)，影響波及到了中國，對(duì)中國各地區(qū)的經(jīng)濟(jì)造成了影響，也反映在了電力消費(fèi)量的變化上。

第二主成分在2012年以前是負(fù)值，反映抑制電力消費(fèi)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的因素，在2012年之后，第二主成分轉(zhuǎn)為正值，成為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的因素。2012年之前新疆經(jīng)濟(jì)發(fā)展遠(yuǎn)落后于其他地區(qū)，成為總體經(jīng)濟(jì)發(fā)展的阻力因素，2012年之后，西部大開發(fā)戰(zhàn)略效果開始明顯，新疆逐漸追上平均水平，因而在2012年之后，成為了總體經(jīng)濟(jì)發(fā)展的促進(jìn)因素。

6.2 展望

我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展步入新常態(tài)以來，電力消費(fèi)也隨之進(jìn)入新常態(tài)。2015年，用電增速逐漸回落，我國經(jīng)濟(jì)增速換擋、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、動(dòng)力轉(zhuǎn)換特征更加明顯。當(dāng)前，我國正處于經(jīng)濟(jì)增速換擋期、結(jié)構(gòu)調(diào)整陣痛期和前期政策消化期，傳統(tǒng)動(dòng)力逐漸減弱，新生動(dòng)力不斷形成，但新的動(dòng)力難以彌補(bǔ)傳統(tǒng)動(dòng)力減弱帶來的影響，經(jīng)濟(jì)下行壓力仍然較大。

在本文論題的研究中，由于知識(shí)有限，很多問題分析不夠透徹，對(duì)于模型的理論建立還有待深入研究。同時(shí)，本文主要側(cè)重于圖表和定量方面的研究，對(duì)于定性和原理部分有所局限，有待深入研究。未來隨著知識(shí)的增長(zhǎng)和理論體系的完善，希望可以對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行更深入的研究。