基于多層LMDI分解法的云南電力消費增長趨勢研究

王凌誼，王志敏，錢紋，時亞軍，顧潔，彭虹橋，朱玥

（1.云南電網有限責任公司規劃研究中心，昆明 650011；2.上海交通大學 電子信息與電氣工程學院 大數據工程技術研究中心，上海 200240）

0 前言

電力消費的變化也可以從一定程度上反映出國家或地區經濟水平的提升。經濟發展過程中的宏觀總量、產業結構和地域特征等因素都會對電力消費產生影響。深入探究這些因素與電力消費間的關系，可以更好地把握電力需求未來的發展[1]。對區域電力消費增長的影響因素進行分析，了解各個因素對電力消費增長的貢獻占比，能為供給側改革后未來電網規劃發展及電力市場營銷策略制定提供有效的指導，有效緩解區域供電壓力，最大限度地發揮電力能效。

國內學者對電力消費增長的影響因素做過大量研究，目前常用的方法有電耗系數分解、閾值協整模型和單層對數平均迪氏指數法分解法。文獻[2]通過電耗系數分解，將電力消費的增長因素分解為經濟增長效應、結構變化效應和強度變化效應增長三個因素，但分解過于單一。文獻[3]基于閾值協整模型，分析了我國電力消費與經濟增長、產業結構、電力使用效率、電力價格幾個因素的關系，得出由于經濟周期性波動，這些因素之間具有的長期非線性關系。Ang(2003)總結了指數分解法的應用方法，分為拉氏指數分解法和迪氏指數分解法[4]。指數分解法最先被用于分解能源需求變化的影響因素，后來被大量用于污染物排放特別是碳排放的影響因素分析中[5-7]。同時，這種分解方法也被用于水資源消耗的變化分析[8]與糧食生產影響因素的分解之中[9]。文獻[10] 使用單層指數分解法對我國工業用電量進行分解，但僅僅局限于工業用電領域，未對區域的整體用電情況進行分析。在研究電力消費的領域中，運用LMDI分解法的研究大多利用傳統的單層模型，然而在供給側改革的大環境下，單層LMDI 分解法在特定政策、行業方面的解釋性不足，電力消費增長因素分解的方法需要進一步改進。

鑒于上述情況，本文將利用多層LMDI 方法分析電力消費量及強度變化的影響因素。對云南省2008-2016 年電力消費進行分解，討論分解得到的各個相關因素對云南省總體電力消費增長的影響及貢獻程度。

1 多層LMDI模型機理與建模

單層與多層LMDI 分解法均屬于指數分解法的范疇，指數分解法最早起源于1871 年Laspeyres 提出的以基期價格為權重的指數，隨后不斷發展和完善，目前已被廣泛應用到能源消費分析中，其基本思想是把一個目標變量的變化分解成若干個影響因素變化的組合。首先介紹傳統的單層LMDI 分解法。

1.1 傳統LMDI法簡介

傳統單層LMDI 分解法的基本思想可用數學語言表達如下[11]：

假定目標變量為V，V可以分解成為n個影響因素(x1,…,xn)的組合形式：

不妨假設從0 到T 時間段內，目標變量從V0變化到VT，可以得到指數分解形式的基本表達式如下：

1）加法形式（Additive Decomposition）：

2）乘法形式（Multiplicative Decomposition）：

其中：ΔVxi和Dxi分別為第i 個影響因素的分解量，ΔVrsd和Drsd分別為因素分解后剩余的殘差項。

然而傳統的單層LMDI 分解方法在單一層面進行的分解結果具有一定的特殊性，許多有用的信息，特別是與不同層次的結構變化有關的信息都被掩蓋了。

1.2 多層LMDI法原理及模型

多層LMDI 分解模型在傳統單層LMDI 模型基礎上，將總量（總能量消費）變化經過單層分解得到的規模效應和結構效應保留，進一步對強度效應進行分解得到子級的結構效應和強度效應，如圖所示1。由于能源強度經過更高階數分解得出的能源效率更好，若以研究能源效率的變化趨勢為目標，那么多層次的能源強度效應分解通常是首選。

圖1 多層LMDI分解法示意圖

理論上，多層LMDI 模型有以下優點：

1）分解分析可以根據分層數據來分層計算，例如可以利用分產業電量和產業下的行業電量進行分層計算；

2）由于能量強度可以被進一步分解為子級的結構效應和強度效應，可以反映更深層次的結構關系，例如將單層LMDI 分解法中的電力消費強度效應進一步分解得到部門效應，分析產業下行業結構對電力消費的影響。

3）由于分步分解，所以可以更好的利用數據，更精準地實現分析。

綜合比較了上述兩種分解方法，考慮到結果的可解釋性，提出了多層次LMDI 加法模型對云南省電力消費數據進行分解分析，除了進一步分解強度效應得到子級的結構效應和強度效外，還考慮了人口因素的分解。該方法最大的優點是不會產生分解剩余項，且允許數據中包含零。

電力消費總量的加法分解模型如下：

其中：

A——人口；

B——GDP；

Bi——第i產業的GDP 值；

Cij——第i產業中第j個行業的GDP 值；

Qij——第i產業中第j個行業的電力消費量；

A=B/A，代表人均GDP；

Bi=Bi/B，代表第i產業GDP 所占比例；

cij=Cij/Bi，代表第j行業在第i產業中的所占比例；

qij=Qij/Cij，代表第i產業中第j行業的電力消費強度。

定義電力消費量的變化量ΔQ為電力消費量增長的綜合效應。根據LMDI 模型的特點，電力消費量增長的綜合效應可以分為以下5 個部分：人口效應ΔQA，規模效應ΔQa，結構效應ΔQb，部門效應ΔQc，強度效應ΔQq，其中部門效應和強度效應是經過進一步分解后得到的子級效應。所以電力消費量增長的綜合效應表達式為：

考慮到以年為單位的數據分解，上述各效應的表達式為：

2 云南省電力消費變化的多層LMDI分解分析

2.1 數據來源及說明

本文以云南省的經濟與電力消費相關數據為例，選取《中國統計年鑒》和《云南省統計年鑒》中相關數據計算整理，時間跨度為2008-2016 年。其中總人口為城鎮人口與非城鎮人口總和，由于需要考慮產業經濟對電力消費的影響，而居民用電并無經濟產出，故本文中全社會電力消費量是指第一、第二與第三產業的電量消費總和，全社會GDP 是指第一、第二與第三產業的GDP 總和。其中各產業、行業GDP 數據均以2000 年為基準期進行折算。

2.2 云南省電力消費變化統計分析

2008-2016 年，云南省全省用電量呈上升趨勢，如圖2 所示。2015 年之前，全省用電量逐年增長，年均增幅達到11.11%；2015 年后，受供給側改革、產業結構調整和規模以上單位工業增加值能耗比下降的影響，全社會用電量有所下降。用電結構方面，如圖3，從三大產業用電結構來看，第二產業用電量占云南省總用電量的絕大部分，占比達到80%以上，但占比總體呈下降趨勢；其次是第三產業，平均占比達到7.67%，且占比不斷提升。總體來說，云南省呈現出“二、三、一”的用電結構，與當地產業結構基本一致。

圖2 2008-2016年云南省電力消費量(億千瓦時)

圖3 云南省2008-2016年用電結構變化

2.3 云南省電力消費變化分解分析

2.3.1 單層LMDI分解分析

首先以傳統的單層分解方法為例，以2008年為基準年份，采用傳統單層LMDI 模型，分解得到規模效應，結構效應和效率效應, 云南省總電量自2008 年以來從呈上升態勢到趨于穩定，其中規模效應促進電量需求的上升，結構效應削弱電量需求的上升，而效率效應除2013年外均削弱電量需求的上升。從三大效應的數據絕對值大小可以看出，電量的上升主要受規模效應影響。

2.3.2 多層LMDI分解分析

以2008 年為基準年份，應用多層LMDI模型進行分析，其中t-1 期為基準年份即2008年，逐年計算出第t 期的綜合效應，得到云南省2009-2016 年電力消費量增長的綜合效應結果。

多層LMDI 分解后的結果顯示，以2008 年為基準年份，云南省總電量的變化自2008 年以來從呈上升態勢到趨于穩定。總體來說，人口效應、規模效應和部門效應這三個因素的逐年效應均為正值，對電力消費的增長呈正向作用；結構效應和強度效應這兩個因素則基本呈負值，即削弱電力消費增長。

具體而言，如圖4，規模效應促進電量需求的上升且占比最高，所占比例均值高達114.59%；部門效應呈正向促進作用，占比較為穩定，均值為17.63%，說明各產業中各行業的GDP 分配較為穩定；而在2008-2016 年人口增長較為緩慢，人口效應對電力消費增長影響較小，幾乎可以忽略。

另一方面，結構效應和強度效應（除2013 年）均對電力消費的增長呈現抑制作用，主要由于第二產業電力消費量在云南省全社會用電量中占比過高。

從五大效應的數據絕對值大小可以看出，電量的上升主要由規模效應造成；從各效應份額變化的速率來看，強度效應的貢獻率對電量的影響越來越大。相對于基年2008 年，2016年云南的電量增長至1219..84 億kWh，其中規模效應、結構效益和強度效益對此增長的貢獻率分別為107.67%、-8.43% 和-19.24%。規模效應依然是電量增長的主要驅動力，值得注意的是，2014-2016 年規模、結構和強度效應份額的增長率為-3.67%、5.1% 和-1.22%，結構效應的增長尤為突出，說明近幾年來產業結構調整對電量需求的影響作用逐步提升，也反映了在供給側改革的大背景下，國家政策強調調整產業結構，淘汰落后產能，提高生產效率和能源利用效率。

2.4 對比分析

與傳統單層LMDI 分解結果進行對比。多層LMDI 將單層LMDI 模型中的效率效應進一步分解為子級效應，稱作部門效應和強度效應。從趨勢上來看，單層和多層LMDI 分解出的規模效應和結構效應大體上變化比例相近，驗證了多層LMDI 分解結果的正確性。

相比而言，在多層LDMI 分解結果中由于加入了部門效應的分解，規模效應逐年相應的絕對值有所降低，同時結構效應的抑制效應也有所削弱，突出了產業下各行業結構對電力消費的影響，這一點在單層LMDI 分解模型中解釋性不足。

值得注意的是，多層LMDI 模型中還考慮了人口效應這個非經濟因素的影響，改善了單層分解模型中未考慮特定政策因素的局限性。從結果來看，人口效應的變化對電力消費的影響仍呈正向拉動作用，但影響占比較小。

3 結束語

本文將能源消耗領域中常用的LMDI 分解法引入電力消費量增長分析中，建立多層LMDI分解模型，分解分析了云南省2008-2016 年電力消費量增長的影響因素，對比傳統的單層分解模型，得到以下結論：

1）云南省電力消費量自2008 年以來從呈上升態勢到趨于穩定，從三大產業用電結構來看，第二產業用電量占云南省總用電量的絕大部分，但總體呈下降趨勢；其次是第三產業，且占比不斷提升。總體來說，云南省呈現出“二、三、一”的用電結構，與經濟占比基本一致。

2）通過指數分解分析，建立電力需求的LMDI 分解模型，其中規模效應和部門效應這三個因素對電力消費的增長呈促進作用；結構效應和強度效應均對電力消費的增長呈現抑制作用；由于云南省近年來總人口數增長較慢，故人口效應對電力消費增長的影響較小。

3）從五大效應的數據絕對值大小可以看出，電量的上升主要由規模效應造成，而加入的人口效應和部門效應的影響較為穩定，解決了單層模型在特定政策、行業方面解釋性不足的局限性；從份額變化的速率來看，強度效應的貢獻率對電量的影響越來越大。強度效應的快速增加也一定程度上反映出當前云南省仍以粗放式經濟增長方式為主，在供給側改革的背景下，經濟發展中更要注重有質量、有效益、健康的增長。對于政府而言，要從宏觀層面控制固定資產的投資流向, 特別是那些電力密集型產業,達到經濟健康、持續、較快發展的目的。

下一步研究中將繼續收集全國經濟與電力消費相關數據，進一步改進多層LMDI 分解模型，分不同時期對全國的電力消費數據加以分析。