基于多层LMDI分解法的云南电力消费增长趋势研究

王凌谊，王志敏，钱纹，时亚军，顾洁，彭虹桥，朱玥

（1.云南电网有限责任公司规划研究中心，昆明 650011；2.上海交通大学 电子信息与电气工程学院 大数据工程技术研究中心，上海 200240）

0 前言

电力消费的变化也可以从一定程度上反映出国家或地区经济水平的提升。经济发展过程中的宏观总量、产业结构和地域特征等因素都会对电力消费产生影响。深入探究这些因素与电力消费间的关系，可以更好地把握电力需求未来的发展[1]。对区域电力消费增长的影响因素进行分析，了解各个因素对电力消费增长的贡献占比，能为供给侧改革后未来电网规划发展及电力市场营销策略制定提供有效的指导，有效缓解区域供电压力，最大限度地发挥电力能效。

国内学者对电力消费增长的影响因素做过大量研究，目前常用的方法有电耗系数分解、阈值协整模型和单层对数平均迪氏指数法分解法。文献[2]通过电耗系数分解，将电力消费的增长因素分解为经济增长效应、结构变化效应和强度变化效应增长三个因素，但分解过于单一。文献[3]基于阈值协整模型，分析了我国电力消费与经济增长、产业结构、电力使用效率、电力价格几个因素的关系，得出由于经济周期性波动，这些因素之间具有的长期非线性关系。Ang(2003)总结了指数分解法的应用方法，分为拉氏指数分解法和迪氏指数分解法[4]。指数分解法最先被用于分解能源需求变化的影响因素，后来被大量用于污染物排放特别是碳排放的影响因素分析中[5-7]。同时，这种分解方法也被用于水资源消耗的变化分析[8]与粮食生产影响因素的分解之中[9]。文献[10] 使用单层指数分解法对我国工业用电量进行分解，但仅仅局限于工业用电领域，未对区域的整体用电情况进行分析。在研究电力消费的领域中，运用LMDI分解法的研究大多利用传统的单层模型，然而在供给侧改革的大环境下，单层LMDI 分解法在特定政策、行业方面的解释性不足，电力消费增长因素分解的方法需要进一步改进。

鉴于上述情况，本文将利用多层LMDI 方法分析电力消费量及强度变化的影响因素。对云南省2008-2016 年电力消费进行分解，讨论分解得到的各个相关因素对云南省总体电力消费增长的影响及贡献程度。

1 多层LMDI模型机理与建模

单层与多层LMDI 分解法均属于指数分解法的范畴，指数分解法最早起源于1871 年Laspeyres 提出的以基期价格为权重的指数，随后不断发展和完善，目前已被广泛应用到能源消费分析中，其基本思想是把一个目标变量的变化分解成若干个影响因素变化的组合。首先介绍传统的单层LMDI 分解法。

1.1 传统LMDI法简介

传统单层LMDI 分解法的基本思想可用数学语言表达如下[11]：

假定目标变量为V，V可以分解成为n个影响因素(x1,…,xn)的组合形式：

不妨假设从0 到T 时间段内，目标变量从V0变化到VT，可以得到指数分解形式的基本表达式如下：

1）加法形式（Additive Decomposition）：

2）乘法形式（Multiplicative Decomposition）：

其中：ΔVxi和Dxi分别为第i 个影响因素的分解量，ΔVrsd和Drsd分别为因素分解后剩余的残差项。

然而传统的单层LMDI 分解方法在单一层面进行的分解结果具有一定的特殊性，许多有用的信息，特别是与不同层次的结构变化有关的信息都被掩盖了。

1.2 多层LMDI法原理及模型

多层LMDI 分解模型在传统单层LMDI 模型基础上，将总量（总能量消费）变化经过单层分解得到的规模效应和结构效应保留，进一步对强度效应进行分解得到子级的结构效应和强度效应，如图所示1。由于能源强度经过更高阶数分解得出的能源效率更好，若以研究能源效率的变化趋势为目标，那么多层次的能源强度效应分解通常是首选。

图1 多层LMDI分解法示意图

理论上，多层LMDI 模型有以下优点：

1）分解分析可以根据分层数据来分层计算，例如可以利用分产业电量和产业下的行业电量进行分层计算；

2）由于能量强度可以被进一步分解为子级的结构效应和强度效应，可以反映更深层次的结构关系，例如将单层LMDI 分解法中的电力消费强度效应进一步分解得到部门效应，分析产业下行业结构对电力消费的影响。

3）由于分步分解，所以可以更好的利用数据，更精准地实现分析。

综合比较了上述两种分解方法，考虑到结果的可解释性，提出了多层次LMDI 加法模型对云南省电力消费数据进行分解分析，除了进一步分解强度效应得到子级的结构效应和强度效外，还考虑了人口因素的分解。该方法最大的优点是不会产生分解剩余项，且允许数据中包含零。

电力消费总量的加法分解模型如下：

其中：

A——人口；

B——GDP；

Bi——第i产业的GDP 值；

Cij——第i产业中第j个行业的GDP 值；

Qij——第i产业中第j个行业的电力消费量；

A=B/A，代表人均GDP；

Bi=Bi/B，代表第i产业GDP 所占比例；

cij=Cij/Bi，代表第j行业在第i产业中的所占比例；

qij=Qij/Cij，代表第i产业中第j行业的电力消费强度。

定义电力消费量的变化量ΔQ为电力消费量增长的综合效应。根据LMDI 模型的特点，电力消费量增长的综合效应可以分为以下5 个部分：人口效应ΔQA，规模效应ΔQa，结构效应ΔQb，部门效应ΔQc，强度效应ΔQq，其中部门效应和强度效应是经过进一步分解后得到的子级效应。所以电力消费量增长的综合效应表达式为：

考虑到以年为单位的数据分解，上述各效应的表达式为：

2 云南省电力消费变化的多层LMDI分解分析

2.1 数据来源及说明

本文以云南省的经济与电力消费相关数据为例，选取《中国统计年鉴》和《云南省统计年鉴》中相关数据计算整理，时间跨度为2008-2016 年。其中总人口为城镇人口与非城镇人口总和，由于需要考虑产业经济对电力消费的影响，而居民用电并无经济产出，故本文中全社会电力消费量是指第一、第二与第三产业的电量消费总和，全社会GDP 是指第一、第二与第三产业的GDP 总和。其中各产业、行业GDP 数据均以2000 年为基准期进行折算。

2.2 云南省电力消费变化统计分析

2008-2016 年，云南省全省用电量呈上升趋势，如图2 所示。2015 年之前，全省用电量逐年增长，年均增幅达到11.11%；2015 年后，受供给侧改革、产业结构调整和规模以上单位工业增加值能耗比下降的影响，全社会用电量有所下降。用电结构方面，如图3，从三大产业用电结构来看，第二产业用电量占云南省总用电量的绝大部分，占比达到80%以上，但占比总体呈下降趋势；其次是第三产业，平均占比达到7.67%，且占比不断提升。总体来说，云南省呈现出“二、三、一”的用电结构，与当地产业结构基本一致。

图2 2008-2016年云南省电力消费量(亿千瓦时)

图3 云南省2008-2016年用电结构变化

2.3 云南省电力消费变化分解分析

2.3.1 单层LMDI分解分析

首先以传统的单层分解方法为例，以2008年为基准年份，采用传统单层LMDI 模型，分解得到规模效应，结构效应和效率效应, 云南省总电量自2008 年以来从呈上升态势到趋于稳定，其中规模效应促进电量需求的上升，结构效应削弱电量需求的上升，而效率效应除2013年外均削弱电量需求的上升。从三大效应的数据绝对值大小可以看出，电量的上升主要受规模效应影响。

2.3.2 多层LMDI分解分析

以2008 年为基准年份，应用多层LMDI模型进行分析，其中t-1 期为基准年份即2008年，逐年计算出第t 期的综合效应，得到云南省2009-2016 年电力消费量增长的综合效应结果。

多层LMDI 分解后的结果显示，以2008 年为基准年份，云南省总电量的变化自2008 年以来从呈上升态势到趋于稳定。总体来说，人口效应、规模效应和部门效应这三个因素的逐年效应均为正值，对电力消费的增长呈正向作用；结构效应和强度效应这两个因素则基本呈负值，即削弱电力消费增长。

具体而言，如图4，规模效应促进电量需求的上升且占比最高，所占比例均值高达114.59%；部门效应呈正向促进作用，占比较为稳定，均值为17.63%，说明各产业中各行业的GDP 分配较为稳定；而在2008-2016 年人口增长较为缓慢，人口效应对电力消费增长影响较小，几乎可以忽略。

另一方面，结构效应和强度效应（除2013 年）均对电力消费的增长呈现抑制作用，主要由于第二产业电力消费量在云南省全社会用电量中占比过高。

从五大效应的数据绝对值大小可以看出，电量的上升主要由规模效应造成；从各效应份额变化的速率来看，强度效应的贡献率对电量的影响越来越大。相对于基年2008 年，2016年云南的电量增长至1219..84 亿kWh，其中规模效应、结构效益和强度效益对此增长的贡献率分别为107.67%、-8.43% 和-19.24%。规模效应依然是电量增长的主要驱动力，值得注意的是，2014-2016 年规模、结构和强度效应份额的增长率为-3.67%、5.1% 和-1.22%，结构效应的增长尤为突出，说明近几年来产业结构调整对电量需求的影响作用逐步提升，也反映了在供给侧改革的大背景下，国家政策强调调整产业结构，淘汰落后产能，提高生产效率和能源利用效率。

2.4 对比分析

与传统单层LMDI 分解结果进行对比。多层LMDI 将单层LMDI 模型中的效率效应进一步分解为子级效应，称作部门效应和强度效应。从趋势上来看，单层和多层LMDI 分解出的规模效应和结构效应大体上变化比例相近，验证了多层LMDI 分解结果的正确性。

相比而言，在多层LDMI 分解结果中由于加入了部门效应的分解，规模效应逐年相应的绝对值有所降低，同时结构效应的抑制效应也有所削弱，突出了产业下各行业结构对电力消费的影响，这一点在单层LMDI 分解模型中解释性不足。

值得注意的是，多层LMDI 模型中还考虑了人口效应这个非经济因素的影响，改善了单层分解模型中未考虑特定政策因素的局限性。从结果来看，人口效应的变化对电力消费的影响仍呈正向拉动作用，但影响占比较小。

3 结束语

本文将能源消耗领域中常用的LMDI 分解法引入电力消费量增长分析中，建立多层LMDI分解模型，分解分析了云南省2008-2016 年电力消费量增长的影响因素，对比传统的单层分解模型，得到以下结论：

1）云南省电力消费量自2008 年以来从呈上升态势到趋于稳定，从三大产业用电结构来看，第二产业用电量占云南省总用电量的绝大部分，但总体呈下降趋势；其次是第三产业，且占比不断提升。总体来说，云南省呈现出“二、三、一”的用电结构，与经济占比基本一致。

2）通过指数分解分析，建立电力需求的LMDI 分解模型，其中规模效应和部门效应这三个因素对电力消费的增长呈促进作用；结构效应和强度效应均对电力消费的增长呈现抑制作用；由于云南省近年来总人口数增长较慢，故人口效应对电力消费增长的影响较小。

3）从五大效应的数据绝对值大小可以看出，电量的上升主要由规模效应造成，而加入的人口效应和部门效应的影响较为稳定，解决了单层模型在特定政策、行业方面解释性不足的局限性；从份额变化的速率来看，强度效应的贡献率对电量的影响越来越大。强度效应的快速增加也一定程度上反映出当前云南省仍以粗放式经济增长方式为主，在供给侧改革的背景下，经济发展中更要注重有质量、有效益、健康的增长。对于政府而言，要从宏观层面控制固定资产的投资流向, 特别是那些电力密集型产业,达到经济健康、持续、较快发展的目的。

下一步研究中将继续收集全国经济与电力消费相关数据，进一步改进多层LMDI 分解模型，分不同时期对全国的电力消费数据加以分析。