（企业管理专业论文）中国电力需求建模与实证分析.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 电力资源作为我国能源的重要组成部分，对经济持续发展和人民生活水平改善 具有十分重要作用。从经济时间序列非平稳角度出发，利用协整理论与误差修正模 型对电力需求进行建模分析，同时从经济时间序列的非线性角度出发，引入人工神 经网络。针对b p 算法容易陷入局部极小值、收敛速度慢等缺点，将免疫算法和粒 子群优化算法结合，引入到b p 算法中，建立基于免疫粒子群优化b p 神经网络的电 力需求模型。在此基础上，利用建立的两个模型对我国的电力需求进行实证分析预 测，同时比较分析了两个模型各自的特点，证明了模型的有效性。最后对我国电力 工业的发展提出相关建议。 关键词：电力需求，协整分析，免疫算法，粒子群优化，神经网络 a b s t r a c t p o w e ri st h em a i nc o m p o n e n to fe n e r g yr e s o u r c e sc o n t r i b u t i n gg r e a t l yt oc h i n a s r a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dt h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d s ，t a k i n g t h eu n s t a t i o n a r yi nt h ee c o n o m i ct i m es e r i e si n t o c o n s i d e r a t i o n ，t h ea u t h o rm o d e l s p o w e rd e m a n di nc h i n ab yu s i n gm e t h o d o l o g yo fc o i n t e g r a t i o na n de r r o rc o r r e c t i o n m o d e l f r o mt h en o n l i n e a r i t yi nt h ee c o n o m i ct i m es e r i e s ，a r t i f i c i a ln e u r a 】n e t w o r ki s i n t r o d u c e d t oa d v o i de n t e r i n gi n t ol o c a lm i n i m u mp o i n tf o r i m p r o p e rs e l e c t i o no f i n i t i a lp a r a m e t e r sv a l u eo fb a c k p r o p a g a t i o nn e u r a ln e t w o r k ，i m m u n ep a r t i c l es w a r m a l g o r i t h mi si n t r o d u c e d w ef o r e c a s tt h ep o w e rd e m a n di nc h i n au s i n gt h et w om o d e l s ， t h u sp r o v e dt h ev a l i d i t yo ft h e s et w om o d e l s f i n a l l y ，w ep u tf o r w a r ds o m ep r o p o s a l s a b o u tt h ed e v e l o p m e n to f p o w e ri n d u s t r yi nc h i n a x um i n q u a n ( b u s i n e s sm a n a g e m e n t ) d i r e c t e db yp r o f l ix i a n g k e yw o r d s ：p o w e rd e m a n d ，c o i n t e g r a t i o na n a l y s i s ，i m m u n ea l g o r i t h m s ，p a r t i c l e s w a r mo p t i m i z a t i o n ，n e u r a ln e t w o r k 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文中国电力需求建模与实证分析，是 本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文作者签名：边葺埠日期：羔塑幽 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：主堑鱼堡 日期：拦驯蔓， 导师签名： 日期 卤：塑 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章引言 能源是人类籁以生存繁衍、社会得以繁荣进步的重要物质基础，也是国民经济 发展和人民生活水平提高的重要物质基础。社会发展的历史表明，文化科学，工程 技术越进步，社会越发展人类对能源的依赖程度越强烈。实践表明能源对我国 经济的发展起到瓶颈作用，而电力作为我国能源的重要组成部分，更是扮演重要角 色“”。从1 9 7 0 年以来，我国持续面临缺电局面，尽管近几年经过大规模电力设施 建设，电能供应的紧张局面有所好转，但据中电联一份最新的报告指出：即便未来 两年内能够达到供需平衡的局面，不久又会被新出现的电力短缺打破，从长期来看， 中国电力仍面临短缺。 电力资源作为我国能源的重要组成部分，对经济持续发展和人民生活水平改善 具有十分重要作用。世界发电量的增长速度始终高于同期一次能源消费的增长速 度，发电消耗的能源占一次能源总消费的比重里不断上升趋势。在过去十年，我国 一次能源年均增长率仅为2 6 6 ，而电力生产年均增长率则高达8 1 9 。随着电 器化程度不断提高，电力资源在经济发展和社会进步中发挥着越来越重要的作用。 从1 9 8 l 2 0 0 2 年，我国g d p 平均增长为9 6 ，发电量增长8 ，装机增长7 9 ，电力消费弹性系数1 9 8 1 2 0 0 0 年平均为0 8 1 4 ，每年电力消费弹性系数都在 增加，而2 0 0 2 年电力消费弹性系数达到了1 4 ，远远高于前2 0 年平均水平。而且 我国电力二r _ ：业保持快速发展特别是高耗电行业的快速发展，使得用电增长超过g d p 增长，决定了我国电力消费系数也将处于一个比较高系数。由于我国各地区经济发 展水平与经济发展状况存在明显差异，使得各地区电力需求增长速度也不平衡，南 方沿海城市的用电增长率较高。超过全国平均水平，华北、华东、西北、山东略高 于全国平均水平，而东北、华中、川渝地区用电增长较缓慢。电力需求预测要做到 科学、准确，就必须适应这样一个新形势，充分考虑影响电力需求的各种因素，尤 其是市场经济体制下的一些新因素。通过电力需求预测，不断寻找新的电力需求增 长点，以更有效提高电力供应与需求的平衡。从而保证国民经济发展、社会进步以 及人民生活水平日益提高。随着我国经济体制改革不断深化，经济结构的优化调整， 市场机制的进一步完善和国民经济实力的增强，电力需求及其相应的需求结构对我 国电力工业的发展将更加重要。 本文以电力需求问题为研究对象，致力于电力需求的建模研究，以期为制定合 华北电力大学颐士学位论文 理的电力工业发展战略、优化我国电力需求结构、推进可持续发展提供实证分析基 础和科学的依据。本文提出的方法可以直接应用于电力需求分析和电力需求预测。 1 2 国内外研究现状 电力系统需求预测理论始于2 0 世纪中叶。在此之前，由于电力系统本身规模 限制及许多其它因素的影响，需求预测的研究一直没有形成，直至2 0 世纪8 0 年代， 对中长期电力需求预测理论的研究才开始兴起，尤其在发达国家”“5 ”。通过现有 国内外相关文献，总结出电力需求预测方法主要包括直观分析法、统计分析法、终 端能源分析法、经济计量分析法及人工智能法等。 1 直观分析法 直观分析法使用豹数学工具比较简单，在顸测过程中主要靠预测者根据自己和 他人经验及相关统计资料进行判断性预测，常用的直观分析法有专家预测法，电力 弹性系数法”+ ”等。目前电力弹性系数法主要用于电力规划部门进行中长期发电量预 测，也可以用于短期发电量的校核，缺点是人为主观影响较大。 2 统计分析法 统计分析法包括回归分析法及时间序列法。”，其中百干间序列法又包括自回归 法、移动平均法、指数平滑法、自回归移动平均法及自回归整体移动平均法等。由 于时间序列法是基于过去发展状态的延续，对于使事物发生变化的本质原因不做研 究，而且传统的时间序列模型为克服时间序列的非平稳性而采用差分法来消除序列 中的不平稳趋势，会导致一些有用的长期信息的丢失，因此仅适用于短期预测，对 于长期的发展趋势中拐点的研究则不适用。 一 3 终端能源需求法 终端能源需求法“”足通过终端设备来计算能源的消耗需求。其思想是从决定能 源消耗的设备、实用率和效率上考虑能源消耗量，而不是研究能源消耗量本身。这 种方法避开了较为复杂的数学模型、数据的虚假性及电力需求的影响因素，提高了 预测的准确性，但数据的收集比较困难。 4 经济计量分析法 国民经济中的各种经济现象是相互影响、相互制约、互为因果的。运用经济计 量方法进行预测，可以揭示与预测问题有关的各种经济变量间的相互联系，包括投 入产出法、经济计量模型法、系统动力学法“4 ”“1 等。由于现实中的经济序列几乎 都是非平稳的，所以运用传统的经济计量法研究常常容易导致谬误。 5 人工智能法 8 0 年代以来，数学理论和人工智能法在电力系统的电量预测中得到长足的发 华北电力大学硕士学位论文 展，其中有灰色系统理论、模糊数学理论、人工神经网络“5 。“”1 等。灰色系统理 论是一种以灰色生成函数为基础，以微分拟合为核心的建模方法。它对于灰色量的 处理不是寻求其统计规律和概率分布，而是将杂乱无章的原始数据序列通过一定处 理方法弱化其波动性，使之成为较有规律的时问序列数据，再建立微分方程求解。 人工神经网络法的简便之处在于完全依靠历史数据，用历史数据进行测算，但是由 于过多依赖历史数据，反而难以适应未来情况的变化。 1 3 本文研究主要内容 随着我国经济的高速发展，电力作为现代社会生产的重要物质基础和动力来 源，对我国经济增长的促进作用越来越大。随着经济的发展，经济变量表现出非平 稳性和非线性特征，传统的电力需求建模方法受到严竣的挑战。 基于经济变量的非平稳性和非线性，本文利用协整理论和一种改进的神经网络 方法对中国的电力需求进行讨论分析，并建立相应模型，以期为我国电力发展规划 提供实证研究基础和科学依据。全文结构安排如下。 全文共分为五章。第一章为引言部分，简要介绍了选题背景、目的及意义，总 结了国内外研究动态及本文主要研究内容。第二五章为论文主体部分，论述了建 模理论及模型的实际应用。第六章为总结部分，对论文做出总结并提出建泌。 1 4 本文采用的主要方法及创新点 根据e l 前国内外对于电力需求研究的现状，在综合考虑影响电力需求因素的基 础上，利用较新的建模方法对电力需求进行深入分析和研究，为电力规划部门提供 实证研究和科学依据。 1 运用汁量经济学的最新成果之一的协整理论与误差修正模型，对中国电力 需求及其影响凼素的关系进行量化分析，建立电力需求与其影响因素的长期均衡关 系模型。 2 针对b p 神经网络的缺陷，建立基于免疫粒子群优化的b p 神经网络对电力 需求及其影响因素间的非线性关系进行分析，建立电力需求与其影响因素间的非线 性关系模型。 3 运用两种模型对电力需求进行实证分析，得出一些有益的结论。 华北电力大学硕士学 移论文 第二章电力需求分析的理论基础 2 1 中国电力供需形势分析 电力工业是关系国民经济命脉的重要行业，其发展速度与国民经济发展水平直 接相关，保证电力稳定、充足供应，是国民经济发展基础也是电力工业发展晟高目 标。 改革开放以来到1 9 9 5 年，我国电力供需均快速增长，总体处于供不应求。“六 五”期间，g o p 年均增长速度超过用电量4 6 个百分比，电力增长相对滞后，全国 出现大范围缺电局面；“七五”期问，国家出台鼓励多家办电政策，电力建设大大 加快，满足了电力需求快速增长的需求，用电增速超过g d p 增速0 7 个百分点，但 全国缺电局面并未改变；“八五”期间电力建设高速增资，年均新增装机约1 6 0 0 万k w ，在满足经济高速增长的同时，大大缓解了全国范围的缺电局面，与此同时地 区间的电力供需不平衡矛盾开始凸现；“九五”期间，随着国民经济结构的调整， 供需状况进一步缓解，出现低用电水平下的买方市场，电力市场运行机制初步形成； “十五”期间，前两年用电增长迅猛，大大超过计划预测，电力短缺严重。2 0 0 4 年初我国电力装机容量达到4 亿千瓦，2 0 0 5 年底达到了5 亿千瓦。据国家发改委经 济运行局提供的报告显示；2 0 0 4 年我国最大电力缺口为3 5 0 0 万千瓦，2 0 0 5 年缺口 为2 5 0 0 万千瓦，预计2 0 0 6 年缺口缩小为1 0 0 0 万千瓦。连续大规模发电项目的投 产，为有效缓解电力供应紧张局面发挥了重要作用，2 0 0 6 年，在全国范围内，各区 域电网电力供需形势变化比较明显，近年严重缺电的华东、华北地区电力供需矛盾 得到明显缓解，发电装机容量不足造成电力供应紧张的情况也明显减少。预计2 0 0 7 年，中国电力市场将呈现供需总体平衡，略有剩余状态。 2 1 1 电力消费弹性系数 分析世界各主要工业发达国家1 9 5 0 1 9 8 6 年电力消费弹性系数的变化情况， 这些国家在相当长一段时期的电力消费弹性系数都是大于l 的”。从2 0 世纪8 0 年 代后期开始，一些工业化国家出现了电力消费弹性系数小于1 ，通过研究，可以得 出结论，不同的经济发展时期，产业结构、工业内部结构变动趋势以及居民生活水 平不同，会导致不同时期的电力消费弹性系数各不相同。在重工业化时期，电力弹 性系数一般大于1 ：高加工化的时期减小，但由于居民生活用电水平迅速提高，也 4 华北电力大学硕士学位论文 会使该系数大于1 ：进入工业化后期，电力消费弹性系数一般小于1 。 我国电力弹性系数1 9 8 l 1 9 9 9 年平均增长0 7 9 ，并且每年电力消费弹性系 数都在增加，2 0 0 0 年后我国电力消费弹性系数较大，在2 0 0 4 年甚至达到了1 5 3 。 其原因在于：我国高耗电行业发展较快，主要高耗电产品产量增长速度高于全国g d p 增长速度，它们的用电增长量占工业用电量的比重，远高于其对工业g d p 增加量的 贡献度；居民生活用电量增长较快，空调用电负荷增长尤其迅速，而此类用电不会 对6 d p 的增长有很强的直接拉动作用。 2 ，2 生活用电结构变化 在电力需求整体增速放缓的情况下，生活消费用电增长的影响开始凸现。进入 九十年代后，受居民消费结构升级的推动我国生活清费用电平稳快速增长，居民 生活用电增长对全社会用电增长的贡献率达到1 2 5 ，提高4 9 个百分点。分析居 民生活用电快速增长的主要原因：一是城乡居民收入稳步增加，家用电器拥有率迅 速提高；二是城市化加快，居民家庭户均人口减少，新增户数增多较快；三是城乡 同网同价和城镇居民峰谷分时电价的施行，大幅降低了居民生活电价水平，居民用 电积极性提高。2 0 0 2 年以后，由于工业用电增长迅猛，生活用电又一定程度上因电 力短缺受到抑制，居民用电所占比重有所下降。但从长远发展看，与发达国家相比， 我国居民生活用电水平还很低，增长潜力较大，其比重逐步上升的趋势是可以预期 的。2 0 0 5 年居民生活用电占总用电量的比例预计将回升至1 2 1 ，对用电总量增长 的贡献率达到1 4 3 。人均生活用电量以及社会用电量呈不断增长趋势，从用电水 平看，人均用电量从1 9 9 6 年的6 8 7 k w h 增长到2 0 0 4 年的1 5 8 0 k w h ，增幅达2 4 倍。 根据联合国资料，在统计的2 0 5 个国家和地区中，1 9 9 7 年人均用电水平为2 4 3 3 k w h ， 亚洲人均用电水平为1 2 0 7 k w h 。相比较，我国的用电水平还相当低，特别是入均用 电水平比较低，还不到发达国家的1 1 0 。随着我国全面建设小康社会进程的推进， 城乡居民消费结构的升级换代，农村电网改造的加快，电价制度的改革，我国届民 用电范围将更加广泛，人均用电将逐步提高。 2 1 3 生产用电结构变化 工业用电仍将是我国电力消费的主体，但比重将逐步下降。2 0 0 5 年，第二、 三产业用电增速下降，居民生活用电增长较快。第二产业用电对全社会用龟增长的 贡献率为7 5 1 ，同比下降5 9 个百分点i 重工业用电快速增长，用电结构重型化趋 势继续加强。2 0 0 5 年，工业用电月度累计增长速度从二季度开始上升，四季度有所 回落，但始终在1 3 2 一1 4 4 之间运行。全年工业用电1 8 0 5 6 亿千瓦时，同比增长 华北电力大学硕士学位论文 1 3 4 ，增速下降3 个百分点。轻、重工业用电分别增长7 9 和1 4 9 ，增速分别 比去年同期下降5 7 和2 2 个百分点，重工业用电增速高出轻工业6 9 个百分点。 重工业用电占工业用电的比重继续增加，达到7 9 6 ，同比提高了1 个百分点。部 分高耗能行业用电增速明显回落，但黑色金属行业用电增长仍然持续强劲。与发达 国家相比，我国在用电构成方面还有相对差距，居民生活用电、第三产业用电比例 还有待提高。 2 2 电力需求的经济学分析 在进行电力需求的经济学分析时，常常会碰到两个不同的概念：电力消费和电 力需求。研究者有时候将两者等同，有时候又将两者区分，因此经常会造成我们在 概念上的混淆。实际上两者是不同的概念，电力消费属于统计范畴而电力需求则属 于经济学范畴，只有当电力供给充足才可以将两者等同。 为了清晰区分电力消费和电力需求，以更好地理解电力需求，我们可以从经济 学角度对电力需求做出分析解释。 运用经济学理论对电力需求进行分析之前，需要对电力市场作如下基本假设 “：1 电力市场具有完全竞争市场特征，存在市场机制，即市场上产品同质、有 众多厂商和消费者、消费者和厂商拥有完全信息；2 消费者或厂商是理性的，即追 求利润或效用最大化；3 消费者或厂商满足预算约束。 我们仅从微观的角度对电力需求进行分析。假定市场上有n 个企业生产产品， 每个企业在进行生产时只需要两种投入：电力和非电力产品。当企业用于投入生产 的资金及电力和非电力产品的价格不变时，通过无差异分析法即可获得该企业在追 求利润最大化的情况下对电力的需求量，这个过程可用可以用图直观表示，如图2 1 所示： y x 图2 - 1 最大化无差异分析图 图中，x 轴表示电力投入量，y 轴表示非电力产品投入量，q l 、q 2 、q 3 分别表 6 华北电力大学硕士学位论文 示企业在不同技术水平下的等产出线，即在同一条等产出线上的点表示电力与非电 力产品的不同组合可生产同样的产量。且q 2 q i q 3 ，e 点是等产出线与预算约束线 的切点，也就是预算约束条件下的利润最大化即产 最大化。在预算约束即资金有 限的条件下，只能选择生产q l ，才能使企业获得最大利润，如果选择q 2 ，则企业 在现有条件下无弦达到，如果选择q 3 ，则企业虽然可以达到，但不是现有条件下的 利润最大。也可以通过数学推导得出以上结果，当只有电力和非电力产品投入时， 假定生产函数为： q = f ( q e ，q u ) ( 2 1 ) 企业用于两种投入的资金预算约束为： m = q e p e + q u p u ( 2 。2 ) 其中：q 表示企业的产出。q e 、q u 分别是企业的资金用于购买电力和非电力产 品的数量，p f 是电价，p u 是非电力产品价格，m 是企业可投入资金 则问题转化为：在满足( 2 2 ) 式条件下，使得企业产出最大化。将( 2 - 1 ) 式和 ( 2 - 2 ) 式转换为拉格朗日函数： f = q 一且( q e p + q u p u ) 盏f ( q e ，q u ) 一丑( q e p + q u p ( ，) ( 2 - 3 ) 分别对q e 、9 u 、 求导，得到屉大化条件： c 4 f ( o e ，q u ) o q e a p e ；0 ( 2 - 4 ) o f ( q e , q u ) o q u 一2 p u2 0 ( 2 5 1 q e p e + q u p u m2 0(2-6) 联立( 2 4 ) 与( 2 5 ) 式可得： 五= 【a ，( qe q u ) a q f 】p e = o f ( q e ，q u ) o q u p u ( 2 - 7 ) 从( z 一7 ) 式的几何意义可知由数学推导得到的最大化结果与前述结果是一致 的。 在其它条件不变的情况下，假定只有电价变动，运用同样的方法可推导得到在 不同价格水平下企业对电力的需求量，将价格与其对应的电力需求量画成一条线， 实际就是单个电力需求曲线，将单个电力需求曲线横向加总即可得到整个市场电力 需求曲线。这个变化过程可用图2 2 描述如下： 7 华北电力大学硕士学位论文 p p 1 p 2 p 3 q lq zq 3q 图2 - 2 电力需求曲线图 趴上述结果可以得出：当其它条件不变时，电力需求与电力价格成反比关系 即电力价格上升时需求量下降，反之电力需求量上升。 2 3 电力需求的影响因素分析 2 3 1 经济增长 电力工业是一个长期性高投入的产业，其发展水平直接受制于经济发展水平。 一个国家的总体经济发展水平一般都采用国内生产总值来表征，它表示各个经济部 门在一定时期内所生产的全部货物和服务价值的增加值之和。一般来说，人均国内 生产总值和人均电力消费量是密切相关的，人均崮内生产总值水平越高，人均电力 消费量就越大，因此，经济增长是影响电力消费的一个非常重要的因素。 我国经济从“八五”计划开始，走出低谷，转入全面回升，“九五”期闯经济 增长放慢，增长速度持续下降。9 7 年我国经济成功实现软着陆，受亚洲金融危机影 响，出现通货紧缩。9 8 年开始，中国政府连续几年实施了扩大内需的宏观调控政策， 取得显著成绩。2 0 0 0 年中国经济开始出现转机。2 0 0 2 年g d p 增长率为8 ，2 0 0 3 年g d p 增长率9 2 ，扭转了多年来经济增长持续下滑的趋势，反映在电量需求上， 1 9 9 5 一一1 9 9 9 年用电量增长率为5 2 ，1 9 9 8 年由于受亚洲金融危机的影响，工业 产品出口大幅度减少，加之国内需求不足，大量产品库存积压，第二产业用电增幅 仅为1 2 ，电力消费增长率为2 8 。“。随着1 9 9 9 年投资拉动作用的显现，这一 华北电力大学硕士学位论文 年工业部门用电量逐渐恢复增长，年均增长率回升至5 6 8 。受经济波动的影响， 电力需求表现出明显的波动性，当经济环境好转时，电力需求增长较快，而经济形 势发生变化时，电力需求格局也产生相应变化，因此，国内生产总值被认为是电力 消费的决定因素。 2 3 2 人口增长殛居民消费 人口是社会系统中最基本的因素，人口总量的多少直接影响着电力的总需求 量，也影响着电力的人均占有量和利用方式。较高的人口增长率会增加电力消费， 实行计划生育阱来，尽管我国的人口增长率保持在很低的水平，但是由于我国的人 口基数大，2 0 0 0 年底总人口已达1 2 6 6 亿。城市人口达到4 5 8 亿，占总人口的3 6 2 2 。众多的人口，特别是城市人口的不断增加，对社会形成了很大的压力，影响着 中国现代化的进程，同样影响着对电力的需求。 随着人民生活水平的不断提高，人们的消费观念和行为发生了很大变化，人们 不再满足于基本的消费需求，还要求更高形式的消费享受。消费结构的变化既影响 着产业结构的变化，也增加了对电力直接消费的需求，居民生活用电自九十年代以 来年均增长率保持在1 0 左右，2 0 0 5 年，居民生活用电增长对全社会用电增长的 贡献率达到1 2 5 。提高4 9 个百分点。分析居民生活用电快速增长的主要原因； 一是城乡居民收入稳步增加，家用电器拥有率迅速提高；二是城市化加快。居民家 庭户均人口减少，新增户数增多较快；三是城乡同网同价和城镇居民峰谷分时电价 的施行，大幅降低了居民生活电价水平，居民用电积极性提高。但是，与发达围家 相比，我国居民生活用电水平还很低，增长潜力较大，从长远发展来看，其比重是 逐步上升的趋势。 2 3 3 电价 随着经济体制改革的不断深入，各行业市场化程度的不断提高，电价对电力需 求的影响日盏显著，表现在：1 影响企业的用电水平，电价高于企业承受能力时， 用电量明显减少；2 影响高耗电产业发展的地区分布和现有布局。高耗电产业将 由电价高地区转移到电价低的地区，致使各地区电力需求增长格局发生明显变化。 伴随电力市场化改革的逐步推进，电力市场的供需状况将更多地受到电价水平影 响。 华北电力大学硕士学位论文 2 3 4 产业结构 产业结构即构成国内生产总值各产业的比重。粗略划分，国内生产总值包括三 大产业部门：第一产业为农业、林业，牧业及渔业；第二产业包括工业和建筑业； 第三产业为服务业。我国目前处于由重工业化向高加工化、技术集约化阶段转化， 以工业为主的第二产业仍占较大比重”，重工业增长所消费电量约占电力消费的6 0 ，2 0 0 5 年，重工业用电占工业用电的比重继续增加，达到7 9 6 ，同比提高了1 个百分点，一直是电力增长主要因素。以农业为主的第一产业用电受气候影响较大， 因此其用电增长呈波动状态。第三产业用电自九十年代以来一直平稳快速增长， 】9 9 5 一1 9 9 9 年第三产业年均用电增长8 9 ，高于同期全社会用电增速3 7 个百 分点，第三产业用电比重也相应上升，由1 9 9 5 年的9 3 上升到2 0 0 4 年的1 5 2 。 近年来第一产业所占国内生产总值的比重逐年下降，第三产业所占比重逐年上 升，第二产业所占比重波动较大，随着产业结构调整，综合的电力消耗也必将受到 影响，因此在电力需求建模的分析过程中必须考虑产业结构变化对电力需求的影 响。 华北电力大学硕士学位论文 第三室中国电力需求的协整模型 本章主要采用协整与误差修正模型对我国的电力需求建模并进行实证分折，以 研究电力需求与其影响因素问存在的均衡关系。本章分为四节：第一节简要介绍电 力在国民经济中的作用以及目前电力需求建模的缺陷；第二节介绍了协整理论与误 差修正模型的相关理论；第三节运用协整与误差修正模型进行电力需求建模分析。 3 1 协整分析的背景 我国的经济发展速度举世瞩目，根据我国的经济发展规划，在未来2 0 年内要 保持8 左右高速增长，电力作为国民经济发展的动力是实现这一目标的关键因素 之一。由于电力工业的投资数额大以及建设的周期性、滞后性，对电力需求的分析 预测显得十分重要和关键。因此有必要对我国的电力需求进行准确界定，建立台理、 稳定、可预测的电力需求函数。 目前广泛用于电力需求建模与分析的方法有弹性系数法、时间序列法等，这些 传统的建模技术在进行模型界定时，通常有一个前提，即要求所分析的时间序列数 据是平稳的，如果时间序列是非平稳的，通过普通最小二乘法得到的统计量将不再 是一致的。尽管模型结果表明有很高的拟合度且2 和显著的t 统计量，但是根据这 些统计量得到的推断可能是不正确的，因为这些统计量可能不再具有通常的标准分 布，因此可能产生无意义的虚假回归o “”1 。而通常经济时间序列都是非平稳的，因 此有必要考虑模型的界定问题。 协整理论的提出，使得非平稳经济时间序列在建模时能够克服传统建模技术缺 陷，可以取得较好的预测效果。 3 2 协整与误差修正模型 传统计量经济学在建立模型时要求随机过程必须是平稳的序列，即随机过程的 各阶统计特性与时间原点无关，如果序列是不平稳的，就会产生虚假回归，致使按 照传统统计推断得出的结论失误。随着二次大战后各国经济变量表现出的非平稳 性，使得计量经济学中传统的建模技术遇到了前所未有的困难“。为了解决这一问 题，经济学界对非平稳过程进行深入的研究，发现非平稳变量经过差分变换也可以 达到平稳，而且它们之间存在长期的均衡关系即协整。协整理论的提出为两个或多 华北电力大学硕士学位论文 个非平稳变量间寻找均衡关系及在此基础上建立误差修正模型奠定了理论基础。 3 2 1 单整 在对单整定义之前，首先要区分平稳序列和非平稳序列“。考虑1 阶自回归 序列z ，一肿( 1 ) ： x t 2 a x t l + 缸 ( 3 - 1 ) 其中已是均值为。的白噪声序列。通过迭代可得： x t 2 口j # 卜， ( 3 - 2 ) y = l 。 当h 1 时， 卜，的系数以指数率趋于m ，因而柳是非平 稳的。 假设y f 是一个平稳序列，令札= y f 一，即x t由y t 累积而成的一个单一整 体，称为单整序列，记作：却j ( 1 ) 。对于单整更一般的定义为：随机过程 。f ) ，如 果经过d 次差分 a d z 矗后变成一个平稳、可逆的a r m a 过程，而其d 一1 次差分 a d 一1 研 非平稳，则称随机过程协一具有d 阶单整性1 ，记为：研，g ) 。 对于一个随机过程是否具有单整性，通过单位根检验来判定。常用单位根检验 有：a d f ( a u g m e n t e d d i c k e y - - f u l l e r ) 检验、p p ( p h i l i p s - - p e r r o n ) 检验等。a d f 检验的一个重要特点也是区别于p p 检验的一个主要特征，在于它假设随机生成过 程缸j 服从有单位根的p 阶自回归过程，而p p 检验假设柳中随机干扰项服从无穷 阶的移动平均过程。下面简单介绍本文所使用的a d f 检验t 2 s 。 a d f 检验一般采用如下回归式检验x t 是否含有单位根： x ，：多x 。+ 圭珏x ，+ # ，或工，= 刍工。+ 主：；如，。+ ；，( 3 - 3 ) t - i 阽l 其中：口和p 是参数，k 是滞后项数，k 的选取一般采用施瓦茨( s c h w a r * z ， 1 9 8 7 ) 准则。 采用o l s 对方程进行估计，计算t 统计量进行单位根检验： 华北电力大学硕士学位论文 r ：( 多一l 以( 多) h 。：p ：j ，h ：白c 1 这里的t 值不服从标准t 分布，检验临界值查m a c k i n n o n ，如果检验统计值大 于临界值则接受零假设h 。，说明序列x t 存在单位根，即x t 不平稳，否则接受备择 假设，说明x ，不存在单位根，即序列平稳。对于不平稳序列，可进一步检验其 一阶差分平稳性，如果一阶差分是平稳的，则称该序列为j ( 1 】。 目前大多数宏观经济变量都是非平稳的，只有极少数是i ( o ) 序列。p h i l i p s 证 明，( 1 1 序列如果直接用于回归容易产生虚假回归，应该尽量少用或不用这类序列 直接进行回归分析，除非它们之间具有下述协整关系。 3 2 2 协整及其检验 在实际中，多数经济时问序列都是非平稳的，然而某些非平稳经济时间序列的 某种线性组合却有可能是平稳的，经济理论认为，某些经济时间序列存在长期均衡 关系，如净收入与消费、政府支出与税收、工资与价格、进口与出口、货币流通量 与价格水平、商品现货价格与期货价格等之间就存在这种长期均衡关系。一般来说， 上述经济时间序列都是非平稳的，其方差与时问成正比。表面上这些经济变量之间 不存在任何均衡关系，但事实上若干个1 0 ) 经济时间序列的某种线性组合却有可能 是平稳序列，具有这种性质的加) 序列具有协整性”3 。协整概念是理解经济变量存 在长期均衡关系的基础。 如果时间序列向量，具有协整性，则必须满足；( i ) x ，所包含的全部变量部 是，( d ) 阶的；( 2 ) 若存在一个向量，( 卢o ) ，使得口王1 ( a 一6 ) ，则称研的各分量存 在d ，b 阶协整关系，记作c 1 ( a ，。实际研究中常考虑两个1 0 ) 变量存在c i ( 1 ，1 ) 关系： 如果葺、y ，都1 0 ) 且存在某个线性组合玉= m + 。而+ 砂，是，( 0 ) ，且具有零均值， 则它们之间具有协整性，即存在a 0 ，1 ) 关系， ( a ，b ) 为协整向量。时间序列的这 种均衡关系，是对经济学中规律性的定量描述。因此，研究变量间的协整关系等同 于研究变量闻的定量规律，具有十分重要的意义。 在进行协整分析之前，必须对时间序列进行协整检验，关于协整关系的检验目 前最常用的有e 6 两步法和j o h a n s e n 极大似然法“2 ”。 3 2 2 1e n gle g r a n g e r 两步检验法 为了检验变量之间是否具有协整性，e n g l e 和g r a n g e r 。6 1 提出了利用最小二乘 法( 0 l s ) 来进行c t 0 ，1 ) 协整关系检验，其实质就是检验协整回归的残差中是否存在 华北电力大学硕士学位论文 单位根。如果序列间不存在协整关系，则残差中一定存在单位根；如果序列问存在 协整关系，则残差将是平稳的。具体步骤如下： 步骤一：为检验序列而= ( x 。x ：“，x 。) 的a ( 1 ，1 ) 阶协整关系，首先对每个变量进 行单位根检验，得出每个变量均为邢) 序列，然后选取某个变量对其它变量进行普 通最小二乘回归，得到： z 。，= z ：，+ ：x ，+ + 川j 。+ “， ( 3 5 ) 步骤二：对式( 3 3 ) 中残差项“。进行a d f 单位根检验，若检验结果表明“，是f i o 序列，即u ，是平稳的，则得出( x x ：，- ，j 。) 是a ( 1 ，d 阶协整，且置的每个变量之间 存在协整关系，协整向量为( 1 ，一p , , - f l ：，一。) 。 3 幺2 2j o h a n s e n 极大似然法 e n g l e - - g r a n g e r 两步检验法通常适用于单方程的协整检验，而j o h a n s e n 极大 似然法是一种在v a r 系统下用极大似然估计来检验多变量问防整关系的方法，不仅 能检验出变量间是否存在协整关系，而且可以准确确定协整向量个数，特别是当协 整向量不止一个时这种方法更加方便有效”“。 设向量工，为n 个潜在内生变量组成的向量，并将工，界定为无约束滞后k 阶向量 自回归： x ，4 z 。+ + 以。x 。+ 善，善，一删( o ，卿 ( 3 6 ) 其中：a ，是c n n ) 参数矩阵。将式( 3 4 ) 改写为如下形式： x ? = h x 。+ 髓j x 。+ j t 3 - 7 ) 其中：f ：= - ，+ 4 ，“= i ， 一u ，n = 一“a ，a g r a n g e r 表现定理说明，如果系数矩阵的秩r n ，则存在秩为r 的”x ，矩阵d 和卢，使得r - a f l 和口，是平稳的，r 是协整关系的个数，矩阵p 的每个列向量足一 个协整向量，矩阵a 中的元素为误差修正模型的调整参数。j o h a n s e n 极大似然法就 是估计无约束矩阵兀，然后再检验是否能拒绝矩阵具有缩减秩的假设。 根据j o h a n s e n 给出的方法，估计协整向量，得到一个m 1 的残差向量r 。和景。， 构造出一个m x m 的残差矩阵，然后通过解如下残差矩阵的特征值方程得出向量声： 鼠；t 一宅r 。r j ，= o , k ( 3 - 8 ) h t 其特征方程为； 1 1 风一s 。s ：s 。| = o ( 3 - 9 ) 1 4 华北电力大学硕+ 学位论文 其中：s 。是a r 。对( a 茁。，。) o l s 回归的残差的向量矩阵；s 。是。对 ( x 。，z ，) 的o l s 回归的残差的向量矩阵；s 。是交叉向量矩阵a 通过求解“最 大特征值”和“迹”可以求出协整向量卢。最大特征值通过计算如下极大似然统计 量： l r f f i - r 呱l 一五，) ( 3 一l o ) 检验原假设：系统中存在r 个协整向量 向量。其中t 是样本量，五，是估计特征值。 迹通过计算如下似然检验统计量： l r 一一r 哪一a ，) ， l z 一一，a 。由大到小顺序排列，检验假设： 3 2 3 误差修正模型 各择假设；系统巾存在r + 1 个协整 ( ，= 0 , 1 ，n 一1 )( 3 1 1 ) 至多存在r 个协整向量。 误差修正模型的概念首先由s a r g a n 于1 9 6 4 年提出，他用误差修正模型计算被 解释变量的调整值，之后该模型有h e n d r y - - a n d e r s o n 和d a v i d s o n 进一步完善， g r a n g e r 等人则在此基础上进一步研究了协整与误差修正模型间的关系，提出了格 兰杰定理”并加以证明。 根据格兰杰定理，如果时自j 序列矗、y 具有协整关系，则一定存在一个与之等 价的误差修正模型e c m ( e r r o rc o r r e c t i o am o d e l ) ： 端2 岱。+ a ；匕一p y 川) + 善( a ，并，。一y a y h ) + 日( 3 - 1 2 ) 其中：芦为长期均衡参数，a c o 为调整均衡偏差的幅度，岛为随机误差项且 为白噪声序列，k 为滞后期数。由于工。一a y 。- 1 ( o ) ，所以上式中所有变量均为稳定。 而且当工，。，砂。时，由于口，c o ，所以此时该项对血，的净影响为负。实际意义为： 当x 超均衡增长时，该项的作用使血。减少，当x 不足均衡增长时，则使血，增加， 即该项起到迫使x 回到长期协调均衡的轨道上。由此可见误差修正机制实际上是一 个负反馈过程。 总之，协整与误差修正模型，无论从理论或从数据问题看，都起到理论与数据 一致的效果。这也是该理论受到广泛重视和应用的重要原因。 华北电力大学硕士学位论文 3 3 中国电力需求的协整建模分析 3 3 1 变量与数据的选取 运用协整和误差修正模型对电力需求进行分析建模，首先遇到的是变量和数据 的选择问题。根据需求理论，经济增长、价格和人口是需求的主要因素。由于在电 力改革之前。电价是由政府制定，而且由于各地电价的差异性，所以本文不把电力 价格作为变量，而选择经济增长、人口作为变量，同时考虑到产业结构变化对电力 需求的影响，为反映这一指标，选择第二产业在国内生长总值的份额，主要考虑第 二产业是用电大户，其变化可以引起电力需求的较大变化。因此，本文选择的主要 变量为：电力需求( 年用电量) y 、国内生产总值x l 、全国人口数x 2 、产业结构变 化z 3 。考虑变量的可比性，对g d p 变量序列进行处理如下：即取当年国内生产总值 与当年居民消费价格指数的比值，同时，对所有时间序列进行对数变换。处理后的 数据变量表示为：l y 、l x l 、l x 2 、l x 3 表示。本文采用的时问序列数据是从1 9 7 8 2 0 0 5 年的年度经济数据，数据来源于中国电力年鉴和中国统计年鉴( 见附录表 1 ) 。 3 3 2 模型的建立 3 3 2 1 电力需求的长期均衡模型 本文采用a u g m e n t e dd i c k e y - f u l l e r ( a d f ) 单位根检验法对变量时间序列进行 单位根检验。检验结果如表3 - 1 所示。由a d f 检验可知，在5 显著性水平下，序 列l y 、l x l 、l x 2 、l x 3 均存在单位根，即这些序列是非平稳序列，而它们的一阶 差分序列不具有单位根，即一阶差分序列是平稳序列，从而可以判断l y 、l x l 、l x 2 、 l x 3 是，【1 ) 序列。 表3 - 1a d f 单位根检验 华北电力大学硕士学位论文 判断l y ，l x l 、l x 2 、l x 3 是f ( 1 ，序列后，运用e n g l e 和g r a n g e r 提出的e g 两 步法来检验变量问是否存在协整关系。表3 2 是对序列组( l y 、埘、l r 2 、) 进行协整检验的结果。 表3 - 2l y 、厶1 l i 2 、厶3 协整检验结果 从表中可以看出，在5 显著性水平下，残差具有平稳性，说明( l y 、l x l 、 l x 2 、l x 3 ) 存在协整关系，且协整向量为( 1 ，一1 0 5 8 2 ，一0 1 1 5 6 ，一2 3 3 5 8 ) 。 哦l y 为因变量，h 1 、l x 2 、厶3 为自交量，得到如下电力需求的长期均衡方 程： l y 。= 一1 7 4 3 6 0 + 1 0 5 8 2 l x l ，+ o 11 5 6 l x 2 ，+ 2 3 3 5 8 l 0 ，( 3 - 1 3 ) ( 49 8 9 2 )( 1 2 0 4 5 8 )( 1 ，5 8 6 9 ) ( 78 8 5 4 ) 且= 0 8 9 9 1 s e = 00 9 6 0f 一8 9 9 6 3 2 7 【括号内数字表示t - 统计量