（技术经济及管理专业论文）电力与经济发展关系研究——方法、实证与预测.pdf

华北电力大学博士学位论文 中文摘要 电是现代工业文明的标志，是生产的基本投入品和人民生活的必需品，随着经 济的发展，电力行业在国民经济中扮演着越来越重要的角色。在经济发展水平跨越 1 0 0 0 美元的新阶段和电力市场环境下，电力的安全供应问题无疑具有了更为迫切的 意义。因此电力需求与国民经济发展的关系研究具有重要的理论与政策意义。本文 以中国电力需求与经济发展的关系研究为背景，从理论方法、实证分析和预测三个 角度进行了深入研究。主要研究内容和研究成果如下： 运用协整理论检验了中国电力消费与经济发展在时域上的因果关系，表明电力 消费与经济增长间存在协整关系，并且存在电力对经济的单向格兰杰因。运用频域 格兰杰因检验理论检验了中国电力消费的波动与经济周期之间的关系，表明存在从 电力波动到经济波动的单向格兰杰关系，且二者在频域上的联系与经济周期波动有 关。两方面相结合，中国电力消费与经济发展存在着“共同趋势、共同波动”的特 征，这一结论对电力在经济发展中的作用具有政箢意义。 研究了电力需求增长与经济发展阶段的关系，表明电力需求的增长具有阶段性 特征。提出了工业用电增长与工业化进程关系的定性判别准则，并进行了电力单耗 的计量分析，为把握其变化趋势提供分析工具。 基于协整关系研究了电力需求模型。提出了一种新的基于序列间格兰杰因关系 的单整序列动态预测模型。将向量误差修正模型( v e c m ) 的两方面拓展( 一是考虑 共同周期，二是考虑结构变迁) 应用于电力需求预测，并进行了算例研究。 将基于粗糙集的决策规则发掘应用于电力需求分析，并进行了算例研究。 对电力需求与经济发展关系的研究思路进行了理论描述：( 1 ) 从方法论角度对 其理论基础一一智能工程，基于模型论进行了阐述，并初步定义了智能空间的子空 间运算算子。( 2 ) 基于计量模型设计的领域知识署专家经验，在经济模型自动识别 算法( p c g e t s ) 的基础上，研究了电力需求计量模型的选择过程，将基于计量分析 的模型发掘与基于逻辑计算的粗糙知识发掘有机结合；并运用智能工程对本文电力 需求与经济发展关系的研究思路进行了理论表述。 关键词： 电力经济，计量分析，实证分析，协整，粗糙集，智能工程 a b s l r a c t a b s t r a c t e l e c t r i c i t yi st h es y m b o lo fm o d e mi n d u s t r i a lc i v i l i z a t i o na n di sa l s ot h eb a s i ci n p u t o fp r o d u c t i o na n dn e c e s s i t yo fo r d i n a r yl i v i n g s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m yt h e e l e c t r i ci n d u s t r yp l a y sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nn a t i o n a le c o n o m y i n2 0 0 3w i t h p e rg d pu p10 0 0d o l l a ra n dm a r k e t o r i e n t e dr e f o r mo fp o w e r s e c t o ri nc h i n a ，t h es t a b l e s u p p l yo fe l e c t r i c i t yt ob o o s tt h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y i so fi m m i n e n ts i g n i f i c a n c e t h e r e f o r et h er e s e a r c ho nt h er e l a t i o nb e t w e e ne l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o na n de c o n o m y g r o w t hi so fp r i m a r yt h e o r e t i ca n dp o l i c yi n t e r e s t i nt h i sd i s s e r t a t i o no nt h eb a c k g r o u n d o fe l e c t r i c i t yd e m a n da n de c o n o m i cg r o w t hi nc h i n a ，at h o r o u g hs t u d yi su n d e r t a k e n f r o mt h r e ep e r s p e c t i v e s ，。w h i c hi st h e o r e t i cm e t h o d ，e m p i r i c a la n a l y s i sa n df o r e c a s t a p p l i c a t i o n t h em a i nr e s e a r c ho b j c o t sa n dr e s u l t sa r e ； 1 i nt h ef i r s tp l a c ec o i n t e g r a t i o nt h e o r yi s a p p l i e dt oe x a m i n et h eg r a n g e r c a u s a l i t yb e t w e e ne l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o na n de c o n o m i cd e v e l o p m e n ti nt h et i m e d o m a i n t h er e s e a r c hi n d i c a t e st h a tt h e r ee x i s t sc o - i n t e g r a t i o nb e t w e e nt h e ma n dt h e r ei s u n i l a t e r a lg r a n g e rc a u s er u n n i n gf r o me l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o nt oe c o n o m i cd e v e l o p m e n t t h e ng r a n g e rc a u s a l i t yt h e o r yi nf r e q u e n c yd o m a i ni sa p p l i e dt oe x a m i n et h ec y c l e c o m p o n e n t so ft h e m ，w i t ht h er e s u l t st h a tt h e r ei su n i l a t e r a lg r a n g e rf r o me l e c t r i c i t yt o e c o n o m ya n da l s oc o i n c i d e sw i t ht h ef r e q u e n c yo fb u s i n e s sc y c l ei nc h i n a t h er e s u l t s t h a tt h e r ei sc o i n t e g r a t i o na n dc o f e a t u r eb e t w e e ne l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o na n de c o n o m y d e v e l o p m e n ta r eo fi m p o r t a n tp o l i c yi m p l i c a t i o nf o re l e c t r i cs e c t o ri nc h i n a 2 t h er e l a t i o nb e t w e e ne l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o na n de c o n o m i cg r o w t hf r o m p e r s p e c t i v eo fe c o n o m i cg r o w t hs t a g ei ss t u d i e d t h eq u a l i t a t i v ej u d g m e n tc r i t e r i o n b e t w e e ni n d u s t r i a le l e c t r i c i t yd e m a n da n dt h es t a g eo fi n d u s t r i a l i z a t i o ni s p r o p o s e d t h e ne c o n o m e t r i ca n a l y s i so np o w e re n e r g yi n t e n s i t yi su n d e r t a k e nt op r o v i d eg u i d ef o r t r e n do ff u t u r ee n e r g yi n t e n s i t y 3 e l e c t r i c i t yd e m a n dm o d e l sb a s e do nc o i n t e g r a t i o nt h e o r ya r es t u d i e d ，an o v e l d y n a m i cp r e d i c t i o nm o d e lf o ri n t e g r a t e ds e r i e sb a s e do ng r a n g e rc a u s a l i t yi sp r o p o s e d t h ev e c t o re r r o rc o r r e c t i o nm o d e lb a s e do nc o i n t e g r a t i o nt h e o r yi s e x p a n d e di nt w o p e r s p e c t i v e s ：t h ef i r s tb e i n gc o n s i d e r i n ge x p l i c i t l yc o - m o v e m e n to fc o i n t e g r a t e ds e r i e s i nv e c ma n dt h es e c o n dc o n s i d e r i n gr e g i m es w i t c h i n gs u c ha ss t r u c t u r ec h a n g ea n d d i s s y m m e t r yi nb u s i n e s sc y c l ei nv e c ma n da r ea p p l i e di np o w e rd e m a n df o r e c a s t i n g t h ec a s es t u d i e si n d i c a t et h ea p p l i c a t i o ne f f e c to ft h e s et w om o d e l s 4 r o u g hs e t s ( r s ) b a s e du n c e r t a i n t yd e c i s i o nr u l e sm i n i n gi sa p p l i e di np o w e r t t 华北电力大学博士学位论文 e n e r g ye c o n o m i c s t h eb a s i cm e t h o d sa n da p p l i c a t i o na l g o r i t h m so fr sa r ed i s c u s s e d a n dp a r t i c u l a r l yt w oc a s e sf o rp o w e re n e r g yi n t e n s i t ya n de n e r g yc o n s u m p t i o ng r o w t h r a t ei nc h i n aa r es t u d i e d 5 f r o mp e r s p e c t i v eo fm e t h o d o l o g y , t h er e s e a r c ho nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n e l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o na n de c o n o m i cg r o w t hi sd e s c r i b e d ：( 1 ) i n t e l l i g e n te n g i n e e r i n g ， t h ef o u n d a t i o no ft h es t u d y , i sd i s c u s s e da n dp r o v e db ym o d e lt h e o r y a l s oa l g e b r a sf o r s u b s p a c e c a l c u l a t i o na r ed e f i n e d p r e l i m i n a r i l y ( 2 ) b a s e do nd o m a i na n de x p e r t k n o w l e d g ea n di n s p i r e db yc o m p u t e ra u t o m a t i cm o d e ls e l e c t i n ga l g o r i t h m ( p c g e t s ) ， p o w e re c o n o m e t r i cm o d e li d e n t i f i c a t i o np r o c e s si ss t u d i e d t h ec o m b i n a t i o no f e c o n o m e t r i ca n a l y s i sb a s e d “m o d e lm i n i n g ”a n dl o g i cb a s e dr o u g hs e t r u l e sm i n i n g ”i s s t u d i e d i n t e l l i g e n te n g i n e e r i n gd e s c r i b e sb o t hp r o c e s s e s k e yw o r d s ：e l e c t r i cp o w e re c o n o m i c s ；e c o n o m e t r i ca n a l y s i s ；e m p i r i c a ls t u d y c o - i n t e g r a t i o n ；r o u g hs e t ；i n t e l l i g e n te n g i n e e r i n g i i 声明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文电力与经济发展关系研究方法、 实证与预测，是本人在华北电力大学攻读博士学位期间，在导师指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外。本学位论文的研究成果 不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。 签名：一：耋盔鱼日期：巡侈 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： 日 期： 盔垒坠导师签名：土世墅 p 4 碰：一i f 日 期：妇遂：! 拿 华北电力大学博士学位论文 1 1 课题研究背景和意义 第一章绪论 电是现代工业文明的标志，是生产的基本投入品和人民生活的必需品。随着经 济的发展，电力行业在国民经济中扮演着越来越重要的角色。由于电力在国民经济 中的基础作用、电力商品的特殊属性和电力行业投资周期长等特性，电力供应能力 建设必须要从长远出发，科学规划、平稳发展。以电为中心来安排能源规划与建设 是中国社会经济发展的客观要求，是一项长期战略任务。 2 0 0 3 年我国人均g d p 跨过1 0 0 0 美元大关，经济进入全新的发展阶段。世界经 验表明：人均g d p 跨越1 0 0 0 美元的国家一个需要着力解决的问题是能源发展战略 和能源安全供应。在新的经济发展阶段，电力的安全供应问题无疑具有了更为追切 的意义。 建国以来的电力供应直在绝对短缺与相对过剩之间徘徊。1 9 9 7 年亚洲金融危 机后，随着经济发展速度的放慢，我国告别电力短缺进入了一个电力相对富余的阶 段。电力行业发展政策随之调整，电力建设速度放慢。2 0 0 0 年以来电力需求走出低 谷，用电量连续四年快速增长，严重缺电的局面再度出现。2 0 0 4 年我国拉限电省份 有2 4 个，全国电力缺口超过3 1 0 0 万千瓦。严重的拉限电不但给国民经济的正常运 行带来了明显的不利影响，还威胁电网安全运行。另一方面，2 0 0 2 年电力体制改革 以来，持续缺电的局面激发了发电项目建设进程的加快。根据国家发展与改革委员 会的统计，至2 0 0 5 年初全国违规开工项目总计达1 2 5 亿千瓦，很大程度上出现了 电力建设的盲目无序局面。电力建设发展超越国民经济需要，不仅对国民经济造成 很大的浪费，而且对环境、资源产生无谓的压力。无论是短期还是长期，都不利于 国民经济和电力行业自身的可持续发展。 电力发展与国民经济发展的不配套，暴露出我国电力经济关系理论研究的不 足。电力体制改革后，随着市场竞争的引入，电力规划面临着缺乏一个统一的规划 主体、各利益主体利益不一致等问题，国家更有必要从宏观层面上统一部署、科学 规划，这样才能引导电力行业的良性发展。 科学规划的前提是对电力需求的正确判断，而其基础则是对电力需求与经济发 展内在关系的科学认识。鉴于我国所处的经济发展阶段和电力市场化的逐步深入， 这问题的解决将直接影响中国经济发展阶段的顺利跨越。因此有必要分析电力需 求随着经济发展的变化特征，研究电力需求与经济发展的内在关系，为电力需求分 析与预测提供理论指导。本论文工作就是要深入研究中国电力需求与经济发展之间 的内在关系；在此基础上进行应用研究，为电力需求分析提供方法指导。 第一章绪论 1 2 电力经济关系研究综述 1 2 1 电力需求与负荷预测方法研究综述 预测是科学决策的基础。电力经济关系研究的起点是电力需求( 负荷) 预测。 2 0 世纪8 0 年代，中长期电力需求预测的理论研究开始兴起，尤其是在发达国家， 一系列预测方法，如自回归法、移动平均法、指数平滑法、自回归移动平均法等时 间序列分析方法被成功地提出并在电力需求预测中得到广泛的应用。从国外研究情 况来看，由于发达国家电力负荷与需求发展趋于稳定的缘故，当前关于中长期的研 究远远少于短期的研究。就中国而言，是两方面并重“1 。不同与西方发达国家的是： 中国的经济发展速度非常快，而且社会经济结构本身在发生着深刻变化。预测快速 增长经济中的电力需求具有挑战性，这要归因于增长的性质、社会经济条件、特殊 事件的发生等方面”1 。因此应用这些经典方法预测中国的中长期电力需求是很困难 的，国内的众多学者积极探索，提出了许多新的电力负荷与需求预测方法。 在中长期预测中，除传统的序列预测方法外，模糊理论、专家系统等方法均被 应用。而在短期负荷预测中，应用最为广泛、研究最多的是人工神经网络。此外， 卡曼滤波、聚类分析等均有成功应用。在新方法的探索中，我国学者的热情很高， 分别采用了小波分析、人工智能中的事例推理、模糊集理论、混沌分形理论、数据 挖掘等进行预测方法尝试，取得了一些成果o 1 “。 各种新预测方法的提出，提高了我国电力负荷预测的理论研究水平。但预测的 最大缺陷是大多数预测方法大都局限于电力系统内部。除了一些相关分析方法外， 电力需求与负荷预测只考虑需求或负荷自身的历史信息。另岁 ，各种基于经济因素 的电力需求模型个内涵假设是电力与经济之间存在着某种稳定的相关关系。然而 对于这种关系进行实证检验的研究不多，尤其是对中国的情况进行系统研究的更少 。”1 。这说明现有的需求预测理论，缺少电力经济关系研究的理论支撑。 1 2 2 电力经济相关性分析研究综述 电力经济相关性最直接的表现是弹性系数。电力弹性系数一直是国内许多研究 人员讨论的热点“”“3 ，但是这些讨论都是基于统计数据来分析电力与经济的经验关 系，没有采用更加规范严谨的方法对弹性系数进行检验。另外，弹性系数本身是随 着经济发展水平而不断变化的因素，只运用弹性系数进行需求分析存在着局限性： ( 1 ) 忽视了产业结构变化和能源效率提高对电力经济关系的影响；( 2 ) 假定经济 增长为已知1 。 文献“分析了1 0 0 多个国家电力消费与经济发展之间的相关性。结果表明，发 达国家比落后国家在电力消费与经济发展之间有着更强的相关性。而且，电力消费 华北电力大学博士学位论文 与经济发展的相关性要显著于总能源消费与经济发展之间的关系。其中，中国的电 力消费与经济发展的相关性是非常高的，并将这种相关性解释为工业化的作用。文 献“ 认为传统的相关分析对数据的统计假设要求过高，因此提出运用灰色关联理论 进行电力经济相关性分析，并运用灰色关联度分析了能源消费与经济发展的关系。 但系统分析中国电力经济相关性的文献还不多见。 电力经济相关性的另一研究层面是计量分析。最早的研究工作是对美国t 9 4 7 年到1 9 7 4 年的g n p 与能源消费关系的分析“”，研究表明在g n p 与能源消费之间 存在着单向的格兰杰关系。然而，文献 1 9 3 缩短了文献 1 8 的样本范围，重新计量 分析的结果却没有复制这关系。后来，学者采用计量经济学方法中流行的“单位 根检验”和“协整”模型来分析经济与电力( 能源) 消费之间的关系。y u 和j i n 运 用e n g l eg r a n g e r 两阶段方法估计了美国于1 9 7 4 1 9 9 0 年的这种关系；s t e r n 运用了 四因素( g d p 、劳动、资本和能源) v a r 模型并将数据扩大到1 9 4 7 1 9 9 0 年o “。c h e n g 和l a i 将j o h a n s e n 方法运用于中国台湾1 9 5 5 1 9 9 3 年的数据。“，y | a n g 进一步将该方 法应用于1 9 5 4 1 9 9 7 年的数据o “。s o y t a s 和s a r 将此方法运用于“七国集团”和除 中国以外的1 6 个新兴国家”。g e o r g eh o n d r o y i a r m i s 和s a r a n t i sl o l o s 运用向量误差 修正模型分析了希腊1 9 6 0 - 1 9 9 6 年间g d p 与能源间的关系”。计量分析的结果说 明了能源与经济之间存在着相关关系，但是计量分析对数据变化及样本期间非常敏 感，原始统计数据的处理方法不同可能会得出截然不同的结论。 近年有学者采用计量分析方法研究了中国大陆电力( 能源) 与经济关系o ”1 。 林伯强的研究认为，1 9 7 8 - - 2 0 0 1 年间g d p 电力弹性系数估计为o 7 8 ，而1 9 5 2 - - 2 0 0 1 年间的为o 8 6 。他将这种差异解释为能源效率提高与经济结构变化“圳。史丹也用 效率提高来解释上世纪9 0 年代我国能源消费与经济增长的背离问题o “。然而林伯 强对1 9 9 7 、1 9 9 8 电力分别增长4 4 和2 8 的解释( 对应的g d p 增长分别为8 ，8 和 7 8 ) 却不令人信服，基于计量分析结果给出2 0 0 2 - 2 0 0 5 年均电力增长6 7 的预测 也没能经过现实的检验，2 0 0 0 年以来电力弹性系数连续5 年大于l 。这说明，除了 电力与经济的长期稳定关系，短期波动关系同样值得关注。并且，短期波动之间的 联系实质上可以归结为周期项间的关系，且短期波动对电力的长期供需关系有着重 要的影响。但是目前为止，系统研究中国电力与经济短期波动之间联系的工作还不 多见。最后，在经济发展跨越不同阶段时，仅说明长期关系不能满足实际需要。电 力需求增长与经济发展的关系可能由于经济周期的存在而表现出非对称性，目前尚 没有这方面的研究工作。 因此，中国电力经济关系计量分析已有较好的研究基础，但还不够深入，应从 主要研究的思路中探析原因。所有的计量分析都是研究经济价值量与能源消耗物理 量之间的关系，且大都为经济总量对电力消费总量的关系研究。对西方发达国家而 言，经济统计数据质量较高，研究结果具有较高的可靠性。但如果能够迸一步从结 第一章绪论 构变化与整体分解的角度去进一步研究更有利于把握电力与经济的整体关系。对中 国而言，统计数据经常调整造成了经济计量分析的难度，在研究方法上需要突破计 量分析方法框架的约束，寻求新的研究恩路。 中国电力经济相关性研究的不足还体现在，当前的研究主要是从实证角度分析 两者之间的相关关系，没有解释这种相关性随着经济发展的变化特征。事实上，正 是经济发展过程中产出结构、需求结构等的变化引发了电力需求的变化，因此需要 进一步研究电力经济关系在不同经济发展阶段的变化特征，这对电力政策、需求预 测、电力规划都是非常有益的。 1 2 3 电力( 能源) 经济模型研究综述 当前世界各国还很少为电力与经济建立专门的模型，一般是建立包括电力需求 在内的能源经济模型。最有影响力的模型有美国e i a 的美国国家能源模型系统 ( n e m s ) ( 以下简称e i a 模型) 。”圳和国际能源署( 1 e a ) 的m a r k a l 模型。矧。由 于m a r k a l 模型的主要功能是能源规划，这里主要评论e i a 模型。 e i a 模型是建立能源子系统与其外部环境( 经济系统) 关系的模型系统。”“3 。 它以宏观经济模型生成的滚动年度经济预测为基础，分析经济系统变化引发的各能 源需求变化，包括居民能源需求、商业能源需求、运输能源需求和一二产能源需求， 然后把各子能源需求按能源品种加总后转化为对煤炭、石油、电力等不同能源类型 的需求。模型建模的核心在于如何把经济变量转化为能源需求，这里主要阐述实现 思路。 首先，宏观经济活动( m a m ) 子模块进行年度经济预测，在给定人口、货币供 应、能源价格与供给数量、主要贸易国g d p 等外生变量的情况下进行年度经济预测， 主要的输出变量是国民总产出( g d p ) 、消费支出、投资支出、进( 出) 口、收入、 利率、价格水平等主要宏观经济指标。其中消费支出、投资支出和出口按照产品类 别分别预测总产出。然后，根据按产品类别预测的投资支出、消费支出和出口预测 各行业的总产出。一个关键的技术是产值分配桥矩阵，即通过按产品类别预测的g d p 最终支出向量乘以该矩阵求出行业的最终需求向量。 f = h + g 其中f 为行业最终需求向量；h 为产值分配桥矩阵，将国民经济最终需求分配 到生产这些产品的行业；g 为g d p 。 另一个关键技术是投入产出等式，它把行业最终需求转化为行业总产出。 a 4x + f = x 其中a 为直接投入系数矩阵，f 为行业最终需求，x 为行业的总产出。计算出 行业总产出后，接下来预测行业的各种能源产品需求。如对二产能源需求，进行了 能源密集型与非能源密集型行业的划分，对能源密集型行业根据行业生产环节中的 4 华北电力大学博士学位论文 能源需求分类( 建筑用能、生产加工用能、锅炉热联产) 按照技术经济关系进行预 测。 e i a 模型系统是建立在比较完备的宏观经济模型基础上的，其宏观经济模型是 在著名的d r i 宏观经济模型的基础上根据能源建模的需要改造而成的。d r i 模型的 最大特点是：结构细致；变量关系复杂，包含了9 7 4 个内生变量和2 8 6 个外生变量； 且进行了细致的行业细分；包含多种政策分析工具。适合进行财政、货币政策分析 3 ”。但是该模型需要大量详实而完备的经济统计数据，这样才能建立宏观经济计量 方程，对主要的宏观经济变量进行预测。模型中的两个关键技术：产值分配矩阵和 投入产出矩阵之所以适用，也是因为有完备的统计调查数据以及经济结构与技术进 步趋于稳定。由于美国的经济发展已经趋向稳定，经济计量分析一般能比较准确地 预测经济发展速度。但即便如此，宏观经济预测的准确性一直以来就是颇受争议的 话题。国际权威期刊宏观经济2 0 0 2 年曾出版了一期针对宏观经济预测的特辑”“， 其中r o b e r tf i l d e s 与h e r m a ns t e k l e r 以英美两国的宏观经济预测为例，对宏观经济 预测的现状进行了细致分析，认为当前的宏观经济预测研究对于预测精度关注太 少，经济预测的现状需要改进。 中国的宏观经济建模工作起步比较晚，但有了一定的基础o ”。但是，只用宏观 经济模型准确预测中国的经济增长面临着许多困难。首先是中国的经济发展速度非 常快，而且经济结构的变动非常大。实际上，m p c l e m e n t s 认为，影响经济模型准 确性的最大问题不在于模型本身，经济内在结构的变化是难以用模型来预测的。他 认为，指望通过经济模型来预测经济体中的结构变化是不现实的，结构变化属于随 机冲击是不可预测的。因此充分利用人的经验判断，对改进经济预测是非常重要的 ”。另外，建立电力需求分析模型应充分考虑结构变迁因素，这也是电力经济分析 时应该汲取的经验。 1 3 复杂系统问题研究方法进展 电力经济关系研究属于复杂问题，而且中国面临着数据缺乏、数据不准确等一 系列现实难题，因此电力经济关系研究需要系统理论的方法论指导。从定性到定量 的综合集成方法是钱学森提出的解决开放复杂巨系统问题的方法论”3 。其实质是 将专家群体、数据和各种信息与计算机技术有机结合起来。相应的研究工具是综合 研讨厅“”1 。综合研讨厅提供了专家研讨的一个电子信息系统，如何融合专家判断 与模型和数据还是需要深入研究的课题。文献“”“1 讨论了复杂系统建模与仿真的方 法，认为由于复杂系统的病态结构、难以模型化等特点，复杂系统在建模和仿真时 需要对切能利用的信息源加以集成，对一切能利用的先验知识、专家经验和观测 数据加以利用。复杂系统建模不能通过演绎推理、只能采用归纳推理的方法实现。 第一章绪论 文献“”提出了智能工程的理论框架。智能工程中提供了多种知识表达方式， 包括基于产生式规则的知识表达、基于神经网络泛化映射的知识表达和基于模糊集 合的知识表达。定义了问题、智能路径、智能等式、智能空间、子空间等理论框架 与概念。智能工程区别于一般的混合人工智能研究方法的关键在于，它提供了一个 协同解决复杂问题的空间，并且人能够积极参与问题解决过程。智能工程理论在电 力规划、电力经济模型、电力负荷预测等方面已有比较成功的应用“”刚。智能工程 是本文研究的方法论基础，但是智能工程还是一个刚刚起步的理论，其理论体系有 待发展。例如，如何在智能空闻中定义算子，如何将子空间求解路径融合到全局空 间中去，都是需要研究的问题。 粗糙集”5 7 3 作为一种处理不精确、不确定与不完全数据的新的数学理论，最早 是由波兰数学家z ，p a w l a k 于1 9 8 2 年提出的。粗糙集理论是建立在分类机制的基础 上的，它将分类理解为在特定空间上的等价关系，而等价关系构成了对该空间的划 分。粗糙集理论将知识理解为对数据的划分，每一被划分的集合称为概念。粗糙集 理论的主要思想是利用己知的知识库，将不精确或不确定的知识用已知的知识库中 的知识来( 近似) 刻画。该理论与其他处理不确定和不精确问题理论的最显著的区别 是它无需提供问题所需处理的数据集合之外的任何先验信息，所以对问题的不确定 性的描述或处理可以说是比较客观的，由于这个理论未能包含处理不精确或不确定 原始数据的机制。所以这个理论与概率论、模糊数学和证据理论等其他处理不确定 或不精确问题的理论有很强的互补性。但是其只从数据中挖掘规则的方法基础决定 了其可以与从领域专家获取专家规则的方式相结合。 粗糙集作为一种新的软计算方法，其方法体系正在完善之中，目前还没有标准 的粗糙集定义。在基本的p a w l a k 粗糙集理论基础上，经过与其他方法的交叉，目前 已发展了基于近似关系的粗糙集理论、变精度粗糙集理论、模糊粗糙集理论、概率 粗糙集理论等”。粗糙集理论已在经济分析“”、电力需求预测“”等方面有了不少成 功应用。粗糙集理论最为活跃的应用领域是知识库的知识规则提取“”“1 。 本论文的研究设想就是：基于中国电力经济关系研究的现实基础和实际困难， 以电力经济关系计量分析为基础，并考虑如何在计量分析中纳入周期、变结构等因 素，提高计量分析的效率；将电力经济关系研究与电力需求分析有机结合，为电力 需求预测模型奠定电力经济关系的理论基础：以粗糙集智能决策规则提取并来改进 电力需求预测的决策支持；丰富智能工程的理论基础，在智能工程的方法论下，研 究如何将计量分析与决策规则提取融合在一起，为实际应用提供方法指导。 华北电力大学博士学位论文 1 4 课题研究内容与篇章安排 1 4 1 课题研究内容 本课题包括电力经济关系方法、中国电力经济关系实证分析与电力需求预测分 析三方面的研究，最后运用智能工程的理论对其进行理论描述。 理论方法研究与实证分析部分包括：电力需求与经济增长的总量相关性分析， 基于协整理论从时域与频域格兰杰关系两个方面深入研究电力消费与经济增长的 内在关系；电力需求与经济发展的关系，运用结构分解技术和计量分析模型分析电 力需求、电力单耗变化与经济结构的关系。 在理论方法与实证分析的基础上，基于协整理论研究电力需求计量模型。并基 于粗糙集进行了决策规则发掘，分析验证预测模型结果。最后，拓展智能工程的理 论体系，基于智能工程的方法论阐述电力经济关系研究的理论思路。 1 4 2 论文篇章安排 本文共分为十章。 第一章绪论 介绍课题研究背景及意义，分析了电力经济问题研究现状及存在的问题，针对 中国的实际情况讨论了现有方法的缺陷，提出论文研究思路与设想。 第二章基于时域协整的电力消费与经济发展关系研究 讨论了针对单整序列的协整理论，讨论了格兰杰表示定理与格兰杰关系检验， 重点讨论了基于协整的向量误差修正模型( v e c m ) 。基于协整与格兰杰因检验研究 了中国电力消费与经济发展的研究。 第三章电力消费与经济发展的周期关系研究 研究频域范畴的格兰杰关系检验；基于频域格兰杰关系检验理论研究了中国电 力波动与经济周期的关系。提出了一种基于小波分析的、基于时域格兰杰关系理论 的频域格兰杰因检验方法，进行了算例研究和对比分析。 第四章经济发展、工业化与电力消费 运用指标分解理论分析了经济发展、工业化和电力需求的关系。利用计量模型 建立了第二产业产值单耗和g d p 单耗与经济发展水平、经济结构的关系。 第五章基于协整的动态模型及其在电力需求预测中的应用 在第二章的研究基础上，讨论了基于协整理论的三类动态模型，包括自回归模 型、多元回归模型( 多变量协整) 和分布滞后模型( a r d l ) 在电力需求预测中的 应用。提出了一个基于互格兰杰因关系的单整序列动态预测新方法，并进行了算例 研究。 第一章绪论 第六章计及共同周期的v e c m 模型及其在电力需求预测中的应用 在第二、第三章的研究基础上，首先讨论如何在v e c m 模型中施加共同周期限 制，介绍了计及共同周期的v e c m 模型检验与估计方法。以中国电力需求预测为实 例进行了算例研究。 第七章马尔可夫变结构模型( m a r k o vs w i t c h i n gm o d e l ) 及其在电力需求预测中 的应用 在第二章、第四章的研究基础上，讨论如何在线性模型中考虑结构变迁，分析 了马尔可夫变结构向量自回归模型( m s v a r ) 和其非平稳过程的拓展马尔可 夫变结构误差修正模型( m s v e c m ) 。以中国电力需求预测为例进行了算例研究。 第八章基于粗糙集的电力需求分析决策支持方法研究 介绍了粗糙集理论与方法。以中国电力需求增速和单耗变化趋势这两个案例介 绍了该方法在电力需求分析中的应用。 第九章智能工程及其模型论阐述 进行了以下三方面研究：利用模型论的研究成果证明了智能工程中多子空间求 解思路的可行性，并初步定义了对于空间路径进行融合的算子，完善了智能工程的 理论基础；基于计量模型设计的领域知识和专家经验，在经济模型自动识别算法 ( p c g e t s ) 的基础上，研究了电力需求计量模型的选择过程，将基于计量分析的模 型发掘与基于逻辑计算的粗糙知识发掘有机结合；最后，运用智能工程对以上电力 需求分析思路进行了理论描述。 第十章结论 本文各章间的联系可用图1 1 来表示。 1 5 课题研究的主要创新 本文研究的主要创新点有以下五个： 1 、系统研究了中国电力消费与经济增长的关系，从时域与周期两个角度对电 力消费与经济发展的总量关系进行严格检验。研究认为中国电力消费与经济发展存 在着“共同趋势、共同周期”的发展特征，对于电力规划和宏观经济决策具有政策 意义。 2 、提出了种基于小波分析的协整系统格兰杰关系检验方法，该方法可定性 地检验时间序列的不同频率分量对建立序列间格兰杰因与协整关系的影响显著性。 3 、提出了种基于互格兰杰因的单整序列动态预测方法。 4 、将基本向量误差修正模型的两方面拓展，考虑共同周期和考虑结构变迁， 应用于电力需求计量分析。 5 、对智能工程的理论框架进行了拓展。运用该方法，对电力经济关系研究作 华北电力大学博士学位论文 了方法论上的表述。 图l i 论文篇章安排与章间联系示意图 9 第二章基于时域协整的电力消费与经济发展关系研究 第二章基于时域协整的电力消费与经济发展关系研究 2 1 引言 过去二十年来，电力消费与经济发展关系这一研究领域涌现出了大量的研究文 献。总的结论是电力消费与经济发展之间存在着强联系。例如，文献【6 2 j 以1 0 0 多个 国家的数据为基础研究了电力消费与经济发展的关系，结论是总体上电力消费与经 济发展间存在着强相关性。然而，电力消费与经济增长间的强相关并非是“因果关 系”。电力消费与经济发展之间的关系可能是电力消费促进经济增长，也可能是经 济发展带动电力消费。这一问题需要进一步研究。无论是电力消费促进经济发展， 还是经济发展引领电力需求，任一关系都对中国的电力发展政策有重要意义。 正因为认识到电力在国民经济中的基础性作用，电力消费与经济发展的关系研 究近年来成为了国际上研究的热点【1 8 。2 8 “3 1 。主要的研究方法是基于协整理论的格兰 杰关系检验。中国电力经济关系由于受电力供应与需求的周期性振荡局面的影响， 一直为国内外学者和政策层所关注，而近年来的持续缺电更是激发了更多的研究热 情。但是运用协整方法检验中国电力经济关系的研究并不多见【2 “2 3 j 。更为重要的是， 由于缺乏对实证分析结果的深入分析和检验，一些实证研究结论也没有得到一致的 认同。基于这样的现状，本文首先系统阐述了协整理论，讨论了应用该方法应注意 的问题。然后以该方法检验了中国自改革开放以来的电力经济关系，利用方差分解 分析了计量检验结论的鲁棒性。并从经济的产出结构和使用结构分析了该计量关系 存在的现实基础，系统地解释了本文对于中国改革开放以来电力消费与经济发展关 系计量分析结果的合理性与可信度。特别她，一现有研究大都讨论电力与经济两者在 长期趋势上的关系，本章更进一步，研究发现两个时间序列在短期波动上也存在协 整关系，提示我们应进一步从周期波动角度研究中国电力消费与经济发展的关系。 2 2 协整理论 在经济学文献中，两个( 或多个) 变量的长期( 静态) 均衡关系被称为协整关 系。协整是一个强有力的概念。虽然单个序列可能是非平稳的，这些序列的矩，如 均值、方差、协方差随时间变化，而这些序列的线性组合却可能有不随时间变化的 性质。 协整的准确定义为：k 维向量x t 的分量间被称为( d ，6 ) 阶协整，记为。，_ c i ( d ，b ) ， 如果满足以下条件： ( 1 ) 。，寸j q ) ( 2 3 存在非零向量a ，使得口寸，p b ) ，0 6 墨d 。 兰! ! 皇垄奎兰堡主堂垡堡壅 _ _ _ 。_ _ _ _ 。- _ _ _ _ _ h - _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ - 。- _ - _ _ _ 。1 。一一 则简称工r 是协整的，向量口被称为协整向量。 协整理论并不能处理所有非平稳序列，它能检验的是单整序列( i n t e g r a t e d s e r i e s ) 的关系问题。因此本部分首先讨论单整序列及其检验，接着讨论协整及其检 验，最后介绍基于协整的误差纠正模型( e c m ) 。 2 2 1 单整与单位根检验 2 2 1 1 单整 非平稳序列中的一类序列可以通过差分运算，得到平稳序列。设有数据生成过 程( d a t ag e n e r a t i n gp r o c e s s ，d g p ) ， y ，= ，一1 + “，y 。= 0 峨- l