中国电力可持续转型的效率与潜力是多少?省级数据的实证分析

刘平阔, 刘琪琪, 冷雅彬

(1.上海电力大学 经济与管理学院,上海 200090; 2.国网浙江省电力有限公司 舟山供电公司,浙江 舟山 316000)

0 引言

随着全球能源安全问题和环境保护问题日益严峻，以“可持续转型”为核心的能源发展模式已经引起了各国政府、企业与学者的高度关注[1～3]。其中，电力绿色低碳发展成为了实现“双碳”目标的主要战场；因此，电力转型也成为了中国能源转型的核心工作和重要环节[4]。本文聚焦中国“高质量发展”过程中的电力可持续转型问题，以“转型效率”和“转型潜力”为切入点，测算“效率-潜力”空间，度量投入-产出过程中实现电力可持续转型的科学合理性，重点回答“中国电力可持续转型的理性预期是什么”，以期为进一步顺利且深入推进中国电力可持续转型提供政策建议及决策参考。

1 文献综述

目前针对能源转型的成果相多，但聚焦电力转型的研究相对较少[5,6]，部分国外学者探讨了电力系统向可再生能源转型的投资方案设计评估以及低碳经济转型的目标预测[7～9]。国内学者对于电力转型问题的研究主要多集中于政策建议、路径选择等方面[10～12]。近年来，也有部分学者探讨了高质量发展情景下的电力转型目标与实现路径[13,14]。有学者认为电力效率和可再生能源技术是电力转型的核心要素[15]。在量化分析方面，Yang等[16]和Cheng等[17]学者利用坏产出SBM(Slack Based Measure)模型分别测算了中国以及东北地区的能源效率，并通过节能和减排的目标改善值来实现电力转型效率改善[18]。此外，电力转型的研究多以转型措施和影响因素等方面为切入点[19]；最为相近的成果大多集中于开发潜力、供电潜力以及经济效益潜力等方面。一些学者将“潜力”作为目标结果而开展了研究，如：OUDES等[20]利用空间转型分析将能源开发潜力的模型和可再生能源技术选址的定性考量与多情景比较开发模式相结合；周磊等[21]从电量、功率、供电时间等角度提出清洁能源供电潜力评估体系。另一些学者将“潜力”作为工具过程而开展了研究，如：张生玲等[22]评估了电力部门的经济发展潜力以及间接能源效率收益。

据此，本文锚定电力可持续转型效率与潜力的测算，并对影响DEA(Data Envelopment Analysis)效率值的影响因素进行分析，将DEA方法[23]与基于效率的熵权法-TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution)相结合，解决传统DEA模型无法对有效DMUs(Decision Making Units)进行排序的问题，从而实现对各区域电力可持续转型“效率-潜力”空间的排序。

2 研究方法

2.1 概念界定

依据研究目的，界定如下三个重要概念：

(1)电力可持续转型效率，是指各区域电力部门实现投入-产出结构性优化效率，即实现转型预期的速率。

(2)电力可持续转型潜力，是指利用电力可持续转型效率“实际水平”与电力可持续转型效率“期望水平”的差值表示“转型潜力”，即实现转型预期的胜任能力。

(3)电力可持续转型的“效率-潜力”空间，即在发展预期既定的情况下，利用转型的最优效率期望表示。

2.2坏产出动态DEA模型

为测算电力可持续转型的效率，引入坏产出动态DEA模型；坏产出动态DEA模型即为动态DEA模型与SBM模型的结合。

设定1有n个DMU(j=1,2,…,n)和T个时期(t=1,2,…,T)。在各时期内，DMU有(m-1)个投入要素(i=1,2,,m-1)、s个期望产出(r=1,2,…,s)、1个坏产出和1个跨期活动变量。通常情况下，在标准DEA模型中，将“坏产出”处理为投入要素。

设定2xijt为t时期第j个DMU第i个投入要素的数量，yrjt为t时期第j个DMU第r个期望产出的数量，zigt为t时期第j个DMU的跨期活动变量数量。

则存在关系:

(1)

(2)

(3)

此时，t时期和(t+1)时期之间的连续性可表示为:

(4)

因此，若投入和产出均在无导向模式的条件下，则DMU效率求解可表示为:

(5)

(6)

2.3 熵权法-TOPSIS模型

为测算电力可持续转型潜力并对中国各省市进行排序，引入熵权法-TOPSIS模型。

设定4将DMU作为评价客体，则存在n个客体可表示为Q1,Q2,…,Qn；l个评价指标P1,P2,…,Pl；eij为第j个评价客体Qj的第i个评价指标Pi的数据值，其中i=1,2,…,l,j=1,2,…,n。则一个多属性决策问题可表示为由E=(eij)n×l和ωj组成的初始化决策矩阵。TOPSIS方法的测算步骤如下:

(1)建立规范化矩阵Z(zij)n×l(无量纲化)。

(7)

(2)计算加权矩阵G=(gij)n×l。

gij=ωjzij,i=1,2,…,l;j=1,2,…,n

(8)

(3)确定正理想点K+与负理想点K-。

(9)

当Pj视为“效益型”指标时，存在

当Pj被视为“成本型”指标时，存在

当E1,E2,…,En均为正向指标时，各评价对象与正、负理想点的联系度计算方法如下：

(4)计算待评价客体Qj与正、负理想点的欧式距离。

(10)

(5)计算待评价客体Qj与理想点的相对贴近度。

(11)

其中，cj越大，待评价客体Qj越接近理想点，可根据cj大小进行优劣排序。

3 数据及分析

3.1 指标体系与数据来源

针对“效率”，目前多基于“投入-产出”的角度[24]；虽然该类指标属于结构性影响要素，但通常会忽视“政策”因素的贡献。因此，本文将从3个方面考察电力可持续转型效率：①输入/投入性指标；②输出/产出性指标；③跨期活动变量性指标。由此归纳坏产出动态DEA模型指标体系具体如表1所示。

表1 坏产出的动态DEA模型指标体系

(1)投入变量——利用主成分分析法(Principal Component Analysis)将“电力消费量”、“可再生能源生产比例”和“发电量”作为电力综合输入变量引入模型。其中，为保证市场均衡和方案可行性，选取“电力消费量”(而非“电力生产量”)作为模型的输入。“可再生能源占比”越高，则表明能源替代能力越大。同时引入了“资本投入”和“技术投入”作为输入性指标变量。

(2)产出变量——以“碳排放总量”反映环境影响情况，并作为模型的坏产出指标。为考察“高质量发展”过程中电力转型情况下经济的动态变化，将“区域GDP”作为产出变量引入模型，主要包括“居民消费”、“企业投资”、“政府购买支出”以及“进出口差额”，以2008年为基期计算，单位为亿元。

(3)跨期活动变量——“政府支持力度”对于驱动型结构性电力转型的能源要素优化配置具有直接影响，且在一定程度上决定着电力高质量转型的动力方向与程度水平。由于政府支持力度在短期内无法体现明显作用，因此本文将它作为跨期活动变量引入模型中，以2008年为基期计算，单位为亿元。

本文选取“十二五”和“十三五”期间的数据作为变量范围，且全部数据均来自于2008～2019年间的《中国电力统计年鉴》、《全国电力工业统计数据》以及中国能源局数据等官方发布的公开性统计信息。通过信息整理和校对，得到中国31个省市(除中国台湾、中国香港以及中国澳门外)的基础数据；进而得到投入-产出以及跨期活动变量的数据特征分析结果。

3.2 区域电力可持续转型效率

3.2.1 效率测算

根据投入-产出以及跨期活动变量的数据，运用DEA-Solver Pro 5.0软件测算中国各省市的电力可持续转型效率，结果所示：①2009～2018年间中国31个省市的平均总体转型效率未到达0.50的中间水平(为0.413350)，表明在此间转型处于缓慢变化阶段，总体效率较低；②从平均转型效率的动态变化来看，各省市投入-产出的能源要素并未呈现出较为优质的资源配置效果；③尽管转型效率水平在2013年有大幅度地提升，但此后仍处于相对停滞状态甚至下降趋势。

从地理区位看，地处经济发达的沿海地区省市以及各直辖市电力可持续转型效率的平均水平普遍较高，而经济欠发达的中部以及西部偏远地区电力可持续转型效率的平均水平相对较低；其中，在2009～2018年期间，北京、广东、西藏的电力可持续转型效率一直处于最优前沿面上；重庆、河南和陕西的转型效率较低，主要源于资本和电力综合输入发展之间的“不平衡不充分”。

从“投入-产出”资源配置水平来看，经济发达地区的资源配置水平较高，而经济欠发达地区的“投入-产出”资源配置水平相对较差；从资本投入来看，沿海地区的资本投入在数额与增长速率等方面均远大于中部以及西部偏远地区；从技术投入角度来看，沿海地区作为电力负荷中心，新增装机容量在一定程度上仍占据优势，而其中新能源新增装机容量占比也不断提升。

3.2.2 效率分析

可测算电力综合输入、污染物排放坏产出、技术投入等指标的“要素效率指数”(Factor Efficiency Index，FEI)，分别对应“能源综合效率指数”、“污染物排放效率指数”以及“技术支持效率指数”。三类效率指数绝对值分别代表“电力可持续转型潜力”、“减排空间”以及“进步空间”。测算后得到可知：

(1)电力综合效率改进量的省间差异与动态变化

从电力综合效率改进量的省际差异看，空间最大的区域为黑龙江、吉林、江西、贵州、海南和宁夏，其改进量测算值均在60%以上；陕西、广西和甘肃的效率改进量较大，存在50%至60%的优化概率；改进量较低的区域为北京、上海、江苏、广东和西藏，与转型效率的表现基本一致。从电力综合效率指数的动态变化看，在2009～2014年一直处于剧烈波动状态；而2014年转型效率形势较为严峻，电力综合效率指数不降反升；从2015年开始呈现平缓下降的趋势；2016年效率指数最小(25.37%)，即电力可持续转型效果最优。

(2)污染物排放效率改进量的省间差异与动态变化

从污染物排放效率改进量的各省市间差异看，改进量最大区域为山东、天津、江苏、河南和内蒙古，其改进量均在10%以上；北京、广东和西藏的改进量较小。在2009～2015年期间各省的改进量变化呈现出波动性，但总体呈下降趋势。然而进入“十三五”规划后，期初的2016年平均改进量再次攀升；尽管2018年较2017年改进量略微降低，但在2016～2018期间仍保持在一个较高的污染物排放空间水平，说明各省所面临的减排形势依然严峻。

(3)技术支持效率改进量的省间差异与动态变化

从技术支持效率改进量看，山东、天津、安徽、贵州改进量较大，技术支持效率改进量均在14%以上；北京、广东和西藏的技术支持效率改进量较小。从技术支持效率改进量的动态变化看，整体呈现先降后升，逐渐趋向平缓的势态。技术支持效率改进量在2009～2014呈现下降的趋势，而2017和2018年效率改进量再次出现较小幅度的效率改进量回落，表明近年来新增装机容量仍在平稳中保持较缓慢的上升趋势。

3.3 区域电力可持续转型潜力

本文将通过各指标松弛改进量总和构成改进后的转型潜力评估决策矩阵，进而在目标实现与技术可行的前提下，改进后的各属性指标值越小，则表明电力转型过程越有序协同。排序后的结果如表6所示：“政策支持力度”、“技术投入”、“资本投入”和“电力综合输入”的权重均大于0.15，且其综合权重之和为0.824；因此该四项指标的程度水平对各省市的电力可持续转型“效率-潜力”具有重大的影响。

表6 各指标的权重与熵值

据此，构建加权后的决策矩阵。确定正理想点K+与负理想点K-：

K+={345.56,0.05,198.38,11313.92,453.50,190.52}K-={0,0,0,0,0,0}

计算各省市与“理想点”和“负理想点”的联系向量距离、与理想点的相对贴近度。据此，可将31个省市的电力可持续转型空间根据“效率-潜力”空间值的大小划分为4类，如表8所示：第一类“优质空间”区间的特点是电力可持续转型的优势明显、阻力较小，具有的经济发展空间大、污染物排放量小；第二类“过渡空间”区间的省市特点是处于该阶段的区域，电力可持续转型“效率-潜力”空间的优势开始减弱、转型阻力开始增加；第三类“一般空间”区间的特点是“效率-潜力”空间的优势进一步减弱、阻力进一步增强；第四类“勉强空间”区间的特点是电力可持续转型“效率-潜力”空间最小，其经济发展水平高、能源消费量大、环保约束和政策支持强，新能源发展迅速，电力可持续转型已取得一定的成就，然而目前进入了发展停滞的瓶颈时期。

表8 各省市电力可持续转型“效率-潜力”空间值及分类

4 结论及政策含义

根据实证分析结果，得到如下结论:

(1)目前中国整体的电力转型仍处于较为缓慢的“量变”阶段，而其“质变”拐点仍未可期。首先，中国省际间的投入-产出仍存在配置失衡、政策仍为主要的驱动力，导致“量变”的进程一直处于延迟状态。其次，电力领域在时间、空间以及种类等维度上的优化效果并未完全达到帕累托最优。再次，各省的电力转型效率与潜力并未呈现明显的逆向分布，且整体转型效率较低、局部转型潜力有待开发。最后，各省市电力可持续转型“效率-潜力”空间的规模化演进受到制约，经济发展水平较高、能源消费量较大、环保约束和政策支持较强的区域推进电力可持续转型的效率较大但潜力较小，而大多数欠发达地区电力可持续转型的效率相对较小但潜力较大。

(2)从转型效率的时空二维动态差异视角分析，中国电力可持续转型在省际间仍存在着较为明显的“不平衡不充分”现象。全局而言，影响中国各省市电力可持续转型效率的最主要因素为制度性因素与经济性因素；局部而言，转型效率并未形成区域范围有效联动，经济发达的东南沿海地区省市的平均转型效率普遍较高，而经济欠发达的中部以及偏远地区的电力可持续转型效率的平均水平相对较低。此外，中国电力综合效率指数逐渐呈现平稳下降的趋势；技术支持效率改进量整体呈现先降后升，且逐渐趋向平缓的演进势态；污染物排放效率指数略微降低，但仍保持在一个较高的污染物排放空间水平，各省市面临的环境保护问题不容小觑。

(3)从转型潜力的多维度测评视角分析，现行的诸多投入-产出类诱因与政策性诱因，既是转型潜力存在的保障，又是转型潜力发展的限制。一方面，在各省市改进后的潜力评估矩阵中，政府支持力度、技术投入以及资本投入等指标对各省市电力可持续转型潜力的影响最为显著。另一方面，阶段性的转型预期相对固定，造成“效率-潜力”空间的规模可拓展性受到限制，导致转型潜力无法实现动态演进。在目前的转型阶段，仅侧重于政策支持力度、技术投入因素、资本投入因素以及电力综合输入因素而脱离了区域经济发展质量以及区域污染物排放问题的电力转型，无法在预期范围内实现可持续的电力高质量发展。

政策建议如下：一是以制度创新和技术创新为重要驱动力，通过转型效率提升，阶段性促进各省市在投入-产出过程中实现可持续的电力转型高质量发展。二是部分省市的转型效率在个别年份存在较大的跳动性，因此提高电力供给结构对能源需求变化的适应性和灵活性，将有利于加强电力可持续转型战略实施的连贯性。三是转型效率较高、电力供需市场规模较大的省市，要继续落实协同的发展策略，实现渐进式电力可持续转型；资源禀赋较丰富、转型效率较低的省市可有序加大投资开发力度，实现促进式电力可持续转型。四是根据各区域实际条件，制定有针对性的减排政策，削减重污染、碳密集型行业的过剩产能，重视能效，以市场为导向，逐步完善更清洁、更高效的电力系统。