基于兩階段DEA的農(nóng)村電網(wǎng)綜合運營效益分析研究

劉文靜付傳雄程鵬飛

(1.廣東科貿(mào)職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510430；2.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510610；3.遼寧省撫順市供電公司,遼寧 撫順 113000)

引言

農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟發(fā)展的根基，堅強農(nóng)網(wǎng)是農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要保障，為保障和促進農(nóng)民電力消費，減少農(nóng)民用電成本，通過農(nóng)網(wǎng)改造，推動網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和裝備水平升級，出臺一系列“電力惠農(nóng)”政策，如農(nóng)村用電優(yōu)惠政策，家電下鄉(xiāng)政策等。而做好農(nóng)村電網(wǎng)的效益評估，是農(nóng)網(wǎng)建設(shè)與改造驗收的重要一環(huán)，也是考核“電力惠農(nóng)”政策實施效果的重要手段。電網(wǎng)企業(yè)效益評估算法有層次分析法[1,2]、主成分分析法[3]、模糊綜合評價算法[4]、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析算法[5-8]等，算法各有優(yōu)勢，但DEA算法憑借著計算簡便，可同時處理多個部門、不同量綱的多個輸入、輸出指標(biāo)的評價，且不需要事先人為賦予指標(biāo)權(quán)重，在電網(wǎng)效益評估方面應(yīng)用廣泛。楊麗徙[9]運用C2R和C2GS2模型對水平年(2007年)和規(guī)劃年(2015年)8地區(qū)農(nóng)村電網(wǎng)進行效益評估對比，驗證了電網(wǎng)規(guī)劃方案的實施對投資效益提高效果顯著；宓天洲[10]運用DEA算法，根據(jù)配電網(wǎng)特征確定投入產(chǎn)出指標(biāo)和分析模型，提出一種以相對效率為導(dǎo)向的供電可靠性效率評價模型，實現(xiàn)對供電公司可靠性效率前沿的勾勒；王海燕[11]等以220kV及110kV電網(wǎng)、35kV及以下電網(wǎng)分別作為研究對象構(gòu)建投入產(chǎn)出評價模型，系統(tǒng)全面地評價了地區(qū)電網(wǎng)的投入產(chǎn)出效率；劉文靜等[12]提出采用DEA結(jié)合RBFNN對電網(wǎng)企業(yè)綜合運營效益分析研究，為決策者提供了決策依據(jù)，得到了較好的效果。

目前的農(nóng)網(wǎng)效益評估僅僅從電網(wǎng)建設(shè)角度進行指標(biāo)選取與量化評估，并未考慮農(nóng)網(wǎng)改造后以及“電力惠農(nóng)”政策對農(nóng)民生產(chǎn)的影響，考慮不夠全面，沒有從項目建設(shè)及后評價整個過程進行跟蹤評估。針對上述問題，本文通過全面分析農(nóng)網(wǎng)運營全過程，綜合考慮電網(wǎng)投資、電網(wǎng)運營特點、農(nóng)網(wǎng)改造成效、“電力惠農(nóng)”政策、農(nóng)民生產(chǎn)用電量等因素的基礎(chǔ)上，構(gòu)建農(nóng)網(wǎng)改造綜合評價指標(biāo)體系，并運用兩階段DEA模型，對某地區(qū)農(nóng)網(wǎng)改造實例進行效益評估，分析農(nóng)網(wǎng)改造效益低下的原因，并提出改進方向。

1 方法模型

1.1 數(shù)據(jù)包絡(luò)分析

數(shù)據(jù)包絡(luò)分析是將運籌學(xué)、管理學(xué)和數(shù)理經(jīng)濟學(xué)交叉融合，是一種計算相對效率的新方法，最基本的模型為CCR模型，應(yīng)用非常廣泛。在數(shù)據(jù)包絡(luò)分析理論中，被評價對象的有效性是由決策單元(Decision Making Unit，DMU)決定的，前提是決策單位必須是同質(zhì)的，即評價主體為同種類型，具有相同特性，且每個決策單元可有多個輸入指標(biāo)和輸出指標(biāo)，各個決策單元通過對輸出指標(biāo)和輸入指標(biāo)的比值進行計算分析，該方法由著名的運籌學(xué)家A Charnes等于1978年首次提出[13,14]。通過產(chǎn)出與投入的比率來確定有效生產(chǎn)前沿面，在前沿面上的決策單元都為相對有效，而落在前沿面之外的為無效DMU，計算各DMU與有效生產(chǎn)前沿面的距離，判斷各決策單元的有效性，對于無效的以及弱DEA有效的DMU，可將其投影到有效決策單元，給出改進大小和方向，形成新的有效前沿面，這一過程會產(chǎn)生很多有用信息，從而為決策者提供決策信息，提高生產(chǎn)效率[15]。生產(chǎn)前沿面如圖1所示。

圖1 DEA生產(chǎn)前沿面

在農(nóng)網(wǎng)改造過程中，涉及多個輸入指標(biāo)和輸出指標(biāo)，如人力、物力、資金、用電量等指標(biāo)，因此選用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析算法進行評估，同時，國網(wǎng)公司出臺電力“惠農(nóng)政策”，其中對農(nóng)民生產(chǎn)生活影響最大的就是農(nóng)業(yè)用電電價優(yōu)惠政策，農(nóng)業(yè)農(nóng)電電價普遍較低，因此，將電價作為一個投入因素，來考慮整個過程的效益評估是十分必要的。

1.2 兩階段DEA效益評價模型

農(nóng)網(wǎng)建設(shè)與改造涉及點多、面廣、歷時較長，目前仍然是電網(wǎng)公司的主要工作內(nèi)容，在進行農(nóng)網(wǎng)綜合效益評估時，考慮供電公司農(nóng)網(wǎng)改造的投入和直接產(chǎn)出，需分析農(nóng)網(wǎng)改造和“電力惠農(nóng)”政策對當(dāng)?shù)剞r(nóng)民產(chǎn)生的影響。電價政策是在電網(wǎng)建設(shè)與改造后，電力設(shè)備升級，電能質(zhì)量提高，農(nóng)村供電量滿足且大于農(nóng)村用戶及農(nóng)村企業(yè)用電需求時，才能夠看出電價政策產(chǎn)生影響，因此，本文將全過程評價劃分為2個階段，第1個階段為電網(wǎng)企業(yè)建設(shè)改造階段，第2個階段為營收階段，將第1個階段的產(chǎn)出，作為第2個階段的投入，兩階段效益評估系統(tǒng)[11]如圖2所示。

圖2 兩階段DEA評價模型示意圖

圖2中，2個階段系統(tǒng)為串聯(lián)組成，第1階段投入為X1,X2,...,Xn，中間產(chǎn)出為Y1,Y2,...,Ym，同時加入額外投入T1,T2,...,Tk，第2階段產(chǎn)出為Z1,Z2,...,Zj。

1.3 農(nóng)網(wǎng)效益評估指標(biāo)選取

選擇合適的評價指標(biāo)是對農(nóng)網(wǎng)改造進行DEA效益評估的前提和基礎(chǔ)。評價指標(biāo)不同，所得結(jié)果大相徑庭，同時指標(biāo)個數(shù)對結(jié)果影響較大，指標(biāo)個數(shù)過多，會增加有效決策單元個數(shù)，降低DEA模型的區(qū)分度，指標(biāo)過少，難以反映真實的評估效果，不利于發(fā)現(xiàn)問題，本文指標(biāo)選取個數(shù)滿足基本原則[18-20]：決策單元個數(shù)大于或者等于投入產(chǎn)出指標(biāo)數(shù)之和的2倍。

1.3.1 第1階段

從宏觀角度，農(nóng)網(wǎng)改造生產(chǎn)建設(shè)、老舊設(shè)備升級角度出發(fā)，投入指標(biāo)為資金、人力，直接產(chǎn)出為新增或者改造的變壓器容量及線路長度，原因是農(nóng)村電網(wǎng)改造，設(shè)備的升級改造，如換大變壓器或者因卡脖子現(xiàn)象，更換更大線徑，新增變壓器及線路，所以第1階段的投入產(chǎn)出指標(biāo)為圖3所示。

圖3 第1階段投入產(chǎn)出指標(biāo)

1.3.2 第2階段

從電網(wǎng)效益轉(zhuǎn)化，農(nóng)網(wǎng)改造帶來的直接用電量提升角度出發(fā)，將第1階段的產(chǎn)出——農(nóng)網(wǎng)升級新建與改造變壓器容量、新建與改造線路長度，加入“電力惠農(nóng)”政策中對農(nóng)民生產(chǎn)生活影響最大的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)電價，作為第2階段的投入，因在相同電壓等級下，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)電量電價比工業(yè)或商業(yè)電量電價低0.15～0.2元·kWh-1，將農(nóng)網(wǎng)用戶供電可靠性增長率、農(nóng)林牧漁業(yè)用電量增量、制造業(yè)中的農(nóng)產(chǎn)品加工用電量增量作為第2階段的產(chǎn)出指標(biāo)，如圖4所示。

圖4 第2階段投入產(chǎn)出指標(biāo)

1.4 可變規(guī)模BCC模型

目前我國農(nóng)網(wǎng)建設(shè)還處于上升期，農(nóng)網(wǎng)建設(shè)與改造在技術(shù)進步、規(guī)模擴大均可促進效益提升，故選取DEA中規(guī)模報酬可變的BCC模型。該模型有2種：基于投入型，表示產(chǎn)出量一定的情況下，盡可能減少投入；基于產(chǎn)出型，表示投入量一定的情況下，產(chǎn)出盡可能的增大。根據(jù)兩階段DEA指標(biāo)投入產(chǎn)出分析得出，第1階段，因農(nóng)網(wǎng)改造每年的資金投入，是根據(jù)電力規(guī)劃制定好的，所以選擇產(chǎn)出型，分析實際產(chǎn)出與規(guī)劃產(chǎn)出的差距；第2階段的投入，是第1階段產(chǎn)出，也屬于投入固定，故第2階段選擇產(chǎn)出型，含有非阿基米德無窮小的BCC-O模型[17]，如式(1)所示：

(1)

式中，θ為決策單元DMUj的有效值；s+≥0、s-≥0為松弛變量，代表產(chǎn)出不足和投入冗余；λj為第j個DMU的權(quán)重系數(shù)；ε為非阿基米德無窮小數(shù)，可以是一個小于任何正數(shù)且大于0的數(shù)。當(dāng)θ=1且s+、s-都為0時，表示投入全部轉(zhuǎn)化為產(chǎn)出，決策單元DEA有效；當(dāng)θ=1，但s+≠0或s-≠0時，被評價單元為弱DEA有效，0<θ<1時，被評價單元為DEA無效。

對無效決策單元，通過對原輸入輸出進行投影，使投影后的決策單元落在新的生產(chǎn)有效前沿面上，設(shè)s-0、S+0、θ0為最優(yōu)解，則：

(2)

(3)

2 算例分析

以某地區(qū)多年實際運營情況為例，以時間維度2006—2020年，共15a，進行縱向效益評估，運用上節(jié)選取的指標(biāo)、兩階段DEA模型中的BCC-O模型進行求解分析，指標(biāo)數(shù)據(jù)來源于供電公司農(nóng)電部門年報，采用MATLAB編程求解，結(jié)果如表1～4所示。

從表1可以看出，有9個年份DEAθ值為1，是相對有效的，原因是決策單元(所有評價的年份)正處于3個電力五年規(guī)劃中，2006年、2011年、2016年均為規(guī)劃起始年份，資金投入充足，且上一階段改造基本完成，現(xiàn)有變電站容量、電網(wǎng)網(wǎng)架和線路基本能夠承擔(dān)新增負荷，因此相對有效，規(guī)模報酬也基本處于不變即電網(wǎng)規(guī)模最優(yōu)狀態(tài)；7個無效的年份是2008年、2009年、2013年、2014年、2018年和2019年，這6個年份處于電力規(guī)劃與農(nóng)網(wǎng)改造中后期，新增負荷劇增，變壓器容量小，且經(jīng)過幾年運行，線路老化，線徑細，“卡脖子”現(xiàn)象時有發(fā)生，改造工程任務(wù)繁重復(fù)雜；2007—2010年，2013—2015年2個階段規(guī)模報酬遞增，可通過擴大規(guī)模來提高電網(wǎng)綜合效益。2018年、2019年連續(xù)2a規(guī)模報酬遞減，說明農(nóng)網(wǎng)建設(shè)與改造通過擴大規(guī)模無效，需要提高技術(shù)來提升整體綜合效益，如增設(shè)智能設(shè)備，配網(wǎng)自動化等方式來提升。

表1 某農(nóng)網(wǎng)第1階段DEA投入產(chǎn)出指標(biāo)及效益值

表2是農(nóng)網(wǎng)改造DEA相對無效年份，表示在投入一定的情況下，存在變壓器容量和線路新建與改造不足現(xiàn)象，指標(biāo)產(chǎn)出增加量是決策單元從無效到有效的距離，即表2中的年份，如果要達到相對有效，需要再改造的變壓器容量和線路長度。

表2 DEA無效決策單元產(chǎn)出不足

從表3可以看出，第2階段DEAθ值為1，有效決策單元有7個，8個決策單元處于無效，前期電網(wǎng)規(guī)模報酬處于遞增狀態(tài)，說明可擴大電網(wǎng)規(guī)模來提高綜合效益，第1階段產(chǎn)出不足，造成第2階段電網(wǎng)規(guī)模投入不足；后期農(nóng)網(wǎng)改造初具規(guī)模，擴大生產(chǎn)對提高綜合效益意義不大，需要提高改造技術(shù)，如農(nóng)網(wǎng)自動化水平等，來提高綜合效益。同時，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)電價產(chǎn)生的影響進行分析得出，2006—2009年“電力惠農(nóng)”政策尚未實施，電價較高，農(nóng)民生產(chǎn)積極性較低，用電增量較少；2010年第1個五年計劃基本改造完畢，農(nóng)網(wǎng)投入產(chǎn)出效益高；2010年“電力惠農(nóng)”政策實施后，2010年電價降低12.1%，農(nóng)民生產(chǎn)用電量有所增加，2012年(0.88)、2013年(0.81)效益值較2007年(0.60)、2008年(0.73)有所提升，2016年電價再次降低22.9%，農(nóng)民生產(chǎn)用電量持續(xù)增加，2018年(0.99)、2019(1.00)效益值較2012，2013年有較大提升。說明“電力惠農(nóng)”政策實施后，農(nóng)業(yè)電價降低，用電增量增長率較高，對電網(wǎng)效益提升有一定的促進作用。

表3 某農(nóng)網(wǎng)第2階段DEA投入產(chǎn)出指標(biāo)及效益值

表4 兩階段效益值與整體效益值比較

圖5 2種算法求解結(jié)果對比圖

從表4和圖5可以看出，拆分為兩階段進行DEA效益評估計算出的總效益值，普遍低于不拆分整體評估計算效率值，且有5個年份算出的DEAθ值為不為1。因此，將農(nóng)網(wǎng)改造全過程拆分為兩階段進行評估，能夠發(fā)掘更多導(dǎo)致效益低下的因素，為決策者提供更多的信息，具有更高的參考價值。

3 結(jié)論

提出將農(nóng)網(wǎng)改造全過程拆分為2個階段，電網(wǎng)建設(shè)階段和營收階段，采用兩階段DEA效益評價方法進行效益評估。指出了非DEA有效的決策單元的無效原因及改進空間，為今后農(nóng)網(wǎng)改造方向提供了依據(jù)和借鑒。

第2階段效益評估中投入指標(biāo)“電力惠農(nóng)”政策，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)電價降低，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用電量增多，電網(wǎng)效益較之前有了明顯提升，與DEA算法要求一致，投入越小越好，產(chǎn)出越大越好，也說明低電價政策對農(nóng)村電網(wǎng)及農(nóng)民生產(chǎn)生活具有促進作用，真正為農(nóng)民帶來了實惠，也促進了電力消費，實現(xiàn)了雙贏的局面。

將過程拆分為兩階段后計算的DEA總體效益值比直接運用數(shù)據(jù)包絡(luò)算法對農(nóng)網(wǎng)改造整體進行效益評估的效益值低，不為1的決策單元，說明有更多的改進空間，說明拆分后的兩階段效益評估，能夠獲得更多信息，具有一定的參考價值，為今后的農(nóng)網(wǎng)改造效益評估提供借鑒。