一种面向电力系统全环节的碳计量方法与流程

本发明涉及碳计量，尤其涉及一种面向电力系统全环节的碳计量方法。

背景技术：

1、目前，电力系统源、网、荷全环节的精确碳排放计量理论、方法、标准设备还尚未完善。现阶段电力系统的直接碳排放计量主要基于宏观的统计方法，而用电间接碳排放计量主要基于平均碳排放因子法，中国现行的碳计量方法具有简单、可信、易操作等优点，但同时具有以下几点不足：

2、(1)难以反应碳排放因子的空间差异性。在空间尺度上，平均用电碳排放因子的最小分辨率为省级，同省份的不同地市、区县的用户在用电排放方面的差异性无法体现。随着“整县光伏”等新能源政策的出台与应用，不同地市、区县用户的单位用电含碳量将具有显著差异，基于平均碳排放因子的碳计量方法逐渐产生不公平性。

3、(2)难以反映碳排放因子的时间差异性。在时间尺度上，平均碳排放因子的更新周期为一年。随着新型电力系统建设进程的不断推进，新能源电量占比不断提升，用户在不同时段的单位用电含碳量将存在显著差异，但采用全年固定的平均碳排放因子无法反应该差异。

4、(3)无法厘清电网侧损耗的碳排放责任。现行碳计量方法将发电侧的直接碳排放量完全转移到了用户侧，忽略了不同地区网络损耗所对应的间接碳排放量，导致该分摊方式无法体现电网侧的碳排放责任。

5、通过对现有电力系统碳排计量方法的深入剖析发现，亟待设计一种从电力系统全环节碳计量的角度出发，研究能够反映碳排放因子时空差异性和网侧碳排放责任的碳排放计量方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，解决现有技术的不足之处，提出一种面向电力系统全环节的碳计量方法，该方法可更加实时、精细的核算电力系统碳排放，准确把握电力系统碳排放现状及碳排放趋势，引导电力系统上下游协同减排，有效加速能源电力低碳转型。

2、一种面向电力系统全环节的碳计量方法，包括以下步骤：

3、步骤1：定义面向新型电力系统发展需求的电力碳计量原则；

4、步骤2：根据碳排放流理论确定电力系统碳排放度量的各指标类型，具体包括：直接碳排放量、间接排放量、发电碳排放因子、节点碳排放因子、区域碳排放因子、碳流率及碳流密度；

5、步骤3：计算电力系统碳排放度量指标：

6、步骤3.1：源侧碳排放信息计算：在直接碳排放测量方面，主要通过测量发电实时燃料消耗情况换算得到发电直接碳排放量，直接碳排放量fg,k,t和燃料间的关系如下：

7、

8、式中：为发电厂k在时段t消耗化石燃料m’的质量；δm′为化石燃料m’的碳排放因子；对于安装了烟气排放连续监测系统的电厂，发电直接碳排放fg,k,t也可以通过直接测量获得；

9、在发电碳排放因子方面，可基于发电厂实时测得的直接碳排放计量数据和机组发电量数据计算得到：

10、

11、式中：pg,k,t为发电厂k在t时段的发电功率；△t为单位碳计量时间间隔；

12、步骤3.2：荷侧碳排放信息计算：根据节点碳排放因子的定义，针对系统中的节点i，该节点的碳排放因子ec,i,t为(假设发电厂k在节点i)：

13、

14、式中：为有潮流流入节点i的支路集合；pb,s,t为支路s在时段t的潮流数据；ρb,s为支路s的碳流密度；

15、基于系统潮流计算结果，定义系统有功通量矩阵、线路潮流分布矩阵和发电机组出力矩阵，表达式如下：

16、

17、pb,t＝(pb,ij,t)n×n

18、

19、式中：pn,t为时段t节点有功通量矩阵，该矩阵为n阶对角矩阵，用于表征潮流方向下流入节点的有功潮流“绝对量”，矩阵中对角项pn,ii,t为节点i的有功通量；pb,t为时段t线路线路潮流分布矩阵，其用于描述电力系统的有功潮流分布，该矩阵的所有非对角元素pb,ij,t(i≠j)为支路ij间流过的潮流，对角元素pb,ii,t＝0；pg,t为时段t发电机组出力矩阵，其矩阵元素pg,ki,t的定义为：当第k台发电机组接入节点i且时段t注入节点i的有功潮流为p，则pg,ki,t＝p，否则pg,ki,t＝0；发电机组出力矩阵pg,t可根据机组出力序列向量[pg，1，t，pg，2，t，…，pg，k，t]t计算得到；j为机组拓扑分布矩阵，用于表征发电机组分布和接入系统中的情况，具体定义为：j＝(jki)k×n，若第k台机组接入系统第i个节点(k＝1，2，...，k；i＝1，2，...，n)，则jki＝1，否则jki＝0；

20、系统节点碳排放因子矩阵计算表达式为：

21、

22、结合节点的空间所属关系，计算得到区域碳排放因子为：

23、

24、式中：u为区域电网n所覆盖范围内的节点集合；pl,j,t为节点j在时段t的负荷功率；

25、根据区域碳排放因子，用户各个时段的用电间接碳排放量可量化得到：

26、fc，m，t＝e′c，n，tpl，m，tδt

27、式中：fc,m,t为用户m在时段t的用电间接碳排放；pl,m,t为用户m在时段t的用电功率，用户m位于区域电网n内；

28、步骤3.1：网侧碳排放信息计算：由于从同一节点流出的各条线路的碳流密度均相等的节点用电碳排放因子，根据节点用电碳排放因子矩阵，线路碳流密度矩阵可由下式计算得到：

29、ρb，t＝diag(ec，t)h

30、式中：ρb,t为时段t的线路碳流密度矩阵，其用于描述系统中各线路的碳流密度；h为表征支路潮流流向关系矩阵，h＝(hij)n×n，若节点i与节点j(i,j＝1,2,...,n)间有支路相连，且经此支路流入节点j的正向有功潮流不为零，则元素hij＝1，hji＝0；若流经该支路的有功潮流为反向潮流，则hij＝0，hji＝1；

31、根据线路网损数据，定义线路网损分布矩阵为：

32、pbl,t＝(pbl,ij,t)n×n

33、式中：pbl,t为时段t的线路网损分布矩阵，其用于描述电力系统的网损分布；pbl,ij,t(i≠j)为矩阵pbl,t的非对角元素，表示支路ij间流过潮流的网损，对角元素pbl,ii,t为0；

34、根据线路潮流分布矩阵、网损分布矩阵与线路碳流密度矩阵，可以计算得到线路碳流率：

35、rb,t＝ρb,tpb,t

36、rbl,t＝ρb,tpbl,t

37、根据网损碳流率定义，线路网损间接碳排放量可计算得到：

38、

39、优选的，步骤1中的电力碳计量原则包括：

40、(1)全面性原则：电力系统碳减排需要依靠源网荷全环节的协同；不仅需要计量源侧发电的直接碳排放和荷侧用电的间接碳排放，还需要厘清网侧的碳排放责任，实现源网荷全环节碳排放实时、精准计量；

41、(2)无偏性原则：任意空间范围内、任意时间段内，用电、外送电、网损间接碳排之和与发电直接碳排和受入电间接碳排放之和相等；

42、(3)时间差异性原则：用电碳排放因子应该随着清洁能源在不同时段出力占比的变化而实时变化，从而体现不同时段用电的碳排放差异；

43、(4)空间差异性原则：用电碳排放因子应该能够体现不同空间范围内，清洁能源电量消纳情况差异所带来的用电碳排放因子差异性；

44、(5)公平性原则：一定区域范围内清洁能源所带来的低碳红利应该由区域内的全体用户共享；因此，碳排放因子的空间颗粒度不宜过细，在一定区域范围内，用户的用电碳排放因子应该实时保持一致。

45、优选的，步骤2中直接碳排放量的确定方法如下：

46、电力系统中的直接碳排放是电力系统碳排放的源头，即源侧发电；采用电力系统源侧直接碳排放向量表征电力系统中各时段不同发电厂的直接碳排放数据；直接碳排放量的单位通常为tco2或kgco2，故以下式表达：

47、fg,t＝[fg,1,tfg,2,t...fg,k,t]t

48、式中，k为系统中存在发电机注入的节点个数；fg,t为时段t电力系统源侧的直接碳排放向量；fg,k,t为发电厂k在时段t的直接碳排放量。

49、优选的，步骤2中间接排放量的确定方法如下：

50、电力系统中的间接碳排放量包括两个方面：荷侧用电间接碳排放量和网侧网损间接碳排放量；用电间接碳排放量表示在给定时间内用户用电行为在源侧对应产生的直接碳排放量；电力系统中不同用户各个时段的用电间接碳排放数据采用用电间接碳排放量fc,t表征；网损间接碳排放量表示给定时间内与网损对应的潮流中耦合碳排放的累积量；电力系统中不同支路各个时段的网损间接碳排放数据采用网损间接碳排放量矩阵表征；间接碳排放量的单位通常为tco2或kgco2；

51、fc,t＝[fc,1,tfc,2,t...fc,m,t]t

52、

53、式中：n为系统中的节点个数；m为系统中的用户个数；fc,m,t为用户m在时段t的用电间接碳排放量；(i≠j)为矩阵的非对角元素，表示线路ij在时段t的支路网损间接碳排放量，对角元素为0；需要指出的是，本文中所指的碳排放量均为时段t内的累积量，并非瞬时值。

54、优选的，步骤2中发电碳排放因子的确定方法如下：

55、发电碳排放因子用于表征机组单位发电量所产生的碳排放量，由电力系统发电碳排放因子向量eg,t表征；发电碳排放因子的单位tco2/(mw·h)或kgco2/(kw·h)；

56、eg,t＝[eg,1,teg,2,t...eg,k,t]t

57、式中：eg,k,t为发电厂k在时段t的碳排放因子。

58、优选的，步骤2中节点碳排放因子的确定方法如下：

59、节点碳排放因子表征该节点所属用户的单位用电间接碳排放量，由电力系统节点碳排放因子矩阵ec,t表征；节点碳排放因子的单位通常为tco2/(mw·h)或kgco2/(kw·h)。

60、优选的，步骤2中区域碳排放因子的确定方法如下。

61、考虑到“公平性原则”，在实际系统碳计量标准中，可以选择以区县、地市或省级为碳排放计量的单位空间分辨率，单位空间分辨率范围内的用户用电碳排放因子相等；区域碳排放因子表征区域所属空间范围内，用户的单位用电间接碳排放量，该数据由电力系统区域碳排放因子向量e′c，t表征；区域碳排放因子的单位通常为tco2/(mw·h)或kgco2/(kw·h)；

62、e′c，t＝[e′c，1，te′c，2，t…e′c，z，t]t

63、式中：e′c，z，t为区域z在时段t的碳排放因子；z为区域个数；

64、优选的，步骤2中碳流率的确定方法如下：

65、碳流率包括支路碳流率和网损碳流率两个方面：支路碳流率为单位时间随潮流流过支路的间接碳排放量；网损碳流率表征单位时间附着在潮流网损上的间接碳排放量；电力系统中不同支路各个时段的支路碳流率和网损碳流率数据分别采用支路碳流率矩阵rb,t和网损碳流率矩阵rbi,t表示；碳流率的单位通常为tco2/h或kgco2/s；

66、rb,t＝(rb,ij)n×n

67、rbi,t＝(rbi,ij)n×n

68、式中：rb,t和rbi,t(i≠j)分别为支路ij间流过的碳流率和网损碳流率，其对角元素rbii和rblii均为0。

69、优选的，步骤2中碳流密度的确定方法如下：

70、碳流密度反映支路潮流中的含碳量；电力系统中不同支路各个时段的碳流密度采用碳流密度矩阵ρb,t表征；碳流密度的单位通常为co2/(mw·h)或kgco2/(kw·h)；

71、ρb,t＝(ρb,ij,t)n×n

72、式中：ρb,t为时段t的支路碳流密度矩阵；ρb,ij,t(i≠j)为ρb,t的非对角元素，表示支路ij间流过潮流的碳流密度，对角元素ρb,ii,t为0。

73、本发明的优点及技术效果在于：

74、本发明的一种面向电力系统全环节的碳计量方法，在所提出的关键指标中，源侧发电直接碳排放量、荷侧用电间接碳排放量和网侧网损间接碳排放量是与碳排放量相关的关键指标，其表征电力系统源、网、荷全环节碳排放量大小，将与碳市场与碳交易直接挂钩；发电和用电碳排放因子是表征发电厂发电清洁水平和用户用电清洁水平的关键指标，其对于找到影响电网低碳水平的“症结”具有关键指导意义；线路碳流率、线路碳流密度、线路网损碳流率是表征源侧直接碳排放量如何流向用户侧间接碳排放量的关键指标，使电力系统全景碳排放的流动情况能够有迹可循。

75、本发明的一种面向电力系统全环节的碳计量方法，可实现与其输入潮流信息和燃料消耗信息相同的计量时间分辨率。当系统潮流数据和燃料消耗数据进行“分钟级”更新时，本方法可实现“分钟级“实时碳计量。同时，由于本方法以电力潮流信息为基础，其可以精确量化得到不同节点的碳排放因子差异，进而实现“用户级”精细化碳计量。