一种火电厂碳配额分配方法

本发明涉及碳配额分配，具体为一种火电厂碳配额分配方法。

背景技术：

1、随着全球工业化程度的加深，化石能源的年消耗量不断增长带来的温室效应问题也日益突出。电力行业作为二氧化碳的重点排放行业，肩负了碳减排的主要任务。电力行业在实现低碳化的过程中，需要逐渐使用绿电企业代替火电企业，同时减少火电企业的碳排放。碳配额分配是火电企业碳减排的一个重要手段，而公平性是制定分配方案的必然要求。随着电热需求刚性增长不断创高，兼顾火电企业的发电供热效率和碳配额公平分配成为电力系统低碳化的一个难点。

2、碳配额分配是实现碳减排的重要手段，对实现减碳目标有着重要意义。碳配额分配主要基于以下准则：效率准则、公平准则、兼顾效率与公平准则。基于效率准则进行碳配额分配的研究方面通常采用数据包络分析方法(dea)：文献基于dea对比研究了碳配额集中式分配和分散式分配，文献利用零和dea模型将碳排放权分配效率作为评判公平的标准对欧盟国家的碳排放权进行分配，文献基于dea提出初始tep分摊模型使每一个dmu有效且整体满意度最大，文献基于dea按照发电绩效标准对五大发电集团进行碳配额分配。基于公平准则进行碳配额研究方面：文献基于求偿权利用投票和选举机制处理了公平性的争议，文献利用加权平均法对广东省电力企业碳排放权进行公平分配，文献通过追溯受电区域的电力来源进行碳配额公平分配。兼顾效率与公平准则的碳配额分配研究较少：文献基于dea与塔木德理论，选择“集中分配—局部补偿”两阶段模型对浙江省区域碳配额进行分配，文献利用熵权法将dea模型与公平原则结合起来对我国碳排放权总量进行初始分配。但是现行研究都没有在兼顾发电企业发电供热效率情况下，基于发电企业自身的结构特点和求偿权对碳配额进行公平分配。

3、目前我国的碳配额分配以省内分配为主，而省内碳配额分配的主体由火电厂构成。火电厂的碳配额分配一直以公平为主，很少在碳配额公平分配时，考虑到发电供热效率，如何在碳配额的公平分配的同时兼顾火电厂的发电供热效率成为亟待解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种火电厂碳配额分配方法，利用dea建立了以效率为目标的碳配额基本分配模型，结合塔木德—求偿权公平迭代分配机制实现了在保证电热供给安全基础上兼顾效率和公平对火电厂进行碳配额分配。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种火电厂碳配额分配方法，其特征在于，该方法利用dea可以实现以效率为目标的碳配额分配，设减排目标年度碳配额分配总量为t，传统发电类型的电厂n个，各火电厂均包含三种投入，两种期望产出，一种非期望产出；其中投入包括能源、资本、劳动力等；期望产出包括发电量和供热量等；非期望产出为碳排放量；具体包括：目标函数、约束条件和兼顾效率与公平的碳配额分配算法。

4、优选的，所述目标函数为实现发电供热增长基础上的碳配额分配，效率目标函数为：

5、

6、式中，βk是全部电厂第k种期望产出效率目标下的增长因子，γs是全部电厂第s种非期望产出效率目标下的减少因子，因此，目标函数为实现在电热增长下碳排放最小。

7、优选的，所述约束条件包括生产集合约束、电厂整体约束、电厂个体约束和电厂节能增效投入约束。

8、具体的，所述生产集合约束如下：

9、

10、

11、

12、式中：xij是电厂j的第i种原始投入，ekj是电厂j的第k种原始期望产出，csj是电厂j的第s种原始非期望产出，λjr是计算r电厂效率时分配给j电厂的权重，是电r的第i种投入目标，是电厂r的第k种期望产出目标，是电厂r的第s种非期望产出目标。

13、具体的，在生产集合定义基础上，对投入产出的电厂整体约束如下：

14、

15、

16、

17、式中：αi是全部电厂第i种投入目标较原始投入的比例系数。

18、具体的，所述电厂个体约束为碳配额分配不仅要考虑到n个电厂整体的效率，还需要考虑电厂个体的生产和减排能力，电厂在实际生产过程中，期望产出受需求影响有供给基准，并且受机组容量限制有上限；此外，由于技术更新和发电设备结构影响，每个电厂自身的减排潜力是有一定限度的，因此，必须在上述分配的基础上，基于电厂个体的生产能力和减排潜力进行调整，以体现分配模型的合理性，具体为：

19、1)电厂个体发电供热量约束：

20、

21、

22、式中：εkr、分别是针对各电厂发电供热量的上下限比例系数；

23、2)电厂个体碳配额约束：

24、

25、

26、式中：πsr、是电厂碳排放配额分配上下限比例系数；

27、3)电厂个体资源投入约束：

28、

29、

30、式中：μir、分别是各电厂能源、资本、劳动力投入分配上下限比例系数。

31、具体的，所述电厂节能增效投入约束为dea模型在分配过程中基于效率前沿面上的电厂进行分配，是一种理想化的分配，根据提出在研究dea模型时提出的弱可自由处置性假设：各电厂在当前生产技术情况下，仅减少非期望产出而不减少期望产出是不可能的；为了实现减排增效的目的，引入节能增效的资本投入提高各电厂的生产技术：

32、

33、式中：δx3r是各电厂节能增效投入，k是节能增效投入的比例系数，一般k＝1.2。

34、优选的，所述兼顾效率与公平的碳配额分配算法为基本分配模型利用dea进行了效率层面的碳配额分配，得到效益最大化的碳配额分配结果，但没有考虑分配公平性，仅采用效率分配准则进行分配，本发明利用塔木德—求偿权公平迭代分配准则，在公平分配的框架上结合dea，从公平角度对dea下的碳配额分配进行优化，兼顾效率和公平对碳配额进行分配，具体包括：塔木德—求偿权公平迭代分配机制、碳配额效率分配算法和碳配额公平分配算法。

35、具体的，所述塔木德—求偿权公平迭代分配机制为根据塔木德—求偿权迭代分配准则，在每轮分配过程中基于各电厂求偿权的角度分配没有争议的部分，有争议的部分在下一轮分配过程中进行分配，同时上一轮获得的碳配额满足的碳排放求偿权部分在下一轮分配过程中不被考虑，只考虑剩余求偿权；由此建立塔木德—求偿权公平迭代分配机制：

36、

37、式中：t为分配总量，是电厂求偿权向量，是根据迭代机制形成的分配结果向量，是上一轮分配过程中电厂得到的碳配额分配向量，t-∑j∈npj是本轮的待分配总量，是本轮的电厂剩余求偿权向量，第一轮分配时

38、根据塔木德—求偿权公平迭代分配理论，在每轮分配过程中基于电厂的碳排放求偿权可选择不同的方法进行碳配额分配，在兼顾效率与公平的分配过程中实现电厂整体的益最效大化是最终目标，减排目标年度固定不变的碳配额分配总量无法为电厂整体增效，而提高电厂整体的发电供热效率是唯一增效手段；为了实现电厂整体的效益最大化，需要在分配过程中先考虑效率分配，因此在第一轮迭代分配过程中利用效率分配算法进行碳配额分配，根据碳排放求偿权及其他投入产出在碳配额分配的同时规划各电厂发电供热量在第二轮及以上迭代分配过程中利用公平分配算法(一致同意算法)进行碳配额分配。设为塔木德—求偿权公平迭代机制形成的最终结果向量，分配有效性为：

39、t＝∑j∈nyj  (16)

40、当满足分配有效性时时，迭代分配结束，否则进入下一轮分配。

41、具体的，所述碳配额效率分配算法为效率分配算法依托dea进行分配，dea的分配过程是一个最优化问题求解的过程，本文采用分支定界法进行效率分配的求解；记dea为最优化问题z，分支界定法通过对z的所有可行解空间d进行搜索，将d不断分割为子空间di(称为分支)，并为每个di的解计算一个下界(定界)不断迭代从而寻找到最优解z*；实际上就是在一个深度为n的树上搜索，对树上每个分支进行求解并计算一个下界，每次定界后对同一层次的分支进行比较和剪支，通过不断迭代进而找到最优解；记dea为最优化问题z，设为去整数限制之后的松弛问题，为z目标函数的上界，z为z目标函数的下界具体步骤如下：

42、步骤1：求解有以下三种情况：

43、(1)没有可行解，则z也没有可行解，算法结束；

44、(2)有最优解，并且的最优解符合z的整数条件，则的最优解即z的最优解，算法结束；

45、(3)有最优解，但的最优解不符合z的整数条件，需要进行分枝，记录的最优目标函数的值z*，则z*为目标函数的下界z。进行步骤2；

46、步骤2：分枝，在的最优解中任选一个不符合整数约束的变量x3r进行分支；设x3r其值为b3r，用[b3r]表示小于等于b3r的最大整数；构造两个约束条件：x3r≤[b3r]和x3r≥[b3r]+1，将这两个约束条件分别加入中构成分支节点和不考虑整数约束分别求解；

47、步骤3：求解分支结点，如果分支结点无可行解，则该节点为死结点不再分支定界；如果分支节点有可行解，进行步骤4。若所有的分支结点都是死结点，目标函数的上界即为最优目标函数值算法结束；若无得到的上界，则松弛问题无解，原问题也无可行解，算法结束；

48、步骤4：定界，在同一层的解中，找出最优目标函数值最小者作为新的下界。如果最优目标函数值最小者符合整数限制，则算法结束，最优目标函数值z*就是最终结果值，对应的最优解向量为dea目标投入产出；如果不符合整数限制，需从已符合整数条件的各分支结点中找出目标函数值最小者更新目标函数的上界，若无符合整数条件的分支结点，则目标函数的上界不变；

49、步骤5：比较与剪枝，同一层各分支结点的最优目标函数中如果有大于等于目标函数上界的结点，即死结点不再进行分支进行剪枝。若小于目标函数的上界，且不符合整数条件，即活结点，重复步骤2中的分支方法对该结点进行分支。

50、具体的，所述碳配额公平分配算法为公平分配算法根据一致同意原则进行分配，一致同意公平原则即各电厂根据碳求偿权从分配算法集s＝{mpro,mt}中选取偏好算法构成分配矩阵m，各电厂根据一致同意原则互相投票确定各电厂的碳配额，通过迭代机制多轮分配确定各电厂的最终的碳配额分配量。算法集s选择以历史平等准则进行分配的比例分配算法mpro和塔木德准则进行分配的塔木德分配算法mt；分配算法具体如下：

51、步骤1：设本轮待分配总量t-∑j∈npj和各电厂剩余求偿权

52、步骤2：电厂r从算法集s中选取有利于自身的算法，并在该算法下计算分配方案设表示电厂的历史碳排放量，表示电厂r获得mr碳配额，cn＝∑r∈ncr；算法集s中具体算法如下：

53、1)比例分配算法mpro：

54、

55、记

56、2)一致收益分配算法mug：

57、mr＝min{μ,cr},其中μ是∑r∈nmin{μ,cr}＝t的解，记

58、3)一致损失分配算法mul：

59、mr＝max{(cr-μ),0}，其中μ是∑r∈nmax{(cr-μ),0}＝t的解，记

60、4)塔木德分配算法：

61、

62、记分别表示一致收益分配算法和一致损失分配算法的第r个元素；

63、步骤3：根据各电厂的偏好分配方案按顺序排列形成分配矩阵m：

64、

65、式中mrj表示电厂r的分配方案中j电厂的碳配额分配量；

66、步骤4：在一致同意原则下，电厂r对电厂j得到的碳配额mj进行投票。当电厂j实际得到的配额mj小于电厂r在分配方案中对电厂j的分配量mrj时，r将会投票同意。即：据此原则发电厂j每轮得到的碳排放分配额是分配矩阵中j列的最小值：

67、mj＝min{m1j…mnj}  (20)

68、记本轮分配结果：

69、

70、步骤5：将本轮分配得到的碳配额量与上一轮分配得到的碳配额结果向量加和得到本轮的碳配额分配结果向量:

71、

72、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在现有相关研究的基础上，针对电热需求和火电厂的结构特点以及火电厂碳配额分配等实际需要，利用dea建立了以效率为目标的碳配额基本分配模型，结合塔木德—求偿权公平迭代分配机制实现了在保证电热供给安全基础上兼顾效率和公平对火电厂进行碳配额分配。