考慮負(fù)荷側(cè)電能替代的區(qū)域配電網(wǎng)碳溯源方法

岳付昌，劉晗，蘇曉東，陳曙光

(1. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司連云港供電分公司，江蘇 連云港 222000；2. 江蘇欣礦能源科技有限公司，江蘇 徐州 221000)

低碳發(fā)展是我國(guó)在面對(duì)巨大的碳排放壓力時(shí)做出的必然選擇[1-2]，在“雙碳”目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，能源轉(zhuǎn)型在今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)會(huì)受到高度重視[3-4]。

電能替代是能源轉(zhuǎn)型的重要方式之一，各種用能環(huán)節(jié)通過(guò)電能替代的方式取代了傳統(tǒng)石油、天然氣等化石能源的使用[5]，達(dá)到降低碳排放的目的。為了引導(dǎo)更多的用戶(hù)側(cè)負(fù)荷參與電能替代，文獻(xiàn)[6]分析了電能替代的前景以及參與電能替代激勵(lì)方法，文獻(xiàn)[7-8]指出了電能替代出行方式對(duì)于碳減排的意義。上述文獻(xiàn)認(rèn)為參與電能替代的負(fù)荷不再產(chǎn)生碳排放，然而實(shí)際上電能替代后負(fù)荷所需的電力來(lái)自發(fā)電側(cè)化石燃料的燃燒，這一過(guò)程仍會(huì)產(chǎn)生碳排放。根據(jù)電力系統(tǒng)碳計(jì)量的“全面性原則”[9]，參與電能替代的負(fù)荷需要承擔(dān)碳排放的間接責(zé)任。

隨著越來(lái)越多的用能端響應(yīng)能源轉(zhuǎn)型，亟需對(duì)電力系統(tǒng)電能替代環(huán)節(jié)的碳計(jì)量理論進(jìn)行完善。為解決電能替代負(fù)荷的碳排放量計(jì)量問(wèn)題，首先要分析電能替代前后負(fù)荷的能量轉(zhuǎn)換機(jī)理。文獻(xiàn)[10]研究電供暖替代燃煤供暖的相關(guān)技術(shù)，建立了電能替代前后的供暖模型。文獻(xiàn)[11]研究了電動(dòng)汽車(chē)替代燃油汽車(chē)前后的電能和化石燃料的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，提出“碳熵”理論，建立熱力系統(tǒng)中熱力負(fù)荷的碳排放模型，結(jié)合電能替代負(fù)荷的碳排放轉(zhuǎn)換機(jī)理，以碳排放流法展開(kāi)分析。文獻(xiàn)[12]將碳排放視作虛擬的網(wǎng)絡(luò)流，以耦合潮流的方式追蹤電力系統(tǒng)中的碳排放，提出了碳排放流的概念。文獻(xiàn)[13]在碳排放流方法基礎(chǔ)上，分析了復(fù)功率對(duì)系統(tǒng)碳排放的影響。文獻(xiàn)[14]根據(jù)電網(wǎng)的功率分布，解決了復(fù)功率碳排放流法無(wú)法計(jì)量網(wǎng)損碳排放的問(wèn)題。文獻(xiàn)[15]結(jié)合儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的充放電特性，研究?jī)?chǔ)能碳排放。電能替代負(fù)荷作為特殊的用能負(fù)荷，其產(chǎn)生的碳排放應(yīng)由其自身承擔(dān)。在上述碳計(jì)量方法中，電能替代負(fù)荷接入電力系統(tǒng)勢(shì)必會(huì)改變潮流分布[16]，從而導(dǎo)致電能替代負(fù)荷產(chǎn)生的間接碳排放被其他用戶(hù)側(cè)負(fù)荷分?jǐn)?，這不符合碳計(jì)量“誰(shuí)產(chǎn)生誰(shuí)負(fù)責(zé)”的原則。

碳排放流法只能求得負(fù)荷側(cè)的碳排放量，無(wú)法分析構(gòu)成負(fù)荷側(cè)碳排放量的源側(cè)碳排放成分。文獻(xiàn)[17-18]為提升求解速度，將碳排放流中心求解矩陣的算力分?jǐn)偟礁鱾€(gè)碳表，提出碳流的迭代特性。文獻(xiàn)[19]將負(fù)荷側(cè)功率拆分成源側(cè)占比，從而達(dá)到負(fù)荷側(cè)碳溯源的目的。結(jié)合碳流的迭代特性、功率拆分方法以及電能替代負(fù)荷的碳排轉(zhuǎn)換機(jī)理，本文提出考慮負(fù)荷側(cè)電能替代的區(qū)域配電網(wǎng)碳溯源方法，追蹤各個(gè)電源在網(wǎng)絡(luò)中的碳排放流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電能替代負(fù)荷的碳排放量的公平計(jì)量。

關(guān)于碳計(jì)量的相關(guān)研究存在3個(gè)主要問(wèn)題：①現(xiàn)有的碳排放流法雖然能理清負(fù)荷側(cè)的碳排放量，但是不能對(duì)負(fù)荷側(cè)的碳排放量進(jìn)行溯源，無(wú)法分析負(fù)荷中含有不同發(fā)電機(jī)組的碳排放分量；②碳排放流法將電能替代負(fù)荷的碳排放分?jǐn)偟搅瞬煌?jié)點(diǎn)，不符合“誰(shuí)產(chǎn)生誰(shuí)負(fù)責(zé)”的碳排放計(jì)量準(zhǔn)則；③電能替代需要重新計(jì)算潮流，占用算力和迭代時(shí)間，亟需一種高效的計(jì)量方法。

本文針對(duì)區(qū)域配電網(wǎng)下的碳溯源問(wèn)題開(kāi)展如下工作：①重新梳理碳排放流法的建立流程，結(jié)合碳排放的迭代特性，形成負(fù)荷側(cè)精準(zhǔn)碳溯源顯性表達(dá)式；②根據(jù)電能替代負(fù)荷的特性，建立考慮電能替代的碳排放流修正模型；③以江蘇省某區(qū)域配電網(wǎng)為算例開(kāi)展研究，驗(yàn)證本文考慮負(fù)荷側(cè)電能替代的精準(zhǔn)碳計(jì)量方法的有效性。

1 負(fù)荷側(cè)電能替代理論

1.1 碳排放流理論

電力行業(yè)產(chǎn)生的碳排放全部來(lái)自發(fā)電側(cè)，負(fù)荷側(cè)和網(wǎng)側(cè)并不產(chǎn)生碳排放，只起到分?jǐn)偘l(fā)電側(cè)碳排放量的作用。不同發(fā)電機(jī)組之間的碳排放水平可能存在差異，為了達(dá)到源-網(wǎng)-荷共同計(jì)量的目的，需要對(duì)發(fā)電機(jī)組的碳排放量進(jìn)行分?jǐn)?。為理清網(wǎng)側(cè)、荷側(cè)碳排放量與發(fā)電側(cè)的關(guān)系，碳排放流理論通過(guò)耦合潮流的方式實(shí)現(xiàn)碳排放責(zé)任的分?jǐn)偅蕴摂M的網(wǎng)絡(luò)流來(lái)衡量電力網(wǎng)絡(luò)中碳排放的流動(dòng)。

1.2 電能替代

負(fù)荷側(cè)電能替代是指在用戶(hù)終端消費(fèi)過(guò)程中利用電能替代煤炭、石油、天然氣等一次能源，在一定程度上控制傳統(tǒng)的化石能源消耗量，減緩環(huán)境污染物排放，從而實(shí)現(xiàn)能源綠色消費(fèi)和可持續(xù)發(fā)展[20]。

傳統(tǒng)的農(nóng)場(chǎng)熱力環(huán)節(jié)面臨能源利用率低、碳排放量高的問(wèn)題，為改善傳統(tǒng)農(nóng)場(chǎng)熱力系統(tǒng)的碳排放結(jié)構(gòu)，提高能源利用率，促進(jìn)能源轉(zhuǎn)型，可以通過(guò)負(fù)荷側(cè)電能替代的方式實(shí)現(xiàn)農(nóng)場(chǎng)綜合能源系統(tǒng)的碳減排。在華東區(qū)域配電網(wǎng)中，電能替代轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖1所示，參與電能替代的負(fù)荷多為農(nóng)場(chǎng)熱負(fù)荷。電能替代前，農(nóng)場(chǎng)熱負(fù)荷主要包括奶牛場(chǎng)、大棚和魚(yú)塘的供暖環(huán)節(jié)，其熱能直接來(lái)自熱源，產(chǎn)生的碳排放量取決于化石燃料的消耗量。電能替代后，農(nóng)場(chǎng)熱負(fù)荷所需能量通過(guò)“以電代熱”的形式轉(zhuǎn)換為電力節(jié)點(diǎn)提供。光伏、風(fēng)電等分布式可再生能源取代熱泵、鍋爐等熱力機(jī)組，為農(nóng)場(chǎng)綜合能源系統(tǒng)中奶牛場(chǎng)、魚(yú)塘、大棚等環(huán)節(jié)供能，從而降低碳排放，提高能源利用效率，促進(jìn)能源轉(zhuǎn)型。

圖1 電能替代關(guān)系Fig.1 Electricity substitution relationship

2 負(fù)荷側(cè)精準(zhǔn)碳計(jì)量模型

2.1 碳排放流模型

電力系統(tǒng)碳排放流理論指的是在電力系統(tǒng)中，隨著有功潮流的變化，碳排放量也會(huì)變化的虛擬網(wǎng)絡(luò)流。這種虛擬的網(wǎng)絡(luò)流通過(guò)給每條支路上的潮流加上碳排放的標(biāo)簽來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)有功潮流在一條支路上流動(dòng)時(shí)，該支路上的碳排放流也會(huì)隨之流動(dòng)，從源側(cè)經(jīng)過(guò)網(wǎng)側(cè)，最終流向荷側(cè)。碳排放流理論就是對(duì)這些虛擬的網(wǎng)絡(luò)流進(jìn)行計(jì)量，得到網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)環(huán)節(jié)的碳排放水平及碳排放量。碳排放流常用2個(gè)指標(biāo)來(lái)度量：①節(jié)點(diǎn)碳排放因子E，用于描述某一節(jié)點(diǎn)消費(fèi)單位電量對(duì)應(yīng)的間接碳排放；②支路碳流密度ρ，用于描述某一線(xiàn)路流過(guò)單位電量對(duì)應(yīng)的間接碳排放。在測(cè)量?jī)x表測(cè)量的時(shí)間間隔Δt內(nèi)，節(jié)點(diǎn)功率P、節(jié)點(diǎn)碳排放量F的關(guān)系為F=PEΔt。

碳排放流模型的求解建立在已知源側(cè)碳排放量和電力潮流數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過(guò)結(jié)合電力網(wǎng)絡(luò)關(guān)系及耦合潮流的方式，首先求得節(jié)點(diǎn)碳排放因子；然后以節(jié)點(diǎn)碳排放因子為核心，計(jì)算網(wǎng)側(cè)、負(fù)荷側(cè)碳排放量，并利用迭代法對(duì)荷側(cè)碳排放進(jìn)行溯源；最后考慮負(fù)荷側(cè)電能替代的負(fù)碳效益，修正節(jié)點(diǎn)碳排放因子，重新計(jì)量節(jié)點(diǎn)碳排放量。碳指標(biāo)計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 負(fù)荷側(cè)精準(zhǔn)碳計(jì)量建立流程Fig.2 Establishment process for precise carbon metering on load side

2.1.1 發(fā)電側(cè)碳排放模型

發(fā)電機(jī)組作為直接的碳排放源，應(yīng)先理清發(fā)電側(cè)的碳排放量，再結(jié)合電力系統(tǒng)潮流，構(gòu)建碳計(jì)量模型。發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的碳排放量全部來(lái)自于發(fā)電廠(chǎng)發(fā)電所消耗的化石燃料[21]，根據(jù)不同能源類(lèi)型化石燃料所產(chǎn)生的碳排密度和燃料質(zhì)量之間的關(guān)系可以得到

(1)

發(fā)電機(jī)組的碳排放因子等于發(fā)電機(jī)組碳排放量與功率、測(cè)量時(shí)間的比值，即

(2)

式中：PG，t=[PG，1，tPG，2，t…PG，n，t…PG，A，t]T為發(fā)電機(jī)組出力矩陣，其元素PG，n，t為與節(jié)點(diǎn)n相連的發(fā)電機(jī)在t時(shí)段的發(fā)電功率，A為節(jié)點(diǎn)總數(shù)；EG，t=[eG，1，teG，2，t…eG，n，t…eG，A，t]T為發(fā)電機(jī)在t時(shí)段內(nèi)的碳排放因子矩陣，其元素eG，n，t為與節(jié)點(diǎn)n相連的發(fā)電機(jī)在t時(shí)段的碳排放因子。

分布式電源為清潔能源，發(fā)電過(guò)程中不產(chǎn)生碳消耗，因此分布式電源的碳排放因子

eDG，n=0.

(3)

2.1.2 網(wǎng)側(cè)碳排放模型

圖3為潮流示意圖，針對(duì)節(jié)點(diǎn)n，其上游線(xiàn)路為i，下游線(xiàn)路為j，根據(jù)節(jié)點(diǎn)碳排放因子的定義，該節(jié)點(diǎn)的碳排放因子

圖3 潮流示意圖Fig.3 Flow diagram

(4)

式中：EN，t=[e1，te2，t…en，t…eA，t]T為t時(shí)段節(jié)點(diǎn)碳排放因子矩陣，其元素en，t為t時(shí)段節(jié)點(diǎn)n的碳排放因子；Pi→n，t為流入節(jié)點(diǎn)n的支路i的功率；ρi→n，t為流入節(jié)點(diǎn)n的支路i的碳排放流密度；N+為流入節(jié)點(diǎn)n的所有支路的集合。

根據(jù)碳排放流定義，在潮流方向下，線(xiàn)路碳流密度與其端節(jié)點(diǎn)碳排放因子相等，即滿(mǎn)足

en，t=ρj，t.

(5)

式中ρj，t為支路碳流密度。

結(jié)合式(4)和式(5)可得

(6)

式中：ηN，n=(0，0，…1，…，0)為A維單位列向量，其第n個(gè)元素為1；PB，t為A×A維支路潮流分布矩陣，其對(duì)角元素為0，非對(duì)角元素為支路的正向功率，其余元素為0。

根據(jù)功率守恒，可得

(7)

式中：PN，t為A×A維支路有功通量矩陣，其非對(duì)角元素為0，對(duì)角元素為節(jié)點(diǎn)功率。結(jié)合式(6)和式(7)可得

(8)

由于PN，t為對(duì)角陣，將式(8)擴(kuò)充至全系統(tǒng)維度，可得

(9)

整理后可以得到系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)的碳排放因子計(jì)算公式為

(10)

通過(guò)碳流率計(jì)算公式，可以求解得到支路碳流密度分布矩陣

RB，t=(PB，t+Ploss，t)diag(EN，t).

(11)

式中：Ploss，t為支路損耗分布矩陣；diag(EN，t)表示將EN，t轉(zhuǎn)為對(duì)角矩陣。

2.1.3 荷側(cè)碳排放模型

支路碳流密度與上游節(jié)點(diǎn)碳排放因子相等，流入節(jié)點(diǎn)的碳流密度等于上游線(xiàn)路碳流密度之和，因此荷側(cè)碳排放因子與其上游節(jié)點(diǎn)的碳排放因子相等，荷側(cè)碳排放量矩陣

(12)

式中：FM的元素Fm為用戶(hù)m的碳排放量；PM，t為荷側(cè)用電量矩陣，其元素Pm，t為用戶(hù)m的用電量；T為總時(shí)段數(shù)。

2.2 負(fù)荷側(cè)碳排放溯源模型

負(fù)荷側(cè)碳排放溯源模型能精準(zhǔn)計(jì)量節(jié)點(diǎn)所含不同發(fā)電機(jī)組碳排放量，厘清碳排放轉(zhuǎn)換關(guān)系。結(jié)合支路碳流密度與上游節(jié)點(diǎn)碳排放因子相等的概念，可以對(duì)節(jié)點(diǎn)n碳排放因子中所含發(fā)電機(jī)組碳排放占比進(jìn)行推導(dǎo)。根據(jù)式(4)，得出節(jié)點(diǎn)碳排放因子迭代方程的分量形式為：

(13)

由于支路碳流密度與上游節(jié)點(diǎn)碳排放因子相等，發(fā)電機(jī)組n的碳排放量?jī)H由其下游節(jié)點(diǎn)分?jǐn)偅粚?duì)上游節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生影響，假設(shè)其下游共有L個(gè)節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建其下游節(jié)點(diǎn)集合U，并用n+l表示潮流方向下節(jié)點(diǎn)l的遞增關(guān)系，結(jié)合式(13)可以推導(dǎo)出發(fā)電機(jī)組n在第l個(gè)節(jié)點(diǎn)的碳排放占比

(14)

(15)

式(14)中Fl為節(jié)點(diǎn)l的碳排放量。

發(fā)電機(jī)組n在其下游負(fù)荷的碳排放量分?jǐn)倿?/p>

Fn，l=Fl·xn，l.

(16)

式中Fn，l為與節(jié)點(diǎn)l相連的負(fù)荷中含有發(fā)電機(jī)組n碳排放的分量。

2.3 負(fù)荷側(cè)電能替代模型

負(fù)荷側(cè)加入電能替代環(huán)節(jié)后，替代節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于并入新的電力負(fù)荷，傳統(tǒng)的碳排放流方法通過(guò)再次計(jì)算碳流的方式將參與替代負(fù)荷的碳排放量分?jǐn)偟礁鱾€(gè)節(jié)點(diǎn)。然而，在熱負(fù)荷方面產(chǎn)生的碳排放量應(yīng)由熱負(fù)荷本身承擔(dān)，將參與替代的負(fù)荷碳排放量分?jǐn)偟礁鱾€(gè)節(jié)點(diǎn)的形式顯然不符合碳排放的分?jǐn)傇瓌t。

本研究針對(duì)電能替代時(shí)面臨的碳排放責(zé)任分?jǐn)倖?wèn)題，以空氣源熱泵為例，搭建熱負(fù)荷加入電能替代前后的精準(zhǔn)碳計(jì)量模型。假定實(shí)施電能替代之前，節(jié)點(diǎn)熱負(fù)荷主要由燃煤鍋爐產(chǎn)生的熱力提供，此時(shí)的碳排放量主要取決于化石燃料的消耗量Ffuel。t時(shí)段所需供熱量

(17)

式中：Hn，t為t時(shí)段節(jié)點(diǎn)n的熱負(fù)荷需求；β為室外供熱管網(wǎng)輸送效率。

根據(jù)能量守恒定律，可以推導(dǎo)熱負(fù)荷所消耗發(fā)電側(cè)的燃煤量為

(18)

氣源熱泵的耗電量計(jì)算公式為

(19)

此時(shí)負(fù)荷側(cè)的碳排放量主要取決于電能的消耗量，二者之間的關(guān)系為

Fheat，t=Pheat，ten，t.

(20)

式中Fheat，t為熱負(fù)荷等效電力節(jié)點(diǎn)n的碳排放量。

電能替代之后，負(fù)荷側(cè)用能效率提高，即消耗同樣的電量用能效益更高，可等效為負(fù)荷側(cè)相較于電能替代前碳排放量減少。當(dāng)系統(tǒng)中有某個(gè)負(fù)荷參與電能替代時(shí)，其減碳效益為

ΔFLm，t=Fbefore，t-Fafter，t.

(21)

式中：ΔFLm，t=[ΔFLm1，t… ΔFLmn，t… ΔFLmA，t]為電能替代負(fù)荷減碳效益矩陣，其元素ΔFLmn，t為節(jié)點(diǎn)n的減碳效益，其值為正數(shù)，若該節(jié)點(diǎn)未參與電能替代，則該節(jié)點(diǎn)元素為0；Fbefore，t=[Fbefore1，t…Fbeforen，t…FbeforeA，t]為電能替代前碳排放量矩陣，其元素Fbeforen，t為電能替代負(fù)荷燃燒化石燃料產(chǎn)生的碳排放量；Fafter，t=[Fafter1，t…Faftern，t…FafterA，t]為電能替代后碳排放量矩陣，其元素Faftern，t為電能替代負(fù)荷等效電力節(jié)點(diǎn)n的碳排放量。

替代前后碳排放因子增量矩陣

(22)

式中：E′N(xiāo)，t為電能替代后的碳排放因子矩陣；PL，t為電能替代后節(jié)點(diǎn)功率矩陣。

采用電能替代后的修正值ΔEN，t來(lái)表示t+1時(shí)段修正后的碳排放因子。修正前t+1時(shí)段的碳排放因子

(23)

修正后t+1時(shí)段的碳排放因子

E′N(xiāo)，t+1=EN，t+1-ΔEN，t.

(24)

電能替代后t+1時(shí)段的碳排放量

F′Lm，t+1=PL，t+1E′N(xiāo)，t+1Δt.

(25)

3 案例分析

本文基于華東某地農(nóng)場(chǎng)的配電網(wǎng)展開(kāi)研究，針對(duì)其不同時(shí)間尺度下的碳排放數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真計(jì)算，分析其電能替代前后的效益，驗(yàn)證本文所提碳計(jì)量方法的有效性。

華東農(nóng)場(chǎng)的電能主要來(lái)源為：①農(nóng)場(chǎng)本地電源，包括沼氣發(fā)電、光伏發(fā)電、燃?xì)獍l(fā)電等電源類(lèi)型；②園區(qū)外送入電量，華東本地煤電是最主要的電能來(lái)源，同時(shí)也包括風(fēng)電和潮汐發(fā)電。由于農(nóng)場(chǎng)區(qū)外來(lái)電成分復(fù)雜，區(qū)外碳計(jì)量難以核算，為方便評(píng)估，本文將區(qū)外來(lái)電全部等效為超臨界600 MW級(jí)機(jī)組的發(fā)電量。

發(fā)電側(cè)機(jī)組中燃料的純度、類(lèi)型和能源利用率存在差異，導(dǎo)致不同發(fā)電機(jī)組碳排放量有所不同。結(jié)合不同能源產(chǎn)生的碳排放量與發(fā)電機(jī)組的發(fā)電功率，可以得到各類(lèi)型發(fā)電機(jī)組的發(fā)電碳排放因子，見(jiàn)表1。

表1 不同類(lèi)型發(fā)電機(jī)組發(fā)電碳排放因子Tab.1 Carbon emission factors for different types of power generation units

華東農(nóng)場(chǎng)的配電網(wǎng)拓?fù)浼軜?gòu)如圖4所示，其中節(jié)點(diǎn)1由區(qū)外供電，節(jié)點(diǎn)2由燃?xì)鈾C(jī)組供電，節(jié)點(diǎn)3、24裝配了沼氣機(jī)組，節(jié)點(diǎn)6設(shè)有大規(guī)模光伏機(jī)組，各類(lèi)機(jī)組容量見(jiàn)表2。系統(tǒng)潮流數(shù)據(jù)來(lái)自農(nóng)場(chǎng)智能電網(wǎng)控制系統(tǒng)，潮流信息分辨率為1 h。

表2 農(nóng)場(chǎng)發(fā)電機(jī)組容量及位置Tab.2 Capacity and location of farm generator units

圖4 農(nóng)場(chǎng)配電網(wǎng)拓?fù)浼軜?gòu)Fig.4 Farm distribution network topology architecture

3.1 碳排放流方法驗(yàn)證

根據(jù)華東農(nóng)場(chǎng)配電網(wǎng)的負(fù)荷側(cè)數(shù)據(jù)及發(fā)電側(cè)數(shù)據(jù)，采用碳排放流的計(jì)算模型求得網(wǎng)損碳排放量、負(fù)荷側(cè)碳排放量。通過(guò)對(duì)比源側(cè)各機(jī)組碳排放量和網(wǎng)、荷側(cè)碳排放量，驗(yàn)證本文碳排放流模型的準(zhǔn)確性。

以6 h為時(shí)間尺度，計(jì)算某日的源、網(wǎng)、荷側(cè)碳排放量，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，源側(cè)碳排總量為26.475 t，網(wǎng)損碳排放量為0.602 t、荷側(cè)碳排放量為25.873 t。源側(cè)碳排放量等于網(wǎng)、荷側(cè)的碳排放量之和，說(shuō)明本文所用碳排放流法能準(zhǔn)確計(jì)算各個(gè)環(huán)節(jié)的碳排放量。

表3 某日的源、網(wǎng)、荷側(cè)碳排放量Tab.3 Carbon emissions on generation，grid and load side for a certain day

3.2 精準(zhǔn)碳溯源結(jié)果分析

本文將碳排放結(jié)果按照日、月、年3種時(shí)間尺度進(jìn)行分析，不同電源碳排放量在負(fù)荷側(cè)的分?jǐn)偨Y(jié)果如圖5所示。在圖5(a)中：位于節(jié)點(diǎn)1的煤電機(jī)組，其碳排放順著潮流方向，按照不同比例分?jǐn)偟搅伺c節(jié)點(diǎn)1—33相連的負(fù)荷；節(jié)點(diǎn)24、25的碳排放成分中包含了燃煤機(jī)組1、燃?xì)鈾C(jī)組2、沼氣機(jī)組3、沼氣機(jī)組24；分布式可再生能源并不產(chǎn)生碳排放，因此各個(gè)節(jié)點(diǎn)中不包含光伏機(jī)組6的碳排放分量。需要指出的是，在發(fā)生潮流反向后，各機(jī)組的碳排放分布會(huì)變得更加復(fù)雜，例如當(dāng)節(jié)點(diǎn)24發(fā)生潮流反向時(shí)，原本碳排放只分布在節(jié)點(diǎn)24、25的沼氣機(jī)組可能會(huì)向節(jié)點(diǎn)23、3等部分上游節(jié)點(diǎn)分布。

圖5 不同電源碳排放量在負(fù)荷側(cè)的分?jǐn)偨Y(jié)果Fig.5 Allocation of carbon emissions from different power sources on load side

精細(xì)化碳溯源能夠區(qū)分節(jié)點(diǎn)在不同時(shí)段的主要作用碳源，可為區(qū)域碳減排提供數(shù)據(jù)支撐。針對(duì)主要作用碳源為碳排放因子較高機(jī)組的節(jié)點(diǎn)，可以在上游支路節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)光伏、沼氣的供能，從而在源側(cè)有針對(duì)性地實(shí)施減排。同時(shí)，對(duì)于碳排放較高的節(jié)點(diǎn)，可以通過(guò)實(shí)施負(fù)荷側(cè)低碳需求響應(yīng)來(lái)引導(dǎo)用戶(hù)側(cè)節(jié)能減排，從而在荷側(cè)實(shí)施減排。

碳溯源結(jié)果分析可以得到如下結(jié)論：

a)不同發(fā)電機(jī)組碳排放量從發(fā)電機(jī)組所在節(jié)點(diǎn)順著潮流方向，按照不同比例分?jǐn)偅?/p>

b)發(fā)電機(jī)組碳排放量在一個(gè)支路節(jié)點(diǎn)到另一個(gè)支路節(jié)點(diǎn)間的區(qū)域占比不會(huì)發(fā)生變化；

c)分布式電源不產(chǎn)生碳排放，占比為0；

d)不同電源類(lèi)型在負(fù)荷側(cè)分?jǐn)偟奶寂欧帕侩S時(shí)間變化，受機(jī)組出力和負(fù)荷側(cè)用電量影響。

同時(shí)，根據(jù)圖5中內(nèi)容可以分析不同時(shí)間尺度的區(qū)域配電網(wǎng)荷側(cè)碳排放量，以日、月為時(shí)間尺度的碳排放計(jì)量通過(guò)對(duì)以小時(shí)為時(shí)間尺度的碳排放求和得到。在以小時(shí)為時(shí)間尺度時(shí)，可以看出中午前后用能較多，但午時(shí)新能源出力達(dá)到峰值，所以部分節(jié)點(diǎn)午時(shí)碳排放甚至低于夜間碳排放。以日為時(shí)間尺度時(shí)，在天氣狀況較差的時(shí)段，分布式電源出力降低(見(jiàn)表4)，區(qū)域碳排放量明顯提高，同時(shí)部分節(jié)點(diǎn)周末碳排放量高于工作日碳排放量。以月為時(shí)間尺度時(shí)，夏季沼氣出力增多，因此沼氣機(jī)組夏季碳排放量占比升高。

表4 天氣情況及光伏出力系數(shù)(2023年6月)Tab.4 Weather conditions and photovoltaic output coefficient in June，2023

綜上可知：在短時(shí)間尺度內(nèi)，日負(fù)荷曲線(xiàn)、光照強(qiáng)度對(duì)荷側(cè)碳排放影響較高；在長(zhǎng)時(shí)間尺度內(nèi)，荷側(cè)碳排放受工作日、季節(jié)、節(jié)假日、天氣等影響更為明顯。從荷側(cè)溯源成分考量不同時(shí)間尺度下的碳排放量，可以滿(mǎn)足電力系統(tǒng)高分辨率的短期測(cè)量和低分辨率的長(zhǎng)期測(cè)量要求，在短期監(jiān)測(cè)中維持?jǐn)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中提供碳排放的波動(dòng)范圍。

本文所建立的荷側(cè)碳溯源模型可為電力系統(tǒng)碳減排的有效評(píng)估提供更為準(zhǔn)確的方法，為電力系統(tǒng)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)施提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

3.3 負(fù)荷側(cè)電能替代結(jié)果分析

本研究中，農(nóng)場(chǎng)內(nèi)奶牛場(chǎng)和沼氣發(fā)酵的供熱環(huán)節(jié)參與了電能替代。電能替代前后節(jié)點(diǎn)碳排放因子、碳排放量變化情況如圖6、7所示，當(dāng)熱力系統(tǒng)中奶牛場(chǎng)和沼氣發(fā)酵供熱被電力節(jié)點(diǎn)11、19替代時(shí)，節(jié)點(diǎn)11、19的碳排放因子均明顯提高。

圖6 電能替代前后節(jié)點(diǎn)碳排放因子變化情況Fig.6 Node carbon emission factors before and after electricity substitution

為了驗(yàn)證碳排放因子修正結(jié)果的準(zhǔn)確性，圖7還對(duì)比了碳勢(shì)修正和潮流修正的結(jié)果?？梢钥闯觯禾紕?shì)修正將熱力系統(tǒng)碳排放分?jǐn)偟礁鱾€(gè)節(jié)點(diǎn)，整體碳排放因子上升，碳勢(shì)修正后的各節(jié)點(diǎn)的碳排放量略高于替代前的碳排放量，計(jì)量精準(zhǔn)，但無(wú)法理清電能替代的精準(zhǔn)結(jié)果；碳勢(shì)修正中，節(jié)點(diǎn)11、19的碳排放因子受替代效益影響明顯提升，節(jié)點(diǎn)11、19碳排放量明顯高于替代前碳排放量，而其他節(jié)點(diǎn)碳排放因子與電能替代前的碳排放量相同。

圖7 電能替代前后碳排放量變化情況Fig.7 Node carbon emissions before and after electricity substitution

本文所提的負(fù)荷側(cè)電能替代方法在碳排放流的基礎(chǔ)上對(duì)碳排放因子進(jìn)行修正，驗(yàn)證了負(fù)荷側(cè)電能替代的減排效益，減少了重新計(jì)算碳流的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)的低碳運(yùn)行和用戶(hù)側(cè)的節(jié)能減碳。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以電力系統(tǒng)碳排放流理論為基礎(chǔ)，分析華東地區(qū)某配電網(wǎng)的碳排放量。根據(jù)碳排放流法的迭代特性構(gòu)建了碳溯源模型，驗(yàn)證了從荷側(cè)追蹤源側(cè)碳排放的碳溯源模型的有效性；結(jié)合電能替代負(fù)荷碳排放轉(zhuǎn)換機(jī)理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電能替代負(fù)荷碳排放的公平劃分；通過(guò)碳勢(shì)修正方法與潮流修正方法的碳計(jì)量結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了考慮負(fù)荷側(cè)電能替代模型的有效性。

本文所提的方法能夠明確表達(dá)負(fù)荷側(cè)碳溯源關(guān)系，細(xì)化節(jié)點(diǎn)指標(biāo)；碳排放因子修正方法可避免重新采集潮流數(shù)據(jù)，提升碳計(jì)量求解速度。本研究將進(jìn)一步優(yōu)化碳排放流矩陣的求解速度，為碳達(dá)峰、碳中和提供技術(shù)和數(shù)據(jù)支撐，為區(qū)域配電網(wǎng)減碳指標(biāo)考核、節(jié)能技術(shù)有效性評(píng)估等提供科學(xué)準(zhǔn)確的量化結(jié)果。