电力一次设备全寿命周期碳排放减控技术研究思路与框架

卢仰泽，张 露，任劼帅，黄泽琦，鲁 非

（国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077）

0 引言

中国是世界最大的碳排放国［1］，2020 年9 月习近平主席在联合国大会上承诺中国将在2030 年前实现碳排放达峰，并在2060 年前实现碳中和［2-3］。我国电力行业自身的碳减排研究［4］、规划工作目前主要集中在发电环节［5-8］，但是，作为电网企业电能主要载体的电力一次设备［9］，其在制造、运维、退役的全寿命周期过程中，同样会产生碳排放［10-12］，该部分碳排放是造成电网企业碳排放量居高不下的主要原因［13］。

随着社会对电能的用量和质量需求变高，电网线路日益复杂，电能输送过程中，电力一次设备的碳排放将会不断增加，且碳排放不易测定，目前电力一次设备碳排放的核算、溯源工作尚未开展。

以2020年国家电网统计数据为例：在电力传输过程中，2020 年全国电力线路的平均线损及SF6绝缘气体产生的CO2直接与间接排放量高达2 亿t。除此以外，原材料获取、加工，部件总装等设备制造工艺也存在大量碳排放，设备退役后的回收过程也需考虑碳排放。所以，电网企业的碳减排措施已不能仅仅局限于发电环节，输变配电一次设备的碳减排工作同样重要［14］。因此，有必要对设备全寿命周期所包括的入网前阶段、运维阶段、退役阶段中碳排放进行核算、溯源、监测与减控技术的研究并形成标准体系。

本文从低碳电网建设背景出发，指出当前电力一次设备碳排放评价与减控等方面标准滞后、技术欠缺。本文从电力一次设备全寿命周期所包含的入网前、运维与退役3 个阶段入手，对每个阶段的碳排放进行核算、溯源，形成指导设备供应链与设备运行维护的评价指标体系，并开展碳排放的监测、统计技术与装置的研究；在此基础上，实现重点环节的碳排放减控，最终建立相应的软硬件平台，为电力一次设备碳排放的监视、评价与减控工作提供理论及技术手段支撑。

1 低碳电网研究概述

1.1 碳排放评估模型建立

碳减排、碳达峰、碳中和等任何与温室气体管理相关的工作，都建立在依据标准规范正确核算碳排放的基础之上，必须满足温室气体可测量（Measurable）、可报告（Reportable）与可核证（Verifiable）的MRV 基本原则。

较为成熟的系统综合评估模型根据建模方法可以分为自上而下模型、自下而上模型和综合模型3 种类型［15］。自上而下的宏观层面核算以IPCC（联合国政府间气候变化委员会）的《国家温室气体清单指南》为代表，主要用于国际履约，或者中央对地方政府的碳排放核算与监督。自下而上的碳核算方式主要是以工程技术为出发点，分为基于企业、产品和项目碳核算方式，掌握各类微观主体包括企业和消费者在生产或消费过程中的温室气体排放情况。

1.2 低碳电网国内研究进展

国内学者对于低碳电网建设方面的研究主要以低碳电网建设的技术途径为主导，分别从低碳电力技术应用、低碳政策与低碳管理模式等角度对低碳电网建设进行了相关研究。

在低碳电力技术应用研究方面，丁然［16］从用电侧出发，总结了电网全生命周期中低碳化的技术路线；康重庆［17］等总结了现如今国内外电网企业们实施低碳化的技术路线，并从多个维度展开讨论；李莹莹［18］等分析低碳经济对电网带来的影响；曾鸣等［19］从终端节电、降低损耗等四个方面给出了智能电网支撑电力系统低碳化的详细途径；段立勇［20］等研究了电网企业碳排放核算与配额分配方法；朱昱坤［21］等简单论述了电网企业实现低碳经济的途径。

在低碳政策研究方面，郁义鸿［22］等用估算电力需求函数的方法来估测碳税政策的成效，提出了发电侧能源结构的碳减排效果高于碳税政策的优化结论；刘强［23］等对电网企业在不同低碳政策下产生的碳排放量进行评估，对比了3种清洁模式下的碳排放成本，为碳减排政策的测评提供了模型。

在低碳管理模式和技术创新的研究中，许文秀等［24］提出了节能效益高的合同能源管理配电网低碳科学模式；吴鸿亮等［25］以电力交易的环节为切入点提出发电碳排放配额分配方法；高生伟［26］简单探讨了低碳经济对电网规划和发展的影响；周黎莎等［27］以低碳效益为基础，分析了我国智能电网低碳效益的实现方法；周黎莎等［28］在另一篇文献中构建了低碳效益评价指标体系，建立低碳效益评价模型；严冬等［29］分析了智能电网在低碳经济环境下的发展情况；覃丹［30］从电网规划建设的角度，分析配电网的节能降损及构建经济型电网。

综上所述，目前低碳电网建设相关研究，主要集中在宏观政策层面、电网企业建设的具体措施。多位学者从电网规划运行过程中影响碳排放、电网低碳化的技术路线等层面展开了研究。电网低碳化方面，单一通过低碳技术产生的低碳效益不足以建设低碳电网，只有在电网运营期间全面实现低碳化，才能全面建设低碳电网体系。

本文全面分析电网运营期间电力一次设备的碳排放现状，引入电网设备碳排放的概念，并将此概念作为碳排放约束条件，引入电网规划设计的一次设备选择中去。

2 电力一次设备全寿命周期碳排放技术研究标准体系

根据电网设备全寿命周期中碳排放的核算工作结果，建立评价出厂前、运维与退役3个环节的设备碳排放标准体系，以指导设备采购、运维与回收工作，为电网企业提供碳排放方面的设备选型采购依据、运维计划制定依据与退役后处理工作的依据，并引导电力设备供应链上下游企业的减排增效工作。

2.1 生产环节标准体系

建立评价电力设备生产环节的指标体系以指导电网企业对供应商设备的采购选型。该标准体系需评价电力一次设备原材料获取生产、产品制造、运输等环节中所产生的直接与间接碳排放行为的排放量、排放种类及其对环境的影响，同时也需将设备运行维护环节中的直接与间接碳排放的统计量纳入标准体系范围。

2.2 运维环节标准体系

建立评价电力设备运维环节的指标体系以用于指导电网企业自身的运维策略制定。该标准体系在以往设备状态评价、检修体系的基础上，结合设备不同运行工况下与设备运维工作中碳排放的监控与测算，从降低设备运维阶段碳排放的角度指导设备运行方式调整、检修周期与检修项目制定、停电试验与带电检测项目等的制定。

2.3 退役环节标准体系

建立评价电力设备退役环节的指标体系以指导设备（部件）退役后的报废或回收工作。该标准体系用于评价不同种类、不同老损状态的退役设备（部件）回收后的碳中和量，评价各种回收工艺的直接与间接碳排放，从而综合衡量设备（部件）的回收价值，给出包含回收再利用、备用、报废填埋等多种退役策略的选择依据。

3 电力一次设备全寿命周期碳排放技术研究思路

根据电力设备全寿命周期中入网前、运维与退役3 个阶段，考察每个阶段在碳排放核算、碳排放监测、碳排放减控、碳排放评价与碳排放管理应用5 个方面的研究内容。

3.1 碳排放核算

针对电力设备在全寿命周期中所有直接与间接的碳排放行为，制定碳排放核算方法，核定碳排放因子，实现碳排放指标的量化核算，为碳排放监测、减控技术提供理论依据。

3.2 碳排放监测

开发传感器、数据统计平台，实时监测并统计电力设备在全寿命周期中所有直接与间接的碳排放。

3.3 碳排放减控

研究设备与材料低碳化优化设计方案、替代方案，以向生产厂家进行低排放设备生产技术输出；研究低碳控制辅助支撑技术，以减少设备运行中设备碳排放，延长设备使用寿命；研究设备回收再利用技术增加碳中和率。

3.4 碳排放评价

制定碳排放评价指标体系，对设备全寿命周期中碳排放种类、强度进行定量或定性的评价，同时评价碳排放减控手段的效果；开发碳排放检测试验装置对设备排放达标进行校验。

3.5 碳排放管理应用

建立设备入网前、退役阶段设备碳排放评价软件平台与运维阶段设备碳排放监控平台，形成全寿命周期碳排放减控辅助系统，为设备所在的电网企业及其上下游企业全寿命周期的碳排放行为提供可观、可控、可交互的平台。

碳排放框架如表1所示。

表1 碳排放全寿命周期阶段与研究内容关系Table 1 Relationship between life cycle stages of carbon emissions and research contents

4 电力一次设备全寿命周期碳排放技术研究

4.1 研究框架

根据以上思路，整理出研究思路如图1所示，将电力一次设备全寿命周期碳拜排放按阶段分为入网前阶段研究、运维阶段研究、退役阶段研究。

图1 研究思路和框架示意图Fig.1 Schematic diagram of research idea and framework

4.2 主要研究内容

4.2.1 设备入网前碳排放减控技术

1）供应链碳足迹溯源与核算。研究设备（材料）在原材料获取、部件生产、总装制造环节中温室气体及其前体的排放量和能源消耗量的核算方法。

设备采购碳指标体系包括：①碳排放因子核定，核定设备（材料）在全寿命周期中所有碳排放行为折合成单位质量CO2的排放因子；②指标体系建立，针对电力一次设备在各个工艺环节碳排放行为，实现定量或定性评价。

2）设备入网前的碳排放监控。基于电网设备（材料）的碳足迹测算方法，研制设备（材料）在原材料获取、产品制造环节中阶段碳排放的监控计量装置、工具或规范。

3）碳排放检测厂内试验技术。结合电力设备运行直接碳排放测量技术、设备运行损耗测量技术、设备老化试验技术，形成碳排放型式试验、出厂试验的装置与规程。

4）设备入网前设备碳排放评价软件平台。指运用物联网技术与云计算或中央计算技术，实时对电网设备原材料获取、产品制造与报废处理环节的碳排放进行监控与管理，依托人工智能技术提供碳排放减控、低碳材料设备选型的建议。

5）设备与材料低碳化优化设计。指研究变压器、输电线路、GIS 等设备的降损技术与设备优化设计技术，包括：SF6排放减控及环保气体替代技术、电力设备低碳排放材料替代技术、电力设备优化设计技术。

4.2.2 设备运维阶段碳排放减控技术

1）运维阶段碳排放核算。包括：①直接碳排放核算，根据设备材料化学组成、运行过程中的行为特征及环境影响，构建直接碳排放核算指标体系；②间接碳排放核算，基于电网企业使用、上网的能源类型及来源差异，研究电力设备正常或异常运行情况下输配电损耗排放因子的核定方法。

2）运维阶段碳排放标准体系。包括：①运行阶段碳排放标准体系，根据碳排放核算结果，评价设备老化状态、预估设备剩余寿命、设定碳排放监测预警值；②维护与检修阶段碳排放标准体系，分析不同设备停电检修、停电试验等工作增加的碳排放量，根据评价结果，合理制定设备的检修周期与试验项目。

3）运维阶段碳排放测控技术。包括：①直接碳排放测控技术，根据不同的测量手段，探索直接碳排放核算路径，建立核算一级指标；②间接碳排放测控技术，研究使用电力、热力及输配电损耗排放因子的核定方法。

4）设备碳排放监控平台。结合电力设备直接与间接碳排放测控装置与以往电力设备在线监测、变电站/换流站SCADA 系统中电气量的实时监控等，对运维环节中碳排放进行实时及剩余寿命的监控及评估。

5）低碳控制辅助支撑。对于设备正常运行阶段，以变电站、换流站为单位，结合设备碳排放监控平台，在保障电网安全稳定运行前提下给出运行建议，达到降低运行损耗，进而降低间接碳排放的目的。

6）碳排放现场试验技术。结合电力设备运行直接碳排放测量技术、设备运行损耗测量技术、设备老化试验技术，研究可在设备运行现场对其直接、间接碳排放量进行停电试验或带电检测的技术，并形成碳排放各类试验规程。

7）设备全寿命周期碳排放减控辅助系统。以变电站、换流站为单位，结合设备碳排放监控平台对设备老化程度、剩余寿命的评估结果给出建议，等效地降低因设备提前退役、重新生产而造成的额外碳排放。

4.2.3 设备退役阶段碳排放减控技术

1）设备退役回收碳足迹核算。对设备回收过程中不同回收方式（如整体翻新、部件拆解、原材料熔炼等）、回收工艺进行碳溯源研究，明确回收过程中的碳排放行为的碳排放量、排放类型，并校核排放因子，综合衡量不同回收过程中的碳排放量。考核不同回收方式所得回收产品、部件或原材料等效的碳中和量。

2）设备退役评价技术与指标体系。结合设备全寿命周期中的剩余寿命估计与运维阶段的碳排放监控技术，研究退役评价检测技术、试验装置与标准判据，给出设备退役的判据与包含整体/部分回收再利用、冷/热备用、报废填埋等的退役方式的建议。

3）设备回收评价指标体系。根据设备退役回收碳足迹溯源结果，针对重点设备、重点材料提出可能的回收利用方案，评价各种回收工艺的直接与间接碳排放与回收设备碳中和量，从而综合衡量设备（部件）的回收价值。

4）设备退役后碳排放监控技术。对于退役阶段的电力设备，①研发可检测其退役后报废处置等工艺产生的间接碳排放的装置；②研发可检测油气等可能产生碳排放的废弃物回收工艺中直接碳排放的装置；③研发可评价设备材料回收再利用后碳中和量检测评价的装置。

5）设备退役后碳排放评价软件平台。开发设备退役后碳排放评价软件平台，形成对设备退役后碳排放实时的跟踪、监测与评价，指导电网企业对退役方式、回收厂商与回收工艺的选择，达到提升设备退役后的碳中和量的目的。

5 结语

现阶段国内外对低碳电网建设主要集中在宏观层面，着重于电网企业的低碳化发展，将减排引入电网的规划设计；然而，单一的通过低碳技术来建设低碳电网不足够，只有从电能产生的源头以及电网运营期间全面实现低碳化，才能使得低碳电网建设成体系。

本文分析电网运营期间的碳排放现状，引入电力设备碳排放的概念，从电力一次设备全寿命周期出发，提出建立电力设备全寿命周期碳排放核算标准体系，给出了电力一次设备全寿命周期碳排放技术研究思路及研究框架。

电力一次设备全寿命周期碳排放技术研究框架，按入网前阶段、运维阶段、退役阶段开展研究，给出了各个阶段的研究内容与关键技术难点，为电力一次设备全寿命周期碳排放核算提供了详细的研究思路。