六氟化硫排放核算及统计数据准确性评价研究

朱峰，赵跃，宋玉梅，邵翔

（1.国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，安徽合肥，230000；2.合肥诚记信息科技有限公司，安徽合肥，230000）

0 引言

六氟化硫气体因优良的灭弧性能、绝缘性能及化学稳定性，广泛用于电网等国计民生支柱产业。六氟化硫气体是温室效应最强的工业气体，1T六氟化硫气体的排放相当于23900T二氧化碳排放，控制六氟化硫气体的无序排放，已经刻不容缓。2019年3月11日，国资委下达“关于印发《中央企业能源节约与生态环境保护统计报表》的通知”，将“六氟化硫气体回收率”纳入中央企业负责人任期经营业绩考核。2020年12月，以习近平同志为核心的党中央提出“2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和”重大战略目标，并将做好碳达峰、碳中和工作纳入2021年八大重点任务。为控制和减少六氟化硫气体排放，国网公司多年来致力于六氟化硫气体回收再利用系统研发、试点应用、全面推广、管理提升等一系列工作。

1 六氟化硫气体数据统计工作面临挑战

当前六氟化硫气体使用场景涉及基建、运维、检修、设备退役及净化处理等多个阶段，因六氟化硫气体使用范围的复杂性,导致管理部门面临严峻的指标考核责任、设备安全运行的巨大压力，如何测量电气设备内六氟化硫气体重量，准确掌握全网六氟化硫气体使用量是减排的关键。目前国内外针对六氟化硫电气设备检修和退役时气体的使用量和回收量方面已有研究，但在电网六氟化硫气体存量（气体总量）上仍然没有合适的评估方法。设备内气体仅能通过压力传感器进行监测，对设备内气体重量精确检测方面还没有相关的研究报道。

1.1 六氟化硫用气量难以精准计量

国网公司六氟化硫电气设备数量巨大，如安徽电网110kV及以上电压等级变电站935座，随着GIS电气设备的不断推广，气体用气量不断增大，新投运设备通过设备铭牌或充气量计算气体使用量，大部分在运设备铭牌未标注气体用量和设备容积（设备内含多种复杂结构，难以通过外形估算），六氟化硫气体充气量未知；部分新投运设备铭牌标注的六氟化硫气体充气量不准确，且实际运行压力普遍高于额定压力值，因此，公司系统电气设备六氟化硫用气量的准确数据难以掌握，设备检修、退役时气体回收率无法管控。

1.2 六氟化硫气体使用无法实时跟踪记录

由于缺乏有效的物料管控技术，回收的气体没有及时送往六氟化硫处理中心、净化后气体未及时领用并充入设备、新购气体量无法统一管控等问题依然存在，一是气体使用过程无法做到实时跟踪准确记录，回收回用量、净化量、新气购置量及入出库信息等无法实现全链条多维的管理；二是目前各地市局尚未形成智能化程度高、台账覆盖面广和业务针对性强的六氟化硫气体全生命周期规范管理手段及辅助工具，且现有的六氟化硫气体与电力设备之间未建立关联台账、管控手段智能化程度不高等。

为此，安徽电科院研发了六氟化硫气体重量感知装置，实现对设备内六氟化硫气体重量全过程测量。本文通过开展六氟化硫气体排放全口径核算和六氟化硫气体损耗模型研究，构建六氟化硫统计数据准确性评价方法，掌握全网六氟化硫气体使用量、回收率、气体净化量等关键数据的统计。

2 六氟化硫排放核算及统计数据准确性评价方法研究总体思路

本文以地市级供电公司为研究对象，一是开展地市级供电公司六氟化硫气体排放全口径核算研究，确定地市级公司六氟化硫气体核算边界，建立六氟化硫气体全口径核算方法。二是六氟化硫气体损耗模型研究，通过开展六氟化硫气体排放全过程气体损耗研究，建立损耗模型。

通过这两种方法对六氟化硫气体数据统计准确性评价方法进行研究，建立一套开展数据统计准确性，评价地市级供电公司六氟化硫气体排放量和填报数据准确性。通过对六氟化硫全生命周期各环节气体量管理和相关影响因素，通过模型构建、推理分析和数据定损，综合得出六氟化硫气体损耗模型研究。

3 六氟化硫气体排放全口径核算

地市公司的六氟化硫气体排放指使用六氟化硫设备检修与退役过程产生中的六氟化硫的排放和输配电损失所对应的电力生产环节产生的二氧化碳排放。具体计算按公式（1）。

式中，

E——二氧化碳排放总量（吨二氧化碳）

ESF6——使用六氟化硫设备修理与退役过程中产生的六氟化硫排放（吨二氧化碳）

E网损——输配电损失引起的二氧化碳排放总量（吨二氧化碳）

使用六氟化硫设备修理与退役过程的排放计算按式（2）。

式中，

ESF6——使用六氟化硫设备修理与退役过程中产生的六氟化硫排放，（吨二氧化碳）

REC容量,i——退役设备i的六氟化硫容量，以铭牌数据表示，（千克）

REC回收,i——退役设备i的六氟化硫实际回收量，（千克）

REP容量,j——修理设备j的六氟化硫容量，以铭牌数据表示，（千克）

REP回收,j——修理设备j的六氟化硫实际回收量，（千克）

GWPSF6——六氟化硫的SF6气体潜能，23900。

4 六氟化硫气体损耗模型研究

六氟化硫气体损耗模型研究包括数据采集模块、变量计算模块、潜在因素模块、模型表达模块、推理分析模块、数据定损模块和管控终端。

4.1 数据采集模块

根据实际的业务处理需求对整个六氟化硫全生命周期过程进行分解，可分成新气采购、出入库、使用、回收、净化、在运设备保有量估算和气体损耗等环节，通过对各个环节的数据验证及核算，来构建出具体的物料核算模型。

（1）新气采购

新采购气体且检测合格后的气体量等于入库量，记作M入库量=M采购量。

（2）气体入库

通过两种不同对象的入库方法描述，可以得出相应的计算公式：

式中：M入库量——指入库气体的重量

M新气采购入库量——指新采购气体入库时的重量

M净化气回用量——指对回收净化后再使用的气体量

M检修剩余量——指对现场检修时带出的气体量，没有使用完又带回重新入库量

M新气入库量——指对处理中心新获取到的气体入库量

M回收量——对现场设备回收的气体量

（3）气体出库

为了便于对数据的分类管理和统计，需要把系统内气体出库类型分为：变电站申请回收气体出库、处理中心净化后气体出库、检修使用气体出库。在移动端设计了气体出库模块和气体出库业务环节页面，气体出库线上流程主要包括：扫码获取信息、添加出库记录、选择出库类型和填写详情信息；详情信息主要包括有：出库钢瓶数、出库重量、出库单位、负责人和出库时间，其中出库钢瓶数和重量可通过扫描自动获取。

（4）气体使用

式中：M保有量——指设备现有气体的重量

M初始值——指设备中气体重量的初始估算值

M充气量——指充入到设备中的气体量

M充气前——指充气前设备的重量

M充气后——指充气后设备的重量

注意：在此充气使用环节过程中分以下三种情况统计：

如果充气使用之前没有对钢瓶进行先称重，那么依据钢瓶标签标注的重量为准。得出如下公式：

式中：M充气量——指充入到设备中的气体量

M标注量——指设备上标签标注的气体量

M充气后——指充气后设备的重量

如果充气之后没有进行称重，那么该设备的充气流程就不能闭环结束，此时需要追踪钢瓶充气后的状态。追踪到该钢瓶充气后的第一次称重得到的重量来记作（Mgp）。得出如下公式：

式中：M充气量——指充入到设备中的气体量

M充气前——指充气前设备的重量

Mgp——追踪到该钢瓶充气后的第一次称重得到的重量

如果充气前和充气后都进行了称重，则M充气量=M充气后-M充气前

（5）气体回收

式中：M回收量——指充入到设备中的气体量

M设备气体保有量——指设备原有的充气量

M初始估算——指设备中气体重量的初始估算值

如果M回收量≠M初始估算，那么需要用M回收的值去修正之前对设备初始值估算量的值，来不断完善和补充更多未知重量设备的 M初始估算和 M设备气体保有量。

注意：在此回收环节过程中分以下两种情况统计：

如果回收之前没有对钢瓶进行先称重，那么依据钢瓶标签标注的重量为准，可得出如下公式：

式中：M回收量——指回收得到的气体量

M标注量——指设备上标签标注的气体量

M回收后——指设备回收后的重量

如果回收之后没有进行称重，那么该设备的回收流程就不能闭环结束，此时需要追踪钢瓶回收后的状态。若能追踪到则以此时的钢瓶气体量为回收后的重量（M回收后），即M回收量=M回收后-M回收前。

（6）气体净化

式中：M净化损耗量——指净化过程中损耗的气体量

M净化前——指净化前的气体重量

M净化后——指净化后的气体重量

4.2 变量计算模块

实时获取单位时间级内的六氟化硫气体的变化信息，变化信息包括密压值、体积值和浓度值，并将其分别标定为Ai、Bi和Ci，依据公式，i=1...n，求得单位时间级内六氟化硫气体变化的动态值Xi，其中，e1、e2和e3分别为密压值Ai、体积值Bi和浓度值Ci的误差因子系数，且e2＞e1＞e3＞ 0 ；

将求得单位时间级内的动态值Xi进行均值处理，依据公式，求得衡量单位时间级内六氟化硫气体变化状态的均值数据，其中，ρ为动态值Xi的修正因子系数，λ为动态值Xi的误差因子系数，且ρ＞0，λ＞0。

4.3 潜在因素模块

实时获取单位时间级内的六氟化硫气体的因素信息，因素信息包括环境温湿度和存储标值，并将其分别标定为Wi和V，依据公式i，求得衡量单位时间级内的六氟化硫气体的影响值Yi，其中，q1和q2分别表示为环境温湿度Wi和存储标值Vi的程度因子系数，且q2＞q1＞ 0 。

并将影响值Yi与预设范围α进行比对分析，当影响值Yi大于预设范围α的最大值时，则生成极端不利信号，当影响值Yi处于预设范围α的之间时，则生成轻度不利信号，当影响值Yi小于预设范围α的最小值时，则生成微弱不利信号。

4.4 模型表达模块

获取单位时间级内的各时间点的时间参数i和与之对应的动态值Xi，以时间参数i构造坐标系的横坐标，以动态值Xi构造坐标系的纵坐标，并据此建立动态坐标系。

将均值数据以直线的方式在坐标系上显示，并通过极差分析操作，求得六氟化硫气体的变化信息离散波动的动荡信号和平稳信号。

4.5 推理分析模块

将极端不利信号、微弱不利信号和轻度不利信号依次与动荡信号和平稳信号两两互相结合，并进行推理分析；当同时获取极端不利信号和动荡信号时，则输出一级预警信号，当同时获取极端不利信号和平稳信号时，则输出二级预警信号，当同时获取微弱不利信号和动荡信号，则输出二级预警信号，当同时获取微弱不利信号和平稳信号，则输出三级预警信号，当同时获取轻度不利信号和动荡信号，则输出三级预警信号，当同时获取轻度不利信号和平稳信号，则输出四级预警信号。

4.6 数据定损模块

将获取的一级预警信号、二级预警信号、三级预警信号和四级预警信号进行求和统计操作，当求和得到的结果中含有的一级预警信号和二级预警信号的次数总和大于等于3时，则输出严重损耗信号，当求和得到的结果中含有的二级预警信号和三级预警信号大于等于4时，则输出中度损耗信号，而其他情况下，则输出轻微损耗信号。

4.7 管控终端

管控终端对接收严重损耗信号、中度损耗信号和轻微损耗信号以文本的形式展示出来。

5 六氟化硫气体数据统计准确性评价方法及研究

在评价方法选择和构建评价指标体系的基础上，使用层次分析法构建评价模型。层次分析法将与决策有关的因素分解成目标、准则、方案等层次，然后递进求解每层的各元素对上层次某元素的优先权重，是一种定性与定量分析相结合的多因素决策分析方法。用层次分析法分析问题要经过以下步骤：

（1）建立层次结构模型。将实际问题中的因素从上至下依次分解成目标、准则、方案不同层次，同一层次的因素在受制于下层因素的同时，又会影响其上层因素。

（2）构造两两比较判断矩阵。比较同一层次中元素 Xi与元素 Xj 相对上一层某个因素的重要性时，用数值aij来描述这种相对重要性，假设本层有n个关联因素，则A=(aij)n×n 称为两两比较的判断矩阵：

式中 W=(w1，w2，wn)T，n 是特征值。

（4）判断矩阵一致性检验。一般来说，外部环境的变化、判断对象的复杂性、过往经历的不同及对判断对象主观认知的不足，会导致人们不能对指标的相对重要性做出准确判断，即aij存在偏差，这样判断矩阵一致性的准确程度就很难得到保证。因此需要对其进行检验，本文采用一致性指标CI（Consistent Index）和平均随机一致性指标RI的比值随机一致性比率CR（Consistency Ration）来衡量判断矩阵的不一致性程度，RI值只与矩阵阶数有关。

式中λmax为n阶判断矩阵A的最大特征值。

通过上述层次分析法评价模型的构建，结合各单位在各环节处理上报的业务数据进行分析汇总，可从以下不同维度进行计算验证：

以单位的采购量、回收量的和与使用量、库存量、损耗量三者的和相比较，整体偏差是否在合理范围内，来验证统计数据的准确度。

同时从现场回收、净化、使用三个环节统计损耗维度对回收损耗、净化损耗和使用损耗进行损耗量的验证；结合上述第4点损耗模型研究的应用可综合得出损耗量数据的准确度。

通过上述两种不同维度的计算验证结合层次分析评价模型的应用，可整体得出六氟化硫气体统计准确性评价方法。

6 结束语

本文通过开展六氟化硫气体排放全口径核算、损耗模型研究，收集六氟化硫气体使用量、回收率、气体净化量等关键数据的统计，建立一套数据统计准确性评价方法，实时掌握安徽电网六氟化硫气体保有量和使用情况，为国家电网公司六氟化硫气体回收和循环再利用提供技术支撑。促进了六氟化硫气体回收再利用工作的良性循环，为更好地推动六氟化硫气体减排提供科学严谨的数据，为电力部门决策提供依据，推进公司节能减排工作落地，为温室气体减排和发挥国网公司企业责任作出了积极贡献，助力国家“碳达峰、碳中和”目标的实现，具有良好的环保、经济和社会效益。