电力行业碳排放指标体系与监视系统研究

程功旭 胡亚男 徐驰 李健男

摘要：对全网电力行业碳排放进行实时统计分析并优化发电调度，已成为电力行业的重要工作。通过电网碳结构分析，构建区域特色化电力碳排放指标体系，提出碳排放优化调度方法，建立数字孪生碳监视可视化系统，为逐步实现我国碳达峰、碳中和宏伟目标提供数据支撑。

关键词：电力系统;碳排放;碳结构;数字孪生;调度;监视系统

中图分类号：TP319    文献标识码：A    文章编号：1674-1161（2022）01-0049-03

收稿日期：2021-10-15

作者简介：程功旭（1991—），男，硕士，从事电力调度自动化及新型电力系统研究工作。

近年来，随着全球气候变暖问题加剧，作为能源大国的我国率先承担起节能减排、维护全球生态系统的重任。习近平总书记提出“四个革命、一个合作”能源安全新战略，为我国能源发展指明了方向，开辟了中国特色能源发展新道路。特别是“碳达峰、碳中和”目标提出后，坚持绿色发展、加速推进清洁低碳转型已成为能源行业的发展趋势。目前，我国电力行业正迎来重要结构调整期和转型期。加快构建清洁低碳、安全高效能源体系，实现全网电力行业碳排放实时统计分析，优化发电调度，成为电力行业重要工作内容。

1 碳排放计算

碳排放的量化是节能减排工作的核心步骤，设计区域碳排放指标体系时必须明确核算的基本方法。排放系数法简单且宏观，适于工程计算，但在汇总整理电力行业企业燃料活动强度及获取企业活动强度与排放数据时，须与其他途经获得的行业统计数据进行比对和汇总，并在相互之间开展验证。

某个工艺环节某种石燃料i在时间t内燃烧后释放的二氧化碳的量为

PEi，t=FCidt×COEFi，t-RSj，tDT×RSEFj，t       （1）

式（1）中，PEi，t—t时间内燃烧某类型化石燃料释放的二氧化碳的量;FCi—某个时刻燃烧的化石燃料的量，单位是质量或体积;COEFi，t—時间t内燃烧的某种化石燃料的二氧化碳排放因子， 单位是tCO2/每燃料质量或体积单位;RSj，t—时间t内燃烧化石燃料产生的燃烬的量，单位是质量或者体积;RSEFj，t —折算后的残留物或气体能够扣减的二氧化碳的释放因子;i—燃烧的化石燃料的类型;j—该过程中时间内的燃烬类型。

1） COEFi，t参数若按质量单位（煤或油等）来计算，则

COEFi，t=WC，l，×                （2）

若按体积单位（天然气）来计算，则

COEFi，t=WC，i，t×ρi，t×          （3）

2） 对于RSEFj，t ，按质量单位计算，则

RSEFj，t =WC，l，×                     （4）

若按体积单位计算，则

RSEFj，t =WC，j，t×ρj，t×                  （5）

2 碳排放体系

构建特色区域化电力碳排放指标体系，是循序推进节能减排、实现碳达峰与碳中和目标的工作重点。通过时间段（年、月、日和实时）内的全网发电量、含碳排放机组（煤电机组、燃气机组等）电量、零碳机组（水电、新能源、核电等）电量、含碳排放的外来电量及其相应的二氧化碳排放量等因素，构建区域电网碳排放指标体系，形成电网碳排放指数，可有效量化电网碳排放数据。

温室气体排放计算公式：

PEi，y=FCi，y×NCVi，y×OXIDi+FCi，y×NCVi，y×EFN2O （6）

除了利用燃烧设备的热平衡或燃料平衡对数据进行分析之外，还需要实测燃料的含碳量、灰分量及灰分中的含碳量。基于上述计算方法所建立的电力碳排放指标体系，见表1。

3 基于碳排放的优化调度方法

基于碳排放优化调度电力市场，可通过排队方法优先让可再生电源、水电、核电等清洁能源发电，对燃煤火电采用等耗微增率法进行调度，从理论角度可使火电厂的节能效率达到最高，使温室气体等气体的排放量达到最小。基于这一理论，当整个电网系统需增加一定量的发电负荷时，其所增加的碳排放指标最少。

设电网中有i台机组处于备用状态，则调用机组的能耗及排放数学模型为：

Eui=fuibzh，i，               （7）

结合机组碳结构演变态势，为机组附加碳结构属性，作为调峰参与依据，指导碳排放工作有效推进。机组运行状态判据为：

fuibzh，i，

， fujbzh，j，

，ui=1

fuibzh，i，

>fujbzh，j，

，ui=0       （8）

其中，i=1......n，且i≠j;j=（1... n）∩。约束条件为：

ui×Pui=Pxt

ui×Eui=min

ui×fuibzh，i，

（9）

式中，bzh，i为第i台机组的综合供电煤耗率;为第i台机组的CO2单位电量排放率;ui为第i台机组的状态;1表示运行，0表示停运;Pui为第i台机组的负荷;Pxt为系统当前需要。

当系统需要Pxt负荷时，系统中处于备用状态的n台机组均可调用。按照节能调度原理，第ui台机组能耗水平Eui与综合供电煤耗率及其CO2单位电量排放率有关。能耗及排放越小，则越先调用。当机组发电负荷满足系统负荷需要时，可确保其能耗及排放最小。

4 数字孪生碳监视可视化

4.1 碳达峰、碳中和政策及方案演示

数字孪生碳监视可视化系统支持电力部门整合现有信息系统的数据资源，凭借先进的三维模型、数据感知化图元实现碳结构多维信息的综合化、感知化立体监视。新的人机交互方式可广泛应用于态势监测、应急指挥、分析研判、展示汇报等场景，具体方案如图1所示。

所建立的全自主可控技术体系，可根据用户实际业务决策需求进行可视决策主题、可视化页面风格标识、可视化对象、组件、人机交互等深度定制，具备模块化、全配置式软硬件架構，其可视决策主题、可视化页面、可视化对象均可复用、调整与扩展，能充分应对未来业务需求的变化，为该系统未来扩展与维护提供坚实保障。

4.2 碳结构场景监视

碳结构场景监视系统支持以地理空间分布维度、逻辑层级结构维度对大规模电网的分布、节点位置、供电范围、拓扑关系等信息进行综合展示，通过集成电网自动化管理、运行监测、信息采集等调度数据，对站室、管廊、输配电线路等电网关键要素的运行态势进行实时监测，进而辅助管理者综合掌握跨地域、大范围电网运行态势，有效提升电网的监控力度。

5 结论

做好碳排放运行监视是国家碳达峰、碳中和宏伟工程的基础，基于数字孪生的电力碳结构全景监视系统能够为这一工程提供可靠的多元数据支撑和有效的系统电能管理、碳结构优化、数据分析平台。目前，国内部分地区已着手部署和升级电力碳结构全景监视系统，为逐步实现碳达峰、碳中和宏伟目标提供数据支撑。

参考文献

[1] 韩肖清，李廷钧，张东霞，等.双碳目标下的新型电力系统规划新问题及关键技术[J].高电压技术，2021，8（2）：1-12.

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Research on Carbon Emission Index System and Monitoring System of Electric Power Industry

CHENG Gongxu1，2， HU Yanan3， XU Chi 3， LI Jiannan1，2

（1. State Grid Electric Power Science and Technology Research Institute， Nanjing 210000， China; 2. Nanrui Group Beijing Kedong Electric Power Control System Co.， LTD， Beijing 100192， China; 3. Shenyang Institute of Computing Technology Co.， Ltd， Chinese Academy of Sciences， Shenyang 110168， China）

Abstract： It has become an important work in the power industry to conduct real-time statistical analysis of carbon emissions of the whole network power industry and optimize power generation dispatching. Through the analysis of the carbon structure of power grid， the regional characteristic power carbon emission index system is constructed. This paper puts forward the optimization scheduling method of carbon emissions， and establishes the digital twin carbon monitoring and visualization system， which provides data support for realizing the grand goal of carbon peak and carbon neutralization in China gradually.

Key words： power system; carbon emission; carbon structure; digital twin; dispatch; supervisory systom