電力市場化交易中的電碳表計(jì)量及其實(shí)現(xiàn)方法

0引言

計(jì)量技術(shù)對(duì)于確保碳排放測量的精確性和可靠性至關(guān)重要，它支撐著碳排放權(quán)交易市場的公正性、碳核算和碳足跡評(píng)價(jià)，對(duì)政府的碳達(dá)峰和碳中和政策實(shí)施至關(guān)重要。在電力系統(tǒng)中，發(fā)電環(huán)節(jié)直接產(chǎn)生碳排放，這些排放通過輸電、變電和配電網(wǎng)絡(luò)傳遞給用戶。根據(jù)GB/T32150—2015標(biāo)準(zhǔn)，企業(yè)碳核算應(yīng)包括外購電力導(dǎo)致的排放，因此，探討發(fā)電到用電的碳排放傳播機(jī)制，以確保電力碳排放計(jì)量的精確性是必要的。雖然發(fā)電端已有監(jiān)測技術(shù)，但電網(wǎng)中缺乏測量間接碳排放的設(shè)備，使得電力用戶難以準(zhǔn)確得知其用電量對(duì)應(yīng)的碳排放量。

學(xué)者們提出了三種主要的用戶側(cè)碳排放計(jì)量解決方案。其中，靈敏度分析法通過分析節(jié)點(diǎn)負(fù)荷變化對(duì)應(yīng)的邊際機(jī)組，評(píng)估節(jié)點(diǎn)負(fù)荷增加對(duì)系統(tǒng)總碳排放量的邊際影響，從而量化用戶的用電碳排放責(zé)任。但此方法在明確碳排放責(zé)任傳遞過程的透明度和提供用戶碳排放總量信息方面存在不足。

其次，合作博弈法將發(fā)電機(jī)組和傳輸線路視為可選擇的公用資源，將全系統(tǒng)碳排放量視為負(fù)荷成員需共同承擔(dān)的成本。這種方法將碳排放問題轉(zhuǎn)化為經(jīng)典的合作博弈成本分?jǐn)倖栴}。但是，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，計(jì)算復(fù)雜度呈指數(shù)級(jí)增長，這使得它不適用于實(shí)際電網(wǎng)中處理海量用戶碳排放責(zé)任分?jǐn)偟膯栴}。

碳排放流方法是研究熱點(diǎn)，它結(jié)合電力系統(tǒng)潮流分析，引入虛擬碳排放流概念，構(gòu)建了計(jì)算體系，改進(jìn)了理論。通過迭代計(jì)算簡化了求解過程，并考慮了無功功率對(duì)碳排放流分布的影響，提出了復(fù)功率碳排放流追蹤模型。該模型能計(jì)算網(wǎng)損下的碳排放流分布，并有研究提出了網(wǎng)損碳排放歸算至電源側(cè)的計(jì)算方式。此外，還開發(fā)了儲(chǔ)能元件的碳排放流分析模型。

碳排放流方法用于計(jì)算用戶碳排放，目前尚未考慮電力市場化交易的影響。2022年，電力市場交易量超過用電量的60%，引起關(guān)注。市場機(jī)制優(yōu)化電力資源，但影響用戶碳排放。電力市場化交易中，用戶直接購電，涉及電能上的碳排放，增加了計(jì)算復(fù)雜性。提出基于碳排放流的用電碳計(jì)量方法，考慮電量交易，通過矩陣運(yùn)算獲取電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)潮流信息。儲(chǔ)能電站參與市場交易，如山東電力交易平臺(tái)注冊(cè)的獨(dú)立儲(chǔ)能電站。交易機(jī)制影響用戶碳排放計(jì)算，因?yàn)閮?chǔ)能設(shè)備的碳排放因子會(huì)因輸入輸出時(shí)間差異而變化。

1基于電能的碳排放流理論分布式實(shí)現(xiàn)方法

碳排放流理論的實(shí)施分為集中式和分布式兩種方法。集中式依賴于系統(tǒng)集成，將碳排放數(shù)據(jù)集中處理。分布式則通過計(jì)量裝置直接采集數(shù)據(jù)，并利用信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和計(jì)算。

這兩種方法在理論上可以產(chǎn)生相同的結(jié)果，但它們實(shí)現(xiàn)的效果存在差異。首先，集中式計(jì)算碳排放量時(shí)，計(jì)算錯(cuò)誤難以定位，責(zé)任不明確，可能引起負(fù)面輿論。另一方面，我國碳排放權(quán)交易市場已啟動(dòng)，電力間接碳排放納入交易體系，需遵循《計(jì)量法》的法制化管理。因此，基于計(jì)量裝置的計(jì)算更符合法制計(jì)量要求，盡管系統(tǒng)計(jì)算更易實(shí)施。

目前，計(jì)量裝置的核心計(jì)算部分主要由數(shù)字信號(hào)處理器或微控制單元構(gòu)成，其計(jì)算能力有限，難以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的矩陣算法和遞推算法，用于處理電力間接碳排放。因此，研究一種適應(yīng)電力間接碳排放計(jì)量裝置的碳排放流理論的分布式實(shí)現(xiàn)方法顯得尤為必要。

1.1發(fā)電側(cè)碳附著原理

我國的資源稟賦以煤炭為主導(dǎo)，煤炭發(fā)電構(gòu)成了我國電力供應(yīng)的核心。根據(jù)國家能源局發(fā)布的2021年全國電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2021年我國煤電裝機(jī)容量占比接近50%，煤電產(chǎn)生的電量占全國總發(fā)電量的60%。作為高碳排放的電源類型，煤電也是電力系統(tǒng)碳排放的主要貢獻(xiàn)者。

發(fā)電環(huán)節(jié)的主要碳排放源包括脫硫過程和煤炭燃燒。在脫硫技術(shù)、發(fā)電機(jī)組的容量、鍋爐類型、機(jī)組負(fù)載、燃煤品質(zhì)以及空冷系統(tǒng)等因素保持不變的情況下，燃煤發(fā)電機(jī)組的碳排放量將維持穩(wěn)定。若在單位時(shí)間內(nèi)碳排放的累積與電能的累積相等，那么所定義的電碳排放因子將是一個(gè)有限的數(shù)值，它具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，能夠?qū)l(fā)電側(cè)的碳排放量與發(fā)電量關(guān)聯(lián)起來。

1.2碳排放流理論的實(shí)現(xiàn)方法

發(fā)電至用戶端的碳排放流動(dòng)過程如圖展示。在計(jì)量方面，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中電碳因子的傳播可概括為三個(gè)主要環(huán)節(jié)：支路傳輸、節(jié)點(diǎn)輸入和節(jié)點(diǎn)輸出。碳排放流理論的實(shí)現(xiàn)基于兩個(gè)基本原則：1）電能守恒定律，意味著通過電網(wǎng)中任一節(jié)點(diǎn)的輸入與輸出電能總和應(yīng)為零。2）碳排放量保持平衡，意味著通過電網(wǎng)的任一節(jié)點(diǎn)，輸入與輸出的碳排放總量相抵為零。

碳排放流示意圖

1.2.1支路電碳排放因子計(jì)算

電能的碳排放因子僅與發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)，與輸電線路的環(huán)境或阻抗無關(guān)。依據(jù)電能守恒定律和碳排放守恒定律，該電能的碳排放因子在未與具有不同碳排放因子的電能混合之前，將保持不變。

1.2.2節(jié)點(diǎn)輸入電碳排放因子計(jì)算

電路中經(jīng)過同一點(diǎn)的電能有相同的表征方式，因此可以合理提出碳附著機(jī)理：電路中經(jīng)過同一點(diǎn)的電能具有相同的碳附著能力。根據(jù)這一機(jī)理，節(jié)點(diǎn)輸入附著碳量將平均分配到輸入電能中，同時(shí)根據(jù)電能守恒理，發(fā)電側(cè)電碳排放因子基于發(fā)電側(cè)的物理過程，節(jié)點(diǎn)電碳排放因子基于碳附著假設(shè)。2）碳附著假設(shè)支撐了功率或單位時(shí)間碳排放量動(dòng)態(tài)變化時(shí)，碳排放量向傳輸電能的附著。

1.2.3節(jié)點(diǎn)輸出電碳排放因子計(jì)算

除了發(fā)電側(cè)的碳排放因子，碳排放流理論的分布式電能實(shí)現(xiàn)方法主要依據(jù)輸電線路兩側(cè)以及變電站進(jìn)出線的電能值。

2電力市場化交易下的電碳排放因子

當(dāng)前的碳排放流理論和分布式電能實(shí)現(xiàn)方法尚不足以應(yīng)對(duì)電力市場化交易中的電碳排放因子計(jì)算需求。因此，有必要深入研究在電力交易、綠色電力、儲(chǔ)能等新型電力系統(tǒng)典型工況下的電碳排放計(jì)量算法。

2.1存在電力市場化交易的碳計(jì)量

電力市場發(fā)展使用戶能直接與電廠交易，電廠須按時(shí)供電。盡管規(guī)定未明確，但碳排放作為電能生產(chǎn)的副產(chǎn)品，在交易時(shí)應(yīng)考慮。這引發(fā)了碳計(jì)量的兩個(gè)主要問題。問題一：交易瞬間完成，但電力累積消耗。用戶電力可能多廠來源，需合理分配碳排放。問題二：電力交易影響發(fā)電廠和用戶，碳排放通過電網(wǎng)影響他人。需量化間接影響。解決需研究電碳排放因子計(jì)算方法。

電力交易中應(yīng)統(tǒng)一未交易電能的碳附著系數(shù)，這類似于對(duì)同一對(duì)象的不同部分使用不同計(jì)量方法。例如，電能計(jì)量區(qū)分有功和無功電能，盡管電廠和電網(wǎng)傳輸?shù)氖且曉陔娔?。交易用戶?yīng)優(yōu)先使用交易電量，以保持電能和碳排放的守恒，相關(guān)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的碳排放計(jì)算應(yīng)排除交易電量及其碳排放。

2.2存在綠電交易的碳計(jì)量

可再生能源如風(fēng)力和太陽能發(fā)電不產(chǎn)生溫室氣體，提供無碳排放的綠色電力。這種電力加入電網(wǎng)后，會(huì)降低其他電力來源的碳排放因子。因此，節(jié)點(diǎn)輸出的電力將不再完全是無碳排放的。綠色電力交易對(duì)電力用戶的用電行為有重要影響，值得進(jìn)一步研究。

綠電交易對(duì)電力用戶產(chǎn)生雙重影響：購買綠電的用戶可享受零碳電力，而未購買者將使用碳排放更高的電力，導(dǎo)致其碳排放量增加，從而增加與購買綠電用戶的碳排放差距。

綠電自用效應(yīng)，對(duì)于生產(chǎn)和消耗電力的用戶更愿意使用自己生產(chǎn)的綠色電力降低自身碳排放。因此，為了減少碳排放，除非電力直接來自發(fā)電廠，否則他們優(yōu)先使用自產(chǎn)的綠色電力自發(fā)自用。

2.3儲(chǔ)能設(shè)備的碳計(jì)量

新型電力系統(tǒng)以新能源和電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用為特征，儲(chǔ)能技術(shù)在其中扮演著關(guān)鍵角色，有助于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和運(yùn)行效率。儲(chǔ)能技術(shù)能解決可再生能源并網(wǎng)帶來的電網(wǎng)調(diào)節(jié)和頻率穩(wěn)定性問題，促進(jìn)新能源的有效利用。預(yù)計(jì)儲(chǔ)能設(shè)備的應(yīng)用將快速增長，隨著儲(chǔ)能電站參與市場交易，研究其電碳排放因子變得至關(guān)重要。

計(jì)算儲(chǔ)能設(shè)備的碳排放因子時(shí)，目前只考慮了電能表的計(jì)量值。但儲(chǔ)能設(shè)備不僅有碳排放轉(zhuǎn)移效應(yīng)，即將輸入時(shí)的碳排放轉(zhuǎn)移到輸出時(shí)，還具有長期效應(yīng)，輸入電能的碳排放會(huì)影響設(shè)備的電碳排放因子。

3電碳表計(jì)量的意義

促進(jìn)減排：通過準(zhǔn)確計(jì)量電力交易中的碳排放，可以促進(jìn)減排措施的實(shí)施。

市場機(jī)制：為建立基于碳排放的市場機(jī)制提供數(shù)據(jù)支持，如碳交易、碳稅等。

綠色證書：為綠色電力交易提供依據(jù)，促進(jìn)可再生能源的發(fā)展。

4安科瑞碳電表

碳排放計(jì)量表是一種設(shè)備，用于精確測量企業(yè)電力消費(fèi)產(chǎn)生的碳排放。它根據(jù)實(shí)際電能消耗數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)計(jì)算電碳系數(shù)，反映企業(yè)電力消費(fèi)中的碳排放情況。碳排放計(jì)量表的引入對(duì)企業(yè)有重大重要，因?yàn)樗峁┨寂欧诺脑敿?xì)數(shù)據(jù)，幫助企業(yè)優(yōu)化電力使用，制定環(huán)保生產(chǎn)策略。安科瑞AEM96三相多功能電表，集成了三相電力參數(shù)的測量、遠(yuǎn)程信號(hào)傳輸、遠(yuǎn)程控制、分時(shí)電能計(jì)量以及碳排放統(tǒng)計(jì)功能。通過其內(nèi)置的碳排放計(jì)算模塊，該系統(tǒng)能夠依據(jù)不同的用電情況，應(yīng)用相應(yīng)的電碳轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行精確計(jì)算，涵蓋了12組碳排放數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng)的碳排放因子。它支持實(shí)時(shí)計(jì)算，能夠精確地提供企業(yè)生產(chǎn)過程中用電所產(chǎn)生的碳排放量，使得碳排放的記錄與電能計(jì)量一樣方便快捷。配合安科瑞碳資產(chǎn)管理平臺(tái)使用，顯著簡化了企業(yè)的碳排放統(tǒng)計(jì)流程。

AEM96三相多功能碳電表

5應(yīng)用場景

企業(yè)：旨在監(jiān)控企業(yè)的碳排放狀況，協(xié)助企業(yè)確立減排目標(biāo)與策略。

建筑：通過評(píng)估建筑物的能源消耗和碳排放，為提升能效和降低排放提供數(shù)據(jù)支持。

交通：負(fù)責(zé)計(jì)算汽車、飛機(jī)、船舶等各類交通工具的碳排放量，為實(shí)現(xiàn)低碳出行提供參考。

農(nóng)業(yè)：對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的碳排放進(jìn)行評(píng)估，協(xié)助農(nóng)民實(shí)施減少溫室氣體排放的措施。

供應(yīng)鏈：監(jiān)控供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)的碳排放情況，發(fā)現(xiàn)減排潛力。

6 碳資產(chǎn)管理平臺(tái)

碳核算是碳資產(chǎn)管理的核心?？紤]到不同地區(qū)和行業(yè)的多樣性，碳核算必須綜合考慮環(huán)境差異和工藝特性，為產(chǎn)業(yè)園區(qū)、高能耗企業(yè)、制造工廠、公共機(jī)構(gòu)等不同領(lǐng)域定制專屬的核算模型。此外，該平臺(tái)能夠幫助企業(yè)打通碳交易市場的信息通道，利用碳核算結(jié)果，結(jié)合市場信息，為碳交易決策提供優(yōu)化支持，從而幫助用戶實(shí)現(xiàn)碳收益的合理化。

Acrel-7000企業(yè)能耗管控平臺(tái)遵循上述原則，為企業(yè)用戶提供碳資產(chǎn)管理服務(wù)。該平臺(tái)與AEM96多功能碳電表或其他多功能電表協(xié)同工作，助力企業(yè)完善產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的碳排放追蹤，提供碳排放總量和碳排放強(qiáng)度的計(jì)算，優(yōu)化碳配額考核機(jī)制，推動(dòng)節(jié)能降耗，以積極應(yīng)對(duì)雙碳目標(biāo)。

碳資產(chǎn)管理駕駛艙

碳排放核算清單：詳細(xì)計(jì)算各環(huán)節(jié)的碳排放量，并編制相應(yīng)的核算清單。

碳核算清單

碳排放分析：對(duì)碳排放數(shù)據(jù)進(jìn)行精確統(tǒng)計(jì)，并深入分析其結(jié)構(gòu)組成。

碳排放分析

碳足跡管理：監(jiān)控能源在輸入、分配、消耗、生產(chǎn)等各個(gè)階段的碳排放情況。

碳足跡管理

碳排放配額核算與評(píng)估：核算碳排放配額的抵消情況，并評(píng)估下一年度的碳排放配額需求，同時(shí)評(píng)估各個(gè)考核實(shí)體的碳排放目標(biāo)完成率。

碳配額核算

7總結(jié)

電碳表計(jì)量在電力市場化交易中扮演著重要的角色，通過準(zhǔn)確計(jì)量電力生產(chǎn)和消費(fèi)過程中的碳排放，可以為減排措施的實(shí)施提供數(shù)據(jù)支持，并促進(jìn)電力市場的綠色轉(zhuǎn)型。隨著技術(shù)的進(jìn)步和政策的支持，電碳表計(jì)量的應(yīng)用將越來越廣泛，對(duì)于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)具有重要意義。

審核編輯 黃宇