|
编者按 电力系统是我国实现碳达峰·碳中和的排头兵，以低碳为目标的能源转型已成为我国的重要能源战略之一。但是，国内外尚未形成一套成熟完善的用电间接碳排放计量标准体系，如何精确计量每一度电产生的碳排放是开展低碳调度运行、碳交易等工作的前提。清华大学电机工程与应用电子技术系、清华四川能源互联网研究院和国网常州供电公司联合研发了基于碳流分析理论的实体碳表系统和能源碳计量平台，率先实现了“全域碳计量-全链碳响应-全景碳足迹”的工程示范。小编特邀清华大学电机工程与应用电子技术系智慧能源实验室团队做客公众号，向大家介绍碳排放计量的详细情况。 相关视频报道  1. 为什么要实现电力系统源-网-荷全链碳计量？ 当前，全球多数国家已就本世纪中叶实现碳中和达成共识。通过能源供给低碳化，能源消费电气化，构建以新能源为主体的新型电力系统，已成为诸多国家的重要能源战略。目前，电力行业是我国煤炭消耗和碳排放最大的单一行业。不同于其他能源系统，电力系统具有严格“发电-用电”实时平衡特性，电网连接电力生产和消费，是重要的能源网络平台，是引领电力碳减排的核心枢纽，既要保障新能源大规模开发和高效利用，又要满足经济社会发展的用电需求。以上特性决定了电力系统的“减碳”绝不仅仅是源侧的任务，而是需要“源-网-荷”全链协同配合。实时、准确、全面的计量电力排放是掌握电力行业碳排放现状与趋势、挖掘电力碳减排潜力、引导电力用户互动减碳、促进电力经济低碳转型的基础与前提，也是支撑碳市场健康发展的基础保障。如图1所示，从“碳视角”厘清电力系统碳排放的产生、计量、转移等全环节的排放特性与减排机理，建立电力系统全环节碳排放计量与分析的基础理论与方法是建设新型电力系统的创新探索。  图1 碳视角下的电力能源系统计量、分析与优化 目前电力系统源-网-荷的精确碳排放计量理论、方法、标准与设备均为国内外空白。现阶段的电力碳排放计算主要基于宏观统计法，碳排放仅根据全年、全省/大区的发电燃料消耗换算得到；无法反映用户用电碳排放因子的时空差异性，未考虑新型电力系统的“网络”特征，难以表征电网形态演变及相关的输电损耗产生的间接碳排放，无法精准计算电力系统全环节碳排放。2021年，9月22日，中共中央国务院《关于完整准确全面贯彻发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》也特别指出要“健全电力、钢铁、建筑等行业领域能耗统计监测与计量体系”。 因此，亟需研究电力系统发电-电网-用电全环节的碳排放计量方法，并开发能够满足联合国政府间气候变化专业委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC）“三可原则”的用电碳计量装置，从而更加科学精细核算电力系统碳排放，准确把握电力系统碳排放现状及排放趋势，引导电力系统上下游协同减排，加速能源电力低碳转型。 2. 什么是电力系统源网荷全链碳计量方法？ 精准的碳计量与碳追踪是电力能源系统低碳转型的前提条件。传统的全生命周期法与宏观统计法等碳排放核算方法存在诸多缺陷，如统计时间长，没有考虑电力系统的网架结构特点和潮流分布等，无法明确碳排放在电力系统各环节的时空转移机理，导致发电侧和用电侧碳排放责任分摊不合理等问题。为此，需要基于电力系统碳排放流理论，实现电力系统碳排放从发电、输电、配电、到用电的精准计量与追踪，可以有效评估电力系统不同环节对整体低碳减排的贡献。 在电力系统中，碳排放流从电厂（发电厂节点）出发，随着电厂上网功率进入电网，跟随系统中的潮流在电网中流动，最终流入用户侧的消费终端（负荷节点），如图2所示。  图2 碳排放流与电力系统潮流的关系示意图 电力系统碳排放流是基础性概念，为形成电力系统碳排放流分析的理论框架，需要建立若干相应指标。将所有与电力系统碳排放流相关的指标称为碳流指标，如表1所示。  表1 碳排放流与交/直流潮流计算指标之间的对应关系 如图3所示，节点碳势与其相邻的支路碳流密度的关系满足碳排放公平性原则。所有流入节点的潮流与碳流密度（碳流）给定的情况下，流出潮流的碳流密度与支路无关，均为定值。并且所有从节点流出的潮流所对应的碳流密度与该节点的碳势相等。  图3 节点碳势与支路碳流关系---碳排放公平性原则 碳排放流理论与传统的电力系统交/直流潮流分析和碳排放分析三者的关系如图4所示。  图4 碳排放流与交/直流潮流理论的关系图 在传统的碳排放分析中，碳流量由碳排放量的概念引申得到，而碳流率反向引申出碳排放率（系统单位时间碳排放量）的概念。在现有的碳排放分析基础上，由于宏观分析法计算周期长，时间尺度单一，因此碳排放率的概念并未被广泛应用，而通过碳排放流理论的联接，电力系统碳排放的研究在时间尺度上得到了拓展，依靠电力潮流与发电环节的数据支撑，碳排放流分析从分秒到年度均可覆盖。 除机组碳势外，节点碳势可视为传统碳排放分析中发电碳排放强度的引申，通过碳排放流分析理论的联接，在电网各个节点的电力消费碳排放强度便可通过计算得到，碳排放流分析理论使得电力系统碳排放在空间尺度上具有了明确的物理内涵和研究意义。 另一方面，在交流潮流分析中网损不可忽略。在碳排放流概念提出之前，针对网损的碳排放计算只能基于电力系统平均发电碳排放强度和平均网损率估算得到，此方法相对粗略，无法考虑系统中流过不同线路的电能的差异。基于网损碳流率的概念，电力系统中因网损产生的碳排放量可以分摊到每一条线路，得到精确的统计。 综上所述，基于电力系统碳排放流理论，电力系统碳排放的分析方法在时间和空间层面均得到了扩充，有效解决了宏观分析法的局限性。 同理，碳排放流理论可推广至综合能源系统。通过对综合能源系统的能量流进行追踪，对不同来源的能量流加以区分和鉴别，实现多能源耦合碳排放的计算，如图5所示。  图5 综合能源系统碳排放流示意图 3. 什么是碳表系统？ 碳表系统由分散设置在全网需要计量碳排放的各处的碳表、中央服务器以及连接各碳表及中央服务器的通讯线路所组成。碳表系统的大脑是“碳排放流分析技术”，中央服务器作为计算中心负责网络碳排放流的计算，碳排放流理论是通过给电力潮流打上“碳标签”的方式，计算得到从发电侧“直接碳排放”到用户侧“间接碳排放”的分摊结果，如图6所示。  图6 源、网、荷碳表示意图 碳表系统是用于实时测量和记录电力能源系统中碳排放基本指标的表计，其设计理念遵循联合国政府间气候变化专业委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC）对碳排放计量提出的“三可”原则（可测量、可报告、可核实）。根据所安装位置的不同，可以分为：源侧碳表、网侧和荷侧碳表三类。源侧碳表用于实时测量发电侧碳排放信息；网侧碳表用于实时测量线路传输过程中电力潮流所“蕴含”的碳排放量；荷侧碳表用于测量用户的碳排放量（包括化石燃料使用等产生的直接碳排放量和用电产生的间接碳排放量）。此外，我们在碳表系统中引入了区块链技术，保障碳计量数据的透明性和不可篡改性。 如图7所示，三侧碳表实时记录电力系统各处的发电碳排放情况、电力潮流情况和用户用能情况等信息，并将所测得的数据实时发送给中央处理器；中央处理器对测得的数据进行数据挖掘与清洗，并基于清华大学提出的“碳流分析理论”进行电力系统全域碳信息的实时计算，实现电力流的“碳标签化”，并厘清用户用电碳信息的时空差异性；所求得的全域碳信息通过通讯链路实时发送给“源网荷”各侧碳表，保障碳流计量链路的全线贯通，以及用户用电碳信息的可溯源性。  图7 源-网-荷全链碳表系统的组成架构 4. “全域碳计量-全链碳响应-全景碳足迹”示范工程 为贯彻“构建双新电力系统”的重要指示，助力“双碳”目标的落实，清华大学电机系、清华大学四川能源互联网研究院和国网常州供电公司针对我国电力行业碳计量和电力用户低碳响应方面的不足与空白，联合开发了基于碳流分析理论的实体碳表系统和能源碳计量平台，打造了全球首个“全域碳计量-全链碳响应-全景碳足迹”示范工程。 （1）全域碳计量 截至2021年9月29日，清华大学联合常州供电公司在常州试点区域内已经完成了亚太电厂碳表、500千伏茅山变碳表、220千伏洮湖变碳表、110千伏指前变碳表以及江苏卿卿服装进出口有限公司碳表的安装，实现了“源网荷”三侧物理碳表装置的全链路部署。  图8 常州示范工程源-网-荷全链碳表系统安装地点 亚太电厂所安装碳表为源侧碳表，用于采集和展示发电侧注入电网的电碳信息，安装在发电厂中控室，与发电厂燃料管理信息系统对接采集实时及燃料消耗数据，与变电站二次系统对接采集发电功率数据。源侧碳表通过通信链路将采集信息实时传送给中央服务器，并且在源侧碳表可视化界面上对发电厂的燃料消耗、发电功率以及发电碳排放因子进行展示，展示数据同步传输至碳计量服务平台。 500千伏茅山变、220千伏洮湖变、110千伏指前变所安装碳表为网侧碳表，用于采集和展示节点及线路电碳信息，与站内二次系统对接采集各线路潮流及网损数据。网侧碳表通过通信链路将采集信息实时传送给中央服务器，同时中央服务器向网侧碳表下发碳流计算结果。网侧碳表同时对线路潮流数据、线路网损数据、线路碳流密度、线路碳流率、节点碳排放因子等电碳信息进行可视化展示，展示数据同步传输至碳计量服务平台。 江苏卿卿服装进出口有限公司所安装碳表为荷侧碳表，用于采集和展示电力用户的电碳信息，安装在企业配电房，与智能电表对接采集用户用电信息。中央服务器向荷侧碳表下发用户所在节点碳流信息，荷侧碳表对实时用电信息及用户用电碳排放信息进行统计和展示，展示数据同步传输至碳计量服务平台。  图9 常州示范工程源-网-荷全链实体碳表系统 此外，进一步打造了基于“发电侧-电网侧-用户侧”碳表系统的双碳智慧能源管理平台，实现电力能源系统全域碳计量，如图10所示。 图10 常州市双碳智慧能源管理平台全域碳计量 “源网荷”物理碳表装置在常州的落地应用，标志着原本“虚无缥缈”的碳计量问题有了真实的物理载体，其为“碳计量”统一标准的设计与制定奠定了坚实理论与实践基础，具有里程碑式的意义。基于碳表装置的电力系统全域碳计量体系将为政府优化能源结构、降碳减排、出台减碳政策提供数据基础与决策依据，助力我国双碳目标的实现。 2）全链碳响应 根据用电碳排放因子的“时段差异性”，用户可以有序调节自身的用电行为，在碳排放因子更低的时段多用电，一方面降低其用电碳排放量，另一方面可以帮助消纳可再生能源；根据用电碳排放因子的“地区差异性”，电力用户可以合理安排自身选择位置，在降低用电碳排放量的同时，促进清洁能源的就地消纳。图11展示了用户侧实际碳表照片。 图11 用户侧实际碳表照片 为此，我们开发的“常州双碳智慧能源管理平台”还展示了常州市低碳响应资源的情况，以及通过运行模拟得出的常州市电力用户在用电行为调整后带来的单日减碳量，如图12所示。用户的“低碳响应”需求可能还会在一定程度上云储能模式和虚拟电厂技术带来生机，例如：对于某些调节能力较差的用户，其可以通过向云储能或虚拟电厂运营商购买等效储能服务的方式，实现减碳。 图12 常州市双碳智慧能源管理平台全链碳响应 3）全景碳足迹 一方面，对于电力能源系统：依托电力能源系统碳排放流分析理论体系和双碳智慧能源管理平台，能够厘清电力能源系统内碳排放流的传输脉络，借助可视化系统，能够将电力能源系统中的全景碳足迹信息进行直观的展示，如图13所示。平台展示了常州市全景碳足迹信息，包括：全市碳排放强度曲线、碳排放量和变电站碳势排名情况，各区域碳排放占比、碳排放强度和碳流率情况等信息。 图13 常州市电力能源系统全景碳足迹信息 另一方面，对于企业产品：如图14所示，可计量展示试点企业的产品“碳耗量”明细，给企业产品打上“碳耗码”，并从用电企业的视角展示了企业在进行低碳响应后带来的减排量。 图14 常州市企业产品全景碳足迹信息 课题组研究基础 清华大学电机系智慧能源实验室，课题组负责人为康重庆教授，项目团队在智能电网、电力市场、电力规划、调度运行、低碳电力等领域拥有深厚的积淀。课题组在国内外较早开展低碳电力技术的研究，早在2007年，积极投入“低碳能源”研究领域，承担包括重点国际合作基金、国网、南网等一系列低碳电力研究项目。在学术影响力方面，率先建立了低碳电力技术的整体研究框架，创新首次提出了电力网络碳排放流理论，发表国内首篇低碳电力技术论文，出版了国内首部低碳电力专著。在国内外影响力方面，多次受邀为多所大学、电网及发电企业等做低碳报告，在国内电力杂志开辟了“低碳电力专栏”，在行业顶级SCI期刊IEEE Trans. Power System上组织低碳电力专刊。在工程实践方面，与江西电科院联合成立了“低碳电力技术联合研究中心”，并构建了低碳电力系统仿真平台，研发了低碳效益模拟仿真与评估软件。 |
|
|
