周巖，燕京，胡蓉，劉慧，王植，周曼曼

(1. 中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司，廣東 廣州 510530；2. 廣州綠石碳科技股份有限公司，廣東 廣州510630)

“西電東送”是中央實(shí)施西部大開發(fā)戰(zhàn)略的標(biāo)志性工程。支持西部地區(qū)開發(fā)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)東西部地區(qū)協(xié)調(diào)發(fā)展，是我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)中一項(xiàng)重要的戰(zhàn)略任務(wù)。其成效除了體現(xiàn)為戰(zhàn)略價(jià)值、經(jīng)濟(jì)價(jià)值外，生態(tài)價(jià)值也不容忽略[1]。南方電網(wǎng)“西電東送”系統(tǒng)采用的特高壓直流輸電技術(shù)與普通高壓直流輸電技術(shù)相比，極大地降低了電流輸送過程中的線路損耗，實(shí)現(xiàn)了溫室氣體的大幅減排[2-3]。但是目前“西電東送”系統(tǒng)采用特高壓輸電技術(shù)的減排效益、社會(huì)效益在現(xiàn)有的電價(jià)體系下并沒有得到體現(xiàn)[4]。

2017年12月19日啟動(dòng)的全國(guó)碳排放權(quán)交易市場(chǎng)賦予了溫室氣體減排技術(shù)新的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和資產(chǎn)形式。經(jīng)過核證的項(xiàng)目減排量是碳市場(chǎng)的重要補(bǔ)充產(chǎn)品，可以通過碳排放權(quán)交易市場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)生態(tài)價(jià)值到經(jīng)濟(jì)價(jià)值的轉(zhuǎn)化[5-11]。電力行業(yè)的碳排放配額分配方式?jīng)Q定了電力企業(yè)以及輸電企業(yè)在碳交易背景下面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[12-13]，增加碳交易履約成本的同時(shí)也意味著電力行業(yè)新的資產(chǎn)配置方式。碳資產(chǎn)核算將是電力行業(yè)的一個(gè)新挑戰(zhàn)[14-15]，同時(shí)也會(huì)給碳交易背景下的電力系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行提出挑戰(zhàn)[16-17]。

本研究利用基準(zhǔn)線模擬比較法，開發(fā)一個(gè)針對(duì)特高壓輸電線路的溫室氣體減排量化模型。利用此模型，可以實(shí)現(xiàn)特高壓直流通道的碳減排以及碳資產(chǎn)量化。采用楚穗通道實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用計(jì)算，以驗(yàn)證該模型的可行性、易用性及推廣價(jià)值。

1 特高壓輸電系統(tǒng)溫室氣體減排模型

1.1 基準(zhǔn)線模擬比較法理論基礎(chǔ)

特高壓輸電系統(tǒng)技術(shù)憑借其安全性高、大容量輸送能力、節(jié)約用地、降低線路損耗、提高新能源電力吸納能力等特點(diǎn)，是更為綠色、經(jīng)濟(jì)、可靠和智能的輸電技術(shù)。在節(jié)能減碳方面，特高壓輸電線路通過降低損耗來提高輸電線路效率，相對(duì)于我國(guó)現(xiàn)階段普遍使用的輸電技術(shù)具有減排效應(yīng)[18-19]。特高壓輸電技術(shù)與普通高壓直流輸電項(xiàng)目或者交流輸電項(xiàng)目相比，極大地降低了電流輸送過程中線路的損耗[20-22]，實(shí)現(xiàn)了溫室氣體的大幅減排。

特高壓輸電系統(tǒng)溫室氣體減排模型的基本原理是將特高壓輸電技術(shù)(項(xiàng)目情景)與普通高壓直流輸電技術(shù)或者交流輸電技術(shù)(基準(zhǔn)線情景)2種情景下的溫室氣體排放量進(jìn)行比較，所得差值即為通過采用特高壓輸電技術(shù)實(shí)現(xiàn)的溫室氣體減排量。

基準(zhǔn)線情景實(shí)際上是一種假設(shè)情況，合理代表在沒有采用特高壓輸電技術(shù)但是需要提供同樣服務(wù)的情況下所普遍采用的輸電技術(shù)的溫室氣體排放量。對(duì)于本研究，基準(zhǔn)線情景定義為不實(shí)施特高壓直流輸電項(xiàng)目，但是為了提供同樣的輸電量而最有可能實(shí)施的其他輸電技術(shù)。基準(zhǔn)線情景的確定是計(jì)算項(xiàng)目減排量的前提。

1.1.1 現(xiàn)有計(jì)算模型以及存在的問題

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于特高壓輸電系統(tǒng)的溫室氣體減排量化方法僅有《CM-102-V01特高壓輸電系統(tǒng)溫室氣體減排方法學(xué)》(第一版)，該方法學(xué)適用于新建高壓直流/交流輸電線路，用于從源/供點(diǎn)向受點(diǎn)傳輸電力。

該方法學(xué)的直流輸電減排量計(jì)算方法要求虛擬的基準(zhǔn)線情景采用電力輸電線平衡負(fù)荷潮流研究來模擬，利用平衡負(fù)荷潮流研究來模擬電網(wǎng)運(yùn)行條件，確定從供點(diǎn)到受點(diǎn)的電力潮流，并采用牛頓-拉夫遜方法或高斯-賽德爾方法等方法進(jìn)行負(fù)荷潮流研究，從而計(jì)算基準(zhǔn)線情景的輸電損耗。該計(jì)算方法模擬過程復(fù)雜，對(duì)計(jì)算軟件要求極高，相應(yīng)的計(jì)算成本較高，不適合廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)有方法學(xué)計(jì)算模型最大的問題是不適用于特高壓輸電系統(tǒng)。

1.1.2 本研究模型的改進(jìn)

本研究在現(xiàn)有模型的基礎(chǔ)上，通過分析電力輸送行業(yè)相關(guān)法律法規(guī)要求和發(fā)展趨勢(shì)，舍棄了交流輸電這種基準(zhǔn)線情景。本研究將基準(zhǔn)線情景替代方案確定為±500 kV高壓直流輸電系統(tǒng)。該基準(zhǔn)線情景與現(xiàn)有計(jì)算方法模型相比更為保守，而保守是碳減排量化最重要的原則。

本研究提出的計(jì)算模型與現(xiàn)有模型最大的區(qū)別是：本研究模型以特高壓輸電系統(tǒng)為研究和量化對(duì)象，將項(xiàng)目基準(zhǔn)線情景直接確定為±500 kV高壓直流輸電系統(tǒng)，將輸電線路簡(jiǎn)化為點(diǎn)對(duì)網(wǎng)孤島送電，不存在復(fù)雜的潮流分布和變化，基準(zhǔn)線情景損耗的理論計(jì)算也不需要用到潮流分析，只需要用簡(jiǎn)化的模型計(jì)算，在準(zhǔn)確度上也能達(dá)到要求，與現(xiàn)有方法學(xué)相比，結(jié)果偏差在1%以內(nèi)。因此，也不需要開發(fā)定制一套高規(guī)格的電力潮流計(jì)算軟件。

基于以上，本研究提出了新的量化方法——網(wǎng)損減少系數(shù)法(以下簡(jiǎn)稱“系數(shù)法”)，網(wǎng)損減少系數(shù)即項(xiàng)目情景相對(duì)于基準(zhǔn)線情景減少的理論電量損耗占項(xiàng)目情景理論電量損耗的比例。最終的項(xiàng)目減排量確定為：采用特高壓輸電系統(tǒng)運(yùn)行后實(shí)際監(jiān)測(cè)到的輸電損耗乘以該網(wǎng)損減少系數(shù)。

系數(shù)法分別計(jì)算基準(zhǔn)線情景及項(xiàng)目情景的電量損耗各組成部分，主要包括輸電線電阻損耗、電暈損耗、換流站損耗及變壓器損耗?？紤]到基準(zhǔn)線情景和項(xiàng)目情景下的變壓器損耗相等，因此2種情景下均忽略變壓器損耗，只計(jì)入其余部分的損耗。系數(shù)法的改進(jìn)主要體現(xiàn)在更簡(jiǎn)便、更低成本。

1.2 本研究的減排模型理論基礎(chǔ)和量化過程

1.2.1 特高壓輸電系統(tǒng)的溫室氣體減排量計(jì)算

特高壓輸電系統(tǒng)的溫室氣體減排量需要用項(xiàng)目情景相對(duì)于基準(zhǔn)線情景減少的損耗電量乘以排放因子得到，即

AUHVDC,y=BUHVDC,yCEL,y.

(1)

式中：下標(biāo)y表示第y年，下同；AUHVDC,y為特高壓輸電系統(tǒng)的溫室氣體減排量；BUHVDC,y為項(xiàng)目情景相對(duì)于基準(zhǔn)線情景減少的損耗電量；CEL,y為電網(wǎng)排放因子。

1.2.2 項(xiàng)目情景相對(duì)于基準(zhǔn)線情景減少的損耗電量計(jì)算

項(xiàng)目情景相對(duì)于基準(zhǔn)線情景減少的損耗電量需要用項(xiàng)目情景(特高壓輸電系統(tǒng))實(shí)際運(yùn)行的線損電量乘以網(wǎng)損減少系數(shù)計(jì)算得到。

BUHVDC,y=(EHVDC,ST,y-EHVDC,RT,y)φUHVDC,LR,y，

(2)

φUHVDC,LR,y=(DHVDC,y-DUHVDC,y)/DUHVDC,y.

(3)

式(2)、(3)中：EUHVDC,ST,y為項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行的第y年送電端供電量；EUHVDC,RT,y為項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行的第y年受電端接收電量；φUHVDC,LR,y為網(wǎng)損減少系數(shù)；DHVDC,y為基準(zhǔn)線情景輸電損耗電量理論值；DUHVDC,y為項(xiàng)目情景輸電損耗電量理論值。

1.2.3 基準(zhǔn)線情景輸電損耗電量理論值的計(jì)算

基準(zhǔn)線情景輸電損耗電量理論值采用電阻損耗電量、電暈損耗電量與換流站損耗電量之和乘以基準(zhǔn)線情景損耗功率折算因子得到。

DHVDC,y=(ΣLHVDC,R,i,y+LHVDC,C,y+

ΣLHVDC,CS,i,y)f.

(4)

式中：下標(biāo)i表示第i個(gè)送電計(jì)量時(shí)段，下同；LHVDC,R,i,y為基準(zhǔn)線情景計(jì)量時(shí)段電阻損耗電量；LHVDC,C,y為基準(zhǔn)線情景電暈損耗電量；LHVDC,CS,i,y為基準(zhǔn)線情景計(jì)量時(shí)段換流站損耗電量；f為基準(zhǔn)線情景損耗功率折算因子。

a)基準(zhǔn)線情景計(jì)量時(shí)段電阻損耗電量

(5)

IHVDC,ra=PHVDC/2UHVDC,ra.

(6)

式(5)、(6)中：l為線路送端與受端之間的距離；RHVDC為基準(zhǔn)線情景直流線路的單位長(zhǎng)度電阻值，取常規(guī)設(shè)計(jì)的理論值；IHVDC,ra為基準(zhǔn)線情景每回線路的額定電流；WHVDC,i為基準(zhǔn)線情景送電曲線計(jì)量時(shí)段換流站有功占比；tHVDC為基準(zhǔn)線情景送電曲線各計(jì)量時(shí)段的時(shí)間間隔；UHVDC,ra為基準(zhǔn)線情景的額定電壓；PHVDC為基準(zhǔn)線情景的額定輸送功率。

b)基準(zhǔn)線情景電暈損耗電量

LHVDC,C,y=2lFHVDCTHVDC,y.

(7)

式中：FHVDC為基準(zhǔn)線情景直流線路單位長(zhǎng)度電暈損耗，取額定電壓下電暈損耗的平均值；THVDC,y為基準(zhǔn)線情景直流線路年利用時(shí)間，為計(jì)量時(shí)段數(shù)總和乘以tHVDC。

c)基準(zhǔn)線情景計(jì)量時(shí)段換流站損耗電量

LHVDC,CS,i,y=HHVDC,raWHVDC,i.

(8)

式中HHVDC,ra為基準(zhǔn)線情景直流換流站額定功率下單位運(yùn)行時(shí)間內(nèi)的損耗。

1.2.4 項(xiàng)目情景輸電損耗電量理論值的計(jì)算

項(xiàng)目情景輸電損耗電量理論值

DUHVDC,y=(ΣLUHVDC,R,i,y+LUHVDC,C,y+

ΣLUHVDC,CS,i,y)f.

(9)

式中：LUHVDC,R,i,y為項(xiàng)目情景計(jì)量時(shí)段電阻損耗電量；LUHVDC,C,y為項(xiàng)目情景電暈損耗電量；LUHVDC,CS,i,y為項(xiàng)目情景計(jì)量時(shí)段換流站損耗電量。

a)項(xiàng)目情景計(jì)量時(shí)段電阻損耗電量

(10)

IUHVDC,ra=PUHVDC/2UUHVDC,ra.

(11)

式(10)、(11)中：RUHVDC為項(xiàng)目情景直流線路的單位長(zhǎng)度電阻值，取常規(guī)設(shè)計(jì)的理論值；IUHVDC,ra為項(xiàng)目情景每回線路的額定電流；WUHVDC,i為項(xiàng)目情景送電曲線計(jì)量時(shí)段換流變有功比例；tUHVDC為項(xiàng)目情景送電曲線各計(jì)量時(shí)段的時(shí)間間隔；UUHVDC,ra為項(xiàng)目情景的額定電壓；PUHVDC為項(xiàng)目情景的額定輸送功率。

b)項(xiàng)目情景電暈損耗電量

LUHVDC,C,y=2lFUHVDCTUHVDC,y.

(12)

式中：FUHVDC為項(xiàng)目情景直流線路單位長(zhǎng)度電暈損耗，取額定電壓下電暈損耗的平均值；TUHVDC,y為項(xiàng)目情景直流線路年利用時(shí)間，為計(jì)量時(shí)段數(shù)總和乘以tUHVDC。

c)項(xiàng)目情景計(jì)量時(shí)段換流站損耗電量

LUHVDC,CS,i,y=HUHVDC,raWUHVDC,i.

(13)

式中HUHVDC,ra為項(xiàng)目情景直流換流站額定功率下單位運(yùn)行時(shí)間內(nèi)的損耗。

2 南方電網(wǎng)楚穗直流線路量化應(yīng)用

2.1 量化模型的計(jì)算步驟

a)計(jì)算基準(zhǔn)線情景的輸電損耗理論值；

b)計(jì)算項(xiàng)目情景的輸電損耗理論值；

c)計(jì)算網(wǎng)損減少系數(shù)；

d)計(jì)算特高壓輸電運(yùn)行過程中的實(shí)際網(wǎng)損電量；

e)計(jì)算電網(wǎng)排放因子；

f)計(jì)算項(xiàng)目的碳減排量。

2.2 實(shí)例應(yīng)用的量化

楚穗直流線路是南方電網(wǎng)超高壓輸電公司所轄首條特高壓直流線路，電壓等級(jí)為±800 kV，西起云南楚雄州祿豐縣，東至廣州市增城區(qū)，直流線路全長(zhǎng)1 373 km，主要將云南小灣、金安橋水電站和云南電網(wǎng)部分富余電量送到廣東。工程于2010年6月18日雙極投產(chǎn)。工程投產(chǎn)以來始終保持安全穩(wěn)定運(yùn)行，年利用時(shí)間超過5 000 h，對(duì)于優(yōu)化東西部資源配置、保障云南清潔水電外送消納、減少廣東大氣污染發(fā)揮了重要作用。

本研究獲取楚穗直流線路2017至2018年期間每年的送端供電量、線路長(zhǎng)度、線路單位長(zhǎng)度電阻值、線路單位長(zhǎng)度電暈損耗、電網(wǎng)排放因子等參數(shù)以及實(shí)際運(yùn)行的潮流數(shù)據(jù)，采用前文計(jì)算模型計(jì)算此特高壓直流線路產(chǎn)生的碳減排量。

2.2.1 電網(wǎng)排放因子取值

要完成碳減排的量化，需要一個(gè)將電量轉(zhuǎn)化為碳排放的因子，即電網(wǎng)排放因子CEL,y。該因子根據(jù)主管部門公布的默認(rèn)值來獲取，具體是根據(jù)不同年份的《中國(guó)區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子》中電網(wǎng)電量邊際排放因子(operating margin，OM)與容量邊際排放因子(build margin，BM)計(jì)算得到，其中2017年《中國(guó)區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子》中南方電網(wǎng)OM為0.836 7 t/MWh(CO2當(dāng)量，下同)、BM為0.247 6 t/MWh，2018年《中國(guó)區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子》中南方電網(wǎng)OM為0.809 4 t/MWh、BM為0.196 3 t/MWh。CEL,y計(jì)算公式為

CEL,y=0.5CCSG,OM,y+0.5CCSG,BM,y.

(14)

式中：CCSG,OM,y為南方電網(wǎng)OM；CCSG,BM,y為南方電網(wǎng)BM。計(jì)算得到：2017年CEL,y=0.542 2 t/MWh；2018年CEL,y=0.502 9 t/MWh。

2.2.2 線路節(jié)約電量的量化

根據(jù)楚穗直流線路2017至2018年的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)采樣間隔為15 min)累積得到送端供電量等數(shù)據(jù)，再將線路長(zhǎng)度、線路單位長(zhǎng)度電阻值、線路單位長(zhǎng)度電暈損耗、電網(wǎng)排放因子等參數(shù)輸入量化模型，得到楚穗直流線路的碳減排量，計(jì)算參數(shù)與結(jié)果見表1。

表1 楚穗直流線路碳減排量計(jì)算Tab.1 Calculation of carbon emission reduction of Chusui lines

3 和現(xiàn)有方法學(xué)計(jì)算結(jié)果的比較

將楚穗線路2017至2018年數(shù)據(jù)代入現(xiàn)有方法學(xué)《CM-102-V01特高壓輸電系統(tǒng)溫室氣體減排方法學(xué)》(第一版)進(jìn)行計(jì)算，得到的碳減排量結(jié)果與表1結(jié)果進(jìn)行比較，見表2。

表2 系數(shù)法與現(xiàn)有方法學(xué)的計(jì)算結(jié)果比較Tab.2 Calculation results comparisons between coefficient method and existing methodology

由表2可得出2種方法計(jì)算結(jié)果偏差在1%以內(nèi)，而系數(shù)法與現(xiàn)有方法學(xué)計(jì)算方法相比，不需要使用模擬軟件進(jìn)行負(fù)荷潮流研究，具有更簡(jiǎn)便和更低成本的優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)束語

針對(duì)現(xiàn)有模型對(duì)計(jì)算軟件要求高、不適用于特高壓輸電系統(tǒng)的情況，本研究提出針對(duì)特高壓輸電線路的溫室氣體減排量化模型，并運(yùn)用該模型對(duì)南方區(qū)域“西電東送”電網(wǎng)楚穗通道的輸電實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算應(yīng)用，完成了該線路的碳減排量化，證明了該量化模型可行、易用、可推廣。