盧仰澤，張 露，任劼帥，黃澤琦，魯 非

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077）

0 引言

中國是世界最大的碳排放國［1］，2020 年9 月習(xí)近平主席在聯(lián)合國大會上承諾中國將在2030 年前實現(xiàn)碳排放達(dá)峰，并在2060 年前實現(xiàn)碳中和［2-3］。我國電力行業(yè)自身的碳減排研究［4］、規(guī)劃工作目前主要集中在發(fā)電環(huán)節(jié)［5-8］，但是，作為電網(wǎng)企業(yè)電能主要載體的電力一次設(shè)備［9］，其在制造、運維、退役的全壽命周期過程中，同樣會產(chǎn)生碳排放［10-12］，該部分碳排放是造成電網(wǎng)企業(yè)碳排放量居高不下的主要原因［13］。

隨著社會對電能的用量和質(zhì)量需求變高，電網(wǎng)線路日益復(fù)雜，電能輸送過程中，電力一次設(shè)備的碳排放將會不斷增加，且碳排放不易測定，目前電力一次設(shè)備碳排放的核算、溯源工作尚未開展。

以2020年國家電網(wǎng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)為例：在電力傳輸過程中，2020 年全國電力線路的平均線損及SF6絕緣氣體產(chǎn)生的CO2直接與間接排放量高達(dá)2 億t。除此以外，原材料獲取、加工，部件總裝等設(shè)備制造工藝也存在大量碳排放，設(shè)備退役后的回收過程也需考慮碳排放。所以，電網(wǎng)企業(yè)的碳減排措施已不能僅僅局限于發(fā)電環(huán)節(jié)，輸變配電一次設(shè)備的碳減排工作同樣重要［14］。因此，有必要對設(shè)備全壽命周期所包括的入網(wǎng)前階段、運維階段、退役階段中碳排放進(jìn)行核算、溯源、監(jiān)測與減控技術(shù)的研究并形成標(biāo)準(zhǔn)體系。

本文從低碳電網(wǎng)建設(shè)背景出發(fā)，指出當(dāng)前電力一次設(shè)備碳排放評價與減控等方面標(biāo)準(zhǔn)滯后、技術(shù)欠缺。本文從電力一次設(shè)備全壽命周期所包含的入網(wǎng)前、運維與退役3 個階段入手，對每個階段的碳排放進(jìn)行核算、溯源，形成指導(dǎo)設(shè)備供應(yīng)鏈與設(shè)備運行維護(hù)的評價指標(biāo)體系，并開展碳排放的監(jiān)測、統(tǒng)計技術(shù)與裝置的研究；在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)重點環(huán)節(jié)的碳排放減控，最終建立相應(yīng)的軟硬件平臺，為電力一次設(shè)備碳排放的監(jiān)視、評價與減控工作提供理論及技術(shù)手段支撐。

1 低碳電網(wǎng)研究概述

1.1 碳排放評估模型建立

碳減排、碳達(dá)峰、碳中和等任何與溫室氣體管理相關(guān)的工作，都建立在依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范正確核算碳排放的基礎(chǔ)之上，必須滿足溫室氣體可測量（Measurable）、可報告（Reportable）與可核證（Verifiable）的MRV 基本原則。

較為成熟的系統(tǒng)綜合評估模型根據(jù)建模方法可以分為自上而下模型、自下而上模型和綜合模型3 種類型［15］。自上而下的宏觀層面核算以IPCC（聯(lián)合國政府間氣候變化委員會）的《國家溫室氣體清單指南》為代表，主要用于國際履約，或者中央對地方政府的碳排放核算與監(jiān)督。自下而上的碳核算方式主要是以工程技術(shù)為出發(fā)點，分為基于企業(yè)、產(chǎn)品和項目碳核算方式，掌握各類微觀主體包括企業(yè)和消費者在生產(chǎn)或消費過程中的溫室氣體排放情況。

1.2 低碳電網(wǎng)國內(nèi)研究進(jìn)展

國內(nèi)學(xué)者對于低碳電網(wǎng)建設(shè)方面的研究主要以低碳電網(wǎng)建設(shè)的技術(shù)途徑為主導(dǎo)，分別從低碳電力技術(shù)應(yīng)用、低碳政策與低碳管理模式等角度對低碳電網(wǎng)建設(shè)進(jìn)行了相關(guān)研究。

在低碳電力技術(shù)應(yīng)用研究方面，丁然［16］從用電側(cè)出發(fā)，總結(jié)了電網(wǎng)全生命周期中低碳化的技術(shù)路線；康重慶［17］等總結(jié)了現(xiàn)如今國內(nèi)外電網(wǎng)企業(yè)們實施低碳化的技術(shù)路線，并從多個維度展開討論；李瑩瑩［18］等分析低碳經(jīng)濟(jì)對電網(wǎng)帶來的影響；曾鳴等［19］從終端節(jié)電、降低損耗等四個方面給出了智能電網(wǎng)支撐電力系統(tǒng)低碳化的詳細(xì)途徑；段立勇［20］等研究了電網(wǎng)企業(yè)碳排放核算與配額分配方法；朱昱坤［21］等簡單論述了電網(wǎng)企業(yè)實現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)的途徑。

在低碳政策研究方面，郁義鴻［22］等用估算電力需求函數(shù)的方法來估測碳稅政策的成效，提出了發(fā)電側(cè)能源結(jié)構(gòu)的碳減排效果高于碳稅政策的優(yōu)化結(jié)論；劉強［23］等對電網(wǎng)企業(yè)在不同低碳政策下產(chǎn)生的碳排放量進(jìn)行評估，對比了3種清潔模式下的碳排放成本，為碳減排政策的測評提供了模型。

在低碳管理模式和技術(shù)創(chuàng)新的研究中，許文秀等［24］提出了節(jié)能效益高的合同能源管理配電網(wǎng)低碳科學(xué)模式；吳鴻亮等［25］以電力交易的環(huán)節(jié)為切入點提出發(fā)電碳排放配額分配方法；高生偉［26］簡單探討了低碳經(jīng)濟(jì)對電網(wǎng)規(guī)劃和發(fā)展的影響；周黎莎等［27］以低碳效益為基礎(chǔ)，分析了我國智能電網(wǎng)低碳效益的實現(xiàn)方法；周黎莎等［28］在另一篇文獻(xiàn)中構(gòu)建了低碳效益評價指標(biāo)體系，建立低碳效益評價模型；嚴(yán)冬等［29］分析了智能電網(wǎng)在低碳經(jīng)濟(jì)環(huán)境下的發(fā)展情況；覃丹［30］從電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)的角度，分析配電網(wǎng)的節(jié)能降損及構(gòu)建經(jīng)濟(jì)型電網(wǎng)。

綜上所述，目前低碳電網(wǎng)建設(shè)相關(guān)研究，主要集中在宏觀政策層面、電網(wǎng)企業(yè)建設(shè)的具體措施。多位學(xué)者從電網(wǎng)規(guī)劃運行過程中影響碳排放、電網(wǎng)低碳化的技術(shù)路線等層面展開了研究。電網(wǎng)低碳化方面，單一通過低碳技術(shù)產(chǎn)生的低碳效益不足以建設(shè)低碳電網(wǎng)，只有在電網(wǎng)運營期間全面實現(xiàn)低碳化，才能全面建設(shè)低碳電網(wǎng)體系。

本文全面分析電網(wǎng)運營期間電力一次設(shè)備的碳排放現(xiàn)狀，引入電網(wǎng)設(shè)備碳排放的概念，并將此概念作為碳排放約束條件，引入電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計的一次設(shè)備選擇中去。

2 電力一次設(shè)備全壽命周期碳排放技術(shù)研究標(biāo)準(zhǔn)體系

根據(jù)電網(wǎng)設(shè)備全壽命周期中碳排放的核算工作結(jié)果，建立評價出廠前、運維與退役3個環(huán)節(jié)的設(shè)備碳排放標(biāo)準(zhǔn)體系，以指導(dǎo)設(shè)備采購、運維與回收工作，為電網(wǎng)企業(yè)提供碳排放方面的設(shè)備選型采購依據(jù)、運維計劃制定依據(jù)與退役后處理工作的依據(jù)，并引導(dǎo)電力設(shè)備供應(yīng)鏈上下游企業(yè)的減排增效工作。

2.1 生產(chǎn)環(huán)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)體系

建立評價電力設(shè)備生產(chǎn)環(huán)節(jié)的指標(biāo)體系以指導(dǎo)電網(wǎng)企業(yè)對供應(yīng)商設(shè)備的采購選型。該標(biāo)準(zhǔn)體系需評價電力一次設(shè)備原材料獲取生產(chǎn)、產(chǎn)品制造、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)中所產(chǎn)生的直接與間接碳排放行為的排放量、排放種類及其對環(huán)境的影響，同時也需將設(shè)備運行維護(hù)環(huán)節(jié)中的直接與間接碳排放的統(tǒng)計量納入標(biāo)準(zhǔn)體系范圍。

2.2 運維環(huán)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)體系

建立評價電力設(shè)備運維環(huán)節(jié)的指標(biāo)體系以用于指導(dǎo)電網(wǎng)企業(yè)自身的運維策略制定。該標(biāo)準(zhǔn)體系在以往設(shè)備狀態(tài)評價、檢修體系的基礎(chǔ)上，結(jié)合設(shè)備不同運行工況下與設(shè)備運維工作中碳排放的監(jiān)控與測算，從降低設(shè)備運維階段碳排放的角度指導(dǎo)設(shè)備運行方式調(diào)整、檢修周期與檢修項目制定、停電試驗與帶電檢測項目等的制定。

2.3 退役環(huán)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)體系

建立評價電力設(shè)備退役環(huán)節(jié)的指標(biāo)體系以指導(dǎo)設(shè)備（部件）退役后的報廢或回收工作。該標(biāo)準(zhǔn)體系用于評價不同種類、不同老損狀態(tài)的退役設(shè)備（部件）回收后的碳中和量，評價各種回收工藝的直接與間接碳排放，從而綜合衡量設(shè)備（部件）的回收價值，給出包含回收再利用、備用、報廢填埋等多種退役策略的選擇依據(jù)。

3 電力一次設(shè)備全壽命周期碳排放技術(shù)研究思路

根據(jù)電力設(shè)備全壽命周期中入網(wǎng)前、運維與退役3 個階段，考察每個階段在碳排放核算、碳排放監(jiān)測、碳排放減控、碳排放評價與碳排放管理應(yīng)用5 個方面的研究內(nèi)容。

3.1 碳排放核算

針對電力設(shè)備在全壽命周期中所有直接與間接的碳排放行為，制定碳排放核算方法，核定碳排放因子，實現(xiàn)碳排放指標(biāo)的量化核算，為碳排放監(jiān)測、減控技術(shù)提供理論依據(jù)。

3.2 碳排放監(jiān)測

開發(fā)傳感器、數(shù)據(jù)統(tǒng)計平臺，實時監(jiān)測并統(tǒng)計電力設(shè)備在全壽命周期中所有直接與間接的碳排放。

3.3 碳排放減控

研究設(shè)備與材料低碳化優(yōu)化設(shè)計方案、替代方案，以向生產(chǎn)廠家進(jìn)行低排放設(shè)備生產(chǎn)技術(shù)輸出；研究低碳控制輔助支撐技術(shù)，以減少設(shè)備運行中設(shè)備碳排放，延長設(shè)備使用壽命；研究設(shè)備回收再利用技術(shù)增加碳中和率。

3.4 碳排放評價

制定碳排放評價指標(biāo)體系，對設(shè)備全壽命周期中碳排放種類、強度進(jìn)行定量或定性的評價，同時評價碳排放減控手段的效果；開發(fā)碳排放檢測試驗裝置對設(shè)備排放達(dá)標(biāo)進(jìn)行校驗。

3.5 碳排放管理應(yīng)用

建立設(shè)備入網(wǎng)前、退役階段設(shè)備碳排放評價軟件平臺與運維階段設(shè)備碳排放監(jiān)控平臺，形成全壽命周期碳排放減控輔助系統(tǒng)，為設(shè)備所在的電網(wǎng)企業(yè)及其上下游企業(yè)全壽命周期的碳排放行為提供可觀、可控、可交互的平臺。

碳排放框架如表1所示。

表1 碳排放全壽命周期階段與研究內(nèi)容關(guān)系Table 1 Relationship between life cycle stages of carbon emissions and research contents

4 電力一次設(shè)備全壽命周期碳排放技術(shù)研究

4.1 研究框架

根據(jù)以上思路，整理出研究思路如圖1所示，將電力一次設(shè)備全壽命周期碳拜排放按階段分為入網(wǎng)前階段研究、運維階段研究、退役階段研究。

圖1 研究思路和框架示意圖Fig.1 Schematic diagram of research idea and framework

4.2 主要研究內(nèi)容

4.2.1 設(shè)備入網(wǎng)前碳排放減控技術(shù)

1）供應(yīng)鏈碳足跡溯源與核算。研究設(shè)備（材料）在原材料獲取、部件生產(chǎn)、總裝制造環(huán)節(jié)中溫室氣體及其前體的排放量和能源消耗量的核算方法。

設(shè)備采購碳指標(biāo)體系包括：①碳排放因子核定，核定設(shè)備（材料）在全壽命周期中所有碳排放行為折合成單位質(zhì)量CO2的排放因子；②指標(biāo)體系建立，針對電力一次設(shè)備在各個工藝環(huán)節(jié)碳排放行為，實現(xiàn)定量或定性評價。

2）設(shè)備入網(wǎng)前的碳排放監(jiān)控?；陔娋W(wǎng)設(shè)備（材料）的碳足跡測算方法，研制設(shè)備（材料）在原材料獲取、產(chǎn)品制造環(huán)節(jié)中階段碳排放的監(jiān)控計量裝置、工具或規(guī)范。

3）碳排放檢測廠內(nèi)試驗技術(shù)。結(jié)合電力設(shè)備運行直接碳排放測量技術(shù)、設(shè)備運行損耗測量技術(shù)、設(shè)備老化試驗技術(shù)，形成碳排放型式試驗、出廠試驗的裝置與規(guī)程。

4）設(shè)備入網(wǎng)前設(shè)備碳排放評價軟件平臺。指運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與云計算或中央計算技術(shù)，實時對電網(wǎng)設(shè)備原材料獲取、產(chǎn)品制造與報廢處理環(huán)節(jié)的碳排放進(jìn)行監(jiān)控與管理，依托人工智能技術(shù)提供碳排放減控、低碳材料設(shè)備選型的建議。

5）設(shè)備與材料低碳化優(yōu)化設(shè)計。指研究變壓器、輸電線路、GIS 等設(shè)備的降損技術(shù)與設(shè)備優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，包括：SF6排放減控及環(huán)保氣體替代技術(shù)、電力設(shè)備低碳排放材料替代技術(shù)、電力設(shè)備優(yōu)化設(shè)計技術(shù)。

4.2.2 設(shè)備運維階段碳排放減控技術(shù)

1）運維階段碳排放核算。包括：①直接碳排放核算，根據(jù)設(shè)備材料化學(xué)組成、運行過程中的行為特征及環(huán)境影響，構(gòu)建直接碳排放核算指標(biāo)體系；②間接碳排放核算，基于電網(wǎng)企業(yè)使用、上網(wǎng)的能源類型及來源差異，研究電力設(shè)備正?；虍惓＿\行情況下輸配電損耗排放因子的核定方法。

2）運維階段碳排放標(biāo)準(zhǔn)體系。包括：①運行階段碳排放標(biāo)準(zhǔn)體系，根據(jù)碳排放核算結(jié)果，評價設(shè)備老化狀態(tài)、預(yù)估設(shè)備剩余壽命、設(shè)定碳排放監(jiān)測預(yù)警值；②維護(hù)與檢修階段碳排放標(biāo)準(zhǔn)體系，分析不同設(shè)備停電檢修、停電試驗等工作增加的碳排放量，根據(jù)評價結(jié)果，合理制定設(shè)備的檢修周期與試驗項目。

3）運維階段碳排放測控技術(shù)。包括：①直接碳排放測控技術(shù)，根據(jù)不同的測量手段，探索直接碳排放核算路徑，建立核算一級指標(biāo)；②間接碳排放測控技術(shù)，研究使用電力、熱力及輸配電損耗排放因子的核定方法。

4）設(shè)備碳排放監(jiān)控平臺。結(jié)合電力設(shè)備直接與間接碳排放測控裝置與以往電力設(shè)備在線監(jiān)測、變電站/換流站SCADA 系統(tǒng)中電氣量的實時監(jiān)控等，對運維環(huán)節(jié)中碳排放進(jìn)行實時及剩余壽命的監(jiān)控及評估。

5）低碳控制輔助支撐。對于設(shè)備正常運行階段，以變電站、換流站為單位，結(jié)合設(shè)備碳排放監(jiān)控平臺，在保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行前提下給出運行建議，達(dá)到降低運行損耗，進(jìn)而降低間接碳排放的目的。

6）碳排放現(xiàn)場試驗技術(shù)。結(jié)合電力設(shè)備運行直接碳排放測量技術(shù)、設(shè)備運行損耗測量技術(shù)、設(shè)備老化試驗技術(shù)，研究可在設(shè)備運行現(xiàn)場對其直接、間接碳排放量進(jìn)行停電試驗或帶電檢測的技術(shù)，并形成碳排放各類試驗規(guī)程。

7）設(shè)備全壽命周期碳排放減控輔助系統(tǒng)。以變電站、換流站為單位，結(jié)合設(shè)備碳排放監(jiān)控平臺對設(shè)備老化程度、剩余壽命的評估結(jié)果給出建議，等效地降低因設(shè)備提前退役、重新生產(chǎn)而造成的額外碳排放。

4.2.3 設(shè)備退役階段碳排放減控技術(shù)

1）設(shè)備退役回收碳足跡核算。對設(shè)備回收過程中不同回收方式（如整體翻新、部件拆解、原材料熔煉等）、回收工藝進(jìn)行碳溯源研究，明確回收過程中的碳排放行為的碳排放量、排放類型，并校核排放因子，綜合衡量不同回收過程中的碳排放量?？己瞬煌厥辗绞剿没厥债a(chǎn)品、部件或原材料等效的碳中和量。

2）設(shè)備退役評價技術(shù)與指標(biāo)體系。結(jié)合設(shè)備全壽命周期中的剩余壽命估計與運維階段的碳排放監(jiān)控技術(shù)，研究退役評價檢測技術(shù)、試驗裝置與標(biāo)準(zhǔn)判據(jù)，給出設(shè)備退役的判據(jù)與包含整體/部分回收再利用、冷/熱備用、報廢填埋等的退役方式的建議。

3）設(shè)備回收評價指標(biāo)體系。根據(jù)設(shè)備退役回收碳足跡溯源結(jié)果，針對重點設(shè)備、重點材料提出可能的回收利用方案，評價各種回收工藝的直接與間接碳排放與回收設(shè)備碳中和量，從而綜合衡量設(shè)備（部件）的回收價值。

4）設(shè)備退役后碳排放監(jiān)控技術(shù)。對于退役階段的電力設(shè)備，①研發(fā)可檢測其退役后報廢處置等工藝產(chǎn)生的間接碳排放的裝置；②研發(fā)可檢測油氣等可能產(chǎn)生碳排放的廢棄物回收工藝中直接碳排放的裝置；③研發(fā)可評價設(shè)備材料回收再利用后碳中和量檢測評價的裝置。

5）設(shè)備退役后碳排放評價軟件平臺。開發(fā)設(shè)備退役后碳排放評價軟件平臺，形成對設(shè)備退役后碳排放實時的跟蹤、監(jiān)測與評價，指導(dǎo)電網(wǎng)企業(yè)對退役方式、回收廠商與回收工藝的選擇，達(dá)到提升設(shè)備退役后的碳中和量的目的。

5 結(jié)語

現(xiàn)階段國內(nèi)外對低碳電網(wǎng)建設(shè)主要集中在宏觀層面，著重于電網(wǎng)企業(yè)的低碳化發(fā)展，將減排引入電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計；然而，單一的通過低碳技術(shù)來建設(shè)低碳電網(wǎng)不足夠，只有從電能產(chǎn)生的源頭以及電網(wǎng)運營期間全面實現(xiàn)低碳化，才能使得低碳電網(wǎng)建設(shè)成體系。

本文分析電網(wǎng)運營期間的碳排放現(xiàn)狀，引入電力設(shè)備碳排放的概念，從電力一次設(shè)備全壽命周期出發(fā)，提出建立電力設(shè)備全壽命周期碳排放核算標(biāo)準(zhǔn)體系，給出了電力一次設(shè)備全壽命周期碳排放技術(shù)研究思路及研究框架。

電力一次設(shè)備全壽命周期碳排放技術(shù)研究框架，按入網(wǎng)前階段、運維階段、退役階段開展研究，給出了各個階段的研究內(nèi)容與關(guān)鍵技術(shù)難點，為電力一次設(shè)備全壽命周期碳排放核算提供了詳細(xì)的研究思路。