程功旭 胡亞男 徐馳 李健男

摘要：對全網(wǎng)電力行業(yè)碳排放進行實時統(tǒng)計分析并優(yōu)化發(fā)電調(diào)度，已成為電力行業(yè)的重要工作。通過電網(wǎng)碳結構分析，構建區(qū)域特色化電力碳排放指標體系，提出碳排放優(yōu)化調(diào)度方法，建立數(shù)字孿生碳監(jiān)視可視化系統(tǒng)，為逐步實現(xiàn)我國碳達峰、碳中和宏偉目標提供數(shù)據(jù)支撐。

關鍵詞：電力系統(tǒng);碳排放;碳結構;數(shù)字孿生;調(diào)度;監(jiān)視系統(tǒng)

中圖分類號：TP319? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1674-1161（2022）01-0049-03

收稿日期：2021-10-15

作者簡介：程功旭（1991—），男，碩士，從事電力調(diào)度自動化及新型電力系統(tǒng)研究工作。

近年來，隨著全球氣候變暖問題加劇，作為能源大國的我國率先承擔起節(jié)能減排、維護全球生態(tài)系統(tǒng)的重任。習近平總書記提出“四個革命、一個合作”能源安全新戰(zhàn)略，為我國能源發(fā)展指明了方向，開辟了中國特色能源發(fā)展新道路。特別是“碳達峰、碳中和”目標提出后，堅持綠色發(fā)展、加速推進清潔低碳轉(zhuǎn)型已成為能源行業(yè)的發(fā)展趨勢。目前，我國電力行業(yè)正迎來重要結構調(diào)整期和轉(zhuǎn)型期。加快構建清潔低碳、安全高效能源體系，實現(xiàn)全網(wǎng)電力行業(yè)碳排放實時統(tǒng)計分析，優(yōu)化發(fā)電調(diào)度，成為電力行業(yè)重要工作內(nèi)容。

1 碳排放計算

碳排放的量化是節(jié)能減排工作的核心步驟，設計區(qū)域碳排放指標體系時必須明確核算的基本方法。排放系數(shù)法簡單且宏觀，適于工程計算，但在匯總整理電力行業(yè)企業(yè)燃料活動強度及獲取企業(yè)活動強度與排放數(shù)據(jù)時，須與其他途經(jīng)獲得的行業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行比對和匯總，并在相互之間開展驗證。

某個工藝環(huán)節(jié)某種石燃料i在時間t內(nèi)燃燒后釋放的二氧化碳的量為

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

式（1）中，PEi，t—t時間內(nèi)燃燒某類型化石燃料釋放的二氧化碳的量;FCi—某個時刻燃燒的化石燃料的量，單位是質(zhì)量或體積;COEFi，t—時間t內(nèi)燃燒的某種化石燃料的二氧化碳排放因子， 單位是tCO2/每燃料質(zhì)量或體積單位;RSj，t—時間t內(nèi)燃燒化石燃料產(chǎn)生的燃燼的量，單位是質(zhì)量或者體積;RSEFj，t —折算后的殘留物或氣體能夠扣減的二氧化碳的釋放因子;i—燃燒的化石燃料的類型;j—該過程中時間內(nèi)的燃燼類型。

1） COEFi，t參數(shù)若按質(zhì)量單位（煤或油等）來計算，則

COEFi，t=WC，l，× ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

若按體積單位（天然氣）來計算，則

COEFi，t=WC，i，t×ρi，t× ? ? ? ? ?（3）

2） 對于RSEFj，t ，按質(zhì)量單位計算，則

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

若按體積單位計算，則

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

2 碳排放體系

構建特色區(qū)域化電力碳排放指標體系，是循序推進節(jié)能減排、實現(xiàn)碳達峰與碳中和目標的工作重點。通過時間段（年、月、日和實時）內(nèi)的全網(wǎng)發(fā)電量、含碳排放機組（煤電機組、燃氣機組等）電量、零碳機組（水電、新能源、核電等）電量、含碳排放的外來電量及其相應的二氧化碳排放量等因素，構建區(qū)域電網(wǎng)碳排放指標體系，形成電網(wǎng)碳排放指數(shù)，可有效量化電網(wǎng)碳排放數(shù)據(jù)。

溫室氣體排放計算公式：

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

除了利用燃燒設備的熱平衡或燃料平衡對數(shù)據(jù)進行分析之外，還需要實測燃料的含碳量、灰分量及灰分中的含碳量。基于上述計算方法所建立的電力碳排放指標體系，見表1。

3 基于碳排放的優(yōu)化調(diào)度方法

基于碳排放優(yōu)化調(diào)度電力市場，可通過排隊方法優(yōu)先讓可再生電源、水電、核電等清潔能源發(fā)電，對燃煤火電采用等耗微增率法進行調(diào)度，從理論角度可使火電廠的節(jié)能效率達到最高，使溫室氣體等氣體的排放量達到最小。基于這一理論，當整個電網(wǎng)系統(tǒng)需增加一定量的發(fā)電負荷時，其所增加的碳排放指標最少。

設電網(wǎng)中有i臺機組處于備用狀態(tài)，則調(diào)用機組的能耗及排放數(shù)學模型為：

Eui=fuibzh，i，? ? ? ? ? ? ? ?（7）

結合機組碳結構演變態(tài)勢，為機組附加碳結構屬性，作為調(diào)峰參與依據(jù)，指導碳排放工作有效推進。機組運行狀態(tài)判據(jù)為：

fuibzh，i，

， fujbzh，j，

，ui=1

fuibzh，i，

>fujbzh，j，

，ui=0? ? ? ?（8）

其中，i=1......n，且i≠j;j=（1... n）∩。約束條件為：

ui×Pui=Pxt

ui×Eui=min

ui×fuibzh，i，

（9）

式中，bzh，i為第i臺機組的綜合供電煤耗率;為第i臺機組的CO2單位電量排放率;ui為第i臺機組的狀態(tài);1表示運行，0表示停運;Pui為第i臺機組的負荷;Pxt為系統(tǒng)當前需要。

當系統(tǒng)需要Pxt負荷時，系統(tǒng)中處于備用狀態(tài)的n臺機組均可調(diào)用。按照節(jié)能調(diào)度原理，第ui臺機組能耗水平Eui與綜合供電煤耗率及其CO2單位電量排放率有關。能耗及排放越小，則越先調(diào)用。當機組發(fā)電負荷滿足系統(tǒng)負荷需要時，可確保其能耗及排放最小。

4 數(shù)字孿生碳監(jiān)視可視化

4.1 碳達峰、碳中和政策及方案演示

數(shù)字孿生碳監(jiān)視可視化系統(tǒng)支持電力部門整合現(xiàn)有信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源，憑借先進的三維模型、數(shù)據(jù)感知化圖元實現(xiàn)碳結構多維信息的綜合化、感知化立體監(jiān)視。新的人機交互方式可廣泛應用于態(tài)勢監(jiān)測、應急指揮、分析研判、展示匯報等場景，具體方案如圖1所示。

所建立的全自主可控技術體系，可根據(jù)用戶實際業(yè)務決策需求進行可視決策主題、可視化頁面風格標識、可視化對象、組件、人機交互等深度定制，具備模塊化、全配置式軟硬件架構，其可視決策主題、可視化頁面、可視化對象均可復用、調(diào)整與擴展，能充分應對未來業(yè)務需求的變化，為該系統(tǒng)未來擴展與維護提供堅實保障。

4.2 碳結構場景監(jiān)視

碳結構場景監(jiān)視系統(tǒng)支持以地理空間分布維度、邏輯層級結構維度對大規(guī)模電網(wǎng)的分布、節(jié)點位置、供電范圍、拓撲關系等信息進行綜合展示，通過集成電網(wǎng)自動化管理、運行監(jiān)測、信息采集等調(diào)度數(shù)據(jù)，對站室、管廊、輸配電線路等電網(wǎng)關鍵要素的運行態(tài)勢進行實時監(jiān)測，進而輔助管理者綜合掌握跨地域、大范圍電網(wǎng)運行態(tài)勢，有效提升電網(wǎng)的監(jiān)控力度。

5 結論

做好碳排放運行監(jiān)視是國家碳達峰、碳中和宏偉工程的基礎，基于數(shù)字孿生的電力碳結構全景監(jiān)視系統(tǒng)能夠為這一工程提供可靠的多元數(shù)據(jù)支撐和有效的系統(tǒng)電能管理、碳結構優(yōu)化、數(shù)據(jù)分析平臺。目前，國內(nèi)部分地區(qū)已著手部署和升級電力碳結構全景監(jiān)視系統(tǒng)，為逐步實現(xiàn)碳達峰、碳中和宏偉目標提供數(shù)據(jù)支撐。

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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