葉文楓

（南方電網(wǎng)大數(shù)據(jù)服務(wù)有限公司，廣東廣州 510000）

0 引言

電力系統(tǒng)對于傳統(tǒng)資源的消耗較大，以致環(huán)境惡化速度加劇，為了應(yīng)對環(huán)境危機(jī)，我國首先對以能源消耗為動力的電力行業(yè)提出改革要求，以便實現(xiàn)電力系統(tǒng)的低碳化改革。尤其隨著碳達(dá)峰、碳中和要求的提出，在規(guī)劃電力系統(tǒng)過程中，電力企業(yè)要逐漸將電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型為清潔能源消耗類型的企業(yè)，以便降低碳排放量，實現(xiàn)雙碳”目標(biāo)。就目前電力系統(tǒng)的發(fā)展來看，電力企業(yè)在對電力系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃時，應(yīng)當(dāng)充分考慮碳排放約束要求，提升清潔能源的使用比重，以達(dá)到減少碳排放的目的，優(yōu)化電力行業(yè)建設(shè)和電力行業(yè)發(fā)展成本。

1 基于碳排放流的電力系統(tǒng)低碳需求

以往對電力系統(tǒng)碳排放需求的分析是基于電價信號，通過調(diào)整電力價格，引導(dǎo)用戶轉(zhuǎn)變自身用電行為，以起到節(jié)約用電的效果。但是現(xiàn)今對于電力系統(tǒng)分析，立足于碳排放視角，根據(jù)用戶的用電需求，向用戶釋放用電碳排放信息，予以用戶警示，約束和規(guī)范用戶的用電行為，降低電能的消耗，促進(jìn)可再生資源的消納。

1.1 用電行為

在需求機(jī)制下，規(guī)劃用戶用電行為需要基于用電碳排放信息的差異性，展現(xiàn)碳排放信息表征。不同用電行為將產(chǎn)生不同的用電表征，其碳排放因子也存在差異，因此在研究低碳規(guī)劃需求的過程中，通過探究用戶的用電行為反映用戶在日常生活中的用電量，以此源測用電的碳排放量[1]。用電行為作為需求分析的重要指標(biāo)，在研究過程中，能夠基于用電行為的差異性，構(gòu)建源測燃料消耗與直接碳排放的關(guān)系，搭建計算用電負(fù)荷的橋梁。

1.2 碳排放因子

在計算用戶用電產(chǎn)生的碳排放因子中可明顯看出以下特點，基于低碳排放分析，碳排放因子具有時變性特點，通過對用戶不同時段用電行為的觀察，發(fā)現(xiàn)用戶在應(yīng)用電能過程中時效性強(qiáng)，如在下班點是使用電能的高峰期，碳排放因子數(shù)量較多。根據(jù)用戶用電行為碳排放因子排序來看，用戶用電高峰集中在上下班前后。另外，根據(jù)對用電行為碳排放因子的觀察發(fā)現(xiàn)，碳排放因子排序還具有無偏性，在不同時間段內(nèi)，給定區(qū)域內(nèi)用戶用電呈現(xiàn)出集中特點[2]。如在計算碳排放因子時，按照用戶的間接碳排放量與網(wǎng)損之間的比值計算，用戶的碳排放之和約為對應(yīng)空間尺度下的直接碳排放量，與區(qū)域內(nèi)無送入用電量相等。由此可知，用戶用電產(chǎn)生的碳排放因子不會出現(xiàn)突然變化，具有平穩(wěn)性特點。

1.3 碳排放量

基于用戶用電行為特點，計算用戶用電碳排放量數(shù)值。圖1 為碳排放量統(tǒng)計和計算流程。首先，獲取用戶用電產(chǎn)生的動態(tài)碳排放因子，并按照用戶用電時間段的不同，分析碳排放因子的組成情況，以追蹤用電碳排放因子源頭。其次，在計算過程中，根據(jù)用戶用電的實際情況繪制碳排放因子的負(fù)荷曲線，分析用戶用電的原始數(shù)值變化和碳排放因子排放規(guī)律。以便測試當(dāng)日用戶用電所產(chǎn)生的碳排放因子數(shù)量，進(jìn)而計算用戶原始用電總量所從產(chǎn)生的間接碳排放量。最后，按照用電行為特點，優(yōu)化用戶用電行為和方式，按照不同時間段，碳排放因子的排列差異性，總結(jié)過去碳排放總量，重新規(guī)劃未來用電計劃，以便大幅減低電能的消耗，在保證基本用電需求的前提下，降低碳排放。

圖1 碳排放量統(tǒng)計和計算流程

2 基于碳排放流的電力系統(tǒng)低碳分析

基于上述用戶用電行為的特性，現(xiàn)對電力系統(tǒng)的低碳規(guī)劃進(jìn)行前期分析，以便掌握電力系統(tǒng)碳排放流的分布特點，排放模型，建設(shè)相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)，確定約束條件為后續(xù)電力系統(tǒng)的規(guī)劃和研究提供數(shù)據(jù)參考。

2.1 分布特點

基于目前現(xiàn)有的理論，對電力系統(tǒng)碳排放流進(jìn)行分析可知，用戶在用電過程中，其產(chǎn)生的碳排放流具有密度特點，在對應(yīng)節(jié)點上碳排放流的碳勢相同，為此在分析電力系統(tǒng)碳排放流時，以節(jié)點為指標(biāo)，推導(dǎo)電力系統(tǒng)在不同時間段的碳排放流的任意潮流分布。根據(jù)調(diào)查顯示，相較于傳統(tǒng)的輸電網(wǎng)，在碳排放流視角下電力系統(tǒng)的碳排放情況具有輻射伏特征[3]。為此，在計算過程中，基于電力系統(tǒng)的電阻特征以及電路抗遠(yuǎn)特征，計算電力系統(tǒng)的潮流。圖2 為電力系統(tǒng)碳排放流相關(guān)指標(biāo)關(guān)系，根據(jù)該指標(biāo)關(guān)系明確各項指標(biāo)之間的關(guān)系。

圖2 電力系統(tǒng)碳排放流相關(guān)指標(biāo)關(guān)系

就電力系統(tǒng)的潮流特點來看，電力系統(tǒng)在運行過程中，未發(fā)現(xiàn)明顯的環(huán)流，整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不存在分布式電源，即便在任意節(jié)點上，存在潮流流經(jīng)，也不會引起電力系統(tǒng)碳勢的變化。而且當(dāng)電力系統(tǒng)處于放電狀態(tài)時，對應(yīng)組件和元件的碳勢會受到下游碳勢節(jié)點的影響，因此在計算時需要按照碳排放流的順序計算。圖3為碳勢變化曲線。

圖3 碳勢變化曲線

2.2 排放模型

根據(jù)上述電力系統(tǒng)的碳排放流的分布特點，現(xiàn)在分布式能源的條件下，以削峰、荷載率為指標(biāo)，建立電力系統(tǒng)中儲能元件的碳排放流分布模型。假設(shè)電力系統(tǒng)儲能元件處于放電狀態(tài)，則在進(jìn)行排放過程中所能產(chǎn)生的碳排放累積，將會隨著配電系統(tǒng)的運行注回到儲能元件中，為此在建立模型時，根據(jù)電力系統(tǒng)的配電目標(biāo)和碳排放特點，確定碳排放分析指標(biāo)[4]。當(dāng)電力系統(tǒng)處于放電狀態(tài)時，其在運行過程中，儲能元件將會展現(xiàn)以下特性，最大充電率達(dá)到最大值，放電率同樣達(dá)到峰值。綜合電力系統(tǒng)的運行效率可知，儲能元件將在儲能設(shè)備的供應(yīng)下持續(xù)處于荷電狀態(tài)。簡而言之，儲能元件在電力系統(tǒng)運行過程中，將會在放電（P）、充電（T）以及離網(wǎng)狀態(tài)（SOC）下來回切換，且能夠在單個時段內(nèi)達(dá)到峰值。在電力系統(tǒng)碳排放模型構(gòu)建中，還要考慮網(wǎng)損問題，圖4 為基于網(wǎng)損的電力系統(tǒng)節(jié)點邊際碳勢計算流程，根據(jù)流程，將節(jié)點邊際碳勢納入考量范圍。

圖4 基于網(wǎng)損的電力系統(tǒng)節(jié)點邊際碳勢計算流程

2.3 目標(biāo)函數(shù)

假設(shè)電力系統(tǒng)運行時，總共配備了n 臺分布式發(fā)電機(jī)，其中含有m 個儲能元件，基于上述電力系統(tǒng)儲能元件形態(tài)可知，當(dāng)電力系統(tǒng)運行達(dá)到A 時段時，總碳排放量將會達(dá)到最大，根據(jù)式（1）計算：

式中：A——電力系統(tǒng)峰值時段；P——放電狀態(tài)；bn——n 臺分布式電源機(jī)造成的碳勢，以及電力系統(tǒng)在平穩(wěn)運行條件下做的有功功率和主網(wǎng)碳勢。

根據(jù)上述可知，電力系統(tǒng)在運行過程中，碳勢的集合為潮流的表征，在節(jié)點碳勢未發(fā)生變化時，按照目標(biāo)函數(shù)計算，其在A 時段下所產(chǎn)生的碳勢將由配電系統(tǒng)中的機(jī)組參數(shù)和儲能元件運行所決定。

2.4 約束條件

在計算電力系統(tǒng)碳勢函數(shù)時，還需要明確模型中的約束條件，基于電力系統(tǒng)中的節(jié)點碳勢可知，在A 時段下電力系統(tǒng)產(chǎn)生的有功功率與無功功率與對應(yīng)節(jié)點的電流值和電壓值對應(yīng)，且該時段的電導(dǎo)與電納將會出現(xiàn)角差。按照線路約束潮流條件，電力系統(tǒng)在運行過程中，在l 時段將會出現(xiàn)最大復(fù)功率，且其所對應(yīng)支路也將傳輸最大功率，達(dá)到電壓上下限。當(dāng)?shù)趍 個元件受到充電功率限制時，儲能元件在該時間段放電狀態(tài)將會達(dá)到最大時長，且受到最大充電電量的限制，使電力系統(tǒng)中每個時段內(nèi)的機(jī)組進(jìn)行向下和向上調(diào)節(jié)的最大出力[5]。

3 基于碳排放流的電力系統(tǒng)低碳規(guī)劃

基于上述對電力系統(tǒng)碳排放量分布特點、低碳需求的分析，現(xiàn)為電力系統(tǒng)的建設(shè)和規(guī)劃提出相應(yīng)意見，以便能夠?qū)崿F(xiàn)電力系統(tǒng)低碳建設(shè)目標(biāo)，減少電力系統(tǒng)建設(shè)對資源消耗，響應(yīng)國家對電力行業(yè)改革的號召，在滿足供電需求的同時，完成電力系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)轉(zhuǎn)型。

3.1 整體邏輯

基于上述電力系統(tǒng)的規(guī)劃要求，制定電力系統(tǒng)規(guī)劃整體邏輯，其是一種雙層規(guī)劃模型，圖5 為電力系統(tǒng)低碳框架模型，其中碳排放流與碳排放需求是其中的重要指標(biāo)，按照電力系統(tǒng)的儲能要求以及儲能需求，對用戶用電行為進(jìn)行優(yōu)化。首先，明確電力系統(tǒng)低碳建設(shè)的上層規(guī)劃，根據(jù)電力系統(tǒng)模型求解，上層結(jié)構(gòu)規(guī)劃中得出了電力系統(tǒng)中傳統(tǒng)機(jī)組、風(fēng)電場以及裝機(jī)設(shè)備對于電能的消耗情況，且在一定的裝機(jī)容量下，電力系統(tǒng)中的儲能設(shè)備將會持續(xù)放電，適應(yīng)電力系統(tǒng)的線路電流傳輸潮流?；谏蠈蛹軜?gòu)，構(gòu)建下層架構(gòu)，根據(jù)碳流的計算結(jié)果，每個電力系統(tǒng)的碳勢節(jié)點與支路密度相對應(yīng)，其形成的負(fù)荷曲線也將實時更新，然后經(jīng)由負(fù)荷功率的調(diào)整，優(yōu)化電力系統(tǒng)負(fù)荷曲線[6]。

圖5 電力系統(tǒng)低碳框架模型

3.2 投資模型

投資目的是以最低的運行成本構(gòu)建電力系統(tǒng)低碳建設(shè)。因此，在對電力系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃過程中，將投資成本劃分為系統(tǒng)成本、運行成本兩項內(nèi)容。按照電力系統(tǒng)的建設(shè)要求，在對其進(jìn)行規(guī)劃過程中，按照電力系統(tǒng)的啟動成本計算，其風(fēng)電場、儲能設(shè)備成本占據(jù)較大比重。而且在電力系統(tǒng)單位機(jī)組運行過程中，儲能設(shè)備所消耗的成本能夠達(dá)到a，光伏電站成本為b，時刻機(jī)組群成本為z。儲能發(fā)電成本為e，按照電力系統(tǒng)8760h 運行時序計算，電力系統(tǒng)的總運行成本將會突破最大值，整體在總成本占比不小于1/3。表1 為成本分成。

表1 成本分成

3.3 規(guī)劃結(jié)果

根據(jù)上述雙層結(jié)構(gòu)規(guī)劃方法，分析電力系統(tǒng)低碳條件下的需求，按照電力系統(tǒng)的裝機(jī)量和的新能源使用情況對比可知，在雙層結(jié)構(gòu)模型下，電力系統(tǒng)的建設(shè)不僅能夠滿足用戶用電需求，還能夠有效降低用電比例，其整體數(shù)值下降至75%，碳排放強(qiáng)度也得到大幅改善，尤其在碳勢節(jié)點上存在較多的新能源應(yīng)用，促進(jìn)了新能源消納，減少了傳統(tǒng)機(jī)組、新能源及儲能的建設(shè)浪費。圖6 為能源消耗對比。

圖6 能源消耗對比

4 結(jié)語

總而言之，電力系統(tǒng)低碳建設(shè)和規(guī)劃，應(yīng)當(dāng)在前期根據(jù)電力系統(tǒng)的運行實際情況，研究分析低碳需求以及分布特點，再通過構(gòu)建低碳電力系統(tǒng)規(guī)劃模型，制定電力系統(tǒng)的建設(shè)方案，進(jìn)一步計算電力系統(tǒng)的碳排放量，優(yōu)化電力系統(tǒng)碳排放模型，以便在低碳目標(biāo)下，完成對電力系統(tǒng)的規(guī)劃，推動圍繞配電網(wǎng)與用戶側(cè)面向低碳相關(guān)研究的進(jìn)步，在滿足用戶用電需求的同時，實現(xiàn)電力系統(tǒng)建設(shè)轉(zhuǎn)型。