电力企业碳排放研究现状及展望

毛森茂，陈艺璇，瞿凯平，程乐峰，余涛

（1. 深圳供电局，广东 深圳 518010；2. 华南理工大学电力学院，广东 广州 510640）

电力企业碳排放研究现状及展望

毛森茂1，陈艺璇2，瞿凯平2，程乐峰2，余涛2

（1. 深圳供电局，广东 深圳 518010；2. 华南理工大学电力学院，广东 广州 510640）

作为中国碳排放的主力军，电力企业必须谋求低碳发展。本文对碳交易市场的内涵及类型进行深入研究，并对目前电力行业的碳减排技术进行总结。以深圳市为例，剖析其碳交易市场的发展现状及发展方向，对深圳电网此经济环境下的碳排放管理提出建议。指出深圳电网可以通过自身碳减排在碳交易市场上获取更多经济效益，并能够在中长期电网规划中发挥起对电力系统碳减排的支撑作用，促进电力企业低碳发展。

碳交易；碳减排；深圳市碳交易市场；电网碳排放管理

0 引言

近些年，碳交易作为一种借助市场机制促进碳减排的新思路获得迅速发展，中国作为全球碳排放大户必须顺应经济发展潮流，积极发展碳减排事业。随着氧化亚氮（N2O）、二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）等温室气体给环境带来的负面影响日益加重，减少温室气体排放量的工作引起了社会各界广泛而高度的关注。除了研究新型的能源节约技术［1］，推广环境友好型材料［2］等途径之外，碳交易作为一种碳减排的新思路也迅速发展起来。中国政府在2010年2月哥本哈根气候变化峰会上宣布了温室气体减排清晰量化目标，即到2020年单位GDP排放比2005年下降40%～45%［3］。中国能源结构以煤炭为主，火电行业是国内碳排放的主体，使得电力行业成为碳减排的主力军［4］。为了顺应低碳经济的发展大潮，中国不仅要建立碳交易国际市场，更要注重国内市场的发展。深圳市作为中国经济发展的先驱，在碳交易市场的建设中也走在国内前列。而深圳电网作为深圳电力行业的关键一环，对发电企业和用户侧的节能减排起着重要的支撑作用，间接决定着整个电力行业的碳减排水平；而其企业内部碳减排也有利于深圳电网在碳交易市场中占据有利之位。

因此，本文基于大量的文献研究，对碳交易的内涵及类型进行概述，并总结了目前电力行业碳减排研究现状。以深圳市为例，对其碳交易市场现状进行深入剖析，针对其交易机制、交易制度对深圳电网的碳排放管理提出建议。认为深圳电网应从变电站、输电网、配电网三方面加强碳排放管理，既能够帮助其本身在低碳经济中获取更多经济效益，又能承担起电网的社会责任，充分挖掘出发电侧和用户侧的节能潜力，为电力行业碳减排贡献力量。

1 碳交易市场概述

碳交易是“碳排放权交易”的简称，即把CO2的排放权当作一种商品在市场上进行买卖［5］。在碳交易市场中，碳排放权是一种稀缺资源。排放量少的企业可以将自己的剩余排放权在市场上出售，相应地，排放量大的企业可以通过购买碳排放权以满足生产需求。1997年12月《京都议定书》中，全球大多数国家对自己未来的碳排放量做出了承诺和排放限制，并确定三大碳交易机制：排放贸易（Emission Trading，ET）、清洁发展机制（Clean Development Mechanism，CDM）和联合履约（Joint Implementation，JI）［6］。

根据各国的碳排放责任意愿，可将全球碳交易市场分为强制性交易市场和自愿交易市场；根据市场构成，又可将碳交易市场分为基于配额的碳交易市场和基于项目的碳交易市场［5，7］。基于配额的交易市场对每一个成员国制定碳排放上限，然后该国政府以某种可接受的方式对排放权进行初始分配并界定其产权，相关企业对其所分配得到的碳排放权在碳交易市场上进行自由贸易，由市场竞争确定碳排放权价格，进而实现环境资源的有效配置。这一市场主要包括三个体系：欧盟排放贸易体系（The EU Emissions Trading Scheme，EU ETS）、新南威尔士市场（New South Wales Green Gas Reduction Scheme，NSW GGAS）和芝加哥气候交易市场（Chicago Climate Exchange，CCX）。合理的碳排放权的初始配额要求在保证碳交易市场活力的基础上追求较高的减排量，其科学性直接影响到碳交易价格，如果初始分配额度过高，将会使得大多数企业的碳排放量都不超过其初始配额而无须在碳交易市场上进行买卖，导致市场失去活力。经济学者就此展开了大量研究，认为初始配额分配方式主要可以分为［8］：基于历史排放量的免费分配方式、基于产出的免费分配方式［9］、其他免费分配方式［10］及公开拍卖的分配方式［11］；基于项目的市场机制是将某一项目产生的碳排放量用于交易，即在市场上向可证实具有碳减排效益的项目购买减排额，CDM和JI就是属于这一机制。相比而言，基于项目的市场机制适用范围较小，而基于配额的市场交易机制比较活跃。

碳交易市场的核心是价格机制，碳排放权的价格变动直接影响着参与主体节能减排政策及生产成本。文献［12］、［13］指出，碳排放权价格受到温室气体排放配额、宏观经济环境、市场供需及市场规则限制等多种因素的影响。随着对碳排放权价格的研究逐渐深入，碳金融领域也应运而生，研究包括以限制CO2排放量为目的的融资、投资、银行贷款等金融活动。随着碳交易市场的逐渐发展和不断成熟，越来越多的能源企业参与到碳交易市场中来，考虑碳减排的经营规划有利于企业在碳交易市场中获得更多剩余配额，在低碳经济的浪潮中获取更多利益。

2 电力行业碳减排研究现状

中国的能源结构以煤炭为主，因此，煤炭消耗巨大的能源企业成为CO2的主要排放者，这其中就包括以燃煤火电为主的电力行业。据统计，我国电力碳排放系数为222.95g/kWh，远远高于发达国家的100～150 g/kWh［14］，因此电力企业CO2减排对于中国碳减排工作具有重要意义，能够大幅提升中国在碳交易市场上的竞争力，间接促进中国经济发展。作为国内碳交易市场中的重要一员，发电企业、电网企业乃至用户侧的利益都会受到碳交易市场的影响。发展低碳电力，既是电力行业作为中国主要能源企业的义务，更是其本身在低碳经济中谋发展的正确方向。目前，很多学者在电力行业碳减排方面展开深入研究，主要包括三个方面：发电厂碳捕捉与封存技术、电力系统碳排放流理论及电力系统最优碳-能复合流。

2.1 发电厂碳捕捉与封存技术

碳封存与碳捕捉 （Carbom Capture and Storage，CCS）是一种通过将大气中的CO2分离出来，输送到其他地方并长期储存而实现大气碳减排的技术。与其他减少碳排放的技术相比，CCS技术既不需要寻找替代能源，也不需要对现有的电力系统进行大规模改造，能够在维持现有能源消费现状的情况下减小CO2对环境的危害，地球上存在的巨大的CO2存储空间为CCS技术的大范围推广提供了可能，十分适用于中短期CO2节能减排［15］。CCS技术主要包括碳捕捉、碳运输和碳封存三个步骤。其中，碳捕捉又可以分为：燃烧前捕捉、燃烧后捕捉技术和富氧燃烧三种，文献［16］对这三种碳捕捉技术进行现状探讨及优缺点对比分析后认为：燃烧前捕捉技术由于其运行匹配要求高，更适合于新建电厂；而燃烧后捕捉技术和富氧燃烧捕捉在经济及技术允许的情况下更适合于建成电厂。但是，CCS技术的建设成本和运行能耗均过高，成为CCS技术至今没有大规模应用的重要障碍之一［17-19］。文献［19］采用等效焓降法对碳捕捉系统进行热经济分析，认为随着碳捕捉率的增大，发电机组的热效率将会逐渐降低。根据CCS系统在不同运行工况下具有不同运行成本的特点为降低技术成本指明方向；文献［20］提出了新型的集成CCS系统的设计方案，在传统的CCS系统上加装太阳能系统，使得机组的热效率大幅提高。

2.2 电力系统碳排放流理论

为了从电力系统内部特征出发，对碳排放进行产权界定，文献［21］提出了碳排放流理论，通过构建碳排放流这一依附于潮流而存在的虚拟网络流，刻画碳排放从发电厂经电网转移至用户侧的过程。这一概念的建立使得电力生产过程中的碳排放不再仅与发电厂有关，而是由发电侧、电网侧以及用户侧三者共同决定。文献［22］以潮流追踪法为基础，对各区域的碳排放责任值的核算方法进行了研究，认为碳源与碳荷之间满足如下关系：

式中，F为碳源对碳荷的贡献矩阵；Ps表示碳源节点有功输出，Pd表示碳荷节点有功输入，其元素取值为：

式中：Ss表示碳源节点集合；Sd表示碳荷节点集合；Pai和Pli分别表示节点i处的机组总出力和负荷总功率。

各碳源产生的碳排放量为［23］：

式中，Cs为碳源节点输入矩阵，δs=diag｛δs1，δs2……δsK｝，表征各碳源的碳排放强度，K表示碳荷个数。碳源产生的总碳排放量为：

对于已知潮流分布的无损网络，有［24］：

式中：Pn表示节点有功输出量，其各元素满足Pnj≥0；Pji支路表示ji在节点j侧的功率输出，若为输入支路，则数值为负；i-表示节点i全部进线的送端节点集合。

同理，节点有功输出Pn与碳荷用电量Pd之间存在如下关系：

由式（6）、（8）可得：

对于有损网络，存在线路损耗ΔPij＞0，支路首末端电量不再相等，|Pij|≠|Pij|，根据比例共享原则对支路损耗进行处理，可将有损网络转化成等效的无损网络，处理方式如下式所示［20］：

式中：ΔPd表示碳荷所对应的输电损耗；ΔPn表示节点损耗总输入；△Pns表示节点损耗，与支路损耗之间存在下述关系：

相应地，等效无损网络中A矩阵也应做相应修正：

式中，将式（12）、（14）转化成矩阵形式，有：

由式（7）、（14）、（15）可得：由输电损耗引起的碳源有功输出增量为：

由输电损耗引起的碳排放增量为：

式中，δ为碳源碳排放强度矩阵，为一对角矩阵。由输电损耗引起的碳排放总量为：

式中，S表示所有节点的集合。

依据总量匹配原则，有损网络中因碳荷有功而产生的碳排放量为：

2.3 电力系统最优碳-能复合流

为了在电网的优化调度和控制中将碳排放因素考虑在内，文献［25］将碳排放流和电网潮流相结合，构建了最优碳-能复合流（optimal carbon-energy combined-flow，OCECF）模型，在满足电网各约束条件并充分考虑电网电压稳定的基础上，尽可能降低电网的网损和碳排放流损耗。能流即为潮流，从发电侧经电网向用户侧传输，在传输过程中存在着功率损耗，即网损，计算如下：

碳排放流为一依附于潮流而存在的虚拟网络流，由非清洁能源机组产生，经电网传输至用户侧。在传输过程中因网络损耗而产生的碳排放量如式（19）所示。

所构建的OCECF模型如图1所示，其数学形式可表示如下：

图1 电力系统碳-能复合流示意图Fig.1 The CECF structure in power systems

式中：f1（x）为非线性函数描述的碳排放流损耗分量ΔCd∑；f2（x）为非线性函数描述的有功网损分量Ploss；Vd为电压稳定分量；μ1、μ2为权重系数，μ1∈［0，1］，μ2∈［0，1］，μ1+μ2≤1；x=［V，θ，kt，QC］T分别对应电网各节点电压值V、各节点相角θ、有载调压变压器变比kt、无功补偿容量QC；PGi、QGi分别代表节点i的发电有功功率和无功功率；PDi、QDi分别代表节点i的有功功率和无功功率需求；bij为线路i-j的电纳；Si为第i条线路的复功率；Ni为节点集合；NG为机组集合；NB为PQ节点集合；NC为无功补偿装置集合；Nk为有载调压变压器集合。其中，电压稳定分量［26］为：

式中：n是负荷节点个数；Vj是负荷节点j的节点电压；Vjmax、Vjmin分别是负荷节点j的最大、最小电压限制。

由式（22）可知，OCECF模型为一非线性多约束规划问题。可以采用非线性规划、牛顿法［27］、内点法［28］等经典优化方法进行求解。然而，由于系统较强的非线性、目标函数以及约束条件的不连续性、以及存在多个局部最优解等问题，经典优化方法求解此类问题时往往效果不太理想。遗传算法（genetic algorithm，GA）［29］、粒子群（particle swarm optimization，PSO）［30］、量子遗传（quantum genetic algorithm，QGA）［31］等人工智能（artificial intelligent，AI）算法在求解此类问题时能获得较为满意的结果。为了进一步提高算法的收敛性能，文献［32］又提出近似理想多目标Q（λ）学习算法（Approximate ideal multi-objective solution Q（λ），AIMS- Q（λ）），能够快速搜索到全局最优解，在收敛速度和稳定性方面都优于上述AI算法。此外，随着大规模风、光以及电动汽车不断接入电网，越来越多的大规模、超高压电力设备通过电网连接在一起，集中式OCECF模型开始遇到信息处理瓶颈，以“分散自制，集中控制”为目标的分散式OCECF模型将成为未来研究的重点。

3 深圳市碳交易市场现状

2011年10月29日，国家发展改革委印发了《关于开展碳交易试点工作的通知》，深圳成为全国首批七个碳交易试点省市之一。2013年6月18日，深圳碳排放交易体系在上述7个试点中率先启动交易，成为我国运用市场手段控制温室气体排放的首次实践。

在交易体系方面，深圳市形成了“四种类型、三个板块”碳排放交易体系［33］，即对工业直接碳排放、工业间接碳排放、建筑碳排放和交通碳排放四种温室气体排放类型进行管控和交易，并形成工业、建筑和交通三个独立的交易板块。基于此，深圳市在国际主流的总量控制与配额交易体系的基础上形成了一个可调控总量和结构性减排的碳交易市场，即依据国内外先进水平对碳强度下降目标进行法定约束，依据此在交易开始前对碳排放权进行初始分配，市场中的各个企业根据自己的碳排放权配额进行交易，即买入碳排放权或出售多余的配额。初始配额是一个碳交易市场活力的关键，深圳市采取基于碳强度指标的博弈分配方法进行电子化初始配额分配［34］，即企业根据自身以往的碳排放数据和未来三年的经营计划在初始配额分配系统上进行配额申报，系统会根据此企业的申报值，并比较其同行企业的申报值自动生成其初始配额。在此过程中，企业申报过高的未来排放值的动机将会在与同行业申报值进行比较时暴露，反而会获得较小的初始配额。在这样的博弈机制下，企业最终会获得接近其真实需求的碳排放权初始配额。

目前，深圳市碳交易机制、交易制度和相关法律法规已经初步形成，并成为我国最活跃的碳交易市场。在未来20年，深圳市碳交易市场将不断完善，其交易品种和范围也将不断扩大，随着交易地域向珠三角地区不断发展，而有望形成区域性碳交易市场［35］。在未来更长的一段时间内，深圳市连同珠三角地区的碳交易市场，可以逐步以沿海城市为重点，最终形成以深圳为中心的全国乃至国际性碳交易市场。

4 深圳电网碳排放管理策略

电网侧的温室气体排放包括直接排放和间接排放两个部分［36］。其中，直接排放来自于使用SF6的设备在投入或修理时产生的碳排放。而在输电和配电过程中，由于网损而导致发电量增加进而引发的碳排放为间接排放。深圳试点区域将直接碳排放和间接碳排放都纳入交易范围，使得电网企业必将参与到碳交易市场之中。虽然电网企业的间接碳排放受到很多外部因素的影响，但是科学合理的变电站、输电线路以及配网碳排放管理策略有利于实现电网企业内部减排，以在碳交易市场获得主动权，实现利益最大化。此外，变电、输电和配电环节是发电侧和用户侧之间联系的枢纽，做好电网侧碳排放管理在低碳电力发展中起着极为重要的支撑作用，间接决定着电力系统整体的碳排放水平。

因此，本文以深圳电网为例，从变电站、输电网、配网三方面分析其在深圳市碳交易市场中的碳排放管理策略，以实现电网企业在低碳经济中的利益最大化，并发挥出其在电力行业的支撑作用，挖掘出发电侧和用户侧的节能潜力。

4.1 变电站碳排放管理策略

变电站碳减排是电网企业实现自身碳减排的重要组成部分。全生命周期内性价比高、维护量小、占地少、环境友好的电气设备将会在很大程度上减少变电站自身碳排放。此外，应根据现有规范并结合低碳目标制定变电站主变压器、站用变压器以及并联电抗器的损耗限值；在不受运输条件限制的情况下，220kV以下的变电站应尽量选用三相变压器作为主变压器。为进一步减少变电站内部用电带来的碳排放量，500kV开关站宜选用带抽能线圈的并联铁芯电抗器，在补偿线路的容性无功外作为站用电源使用。采用“可编程控制器”智能控制方式对电力变压器、并联电抗器的实施冷却，即根据负荷大小、油温高低进行最优化判断，自动投入或退出冷却器运行，实现冷却环节的节能降耗，并提高电力设备寿命。

此外，直接碳排放方面，应对变电站SF6气体的采购、使用、回收进行全过程监控，提高SF6气体的回收处理和再利用水平。

4.2 输电网碳排放管理策略

清洁能源对低碳电力的贡献程度受到输电网对其接纳和传输能力的限制，电网投资周期长，投资量巨大，在大规模新能源迅猛发展之时，面向低碳的输电规划显得十分重要［37］。合理的输电容量和网架结构有利于提高电力系统对新能源的利用效率，因此，输电低碳化应以电源结构优化为起点，构建考虑清洁能源接入的发电容量投资组合优化模型，考虑经济负荷分配，全面统筹协调电网和清洁能源的发展规模。除纳入清洁能源之外，输电规划的低碳化还应考虑在碳交易市场下的投资成本最小化。因此，应在上述模型的基础上构建以输电线路建设成本、输电网损成本、发电成本以及碳交易成本总和最小的输电投资决策模型。结合两个模型，制定出输电网中长期碳排放管理策略。

与上述低碳化硬件更新相比，输电网短期碳排放管理策略应着重于电网的低碳调度和降损运行两方面［38］。电网的低碳调度模型如以输电网损、输电碳排放量和电压稳定为目标函数，通过调控发电机端电压、有载调压变比或线路补偿容量实现目标最小化的最优碳-能复合流模型；以总燃料成本、污染物排放成本为目标函数，以输电线损实际功率平衡和运行限制为约束条件的环境经济调度模型等。电网的降损运行包括合理调整运行电压、调整负荷曲线以平衡三相负荷、确定经济合理的环网运行及变压器方式等。

4.3 配网碳排放管理策略

通过在配网中包括电缆线路、架空线路、户外箱式设备以及室内配电站的设计和施工环节采取各种节能降耗措施，可以有效实现电网自身碳减排。

在硬件建设方面，应根据经济电流密度合理选择电缆截面，并按照南方电网公司供电区域划分标准选择合理的布点及供电半径；箱式变压器低压端设置无功补偿装置以降低无功损耗；优先采用国家、行业推荐的节能、低损变压器及用电设备，如高效节能立体三角形卷铁芯变压器。在运行控制方面，可以考虑采用智能低碳自动控制装置。如在多台变压器之间设置联络接线，并设置能根据负载情况控制多台配电变压器投入或退出运行的自动控制装置，以实现变压器的经济运行［39-41］；在配电装置室设置温度自动控制装置，根据室内温度自动启停风机。此外，在保证公用电网运行安全的前提下，将光伏发电、风能等分布式电源接入系统并网运行，提高清洁能源的利用效率。建设坚强的配电主网架，提高地方电网对新能源的接纳能力是配电网碳排放管理中长期策略的重点工作。

5 结论

本文从碳交易市场的内涵和类型对碳交易市场进行介绍，并从发电厂的碳捕捉与封存技术、电力系统碳排放流理论及电力系统最优碳能复合流三方面对目前电力行业碳减排研究进行概括，证明了电力企业的碳减排潜力以及在中国碳减排事业中的重要作用。通过对深圳市碳排放交易机制及制度的研究，制定出深圳电网在此低碳经济环境下的碳排放管理策略：首先，深圳电网应从变电、输电、配电三方面进行自身碳核查以在碳交易市场中获取更多的剩余配额；其次，作为电力行业的支撑环节，深圳电网应做好变电、输电、配电的中长期规划，辅助发电侧和用户侧发挥其节能潜力。

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Situation and Prospect of Carbon Emissions Research in Electric Power Enterprise

MAO Sen-mao1， CHEN Yi-xuan2， QU Kai-ping2， CHENG Le-feng2， YU Tao2
（1. Shenzhen Power Supply Bureau， Shenzhen， Guangdong， 518010； 2. Electric Power College， South China University of Technology，Guangzhou， Guangdong 510640）

As the world's carbon major emitter， China must adapt to the trend of economic development， and actively develop carbon reduction business. As the main force of China's carbon emissions， power companies must pursue low-carbon development. This paper describes the connotation and types of carbon markets and sum up the current carbon reduction technologies in power sector. Moreover， Taking Shenzhen as an example， this paper analyses the development situation and trend of carbon trading market， and make proposals for carbon management in Shenzhen power grid. Shenzhen power grid can get more economic benefits through its own carbon reduction in the carbon trading market， and be able to play a supportive role in the power system to reduce carbon emissions in the long-term network planning， thus promoting the development of low-carbon power business.

Carbon trading； Carbon reduction； Carbon trading market in Shenzhen； Carbon management in power grid

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.09.001

MAO Sen-mao， CHEN Yi-xuan， QU Kai-ping， et al. Situation and Prospect of Carbon Emissions Research in Electric Power Enterprise［J］. The Journal of New Industrialization， 2016， 6（9）： 1-10.

毛森茂，陈艺璇，瞿凯平，等.电力企业碳排放研究现状及展望［J］. 新型工业化，2016，6（9）：1-10.

中国南方电网科技项目资助（2016规专0009）；国家自然科学基金项目（51177051， 51477055）.

毛森茂（1987-），男，本科，深圳供电局工程师，主要研究方向：电网规划，电网节能等；陈艺璇（1994-），女，汉族，硕士生，主要研究方向为电力系统运行与分析等；瞿凯平（1992-），男，汉族，江苏泰州人，硕士生，主要方向为电力系统智能算法等；程乐峰（1990-），男，汉族，通信作者，博士研究生，主要研究方向为配网自动化、电力系统智能优化及控制等方面；余涛（1974-），男，汉族，教授，主要研究领域为复杂电力系统的非线性控制理论和仿真、智能控制算法等