基于碳排放流的电力系统低碳规划研究

叶文枫

（南方电网大数据服务有限公司，广东广州 510000）

0 引言

电力系统对于传统资源的消耗较大，以致环境恶化速度加剧，为了应对环境危机，我国首先对以能源消耗为动力的电力行业提出改革要求，以便实现电力系统的低碳化改革。尤其随着碳达峰、碳中和要求的提出，在规划电力系统过程中，电力企业要逐渐将电力系统转型为清洁能源消耗类型的企业，以便降低碳排放量，实现双碳”目标。就目前电力系统的发展来看，电力企业在对电力系统进行规划时，应当充分考虑碳排放约束要求，提升清洁能源的使用比重，以达到减少碳排放的目的，优化电力行业建设和电力行业发展成本。

1 基于碳排放流的电力系统低碳需求

以往对电力系统碳排放需求的分析是基于电价信号，通过调整电力价格，引导用户转变自身用电行为，以起到节约用电的效果。但是现今对于电力系统分析，立足于碳排放视角，根据用户的用电需求，向用户释放用电碳排放信息，予以用户警示，约束和规范用户的用电行为，降低电能的消耗，促进可再生资源的消纳。

1.1 用电行为

在需求机制下，规划用户用电行为需要基于用电碳排放信息的差异性，展现碳排放信息表征。不同用电行为将产生不同的用电表征，其碳排放因子也存在差异，因此在研究低碳规划需求的过程中，通过探究用户的用电行为反映用户在日常生活中的用电量，以此源测用电的碳排放量[1]。用电行为作为需求分析的重要指标，在研究过程中，能够基于用电行为的差异性，构建源测燃料消耗与直接碳排放的关系，搭建计算用电负荷的桥梁。

1.2 碳排放因子

在计算用户用电产生的碳排放因子中可明显看出以下特点，基于低碳排放分析，碳排放因子具有时变性特点，通过对用户不同时段用电行为的观察，发现用户在应用电能过程中时效性强，如在下班点是使用电能的高峰期，碳排放因子数量较多。根据用户用电行为碳排放因子排序来看，用户用电高峰集中在上下班前后。另外，根据对用电行为碳排放因子的观察发现，碳排放因子排序还具有无偏性，在不同时间段内，给定区域内用户用电呈现出集中特点[2]。如在计算碳排放因子时，按照用户的间接碳排放量与网损之间的比值计算，用户的碳排放之和约为对应空间尺度下的直接碳排放量，与区域内无送入用电量相等。由此可知，用户用电产生的碳排放因子不会出现突然变化，具有平稳性特点。

1.3 碳排放量

基于用户用电行为特点，计算用户用电碳排放量数值。图1 为碳排放量统计和计算流程。首先，获取用户用电产生的动态碳排放因子，并按照用户用电时间段的不同，分析碳排放因子的组成情况，以追踪用电碳排放因子源头。其次，在计算过程中，根据用户用电的实际情况绘制碳排放因子的负荷曲线，分析用户用电的原始数值变化和碳排放因子排放规律。以便测试当日用户用电所产生的碳排放因子数量，进而计算用户原始用电总量所从产生的间接碳排放量。最后，按照用电行为特点，优化用户用电行为和方式，按照不同时间段，碳排放因子的排列差异性，总结过去碳排放总量，重新规划未来用电计划，以便大幅减低电能的消耗，在保证基本用电需求的前提下，降低碳排放。

图1 碳排放量统计和计算流程

2 基于碳排放流的电力系统低碳分析

基于上述用户用电行为的特性，现对电力系统的低碳规划进行前期分析，以便掌握电力系统碳排放流的分布特点，排放模型，建设相应的目标函数，确定约束条件为后续电力系统的规划和研究提供数据参考。

2.1 分布特点

基于目前现有的理论，对电力系统碳排放流进行分析可知，用户在用电过程中，其产生的碳排放流具有密度特点，在对应节点上碳排放流的碳势相同，为此在分析电力系统碳排放流时，以节点为指标，推导电力系统在不同时间段的碳排放流的任意潮流分布。根据调查显示，相较于传统的输电网，在碳排放流视角下电力系统的碳排放情况具有辐射伏特征[3]。为此，在计算过程中，基于电力系统的电阻特征以及电路抗远特征，计算电力系统的潮流。图2 为电力系统碳排放流相关指标关系，根据该指标关系明确各项指标之间的关系。

图2 电力系统碳排放流相关指标关系

就电力系统的潮流特点来看，电力系统在运行过程中，未发现明显的环流，整体网络架构不存在分布式电源，即便在任意节点上，存在潮流流经，也不会引起电力系统碳势的变化。而且当电力系统处于放电状态时，对应组件和元件的碳势会受到下游碳势节点的影响，因此在计算时需要按照碳排放流的顺序计算。图3为碳势变化曲线。

图3 碳势变化曲线

2.2 排放模型

根据上述电力系统的碳排放流的分布特点，现在分布式能源的条件下，以削峰、荷载率为指标，建立电力系统中储能元件的碳排放流分布模型。假设电力系统储能元件处于放电状态，则在进行排放过程中所能产生的碳排放累积，将会随着配电系统的运行注回到储能元件中，为此在建立模型时，根据电力系统的配电目标和碳排放特点，确定碳排放分析指标[4]。当电力系统处于放电状态时，其在运行过程中，储能元件将会展现以下特性，最大充电率达到最大值，放电率同样达到峰值。综合电力系统的运行效率可知，储能元件将在储能设备的供应下持续处于荷电状态。简而言之，储能元件在电力系统运行过程中，将会在放电（P）、充电（T）以及离网状态（SOC）下来回切换，且能够在单个时段内达到峰值。在电力系统碳排放模型构建中，还要考虑网损问题，图4 为基于网损的电力系统节点边际碳势计算流程，根据流程，将节点边际碳势纳入考量范围。

图4 基于网损的电力系统节点边际碳势计算流程

2.3 目标函数

假设电力系统运行时，总共配备了n 台分布式发电机，其中含有m 个储能元件，基于上述电力系统储能元件形态可知，当电力系统运行达到A 时段时，总碳排放量将会达到最大，根据式（1）计算：

式中：A——电力系统峰值时段；P——放电状态；bn——n 台分布式电源机造成的碳势，以及电力系统在平稳运行条件下做的有功功率和主网碳势。

根据上述可知，电力系统在运行过程中，碳势的集合为潮流的表征，在节点碳势未发生变化时，按照目标函数计算，其在A 时段下所产生的碳势将由配电系统中的机组参数和储能元件运行所决定。

2.4 约束条件

在计算电力系统碳势函数时，还需要明确模型中的约束条件，基于电力系统中的节点碳势可知，在A 时段下电力系统产生的有功功率与无功功率与对应节点的电流值和电压值对应，且该时段的电导与电纳将会出现角差。按照线路约束潮流条件，电力系统在运行过程中，在l 时段将会出现最大复功率，且其所对应支路也将传输最大功率，达到电压上下限。当第m 个元件受到充电功率限制时，储能元件在该时间段放电状态将会达到最大时长，且受到最大充电电量的限制，使电力系统中每个时段内的机组进行向下和向上调节的最大出力[5]。

3 基于碳排放流的电力系统低碳规划

基于上述对电力系统碳排放量分布特点、低碳需求的分析，现为电力系统的建设和规划提出相应意见，以便能够实现电力系统低碳建设目标，减少电力系统建设对资源消耗，响应国家对电力行业改革的号召，在满足供电需求的同时，完成电力系统规划建设转型。

3.1 整体逻辑

基于上述电力系统的规划要求，制定电力系统规划整体逻辑，其是一种双层规划模型，图5 为电力系统低碳框架模型，其中碳排放流与碳排放需求是其中的重要指标，按照电力系统的储能要求以及储能需求，对用户用电行为进行优化。首先，明确电力系统低碳建设的上层规划，根据电力系统模型求解，上层结构规划中得出了电力系统中传统机组、风电场以及装机设备对于电能的消耗情况，且在一定的装机容量下，电力系统中的储能设备将会持续放电，适应电力系统的线路电流传输潮流。基于上层架构，构建下层架构，根据碳流的计算结果，每个电力系统的碳势节点与支路密度相对应，其形成的负荷曲线也将实时更新，然后经由负荷功率的调整，优化电力系统负荷曲线[6]。

图5 电力系统低碳框架模型

3.2 投资模型

投资目的是以最低的运行成本构建电力系统低碳建设。因此，在对电力系统进行规划过程中，将投资成本划分为系统成本、运行成本两项内容。按照电力系统的建设要求，在对其进行规划过程中，按照电力系统的启动成本计算，其风电场、储能设备成本占据较大比重。而且在电力系统单位机组运行过程中，储能设备所消耗的成本能够达到a，光伏电站成本为b，时刻机组群成本为z。储能发电成本为e，按照电力系统8760h 运行时序计算，电力系统的总运行成本将会突破最大值，整体在总成本占比不小于1/3。表1 为成本分成。

表1 成本分成

3.3 规划结果

根据上述双层结构规划方法，分析电力系统低碳条件下的需求，按照电力系统的装机量和的新能源使用情况对比可知，在双层结构模型下，电力系统的建设不仅能够满足用户用电需求，还能够有效降低用电比例，其整体数值下降至75%，碳排放强度也得到大幅改善，尤其在碳势节点上存在较多的新能源应用，促进了新能源消纳，减少了传统机组、新能源及储能的建设浪费。图6 为能源消耗对比。

图6 能源消耗对比

4 结语

总而言之，电力系统低碳建设和规划，应当在前期根据电力系统的运行实际情况，研究分析低碳需求以及分布特点，再通过构建低碳电力系统规划模型，制定电力系统的建设方案，进一步计算电力系统的碳排放量，优化电力系统碳排放模型，以便在低碳目标下，完成对电力系统的规划，推动围绕配电网与用户侧面向低碳相关研究的进步，在满足用户用电需求的同时，实现电力系统建设转型。