電力系統碳排放水平綜合評價方法★

顧 靜

（華北電力大學 環境科學與工程學院， 北京 102206）

0 引言

化石能源的使用導致二氧化碳的大量排放，已經成為21 世紀人類面臨的最大挑戰。中國是目前全球年碳排放量第一大國，其歷史上碳排放總量僅次于美國[1]。目前日益增長的能源需求與降低碳排放要求二者之間矛盾日益突出[2]。統計資料顯示，在我國，電力系統是碳排放的最大來源，其CO2排放量在整個社會中大約占比50%[3-4]。與此同時，以2005 年的CO2排放量為基準，爭取到2030 年GDP 中的CO2排放量降低60%～65%。為此，中國政府做出了巨大的努力來實現深度減碳，早日達到碳排放峰值[5-6]。因此，積極推動節能減排和低碳經濟的發展，各省市應根據自身情況制定碳減排任務[7]。

為了量化碳排放任務的完成程度，如何對碳排放進行綜合評估并構建碳排放評估方案成為研究的重點。在碳排放評估模式的現有研究中，孫彥龍等人[8]基于“全生命周期”的思路，從多個角度出發，構建了一個低碳電力系統的全面評估指數體系，對低碳電網評價方法進行綜合量化。韓肖清等人[9]分析了我國新能源電力系統的技術特點，針對其發展過程中存在的“源荷耦合不確定性”“碳排放等級”“多主體協同”等新問題，構建基于“碳排放”的新能源電力系統的基礎模型和技術體系，為我國低碳發展背景下的新能源電力系統的建設和發展奠定堅實的理論和實踐基礎賈文昭等人[10]在深入探討電網低碳能力的基礎上，從電網低碳效益的角度，提出了從低碳能力到低碳效益的評價技術路線，建立了一套智能電網低碳經濟評價體系，通過在發電側、電網側、用戶側采用各種新技術，使各種技術相互配合，達到降低電網碳排放的目的。陳柔伊等人[11]以低碳經濟為基礎，從全新視角剖析了電力系統技術開發所帶來的低碳收益，并在此基礎上構建了電力系統技術開發所帶來的低碳收益的評價體系和模式，從根本上闡明了電力系統的低碳收益的含義和實質。

同樣，電力系統碳排放指標的確定方法也尤為重要。陳勇等人[12]基于現有文獻對影響電力系統碳排放權初始分配的因素進行梳理，基于此，建立了與之對應的電力碳排放權分配指標體系，并結合了電力工業和我國行政區域的特征，為電力工業碳排放權的區域分配奠定了理論依據。

整體而言，雖然我國對于碳評估和碳減排技術研究起步較晚，但發展迅速，目前研究主要集中在發電側和輸電網層面。因此，本文將在發電側和輸電網層面的基礎上分析構建電力系統發電、輸配電、負荷三維的碳排放水平評估指標體系，并結合專家經驗構建基于灰色系統理論的直覺模糊綜合評估模型，此模型可在信息缺乏的情況下對電力系統碳排放程度進行評估，最后選取安徽省淮北市為案例，驗證了所提模型的適用性和有效性。

1 評價模型的建立

1.1 評價指標的確立

電力系統可以從不同角度以不同方式共同作用，影響發電側、輸配側及其負荷側碳排放效果，因此可將電力系統碳排放評估總目標分解為三個子目標：發電側的碳排放因素指標、輸配電側的碳排放因素指標以及負荷側碳排放因素指標。再將各子目標按照自上而下分解成若干影響因素。

1）發電側。發電燃料是否屬于可再生能源是評估電力系統碳排放運行的一個重要標準，所以二級指標選取以燃煤比重、清潔能源設備的裝機量占比、清潔能源設備的發電量占比、關停耗能電廠占比指標為標準。

2）輸配側。是否能夠將輸電損失有效地減少，并提升電力輸送能力，是評估電網碳排放的一個重要方面。所以二級指標以綜合網損率、電網配置容載比、綜合電壓合格率、設備利用率、線路重載率為標準。

3）負荷側。用戶需求是評估碳排放的重要體現，因此該方向選取分布式電源消納率、電動汽車充電樁用電量占比、年負荷峰谷差作為判斷負荷側終端碳排放能力的二級指標。

電力系統碳排放的評價指標體系如表1 所示。

表1 電力系統碳排放的評價指標體系

1.2 評價指標的權重計算

1.2.1 構造直覺模糊判斷矩陣

根據評價標度對一級指標及隸屬于上一層級范疇的二級指標在各個等級下進行比較，構建直覺模糊判斷矩陣A=（aij）m×n，式中aij=（cij，uij），i，j=1，2…，n，cij和uij表示專家對于指標j，指標i的相對重要程度和不重要程度的屬性判斷。其中i與j分別代表矩陣中的行與列。評價標度如表2 所示：

表2 指標評價標度表

1.2.2 權重的確定

1.2.2.1 確定一級指標權重

設aij=（cij，uij）為直覺模糊數，其中，cij∈［0，1］，uij∈［0，1］，cij+uij≤1，首先，簡化直覺模糊矩陣，轉換公式如下所示：

據此可計算碳排放一級指標的權重值，具體的計算公式為：

對上述的計算結果進行歸一化處理，具體的計算公式為：

1.2.2.2 確定二級指標權重

專家通過比對兩級評價指數i和j的重要性，建立了二級評價的直覺模糊判斷矩陣：Ar=（arij）m×m，式中，arij=（crij，urij），i，j=1，2，…，n，crij表示與指標j相比，指標i的相對重要程度，urij表示與指標j相比，指標i的相對不重要程度，r代表一級指標。通過公式（1）（2）可以得出二級指標的打分權重，經過公式（3）歸一化處理后，可以得出二級指標相較一級指標的綜合權重σri。

1.2.2.3 一致性檢驗

根據有關的文獻，直覺模糊矩陣的一致性是用兼容性指數來計算的，假定A和B是兩個模糊判斷矩陣。

式中A=（aij）m×n，B=（bij）m×n，則A和B的兼容性指標為計算公式如下：

公式（3）計算得出模糊判斷矩陣的權向量σ=（σ1，為判斷矩陣A的特征矩陣，令根據公式（4）計算得出，當I（A，A*）≤1 時，隸屬度判斷矩陣A滿足一致性檢驗，則認為相應的直覺模糊判斷矩陣同樣符合一致性檢驗。

1.3 灰色評價權矩陣的計算

對電力系統的碳排放進行量化，并將其指標分為高排放、較高排放、中等排放、較低排放和低排放五個級別，相應的數值對應9、7、5、3、1。由x位專家依據經驗對碳排放評價指標Aij進行評分，得出了關于碳排放指標的評估樣本矩陣Qijx，其中，元素qijx代表了第x名專家得分評價。

1.3.1 確定評估灰類

用e來代表被評定的灰類序列，那么e=1、2、3、4、5，換句話說，共有5 種被評定的灰類別，這5 種被評定為“高、較高、中等、較低、低”，其相應的灰類別與白化權函數如下所示：

1）第一灰色等級“很高”（e=1），灰數?1∈［0，9，+∞］，白化權函數：

2）第二灰色等級“較高”（e=2），灰數?2∈［0，7，14］，白化權函數：

3）第三灰色等級“中等”（e=3），灰數?3∈［0，5，10］，白化權函數：

4）第四灰色等級“較低”（e=4），灰數?4∈［0，3，6］，白化權函數：

5）第五灰色等級“低”（e=5），灰數?5∈［0，1，2］，白化權函數：

1.3.2 確定灰色評價權矩陣

1）各灰類評價系數值為：

2）灰類總評價系數值為：

3）灰色模糊權向量為：

4）構建灰色模糊權矩陣為：

1.4 綜合評價計算

第一步，二級指標權重Wi和權矩陣Gi之積，計算二級指標的灰色系統模糊評價向量Di，計算公式如下：

第二步，基于二級指標的灰色直覺模糊評估矢量Di，建立二級指標的綜合評價向量矩陣Dk：

第三步，一級指標權重向量w和二級指標的綜合評價向量矩陣Dk之積，可以得到一級指標的灰色直覺模糊評價向量D。

第四步，結合一級指標灰色直覺模糊評價向量D與評語集V，得出評價值E，計算公式如下：

2 案例分析

在全球氣候變化和溫室氣體排放的大背景下，燃煤仍然是最主要的電力來源。安徽省淮北市煤電行業在經濟發展中具有重要地位，淮北市發電行業重點排放單位共8 家，均為綜合能耗達到10 000 t 標煤/年的省級企業，其中包括大唐淮北發電廠、淮北信義新能源有限公司、淮北國安電力有限公司等。近年來，淮北市電力企業積極響應綠色發展、循環經濟、清潔生產及環境保護相關要求，結合自身實際，推進綠色轉型升級，努力打造資源節約型、環境友好型發電企業。但受時間和地點制約，燃煤與新能源并存的情況將持續很長時間。因此，本文以安徽省淮北市為例，運用建立的灰色直覺模糊層次分析法模型對淮北市電力系統碳排放效果進行評價，為政府碳責任地制定劃分提供科學依據，以期推進電力行業碳排放轉型工作。

2.1 計算風險評價指標權重

請電力企業相關領域專家，將3 個一級指標進行兩兩對比，從而建立一級指標的直覺模糊判斷矩陣，具體矩陣如下：

由公式（1），專家打分得出的結果可轉化為一級電力系統碳排放指標的直覺模糊數：（w1，w2，w3）=

由公式（2）得出一級評價指標的權重分數為：

由公式（3）計算一級評價指標的指標權重為：

由公式（4），計算特征矩陣為：

由公式（5）進行一致性檢驗，確定該權重可取。同理，二級指標各為：

2.2 評價指標的權重計算

邀請電力企業相關領域專家對電力系統發電側的二級指標進行打分，得到分數矩陣為：

根據公式（6）—公式（13）計算電力系統碳排放二級指標評價指標權重矩陣為：

以此類推，可以計算獲得所有二級指標評價指標權重矩陣。

2.3 綜合評價

根據公式（14），對發電側二級評價指標的權向量和權矩陣進行乘積，得出發電側二級評價指標的綜合評價向量如下：

同理，可以計算出二級指標的評價向量，進而得到一級指標的評價矩陣：

公式（15），將一級碳排放指標的權重向量和綜合評價矩陣的二級指標進行乘積，得到綜合評價向量的一級指標如下：M=（0.276，0.325，0.389，0.348，0.019）；公式（16），得到E=D×V=（0.276，0.325，0.389，0.348，0.019）×（9，7，5，3，1）T=7.767，處于［6，8］之間。按照此方法，計算了2020—2022 年綜合評價值，分別為7.946、7.845、7.793。表明隨著雙碳政策的實施推進、光伏等清潔能源的接入，淮北地區的電力系統碳排放水平呈現逐年走低趨勢，但仍處于較高水平，需進一步推進煤炭產業的轉型升級。相關電力部門可根據該模型合理化評估電力系統碳排放，對已有電力系統的低碳運行狀況進行控制，以期能夠對我國的電力系統低碳化運行設計及評估體系的建設起到一定的作用。

3 結語

電力系統是我國重要的能源消費主體，也是高碳產業之一，在我國的低碳經濟背景下，電力系統既具有較強的節能降耗能力。本文緊密圍繞我國電網低碳發展戰略需求，以電力系統為例，對發電、輸配電、負荷側進行其碳排放三維評估，通過引入具有“隸屬度”“非隸屬度”和“猶豫度”三種不同的直觀模糊量，建立一套能夠反映專家在評價過程中支持性、反對性和中立性的直覺模糊量化估算方法，并選取淮北市作為典型區域，對本文所提方法進行驗證，分析結果顯示光伏等清潔能源的接入能夠降低淮北地區電力系統中碳排放量，但以煤為主的工業模式仍然會對電力系統的碳排放量造成較大影響。結果表明，本文所提模型對我國電力系統的碳排放估算有較好的適用性和有效性，同時可使用本方法對其他地區電網的碳排放量進行估算。