考慮負荷側電能替代的區域配電網碳溯源方法

岳付昌，劉晗，蘇曉東，陳曙光

(1. 國網江蘇省電力有限公司連云港供電分公司，江蘇 連云港 222000；2. 江蘇欣礦能源科技有限公司，江蘇 徐州 221000)

低碳發展是我國在面對巨大的碳排放壓力時做出的必然選擇[1-2]，在“雙碳”目標驅動下，能源轉型在今后相當長一段時間內會受到高度重視[3-4]。

電能替代是能源轉型的重要方式之一，各種用能環節通過電能替代的方式取代了傳統石油、天然氣等化石能源的使用[5]，達到降低碳排放的目的。為了引導更多的用戶側負荷參與電能替代，文獻[6]分析了電能替代的前景以及參與電能替代激勵方法，文獻[7-8]指出了電能替代出行方式對于碳減排的意義。上述文獻認為參與電能替代的負荷不再產生碳排放，然而實際上電能替代后負荷所需的電力來自發電側化石燃料的燃燒，這一過程仍會產生碳排放。根據電力系統碳計量的“全面性原則”[9]，參與電能替代的負荷需要承擔碳排放的間接責任。

隨著越來越多的用能端響應能源轉型，亟需對電力系統電能替代環節的碳計量理論進行完善。為解決電能替代負荷的碳排放量計量問題，首先要分析電能替代前后負荷的能量轉換機理。文獻[10]研究電供暖替代燃煤供暖的相關技術，建立了電能替代前后的供暖模型。文獻[11]研究了電動汽車替代燃油汽車前后的電能和化石燃料的能量轉換關系，提出“碳熵”理論，建立熱力系統中熱力負荷的碳排放模型，結合電能替代負荷的碳排放轉換機理，以碳排放流法展開分析。文獻[12]將碳排放視作虛擬的網絡流，以耦合潮流的方式追蹤電力系統中的碳排放，提出了碳排放流的概念。文獻[13]在碳排放流方法基礎上，分析了復功率對系統碳排放的影響。文獻[14]根據電網的功率分布，解決了復功率碳排放流法無法計量網損碳排放的問題。文獻[15]結合儲能環節的充放電特性，研究儲能碳排放。電能替代負荷作為特殊的用能負荷，其產生的碳排放應由其自身承擔。在上述碳計量方法中，電能替代負荷接入電力系統勢必會改變潮流分布[16]，從而導致電能替代負荷產生的間接碳排放被其他用戶側負荷分攤，這不符合碳計量“誰產生誰負責”的原則。

碳排放流法只能求得負荷側的碳排放量，無法分析構成負荷側碳排放量的源側碳排放成分。文獻[17-18]為提升求解速度，將碳排放流中心求解矩陣的算力分攤到各個碳表，提出碳流的迭代特性。文獻[19]將負荷側功率拆分成源側占比，從而達到負荷側碳溯源的目的。結合碳流的迭代特性、功率拆分方法以及電能替代負荷的碳排轉換機理，本文提出考慮負荷側電能替代的區域配電網碳溯源方法，追蹤各個電源在網絡中的碳排放流動，實現電能替代負荷的碳排放量的公平計量。

關于碳計量的相關研究存在3個主要問題：①現有的碳排放流法雖然能理清負荷側的碳排放量，但是不能對負荷側的碳排放量進行溯源，無法分析負荷中含有不同發電機組的碳排放分量；②碳排放流法將電能替代負荷的碳排放分攤到了不同節點，不符合“誰產生誰負責”的碳排放計量準則；③電能替代需要重新計算潮流，占用算力和迭代時間，亟需一種高效的計量方法。

本文針對區域配電網下的碳溯源問題開展如下工作：①重新梳理碳排放流法的建立流程，結合碳排放的迭代特性，形成負荷側精準碳溯源顯性表達式；②根據電能替代負荷的特性，建立考慮電能替代的碳排放流修正模型；③以江蘇省某區域配電網為算例開展研究，驗證本文考慮負荷側電能替代的精準碳計量方法的有效性。

1 負荷側電能替代理論

1.1 碳排放流理論

電力行業產生的碳排放全部來自發電側，負荷側和網側并不產生碳排放，只起到分攤發電側碳排放量的作用。不同發電機組之間的碳排放水平可能存在差異，為了達到源-網-荷共同計量的目的，需要對發電機組的碳排放量進行分攤。為理清網側、荷側碳排放量與發電側的關系，碳排放流理論通過耦合潮流的方式實現碳排放責任的分攤，以虛擬的網絡流來衡量電力網絡中碳排放的流動。

1.2 電能替代

負荷側電能替代是指在用戶終端消費過程中利用電能替代煤炭、石油、天然氣等一次能源，在一定程度上控制傳統的化石能源消耗量，減緩環境污染物排放，從而實現能源綠色消費和可持續發展[20]。

傳統的農場熱力環節面臨能源利用率低、碳排放量高的問題，為改善傳統農場熱力系統的碳排放結構，提高能源利用率，促進能源轉型，可以通過負荷側電能替代的方式實現農場綜合能源系統的碳減排。在華東區域配電網中，電能替代轉換關系如圖1所示，參與電能替代的負荷多為農場熱負荷。電能替代前，農場熱負荷主要包括奶牛場、大棚和魚塘的供暖環節，其熱能直接來自熱源，產生的碳排放量取決于化石燃料的消耗量。電能替代后，農場熱負荷所需能量通過“以電代熱”的形式轉換為電力節點提供。光伏、風電等分布式可再生能源取代熱泵、鍋爐等熱力機組，為農場綜合能源系統中奶牛場、魚塘、大棚等環節供能，從而降低碳排放，提高能源利用效率，促進能源轉型。

圖1 電能替代關系Fig.1 Electricity substitution relationship

2 負荷側精準碳計量模型

2.1 碳排放流模型

電力系統碳排放流理論指的是在電力系統中，隨著有功潮流的變化，碳排放量也會變化的虛擬網絡流。這種虛擬的網絡流通過給每條支路上的潮流加上碳排放的標簽來實現。具體來說，當有功潮流在一條支路上流動時，該支路上的碳排放流也會隨之流動，從源側經過網側，最終流向荷側。碳排放流理論就是對這些虛擬的網絡流進行計量，得到網絡中各個環節的碳排放水平及碳排放量。碳排放流常用2個指標來度量：①節點碳排放因子E，用于描述某一節點消費單位電量對應的間接碳排放；②支路碳流密度ρ，用于描述某一線路流過單位電量對應的間接碳排放。在測量儀表測量的時間間隔Δt內，節點功率P、節點碳排放量F的關系為F=PEΔt。

碳排放流模型的求解建立在已知源側碳排放量和電力潮流數據基礎上，通過結合電力網絡關系及耦合潮流的方式，首先求得節點碳排放因子；然后以節點碳排放因子為核心，計算網側、負荷側碳排放量，并利用迭代法對荷側碳排放進行溯源；最后考慮負荷側電能替代的負碳效益，修正節點碳排放因子，重新計量節點碳排放量。碳指標計算流程如圖2所示。

圖2 負荷側精準碳計量建立流程Fig.2 Establishment process for precise carbon metering on load side

2.1.1 發電側碳排放模型

發電機組作為直接的碳排放源，應先理清發電側的碳排放量，再結合電力系統潮流，構建碳計量模型。發電機組產生的碳排放量全部來自于發電廠發電所消耗的化石燃料[21]，根據不同能源類型化石燃料所產生的碳排密度和燃料質量之間的關系可以得到

(1)

發電機組的碳排放因子等于發電機組碳排放量與功率、測量時間的比值，即

(2)

式中：PG，t=[PG，1，tPG，2，t…PG，n，t…PG，A，t]T為發電機組出力矩陣，其元素PG，n，t為與節點n相連的發電機在t時段的發電功率，A為節點總數；EG，t=[eG，1，teG，2，t…eG，n，t…eG，A，t]T為發電機在t時段內的碳排放因子矩陣，其元素eG，n，t為與節點n相連的發電機在t時段的碳排放因子。

分布式電源為清潔能源，發電過程中不產生碳消耗，因此分布式電源的碳排放因子

eDG，n=0.

(3)

2.1.2 網側碳排放模型

圖3為潮流示意圖，針對節點n，其上游線路為i，下游線路為j，根據節點碳排放因子的定義，該節點的碳排放因子

圖3 潮流示意圖Fig.3 Flow diagram

(4)

式中：EN，t=[e1，te2，t…en，t…eA，t]T為t時段節點碳排放因子矩陣，其元素en，t為t時段節點n的碳排放因子；Pi→n，t為流入節點n的支路i的功率；ρi→n，t為流入節點n的支路i的碳排放流密度；N+為流入節點n的所有支路的集合。

根據碳排放流定義，在潮流方向下，線路碳流密度與其端節點碳排放因子相等，即滿足

en，t=ρj，t.

(5)

式中ρj，t為支路碳流密度。

結合式(4)和式(5)可得

(6)

式中：ηN，n=(0，0，…1，…，0)為A維單位列向量，其第n個元素為1；PB，t為A×A維支路潮流分布矩陣，其對角元素為0，非對角元素為支路的正向功率，其余元素為0。

根據功率守恒，可得

(7)

式中：PN，t為A×A維支路有功通量矩陣，其非對角元素為0，對角元素為節點功率。結合式(6)和式(7)可得

(8)

由于PN，t為對角陣，將式(8)擴充至全系統維度，可得

(9)

整理后可以得到系統所有節點的碳排放因子計算公式為

(10)

通過碳流率計算公式，可以求解得到支路碳流密度分布矩陣

RB，t=(PB，t+Ploss，t)diag(EN，t).

(11)

式中：Ploss，t為支路損耗分布矩陣；diag(EN，t)表示將EN，t轉為對角矩陣。

2.1.3 荷側碳排放模型

支路碳流密度與上游節點碳排放因子相等，流入節點的碳流密度等于上游線路碳流密度之和，因此荷側碳排放因子與其上游節點的碳排放因子相等，荷側碳排放量矩陣

(12)

式中：FM的元素Fm為用戶m的碳排放量；PM，t為荷側用電量矩陣，其元素Pm，t為用戶m的用電量；T為總時段數。

2.2 負荷側碳排放溯源模型

負荷側碳排放溯源模型能精準計量節點所含不同發電機組碳排放量，厘清碳排放轉換關系。結合支路碳流密度與上游節點碳排放因子相等的概念，可以對節點n碳排放因子中所含發電機組碳排放占比進行推導。根據式(4)，得出節點碳排放因子迭代方程的分量形式為：

(13)

由于支路碳流密度與上游節點碳排放因子相等，發電機組n的碳排放量僅由其下游節點分攤，而不對上游節點產生影響，假設其下游共有L個節點，構建其下游節點集合U，并用n+l表示潮流方向下節點l的遞增關系，結合式(13)可以推導出發電機組n在第l個節點的碳排放占比

(14)

(15)

式(14)中Fl為節點l的碳排放量。

發電機組n在其下游負荷的碳排放量分攤為

Fn，l=Fl·xn，l.

(16)

式中Fn，l為與節點l相連的負荷中含有發電機組n碳排放的分量。

2.3 負荷側電能替代模型

負荷側加入電能替代環節后，替代節點相當于并入新的電力負荷，傳統的碳排放流方法通過再次計算碳流的方式將參與替代負荷的碳排放量分攤到各個節點。然而，在熱負荷方面產生的碳排放量應由熱負荷本身承擔，將參與替代的負荷碳排放量分攤到各個節點的形式顯然不符合碳排放的分攤原則。

本研究針對電能替代時面臨的碳排放責任分攤問題，以空氣源熱泵為例，搭建熱負荷加入電能替代前后的精準碳計量模型。假定實施電能替代之前，節點熱負荷主要由燃煤鍋爐產生的熱力提供，此時的碳排放量主要取決于化石燃料的消耗量Ffuel。t時段所需供熱量

(17)

式中：Hn，t為t時段節點n的熱負荷需求；β為室外供熱管網輸送效率。

根據能量守恒定律，可以推導熱負荷所消耗發電側的燃煤量為

(18)

氣源熱泵的耗電量計算公式為

(19)

此時負荷側的碳排放量主要取決于電能的消耗量，二者之間的關系為

Fheat，t=Pheat，ten，t.

(20)

式中Fheat，t為熱負荷等效電力節點n的碳排放量。

電能替代之后，負荷側用能效率提高，即消耗同樣的電量用能效益更高，可等效為負荷側相較于電能替代前碳排放量減少。當系統中有某個負荷參與電能替代時，其減碳效益為

ΔFLm，t=Fbefore，t-Fafter，t.

(21)

式中：ΔFLm，t=[ΔFLm1，t… ΔFLmn，t… ΔFLmA，t]為電能替代負荷減碳效益矩陣，其元素ΔFLmn，t為節點n的減碳效益，其值為正數，若該節點未參與電能替代，則該節點元素為0；Fbefore，t=[Fbefore1，t…Fbeforen，t…FbeforeA，t]為電能替代前碳排放量矩陣，其元素Fbeforen，t為電能替代負荷燃燒化石燃料產生的碳排放量；Fafter，t=[Fafter1，t…Faftern，t…FafterA，t]為電能替代后碳排放量矩陣，其元素Faftern，t為電能替代負荷等效電力節點n的碳排放量。

替代前后碳排放因子增量矩陣

(22)

式中：E′N，t為電能替代后的碳排放因子矩陣；PL，t為電能替代后節點功率矩陣。

采用電能替代后的修正值ΔEN，t來表示t+1時段修正后的碳排放因子。修正前t+1時段的碳排放因子

(23)

修正后t+1時段的碳排放因子

E′N，t+1=EN，t+1-ΔEN，t.

(24)

電能替代后t+1時段的碳排放量

F′Lm，t+1=PL，t+1E′N，t+1Δt.

(25)

3 案例分析

本文基于華東某地農場的配電網展開研究，針對其不同時間尺度下的碳排放數據進行仿真計算，分析其電能替代前后的效益，驗證本文所提碳計量方法的有效性。

華東農場的電能主要來源為：①農場本地電源，包括沼氣發電、光伏發電、燃氣發電等電源類型；②園區外送入電量，華東本地煤電是最主要的電能來源，同時也包括風電和潮汐發電。由于農場區外來電成分復雜，區外碳計量難以核算，為方便評估，本文將區外來電全部等效為超臨界600 MW級機組的發電量。

發電側機組中燃料的純度、類型和能源利用率存在差異，導致不同發電機組碳排放量有所不同。結合不同能源產生的碳排放量與發電機組的發電功率，可以得到各類型發電機組的發電碳排放因子，見表1。

表1 不同類型發電機組發電碳排放因子Tab.1 Carbon emission factors for different types of power generation units

華東農場的配電網拓撲架構如圖4所示，其中節點1由區外供電，節點2由燃氣機組供電，節點3、24裝配了沼氣機組，節點6設有大規模光伏機組，各類機組容量見表2。系統潮流數據來自農場智能電網控制系統，潮流信息分辨率為1 h。

表2 農場發電機組容量及位置Tab.2 Capacity and location of farm generator units

圖4 農場配電網拓撲架構Fig.4 Farm distribution network topology architecture

3.1 碳排放流方法驗證

根據華東農場配電網的負荷側數據及發電側數據，采用碳排放流的計算模型求得網損碳排放量、負荷側碳排放量。通過對比源側各機組碳排放量和網、荷側碳排放量，驗證本文碳排放流模型的準確性。

以6 h為時間尺度，計算某日的源、網、荷側碳排放量，結果見表3。由表3可知，源側碳排總量為26.475 t，網損碳排放量為0.602 t、荷側碳排放量為25.873 t。源側碳排放量等于網、荷側的碳排放量之和，說明本文所用碳排放流法能準確計算各個環節的碳排放量。

表3 某日的源、網、荷側碳排放量Tab.3 Carbon emissions on generation，grid and load side for a certain day

3.2 精準碳溯源結果分析

本文將碳排放結果按照日、月、年3種時間尺度進行分析，不同電源碳排放量在負荷側的分攤結果如圖5所示。在圖5(a)中：位于節點1的煤電機組，其碳排放順著潮流方向，按照不同比例分攤到了與節點1—33相連的負荷；節點24、25的碳排放成分中包含了燃煤機組1、燃氣機組2、沼氣機組3、沼氣機組24；分布式可再生能源并不產生碳排放，因此各個節點中不包含光伏機組6的碳排放分量。需要指出的是，在發生潮流反向后，各機組的碳排放分布會變得更加復雜，例如當節點24發生潮流反向時，原本碳排放只分布在節點24、25的沼氣機組可能會向節點23、3等部分上游節點分布。

圖5 不同電源碳排放量在負荷側的分攤結果Fig.5 Allocation of carbon emissions from different power sources on load side

精細化碳溯源能夠區分節點在不同時段的主要作用碳源，可為區域碳減排提供數據支撐。針對主要作用碳源為碳排放因子較高機組的節點，可以在上游支路節點加強光伏、沼氣的供能，從而在源側有針對性地實施減排。同時，對于碳排放較高的節點，可以通過實施負荷側低碳需求響應來引導用戶側節能減排，從而在荷側實施減排。

碳溯源結果分析可以得到如下結論：

a)不同發電機組碳排放量從發電機組所在節點順著潮流方向，按照不同比例分攤；

b)發電機組碳排放量在一個支路節點到另一個支路節點間的區域占比不會發生變化；

c)分布式電源不產生碳排放，占比為0；

d)不同電源類型在負荷側分攤的碳排放量隨時間變化，受機組出力和負荷側用電量影響。

同時，根據圖5中內容可以分析不同時間尺度的區域配電網荷側碳排放量，以日、月為時間尺度的碳排放計量通過對以小時為時間尺度的碳排放求和得到。在以小時為時間尺度時，可以看出中午前后用能較多，但午時新能源出力達到峰值，所以部分節點午時碳排放甚至低于夜間碳排放。以日為時間尺度時，在天氣狀況較差的時段，分布式電源出力降低(見表4)，區域碳排放量明顯提高，同時部分節點周末碳排放量高于工作日碳排放量。以月為時間尺度時，夏季沼氣出力增多，因此沼氣機組夏季碳排放量占比升高。

表4 天氣情況及光伏出力系數(2023年6月)Tab.4 Weather conditions and photovoltaic output coefficient in June，2023

綜上可知：在短時間尺度內，日負荷曲線、光照強度對荷側碳排放影響較高；在長時間尺度內，荷側碳排放受工作日、季節、節假日、天氣等影響更為明顯。從荷側溯源成分考量不同時間尺度下的碳排放量，可以滿足電力系統高分辨率的短期測量和低分辨率的長期測量要求，在短期監測中維持數據的準確性，在長期監測中提供碳排放的波動范圍。

本文所建立的荷側碳溯源模型可為電力系統碳減排的有效評估提供更為準確的方法，為電力系統“雙碳”目標的實施提供有力的數據支撐。

3.3 負荷側電能替代結果分析

本研究中，農場內奶牛場和沼氣發酵的供熱環節參與了電能替代。電能替代前后節點碳排放因子、碳排放量變化情況如圖6、7所示，當熱力系統中奶牛場和沼氣發酵供熱被電力節點11、19替代時，節點11、19的碳排放因子均明顯提高。

圖6 電能替代前后節點碳排放因子變化情況Fig.6 Node carbon emission factors before and after electricity substitution

為了驗證碳排放因子修正結果的準確性，圖7還對比了碳勢修正和潮流修正的結果?？梢钥闯觯禾紕菪拚龑崃ο到y碳排放分攤到各個節點，整體碳排放因子上升，碳勢修正后的各節點的碳排放量略高于替代前的碳排放量，計量精準，但無法理清電能替代的精準結果；碳勢修正中，節點11、19的碳排放因子受替代效益影響明顯提升，節點11、19碳排放量明顯高于替代前碳排放量，而其他節點碳排放因子與電能替代前的碳排放量相同。

圖7 電能替代前后碳排放量變化情況Fig.7 Node carbon emissions before and after electricity substitution

本文所提的負荷側電能替代方法在碳排放流的基礎上對碳排放因子進行修正，驗證了負荷側電能替代的減排效益，減少了重新計算碳流的時間，實現了配電網的低碳運行和用戶側的節能減碳。

4 結束語

本文以電力系統碳排放流理論為基礎，分析華東地區某配電網的碳排放量。根據碳排放流法的迭代特性構建了碳溯源模型，驗證了從荷側追蹤源側碳排放的碳溯源模型的有效性；結合電能替代負荷碳排放轉換機理，實現了對電能替代負荷碳排放的公平劃分；通過碳勢修正方法與潮流修正方法的碳計量結果對比，驗證了考慮負荷側電能替代模型的有效性。

本文所提的方法能夠明確表達負荷側碳溯源關系，細化節點指標；碳排放因子修正方法可避免重新采集潮流數據，提升碳計量求解速度。本研究將進一步優化碳排放流矩陣的求解速度，為碳達峰、碳中和提供技術和數據支撐，為區域配電網減碳指標考核、節能技術有效性評估等提供科學準確的量化結果。