電力市場化交易中的電碳表計量及其實現(xiàn)方法

0引言

計量技術對于確保碳排放測量的精確性和可靠性至關重要，它支撐著碳排放權交易市場的公正性、碳核算和碳足跡評價，對政府的碳達峰和碳中和政策實施至關重要。在電力系統(tǒng)中，發(fā)電環(huán)節(jié)直接產(chǎn)生碳排放，這些排放通過輸電、變電和配電網(wǎng)絡傳遞給用戶。根據(jù)GB/T32150—2015標準，企業(yè)碳核算應包括外購電力導致的排放，因此，探討發(fā)電到用電的碳排放傳播機制，以確保電力碳排放計量的精確性是必要的。雖然發(fā)電端已有監(jiān)測技術，但電網(wǎng)中缺乏測量間接碳排放的設備，使得電力用戶難以準確得知其用電量對應的碳排放量。

學者們提出了三種主要的用戶側碳排放計量解決方案。其中，靈敏度分析法通過分析節(jié)點負荷變化對應的邊際機組，評估節(jié)點負荷增加對系統(tǒng)總碳排放量的邊際影響，從而量化用戶的用電碳排放責任。但此方法在明確碳排放責任傳遞過程的透明度和提供用戶碳排放總量信息方面存在不足。

其次，合作博弈法將發(fā)電機組和傳輸線路視為可選擇的公用資源，將全系統(tǒng)碳排放量視為負荷成員需共同承擔的成本。這種方法將碳排放問題轉化為經(jīng)典的合作博弈成本分攤問題。但是，隨著節(jié)點數(shù)量的增加，計算復雜度呈指數(shù)級增長，這使得它不適用于實際電網(wǎng)中處理海量用戶碳排放責任分攤的問題。

碳排放流方法是研究熱點，它結合電力系統(tǒng)潮流分析，引入虛擬碳排放流概念，構建了計算體系，改進了理論。通過迭代計算簡化了求解過程，并考慮了無功功率對碳排放流分布的影響，提出了復功率碳排放流追蹤模型。該模型能計算網(wǎng)損下的碳排放流分布，并有研究提出了網(wǎng)損碳排放歸算至電源側的計算方式。此外，還開發(fā)了儲能元件的碳排放流分析模型。

碳排放流方法用于計算用戶碳排放，目前尚未考慮電力市場化交易的影響。2022年，電力市場交易量超過用電量的60%，引起關注。市場機制優(yōu)化電力資源，但影響用戶碳排放。電力市場化交易中，用戶直接購電，涉及電能上的碳排放，增加了計算復雜性。提出基于碳排放流的用電碳計量方法，考慮電量交易，通過矩陣運算獲取電網(wǎng)節(jié)點潮流信息。儲能電站參與市場交易，如山東電力交易平臺注冊的獨立儲能電站。交易機制影響用戶碳排放計算，因為儲能設備的碳排放因子會因輸入輸出時間差異而變化。

1基于電能的碳排放流理論分布式實現(xiàn)方法

碳排放流理論的實施分為集中式和分布式兩種方法。集中式依賴于系統(tǒng)集成，將碳排放數(shù)據(jù)集中處理。分布式則通過計量裝置直接采集數(shù)據(jù)，并利用信息系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互和計算。

這兩種方法在理論上可以產(chǎn)生相同的結果，但它們實現(xiàn)的效果存在差異。首先，集中式計算碳排放量時，計算錯誤難以定位，責任不明確，可能引起負面輿論。另一方面，我國碳排放權交易市場已啟動，電力間接碳排放納入交易體系，需遵循《計量法》的法制化管理。因此，基于計量裝置的計算更符合法制計量要求，盡管系統(tǒng)計算更易實施。

目前，計量裝置的核心計算部分主要由數(shù)字信號處理器或微控制單元構成，其計算能力有限，難以應對復雜的矩陣算法和遞推算法，用于處理電力間接碳排放。因此，研究一種適應電力間接碳排放計量裝置的碳排放流理論的分布式實現(xiàn)方法顯得尤為必要。

1.1發(fā)電側碳附著原理

我國的資源稟賦以煤炭為主導，煤炭發(fā)電構成了我國電力供應的核心。根據(jù)國家能源局發(fā)布的2021年全國電力工業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2021年我國煤電裝機容量占比接近50%，煤電產(chǎn)生的電量占全國總發(fā)電量的60%。作為高碳排放的電源類型，煤電也是電力系統(tǒng)碳排放的主要貢獻者。

發(fā)電環(huán)節(jié)的主要碳排放源包括脫硫過程和煤炭燃燒。在脫硫技術、發(fā)電機組的容量、鍋爐類型、機組負載、燃煤品質以及空冷系統(tǒng)等因素保持不變的情況下，燃煤發(fā)電機組的碳排放量將維持穩(wěn)定。若在單位時間內碳排放的累積與電能的累積相等，那么所定義的電碳排放因子將是一個有限的數(shù)值，它具有實際應用價值，能夠將發(fā)電側的碳排放量與發(fā)電量關聯(lián)起來。

1.2碳排放流理論的實現(xiàn)方法

發(fā)電至用戶端的碳排放流動過程如圖展示。在計量方面，電網(wǎng)結構中電碳因子的傳播可概括為三個主要環(huán)節(jié)：支路傳輸、節(jié)點輸入和節(jié)點輸出。碳排放流理論的實現(xiàn)基于兩個基本原則：1）電能守恒定律，意味著通過電網(wǎng)中任一節(jié)點的輸入與輸出電能總和應為零。2）碳排放量保持平衡，意味著通過電網(wǎng)的任一節(jié)點，輸入與輸出的碳排放總量相抵為零。

碳排放流示意圖

1.2.1支路電碳排放因子計算

電能的碳排放因子僅與發(fā)電機組的運行狀態(tài)有關，與輸電線路的環(huán)境或阻抗無關。依據(jù)電能守恒定律和碳排放守恒定律，該電能的碳排放因子在未與具有不同碳排放因子的電能混合之前，將保持不變。

1.2.2節(jié)點輸入電碳排放因子計算

電路中經(jīng)過同一點的電能有相同的表征方式，因此可以合理提出碳附著機理：電路中經(jīng)過同一點的電能具有相同的碳附著能力。根據(jù)這一機理，節(jié)點輸入附著碳量將平均分配到輸入電能中，同時根據(jù)電能守恒理，發(fā)電側電碳排放因子基于發(fā)電側的物理過程，節(jié)點電碳排放因子基于碳附著假設。2）碳附著假設支撐了功率或單位時間碳排放量動態(tài)變化時，碳排放量向傳輸電能的附著。

1.2.3節(jié)點輸出電碳排放因子計算

除了發(fā)電側的碳排放因子，碳排放流理論的分布式電能實現(xiàn)方法主要依據(jù)輸電線路兩側以及變電站進出線的電能值。

2電力市場化交易下的電碳排放因子

當前的碳排放流理論和分布式電能實現(xiàn)方法尚不足以應對電力市場化交易中的電碳排放因子計算需求。因此，有必要深入研究在電力交易、綠色電力、儲能等新型電力系統(tǒng)典型工況下的電碳排放計量算法。

2.1存在電力市場化交易的碳計量

電力市場發(fā)展使用戶能直接與電廠交易，電廠須按時供電。盡管規(guī)定未明確，但碳排放作為電能生產(chǎn)的副產(chǎn)品，在交易時應考慮。這引發(fā)了碳計量的兩個主要問題。問題一：交易瞬間完成，但電力累積消耗。用戶電力可能多廠來源，需合理分配碳排放。問題二：電力交易影響發(fā)電廠和用戶，碳排放通過電網(wǎng)影響他人。需量化間接影響。解決需研究電碳排放因子計算方法。

電力交易中應統(tǒng)一未交易電能的碳附著系數(shù)，這類似于對同一對象的不同部分使用不同計量方法。例如，電能計量區(qū)分有功和無功電能，盡管電廠和電網(wǎng)傳輸?shù)氖且曉陔娔?。交易用戶應?yōu)先使用交易電量，以保持電能和碳排放的守恒，相關電網(wǎng)節(jié)點的碳排放計算應排除交易電量及其碳排放。

2.2存在綠電交易的碳計量

可再生能源如風力和太陽能發(fā)電不產(chǎn)生溫室氣體，提供無碳排放的綠色電力。這種電力加入電網(wǎng)后，會降低其他電力來源的碳排放因子。因此，節(jié)點輸出的電力將不再完全是無碳排放的。綠色電力交易對電力用戶的用電行為有重要影響，值得進一步研究。

綠電交易對電力用戶產(chǎn)生雙重影響：購買綠電的用戶可享受零碳電力，而未購買者將使用碳排放更高的電力，導致其碳排放量增加，從而增加與購買綠電用戶的碳排放差距。

綠電自用效應，對于生產(chǎn)和消耗電力的用戶更愿意使用自己生產(chǎn)的綠色電力降低自身碳排放。因此，為了減少碳排放，除非電力直接來自發(fā)電廠，否則他們優(yōu)先使用自產(chǎn)的綠色電力自發(fā)自用。

2.3儲能設備的碳計量

新型電力系統(tǒng)以新能源和電力電子設備的廣泛應用為特征，儲能技術在其中扮演著關鍵角色，有助于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和運行效率。儲能技術能解決可再生能源并網(wǎng)帶來的電網(wǎng)調節(jié)和頻率穩(wěn)定性問題，促進新能源的有效利用。預計儲能設備的應用將快速增長，隨著儲能電站參與市場交易，研究其電碳排放因子變得至關重要。

計算儲能設備的碳排放因子時，目前只考慮了電能表的計量值。但儲能設備不僅有碳排放轉移效應，即將輸入時的碳排放轉移到輸出時，還具有長期效應，輸入電能的碳排放會影響設備的電碳排放因子。

3電碳表計量的意義

促進減排：通過準確計量電力交易中的碳排放，可以促進減排措施的實施。

市場機制：為建立基于碳排放的市場機制提供數(shù)據(jù)支持，如碳交易、碳稅等。

綠色證書：為綠色電力交易提供依據(jù)，促進可再生能源的發(fā)展。

4安科瑞碳電表

碳排放計量表是一種設備，用于精確測量企業(yè)電力消費產(chǎn)生的碳排放。它根據(jù)實際電能消耗數(shù)據(jù)動態(tài)計算電碳系數(shù)，反映企業(yè)電力消費中的碳排放情況。碳排放計量表的引入對企業(yè)有重大重要，因為它提供碳排放的詳細數(shù)據(jù)，幫助企業(yè)優(yōu)化電力使用，制定環(huán)保生產(chǎn)策略。安科瑞AEM96三相多功能電表，集成了三相電力參數(shù)的測量、遠程信號傳輸、遠程控制、分時電能計量以及碳排放統(tǒng)計功能。通過其內置的碳排放計算模塊，該系統(tǒng)能夠依據(jù)不同的用電情況，應用相應的電碳轉換系數(shù)進行精確計算，涵蓋了12組碳排放數(shù)據(jù)及其對應的碳排放因子。它支持實時計算，能夠精確地提供企業(yè)生產(chǎn)過程中用電所產(chǎn)生的碳排放量，使得碳排放的記錄與電能計量一樣方便快捷。配合安科瑞碳資產(chǎn)管理平臺使用，顯著簡化了企業(yè)的碳排放統(tǒng)計流程。

AEM96三相多功能碳電表

5應用場景

企業(yè)：旨在監(jiān)控企業(yè)的碳排放狀況，協(xié)助企業(yè)確立減排目標與策略。

建筑：通過評估建筑物的能源消耗和碳排放，為提升能效和降低排放提供數(shù)據(jù)支持。

交通：負責計算汽車、飛機、船舶等各類交通工具的碳排放量，為實現(xiàn)低碳出行提供參考。

農(nóng)業(yè)：對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的碳排放進行評估，協(xié)助農(nóng)民實施減少溫室氣體排放的措施。

供應鏈：監(jiān)控供應鏈各環(huán)節(jié)的碳排放情況，發(fā)現(xiàn)減排潛力。

6 碳資產(chǎn)管理平臺

碳核算是碳資產(chǎn)管理的核心。考慮到不同地區(qū)和行業(yè)的多樣性，碳核算必須綜合考慮環(huán)境差異和工藝特性，為產(chǎn)業(yè)園區(qū)、高能耗企業(yè)、制造工廠、公共機構等不同領域定制專屬的核算模型。此外，該平臺能夠幫助企業(yè)打通碳交易市場的信息通道，利用碳核算結果，結合市場信息，為碳交易決策提供優(yōu)化支持，從而幫助用戶實現(xiàn)碳收益的合理化。

Acrel-7000企業(yè)能耗管控平臺遵循上述原則，為企業(yè)用戶提供碳資產(chǎn)管理服務。該平臺與AEM96多功能碳電表或其他多功能電表協(xié)同工作，助力企業(yè)完善產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的碳排放追蹤，提供碳排放總量和碳排放強度的計算，優(yōu)化碳配額考核機制，推動節(jié)能降耗，以積極應對雙碳目標。

碳資產(chǎn)管理駕駛艙

碳排放核算清單：詳細計算各環(huán)節(jié)的碳排放量，并編制相應的核算清單。

碳核算清單

碳排放分析：對碳排放數(shù)據(jù)進行精確統(tǒng)計，并深入分析其結構組成。

碳排放分析

碳足跡管理：監(jiān)控能源在輸入、分配、消耗、生產(chǎn)等各個階段的碳排放情況。

碳足跡管理

碳排放配額核算與評估：核算碳排放配額的抵消情況，并評估下一年度的碳排放配額需求，同時評估各個考核實體的碳排放目標完成率。

碳配額核算

7總結

電碳表計量在電力市場化交易中扮演著重要的角色，通過準確計量電力生產(chǎn)和消費過程中的碳排放，可以為減排措施的實施提供數(shù)據(jù)支持，并促進電力市場的綠色轉型。隨著技術的進步和政策的支持，電碳表計量的應用將越來越廣泛，對于實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標具有重要意義。

審核編輯 黃宇