考虑负荷侧电能替代的区域配电网碳溯源方法

岳付昌，刘晗，苏晓东，陈曙光

(1. 国网江苏省电力有限公司连云港供电分公司，江苏 连云港 222000；2. 江苏欣矿能源科技有限公司，江苏 徐州 221000)

低碳发展是我国在面对巨大的碳排放压力时做出的必然选择[1-2]，在“双碳”目标驱动下，能源转型在今后相当长一段时间内会受到高度重视[3-4]。

电能替代是能源转型的重要方式之一，各种用能环节通过电能替代的方式取代了传统石油、天然气等化石能源的使用[5]，达到降低碳排放的目的。为了引导更多的用户侧负荷参与电能替代，文献[6]分析了电能替代的前景以及参与电能替代激励方法，文献[7-8]指出了电能替代出行方式对于碳减排的意义。上述文献认为参与电能替代的负荷不再产生碳排放，然而实际上电能替代后负荷所需的电力来自发电侧化石燃料的燃烧，这一过程仍会产生碳排放。根据电力系统碳计量的“全面性原则”[9]，参与电能替代的负荷需要承担碳排放的间接责任。

随着越来越多的用能端响应能源转型，亟需对电力系统电能替代环节的碳计量理论进行完善。为解决电能替代负荷的碳排放量计量问题，首先要分析电能替代前后负荷的能量转换机理。文献[10]研究电供暖替代燃煤供暖的相关技术，建立了电能替代前后的供暖模型。文献[11]研究了电动汽车替代燃油汽车前后的电能和化石燃料的能量转换关系，提出“碳熵”理论，建立热力系统中热力负荷的碳排放模型，结合电能替代负荷的碳排放转换机理，以碳排放流法展开分析。文献[12]将碳排放视作虚拟的网络流，以耦合潮流的方式追踪电力系统中的碳排放，提出了碳排放流的概念。文献[13]在碳排放流方法基础上，分析了复功率对系统碳排放的影响。文献[14]根据电网的功率分布，解决了复功率碳排放流法无法计量网损碳排放的问题。文献[15]结合储能环节的充放电特性，研究储能碳排放。电能替代负荷作为特殊的用能负荷，其产生的碳排放应由其自身承担。在上述碳计量方法中，电能替代负荷接入电力系统势必会改变潮流分布[16]，从而导致电能替代负荷产生的间接碳排放被其他用户侧负荷分摊，这不符合碳计量“谁产生谁负责”的原则。

碳排放流法只能求得负荷侧的碳排放量，无法分析构成负荷侧碳排放量的源侧碳排放成分。文献[17-18]为提升求解速度，将碳排放流中心求解矩阵的算力分摊到各个碳表，提出碳流的迭代特性。文献[19]将负荷侧功率拆分成源侧占比，从而达到负荷侧碳溯源的目的。结合碳流的迭代特性、功率拆分方法以及电能替代负荷的碳排转换机理，本文提出考虑负荷侧电能替代的区域配电网碳溯源方法，追踪各个电源在网络中的碳排放流动，实现电能替代负荷的碳排放量的公平计量。

关于碳计量的相关研究存在3个主要问题：①现有的碳排放流法虽然能理清负荷侧的碳排放量，但是不能对负荷侧的碳排放量进行溯源，无法分析负荷中含有不同发电机组的碳排放分量；②碳排放流法将电能替代负荷的碳排放分摊到了不同节点，不符合“谁产生谁负责”的碳排放计量准则；③电能替代需要重新计算潮流，占用算力和迭代时间，亟需一种高效的计量方法。

本文针对区域配电网下的碳溯源问题开展如下工作：①重新梳理碳排放流法的建立流程，结合碳排放的迭代特性，形成负荷侧精准碳溯源显性表达式；②根据电能替代负荷的特性，建立考虑电能替代的碳排放流修正模型；③以江苏省某区域配电网为算例开展研究，验证本文考虑负荷侧电能替代的精准碳计量方法的有效性。

1 负荷侧电能替代理论

1.1 碳排放流理论

电力行业产生的碳排放全部来自发电侧，负荷侧和网侧并不产生碳排放，只起到分摊发电侧碳排放量的作用。不同发电机组之间的碳排放水平可能存在差异，为了达到源-网-荷共同计量的目的，需要对发电机组的碳排放量进行分摊。为理清网侧、荷侧碳排放量与发电侧的关系，碳排放流理论通过耦合潮流的方式实现碳排放责任的分摊，以虚拟的网络流来衡量电力网络中碳排放的流动。

1.2 电能替代

负荷侧电能替代是指在用户终端消费过程中利用电能替代煤炭、石油、天然气等一次能源，在一定程度上控制传统的化石能源消耗量，减缓环境污染物排放，从而实现能源绿色消费和可持续发展[20]。

传统的农场热力环节面临能源利用率低、碳排放量高的问题，为改善传统农场热力系统的碳排放结构，提高能源利用率，促进能源转型，可以通过负荷侧电能替代的方式实现农场综合能源系统的碳减排。在华东区域配电网中，电能替代转换关系如图1所示，参与电能替代的负荷多为农场热负荷。电能替代前，农场热负荷主要包括奶牛场、大棚和鱼塘的供暖环节，其热能直接来自热源，产生的碳排放量取决于化石燃料的消耗量。电能替代后，农场热负荷所需能量通过“以电代热”的形式转换为电力节点提供。光伏、风电等分布式可再生能源取代热泵、锅炉等热力机组，为农场综合能源系统中奶牛场、鱼塘、大棚等环节供能，从而降低碳排放，提高能源利用效率，促进能源转型。

图1 电能替代关系Fig.1 Electricity substitution relationship

2 负荷侧精准碳计量模型

2.1 碳排放流模型

电力系统碳排放流理论指的是在电力系统中，随着有功潮流的变化，碳排放量也会变化的虚拟网络流。这种虚拟的网络流通过给每条支路上的潮流加上碳排放的标签来实现。具体来说，当有功潮流在一条支路上流动时，该支路上的碳排放流也会随之流动，从源侧经过网侧，最终流向荷侧。碳排放流理论就是对这些虚拟的网络流进行计量，得到网络中各个环节的碳排放水平及碳排放量。碳排放流常用2个指标来度量：①节点碳排放因子E，用于描述某一节点消费单位电量对应的间接碳排放；②支路碳流密度ρ，用于描述某一线路流过单位电量对应的间接碳排放。在测量仪表测量的时间间隔Δt内，节点功率P、节点碳排放量F的关系为F=PEΔt。

碳排放流模型的求解建立在已知源侧碳排放量和电力潮流数据基础上，通过结合电力网络关系及耦合潮流的方式，首先求得节点碳排放因子；然后以节点碳排放因子为核心，计算网侧、负荷侧碳排放量，并利用迭代法对荷侧碳排放进行溯源；最后考虑负荷侧电能替代的负碳效益，修正节点碳排放因子，重新计量节点碳排放量。碳指标计算流程如图2所示。

图2 负荷侧精准碳计量建立流程Fig.2 Establishment process for precise carbon metering on load side

2.1.1 发电侧碳排放模型

发电机组作为直接的碳排放源，应先理清发电侧的碳排放量，再结合电力系统潮流，构建碳计量模型。发电机组产生的碳排放量全部来自于发电厂发电所消耗的化石燃料[21]，根据不同能源类型化石燃料所产生的碳排密度和燃料质量之间的关系可以得到

(1)

发电机组的碳排放因子等于发电机组碳排放量与功率、测量时间的比值，即

(2)

式中：PG，t=[PG，1，tPG，2，t…PG，n，t…PG，A，t]T为发电机组出力矩阵，其元素PG，n，t为与节点n相连的发电机在t时段的发电功率，A为节点总数；EG，t=[eG，1，teG，2，t…eG，n，t…eG，A，t]T为发电机在t时段内的碳排放因子矩阵，其元素eG，n，t为与节点n相连的发电机在t时段的碳排放因子。

分布式电源为清洁能源，发电过程中不产生碳消耗，因此分布式电源的碳排放因子

eDG，n=0.

(3)

2.1.2 网侧碳排放模型

图3为潮流示意图，针对节点n，其上游线路为i，下游线路为j，根据节点碳排放因子的定义，该节点的碳排放因子

图3 潮流示意图Fig.3 Flow diagram

(4)

式中：EN，t=[e1，te2，t…en，t…eA，t]T为t时段节点碳排放因子矩阵，其元素en，t为t时段节点n的碳排放因子；Pi→n，t为流入节点n的支路i的功率；ρi→n，t为流入节点n的支路i的碳排放流密度；N+为流入节点n的所有支路的集合。

根据碳排放流定义，在潮流方向下，线路碳流密度与其端节点碳排放因子相等，即满足

en，t=ρj，t.

(5)

式中ρj，t为支路碳流密度。

结合式(4)和式(5)可得

(6)

式中：ηN，n=(0，0，…1，…，0)为A维单位列向量，其第n个元素为1；PB，t为A×A维支路潮流分布矩阵，其对角元素为0，非对角元素为支路的正向功率，其余元素为0。

根据功率守恒，可得

(7)

式中：PN，t为A×A维支路有功通量矩阵，其非对角元素为0，对角元素为节点功率。结合式(6)和式(7)可得

(8)

由于PN，t为对角阵，将式(8)扩充至全系统维度，可得

(9)

整理后可以得到系统所有节点的碳排放因子计算公式为

(10)

通过碳流率计算公式，可以求解得到支路碳流密度分布矩阵

RB，t=(PB，t+Ploss，t)diag(EN，t).

(11)

式中：Ploss，t为支路损耗分布矩阵；diag(EN，t)表示将EN，t转为对角矩阵。

2.1.3 荷侧碳排放模型

支路碳流密度与上游节点碳排放因子相等，流入节点的碳流密度等于上游线路碳流密度之和，因此荷侧碳排放因子与其上游节点的碳排放因子相等，荷侧碳排放量矩阵

(12)

式中：FM的元素Fm为用户m的碳排放量；PM，t为荷侧用电量矩阵，其元素Pm，t为用户m的用电量；T为总时段数。

2.2 负荷侧碳排放溯源模型

负荷侧碳排放溯源模型能精准计量节点所含不同发电机组碳排放量，厘清碳排放转换关系。结合支路碳流密度与上游节点碳排放因子相等的概念，可以对节点n碳排放因子中所含发电机组碳排放占比进行推导。根据式(4)，得出节点碳排放因子迭代方程的分量形式为：

(13)

由于支路碳流密度与上游节点碳排放因子相等，发电机组n的碳排放量仅由其下游节点分摊，而不对上游节点产生影响，假设其下游共有L个节点，构建其下游节点集合U，并用n+l表示潮流方向下节点l的递增关系，结合式(13)可以推导出发电机组n在第l个节点的碳排放占比

(14)

(15)

式(14)中Fl为节点l的碳排放量。

发电机组n在其下游负荷的碳排放量分摊为

Fn，l=Fl·xn，l.

(16)

式中Fn，l为与节点l相连的负荷中含有发电机组n碳排放的分量。

2.3 负荷侧电能替代模型

负荷侧加入电能替代环节后，替代节点相当于并入新的电力负荷，传统的碳排放流方法通过再次计算碳流的方式将参与替代负荷的碳排放量分摊到各个节点。然而，在热负荷方面产生的碳排放量应由热负荷本身承担，将参与替代的负荷碳排放量分摊到各个节点的形式显然不符合碳排放的分摊原则。

本研究针对电能替代时面临的碳排放责任分摊问题，以空气源热泵为例，搭建热负荷加入电能替代前后的精准碳计量模型。假定实施电能替代之前，节点热负荷主要由燃煤锅炉产生的热力提供，此时的碳排放量主要取决于化石燃料的消耗量Ffuel。t时段所需供热量

(17)

式中：Hn，t为t时段节点n的热负荷需求；β为室外供热管网输送效率。

根据能量守恒定律，可以推导热负荷所消耗发电侧的燃煤量为

(18)

气源热泵的耗电量计算公式为

(19)

此时负荷侧的碳排放量主要取决于电能的消耗量，二者之间的关系为

Fheat，t=Pheat，ten，t.

(20)

式中Fheat，t为热负荷等效电力节点n的碳排放量。

电能替代之后，负荷侧用能效率提高，即消耗同样的电量用能效益更高，可等效为负荷侧相较于电能替代前碳排放量减少。当系统中有某个负荷参与电能替代时，其减碳效益为

ΔFLm，t=Fbefore，t-Fafter，t.

(21)

式中：ΔFLm，t=[ΔFLm1，t… ΔFLmn，t… ΔFLmA，t]为电能替代负荷减碳效益矩阵，其元素ΔFLmn，t为节点n的减碳效益，其值为正数，若该节点未参与电能替代，则该节点元素为0；Fbefore，t=[Fbefore1，t…Fbeforen，t…FbeforeA，t]为电能替代前碳排放量矩阵，其元素Fbeforen，t为电能替代负荷燃烧化石燃料产生的碳排放量；Fafter，t=[Fafter1，t…Faftern，t…FafterA，t]为电能替代后碳排放量矩阵，其元素Faftern，t为电能替代负荷等效电力节点n的碳排放量。

替代前后碳排放因子增量矩阵

(22)

式中：E′N，t为电能替代后的碳排放因子矩阵；PL，t为电能替代后节点功率矩阵。

采用电能替代后的修正值ΔEN，t来表示t+1时段修正后的碳排放因子。修正前t+1时段的碳排放因子

(23)

修正后t+1时段的碳排放因子

E′N，t+1=EN，t+1-ΔEN，t.

(24)

电能替代后t+1时段的碳排放量

F′Lm，t+1=PL，t+1E′N，t+1Δt.

(25)

3 案例分析

本文基于华东某地农场的配电网展开研究，针对其不同时间尺度下的碳排放数据进行仿真计算，分析其电能替代前后的效益，验证本文所提碳计量方法的有效性。

华东农场的电能主要来源为：①农场本地电源，包括沼气发电、光伏发电、燃气发电等电源类型；②园区外送入电量，华东本地煤电是最主要的电能来源，同时也包括风电和潮汐发电。由于农场区外来电成分复杂，区外碳计量难以核算，为方便评估，本文将区外来电全部等效为超临界600 MW级机组的发电量。

发电侧机组中燃料的纯度、类型和能源利用率存在差异，导致不同发电机组碳排放量有所不同。结合不同能源产生的碳排放量与发电机组的发电功率，可以得到各类型发电机组的发电碳排放因子，见表1。

表1 不同类型发电机组发电碳排放因子Tab.1 Carbon emission factors for different types of power generation units

华东农场的配电网拓扑架构如图4所示，其中节点1由区外供电，节点2由燃气机组供电，节点3、24装配了沼气机组，节点6设有大规模光伏机组，各类机组容量见表2。系统潮流数据来自农场智能电网控制系统，潮流信息分辨率为1 h。

表2 农场发电机组容量及位置Tab.2 Capacity and location of farm generator units

图4 农场配电网拓扑架构Fig.4 Farm distribution network topology architecture

3.1 碳排放流方法验证

根据华东农场配电网的负荷侧数据及发电侧数据，采用碳排放流的计算模型求得网损碳排放量、负荷侧碳排放量。通过对比源侧各机组碳排放量和网、荷侧碳排放量，验证本文碳排放流模型的准确性。

以6 h为时间尺度，计算某日的源、网、荷侧碳排放量，结果见表3。由表3可知，源侧碳排总量为26.475 t，网损碳排放量为0.602 t、荷侧碳排放量为25.873 t。源侧碳排放量等于网、荷侧的碳排放量之和，说明本文所用碳排放流法能准确计算各个环节的碳排放量。

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

3.2 精准碳溯源结果分析

本文将碳排放结果按照日、月、年3种时间尺度进行分析，不同电源碳排放量在负荷侧的分摊结果如图5所示。在图5(a)中：位于节点1的煤电机组，其碳排放顺着潮流方向，按照不同比例分摊到了与节点1—33相连的负荷；节点24、25的碳排放成分中包含了燃煤机组1、燃气机组2、沼气机组3、沼气机组24；分布式可再生能源并不产生碳排放，因此各个节点中不包含光伏机组6的碳排放分量。需要指出的是，在发生潮流反向后，各机组的碳排放分布会变得更加复杂，例如当节点24发生潮流反向时，原本碳排放只分布在节点24、25的沼气机组可能会向节点23、3等部分上游节点分布。

图5 不同电源碳排放量在负荷侧的分摊结果Fig.5 Allocation of carbon emissions from different power sources on load side

精细化碳溯源能够区分节点在不同时段的主要作用碳源，可为区域碳减排提供数据支撑。针对主要作用碳源为碳排放因子较高机组的节点，可以在上游支路节点加强光伏、沼气的供能，从而在源侧有针对性地实施减排。同时，对于碳排放较高的节点，可以通过实施负荷侧低碳需求响应来引导用户侧节能减排，从而在荷侧实施减排。

碳溯源结果分析可以得到如下结论：

a)不同发电机组碳排放量从发电机组所在节点顺着潮流方向，按照不同比例分摊；

b)发电机组碳排放量在一个支路节点到另一个支路节点间的区域占比不会发生变化；

c)分布式电源不产生碳排放，占比为0；

d)不同电源类型在负荷侧分摊的碳排放量随时间变化，受机组出力和负荷侧用电量影响。

同时，根据图5中内容可以分析不同时间尺度的区域配电网荷侧碳排放量，以日、月为时间尺度的碳排放计量通过对以小时为时间尺度的碳排放求和得到。在以小时为时间尺度时，可以看出中午前后用能较多，但午时新能源出力达到峰值，所以部分节点午时碳排放甚至低于夜间碳排放。以日为时间尺度时，在天气状况较差的时段，分布式电源出力降低(见表4)，区域碳排放量明显提高，同时部分节点周末碳排放量高于工作日碳排放量。以月为时间尺度时，夏季沼气出力增多，因此沼气机组夏季碳排放量占比升高。

表4 天气情况及光伏出力系数(2023年6月)Tab.4 Weather conditions and photovoltaic output coefficient in June，2023

综上可知：在短时间尺度内，日负荷曲线、光照强度对荷侧碳排放影响较高；在长时间尺度内，荷侧碳排放受工作日、季节、节假日、天气等影响更为明显。从荷侧溯源成分考量不同时间尺度下的碳排放量，可以满足电力系统高分辨率的短期测量和低分辨率的长期测量要求，在短期监测中维持数据的准确性，在长期监测中提供碳排放的波动范围。

本文所建立的荷侧碳溯源模型可为电力系统碳减排的有效评估提供更为准确的方法，为电力系统“双碳”目标的实施提供有力的数据支撑。

3.3 负荷侧电能替代结果分析

本研究中，农场内奶牛场和沼气发酵的供热环节参与了电能替代。电能替代前后节点碳排放因子、碳排放量变化情况如图6、7所示，当热力系统中奶牛场和沼气发酵供热被电力节点11、19替代时，节点11、19的碳排放因子均明显提高。

图6 电能替代前后节点碳排放因子变化情况Fig.6 Node carbon emission factors before and after electricity substitution

为了验证碳排放因子修正结果的准确性，图7还对比了碳势修正和潮流修正的结果。可以看出：碳势修正将热力系统碳排放分摊到各个节点，整体碳排放因子上升，碳势修正后的各节点的碳排放量略高于替代前的碳排放量，计量精准，但无法理清电能替代的精准结果；碳势修正中，节点11、19的碳排放因子受替代效益影响明显提升，节点11、19碳排放量明显高于替代前碳排放量，而其他节点碳排放因子与电能替代前的碳排放量相同。

图7 电能替代前后碳排放量变化情况Fig.7 Node carbon emissions before and after electricity substitution

本文所提的负荷侧电能替代方法在碳排放流的基础上对碳排放因子进行修正，验证了负荷侧电能替代的减排效益，减少了重新计算碳流的时间，实现了配电网的低碳运行和用户侧的节能减碳。

4 结束语

本文以电力系统碳排放流理论为基础，分析华东地区某配电网的碳排放量。根据碳排放流法的迭代特性构建了碳溯源模型，验证了从荷侧追踪源侧碳排放的碳溯源模型的有效性；结合电能替代负荷碳排放转换机理，实现了对电能替代负荷碳排放的公平划分；通过碳势修正方法与潮流修正方法的碳计量结果对比，验证了考虑负荷侧电能替代模型的有效性。

本文所提的方法能够明确表达负荷侧碳溯源关系，细化节点指标；碳排放因子修正方法可避免重新采集潮流数据，提升碳计量求解速度。本研究将进一步优化碳排放流矩阵的求解速度，为碳达峰、碳中和提供技术和数据支撑，为区域配电网减碳指标考核、节能技术有效性评估等提供科学准确的量化结果。