电力市场化交易中的电碳表计量及其实现方法

涂志燕 2024-08-28 360

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0引言

计量技术对于确保碳排放测量的精确性和可靠性至关重要，它支撑着碳排放权交易市场的公正性、碳核算和碳足迹评价，对政府的碳达峰和碳中和政策实施至关重要。在电力系统中，发电环节直接产生碳排放，这些排放通过输电、变电和配电网络传递给用户。根据GB/T32150—2015标准，企业碳核算应包括外购电力导致的排放，因此，探讨发电到用电的碳排放传播机制，以确保电力碳排放计量的精确性是必要的。虽然发电端已有监测技术，但电网中缺乏测量间接碳排放的设备，使得电力用户难以准确得知其用电量对应的碳排放量。

学者们提出了三种主要的用户侧碳排放计量解决方案。其中，灵敏度分析法通过分析节点负荷变化对应的边际机组，评估节点负荷增加对系统总碳排放量的边际影响，从而量化用户的用电碳排放责任。但此方法在明确碳排放责任传递过程的透明度和提供用户碳排放总量信息方面存在不足。

其次，合作博弈法将发电机组和传输线路视为可选择的公用资源，将全系统碳排放量视为负荷成员需共同承担的成本。这种方法将碳排放问题转化为经典的合作博弈成本分摊问题。但是，随着节点数量的增加，计算复杂度呈指数级增长，这使得它不适用于实际电网中处理海量用户碳排放责任分摊的问题。

碳排放流方法是研究热点，它结合电力系统潮流分析，引入虚拟碳排放流概念，构建了计算体系，改进了理论。通过迭代计算简化了求解过程，并考虑了无功功率对碳排放流分布的影响，提出了复功率碳排放流追踪模型。该模型能计算网损下的碳排放流分布，并有研究提出了网损碳排放归算至电源侧的计算方式。此外，还开发了储能元件的碳排放流分析模型。

碳排放流方法用于计算用户碳排放，目前尚未考虑电力市场化交易的影响。2022年，电力市场交易量超过用电量的60%，引起关注。市场机制优化电力资源，但影响用户碳排放。电力市场化交易中，用户直接购电，涉及电能上的碳排放，增加了计算复杂性。提出基于碳排放流的用电碳计量方法，考虑电量交易，通过矩阵运算获取电网节点潮流信息。储能电站参与市场交易，如山东电力交易平台注册的独立储能电站。交易机制影响用户碳排放计算，因为储能设备的碳排放因子会因输入输出时间差异而变化。

1基于电能的碳排放流理论分布式实现方法

碳排放流理论的实施分为集中式和分布式两种方法。集中式依赖于系统集成，将碳排放数据集中处理。分布式则通过计量装置直接采集数据，并利用信息系统进行数据交互和计算。

这两种方法在理论上可以产生相同的结果，但它们实现的效果存在差异。首先，集中式计算碳排放量时，计算错误难以定位，责任不明确，可能引起负面舆论。另一方面，我国碳排放权交易市场已启动，电力间接碳排放纳入交易体系，需遵循《计量法》的法制化管理。因此，基于计量装置的计算更符合法制计量要求，尽管系统计算更易实施。

目前，计量装置的核心计算部分主要由数字信号处理器或微控制单元构成，其计算能力有限，难以应对复杂的矩阵算法和递推算法，用于处理电力间接碳排放。因此，研究一种适应电力间接碳排放计量装置的碳排放流理论的分布式实现方法显得尤为必要。

1.1发电侧碳附着原理

我国的资源禀赋以煤炭为主导，煤炭发电构成了我国电力供应的核心。根据国家能源局发布的2021年全国电力工业统计数据，2021年我国煤电装机容量占比接近50%，煤电产生的电量占全国总发电量的60%。作为高碳排放的电源类型，煤电也是电力系统碳排放的主要贡献者。

发电环节的主要碳排放源包括脱硫过程和煤炭燃烧。在脱硫技术、发电机组的容量、锅炉类型、机组负载、燃煤品质以及空冷系统等因素保持不变的情况下，燃煤发电机组的碳排放量将维持稳定。若在单位时间内碳排放的累积与电能的累积相等，那么所定义的电碳排放因子将是一个有限的数值，它具有实际应用价值，能够将发电侧的碳排放量与发电量关联起来。

1.2碳排放流理论的实现方法

发电至用户端的碳排放流动过程如图展示。在计量方面，电网结构中电碳因子的传播可概括为三个主要环节：支路传输、节点输入和节点输出。碳排放流理论的实现基于两个基本原则：1）电能守恒定律，意味着通过电网中任一节点的输入与输出电能总和应为零。2）碳排放量保持平衡，意味着通过电网的任一节点，输入与输出的碳排放总量相抵为零。

碳排放流示意图

1.2.1支路电碳排放因子计算

电能的碳排放因子仅与发电机组的运行状态有关，与输电线路的环境或阻抗无关。依据电能守恒定律和碳排放守恒定律，该电能的碳排放因子在未与具有不同碳排放因子的电能混合之前，将保持不变。

1.2.2节点输入电碳排放因子计算

电路中经过同一点的电能有相同的表征方式，因此可以合理提出碳附着机理：电路中经过同一点的电能具有相同的碳附着能力。根据这一机理，节点输入附着碳量将平均分配到输入电能中，同时根据电能守恒理，发电侧电碳排放因子基于发电侧的物理过程，节点电碳排放因子基于碳附着假设。2）碳附着假设支撑了功率或单位时间碳排放量动态变化时，碳排放量向传输电能的附着。

1.2.3节点输出电碳排放因子计算

除了发电侧的碳排放因子，碳排放流理论的分布式电能实现方法主要依据输电线路两侧以及变电站进出线的电能值。

2电力市场化交易下的电碳排放因子

当前的碳排放流理论和分布式电能实现方法尚不足以应对电力市场化交易中的电碳排放因子计算需求。因此，有必要深入研究在电力交易、绿色电力、储能等新型电力系统典型工况下的电碳排放计量算法。

2.1存在电力市场化交易的碳计量

电力市场发展使用户能直接与电厂交易，电厂须按时供电。尽管规定未明确，但碳排放作为电能生产的副产品，在交易时应考虑。这引发了碳计量的两个主要问题。问题一：交易瞬间完成，但电力累积消耗。用户电力可能多厂来源，需合理分配碳排放。问题二：电力交易影响发电厂和用户，碳排放通过电网影响他人。需量化间接影响。解决需研究电碳排放因子计算方法。

电力交易中应统一未交易电能的碳附着系数，这类似于对同一对象的不同部分使用不同计量方法。例如，电能计量区分有功和无功电能，尽管电厂和电网传输的是视在电能。交易用户应优先使用交易电量，以保持电能和碳排放的守恒，相关电网节点的碳排放计算应排除交易电量及其碳排放。

2.2存在绿电交易的碳计量

可再生能源如风力和太阳能发电不产生温室气体，提供无碳排放的绿色电力。这种电力加入电网后，会降低其他电力来源的碳排放因子。因此，节点输出的电力将不再完全是无碳排放的。绿色电力交易对电力用户的用电行为有重要影响，值得进一步研究。

绿电交易对电力用户产生双重影响：购买绿电的用户可享受零碳电力，而未购买者将使用碳排放更高的电力，导致其碳排放量增加，从而增加与购买绿电用户的碳排放差距。

绿电自用效应，对于生产和消耗电力的用户更愿意使用自己生产的绿色电力降低自身碳排放。因此，为了减少碳排放，除非电力直接来自发电厂，否则他们优先使用自产的绿色电力自发自用。

2.3储能设备的碳计量

新型电力系统以新能源和电力电子设备的广泛应用为特征，储能技术在其中扮演着关键角色，有助于提高系统稳定性和运行效率。储能技术能解决可再生能源并网带来的电网调节和频率稳定性问题，促进新能源的有效利用。预计储能设备的应用将快速增长，随着储能电站参与市场交易，研究其电碳排放因子变得至关重要。

计算储能设备的碳排放因子时，目前只考虑了电能表的计量值。但储能设备不仅有碳排放转移效应，即将输入时的碳排放转移到输出时，还具有长期效应，输入电能的碳排放会影响设备的电碳排放因子。

3电碳表计量的意义

促进减排：通过准确计量电力交易中的碳排放，可以促进减排措施的实施。

市场机制：为建立基于碳排放的市场机制提供数据支持，如碳交易、碳税等。

绿色证书：为绿色电力交易提供依据，促进可再生能源的发展。

4安科瑞碳电表

碳排放计量表是一种设备，用于精确测量企业电力消费产生的碳排放。它根据实际电能消耗数据动态计算电碳系数，反映企业电力消费中的碳排放情况。碳排放计量表的引入对企业有重大重要，因为它提供碳排放的详细数据，帮助企业优化电力使用，制定环保生产策略。安科瑞AEM96三相多功能电表，集成了三相电力参数的测量、远程信号传输、远程控制、分时电能计量以及碳排放统计功能。通过其内置的碳排放计算模块，该系统能够依据不同的用电情况，应用相应的电碳转换系数进行精确计算，涵盖了12组碳排放数据及其对应的碳排放因子。它支持实时计算，能够精确地提供企业生产过程中用电所产生的碳排放量，使得碳排放的记录与电能计量一样方便快捷。配合安科瑞碳资产管理平台使用，显著简化了企业的碳排放统计流程。

AEM96三相多功能碳电表

5应用场景

企业：旨在监控企业的碳排放状况，协助企业确立减排目标与策略。

建筑：通过评估建筑物的能源消耗和碳排放，为提升能效和降低排放提供数据支持。

交通：负责计算汽车、飞机、船舶等各类交通工具的碳排放量，为实现低碳出行提供参考。

农业：对农业生产过程中的碳排放进行评估，协助农民实施减少温室气体排放的措施。

供应链：监控供应链各环节的碳排放情况，发现减排潜力。

6 碳资产管理平台

碳核算是碳资产管理的核心。考虑到不同地区和行业的多样性，碳核算必须综合考虑环境差异和工艺特性，为产业园区、高能耗企业、制造工厂、公共机构等不同领域定制专属的核算模型。此外，该平台能够帮助企业打通碳交易市场的信息通道，利用碳核算结果，结合市场信息，为碳交易决策提供优化支持，从而帮助用户实现碳收益的合理化。

Acrel-7000企业能耗管控平台遵循上述原则，为企业用户提供碳资产管理服务。该平台与AEM96多功能碳电表或其他多功能电表协同工作，助力企业完善产品生产过程中的碳排放追踪，提供碳排放总量和碳排放强度的计算，优化碳配额考核机制，推动节能降耗，以积极应对双碳目标。