一种电力系统负荷侧碳责任核算系统和方法及介质

技术领域

本发明涉及电力系统低碳优化技术领域，尤其涉及一种电力系统负荷侧碳责任核算系统和方法及介质。

背景技术

全球气候变暖问题日益突出，深刻影响着社会的发展与进步，电力行业作为重要的能源部门，其碳排放量一直高居不下，是气候变暖的重要原因之一。为了确保电力系统碳减排目标的顺利实现，缓解全球温室效应，其碳责任的划分显得尤为重要。碳责任分摊是指在对电力系统发电侧、电网侧以及负荷侧的碳排放量进行统计和分析的基础上，根据碳流理论，采用适宜的分摊方法划分各节点应承担的排放责任。因此，准确、合理、公平的碳责任计算结果，有助于精准锁定重点减排区域，促进生产端和运输端提升电力生产和传输调度能力，增强消费端的节约意识和合理用电能力，对促进各区域之间的碳减排合作和经济协调发展具有重要意义。

近年来，越来越多的研究者将责任划分的视角从发电侧转移到了负荷侧，依照碳排放流理论，将潮流与碳流相结合，摒弃了原先只计算发电侧碳责任的思想，有效克服了责任分摊公平性和准确性缺失的问题。但是，传统方法大多没有明确系统网损产生的碳排放对责任分摊结果的影响，无法精准核算该部分的责任量，不利于减排方案的制定。同时，忽略了各个负荷节点的峰谷用电行为对系统碳排放量的影响，使得分摊结果仅仅聚焦于系统潮流分布，无法建立用户的用电特征和碳责任的有机联系，严重影响责任分摊结果的合理性，因此，亟需新的责任核算方法助力行业低碳发展。

在当前新型电力系统大量接入可再生能源机组的背景下，系统的低碳经济性得到了大幅提升，安全稳定性却无法维持，导致夏、冬季节区域性断电的事件频发，同时，新能源大量替代常规机组，系统频率调节能力和电压调节能力显著下降。为确保系统平稳运行，提高系统运行鲁棒性，需留存部分燃煤机组作为备用电源，以满足用电高峰期仍然能够快速响应，保证系统运行稳定性的需求。在尽可能促进可再生能源消纳，保证系统平稳运行的前提下，负荷侧用电量剧增将导致发电侧部分常规机组发电量增加，进而增加系统的碳排放量，使系统的低碳属性进一步降低，不利于我国双碳目标的实现。

发明内容

本发明提供了一种电力系统负荷侧碳责任核算系统和方法及介质，该系统综合考虑各支路的网损归属及各用户的峰荷特征对碳责任分摊结果的影响，充分考虑“源随荷动”的因素，将负荷量激增特性引起的电源侧变化进而引起的碳排放变化考虑在内，很好地解决了以往责任分摊仅关注潮流断面分布情况的责任核算结果，分摊过程颗粒度较粗糙的问题。

本发明提供一种电力系统负荷侧碳责任核算系统，包括系统潮流计算模块、网损公平分摊模型模块、二次潮流计算模块、总碳排放量计算模块和最终碳责任计算模块：

所述系统潮流计算模块用于基于电力系统的网络拓扑结构、元件参数和源荷参量，完成系统潮流计算，得到电力系统的有功潮流分布及各支路网损；

所述网损公平分摊模型模块用于根据所述有功潮流分布，建立系统有功潮流顺逆流双向追踪模型，再将所述各支路网损等效为虚拟电源或负荷、各新能源机组等效为负的负荷，结合潮流追踪算法，建立电力系统的网损公平分摊模型，将系统网损公平分摊给源荷两侧，计算系统各净负荷及各机组的净出力；

所述二次潮流计算模块用于在完成网损公平分摊的基础上，构建虚拟无损网络，采用直流潮流计算方法对虚拟无损网络进行二次潮流计算，重新确定其功率分布，并结合机组的碳排放特性，计算得到系统碳流排放的流动状态和进行追踪分析，确定系统各负荷成员的逐时碳排放情况；

所述总碳排放量计算模块用于基于各负荷成员的逐时碳排放情况，得到各负荷成员典型日的总碳排放量，以此计算得到各负荷成员的月内碳责任量、典型用电量和典型碳强度；

所述最终碳责任计算模块用于综合考虑不同用户的峰荷特点，采用综合负荷法，建立典型用电量修正模型，并对各负荷成员的典型用电量进行修正，得到最终碳责任计算结果。

进一步地，在所述系统潮流计算模块中，按照以下方式进行系统潮流计算：

解析给定的电力系统的网络拓扑结构，收集系统潮流计算所需的基础参数；

结合所述基础参数对电力系统进行建模仿真，并进行系统的潮流计算，得到电力系统的有功潮流分布。

进一步地，在所述网损公平分摊模型模块中，按照以下方式建立系统有功潮流顺逆流双向追踪模型：

在确定系统潮流分布的基础上，建立系统有功潮流顺逆流双向追踪模型，其表达式如下所示：

上式中[A

进一步地，在所述网损公平分摊模型模块中，按照以下方式计算系统各净负荷及各机组的净出力：

根据比例共享原则，计算得到各个发电机组和支路对各个负荷节点的贡献，各表达式如下所示：

式中：k为支路中增设的虚拟节点；节点i负荷、支路i-t流出功率可表示为各发电机的功率分量之和；S

结合上述计算结果，构建网损的公平分摊模型，其中发电侧和用户侧各分摊50％的支路损耗，各负荷及电源承担的网损量的表达式分别如下所示：

再根据各支路网损和各负荷及电源承担的网损量，计算系统各净负荷及各机组的净出力，其表达式分别如下所示：

S'

S'

式中：S'

进一步地，在所述二次潮流计算模块中，按照以下方式确定系统各负荷成员的逐时碳排放情况：

在将网络损耗公平分摊给负荷侧和电源侧的基础上，通过直流潮流方程重新确定虚拟无损网络中各支路的有功分布及机组和支路对各负荷节点的贡献，考虑到“源随荷动的情况”，因此再采用潮流逆流追踪的方式，完成网损双向分摊和虚拟网络构建：

P'＝Bθ' (11)

式中：θ'∈R

结合机组的碳排放强度，建立系统的碳流追踪与解析模型：

R

式中：R

进一步地，在所述总碳排放量计算模块中，按照以下方式计算得到各负荷成员的月内碳责任量、典型用电量和典型碳强度：

基于所述系统的碳流追踪与解析模型，计算得到各负荷成员典型日内的总碳排放量，进而得到月内的碳责任量，即：

y

式中：x

基于负荷典型日内的总碳排放量结果，构建典型用电量及碳强度计算模型：

式中：P

进一步地，在所述最终碳责任计算模块中，采用如下方式得到得到最终碳责任计算结果：

基于用户的月内用电量数据，采用综合负荷法，构建修正比例计算模型：

式中：W

综合考虑用户的峰荷特性对系统碳排放产生的影响，构建典型用电量修正模型：

式中：

基于所述典型碳强度和修正后的典型用电量，生成反映负荷碳属性的最终碳责任计算结果：

Y

式中：Y

本发明还提供一种电力系统负荷侧碳责任核算方法，包括以下步骤：

基于电力系统的网络拓扑结构、元件参数和源荷参量，完成系统潮流计算，得到电力系统的有功潮流分布及各支路网损；

根据所述有功潮流分布，建立系统有功潮流顺逆流双向追踪模型，再将所述各支路网损等效为虚拟电源或负荷、各新能源机组等效为负的负荷，结合潮流追踪算法，建立电力系统的网损公平分摊模型，将系统网损公平分摊给源荷两侧，计算系统各净负荷及各机组的净出力；

在完成网损公平分摊的基础上，构建虚拟无损网络，采用直流潮流计算方法对虚拟无损网络进行二次潮流计算，重新确定其功率分布，并结合机组的碳排放特性，计算得到系统碳流排放的流动状态和进行追踪分析，确定系统各负荷成员的逐时碳排放情况；

基于各负荷成员的逐时碳排放情况，得到各负荷成员典型日的总碳排放量，以此计算得到各负荷成员的月内碳责任量、典型用电量和典型碳强度；

综合考虑不同用户的峰荷特点，采用综合负荷法，建立典型用电量修正模型，并对各负荷成员的典型用电量进行修正，得到最终碳责任计算结果。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述电力系统负荷侧碳责任核算方法的步骤。

相比与现有技术，本发明的有益效果为：

1、本发明考虑系统网损和用户的峰荷特性对系统碳排放量的影响，在实现网损的“源-荷”双侧公平分摊的基础上，结合综合负荷法，对责任分摊结果进行修正，解决以往核算结果公平性不足的问题，提高了责任计算的准确性，为电力行业早日实现双碳目标提供参考，利于社会低碳水平的提高；

2、本发明建立的碳责任核算方法在公平分摊各支路网损给源荷两侧的基础上，充分考虑了不同用户的峰荷特性，对原始的碳责任进行了合理修正，所得结果可为电力系统低碳转型策略的制定指明方向，具有很好的应用价值。

附图说明

图1为本发明的一种电力系统负荷侧碳责任核算系统的结构框图；

图2为本发明的一种电力系统负荷侧碳责任核算方法的流程示意图；

图3为本发明实施例中具体的拓扑网络结构示意图；

图4为本发明实施例中修正前后各负荷成员责任量结果对比汇总图。

具体实施方式

以下结合附图1～4、表1～4和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明提供一种电力系统负荷侧碳责任核算系统，包括系统潮流计算模块、网损公平分摊模型模块、二次潮流计算模块、总碳排放量计算模块和最终碳责任计算模块：

所述系统潮流计算模块用于基于电力系统的网络拓扑结构、元件参数和源荷参量，完成系统潮流计算，得到电力系统的有功潮流分布及各支路网损；

所述网损公平分摊模型模块用于根据所述有功潮流分布，建立系统有功潮流顺逆流双向追踪模型，再将所述各支路网损等效为虚拟电源或负荷、各新能源机组等效为负的负荷，结合潮流追踪算法，建立电力系统的网损公平分摊模型，将系统网损公平分摊给源荷两侧，计算系统各净负荷及各机组的净出力；

所述二次潮流计算模块用于在完成网损公平分摊的基础上，构建虚拟无损网络，采用直流潮流计算方法对虚拟无损网络进行二次潮流计算，重新确定其功率分布，并结合机组的碳排放特性，计算得到系统碳流排放的流动状态和进行追踪分析，确定系统各负荷成员的逐时碳排放情况；

所述总碳排放量计算模块用于基于各负荷成员的逐时碳排放情况，得到各负荷成员典型日的总碳排放量，以此计算得到各负荷成员的月内碳责任量、典型用电量和典型碳强度；

所述最终碳责任计算模块用于综合考虑不同用户的峰荷特点，采用综合负荷法，建立典型用电量修正模型，并对各负荷成员的典型用电量进行修正，得到最终碳责任计算结果。

本发明考虑系统网损和用户的峰荷特性对系统碳排放量的影响，在实现网损的“源-荷”双侧公平分摊的基础上，结合综合负荷法，对责任分摊结果进行修正，解决以往核算结果公平性不足的问题，提高了责任计算的准确性，为电力行业早日实现双碳目标提供参考，利于社会低碳水平的提高。同时本发明建立的碳责任核算方法在公平分摊各支路网损给源荷两侧的基础上，充分考虑了不同用户的峰荷特性，对原始的碳责任进行了合理修正，所得结果可为电力系统低碳转型策略的制定指明方向，具有很好的应用价值。

本实施例中，在所述系统潮流计算模块中，按照以下方式进行系统潮流计算：

解析给定的电力系统的网络拓扑结构，收集系统潮流计算所需的基础参数；

结合所述基础参数对电力系统进行建模仿真，并进行系统的潮流计算，得到电力系统的有功潮流分布。

本实施例中，在所述网损公平分摊模型模块中，按照以下方式建立系统有功潮流顺逆流双向追踪模型：

在确定系统潮流分布的基础上，建立系统有功潮流顺逆流双向追踪模型，其表达式如下所示：

上式中[A

本实施例中，在所述网损公平分摊模型模块中，按照以下方式计算系统各净负荷及各机组的净出力：

根据比例共享原则，计算得到各个发电机组和支路对各个负荷节点的贡献，各表达式如下所示：

式中：k为支路中增设的虚拟节点，并将支路损耗等效为虚拟负荷或电源；将新能源机组等效为负的负荷，可以量化评估可再生能源消纳对系统的减碳贡献；节点i负荷、支路i-t流出功率可表示为各发电机的功率分量之和；S

结合上述计算结果，构建网损的公平分摊模型，其中发电侧和用户侧各分摊50％的支路损耗，各负荷及电源承担的网损量的表达式分别如下所示：

再根据各支路网损和各负荷及电源承担的网损量，计算系统各净负荷及各机组的净出力，其表达式分别如下所示：

S'

S'

式中：S'

本实施例中，如图3所示，以某电力14节点系统为例进行计算和分析。基于图3给定电力系统的网络拓扑结构，收集的元件参数和源荷参量，根据上述公式(1)～(10)，完成系统潮流计算。在本实施例中以IEEE14系统拓扑为基准，结合某地区11个负荷节点某典型日的用电情况，完成潮流计算并输出结果。其中，G1-G5为发电机组的编号，G1、G2和G8为常规机组，其碳排放强度分别为0.875tCO

本实施例中，建立电力系统的网损公平分摊模型，得到典型日内虚拟无损网络的各负荷需求，汇总情况详见下表1。

表1.电力14节点系统的负荷信息汇总表

如上表1所示，各负荷成员均在不同程度上承担了系统网损。其中，L9所承担的网损量最大，为0.23MW；相反，负荷L11和L13承担的网损最小，均为0.02MW；系统的用电需求总量为194.30MW，网损公平分摊后的系统用电需求总量为195.34MW。由方法定义可知，负荷在网损公平分摊后的典型日内负荷需求总量为该负荷节点的典型用电量。

本实施例中，在所述二次潮流计算模块中，按照以下方式确定系统各负荷成员的逐时碳排放情况：

在将网络损耗公平分摊给负荷侧和电源侧的基础上，通过直流潮流方程重新确定虚拟无损网络中各支路的有功分布及机组和支路对各负荷节点的贡献，考虑到“源随荷动的情况”，因此再采用潮流逆流追踪的方式，完成网损双向分摊和虚拟网络构建：

P'＝Bθ' (11)

式中：θ'∈R

结合机组的碳排放强度，建立系统的碳流追踪与解析模型：

R

式中：R

本实施例中，在所述总碳排放量计算模块中，按照以下方式计算得到各负荷成员的月内碳责任量、典型用电量和典型碳强度：

基于所述系统的碳流追踪与解析模型，计算得到各负荷成员典型日内的总碳排放量，进而得到月内的碳责任量，即：

y

式中：x

基于负荷典型日内的总碳排放量结果，构建典型用电量及碳强度计算模型：

式中：P

表2.系统各负荷节点典型日内的碳排放量和碳强度汇总表

由上表信息可知，负荷L4的日内碳排放总量最大，为24.63tCO

本实施例中，在所述最终碳责任计算模块中，采用如下方式得到得到最终碳责任计算结果：

基于用户的月内用电量数据，采用综合负荷法，构建修正比例计算模型：

式中：W

综合考虑用户的峰荷特性对系统碳排放产生的影响，构建典型用电量修正模型：

式中：

基于所述典型碳强度和修正后的典型用电量，生成反映负荷碳属性的最终碳责任计算结果：

Y

式中：Y

表3.系统各负荷节点的初始碳责任计算结果汇总表

表4.基于用户峰荷特性的碳责任计算结果汇总表

如上表3～4和图4所示，系统负荷侧的总碳责任为3920.63tCO

如图2所示，本发明还提供一种电力系统负荷侧碳责任核算方法，包括以下步骤：

基于电力系统的网络拓扑结构、元件参数和源荷参量，完成系统潮流计算，得到电力系统的有功潮流分布及各支路网损；

根据所述有功潮流分布，建立系统有功潮流顺逆流双向追踪模型，再将所述各支路网损等效为虚拟电源或负荷、各新能源机组等效为负的负荷，结合潮流追踪算法，建立电力系统的网损公平分摊模型，将系统网损公平分摊给源荷两侧，计算系统各净负荷及各机组的净出力；

在完成网损公平分摊的基础上，构建虚拟无损网络，采用直流潮流计算方法对虚拟无损网络进行二次潮流计算，重新确定其功率分布，并结合机组的碳排放特性，计算得到系统碳流排放的流动状态和进行追踪分析，确定系统各负荷成员的逐时碳排放情况；

基于各负荷成员的逐时碳排放情况，得到各负荷成员典型日的总碳排放量，以此计算得到各负荷成员的月内碳责任量、典型用电量和典型碳强度；

综合考虑不同用户的峰荷特点，采用综合负荷法，建立典型用电量修正模型，并对各负荷成员的典型用电量进行修正，得到最终碳责任计算结果。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述电力系统负荷侧碳责任核算方法的步骤。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述调峰需求响应方法的步骤。

以上所述发明仅表达了本发明实施例的实施方式，并不能因此理解为对发明专利范围的限制，也并非对本发明实施例的结构作任何形式上的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明实施例构思的前提下，还可以做出若干变化和改进，这些都属于本发明实施例的保护范围。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本发明实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。