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摘要：

從消費角度分析了碳排放對制定相應的二氧化碳減排政策具有的重要參考價值。結合電力系統的特點，提出了碳排放流的概念，并將其應用于電力負荷的碳排放計算。針對聯營交易與雙邊交易共存的混合電力市場，提出了一種基于交易的碳排放流計算模型。該模型考慮了負荷所參與電力交易方式的差異。首先，根據各交易對支路潮流的使用份額，將對應于網絡損耗的碳排放分配給所有電力交易。然后，將網絡損耗從原始有損網絡中移去，實現聯營交易與雙邊交易的解耦。最后，將雙邊電力交易繼續從網絡中減去，得到只存在聯營交易的無損網絡。在新網絡中，應用潮流追蹤將相應的碳排放分配給聯營交易內部的各子交易。將上述計算過程合并，即可得到對應負荷電力消費的碳排放。所得結果可向負荷提供與其電力消費有關的碳排放信息，這將可能影響負荷的消費行為并有助于低碳電力的發展。最后，以簡單節點系統為算例，驗證了所提計算模型的有效性。

關鍵詞：

碳排放流；混合電力市場；網損分攤；低碳電力

電力行業已經成為最大的碳排放源之一，特別是在中國，電力發電所排放的二氧化碳占總碳排放量的比例多達40%[1-2]。因此，電力行業的低碳發展對于二氧化碳減排至關重要。在實現二氧化碳減排的諸多對策中，碳排放交易市場被寄予厚望。為建立碳排放交易市場，多數研究者認為，應當首先確定合理的碳排放責任，這需要制定一個公平合理的碳排放計算方法。對于電力行業，傳統的碳排放計算方法，如統計法[3-4]和生命周期分析法[5]，主要關注發電廠產生的“看得見”二氧化碳排放。這些方法通常假定生產者應當為產品生產過程中所排放的二氧化碳負責。盡管電力消費過程中不產生任何二氧化碳，事實上，發電所排放的二氧化碳根源于電力消費，消費者應當為電力生產而產生的二氧化碳負責。從消費的角度理解、分析二氧化碳排放是十分必要的。當電力消費對應的碳排放能夠確定，消費者便能夠管理自己的消費行為，以幫助二氧化碳減排。在電力系統中，不同的負荷可能由多個電源供電。由于不同電源的碳排放強度通常不同，前面提到的僅采用一個平均碳排放系數進行相應碳排放計算的方法不適用于電力系統中負荷的碳排放計算。文獻[6]提出碳排放流的概念來分析網絡中的碳排放流，并將其用于負荷碳排放計算，取得了很好的效果。隨后，研究者針對網絡中的碳排放流展開了多方面的研究。文獻[7-8]分別探討了電力系統中碳排放流的計算方法，并以簡單的系統進行了驗證。文獻[9]進一步研究了碳排放流在系統中的分布機理。文獻[10-12]應用碳排放流的概念對六大區域電網之間電力傳輸對應的碳排放轉移進行了分析。文獻[13]將碳排放流計算從有功功率延展到復功率，通過復功率潮流追蹤負荷碳排放。文獻[14]則將隨機潮流引入碳排放流的分析，變原有的確定性碳排放流為隨機碳排放流，進一步拓展了碳排放流的應用范圍。上述研究都是基于潮流追蹤所應用的比例共享假設[15-17]。在電力聯營市場中，負荷消耗的電能沒有被指定供電電源，假定負荷由網絡中所有的電源共同供電、比例共享是合理的。然而，在混合電力市場中，采用雙邊交易的負荷由確定的電源供電，相應的碳排放也應當直接歸算到該負荷，此時比例共享的原則不再合理。因此，在一個混合電力市場中，必須采用新的碳排放計算方法對負荷進行碳排放計算。本文提出一種以交易為分配主體的計算模型，來解決混合電力市場下的負荷碳排放計算問題。計算模型以電力交易為碳排放分配的主體。負荷所消費的電力由聯營交易和雙邊交易兩部分組成。對于負荷，其雙邊交易和聯營交易的供電電源一般不同，即碳排放源不同，所以在計算各交易對應的碳排放時，雙邊交易和聯營交易需分別處理。有損網絡中，網絡損耗由2種交易共同作用而產生，為實現雙邊交易和聯營交易的解耦，根據各交易對線路的使用份額，將網絡損耗對應的碳排放分配給各交易。將雙邊交易和聯營交易解耦之后，應用追蹤法計算聯營交易內部各子交易的碳排放。合并計算即可得到對應負荷總電力消費量的碳排放。上述計算模型考慮了負荷參與的電力交易類型，能夠應用于同時存在雙邊交易和聯營交易的電力市場。通過對簡單5節點系統進行測試，驗證了該計算模型的有效性。

1碳排放流在兩種交易方式間的分配

1.1碳排放流分析中的兩個概念在碳排放流分析中，有2個重要的概念：碳流率和碳強度(也稱碳密度)。兩者將碳排放與電力系統中的潮流相結合，構成電力系統碳排放流分析的基礎。根據文獻[6]的定義，碳流率R定義為單位時間內網絡通過的二氧化碳排放量，用來描述網絡中碳排放流的速率，對應于潮流分析中的功率。碳排放強度e則定義為生產單位電能所產生的二氧化碳排放量，用來描述電能的碳排放屬性。

1.2潮流追蹤與碳排放流計算本文所涉及的混合電力市場，有2種形式的電力交易：聯營交易和雙邊交易。對于雙邊電力交易，功率的源、匯是確定的，相應的，碳排放流的源、匯也是固定的。因此，雙邊交易應當與聯營交易區分開來。在無損網絡中，潮流計算通常采用線性的直流潮流方程。由于系統滿足疊加性，所有的雙邊電力交易可以從原始網絡中直接移除，余下的部分即為一個只存在聯營交易的網絡。然后，基于比例共享原則，負荷處的碳流率可以仿照潮流追蹤追溯其源頭。

2網損碳流率的分配

有損網絡中，網絡損耗由系統中所有的電力交易共同決定。網損的存在使得2種類型的交易不能直接解耦。考慮將網絡損耗單獨處理，以一定規則分配給不同交易，則去除網損后的網絡可以視為一個無損網絡，即實現了從有損網絡到無損網絡轉換。借助上一節中的計算方法，系統的碳流率可進一步向各交易分配。直接應用追蹤法，能夠將網絡損耗對應的碳流率分配到各個節點[8]，但分配結果是基于比例共享原則得到的，不能考慮負荷參與雙邊交易的情況。在混合市場下，碳排放計算的主體是交易，網損碳流率分配過程中，需要區分雙邊交易和聯營交易?；诰€路使用份額的分配方法以各個交易為主體，能夠根據各交易對支路的使用份額，將支路損耗對應的碳流率向不同交易進行合理分配。因此，有損網絡中，負荷碳流率計算可分2部分：一部分，根據交易對支路潮流的使用份額，將網絡損耗對應的碳流率分配到不同的交易；另一部分，移除網絡損耗和雙邊交易，形成只存在聯營交易的無損網絡，應用追蹤法計算負荷參與聯營交易所應分配的碳流率。然后，合并計算可得到負荷最終應分配的碳流率。首先計算支路損耗對應的碳流率，其可以利用節點碳強度法求解[18]。但這種方法不能給出支路損耗碳流率的來源構成，在移除網損功率時，不能確定各機組應當減去的功率?？紤]用追蹤法求解支路損耗對應的碳流率[8]，將支路損耗視為支路上的一個負荷，原系統擴展到n+l個節點。利用上一節介紹的追蹤法，可得到任意節點負荷向量PD與機組出力的關系。

3算例分析

調用MATPOWER求解各雙邊交易單獨作用下系統的潮流分布。應用式(16)，支路損耗對應的碳流率根據各交易所引起的支路潮流大小進行分配，得到分配結果如表4所示。將網絡損耗和2項雙邊電力交易從原始有損網絡中移除，得到只存在聯營電力交易的無損網絡。將表3中第3至5列求和，可得機組G1、G2和G3對系統網損的貢獻分別占各自出力的2.8%、3.0%和2.3%。則在新網絡中，機組G1、G2和G3的有功出力分別為47.2、47.0和5.8MW，負荷L1和L2的有功功率需求均為50MW。調用MATPOWER重新計算網絡中的潮流分布，網絡分配矩陣T可由式(8)(9)和(10)計算得出。由式(19)可得每個負荷最終分配到的總碳流率，結果見表6。為便于比較，表中給出了同樣負荷條件下應用文獻[8]中追蹤法所計算的負荷碳流率。對于負荷L2，其通過雙邊交易向機組G1購電。在追蹤法下，消費了等量電能的負荷L1和L2碳排放分配值相差不大。實際上，由于同低碳強度的機組G1有50MW的雙邊交易，負荷L2購買了更多的低碳電力。追蹤法的分配結果不符合購買更多的低碳電，分配到更少碳排放的預期。有損網絡下，本文方法計算得到的負荷L2的分配值比負荷L1少26%。同時，與追蹤法結果相比，負荷L2的碳排放分配值降低了18%。若負荷L2與機組G1的雙邊交易量繼續增大，2種計算方法下所得到的負荷L2分配的碳流率差異將會更大。上述計算結果表明，本文所提方法能夠計算對應負荷電力消費的碳排放，并且能夠考慮負荷參與雙邊電力交易的情況。同時，計算結果能夠向各個負荷提供其碳排放的構成信息，這使得負荷可以通過以低碳強度電源替代高碳強度電源的方式來減少自身的碳足跡。隨著電力市場的放開，雙邊交易的范圍將逐漸擴大。基于低碳消費的意識，負荷可能更傾向于向低碳強度機組購電，這將有助于風電、太陽能發電等低碳電力的發展。

4結論

本文提出一種混合電力市場背景下的基于交易的碳排放流計算模型，將碳排放由傳統的發電側歸算到負荷側。根據不同交易對線路的使用份額，將支路損耗對應的碳排放分配給不同的交易。隨后將網損和相應的機組出力從原網絡中移除，實現雙邊交易和聯營交易的解耦，系統碳排放進一步向各交易進行分配。合并計算即可得到各負荷對應其電力消費的碳排放量。簡單算例結果表明：在混合電力市場下，與追蹤法相比，本文方法考慮了負荷參與電力交易的類型，使得與低碳機組訂立雙邊交易的負荷能夠獲得更低的碳排放分配(本文算例下，負荷L2的分配值減少了18%)，得到的結果更為公平、合理。隨著節能減排的推行和低碳觀念的普及，負荷側的碳排放管理亟待重視。本文提出的方法能夠向電力用戶提供相關的碳排放構成信息，這將可能影響用戶的消費行為并有助于低碳電力的發展。

作者：陳達 鮮文軍 吳濤 余秀月 郭瑞鵬 單位：浙江大學電氣工程學院 國網青海省電力公司 國網冀北電力科學研究院 國網福建省電力公司