CN106055730A - 一种适应于大规模电网的电力系统碳流仿真分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适应于大规模电网的电力系统碳流仿真分析方法，包括：(1)电网碳流仿真；(2)电网碳流分析。本发明结合实际大规模电网的特点和电网仿真分析的需要，给出了完整、实用的大规模电网碳流仿真方法，并提出了电网碳流分析方法，在碳流仿真结果基础上进行加工，得到实际电网仿真人员可以综合应用、指导生产实践的碳流仿真分析结果。

Description

一种适应于大规模电网的电力系统碳流仿真分析方法

技术领域

本发明涉及一种仿真分析方法，具体涉及一种适应于大规模电网的电力系统碳流仿真分析方法。

背景技术

碳排放量的计量是开展一切碳减排工作的基础。目前，在电力工业内常用的碳排放计量方法主要有两种：直接分析法和全生命周期法。直接分析法是先统计各类化石燃料的消耗总量，然后按照各类化石燃料的碳排放因子计算总的碳排放量；全生命周期分析是对直接法在时间维度进行了扩展，全生命周期分析从电厂的建设，发电机设备的组装，燃料的开采和运输入手，结合电厂设施的运行、管理、检修和退役等环节，计算电力设施与发电燃料在建设和制备过程中全部的碳排放。

上述两种方法从宏观数据出发，根据能源消耗量进行统计，具有计算简单、方法实用的优点。但这两种方法都难以反映电力系统的网络化特征，没有考虑碳排放在空间内随电能传输的转移和分摊机理，难以体现电力用户对碳排放的责任分摊。

近年来，有学者提出了碳排放流的概念。电力系统碳排放流是依附于电力潮流存在且随系统有功潮流定向移动的耦合碳排放，是电力系统中一类虚拟的网络流。在不引起歧义的前提下，在电力系统领域中可简称碳排放流或碳流(下面统一称为碳流)。在电力系统中，碳流从电厂(发电厂节点)出发，随着电厂上网功率进入电网，跟随系统中的潮流在电网中流动，最终流入用户侧的消费终端(负荷节点)。通过碳流就可以确定碳排放责任的转移，分析电网的碳排放分布特性。

目前已经有初步的碳流计算方法，但目前的碳流计算方法在大规模电网应用中存在诸多不适应问题，包括：1)完全没有考虑直流系统；2)没有应用稀疏矩阵技术，难以求解大规模数据碳流计算问题；3)没有经过实际电网数据检验，不能适应实际电网复杂多变情况等；4)计算指标过于分散，不适应于电网仿真。此外，目前的碳流计算方法仅限于碳流计算，没有结合电网实际仿真分析的需要进行电网碳流仿真分析，不利于实际使用人员使用。

发明内容

为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种适应于大规模电网的电力系统碳流仿真分析方法，给出了完整、实用的大规模电网碳流仿真方法，并提出了电网碳流分析方法，在碳流仿真结果基础上进行加工，得到实际电网仿真人员可以综合应用、指导生产实践的碳流仿真分析结果。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种适应于大规模电网的电力系统碳流仿真分析方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：

(1)电网碳流仿真；

(2)电网碳流分析。

进一步的，所述步骤(1)包括下述步骤：

①确定计算条件，读取数据，包括：

1)电网网架数据：

包括组成电网元件的连接关系，元件包括交流线、并联电容电抗器、变压器、发电机、负荷和直流系统；

2)潮流结果数据：

包含所有元件的潮流结果，包括：发电机的有功功率、负荷的有功功率、交流线有功功率及方向和有功损耗、并联支路的有功损耗、变压器的有功功率及方向和有功损耗(三绕组变压器等值为三个两绕组变压器)、直流系统各个端口的注入有功功率；

3)机组碳排放强度数据：

每台发电机的机组碳排放强度数据，若无碳排放，则机组碳排放强度等于零；

②确定碳流仿真分析需要的计算指标，包括：

1)节点碳势：

节点即电网潮流中的计算节点，节点碳势的定位为：在该节点消费单位电力时所引起的发电侧的碳排放值；用符号EN表示，单位为kgCO2/kWh；

2)支路碳流率：

支路碳流率定义为单位时间内通过支路的碳流量，用符号RB表示，单位为tCO2/h；碳流仿真分析中的支路包括电网中所有的单端、双端和多端元件，包括交流线、变压器、并联电容电抗器和直流系统；

3)支路网损碳流率：

支路网损碳流率定义为支路一的有功损耗相对应的碳流量；支路网损碳流率用符号RBL表示，单位与支路碳流率相同，为tCO2/h；

4)负荷碳流率：

负荷碳流率定义为单位时间内负荷有功相对应消耗的碳流量，用符号RL表示，单位为tCO2/h；

5)发电碳流率：

发电碳流率指标定义为发电机组单位时间内的碳排放量，用符号RG表示，单位为tCO2/h；

③增加实际电网碳流仿真需要进行的处理；

④计算节点碳势指标；

⑤计算碳流仿真分析的其它指标。

进一步的，所述步骤③的增加实际电网碳流仿真需要进行的处理包括下述步骤：

1>数据预处理：进行数据预处理，处理悬空支路、并联支路和非悬空但一侧有功为零情况；

2>碳流仿真节点优化编号；

3>负荷合并；

4>发电负荷合并；

5>处理有功为负的发电负荷。

进一步的，所述步骤1>中，悬空支路指的是一侧母线没有连接任何其它元件的情况；并联支路是指并联电容电抗器元件构成的支路；非悬空一侧有功为零支路是指一侧有功等于零，另一侧有功不为零的支路；非悬空一侧有功为零支路是指一侧有功等于零，另一侧有功不为零的交流线或变压器支路，即只有有功损耗，传输无功功率，不传输有功功率；这些情况需要在计算节点碳势之前处理，直接去除，否则会导致后面的节点碳势无法计算。

进一步的，所述步骤2>包括：以节点连接的功率流入该节点的支路作为标准进行编号，设与第j条支路两侧节点分别为m，n，支路有功为p_j，方向为m流向n，则节点i的流入该节点的支路数统计如下：

${\mathrm{IJ}}_j=\left\{\begin{array}{cc}1,& p_j>0\\ 0,& p_j\≤0\end{array}\right.$

${\mathrm{Num}}_{in}=\underset{j=1,j\∈I^m}{\Σ}(1-{\mathrm{IJ}}_j)+\underset{j=1,j\∈I^n}{\Σ}{\mathrm{IJ}}_j---\left(1\right)$

其中，IJ_j为第j条支路的有功流动方向标志，Num_in为节点i的流入支路数，I^m为m侧节点等于节点i的所有支路集合，Iⁿ为n侧节点等于节点i的所有支路集合。

用上述节点流入支路数替代传统的节点优化编号常用方法--半动态优化法中的节点支路数，即为碳流仿真半动态优化法。

进一步的，所述步骤3>的负荷合并包括：将多个负荷的有功功率加在一起生成“节点负荷”，“节点负荷”作为参与计算的负荷。

进一步的，所述步骤4>的发电负荷合并包括：设发电有功为PG，负荷有功为PL，判断如下：

PG-PL>0时，处理为有功为PG-PL的发电机，机组碳排放强度按下面公式计算：

PG-PL<＝0时，处理为PL-PG的负荷。

进一步的，所述步骤5>的处理有功为负的发电负荷包括：

从发电机列表中剔除有功为负的发电机；有功为负的负荷增加到发电机列表最后，并设其机组碳排放强度为0。

进一步的，所述步骤④的计算节点碳势指标的方法为：利用稀疏矩阵技术形成节点碳势方程组的各个矩阵，采用LU分解法进行大规模线性方程组求解，计算得到节点碳势指标，包括：

设电网具有N个节点，L条支路，有K个节点存在机组注入，M个节点存在负荷，具体如下：

f)生成机组碳排放强度向量EG：

设第k台发电机组的机组碳排放强度为EG_k，k＝1,2,…,K；则机组碳排放强度向量表示为：

EG＝[EG₁ EG₂ ... EG_K]^T (3)

g)生成机组注入分布矩阵PG：

机组注入分布矩阵为K×N阶矩阵，用PG＝(PG_kj)K×N表示，矩阵中的元素具体定义如下：

若第k台发电机组接入节点j，且从该机组注入节点j的有功为p，则PG_kj＝p，否则PG_kj＝0；

h)生成支路潮流分布矩阵PB：

支路潮流分布矩阵为N阶方阵，用PB＝(PB_ij)N×N表示。矩阵中的元素具体定义如下：

若节点i与节点j间有支路相连，且经此支路流入节点i的正向有功潮流为p，则PB_ij＝p，PB_ji＝0；若流经该支路的有功潮流p为反向潮流，则PB_ij＝0，PB_ji＝p；i,j＝1,2,…,N其他情况下PB_ij＝PB_ji＝0；

对所有对角元素，有PB_ii＝0，i＝1,2,…,N；

i)生成节点有功通量矩阵PN：

节点有功通量矩阵为N阶对角阵，用PN＝(PN_ij)N×N表示；矩阵的元素具体定义如下：

${\mathrm{PN}}_{ij}=\left\{\begin{array}{cc}\underset{k=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{\mathrm{PB}}_{ik}+\underset{k=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{\mathrm{PG}}_{ki},& i=j\\ 0,& i\&NotEqual;j\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，PB、PG分别为上面所述的支路潮流分布矩阵和机组注入分布矩阵；

j)计算节点碳势向量EN

设第i个节点的节点碳势为EN_k，i＝1,2,…,N则节点碳势向量表示为：

EN＝[EN₁ EN₂ ... EN_N]^T (5)

节点碳势向量计算公式如下：

(PN-PB^T)*EN＝PG^TEG (6)

其中，PN为节点有功通量矩阵，PB为支路潮流分布矩阵，PG为机组注入分布矩阵，EG为机组碳排放强度向量；

节点碳势计算属于大规模线性方程组的求解问题，化简为：

AX＝B (7)

其中，X为待求的节点碳势向量，维数为N*1，N为节点总数；A为系数矩阵，维数为N*N；B为常数向量，维数为N*1；

采用LU分解法进行大规模稀疏线性方程组求解，即将矩阵A分解为一个下三角矩阵L和一个上三角矩阵U的乘积：

A＝L*U (8)

令Y＝UX，则公式(8)分解为：

L*Y＝B (9)

U*X＝Y (10)

公式(9)通过稀疏矩阵前代方法求解，公式(10)通过稀疏矩阵回代方法求解。

进一步的，所述步骤⑤的计算碳流仿真分析的其它指标，包括下述步骤：

1>计算支路碳流率和支路网损碳流率；

计算得到节点碳势向量后，进一步得到系统各个支路的碳流率；设第j条支路两侧节点分别为m，n，则计算公式为：

${\mathrm{RB}}_j=\left\{\begin{array}{cc}{p}_j*{\mathrm{EN}}_m/10,& p_j\&GreaterEqual;0\\ -p_j*{\mathrm{EN}}_n/10,& p_j<0\end{array}\right.---\left(11\right)$

${\mathrm{RBL}}_j=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{pl}}_j*{\mathrm{EN}}_m/10,& p_j\&GreaterEqual;0\\ {\mathrm{pl}}_j*{\mathrm{EN}}_n/10,& p_j<0\end{array}\right.---\left(12\right)$

其中，RB_j、RBL_j分别为第j条支路的支路碳流率和、支路网损碳流率，单位：tCO2/h；p_j为支路有功，单位：MW，方向为m流向n；pl_j为支路有功损耗，单位：MW；EN_m为节点m的节点碳势，EN_n为节点n的节点碳势，单位：kgCO2/kWh；

2>计算发电碳流率；

首先判断是否有发电负荷合并，若有，则按下述公式(13)计算；没有发电负荷合并，则判断发电有功PG是否为负，若为负，则按下述公式(14)计算；若不为负，则按下述公式(15)计算；

$RG=\left\{\begin{array}{cc}PG*EG/10,& PG\&GreaterEqual;0\\ (PG-PL)*EN/10,& PG<0.and.PG-PL<0\\ 0,& PG<0.and.PG-PL\&GreaterEqual;0\end{array}\right.---\left(13\right)$

RG＝PG*EN/10 (14)

RG＝PG*EG/10 (15)

其中，RG为发电碳流率，单位：tCO2/h；EG为机组碳排放强度，单位：kgCO2/kWh；EN为发电机所连节点的节点碳势，单位：kgCO2/kWh；PG为发电有功功率，单位：MW；PL为负荷有功功率，单位：MW；

3>计算负荷碳流率：

首先判断是否有发电负荷合并，若有，则按下述公式(16)计算；没有发电负荷合并，则判断是否有负荷合并，若有，则按下述公式(17)计算；若没有负荷合并，则判断负荷有功PL是否为负，若为负，则取负荷碳流率为0；若不为负，则按下述公式(18)计算：

$RL=\left\{\begin{array}{cc}PL*EG/10,& PL>0.and.PG-PL\&GreaterEqual;0\\ PG*EG/10+(PL-PG)*EN/10,& PL>0.and.PG-PL<0\\ 0,& PL\&le;0\end{array}\right.---\left(16\right)$

其中，RL为负荷碳流率，单位：tCO2/h；EG为机组碳排放强度，单位：kgCO2/kWh；EN为负荷所连节点的节点碳势，单位：kgCO2/kWh；PG为发电有功功率，单位：MW；PL为负荷有功功率，单位：MW；

其中，I⁺为母线上挂的所有负荷中有功为正的负荷集合；RL_i为第i个负荷的负荷碳流率，单位：tCO2/h；PL_i为第i个负荷的有功，单位：MW；PL_j为第j个负荷的有功，单位：MW；EN为负荷所连节点的节点碳势，单位：kgCO2/kWh；PL_总为“节点负荷”的有功，单位：MW；

RL＝PL*EN/10 (18)

其中，RL为负荷碳流率，单位：tCO2/h；EN为发电机所联节点的节点碳势，单位：kgCO2/kWh；PL为负荷有功功率，单位：MW。

进一步的，所述步骤(2)包括：

①确定电网碳流分析的计算条件，包括：

1)电网碳流分析的计算指标，包括节点碳势、支路碳流率、支路网损碳流率、发电碳流率和负荷碳流率；

2)节点所属分区和节点所属电压等级数据，实际电网是分区管理的，全部电网元件分为若干个分区管理，每个节点都有一个固定的所属分区，分区数据由使用人员规定；实际电网中，节点归属一个固定的电压等级，电压等级包括500kV、220kV、110kV等，电压等级分类应提前由使用人员规定；

②确定电网碳流分析的计算指标，包括：

1)总发电-总负荷-总网损碳流率：包括总发电碳流率ΣRG、总负荷碳流率ΣRL、总网损碳流率ΣRBL和外送碳流率Rout四个指标；

总发电碳流率是指给定范围内(指定的分区、指定的电压等级或全网)所有发电机的发电碳流率之和；

总负荷碳流率是指给定范围内(指定的分区、指定的电压等级或全网)所有负荷的负荷碳流率之和；

总网损碳流率是指给定范围内(指定的分区、指定的电压等级或全网)所有支路的支路网损碳流率之和；

外送碳流率是指给定范围内(指定的分区、指定的电压等级)与外部的所有联络支路的有向碳流率之和；

通过下面等式方程来验证碳流仿真的正确性：

∑RG-∑RL-∑RBL-Rout＝0 (19)

公式(19)的本质是碳流率的总量守恒；如果公式(19)不成立，则说明碳流仿真计算的结果不正确；

2)分区平均节点碳势；

分区平均节点碳势定义为分区内所有节点的节点碳势的平均值；

3)电压等级平均节点碳势；

电压等级平均节点碳势定义为属于同一个电压等级的所有节点的节点碳势的平均值；

4)断面碳流率：

断面定义为指定的一条或几条规定支路潮流正方向的支路组成的有向支路集。断面碳流率定位为组成断面的所有支路的有向碳流率之和。

进一步的，电网碳流分析的计算指标的计算公式分别如下：

总发电碳流率：

${\mathrm{\&Sigma;RG}}_i=\underset{k\&Element;I^g}{\&Sigma;}{\mathrm{RG}}_k---\left(20\right)$

其中，ΣRG_i为第i个分区或电压等级的总发电碳流率，I^g为发电机所联节点的分区或电压等级等于i的发电机集合；

总负荷碳流率：

${\mathrm{\&Sigma;RL}}_i=\underset{k\&Element;I^l}{\&Sigma;}{\mathrm{RL}}_k---\left(21\right)$

其中，ΣRL_i为第i个分区或电压等级的总负荷碳流率，I^l为负荷所联节点的分区或电压等级等于i的负荷集合；

总网损碳流率：

${\mathrm{\&Sigma;RBL}}_i=\underset{k\&Element;I^b}{\&Sigma;}{\mathrm{RBL}}_k---\left(22\right)$

其中，ΣRBL_i为第i个分区或电压等级的总网损碳流率，I^b为支路两侧节点m,n的分区或电压等级都等于i的支路集合；

外送碳流率：

$\begin{array}{c}{\mathrm{IJ}}_j=\left\{\begin{array}{cc}1,& p_j>0\\ -1,& p_j\&le;0\end{array}\right.\\ {\mathrm{Rout}}_i=\underset{j\&Element;I^m}{\&Sigma;}{\mathrm{RB}}_j*{\mathrm{IJ}}_j-\underset{j\&Element;I^n}{\&Sigma;}{\mathrm{RB}}_j*{\mathrm{IJ}}_j\end{array}---\left(23\right)$

其中，Rout_i为第i个分区或电压等级的外送碳流率，I^m为m侧节点的分区或电压等级等于i的支路集合，Iⁿ为n侧节点的分区或电压等级等于i的支路集合，p^j为第j条支路的有功，RB_j为第j条支路的支路碳流率；

$EN\_Z_i=\frac{1}{n}\underset{k\&Element;I^i}{\&Sigma;}{\mathrm{EN}}_k---\left(24\right)$

其中，EN_Z_i为第i个分区的平均节点碳势，Iⁱ为属于第i个分区的节点集合，判断属于的标准为节点的分区属性等于第i个分区，n为集合Iⁱ的元素个数；

分区平均节点碳势：

$EN\_Z_i=\frac{1}{n}\underset{k\&Element;I^i}{\&Sigma;}{\mathrm{EN}}_k---\left(25\right)$

其中，EN_Z_i为第i个分区的平均节点碳势，Iⁱ为属于第i个分区的节点集合(判断属于的标准为节点的分区属性等于第i个分区)，n为集合Iⁱ的元素个数；

电压等级平均节点碳势：

$EN\_V_j=\frac{1}{n\_V}\underset{k\&Element;I^j}{\&Sigma;}{\mathrm{EN}}_k---\left(26\right)$

其中，EN_V_j为第j个电压等级的平均节点碳势，I^j为属于第j个电压等级的节点集合，判断属于的标准为节点的分区属性等于第j个电压等级，n_V为集合I^j的元素个数；

断面碳流率：

设第i个断面组成支路有K条，断面设置时定义了K条支路的断面正方向(m流向n，或n流向m，两个选择)；定义第k条支路的断面方向标志MN_k，取值如下：

则断面碳流率计算如下：

$\begin{array}{c}{\mathrm{IJ}}_k=\left\{\begin{array}{cc}1,& p_k>0\\ -1,& p_k\&le;0\end{array}\right.\\ RB\_{\mathrm{IT}}_i=\underset{k\&Element;I^c}{\&Sigma;}{\mathrm{RB}}_k*{\mathrm{IJ}}_k*{\mathrm{MN}}_k\end{array}---\left(28\right)$

其中，IJ_k为第j条支路的有功流动方向标志，RB_IT_i为第i个断面的断面碳流率，I^c为属于断面的支路集合，p_k为第k条支路的有功，RB_k为第k条支路的支路碳流率，MN_k为第k条支路的断面方向标志。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：

现有碳流计算方法还没有在大规模实际电网数据上计算，只是搭建小算例或是在配电网中得到应用，一般只适合几百个节点电网计算。

本发明所述方法可在4万个节点规模的交直流混合电网数据上进行碳流仿真分析，计算速度快。

本发明所述方法能够适应实际电网数据各种复杂情况，计算可靠性高。

本发明所述方法可按电网实际需求给出具体的碳流分析图表结论。

附图说明

图1是本发明提供的适应于大规模电网的电力系统碳流仿真分析方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

本发明分为两部分：电网碳流仿真方法和电网碳流分析方法。前者进行碳流仿真计算，得到碳流仿真指标；后者在前者得到的碳流仿真结果的基础上进行进一步分析，得到最终的碳流分析指标。

(一)电网碳流仿真方法

1.1计算条件

电网碳流仿真方法部分的计算条件为已有电网的网架数据、潮流结果数据和发电机的机组碳排放强度数据，具体为：

1)电网网架数据

包括组成电网的常规元件的连接关系，元件包括交流线、并联电容电抗器、变压器、发电机、负荷和直流系统。

2)潮流结果数据

包括所有元件的潮流结果，具体为：发电机的有功功率、负荷的有功功率、交流线有功功率及方向和有功损耗、并联支路的有功损耗、变压器的有功功率及方向和有功损耗(三绕组变压器等值为三个两绕组变压器)、直流系统各个端口的注入有功功率。

3)机组碳排放强度数据

每台发电机的机组碳排放强度数据，若无碳排放，则机组碳排放强度等于零。

1.2计算指标

原有的碳流的度量指标包括节点碳势、支路碳流率、支路碳流密度等等，结合实际仿真分析需要，碳流仿真分析需要的计算指标包括：

1)节点碳势

节点即电网潮流中的计算节点，节点碳势的定位为：在该节点消费单位电力时所引起的发电侧的碳排放值。用符号EN表示，单位为kgCO2/kWh。

2)支路碳流率

支路碳流率定义为单位时间内通过支路的碳流量，用符号RB表示，单位为tCO2/h。碳流仿真分析中的支路包括电网中所有的单端、双端和多端元件，包括交流线、变压器、并联电容电抗器和直流系统。

3)支路网损碳流率

只要有功率的消耗，就有相对应“消耗”的碳流量。支路网损碳流率定义为支路一的有功损耗相对应的碳流量。支路网损碳流率用符号RBL表示，单位与支路碳流率相同，为tCO2/h。

4)负荷碳流率

负荷碳流率定义为单位时间内负荷有功相对应“消耗”的碳流量，用符号RL表示，单位为tCO2/h。

5)发电碳流率

发电碳流率指标定义为发电机组单位时间内的碳排放量，用符号RG表示，单位为tCO2/h。

③增加实际电网碳流仿真需要进行的处理包括下述步骤：

1>数据预处理：进行数据预处理，处理悬空支路、并联支路和非悬空但一侧有功为零情况；

非悬空一侧有功为零支路是本专利的首次提出。非悬空一侧有功为零支路是指特殊情况下出现的一侧有功等于零，另一侧有功不为零的交流线或变压器支路，即只有有功损耗，传输无功功率，不传输有功功率。这种情况需要在计算节点碳势之前就处理，应直接去除，否则会导致后面的节点碳势无法计算。

技术方案是在已有的碳流计算方法基础上，增加实际电网碳流仿真需要进行的处理。包括：增加节点优化编号、稀疏矩阵计算方法，提高计算速度和可靠性；加入直流系统的处理，实现含各种直流系统的交直流混合电网碳流计算；在数据预处理阶段增加非悬空但一侧有功为零支路处理；增加有功为负的发电和负荷、负荷合并、发电负荷合并等特殊情况的处理，提高复杂数据的适应性。具体技术有：

2>碳流仿真节点优化编号；

稀疏矩阵技术用于解决大型电力网络的潮流计算和状态分析等问题中，大规模电网的碳流仿真显然也需要应用稀疏矩阵技术来极大提高计算速度。

稀疏矩阵运算过程中产生新的非零元素的数量与导纳矩阵中的元素排列有关。因此为了充分利用电力网络模型矩阵的稀疏特性，减少不必要的计算以提高求解效率，应该对网络节点进行节点编号优化。节点编号优化的目的就是为了寻求一种使非零注入元素数目最少的节点编号方案。

目前实际工程应用中广泛采用的节点优化编号方法有静态优化法、半动态优化法和动态优化法三类主要的传统方法。三种方法中，静态优化法效果不好，动态优化法运算速度很慢，半动态优化法的效果较好编号速度居中，适用于碳流仿真，因此本专利采用半动态优化法。

半动态优化法是找到连接支路最少的节点进行编号，然后消去该节点，每消去一个节点，尚未编号的节点的支路连接数就会发生变化，然后从未编号的节点中查找连接支路最少的节点紧挨编号。如此反复，直到消去所有节点。

根据碳流计算理论，节点碳势只受注入潮流的影响，从节点流出的潮流对节点碳势不产生影响。因此，碳流仿真中应用半动态优化法不能直接按照节点连接支路作为标准，而应该以节点连接的功率流入该节点的支路(简称为“流入支路”)作为标准进行编号。

以节点连接的功率流入该节点的支路作为标准进行编号，设与第j条支路两侧节点分别为m，n，支路有功为p_j，方向为m流向n，则节点i的流入该节点的支路数统计如下：

$\begin{array}{c}{\mathrm{IJ}}_j=\left\{\begin{array}{cc}1,& p_j>0\\ 0,& p_j\&le;0\end{array}\right.\\ {\mathrm{Num}}_{in}=\underset{j=1,j\&Element;I^m}{\&Sigma;}(1-{\mathrm{IJ}}_j)+\underset{j=1,j\&Element;I^n}{\&Sigma;}{\mathrm{IJ}}_j\end{array}---\left(1\right)$

其中，IJ_j为第j条支路的有功流动方向标志，Num_in为节点i的流入支路数，I^m为m侧节点等于节点i的所有支路集合，Iⁿ为n侧节点等于节点i的所有支路集合。用上述节点流入支路数替代传统的节点优化编号常用方法--半动态优化法中的节点支路数，即为碳流仿真半动态优化法。

3>负荷合并；实际电网仿真数据中往往还存在同一个母线上挂多个负荷的情况。如果负荷的有功都大于等于零不影响节点碳势计算，但如果存在有功为负的负荷，则需要总体判断是否对节点产生注入功率。

处理方法为负荷合并，即将多个负荷的有功功率加在一起生成“节点负荷”，节点负荷作为参与计算的负荷，避免了同一母线多个负荷问题。同时可以通过节点负荷的有功是否为负来判断对计算的影响。需要注意，负荷合并要在有功为负的发电负荷处理之前进行。将多个负荷的有功功率加在一起生成“节点负荷”，“节点负荷”作为参与计算的负荷。

4>发电负荷合并，包括：设发电有功为PG，负荷有功为PL，判断如下：

PG-PL>0时，处理为有功为PG-PL的发电机，机组碳排放强度按下面公式计算：

PG-PL<＝0时，处理为PL-PG的负荷。

正常发电机或负荷的有功大于或等于0，但在实际电网仿真数据中发电和负荷都存在有功小于0的情况。例如本地电网向外部电网输送功率，则外部电网等值发电机的有功就为负，有功为负的发电机不是注入功率到节点上，而是从节点上吸收功率；原始资料不明或参数缺失的发电机常常用有功为负的负荷进行等值，有功为负的负荷注入功率到节点上，相当于发电机。

5>处理有功为负的发电负荷：从发电机列表中剔除有功为负的发电机；有功为负的负荷增加到发电机列表最后，并设其机组碳排放强度为0。

④计算节点碳势指标；

利用稀疏矩阵技术形成节点碳势方程组的各个矩阵，采用LU分解法进行大规模线性方程组求解，计算得到节点碳势指标，包括：

设电网具有N个节点，L条支路，有K个节点存在机组注入，M个节点存在负荷，具体如下：

k)生成机组碳排放强度向量EG：

设第k台发电机组的机组碳排放强度为EG_k，k＝1,2,…,K；则机组碳排放强度向量表示为：

EG＝[EG₁ EG₂ ... EG_K]^T (3)

l)生成机组注入分布矩阵PG：

机组注入分布矩阵为K×N阶矩阵，用PG＝(PG_kj)K×N表示，矩阵中的元素具体定义如下：

若第k台发电机组接入节点j，且从该机组注入节点j的有功为p，则PG_kj＝p，否则PG_kj＝0；

m)生成支路潮流分布矩阵PB：

支路潮流分布矩阵为N阶方阵，用PB＝(PB_ij)N×N表示。矩阵中的元素具体定义如下：

若节点i与节点j间有支路相连，且经此支路流入节点i的正向有功潮流为p，则PB_ij＝p，PB_ji＝0；若流经该支路的有功潮流p为反向潮流，则PB_ij＝0，PB_ji＝p；i,j＝1,2,…,N其他情况下PB_ij＝PB_ji＝0；

对所有对角元素，有PB_ii＝0，i＝1,2,…,N；

n)生成节点有功通量矩阵PN：

节点有功通量矩阵为N阶对角阵，用PN＝(PN_ij)N×N表示；矩阵的元素具体定义如下：

${\mathrm{PN}}_{ij}=\left\{\begin{array}{cc}\underset{k=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{\mathrm{PB}}_{ik}+\underset{k=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{\mathrm{PG}}_{ki},& i=j\\ 0,& i\&NotEqual;j\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，PB、PG分别为上面所述的支路潮流分布矩阵和机组注入分布矩阵；

o)计算节点碳势向量EN

设第i个节点的节点碳势为EN_k，i＝1,2,…,N则节点碳势向量表示为：

EN＝[EN₁ EN₂ ... EN_N]^T (5)

节点碳势向量计算公式如下：

(PN-PB^T)*EN＝PG^TEG (6)

其中，PN为节点有功通量矩阵，PB为支路潮流分布矩阵，PG为机组注入分布矩阵，EG为机组碳排放强度向量；

节点碳势计算属于大规模线性方程组的求解问题，化简为：

AX＝B (7)

其中，X为待求的节点碳势向量，维数为N*1，N为节点总数；A为系数矩阵，维数为N*N；B为常数向量，维数为N*1；

根据节点碳势方程组的形成过程，系数矩阵A非零元素的总数为N+L。由于电网的特性，与节点相连的支路非常少，一般L与N的比值小于2，即矩阵A的非零元素总数小于3N。系数矩阵A的元素总数N²，显然在N比较大的情况下(本专利针对4万节点规模)，矩阵A的非零元素个数占所有元素总数的比例非常小。矩阵中只有少量的元素不为零的矩阵称为稀疏矩阵，显然系数矩阵A属于稀疏矩阵，节点碳势计算属于稀疏线性方程组求解问题。

稀疏线性方程组求解问题可采用稀疏矩阵技术，大大提高计算效率，减少计算所需内存和时间。稀疏矩阵技术是非常成熟的数学方法，可直接应用到节点碳势计算问题上，采用LU分解法进行大规模稀疏线性方程组求解，即将矩阵A分解为一个下三角矩阵L和一个上三角矩阵U的乘积：

A＝L*U (8)

令Y＝UX，则公式(8)分解为：

L*Y＝B (9)

U*X＝Y (10)

公式(9)通过稀疏矩阵前代方法求解，公式(10)通过稀疏矩阵回代方法求解。

⑤计算碳流仿真分析的其它指标：

包括下述步骤：

1>计算支路碳流率和支路网损碳流率；

计算得到节点碳势向量后，进一步得到系统各个支路的碳流率；设第j条支路两侧节点分别为m，n，则计算公式为：

${\mathrm{RB}}_j=\left\{\begin{array}{cc}{p}_j*{\mathrm{EN}}_m/10,& p_j\&GreaterEqual;0\\ -p_j*{\mathrm{EN}}_n/10,& p_j<0\end{array}\right.---\left(11\right)$

${\mathrm{RBL}}_j=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{pl}}_j*{\mathrm{EN}}_m/10,& p_j\&GreaterEqual;0\\ {\mathrm{pl}}_j*{\mathrm{EN}}_n/10,& p_j<0\end{array}\right.---\left(12\right)$

其中，RB_j、RBL_j分别为第j条支路的支路碳流率和、支路网损碳流率，单位：tCO2/h；p_j为支路有功，单位：MW，方向为m流向n；pl_j为支路有功损耗，单位：MW；EN_m为节点m的节点碳势，EN_n为节点n的节点碳势，单位：kgCO2/kWh；

2>计算发电碳流率；

首先判断是否有发电负荷合并，若有，则按下述公式(13)计算；没有发电负荷合并，则判断发电有功PG是否为负，若为负，则按下述公式(14)计算；若不为负，则按下述公式(15)计算；

$RG=\left\{\begin{array}{cc}PG*EG/10,& PG\&GreaterEqual;0\\ (PG-PL)*EN/10,& PG<0.and.PG-PL<0\\ 0,& PG<0.and.PG-PL\&GreaterEqual;0\end{array}\right.---\left(13\right)$

RG＝PG*EN/10 (14)

RG＝PG*EG/10 (15)

其中，RG为发电碳流率，单位：tCO2/h；EG为机组碳排放强度，单位：kgCO2/kWh；EN为发电机所连节点的节点碳势，单位：kgCO2/kWh；PG为发电有功功率，单位：MW；PL为负荷有功功率，单位：MW；

3>计算负荷碳流率：

首先判断是否有发电负荷合并，若有，则按下述公式(16)计算；没有发电负荷合并，则判断是否有负荷合并，若有，则按下述公式(17)计算；若没有负荷合并，则判断负荷有功PL是否为负，若为负，则取负荷碳流率为0；若不为负，则按下述公式(18)计算：

$RL=\left\{\begin{array}{cc}PL*EG/10,& PL>0.and.PG-PL\&GreaterEqual;0\\ PG*EG/10+(PL-PG)*EN/10,& PL>0.and.PG-PL<0\\ 0,& PL\&le;0\end{array}\right.---\left(16\right)$

其中，RL为负荷碳流率，单位：tCO2/h；EG为机组碳排放强度，单位：kgCO2/kWh；EN为负荷所连节点的节点碳势，单位：kgCO2/kWh；PG为发电有功功率，单位：MW；PL为负荷有功功率，单位：MW；

其中，I⁺为母线上挂的所有负荷中有功为正的负荷集合；RL_i为第i个负荷的负荷碳流率，单位：tCO2/h；PL_i为第i个负荷的有功，单位：MW；PL_j为第j个负荷的有功，单位：MW；EN为负荷所连节点的节点碳势，单位：kgCO2/kWh；PL_总为“节点负荷”的有功，单位：MW；

RL＝PL*EN/10 (18)

其中，RL为负荷碳流率，单位：tCO2/h；EN为发电机所联节点的节点碳势，单位：kgCO2/kWh；PL为负荷有功功率，单位：MW。

(二)碳流分析方法

确定计算条件

电网碳流分析方法部分的计算条件有：

1)电网碳流分析的计算指标，包括节点碳势、支路碳流率、支路网损碳流率、发电碳流率和负荷碳流率；

2)节点所属分区和节点所属电压等级数据，实际电网是分区管理的，全部电网(简称全网)元件分为若干个分区管理，因此每个节点都有一个固定的所属分区，分区数据应提前由使用人员规定。实际电网中，节点归属一个固定的电压等级，电压等级包括500kV、220kV、110kV等，电压等级分类应提前由使用人员规定。

确定计算指标

实际仿真人员需要知道碳流的分布情况，碳排放的高低情况、碳流转移情况，因此需要对电网碳流仿真结果利用统计方法学进行统计分析，提炼出反映实际人员需要的指标，本专利提出的指标包括：

1)总发电-总负荷-总网损碳流率

包括总发电碳流率ΣRG、总负荷碳流率ΣRL、总网损碳流率ΣRBL和外送碳流率Rout四个指标。

总发电碳流率是指给定范围内(指定的分区、指定的电压等级或全网)所有发电机的发电碳流率之和。

总负荷碳流率是指给定范围内(指定的分区、指定的电压等级或全网)所有负荷的负荷碳流率之和。

总网损碳流率是指给定范围内(指定的分区、指定的电压等级或全网)所有支路的支路网损碳流率之和。

外送碳流率是指给定范围内(指定的分区、指定的电压等级)与外部的所有联络支路的有向碳流率之和。有向碳流率是指在支路碳流率上加一个方向，若支路的潮流方向为指向给定范围之外，则有向碳流率等于支路碳流率，若支路的潮流方向为指向给定范围之内，则有向碳流率等于支路碳流率乘以-1。全网的外送碳流率等于0。

通过下面等式方程来验证碳流仿真的正确性：

∑RG-∑RL-∑RBL-Rout＝0 (19)

公式(19)的本质是碳流率的总量守恒；如果公式(19)不成立，则说明碳流仿真计算的结果不正确；

2)分区、电压等级平均节点碳势

实际电网节点众多，不利于总体分析。分区平均节点碳势定义为分区内所有节点的节点碳势的平均值，电压等级平均节点碳势定义为属于同一个电压等级的所有节点的节点碳势的平均值。

3)断面碳流率

实际电网往往会划定一些断面作为主要监视对象。断面定义为指定的一条或几条规定支路潮流正方向的支路组成的有向支路集。断面碳流率定位为组成断面的所有支路的有向碳流率之和。有向碳流率是指在支路碳流率上加一个方向，若支路的潮流方向与断面定义的正方向相同时，则有向碳流率等于支路碳流率，若支路的潮流方向与断面定义的正方向相反时，则有向碳流率等于支路碳流率乘以-1。

电网碳流分析的计算指标的计算公式分别如下：

总发电碳流率：

${\mathrm{\&Sigma;RG}}_i=\underset{k\&Element;I^g}{\&Sigma;}{\mathrm{RG}}_k---\left(20\right)$

其中，ΣRG_i为第i个分区或电压等级的总发电碳流率，I^g为发电机所联节点的分区或电压等级等于i的发电机集合；

总负荷碳流率：

${\mathrm{\&Sigma;RL}}_i=\underset{k\&Element;I^l}{\&Sigma;}{\mathrm{RL}}_k---\left(21\right)$

其中，ΣRL_i为第i个分区或电压等级的总负荷碳流率，I^l为负荷所联节点的分区或电压等级等于i的负荷集合；

总网损碳流率：

${\mathrm{\&Sigma;RBL}}_i=\underset{k\&Element;I^b}{\&Sigma;}{\mathrm{RBL}}_k---\left(22\right)$

其中，ΣRBL_i为第i个分区或电压等级的总网损碳流率，I^b为支路两侧节点m,n的分区或电压等级都等于i的支路集合；

外送碳流率：

$\begin{array}{c}{\mathrm{IJ}}_j=\left\{\begin{array}{cc}1,& p_j>0\\ -1,& p_j\&le;0\end{array}\right.\\ {\mathrm{Rout}}_i=\underset{j\&Element;I^m}{\&Sigma;}{\mathrm{RB}}_j*{\mathrm{IJ}}_j-\underset{j\&Element;I^n}{\&Sigma;}{\mathrm{RB}}_j*{\mathrm{IJ}}_j\end{array}---\left(23\right)$

其中，Rout_i为第i个分区或电压等级的外送碳流率，I^m为m侧节点的分区或电压等级等于i的支路集合，Iⁿ为n侧节点的分区或电压等级等于i的支路集合，p^j为第j条支路的有功，RB_j为第j条支路的支路碳流率；

$EN\_Z_i=\frac{1}{n}\underset{k\&Element;I^i}{\&Sigma;}{\mathrm{EN}}_k---\left(24\right)$

其中，EN_Z_i为第i个分区的平均节点碳势，Iⁱ为属于第i个分区的节点集合，判断属于的标准为节点的分区属性等于第i个分区，n为集合Iⁱ的元素个数；

分区平均节点碳势：

$EN\_Z_i=\frac{1}{n}\underset{k\&Element;I^i}{\&Sigma;}{\mathrm{EN}}_k---\left(25\right)$

其中，EN_Z_i为第i个分区的平均节点碳势，Iⁱ为属于第i个分区的节点集合(判断属于的标准为节点的分区属性等于第i个分区)，n为集合Iⁱ的元素个数；

电压等级平均节点碳势：

$EN\_V_j=\frac{1}{n\_V}\underset{k\&Element;I^j}{\&Sigma;}{\mathrm{EN}}_k---\left(26\right)$

其中，EN_V_j为第j个电压等级的平均节点碳势，I^j为属于第j个电压等级的节点集合，判断属于的标准为节点的分区属性等于第j个电压等级，n_V为集合I^j的元素个数；

断面碳流率：

设第i个断面组成支路有K条，断面设置时定义了K条支路的断面正方向(m流向n，或n流向m，两个选择)；定义第k条支路的断面方向标志MN_k，取值如下：

则断面碳流率计算如下：

$\begin{array}{c}{\mathrm{IJ}}_k=\left\{\begin{array}{cc}1,& p_k>0\\ -1,& p_k\&le;0\end{array}\right.\\ RB\_{\mathrm{IT}}_i=\underset{k\&Element;I^c}{\&Sigma;}{\mathrm{RB}}_k*{\mathrm{IJ}}_k*{\mathrm{MN}}_k\end{array}---\left(28\right)$

其中，IJ_k为第j条支路的有功流动方向标志，RB_IT_i为第i个断面的断面碳流率，I^c为属于断面的支路集合，p_k为第k条支路的有功，RB_k为第k条支路的支路碳流率，MN_k为第k条支路的断面方向标志。

本发明结合实际大规模电网的特点和电网仿真分析的需要，给出了完整、实用的大规模电网碳流仿真方法，并提出了电网碳流分析方法，在碳流仿真结果基础上进行加工，得到实际电网仿真人员可以综合应用、指导生产实践的碳流仿真分析结果。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (12)

1.一种适应于大规模电网的电力系统碳流仿真分析方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

(1)电网碳流仿真；

(2)电网碳流分析。

2.如权利要求1所述的电力系统碳流仿真分析方法，其特征在于，所述步骤(1)包括下述步骤：

①确定计算条件，读取数据，包括：

1)电网网架数据：

包括组成电网元件的连接关系，元件包括交流线、并联电容电抗器、变压器、发电机、负荷和直流系统；

2)潮流结果数据：

包含所有元件的潮流结果，其包括：发电机的有功功率、负荷的有功功率、交流线有功功率及方向和有功损耗、并联支路的有功损耗、变压器的有功功率及方向和有功损耗、直流系统各个端口的注入有功功率；

3)机组碳排放强度数据：

每台发电机的机组碳排放强度数据，若无碳排放，则机组碳排放强度等于零；

②确定碳流仿真分析需要的计算指标，包括：

1)节点碳势：

节点即电网潮流中的计算节点，节点碳势的定位为：在该节点消费单位电力时所引起的发电侧的碳排放值；用符号EN表示，单位为kgCO2/kWh；

2)支路碳流率：

支路碳流率定义为单位时间内通过支路的碳流量，用符号RB表示，单位为tCO2/h；碳流仿真分析中的支路包括电网中所有的单端、双端和多端元件，所述单端、双端和多端元件包括交流线、变压器、并联电容电抗器和直流系统；

3)支路网损碳流率：

支路网损碳流率定义为支路一的有功损耗相对应的碳流量；支路网损碳流率用符号RBL表示，单位与支路碳流率相同，为tCO2/h；

4)负荷碳流率：

负荷碳流率定义为单位时间内负荷有功相对应消耗的碳流量，用符号RL表示，单位为tCO2/h；

5)发电碳流率：

发电碳流率指标定义为发电机组单位时间内的碳排放量，用符号RG表示，单位为tCO2/h；

③增加实际电网碳流仿真需要进行的处理；

④计算节点碳势指标；

⑤计算碳流仿真分析的其它指标。

3.如权利要求2所述的电力系统碳流仿真分析方法，其特征在于，所述步骤③的增加实际电网碳流仿真需要进行的处理包括下述步骤：

1>数据预处理：进行数据预处理，处理悬空支路、并联支路和非悬空但一侧有功为零情况；

2>碳流仿真节点优化编号；

3>负荷合并；

4>发电负荷合并；

5>处理有功为负的发电负荷。

4.如权利要求3所述的电力系统碳流仿真分析方法，其特征在于，所述步骤1>中，悬空支路指的是一侧母线没有连接任何其它元件的情况；并联支路是指并联电容电抗器元件构成的支路；非悬空一侧有功为零支路是指一侧有功等于零，另一侧有功不为零的支路；非悬空一侧有功为零支路是指一侧有功等于零，另一侧有功不为零的交流线或变压器支路，即只有有功损耗，传输无功功率，不传输有功功率；这些情况需要在计算节点碳势之前处理，直接去除，否则会导致后面的节点碳势无法计算。

5.如权利要求3所述的电力系统碳流仿真分析方法，其特征在于，所述步骤2>包括：以节点连接的功率流入该节点的支路作为标准进行编号，设与第j条支路两侧节点分别为m，n，支路有功为p_j，方向为m流向n，则节点i的流入该节点的支路数统计如下：

${\mathrm{IJ}}_j=\left\{\begin{array}{cc}1,& p_j>0\\ 0,& p_j\&le;0\end{array}\right.$

${\mathrm{Num}}_{in}=\underset{j=1,j\&Element;I^m}{\&Sigma;}(1-{\mathrm{IJ}}_j)+\underset{j=1,j\&Element;I^n}{\&Sigma;}{\mathrm{IJ}}_j---\left(1\right)$

其中，IJ_j为第j条支路的有功流动方向标志，Num_in为节点i的流入支路数，I^m为m侧节点等于节点i的所有支路集合，Iⁿ为n侧节点等于节点i的所有支路集合；

用上述节点流入支路数替代传统的节点优化编号方法--半动态优化法中的节点支路数，即为碳流仿真半动态优化法。

6.如权利要求3所述的电力系统碳流仿真分析方法，其特征在于，所述步骤3>的负荷合并包括：将多个负荷的有功功率加在一起生成“节点负荷”，“节点负荷”作为参与计算的负荷。

7.如权利要求3所述的电力系统碳流仿真分析方法，其特征在于，所述步骤4>的发电负荷合并包括：设发电有功为PG，负荷有功为PL，判断如下：

PG-PL>0时，处理为有功为PG-PL的发电机，机组碳排放强度按下面公式计算：

PG-PL<＝0时，处理为PL-PG的负荷。

8.如权利要求2所述的电力系统碳流仿真分析方法，其特征在于，所述步骤5>的处理有功为负的发电负荷包括：

从发电机列表中剔除有功为负的发电机；有功为负的负荷增加到发电机列表最后，并设其机组碳排放强度为0。

9.如权利要求2所述的电力系统碳流仿真分析方法，其特征在于，所述步骤④的计算节点碳势指标的方法为：利用稀疏矩阵技术形成节点碳势方程组的各个矩阵，采用LU分解法进行大规模线性方程组求解，计算得到节点碳势指标，包括：

设电网具有N个节点，L条支路，有K个节点存在机组注入，M个节点存在负荷，具体如下：

a)生成机组碳排放强度向量EG：

设第k台发电机组的机组碳排放强度为EG_k，k＝1,2,…,K；则机组碳排放强度向量表示为：

EG＝[EG₁ EG₂ ... EG_K]^T (3)

b)生成机组注入分布矩阵PG：

机组注入分布矩阵为K×N阶矩阵，用PG＝(PG_kj)K×N表示，矩阵中的元素具体定义如下：

若第k台发电机组接入节点j，且从该机组注入节点j的有功为p，则PG_kj＝p，否则PG_kj＝0；

c)生成支路潮流分布矩阵PB：

支路潮流分布矩阵为N阶方阵，用PB＝(PB_ij)N×N表示；矩阵中的元素具体定义如下：

若节点i与节点j间有支路相连，且经此支路流入节点i的正向有功潮流为p，则PB_ij＝p，PB_ji＝0；若流经该支路的有功潮流p为反向潮流，则PB_ij＝0，PB_ji＝p；i,j＝1,2,…,N其他情况下PB_ij＝PB_ji＝0；

对所有对角元素，有PB_ii＝0，i＝1,2,…,N；

d)生成节点有功通量矩阵PN：

节点有功通量矩阵为N阶对角阵，用PN＝(PN_ij)N×N表示；矩阵的元素具体定义如下：

${\mathrm{PN}}_{ij}=\left\{\begin{array}{cc}\underset{k=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{\mathrm{PB}}_{ik}+\underset{k=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{\mathrm{PG}}_{ki},& i=j\\ 0,& i\&NotEqual;j\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，PB、PG分别为上面所述的支路潮流分布矩阵和机组注入分布矩阵；

e)计算节点碳势向量EN

设第i个节点的节点碳势为EN_k，i＝1,2,…,N则节点碳势向量表示为：

EN＝[EN₁ EN₂ ... EN_N]^T (5)

节点碳势向量计算公式如下：

(PN-PB^T)*EN＝PG^TEG (6)

其中，PN为节点有功通量矩阵，PB为支路潮流分布矩阵，PG为机组注入分布矩阵，EG为机组碳排放强度向量；

节点碳势计算属于大规模线性方程组的求解问题，化简为：

AX＝B (7)

其中，X为待求的节点碳势向量，维数为N*1，N为节点总数；A为系数矩阵，维数为N*N；B为常数向量，维数为N*1；

采用LU分解法进行大规模稀疏线性方程组求解，即将矩阵A分解为一个下三角矩阵L和一个上三角矩阵U的乘积：

A＝L*U (8)

令Y＝UX，则公式(8)分解为：

L*Y＝B (9)

U*X＝Y (10)

公式(9)通过稀疏矩阵前代方法求解，公式(10)通过稀疏矩阵回代方法求解。

10.如权利要求2所述的电力系统碳流仿真分析方法，其特征在于，所述步骤⑤的计算碳流仿真分析的其它指标，包括下述步骤：

1>计算支路碳流率和支路网损碳流率；

计算得到节点碳势向量后，进一步得到系统各个支路的碳流率；设第j条支路两侧节点分别为m，n，则计算公式为：

${\mathrm{RB}}_j=\left\{\begin{array}{cc}{p}_j*{\mathrm{EN}}_m/10,& p_j\&GreaterEqual;0\\ -p_j*{\mathrm{EN}}_n/10,& p_j<0\end{array}\right.---\left(11\right)$

${\mathrm{RBL}}_j=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{pl}}_j*{\mathrm{EN}}_m/10,& p_j\&GreaterEqual;0\\ {\mathrm{pl}}_j*{\mathrm{EN}}_n/10,& p_j<0\end{array}\right.---\left(12\right)$

其中，RB_j、RBL_j分别为第j条支路的支路碳流率和、支路网损碳流率，单位：tCO2/h；p_j为支路有功，单位：MW，方向为m流向n；pl_j为支路有功损耗，单位：MW；EN_m为节点m的节点碳势，EN_n为节点n的节点碳势，单位：kgCO2/kWh；

2>计算发电碳流率；

首先判断是否有发电负荷合并，若有，则按下述公式(13)计算；没有发电负荷合并，则判断发电有功PG是否为负，若为负，则按下述公式(14)计算；若不为负，则按下述公式(15)计算；

$RG=\left\{\begin{array}{cc}PG*EG/10,& PG\&GreaterEqual;0\\ (PG-PL)*EN/10,& PG<0.and.PG-PL<0\\ 0,& PG<0.and.PG-PL\&GreaterEqual;0\end{array}\right.---\left(13\right)$

RG＝PG*EN/10 (14)

RG＝PG*EG/10 (15)

其中，RG为发电碳流率，单位：tCO2/h；EG为机组碳排放强度，单位：kgCO2/kWh；EN为发电机所连节点的节点碳势，单位：kgCO2/kWh；PG为发电有功功率，单位：MW；PL为负荷有功功率，单位：MW；

3>计算负荷碳流率：

首先判断是否有发电负荷合并，若有，则按下述公式(16)计算；没有发电负荷合并，则判断是否有负荷合并，若有，则按下述公式(17)计算；若没有负荷合并，则判断负荷有功PL是否为负，若为负，则取负荷碳流率为0；若不为负，则按下述公式(18)计算：

$RL=\left\{\begin{array}{cc}PL*EG/10,& PL>0.and.PG-PL\&GreaterEqual;0\\ PG*EG/10+(PL-PG)*EN/10,& PL>0.and.PG-PL<0\\ 0,& PL\&le;0\end{array}\right.---\left(16\right)$

其中，RL为负荷碳流率，单位：tCO2/h；EG为机组碳排放强度，单位：kgCO2/kWh；EN为负荷所连节点的节点碳势，单位：kgCO2/kWh；PG为发电有功功率，单位：MW；PL为负荷有功功率，单位：MW；

其中，I⁺为母线上挂的所有负荷中有功为正的负荷集合；RL_i为第i个负荷的负荷碳流率，单位：tCO2/h；PL_i为第i个负荷的有功，单位：MW；PL_j为第j个负荷的有功，单位：MW；EN为负荷所连节点的节点碳势，单位：kgCO2/kWh；PL_总为“节点负荷”的有功，单位：MW；

RL＝PL*EN/10 (18)

其中，RL为负荷碳流率，单位：tCO2/h；EN为发电机所联节点的节点碳势，单位：kgCO2/kWh；PL为负荷有功功率，单位：MW。

11.如权利要求1所述的电力系统碳流仿真分析方法，其特征在于，所述步骤(2)包括：

①确定电网碳流分析的计算条件，包括：

1)电网碳流分析的计算指标，包括节点碳势、支路碳流率、支路网损碳流率、发电碳流率和负荷碳流率；

2)节点所属分区和节点所属电压等级数据，实际电网是分区管理的，全部电网元件分为若干个分区管理，每个节点都有一个固定的所属分区，分区数据由使用人员规定；实际电网中，节点归属一个固定的电压等级，电压等级包括500kV、220kV、110kV等，电压等级分类应提前由使用人员规定；

②确定电网碳流分析的计算指标，包括：

1)总发电-总负荷-总网损碳流率：包括总发电碳流率ΣRG、总负荷碳流率ΣRL、总网损碳流率ΣRBL和外送碳流率Rout四个指标；

总发电碳流率是指给定范围内所有发电机的发电碳流率之和；

总负荷碳流率是指给定范围内所有负荷的负荷碳流率之和；

总网损碳流率是指给定范围内所有支路的支路网损碳流率之和；

外送碳流率是指给定范围内与外部的所有联络支路的有向碳流率之和；

通过下面等式方程来验证碳流仿真的正确性：

∑RG-∑RL-∑RBL-Rout＝0 (19)

公式(19)的本质是碳流率的总量守恒；如果公式(19)不成立，则说明碳流仿真计算的结果不正确；

2)分区平均节点碳势；

分区平均节点碳势定义为分区内所有节点的节点碳势的平均值；

3)电压等级平均节点碳势；

电压等级平均节点碳势定义为属于同一个电压等级的所有节点的节点碳势的平均值；

4)断面碳流率：

断面定义为指定的一条或几条规定支路潮流正方向的支路组成的有向支路集。断面碳流率定位为组成断面的所有支路的有向碳流率之和。

12.如权利要求11所述的电力系统碳流仿真分析方法，其特征在于，电网碳流分析的计算指标的计算公式分别如下：

总发电碳流率：

${\mathrm{\&Sigma;RG}}_i=\underset{k\&Element;I^g}{\&Sigma;}{\mathrm{RG}}_k---\left(20\right)$

其中，∑RG_i为第i个分区或电压等级的总发电碳流率，I^g为发电机所联节点的分区或电压等级等于i的发电机集合；

总负荷碳流率：

${\mathrm{\&Sigma;RL}}_i=\underset{k\&Element;I^l}{\&Sigma;}{\mathrm{RL}}_k---\left(21\right)$

其中，∑RL_i为第i个分区或电压等级的总负荷碳流率，I^l为负荷所联节点的分区或电压等级等于i的负荷集合；

总网损碳流率：

${\mathrm{\&Sigma;RBL}}_i=\underset{k\&Element;I^b}{\&Sigma;}{\mathrm{RBL}}_k---\left(22\right)$

其中，∑RBL_i为第i个分区或电压等级的总网损碳流率，I^b为支路两侧节点m,n的分区或电压等级都等于i的支路集合；

外送碳流率：

$\begin{array}{c}{\mathrm{IJ}}_j=\left\{\begin{array}{cc}1,& p_j>0\\ -1,& p_j\&le;0\end{array}\right.\\ {\mathrm{Rout}}_i=\underset{j\&Element;I^m}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{RB}}_j*{\mathrm{IJ}}_j-\underset{j\&Element;I^n}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{RB}}_j*{\mathrm{IJ}}_j\end{array}---\left(23\right)$

其中，Rout_i为第i个分区或电压等级的外送碳流率，I^m为m侧节点的分区或电压等级等于i的支路集合，Iⁿ为n侧节点的分区或电压等级等于i的支路集合，p^j为第j条支路的有功，RB_j为第j条支路的支路碳流率；

$EN\_Z_i=\frac{1}{n}\underset{k\&Element;I^i}{\&Sigma;}{\mathrm{EN}}_k---\left(24\right)$

其中，EN_Z_i为第i个分区的平均节点碳势，Iⁱ为属于第i个分区的节点集合，判断属于的标准为节点的分区属性等于第i个分区，n为集合Iⁱ的元素个数；

分区平均节点碳势：

$EN\_Z_i=\frac{1}{n}\underset{k\&Element;I^i}{\&Sigma;}{\mathrm{EN}}_k---\left(25\right)$

其中，EN_Z_i为第i个分区的平均节点碳势，Iⁱ为属于第i个分区的节点集合，判断属于的标准为节点的分区属性等于第i个分区，n为集合Iⁱ的元素个数；

电压等级平均节点碳势：

$EN\_V_j=\frac{1}{v\_V}\underset{k\&Element;I^j}{\&Sigma;}{\mathrm{EN}}_k---\left(26\right)$

其中，EN_V_j为第j个电压等级的平均节点碳势，I^j为属于第j个电压等级的节点集合，判断属于的标准为节点的分区属性等于第j个电压等级，n_V为集合I^j的元素个数；

断面碳流率：

设第i个断面组成支路有K条，断面设置时定义了K条支路的断面正方向；定义第k条支路的断面方向标志MN_k，取值如下：

则断面碳流率计算如下：

$\begin{array}{c}{\mathrm{IJ}}_k=\left\{\begin{array}{cc}1,& p_k>0\\ -1,& p_k\&le;0\end{array}\right.\\ RB\_{\mathrm{IT}}_i=\underset{k\&Element;I^c}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{RB}}_k*{\mathrm{IJ}}_k*{\mathrm{MN}}_k\end{array}---\left(28\right)$

其中，IJ_k为第j条支路的有功流动方向标志，RB_IT_i为第i个断面的断面碳流率，I^c为属于断面的支路集合，p_k为第k条支路的有功，RB_k为第k条支路的支路碳流率，MN_k为第k条支路的断面方向标志。