CN107769192A - 一种供用电网络节点/支路碳流计算方法 - Google Patents

一种供用电网络节点/支路碳流计算方法 Download PDF

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卢晗
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Abstract

本发明提供一种电力系统供用电网络节点/支路的碳流计算方法，依据潮流分布定量确定碳流的流动状态，以辨识系统中碳排放在产生、传输和消费中的去路。主要包含：电力网络节点碳势、支路碳流率及负荷碳流率的计算。运用该方法进行碳排放流的计算与分析，有助于企业识别电力系统中的高碳要素，以提出针对性的优化措施，对未来电网面向低碳的发展与规划起到指导性的帮助。

Description

一种供用电网络节点/支路碳流计算方法
技术领域
本发明涉及低碳电力发展模式及电力系统碳排放量测算方法领域，具体为一种电力系统供用电网络节点、支路的碳排放强度评估方法，主要包括节点碳势、支路碳流率、负荷碳流率等的计算。
背景技术
随着全球经济高速发展及人口规模的不断扩大，人类赖以生存的生态环境面临严峻挑战。就电力行业而言，转变传统发展模式，积极发展低碳电力是电力行业节能减排的必经之路。在我国电力需求高速增长的背景下，作为CO2排放量的主要来源之一，电力行业急需调整发展模式，促进电力系统向低碳化模式发展，为落实国家CO2减排任务作出应有的贡献。如果能形成一个有效、全面的电力系统碳排放流测算分析方法，就可以加深对电力系统碳排放的认识，分析复杂供用电网络节点及支路碳排放以及碳流动状态，得到系统中“高碳要素”（碳势高的节点和碳流率大的线路）的分布情况，以开展针对性的优化措施，为我国未来对协同低碳发展模式及绿电认购新模式探讨等一系列制约低碳智能电网发展的关键问题提供技术支撑。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种供用电网络节点/支路碳流测算方法，该方法针对电力系统全网络机组、节点、支路等多个碳流关联部分，对网络中的节点碳势、支路碳流率、负荷碳流率进行分析研究，以得出系统中碳势高的节点和碳流率大的线路，提高电力系统对自身高碳要素的辨识，为进一步低碳优化提供依据。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种电力系统供用电网络节点/支路的碳流计算方法，包括：系统网络节点碳势的计算，然后由全网节点碳势推出网络中的各支路碳流率及负荷碳流率。其中，节点碳势为在该点消费单位电量所造成的等效于发电侧的碳排放值；支路碳流率为某一支路在单位时间内随潮流而通过的碳流量；负荷碳流率为发电侧为供应节点负荷单位时间产生的碳排放量。
所述的方法，节点碳势描述节点碳排放强度，由表达，其计算方法为：
其中，n为节点个数，PB为支路潮流分布矩阵，PG为机组注入分布矩阵，为支路s的碳流密度，Pi为有功潮流。
所述的方法，网络中各节点总的注入碳排放流计算方法包括：
首先得到发电机对各节点的注入碳排放流
其次，同理可知各支路对各节点的注入碳排放流为，然后根据下式计算某一节点i总的注入碳排放流为：
其中，EG为发电机组碳排放强度向量，不同发电机组具有不同的碳排放特性，是已知条件，，为N维单位行向量，且第i个元素为1。
所述的方法，节点碳势仅受注入潮流的影响，故将潮流方向流入节点有功潮流的绝对量定义为节点有功通量，节点i处有功潮流的计算方法包括：
其中，为潮流流入节点i的集合，为支路s的有功功率，为接入节点i的发电机出力，若无发电机组接入，则。该矩阵所有非对角元素。
所述的方法，节点碳势的计算方法包括：
首先，
其次，，
，
然后得出，所以。
所述的方法，所有从节点流出潮流的支路碳流密度与该节点碳势相等，计算方法如下：
==
所述的方法，负荷碳流率RL计算方法包括：
首先得到负荷碳流矩阵PL，根据求得的节点碳势EN，由下式计算负荷碳流率：
本发明的优点：本发明基于碳排放流理论，探索了一种相对高效、精确的电力系统供用电网络节点/支路碳流计算方法，这种方法将碳排放在电力系统中以碳排放流的形式进行实体化，并与电力潮流相关联，把电力系统中的低碳要素通过碳排放流联系起来。不仅有助于电力系统对自身高碳要素的辨识，以进行针对性的优化决策，而且对未来电网面向低碳的发展与规划也将起到指导性的帮助。系统中流入所有支路与节点的潮流和碳排放流均来源于发电机组，本方法通过网络拓扑将流过支路和节点的碳排放流与系统中发电机组注入的碳排放流对应起来，核算各部分碳排放流，识别碳排放流从发电机组流向负荷的通道，分析机组类型的差异、接入系统位置的区别、出力的不同对系统碳排放流分布的影响，以加深对电力系统碳排放的认识，得到系统中“高碳要素”的分布情况，对面向低碳的电力调度方法、发电计划与运行方式的制定、乃至中长期面向低碳的电源电网规划优化决策都具有重要意义。
附图说明
图1为WSCC 9节点系统的拓扑结构示意图；
图2为节点碳势图；
图3为支路碳流率图；
图4为负荷碳流率图。
具体实施方式
本发明基于碳排放流理论，对电力系统碳排放进行了深入的认识，在给定系统网络的条件下，PN、PB、PG、EG均是已知的，由节点碳势、节点有功功率通量矩阵、支路碳流率、负荷碳流率等变量的物理意义，分别得出电力网络中的节点碳势、支路碳流率、节点碳流率等的计算公式，核算各部分碳排放流。该方法可以系统、准确的辨识网络中碳势高的节点和碳流率大的线路，为针对性低碳优化措施的实施提供技术依据。
（1）节点碳势
描述节点碳排放强度，其物理意义表示为在该点消费单位电量所造成的等效于发电侧的碳排放值，用符号e表示，节点碳势向量表示为：。由节点碳势的定义可知，
其中，PB为支路潮流分布矩阵，PG为机组注入分布矩阵，P为有功潮流，为支路s的碳流密度。
在给定系统网络的条件下，已知PN、PB、PG、EG，EN的计算方法如下：
首先，发电机对各节点的注入碳排放流计算如下式：
同理可知各支路对各节点的注入碳排放流为，则根据下式计算某一节点i总的注入碳排放流为：
其中，EG为发电机组碳排放强度向量，不同发电机组具有不同的碳排放特性，是已知条件，，为N维单位行向量，且第i个元素为1。
其次，节点碳势仅受注入潮流的影响，故将潮流方向流入节点有功潮流的绝对量定义为节点有功通量，节点i处有功潮流的计算方法如下式：
其中，为潮流流入节点i的集合，为支路s的有功功率，为接入节点i的发电机出力，若无发电机组接入，则。该矩阵所有非对角元素。
最后，节点碳势的计算方法如下：
得出，
所以。
由上式可知，在存在时，由上式即可计算得到网络的节点碳势向量，故下面给出矩阵的可逆性分析。
由PN、PB T矩阵的特点可知，PN矩阵为对角阵，且当系统为连通网络时，稳态时各个节点均有有功流过，故PN矩阵所有对角线元素均不为0。PB矩阵所有对角线元素均为0，且在非对角线元素位置上，若非零，则相对位置元素。
矩阵的下三角线位置存在非零元素，从第一列开始进行初等行变换，分别对其中的非零元素消去，对第i行元素进行变换，第一个元素消去为0，此时对角位置元素为
即在对矩阵做消去下三角的变换中，对角线元素并不发生改变，故而矩阵的行列式为对角线元素的乘积并不为0，故矩阵可逆。对于系统出现不连通或是因系统高度对称等原因使得稳态时与某一节点相连线路的潮流为0，此时矩阵不可逆，此时我们需要对网络结构修改，最终仍可保证矩阵可逆，所以节点碳势可求解。
（2）支路碳流率
某一支路在单位时间内随潮流而通过的碳流量，由节点碳势求得支路碳流率，需进一步了解节点碳势与相邻的支路碳流密度之间的关系。对于任意一节点n，其节点碳势如下式计算：
潮流流入侧和流出侧的支路集合分别记为N+和N-，流入侧支路i和流出侧支路j的有功潮流分别为Pi和Pj，由比例共享原则可知：
式中：表示流出测第j支路的潮流中含有第i条支路潮流的分量。则，第j条支路的碳流率为
式中：为线路i的支路碳流密度。
由定义可知，流出侧支路j的碳流密度为
由上式可知，所有从节点流出潮流的支路碳流密度与该节点碳势相等，所以可以从节点碳势计算得到支路碳流率，计算方法如下：
==
故支路碳流分布矩阵计算为：
（3）负荷碳流率
发电侧为供应节点负荷单位时间产生的碳排放量，计算方法同支路碳流率。首先得到负荷碳流矩阵PL，根据求得的节点碳势EN，计算负荷碳流率：
故负荷碳流分布向量计算为：
本发明为使实施步骤清晰易懂，兹以优选实例，并配合附图做详细说明。
国内某公司采用清洁能源，现对其电力系统进行节点/支路碳流测算，以提出针对性的优化措施。该电力系统为九节点系统（WSCC-9），如附图1所示，G1是水电机组，碳排放特性为0g/(kW·h)；G2是火电机组，碳排放特性为850 g/(kW·h)；G3是光电机组，碳排放特性为0 g/(kW·h)，将该碳流计算方法用C++进行编程处理，对其进行潮流计算和碳流计算。
计算所需系统参数如下所示：
①母线参数
②发电机参数（标幺值）
③线路参数（标幺值）
④变压器参数（标幺值）
⑤负荷参数（标幺值）
碳流计算结果如附图2、图3、图4所示：
（1）节点碳势向量EN
0.00,0.00,0.00,794.71,850.00,0.00,0.00,0.00,794.71
（2）支路碳流率分布矩阵RB
0.00000,0.00000,0.00000,0.00000,0.00000,0.00000,0.00000,0.00000,0.00000
0.00000,0.00000,0.00000,0.00000,0.00000,0.00000,0.00000,0.00000,0.00000
0.00000,0.00000,0.00000,47.00060,0.00000, 0.00000,0.00000, 0.00000,0.00000
0.00000,0.00000,0.00000,0.00000,0.00000,0.00000,0.00000,0.00000, 469.36216
0.00000,0.00000,0.00000,675.49940,0.00000,0.00000,0.00000,0.00000, 0.00000
0.00000, 0.00000,0.00000,0.00000,0.00000,0.00000,0.00000,0.00000,0.00000
0.00000,0.00000,0.00000,0.00000,0.00000,0.00000,0.00000,0.00000,0.00000
0.00000,0.00000,0.00000,0.00000,0.00000,0.00000,0.00000,0.00000,0.00000
0.00000,0.00000,0.00000,0.00000,0.00000,0.00000,0.00000,0.00000,0.00000
（3）负荷碳流率向量RL
0.00000,0.00000,715.23466
以上所诉内容仅为本发明较佳实例，并不用以限制本发明，凡在本发明原则范围内做任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电力系统供用电网络节点/支路的碳流计算方法，其特征在于：计算系统网络节点碳势，由全网节点碳势推出网络中的各支路碳流率及负荷碳流率，其中，节点碳势计算为该方法的基础，也是重点所在，其物理意义为在该点消费单位电量所造成的等效于发电侧的碳排放值，根据所得节点碳势及支路潮流分布矩阵、负荷分布矩阵推出支路碳流率及负荷碳流率的计算方法，清楚描述碳流分布特性。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，节点碳势描述节点碳排放强度，表达为：
其中，由下式计算：
其中，节点个数为n，PB为支路潮流分布矩阵，PG为机组注入分布矩阵，为支路s的碳流密度，节点碳势与支路碳流密度具有相同的量纲kgCO2/kW·h，其数值上等于所有流入节点n的支路的碳流率关于有功潮流Pi的加权平均。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，发电机对各节点的注入碳排放流如下式计算：
同理可知，各支路对各节点的注入碳排放流为，网络中各节点总的注入碳排放流为，故某一节点i总的注入碳排放流表示为：
其中，EG为发电机组碳排放强度向量，不同发电机组具有不同的碳排放特性，是已知条件，，为N维单位行向量，且第i个元素为1。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，节点碳势仅受注入潮流的影响，故将潮流方向流入节点有功潮流的绝对量定义为节点有功通量，节点i处的有功潮流为，即：
其中，为潮流流入节点i的集合，为支路s的有功功率，为接入节点i的发电机出力，若无发电机组接入，则，该矩阵所有非对角元素。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，节点碳势的表达式如下：
即：
，所以：
整理得出：，
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所有从节点流出潮流的支路碳流密度与该节点碳势相等，计算如下：
==
所以，支路碳流分布矩阵表达式为：
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，负荷碳流率RL计算如下：
故负荷碳流分布向量计算为：
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