CN114362160A - 一种基于比例均分原则的碳排放及绿电追踪方法、装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于比例均分原则的碳排放及绿电追踪方法、装置，属于电气工程技术领域。所述追踪方法利用电网终端感知设备对电网每个母线输入输出潮流数据的采集；计算全网单位发电碳排放量，对火电厂产生电量和新能源电厂发电量除以单位发电碳排放量得到各发电单位的碳排放量和等价碳中和量；利用基于潮流分布、输配电线路及设施的损耗以及负荷的位置及大小，通过将碳排放和碳中和贡献均分到每单位用电或损耗功率，利用从发电侧逐点迭代的方法，得到电网全过程的等效碳排放和碳中和贡献。本发明方法为提高储能及用户新能源消纳提供额外积极性，并为火力发电单位进行低碳改造提供额外积极性，可有效协调新型电力系统建设相关机制实行。

Description

一种基于比例均分原则的碳排放及绿电追踪方法、装置

技术领域

本发明涉及电气工程技术领域，尤其是涉及一种基于比例均分原则的碳排放及绿电追踪方法与装置。

背景技术

建立碳排放权交易、绿色证书交易等与碳排放和可再生能源利用相关的电力市场机制。在当前可再生能源发电量不能完全满足负荷需求的前提下，迫切需要一种电力系统碳排放和绿色电力流向跟踪方法，以确定碳排放和绿色电力的责任和绿色电力的使用。

当前缺少绿电追踪相关方法，然而，它可以被认为是上述潮流跟踪方法的子方法。目前关于潮流跟踪的研究方法可以分为两类：一类是基于电网中各部件的参数，而不是基于具体的分配原则。优点是可以准确跟踪有功功率和无功功率耦合的潮流。但是这种方法需要详细准确的电网参数，需要经常更新电网各组成部分的状态；另一种方法是基于分配机制，通过按比例分配网络各部分的功率或电流来进行潮流跟踪。虽然没有完整的理论来支持其正确性，但该方法因其直观、易用且尚未被证明是错误的，所以能够被电力系统的参与者所接受。由于智能设备普及率的提高，这种方法可以更容易、更快地使用，并且可以很容易地移植到我们的工作中。当前的潮流追踪基于简化的网络，少有研究涉及储能。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明基于比例均分原则，提出了碳排放及绿电追踪方法，以达成，用能权责分明。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于比例均分原则的碳排放及绿电追踪方法，包括以下步骤：

(1)将电网中的电气设备视为线路，每个设备的接口视为母线，进行电网拓扑建模；采用以电源为核心的迭代方法找出每个电源可以传输到的母线、负载和线路的输出能量；

(2)通过步骤(1)建立的电网模型得到电网全过程的潮流，并且据此利用比例均分原则和迭代方法得到各电源的辐射范围。

(3)通过步骤(1)建立的电网模型收集储能设备的状态，并根据历史输电量确定各储能设备输出能量的成分；

(4)放电的储能设备视为电厂，再利用步骤(2)得到负荷和线损能量的来源。面向每单位能量消耗对其来源的碳排放和绿电进行求和，完成碳排放及绿电追踪。

进一步地，以电源为核心的迭代方法具体过程如下：

(a)选择一个电源，生成一个单元素母线集，该母线直接连接到电源，并将其命名为第一集合A。生成一个名为第二集合B的空集，一个名为第三集合C的集合，所述第三集合C包括除第一集合A中的母线外的所有母线。

(b)从第一集合A和第二集合B的并集中找出一条母线，即第一母线，从第三集合C中找出另一条母线，即第二母线。如果其中两条母线在一条线路的两侧则执行如下步骤：如果第一母线在第一集合A集合中，线路的电源是第一母线到第二母线，则将第二母线加入第一集合A，否则，将第二母线加入第二集合B，并且从第三集合C中删除第二母线。

(c)重复第二步，直到第三集合C变成空集，第一集合中的元素就是包含来自所选电源的功率的母线。将第一集合A重命名为第四集合D。

(d)根据第四集合D中的母线，找出包含来自各电源能源的线路，形成线路集第五集合E；找到负载直接连接到第四集合D中的母线形成第六集合F，并与第四集合D和第五集合F构建一实体集第七集合G。

(e)重复上述步骤，为每个电源构造第七集合G。

进一步地，所述各电源的辐射范围为每个电源能量能传到的线路和负荷，即电网中各线损和负荷的能量来源。

所述各电源的辐射范围通过以下步骤得到：

(A)生成一个空的字典，即第九字典I；

(B)选择一个电源，生成一个空集，即第八集合H；再生成两个空字典，分别是第十集合J和第十一集合K；

(C)计算从连接到源的总线输出的功率总和，记为P_{out_sum}。如果连接到电源的总线没有向线路输出功率，则电源到线路的输出为0，从电源到负载的有功功率与电源产生的功率相同。否则，从电源到线路和负载的输出功率计算如下：

其中，P_{line_i}和P_{load_j}分别是从总线注入到连接到总线的第i条线路和第j个负载的总有功功率；P_gen是电源的输出有功功率；P_{fs_i}和P_{fs_j}分别是从源到线路i和负荷j的有功功率。计算每条线路和连接到总线的每个负载，将这些线路添加到第八集合H；

(D)找出线路的其他母线，并生成一个包含它们的集合，根据比例均分原则计算从电源到线路另一侧的功率，记为P_{tb_i}。并对添加到字典中，公式如下：

J[i]＝P_{fs_i}-P_{tb_i}

K[j]＝P_{fs_j}

其中，i代指具体线路，j代指具体负荷，第十集合J、第十一集合K为前述空集；

(E)在第十二集合L中的每个母线设置一个虚拟电源，当其与上一批第十二集合L中的某点工位线路i的两头时，得到其有功功率为P_{tb_i}；

(F)对每条总线重复步骤(B)～(E)，更新第八集合H、第十集合J、第十一集合K和第十二集合L，直到第五集合E中的所有元素都可以在第八集合H中找到；

(G)对所有源重复上述步骤。并更新第九字典I，得到各电源的辐射范围：

I[k]＝[J,K]

其中，k指代电源。

进一步地，所述步骤(3)包括以下子步骤：

(3.1)对于每个电网中的储能设备，当其充电时将其视为负荷，反之视为电源，其输出能量所对应的碳排放速率和绿电输出功率由其内部包含的能源比例和内部的能源损耗通过比例均分原则计算确定；

(3.2)在充电过程中，计算储能设施中来自分别火电和新能源的能量；

(3.3)在放电过程中，通过对电网中所有可再生能源发电厂和所有火力发电厂的储存电力求和，计算得到储能设备放出的能量中来自火电和新能源。

进一步地，所述能源比例和内部的能源损耗的计算公式如下：

其中，

和

分别来自P⁽¹⁾和P⁽²⁾存储能量损失后剩余的功率。

进一步地，所述步骤(3.2)的计算公式如下：

其中W_r和W_f分别来自可再生发电厂和火力发电厂的储存电力；P_r和P_f分别是可再生能源发电厂和火力发电厂注入储能的有功功率。

进一步地，所述步骤(4)中的碳排放和绿电的计算公式如下：

其中，c[k]是电源k的碳排放效率；fpp和rpp分别为电网中火电电源和可再生电源的集合。

本发明提出了一种基于比例均分原则的碳排放及绿电追踪装置，包括一个或多个处理器，用于实现上述的基于比例均分原则的碳排放及绿电追踪方法。

本发明提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，用于实现上述的基于比例均分原则的碳排放及绿电追踪的方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明方法将储能系统纳入追踪考虑的目标，具有全面性；本发明提出的方法考虑到绿电使用在社会中产生的效益，为清洁低碳权责分明添砖加瓦。本发明的追踪方法考虑到了电网清洁建设以及碳电市场协同建设，提出能为社会各界接受的定责定权方法，并给出对应计算流程。

附图说明

图1为本方法流程图；

图2为比例分摊算法示意图；

图3为电源辐射范围确定过程图；

图4为本发明装置的示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。

本发明提出了一种基于比例均分原则的碳排放及绿电追踪方法，如图1所示，具体包括以下步骤：

(1)根据电网拓扑建模，将电网中的电气设备视为线路，每个设备的接口视为母线；采用以电源为核心的迭代方法来找出每个电源可以传输到的母线、负载和线路的输出能量。

所述采用以电源为核心的迭代方法具体包括以下子步骤：

(a)选择一个电源，生成一个单元素母线集，该母线直接连接到电源，并将其命名为第一集合A。生成一个名为第二集合B的空集，一个名为第三集合C的集合，所述第三集合C包括除第一集合A中的母线外的所有母线。

(b)从第一集合A和第二集合B的并集中找出一条母线，即第一母线，从第三集合C中找出另一条母线，即第二母线。如果其中两条母线在一条线路的两侧则执行如下步骤：如果第一母线在第一集合A集合中，线路的电源是第一母线到第二母线，则将第二母线加入第一集合A，否则，将第二母线加入第二集合B。无论如何从第三集合C中删除第二母线。

(c)重复第二步，直到第三集合C变成空集，第一集合A中的元素就是包含来自所选电源的功率的母线。将第一集合A重命名为第四集合D。

(d)根据第四集合D中的母线，找出包含来自各电源能源的线路，形成线路集第五集合E；找到负载直接连接到第四集合D中的母线形成第六集合F，并与第四集合D和第五集合E一起构建一个实体集第七集合G。

(e)重复以上步骤，为每个电源构造实体集第七集合G。

(2)通过步骤(1)建立的电网模型得到电网全过程的潮流，并且据此采用比例均分原则和迭代方法得到各电源的辐射范围(即电网中各线损和负荷的能量来源)，如图2～3所示。具体包括以下子步骤：

(2.1)通过步骤(1)建立的电网模型并利用内点法优化和各时段采集到的信息得到电网全过程的潮流。

(2.2)根据步骤(2.1)得到的潮流计算各电源的辐射范围(即每个电源能量能传到的线路和负荷，即每单位负荷与线损的来源)，具体包括以下步骤：

(2.2.1)生成一个空的字典，即第九字典I。

(2.2.2)选择一个电源，生成一个空集，即第八集合H；再生成两个空字典，分别是第十集合J和第十一集合K。

(2.2.3)计算从连接到源的总线输出的功率总和，记为P_{out_sum}。如果连接到电源的总线没有向线路输出功率，则电源到线路的输出为0，从电源到负载的有功功率与电源产生的功率相同。否则，从电源到线路和负载的输出功率计算如下：

其中P_{line_i}和P_{load_j}分别是从总线注入到连接到总线的第i条线路(即线路i)和第j个负载(即负荷j)的总有功功率；P_gen是电源的输出有功功率；P_{fs_i}和P_{fs_j}分别是从源到线路i和负荷j的有功功率。计算每条线路和连接到总线的每个负载，将这些线路添加到第八集合H。

(2.2.4)找出线路的其他母线，并生成一个包含它们的集合，根据比例均分原则计算从电源到线路另一侧的功率，并将其命名为P_{tb_i}。以如下形式,将“键-值”对添加到字典中：

J[i]＝P_{fs_i}-P_{tb_i}

K[j]＝P_{fs_j}

其中i代指具体线路，j代指具体负荷，第十集合J、第十一集合K为前述空集。

(2.2.5)在第十二集合L中的每个母线设置一个虚拟电源，当其与上一批第十二集合L中的某点工位线路i的两头时，其有功功率为P_{tb_i}。

(2.2.6)对每条总线重复第二步到第五步，更新第八集合H、第十集合J、第十一集合K和第十二集合L，直到第五集合E中的所有元素都可以在第八集合H中找到。

(2.2.7)对所有源重复上述步骤。以如下形式更新第九字典I，得到各电源的辐射范围：

I[k]＝[J,K]

其中k指代电源。

(3)通过步骤(1)建立的电网模型收集储能设备的状态以及各火电厂碳排放-发电比率c，并根据历史输电量确定各储能设备输出能量的成分。

(3.1)对于每个电网中的储能设备，当其充电时将其视为负荷，反之视为电源，其输出能量所对应的碳排放速率和绿电输出功率由其内部包含的能源比例所确定；对于其内部的能源损耗也由比例均分原则来进行计算。公式如下：

所述储能的比例均分方法：

其中

和

分别来自P⁽¹⁾和P⁽²⁾存储能量损失后剩余的功率，其中P⁽¹⁾和P⁽²⁾分別代表两个来自不同发电厂的能量。

(3.2)在充电过程中，储能设施中来自分别火电和新能源的能量的计算微分方程如下所示：

其中W_r和W_f分别来自可再生发电厂和火力发电厂的储存电力；P_r和P_f分别是可再生能源发电厂和火力发电厂注入储能的有功功率；t为时间；k为储能设备的能量流失速率。

(3.3)在放电过程中，计算储能设备放出的能量中来自火电和新能源的能量的公式为：

其中W_r和W_f分别来自可再生发电厂和火力发电厂的储存电力，可视放电过程中的储能设施为一个可再生能源发电厂加一个火力发电厂的共同体。

完成储能设备状态的收集，各火电厂碳排放-发电比率的计算和各储能设备输出能量的成分的确定。

(4)将放电的储能设备视为电厂，再利用步骤(2)得到负荷和线损能量的来源。面向每单位能量消耗对其来源的碳排放和绿电进行求和，完成碳排放及绿电追踪。公式如下：

其中，ρ_cg为负荷造成的的碳排放速率；ρ_{cl_j}为线损造成的碳排放速率；ρ_{gl_j}为负荷消纳的绿电总量；c[k]是电源k的碳排放效率(即各火电厂碳排放-发电比率c的总和)；fpp和rpp分别为电网中火电电源和可再生电源的集合。值得一提的，其中由储能发出的能量分为了火电和可再生能源发电，如此即可由上式得到全面全流程的结果。

参见图4，本发明实施例提供的一种基于比例均分原则的碳排放及绿电追踪装置，包括一个或多个处理器，用于实现上述实施例中的基于比例均分原则的碳排放及绿电追踪方法。

本发明基于比例均分原则的碳排放及绿电追踪装置的实施例可以应用在任意具备数据处理能力的设备上，该任意具备数据处理能力的设备可以为诸如计算机等设备或装置。装置实施例可以通过软件实现，也可以通过硬件或者软硬件结合的方式实现。以软件实现为例，作为一个逻辑意义上的装置，是通过其所在任意具备数据处理能力的设备的处理器将非易失性存储器中对应的计算机程序指令读取到内存中运行形成的。从硬件层面而言，如图4所示，为本发明基于比例均分原则的碳排放及绿电追踪装置所在任意具备数据处理能力的设备的一种硬件结构图，除了图4所示的处理器、内存、网络接口、以及非易失性存储器之外，实施例中装置所在的任意具备数据处理能力的设备通常根据该任意具备数据处理能力的设备的实际功能，还可以包括其他硬件，对此不再赘述。

上述装置中各个单元的功能和作用的实现过程具体详见上述方法中对应步骤的实现过程，在此不再赘述。

对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本发明方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，实现上述实施例中的基于比例均分原则的碳排放及绿电追踪方法。

所述计算机可读存储介质可以是前述任一实施例所述的任意具备数据处理能力的设备的内部存储单元，例如硬盘或内存。所述计算机可读存储介质也可以是任意具备数据处理能力的设备，例如所述设备上配备的插接式硬盘、智能存储卡(Smart Media Card，SMC)、SD卡、闪存卡(Flash Card)等。进一步的，所述计算机可读存储介质还可以既包括任意具备数据处理能力的设备的内部存储单元也包括外部存储设备。所述计算机可读存储介质用于存储所述计算机程序以及所述任意具备数据处理能力的设备所需的其他程序和数据，还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种基于比例均分原则的碳排放及绿电追踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将电网中的电气设备视为线路，每个设备的接口视为母线，进行电网拓扑建模；采用以电源为核心的迭代方法找出每个电源可以传输到的母线、负载和线路的输出能量；

(2)通过步骤(1)建立的电网模型得到电网全过程的潮流，并且据此利用比例均分原则和迭代方法得到各电源的辐射范围。

(3)通过步骤(1)建立的电网模型收集储能设备的状态，并根据历史输电量确定各储能设备输出能量的成分；

(4)将放电的储能设备视为电厂，再利用步骤(2)得到负荷和线损能量的来源。面向每单位能量消耗对其来源的碳排放和绿电进行求和，完成碳排放及绿电追踪。

2.根据权利要求1所述基于比例均分原则的碳排放及绿电追踪方法，其特征在于，以电源为核心的迭代方法具体过程如下：

(a)选择一个电源，生成一个单元素母线集，该母线直接连接到电源，并将其命名为第一集合A。生成一个名为第二集合B的空集，一个名为第三集合C的集合，所述第三集合C包括除第一集合A中的母线外的所有母线。

(b)从第一集合A和第二集合B的并集中找出一条母线，即第一母线，从第三集合C中找出另一条母线，即第二母线。如果其中两条母线在一条线路的两侧则执行如下步骤：如果第一母线在第一集合A集合中，线路的电源是第一母线到第二母线，则将第二母线加入第一集合A，否则，将第二母线加入第二集合B，并且从第三集合C中删除第二母线。

(c)重复第二步，直到第三集合C变成空集，第一集合中的元素就是包含来自所选电源的功率的母线。将第一集合A重命名为第四集合D。

(d)根据第四集合D中的母线，找出包含来自各电源能源的线路，形成线路集第五集合E；找到负载直接连接到第四集合D中的母线形成第六集合F，并与第四集合D和第五集合F构建一实体集第七集合G。

(e)重复上述步骤，为每个电源构造第七集合G。

3.根据权利要求1所述的基于比例均分原则的碳排放及绿电追踪方法，其特征在于，所述各电源的辐射范围为每个电源能量能传到的线路和负荷，即电网中各线损和负荷的能量来源。

所述各电源的辐射范围通过以下步骤得到：

(A)生成一个空的字典，即第九字典I；

(B)选择一个电源，生成一个空集，即第八集合H；再生成两个空字典，分别是第十集合J和第十一集合K；

(C)计算从连接到源的总线输出的功率总和，记为P_{out_sum}。如果连接到电源的总线没有向线路输出功率，则电源到线路的输出为0，从电源到负载的有功功率与电源产生的功率相同。否则，从电源到线路和负载的输出功率计算如下：

其中，P_{line_i}和P_{load_j}分别是从总线注入到连接到总线的第i条线路和第j个负载的总有功功率；P_gen是电源的输出有功功率；P_{fs_i}和P_{fs_j}分别是从源到线路i和负荷j的有功功率。计算每条线路和连接到总线的每个负载，将这些线路添加到第八集合H；

(D)找出线路的其他母线，并生成一个包含它们的集合，根据比例均分原则计算从电源到线路另一侧的功率，记为P_{tb_i}。并对添加到字典中，公式如下：

J[i]＝P_{fs_i}-P_{tb_i}

K[j]＝P_{fs_j}

其中，i代指具体线路，j代指具体负荷，第十集合J、第十一集合K为前述空集；

(E)在第十二集合L中的每个母线设置一个虚拟电源，当其与上一批第十二集合L中的某点工位线路i的两头时，得到其有功功率为P_{tb_i}；

(F)对每条总线重复步骤(B)～(E)，更新第八集合H、第十集合J、第十一集合K和第十二集合L，直到第五集合E中的所有元素都可以在第八集合H中找到；

(G)对所有源重复上述步骤。并更新第九字典I，得到各电源的辐射范围：

I[k]＝[J,K]

其中，k指代电源。

4.根据权利要求1所述的基于比例均分原则的碳排放及绿电追踪方法，其特征在于，所述步骤(3)包括以下子步骤：

(3.1)对于每个电网中的储能设备，当其充电时将其视为负荷，反之视为电源，其输出能量所对应的碳排放速率和绿电输出功率由其内部包含的能源比例和内部的能源损耗通过比例均分原则计算确定；

(3.2)在充电过程中，计算储能设施中来自分别火电和新能源的能量；

(3.3)在放电过程中，通过对电网中所有可再生能源发电厂和所有火力发电厂的储存电力求和，计算得到储能设备放出的能量中来自火电和新能源。

5.根据权利要求4所述的基于比例均分原则的碳排放及绿电追踪方法，其特征在于，所述能源比例和内部的能源损耗的计算公式如下：

其中，

和

分别来自P⁽¹⁾和P⁽²⁾存储能量损失后剩余的功率，其中P⁽¹⁾和P⁽²⁾分別代表两个来自不同发电厂的能量。

6.根据权利要求4所述的基于比例均分原则的碳排放及绿电追踪方法，其特征在于，所述步骤(3.2)的计算公式如下：

其中W_r和W_f分别来自可再生发电厂和火力发电厂的储存电力；P_r和P_f分别是可再生能源发电厂和火力发电厂注入储能的有功功率；t为时间；k为储能设备的能量流失速率。

7.根据权利要求1所述的基于比例均分原则的碳排放及绿电追踪方法，其特征在于，所述步骤(4)中的碳排放和绿电的计算公式如下：

其中，ρ_cg为负荷造成的的碳排放速率；ρ_{cl_j}为线损造成的碳排放速率；ρ_{gl_j}为负荷消纳的绿电总量；c[k]是电源k的碳排放效率；fpp和rpp分别为电网中火电电源和可再生电源的集合。

8.一种基于比例均分原则的碳排放及绿电追踪装置，其特征在于，包括一个或多个处理器，用于实现权利要求1-7中任一项所述的基于比例均分原则的碳排放及绿电追踪方法。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时，用于实现权利要求1-7中任一项所述的基于比例均分原则的碳排放及绿电追踪的方法。

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