CN114493258A - 一种基于电气剖分的电网碳足迹追踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电气剖分的电网碳足迹追踪方法，包括步骤如下：S1，获取电网潮流数据，提取分析不同电源的运行工况；S2，构建电网电源碳排放模型，分析不同运行工况下电源碳排放情况，对电源碳排放进行量化计算；S3，对电网潮流数据进行分析，利用有向图理论分析电网源流路径链，构建电网源流集合；S4，基于电气剖分方法对各链路依次进行电气剖分，获取剖分后线路潮流数据；S5，根据步骤S2构建的电网电源碳排放模型，计算各链路上的碳排放值，实现对线路碳排放的追踪。本发明通过构建电源碳排放模型，分析不同运行工况下电源碳排放情况，对电网碳足迹进行动态追踪、展示，为电网调控提供辅助支撑。

Description

一种基于电气剖分的电网碳足迹追踪方法

技术领域

本发明涉及电网碳足迹追踪方法，尤其涉及一种基于电气剖分的电网碳足迹追踪方法。

背景技术

电力行业需要减少对煤炭资源的利用，增加新能源接入消纳。调度机构需要变革电力调度方式，采用低碳导向的电力调度模式。当前调度过程主要追求运行裕度和响应速度，快速维持电网功率平衡，提高电网稳定水平。而在“双碳”背景下，如何定量分析电力行业的碳排放情况，在碳约束下进行电网调控具有重要意义。在电厂碳排放量化分析上，美国、欧盟较早开展温室气体减排工作，国际上有3种较为成熟的碳排放核算方法：排放因子法、物料守恒法、在线监测法，但上述方法只是大致的对火电厂碳排放量进行监测，缺乏对火电厂、燃气电厂等机组在不同运行工况下的碳排放量的精准量化计算。在碳足迹追踪方法上，目前在工业、建筑行业开展了一些研究，电网结构庞大、运行工况复杂，缺乏对电网碳足迹追踪的研究。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种实现对电网碳流分布情况、不同电源碳流去向、不同区域碳排放情况等进行动态追踪的基于电气剖分的电网碳足迹追踪方法。

技术方案：本发明的电网碳足迹追踪方法，包括步骤如下：

S1，获取电网潮流数据，提取分析不同电源的运行工况；

S2，构建电网电源碳排放模型，分析不同运行工况下电源碳排放情况，对电源碳排放进行量化计算；

S3，对电网潮流数据进行分析，利用有向图理论分析电网源流路径链，构建电网源流集合；

S4，基于电气剖分方法对各链路依次进行电气剖分，获取剖分后线路潮流数据，求解网络源流流动路径电气剖分基本单元的电气剖分关系；

S5，根据步骤S2构建的电网电源碳排放模型，计算各链路上的碳排放值，实现对线路碳排放的追踪。

进一步，所述步骤S1中，获取的电网潮流数据包括拓扑结构、拓扑间连接关系、节点电压U、节点相角

负荷节点有功P_L、发电节点有功P_G、负荷节点无功Q_L、发电节点无功Q_G，线路ij首端流通有功功率P_ij、线路ij首端流通无功功率Q_ij，线路ij末端流通有功功率P_ji、线路ij末端无功功率Q_ji、线路ij电阻R_ij、线路ij电抗X_ij和线路ij容纳B_ij。

进一步，获取的电网潮流数据是采集周期为15分钟的潮流断面数据。

进一步，所述步骤S2中，采用两点法确定供电煤耗—负载特性曲线，构建电网电源碳排放模型C：

其中，K_c为煤碳转换系数；b_g0为机组THA工况负荷P₀下的供电煤耗，即参考供电煤耗；

t＝0.245，b＝0.988，P_c为上网负荷，ξ_e为某一负荷下厂用电率，β₀为某一负荷P下的比负荷，μ₀为某一负荷P下的比供电煤耗，e为自然常数，取值2.71828；ξ_e0为机组THA负荷下厂用电率计算，K为与机组负荷P相关系数。

进一步，所述步骤S3中，利用有向图理论对电网拓扑进行分析，与原始有向图G对应的顶点全集合V的邻接终点矩阵记为R⁽⁰⁾，作集合V的n-1个子集V_i,i＝1,2,…,n-1，各子集元素个数为n-i；各子集满足关系

且集合V有相应的一个n-i 阶方阵

由R⁽ⁱ⁾＝R^(i-1)R⁽⁰⁾递推得到；递推过程遵守运算规则如下：

若V_i-1-V_i＝{v_l}，即第i次从V_i-1中去掉一个节点v_l得到V_i，则有：

其中，“∨”表示条件“或”，满足结合律、交换率以及2种运算间的分配率；对矩阵中的“0”元素，运算规则如下：

“*”表示母线节点的相连运算，代表母线节点序列，满足结合律，但不满足交换率；在元素从r_i1*…*r_im中，如果某个母线节点重复出现，则该元素值为0；

矩阵R⁽ⁱ⁾中，若

则

表示从v_j,v_k的所有路径链。

进一步，所述步骤S4中，电气剖分原则为：电气剖分后形成的所有剖分子网络具有支路/节点关联关系，各自的状态遵循基尔霍夫电流和电压定律、欧姆定律，剖分后的网络有拓扑、参数、状态和能量；

根据电气剖分原则，将剖分结果通过网络等值的方式获取接有多输电进线、多输电出线以及含有直接注入源、直接汲出流的交流支路—节点联合体的电气剖分关系。

进一步，所述步骤S4中，选取某一条路径链的首段支路的潮流送端节点开始，依次逐步进行电气剖分，直到链的末端支路的潮流受端节点为止；在有向图中，利用邻接终点矩阵R的运算，得出从任意发电机G_*到所求任意负荷L_*的所有路径链r。

本发明与现有技术相比，其显著效果如下：1、本发明通过构建电源碳排放模型，分析不同运行工况下电源碳排放情况，对电网碳流分布情况、不同电源碳流去向、不同区域碳排放情况等进行动态追踪、展示，方便调度人员直观掌握电网碳排放态势，为电网调控提供辅助支撑；2、基于有向图理论和电气剖分方法，提供了一种基于电气剖分的电网碳足迹追踪方法。

附图说明

图1为本发明的总流程示意图；

图2为本发明的单一支路带两个受端节点流图；

图3为图1的剖分结果示意图；

图4为本发明的包含移相变压器的交流支路和节点联合电路图；

图5为本发明的节点流的剖分示意图；

图6为本发明的节点源的剖分示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。

如图1所示为本发明的总流程图，本发明首先获取电网潮流数据，通过对数据进行分析，得到了不同电源的运行工况模型；接着构建电网电源碳排放模型，分析不同运行工况下电源碳排放情况，对不同运行工况下的碳排放进行量化计算，从而得以建立碳排放与上网负载关系式；然后基于有向图理论和电气剖分方法对各链路进行分析，构建电力网络源流路径链，得到链路中任意负荷的功率构成，求解得到网络源流流动详细电气路径；最后使用构建的电网碳排放模型，计算电网各链路排放值，对电网碳流分布情况、不同电源碳流去向、不同负载碳排放情况等进行动态追踪、展示。本发明的电网碳足迹追踪方法，具体实现过程如下：

S1，获取电网潮流数据，从中提取分析不同电源的运行工况。

获取电网潮流数据：电网典型运行方式潮流数据包括拓扑结构、拓扑间连接关系、节点电压U、节点相角

负荷节点有功P_L、发电节点有功P_G、负荷节点无功Q_L、发电节点无功Q_G，线路ij首端流通有功功率P_ij、线路ij首端流通无功功率Q_ij，线路ij末端流通有功功率P_ji、线路ij末端无功功率Q_ji、线路ij电阻R_ij、线路ij电抗X_ij和线路ij容纳B_ij。采集的数据周期为15分钟一个的潮流断面数据。

S2，构建电网电源碳排放模型，分析不同运行工况下电源碳排放情况，对不同运行工况下的碳排放进行量化计算。

使用两点法确定供电煤耗—负载特性曲线，构建电网电源碳排放模型C：

式(1)中，K_c为煤碳转换系数；b_g0为机组THA(Turbine Heat Acceptance热耗率验收) 工况负荷P₀下的供电煤耗，即参考供电煤耗；

t＝0.245，b＝0.988，P_c为上网负荷，ξ_e为某一负荷下厂用电率，β₀为某一负荷P下的比负荷，μ₀为某一负荷P下的比供电煤耗；e为自然常数，取值为2.71828。

式(2)中，ξ_e0为机组THA负荷下厂用电率计算，K为与机组负荷P相关系数。

为提高碳排放模型的通用性，考虑了15台不同参数、容量和类型的机组，在参数上包含亚临界参数、超临界参数以及超超临界参数；在容量上覆盖了从300MW到1000MW各个等级；在再热和冷却方式上，既包括一次再热，又包括二次再热，既有空冷机组，又有湿冷机组。所选15台机组是目前国内燃煤电厂主力发电机组。表1中给出了部分机组不同负荷下汽轮机热耗率和锅炉效率设计值。其中，供电煤耗、厂用电率利用式(2)计算。

表1部分机组不同负荷下设计参数及供电煤耗

利用THA和50％THA 2个负荷下的供电煤耗值b_g0和b_g1，采用两点法确定机组煤耗特性曲线，得到表2煤耗方程中的β₀和μ₀，利用表2中的β₀、μ₀、P₀和b_g0值，根据煤耗方程可计算机组不同负荷下的供电煤耗。表2为本发明的各标准比负荷，比供电煤耗。

表2各种类型机组两点法确定煤耗特性方程中的参数

S3，求取源流供求关系路径链，进行有向图分析，选取电源并基于有向图构建电网源流集合。

对所获得的电网潮流数据进行分析，从中提取出源流供求关系路径链，为了获取链式路径的具体构成，利用有向图理论分析电力网络源流路径链。

利用有向图理论对电网拓扑进行分析，与原始有向图G对应的顶点全集合V的邻接终点矩阵记为R⁽⁰⁾，作集合V的n-1个子集V_i,i＝1,2,…,n-1，各子集元素个数为n-i。各子集满足关系

且集合V有相应的一个n-i阶方阵

由 R⁽ⁱ⁾＝R^(i-1)R⁽⁰⁾递推得到。递推过程遵守如下运算规则：

若V_i-1-V_i＝{v_l}，即第i次从V_i-1中去掉一个顶点(节点v_l)得到V_i，则：

式(3)中：则

表示第i次从节点v_j，到节点v_k的所有路径链集合。则

表示第i次从节点v_j，到节点v_l的所有路径链集合。则

表示第i次从节点v_l，到节点v_k的所有路径链集合。“∨”表示条件“或”，满足结合律、交换率以及2种运算间的分配率。对矩阵中的“0”元素，运算规则如下：

“*”表示母线节点的相连运算，代表母线节点序列，满足结合律，但不满足交换率；r_im为矩阵中节点i到节点m的潮流方向取值，若有功功率从i流向m，则r_im取值m，否则取值为0。并且，在元素从r_i1*…*r_im中，如果某个母线节点重复出现，则该元素值为0。矩阵R⁽ⁱ⁾中，若

则

表示第i次从节点v_j，到节点v_k的所有路径链集合。例如，若要求取IEEE14节点系统从L3开始到Gl结束和从L3开始到G2结束的所有路径链，则可以在初始R⁽⁰⁾的基础上逐步去掉一个节点进行递推运算，直至保留节点1,2,3,获得最终的邻接终点矩阵。由此矩阵获知，从L3开始到Gl结束有4个路径链:①3->2->1；②3->4->2->1；③3->4->5->1；④3->4->5->2->1。从L3开始到G2结束有3个路径链:①3->2；②3->4->2；③ 3->4->5->2。

S4，基于电气剖分方法对各链路依次进行电气剖分，获取剖分后线路潮流数据。

通过潮流数据和有向图理论分析后，得到了电力网络源流路径链，掌握电力网络不同源流之间的电气供求关系，求解网络源流在电力系统中流动的详细电气路径，进而求出各具体链路上碳足迹，电气剖分原则和关系如下：

A)剖分原则

电气剖分后形成的所有剖分子网络需具有支路/节点关联关系，各自的状态必须满足基尔霍夫定律和欧姆定律的制约：①要遵循基尔霍夫电流和电压定律、欧姆定律。②剖分后网络要有拓扑、参数、状态和能量等性质。

B)电气剖分关系

图2所示的是某一支路受端节点带2个节点流的特殊情形，U_T和U分别为支路送端和受端节点电压相量，Z_T为支路阻抗，2个受端节点流的功率分别为P₁+jQ₁和P₂+jQ₂,且 P₁+P₂＝P、Q₁+Q₂＝Q，其中P₁、Q₁分别为受端节点中节点1的有功功率、无功功率；P₂、Q₂分别为受端节点中节点2的有功功率、无功功率。

图3由图2基于电气剖分原则及其细则剖分而来，作为图2的剖分结果，其结果提供了不同源流使用交流支路的具体情况及其在节点内产生的功率交换量的大小信息。

以图4为例展示某一母线节点电气剖分关系，该节点有m条进线和n条个出线，其中有两条进线和两条出线均带有移相变压器，并接有节点直接注入源(P_G+jQ_G)和节点直接汲出流(P_L+jQ_L)。进出线移相变压器等效损耗阻抗分别为：Z_TB1,Z_TB2,Z_RB1,Z_RB2，非标准移相变比分别为：k_TB1∠α_TB1,k_TB2∠α_TB2,k_RB1∠α_RB1,k_RB1∠α_RB2。图4中A,B,C,D处的功率分别记为S_A,S_B,S_C,S_D。节点源流功率总量如下：

S_Tj为第j条进线的视在功率，S_Ri为第i条出线的实在功率，首先分析交流节点上连接有1条输入功率线路与2条输出功率线路的形式，推导该形式下的电气剖分结果，如图2所示。U_T与U分别为支路送端和受端节点电压相量，Z_T为支路阻抗，受端阶段功率分别为 P₁+jQ₁和P₂+jQ₂，P₁+P₂＝P，Q₁+Q₂＝Q。剖分后结果如图3所示，各参数计算如下：

而后将简单形式推广，通过网络等值的方式获取接有更多输电进线、输电出线以及含有直接注入源、直接汲出流的交流支路一节点联合体的电气剖分关系。将上述关系拓展至图3所示的一般情形，可以分别获得关于节点流的剖分结果如图5所示和关于节点源的剖分结果如图6所示。

由于剖分原则要求剖分结果必须保持系统的状态，故剖分后的变压器(或移相变压器) 原、副边节点电压与原变压器(或移相变压器)原、副边节点电压应该相等，从而剖分后的变比也应该与原变比相等，图5和图6中所有移相变压器均保持原变比，即基于这一点得出。

图5中，用P_Ok+jQ_Ok代表所有节点流功率：

式(8)中，k∈Ω₁，区间Ω₁＝{1,2,,n}∪{B}∪{n+2}∪{L}。图5中的交换功率为：

式(9)-(11)中k∈Ω₁；j＝1,2,…,m+2；图6中的P_Ik+jQ_Ik代表所有节点源功率:

式(12)中，k∈Ω₂＝{1,2,…,m+1}∪{C}∪{G}；图6中的交换功率为:

图6中的剖分参数分别具有如下关系：

式(14)、(15)中，k∈Ω₂；i＝1,2,…,n+2。至此，得出全部电力网络源流路径电气剖分基本单元(交流支路和节点联合体)的电气剖分关系。

S5，根据构建的电网碳排放模型，计算各链路上的碳排放值，实现对线路碳排放的追踪。

基于电气剖分方法从某一条路径链的首段支路的潮流送端节点开始，依次逐步进行电气剖分，直到链的末端支路的潮流受端节点为止。在有向图中，利用邻接终点矩阵R的运算，得出从任意发电机G_*到所求任意负荷L_*的所有路径链r。例如，对于任意负荷L_*，发电机G_*通过G_*与L_*之间的X条剖分路径链为L_*提供的功率为

这X个项的和为L_*的负荷量。由此可知，负荷L_*从什么子路径，由哪些发电机获取了多少功率等信息。结合搭建的电网电源碳排放模型，结算各路径链r碳排放量，实现对电网碳足迹的有效追踪。

Claims (7)

1.一种基于电气剖分的电网碳足迹追踪方法，其特征在于，包括步骤如下：

S1，获取电网潮流数据，提取分析不同电源的运行工况；

S2，构建电网电源碳排放模型，分析不同运行工况下电源碳排放情况，对电源碳排放进行量化计算；

S3，对电网潮流数据进行分析，利用有向图理论分析电网源流路径链，构建电网源流集合；

S4，基于电气剖分方法对各链路依次进行电气剖分，获取剖分后线路潮流数据，求解网络源流流动路径电气剖分基本单元的电气剖分关系；

S5，根据步骤S2构建的电网电源碳排放模型，计算各链路上的碳排放值，实现对线路碳排放的追踪。

2.根据权利要求1所述的基于电气剖分的电网碳足迹追踪方法，其特征在于，所述步骤S1中，获取的电网潮流数据包括拓扑结构、拓扑间连接关系、节点电压U、节点相角

负荷节点有功P_L、发电节点有功P_G、负荷节点无功Q_L、发电节点无功Q_G，线路ij首端流通有功功率P_ij、线路ij首端流通无功功率Q_ij，线路ij末端流通有功功率P_ji、线路ij末端无功功率Q_ji、线路ij电阻R_ij、线路ij电抗X_ij和线路ij容纳B_ij。

3.根据权利要求2所述的基于电气剖分的电网碳足迹追踪方法，其特征在于，获取的电网潮流数据是采集周期为15分钟的潮流断面数据。

4.根据权利要求1所述的基于电气剖分的电网碳足迹追踪方法，其特征在于，所述步骤S2中，采用两点法确定供电煤耗—负载特性曲线，构建电网电源碳排放模型C：

其中，K_c为煤碳转换系数；b_g0为机组THA工况负荷P₀下的供电煤耗，即参考供电煤耗；

t＝0.245，b＝0.988，P_c为上网负荷，ξ_e为某一负荷下厂用电率，β₀为某一负荷P下的比负荷，μ₀为某一负荷P下的比供电煤耗，e为自然常数，取值2.71828；ξ_e0为机组THA负荷下厂用电率计算，K为与机组负荷P相关系数。

5.根据权利要求1所述的基于电气剖分的电网碳足迹追踪方法，其特征在于，所述步骤S3中，利用有向图理论对电网拓扑进行分析，与原始有向图G对应的顶点全集合V的邻接终点矩阵记为R⁽⁰⁾，作集合V的n-1个子集V_i,i＝1,2,…,n-1，各子集元素个数为n-i；各子集满足关系

且集合V有相应的一个n-i阶方阵

由R⁽ⁱ⁾＝R^(i-1)R⁽⁰⁾递推得到；递推过程遵守运算规则如下：

若V_i-1-V_i＝{v_l}，即第i次从V_i-1中去掉一个节点v_l得到V_i，则有：

其中，“∨”表示条件“或”，满足结合律、交换率以及2种运算间的分配率；对矩阵中的“0”元素，运算规则如下：

“*”表示母线节点的相连运算，代表母线节点序列，满足结合律，但不满足交换率；在元素从r_i1*…*r_im中，如果某个母线节点重复出现，则该元素值为0；

矩阵R⁽ⁱ⁾中，若

则

表示从v_j,v_k的所有路径链。

6.根据权利要求1所述的基于电气剖分的电网碳足迹追踪方法，其特征在于，所述步骤S4中，电气剖分原则为：电气剖分后形成的所有剖分子网络具有支路/节点关联关系，各自的状态遵循基尔霍夫电流和电压定律、欧姆定律，剖分后的网络有拓扑、参数、状态和能量；

根据电气剖分原则，将剖分结果通过网络等值的方式获取接有多输电进线、多输电出线以及含有直接注入源、直接汲出流的交流支路—节点联合体的电气剖分关系。

7.根据权利要求1所述的基于电气剖分的电网碳足迹追踪方法，其特征在于，所述步骤S4中，选取某一条路径链的首段支路的潮流送端节点开始，依次逐步进行电气剖分，直到链的末端支路的潮流受端节点为止；在有向图中，利用邻接终点矩阵R的运算，得出从任意发电机G_*到所求任意负荷L_*的所有路径链r。

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