CN115425763A - 电力碳排放计量装置及分层分布式碳排放计量系统 - Google Patents

电力碳排放计量装置及分层分布式碳排放计量系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力碳排放计量装置及分层分布式碳排放计量系统，装置外围硬件包括核心处理器、交流电压采集模块、交流电流采集模块、网络通信模块、串口通信模块、数据存储模块、交流电源模块及人机交互模块；系统包括电力碳排放计量装置、接入交换机、接入路由器、核心路由器、防火墙和数据中心；电力碳排放计量装置在整个电力系统所有电力节点中均分布使用；一个或多个电力碳排放计量装置通过接入交换机或者接入路由器汇聚接入上一级核心路由器；同级核心路由器为上一级核心路由器的接入路由器，上级核心路由器，经过防火墙汇入数据中心，数据中心用于展示、计算、优化电力系统碳排放数据。本发明可以显示当前电力节点及某一区域的碳排放基本信息。

Description

电力碳排放计量装置及分层分布式碳排放计量系统
技术领域
本发明属于电力碳排放计量技术领域，特别是涉及一种电力碳排放计量装置及分层分布式碳排放计量系统。
背景技术
随着能源问题及气候变化问题的日益加剧，低碳发展以及成为人类社会可持续发展的必由之路。电力行业作为中国重要的能源部门，如何各个环节计量碳排放，成为了一个重要的问题。目前的电力系碳计量主要是基于对发电侧化石燃料为统计单位计算碳排放量，而电网中的能力是动态流动的，目前的碳计量方法不能有效、直观的测量电网中碳排放的流动和实时数据。
发明内容
本发明的目的是在于克服现有技术的不足之处，提供一种适用于电网的电力碳排放计量装置及分层分布式碳排放计量系统。
本发明的上述目的之一通过如下技术方案来实现：
一种电力碳排放计量装置，其特征在于：装置的外围硬件包括基于ESW5610国产安全芯片的核心处理器、交流电压采集模块、交流电流采集模块、网络通信模块、串口通信模块、数据存储模块、交流电源模块及人机交互模块，核心处理器通过软件实现各模块信息交互；软件设计采用国产LINUX操作系统，实现电力系统碳排放和碳流量的记录、存储和远传；
所述网络通信模块，用于实现基于TCP/IP 的网络通信；
所述交流电压采集模块，用于采集电压，电压值用于计算电力碳排放计量装置所在节点功率，其采用CHV-50P电压传感器，其输出电压为-3V~3V；
所述交流电流采集模块，用于采集电流，电流值用于计算电力碳排放计量装置所在节点功率，其采用DT-50P电流传感器，其输出电流为4~20mA；
所述串口通信模块，用于支持与电力系统中串口通信的设备互联，支持RS-232串口通信；
所述核心处理器，用于实现对电力负荷的采集，并通过负荷采集计算电力碳排放量，其采用ATT70系列芯片作为电力负荷采集芯片，核心处理器采用STM32，并包含相关串口通信芯片；
所述人机交互模块，用于通过触摸屏以及开关按钮和指示灯来实现装置与操作者的互动；通过屏幕显示电力节点碳排放量以及碳的流向信息；
所述数据存储模块，用于实现本地存储对应电力节点的相关数据，采用单硬盘存储和多硬盘存储，可扩展到64TB的容量；
所述交流电源模块，用于给电力碳排放计量装置供电，可接220V交流电。
本发明的上述目的之二通过如下技术方案来实现：
包括电力碳排放计量装置、接入交换机、接入路由器、核心路由器、防火墙和数据中心，其中电力碳排放计量装置采用权利要求1所述的电力碳排放计量装置；电力碳排放计量装置在整个电力系统的所有电力节点中均分布使用；一个或者多个电力碳排放计量装置通过接入交换机或者接入路由器汇聚接入上一级的核心路由器；同级核心路由器为上一级的核心路由器的接入路由器，上级核心路由器，经过防火墙汇入数据中心，数据中心用于展示、计算、优化电力系统碳排放数据。
进一步的：该电力系统碳排放计量系统，用于对电力节点电力碳排放计量，具体为：
计量装置节点的碳排放量速率用C表示，单位是kgCO2/s
Figure DEST_PATH_IMAGE002
（1）
其中，F表示碳排放总量，t表示时间
碳排放密度为：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
（2）
其中，P表示有功功率，P=UI，U和I分别为电压采集模块和电流采集模块的测定数据；
碳随电能量流动的碳势能为：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
（3）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
,
Figure DEST_PATH_IMAGE010
表示支路编号，N表示该节点有N个支路；
设定电力碳排放计量装置处在一个有N个节点的电网拓扑，拓扑中K个节点发出有功，M个节点消耗有功，则节点碳势能为：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
（4）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
表示支路编号，N表示该节点有N个支路，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
表示第s支路的碳流密度；
Figure DEST_PATH_IMAGE020
表示第s支路的潮流分布矩阵，为N阶方阵；
Figure DEST_PATH_IMAGE022
表示第s支路有功发出矩阵，为K*N阶矩阵；
Figure DEST_PATH_IMAGE024
为有功节点碳排放强度有功发出对各节点注入的碳势能为：
Figure DEST_PATH_IMAGE026
（5）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
为有功节点碳排放强度向量；
网络中各节点注入碳势为
Figure DEST_PATH_IMAGE030
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE032
为各支路对各节点注入的碳势；
带负荷的节点碳势为
Figure DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure DEST_PATH_IMAGE036
为对角阵；
支路碳流矩阵为
Figure DEST_PATH_IMAGE038
；
负荷碳流密度为
Figure DEST_PATH_IMAGE040
，
Figure DEST_PATH_IMAGE042
为负荷矩阵为M*N阶矩阵；
碳排放计量装置中对本节点碳排放速率计算为：
C=P*e （6）
根据式（1）得：
Figure DEST_PATH_IMAGE044
（7）。
进一步的：该电力系统碳排放计量系统，用于实现碳排放分段计费，具体为：
本系统对于电力用户侧采用分时计量算法；根据电网不同时间供电压力不同时间段，时段
Figure DEST_PATH_IMAGE046
由电力管理部门规定，i=1,2,3,4…,i∈N+，则：
Figure DEST_PATH_IMAGE048
（8）
其中，F表示碳排放总量；
Figure DEST_PATH_IMAGE050
的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE052
（9）
则：
Figure DEST_PATH_IMAGE054
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE056
表示时段j中，第i中发电模式占电网实时发电量的比重；
Figure DEST_PATH_IMAGE058
表示第i种发电模式碳排放计量因子；
Figure DEST_PATH_IMAGE060
负荷碳流密度,
Figure DEST_PATH_IMAGE062
表示电力使用等效碳排放量；采用与现行电力计量计费的方法的耦合计费为：
Figure DEST_PATH_IMAGE064
（10）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE066
为碳排等效计费量，
Figure DEST_PATH_IMAGE068
为碳排放配额，
Figure DEST_PATH_IMAGE070
为低碳奖励系数
Figure DEST_PATH_IMAGE072
，
Figure DEST_PATH_IMAGE074
，
Figure DEST_PATH_IMAGE076
为阶梯用电碳排放系数，a为用电碳排放区间段，
Figure 924318DEST_PATH_IMAGE068
、
Figure DEST_PATH_IMAGE077
、
Figure 236351DEST_PATH_IMAGE076
这些系数均可修改，根据电网运行实际情况进行修改，则：
Figure DEST_PATH_IMAGE079
（11）
其中，Hc表示电力碳排放费用，qt为单位电能使用碳排放费用。
进一步的：电力碳排放计量装置需要将采集到的数据进行远传，传输过程中需要对采集到数据和用户数据进行加密传递，加密传递的主要特征是一个加密密钥对应多个解密秘钥，具体为：
1）初始阶段
P 是素数， F={0,2,……P-l}在 modP 的意义下关于“+”、“
Figure DEST_PATH_IMAGE081
”运算构成一个有限域，并用 GF(P)表示，g 是GF(P)上的生成元；
系统中心选取一个单向函数 Hash，s 个位数相近的大素数
Figure DEST_PATH_IMAGE083
（1≤i≤s），计算n=P1*P2*… . .∗Pn ，系统中心为每个用户
Figure DEST_PATH_IMAGE085
随机选取正整数
Figure DEST_PATH_IMAGE087
,同时
Figure DEST_PATH_IMAGE089
,计算得
Figure DEST_PATH_IMAGE091
，
Figure DEST_PATH_IMAGE093
，分别得到用户
Figure 506445DEST_PATH_IMAGE085
的
Figure DEST_PATH_IMAGE095
，（j=1，…s）,
Figure DEST_PATH_IMAGE097
、Hash、g，n 可以公开传递，每个用户
Figure 911143DEST_PATH_IMAGE085
都可以获得并使用；s个
Figure 513026DEST_PATH_IMAGE095
可以通过安全渠道或者线下传递方式发送给用户
Figure 97591DEST_PATH_IMAGE085
；
公钥=
Figure DEST_PATH_IMAGE099
私钥=
Figure DEST_PATH_IMAGE101
其中，
Figure 530847DEST_PATH_IMAGE091
表示可逆元，
Figure DEST_PATH_IMAGE102
表示用户
Figure DEST_PATH_IMAGE104
的可逆元；
2）加密阶段：
设定某用户欲向
Figure 837938DEST_PATH_IMAGE085
安全地发送消息 m，该用户将按下述步骤发送消息 m 的密文:
(a)随机选取整数 k，0<k<n，计算消息认证码 x 和 y；其中
Figure DEST_PATH_IMAGE106
,
Figure DEST_PATH_IMAGE108
;将 x,y 串接到m 后得到扩充明文M′= 𝑚||𝑥||𝑦；
(b)若M′>n 则将其细分为若干单元
Figure DEST_PATH_IMAGE110
(1 ≤ 𝑡 ≤ l)，使每一单元都小于 n，即
Figure DEST_PATH_IMAGE112
；
(c)对每一个单元加密，利用
Figure 786171DEST_PATH_IMAGE085
的公开密钥
Figure DEST_PATH_IMAGE114
计算
Figure DEST_PATH_IMAGE116
（1 ≤𝑡 ≤ l） ，然后将
Figure DEST_PATH_IMAGE118
发往给
Figure 269367DEST_PATH_IMAGE085
；其中 T 为密文发送的时间邮戳；
3）解密阶段：
设定用户
Figure 494812DEST_PATH_IMAGE085
在时刻 T 接受到密文
Figure DEST_PATH_IMAGE120
；首先计算时间间隔∆T=T′- T；
若
Figure DEST_PATH_IMAGE122
则拒绝解密，
Figure DEST_PATH_IMAGE124
为用户设定时间间隔，并发送一个超时信号返回给发送用户请求重新发送；当
Figure DEST_PATH_IMAGE126
，
Figure DEST_PATH_IMAGE128
按如下步骤解密:
获取消息 m:
(a)
Figure DEST_PATH_IMAGE129
利用 s 个私钥
Figure DEST_PATH_IMAGE131
，（j=1，…s）计算
Figure DEST_PATH_IMAGE133
；
(b)
Figure DEST_PATH_IMAGE135
,其中
Figure DEST_PATH_IMAGE137
,1≤j≤s-1，
Figure DEST_PATH_IMAGE139
，
Figure DEST_PATH_IMAGE141
；
(c) 将
Figure DEST_PATH_IMAGE143
（1 ≤ 𝑡 ≤ l）串接得到M′=𝑚||𝑥||𝑦，由M′可以得到消息 m，x，y；
4）认证阶段：
对恢复出来的消息 m 的认证，由M′同时得到认证码 x 和 y，验证 Hash（x/m，T）是否等于 y；如果成立即验证通过；否则不通过。
本发明具有的优点和积极效果：
1、本发明装置电力碳排放计量装置，具有本地显示功能，可以显示当前电力节点的碳排放基本信息
2、本发明该装置具有远传的功能，可以依托加密协议进行局域以及广域组网，本地以及远程传输当前节点碳排放基本信息。
3、本发明在电力系统的流入、流出端分别使用不同型号计量装置来计量碳排放的基本信息；该系统采用非侵入测量方法，不但可以测量电力用户端碳排放，同时可以接入电力能量管理系统对某一区域进行碳排放计量。
附图说明
图1是本发明电力碳排放计量装置的外观示意图；
图2是本发明电力碳排放计量装置构成示意图；
图3是本发明电压采样电路图；
图4是本发明电流采样电路图；
图5是本发明电力碳排放测量硬件结构图；
图6是本发明分层分布式碳排放计量系统的构成图。
具体实施方式
以下结合附图并通过实施例对本发明的结构作进一步说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的。
一种电力碳排放计量装置，请参见图1-图5，外围硬件包括基于ESW5610国产安全芯片的核心处理器、交流电压采集模块、交流电流采集模块、网络通信模块、串口通信模块、数据存储模块、交流电源模块及人机交互模块，通过软件实现核心处理器与各模块交互。软件设计采用国产LINUX操作系统，可实现电力系统碳排放和碳流量的记录、存储和远传。
上述外围硬件集中安装在计量装置的安装箱内，在安装箱上对外设置有触摸显示屏1.1、串行通讯接口1.10、电源接口1.9、电压量输入接口1.8、电流量输入接口1.7、ETH0口1.4、ETH1网口1.6、ETH2网口1.5、装置开关1.2及装置开关显示1.3。
使用国产安全芯片可以确保碳排放计量装置的安全性、可靠性，保证数据不被破译同时保证系统的国产化。
网络通信模块，主要实现基于TCP/IP 的网络通信。其中图1中ETH0口用于设备调试，ETH2网口用于对电力节点外部通信，ETH1网口用于对电力节点内部通信。更具体的如图6所示，电力碳排放计量装置ETH2网口与接入交换机或者接入路由器连接通信，电力碳排放计量装置之间通信使用ETH1网口，做到内外网的物理隔离。
电压采集模块主要采用CHV-50P电压传感器实现，如图3所示，其中电容器C1=C2，均为100μF，主要为抑制共模干扰；Ru为1.1kΩ，Ru0为60Ω，确保不论电压输入多少，电压采集模块输出电压为-3V~3V。
电流采集模块主要采用DT-50P电流传感器实现，如图4所示，其中RI0为300Ω，其输出电流为4~20mA。
串口通信模块主要是支持RS-232串口通信，主要用于支持与电力系统中串口通信的设备互联。
核心处理器主要实现对电力负荷的采集，并通过负荷采集计算电力碳排放量。主要采用ATT70系列芯片作为电力负荷采集芯片，核心处理器采用STM32，并包含相关串口通信芯片。
人机交互模块主要通过触摸屏以及开关按钮和指示灯来实现装置与人的互动。可以通过屏幕显示显示该节点碳排放量以及碳的流向，同时也可以通过触摸屏的操作，将操作人员的指令下达给装置，实现人机互动。
数据存储模块主要作用是本地存储该节点的相关数据，可以做到单硬盘存储和多硬盘存储。可根据需求最多扩展至64TB的容量。
所述交流电源模块，用于给电力碳排放计量装置供电，可接220V交流电。
本电力碳排放计量装置分为I型以及II型两种型号，主要区别在于数据处理能力和存储能力不同，II型装置ROM空间为64M，存储空间最多可扩展至32TB，主要用于10kV及以下电网节点使用；I型装置ROM空间为128M，存储空间最多可扩展至64TB，主要用于10kV以上电网节点使用。
基于上述电力碳排放计量装置的分层分布式电力系统碳排放计量系统，该系统通过对电力系统不同节点的电力、电压、功率以及潮流等数据的综合计算，计算出电网节点的碳排放量以及碳的流动，同时可以实现装置远程组网以及本地组网，从而为电力系统提供更加可靠、准确的碳排放数据。
一种分层分布式的电力系统碳排放计量系统，包括电力碳排放计量装置1、接入交换机6、接入路由器5、核心路由器4、防火墙3和数据中心2，其中，电力碳排放计量装置在整个电力系统的所有节点中均分布使用；一个或者多个电力碳排放计量装置通过接入交换机或者接入路由器，汇聚接入上一级核心路由器；同级核心路由器为上一级核心路由器的接入路由器。以此类推，最后经过防火墙汇入数据中心，如图6所示。数据中心可以展示、计算、优化电力系统碳排放数据。
上述分层分布式的电力系统碳排放计量系统的主要功能包括：对电力节点电力碳排放计量、碳排放分段计费以及对装置计量信息的加密传输。
1、节点电力碳排放计量
计量装置节点的碳排放量速率用C表示，单位是kgCO2/s
Figure DEST_PATH_IMAGE144
（1）
其中，F表示碳排放总量，t表示时间
碳排放密度为：
Figure 131328DEST_PATH_IMAGE004
（2）
其中，P表示有功功率，P=UI，U和I分别为电压采集模块和电流采集模块的测定数据；
碳随电能量流动的碳势能为：
Figure DEST_PATH_IMAGE145
（3）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE146
,
Figure 770120DEST_PATH_IMAGE010
表示支路编号，N表示该节点有N个支路；
设定电力碳排放计量装置处在一个有N个节点的电网拓扑，拓扑中K个节点发出有功，M个节点消耗有功，则节点碳势能为：
Figure 696488DEST_PATH_IMAGE012
（4）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE147
，
Figure 806133DEST_PATH_IMAGE016
表示支路编号，N表示该节点有N个支路，
Figure 425333DEST_PATH_IMAGE018
表示第s路的碳流密度；
Figure DEST_PATH_IMAGE149
表示潮流分布矩阵，为N阶方阵；
Figure DEST_PATH_IMAGE151
表示有功发出矩阵，为K*N阶矩阵；有功发出对各节点注入的碳势能为：
Figure DEST_PATH_IMAGE152
（5）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE153
为有功节点碳排放强度向量；
网络中各节点注入碳势为
Figure DEST_PATH_IMAGE154
，其中
Figure 879317DEST_PATH_IMAGE032
为各支路对各节点注入的碳势；
带负荷的节点碳势为
Figure DEST_PATH_IMAGE155
，
Figure 641999DEST_PATH_IMAGE036
为对角阵；
支路碳流矩阵为
Figure 576457DEST_PATH_IMAGE038
；
负荷碳流密度为
Figure 366558DEST_PATH_IMAGE040
，
Figure DEST_PATH_IMAGE156
为负荷矩阵为M*N阶矩阵；
碳排放计量装置中对本节点碳排放速率计算为：
C=P*e （6）
根据式（1）得：
Figure 448784DEST_PATH_IMAGE044
（7）。
2、碳排放分段计费：
为了激励用户少用电以及在电力低谷时期用电，减少碳排放，特提出对电力碳排放的分段计费算法，具体为：
该该电力系统碳排放计量系统，用于实现碳排放分段计费，具体为：
本系统对于电力用户侧采用分时计量算法；根据电网不同时间供电压力不同时间段，时段
Figure 716954DEST_PATH_IMAGE046
由电力管理部门规定，i=1,2,3,4…,i∈N+，则：
Figure DEST_PATH_IMAGE157
（8）
其中，F表示表示碳排放总量；
Figure DEST_PATH_IMAGE158
的计算公式为：
Figure 72630DEST_PATH_IMAGE052
（9）
则：
Figure 299212DEST_PATH_IMAGE054
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE159
表示时段j中，第i中发电模式占电网实时发电量的比重；
Figure 337575DEST_PATH_IMAGE058
表示第i种发电模式碳排放计量因子；
Figure DEST_PATH_IMAGE160
负荷碳流密度,
Figure DEST_PATH_IMAGE161
表示电力使用等效碳排放量；采用与现行电力计量计费的方法的耦合计费为：
Figure DEST_PATH_IMAGE162
（10）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE163
为碳排等效计费量，
Figure 35535DEST_PATH_IMAGE068
为碳排放配额，
Figure 210164DEST_PATH_IMAGE070
为低碳奖励系数
Figure 76489DEST_PATH_IMAGE072
，
Figure 336569DEST_PATH_IMAGE074
，
Figure 946542DEST_PATH_IMAGE076
为阶梯用电碳排放系数，a为用电碳排放区间段，
Figure 975678DEST_PATH_IMAGE068
、
Figure 12904DEST_PATH_IMAGE077
、
Figure 258815DEST_PATH_IMAGE076
这些系数均可修改，根据电网运行实际情况进行修改，则：
Figure DEST_PATH_IMAGE164
（11）
其中，Hc表示电力碳排放费用，qt为单位电能使用碳排放费用。
3、数据加密和解密
电力碳排放计量装置需要将采集到的数据进行远传，传输过程中需要对采集到数据和用户数据进行加密传递，加密传递的主要特征是一个加密密钥对应多个解密秘钥，具体为：
1）初始阶段
P 是素数， F={0,2,……P-l}在 modP 的意义下关于“+”、“
Figure DEST_PATH_IMAGE165
”运算构成一个有限域，并用 GF(P)表示，g 是GF(P)上的生成元；
系统中心选取一个单向函数 Hash，s 个位数相近的大素数
Figure 734796DEST_PATH_IMAGE083
（1≤i≤s），计算n=P1*P2*… . .∗Pn ，系统中心为每个用户
Figure 618438DEST_PATH_IMAGE085
随机选取正整数
Figure 92145DEST_PATH_IMAGE087
,同时
Figure DEST_PATH_IMAGE166
,计算得
Figure 592397DEST_PATH_IMAGE091
，
Figure DEST_PATH_IMAGE167
，分别得到用户
Figure 576795DEST_PATH_IMAGE085
的
Figure 580523DEST_PATH_IMAGE095
，（j=1，…s）,
Figure 959552DEST_PATH_IMAGE097
、Hash、g，n 可以公开传递，每个用户
Figure 150362DEST_PATH_IMAGE085
都可以获得并使用；s个
Figure 171408DEST_PATH_IMAGE095
可以通过安全渠道或者线下传递方式发送给用户
Figure 764063DEST_PATH_IMAGE085
；
公钥=
Figure 579572DEST_PATH_IMAGE099
私钥=
Figure 15933DEST_PATH_IMAGE101
其中，
Figure 309511DEST_PATH_IMAGE091
表示可逆元，
Figure 22253DEST_PATH_IMAGE102
表示用户
Figure 8663DEST_PATH_IMAGE104
的可逆元；
2）加密阶段：
设定某用户欲向
Figure 439644DEST_PATH_IMAGE085
安全地发送消息 m，该用户将按下述步骤发送消息 m 的密文:
(a)随机选取整数 k，0<k<n，计算消息认证码 x 和 y；其中
Figure 536913DEST_PATH_IMAGE106
,
Figure 900899DEST_PATH_IMAGE108
;将 x,y 串接到m 后得到扩充明文M′= 𝑚||𝑥||𝑦；
(b)若M′>n 则将其细分为若干单元
Figure 559675DEST_PATH_IMAGE110
(1 ≤ 𝑡 ≤ l)，使每一单元都小于 n，即
Figure 477953DEST_PATH_IMAGE112
；
(c)对每一个单元加密，利用
Figure 316596DEST_PATH_IMAGE085
的公开密钥
Figure 3929DEST_PATH_IMAGE114
计算
Figure 332142DEST_PATH_IMAGE116
(1 ≤𝑡 ≤ l) ，然后将
Figure 472137DEST_PATH_IMAGE118
发往给
Figure 176787DEST_PATH_IMAGE085
；其中 T 为密文发送的时间邮戳；
3）解密阶段：
设定用户
Figure 718627DEST_PATH_IMAGE085
在时刻 T 接受到密文
Figure 217742DEST_PATH_IMAGE120
；首先计算时间间隔∆T=T′-T；
若
Figure 140305DEST_PATH_IMAGE122
则拒绝解密，
Figure 117488DEST_PATH_IMAGE124
为用户设定时间间隔，并发送一个超时信号返回给发送用户请求重新发送；当
Figure 779414DEST_PATH_IMAGE126
，
Figure 652692DEST_PATH_IMAGE128
按如下步骤解密:
获取消息 m:
(a)
Figure 564016DEST_PATH_IMAGE129
利用 s 个私钥
Figure 344890DEST_PATH_IMAGE131
，（j=1，…s）计算
Figure 861322DEST_PATH_IMAGE133
；
(b)
Figure 203704DEST_PATH_IMAGE135
,其中
Figure 805587DEST_PATH_IMAGE137
,1≤j≤s-1，
Figure 390152DEST_PATH_IMAGE139
，
Figure 761090DEST_PATH_IMAGE141
；
(c) 将
Figure 772909DEST_PATH_IMAGE143
（1 ≤ 𝑡 ≤ l）串接得到M′= 𝑚||𝑥||𝑦，由M′可以得到消息 m，x，y；
4）认证阶段：
对恢复出来的消息 m 的认证，由M′同时得到认证码 x 和 y，验证 Hash（x/m，T）是否等于 y；如果成立即验证通过；否则不通过。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神范围内，各种替换、变化和修改都是可以的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (5)

1.一种电力碳排放计量装置，其特征在于：装置的外围硬件包括基于ESW5610国产安全芯片的核心处理器、交流电压采集模块、交流电流采集模块、网络通信模块、串口通信模块、数据存储模块、交流电源模块及人机交互模块，核心处理器通过软件实现各模块信息交互；软件设计采用国产LINUX操作系统，实现电力系统碳排放和碳流量的记录、存储和远传；
所述网络通信模块，用于实现基于TCP/IP 的网络通信；
所述交流电压采集模块，用于采集电压，电压值用于计算电力碳排放计量装置所在节点功率，其采用CHV-50P电压传感器，其输出电压为-3V~3V；
所述交流电流采集模块，用于采集电流，电流值用于计算电力碳排放计量装置所在节点功率，其采用DT-50P电流传感器，其输出电流为4~20mA；
所述串口通信模块，用于支持与电力系统中串口通信的设备互联，支持RS-232串口通信；
所述核心处理器，用于实现对电力负荷的采集，并通过负荷采集计算电力碳排放量，其采用ATT70系列芯片作为电力负荷采集芯片，核心处理器采用STM32，并包含相关串口通信芯片；
所述人机交互模块，用于通过触摸屏以及开关按钮和指示灯来实现装置与操作者的互动；通过屏幕显示电力节点碳排放量以及碳的流向信息；
所述数据存储模块，用于实现本地存储对应电力节点的相关数据，采用单硬盘存储和多硬盘存储，可扩展到64TB的容量；
所述交流电源模块，用于给电力碳排放计量装置供电，可接220V交流电。
2.一种分层分布式的电力系统碳排放计量系统，其特征在于：包括电力碳排放计量装置、接入交换机、接入路由器、核心路由器、防火墙和数据中心，其中电力碳排放计量装置采用权利要求1所述的电力碳排放计量装置；电力碳排放计量装置在整个电力系统的所有电力节点中均分布使用；一个或者多个电力碳排放计量装置通过接入交换机或者接入路由器汇聚接入上一级的核心路由器；同级核心路由器为上一级的核心路由器的接入路由器，上级核心路由器，经过防火墙汇入数据中心，数据中心用于展示、计算、优化电力系统碳排放数据。
3.根据权利要求2所述的分层分布式的电力系统碳排放计量系统，其特征在于：该电力系统碳排放计量系统，用于对电力节点电力碳排放计量，具体为：
计量装置节点的碳排放量速率用C表示，单位是kgCO2/s
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中，F表示碳排放总量，t表示时间
碳排放密度为：
Figure 781197DEST_PATH_IMAGE002
（2）
其中，P表示有功功率，P=UI，U和I分别为电压采集模块和电流采集模块的测定数据；
碳随电能量流动的碳势能为：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
（3）
其中，
Figure 113956DEST_PATH_IMAGE004
,
Figure DEST_PATH_IMAGE005
表示支路编号，N表示该节点有N个支路；
设定电力碳排放计量装置处在一个有N个节点的电网拓扑，拓扑中K个节点发出有功，M个节点消耗有功，则节点碳势能为：
Figure 913285DEST_PATH_IMAGE006
（4）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 498987DEST_PATH_IMAGE008
表示支路编号，N表示该节点有N个支路，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
表示第s支路的碳流密度；
Figure 725569DEST_PATH_IMAGE010
表示第s支路的潮流分布矩阵，为N阶方阵；
Figure DEST_PATH_IMAGE011
表示第s支路有功发出矩阵，为K*N阶矩阵；
Figure 796556DEST_PATH_IMAGE012
为有功节点碳排放强度，有功发出对各节点注入的碳势能为：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
（5）
其中，
Figure 868417DEST_PATH_IMAGE014
为有功节点碳排放强度向量；
网络中各节点注入碳势为
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，其中
Figure 574205DEST_PATH_IMAGE016
为各支路对各节点注入的碳势
带负荷的节点碳势为
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 237267DEST_PATH_IMAGE018
为对角阵
支路碳流矩阵为
Figure DEST_PATH_IMAGE019
负荷碳流密度为
Figure 261462DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为负荷矩阵为M*N阶矩阵；
碳排放计量装置中对本节点碳排放速率计算为：
C=P*e （6）
根据式（1）得：
Figure 402593DEST_PATH_IMAGE022
（7）。
4.根据权利要求3所述的分层分布式的电力系统碳排放计量系统，其特征在于：该电力系统碳排放计量系统，用于实现碳排放分段计费，具体为：
本系统对于电力用户侧采用分时计量算法；根据电网不同时间供电压力不同时间段，时段
Figure DEST_PATH_IMAGE023
由电力管理部门规定，i=1,2,3,4…,i∈N+，则：
Figure 962887DEST_PATH_IMAGE024
（8）
其中，F表示碳排放总量；
Figure DEST_PATH_IMAGE025
的计算公式为：
Figure 796851DEST_PATH_IMAGE026
（9）
则：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
其中，
Figure 311271DEST_PATH_IMAGE028
表示时段j中，第i中发电模式占电网实时发电量的比重；
Figure DEST_PATH_IMAGE029
表示第i种发电模式碳排放计量因子；
Figure 52831DEST_PATH_IMAGE030
负荷碳流密度,
Figure DEST_PATH_IMAGE031
表示电力使用等效碳排放量；采用与现行电力计量计费的方法的耦合计费为：
Figure 670894DEST_PATH_IMAGE032
（10）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
为碳排等效计费量，
Figure 675759DEST_PATH_IMAGE034
为碳排放配额，
Figure DEST_PATH_IMAGE035
为低碳奖励系数
Figure 477143DEST_PATH_IMAGE036
，
Figure DEST_PATH_IMAGE037
，
Figure 960077DEST_PATH_IMAGE038
为阶梯用电碳排放系数，a为用电碳排放区间段，则：
Figure DEST_PATH_IMAGE039
（11）
其中，Hc表示电力碳排放费用，qt为单位电能使用碳排放费用。
5.根据权利要求4所述的分层分布式的电力系统碳排放计量系统，其特征在于：
电力碳排放计量装置需要将采集到的数据进行远传，传输过程中需要对采集到数据和用户数据进行加密传递，加密传递的主要特征是一个加密密钥对应多个解密秘钥，具体为：
初始阶段
P 是素数， F={0,2,……P-l}在 modP 的意义下关于“+”、“
Figure 494964DEST_PATH_IMAGE040
”运算构成一个有限域，并用 GF(P)表示，g 是GF(P)上的生成元；
系统中心选取一个单向函数 Hash，s 个位数相近的大素数
Figure DEST_PATH_IMAGE041
（1≤i≤s），计算n=P1*P2*… . .∗Pn ，系统中心为每个用户
Figure 172195DEST_PATH_IMAGE042
随机选取正整数
Figure DEST_PATH_IMAGE043
,同时
Figure 159742DEST_PATH_IMAGE044
,计算得
Figure DEST_PATH_IMAGE045
，
Figure 446367DEST_PATH_IMAGE046
，分别得到用户
Figure 39023DEST_PATH_IMAGE042
的
Figure DEST_PATH_IMAGE047
，（j=1，…s）,
Figure 385690DEST_PATH_IMAGE048
、Hash、g，n 可以公开传递，每个用户
Figure 827911DEST_PATH_IMAGE042
都可以获得并使用；s个
Figure 387068DEST_PATH_IMAGE047
可以通过安全渠道或者线下传递方式发送给用户
Figure 99809DEST_PATH_IMAGE042
；
公钥=
Figure DEST_PATH_IMAGE049
私钥=
Figure 351799DEST_PATH_IMAGE050
其中，
Figure 782780DEST_PATH_IMAGE045
表示可逆元，
Figure DEST_PATH_IMAGE051
表示用户
Figure 411208DEST_PATH_IMAGE052
的可逆元；
2）加密阶段：
设定某用户欲向
Figure 745499DEST_PATH_IMAGE042
安全地发送消息 m，该用户将按下述步骤发送消息 m 的密文:
(a)随机选取整数 k，0<k<n，计算消息认证码 x 和 y；其中
Figure DEST_PATH_IMAGE053
,
Figure 168390DEST_PATH_IMAGE054
;将 x,y 串接到m 后得到扩充明文M′= 𝑚||𝑥||𝑦；
(b)若M′>n 则将其细分为若干单元
Figure DEST_PATH_IMAGE055
(1 ≤ 𝑡 ≤ l)，使每一单元都小于 n，即
Figure 352247DEST_PATH_IMAGE056
；
(c)对每一个单元加密，利用
Figure 253207DEST_PATH_IMAGE042
的公开密钥
Figure DEST_PATH_IMAGE057
计算
Figure 206119DEST_PATH_IMAGE058
（1 ≤ 𝑡≤ l） ，然后将
Figure DEST_PATH_IMAGE059
发往给
Figure 558167DEST_PATH_IMAGE042
；其中 T 为密文发送的时间邮戳；
3）解密阶段：
设定用户
Figure 698161DEST_PATH_IMAGE042
在时刻 T 接受到密文
Figure 402812DEST_PATH_IMAGE060
；首先计算时间间隔∆T=T′- T；
若
Figure DEST_PATH_IMAGE061
则拒绝解密，
Figure 475810DEST_PATH_IMAGE062
为用户设定时间间隔，并发送一个超时信号返回给发送用户请求重新发送；当
Figure DEST_PATH_IMAGE063
，
Figure 506083DEST_PATH_IMAGE064
按如下步骤解密:
获取消息 m:
(a)
Figure DEST_PATH_IMAGE065
利用 s 个私钥
Figure 165997DEST_PATH_IMAGE066
，（j=1，…s）计算
Figure DEST_PATH_IMAGE067
；
(b)
Figure 939918DEST_PATH_IMAGE068
,其中
Figure DEST_PATH_IMAGE069
,1≤j≤s-1，
Figure 867423DEST_PATH_IMAGE070
，
Figure DEST_PATH_IMAGE071
；
(c) 将
Figure 68597DEST_PATH_IMAGE072
（1 ≤ 𝑡 ≤ l）串接得到M′= 𝑚||𝑥||𝑦，由M′可以得到消息 m，x，y；
4）认证阶段：
恢复出来的消息 m 的认证，由M′同时得到认证码 x 和 y，验证 Hash（x/m，T）是否等于 y；如果成立即验证通过；否则不通过。
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