基于多能源主体的动态碳排放因子测算方法

1.本发明涉及碳排放技术领域，尤其涉及一种基于多能源主体的动态碳排放因子测算方法。


背景技术：

2.随着气候变化的加剧和全球碳排放的增加，各国政府和企业纷纷采取行动减少碳排放并转型为可持续能源。特别是对于高载能企业(如钢铁、石化等)，能源转型更是至关重要。由于碳排放与经济发展和能源使用方式密切相关，在进行动态碳排放因子测算时往往会参考经济发展预测和能源消费情况，不同的经济、能耗参考可以认为是不同的未来发展情景，故也可以使用多情景模拟法结合其他算法进行预测，但是现有技术中出现的情景模拟方法一般具有测量不准确，误差大等缺点。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是提供一种有效且测量准确的基于多能源主体的动态碳排放因子测算方法。
4.为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于多能源主体的动态碳排放因子测算方法，包括如下步骤：
5.对综合能源系统的网络结构进行分析；
6.根据网络结构对综合能源系统进行解耦；
7.引入平衡节点计算热力网络系统与天然气网络系统潮流；
8.将网络平衡节点功率作为电力网络负荷节点计算电力网络系统潮流；
9.对综合能源系统网络进行精度判断，若精度未达到要求则修正雅可比矩阵再次进行迭代，若精度达到要求则进行碳流计算；
10.导出支路潮流分布矩阵、机组注入分布矩阵、负荷分布矩阵、节点有功通量矩阵，计算节点碳势分布向量，得出支路碳流率分布矩阵；
11.核算负荷碳流率向量，得出动态碳排放因子；
12.由动态碳排放因子分布情况调整综合能源系统网络结构；
13.使用综合能源系统网络结构对高载能负荷能源进行决策。
14.进一步的技术方案在于：所述能源测量维度考虑电、气、热三系统，将综合能源系统进行耦合分析，解耦计算，测量网络各个支路碳流率。
15.进一步的技术方案在于：识别能源网络碳排放情况影响因素包括负荷情况、能源消耗、能源强度、能源结构和技术水平。
16.进一步的技术方案在于：所述不同网络能源负荷结构下，进行网络碳排放情况预测，得到不同的能源系统碳排放因子。
17.进一步的技术方案在于：根据所述碳排放因子，可进一步计算碳排放总量、单位电量碳排放强度、碳源结构和能源碳排放结构。
18.采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述方法通过对综合能源系统的运行构造和系统耦合情况，确定综合能源系统的潮流计算顺序，并将电力系统潮流的计算方法，推广至热力网络和天然气网络，进行综合能源系统潮流计算。运用碳排放流理论对综合能源系统的碳排放责任进行分析，得出综合能源系统的动态电碳因子测算模型，并引入典型算例对综合能源系统碳排放情况进行分析验证，确定了计算方案的可行性和有效性，精准构建了综合能源系统碳排放流模型。
附图说明
19.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
20.图1是本发明实施例所述方法的流程图；
21.图2是本发明实施例所述方法中电力系统的潮流计算流程图。
具体实施方式
22.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
24.本技术所述方法从潮流分析的角度出发建立考虑电-热-气三系统网络计算模型。借助电-热-气三系统网络在计算输出参数时均需对节点求解的共性，且系统节点参数关系均可遵从牛顿第三定律推导得到类同力、速度、功等物理关系，可通过能量守恒定律将三系统连接，将电力系统的潮流求解扩展至三系统网络。
25.电力系统潮流求解基于电路的节点电压方程进行，将功率与电流作为未知量代入节点电压方程计算各个节点的电压幅值与相角，进而得到节点功率。这一过程常采用牛拉法与pq分解法完成，采用牛拉法进行求解。
26.参照电力系统潮流求解过程，在热网网络中基于管道压降构建方程，将流速、流量作为求解量代换压降，选取初值进行泰勒展开。由于天然气网络的稳态分析思路与电力网络稳态潮流分析方法类似，对网络节点进行求解，网络处理方式与热力网络相似，仍基于管道压降构建方程。
27.通过三系统网络的共同点从电力潮流推广至能源潮流，利用牛拉法结合热网模型、气网模型构建电-热-气三系统耦合综合能源系统的潮流计算模型。
28.如图1所示，本发明公开了一种基于多能源主体的动态碳排放因子测算方法，包括如下步骤：
29.对综合能源系统的网络结构进行分析；
30.根据网络结构对综合能源系统进行解耦；
31.引入平衡节点计算热力网络系统与天然气网络系统潮流；
32.将网络平衡节点功率作为电力网络负荷节点计算电力网络系统潮流；
33.对综合能源系统网络进行精度判断，若精度未达到要求则修正雅可比矩阵再次进行迭代，若精度达到要求则进行碳流计算；
34.导出支路潮流分布矩阵、机组注入分布矩阵、负荷分布矩阵、节点有功通量矩阵，计算节点碳势分布向量，得出支路碳流率分布矩阵；
35.核算负荷碳流率向量，得出动态碳排放因子；
36.由动态碳排放因子分布情况调整综合能源系统网络结构；
37.使用综合能源系统网络结构对高载能负荷能源进行决策。
38.电力系统潮流模型：
39.为计算电力系统中各节点信息，基于线路各节点的运行条件和网络连接结构确定整个系统的运行状态利用牛拉法进行潮流计算。
40.对电力网络进行分析，构建功率方程，可写成：
[0041][0042]
式中pi、qi、vi、y
ij
为节点有功功率、无功功率、节点i的电压和导纳，将电压的表达式代入式(1)中，展开并将实部和虚部分开可得：
[0043][0044]
通过对电力系统节点进行编号调整，可将系统中pv、pq和平衡节点进行串编。设编号方式为将电力系统中的1,2,...,m号节点编号为pq类型节点，m+1，m+2，
…
，n-1号节点为pv节点，n号节点为平衡节点。对pq节点可列方程：
[0045][0046]
对pv节点可列方程:
[0047][0048]
δwn、δvn、j
nn
为功率修正量、电压修正量、雅可比矩阵元素。修正方程可写成分块矩阵的形式：
[0049][0050]
通过对已知节点数据代入形成导纳矩阵，选取电压初始值并代入节点电压方程，计算雅可比矩阵元素，并计算pv节点、pq节点未知参数。对结算结果进行误差分析，当误差未满足时修正节点电压代入雅可比矩阵再次计算误差，直至误差符合要求。上述计算流程如图2所示。
[0051]
热力系统潮流模型：
[0052]
热力系统网络同电力网络类似，由供给端(热源)、网络(热网)、负荷端(热负荷)构
成。其中热网结构不同于电力网络，由于单一管道无法完成室内热交换，需由拓扑结构相同的进水管道与回水管道构成，但其作用可等同于电力网络。热网中变量包括各节点压强hi、各负荷需水量li、各管道水流量m
ij
。节点压强等同于电力网络中电压，负荷需水量等同于电力网络中电流，而管道水流量则可看作热力网络的功率。即使在管道外包有隔热层，在热量在管道传输的过程中仍存在热量的流失，且水流在管道中需克服管壁摩擦做功，故热力网络中也存在网络损耗。热力供水网络中热量通过管道内水流进行传递，在负荷侧通过热交换器将热量传递给用户，并回流至热源处再次进行加热。为简化计算，认为供水网络与回水网络中各管道流量近似一致。
[0053]
对供水网络进行分析，基于管道内流量近似相等的假设，参照电力系统中基尔霍夫电流方程和欧姆定律方程，构建了热力网络压力平衡方程。
[0054]
根据基尔霍夫电流定律在热力系统的扩展，依据当流量一定时，任一通流截面上的通流面积与流速的乘积为定值，对通流截面上的截面积与流速构建方程，，而通流面积与流速可转化为水流量，其具体公式为：
[0055][0056]
其中a、m、mq依次为支路关联矩阵、管道水流量和该节点注入水流量。
[0057]
参照欧姆定理，可通过管道内压强损失关系，构建压力损失方程表征管道内压力差与管道内水流量的关系，其具体方程为：
[0058][0059]
其中k为供水管道的阻抗系数。
[0060]
基于热网各节点之间温度关系构建热力方程，通过负荷输入节点的温度ts、负荷输出节点的温度to和返回温度tr表征热力网络种各节点的温度关系。输出温度的具体公式为：
[0061][0062]
热负荷与温度、水流量的关系为:
[0063][0064]
供水网络节点温度之间关系：
[0065][0066]
回水网络节点温度之间关系：
[0067][0068]
供水压强可得：
[0069][0070]
实际热力系统中，因热力系统种热源常独立连接，少有多热源线路的存在，故常按照辐射网络对热力系统进行计算，即可参照电力网络辐射网潮流计算方法，构建热力系统
潮流计算方程。
[0071][0072]
天然气系统潮流分析：
[0073]
天然气网络系统潮流求解基于基尔霍夫气体流量定律，通过构建管道压力方程，将流量与流速作为未知量代入管道压力方程，得到各节点压力，进而得到各节点流量。电网、天然气网建立的网络方程均为非线性方程组，对网络方程的求解可采用迭代法，两者具有相似性，为此，电力网络牛顿迭代法可类比应用在气网中
[15]
。
[0074]
将天然气网络类比电力网络，构建流量方程如下：
[0075][0076]
式中：
[0077][0078][0079]fij
为天然气流量，p为节点i处的压力。
[0080]
通过将天然气网络的各部分计算转换为消耗的天然气流量，类比于电力网络的节点电压方程，利用天然气网络的流量构建节点流量平衡方程：
[0081][0082]
写成分块矩阵的形式为：
[0083][0084]
综合能源系统碳排放因子测算模型
[0085]
在计算碳排放因子时，应先对系统潮流进行计算。为便于系统参数的传递，优先计算天然气系统潮流。对天然气网络进行分析，构建天然气系统的潮流模型，再结合热力系统的流量方程和能量方程，基于热力辐射网结构，构建热力系统潮流模型。计算电力系统潮流时，将天然气网络、热力网络与电力网络的接入端口视作负荷。进行热力系统潮流分析时，将电力网络接入端口视作机组，天然气网络接入端口视作负荷。进行天然气系统潮流分析
时，将天然气网络和热力网络接入端口视为机组，分别研究各系统的潮流，然后研究电力系统、热力系统和天然气系统的耦合碳排放因子模型。
[0086]
研究电热耦合系统时，以电热系统能量损耗最小为优化目标：
[0087][0088]
式中：s
gh
、s
chp
、p
gi
、d
sa
依次为供水机组集合、回水机组集合、供水机组i的有功出力和供热功率；a
2i
～a
0i
、e
0a
～e
5a
为拟合常数。
[0089]
电力系统的有功功率和无功功率应保持平衡，据此构建电力系统线路和节点的有功功率和无功功率约束，确定综合能源系统的上下限：
[0090][0091]
构建发电机组的出力约束方程：
[0092][0093]
为保证电力系统稳定运行不被破坏，需根据电力系统网络节点和线路情况，构建节点电压幅值约束、线路的潮流约束以及发电机的容量约束。
[0094][0095]
热力系统也需满足热力网络潮流约束：
[0096][0097]
热力系统稳定运行也需满足管道流量和温度约束：
[0098][0099]
研究气电系统时，以气电系统能量损耗最小为优化目标：
[0100][0101]
式中，sq为天然气网络注入机组，b
2i
～b
0i
为拟合常数。研究电气网络约束时，除电力网络自身约束外，还有天然气网络约束条件：
[0102][0103]
所述方法通过对综合能源系统的运行构造和系统耦合情况，确定综合能源系统的潮流计算顺序，并将电力系统潮流的计算方法，推广至热力网络和天然气网络，进行综合能源系统潮流计算。运用碳排放流理论对综合能源系统的碳排放责任进行分析，得出综合能源系统的动态电碳因子测算模型，并引入典型算例对综合能源系统碳排放情况进行分析验证，确定了计算方案的可行性和有效性，精准构建了综合能源系统碳排放流模型。

技术特征：
1.一种基于多能源主体的动态碳排放因子测算方法，其特征在于包括如下步骤：对综合能源系统的网络结构进行分析；根据网络结构对综合能源系统进行解耦；引入平衡节点计算热力网络系统与天然气网络系统潮流；将网络平衡节点功率作为电力网络负荷节点计算电力网络系统潮流；对综合能源系统网络进行精度判断，若精度未达到要求则修正雅可比矩阵再次进行迭代，若精度达到要求则进行碳流计算；导出支路潮流分布矩阵、机组注入分布矩阵、负荷分布矩阵、节点有功通量矩阵，计算节点碳势分布向量，得出支路碳流率分布矩阵；核算负荷碳流率向量，得出动态碳排放因子；由动态碳排放因子分布情况调整综合能源系统网络结构；使用综合能源系统网络结构对高载能负荷能源进行决策。2.如权利要求1所述的基于多能源主体的动态碳排放因子测算方法，其特征在于，利用牛拉法结合热网模型、气网模型构建电-热-气三系统耦合综合能源系统的潮流计算模型：对电力网络进行分析，构建功率方程，可写成：式中p
i
、q
i
、v
i
、y
ij
为节点有功功率、无功功率、节点i的电压和导纳，将电压的表达式代入式(1)中，展开并将实部和虚部分开可得：通过对电力系统节点进行编号调整，将系统中pv、pq和平衡节点进行串编；设编号方式为将电力系统中的1,2,...,m号节点编号为pq类型节点，m+1，m+2，
…
，n-1号节点为pv节点，n号节点为平衡节点；对pq节点可列方程：对pv节点可列方程:δw
n
、δv
n
、j
nn
为功率修正量、电压修正量、雅可比矩阵元素，修正方程可写成分块矩阵的形式：通过对已知节点数据代入形成导纳矩阵，选取电压初始值并代入节点电压方程，计算
雅可比矩阵元素，并计算pv节点、pq节点未知参数；对结算结果进行误差分析，当误差未满足时修正节点电压代入雅可比矩阵再次计算误差，直至误差符合要求。3.如权利要求2所述的基于多能源主体的动态碳排放因子测算方法，其特征在于，热力系统潮流模型：根据基尔霍夫电流定律在热力系统的扩展，依据当流量一定时，任一通流截面上的通流面积与流速的乘积为定值，对通流截面上的截面积与流速构建方程，而通流面积与流速可转化为水流量，其具体公式为：其中a、m、m
q
依次为支路关联矩阵、管道水流量和该节点注入水流量；参照欧姆定理，可通过管道内压强损失关系，构建压力损失方程表征管道内压力差与管道内水流量的关系，其具体方程为：其中k为供水管道的阻抗系数；基于热网各节点之间温度关系构建热力方程，通过负荷输入节点的温度ts、负荷输出节点的温度to和返回温度tr表征热力网络种各节点的温度关系，输出温度的具体公式为：热负荷与温度、水流量的关系为:供水网络节点温度之间关系：回水网络节点温度之间关系：供水压强可得：构建热力系统潮流计算方程：
4.如权利要求3所述的基于多能源主体的动态碳排放因子测算方法，其特征在于，天然气网络系统潮流分析：将天然气网络类比电力网络，构建流量方程如下：式中：式中：f
ij
为天然气流量，p为节点i处的压力；通过将天然气网络的各部分计算转换为消耗的天然气流量，类比于电力网络的节点电压方程，利用天然气网络的流量构建节点流量平衡方程：写成分块矩阵的形式为：5.如权利要求4所述的基于多能源主体的动态碳排放因子测算方法，其特征在于，综合能源系统碳排放因子测算模型：研究电热耦合系统时，以电热系统能量损耗最小为优化目标：式中：s
gh
、s
chp
、p
gi
、d
sa
依次为供水机组集合、回水机组集合、供水机组i的有功出力和供热功率；a
2i
～a
0i
、e
0a
～e
5a
为拟合常数；电力系统的有功功率和无功功率应保持平衡，据此构建电力系统线路和节点的有功功率和无功功率约束，确定综合能源系统的上下限：构建发电机组的出力约束方程：
为保证电力系统稳定运行不被破坏，需根据电力系统网络节点和线路情况，构建节点电压幅值约束、线路的潮流约束以及发电机的容量约束；热力系统也需满足热力网络潮流约束：热力系统稳定运行也需满足管道流量和温度约束：研究气电系统时，以气电系统能量损耗最小为优化目标：式中，s
q
为天然气网络注入机组，b
2i
～b
0i
为拟合常数；研究电气网络约束时，除电力网络自身约束外，还有天然气网络约束条件：6.如权利要求1所述的基于多能源主体的动态碳排放因子测算方法，其特征在于：所述能源测量维度考虑电、气、热三系统，将综合能源系统进行耦合分析，解耦计算，测量网络各个支路碳流率。7.根据权利要求1所述的基于多能源主体的动态碳排放因子测算方法，其特征在于：识别能源网络碳排放情况影响因素包括负荷情况、能源消耗、能源强度、能源结构和技术水平。8.根据权利要求1所述的基于多能源主体的动态碳排放因子测算方法，其特征在于，所述不同网络能源负荷结构下，进行网络碳排放情况预测，得到不同的能源系统碳排放因子。9.根据权利要求8所述的基于多能源主体的动态碳排放因子测算方法，其特征在于，根据所述碳排放因子，可进一步计算碳排放总量、单位电量碳排放强度、碳源结构和能源碳排放结构。

技术总结
本发明公开了一种基于多能源主体的动态碳排放因子测算方法，涉及碳排放技术领域。所述方法通过对综合能源系统的运行构造和系统耦合情况，确定综合能源系统的潮流计算顺序，并将电力系统潮流的计算方法，推广至热力网络和天然气网络，进行综合能源系统潮流计算。运用碳排放流理论对综合能源系统的碳排放责任进行分析，得出综合能源系统的动态电碳因子测算模型，并引入典型算例对综合能源系统碳排放情况进行分析验证，确定了计算方案的可行性和有效性，精准构建了综合能源系统碳排放流模型。型。型。


技术研发人员：李春哲 朴哲勇 孟涛 葛亮 丁雪原 徐立波 司永利 郭天昊 王斌 魏凤山 韩洁平 王昕 杨晓龙 闫晶 顾美玲 李佳纯 汤熙
受保护的技术使用者：吉林东北电力大学科技开发有限责任公司
技术研发日：2023.05.22
技术公布日：2023/8/21