技术领域
[0001] 本发明涉及碳核算技术领域。
相关背景技术
[0002] 电力行业，作为现代社会的基石，其庞大的规模与广泛的覆盖面使得它成为全球温室气体排放总量中的核心贡献者。随着全球气候变化的严峻挑战日益凸显，电力生产和消费过程中的碳排放问题成为了国际社会关注的焦点。电力的生成往往伴随着化石燃料的燃烧，这些过程释放的大量二氧化碳等温室气体，对地球气候系统构成了严重威胁。
[0003] 在碳核算与碳足迹评估的复杂体系中，电力使用的特殊性尤为显著。一方面，电力是在发电厂产生，其生产过程中的碳排放往往发生在远离消费地的区域，这种“生产‑消费”的空间分离，为减排责任的公平分配带来了巨大挑战，尤其是在跨国界电力交易日益频繁的今天。如何在国家和企业之间合理分配减排任务，确保责任与收益相匹配，成为了一个亟待解决的难题。另一方面，在评估产品、过程及服务的碳足迹时，电力的混合使用特性增加了计算的复杂性。由于不同地区、不同时间段的电力来源(如煤炭、天然气、可再生能源等)比例各异，且电力本身无法像商品那样进行物理追踪，这导致难以精确计算某一具体产品或服务在生产过程中所消耗的电力所对应的实际碳排放量。这种不确定性不仅影响了碳足迹评估的准确性，也限制了企业制定有效减排策略的能力。为应对这些挑战，国际社会不断探索新的减排机制与核算方法。碳排放交易市场的建立，旨在通过市场机制激励企业减少排放，但单纯依赖交易手段仍不足以解决所有问题。绿色证书、低碳产品认证等创新措施应运而生，它们通过提供额外的经济激励或市场信号，鼓励企业采用更清洁的能源和生产技术，从而间接减少电力使用中的碳排放。
[0004] 然而，现有的碳排放核算框架多基于生产端视角，虽能大致反映电力生产环节的排放情况，却难以全面反映电力消费端的复杂性和多样性。
具体实施方式
[0108] 基于现有的碳排放核算框架存在的问题，需要开发更加精细、动态的电力使用碳排放核算方法，不仅要考虑电力网络的实际结构和传输特性，还要结合时空变化因素，建立更加科学、全面的核算体系，以更准确地反映电力使用的真实碳排放情况，为制定有效的碳减排政策提供坚实的数据支撑。
[0109] 本发明的本发明提供一种基于碳流跟踪技术的消费型碳排放核算方法，包括以下步骤：
[0110] 步骤1：确定碳源和碳汇，将每个区域简化为纯碳源或纯碳汇。
[0111] 供电方和消费方分别称为碳源和碳汇。如图1所示，碳流通过有向分支，从碳源到最终碳汇可能会经过多个中间节点。碳源、碳汇和碳流共同构成了一个碳流追踪网络。在地区层面的碳核算中，节点代表一个地区。一般来说，一个地区不仅生产电力，还消费电力。碳源的输出被定义为与电力出口相关的碳排放，碳汇的输入被定义为电力进口的间接碳排放。因此，每个地区都被简化为纯源或纯汇。电力供应的排放率根据电力输出地区的能源结构计算。如果存在跨区域直接供电，则根据供电发电机的排放率计算。在碳流追踪过程中剔除跨区域直供。在剔除过程中，节点类型可能会发生转换，碳源转换为碳汇，或者相反，当剔除量大于碳源的原始输出量或碳汇的原始输入量时。对于用户层面的碳强度评估，节点代表总线。假设发电机优先为同一总线上的负载供电，并在各总线上合并形成简化网络。碳源的输出是与母线公交车净输入电力相关的碳排放量，碳汇的输入是与母线公交车净输出电力相关的碳排放量。供电排放率根据供电发电机计算。
[0112] 给定一个有n个节点、b个分支、s个源和d个汇的网络，源的输出和汇的输入用Ps,Pdn∈R表示。流程追踪是为了确定以下关系：
[0113] f(Ps):Ps→Pd. (1)
[0114] 根据比例分享规则，每个节点的输入输出计算公式都是线性的。表示为：
[0115] Pd＝FPs
[0116] 其中，F∈Rn×n是一个常量矩阵，可定义为源对汇的贡献矩阵。
[0117] 步骤2：使用碳流跟踪方法确定碳源对碳汇的贡献。
[0118] 碳流跟踪的关键是计算矩阵，即源到汇的贡献矩阵。
[0119] 1)无损网络(Lossless Network):在给定网络流状态下，可以得到如下方程：
[0120] Ps＝APn (2)
[0121] Pd＝FPs, F＝BA‑1 (3)
[0122] 其中，Pn∈Rn表示节点总流量，相当于节点的总投入和总产出。下面介绍矩阵A和B。
[0123] 矩阵A的元素被定义为：
[0124]
[0125] 其中，i‑是节点的集合，属于节点i的输入分支。j∈i‑表示Pji是节点i的输入流量，也是节点j在分支j‑i上的输出流量。如果j‑i是节点i的输出分支，则Pji为负值。
[0126] 矩阵B的元素被定义为：
[0127]
[0128] 2)有损网络：这部分介绍了网络损耗相关排放分配的跟踪技术。对于有损网络，每条支路两端的流量都不相等,|Pij|≠|Pji|。通过将网络损耗转移到汇或源，可将有损网络转换为等效无损网络。这里采用前者，并得出损耗传递方程:
[0129] ΔPd＝BΔPn, ΔPns＝AΔPn (6)
[0130] 其中，ΔPd∈Rn是分配给汇的网络损耗，ΔPn∈Rn是节点总输入损耗，包括从上游n节点传输的损耗。ΔPns∈R是节点损失，其元素定义为:
[0131]
[0132] 如果采用基于消耗的损耗分配原则，传统的电力流跟踪只需告知用户应承担多少网络损耗即可。然而，为了确定与用户侧分配的网络损耗相对应的碳排放量，碳流量跟踪应进一步说明哪些发电源提供了额外的能量来抵消用户侧分配的损耗。这项工作可以通过根据不同来源进行拆分来完成。
[0133] 让ΔPsk,ij表示来源k对ΔPij的贡献。那么，ΔPij可以按来源分成几个部分:
[0134]
[0135] 其中，ajk(‑1)是A‑1的第j行第k列元素。对ΔPsk,ij的进一步解释如下。在有损网络‑1 n中，(5)被修改为Pn’＝A Ps.Pn’∈R是等效无损网络中的节点总流量。源k对Pnj’的贡献如下：
[0136]
[0137] 根据比例分享规则，源k对节点j输出分支的贡献与(10)相同。因此，源对ΔPij的贡献满足(9)。它可以重写如下:
[0138]
[0139] 式(7)和式(11)可以重新编排为如下形式:
[0140] ΔPns＝MΔPb (12)
[0141] ΔPb＝NPs (13)
[0142] 其中，M∈Rn×b,N∈Rn×b的元素定义如下:
[0143]
[0144] 将式(6)、式(12)、式(13)放在一起，可以得到源对汇中分配损失的贡献如下:
[0145] ΔPd＝LPs,L＝BA‑1MN. (16)
[0146] L∈Rn×n列对应的是相应源对所有汇所分配网络损耗的贡献。将L的每一列相加，即可得到相应源的总贡献率：
[0147] ΔPs＝diag{LTe}Ps (17)
[0148] 其中，LT是L的转置，e是一个每个元素都等于1的列向量。因此，有损网络中汇的实际输入量表示如下：
[0149] Pd＝HPs, H＝BA‑1‑L. (18)
[0150] 根据式(16)和式(18)，源对汇的最终贡献表示如下：
[0151] Pd′＝FPs, F＝H+L＝BA‑1. (19)
[0152] 步骤3：根据碳源排放率计算区域碳账户，对于区域碳核算，使用每个区域的排放率计算每个区域的碳排放量。
[0153] Ps,Pd∈Rn表示源的输出和汇的输入，即供应方的区域电力输出和消费方的区域电力输入。
[0154]
[0155] 其中，Ss,Sd分别代表碳源和碳汇的集合。Pai,Pli分别代表地区的本地发电量和本地用电量。Pcij是地区i向地区j的直接供应量，当方向相反时为负值。
[0156] Ps,Pd∈Rn参与碳流追踪，具有如下关系：
[0157] Pd＝FPS. (21)
[0158] 其中,F∈Rn×n是一个常量矩阵，可定义为源对汇的贡献矩阵。
[0159] 让Cs,Cd∈Rn分别代表碳源的输出和碳汇的输入。可根据地区排放率转换为碳排放数量。区域i的区域排放率用σi来表示，所以Csi＝σiPsi·因此碳流追踪的结果如下：
[0160] Cd＝FCs. (22)
[0161] 考虑到当地的消费和直接供应。每个地区的最终碳排放账户的形式如下：
[0162]
[0163] 其中Cai的计算方法与Csi相同，而Ccij则根据直接向其他地区供电的特定发电机组的排放率计算。
[0164] 步骤4：评估区域碳排放强度:根据不同区域的电力供应结构，评估不同区域的碳排放强度。
[0165] 将流量追踪方法应用于碳强度评估。让Ps，Pd分别代表碳源的输出功率和碳汇的输n入功率。Ps，Pd∈R的元素为：
[0166]
[0167] 其中，Ss，Sd是简化网络中发电机母线和负载母线的集合。Pa，Pl∈Rn分别是节点生成和消耗的向量。
[0168] δ∈Rn代表每条母线线路供电的碳强度。 代表母线i上发电机的排放率，其中εi是母线上发电机的数量。从而得到母线水平的碳强度:
[0169]
[0170] 其中，Pgij表示母线i上发电机j的输出，其排放率为δgij。Fi是矩阵F的第i行。diagn{δ}是δ∈R的对角矩阵。
[0171] 一种基于碳流跟踪技术的消费型碳排放核算方法的装置，包括：
[0172] 碳源和碳汇确定模块，用于将每个区域简化为纯碳源或纯碳汇，碳流通过有向分支，从碳源到最终碳汇经过中间节点，得到每个节点的输入和输出关系；
[0173] 碳源对纯碳汇的贡献确定模块，用于确定纯碳源对纯碳汇的贡献；
[0174] 碳排放量模块，用于对于区域碳核算，使用每个区域的排放率计算每个区域的碳排放量；碳排放强度评估模块，用于根据碳源输出、碳汇输入和碳排放率，评估不同区域的碳排放强度。
[0175] 碳源和碳汇确定模块中，得到每个节点的输入和输出关系方法如下：电力供应的排放率根据电力输出地区的能源结构计算，如果存在跨区域直接供电，则根据供电发电机的排放率计算，在碳流追踪过程中剔除跨区域直供，当剔除量大于碳源的原始输出量或碳汇的原始输入量时，对于用户层面的碳强度评估，节点代表总线，假设发电机优先为同一总线上的负载供电，并在各总线上合并形成简化网络，碳源的输出是与母线净输入电力相关的碳排放量，碳汇的输入是与母线净输出电力相关的碳排放量，供电排放率根据供电发电机计算，
[0176] 给定一个有n个节点、b个分支、s个源和d个汇的网络，源的输出和汇的输入为Ps,Pdn∈R，流程追踪确定以下关系：
[0177] f(Ps):Ps→Pd. (1)
[0178] 根据比例分享规则，每个节点的输入输出计算公式都是线性的，每个节点的输入输出计算公式表示为：
[0179] Pd＝FPs
[0180] 其中,F∈Rn×n是一个常量矩阵，定义为源对汇的贡献矩阵。
[0181] 纯碳源对纯碳汇的贡献确定模块中，使用碳流跟踪方法确定纯碳源对纯碳汇的贡献方法表达式为：
[0182] Pd'＝FPs，F＝H+L＝BA‑1 (19)
[0183] L∈Rn×n列对应的是相应源对所有汇所分配网络损耗的贡献，Ps∈Rn表示源的输出，
[0184] 矩阵A的元素定义为：
[0185]
[0186] 其中，i‑是节点的集合，j∈i‑表示Pji是节点i的输入流量，如果j‑i是节点i的输出分支，则Pji为负值；
[0187] 矩阵B的元素被定义为：
[0188]
[0189] 碳排放量模块中，计算每个区域的碳排放量方法如下：Ps，Pd∈Rn表示源的输出和汇的输入，即供应方的区域电力输出和消费方的区域电力输入，
[0190]
[0191] 其中，Ss，Sd分别代表碳源和碳汇的集合，Pai,Pli分别代表地区的本地发电量和本地用电量，Pcij是地区i向地区j的直接供应量，当方向相反时为负值，
[0192] Ps,Pd∈Rn参与碳流追踪，具有如下关系：
[0193] Pd＝FPS. (21)
[0194] 其中,F∈Rn×n是一个常量矩阵；
[0195] Cs,Cd∈Rn分别代表碳源的输出和碳汇的输入，根据地区排放率转换为碳排放数量，区域i的区域排放率用σi来表示，Csi＝σiPsi，碳流追踪的结果如下：
[0196] Cd＝FCs. (22)
[0197] 每个地区的最终碳排放账户的形式如下：
[0198]
[0199] 其中Cai的计算方法与Csi相同，而Ccij则根据直接向其他地区供电的特定发电机组的排放率计算。
[0200] 碳排放强度评估模块中，评估不同区域的碳排放强度方法如下：将流量追踪方法应用于碳强度评估，
[0201] Ps，Pd分别代表碳源的输出功率和碳汇的输入功率，Ps，Pd∈Rn的元素为：
[0202]
[0203] 其中，Ss，Sd是简化网络中发电机母线和负载母线的集合，Pa，Pl∈Rn分别是节点生成和消耗的向量，
[0204] δ∈Rn代表每条母线线路供电的碳强度， 代表母线i上发电机的排放率，其中εi是母线上发电机的数量，从而得到母线水平的碳强度:
[0205]
[0206] 其中，Pgij表示母线i上发电机j的输出，其排放率为δgij，Fi是矩阵F的第i行，diagn{δ}是δ∈R的对角矩阵。
[0207] 实验验证：
[0208] 以中国电力系统的六个区域为例。对中国六区域体系测试以证明所提出方法的有效性。当地生产、燃料消耗和最终总用电量来源于《中国能源统计年鉴》。跨区域交换数据来源于《电力行业统计汇编》，传输损耗按传输电量的2％计算。碳排放量根据IPCC《国家温室气体清单指南》计算。基本数据汇总于表1。
[0209] 表1中国六大地区基本数据
[0210]
[0211] 6个区域之间的电量交换按照步骤1进行处理，简化后的区域碳流示踪网络如图2所示。华北对华东的直接供应用虚线箭头表示。将其从碳流追踪过程中剔除，华北节点由碳源向碳汇转变。
[0212] 根据式(23)对当地用电量和直供电量的碳排放进行核算，得出各地区碳排放的最终核算结果见表2，给出直供电量的排放率为0.84kg/kWh。
[0213] 表2不同地区的碳核算结果
[0214]
[0215] 如表1和表2所示，本地碳排放量与所提出方法的核算结果之间的差异是显著的。如图3所示，其中作为主要出口地区的华中地区碳账户减少了9％，而依赖进口的地区如华东和华南分别增加了7％和4％。因此，依赖电力进口的地区承担了更多的碳义务，从而减轻了电力出口地区的压力。通过将碳义务内部化到依赖电力进口的地区，推动他们支持电力供应地区的碳减排。因此，它可能有助于区域间的碳减排合作和国家碳减排目标的实现。
[0216] 本发明是通过实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。
