解读电力系统碳计量关键技术与应用研究

电力碳计量：双碳目标下的一项基础工程

材料开篇即点明，准确、全面的碳排放计量与核算是电力能源系统低碳转型的基础，具有重要的引领和支撑作用。国家发展改革委、国家统计局、生态环境部联合印发的《关于加快建立统一规范的碳排放统计核算体系实施方案》，明确提出开展多行业典型用能设施及用能系统碳排放计量测试方法研究和碳排放基准数据库建设。

《计量发展规划（2021—2035年）》提出，到2025年碳达峰碳中和标准计量体系基本建立，到2030年更加健全。《建立健全碳达峰碳中和标准计量体系实施方案》则要求加强动态碳排放因子等新方法学在国家温室气体清单编制中的应用。三份国家级文件从方法研究、体系建设和应用落地三个层面，为电力碳计量划定了政策坐标。

现行方法的局限与高时空分辨率的新需求

材料指出，全球约70%的碳排放来自能源部门，而电力是能源部门中碳排放占比最高的单一行业，能源是主战场，电力是主阵地。电力系统碳排放分为直接碳排放和间接碳排放：直接碳排放指源侧发电实际产生的碳排放，间接碳排放指荷侧用电的等效碳排放责任，后者将碳排放责任从源侧传导至荷侧。

现行间接碳排放核算主要采用电网平均排放因子法，即通过电网平均碳排放因子与用电量相乘得到用户的用电间接碳排放量，平均碳排放因子则主要根据全国、区域或省级电网的全年燃料统计值和发电量计算得到。此外还有排放因子法、质量平衡法和实测法。

但材料明确列出了存在问题：电力间接排放核算采用单一固定的电网碳排放因子，存在计量时空颗粒度较粗、交易电量碳排责任不明等问题。时间差异性源于清洁能源发电时序差异和供需量时序波动，空间差异性源于电源和负荷空间位置分布差异，使得碳排放因子在不同时间和空间尺度上呈现明显差异。在双碳战略背景下，用户将更加关注电量交易行为背后蕴含的碳排放责任转移问题，但当前核算方法未能体现交易行为对碳排放计量的影响。

碳排放流理论：回答用一度电承担多少碳排放

材料称，团队首创了电力系统碳排放流分析理论，以联合国气候变化公约提出的可测量、可报告、可核实原则为基本设计理念，基于电力系统实时潮流信息以及发电机组实时碳排放，实时计算由源到荷的碳排放流动，实现全电压等级电力系统高时空分辨率计量。

碳排放流被定义为依附于电力潮流存在且随系统潮流定向移动的耦合碳排放，是电力系统中一类虚拟的网络流。其关键参数包括：节点碳排放因子，即节点度电碳排放，单位为kgCO2/kWh；线路碳流密度，即线路流过单位电量对应的间接碳排放；以及一定时间内发电或用电对应的碳排放总量。

计算遵循两条原则。边混变流原则：流入节点的所有碳排放在节点处进行混合后，首先满足本节点负荷，然后再随流出潮流向下一级线路流动。公平性原则：流出节点线路的碳流密度等于该节点碳排放因子。

数学模型与计及交易流的理论体系

材料给出了碳排放流计算流程与数学模型。计算起点是节点总注入电量和节点总注入碳量，结合支路潮流分布矩阵、节点有功通量矩阵，可计算节点碳排放因子矩阵，其中EG为机组碳排放因子矩阵。将区域看成广义节点，可进行区域碳排放因子计算或区域加权平均。

荷侧则通过负荷拓扑与分布矩阵、用户用电数据，计算用电间接碳排放量，即负荷所在区域碳排放因子乘以用户用电负荷；网损碳流率随时间积分可得网损间接碳排放量。

团队进一步提出计及电力交易流信息的电网碳排放流理论体系。电力交易中隐含着碳排放责任转移，先拆解交易流电量和非交易流电量，再对其碳排放信息进行分别计算。遵循独立核算原则和总量守恒原则，计算步骤包括面向碳流计算的无损网络等效、基于交易值的潮流信息拆解、计算非交易电量排放因子、计算交易电量排放因子，最后核算用户用电碳排放量。

算例分析：常州案例与交易行为碳责任量化

材料以江苏常州为算例。常州境内电能主要来自本地电源和区外送入电量，煤电是最主要的供能来源，还包括燃气、垃圾发电、光伏、沼气等，区外送入主要来自江苏本地、安徽和三峡水电。以常州市为最小空间尺度时，全市等效发电与等效用电碳排放总量约97万吨CO2；以各区域为最小空间尺度时，武进区约6.7万吨CO2，溧阳市约1.6万吨CO2。

材料还给出了各类型机组的典型发电碳排放因子：超超临界1000MW级机组为0.7938 tCO2/MWh，超超临界600MW级机组为0.8067，超临界600MW级机组为0.8385，亚临界300MW级机组为0.8875，亚临界循环流化床300MW级机组为0.9171，燃气机组为0.3789，垃圾发电为1.108，沼气发电为0.23。

基于碳流理论的碳计量方法具有实时无偏性：时间尺度上可得到小时级的动态碳排放因子，空间尺度上可得到区县、地市级碳排放因子。当负荷L1和L2分别进行电量交易后，合约电源为垃圾电厂和煤电，各时段间接碳排放发生明显变化。材料给出的结论是，该方法能够独立量化每个交易行为背后的碳排放责任，避免碳排放责任的重复计算，兼顾传统碳流理论得到高时空分辨率动态碳排放因子，并能量化电量交易行为带来的低碳效益。

碳表装置：从中心化架构到去中心化表计

碳表系统能够实现电力系统发、输、配、用全环节碳排放量的自动化、高精度测量与记录，满足联合国气候变化框架公约提出的可测量、可报告和可核实原则。

中心化碳表系统架构由源侧、网侧电碳平台和网荷侧碳表组成，网侧提供实时碳排放强度、累积间接碳排放量、平均碳排放强度和24小时碳排放因子曲线。其优点是架构简单、易于部署，缺点是不易厘清责任、故障范围不可控、计量管理抓手不明确。

去中心化表计式碳表装置及系统则分为源侧碳表、网侧碳表和荷侧碳表。源侧碳表输入发电厂煤耗和发电功率，输出发电厂碳排放因子和发电碳排放量；网侧碳表输入注入线路潮流和注入节点碳排放因子，输出本地节点碳排放因子；荷侧碳表输入用户所在节点碳排放因子，输出用户用电碳排放量。各环节碳表基于本地电信息测得本地碳信息，并进行通讯交互，全环节碳表缺一不可。算法上，材料将中心化矩阵求逆算法与去中心化迭代算法进行了对照。碳表软硬件开发方面，材料展示了与智能电表结合的碳表装置，包括直流电能表、交流电能表和碳表装置验证平台。

多元碳服务与实践示范

以电力系统碳排放流分析理论和碳表系统为基础，材料拓展出碳分析、碳响应、碳优化、碳评价、碳规划等多元化碳服务应用，核心是电力碳计量关键技术与关键装备。具体应用包括全景碳地图、产品碳蕴量、智慧碳管理、用户碳评价，以及综合碳分析、主动碳响应、精准碳认证、科学碳规划。

主动碳响应以动态碳排放因子为信号，引导用户改变用电行为减碳，步骤为获取动态碳排放因子、获取基线负荷曲线、用户用电行为优化、碳减排量评估与结算。实证分析基于全国主要省份2025年至2040年电源规划和运行模拟数据，获得全年8760小时碳排放因子数据，假设各省负荷中的5%参与低碳需求响应。结论是2025年至2040年低碳需求响应效益不断增加，2040年可实现0.4亿吨碳减排；负荷调节潜力大、碳排放因子峰谷差较大的地区减碳效果更好，未来我国东南部地区减碳效果优于西北部地区。

实践与应用示范方面，常州市碳表系统基于碳流分析理论的实体碳表系统，包括源侧碳表、网侧碳表和荷侧碳表，利用碳表监测企业生产全过程碳排放，覆盖纺布、制衣、整烫等生产工序，扫描二维码即可获知产品生产过程中产生的碳排放量，指导企业低碳经营、鼓励消费者绿色消费。此外还支撑建设了首都碳监测平台北京电碳一张图和南网碳监测服务平台，后者提供电力碳监测和能源碳监测，展示南方五省区实时碳排放流数据以及碳排放总量和强度信息。

这张表汇总了材料中八类机组的典型发电碳排放因子。煤电机组整体分布在0.79至0.92 tCO2/MWh之间，且呈现明显的等级规律：超超临界1000MW级机组最低，为0.7938；亚临界循环流化床300MW级机组最高，为0.9171。 非煤机组中，燃气机组为0.3789 tCO2/MWh，接近煤电机组的一半；沼气发电为0.23 tCO2/MWh，是全部机组中最低值；而垃圾发电为1.108 tCO2/MWh，高于所有煤电机组。这提醒我们，并非所有非化石能源发电都等同于低碳，垃圾发电的碳排放因子反而高于煤电，核算时必须按实际电源类型区分。

这张表呈现了常州算例在不同空间尺度下的碳排放计量结果。以常州市为最小空间尺度时，全市等效发电与等效用电碳排放总计约97万吨CO2。以常州各区域为最小空间尺度时，武进区约6.7万吨CO2，溧阳市约1.6万吨CO2。 这组数据体现了碳排放流方法的空间可切换性。同一套理论既能输出全市口径的总量，也能细化到区县口径，这正是传统电网平均排放因子法难以做到的。材料同时指出，该方法在时间尺度上可得到小时级的动态碳排放因子，在空间尺度上可得到区县、地市级碳排放因子，具有实时无偏性。

这组数据来自低碳需求响应的实证分析。材料根据全国主要省份2025年至2040年的电源规划数据和运行模拟数据，获得主要省份2025至2040年全年8760小时的碳排放因子数据，并假设各省负荷中的5%能够参与到低碳需求响应中。 预测结论显示，2025年至2040年低碳需求响应效益不断增加，2040年可实现0.4亿吨碳减排。材料进一步指出，负荷调节潜力大、碳排放因子峰谷差较大的地区，低碳需求响应带来的减碳效果更好。未来我国东南部地区的减碳效果优于西北部地区。这组数据为动态碳排放因子信号的实际价值提供了量化支撑。