基于电碳量化关系的低碳园区建设探索
低碳园区发展论坛 汤奕 教授，博士生导师东南大学电力系统自动化研究所2023年03月31日低碳园区发展论坛 目 录Contents新型配电网面临的新形势与新需求基于电碳量化的新型配网低碳调控双碳目标下的新型配网发展新要求02电碳量化在低碳园区中的应用探讨02电碳量化计算研究基础与问题思考01030204052低碳园区发展论坛 双碳目标对新型电力系统提出更高要求•单位GDP二氧化碳排放较2005年下降40%~45%•非化石能源占一次能源消费比重达到15%左右•2030年左右达到峰值并争取尽早达峰•单位GDP二氧化碳排放比2005年下降60%-65%•非化石能源占一次能源消费比重达到20%左右•中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和l十一五规划（2006-2010）第一次提出节能减排概念，确定能源强度目标l十二五规划（2011-2015）明确了二氧化碳强度目标l十三五规划（2016-2020）确定了能耗总量和能源强度双控目标l十四五规划（2021-2025）面向碳达峰、碳中和的新目标3低碳园区发展论坛 中国电能传输示意图80%的煤炭资源分布在西部、北部主要能源基地与负荷中心距离约800-3000公里80%的煤炭资源分布在西部、南部75%的能源需求集中在中部、东部呼盟宝清锡盟西南伊犁/哈密 4低碳园区发展论坛 坚强主网和弹性配网的结合5低碳园区发展论坛 电碳关系是国家双碳战略的重要基础工业：40%建筑：10%交通：10%能源:40%碳排源头碳排终端6低碳园区发展论坛 目 录Contents新型配电网面临的新形势与新需求基于电碳量化的新型配网低碳调控双碳目标下的新型配网发展新要求02电碳量化在低碳园区中的应用探讨02电碳量化计算研究基础与问题思考01030204057低碳园区发展论坛 电力系统转型带来的变化与挑战未来电力系统生产结构、技术基础和控制基础将发生持续而深刻的变化。在转型过程中，电力系统面临诸多系统性的问题，重点要把握“变”与“不变”的关系，以系统思维研究应对转型带来的变化与挑战。生产结构技术基础控制基础较长时间内维持交流惯量系统形态新型电力系统的“变”新型电力系统的“不变”8低碳园区发展论坛 电力系统转型带来的变化与挑战 在电力系统持续而深刻的变化过程中，一些问题在运行中已经显现，并将随着转型的深化而更加凸显。电网安全控制难度增大电力供应保障难度增大•供电平衡仍然依赖支撑性电源•燃料供应对电力保障产生重大影响•极端天气下保障供应难度更大•负荷侧控制手段使用受限•供电不足与消纳问题并存•远距离大容量输电故障冲击大•电力系统安全基础持续削弱•电网调频调压能力持续下降•故障引发连锁反应的风险增加•大面积停电风险增大两大核心难题：功率平衡+电网稳定9低碳园区发展论坛 光伏发电风电居民负荷工业负荷核电抽水蓄能火电水电功率平衡问题 功率平衡调节手段 功率失衡来源：新能源 功率失衡来源:各类灵活负荷接入10低碳园区发展论坛 双碳目标新能源为主体的新型电力系统高比例新能源高波动性高间歇性低惯性高比例电力电子复杂非线性低惯性多元不确定性高维非线性动态特性复杂暂态演化迅速电网稳定问题11低碳园区发展论坛 新型配网未来转型：技术-市场-社会融合在未来配电网转型过程中，需要考虑到新型电力系统整体发展态势与城市电网特色情景，大逻辑为挖掘政策、技术、市场、能源与碳排放间的宏观要素互补互促联系；中逻辑为挖掘省能源综合转型路径、建设新型电力系统之间的宏观联系；小逻辑为挖掘新型配电网典型监测、预警、协调等示范场景之间的技术支撑联系。12低碳园区发展论坛 新型配电网前瞻性技术架构电碳因子（即度电碳排放）贯穿电力发-输-变-配-用全过程 源侧碳监测 网侧碳分布 荷侧碳优化13低碳园区发展论坛 目 录Contents新型配电网面临的新形势与新需求基于电碳量化的新型配网低碳调控双碳目标下的新型配网发展新要求02电碳量化在低碳园区中的应用探讨02电碳量化计算研究基础与问题思考010302040514低碳园区发展论坛 特色优势—研发优势基于用户侧能碳因子的电力基因技术基于能源大数据的电网源流路径电气剖分技术团队拥有国内首创两大核心技术：基于能源大数据的电网源流路径电气剖分技术、基于用户侧能碳因子的电力基因技术。（1）依托电气剖分技术，实现源网荷储全链条碳足迹监测、追踪与溯源过程，完成全尺度“能-电-碳”多流映射与折算。（2）依托电力基因技术，在毫秒级时间尺度与设备级空间尺度上，实现复杂网络拓扑下的多类型行业与用户碳排放精准管控。15低碳园区发展论坛 电碳关系在电力系统全环节的量化计算创新点：l考虑有功-无功耦合下的电网间接碳排；l挖掘电力与其他能源间的能碳映射特征；l分析多电压等级间的潮流碳流转换拓扑；l探索多电源的经济-碳排-安全调度策略。技术特点：l跨部门、跨层级、跨领域归集数据；l源网荷协同的电碳追踪、溯源与评价；l多源异构的电-能-碳融合数据模型；l基于人工智能的低碳调度决策方法。16低碳园区发展论坛 电碳关系在电力系统全环节的量化计算17低碳园区发展论坛 “四道屏障”外部大循环内部自循环内外双循环数字化能碳建设动态自我调整低碳体系建设辅助主网低碳调度助推碳排双控落地服务企业低碳用电数据治理运行预测自我优化平衡发展ECtrace算法碳流拓扑电力数智平台双碳大脑电力公司•缺少新能源发电规划的低碳依据•低碳调度策略不明确•未构建符合需求的能碳指标体系用能企业•降低以往有序用电经济成本•低碳用能策略不清楚•无法及时控制自身碳排政府部门•不能监控区域碳排放情况•不明确双碳推进重点方向•无法帮助耗能企业绿色低碳转型电碳数智大脑18低碳园区发展论坛 数据源PMSEMS用采ERPOMS插件式接口引擎时序数据库关系数据库行业知识库技术中台数据中台时序数据库平台数据集成平台数据智能平台实时流计算平台采集与清洗：抽取、转换、重构、聚集、流程监控、实施挖掘发现与分类：识别、关联、建模、脱敏、质量监控、分级分类IOT平台容器云平台微服务治理基础技术框架接口平台层业务层展示层动态集成数据可视化数据采集碳足迹追踪数据分析有序用电低碳调度碳排双控碳足迹追踪指标监测评价系统电碳因子分析报告指标管理碳足迹追踪能碳画像视图管理数据源连接大屏管理数据分析碳足迹追踪能碳预测算法平台追踪算法模型构建深度分析体系预览评价分析碳足迹追踪调控策略系统负荷特性调度策略调控策略有序用电指标分析电力基因荷-源分析双向追踪源-荷分析综合分析碳排监控实景地图 算 法 策 略 库ECtrace算法低碳调度策略碳排双控策略有序用电规则ERP控制策略气象数据碳排因子能耗数据电碳数智大脑整体架构19低碳园区发展论坛 基于自主知识产权技术直观掌握电网碳排放态势。实现对不同区域电网碳流的有效追踪，针对区域用电差异特征构建碳排指标与碳排拓扑。辅助电网及用能侧低碳调控。l实现碳流可视化，直观展示碳排量大小和碳流流向。l融合主配用数据，并构建一体化的碳排拓扑。l掌握源网侧发电碳排情况，并给出优化调控潜力与辅助策略。l单个节点或线路的碳排拓扑展示。掌握发电到负荷的碳排情况l结合行业数据，可实现行业能碳占比情况并为进一步分析做支撑。l辅助碳排双控方案，可根据潜力评估最大程度降低碳排放总量和碳排放强度。l园区用能情况加入碳排放情况，为低碳智慧园区建设提供基础l通过能耗情况监测与分析，完善低碳调控策略，实现降本增效。l完善有序用电序列，为序列及规则的完善提供辅助。电碳数智大脑三级指挥体系20低碳园区发展论坛 以电网运行成本最小、碳排放量最低为调控目标；通过对传统有功源、无功源的调控；来增加电源侧新能源消纳，平衡新能源功率波动性与不确定性；平衡负荷的随机性给电网带来的冲击。提出的调控辅助策略如下。电碳数智大脑：多目标低碳调度体系21低碳园区发展论坛 电碳数智大脑场景应用在能碳全生命周期研究路线中，以信息感知测量体系为基础，分析主要能源产品从生产、加工、转换、传输、利用等过程中的能-碳映射关系，从而构建高分辨率时空耦合的碳足迹追踪模型，实现了配电网范围内多能耦合的碳足迹实时高精度追踪。初步形成的技术路线包括：Ø基于电气剖分的电网碳足迹追踪实景地图Ø基于电-碳联合市场的电网减排路径研究Ø基于电-碳时空耦合的电网低碳调度控制技术Ø发电厂碳排放实时计算分析技术基于电气剖分的电网碳流追踪技术已在南京江北新区进行了应用与展示。电-碳联合市场减排路径和电网低碳调度控制技术已在浙江“神探”电网低碳调度智能辅助决策平台中进行了应用与展示。发电厂碳排实时计算技术已在福建“东南能源大数据中心”碳流计算与分析平台中进行了应用与展示。22低碳园区发展论坛 目 录Contents新型配电网面临的新形势与新需求基于电碳量化的新型配网低碳调控双碳目标下的新型配网发展新要求02电碳量化在低碳园区中的应用探讨02电碳量化计算研究基础与问题思考010302040523低碳园区发展论坛 电碳数智大脑场景应用基于能源大数据的园区电碳协同技术及示范应用Ø数字化模块•碳监测功能模块•碳评价功能模块•数字推演功能模块Ø示范应用•工业企业•公共事业•商业综合体•居民小区Ø软件平台开发•政府侧•园区侧•企业侧24低碳园区发展论坛 将电碳量化关系应用于综合能源网络，分析电气冷热等多能源的能源转换关系与碳排传递关系。实现了包含不少于三种能源形式的降碳技术示范应用，追溯周期小于15分钟，实现园区内高碳排能源实现“绿色替代”与“电能替代”。代表性成果主要包括： •电力数智平台双碳大脑（应用于常州、南京、浙江、福建等区域电网）•面向低碳园区与企业的碳精灵系统 •基于电-碳时空耦合的电网低碳调度控制技术 •发电厂碳排放实时计算分析技术 •乡村振兴—红色金寨新型电力系统示范区建设 图：溧阳高新区碳足迹追踪地图能源降碳领域应用能源降碳领域25低碳园区发展论坛 将电碳量化关系推广至钢铁、化工、新能源装备制造等重点碳排放工业企业，提出了企业全过程的降碳潜力评估技术，生成精益化的企业碳排放管控策略。 代表性成果主要包括： •工业企业绿色制造转型路径与核心技术 •用能设备智能碳排放监测终端与控制系统开发 •厂矿企业碳排放分析与管控技术研究 •江苏金源高端装备股份有限公司智慧用能建设•溧阳市高新区能碳协同指挥系统工业降碳领域应用工业降碳领域图：企业能碳协同指挥系统-以溧阳高新区为典型场景26低碳园区发展论坛 总体框架：规划设计“一平台、一核心、三中心、三体系”的“1133”平台总体框架。即打造1个全国碳排放监测服务平台，研究1套“碳核算方法”，建设“双碳”数据汇聚共享、监测服务、平台运营3个中心，构建技术、安全、标准3个支撑体系。安全技术安全管理...安全运营全国碳排放监测服务平台数据挖掘 分析技术碳排放核算技术平台 支撑技术...技术支撑体系“双碳”监测服务中心电-碳分析模型平台运营中心安全保障体系用户运营业务运营数产运营平台运行 维护标准规范体系碳排放核算标准平台开发规范数据管理标准服务应用规范产品运营......“双碳” 数据汇聚共享中心电力数据能源数据经济数据...碳测算方法学能-碳分析模型核心电-碳一张图模型碳排放监测区域碳排放监测行业碳排放监测碳足迹碳标签碳交易绿色金融......大屏可视化展示PC应用与展示移动应用与展示双碳应用服务电-能-碳模型27低碳园区发展论坛 建筑降碳领域应用基于电碳量化关系，实现对建筑综合能源系统用能方式、用能设备和用能过程的完全掌握，完成了不少于五处代表性建筑的低碳改造，通过建筑节能、屋顶光伏、建筑碳汇等方式，降低建筑单
