基于电碳量化关系的低碳园区建设探索
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 01新型配电网面临的新形势与新需求 目录 Contents 02双碳目标下的新型配网发展新要求 03基于电碳量化的新型配网低碳调控 0042电碳量化在低碳园区中的应用探讨 0052电碳量化计算研究基础与问题思考 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 十二五规划（2011-2015）明确了二氧化碳强度目标 十三五规划（2016-2020）确定了能耗总量和能源强度双控目标 十四五规划（2021-2025）面向碳达峰、碳中和的新目标 •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 呼盟 主要能源基地与负荷中心距离约800-3000公里 宝清 80%的煤炭资源分布在西部、北部 伊犁/哈密 锡盟 75%的能源需求集中在中部、东部 80%的煤炭资源分布在西部、南部 西南 碳排终端 碳排源头 电碳关系是国家双碳战略的重要基础 能源:40% 工业：40% 建筑：10% 交通：10% 01新型配电网面临的新形势与新需求 目录 Contents 02双碳目标下的新型配网发展新要求 03基于电碳量化的新型配网低碳调控 0042电碳量化在低碳园区中的应用探讨 0052电碳量化计算研究基础与问题思考 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” 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。 •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 电力供应保障难度增大电网安全控制难度增大 两大核心难题：功率平衡+电网稳定9 火电 水电 核电 抽水蓄能 风电 光伏发电 居民负荷 工业负荷 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 双碳目标 暂态演化迅速 动态特性复杂 高维非线性 低惯性 高间歇性 高波动性 低惯性 高比例电力电子 多元不确定性 复杂非线性 高比例新能源 新能源为主体的新型电力系统 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。 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 01新型配电网面临的新形势与新需求 目录 Contents 02双碳目标下的新型配网发展新要求 03基于电碳量化的新型配网低碳调控 0042电碳量化在低碳园区中的应用探讨 0052电碳量化计算研究基础与问题思考 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。 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 创新点： 考虑有功-无功耦合下的电网间接碳排； 挖掘电力与其他能源间的能碳映射特征； 分析多电压等级间的潮流碳流转换拓扑； 探索多电源的经济-碳排-安全调度策略。 技术特点： 跨部门、跨层级、跨领域归集数据； 源网荷协同的电碳追踪、溯源与评价； 多源异构的电-能-碳融合数据模型； 基于人工智能的低碳调度决策方法。 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•不能监控区域碳排放情况 府•不明确双碳推进重点方向 门 部•无法帮助耗能企业绿色低碳转型 外部大循环内部自循环 辅助主网低碳调度助推碳排双控落地服务企业低碳用电 电力数智平台 双碳大脑 数字化能碳建设动态自我调整低碳体系建设 ECtrace算法 内外双循环 碳流拓扑 数据治理运行预测自我优化平衡发展 “四道屏障” 动态集成 数据采集 数据分析 数据可视化 有序用电 碳足迹追踪 低碳调度碳排双控 碳排监控实景地图碳足迹追踪能碳画像 综合分析 源-荷分析 碳足迹追踪能碳预测算法平台 荷-源分析 碳足迹追踪指标监测评价系统 双向追踪 碳足迹追踪调控策略系统 数据源连接 数视大 据图屏 分管管 析理理 模深追体 型度踪系 构分算预 建析法览 分指电评 析标碳价 报管因分 容器云平台 告理子析 负调调 荷度控 特策策 性略略 有指电 序标力 用分基 电析因 ECtrace算法 低碳调度策略 碳排双控策略 有序用电规则 算技术 法中台 策 略数据 库中台 时序数据库 IOT平台 时序数据库平台 采集与清洗：抽取、转换、重构、聚集、流程监控、实施挖掘 数据集成平台 关系数据库 微服务治理 基础技术框架 数据智能平台 实时流计算平台 发现与分类：识别、关联、建模、脱敏、质量监控、分级分类 行业知识库 插件式接口引擎 展示层 业务层 平台层 接口 数据源 PMS OMS用采 EMS ERP ERP 控制策略 碳排因子 气象数据 能耗数据 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。 实现碳流可视化，直观展示碳排量大小和碳流流向。 融合主配用数据，并构建一体化的碳排拓扑。 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。 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 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。 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。 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 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。 完善有序用电序列，为序列及规则的完善提供辅助。 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： 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。 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。 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。 基于电气剖分的电网碳足迹追踪实景地图 基于电-碳联合市场的电网减排路径研究 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 01新型配电网面临的新形势与新需求 目录 Contents 02双碳目标下的新型配网发展新要求 03基于电碳量化的新型配网低碳调控 0042电碳量化在低碳园区中的应用探讨 0052电碳量化计算研究基础与问题思考 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 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 示范应用 •工业企业 •公共事业 •商业综合体 •居民小区 软件平台开发 •政府侧 •园区侧 •企业侧 能源降碳领域 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25 工业降碳领域 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 图：企业能碳协同指挥系统-以溧阳高新区为典型场景 电-能-碳模型 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。 大屏可视化展示 全国碳排放监测服务平台 PC应用与展示 移动应用与展示 碳排放核算技 “双碳”监测服务中心碳测算方法学碳排放监测电-碳分析模型区域行业 碳排放监测碳排放监测能-碳分析模型核心电-碳一张图模型 双碳应用服务 碳足迹碳标签 碳交易绿色金融“双碳”数据汇聚共享中心 ......电力数据能源数据经济数据... 平台运营中心 用户运营数产运营 业务运营平台运行维护 产品运营… 标准规范体系 碳排放核算标准数据管理标准平台开发规范服务应用规范… 技术支撑体系 术 数据挖掘分析技术 平台支撑技 术 安全保障体系 安全运营 安全技术 安全管理 ... … 建筑降碳领域 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，降低建筑单位面积碳排放。 代表性成果主要包括： •园区碳足迹评价理论与方法 •高淳零碳园区示范工程建设 •基于电力基因的能耗管控系统 •基于构件循环利用的建筑设施全生命周期碳排放计算 •溧阳上兴牛马塘零碳建筑示范工程 •溧阳高新区幸福公寓绿色安全用能改造项目 图：2022中国国际太阳能十项全能竞赛第二名作品东南大学SolarArk3.0（阳光方舟之家） 图：零碳设计建筑方案 交通降碳领域 基于电碳量化关系，分析“车网”、“路网”、“船网”的互动机理，实现对城市交通路网与电网形成的耦 合网络的整体碳排放进行量化计算。辅助当地交通管理部门建成具有代表性的低碳交通-能源综合枢纽。 代表性成果主要包括
