一種適應(yīng)于大規(guī)模電網(wǎng)的電力系統(tǒng)碳流仿真分析方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種適應(yīng)于大規(guī)模電網(wǎng)的電力系統(tǒng)碳流仿真分析方法，包括：(1)電網(wǎng)碳流仿真；(2)電網(wǎng)碳流分析。本發(fā)明結(jié)合實際大規(guī)模電網(wǎng)的特點和電網(wǎng)仿真分析的需要，給出了完整、實用的大規(guī)模電網(wǎng)碳流仿真方法，并提出了電網(wǎng)碳流分析方法，在碳流仿真結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行加工，得到實際電網(wǎng)仿真人員可以綜合應(yīng)用、指導(dǎo)生產(chǎn)實踐的碳流仿真分析結(jié)果。
【專利說明】
一種適應(yīng)于大規(guī)模電網(wǎng)的電力系統(tǒng)碳流仿真分析方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種仿真分析方法，具體涉及一種適應(yīng)于大規(guī)模電網(wǎng)的電力系統(tǒng)碳流 仿真分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 碳排放量的計量是開展一切碳減排工作的基礎(chǔ)。目前，在電力工業(yè)內(nèi)常用的碳排 放計量方法主要有兩種:直接分析法和全生命周期法。直接分析法是先統(tǒng)計各類化石燃料 的消耗總量，然后按照各類化石燃料的碳排放因子計算總的碳排放量;全生命周期分析是 對直接法在時間維度進(jìn)行了擴(kuò)展，全生命周期分析從電廠的建設(shè)，發(fā)電機(jī)設(shè)備的組裝，燃料 的開采和運(yùn)輸入手，結(jié)合電廠設(shè)施的運(yùn)行、管理、檢修和退役等環(huán)節(jié)，計算電力設(shè)施與發(fā)電 燃料在建設(shè)和制備過程中全部的碳排放。
[0003] 上述兩種方法從宏觀數(shù)據(jù)出發(fā)，根據(jù)能源消耗量進(jìn)行統(tǒng)計，具有計算簡單、方法實 用的優(yōu)點。但這兩種方法都難以反映電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化特征，沒有考慮碳排放在空間內(nèi)隨 電能傳輸?shù)霓D(zhuǎn)移和分?jǐn)倷C(jī)理，難以體現(xiàn)電力用戶對碳排放的責(zé)任分?jǐn)偂?br>[0004] 近年來，有學(xué)者提出了碳排放流的概念。電力系統(tǒng)碳排放流是依附于電力潮流存 在且隨系統(tǒng)有功潮流定向移動的耦合碳排放，是電力系統(tǒng)中一類虛擬的網(wǎng)絡(luò)流。在不引起 歧義的前提下，在電力系統(tǒng)領(lǐng)域中可簡稱碳排放流或碳流(下面統(tǒng)一稱為碳流）。在電力系 統(tǒng)中，碳流從電廠(發(fā)電廠節(jié)點）出發(fā)，隨著電廠上網(wǎng)功率進(jìn)入電網(wǎng)，跟隨系統(tǒng)中的潮流在電 網(wǎng)中流動，最終流入用戶側(cè)的消費(fèi)終端（負(fù)荷節(jié)點）。通過碳流就可以確定碳排放責(zé)任的轉(zhuǎn) 移，分析電網(wǎng)的碳排放分布特性。
[0005] 目前已經(jīng)有初步的碳流計算方法，但目前的碳流計算方法在大規(guī)模電網(wǎng)應(yīng)用中存 在諸多不適應(yīng)問題，包括：1)完全沒有考慮直流系統(tǒng)；2)沒有應(yīng)用稀疏矩陣技術(shù)，難以求解 大規(guī)模數(shù)據(jù)碳流計算問題;3)沒有經(jīng)過實際電網(wǎng)數(shù)據(jù)檢驗，不能適應(yīng)實際電網(wǎng)復(fù)雜多變情 況等;4)計算指標(biāo)過于分散，不適應(yīng)于電網(wǎng)仿真。此外，目前的碳流計算方法僅限于碳流計 算，沒有結(jié)合電網(wǎng)實際仿真分析的需要進(jìn)行電網(wǎng)碳流仿真分析，不利于實際使用人員使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的目的是提供一種適應(yīng)于大規(guī)模電網(wǎng)的電 力系統(tǒng)碳流仿真分析方法，給出了完整、實用的大規(guī)模電網(wǎng)碳流仿真方法，并提出了電網(wǎng)碳 流分析方法，在碳流仿真結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行加工，得到實際電網(wǎng)仿真人員可以綜合應(yīng)用、指導(dǎo) 生產(chǎn)實踐的碳流仿真分析結(jié)果。
[0007] 本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0008] 本發(fā)明提供一種適應(yīng)于大規(guī)模電網(wǎng)的電力系統(tǒng)碳流仿真分析方法，其改進(jìn)之處在 于，所述方法包括下述步驟：
[0009] (1)電網(wǎng)碳流仿真；
[0010] (2)電網(wǎng)碳流分析。
[0011] 進(jìn)一步的，所述步驟(1)包括下述步驟：
[0012]①確定計算條件，讀取數(shù)據(jù)，包括：
[0013] 1)電網(wǎng)網(wǎng)架數(shù)據(jù)：
[0014] 包括組成電網(wǎng)元件的連接關(guān)系，元件包括交流線、并聯(lián)電容電抗器、變壓器、發(fā)電 機(jī)、負(fù)荷和直流系統(tǒng)；
[0015] 2)潮流結(jié)果數(shù)據(jù)：
[0016] 包含所有元件的潮流結(jié)果，包括:發(fā)電機(jī)的有功功率、負(fù)荷的有功功率、交流線有 功功率及方向和有功損耗、并聯(lián)支路的有功損耗、變壓器的有功功率及方向和有功損耗(三 繞組變壓器等值為三個兩繞組變壓器）、直流系統(tǒng)各個端口的注入有功功率；
[0017] 3)機(jī)組碳排放強(qiáng)度數(shù)據(jù)：
[0018] 每臺發(fā)電機(jī)的機(jī)組碳排放強(qiáng)度數(shù)據(jù)，若無碳排放，則機(jī)組碳排放強(qiáng)度等于零；
[0019] ②確定碳流仿真分析需要的計算指標(biāo)，包括：
[0020] 1)節(jié)點碳勢：
[0021]節(jié)點即電網(wǎng)潮流中的計算節(jié)點，節(jié)點碳勢的定位為:在該節(jié)點消費(fèi)單位電力時所 引起的發(fā)電側(cè)的碳排放值;用符號EN表示，單位為kgC02/kWh;
[0022] 2)支路碳流率：
[0023]支路碳流率定義為單位時間內(nèi)通過支路的碳流量，用符號RB表示，單位為tC02/h; 碳流仿真分析中的支路包括電網(wǎng)中所有的單端、雙端和多端元件，包括交流線、變壓器、并 聯(lián)電容電抗器和直流系統(tǒng)；
[0024] 3)支路網(wǎng)損碳流率：
[0025] 支路網(wǎng)損碳流率定義為支路一的有功損耗相對應(yīng)的碳流量;支路網(wǎng)損碳流率用符 號RBL表示，單位與支路碳流率相同，為tC02/h;
[0026] 4)負(fù)荷碳流率：
[0027] 負(fù)荷碳流率定義為單位時間內(nèi)負(fù)荷有功相對應(yīng)消耗的碳流量，用符號RL表示，單 位為 tC02/h;
[0028] 5)發(fā)電碳流率：
[0029] 發(fā)電碳流率指標(biāo)定義為發(fā)電機(jī)組單位時間內(nèi)的碳排放量，用符號RG表示，單位為 tC02/h；
[0030] ③增加實際電網(wǎng)碳流仿真需要進(jìn)行的處理；
[0031 ]④計算節(jié)點碳勢指標(biāo)；
[0032]⑤計算碳流仿真分析的其它指標(biāo)。
[0033]進(jìn)一步的，所述步驟③的增加實際電網(wǎng)碳流仿真需要進(jìn)行的處理包括下述步驟： [0034] 1>數(shù)據(jù)預(yù)處理:進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，處理懸空支路、并聯(lián)支路和非懸空但一側(cè)有功為 零情況；
[0035] 2>碳流仿真節(jié)點優(yōu)化編號；
[0036] 3>負(fù)荷合并；
[0037] 4>發(fā)電負(fù)荷合并；
[0038] 5>處理有功為負(fù)的發(fā)電負(fù)荷。
[0039]進(jìn)一步的，所述步驟1>中，懸空支路指的是一側(cè)母線沒有連接任何其它元件的情 況;并聯(lián)支路是指并聯(lián)電容電抗器元件構(gòu)成的支路;非懸空一側(cè)有功為零支路是指一側(cè)有 功等于零，另一側(cè)有功不為零的支路;非懸空一側(cè)有功為零支路是指一側(cè)有功等于零，另一 側(cè)有功不為零的交流線或變壓器支路，即只有有功損耗，傳輸無功功率，不傳輸有功功率； 這些情況需要在計算節(jié)點碳勢之前處理，直接去除，否則會導(dǎo)致后面的節(jié)點碳勢無法計算。
[0040] 進(jìn)一步的，所述步驟2>包括：以節(jié)點連接的功率流入該節(jié)點的支路作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行 編號，設(shè)與第j條支路兩側(cè)節(jié)點分別為m，η，支路有功為pj，方向為m流向η，則節(jié)點i的流入該 節(jié)點的支路數(shù)統(tǒng)計如下：
[0041]
[0042] (1)
[0043]其中，IJj為第j條支路的有功流動方向標(biāo)志，Numin為節(jié)點i的流入支路數(shù)，Γ為m側(cè) 節(jié)點等于節(jié)點i的所有支路集合，InSn側(cè)節(jié)點等于節(jié)點i的所有支路集合。
[0044] 用上述節(jié)點流入支路數(shù)替代傳統(tǒng)的節(jié)點優(yōu)化編號常用方法一半動態(tài)優(yōu)化法中的 節(jié)點支路數(shù)，即為碳流仿真半動態(tài)優(yōu)化法。
[0045] 進(jìn)一步的，所述步驟3>的負(fù)荷合并包括:將多個負(fù)荷的有功功率加在一起生成"節(jié) 點負(fù)荷"，"節(jié)點負(fù)荷"作為參與計算的負(fù)荷。
[0046]進(jìn)一步的，所述步驟4>的發(fā)電負(fù)荷合并包括:設(shè)發(fā)電有功為PG，負(fù)荷有功為PLJlJ 斷如下：
[0047] PG-PLM)時，處理為有功為PG-PL的發(fā)電機(jī)，機(jī)組碳排放強(qiáng)度按下面公式計算：
[0048] (2)
[0049] PG-PIX = O時，處理為PL-PG的負(fù)荷。
[0050]進(jìn)一步的，所述步驟5>的處理有功為負(fù)的發(fā)電負(fù)荷包括：
[0051] 從發(fā)電機(jī)列表中剔除有功為負(fù)的發(fā)電機(jī);有功為負(fù)的負(fù)荷增加到發(fā)電機(jī)列表最 后，并設(shè)其機(jī)組碳排放強(qiáng)度為〇。
[0052] 進(jìn)一步的，所述步驟④的計算節(jié)點碳勢指標(biāo)的方法為:利用稀疏矩陣技術(shù)形成節(jié) 點碳勢方程組的各個矩陣，采用LU分解法進(jìn)行大規(guī)模線性方程組求解，計算得到節(jié)點碳勢 指標(biāo)，包括：
[0053]設(shè)電網(wǎng)具有N個節(jié)點，L條支路，有K個節(jié)點存在機(jī)組注入，M個節(jié)點存在負(fù)荷，具體 如下：
[0054] f)生成機(jī)組碳排放強(qiáng)度向量EG:
[0055] 設(shè)第k臺發(fā)電機(jī)組的機(jī)組碳排放強(qiáng)度為EGk，k=l，2，-_，K;則機(jī)組碳排放強(qiáng)度向量 表示為：
[0056] EG= [EGi EG2 ... EGkJt (3)
[0057] g)生成機(jī)組注入分布矩陣PG:
[0058]機(jī)組注入分布矩陣為K X N階矩陣，用PG = (PGkj )K X N表示，矩陣中的元素具體定義 如下：
[0059]若第k臺發(fā)電機(jī)組接入節(jié)點j，且從該機(jī)組注入節(jié)點j的有功為P，則PGkj = P，否則 PGkj = O;
[0060] h)生成支路潮流分布矩陣PB:
[0061 ]支路潮流分布矩陣為N階方陣，用PB = (PB1」)N X N表示。矩陣中的元素具體定義如 下：
[0062]若節(jié)點i與節(jié)點j間有支路相連，且經(jīng)此支路流入節(jié)點i的正向有功潮流為p，則PBi j =P，PBji = 0;若流經(jīng)該支路的有功潮流p為反向潮流，則PBij = 0，PBji = p; i，j = 1，2，…，N其 他情況下PBij = PBji = O;
[0063] 對所有對角元素，有PBii = 0，i = l，2r"，N;
[0064] i)生成節(jié)點有功通量矩陣PN:
[0065]節(jié)點有功通量矩陣為N階對角陣，用PN= (PNlj)NXN表示;矩陣的元素具體定義如 下：
[0066] .(4.)
[0067]其中，PB、PG分別為上面所述的支路潮流分布矩陣和機(jī)組注入分布矩陣；
[0068] j)計算節(jié)點碳勢向量EN
[0069]設(shè)第i個節(jié)點的節(jié)點碳勢為ENk，i = l，2，…，N則節(jié)點碳勢向量表示為：
[0070] EN= [ENi EN2 ... ENnJt (5)
[0071 ]節(jié)點碳勢向量計算公式如下：
[0072] ( PN-PBt )*EN=PGtEG (6)
[0073] 其中，PN為節(jié)點有功通量矩陣，PB為支路潮流分布矩陣，PG為機(jī)組注入分布矩陣， EG為機(jī)組碳排放強(qiáng)度向量；
[0074] 節(jié)點碳勢計算屬于大規(guī)模線性方程組的求解問題，化簡為：
[0075] AX = B (7)
[0076] 其中，X為待求的節(jié)點碳勢向量，維數(shù)為N*1，N為節(jié)點總數(shù);A為系數(shù)矩陣，維數(shù)為N* N;B為常數(shù)向量，維數(shù)為N*l;
[0077] 采用LU分解法進(jìn)行大規(guī)模稀疏線性方程組求解，即將矩陣A分解為一個下三角矩 陣L和一個上三角矩陣U的乘積：
[0078] A = L*U (8)
[0079] 令Y = UX，則公式(8)分解為：
[0080] L*Y = B (9)
[0081] U*X = Y (10)
[0082] 公式(9)通過稀疏矩陣前代方法求解，公式(10)通過稀疏矩陣回代方法求解。
[0083] 進(jìn)一步的，所述步驟⑤的計算碳流仿真分析的其它指標(biāo)，包括下述步驟：
[0084] 1>計算支路碳流率和支路網(wǎng)損碳流率；
[0085] 計算得到節(jié)點碳勢向量后，進(jìn)一步得到系統(tǒng)各個支路的碳流率;設(shè)第j條支路兩側(cè) 節(jié)點分別為m，n，則計算公式為：
[0086] m
[0087] (12)
[0088] 其中，RBj、RBLj分別為第j條支路的支路碳流率和、支路網(wǎng)損碳流率，單位:tC02/h; Pj為支路有功，單位:MW，方向為m流向η; pi j為支路有功損耗，單位:MW; ENm為節(jié)點m的節(jié)點碳 勢，ENn為節(jié)點η的節(jié)點碳勢，單位:kgC02/kWh;
[0089] 2>計算發(fā)電碳流率；
[0090]首先判斷是否有發(fā)電負(fù)荷合并，若有，則按下述公式（13)計算；沒有發(fā)電負(fù)荷合 并，則判斷發(fā)電有功PG是否為負(fù)，若為負(fù)，則按下述公式（14)計算;若不為負(fù)，則按下述公式 (15)計胃·
[0091]
[0092] rg = PG*EN/10 (14)
[0093] RG = PG*EG/10 (15)
[0094] 其中，RG為發(fā)電碳流率，單位:t⑶2/h; EG為機(jī)組碳排放強(qiáng)度，單位:kgC02/kWh; EN 為發(fā)電機(jī)所連節(jié)點的節(jié)點碳勢，單位:kgC02/kWh; PG為發(fā)電有功功率，單位:Mff; PL為負(fù)荷有 功功率，單位:麗；
[0095] 3>計算負(fù)荷碳流率：
[0096] 首先判斷是否有發(fā)電負(fù)荷合并，若有，則按下述公式（16)計算；沒有發(fā)電負(fù)荷合 并，則判斷是否有負(fù)荷合并，若有，則按下述公式（17)計算;若沒有負(fù)荷合并，則判斷負(fù)荷有 功PL是否為負(fù)，若為負(fù)，則取負(fù)荷碳流率為0;若不為負(fù)，則按下述公式(18)計算：
[0097]
[0098] 其中，RL為負(fù)荷碳流率，單位:t⑶2/h; EG為機(jī)組碳排放強(qiáng)度，單位:kgC02/kWh; EN 為負(fù)荷所連節(jié)點的節(jié)點碳勢，單位:kgC02/kWh; PG為發(fā)電有功功率，單位:MW; PL為負(fù)荷有功 功率，單位:麗；
[0099] (17)
[0100] 其中，Γ為母線上掛的所有負(fù)荷中有功為正的負(fù)荷集合;RL1為第i個負(fù)荷的負(fù)荷碳 流率，單位:tC02/h; PLi為第i個負(fù)荷的有功，單位:MW;PLj為第j個負(fù)荷的有功，單位:MW;EN 為負(fù)荷所連節(jié)點的節(jié)點碳勢，單位:kgC02/kWh;PU為"節(jié)點負(fù)荷"的有功，單位:MW;
[0101] RL = PL*EN/10 (18)
[0102] 其中，RL為負(fù)荷碳流率，單位：tC02/h; EN為發(fā)電機(jī)所聯(lián)節(jié)點的節(jié)點碳勢，單位： kgC02/kWh; PL為負(fù)荷有功功率，單位:MW。
[0103] 進(jìn)一步的，所述步驟(2)包括：
[0104] ①確定電網(wǎng)碳流分析的計算條件，包括：
[0105] 1)電網(wǎng)碳流分析的計算指標(biāo)，包括節(jié)點碳勢、支路碳流率、支路網(wǎng)損碳流率、發(fā)電 碳流率和負(fù)荷碳流率；
[0106] 2)節(jié)點所屬分區(qū)和節(jié)點所屬電壓等級數(shù)據(jù)，實際電網(wǎng)是分區(qū)管理的，全部電網(wǎng)元 件分為若干個分區(qū)管理，每個節(jié)點都有一個固定的所屬分區(qū)，分區(qū)數(shù)據(jù)由使用人員規(guī)定;實 際電網(wǎng)中，節(jié)點歸屬一個固定的電壓等級，電壓等級包括500kV、220kV、IlOkV等，電壓等級 分類應(yīng)提前由使用人員規(guī)定；
[0107] ②確定電網(wǎng)碳流分析的計算指標(biāo)，包括：
[0108] 1)總發(fā)電-總負(fù)荷-總網(wǎng)損碳流率:包括總發(fā)電碳流率Σ RG、總負(fù)荷碳流率Σ RL、總 網(wǎng)損碳流率Σ RBL和外送碳流率Rout四個指標(biāo)；
[0109] 總發(fā)電碳流率是指給定范圍內(nèi)（指定的分區(qū)、指定的電壓等級或全網(wǎng))所有發(fā)電機(jī) 的發(fā)電碳流率之和；
[0110] 總負(fù)荷碳流率是指給定范圍內(nèi)（指定的分區(qū)、指定的電壓等級或全網(wǎng))所有負(fù)荷的 負(fù)荷碳流率之和；
[0111] 總網(wǎng)損碳流率是指給定范圍內(nèi)（指定的分區(qū)、指定的電壓等級或全網(wǎng))所有支路的 支路網(wǎng)損碳流率之和；
[0112] 外送碳流率是指給定范圍內(nèi)（指定的分區(qū)、指定的電壓等級)與外部的所有聯(lián)絡(luò)支 路的有向碳流率之和；
[0113] 通過下面等式方程來驗證碳流仿真的正確性：
[0114] Σ RG- Σ RL- Σ RBL-Rout = 0 (19)
[0115] 公式（19)的本質(zhì)是碳流率的總量守恒;如果公式（19)不成立，則說明碳流仿真計 算的結(jié)果不正確；
[0116] 2)分區(qū)平均節(jié)點碳勢；
[0117] 分區(qū)平均節(jié)點碳勢定義為分區(qū)內(nèi)所有節(jié)點的節(jié)點碳勢的平均值；
[0118] 3)電壓等級平均節(jié)點碳勢；
[0119] 電壓等級平均節(jié)點碳勢定義為屬于同一個電壓等級的所有節(jié)點的節(jié)點碳勢的平 均值；
[0120] 4)斷面碳流率：
[0121] 斷面定義為指定的一條或幾條規(guī)定支路潮流正方向的支路組成的有向支路集。斷 面碳流率定位為組成斷面的所有支路的有向碳流率之和。
[0122] 進(jìn)一步的，電網(wǎng)碳流分析的計算指標(biāo)的計算公式分別如下：
[0123] 總發(fā)電碳流率：
[0124]
(20)：
[0125] 其中，XRG1為第i個分區(qū)或電壓等級的總發(fā)電碳流率，Ig為發(fā)電機(jī)所聯(lián)節(jié)點的分區(qū) 或電壓等級等于i的發(fā)電機(jī)集合；
[0126] 總負(fù)荷碳流率：
[0127]
(21)
[0128] 其中，SRL1為第i個分區(qū)或電壓等級的總負(fù)荷碳流率，I1為負(fù)荷所聯(lián)節(jié)點的分區(qū)或 電壓等級等于i的負(fù)荷集合；
[0129] 總網(wǎng)損碳流率：
[0130]
(22)
[0131] 其中，XRBL1為第i個分區(qū)或電壓等級的總網(wǎng)損碳流率，IbS支路兩側(cè)節(jié)點m，n的分 區(qū)或電壓等級都等于i的支路集合；
[0132] 外送碳流率： 則
(23)
[0134] 其中，Rout1為第i個分區(qū)或電壓等級的外送碳流率，Γ為m側(cè)節(jié)點的分區(qū)或電壓等 級等于i的支路集合，I n為η側(cè)節(jié)點的分區(qū)或電壓等級等于i的支路集合，第j條支路的有 功，RBj為第j條支路的支路碳流率；
[0135]
(24)
[0136] 其中，ELZ1為第i個分區(qū)的平均節(jié)點碳勢，I1為屬于第i個分區(qū)的節(jié)點集合，判斷屬 于的標(biāo)準(zhǔn)為節(jié)點的分區(qū)屬性等于第i個分區(qū)，η為集合I 1的元素個數(shù)；
[0137] 分區(qū)平均節(jié)點碳勢：
[0138]
(25)
[0139] 其中，ELZ1為第i個分區(qū)的平均節(jié)點碳勢，I1為屬于第i個分區(qū)的節(jié)點集合(判斷屬 于的標(biāo)準(zhǔn)為節(jié)點的分區(qū)屬性等于第i個分區(qū)），n為集合I 1的元素個數(shù)；
[0140]電壓等級平均節(jié)點碳勢：
[0141]
(26)
[0142] 其中，EN_L為第j個電壓等級的平均節(jié)點碳勢，P為屬于第j個電壓等級的節(jié)點集 合，判斷屬于的標(biāo)準(zhǔn)為節(jié)點的分區(qū)屬性等于第j個電壓等級，n_V為集合P的元素個數(shù)；
[0143] 斷面碳流率：
[0144] 設(shè)第i個斷面組成支路有K條，斷面設(shè)置時定義了K條支路的斷面正方向（m流向n， 或η流向m，兩個選擇）；定義第k條支路的斷面方向標(biāo)志MNk，取值如下：
[0146] 則斷面碳流率計算如下： m流向η
[0145] (27) η流向m 、.厶
[0147] (28)
[0148] 其中，IJk為第j條支路的有功流動方向標(biāo)志，RB_ITi為第i個斷面的斷面碳流率，Ie 為屬于斷面的支路集合，Pk為第k條支路的有功，RBk為第k條支路的支路碳流率，MNk為第k條 支路的斷面方向標(biāo)志。
[0149] 與最接近的現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的技術(shù)方案具有的優(yōu)異效果是：
[0150] 現(xiàn)有碳流計算方法還沒有在大規(guī)模實際電網(wǎng)數(shù)據(jù)上計算，只是搭建小算例或是在 配電網(wǎng)中得到應(yīng)用，一般只適合幾百個節(jié)點電網(wǎng)計算。
[0151] 本發(fā)明所述方法可在4萬個節(jié)點規(guī)模的交直流混合電網(wǎng)數(shù)據(jù)上進(jìn)行碳流仿真分 析，計算速度快。
[0152] 本發(fā)明所述方法能夠適應(yīng)實際電網(wǎng)數(shù)據(jù)各種復(fù)雜情況，計算可靠性高。
[0153] 本發(fā)明所述方法可按電網(wǎng)實際需求給出具體的碳流分析圖表結(jié)論。
【附圖說明】
[0154] 圖1是本發(fā)明提供的適應(yīng)于大規(guī)模電網(wǎng)的電力系統(tǒng)碳流仿真分析方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0155] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0156] 以下描述和附圖充分地示出本發(fā)明的具體實施方案，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠 實踐它們。其他實施方案可以包括結(jié)構(gòu)的、邏輯的、電氣的、過程的以及其他的改變。實施例 僅代表可能的變化。除非明確要求，否則單獨的組件和功能是可選的，并且操作的順序可以 變化。一些實施方案的部分和特征可以被包括在或替換其他實施方案的部分和特征。本發(fā) 明的實施方案的范圍包括權(quán)利要求書的整個范圍，以及權(quán)利要求書的所有可獲得的等同 物。在本文中，本發(fā)明的這些實施方案可以被單獨地或總地用術(shù)語"發(fā)明"來表示，這僅僅是 為了方便，并且如果事實上公開了超過一個的發(fā)明，不是要自動地限制該應(yīng)用的范圍為任 何單個發(fā)明或發(fā)明構(gòu)思。
[0157] 本發(fā)明分為兩部分：電網(wǎng)碳流仿真方法和電網(wǎng)碳流分析方法。前者進(jìn)行碳流仿真 計算，得到碳流仿真指標(biāo);后者在前者得到的碳流仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步分析，得到 最終的碳流分析指標(biāo)。
[0158](一)電網(wǎng)碳流仿真方法
[0159] 1.1計算條件
[0160] 電網(wǎng)碳流仿真方法部分的計算條件為已有電網(wǎng)的網(wǎng)架數(shù)據(jù)、潮流結(jié)果數(shù)據(jù)和發(fā)電 機(jī)的機(jī)組碳排放強(qiáng)度數(shù)據(jù)，具體為：
[0161] 1)電網(wǎng)網(wǎng)架數(shù)據(jù)
[0162] 包括組成電網(wǎng)的常規(guī)元件的連接關(guān)系，元件包括交流線、并聯(lián)電容電抗器、變壓 器、發(fā)電機(jī)、負(fù)荷和直流系統(tǒng)。
[0163] 2)潮流結(jié)果數(shù)據(jù)
[0164] 包括所有元件的潮流結(jié)果，具體為:發(fā)電機(jī)的有功功率、負(fù)荷的有功功率、交流線 有功功率及方向和有功損耗、并聯(lián)支路的有功損耗、變壓器的有功功率及方向和有功損耗 (三繞組變壓器等值為三個兩繞組變壓器）、直流系統(tǒng)各個端口的注入有功功率。
[0165] 3)機(jī)組碳排放強(qiáng)度數(shù)據(jù)
[0166] 每臺發(fā)電機(jī)的機(jī)組碳排放強(qiáng)度數(shù)據(jù)，若無碳排放，則機(jī)組碳排放強(qiáng)度等于零。
[0167] 1.2計算指標(biāo)
[0168] 原有的碳流的度量指標(biāo)包括節(jié)點碳勢、支路碳流率、支路碳流密度等等，結(jié)合實際 仿真分析需要，碳流仿真分析需要的計算指標(biāo)包括：
[0169] 1)節(jié)點碳勢
[0170]節(jié)點即電網(wǎng)潮流中的計算節(jié)點，節(jié)點碳勢的定位為:在該節(jié)點消費(fèi)單位電力時所 弓丨起的發(fā)電側(cè)的碳排放值。用符號EN表示，單位為kgC02/kWh。
[0171] 2)支路碳流率
[0172]支路碳流率定義為單位時間內(nèi)通過支路的碳流量，用符號RB表示，單位為tC02/h。 碳流仿真分析中的支路包括電網(wǎng)中所有的單端、雙端和多端元件，包括交流線、變壓器、并 聯(lián)電容電抗器和直流系統(tǒng)。
[0173] 3)支路網(wǎng)損碳流率
[0174] 只要有功率的消耗，就有相對應(yīng)"消耗"的碳流量。支路網(wǎng)損碳流率定義為支路一 的有功損耗相對應(yīng)的碳流量。支路網(wǎng)損碳流率用符號RBL表示，單位與支路碳流率相同，為 tC02/h〇
[0175] 4)負(fù)荷碳流率
[0176] 負(fù)荷碳流率定義為單位時間內(nèi)負(fù)荷有功相對應(yīng)"消耗"的碳流量，用符號RL表示， 單位為tC02/h。
[0177] 5)發(fā)電碳流率
[0178] 發(fā)電碳流率指標(biāo)定義為發(fā)電機(jī)組單位時間內(nèi)的碳排放量，用符號RG表示，單位為 tC02/h〇
[0179] ③增加實際電網(wǎng)碳流仿真需要進(jìn)行的處理包括下述步驟：
[0180] 1 >數(shù)據(jù)預(yù)處理:進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，處理懸空支路、并聯(lián)支路和非懸空但一側(cè)有功為 零情況；
[0181]非懸空一側(cè)有功為零支路是本專利的首次提出。非懸空一側(cè)有功為零支路是指特 殊情況下出現(xiàn)的一側(cè)有功等于零，另一側(cè)有功不為零的交流線或變壓器支路，即只有有功 損耗，傳輸無功功率，不傳輸有功功率。這種情況需要在計算節(jié)點碳勢之前就處理，應(yīng)直接 去除，否則會導(dǎo)致后面的節(jié)點碳勢無法計算。
[0182]技術(shù)方案是在已有的碳流計算方法基礎(chǔ)上，增加實際電網(wǎng)碳流仿真需要進(jìn)行的處 理。包括:增加節(jié)點優(yōu)化編號、稀疏矩陣計算方法，提高計算速度和可靠性;加入直流系統(tǒng)的 處理，實現(xiàn)含各種直流系統(tǒng)的交直流混合電網(wǎng)碳流計算;在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段增加非懸空但 一側(cè)有功為零支路處理;增加有功為負(fù)的發(fā)電和負(fù)荷、負(fù)荷合并、發(fā)電負(fù)荷合并等特殊情況 的處理，提高復(fù)雜數(shù)據(jù)的適應(yīng)性。具體技術(shù)有：
[0183] 2>碳流仿真節(jié)點優(yōu)化編號；
[0184]稀疏矩陣技術(shù)用于解決大型電力網(wǎng)絡(luò)的潮流計算和狀態(tài)分析等問題中，大規(guī)模電 網(wǎng)的碳流仿真顯然也需要應(yīng)用稀疏矩陣技術(shù)來極大提高計算速度。
[0185] 稀疏矩陣運(yùn)算過程中產(chǎn)生新的非零元素的數(shù)量與導(dǎo)納矩陣中的元素排列有關(guān)。因 此為了充分利用電力網(wǎng)絡(luò)模型矩陣的稀疏特性，減少不必要的計算以提高求解效率，應(yīng)該 對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)行節(jié)點編號優(yōu)化。節(jié)點編號優(yōu)化的目的就是為了尋求一種使非零注入元素數(shù) 目最少的節(jié)點編號方案。
[0186] 目前實際工程應(yīng)用中廣泛采用的節(jié)點優(yōu)化編號方法有靜態(tài)優(yōu)化法、半動態(tài)優(yōu)化法 和動態(tài)優(yōu)化法三類主要的傳統(tǒng)方法。三種方法中，靜態(tài)優(yōu)化法效果不好，動態(tài)優(yōu)化法運(yùn)算速 度很慢，半動態(tài)優(yōu)化法的效果較好編號速度居中，適用于碳流仿真，因此本專利采用半動態(tài) 優(yōu)化法。
[0187] 半動態(tài)優(yōu)化法是找到連接支路最少的節(jié)點進(jìn)行編號，然后消去該節(jié)點，每消去一 個節(jié)點，尚未編號的節(jié)點的支路連接數(shù)就會發(fā)生變化，然后從未編號的節(jié)點中查找連接支 路最少的節(jié)點緊挨編號。如此反復(fù)，直到消去所有節(jié)點。
[0188] 根據(jù)碳流計算理論，節(jié)點碳勢只受注入潮流的影響，從節(jié)點流出的潮流對節(jié)點碳 勢不產(chǎn)生影響。因此，碳流仿真中應(yīng)用半動態(tài)優(yōu)化法不能直接按照節(jié)點連接支路作為標(biāo)準(zhǔn)， 而應(yīng)該以節(jié)點連接的功率流入該節(jié)點的支路(簡稱為"流入支路"）作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編號。
[0189] 以節(jié)點連接的功率流入該節(jié)點的支路作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編號，設(shè)與第j條支路兩側(cè)節(jié) 點分別為m，η，支路有功為pj，方向為m流向η，則節(jié)點i的流入該節(jié)點的支路數(shù)統(tǒng)計如下：
[0190] (1 )
[0191] 其中，IJj為第j條支路的有功流動方向標(biāo)志，Numin為節(jié)點i的流入支路數(shù)，Γ為m側(cè) 節(jié)點等于節(jié)點i的所有支路集合，I nSn側(cè)節(jié)點等于節(jié)點i的所有支路集合。用上述節(jié)點流入 支路數(shù)替代傳統(tǒng)的節(jié)點優(yōu)化編號常用方法一半動態(tài)優(yōu)化法中的節(jié)點支路數(shù)，即為碳流仿真 半動態(tài)優(yōu)化法。
[0192] 3>負(fù)荷合并;實際電網(wǎng)仿真數(shù)據(jù)中往往還存在同一個母線上掛多個負(fù)荷的情況。 如果負(fù)荷的有功都大于等于零不影響節(jié)點碳勢計算，但如果存在有功為負(fù)的負(fù)荷，則需要 總體判斷是否對節(jié)點產(chǎn)生注入功率。
[0193] 處理方法為負(fù)荷合并，即將多個負(fù)荷的有功功率加在一起生成"節(jié)點負(fù)荷"，節(jié)點 負(fù)荷作為參與計算的負(fù)荷，避免了同一母線多個負(fù)荷問題。同時可以通過節(jié)點負(fù)荷的有功 是否為負(fù)來判斷對計算的影響。需要注意，負(fù)荷合并要在有功為負(fù)的發(fā)電負(fù)荷處理之前進(jìn) 行。將多個負(fù)荷的有功功率加在一起生成"節(jié)點負(fù)荷"，"節(jié)點負(fù)荷"作為參與計算的負(fù)荷。
[0194] 4>發(fā)電負(fù)荷合并，包括:設(shè)發(fā)電有功為PG，負(fù)荷有功為PL，判斷如下：
[0195] PG-PLM)時，處理為有功為PG-PL的發(fā)電機(jī)，機(jī)組碳排放強(qiáng)度按下面公式計算：
[0196] (2)
[0197] PG-PIX = O時，處理為PL-PG的負(fù)荷。
[0198] 正常發(fā)電機(jī)或負(fù)荷的有功大于或等于0,但在實際電網(wǎng)仿真數(shù)據(jù)中發(fā)電和負(fù)荷都 存在有功小于〇的情況。例如本地電網(wǎng)向外部電網(wǎng)輸送功率，則外部電網(wǎng)等值發(fā)電機(jī)的有功 就為負(fù)，有功為負(fù)的發(fā)電機(jī)不是注入功率到節(jié)點上，而是從節(jié)點上吸收功率;原始資料不明 或參數(shù)缺失的發(fā)電機(jī)常常用有功為負(fù)的負(fù)荷進(jìn)行等值，有功為負(fù)的負(fù)荷注入功率到節(jié)點 上，相當(dāng)于發(fā)電機(jī)。
[0199] 5>處理有功為負(fù)的發(fā)電負(fù)荷:從發(fā)電機(jī)列表中剔除有功為負(fù)的發(fā)電機(jī);有功為負(fù) 的負(fù)荷增加到發(fā)電機(jī)列表最后，并設(shè)其機(jī)組碳排放強(qiáng)度為0。
[0200]④計算節(jié)點碳勢指標(biāo)；
[0201]利用稀疏矩陣技術(shù)形成節(jié)點碳勢方程組的各個矩陣，采用LU分解法進(jìn)行大規(guī)模線 性方程組求解，計算得到節(jié)點碳勢指標(biāo)，包括：
[0202 ]設(shè)電網(wǎng)具有N個節(jié)點，L條支路，有K個節(jié)點存在機(jī)組注入，M個節(jié)點存在負(fù)荷，具體 如下：
[0203] k)生成機(jī)組碳排放強(qiáng)度向量EG:
[0204] 設(shè)第k臺發(fā)電機(jī)組的機(jī)組碳排放強(qiáng)度為EGk，k=l，2，-_，K;則機(jī)組碳排放強(qiáng)度向量 表示為：
[0205] EG= [EGi EG2 ... EGkJt (3)
[0206] 1)生成機(jī)組注入分布矩陣PG:
[0207]機(jī)組注入分布矩陣為K X N階矩陣，用PG = (PGkj )K X N表示，矩陣中的元素具體定義 如下：
[0208]若第k臺發(fā)電機(jī)組接入節(jié)點j，且從該機(jī)組注入節(jié)點j的有功為ρ，則PGkj = p，否則 PGkj = O;
[0209] m)生成支路潮流分布矩陣PB:
[0210]支路潮流分布矩陣為N階方陣，用PB= (PBlj)NXN表示。矩陣中的元素具體定義如 下：
[0211]若節(jié)點i與節(jié)點j間有支路相連，且經(jīng)此支路流入節(jié)點i的正向有功潮流為p，則PBi j =P，PBji = 0;若流經(jīng)該支路的有功潮流p為反向潮流，則PBij = 0，PBji = p; i，j = 1，2，…，N其 他情況下PBij = PBji = O;
[0212]對所有對角元素，有 PBii = 0，i = l，2，."，N;
[0213] n)生成節(jié)點有功通量矩陣PN:
[0214]節(jié)點有功通量矩陣為N階對角陣，用PN= (PNij)NXN表示;矩陣的元素具體定義如 下：
[0215] ⑷
[0216] 其中，PB、PG分別為上面所述的支路潮流分布矩陣和機(jī)組注入分布矩陣；
[0217] 〇)計算節(jié)點碳勢向量EN
[0218]設(shè)第i個節(jié)點的節(jié)點碳勢為ENk，i = l，2，…，N則節(jié)點碳勢向量表示為：
[0219] EN= [ENi EN2 ... ENnJt (5)
[0220] 節(jié)點碳勢向量計算公式如下：
[0221] ( PN-PBt )*EN=PGtEG (6)
[0222] 其中，PN為節(jié)點有功通量矩陣，PB為支路潮流分布矩陣，PG為機(jī)組注入分布矩陣， EG為機(jī)組碳排放強(qiáng)度向量；
[0223] 節(jié)點碳勢計算屬于大規(guī)模線性方程組的求解問題，化簡為：
[0224] AX = B (7)
[0225]其中，X為待求的節(jié)點碳勢向量，維數(shù)為N*1，N為節(jié)點總數(shù);A為系數(shù)矩陣，維數(shù)為N* N;B為常數(shù)向量，維數(shù)為N*l;
[0226] 根據(jù)節(jié)點碳勢方程組的形成過程，系數(shù)矩陣A非零元素的總數(shù)為N+L。由于電網(wǎng)的 特性，與節(jié)點相連的支路非常少，一般L與N的比值小于2,即矩陣A的非零元素總數(shù)小于3N。 系數(shù)矩陣A的元素總數(shù)N 2,顯然在N比較大的情況下(本專利針對4萬節(jié)點規(guī)模），矩陣A的非 零元素個數(shù)占所有元素總數(shù)的比例非常小。矩陣中只有少量的元素不為零的矩陣稱為稀疏 矩陣，顯然系數(shù)矩陣A屬于稀疏矩陣，節(jié)點碳勢計算屬于稀疏線性方程組求解問題。
[0227] 稀疏線性方程組求解問題可采用稀疏矩陣技術(shù)，大大提高計算效率，減少計算所 需內(nèi)存和時間。稀疏矩陣技術(shù)是非常成熟的數(shù)學(xué)方法，可直接應(yīng)用到節(jié)點碳勢計算問題上， 采用LU分解法進(jìn)行大規(guī)模稀疏線性方程組求解，即將矩陣A分解為一個下三角矩陣L和一個 上三角矩陣U的乘積：
[0228] A = L*U (8)
[0229] 令Y = UX，則公式(8)分解為：
[0230] L*Y = B (9)
[0231] U*X = Y (10)
[0232] 公式(9)通過稀疏矩陣前代方法求解，公式(10)通過稀疏矩陣回代方法求解。
[0233] ⑤計算碳流仿真分析的其它指標(biāo)：
[0234] 包括下述步驟：
[0235] 1>計算支路碳流率和支路網(wǎng)損碳流率；
[0236] 計算得到節(jié)點碳勢向量后，進(jìn)一步得到系統(tǒng)各個支路的碳流率;設(shè)第j條支路兩側(cè) 節(jié)點分別為m，n，則計算公式為：
[0237] (1D
[0238] (12)
[0239]其中，RBj、RBLj分別為第j條支路的支路碳流率和、支路網(wǎng)損碳流率，單位:tC02/h; Pj為支路有功，單位:MW，方向為m流向η; pi j為支路有功損耗，單位:MW; ENm為節(jié)點m的節(jié)點碳 勢，ENn為節(jié)點η的節(jié)點碳勢，單位:kgC02/kWh;
[0240] 2>計算發(fā)電碳流率；
[0241] 首先判斷是否有發(fā)電負(fù)荷合并，若有，則按下述公式（13)計算；沒有發(fā)電負(fù)荷合 并，則判斷發(fā)電有功PG是否為負(fù)，若為負(fù)，則按下述公式（14)計算;若不為負(fù)，則按下述公式 (15)計算；
[0242]
[0243] rg = PG*EN/10 (14)
[0244] RG = PG*EG/10 (15)
[0245] 其中，RG為發(fā)電碳流率，單位:t⑶2/h; EG為機(jī)組碳排放強(qiáng)度，單位:kgC02/kWh; EN 為發(fā)電機(jī)所連節(jié)點的節(jié)點碳勢，單位:kgC02/kWh; PG為發(fā)電有功功率，單位:Mff; PL為負(fù)荷有 功功率，單位:麗；
[0246] 3>計算負(fù)荷碳流率：
[0247] 首先判斷是否有發(fā)電負(fù)荷合并，若有，則按下述公式（16)計算；沒有發(fā)電負(fù)荷合 并，則判斷是否有負(fù)荷合并，若有，則按下述公式（17)計算;若沒有負(fù)荷合并，則判斷負(fù)荷有 功PL是否為負(fù)，若為負(fù)，則取負(fù)荷碳流率為0;若不為負(fù)，則按下述公式(18)計算：
[0248]
[0249] 其中，RL為負(fù)荷碳流率，單位:t⑶2/h; EG為機(jī)組碳排放強(qiáng)度，單位:kgC02/kWh; EN 為負(fù)荷所連節(jié)點的節(jié)點碳勢，單位:kgC02/kWh; PG為發(fā)電有功功率，單位:MW; PL為負(fù)荷有功 功率，單位:麗；
[0250] (17)
[0251]其中，Γ為母線上掛的所有負(fù)荷中有功為正的負(fù)荷集合;RL1為第i個負(fù)荷的負(fù)荷碳 流率，單位:tC02/h; PLi為第i個負(fù)荷的有功，單位:MW;PLj為第j個負(fù)荷的有功，單位:MW;EN 為負(fù)荷所連節(jié)點的節(jié)點碳勢，單位:kgC02/kWh;PU為"節(jié)點負(fù)荷"的有功，單位:MW;
[0252] RL = PL*EN/10 (18)
[0253] 其中，RL為負(fù)荷碳流率，單位：tC02/h;EN為發(fā)電機(jī)所聯(lián)節(jié)點的節(jié)點碳勢，單位： kgC02/kWh; PL為負(fù)荷有功功率，單位:MW。
[0254](二)碳流分析方法
[0255] 確定計算條件
[0256] 電網(wǎng)碳流分析方法部分的計算條件有：
[0257] 1)電網(wǎng)碳流分析的計算指標(biāo)，包括節(jié)點碳勢、支路碳流率、支路網(wǎng)損碳流率、發(fā)電 碳流率和負(fù)荷碳流率；
[0258] 2)節(jié)點所屬分區(qū)和節(jié)點所屬電壓等級數(shù)據(jù)，實際電網(wǎng)是分區(qū)管理的，全部電網(wǎng)（簡 稱全網(wǎng))元件分為若干個分區(qū)管理，因此每個節(jié)點都有一個固定的所屬分區(qū)，分區(qū)數(shù)據(jù)應(yīng)提 前由使用人員規(guī)定。實際電網(wǎng)中，節(jié)點歸屬一個固定的電壓等級，電壓等級包括500kV、 220kV、110kV等，電壓等級分類應(yīng)提前由使用人員規(guī)定。
[0259] 確定計算指標(biāo)
[0260] 實際仿真人員需要知道碳流的分布情況，碳排放的高低情況、碳流轉(zhuǎn)移情況，因此 需要對電網(wǎng)碳流仿真結(jié)果利用統(tǒng)計方法學(xué)進(jìn)行統(tǒng)計分析，提煉出反映實際人員需要的指 標(biāo)，本專利提出的指標(biāo)包括：
[0261 ] 1)總發(fā)電-總負(fù)荷-總網(wǎng)損碳流率
[0262] 包括總發(fā)電碳流率Σ RG、總負(fù)荷碳流率Σ RL、總網(wǎng)損碳流率Σ RBL和外送碳流率 Rout四個指標(biāo)。
[0263] 總發(fā)電碳流率是指給定范圍內(nèi)（指定的分區(qū)、指定的電壓等級或全網(wǎng))所有發(fā)電機(jī) 的發(fā)電碳流率之和。
[0264] 總負(fù)荷碳流率是指給定范圍內(nèi)（指定的分區(qū)、指定的電壓等級或全網(wǎng))所有負(fù)荷的 負(fù)荷碳流率之和。
[0265] 總網(wǎng)損碳流率是指給定范圍內(nèi)（指定的分區(qū)、指定的電壓等級或全網(wǎng))所有支路的 支路網(wǎng)損碳流率之和。
[0266] 外送碳流率是指給定范圍內(nèi)（指定的分區(qū)、指定的電壓等級)與外部的所有聯(lián)絡(luò)支 路的有向碳流率之和。有向碳流率是指在支路碳流率上加一個方向，若支路的潮流方向為 指向給定范圍之外，貝 1J有向碳流率等于支路碳流率，若支路的潮流方向為指向給定范圍之 內(nèi)，則有向碳流率等于支路碳流率乘以-1。全網(wǎng)的外送碳流率等于0。
[0267] 通過下面等式方程來驗證碳流仿真的正確性：
[0268] Σ RG- Σ RL- Σ RBL-Rout = 0 (19)
[0269] 公式（19)的本質(zhì)是碳流率的總量守恒;如果公式（19)不成立，則說明碳流仿真計 算的結(jié)果不正確；
[0270] 2)分區(qū)、電壓等級平均節(jié)點碳勢
[0271] 實際電網(wǎng)節(jié)點眾多，不利于總體分析。分區(qū)平均節(jié)點碳勢定義為分區(qū)內(nèi)所有節(jié)點 的節(jié)點碳勢的平均值，電壓等級平均節(jié)點碳勢定義為屬于同一個電壓等級的所有節(jié)點的節(jié) 點碳勢的平均值。
[0272] 3)斷面碳流率
[0273] 實際電網(wǎng)往往會劃定一些斷面作為主要監(jiān)視對象。斷面定義為指定的一條或幾條 規(guī)定支路潮流正方向的支路組成的有向支路集。斷面碳流率定位為組成斷面的所有支路的 有向碳流率之和。有向碳流率是指在支路碳流率上加一個方向，若支路的潮流方向與斷面 定義的正方向相同時，則有向碳流率等于支路碳流率，若支路的潮流方向與斷面定義的正 方向相反時，則有向碳流率等于支路碳流率乘以-1。
[0274] 電網(wǎng)碳流分析的計算指標(biāo)的計算公式分別如下：
[0275] 總發(fā)電碳流率：
[0276]
(20)
[0277] 其中，XRGi為苐i個分區(qū)或電壓等級的總發(fā)電碳流率，Ig為發(fā)電機(jī)所聯(lián)節(jié)點的分區(qū) 或電壓等級等于i的發(fā)電機(jī)集合；
[0278] 總負(fù)荷碳流率：
[0279]
(21 )
[0280] 其中，SRL1為第i個分區(qū)或電壓等級的總負(fù)荷碳流率，I1為負(fù)荷所聯(lián)節(jié)點的分區(qū)或 電壓等級等于i的負(fù)荷集合；
[0281] 總網(wǎng)損碳流率：
[0282]
C22)
[0283]其中，XRBL1為第i個分區(qū)或電壓等級的總網(wǎng)損碳流率，IbS支路兩側(cè)節(jié)點m，n的分 區(qū)或電壓等級都等于i的支路集合；
[0284] 外送碳流率： 酬
（23)
[0286] 其中，Rout1為第i個分區(qū)或電壓等級的外送碳流率，Γ為m側(cè)節(jié)點的分區(qū)或電壓等 級等于i的支路集合，I n為η側(cè)節(jié)點的分區(qū)或電壓等級等于i的支路集合，第j條支路的有 功，RBj為第j條支路的支路碳流率；
[0287]
(24)
[0288] 其中，ELZ1為第i個分區(qū)的平均節(jié)點碳勢，I1為屬于第i個分區(qū)的節(jié)點集合，判斷屬 于的標(biāo)準(zhǔn)為節(jié)點的分區(qū)屬性等于第i個分區(qū)，η為集合I 1的元素個數(shù)；
[0289] 分區(qū)平均節(jié)點碳勢：
[0290](25)
[0291]其中，ELZ1
為第i個分區(qū)的平均節(jié)點碳勢，I1為屬于第i個分區(qū)的節(jié)點集合(判斷屬 于的標(biāo)準(zhǔn)為節(jié)點的分區(qū)屬性等于第i個分區(qū)），n為集合I1的元素個數(shù)；
[0292]電壓等級平均節(jié)點碳勢：
[0293]
(26)
[0294]共中，EN_Vj為弟j個電壓等級的平均節(jié)點碳勢，1?屬于第j個電壓等級的節(jié)點集 合，判斷屬于的標(biāo)準(zhǔn)為節(jié)點的分區(qū)屬性等于第j個電壓等級，n_V為集合P的元素個數(shù)；
[0295] 斷面碳流率：
[0298] 則斷面碳流率計算如下：
[0296] 設(shè)第i個斷面組成支路有K條，斷面設(shè)置時定義了K條支路的斷面正方向（m流向n， 或η流向ip.西個?先檉定義第k條支路的斷面方向標(biāo)志MNk，取值如下： 川流向η
[0297] , (27) η流向m 、厶" 到
（28)
[0300] 其中，IJk為第j條支路的有功流動方向標(biāo)志，RB_ITi為第i個斷面的斷面碳流率，P 為屬于斷面的支路集合，Pk為第k條支路的有功，RBk為第k條支路的支路碳流率，MNk為第k條 支路的斷面方向標(biāo)志。
[0301] 本發(fā)明結(jié)合實際大規(guī)模電網(wǎng)的特點和電網(wǎng)仿真分析的需要，給出了完整、實用的 大規(guī)模電網(wǎng)碳流仿真方法，并提出了電網(wǎng)碳流分析方法，在碳流仿真結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行加工， 得到實際電網(wǎng)仿真人員可以綜合應(yīng)用、指導(dǎo)生產(chǎn)實踐的碳流仿真分析結(jié)果。
[0302] 以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對 本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員依然可以對本發(fā)明的【具體實施方式】進(jìn) 行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請 待批的本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種適應(yīng)于大規(guī)模電網(wǎng)的電力系統(tǒng)碳流仿真分析方法，其特征在于，所述方法包括 下述步驟： (1) 電網(wǎng)碳流仿真； (2) 電網(wǎng)碳流分析。2. 如權(quán)利要求1所述的電力系統(tǒng)碳流仿真分析方法，其特征在于，所述步驟（1)包括下 述步驟： ① 確定計算條件，讀取數(shù)據(jù)，包括： 1) 電網(wǎng)網(wǎng)架數(shù)據(jù)： 包括組成電網(wǎng)元件的連接關(guān)系，元件包括交流線、并聯(lián)電容電抗器、變壓器、發(fā)電機(jī)、負(fù) 荷和直流系統(tǒng)； 2) 潮流結(jié)果數(shù)據(jù)： 包含所有元件的潮流結(jié)果，其包括:發(fā)電機(jī)的有功功率、負(fù)荷的有功功率、交流線有功 功率及方向和有功損耗、并聯(lián)支路的有功損耗、變壓器的有功功率及方向和有功損耗、直流 系統(tǒng)各個端口的注入有功功率； 3) 機(jī)組碳排放強(qiáng)度數(shù)據(jù)： 每臺發(fā)電機(jī)的機(jī)組碳排放強(qiáng)度數(shù)據(jù)，若無碳排放，則機(jī)組碳排放強(qiáng)度等于零； ② 確定碳流仿真分析需要的計算指標(biāo)，包括： 1) 節(jié)點碳勢： 節(jié)點即電網(wǎng)潮流中的計算節(jié)點，節(jié)點碳勢的定位為:在該節(jié)點消費(fèi)單位電力時所引起 的發(fā)電側(cè)的碳排放值;用符號EN表示，單位為kgC02/kWh; 2) 支路碳流率： 支路碳流率定義為單位時間內(nèi)通過支路的碳流量，用符號RB表示，單位為tC02/h;碳流 仿真分析中的支路包括電網(wǎng)中所有的單端、雙端和多端元件，所述單端、雙端和多端元件包 括交流線、變壓器、并聯(lián)電容電抗器和直流系統(tǒng)； 3) 支路網(wǎng)損碳流率： 支路網(wǎng)損碳流率定義為支路一的有功損耗相對應(yīng)的碳流量；支路網(wǎng)損碳流率用符號 RBL表示，單位與支路碳流率相同，為tC02/h; 4) 負(fù)荷碳流率： 負(fù)荷碳流率定義為單位時間內(nèi)負(fù)荷有功相對應(yīng)消耗的碳流量，用符號RL表示，單位為 tC02/h； 5) 發(fā)電碳流率： 發(fā)電碳流率指標(biāo)定義為發(fā)電機(jī)組單位時間內(nèi)的碳排放量，用符號RG表示，單位為tC02/ h； ③ 增加實際電網(wǎng)碳流仿真需要進(jìn)行的處理； ④ 計算節(jié)點碳勢指標(biāo)； ⑤ 計算碳流仿真分析的其它指標(biāo)。3. 如權(quán)利要求2所述的電力系統(tǒng)碳流仿真分析方法，其特征在于，所述步驟③的增加實 際電網(wǎng)碳流仿真需要進(jìn)行的處理包括下述步驟： 1>數(shù)據(jù)預(yù)處理:進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，處理懸空支路、并聯(lián)支路和非懸空但一側(cè)有功為零情 況； 2>碳流仿真節(jié)點優(yōu)化編號； 3>負(fù)荷合并； 4>發(fā)電負(fù)荷合并； 5>處理有功為負(fù)的發(fā)電負(fù)荷。4. 如權(quán)利要求3所述的電力系統(tǒng)碳流仿真分析方法，其特征在于，所述步驟1>中，懸空 支路指的是一側(cè)母線沒有連接任何其它元件的情況;并聯(lián)支路是指并聯(lián)電容電抗器元件構(gòu) 成的支路;非懸空一側(cè)有功為零支路是指一側(cè)有功等于零，另一側(cè)有功不為零的支路;非懸 空一側(cè)有功為零支路是指一側(cè)有功等于零，另一側(cè)有功不為零的交流線或變壓器支路，即 只有有功損耗，傳輸無功功率，不傳輸有功功率;這些情況需要在計算節(jié)點碳勢之前處理， 直接去除，否則會導(dǎo)致后面的節(jié)點碳勢無法計算。5. 如權(quán)利要求3所述的電力系統(tǒng)碳流仿真分析方法，其特征在于，所述步驟2>包括：以 節(jié)點連接的功率流入該節(jié)點的支路作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編號，設(shè)與第j條支路兩側(cè)節(jié)點分別為m， n，支路有功為pj，方向為m流向n，則節(jié)點i的流入該節(jié)點的支路數(shù)統(tǒng)計如下：其中，I Jj為第j條支路的有功流動方向標(biāo)志，Numin為節(jié)點i的流入支路數(shù)，Im為m側(cè)節(jié)點 等于節(jié)點i的所有支路集合，InSn側(cè)節(jié)點等于節(jié)點i的所有支路集合； 用上述節(jié)點流入支路數(shù)替代傳統(tǒng)的節(jié)點優(yōu)化編號方法一半動態(tài)優(yōu)化法中的節(jié)點支路 數(shù)，即為碳流仿真半動態(tài)優(yōu)化法。6. 如權(quán)利要求3所述的電力系統(tǒng)碳流仿真分析方法，其特征在于，所述步驟3>的負(fù)荷合 并包括:將多個負(fù)荷的有功功率加在一起生成"節(jié)點負(fù)荷"，"節(jié)點負(fù)荷"作為參與計算的負(fù) 荷。7. 如權(quán)利要求3所述的電力系統(tǒng)碳流仿真分析方法，其特征在于，所述步驟4>的發(fā)電負(fù) 荷合并包括:設(shè)發(fā)電有功為PG，負(fù)荷有功為PL，判斷如下： PG-PL>0時，處理為有功為PG-PL的發(fā)電機(jī)，機(jī)組碳排放強(qiáng)度按下面公式計算：PG-PL〈 = 0時，處理為PL-PG的負(fù)荷。8. 如權(quán)利要求2所述的電力系統(tǒng)碳流仿真分析方法，其特征在于，所述步驟5>的處理有 功為負(fù)的發(fā)電負(fù)荷包括： 從發(fā)電機(jī)列表中剔除有功為負(fù)的發(fā)電機(jī);有功為負(fù)的負(fù)荷增加到發(fā)電機(jī)列表最后，并 設(shè)其機(jī)組碳排放強(qiáng)度為0。9. 如權(quán)利要求2所述的電力系統(tǒng)碳流仿真分析方法，其特征在于，所述步驟④的計算節(jié) 點碳勢指標(biāo)的方法為:利用稀疏矩陣技術(shù)形成節(jié)點碳勢方程組的各個矩陣，采用LU分解法 進(jìn)行大規(guī)模線性方程組求解，計算得到節(jié)點碳勢指標(biāo)，包括： 設(shè)電網(wǎng)具有N個節(jié)點，L條支路，有K個節(jié)點存在機(jī)組注入，M個節(jié)點存在負(fù)荷，具體如下： a) 生成機(jī)組碳排放強(qiáng)度向量EG: 設(shè)第k臺發(fā)電機(jī)組的機(jī)組碳排放強(qiáng)度為EGk，k= 1，2，…，K;則機(jī)組碳排放強(qiáng)度向量表示 為： EG=[EGi EG2 ... EGk]t (3) b) 生成機(jī)組注入分布矩陣PG: 機(jī)組注入分布矩陣為K X N階矩陣，用PG= (PGkj )K X N表示，矩陣中的元素具體定義如 下： 若第k臺發(fā)電機(jī)組接入節(jié)點j，且從該機(jī)組注入節(jié)點j的有功為p，則PGkj = p，否則PGkj = 〇； C)生成支路潮流分布矩陣PB: 支路潮流分布矩陣為N階方陣，用PB= (PB^)NX N表示;矩陣中的元素具體定義如下： 若節(jié)點i與節(jié)點j間有支路相連，且經(jīng)此支路流入節(jié)點i的正向有功潮流為P，則PBi j = p， PBji = 0;若流經(jīng)該支路的有功潮流p為反向潮流，則PBij = 0，PBji = p; i，j = 1，2，…，N其他情 況下 PBij = PBji = 0; 對所有對角元素，有PBii = 0，i = l，2,…，N; d) 生成節(jié)點有功通量矩陣PN: 節(jié)點有功通量矩陣為N階對角陣，用PN=(PNij)NXN表示;矩陣的元素具體定義如下：其中，PB、PG分別為上面所述的支路潮流分布矩陣和機(jī)組注入分布矩陣； e) 計算節(jié)點碳勢向量EN 設(shè)第i個節(jié)點的節(jié)點碳勢為ENk，i = 1，2，…，N則節(jié)點碳勢向量表示為： EN= [ENi EN2 ... ENn]t (5) 節(jié)點碳勢向量計算公式如下： (PN-PBt)*EN=PGtEG (6) 其中，PN為節(jié)點有功通量矩陣，為支路潮流分布矩陣，PG為機(jī)組注入分布矩陣，EG為 機(jī)組碳排放強(qiáng)度向量； 節(jié)點碳勢計算屬于大規(guī)模線性方程組的求解問題，化簡為： AX = B (7) 其中，X為待求的節(jié)點碳勢向量，維數(shù)為N*1，N為節(jié)點總數(shù);A為系數(shù)矩陣，維數(shù)為N*N; B 為常數(shù)向量，維數(shù)為N*l; 采用LU分解法進(jìn)行大規(guī)模稀疏線性方程組求解，即將矩陣A分解為一個下三角矩陣L和 一個上三角矩陣U的乘積： A = L*U (8) 令Y = UX，則公式(8)分解為： L*Y = B (9) U*X = Y (10) 公式(9)通過稀疏矩陣前代方法求解，公式(10)通過稀疏矩陣回代方法求解。10.如權(quán)利要求2所述的電力系統(tǒng)碳流仿真分析方法，其特征在于，所述步驟⑤的計算 碳流仿真分析的其它指標(biāo)，包括下述步驟： 1>計算支路碳流率和支路網(wǎng)損碳流率； 計算得到節(jié)點碳勢向量后，進(jìn)一步得到系統(tǒng)各個支路的碳流率;設(shè)第j條支路兩側(cè)節(jié)點 分別為m，n，則計算公式為：其中，RBj、RBLj分別為第j條支路的支路碳流率和、支路網(wǎng)損碳流率，單位:tC02/h; p j為 支路有功，單位:MW，方向為m流向n; plj為支路有功損耗，單位:MW; ENm為節(jié)點m的節(jié)點碳勢， ENn為節(jié)點n的節(jié)點碳勢，單位:kgC02/kWh; 2>計算發(fā)電碳流率； 首先判斷是否有發(fā)電負(fù)荷合并，若有，則按下述公式（13)計算;沒有發(fā)電負(fù)荷合并，則 判斷發(fā)電有功PG是否為負(fù)，若為負(fù)，則按下述公式（14)計算;若不為負(fù)，則按下述公式（15) 計算；RG = PG*EN/10 (14) RG = PG*EG/10 (15) 其中，RG為發(fā)電碳流率，單位：tC02/h; EG為機(jī)組碳排放強(qiáng)度，單位:kgC02/kWh; EN為發(fā) 電機(jī)所連節(jié)點的節(jié)點碳勢，單位:kgC02/kWh; PG為發(fā)電有功功率，單位:麗;PL為負(fù)荷有功功 率，單位:麗； 3>計算負(fù)荷碳流率： 首先判斷是否有發(fā)電負(fù)荷合并，若有，則按下述公式（16)計算;沒有發(fā)電負(fù)荷合并，則 判斷是否有負(fù)荷合并，若有，則按下述公式（17)計算;若沒有負(fù)荷合并，則判斷負(fù)荷有功PL 是否為負(fù)，若為負(fù)，則取負(fù)荷碳流率為〇;若不為負(fù)，則按下述公式(18)計算：其中，RL為負(fù)荷碳流率，單位：tC02/h;EG為機(jī)組碳排放強(qiáng)度，單位:kgC02/kWh; EN為負(fù) 荷所連節(jié)點的節(jié)點碳勢，單位:kgC02/kWh; PG為發(fā)電有功功率，單位:MW; PL為負(fù)荷有功功 率，單位:麗；其中，r為母線上掛的所有負(fù)荷中有功為正的負(fù)荷集合;ru為第i個負(fù)荷的負(fù)荷碳流 率，單位:tC02/h;PLi為第i個負(fù)荷的有功，單位:MW;PLj為第j個負(fù)荷的有功，單位:MW;EN為 負(fù)荷所連節(jié)點的節(jié)點碳勢，單位:kgC02/kWh;PU為"節(jié)點負(fù)荷"的有功，單位:MW; RL = PL*EN/10 (18) 其中，RL為負(fù)荷碳流率，單位:tC02/h; EN為發(fā)電機(jī)所聯(lián)節(jié)點的節(jié)點碳勢，單位:kgC02/ kWh; PL為負(fù)荷有功功率，單位:麗。11. 如權(quán)利要求1所述的電力系統(tǒng)碳流仿真分析方法，其特征在于，所述步驟(2)包括： ① 確定電網(wǎng)碳流分析的計算條件，包括： 1) 電網(wǎng)碳流分析的計算指標(biāo)，包括節(jié)點碳勢、支路碳流率、支路網(wǎng)損碳流率、發(fā)電碳流 率和負(fù)荷碳流率； 2) 節(jié)點所屬分區(qū)和節(jié)點所屬電壓等級數(shù)據(jù)，實際電網(wǎng)是分區(qū)管理的，全部電網(wǎng)元件分 為若干個分區(qū)管理，每個節(jié)點都有一個固定的所屬分區(qū)，分區(qū)數(shù)據(jù)由使用人員規(guī)定;實際電 網(wǎng)中，節(jié)點歸屬一個固定的電壓等級，電壓等級包括500kV、220kV、110kV等，電壓等級分類 應(yīng)提前由使用人員規(guī)定； ② 確定電網(wǎng)碳流分析的計算指標(biāo)，包括： 1) 總發(fā)電_總負(fù)荷_總網(wǎng)損碳流率:包括總發(fā)電碳流率S RG、總負(fù)荷碳流率2 RL、總網(wǎng)損 碳流率5： RBL和外送碳流率Rout四個指標(biāo)； 總發(fā)電碳流率是指給定范圍內(nèi)所有發(fā)電機(jī)的發(fā)電碳流率之和； 總負(fù)荷碳流率是指給定范圍內(nèi)所有負(fù)荷的負(fù)荷碳流率之和； 總網(wǎng)損碳流率是指給定范圍內(nèi)所有支路的支路網(wǎng)損碳流率之和； 外送碳流率是指給定范圍內(nèi)與外部的所有聯(lián)絡(luò)支路的有向碳流率之和； 通過下面等式方程來驗證碳流仿真的正確性： E RG-E RL-E RBL-Rout = 0 (19) 公式（19)的本質(zhì)是碳流率的總量守恒;如果公式（19)不成立，則說明碳流仿真計算的 結(jié)果不正確； 2) 分區(qū)平均節(jié)點碳勢； 分區(qū)平均節(jié)點碳勢定義為分區(qū)內(nèi)所有節(jié)點的節(jié)點碳勢的平均值； 3) 電壓等級平均節(jié)點碳勢； 電壓等級平均節(jié)點碳勢定義為屬于同一個電壓等級的所有節(jié)點的節(jié)點碳勢的平均值； 4) 斷面碳流率： 斷面定義為指定的一條或幾條規(guī)定支路潮流正方向的支路組成的有向支路集。斷面碳 流率定位為組成斷面的所有支路的有向碳流率之和。12. 如權(quán)利要求11所述的電力系統(tǒng)碳流仿真分析方法，其特征在于，電網(wǎng)碳流分析的計 算指標(biāo)的計算公式分別如下： 總發(fā)電碳流率： 其中，ERG:為第i個分區(qū)或電壓等級的總發(fā)電碳流率，Ig為發(fā)電機(jī)所聯(lián)節(jié)點的分區(qū)或電 壓等級等于i的發(fā)電機(jī)集合；總負(fù)荷碳流率：其中，ERU為第i個分區(qū)或電壓等級的總負(fù)荷碳流率，I1為負(fù)荷所聯(lián)節(jié)點的分區(qū)或電壓 等級等于i的負(fù)荷集合； 總網(wǎng)損碳流率：其中，ERBU為第i個分區(qū)或電壓等級的總網(wǎng)損碳流率，^為支路兩側(cè)節(jié)點m，n的分區(qū)或 電壓等級都等于i的支路集合； 外送碳流率：其中，Rout為第i個分區(qū)或電壓等級的外送碳流率，Im為m側(cè)節(jié)點的分區(qū)或電壓等級等 于i的支路集合，InSn側(cè)節(jié)點的分區(qū)或電壓等級等于i的支路集合，pi為第j條支路的有功， RBj為第j條支路的支路碳流率；其中，EN_Zi為第i個分區(qū)的平均節(jié)點碳勢，I1為屬于第i個分區(qū)的節(jié)點集合，判斷屬于的 標(biāo)準(zhǔn)為節(jié)點的分區(qū)屬性等于第i個分區(qū)，n為集合I1的元素個數(shù)； 分區(qū)平均節(jié)點碳勢：其中，EN_Zi為第i個分區(qū)的平均節(jié)點碳勢，I1為屬于第i個分區(qū)的節(jié)點集合，判斷屬于的 標(biāo)準(zhǔn)為節(jié)點的分區(qū)屬性等于第i個分區(qū)，n為集合I1的元素個數(shù)； 電壓等級平均節(jié)點碳勢：其中，EN_L為第j個電壓等級的平均節(jié)點碳勢，P為屬于第j個電壓等級的節(jié)點集合，判 斷屬于的標(biāo)準(zhǔn)為節(jié)點的分區(qū)屬性等于第j個電壓等級，n_V為集合P的元素個數(shù)； 斷面碳流率： 設(shè)第i個斷面組成支路有K條，斷面設(shè)置時定義了 K條支路的斷面正方向；定義第k條支 路的斷面方向標(biāo)志MNk，取值如下：則斷面碳流率計算如下：其中，IJk為第j條支路的有功流動方向標(biāo)志，RB_ITi為第i個斷面的斷面碳流率，P為屬 于斷面的支路集合，Pk為第k條支路的有功，RBk為第k條支路的支路碳流率，MNk為第k條支路 的斷面方向標(biāo)志。
【文檔編號】G06F17/50GK106055730SQ201610278708
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年4月28日
【發(fā)明人】陳興雷, 李芳 , 孫璐, 徐希望, 丁平, 趙敏, 安寧
【申請人】中國電力科學(xué)研究院, 國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)江西省電力公司