電力系統(tǒng)碳排放水平綜合評(píng)價(jià)方法★

顧 靜

（華北電力大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 北京 102206）

0 引言

化石能源的使用導(dǎo)致二氧化碳的大量排放，已經(jīng)成為21 世紀(jì)人類面臨的最大挑戰(zhàn)。中國(guó)是目前全球年碳排放量第一大國(guó)，其歷史上碳排放總量?jī)H次于美國(guó)[1]。目前日益增長(zhǎng)的能源需求與降低碳排放要求二者之間矛盾日益突出[2]。統(tǒng)計(jì)資料顯示，在我國(guó)，電力系統(tǒng)是碳排放的最大來(lái)源，其CO2排放量在整個(gè)社會(huì)中大約占比50%[3-4]。與此同時(shí)，以2005 年的CO2排放量為基準(zhǔn)，爭(zhēng)取到2030 年GDP 中的CO2排放量降低60%～65%。為此，中國(guó)政府做出了巨大的努力來(lái)實(shí)現(xiàn)深度減碳，早日達(dá)到碳排放峰值[5-6]。因此，積極推動(dòng)節(jié)能減排和低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各省市應(yīng)根據(jù)自身情況制定碳減排任務(wù)[7]。

為了量化碳排放任務(wù)的完成程度，如何對(duì)碳排放進(jìn)行綜合評(píng)估并構(gòu)建碳排放評(píng)估方案成為研究的重點(diǎn)。在碳排放評(píng)估模式的現(xiàn)有研究中，孫彥龍等人[8]基于“全生命周期”的思路，從多個(gè)角度出發(fā)，構(gòu)建了一個(gè)低碳電力系統(tǒng)的全面評(píng)估指數(shù)體系，對(duì)低碳電網(wǎng)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行綜合量化。韓肖清等人[9]分析了我國(guó)新能源電力系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，針對(duì)其發(fā)展過(guò)程中存在的“源荷耦合不確定性”“碳排放等級(jí)”“多主體協(xié)同”等新問(wèn)題，構(gòu)建基于“碳排放”的新能源電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)模型和技術(shù)體系，為我國(guó)低碳發(fā)展背景下的新能源電力系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)賈文昭等人[10]在深入探討電網(wǎng)低碳能力的基礎(chǔ)上，從電網(wǎng)低碳效益的角度，提出了從低碳能力到低碳效益的評(píng)價(jià)技術(shù)路線，建立了一套智能電網(wǎng)低碳經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)體系，通過(guò)在發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)采用各種新技術(shù)，使各種技術(shù)相互配合，達(dá)到降低電網(wǎng)碳排放的目的。陳柔伊等人[11]以低碳經(jīng)濟(jì)為基礎(chǔ)，從全新視角剖析了電力系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)所帶來(lái)的低碳收益，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了電力系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)所帶來(lái)的低碳收益的評(píng)價(jià)體系和模式，從根本上闡明了電力系統(tǒng)的低碳收益的含義和實(shí)質(zhì)。

同樣，電力系統(tǒng)碳排放指標(biāo)的確定方法也尤為重要。陳勇等人[12]基于現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)影響電力系統(tǒng)碳排放權(quán)初始分配的因素進(jìn)行梳理，基于此，建立了與之對(duì)應(yīng)的電力碳排放權(quán)分配指標(biāo)體系，并結(jié)合了電力工業(yè)和我國(guó)行政區(qū)域的特征，為電力工業(yè)碳排放權(quán)的區(qū)域分配奠定了理論依據(jù)。

整體而言，雖然我國(guó)對(duì)于碳評(píng)估和碳減排技術(shù)研究起步較晚，但發(fā)展迅速，目前研究主要集中在發(fā)電側(cè)和輸電網(wǎng)層面。因此，本文將在發(fā)電側(cè)和輸電網(wǎng)層面的基礎(chǔ)上分析構(gòu)建電力系統(tǒng)發(fā)電、輸配電、負(fù)荷三維的碳排放水平評(píng)估指標(biāo)體系，并結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建基于灰色系統(tǒng)理論的直覺模糊綜合評(píng)估模型，此模型可在信息缺乏的情況下對(duì)電力系統(tǒng)碳排放程度進(jìn)行評(píng)估，最后選取安徽省淮北市為案例，驗(yàn)證了所提模型的適用性和有效性。

1 評(píng)價(jià)模型的建立

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的確立

電力系統(tǒng)可以從不同角度以不同方式共同作用，影響發(fā)電側(cè)、輸配側(cè)及其負(fù)荷側(cè)碳排放效果，因此可將電力系統(tǒng)碳排放評(píng)估總目標(biāo)分解為三個(gè)子目標(biāo)：發(fā)電側(cè)的碳排放因素指標(biāo)、輸配電側(cè)的碳排放因素指標(biāo)以及負(fù)荷側(cè)碳排放因素指標(biāo)。再將各子目標(biāo)按照自上而下分解成若干影響因素。

1）發(fā)電側(cè)。發(fā)電燃料是否屬于可再生能源是評(píng)估電力系統(tǒng)碳排放運(yùn)行的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，所以二級(jí)指標(biāo)選取以燃煤比重、清潔能源設(shè)備的裝機(jī)量占比、清潔能源設(shè)備的發(fā)電量占比、關(guān)停耗能電廠占比指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)。

2）輸配側(cè)。是否能夠?qū)⑤旊姄p失有效地減少，并提升電力輸送能力，是評(píng)估電網(wǎng)碳排放的一個(gè)重要方面。所以二級(jí)指標(biāo)以綜合網(wǎng)損率、電網(wǎng)配置容載比、綜合電壓合格率、設(shè)備利用率、線路重載率為標(biāo)準(zhǔn)。

3）負(fù)荷側(cè)。用戶需求是評(píng)估碳排放的重要體現(xiàn)，因此該方向選取分布式電源消納率、電動(dòng)汽車充電樁用電量占比、年負(fù)荷峰谷差作為判斷負(fù)荷側(cè)終端碳排放能力的二級(jí)指標(biāo)。

電力系統(tǒng)碳排放的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如表1 所示。

表1 電力系統(tǒng)碳排放的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算

1.2.1 構(gòu)造直覺模糊判斷矩陣

根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)度對(duì)一級(jí)指標(biāo)及隸屬于上一層級(jí)范疇的二級(jí)指標(biāo)在各個(gè)等級(jí)下進(jìn)行比較，構(gòu)建直覺模糊判斷矩陣A=（aij）m×n，式中aij=（cij，uij），i，j=1，2…，n，cij和uij表示專家對(duì)于指標(biāo)j，指標(biāo)i的相對(duì)重要程度和不重要程度的屬性判斷。其中i與j分別代表矩陣中的行與列。評(píng)價(jià)標(biāo)度如表2 所示：

表2 指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)度表

1.2.2 權(quán)重的確定

1.2.2.1 確定一級(jí)指標(biāo)權(quán)重

設(shè)aij=（cij，uij）為直覺模糊數(shù)，其中，cij∈［0，1］，uij∈［0，1］，cij+uij≤1，首先，簡(jiǎn)化直覺模糊矩陣，轉(zhuǎn)換公式如下所示：

據(jù)此可計(jì)算碳排放一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重值，具體的計(jì)算公式為：

對(duì)上述的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，具體的計(jì)算公式為：

1.2.2.2 確定二級(jí)指標(biāo)權(quán)重

專家通過(guò)比對(duì)兩級(jí)評(píng)價(jià)指數(shù)i和j的重要性，建立了二級(jí)評(píng)價(jià)的直覺模糊判斷矩陣：Ar=（arij）m×m，式中，arij=（crij，urij），i，j=1，2，…，n，crij表示與指標(biāo)j相比，指標(biāo)i的相對(duì)重要程度，urij表示與指標(biāo)j相比，指標(biāo)i的相對(duì)不重要程度，r代表一級(jí)指標(biāo)。通過(guò)公式（1）（2）可以得出二級(jí)指標(biāo)的打分權(quán)重，經(jīng)過(guò)公式（3）歸一化處理后，可以得出二級(jí)指標(biāo)相較一級(jí)指標(biāo)的綜合權(quán)重σri。

1.2.2.3 一致性檢驗(yàn)

根據(jù)有關(guān)的文獻(xiàn)，直覺模糊矩陣的一致性是用兼容性指數(shù)來(lái)計(jì)算的，假定A和B是兩個(gè)模糊判斷矩陣。

式中A=（aij）m×n，B=（bij）m×n，則A和B的兼容性指標(biāo)為計(jì)算公式如下：

公式（3）計(jì)算得出模糊判斷矩陣的權(quán)向量σ=（σ1，為判斷矩陣A的特征矩陣，令根據(jù)公式（4）計(jì)算得出，當(dāng)I（A，A*）≤1 時(shí)，隸屬度判斷矩陣A滿足一致性檢驗(yàn)，則認(rèn)為相應(yīng)的直覺模糊判斷矩陣同樣符合一致性檢驗(yàn)。

1.3 灰色評(píng)價(jià)權(quán)矩陣的計(jì)算

對(duì)電力系統(tǒng)的碳排放進(jìn)行量化，并將其指標(biāo)分為高排放、較高排放、中等排放、較低排放和低排放五個(gè)級(jí)別，相應(yīng)的數(shù)值對(duì)應(yīng)9、7、5、3、1。由x位專家依據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)碳排放評(píng)價(jià)指標(biāo)Aij進(jìn)行評(píng)分，得出了關(guān)于碳排放指標(biāo)的評(píng)估樣本矩陣Qijx，其中，元素qijx代表了第x名專家得分評(píng)價(jià)。

1.3.1 確定評(píng)估灰類

用e來(lái)代表被評(píng)定的灰類序列，那么e=1、2、3、4、5，換句話說(shuō)，共有5 種被評(píng)定的灰類別，這5 種被評(píng)定為“高、較高、中等、較低、低”，其相應(yīng)的灰類別與白化權(quán)函數(shù)如下所示：

1）第一灰色等級(jí)“很高”（e=1），灰數(shù)?1∈［0，9，+∞］，白化權(quán)函數(shù)：

2）第二灰色等級(jí)“較高”（e=2），灰數(shù)?2∈［0，7，14］，白化權(quán)函數(shù)：

3）第三灰色等級(jí)“中等”（e=3），灰數(shù)?3∈［0，5，10］，白化權(quán)函數(shù)：

4）第四灰色等級(jí)“較低”（e=4），灰數(shù)?4∈［0，3，6］，白化權(quán)函數(shù)：

5）第五灰色等級(jí)“低”（e=5），灰數(shù)?5∈［0，1，2］，白化權(quán)函數(shù)：

1.3.2 確定灰色評(píng)價(jià)權(quán)矩陣

1）各灰類評(píng)價(jià)系數(shù)值為：

2）灰類總評(píng)價(jià)系數(shù)值為：

3）灰色模糊權(quán)向量為：

4）構(gòu)建灰色模糊權(quán)矩陣為：

1.4 綜合評(píng)價(jià)計(jì)算

第一步，二級(jí)指標(biāo)權(quán)重Wi和權(quán)矩陣Gi之積，計(jì)算二級(jí)指標(biāo)的灰色系統(tǒng)模糊評(píng)價(jià)向量Di，計(jì)算公式如下：

第二步，基于二級(jí)指標(biāo)的灰色直覺模糊評(píng)估矢量Di，建立二級(jí)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)向量矩陣Dk：

第三步，一級(jí)指標(biāo)權(quán)重向量w和二級(jí)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)向量矩陣Dk之積，可以得到一級(jí)指標(biāo)的灰色直覺模糊評(píng)價(jià)向量D。

第四步，結(jié)合一級(jí)指標(biāo)灰色直覺模糊評(píng)價(jià)向量D與評(píng)語(yǔ)集V，得出評(píng)價(jià)值E，計(jì)算公式如下：

2 案例分析

在全球氣候變化和溫室氣體排放的大背景下，燃煤仍然是最主要的電力來(lái)源。安徽省淮北市煤電行業(yè)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要地位，淮北市發(fā)電行業(yè)重點(diǎn)排放單位共8 家，均為綜合能耗達(dá)到10 000 t 標(biāo)煤/年的省級(jí)企業(yè)，其中包括大唐淮北發(fā)電廠、淮北信義新能源有限公司、淮北國(guó)安電力有限公司等。近年來(lái)，淮北市電力企業(yè)積極響應(yīng)綠色發(fā)展、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、清潔生產(chǎn)及環(huán)境保護(hù)相關(guān)要求，結(jié)合自身實(shí)際，推進(jìn)綠色轉(zhuǎn)型升級(jí)，努力打造資源節(jié)約型、環(huán)境友好型發(fā)電企業(yè)。但受時(shí)間和地點(diǎn)制約，燃煤與新能源并存的情況將持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間。因此，本文以安徽省淮北市為例，運(yùn)用建立的灰色直覺模糊層次分析法模型對(duì)淮北市電力系統(tǒng)碳排放效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，為政府碳責(zé)任地制定劃分提供科學(xué)依據(jù)，以期推進(jìn)電力行業(yè)碳排放轉(zhuǎn)型工作。

2.1 計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

請(qǐng)電力企業(yè)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜?，? 個(gè)一級(jí)指標(biāo)進(jìn)行兩兩對(duì)比，從而建立一級(jí)指標(biāo)的直覺模糊判斷矩陣，具體矩陣如下：

由公式（1），專家打分得出的結(jié)果可轉(zhuǎn)化為一級(jí)電力系統(tǒng)碳排放指標(biāo)的直覺模糊數(shù)：（w1，w2，w3）=

由公式（2）得出一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重分?jǐn)?shù)為：

由公式（3）計(jì)算一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的指標(biāo)權(quán)重為：

由公式（4），計(jì)算特征矩陣為：

由公式（5）進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，確定該權(quán)重可取。同理，二級(jí)指標(biāo)各為：

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算

邀請(qǐng)電力企業(yè)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)電力系統(tǒng)發(fā)電側(cè)的二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行打分，得到分?jǐn)?shù)矩陣為：

根據(jù)公式（6）—公式（13）計(jì)算電力系統(tǒng)碳排放二級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重矩陣為：

以此類推，可以計(jì)算獲得所有二級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重矩陣。

2.3 綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)公式（14），對(duì)發(fā)電側(cè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)向量和權(quán)矩陣進(jìn)行乘積，得出發(fā)電側(cè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)向量如下：

同理，可以計(jì)算出二級(jí)指標(biāo)的評(píng)價(jià)向量，進(jìn)而得到一級(jí)指標(biāo)的評(píng)價(jià)矩陣：

公式（15），將一級(jí)碳排放指標(biāo)的權(quán)重向量和綜合評(píng)價(jià)矩陣的二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行乘積，得到綜合評(píng)價(jià)向量的一級(jí)指標(biāo)如下：M=（0.276，0.325，0.389，0.348，0.019）；公式（16），得到E=D×V=（0.276，0.325，0.389，0.348，0.019）×（9，7，5，3，1）T=7.767，處于［6，8］之間。按照此方法，計(jì)算了2020—2022 年綜合評(píng)價(jià)值，分別為7.946、7.845、7.793。表明隨著雙碳政策的實(shí)施推進(jìn)、光伏等清潔能源的接入，淮北地區(qū)的電力系統(tǒng)碳排放水平呈現(xiàn)逐年走低趨勢(shì)，但仍處于較高水平，需進(jìn)一步推進(jìn)煤炭產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。相關(guān)電力部門可根據(jù)該模型合理化評(píng)估電力系統(tǒng)碳排放，對(duì)已有電力系統(tǒng)的低碳運(yùn)行狀況進(jìn)行控制，以期能夠?qū)ξ覈?guó)的電力系統(tǒng)低碳化運(yùn)行設(shè)計(jì)及評(píng)估體系的建設(shè)起到一定的作用。

3 結(jié)語(yǔ)

電力系統(tǒng)是我國(guó)重要的能源消費(fèi)主體，也是高碳產(chǎn)業(yè)之一，在我國(guó)的低碳經(jīng)濟(jì)背景下，電力系統(tǒng)既具有較強(qiáng)的節(jié)能降耗能力。本文緊密圍繞我國(guó)電網(wǎng)低碳發(fā)展戰(zhàn)略需求，以電力系統(tǒng)為例，對(duì)發(fā)電、輸配電、負(fù)荷側(cè)進(jìn)行其碳排放三維評(píng)估，通過(guò)引入具有“隸屬度”“非隸屬度”和“猶豫度”三種不同的直觀模糊量，建立一套能夠反映專家在評(píng)價(jià)過(guò)程中支持性、反對(duì)性和中立性的直覺模糊量化估算方法，并選取淮北市作為典型區(qū)域，對(duì)本文所提方法進(jìn)行驗(yàn)證，分析結(jié)果顯示光伏等清潔能源的接入能夠降低淮北地區(qū)電力系統(tǒng)中碳排放量，但以煤為主的工業(yè)模式仍然會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的碳排放量造成較大影響。結(jié)果表明，本文所提模型對(duì)我國(guó)電力系統(tǒng)的碳排放估算有較好的適用性和有效性，同時(shí)可使用本方法對(duì)其他地區(qū)電網(wǎng)的碳排放量進(jìn)行估算。