面向電網(wǎng)實時數(shù)據(jù)交互的電力系統(tǒng)碳排放流在線分析

［摘 要］文章提出了一種面向電網(wǎng)實時數(shù)據(jù)交互的電力系統(tǒng)碳排放流在線分析方法，旨在通過實時數(shù)據(jù)獲取和異常識別處理，結(jié)合氣象因子權(quán)重的量化分析，精確計算電力系統(tǒng)中的碳排放流。該方法通過構(gòu)建氣象序列矩陣和無量綱處理，精確量化了氣象因子對電力系統(tǒng)出力的影響，并通過滾動式異常識別處理機制動態(tài)監(jiān)測并及時識別電力系統(tǒng)中的異常數(shù)據(jù)。實踐表明，該方法在提高碳排放流分析精度和適應(yīng)性方面頗具有效性。

［關(guān)鍵詞］碳排放；CO2 排放源；電力系統(tǒng)

［中圖分類號］TM73 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）07–0066–03

1 概述

隨著全球氣候變化對人類社會影響的日益加劇，減少溫室氣體排放，特別是減少CO2 排放，已成為全球共識。電力行業(yè)作為全球最大的碳排放源之一，其低碳轉(zhuǎn)型對于實現(xiàn)全球氣候目標至關(guān)重要。在此背景下，準確分析和計算電力系統(tǒng)中的碳排放流，對于優(yōu)化電力資源配置、指導(dǎo)清潔能源消納、推動能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型具有重要意義。由于電力系統(tǒng)運行的復(fù)雜性，以及可再生能源出力的波動性和不確定性，傳統(tǒng)的碳排放計算方法已難以滿足當前精準管理和決策的需求。因此，開發(fā)一種面向電網(wǎng)實時數(shù)據(jù)交互的電力系統(tǒng)碳排放流在線分析方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對電力系統(tǒng)碳排放的實時監(jiān)測和精確計算，對于促進電力行業(yè)的綠色發(fā)展、提高能源利用率、實現(xiàn)碳排放權(quán)的合理分配和交易具有重要的現(xiàn)實意義和深遠的戰(zhàn)略意義。

本研究旨在提出一種新的在線分析方法，通過獲取電力系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)，結(jié)合氣象因子的實時監(jiān)測，對電力系統(tǒng)中的碳排放流進行精確分析。該方法的提出不僅能夠為電力系統(tǒng)運營商提供科學(xué)的決策支持，還能為政策制訂者提供準確的數(shù)據(jù)支撐，進而推動構(gòu)建清潔、低碳、高效的能源體系。本研究提出結(jié)合實時數(shù)據(jù)交互和滾動式異常識別處理的方法，動態(tài)監(jiān)測并及時識別電力系統(tǒng)中的異常數(shù)據(jù)。

研究創(chuàng)新性地引入氣象因子關(guān)聯(lián)權(quán)重的概念，通過構(gòu)建氣象序列矩陣和無量綱處理，精確量化氣象因子對電力系統(tǒng)出力的影響。研究還設(shè)計了一套異常數(shù)據(jù)的替補處理流程，利用歷史數(shù)據(jù)和理論模型科學(xué)替換異常值。同時，開發(fā)了新的碳流分析模型，為碳排放責任的定量分攤提供依據(jù)。

文章研制的在線分析裝置和計算機程序，實現(xiàn)了研究成果的工程化應(yīng)用，極大提升了方法的實用性和推廣價值。通過這些創(chuàng)新點，本研究預(yù)期將為電力系統(tǒng)的低碳化轉(zhuǎn)型和氣候目標的實現(xiàn)提供強有力的技術(shù)支持。

2 存在問題

在電力系統(tǒng)碳排放流在線分析的研究中，存在一系列挑戰(zhàn)：①電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)的波動性與不確定性，特別是由于極端復(fù)合事件導(dǎo)致的隨機波動，對碳流計算精度構(gòu)成了重大影響。②異常數(shù)據(jù)的識別和處理也是一項復(fù)雜的任務(wù)，需要綜合考慮多種氣象因子和歷史數(shù)據(jù)。③確定氣象因子與電力系統(tǒng)出力數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)權(quán)重同樣具有挑戰(zhàn)性，這涉及精確的量化分析和無量綱處理。④實時數(shù)據(jù)處理的需求對系統(tǒng)的響應(yīng)速度和準確性提出了更高要求。⑤碳流分析模型的精確度也是關(guān)鍵，需要準確反映電力系統(tǒng)的碳排放情況。同時，系統(tǒng)集成與兼容性問題、安全與隱私保護、計算資源限制，以及政策和市場機制的適應(yīng)性都是實施在線分析方法時需要考慮的重要因素。此外，隨著電力市場和政策的不斷演變，持續(xù)的更新與維護對于保持在線分析方法的有效性和適應(yīng)性至關(guān)重要。

3 電力系統(tǒng)碳排放流在線分析方法

針對現(xiàn)有的問題，本研究提出了一種電力系統(tǒng)碳排放流的在線分析方法及模型，旨在通過實時數(shù)據(jù)交互，精確計算電網(wǎng)中的碳排放。該方法包括：①實時獲取電力數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行異常識別，并對異常數(shù)據(jù)執(zhí)行替補處理，從而獲得準確的光伏、風電出力和用電負荷數(shù)據(jù)。②利用這些數(shù)據(jù)進行碳流分析，以提升分析的準確性。

3.1 數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

在電力系統(tǒng)碳排放流的在線分析框架中，數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理是分析流程的基礎(chǔ)性環(huán)節(jié)，對于實現(xiàn)對電力系統(tǒng)碳排放流的精確監(jiān)控和分析具有至關(guān)重要的作用。本研究構(gòu)建一個綜合性的數(shù)據(jù)收集框架，該框架具備高度的實時性與整合能力，能夠捕獲并融合來自多樣化能源單元的廣泛數(shù)據(jù)集，涵蓋了光伏、風力發(fā)電系統(tǒng)的出力數(shù)據(jù)及電網(wǎng)的用電負荷等關(guān)鍵參數(shù)。這些參數(shù)有助于洞察電力系統(tǒng)運行狀態(tài)，評估能源產(chǎn)出效率，以及進行碳排放流分析。框架的設(shè)計充分考慮了氣象因素對能源產(chǎn)出的顯著影響，特別是溫度、風速及濕度等氣象條件對可再生能源發(fā)電效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用。因此，實時氣象數(shù)據(jù)的采集對準確預(yù)測和分析電力系統(tǒng)的實際表現(xiàn)具有不可或缺的重要性。

在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段，研究著重于數(shù)據(jù)的可用性和可靠性。數(shù)據(jù)清洗過程旨在識別并剔除異常值、重復(fù)記錄，以及糾正數(shù)據(jù)缺失和錯誤，從而提升數(shù)據(jù)質(zhì)量。此外，通過實施數(shù)據(jù)格式化和標準化處理，確保了異構(gòu)數(shù)據(jù)源的一致性，增強了數(shù)據(jù)的兼容性和分析系統(tǒng)的處理效率。這些預(yù)處理步驟為異常識別、氣象因子權(quán)重的精確確定，以及碳流分析模型的構(gòu)建奠定了堅實、準確且一致的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。預(yù)處理階段還包括對數(shù)據(jù)進行時間序列對齊和插值處理，解決了不同數(shù)據(jù)源間時間分辨率的不一致性問題。通過這些綜合性的數(shù)據(jù)預(yù)處理措施，本研究構(gòu)建了一個健壯的數(shù)據(jù)預(yù)處理流程，為電力系統(tǒng)碳排放流的深入分析提供了堅實基礎(chǔ)。這不僅增強了電力系統(tǒng)運行的透明度和可預(yù)測性，而且為能源系統(tǒng)的優(yōu)化管理、低碳轉(zhuǎn)型及可持續(xù)發(fā)展提供了強有力的數(shù)據(jù)支撐和決策依據(jù)。

3.2 異常識別與氣象因子權(quán)重確定

異常識別在電力系統(tǒng)碳排放流分析的準確性保障中起著關(guān)鍵作用。鑒于此，本研究提出了一種創(chuàng)新的滾動式異常識別處理機制（圖1），該機制旨在動態(tài)監(jiān)控電力相關(guān)數(shù)據(jù)的波動性，并精準辨識偏離預(yù)期正常范圍的異常數(shù)據(jù)點。此過程對于維護分析流程的完整性和提高碳排放流預(yù)測的可靠性至關(guān)重要。

本研究還深入探討了氣象因子對電力系統(tǒng)出力的直接影響，并據(jù)此引入了氣象因子權(quán)重的概念。研究中，通過構(gòu)建氣象序列矩陣，對氣象因子與電力系統(tǒng)出力數(shù)據(jù)之間的相互作用進行了細致的量化分析（圖2）。這一分析過程不僅涉及單一氣象因子對電力系統(tǒng)出力的影響，而且通過綜合考量多個氣象因子的協(xié)同效應(yīng)，為評估氣象變化對電力系統(tǒng)碳排放流的綜合影響提供了一種新穎的方法論。

在權(quán)重確定的過程中，本研究采用了無量綱處理技術(shù)，該技術(shù)通過消除不同量綱的影響，使得不同氣象因子之間的關(guān)聯(lián)度可以進行科學(xué)比較。此外，序列差值計算的應(yīng)用，通過評估時間序列中相鄰數(shù)據(jù)點的差異，進一步揭示了氣象條件變化對電力系統(tǒng)出力的實際影響。這些方法的應(yīng)用，確保了評估過程的科學(xué)性和客觀性，為后續(xù)的異常數(shù)據(jù)處理和碳排放流分析提供了堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.3 碳流分析模型構(gòu)建

碳流分析模型是本研究的理論核心，其設(shè)計宗旨在于實現(xiàn)對電力系統(tǒng)中碳排放流的精確計算與深入分析。該模型的構(gòu)建基于一系列綜合考量，包括實時電力出力數(shù)據(jù)、經(jīng)過預(yù)處理及異常識別的數(shù)據(jù)集，以及通過科學(xué)方法確定的氣象因子權(quán)重。這些因素共同構(gòu)成了一個多維度的分析框架，旨在全面捕捉電力系統(tǒng)中碳排放流的動態(tài)特性。在模型的具體實現(xiàn)中，潮流計算起著關(guān)鍵作用。通過精確的潮流計算，模型能夠生成電網(wǎng)設(shè)備的注入分布矩陣、支路潮流分布矩陣及負荷分布矩陣。這些矩陣為進一步的分析提供了必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，使得模型能夠計算出節(jié)點有功通量矩陣和節(jié)點碳勢向量。這些矩陣和向量是追蹤和分析電力系統(tǒng)中碳流率分布的關(guān)鍵工具，為電力系統(tǒng)的低碳運行策略和碳排放控制措施提供了定量化的決策支持。

本研究提出的碳流分析模型具備良好的適應(yīng)性，能夠與不同的電力市場機制相兼容。這一點在當前多變的能源市場環(huán)境中尤為重要。模型能夠為碳排放權(quán)的交易和碳排放責任的分攤提供精確的定量化依據(jù)，從而在促進電力行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型的同時，確保市場的公平性和效率。為了提升模型的實用性和推廣價值，本研究還關(guān)注了模型的工程化實現(xiàn)。通過計算機編程語言（如Python） 將碳流分析模型轉(zhuǎn)化為可重復(fù)使用的計算機組件，這些組件可以方便地在第三方系統(tǒng)中布署。此外，對程序的封裝處理不僅提高了系統(tǒng)的安全性，也避免了源代碼的泄漏。碳硫分析模型構(gòu)建如圖3 所示。

4 實例與裝置設(shè)計

4.1 實例分析

本研究提出的電力系統(tǒng)碳排放流在線分析方法已通過具體的實例進行驗證。在實例中，通過構(gòu)建雙層時序數(shù)據(jù)檢測模型，可對電力系統(tǒng)中的初始光伏機組出力數(shù)據(jù)、初始用電負荷數(shù)據(jù)及初始風電機組功率數(shù)據(jù)進行異常值檢驗及替補處理。該模型的第一層基于滾動閾值的異常值識別法，對各類電力相關(guān)數(shù)據(jù)進行初步的異常識別，獲取異常識別結(jié)果。針對識別出的第一和第二可疑數(shù)據(jù)，第二層通過調(diào)取關(guān)鍵要素數(shù)據(jù)（即對應(yīng)的氣象因子）進行匹配度計算，篩選出與當前氣象因子匹配程度最高的歷史數(shù)據(jù)，并進行異常值識別及替補，為碳流計算提供精確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4.2 電力系統(tǒng)碳排放流在線分析裝置

為了將本研究的方法轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用，設(shè)計了電力系統(tǒng)碳排放流在線分析裝置。該裝置包括數(shù)據(jù)獲取模塊、第一數(shù)據(jù)處理模塊、第二數(shù)據(jù)處理模塊、第三數(shù)據(jù)處理模塊、第四數(shù)據(jù)處理模塊及碳流分析模塊。各模塊協(xié)同工作，實現(xiàn)從數(shù)據(jù)獲取到異常識別處理，再到基于氣象因子權(quán)重的碳流分析的全過程。該裝置的設(shè)計旨在提高碳流分析的精度，為電力系統(tǒng)的低碳化運營提供強有力的技術(shù)支持。

5 結(jié)束語

本研究提出的面向電網(wǎng)實時數(shù)據(jù)交互的電力系統(tǒng)碳排放流在線分析方法，通過綜合考慮實時電力數(shù)據(jù)、氣象因子權(quán)重及異常識別處理，顯著提高了碳排放流分析的準確性。研究中設(shè)計的在線分析裝置將該方法的實施變得可行，為電力系統(tǒng)運營商提供了一種新的工具，以優(yōu)化電力資源配置、指導(dǎo)清潔能源消納、推動能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。

未來，本研究的方法和裝置需在更廣泛的電力系統(tǒng)和不同氣候條件下進行進一步的測試和驗證。此外，隨著電力市場政策的不斷演變和新技術(shù)的發(fā)展，碳排放流在線分析方法也需要不斷更新和完善，以適應(yīng)新的挑戰(zhàn)。未來的研究可以集中在提高模型的泛化能力、優(yōu)化數(shù)據(jù)處理算法及開發(fā)更加用戶友好的分析平臺等方面。通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新和改進，有望進一步提升電力系統(tǒng)碳排放流在線分析的科學(xué)性、實用性及推廣價值，為實現(xiàn)全球氣候目標貢獻力量。

參考文獻

[1] 魏國旺. 基于智能數(shù)據(jù)處理的電網(wǎng)信息實時交互系統(tǒng)設(shè)計[J]. 電子設(shè)計工程，2023，31（19）：94-98，103.