六氟化硫排放核算及統計數據準確性評價研究

朱峰，趙躍，宋玉梅，邵翔

（1.國網安徽省電力有限公司電力科學研究院，安徽合肥，230000；2.合肥誠記信息科技有限公司，安徽合肥，230000）

0 引言

六氟化硫氣體因優良的滅弧性能、絕緣性能及化學穩定性，廣泛用于電網等國計民生支柱產業。六氟化硫氣體是溫室效應最強的工業氣體，1T六氟化硫氣體的排放相當于23900T二氧化碳排放，控制六氟化硫氣體的無序排放，已經刻不容緩。2019年3月11日，國資委下達“關于印發《中央企業能源節約與生態環境保護統計報表》的通知”，將“六氟化硫氣體回收率”納入中央企業負責人任期經營業績考核。2020年12月，以習近平同志為核心的黨中央提出“2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和”重大戰略目標，并將做好碳達峰、碳中和工作納入2021年八大重點任務。為控制和減少六氟化硫氣體排放，國網公司多年來致力于六氟化硫氣體回收再利用系統研發、試點應用、全面推廣、管理提升等一系列工作。

1 六氟化硫氣體數據統計工作面臨挑戰

當前六氟化硫氣體使用場景涉及基建、運維、檢修、設備退役及凈化處理等多個階段，因六氟化硫氣體使用范圍的復雜性,導致管理部門面臨嚴峻的指標考核責任、設備安全運行的巨大壓力，如何測量電氣設備內六氟化硫氣體重量，準確掌握全網六氟化硫氣體使用量是減排的關鍵。目前國內外針對六氟化硫電氣設備檢修和退役時氣體的使用量和回收量方面已有研究，但在電網六氟化硫氣體存量（氣體總量）上仍然沒有合適的評估方法。設備內氣體僅能通過壓力傳感器進行監測，對設備內氣體重量精確檢測方面還沒有相關的研究報道。

1.1 六氟化硫用氣量難以精準計量

國網公司六氟化硫電氣設備數量巨大，如安徽電網110kV及以上電壓等級變電站935座，隨著GIS電氣設備的不斷推廣，氣體用氣量不斷增大，新投運設備通過設備銘牌或充氣量計算氣體使用量，大部分在運設備銘牌未標注氣體用量和設備容積（設備內含多種復雜結構，難以通過外形估算），六氟化硫氣體充氣量未知；部分新投運設備銘牌標注的六氟化硫氣體充氣量不準確，且實際運行壓力普遍高于額定壓力值，因此，公司系統電氣設備六氟化硫用氣量的準確數據難以掌握，設備檢修、退役時氣體回收率無法管控。

1.2 六氟化硫氣體使用無法實時跟蹤記錄

由于缺乏有效的物料管控技術，回收的氣體沒有及時送往六氟化硫處理中心、凈化后氣體未及時領用并充入設備、新購氣體量無法統一管控等問題依然存在，一是氣體使用過程無法做到實時跟蹤準確記錄，回收回用量、凈化量、新氣購置量及入出庫信息等無法實現全鏈條多維的管理；二是目前各地市局尚未形成智能化程度高、臺賬覆蓋面廣和業務針對性強的六氟化硫氣體全生命周期規范管理手段及輔助工具，且現有的六氟化硫氣體與電力設備之間未建立關聯臺賬、管控手段智能化程度不高等。

為此，安徽電科院研發了六氟化硫氣體重量感知裝置，實現對設備內六氟化硫氣體重量全過程測量。本文通過開展六氟化硫氣體排放全口徑核算和六氟化硫氣體損耗模型研究，構建六氟化硫統計數據準確性評價方法，掌握全網六氟化硫氣體使用量、回收率、氣體凈化量等關鍵數據的統計。

2 六氟化硫排放核算及統計數據準確性評價方法研究總體思路

本文以地市級供電公司為研究對象，一是開展地市級供電公司六氟化硫氣體排放全口徑核算研究，確定地市級公司六氟化硫氣體核算邊界，建立六氟化硫氣體全口徑核算方法。二是六氟化硫氣體損耗模型研究，通過開展六氟化硫氣體排放全過程氣體損耗研究，建立損耗模型。

通過這兩種方法對六氟化硫氣體數據統計準確性評價方法進行研究，建立一套開展數據統計準確性，評價地市級供電公司六氟化硫氣體排放量和填報數據準確性。通過對六氟化硫全生命周期各環節氣體量管理和相關影響因素，通過模型構建、推理分析和數據定損，綜合得出六氟化硫氣體損耗模型研究。

3 六氟化硫氣體排放全口徑核算

地市公司的六氟化硫氣體排放指使用六氟化硫設備檢修與退役過程產生中的六氟化硫的排放和輸配電損失所對應的電力生產環節產生的二氧化碳排放。具體計算按公式（1）。

式中，

E——二氧化碳排放總量（噸二氧化碳）

ESF6——使用六氟化硫設備修理與退役過程中產生的六氟化硫排放（噸二氧化碳）

E網損——輸配電損失引起的二氧化碳排放總量（噸二氧化碳）

使用六氟化硫設備修理與退役過程的排放計算按式（2）。

式中，

ESF6——使用六氟化硫設備修理與退役過程中產生的六氟化硫排放，（噸二氧化碳）

REC容量,i——退役設備i的六氟化硫容量，以銘牌數據表示，（千克）

REC回收,i——退役設備i的六氟化硫實際回收量，（千克）

REP容量,j——修理設備j的六氟化硫容量，以銘牌數據表示，（千克）

REP回收,j——修理設備j的六氟化硫實際回收量，（千克）

GWPSF6——六氟化硫的SF6氣體潛能，23900。

4 六氟化硫氣體損耗模型研究

六氟化硫氣體損耗模型研究包括數據采集模塊、變量計算模塊、潛在因素模塊、模型表達模塊、推理分析模塊、數據定損模塊和管控終端。

4.1 數據采集模塊

根據實際的業務處理需求對整個六氟化硫全生命周期過程進行分解，可分成新氣采購、出入庫、使用、回收、凈化、在運設備保有量估算和氣體損耗等環節，通過對各個環節的數據驗證及核算，來構建出具體的物料核算模型。

（1）新氣采購

新采購氣體且檢測合格后的氣體量等于入庫量，記作M入庫量=M采購量。

（2）氣體入庫

通過兩種不同對象的入庫方法描述，可以得出相應的計算公式：

式中：M入庫量——指入庫氣體的重量

M新氣采購入庫量——指新采購氣體入庫時的重量

M凈化氣回用量——指對回收凈化后再使用的氣體量

M檢修剩余量——指對現場檢修時帶出的氣體量，沒有使用完又帶回重新入庫量

M新氣入庫量——指對處理中心新獲取到的氣體入庫量

M回收量——對現場設備回收的氣體量

（3）氣體出庫

為了便于對數據的分類管理和統計，需要把系統內氣體出庫類型分為：變電站申請回收氣體出庫、處理中心凈化后氣體出庫、檢修使用氣體出庫。在移動端設計了氣體出庫模塊和氣體出庫業務環節頁面，氣體出庫線上流程主要包括：掃碼獲取信息、添加出庫記錄、選擇出庫類型和填寫詳情信息；詳情信息主要包括有：出庫鋼瓶數、出庫重量、出庫單位、負責人和出庫時間，其中出庫鋼瓶數和重量可通過掃描自動獲取。

（4）氣體使用

式中：M保有量——指設備現有氣體的重量

M初始值——指設備中氣體重量的初始估算值

M充氣量——指充入到設備中的氣體量

M充氣前——指充氣前設備的重量

M充氣后——指充氣后設備的重量

注意：在此充氣使用環節過程中分以下三種情況統計：

如果充氣使用之前沒有對鋼瓶進行先稱重，那么依據鋼瓶標簽標注的重量為準。得出如下公式：

式中：M充氣量——指充入到設備中的氣體量

M標注量——指設備上標簽標注的氣體量

M充氣后——指充氣后設備的重量

如果充氣之后沒有進行稱重，那么該設備的充氣流程就不能閉環結束，此時需要追蹤鋼瓶充氣后的狀態。追蹤到該鋼瓶充氣后的第一次稱重得到的重量來記作（Mgp）。得出如下公式：

式中：M充氣量——指充入到設備中的氣體量

M充氣前——指充氣前設備的重量

Mgp——追蹤到該鋼瓶充氣后的第一次稱重得到的重量

如果充氣前和充氣后都進行了稱重，則M充氣量=M充氣后-M充氣前

（5）氣體回收

式中：M回收量——指充入到設備中的氣體量

M設備氣體保有量——指設備原有的充氣量

M初始估算——指設備中氣體重量的初始估算值

如果M回收量≠M初始估算，那么需要用M回收的值去修正之前對設備初始值估算量的值，來不斷完善和補充更多未知重量設備的 M初始估算和 M設備氣體保有量。

注意：在此回收環節過程中分以下兩種情況統計：

如果回收之前沒有對鋼瓶進行先稱重，那么依據鋼瓶標簽標注的重量為準，可得出如下公式：

式中：M回收量——指回收得到的氣體量

M標注量——指設備上標簽標注的氣體量

M回收后——指設備回收后的重量

如果回收之后沒有進行稱重，那么該設備的回收流程就不能閉環結束，此時需要追蹤鋼瓶回收后的狀態。若能追蹤到則以此時的鋼瓶氣體量為回收后的重量（M回收后），即M回收量=M回收后-M回收前。

（6）氣體凈化

式中：M凈化損耗量——指凈化過程中損耗的氣體量

M凈化前——指凈化前的氣體重量

M凈化后——指凈化后的氣體重量

4.2 變量計算模塊

實時獲取單位時間級內的六氟化硫氣體的變化信息，變化信息包括密壓值、體積值和濃度值，并將其分別標定為Ai、Bi和Ci，依據公式，i=1...n，求得單位時間級內六氟化硫氣體變化的動態值Xi，其中，e1、e2和e3分別為密壓值Ai、體積值Bi和濃度值Ci的誤差因子系數，且e2＞e1＞e3＞ 0 ；

將求得單位時間級內的動態值Xi進行均值處理，依據公式，求得衡量單位時間級內六氟化硫氣體變化狀態的均值數據，其中，ρ為動態值Xi的修正因子系數，λ為動態值Xi的誤差因子系數，且ρ＞0，λ＞0。

4.3 潛在因素模塊

實時獲取單位時間級內的六氟化硫氣體的因素信息，因素信息包括環境溫濕度和存儲標值，并將其分別標定為Wi和V，依據公式i，求得衡量單位時間級內的六氟化硫氣體的影響值Yi，其中，q1和q2分別表示為環境溫濕度Wi和存儲標值Vi的程度因子系數，且q2＞q1＞ 0 。

并將影響值Yi與預設范圍α進行比對分析，當影響值Yi大于預設范圍α的最大值時，則生成極端不利信號，當影響值Yi處于預設范圍α的之間時，則生成輕度不利信號，當影響值Yi小于預設范圍α的最小值時，則生成微弱不利信號。

4.4 模型表達模塊

獲取單位時間級內的各時間點的時間參數i和與之對應的動態值Xi，以時間參數i構造坐標系的橫坐標，以動態值Xi構造坐標系的縱坐標，并據此建立動態坐標系。

將均值數據以直線的方式在坐標系上顯示，并通過極差分析操作，求得六氟化硫氣體的變化信息離散波動的動蕩信號和平穩信號。

4.5 推理分析模塊

將極端不利信號、微弱不利信號和輕度不利信號依次與動蕩信號和平穩信號兩兩互相結合，并進行推理分析；當同時獲取極端不利信號和動蕩信號時，則輸出一級預警信號，當同時獲取極端不利信號和平穩信號時，則輸出二級預警信號，當同時獲取微弱不利信號和動蕩信號，則輸出二級預警信號，當同時獲取微弱不利信號和平穩信號，則輸出三級預警信號，當同時獲取輕度不利信號和動蕩信號，則輸出三級預警信號，當同時獲取輕度不利信號和平穩信號，則輸出四級預警信號。

4.6 數據定損模塊

將獲取的一級預警信號、二級預警信號、三級預警信號和四級預警信號進行求和統計操作，當求和得到的結果中含有的一級預警信號和二級預警信號的次數總和大于等于3時，則輸出嚴重損耗信號，當求和得到的結果中含有的二級預警信號和三級預警信號大于等于4時，則輸出中度損耗信號，而其他情況下，則輸出輕微損耗信號。

4.7 管控終端

管控終端對接收嚴重損耗信號、中度損耗信號和輕微損耗信號以文本的形式展示出來。

5 六氟化硫氣體數據統計準確性評價方法及研究

在評價方法選擇和構建評價指標體系的基礎上，使用層次分析法構建評價模型。層次分析法將與決策有關的因素分解成目標、準則、方案等層次，然后遞進求解每層的各元素對上層次某元素的優先權重，是一種定性與定量分析相結合的多因素決策分析方法。用層次分析法分析問題要經過以下步驟：

（1）建立層次結構模型。將實際問題中的因素從上至下依次分解成目標、準則、方案不同層次，同一層次的因素在受制于下層因素的同時，又會影響其上層因素。

（2）構造兩兩比較判斷矩陣。比較同一層次中元素 Xi與元素 Xj 相對上一層某個因素的重要性時，用數值aij來描述這種相對重要性，假設本層有n個關聯因素，則A=(aij)n×n 稱為兩兩比較的判斷矩陣：

式中 W=(w1，w2，wn)T，n 是特征值。

（4）判斷矩陣一致性檢驗。一般來說，外部環境的變化、判斷對象的復雜性、過往經歷的不同及對判斷對象主觀認知的不足，會導致人們不能對指標的相對重要性做出準確判斷，即aij存在偏差，這樣判斷矩陣一致性的準確程度就很難得到保證。因此需要對其進行檢驗，本文采用一致性指標CI（Consistent Index）和平均隨機一致性指標RI的比值隨機一致性比率CR（Consistency Ration）來衡量判斷矩陣的不一致性程度，RI值只與矩陣階數有關。

式中λmax為n階判斷矩陣A的最大特征值。

通過上述層次分析法評價模型的構建，結合各單位在各環節處理上報的業務數據進行分析匯總，可從以下不同維度進行計算驗證：

以單位的采購量、回收量的和與使用量、庫存量、損耗量三者的和相比較，整體偏差是否在合理范圍內，來驗證統計數據的準確度。

同時從現場回收、凈化、使用三個環節統計損耗維度對回收損耗、凈化損耗和使用損耗進行損耗量的驗證；結合上述第4點損耗模型研究的應用可綜合得出損耗量數據的準確度。

通過上述兩種不同維度的計算驗證結合層次分析評價模型的應用，可整體得出六氟化硫氣體統計準確性評價方法。

6 結束語

本文通過開展六氟化硫氣體排放全口徑核算、損耗模型研究，收集六氟化硫氣體使用量、回收率、氣體凈化量等關鍵數據的統計，建立一套數據統計準確性評價方法，實時掌握安徽電網六氟化硫氣體保有量和使用情況，為國家電網公司六氟化硫氣體回收和循環再利用提供技術支撐。促進了六氟化硫氣體回收再利用工作的良性循環，為更好地推動六氟化硫氣體減排提供科學嚴謹的數據，為電力部門決策提供依據，推進公司節能減排工作落地，為溫室氣體減排和發揮國網公司企業責任作出了積極貢獻，助力國家“碳達峰、碳中和”目標的實現，具有良好的環保、經濟和社會效益。