面向碳-電協同市場的可中斷負荷價值分析方法

周涉宇，胡嘉驊，李俊杰，樊恒建，李知藝

（1.國網浙江省電力有限公司經濟技術研究院，杭州 310016；2.浙江大學 工程師學院，杭州 310015；3.浙江大學 電氣工程學院，杭州 310063）

0 引言

“雙碳”目標提出后，我國電力、能源行業將加速向低碳化轉型，未來我國的電力系統將以高比例新能源為發電主體。但是，由于新能源發電隨機性、波動性和間歇性的特點，未來電力系統的安全穩定運行將面臨嚴峻挑戰［1］。若僅使用常規發電機組調節新能源隨機性，則常規機組將頻繁啟?；蚋淖兂隽?，增加了調度運行的難度并降低了經濟性［2］。維持電力系統穩定運行的措施不僅要在發電側實施，也要在需求側實施。需求響應近年來發展迅速［3］，已逐漸成為能支撐電力系統削峰填谷、消納新能源的重要力量［4］。需求響應一般按照需求側的響應方式分為基于激勵的需求響應和基于價格的需求響應［5-7］?？芍袛嘭摵蓪儆诨诩畹男枨箜憫Y源［8］，指根據用戶事先簽訂的合同，在負荷高峰時段或電力系統故障時，按合同執行切斷負荷，并給予用戶一定補償［9］。隨著我國電力市場的快速發展，可中斷負荷參與電力市場已成為必然趨勢。截至2020 年末，浙江省電力系統僅秒級可中斷負荷規模就已超過110萬kW，并且計劃到2023年底可中斷負荷達到累計全省最大負荷10%的水平。在可預見的未來，我國各省可中斷負荷的規模都將進一步提高。

我國的全國碳市場在2021 年7 月16 日開啟交易，穩定運行。從“雙碳”戰略的角度，碳市場和電力市場有著相同的減碳目標［10-11］。并且我國的碳市場和電力市場均處于發展初期，面臨著價格機制不明確、市場空間相交叉和綠電認證不統一等多種問題［12］，未來碳市場和電力市場應協同發展，共同解決這些問題。碳-電協同市場建設過程中，碳價值的傳導是一個亟待解決的問題。在電力系統中，碳排放一般只在供給側產生。但是碳價不應由發電廠全部支付，而應通過電力系統傳導至需求側。在需求側，可中斷負荷作為一種特殊的負荷，其在碳-電協同市場中的定價應充分體現其價值。然而，現階段與可中斷負荷相關的分析，未能充分考慮其中斷時給整個系統減少的碳責任，這將對未來可中斷負荷發展的積極性產生一定負面影響。因此，在可中斷負荷快速發展，碳-電市場高速推進的關鍵時期，對其進行價值分析研究具有重要的理論意義和實際價值。

目前，已有一些文獻對可中斷負荷的價值評估開展了探索性分析。文獻［13］分析了不同規模的需求側用戶作為可中斷負荷給電力系統帶來的價值，但分析的用戶種類較少。文獻［14］使用隨機生產模擬方法，在考慮電力系統機組故障的前提下，分析了可中斷負荷參與高峰時段市場備用時的價值，但所分析的可中斷負荷價值不夠全面。文獻［15］基于可免成本理論，從用戶、發電公司、社會和非參與者的角度分析了可中斷負荷給不同主體帶來的價值，但分析過程缺乏定量計算。文獻［16］分析了在不同停電通知提前時間、停電發生時間和停電持續時間等條件下可中斷負荷的價值，但僅從可中斷負荷的成本方面進行分析，未能體現其給電力系統帶來的價值。綜上，國內外對于可中斷負荷價值的分析還沒有形成統一的方法和標準，考慮其與減少碳排放相關價值的分析較少。

本文提出一種面向碳-電協同市場的可中斷負荷價值分析方法，使用碳潮流追蹤的方法確定可中斷負荷應分攤的碳排放責任（以下簡稱“碳責任”），分析計算可中斷負荷在減少碳排放量方面給整個系統帶來的價值。首先介紹可中斷負荷價值分析的研究基礎以及碳-電協同市場的背景，然后給出可中斷負荷價值分析的數學模型及其計算流程，最后以PJM-5 節點系統為算例進行仿真，分析計算可中斷負荷終端在減少系統碳排放方面的價值。

1 可中斷負荷的電屬性與碳屬性

1.1 可中斷負荷概況

可中斷負荷是一種既考慮系統穩定性又兼顧用戶意愿的負荷調節手段。用戶提前與電力系統相關部門簽訂協議，在用電高峰時期，可以將可中斷負荷中斷，以維持系統電力電量平衡。歐美很多國家早已展開了可中斷負荷的多種運營方式的實踐，我國的可中斷負荷實踐則起步較晚。早期的可中斷負荷由于管理手段單一、管理效率不高、電網智能化程度不足等多種原因，只存在于大型工業用戶中。需要中斷時將其負荷直接中斷，管理相對簡單。而且，由于對可中斷負荷的管理經驗不足和效益分析不完善，早期可中斷負荷實踐在大型工業用戶中參與度也不高。

隨著近年來我國配電網智能化水平的不斷提高，可以參與可中斷負荷實施的用戶種類從單一的大型工業用戶拓展到中小型工業用戶及商業用戶。中小型用戶參與可中斷負荷主要通過負荷聚合商來進行。負荷聚合商整合中小型用戶的負荷資源，與用戶和電力系統雙方簽訂協議，在需要中斷時通過智能化的電網批量化管理中小型用戶負荷。目前可中斷負荷在系統調峰中起到的作用越來越顯著。隨著電力市場化改革的不斷推進，與可中斷負荷相關的效益分析越來越完善，可中斷負荷的定價機制越來越合理，吸引了更多用戶參與其中。因此，有必要對可中斷負荷的碳屬性進行分析，使其能夠在碳-電協同市場中發揮更重要的價值。

1.2 電能產品碳屬性分析

碳屬性是指電力系統中需求側消耗電能給供給側電源帶來的碳責任增加量。所有需求側消耗電能的負荷，都應分攤一部分電源側的碳責任。

在傳統認識中，往往認為碳排放僅在發電設備中存在，因此會將發電設備產生的碳排放全歸結于發電設備本身。但是從經濟學的角度考慮，供給側和需求側本為一體，相互之間的聯系十分緊密，不能割裂開。電力系統中，供給側電源的碳排放強度不能僅由供給側本身來承擔。電源側所帶來的碳排放是為了保證整個電力系統的安全穩定運行所必須的，因此應分攤到電力系統的各個設備各個階段中。電源側本身需要承擔一定的碳排放，但輸、配電網和需求側也應承擔一部分的碳排放。

在碳市場、電力市場協同發展背景下，電源側的碳屬性應通過發電成本、碳排放權交易成本等反映到市場的交易電價中，這樣才能做到將供給側的碳屬性傳導到需求側中去，防止供給側單獨承擔全部碳排放，提高供給側發展建設的積極性。同時，將電源的碳排放成本疏導至需求側，也能夠讓用戶更清晰地認識到電力系統中的碳排放是整個系統共同造成，而不僅僅是電源側造成的。從長遠看，碳屬性的合理承擔不僅能夠使電力系統中碳責任分配更加合理，還可以維持碳-電協同市場模式的穩定發展。

1.3 可中斷負荷的碳屬性與碳-電協同市場

可中斷負荷在電力系統碳排放計算中的屬性較為特殊。在可中斷負荷正常運行時，會分擔一部分的碳責任；在可中斷負荷響應調度中斷時，碳責任降為0?？芍袛嘭摵傻闹袛?，可能導致系統中火電機組出力的降低和可再生能源機組出力的提高，還可能給系統帶來額外的碳排放減少量。

因此，對可中斷負荷進行碳屬性分析時，要綜合兩方面考慮。一方面要考慮可中斷負荷響應調度中斷，減少了其本身運行時應分攤的碳責任；另一方面要考慮由于可中斷負荷的中斷響應，帶來的不同種類機組出力變化量，是否會降低系統整體的碳排放及其具體數值。這就需要先對可中斷負荷參與系統運行的狀態進行碳屬性追蹤相關分析，計算出此時可中斷負荷的碳責任；再將可中斷負荷中斷，其余參數保持不變，計算出系統整體減少的碳責任；最后進行相關分析，計算得出可中斷負荷中斷所減少的全部碳責任。

目前，我國電力市場、碳市場均處于建設完善的時期。碳市場和電力市場在碳減排方面目標一致，在發展上相互促進，一同推進。目前碳-電市場主要通過發電機組報價中包含碳價的方式來進行。一些發電機組發電會造成碳排放，因此需要在碳市場中購買碳排放權。碳價與電價疊加形成發電機組在電力市場中的報價，如圖1所示。

圖1 碳價傳導機制

碳-電市場協同發展的過程，在很多方面需要做好有效銜接。市場空間方面，碳排放總量空間要保證電力行業的發展和電力的安全穩定供應；綠色認證方面，要統一認證標準，精細化考慮綠電消費；價格機制方面，要建立合理的碳價傳導機制，在電力市場中充分體現碳價。這就需要完善定價體系，在電能交易的過程中，合理分攤電力系統中的碳責任，體現碳價值。

2 碳-電協同的可中斷負荷價值分析模型

2.1 整體思路

對電力系統中電源側的碳責任進行分攤，使各部分電能產品都具有應有的碳屬性，這在未來碳-電協同的市場中至關重要。負荷側的碳屬性在電力系統碳責任分攤中占有非常高的比例，可中斷負荷作為一類特殊負荷，在正常運行時具有一定的碳屬性；在響應電網命令中斷時，其碳屬性減少為0。在電源側新能源占比越來越高的背景下，可中斷負荷的中斷還會給電力系統額外減少一部分碳排放，如圖2所示。

圖2 可中斷負荷對系統整體碳排放量的影響

我國碳-電協同的新型市場正在快速建設中。為了使新型市場中可中斷負荷的定價更合理，更能夠體現其給系統整體帶來的減少碳排放量的價值，需要建立面向碳-電市場的可中斷負荷的價值分析模型，對電力系統中的碳責任進行分攤。在可中斷負荷運行和中斷兩種情況下，分別計算系統中各部分的碳排放，分析可中斷負荷的碳屬性。通過比較可中斷負荷運行和中斷兩種情況下對系統整體碳排放的影響，分析計算可中斷負荷給電力系統整體碳排放降低帶來的價值。

2.2 市場出清模型

可中斷負荷價值分析模型中，按照2022 年5月11 日發布的《浙江電力現貨市場基本規則（征求意見稿）》建立市場出清模型。負荷側以報量不報價的方式參與市場，發電側以報量報價的方式參與市場。在這種報價方式下，根據已知負荷、機組出力限制以及線路容量，計算各機組出力情況。

目標函數為：

式中：NG為機組集合；PGi為機組i的出力；λGi為機組i的報價；λC為機組的附加碳價。

約束條件為：

1）電力電量平衡約束：

2）機組出力約束：

3）線路容量約束：

式中：ND為負荷集合；PDj為負荷j的值；為機組i出力上限；fk為線路k上的有功功率；為線路k容量。

2.3 基于電力潮流的碳屬性追蹤

電力系統中電源側使用煤炭等化石燃料發電時，燃料燃燒會產生大量CO2等溫室氣體，形成碳排放?；剂现械奶寂欧攀请娏ο到y中與電能產品相關的絕大多數碳排放的來源。隨著電能的輸送，用戶側消費了電能，具有一定的碳屬性。為了合理分攤發電側產生的全部碳責任，需要對電力系統中的碳屬性進行追蹤。但是，在輸配電體系中進行碳屬性的追蹤十分困難。本文使用碳潮流分析的方法進行電力系統中的碳屬性追蹤，即假設電源側發電時所產生的CO2并沒有直接排放，而是作為碳潮流跟隨電力系統潮流一起流動，直到用戶側。碳潮流的本質是基于電力潮流來確定系統各部分應該分攤的碳責任，如圖3所示。

圖3 電力系統碳潮流

與系統潮流計算不同的是，碳潮流計算更側重系統中碳排放的產生、轉移和消費過程。為進行電力系統中的碳屬性追蹤，還應介紹如下相關指標：

1）碳流量C——一段時間內，從某一個或某幾個發電機組流出，隨電力系統潮流通過系統中某支路或節點，到達某一負荷的碳潮流累計量。

2）碳流率R——單位時間內通過某支路或節點的碳排放流量。

3）碳流密度I——某支路傳輸單位電量所造成的碳排放或某節點消費單位電量所造成的碳排放。

相關計算公式為：

式中：PG為發電機組的出力；a為發電機組的碳排放系數；Pl為支路l上的有功功率；Rl為支路l上的碳流率；Ii為區域節點i的碳流密度；N+為所有節點的集合，表示該節點所有流入支路的碳流率之和，表示該節點所有流入支路的有功功率之和；Ei為節點i對應的碳排放量；Di為該節點負荷量。

碳潮流計算與電力系統潮流計算間的概念關聯如表1所示。

表1 碳潮流計算與電力系統潮流計算概念關聯

發電機節點的碳流密度約等于發電機的碳排放強度，而負荷節點的碳流密度則需要進一步計算。由于支路的碳流密度和流入節點的碳流密度相等，在碳潮流計算過程中只需計算各個節點的碳流密度。

2.4 可中斷負荷價值分析流程

利用碳潮流進行可中斷負荷碳屬性計算，分析可中斷負荷價值的流程如圖4所示。

圖4 可中斷負荷價值分析流程

具體步驟如下：

1）可中斷負荷設置為正常運行狀態，進行系統網絡預處理，規定潮流正方向，將系統等效簡化為無損網絡。

2）選取合適的時間尺度，在電力系統穩態下，根據雙邊競價模型，進行電力系統潮流計算，確定潮流分布，形成計算矩陣。

3）確定好系統所連接機組的碳排放種類、碳排系數，形成機組碳排放注入強度矩陣；計算系統節點碳流密度，確定電力系統中碳排放分布。

4）基于碳排放分布的計算結果，對系統各部分碳排放定量歸責。碳排放量計算公式為：

式中：Cm為區域m的碳排放量；Rm為區域m的碳流率；T為所選取的時間尺度。

5）檢查可中斷負荷是否接入系統：若是，則斷開負荷，執行步驟2）；若否，則執行步驟6）。

6）統計可中斷負荷斷開使系統中火電機組減少的出力；統計可中斷負荷斷開使負荷本身減少的碳排放量；統計可中斷負荷斷開使系統整體減少的碳排放量和使系統額外減少的碳排放量。

3 算例分析

3.1 參數設置

算例中的系統使用PJM-5 節點系統來進行可中斷負荷碳屬性追蹤與計算，具體的系統拓撲圖和部分相關參數如圖5所示。其中，LE-D為線路ED 的最大功率限制，LA-B為支路A-B 的最大功率限制。

圖5 PJM-5節點系統

在該系統共有5 個發電機組，2 個水電機組（機組1和機組2）碳排系數均為0，2個天然氣機組（機組3和機組4）碳排系數均為0.3，1個煤電機組（機組5）碳排系數為0.9。設置B 節點的100 MW負荷為可中斷負荷，約占系統總負荷的10%。系統運行時間設為1 h。機組報價時考慮碳價，將碳價疊加進機組總報價中，負荷不報價。系統中5個機組的所在節點、機組類型、報價、碳排系數、最大出力等信息如表2所示。

表2 系統機組詳細信息

3.2 仿真結果

根據3.1 節的系統拓撲圖和相關參數，采用2.3節的計算方法，在其他負荷參數不變、可中斷負荷正常運行和可中斷負荷中斷兩種不同情況下，進行電力系統碳潮流計算。

使用碳潮流計算方法進行可中斷負荷正常參與運行時的碳屬性追蹤結果如圖6所示，其中，藍色箭頭表示電力系統潮流流動方向（標注數據為潮流功率），綠色箭頭表示碳潮流流動方向（標注數據為碳流率）。

圖6 可中斷負荷正常運行時的碳屬性追蹤結果

使用碳潮流計算方法進行可中斷負荷響應調度命令中斷，其余負荷大小保持不變時的碳屬性追蹤結果如圖7所示。

圖7 可中斷負荷中斷時的碳屬性追蹤結果

在可中斷負荷接入系統運行時，可中斷負荷所在區域B的碳流率為184.86 t/h，系統運行時間內區域B 的碳排放量（即CO2排放質量）為184.86 t，可中斷負荷自身的碳排放量為40.89 t。在可中斷負荷斷開，系統其余負荷參數保持不變運行時，可中斷負荷所在區域B的碳流率為130.18 t/h，系統運行時間內區域B的碳排放量為130.18 t，可中斷負荷自身的碳排放量為0?？芍袛嘭摵蓴嚅_使系統總功率減少了100 MW，減少出力的機組均為火電機組?？芍袛嘭摵山尤牒蛿嚅_兩種情況下的機組出力對比如表3所示。

表3 系統機組出力對比

可中斷負接入系統運行時，系統運行時間內總碳排放量為519 t；可中斷負荷斷開，系統其余負荷參數保持不變運行時，系統運行時間內總碳排放量為447 t?？芍袛嘭摵傻臄嚅_使系統碳排放總量減少了72 t?？芍袛嘭摵傻臄嚅_使系統減少的碳排放量除去其運行時的碳排放量，額外減少了31.11 t。

綜上，面向碳-電市場的可中斷負荷價值統計如表4所示。

表4 面向碳-電市場的可中斷負荷價值統計

3.3 結果分析

在面向碳-電協同市場的可中斷負荷價值分析模擬仿真中，可以看出可中斷負荷在降低火電機組出力和減少系統碳排放方面都具有較高的價值。可中斷負荷斷開后，降低了大量火電機組出力，并且其自身的碳排放降低為0，還能夠給系統整體帶來額外降低碳排放的價值。在碳-電協同市場中對可中斷負荷定價時，應充分考慮其降低火電機組出力和額外降低碳排放的價值并體現到價格上，以提高可中斷負荷發展的積極性。

4 結論

在我國能源行業轉型、碳-電協同市場發展的過程中，可中斷負荷在減少系統碳排放中的價值分析是一個亟待解決的問題。可中斷負荷參與電力市場已是大勢所趨，但該過程應是逐步完成的。根據電力市場發展的不同階段，可對其設定不同政策。比如：在初期應通過差異化的定價對其參與市場進行鼓勵，擴大參與范圍；待市場逐漸成熟后，其價格機制應充分體現其在系統中發揮的價值，包括其能夠替代的火電機組容量、中斷后能夠減少的碳排放以及其他價值。本文結合可中斷負荷在電力系統中的功能特點，建立了一個面向碳-電協同市場的可中斷負荷價值分析數學模型，并基于PJM-5 節點系統進行了可中斷負荷終端減少系統碳排放的價值分析。通過對比可中斷負荷是否參與系統運行的兩種不同情況下，可中斷負荷所在區域碳責任變化和系統整體碳責任變化，分析計算可中斷負荷的價值，為碳-電協同市場中可中斷負荷的發展和定價機制提供了有針對性的理論依據。