電力傳輸?shù)拇髿馕廴疚锛?CO₂ 減排轉(zhuǎn)移特征研究

文章編號：1674-6139（2025）08-0039-06

中圖分類號：X831文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Characteristics of Atmospheric Pollutants and CO₂ Emission Reduction and Transfer in Power Transmission

WuYanyu，Jia Senlin，TianGalun，ZhangJianqiang，RenWeiwei（Datong Coal Mining Group Solar Thermal Power Co.，Ltd.，Datong O382OO，China）

Abstract：Bytudingemissoneductiontransfercharacteristics，thepowerstructureisadjustedtocuthigemissoncoalplants， thereby reducing air pollutantsand CO₂ in the power industry.On this basis，an analysis method for power transmission emission reduction transfer is proposed.This study simulated power transmission and emissions to calculate pollutants and CO₂ emission amp; max reduction，determiewndsdimpactByalculatingpltantsioductiontraseraracteristicidex，techractesticsulf air pollutant and CO₂ emissionreduction transferareobtained.Compared with traditional methods，theoptimized designsignificantly reduces feature analysis error and improves node coverage rate.

Keywords：power transmission；atmospheric pollutant; CO₂ emissions；pollutant transfer；transfer features

前言

為降低電力傳輸工作對大氣環(huán)境的污染程度，推動能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化，進(jìn)而保護(hù)生態(tài)環(huán)境，需要對電力傳輸?shù)拇髿馕廴疚锛?CO₂ 進(jìn)行減排處理[1]。大氣污染物及 CO₂ 減排指的是節(jié)約能源和減少環(huán)境有害物的排放，為電力傳輸減排提供參考，需要對大氣污染物及 CO₂ 減排轉(zhuǎn)移特征進(jìn)行分析。

現(xiàn)階段發(fā)展較為成熟的轉(zhuǎn)移特征分析方法中，文獻(xiàn)[2]提出的基于“3060”目標(biāo)的二氧化碳減排轉(zhuǎn)移特征分析方法遵循\"3060”目標(biāo)，對二氧化碳減排路徑進(jìn)行量化分析。文獻(xiàn)[3]提出的二氧化碳排放特征分析方法通過預(yù)測不同需求和不同減排技術(shù)下的 CO₂ 排放的變化趨勢，得出轉(zhuǎn)移特征的分析結(jié)果。然而上述兩種方法僅分析 CO₂ 減排轉(zhuǎn)移特征，未涵蓋大氣污染，因此分析效果受限。文獻(xiàn)［4]提出采用現(xiàn)場和衛(wèi)星觀測法估算大氣污染物轉(zhuǎn)移特征，但受監(jiān)測點數(shù)量和分布的限制，難以全面覆蓋，分析結(jié)果具有片面性。文獻(xiàn)[5]提出的農(nóng)業(yè)源非CO₂ 溫室氣體排放特征分析方法，用STRIPAT模型探討排放機(jī)制，預(yù)測未來排放趨勢。但該方法僅針對 CO₂ ，缺少對大氣污染物減排轉(zhuǎn)移特征的分析。

基于此，文章以電力傳輸為研究背景，對大氣污染物及 CO₂ 減排轉(zhuǎn)移特征分析方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以期能夠提升轉(zhuǎn)移特征的分析性能，為大氣污染治理工作提供數(shù)據(jù)支持。

1大氣污染物及 CO₂ 減排轉(zhuǎn)移特征分析方法設(shè)計

優(yōu)化設(shè)計的特征分析方法以電力傳輸為研究環(huán)境，充分分析大氣污染物與二氧化碳的排放過程，從而確定污染物的實際排放量以及預(yù)期最大減排量，綜合考慮大氣污染物、二氧化碳排放與轉(zhuǎn)移的多種影響因素，從空間和時間兩個維度，得出大氣污染物及 CO₂ 減排轉(zhuǎn)移特征的量化分析結(jié)果。

1.1模擬電力傳輸與污染物排放過程

通過模擬電力傳輸過程中的能源消費和轉(zhuǎn)換效率，可以精確預(yù)測各區(qū)域、各時段的大氣污染物和CO₂ 的排放量，有助于選擇有效的減排方案。電力傳輸過程的模擬情況見圖1。

圖1電力傳輸過程模擬圖

在模擬電力傳輸過程時，精確構(gòu)建電網(wǎng)模型并計算運行特性。根據(jù)電網(wǎng)的實際拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，定義各節(jié)點的電壓和電流變量以及輸電線路的阻抗參數(shù)，利用基爾霍夫電流定律和電壓定律，結(jié)合功率平衡方程，由此推導(dǎo)出電網(wǎng)的潮流方程。電力環(huán)境中任意節(jié)點有功和無功功率的注入量可以量化表示為式（1）：

式（1）中， U_i 和 U_j 分別表示節(jié)點 χ_i 及其相鄰節(jié)點 j 的電壓值， S_ij 和 X_ij 分別對應(yīng)的是節(jié)點 i 和 j 之間導(dǎo)納矩陣中對應(yīng)元素的實部和虛部， θ_ij 為節(jié)點 i 和 j 之間的電壓相角差。電力傳輸過程中，通過對任意節(jié)點位置上的功率損耗的計算可以得出電力環(huán)境中所有節(jié)點在任意時刻的電力參數(shù)模擬結(jié)果，由此實現(xiàn)電力傳輸過程的模擬。電力傳輸本身不產(chǎn)生污染物，但傳輸過程中的能量損失會間接影響發(fā)電需求，從而增加發(fā)電階段的污染物和 CO₂ 的排放量，電力傳輸過程中大氣污染物及 CO₂ 的排放滿足以下規(guī)律： 式（2）

其中， 為大氣污染物及 CO₂ 的平均排放速度， ω 為地轉(zhuǎn)角速度， ?_Xi 和 x_j 為污染物在兩個電力節(jié)點上污染物的位移量， _p0 和 p 分別為標(biāo)準(zhǔn)壓強和實際壓強，κ_vortex 為污染物排放的旋渦動量擴(kuò)散系數(shù)。基于此，即可得出任意節(jié)點位置上污染含量的模擬結(jié)果。

1.2計算大氣污染物及 CO₂ 排放與減排量

電力傳輸排放的大氣污染物有二氧化硫、氮氧化物、可吸入顆粒物等，主要來自燃煤電廠煤燃燒。采用排放系數(shù)法計算這些污染物及 CO₂ 排放量，它基于現(xiàn)場排放量估算排放系數(shù)，反映單位生產(chǎn)或消費活動的污染量。電力傳輸中大氣污染物排放量的計算結(jié)果為：

W_pollutant=W_Y×α×μ_collect×（1-μ_remove）

式（3）中， W_Y 為電力傳輸環(huán)境中原料的消耗量， α 為產(chǎn)污系數(shù)，即單位原料完全消耗產(chǎn)生的大氣污染物量 ?μ_collect 和 μ_remove 分別表示的是大氣污染物收集效率和去除效率。按照上述方式可以得出電力傳輸中 CO₂ 排放量的計算結(jié)果[6]。通過分析電力傳輸中大氣污染物的減排潛力，可以間接地估算出通過優(yōu)化電力傳輸系統(tǒng)能夠減少的電力生產(chǎn)過程中的大氣污染物及 CO₂ 排放量，由此可以得出電力傳輸中大氣污染物及 CO₂ 最大減排量的計算結(jié)果，即：

式（4）中 ，μ_loss 和 分別表示電力傳輸環(huán)境的當(dāng)前損失率和目標(biāo)損失率， E 為電力需求量，κ_p-pollutant 和 κ_p-CO2 對應(yīng)的是大氣污染物及 CO₂ 的減排潛力系數(shù)，由此得出性能電力傳輸中大氣污染物及 CO₂ 排放與減排量的計算結(jié)果，以此作為大氣污染物及 CO₂ 減排轉(zhuǎn)移特征分析的初始數(shù)據(jù)。

1.3確定大氣污染物及 CO₂ 減排轉(zhuǎn)移影響因素

通過電力資源的轉(zhuǎn)移，減少電力傳輸量，實現(xiàn)電力傳輸中大氣污染物及 CO₂ 的減排轉(zhuǎn)移[7]。在實際的減排轉(zhuǎn)移過程中氣象條件、地理因素以及減排策略均會對污染物的減排轉(zhuǎn)移情況產(chǎn)生不同程度的影響，以湍流因素為例，該因素產(chǎn)生的影響機(jī)理見圖2。

圖2湍流因素對大氣污染物減排轉(zhuǎn)移的影響機(jī)理圖

湍流是大氣中的不規(guī)則運動，能加速污染物擴(kuò)散，降低局部濃度，優(yōu)化湍流對大氣污染物及 CO₂ 減排轉(zhuǎn)移有正向作用。相反，熱島效應(yīng)導(dǎo)致電力傳輸區(qū)域氣溫升高，形成熱力環(huán)流，使污染物在區(qū)域上空累積，增加濃度，為負(fù)向影響因素。依此類推，可識別并分析所有影響大氣污染物及 CO₂ 減排轉(zhuǎn)移特征的因素及其作用機(jī)理。

1.4實現(xiàn)大氣污染物及 CO₂ 減排轉(zhuǎn)移特征分析

能夠反映電力傳輸中大氣污染物及 CO₂ 減排轉(zhuǎn)移特征的指標(biāo)中二氧化硫和氮氧化物轉(zhuǎn)移量指的是污染物在電力傳輸中的轉(zhuǎn)移數(shù)量。減排轉(zhuǎn)移系數(shù)量化減排措施的轉(zhuǎn)移情況，部分指標(biāo)求解公式如式（5）所示：

式（5）中， W_S02^emission，W_S02^reality，W_N0x^emission 和 W_NOx^reality 分別表示的是二氧化硫和氮氧化物的排放量和實際量，C_transfer 和 C_reduction 分別為轉(zhuǎn)移減排量和總減排量，κ_effect 為影響系數(shù)。按照上述方式可以得出所有大氣污染物及 CO₂ 減排轉(zhuǎn)移特征指標(biāo)的求解結(jié)果。將電力傳輸區(qū)域內(nèi)，任意節(jié)點位置上所有節(jié)點在任意時刻的轉(zhuǎn)移特征指標(biāo)進(jìn)行可視化輸出，即可得出電力傳輸?shù)拇髿馕廴疚锛?CO₂ 減排轉(zhuǎn)移的特征分析結(jié)果。

2 實例分析

2.1 研究區(qū)域與監(jiān)測點位布設(shè)

此次實驗選擇山西大同市區(qū)內(nèi)城市電網(wǎng)中的輸電段作為研究對象，電壓等級為 220kV ，選擇的電力傳輸區(qū)域共覆蓋 500km² ，包含直流和交流線路分別為15和30條，電壓等級均相同。變電站為傳輸節(jié)點，桿塔耐惡劣環(huán)境。電力傳輸環(huán)境中各線路的額定電流均為 600A ，額定功率為 50kW ，高壓側(cè)和低壓側(cè)的功率因數(shù)分別為0.97和0.90，線路損耗為 5% 。

實驗共設(shè)置60個監(jiān)測點，在線路起點、終點、轉(zhuǎn)折點、重要跨越點以及環(huán)境敏感點附近布設(shè)監(jiān)測點，同時在任意兩個間隔較遠(yuǎn)的監(jiān)測點中間設(shè)置多個測點，間距不大于 1km 。安裝空氣質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備測二氧化硫、氮氧化物、 CO₂ 等。設(shè)置監(jiān)測設(shè)備的工作頻率為 50Hz ，視情況調(diào)整。設(shè)備需穩(wěn)固安裝，增加保護(hù)裝置，確保線路連接正確無誤，防止因線路故障導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)異常。

2.2 描述實例分析過程

實驗前，調(diào)整城市電網(wǎng)至工作狀態(tài)，啟動監(jiān)測設(shè)備獲取實際數(shù)據(jù)作為比對標(biāo)準(zhǔn)。使用GCAM－ABa-CAS工具開發(fā)優(yōu)化設(shè)計方法，分析電力傳輸?shù)拇髿馕廴疚锛?CO₂ 減排轉(zhuǎn)移特征。接入數(shù)據(jù)后，得出分析結(jié)果見圖3。

電力傳輸?shù)拇髿馕廴疚锛癈O2減排轉(zhuǎn)移特征分析

電力傳輸?shù)拇髿馕廴疚锛癈O2減排轉(zhuǎn)移特征分析

（b）氮氧化物減排轉(zhuǎn)移特征

（a）二氧化硫減排轉(zhuǎn)移特征

電力傳輸?shù)拇髿馕廴疚锛癈02減排轉(zhuǎn)移特征分析

圖3大氣污染物及 CO₂ 減排轉(zhuǎn)移特征分析結(jié)果

按照上述方式可以得出電力傳輸過程中所有節(jié)點位置上大氣污染物以及 CO₂ 減排轉(zhuǎn)移特征在時間和空間兩個維度上的分析結(jié)果。為體現(xiàn)出優(yōu)化設(shè)計方法的分析性能，設(shè)置傳統(tǒng)的基于“3060”目標(biāo)的二氧化碳減排轉(zhuǎn)移特征分析方法和關(guān)于現(xiàn)場和衛(wèi)星觀測大氣污染物轉(zhuǎn)移特征的分析方法作為實驗的對比方法，在相同的實驗環(huán)境下完成對比方法的開發(fā)，并得出相應(yīng)的減排轉(zhuǎn)移特征分析結(jié)果數(shù)據(jù)。

2.3設(shè)置分析性能測試指標(biāo)

實驗分別從分析精度和分析范圍兩個方面設(shè)置性能測試指標(biāo)，其中分析精度測試指標(biāo)為二氧化硫和二氧化碳的分析誤差，分析范圍的測試指標(biāo)為特征分析節(jié)點覆蓋率，上述性能測試指標(biāo)的測試結(jié)果為式（6）：

式（6）中， F_so2 和 F_co2 分別表示的是二氧化硫和二氧化碳的分析值， S_s02 和 S_co2 為二氧化硫和二氧化碳的實測值， n_cover 和 n_power 對應(yīng)的是優(yōu)化設(shè)計方法有效分析節(jié)點數(shù)量以及電力傳輸區(qū)域有效節(jié)點數(shù)量，由于各測點位置安裝的監(jiān)測設(shè)備相同，且電網(wǎng)節(jié)點類型相同，因此無需計算單一節(jié)點的覆蓋范圍。最終計算得出二氧化硫和二氧化碳的分析誤差取值越小，證明對應(yīng)方法的分析精度越高，分析節(jié)點覆蓋率取值越高，說明對應(yīng)方法的分析范圍性能越優(yōu)。

2.4 實例分析結(jié)果

通過相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與式（6）的計算，得出優(yōu)化設(shè)計方法分析性能的測試結(jié)果，見圖4。

從圖4中可以直觀看出，與兩種傳統(tǒng)方法相比，優(yōu)化設(shè)計方法輸出二氧化硫和二氧化碳的分析誤差均得到明顯降低，且特征分析節(jié)點覆蓋率取值更高，由此證明優(yōu)化設(shè)計方法具有更高的運行性能。

（a）分析精度性能

圖4減排轉(zhuǎn)移特征分析性能測試對比結(jié)果

3 結(jié)束語

在此次研究中，深入探索并設(shè)計與優(yōu)化了針對電力傳輸過程中大氣污染物及 CO₂ 減排轉(zhuǎn)移特征的分析方法。該方法憑借精準(zhǔn)度和全面性，能夠界定出各區(qū)域以及電力傳輸?shù)母鱾€環(huán)節(jié)在減排工作中所承擔(dān)的責(zé)任與作出的貢獻(xiàn)。不僅為政府制定環(huán)保法規(guī)和政策提供了科學(xué)依據(jù)，同時也為企業(yè)優(yōu)化運營、減少排放提供了重要參考，從而展現(xiàn)了極高的現(xiàn)實意義和廣泛的應(yīng)用價值。然而，優(yōu)化設(shè)計方法目前僅在某一特定城市電網(wǎng)中進(jìn)行性能測試，鑒于不同電網(wǎng)的組成結(jié)構(gòu)與設(shè)備型號存在較大差異，無法保證該優(yōu)化設(shè)計方法在其他電網(wǎng)環(huán)境中的運行性能同樣出色。因此，還需要補充更多不同電網(wǎng)環(huán)境下的相關(guān)測試數(shù)據(jù)，以全面驗證和優(yōu)化其性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]燕鷗，阮兆元，王體健，等.沈陽市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)大氣揮發(fā)性有機(jī)物污染特征及來源解析[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報，

[2]趙紫薇，孔福林，童莉葛，等.基于“3060”目標(biāo)的中國鋼鐵行業(yè)二氧化碳減排路徑與潛力分析[J].鋼鐵，2022，57（2）：162-174.

[3]朱書涵，陸一磊，王松偉，等.2020-2050年我國水泥行業(yè)二氧化碳排放特征及減排潛力研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2024，44（2） ：453-463.

[4]Rahman，Md Masudur.Recommendations on the measurement techniques of atmospheric pollutants from in situ and satellite observations：a review[J].Arabian Journal of Geosciences， 2023.

[5]呂海軍.電力通信網(wǎng)絡(luò)混合傳輸信號分離序列流程仿真[J].電子設(shè)計工程，2024，32（11）：119-123

[6]王碧菡，廖婷婷，蔣婉婷，等.成都市郊冬季一次大氣重污染過程化學(xué)組分粒徑分布特征［J].環(huán)境化學(xué)，2022，41（10）：3323-3334.

[7]汪峰，孫千惠，李佳碩，等.我國城市二氧化碳和大氣汞排放特征及協(xié)同控制潛力研究一一基于生產(chǎn)和消費的視角[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2023，43（4）：179-189.