面向碳-电协同市场的可中断负荷价值分析方法

周涉宇，胡嘉骅，李俊杰，樊恒建，李知艺

（1.国网浙江省电力有限公司经济技术研究院，杭州 310016；2.浙江大学 工程师学院，杭州 310015；3.浙江大学 电气工程学院，杭州 310063）

0 引言

“双碳”目标提出后，我国电力、能源行业将加速向低碳化转型，未来我国的电力系统将以高比例新能源为发电主体。但是，由于新能源发电随机性、波动性和间歇性的特点，未来电力系统的安全稳定运行将面临严峻挑战［1］。若仅使用常规发电机组调节新能源随机性，则常规机组将频繁启停或改变出力，增加了调度运行的难度并降低了经济性［2］。维持电力系统稳定运行的措施不仅要在发电侧实施，也要在需求侧实施。需求响应近年来发展迅速［3］，已逐渐成为能支撑电力系统削峰填谷、消纳新能源的重要力量［4］。需求响应一般按照需求侧的响应方式分为基于激励的需求响应和基于价格的需求响应［5-7］。可中断负荷属于基于激励的需求响应资源［8］，指根据用户事先签订的合同，在负荷高峰时段或电力系统故障时，按合同执行切断负荷，并给予用户一定补偿［9］。随着我国电力市场的快速发展，可中断负荷参与电力市场已成为必然趋势。截至2020 年末，浙江省电力系统仅秒级可中断负荷规模就已超过110万kW，并且计划到2023年底可中断负荷达到累计全省最大负荷10%的水平。在可预见的未来，我国各省可中断负荷的规模都将进一步提高。

我国的全国碳市场在2021 年7 月16 日开启交易，稳定运行。从“双碳”战略的角度，碳市场和电力市场有着相同的减碳目标［10-11］。并且我国的碳市场和电力市场均处于发展初期，面临着价格机制不明确、市场空间相交叉和绿电认证不统一等多种问题［12］，未来碳市场和电力市场应协同发展，共同解决这些问题。碳-电协同市场建设过程中，碳价值的传导是一个亟待解决的问题。在电力系统中，碳排放一般只在供给侧产生。但是碳价不应由发电厂全部支付，而应通过电力系统传导至需求侧。在需求侧，可中断负荷作为一种特殊的负荷，其在碳-电协同市场中的定价应充分体现其价值。然而，现阶段与可中断负荷相关的分析，未能充分考虑其中断时给整个系统减少的碳责任，这将对未来可中断负荷发展的积极性产生一定负面影响。因此，在可中断负荷快速发展，碳-电市场高速推进的关键时期，对其进行价值分析研究具有重要的理论意义和实际价值。

目前，已有一些文献对可中断负荷的价值评估开展了探索性分析。文献［13］分析了不同规模的需求侧用户作为可中断负荷给电力系统带来的价值，但分析的用户种类较少。文献［14］使用随机生产模拟方法，在考虑电力系统机组故障的前提下，分析了可中断负荷参与高峰时段市场备用时的价值，但所分析的可中断负荷价值不够全面。文献［15］基于可免成本理论，从用户、发电公司、社会和非参与者的角度分析了可中断负荷给不同主体带来的价值，但分析过程缺乏定量计算。文献［16］分析了在不同停电通知提前时间、停电发生时间和停电持续时间等条件下可中断负荷的价值，但仅从可中断负荷的成本方面进行分析，未能体现其给电力系统带来的价值。综上，国内外对于可中断负荷价值的分析还没有形成统一的方法和标准，考虑其与减少碳排放相关价值的分析较少。

本文提出一种面向碳-电协同市场的可中断负荷价值分析方法，使用碳潮流追踪的方法确定可中断负荷应分摊的碳排放责任（以下简称“碳责任”），分析计算可中断负荷在减少碳排放量方面给整个系统带来的价值。首先介绍可中断负荷价值分析的研究基础以及碳-电协同市场的背景，然后给出可中断负荷价值分析的数学模型及其计算流程，最后以PJM-5 节点系统为算例进行仿真，分析计算可中断负荷终端在减少系统碳排放方面的价值。

1 可中断负荷的电属性与碳属性

1.1 可中断负荷概况

可中断负荷是一种既考虑系统稳定性又兼顾用户意愿的负荷调节手段。用户提前与电力系统相关部门签订协议，在用电高峰时期，可以将可中断负荷中断，以维持系统电力电量平衡。欧美很多国家早已展开了可中断负荷的多种运营方式的实践，我国的可中断负荷实践则起步较晚。早期的可中断负荷由于管理手段单一、管理效率不高、电网智能化程度不足等多种原因，只存在于大型工业用户中。需要中断时将其负荷直接中断，管理相对简单。而且，由于对可中断负荷的管理经验不足和效益分析不完善，早期可中断负荷实践在大型工业用户中参与度也不高。

随着近年来我国配电网智能化水平的不断提高，可以参与可中断负荷实施的用户种类从单一的大型工业用户拓展到中小型工业用户及商业用户。中小型用户参与可中断负荷主要通过负荷聚合商来进行。负荷聚合商整合中小型用户的负荷资源，与用户和电力系统双方签订协议，在需要中断时通过智能化的电网批量化管理中小型用户负荷。目前可中断负荷在系统调峰中起到的作用越来越显著。随着电力市场化改革的不断推进，与可中断负荷相关的效益分析越来越完善，可中断负荷的定价机制越来越合理，吸引了更多用户参与其中。因此，有必要对可中断负荷的碳属性进行分析，使其能够在碳-电协同市场中发挥更重要的价值。

1.2 电能产品碳属性分析

碳属性是指电力系统中需求侧消耗电能给供给侧电源带来的碳责任增加量。所有需求侧消耗电能的负荷，都应分摊一部分电源侧的碳责任。

在传统认识中，往往认为碳排放仅在发电设备中存在，因此会将发电设备产生的碳排放全归结于发电设备本身。但是从经济学的角度考虑，供给侧和需求侧本为一体，相互之间的联系十分紧密，不能割裂开。电力系统中，供给侧电源的碳排放强度不能仅由供给侧本身来承担。电源侧所带来的碳排放是为了保证整个电力系统的安全稳定运行所必须的，因此应分摊到电力系统的各个设备各个阶段中。电源侧本身需要承担一定的碳排放，但输、配电网和需求侧也应承担一部分的碳排放。

在碳市场、电力市场协同发展背景下，电源侧的碳属性应通过发电成本、碳排放权交易成本等反映到市场的交易电价中，这样才能做到将供给侧的碳属性传导到需求侧中去，防止供给侧单独承担全部碳排放，提高供给侧发展建设的积极性。同时，将电源的碳排放成本疏导至需求侧，也能够让用户更清晰地认识到电力系统中的碳排放是整个系统共同造成，而不仅仅是电源侧造成的。从长远看，碳属性的合理承担不仅能够使电力系统中碳责任分配更加合理，还可以维持碳-电协同市场模式的稳定发展。

1.3 可中断负荷的碳属性与碳-电协同市场

可中断负荷在电力系统碳排放计算中的属性较为特殊。在可中断负荷正常运行时，会分担一部分的碳责任；在可中断负荷响应调度中断时，碳责任降为0。可中断负荷的中断，可能导致系统中火电机组出力的降低和可再生能源机组出力的提高，还可能给系统带来额外的碳排放减少量。

因此，对可中断负荷进行碳属性分析时，要综合两方面考虑。一方面要考虑可中断负荷响应调度中断，减少了其本身运行时应分摊的碳责任；另一方面要考虑由于可中断负荷的中断响应，带来的不同种类机组出力变化量，是否会降低系统整体的碳排放及其具体数值。这就需要先对可中断负荷参与系统运行的状态进行碳属性追踪相关分析，计算出此时可中断负荷的碳责任；再将可中断负荷中断，其余参数保持不变，计算出系统整体减少的碳责任；最后进行相关分析，计算得出可中断负荷中断所减少的全部碳责任。

目前，我国电力市场、碳市场均处于建设完善的时期。碳市场和电力市场在碳减排方面目标一致，在发展上相互促进，一同推进。目前碳-电市场主要通过发电机组报价中包含碳价的方式来进行。一些发电机组发电会造成碳排放，因此需要在碳市场中购买碳排放权。碳价与电价叠加形成发电机组在电力市场中的报价，如图1所示。

图1 碳价传导机制

碳-电市场协同发展的过程，在很多方面需要做好有效衔接。市场空间方面，碳排放总量空间要保证电力行业的发展和电力的安全稳定供应；绿色认证方面，要统一认证标准，精细化考虑绿电消费；价格机制方面，要建立合理的碳价传导机制，在电力市场中充分体现碳价。这就需要完善定价体系，在电能交易的过程中，合理分摊电力系统中的碳责任，体现碳价值。

2 碳-电协同的可中断负荷价值分析模型

2.1 整体思路

对电力系统中电源侧的碳责任进行分摊，使各部分电能产品都具有应有的碳属性，这在未来碳-电协同的市场中至关重要。负荷侧的碳属性在电力系统碳责任分摊中占有非常高的比例，可中断负荷作为一类特殊负荷，在正常运行时具有一定的碳属性；在响应电网命令中断时，其碳属性减少为0。在电源侧新能源占比越来越高的背景下，可中断负荷的中断还会给电力系统额外减少一部分碳排放，如图2所示。

图2 可中断负荷对系统整体碳排放量的影响

我国碳-电协同的新型市场正在快速建设中。为了使新型市场中可中断负荷的定价更合理，更能够体现其给系统整体带来的减少碳排放量的价值，需要建立面向碳-电市场的可中断负荷的价值分析模型，对电力系统中的碳责任进行分摊。在可中断负荷运行和中断两种情况下，分别计算系统中各部分的碳排放，分析可中断负荷的碳属性。通过比较可中断负荷运行和中断两种情况下对系统整体碳排放的影响，分析计算可中断负荷给电力系统整体碳排放降低带来的价值。

2.2 市场出清模型

可中断负荷价值分析模型中，按照2022 年5月11 日发布的《浙江电力现货市场基本规则（征求意见稿）》建立市场出清模型。负荷侧以报量不报价的方式参与市场，发电侧以报量报价的方式参与市场。在这种报价方式下，根据已知负荷、机组出力限制以及线路容量，计算各机组出力情况。

目标函数为：

式中：NG为机组集合；PGi为机组i的出力；λGi为机组i的报价；λC为机组的附加碳价。

约束条件为：

1）电力电量平衡约束：

2）机组出力约束：

3）线路容量约束：

式中：ND为负荷集合；PDj为负荷j的值；为机组i出力上限；fk为线路k上的有功功率；为线路k容量。

2.3 基于电力潮流的碳属性追踪

电力系统中电源侧使用煤炭等化石燃料发电时，燃料燃烧会产生大量CO2等温室气体，形成碳排放。化石燃料中的碳排放是电力系统中与电能产品相关的绝大多数碳排放的来源。随着电能的输送，用户侧消费了电能，具有一定的碳属性。为了合理分摊发电侧产生的全部碳责任，需要对电力系统中的碳属性进行追踪。但是，在输配电体系中进行碳属性的追踪十分困难。本文使用碳潮流分析的方法进行电力系统中的碳属性追踪，即假设电源侧发电时所产生的CO2并没有直接排放，而是作为碳潮流跟随电力系统潮流一起流动，直到用户侧。碳潮流的本质是基于电力潮流来确定系统各部分应该分摊的碳责任，如图3所示。

图3 电力系统碳潮流

与系统潮流计算不同的是，碳潮流计算更侧重系统中碳排放的产生、转移和消费过程。为进行电力系统中的碳属性追踪，还应介绍如下相关指标：

1）碳流量C——一段时间内，从某一个或某几个发电机组流出，随电力系统潮流通过系统中某支路或节点，到达某一负荷的碳潮流累计量。

2）碳流率R——单位时间内通过某支路或节点的碳排放流量。

3）碳流密度I——某支路传输单位电量所造成的碳排放或某节点消费单位电量所造成的碳排放。

相关计算公式为：

式中：PG为发电机组的出力；a为发电机组的碳排放系数；Pl为支路l上的有功功率；Rl为支路l上的碳流率；Ii为区域节点i的碳流密度；N+为所有节点的集合，表示该节点所有流入支路的碳流率之和，表示该节点所有流入支路的有功功率之和；Ei为节点i对应的碳排放量；Di为该节点负荷量。

碳潮流计算与电力系统潮流计算间的概念关联如表1所示。

表1 碳潮流计算与电力系统潮流计算概念关联

发电机节点的碳流密度约等于发电机的碳排放强度，而负荷节点的碳流密度则需要进一步计算。由于支路的碳流密度和流入节点的碳流密度相等，在碳潮流计算过程中只需计算各个节点的碳流密度。

2.4 可中断负荷价值分析流程

利用碳潮流进行可中断负荷碳属性计算，分析可中断负荷价值的流程如图4所示。

图4 可中断负荷价值分析流程

具体步骤如下：

1）可中断负荷设置为正常运行状态，进行系统网络预处理，规定潮流正方向，将系统等效简化为无损网络。

2）选取合适的时间尺度，在电力系统稳态下，根据双边竞价模型，进行电力系统潮流计算，确定潮流分布，形成计算矩阵。

3）确定好系统所连接机组的碳排放种类、碳排系数，形成机组碳排放注入强度矩阵；计算系统节点碳流密度，确定电力系统中碳排放分布。

4）基于碳排放分布的计算结果，对系统各部分碳排放定量归责。碳排放量计算公式为：

式中：Cm为区域m的碳排放量；Rm为区域m的碳流率；T为所选取的时间尺度。

5）检查可中断负荷是否接入系统：若是，则断开负荷，执行步骤2）；若否，则执行步骤6）。

6）统计可中断负荷断开使系统中火电机组减少的出力；统计可中断负荷断开使负荷本身减少的碳排放量；统计可中断负荷断开使系统整体减少的碳排放量和使系统额外减少的碳排放量。

3 算例分析

3.1 参数设置

算例中的系统使用PJM-5 节点系统来进行可中断负荷碳属性追踪与计算，具体的系统拓扑图和部分相关参数如图5所示。其中，LE-D为线路ED 的最大功率限制，LA-B为支路A-B 的最大功率限制。

图5 PJM-5节点系统

在该系统共有5 个发电机组，2 个水电机组（机组1和机组2）碳排系数均为0，2个天然气机组（机组3和机组4）碳排系数均为0.3，1个煤电机组（机组5）碳排系数为0.9。设置B 节点的100 MW负荷为可中断负荷，约占系统总负荷的10%。系统运行时间设为1 h。机组报价时考虑碳价，将碳价叠加进机组总报价中，负荷不报价。系统中5个机组的所在节点、机组类型、报价、碳排系数、最大出力等信息如表2所示。

表2 系统机组详细信息

3.2 仿真结果

根据3.1 节的系统拓扑图和相关参数，采用2.3节的计算方法，在其他负荷参数不变、可中断负荷正常运行和可中断负荷中断两种不同情况下，进行电力系统碳潮流计算。

使用碳潮流计算方法进行可中断负荷正常参与运行时的碳属性追踪结果如图6所示，其中，蓝色箭头表示电力系统潮流流动方向（标注数据为潮流功率），绿色箭头表示碳潮流流动方向（标注数据为碳流率）。

图6 可中断负荷正常运行时的碳属性追踪结果

使用碳潮流计算方法进行可中断负荷响应调度命令中断，其余负荷大小保持不变时的碳属性追踪结果如图7所示。

图7 可中断负荷中断时的碳属性追踪结果

在可中断负荷接入系统运行时，可中断负荷所在区域B的碳流率为184.86 t/h，系统运行时间内区域B 的碳排放量（即CO2排放质量）为184.86 t，可中断负荷自身的碳排放量为40.89 t。在可中断负荷断开，系统其余负荷参数保持不变运行时，可中断负荷所在区域B的碳流率为130.18 t/h，系统运行时间内区域B的碳排放量为130.18 t，可中断负荷自身的碳排放量为0。可中断负荷断开使系统总功率减少了100 MW，减少出力的机组均为火电机组。可中断负荷接入和断开两种情况下的机组出力对比如表3所示。

表3 系统机组出力对比

可中断负接入系统运行时，系统运行时间内总碳排放量为519 t；可中断负荷断开，系统其余负荷参数保持不变运行时，系统运行时间内总碳排放量为447 t。可中断负荷的断开使系统碳排放总量减少了72 t。可中断负荷的断开使系统减少的碳排放量除去其运行时的碳排放量，额外减少了31.11 t。

综上，面向碳-电市场的可中断负荷价值统计如表4所示。

表4 面向碳-电市场的可中断负荷价值统计

3.3 结果分析

在面向碳-电协同市场的可中断负荷价值分析模拟仿真中，可以看出可中断负荷在降低火电机组出力和减少系统碳排放方面都具有较高的价值。可中断负荷断开后，降低了大量火电机组出力，并且其自身的碳排放降低为0，还能够给系统整体带来额外降低碳排放的价值。在碳-电协同市场中对可中断负荷定价时，应充分考虑其降低火电机组出力和额外降低碳排放的价值并体现到价格上，以提高可中断负荷发展的积极性。

4 结论

在我国能源行业转型、碳-电协同市场发展的过程中，可中断负荷在减少系统碳排放中的价值分析是一个亟待解决的问题。可中断负荷参与电力市场已是大势所趋，但该过程应是逐步完成的。根据电力市场发展的不同阶段，可对其设定不同政策。比如：在初期应通过差异化的定价对其参与市场进行鼓励，扩大参与范围；待市场逐渐成熟后，其价格机制应充分体现其在系统中发挥的价值，包括其能够替代的火电机组容量、中断后能够减少的碳排放以及其他价值。本文结合可中断负荷在电力系统中的功能特点，建立了一个面向碳-电协同市场的可中断负荷价值分析数学模型，并基于PJM-5 节点系统进行了可中断负荷终端减少系统碳排放的价值分析。通过对比可中断负荷是否参与系统运行的两种不同情况下，可中断负荷所在区域碳责任变化和系统整体碳责任变化，分析计算可中断负荷的价值，为碳-电协同市场中可中断负荷的发展和定价机制提供了有针对性的理论依据。