面向区域综合能源系统的碳排放流计算方法及装置

1.本技术涉及低碳能源系统技术领域，特别涉及一种面向区域综合能源系统的碳排放流计算方法及装置。


背景技术：

2.在主要国民经济生产部门中，能源系统是最大的碳排放源，能源系统的低碳转型与可持续发展对于实现我国的碳排放控制目标至关重要。为了降低能源碳排放、促进能源高效清洁利用，综合能源系统应运而生。
3.综合能源系统，又称为多能源系统或能源互联网，是由电力、热力、天然气、水能、太阳能、风能等多种类型能源进行耦合而组成的综合系统。区域综合能源系统，又称为能量枢纽(energy hub，eh)，是综合能源系统进行能源转化与存储的核心。区域综合能源系统是指较小空间范围内的多能集成系统，如工业园区、城镇能源系统等，主要实现能源的转化、分配和存储，涉及到的能源网络规模很小，多以低压配电网、配气网和区域热网为主。
4.在气候变化和可持续发展的背景下，碳排放的分析与计算是综合能源系统实现低碳化的基础性与关键性工作。能源系统的碳排放计算方法主要包括宏观统计法、全生命周期法以及碳排放流方法等三类，这些方法在计算结果精细度、对基础数据的要求以及出发点上均有较大差异，因此适合的应用场景也有所不同。然而，宏观统计法与全生命周期法均与能源系统的实际物理特性脱节，无法明晰碳排放在能源系统中的时空转移机理，对能源系统优化决策的指导性有限，亟需改善。
5.申请内容
6.本技术是基于发明人对以下问题的认知和发现作出的：
7.碳排放的分析与计算是综合能源系统实现低碳化的基础性与关键性工作，碳排放流方法是利用网络流的分析思想，将潮流追踪法用于碳流追踪，揭示了能源网络中虚拟碳排放流的基本特征与规律。相关技术通过建立与电网网络结构和物理特性相结合的碳排放流模型，提出了碳排放流计算方法。
8.综上所述，在低碳能源系统领域，需要提出一种面向区域综合能源系统的碳排放流计算方法，在现有电力系统碳排放流方法的基础上进行一定的外推与改进，以精确计算区域综合能源系统中能量转化、分配、存储等环节的碳排放，为综合能源系统的低碳分析与优化决策提供基础理论。
9.本技术提供一种面向区域综合能源系统的碳排放流计算方法及装置，以解决相关技术与能源系统的实际物理特性脱节，无法明晰碳排放在能源系统中的时空转移机理，对能源系统优化决策的指导性有限等问题。
10.本技术第一方面实施例提供一种面向区域综合能源系统的碳排放流计算方法，包括以下步骤：分别对单输入-单输出转化设备和单输入-多输出转化设备的碳排放进行建模，建立能量转化设备的单时段稳态碳排放流模型；基于所述能量转化设备的单时段稳态碳排放流模型得到碳排放流的矩阵表达式，并建立区域综合能源系统的单时段稳态碳排放
流模型；以及结合储能设备的多时段耦合的稳态碳排放流模型和所述区域综合能源系统的单时段稳态碳排放流模型，建立所述区域综合能源系统的多时段碳排放流标准化模型，以求解所述多时段碳排放流标准化模型，得到所述区域综合能源系统的实际碳排放流。
11.可选地，在本技术的一个实施例中，其中，所述单输入-单输出转化设备的输入端口与输出端口之间的第一碳流密度关系为：
[0012][0013]
其中，和为分别为单输入-单输出转化设备和单输入-多输出转化设备的输入端口碳流密度和输出端口碳流密度，v
ii
和分别为输入能量流和输出能量流，ηi为效率；
[0014]
所述单输入-多输出转化设备的输入端口与输出端口之间的第二碳流密度关系为：
[0015][0016][0017]
其中，和分别表示输入端口碳流密度、电输出端口碳流密度和热输出端口碳流密度，ηw为电能转化效率，ηq为热能转化效率，∈为工质的与能量的比值。
[0018]
可选地，在本技术的一个实施例中，所述基于所述能量转化设备的单时段稳态碳排放流模型得到碳排放流的矩阵表达式，并建立区域综合能源系统的单时段稳态碳排放流模型，包括：由所述第一碳流密度关系和所述第二碳流密度关系分别确定所述区域综合能源系统的第一碳排放耦合矩阵和第二碳排放耦合矩阵；根据所述第一碳排放耦合矩阵和所述第二碳排放耦合矩阵计算所有输出端口的碳流率。
[0019]
可选地，在本技术的一个实施例中，所述根据所述第一碳排放耦合矩阵和所述第二碳排放耦合矩阵计算所有输出端口的碳流率，包括：根据所述第一碳排放耦合矩阵和所述第二碳排放耦合矩阵得到输出端的碳流密度向量；根据所述输出端的碳流密度向量得到所述所有输出端口的碳流率，其中，所述碳流率的计算公式为：
[0020][0021]
其中，ρo为输出端口的碳流密度向量，vo为输出能源列向量，表示两个向量元素的对应相乘(哈达玛积)。
[0022]
可选地，在本技术的一个实施例中，所述结合储能设备的多时段耦合的稳态碳排放流模型和所述区域综合能源系统的单时段稳态碳排放流模型，建立所述区域综合能源系统的多时段碳排放流标准化模型，包括：根据储能设备的当前工作状态确定内部存储能量，并得到对应的碳排放，确定存储碳流率；根据所述存储碳流率建立存储碳流率的时段耦合关系，确定任一时段的储能输入端口的碳流密度和输出端口的碳流密度，生成所述多时段碳排放流标准化模型。
[0023]
本技术第二方面实施例提供一种面向区域综合能源系统的碳排放流计算装置，包括：第一建模单元，用于分别对单输入-单输出转化设备和单输入-多输出转化设备的碳排放进行建模，建立能量转化设备的单时段稳态碳排放流模型；第二建模单元，用于基于所述
能量转化设备的单时段稳态碳排放流模型得到碳排放流的矩阵表达式，并建立区域综合能源系统的单时段稳态碳排放流模型；以及计算单元，结合储能设备的多时段耦合的稳态碳排放流模型和所述区域综合能源系统的单时段稳态碳排放流模型，建立所述区域综合能源系统的多时段碳排放流标准化模型，以求解所述多时段碳排放流标准化模型，得到所述区域综合能源系统的实际碳排放流。
[0024]
可选地，在本技术的一个实施例中，其中，所述单输入-单输出转化设备的输入端口与输出端口之间的第一碳流密度关系为：
[0025][0026]
其中，和为分别为单输入-单输出转化设备和单输入-多输出转化设备的输入端口碳流密度和输出端口碳流密度，v
ii
和分别为输入能量流和输出能量流，ηi为效率；
[0027]
所述单输入-多输出转化设备的输入端口与输出端口之间的第二碳流密度关系为：
[0028][0029][0030]
其中，和分别表示输入端口碳流密度、电输出端口碳流密度和热输出端口碳流密度，ηw为电能转化效率，ηq为热能转化效率，∈为工质的与能量的比值。
[0031]
可选地，在本技术的一个实施例中，所述第二建模单元，包括：转化子单元，用于由所述第一碳流密度关系和所述第二碳流密度关系分别确定所述区域综合能源系统的第一碳排放耦合矩阵和第二碳排放耦合矩阵；计算子单元，用于根据所述第一碳排放耦合矩阵和所述第二碳排放耦合矩阵计算所有输出端口的碳流率。
[0032]
可选地，在本技术的一个实施例中，所述计算子单元，进一步用于：根据所述第一碳排放耦合矩阵和所述第二碳排放耦合矩阵得到输出端的碳流密度向量；并根据所述输出端的碳流密度向量得到所述所有输出端口的碳流率，其中，所述碳流率的计算公式为：
[0033][0034]
其中，ρo为输出端口的碳流密度向量，vo为输出能源列向量，表示两个向量元素的对应相乘(哈达玛积)。
[0035]
可选地，在本技术的一个实施例中，所述计算单元，进一步用于：根据储能设备的当前工作状态确定内部存储能量，并得到对应的碳排放，确定存储碳流率；并根据所述存储碳流率建立存储碳流率的时段耦合关系，确定任一时段的储能输入端口的碳流密度和输出端口的碳流密度，生成所述多时段碳排放流标准化模型。
[0036]
本技术第三方面实施例提供一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如上述实施例所述的面向区域综合能源系统的碳排放流计算方法。
[0037]
本技术第四方面实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，以用于实现如权利要求1-5任一项所述的面向区域综合能源系统的
碳排放流计算方法。
[0038]
本技术实施例通过建立区域综合能源系统的稳态碳排放流模型，并根据碳排放流的矩阵表达式，实现其标准化建模，进而获得区域综合能源系统的实际碳排放流，为区域综合能源系统的碳排放分析与计量提供了准确有效的方法，为下游厘清不同能源系统的碳排放责任、衡量不同主体的减排贡献、发现和辨识系统中的低碳薄弱环节提供基础。由此，解决了相关技术与能源系统的实际物理特性脱节，无法明晰碳排放在能源系统中的时空转移机理，对能源系统优化决策的指导性有限等问题。
[0039]
本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。
附图说明
[0040]
本技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0041]
图1为根据本技术实施例提供的一种面向区域综合能源系统的碳排放流计算方法的流程图；
[0042]
图2为根据本技术一个具体实施例的说明碳排放耦合矩阵求解过程的简单能量枢纽图；
[0043]
图3为根据本技术一个具体实施例的面向区域综合能源系统的碳排放流计算方法的原理示意图；
[0044]
图4为根据本技术实施例提供的一种面向区域综合能源系统的碳排放流计算装置的结构示意图；
[0045]
图5为根据本技术实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
[0046]
下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
[0047]
下面参考附图描述本技术实施例的面向区域综合能源系统的碳排放流计算方法及装置。针对上述背景技术中心提到的相关技术与能源系统的实际物理特性脱节，无法明晰碳排放在能源系统中的时空转移机理，对能源系统优化决策的指导性有限的问题，本技术提供了一种面向区域综合能源系统的碳排放流计算方法，在该方法中，通过建立区域综合能源系统的稳态碳排放流模型，并根据碳排放流的矩阵表达式，实现其标准化建模，进而获得区域综合能源系统的实际碳排放流，为区域综合能源系统的碳排放分析与计量提供了准确有效的方法，为下游厘清不同能源系统的碳排放责任、衡量不同主体的减排贡献、发现和辨识系统中的低碳薄弱环节提供基础。由此，解决了相关技术与能源系统的实际物理特性脱节，无法明晰碳排放在能源系统中的时空转移机理，对能源系统优化决策的指导性有限等问题。
[0048]
具体而言，图1为本技术实施例所提供的一种面向区域综合能源系统的碳排放流计算方法的流程示意图。
[0049]
如图1所示，该面向区域综合能源系统的碳排放流计算方法包括以下步骤：
[0050]
在步骤s101中，分别对单输入-单输出转化设备和单输入-多输出转化设备的碳排放进行建模，建立能量转化设备的单时段稳态碳排放流模型。
[0051]
具体地，本技术实施例可以根据输入端口和输出端口的数目，将多能源系统中的能源转化设备(如热电联产机组(combined heat and power，chp)、电锅炉(electric boiler，eb)、燃气锅炉(auxiliary boiler，ab)、压缩机制冷机(compression electrical refrigeration group，cerg)、吸收式制冷机(water absorption refrigeration group，warg)等)分为两类：单输入-单输出设备和单输入-多输出设备。其中，大部分设备属于第一类，少数设备如chp则属于第二类。本技术实施例可以分别对这两类设备的碳排放进行建模，进而实现对多能源系统中的能源转化设备的全覆盖，进而保证其结果的准确性。
[0052]
可选地，在本技术的一个实施例中，其中，单输入-单输出转化设备的输入端口与输出端口之间的第一碳流密度关系为：
[0053][0054]
其中，和为分别为单输入-单输出转化设备和单输入-多输出转化设备的输入端口碳流密度和输出端口碳流密度，v
ii
和分别为输入能量流和输出能量流，ηi为效率；
[0055]
单输入-多输出转化设备的输入端口与输出端口之间的第二碳流密度关系为：
[0056][0057][0058]
其中，和分别表示输入端口碳流密度、电输出端口碳流密度和热输出端口碳流密度，ηw为电能转化效率，ηq为热能转化效率，∈为工质的与能量的比值。
[0059]
在实际执行过程中，当多能源系统中的能源转化设备为单输入-单输出转化设备时，本技术实施例在运行过程中不存在除输入以外的碳排放注入或除输出以外的碳排放流出，根据碳排放守恒，输入能源对应的碳排放等于输出能源对应的碳排放：
[0060][0061]
其中，和为分别为能源转化设备i(i＝eb,ab,cerg,warg等)的输入端口碳流密度和输出端口碳流密度，v
ii
和分别为输入能量流和输出能量流。
[0062]
本技术实施例可以用效率ηi表示设备的输出能量流与输入能量流之间的关系，即：
[0063][0064]
进而得到单输入-单输出能源转化设备的输入端口碳流密度和输出端口碳流密度之间的关系，如下式所示：
[0065][0066]
当多能源系统中的能源转化设备为单输入-多输出转化设备时，以chp为例进行分
析，本技术实施例可以分别定义电能转化效率ηw和热能转化效率ηq，从而计算得到chp的电输出和热输出分别为：
[0067][0068][0069]
其中，v
ichp
表示输入天然气的能量值，和分别为chp的电输出和热输出。
[0070]
对于这类设备，由碳排放守恒可知，输入端口碳排放等于输出端口碳排放之和，因此有：
[0071][0072]
其中，和分别表示输入端口碳流密度、电输出端口碳流密度和热输出端口碳流密度。
[0073]
本技术实施例可以采用分析方法对输入总碳排放在多个输出端口之间进行分配，定义系数为工质的与能量的比值，电能的系数为1，热能的系数与工质温度有关，记为∈。根据分析方法，不同输出端口的碳排放应该与输出端口的成正比，则有：
[0074][0075]
结合上述公式，可得到chp的输入端口与输出端口之间的碳流密度关系为：
[0076][0077][0078]
在步骤s102中，基于能量转化设备的单时段稳态碳排放流模型得到碳排放流的矩阵表达式，并建立区域综合能源系统的单时段稳态碳排放流模型。
[0079]
作为一种可能实现的方式，本技术实施例可以根据能量转化设备的单时段稳态碳排放流模型得到碳排放流的矩阵表达式，进而建立区域综合能源系统的单时段稳态碳排放流模型。本技术实施例通过建立区域综合能源系统的单时段稳态碳排放流模型，为后续对区域综合能源系统的多时段稳态碳排放流模型的建立提供基础，使得碳排放流的计算结果更为精确，有利于解决区域综合能源系统中，碳排放在能源维度和时间维度的耦合问题。
[0080]
可选地，在本技术的一个实施例中，基于能量转化设备的单时段稳态碳排放流模型得到碳排放流的矩阵表达式，并建立区域综合能源系统的单时段稳态碳排放流模型，包括：由第一碳流密度关系和第二碳流密度关系分别确定区域综合能源系统的第一碳排放耦合矩阵和第二碳排放耦合矩阵；根据第一碳排放耦合矩阵和第二碳排放耦合矩阵计算所有输出端口的碳流率。
[0081]
举例而言，本技术实施例可以根据第一碳流密度关系和第二碳流密度关系分别确定区域综合能源系统的第一碳排放耦合矩阵和第二碳排放耦合矩阵，并根据第一碳排放耦合矩阵和第二碳排放耦合矩阵计算所有输出端口的碳流率，其中，所有输出端口的碳流率的计算方法会在下文进行详细阐述。本技术实施例分别根据单输入-单输出能源转化设备
和单输入-多输出能源转化设备的碳流密度，计算所有输出端口的碳流率，实现了对多能源系统中的能源转化设备的全覆盖，为后续对区域综合能源系统的多时段稳态碳排放流模型的建立提供基础，使得碳排放流的计算结果更为精确，有利于解决区域综合能源系统中，碳排放在能源维度和时间维度的耦合问题。
[0082]
可选地，在本技术的一个实施例中，根据第一碳排放耦合矩阵和第二碳排放耦合矩阵计算所有输出端口的碳流率，包括：根据第一碳排放耦合矩阵和第二碳排放耦合矩阵得到输出端的碳流密度向量；根据输出端的碳流密度向量得到所有输出端口的碳流率，其中，碳流率的计算公式为：
[0083][0084]
其中，ρo为输出端口的碳流密度向量，vo为输出能源列向量，表示两个向量元素的对应相乘(哈达玛积)。
[0085]
具体地，本技术实施例用输入-输出端口模型来定义和描述区域综合能源系统中不同的能源转化设备相互连接的耦合关系。用耦合矩阵c表征输入能源列向量vi和输出能源列向量vo之间的关系，即：
[0086]vo
＝cvi。
[0087]
本技术实施例可以定义区域综合能源系统的碳排放耦合矩阵d，用于描述其输入端口碳流密度向量与输出端口碳流密度向量之间的关系，如下式所示：
[0088]
ρo＝dρi，
[0089]
其中，ρi表示输入端口的碳流密度向量，ρo表示输出端口的碳流密度向量。
[0090]
碳排放耦合矩阵d中的每一个元素d
ij
定义了第i个输出端口的碳流密度ρ
o,i
与第j个输入端口的碳流密度ρ
i,j
之间的关系，因此ρo＝dρi也可以展开为：
[0091][0092]
根据能量枢纽的能量流，即可利用上述模型得到碳排放耦合矩阵d，然后得到输出端口的碳流密度向量。最后可计算所有输出端口的碳流率，如下式所示：
[0093][0094]
其中，表示两个向量元素的对应相乘(哈达玛积)。
[0095]
其中，碳排放耦合矩阵d的求解过程，以图2所示的简单能量枢纽为例，该能量枢纽有一个输入端口和三个输出端口，以不同颜色的箭头区分不同形式的能量流。本技术实施例在计算所有输出端口的碳流率时，首先，输入端口的碳流密度向量和输出端口的碳流密度向量分别为：
[0096]
ρi＝[ρi]，
[0097][0098]
其中，ρi、和分别表示输入端口碳流密度、电输出端口碳流密度、热输出端口碳流密度和冷输出端口碳流密度。
[0099]
根据步骤s101建立的chp和warg的碳排放流模型，可得到如下关系式：
[0100][0101][0102][0103][0104]
综合式上述公式，可得到输入输出端口的碳流密度向量关系为：
[0105][0106]
其中，输入端口碳流密度为模型参数，根据上式即可得到每个输出端口的碳流密度，进而结合可计算每个输出端口的碳流率。
[0107]
在步骤s103中，结合储能设备的多时段耦合的稳态碳排放流模型和区域综合能源系统的单时段稳态碳排放流模型，建立区域综合能源系统的多时段碳排放流标准化模型，以求解多时段碳排放流标准化模型，得到区域综合能源系统的实际碳排放流。
[0108]
在实际执行过程中，本技术实施例可以结合上述步骤中得到的区域综合能源系统的单时段稳态碳排放流模型以及储能设备的多时段耦合点稳态碳排放流模型，建立区域综合能源系统中储能设备的多时段碳排放流模型，从而得到区域综合能源系统的多时段碳排放流模型，进而得到区域综合能源系统的实际碳排放流。本技术实施例通过建立区域综合能源系统的稳态碳排放流模型，并根据碳排放流的矩阵表达式，实现其标准化建模，进而获得区域综合能源系统的实际碳排放流，为区域综合能源系统的碳排放分析与计量提供了准确有效的方法，为下游厘清不同能源系统的碳排放责任、衡量不同主体的减排贡献、发现和辨识系统中的低碳薄弱环节提供基础。
[0109]
可选地，在本技术的一个实施例中，结合储能设备的多时段耦合的稳态碳排放流模型和区域综合能源系统的单时段稳态碳排放流模型，建立区域综合能源系统的多时段碳排放流标准化模型，包括：根据储能设备的当前工作状态确定内部存储能量，并得到对应的碳排放，确定存储碳流率；根据存储碳流率建立存储碳流率的时段耦合关系，确定任一时段的储能输入端口的碳流密度和输出端口的碳流密度，生成多时段碳排放流标准化模型。
[0110]
具体地，本技术实施例可以将各类储能设备抽象为一个单输入-单输出的模型，其中，输入端口表示吸收能量(充能)，输出端口表示释放能量(放能)。当工作于充能状态时，输入的能量与储能设备内部存储的能量混合，二者对应的碳排放也混合到一起；当工作于放能状态时，内部存储的能量与对应的碳排放一起输出。
[0111]
本技术实施例可以假设时段t储能设备的输入/输出能量流为v
t
，v
t
》0表示储能设备为工作于充能状态，v
t
《0表示储能设备工作于放能状态。则储能的内部存储能量变化为：
[0112]
δe
s,t
＝η
svt
，
[0113]
其中，ηs表示储能设备的综合效率，其表达式为：
[0114][0115]
其中，ηc和ηd分别表示储能设备的充能效率和放能效率。
[0116]
本技术实施例可以定义储能设备内部存储能量所对应的碳排放为存储碳流率建立存储碳流率的时段耦合关系为：
[0117][0118]
其中，表示存储碳流率在时段t的变化量，与充放能功率及其对应的碳流密度有关，其表达式为：
[0119][0120]
其中，和分别为时段t储能输入端口的碳流密度和输出端口的碳流密度。
[0121]
储能设备内部存储能量对应的碳流密度等于这部分能量的耦合碳排放与能量值之比，即：
[0122][0123]
特别地，当储能设备工作于放能状态时，根据能源分配准则，输出端口的碳流密度等于上一时段内部存储能量对应的碳流密度，即：
[0124][0125]
而当储能工作于充能状态时，输入端口的碳流密度由外部注入能量流决定，是模型的参数。
[0126]
综上，本技术实施例基于碳排放流技术，可以将碳排放分析的视角从单纯的能源生产侧拓展到从能源生产到能源消费的全环节，并将co2与实时能源流动相结合，进而可以更加全面、清晰、准确地刻画区域综合能源系统的碳排放。相比于传统碳排放流技术，区域综合能源系统的碳排放流理论可以通过对不同形式的能量流附着相应的“碳标签”，实现对多种异质能源转化、分配和存储等环节的碳排放流实时计算，进而更好地解决区域综合能源系统中，碳排放在能源维度和时间维度的耦合问题。
[0127]
下面结合图2和图3对本技术的一个具体实施例进行详细阐述。
[0128]
如图3所示，本技术实施例包括以下步骤：
[0129]
步骤s301：建立能量转化设备的单时段稳态碳排放流模型。具体地，本技术实施例可以根据输入端口和输出端口的数目，将多能源系统中的能源转化设备(如热电联产机组(combined heat and power，chp)、电锅炉(electric boiler，eb)、燃气锅炉(auxiliary boiler，ab)、压缩机制冷机(compression electrical refrigeration group，cerg)、吸收式制冷机(water absorption refrigeration group，warg)等)分为两类：单输入-单输出设备和单输入-多输出设备。其中，大部分设备属于第一类，少数设备如chp则属于第二类。本技术实施例可以分别对这两类设备的碳排放进行建模，进而实现对多能源系统中的能源
转化设备的全覆盖，进而保证其结果的准确性。
[0130]
当多能源系统中的能源转化设备为单输入-单输出转化设备时，本技术实施例在运行过程中不存在除输入以外的碳排放注入或除输出以外的碳排放流出，根据碳排放守恒，输入能源对应的碳排放等于输出能源对应的碳排放：
[0131][0132]
其中，和为分别为能源转化设备i(i＝eb,ab,cerg,warg等)的输入端口碳流密度和输出端口碳流密度，v
ii
和分别为输入能量流和输出能量流。
[0133]
用效率ηi表示设备的输出能量流与输入能量流之间的关系，即：
[0134][0135]
进而得到单输入-单输出能源转化设备的输入端口碳流密度和输出端口碳流密度之间的关系，如下式所示：
[0136][0137]
当多能源系统中的能源转化设备为单输入-多输出转化设备时，以chp为例进行分析，本技术实施例可以分别定义电能转化效率ηw和热能转化效率ηq，从而计算得到chp的电输出和热输出分别为：
[0138][0139][0140]
其中，v
ichp
表示输入天然气的能量值，和分别为chp的电输出和热输出。
[0141]
对于这类设备，由碳排放守恒可知，输入端口碳排放等于输出端口碳排放之和，因此有：
[0142][0143]
其中，和分别表示输入端口碳流密度、电输出端口碳流密度和热输出端口碳流密度。
[0144]
本技术实施例可以采用分析方法对输入总碳排放在多个输出端口之间进行分配，定义系数为工质的与能量的比值，电能的系数为1，热能的系数与工质温度有关，记为∈。根据分析方法，不同输出端口的碳排放应该与输出端口的成正比，则有：
[0145][0146]
结合上述公式，可得到chp的输入端口与输出端口之间的碳流密度关系为：
[0147][0148][0149]
步骤s302：建立区域综合能源系统的单时段稳态碳排放流模型。本技术实施例用
输入-输出端口模型来定义和描述区域综合能源系统中不同的能源转化设备相互连接的耦合关系。用耦合矩阵c表征输入能源列向量vi和输出能源列向量vo之间的关系，即：
[0150]vo
＝cvi。
[0151]
定义区域综合能源系统的碳排放耦合矩阵d，用于描述其输入端口碳流密度向量与输出端口碳流密度向量之间的关系，如下式所示：
[0152]
ρo＝dρi，
[0153]
其中，ρi表示输入端口的碳流密度向量，ρo表示输出端口的碳流密度向量。
[0154]
碳排放耦合矩阵d中的每一个元素d
ij
定义了第i个输出端口的碳流密度ρ
o,i
与第j个输入端口的碳流密度ρ
i,j
之间的关系，因此ρo＝dρi也可以展开为：
[0155][0156]
根据能量枢纽的能量流，即可利用上述模型得到碳排放耦合矩阵d，然后得到输出端口的碳流密度向量。最后可计算所有输出端口的碳流率，如下式所示：
[0157][0158]
其中，表示两个向量元素的对应相乘(哈达玛积)。
[0159]
其中，碳排放耦合矩阵d的求解过程，以图2所示的简单能量枢纽为例，该能量枢纽有一个输入端口和三个输出端口，以不同颜色的箭头区分不同形式的能量流。本技术实施例在计算所有输出端口的碳流率时，首先，输入端口的碳流密度向量和输出端口的碳流密度向量分别为：
[0160]
ρi＝[ρi]，
[0161][0162]
其中，ρi、和分别表示输入端口碳流密度、电输出端口碳流密度、热输出端口碳流密度和冷输出端口碳流密度。
[0163]
根据步骤s101建立的chp和warg的碳排放流模型，可得到如下关系式：
[0164][0165][0166][0167][0168]
综合式上述公式，可得到输入输出端口的碳流密度向量关系为：
[0169][0170]
其中，输入端口碳流密度为模型参数，根据上式即可得到每个输出端口的碳流密
度，进而结合可计算每个输出端口的碳流率。
[0171]
步骤s303：建立区域综合能源系统中储能设备的多时段碳排放流模型。本技术实施例可以将各类储能设备抽象为一个单输入-单输出的模型，其中，输入端口表示吸收能量(充能)，输出端口表示释放能量(放能)。当工作于充能状态时，输入的能量与储能设备内部存储的能量混合，二者对应的碳排放也混合到一起；当工作于放能状态时，内部存储的能量与对应的碳排放一起输出。
[0172]
本技术实施例可以假设时段t储能设备的输入/输出能量流为v
t
，v
t
》0表示储能设备为工作于充能状态，v
t
《0表示储能设备工作于放能状态。则储能的内部存储能量变化为：
[0173]
δe
s,t
＝η
svt
，
[0174]
其中，ηs表示储能设备的综合效率，其表达式为：
[0175][0176]
其中，ηc和ηd分别表示储能设备的充能效率和放能效率。
[0177]
本技术实施例可以定义储能设备内部存储能量所对应的碳排放为存储碳流率建立存储碳流率的时段耦合关系为：
[0178][0179]
其中，表示存储碳流率在时段t的变化量，与充放能功率及其对应的碳流密度有关，其表达式为：
[0180][0181]
其中，和分别为时段t储能输入端口的碳流密度和输出端口的碳流密度。
[0182]
储能设备内部存储能量对应的碳流密度等于这部分能量的耦合碳排放与能量值之比，即：
[0183][0184]
特别地，当储能设备工作于放能状态时，根据能源分配准则，输出端口的碳流密度等于上一时段内部存储能量对应的碳流密度，即：
[0185][0186]
而当储能工作于充能状态时，输入端口的碳流密度由外部注入能量流决定，是模型的参数。
[0187]
步骤s304：建立区域综合能源系统的多时段稳态碳排放流模型。本技术实施例在步骤s303中，构成了储能设备的多时段碳排放流模型，由于能量转化、存储环节中只有储能设备存在能量的时段耦合关系，因此结合步骤s301和步骤s302中建立的矩阵化单时段稳态碳排放流模型，即得到区域综合能源系统的多时段碳排放流模型。
[0188]
步骤s305：求解模型得到区域综合能源系统的碳排放流计算结果。
[0189]
根据本技术实施例提出的面向区域综合能源系统的碳排放流计算，通过建立区域综合能源系统的稳态碳排放流模型，并根据碳排放流的矩阵表达式，实现其标准化建模，进而获得区域综合能源系统的实际碳排放流，为区域综合能源系统的碳排放分析与计量提供了准确有效的方法，为下游厘清不同能源系统的碳排放责任、衡量不同主体的减排贡献、发现和辨识系统中的低碳薄弱环节提供基础。由此，解决了相关技术与能源系统的实际物理特性脱节，无法明晰碳排放在能源系统中的时空转移机理，对能源系统优化决策的指导性有限等问题。
[0190]
其次参照附图描述根据本技术实施例提出的面向区域综合能源系统的碳排放流计算装置。
[0191]
图4是本技术实施例的面向区域综合能源系统的碳排放流计算装置的方框示意图。
[0192]
如图4所示，该面向区域综合能源系统的碳排放流计算装置10包括：第一建模单元100、第二建模单元200和计算单元300。
[0193]
具体地，第一建模单元100，用于分别对单输入-单输出转化设备和单输入-多输出转化设备的碳排放进行建模，建立能量转化设备的单时段稳态碳排放流模型。
[0194]
第二建模单元200，用于基于能量转化设备的单时段稳态碳排放流模型得到碳排放流的矩阵表达式，并建立区域综合能源系统的单时段稳态碳排放流模型。
[0195]
计算单元300，用于结合储能设备的多时段耦合的稳态碳排放流模型和区域综合能源系统的单时段稳态碳排放流模型，建立区域综合能源系统的多时段碳排放流标准化模型，以求解多时段碳排放流标准化模型，得到区域综合能源系统的实际碳排放流。
[0196]
可选地，在本技术的一个实施例中，其中，单输入-单输出转化设备的输入端口与输出端口之间的第一碳流密度关系为：
[0197][0198]
其中，和为分别为单输入-单输出转化设备和单输入-多输出转化设备的输入端口碳流密度和输出端口碳流密度，v
ii
和分别为输入能量流和输出能量流，ηi为效率；
[0199]
单输入-多输出转化设备的输入端口与输出端口之间的第二碳流密度关系为：
[0200][0201][0202]
其中，和分别表示输入端口碳流密度、电输出端口碳流密度和热输出端口碳流密度，ηw为电能转化效率，ηq为热能转化效率，∈为工质的与能量的比值。
[0203]
可选地，在本技术的一个实施例中，第二建模单元200，包括：转化子单元和计算子单元。
[0204]
其中，转化子单元，用于由第一碳流密度关系和第二碳流密度关系分别确定区域综合能源系统的第一碳排放耦合矩阵和第二碳排放耦合矩阵。
[0205]
计算子单元，用于根据第一碳排放耦合矩阵和第二碳排放耦合矩阵计算所有输出
端口的碳流率。
[0206]
可选地，在本技术的一个实施例中，计算子单元进一步用于：根据第一碳排放耦合矩阵和第二碳排放耦合矩阵得到输出端的碳流密度向量；并根据输出端的碳流密度向量得到所有输出端口的碳流率，其中，碳流率的计算公式为：
[0207][0208]
其中，ρo为输出端口的碳流密度向量，vo为输出能源列向量，表示两个向量元素的对应相乘(哈达玛积)。
[0209]
可选地，在本技术的一个实施例中，计算单元300进一步用于：根据储能设备的当前工作状态确定内部存储能量，并得到对应的碳排放，确定存储碳流率；并根据存储碳流率建立存储碳流率的时段耦合关系，确定任一时段的储能输入端口的碳流密度和输出端口的碳流密度，生成多时段碳排放流标准化模型。
[0210]
需要说明的是，前述对面向区域综合能源系统的碳排放流计算方法实施例的解释说明也适用于该实施例的面向区域综合能源系统的碳排放流计算装置，此处不再赘述。
[0211]
根据本技术实施例提出的面向区域综合能源系统的碳排放流计算装置，通过建立区域综合能源系统的稳态碳排放流模型，并根据碳排放流的矩阵表达式，实现其标准化建模，进而获得区域综合能源系统的实际碳排放流，为区域综合能源系统的碳排放分析与计量提供了准确有效的方法，为下游厘清不同能源系统的碳排放责任、衡量不同主体的减排贡献、发现和辨识系统中的低碳薄弱环节提供基础。由此，解决了相关技术与能源系统的实际物理特性脱节，无法明晰碳排放在能源系统中的时空转移机理，对能源系统优化决策的指导性有限等问题。
[0212]
图5为本技术实施例提供的电子设备的结构示意图。该电子设备可以包括：
[0213]
存储器501、处理器502及存储在存储器501上并可在处理器502上运行的计算机程序。
[0214]
处理器502执行程序时实现上述实施例中提供的面向区域综合能源系统的碳排放流计算方法。
[0215]
进一步地，电子设备还包括：
[0216]
通信接口503，用于存储器501和处理器502之间的通信。
[0217]
存储器501，用于存放可在处理器502上运行的计算机程序。
[0218]
存储器501可能包含高速ram存储器，也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
[0219]
如果存储器501、处理器502和通信接口503独立实现，则通信接口503、存储器501和处理器502可以通过总线相互连接并完成相互间的通信。总线可以是工业标准体系结构(industry standard architecture，简称为isa)总线、外部设备互连(peripheral component，简称为pci)总线或扩展工业标准体系结构(extended industry standard architecture，简称为eisa)总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图5中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
[0220]
可选的，在具体实现上，如果存储器501、处理器502及通信接口503，集成在一块芯片上实现，则存储器501、处理器502及通信接口503可以通过内部接口完成相互间的通信。
[0221]
处理器502可能是一个中央处理器(central processing unit，简称为cpu)，或者
是特定集成电路(application specific integrated circuit，简称为asic)，或者是被配置成实施本技术实施例的一个或多个集成电路。
[0222]
本实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上的面向区域综合能源系统的碳排放流计算方法。
[0223]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或n个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0224]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“n个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0225]
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更n个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本技术的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本技术的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
[0226]
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或n个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
[0227]
应当理解，本技术的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，n个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
[0228]
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步
骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
[0229]
此外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
[0230]
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本技术的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本技术的限制，本领域的普通技术人员在本技术的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。