配电网碳足迹计量技术突破 国家电网新专利撬动碳管理新范式

2025年3月，国家电网有限公司申请的“基于电量数据的配电网碳足迹估算方法及相关设备”专利（公开号CN 119669632 A）正式公开，标志着我国在电力系统碳计量领域迈入精细化、场景化新阶段。该技术以电量数据为核心，通过创新算法模型，解决了配电网碳足迹核算长期存在的量测数据缺失、时空差异显著、线损类型混算三大难题，为碳管理产业提供了底层技术支撑。
一、技术突破：从“平均核算”到“动态分层”
传统电力碳核算多依赖全网平均排放因子或实时监测数据，前者误差高达30%以上，后者受限于配电网量测覆盖率不足50%的现状。国家电网专利提出三级碳势分层模型，通过分解供电量为用户用电量、固定线损、可变线损三部分，并分别匹配动态碳势： 
- 固定线损碳势：基于首节点碳势曲线的时段平均法（α_fix），反映电网基础损耗的碳排放特性； 
- 用户用电碳势：采用功率加权法（α_user），精准追踪负荷波动对碳排的实时影响； 
- 可变线损碳势：引入平方加权法（α_var），量化线路损耗与负荷平方的关联性。 
模型通过三维碳势空间张量运算，将总碳足迹估算偏差从±35%降至±7.2%，在80%量测缺失场景下仍保持90%以上精度。
二、产业影响：激活碳价值链
1. 推动碳交易市场下沉 
该技术使低压用户侧碳核算成本降低60%，支撑分布式电源绿证认证，预计每年释放200亿元绿电交易潜力。内蒙古电力集团等企业已基于类似原理开展行业用电量-碳排放关联分析，非金属、有色金属等高耗能产业的碳排监测效率显著提升。
2. 应对国际碳壁垒 
生态环境部2023年发布的电力碳足迹因子（0.6205kgCO₂e/kWh）与专利技术形成互补，破解了国外数据库数据滞后导致的核算虚高问题，为出口企业提供符合ISO 14067标准的核算工具。如四川、江苏等地通过电碳表试点，实现分行业碳排放可视化监测，助力企业优化生产时序以降低碳关税成本。
3. 赋能新型电力系统 
技术延展至虚拟电厂、需求响应等领域，国网福建电力基于电力数据的陶瓷行业碳排预测模型、内蒙古电力“LSTM-AdaBoost”负荷-碳排预测算法等衍生应用，正推动“电-碳”协同市场机制构建。
三、行业趋势：从技术突破到生态重构
1. 标准体系加速成型 
国家电网专利技术被纳入IEEE P2891《配电网络碳流计量导则》框架，填补国际标准空白。同期，《建立健全碳达峰碳中和标准计量体系实施方案》明确要求从“碳核算”向“碳计量”转型，电力碳足迹因子动态更新机制已常态化运行。
2. 产业链协同创新 
硬件端需配置200GFlops算力的边缘网关与低延迟通信模块；软件端融合FFT、小波变换与LSTM预测算法，实现碳势曲线高频分量处理与未来趋势推演。第三方服务机构如中节能生态已开发碳足迹穿透式评价工具，推动供应链碳管理闭环。
3. 国际竞争新赛道 
欧美碳关税倒逼下，我国电力碳足迹技术成为争夺绿色贸易话语权的关键。国网徐州供电公司通过废旧线缆拆解碳认证，实现全生命周期碳排透明化，为出口产品突破壁垒提供范例。
四、挑战与展望
尽管技术突破显著，仍需解决区域因子细化（如蒙西与沿海电网碳势差异）、国际互认机制、中小用户推广成本等问题。未来，随着数字孪生、区块链存证等技术的融合，“源-网-荷-储”全链条碳流可视化与可信追溯将成为下一阶段重点。
国家电网此项专利不仅是一项技术创新，更撬动了碳管理产业从被动核算向主动优化的范式变革。在“双碳”目标与全球绿色贸易规则重塑的双重驱动下，电力数据驱动的碳计量技术，正成为我国新型能源体系建设的核心引擎。
关于电量数据的配电网碳足迹估算方法及相关设备"专利技术说明的完整阐述：
一、技术领域
本发明属于电力系统碳足迹计量技术领域，具体涉及一种基于电量数据的配电网碳足迹估算方法及相关设备。特别适用于实时量测数据不完整的配电网系统，通过构建多维度碳势计算模型，实现对用户侧碳排放的精准溯源与动态评估。
二、背景技术
（1）行业现状分析
在全球碳中和目标驱动下，电力系统碳足迹计量已成为能源转型的核心技术需求。现有技术存在三大瓶颈：①依赖PMU等实时监测装置，但配电网量测设备覆盖率不足50%；②传统方法采用全网平均碳排放因子，无法反映电网潮流的时空差异性；③未区分固定线损与可变线损的碳排放特性，导致估算偏差超过30%。
（2）技术演进脉络
第一代技术（2010-2018）：基于SCADA系统的静态碳核算，采用年度平均排放因子；
第二代技术（2019-2022）：引入节点边际碳排因子，但需全网实时潮流数据；
第三代技术（2023）：本发明提出的动态加权碳势模型，突破数据完备性约束。
三、发明内容
1. 核心算法框架
构建三级碳势计算体系：
① 固定线损碳势：α_fix = (1/T)∫φ_1(t)dt （时段平均法）
② 用户用电碳势：α_user = [∫P_L(t)φ_1(t)dt]/[∫P_L(t)dt] （功率加权法）
③ 可变线损碳势：α_var = [∫P_L²(t)φ_1(t)dt]/[∫P_L²(t)dt] （平方加权法）
总碳足迹估算模型：
C_total = α_fix×E_fix + α_user×E_user + α_var×E_var
2. 技术创新点
（1）多时间尺度耦合：将分钟级碳势曲线与日级电量数据进行时域卷积运算
（2）损耗解耦技术：建立线损电量分解模型 E_loss = aP_L + bP_L²
（3）虚拟量测补偿：当负荷数据缺失时，采用BP神经网络补全功率曲线
3. 实施步骤详解
步骤1：数据采集与预处理
- 获取配电网首节点（110kV变电站）的碳排放强度时序数据φ_1(t)，时间分辨率≤15分钟
- 采集典型日供电量数据，分解为E_user、E_fix、E_var三部分
- 负荷功率曲线P_L(t)可通过AMI系统获取，缺失时采用负荷特性库插值
步骤2：碳势计算模块
- 固定线损碳势：对φ_1(t)进行24小时滑动平均
- 用户碳势：构造功率-碳势协方差矩阵，求解加权积分
- 可变线损碳势：采用Legendre正交多项式进行平方项积分近似
步骤3：碳足迹合成
建立三维碳势空间Ω(α_fix, α_user, α_var)，通过张量运算实现多分量耦合：
C_total = [E_fix  E_user  E_var] × [α_fix  α_user  α_var]^T × K_loss
其中K_loss为线路损耗修正系数矩阵
四、实施例分析
以某10kV馈线为例：
- 典型日供电量：E_user=52MWh，E_fix=1.3MWh，E_var=0.7MWh
- 首节点碳势曲线峰谷差达0.28kgCO2/kWh
计算结果：
α_fix=0.512，α_user=0.487，α_var=0.602
C_total=52×0.487+1.3×0.512+0.7×0.602=26.34tCO2
与传统方法相比，偏差由±35%降低至±7.2%
五、产业影响评价
（1）技术经济价值
- 使配电网碳计量成本降低60%，推动碳交易市场下沉至低压用户侧
- 支撑分布式电源碳抵消认证，预计每年可释放200亿元绿证交易潜力
（2）双碳目标支撑
- 提升电网碳排放透明度，助力构建"电-碳"协同市场机制
- 为虚拟电厂、需求响应等新型业务提供碳效评估工具
（3）标准体系建设
形成IEEE P2891《配电网络碳流计量导则》核心技术框架，填补国际标准空白
六、具体实施方式
1. 硬件配置要求
- 边缘计算网关：配置ARM Cortex-A72处理器，最小运算能力200GFlops
- 数据存储单元：支持时序数据库，读写速率≥5000点/秒
- 通信模块：兼容IEC 61850、MQTT协议，传输延迟<100ms
2. 软件算法优化
- 采用FFT+小波变换的混合算法处理碳势曲线高频分量
- 开发自适应卡尔曼滤波器消除量测噪声
- 建立碳势预测模型：φ_1(t+Δt)=LSTM(φ_1(t), P_gen(t), θ_weather)
3. 典型应用场景
（1）工业园区碳监测：实现分馈线碳排放计量
（2）电动汽车充电站：动态生成充电碳账单
（3）县域光伏消纳：量化分布式电源的碳减排贡献
七、专利保护范围
1. 权利要求书核心条款
- 供电量三分量分解模型及其数学表达
- 平方加权平均碳势的计算方法
- 多时间尺度数据融合架构
- 碳势-电量张量合成算法
2. 技术延伸方向
- 与区块链结合的碳数据存证系统
- 基于数字孪生的碳流可视化平台
- 碳势预测与需求响应的联合优化
八、结论
专利构建了"数据驱动-模型融合-场景适配"三位一体的配电网碳计量体系，攻克了海量节点碳溯源难题。经国网电科院测试验证，在80%量测缺失场景下仍能保持90%以上计算精度，为新型电力系统碳计量提供了基础性技术工具。随着碳边境调节机制（CBAM）的实施，该技术将显著增强我国在国际碳标准体系中的话语权。

关键字:   配电网碳足迹 技术突破