东南大学电力系统自动化研究所：基于电碳量化关系的低碳园区建设探索

东南大学电力系统自动化研究所Contents2双碳目标对新型电力系统提出更高要求3国家自主贡献力060年前实现碳中和•单位GDP二氧化碳排放较•非化石能源占一次能源消费l十一五规划(2006-2010)第一次提出节能减排概念，确定能源强度目标l十二五规划(2011-2015)明确了二氧化碳强度目标l十三五规划(2016-2020)确定了能耗总量和能源强度双控目标l十四五规划(2021-2025)面向碳达峰、碳中和的新目标•2030年左右达到峰值并争取达峰•非化石能源占一次能源消费中国电能传输示意图4主要能源基地与负荷中心距离约800-3000公里犁/哈密80%犁/哈密分布在西部、北部80%的煤炭资源分布在西部、南部75%的能源需求集中在中部、东部坚强主网和弹性配网的结合5电碳关系是国家双碳战略的重要基础6碳排终碳排终端碳排源碳排源头能源:40%工业：40能源:40%Contents7电力系统转型带来的变化与挑战8统生产结构、技术基础和控制基础将发生持续而深刻的变化。。控制基础生产结构控制基础生产结构新型电力系统的“变”较较长时间内维持交流惯量系统形态新型电力系统的“不变”•远距离大容量输电故障冲击大•电力系统安全基础持续削弱•电网调频调压能力持续下•远距离大容量输电故障冲击大•电力系统安全基础持续削弱•电网调频调压能力持续下降•故障引发连锁反应的风险增加•大面积停电风险增大电力供应保障难度增大电网安全控制难度增大•供电平衡仍然依赖支撑性电源•燃料供应对电力保障产生重大影响•极端天气下保障供应难度更大•负荷侧控制手段使用受限•供电不足与消纳问题并存两大核心难题：功率平衡+电网稳定9荷功率失衡来源:各类灵活负荷接入功率平衡问题荷功率失衡来源:各类灵活负荷接入手段发：新能源11复杂复杂非线性低惯性多元不确定性高维非线性动态特性复杂低惯性暂态演化迅速新能源为主体的新型电力系统高比例电力电子高比例新能源双碳高间歇性高波动性在未来配电网转虑到新型电力系统整体发展态势与城市电网特色情景，政策、与碳排放间的宏观联系；中逻辑为挖掘省能源综合转型路径、建设新型电力系统之间的宏观联系；小逻辑为挖掘新型配电网典型监测、场景之间的技术支新型配电网前瞻性技术架构电碳因子(即度电碳排放)贯穿电力发-输-变-配-用全过程源侧碳监测网侧碳分布荷侧碳优化Contents特色优势—研发优势因子的电力基因技术基于能源大数据的电网源流路径电气剖分技术、基于用户侧能碳因子的电力基因技术。 基基于能源大数据的电网源流路径电气剖分技术电碳关系在电力系统全环节的量化计算技术特点：l跨部门、跨层级、跨领域归集数据；l源网荷协同的电碳追踪、溯源与评价；l多源异构的电-能-碳融合数据模型；l基于人工智能的低碳调度决策方法。创新点：l考虑有功-无功耦合下的电网间接碳排；l挖掘电力与其他能源间的能碳映射特征；l分析多电压等级间的潮流碳流转换拓扑；l探索多电源的经济-碳排-安全调度策略。电碳关系在电力系统全环节的量化计算•降低以往有序用电经济成本•低碳用能策略不清楚•无法及时控制自身碳排•降低以往有序用电经济成本•低碳用能策略不清楚•无法及时控制自身碳排政•不区域碳排放情况•不明确双碳推进重点方向•无法帮助耗能企业绿色低碳转型电力数智平台双碳大脑内部自循环能碳建设设••缺少新能源发电规划的低碳依据•低碳调度策略不明确•未构建符合需求的能碳指标体系外外部大循环调度落地碳用电扑理“成据采集电调度据分析据可视化双控迹追踪碳排监控实景地图综合分析源-荷分析荷-源分析双向追踪碳足迹追踪能碳画像碳足迹追踪能碳预测算法平台碳足迹追踪指标监测评价系统碳足迹追踪调控策略系统成据采集电调度据分析据可视化双控迹追踪碳排监控实景地图综合分析源-荷分析荷-源分析双向追踪碳足迹追踪能碳画像碳足迹追踪能碳预测算法平台碳足迹追踪指标监测评价系统碳足迹追踪调控策略系统技术数据技术框架平台微服务治理平台据智能平台据集成平台采集与清洗：抽取、转换、重构、聚集、流程监控、实施挖掘发现与分类：识别、关联、建模、脱敏、质量监控、分级分类据库知识库调度策略碳排双控策略有序用电规则插件式接口引擎数据因子据策略接口电碳数智大脑三级指挥体系基基于自主知识产权技术直观掌握电网碳排放态势。实现对不同区域电网碳流的有效追踪，针对区域用电差异特征构建碳排指标与碳排拓扑。辅助电网及用能侧低碳调控。流向。与辅助策略。碳排情况。降低碳排放总量和碳排放强度。辅助。电碳数智大脑：多目标低碳调度体系以电网运行成本最小、碳排放量最低为调控目标；通过对传统有功源、无功源的调控；来增加电源侧新能源消纳以电网运行成本最小、碳排放量最低为调控目标；通过对传统有功源、无功源的调控；来增加电源侧新能源消纳，平衡新能源功率波动性与不确定性；平衡负荷的随机性给电网带来的冲击。提出的调控辅助策略如下。电碳数智大脑场景应用在在能碳全生命周期研究路线中，以信息感知测量体系为基础，分析主要能源产品从生产、加工、转换、传输、利用等过程中的能-碳映射关系，从而构建高分辨率时空耦合的碳足迹追踪模型，实现了配电网范围内多能耦合的碳足迹实时高精度追踪。初步形成的技术路线包括：Ø基于电气剖分的电网碳足迹追踪实景地图Ø基于电-碳联合市场的电网减排路径研究Ø基于电-碳时空耦合的电网低碳调度控制技术Ø发电厂碳排放实时计算分析技术基于电气剖分的电网碳流追踪技术已在南京江北新区进行了应用与展示。电-碳联合市场减排路径和电“神探”电网低碳调度智能辅助决策平台中进行了应用与展示。发电厂碳排实时计算技术已在福建“东南能源大数据中心”碳流计算与分析平台中进行了应用与展示。Contents电碳数智大脑场景应用基于能源大数据的园区电碳协同技术及示范应用•碳监测功能模块•碳评价功能模块•数字推演功能模块•工业企业•公共事业•商业综合体•居民小区•政府侧•园区侧•企业侧代表性成果主要包括：•电力数智平台双碳大脑 (应用于常州、南京、浙江、福建等区域电网)•面向低碳园区与企业的碳精灵系统代表性成果主要包括：•电力数智平台双碳大脑 (应用于常州、南京、浙江、福建等区域电网)•面向低碳园区与企业的碳精灵系统•基于电-碳时空耦合的电网低碳调度控制技术•发电厂碳排放实时计算分析技术•乡村振兴—红色金寨新型电力系统示范区建设能源降碳领能源降碳领域将电碳量化关系应用于综合能源网络，分析电气冷热等多能源的能源转换关系与碳排传递关系。实现了包含不少于三种能源形式的降碳技术示范应用，追溯周期小于15分钟，实现园区内高碳排能源实现“绿色替代”与“电能替代”。图：溧阳高新区碳足迹追踪地图代表性成果主要包括：•工业企业绿色制造转型路径与核心技术•代表性成果主要包括：•工业企业绿色制造转型路径与核心技术•用能设备智能碳排放监测终端与控制系统开发•厂矿企业碳排放分析与管控技术研究•江苏金源高端装备股份有限公司智慧用能建设•溧阳市高新区能碳协同指挥系统工工业降碳领域将将电碳量化关系推广至钢铁、化工、新能源装备制造等重点碳排放工业企业，提出了企业全过程的降碳潜力评估技术，生成精益化的企业碳排放管控策略。技术支撑体系碳排放核算技术数据挖掘分析技术平台支撑技术...技术支撑体系碳排放核算技术数据挖掘分析技术平台支撑技术...碳测算方法学电-碳分析模型核心电-碳一张图模型能-碳分析模型“双碳”监测服务中心监测区域碳排放监测行业碳排放监测用服务碳足迹碳标签绿色金融碳交易......平台运营中心用户运营业务运营产品运营数产运营平台运行维护…“双碳”数据汇聚共享中心电力数据能源数据经济数据.数据管理标准标准规范体系平台开发规范服务应用规范…碳排放核算标准测服务平台，研究1套“碳核算方法”，建设“双碳”数据汇聚共享、监测服务、平台运营3个中心，构建技术、安全、标准3个支撑体系。全全国碳排放监测服务平台与展示化展示安全保障安全保障体系安全运营安全技术安全管理…建筑降碳领域应用建筑降碳领建筑降碳领域基于电碳量化关系，实现对建筑综合能源系统用能方式、用能设备和用能过程的完全掌握，完成了不少于五处代表性建筑代代表性成果主要包括：•园区碳足迹评价理论与方法•高淳零碳园区示范工程建设•基于电力基因的能耗管控系统•基于构件循环利用的建筑设施全生命周期碳排放计算•溧阳上兴牛马塘零碳建筑示范工程•溧阳高新区幸福公寓绿色安全用能改造项目图：2022中国国际太阳能十项全能竞赛第二名作品东南大学SolarArk3.0(阳光方舟之家)代表性成果主要包括：•基于路网耦合的电动汽车最优出行理论•光储充一体化园区智慧交通示范工程•电动汽车储能健康状态无线监测方法•代表性成果主要包括：•基于路网耦合的电动汽车最优出行理论•光储充一体化园区智慧交通示范工程•电动汽车储能健康状态无线监测方法•溧阳高新区创智园电动汽车充电桩数据接入及智慧管控项目交通降碳领交通降碳领域基于电碳量化关系，分析“车网”、“路网”、“船网”的互动机理，实现对城市交通路网与电网形成的耦合网络的整体碳排放进行量化计算。辅助当地交通管理部门建成具有代表性的低碳交通-能源综合枢纽。 图：基于路网耦合的多交通方式低碳优化布局空间电网×能源网电网×算力网电网×交通网•2021年，我国数据中心耗电量占全社会用电量的2.6%，碳排放量占比约1.14%。空间电网×能源网电网×算力网电网×交通网•2021年，我国数据中心耗电量占全社会用电量的2.6%，碳排放量占比约1.14%。•2022年，我国规划10个国家数据中心集群，“东数西算”工程正式全面启动。电网×碳流网费占全社会6~8%。•目前EV可控负荷潜力可达1亿千瓦。电网×通信网•排放力争于2030年前达到碳排放峰值，努力争取2060年前实现碳中和。•碳达峰时，火力发电碳排放约47吨。年，通信能耗占电力消费21%。•5G能耗为4G的4~9倍。电力网能源网交通网算力网通信网碳流网电网与多网的时空交互特性气、冷/热、氢气、可再生能源等。约30%。超6000亿千瓦时。毫秒分钟小毫秒分钟小时秒天基于能源大数据的园区电碳协同技术及示范应用※※碳监测功能模块双双碳智慧园区参与行业能源交通工业建筑农业…双碳智慧园区流动要素电气热碳信息道路自然能源(风：光)…包含全行业、全流动要素的双碳智慧园区碳监测模块碳评价体系—碳精灵码通过企业碳效水平和强度水平的智能对标，自动产生企业碳效标识，形成差异化碳效等级，碳发展指数将节能减碳压力和动力精准传递到行业企业，形成一批行业标杆企业和行业标杆指标。水平评价∶根据碳效值大小以五色五级碳效等级，有效评价企业在所处行业的碳效水平。强度评价∶根据企业周期内单位增加值碳排放量业在全部规下企业所处的碳效水平。率数值对灰色圆圈进行着色，着色颜色为绿色，形象展示企业碳中和进程。碳发展评价：指企业本年度相对于上年度的每万元生产总值的碳排放量下降情况，是企业减排温室气体、发展低碳经济的最直观表现。强度评价(三级)企业在行业的碳效水平企业碳中和水平行业评价(五级)企业在行业的碳效水平碳发展指数企业发展减排的水平数字推演模块基基于园区碳监测和碳核算数据，构建电碳仿真孪生数据映射及孪生场景，实现支持场景灵活构建的多颗粒度电碳协同数字仿真。解决规规划分析难量化计算难成效评估难优化完善手段匮乏数字推演模块储蓄储蓄冷蓄热蓄电荷冷制冷机组三联供光伏发电源网热暖电能能源微网负荷预负荷预测基于大数据分析及机器人学习的用户侧负荷预测，分为及时预测 测)、长期预测(天预测)，预户典型工况下的负荷情况模式优化积累多能互补运行数据、系统自动尝试各种能源组合运用的用户情况与系统效果，寻找不同工况下的最优组合与最节能组合，满用户高效运行及节能需求需求响应基于负荷预测及用户性能需求的需求侧响应，柔性调节用户侧负载，在用能高峰有效保障园区重点用能，减少调峰对用户侧的影响行为分析办公行为、生产行为、生活础未来态的电量、碳排量、状未来态的电量、碳排量、状态量信息以及环境预测数据“微网级-台区级-楼宇级”多颗粒度的电碳仿真“过去-现在-未来”时态的电碳仿真“分钟级-小时级-天级”多尺度的电碳仿真基于、改以及封装等空间维度的仿真新能源在不同时间尺度的节电量、节碳量和标煤折算量场景总体的能效提升率、节新能源在不同时间尺度的节电量、节碳量和标煤折算量场景总体的能效提升率、节电量和节碳量多场景的综合能源信息以及碳排放量和度电碳排放“电动溧阳”高品质县域城市全电全电文旅碳共节能溧阳全电智慧港口传统电厂岸电电源6.6kV60Hz采矿船岸电箱…络优化龙门吊传输带配电箱配电台区配电箱…照明办公楼电动汽车传统电厂岸电电源6.6kV60Hz采矿船岸电箱…络优化龙门吊传输带配电箱配电台区配电箱…照明办公楼电动汽车配电箱港区供电系统节能及智能化10kV/220kV港区变电站新能源电厂与接入控制港区配电系统400港区配电系统400V50Hz440V60Hz岸电箱6岸电箱6kV50Hz客船速补偿理制改造用配电台区…充换电装置…溧阳城市级虚拟电厂方案建设溧阳虚拟电厂管理平台接受溧阳政府管理建设溧阳虚拟电厂管理平台接受溧阳政府管理，溧阳供电公司负责日常运营，主要负责虚拟电厂管理平台的建设和运行维护，组织开展虚拟电厂用户注册、资源接入、调试管理、接收和执行需求指令、响应监测、效果评估等工作。ØØ平台广泛聚合储能、空调管控、充电桩管控、主体需求的市场化服务系统；现负荷精准调控和快速响应，是保障电力供需平衡的负荷管理与响应的实时系统；服务交易、能效碳效分析等多元服务，是新型的供用电关系和能源生态的重要载体。0示范应用—溧阳高新区双碳示范园区1微网园区场景应用一理入口细化用电智慧车联网统示范应用微网园区场景应用一理入口细化用电智慧车联网统示范应用2用户层应用模块业务中台数字基建数字底座C耗分析碳分析分析电分析心人行车行安防监控电子巡更门禁梯控用户层应用模块业务中台数字基建数字底座C耗分析碳分析分析电分析心人行车行安防监控电子巡更门禁梯控步道照明绿植浇灌服务融合中心服务⼯单信息中心分级管理评价体系数字管家计缴费服务连接服务安全加密接口协议设备管理设备状态管理边缘计算设备配置管理设备控制管理边缘网关决策析场场景互动中心动线追踪行为识别防灾告警访客自助资产定位主动节能H5端H5端热力图趋势图知精准节能中心精准节能中心组态⼯具授权许可效能评估⽅案设计运维平台即时消息统接口A.I视觉A.I.⼤数据⽤户画像语⾳A.I.知识图谱A.I机器⼈行为管理行为管理基本行为识别行为组合安防传感区域管理空间定义管理设备基本组态管理通信接入低功耗无线通信接入用能计量储能充电伏储能充电伏…远距离无线通信接入用能控制供暖…有线通信接入行为采集照度人体感知气象示范应用3生产制造园区生产制造园区物流仓储型园区商务办公型园区产产城融合型园区特特色功能型园区工业：金源锻造建筑：晶桥镇零能耗建筑商业：潘多拉美食城园区：中关村创智园农业：白马基地示范应用：光储充一体化控制456民服务级诊疗准扶贫治理数字化、智能化转型民服务级诊疗准扶贫治理数字化、智能化转型服务业RVR能制造源台发展数字经济和实现“双碳”目标具有内在一致性，以数字经济发展作为推动双碳建设发展的强大牵引力，是研究院平台体系建设的重要思路。该中心是在长三角一体化及双碳发展大背景下，由华为云计算技术有限公司、东南大学溧阳研究院及江苏省溧阳高新技术产业开发区三方共同探索建设，预计总投入达3000余万元。该平台旨在为溧阳高新区企业提供云计算、大数据、工业互联网、物联网、人工智能等技术服务，助力区内企业数字化转型，为推进2035年远景发展目标和“30/60”碳减排目标实现提供数字化技术支撑。政府据共享开放流程再造公开透明精准科学能AR/VR能连续17年软件百强第一名城市产业云城市产业云(黑土地)——计算、存储、网络、安全、平台，构筑智能世界的“黑土地”共生、共赢，开放全球创新、营销和服务能力平台AI7大棚/温室综合节能12%办公设备综合节能17%物联网开关智能插座N带漏电保开关模块3P+N物联网空开护湿帘风机喷头热水壶监控大棚/温室综合节能12%办公设备综合节能17%物联网开关智能插座N带漏电保开关模块3P+N物联网空开护