01 特高压交流工程减碳作用机理分析
1.1 特高压交流工程减碳作用途径
目前，中国已建成“十四交十二直”特高压工程，初步构建了特高压交直流混联的网架结构。特高压交流工程具有输送容量大、覆盖范围广、网络损耗小、走廊占地少、联网能力强等技术优势，能依据电源分布、负荷位置、电力传输需求等实际情况进行多点汇集与电能分配，有效提升区域电力交换能力，推进跨省跨区电力余缺互补。特高压交流工程减碳作用途径如下。
1）输送清洁能源电量，提升负荷区域电力消费清洁化水平。特高压交流工程能够凭借多点汇集与大范围调配的技术优势，对多种能源资源进行集约化、综合化开发利用，提升跨区电力交换、水火互济、风火互济能力。特高压交流工程建成投运能够促使区域电网与特高压交流线路相连，为电力资源在更大范围内的优化配置铺平了道路，为水电、核电、风电等清洁能源丰富地区向省外地区输送进行区域电力交易创造了良好的环境。从负荷区域角度分析，特高压交流工程接入导致负荷区域部分负荷需求将由特高压工程替代本地化石能源电源进行供应。由于特高压交流通道输电量中新能源电量占比较高，其接入将提高负荷区域电力消费清洁化水平，实现新能源电量对负荷区域火电电量的替代。
2）构建坚强交流网络，实现直流工程大规模输电。当前，中国特高压交直混联电网逐步发展并初具规模，但由于特高压交流工程建设相对于滞后直流工程，电网运行特性正逐渐发生变化，给系统稳定运行带来安全隐患。一方面，直流系统在进行逆变交流时极易因交流电压支撑不足而导致换相失败，引发潮流穿越，严重时还会导致直流系统闭锁。构建坚强的特高压交流网架能有效疏解特高压直流送电功率，增强省间电力交换能力，避免潮流穿越，维护馈入端电压与功率的稳定性。另一方面，在京津唐、长三角等经济发达的东部地区电网，短路电流超标问题时常发生。特高压交流工程建设将有助于推进此类区域电网的解环和分片运行，增强省间电力交换，维护系统稳定运行。因此，特高压交流工程可更好实现网络互联，提高电网供电的安全稳定性，提升直流工程跨区跨省输电功率，促进新能源消纳。
1.2 碳减排量化边界条件
特高压交流工程投运有效解决了区域间电力电量平衡难题，利用区域间发电特性与负荷需求特性差异，改善电能质量，消纳更多波动性电源。本文以特高压的投产运行阶段为边界，研究特高压交流工程在投产运行阶段的减碳效益。从整体角度来看，特高压交流工程运行阶段减碳成效主要来自多消纳的可再生能源电量对煤电发电量的替代。特高压交流工程的接入相当于新增虚拟电源，由于该虚拟电源发电量波动性较低，且清洁化程度较高，因此在电力终端消费时优先选择特高压交流工程传输电量，这将挤占原有煤电机组的发电空间，避免负荷区域为满足日益增长的负荷需求对煤电机组装机容量进行不合理扩张。煤电机组发电量的减少必将伴随着碳排放量的减少，区域电网减碳成效亦由此可见。
受端区域电网碳排放增加与否主要受送端区域配套清洁能源装机容量与外送电量的影响。当工程处于投产初期，配套清洁能源装机发展尚不完全，特高压交流工程对接入区域发电结构优化的效益尚不明显，工程投运带来的新增电量需求仍靠部分化石能源发电机组满足，此时可能导致化石能源出力和区域碳排放增加。同时，随着电源区域外送电量增加，化石能源发电量增长更为明显。
本文针对投产运行阶段特高压交流工程给负荷区域带来的减碳效益进行量化，考虑电源区域装机结构与外送电量对特高压交流工程碳减排效益的影响，构建碳减排量测算模型，以此明确特高压交流工程在促进区域碳减排中做出的贡献。
02 区域碳减排成效测算与分摊模型
2.1 基本思路
无论是输电还是联网，在配套高比例清洁能源的情况下，特高压交流工程都发挥了促进负荷区域碳减排的作用。然而，电源侧、负荷侧、直流输电工程等其他主体同样发挥了不可替代的作用。此时，为计算特定特高压交流工程的减碳效益，需要准确衡量不同主体的贡献，根据贡献结果对特高压交流工程的减碳量进行分摊计算。首先，对不同时段电力潮流分布进行时序模拟计算，研究通道输电潮流占送受断面总体潮流比例的变化趋势；其次，对电源侧区域开展电量平衡分析，评估区域的年输送电量能力，结合区域电量供应结构，计算工程输送的清洁电量；最后，结合发电煤耗数据及碳排放因子，测算区域碳减排成效，根据贡献度量化特高压交流工程的减碳效益。
2.2 模型构建
2.2.1 时序生产模拟模型
根据风电、光伏、负荷年度数据，考虑机组发电约束与运行条件，选择时序生产模拟方法，以每小时为单位模拟系统真实运行情况。
为在电网安全稳定基础上最大程度消纳新能源，时序生产模拟以运行时间内新能源出力最大为优化目标，即
在进行时序生产模拟时，主要的约束条件有电力电量平衡约束、旋转备用约束、机组爬坡约束、新能源机组出力约束、断面约束等。
2.2.2 区域减碳成效测算模型
1）输电作用下区域减碳效益测算。
通过计算某一年特高压交流工程输电量中非化石能源电量占比和负荷区域电力系统中非化石能源电量占比的差值，结合该年特高压交流工程输送电量，可以得到特高压工程带来的负荷区域非化石能源电量消费增量，该部分增量即为该年负荷区域化石能源少发电量。进一步结合各类型电源的发电煤耗和煤炭的排放因子，可以测算出特高压交流输变电工程负荷区域的减碳量，即
2.3 区域碳减排效益分摊测算
区域碳减排不仅仅是特高压交流工程、直流工程乃至电网侧单独的作用，而是源网荷协同作用结果。在特高压交流工程输电作用下，电源、特高压交流通道、负荷作为一个整体，促进负荷区域CO2排放量减少；在联网作用下，特高压交流工程不接入电量，此时主体为电源、特高压直流通道、特高压交流通道、负荷等。如何界定源网荷各自的贡献，从而刻画每一类因素在促进区域碳减排中的作用是开展分摊计算的根本所在。
Shapley值法是解决共同作用下收入分配的一种博弈方法，能够实现主体收入与贡献度相匹配。本文并不考虑源网荷在促进区域碳减排中的收入分配，而是考虑每个因素对可提升消纳清洁电量的贡献大小，结合区域碳排放减少量，得到减碳效益，具体表达式为
03 算例分析
本文以某省“北电南送”特高压交流工程为例，对其助力区域碳减排成效进行分析与测算，为电网工程碳减排成效量化及碳资产管理提供参考借鉴。该特高压交流输变电工程长2×238 km，能够显著提高“北电南送”断面送电能力，突破清洁能源南北逆向分布格局，满足省内北部电源送出及南部负荷持续快速增长的需求。
3.1 区域碳减排测算及分摊流程
区域减碳成效测算需要特高压交流工程的非化石能源输电量数据、电源区域电力系统发电结构数据、发电煤耗数据以及碳排放因子数据。具体测算步骤如图1所示。
图1 区域碳减排分摊计算流程
Fig.1 Calculation process for regional carbon emission reduction allocation
3.2 算例设置
假设该省南部电力需求由南部装机与北部输电满足，由于特高压通道年输电量与省间电量交换密切相关，该省外送年电量越大，该特高压通道年输电量越小。结合该省电力发展规划和电力外送情况，假设3个场景：不外送、外送100亿kW·h、外送150亿kW·h，选取2025年和2030年为典型年。
根据本文提出的输电作用与联网作用下2种区域减碳效益测算模型，设定不同算例如下。
算例一：输电作用下区域碳减排测算，本算例中特高压交流工程通过输送清洁电量促进南部负荷区域碳减排。
算例二：联网作用下区域碳减排测算，本算例中特高压交流工程通过构建坚强网架助力直流工程输送清洁电量促进南部负荷区域碳减排。
3.3 区域减碳结果计算
参考该省能源发展规划，对不同季节、不同时段下电力潮流分布进行模拟计算，研究特高压交流通道输电潮流占该省“北电南送”断面总体潮流比例的变化趋势，如表1所示。无论是从典型高峰日当天的不同时段来看（高峰、低谷、腰荷），还是从相同年份下不同方式来看（夏季、汛期、夏季风电大发），特高压通道和500 kV通道潮流占比变化均较小。“十四五”期间，该特高压通道转移潮流占整个北电南送通道电力流的比例约为30%，至2030年，考虑核电接入，进一步发挥特高压通道的送电能力，特高压通道转移潮流占整个北电南送通道电力流的比例约为42%。
表1 北电南送断面特高压通道和500 kV通道潮流分布
Table 1 Power flow distribution of UHV and 500 kV channels at the north-south power transmission section
3种场景下电源区域2025年和2030年发电结构模拟结果如图2所示。
图2 典型年省内北部发电结构模拟结果
Fig.2 Simulation results of power generation structure in the northern part of the province in typical years
通过特高压交流通道输电潮流占该省北电南送断面潮流比例，评估特高压通道年输电量。结合北部电源区域电量供应结构，尤其是非化石电源发电量占比，计算出特高压通道的年非化石输电量，结果如表2所示。
表2 北电南送断面和特高压通道的典型年输电量
Table 2 Typical annual transmission capacity of the north-south power transmission section and UHV channel
测算负荷区域减碳量须对负荷区域发电结构进行计算。根据2021年该省电网发电结构数据，结合发展规划，展望2025年和2030年全省各类型装机发电量的数据，进一步对南部发电数据进行预测，如表3所示。
表3省级电网南部发电量展望
Table 3Prospects for southern power generation of provincial power grid
基于预测数据与区域碳减排测算公式，结合发电煤耗数据与碳排放因子数据得到特高压投产后该省南部负荷地区减碳量，其中发电煤耗数据取自《2021年中国电力统计年鉴》。结果如图3所示。
图3 特高压接入后负荷地区减碳量
Fig.3 Carbon reduction in load areas after UHV connection
在2025年，特高压交流工程对负荷区域发电量的替代将产生较为明显的减碳成效。随着省间传输电量的提高，特高压交流工程对负荷区域的减碳量将随之减少。在3种场景下，特高压交流输工程将分别使负荷区域碳排放减少409万t、346万t和312万t，预计占当年该省发电碳排放总量的3.0%、2.5%和2.2%。
在2030年，随着特高压交流工程输送电量中清洁电量占比的进一步提高，其对负荷区域的减碳成效将更为明显。在3种场景下，特高压交流工程将分别使负荷区域碳排放减少1018万t、881万t和822万t，预计占当年该省发电碳排放总量的8.3%、7.0%和6.5%。
3.4 特高压交流工程分摊结果计算
3.4.1 输电作用下分摊结果
以不外送为例，通过对比2025年与2030年该省电源区域发电结构、特高压交流通道输电能力、负荷地区增长情况，进行减碳效益分摊计算。电源侧变化为清洁能源占比提高，电网侧变化为特高压工程输电能力提升，负荷侧变化为负荷增长，当特高压工程不参与输电时，电源区域能够通过500 kV线路进行输电。根据电源侧、电网侧、负荷侧三方面因素发挥作用与否共确定8种联盟：联盟1为各项因素均不发生变化，即2030年与2025年一致；联盟2、3、4为只有单一因素发挥作用的过渡联盟；联盟5、6、7为2种因素联合作用的过渡联盟；联盟8为3种因素全部作用的联盟。各联盟详细描述如表4所示。
表4 输电作用下联盟主体组合情形
Table 4 The combination of alliance entities under the influence of transmission
通过计算不同联盟下对区域碳减排的促进能力，将联盟2~8与联盟1进行对比，得到不同联盟下对区域消纳清洁电量的提升程度，结合区域碳排放减少量，可得到子联盟的减碳效益。各联盟主要参数变化量和消纳能力计算结果如表5所示。
表5输电作用下不同联盟消纳能力
Table 5Dissipation capacity of different alliances under power transmission
以网侧为例进行减碳量分摊计算，其中，包含网侧的联盟主要有{网}{源网}{网荷}{源网荷}，计算得到Shapley值各参数的结果如表6所示。
表6输电作用下Shapley值计算结果
Table 6Calculation results of Shapley value under transmission action
同理可计算电源与负荷减碳收益的Shapley值，联盟中电源侧与负荷侧在提升消纳清洁电量分别为163亿kW·h和60亿kW·h，与{源网荷}联盟消纳电量一致。对于{源网荷}联盟整体来说，联盟合作所获收益等于各个参与主体所获得的收益之和，满足集体理性；在特高压交流工程接入下，各参与主体合作所获收益大于单独所获收益，满足个体理性；若将总联盟{源网荷}分成m个不相交的小联盟，总联盟合作收益要优于m个小联盟的收益总数，满足超可加性。根据计算结果，电源装机变化、特高压交流工程、负荷侧电量增长对区域碳减排的贡献分别为55.01%、24.78%、20.21%，分别促进区域碳减排335万t、151万t、123万t。对外送100亿kW·h、外送150亿kW·h场景下各主体减碳收益进行计算，得到结果如图4所示。
图4 输电作用下区域减碳效益分摊计算结果
Fig.4 Calculation results of regional carbon reduction benefits allocation under the influence of power transmission
在输电作用下，对于特高压交流工程来说，只有同时连接电源侧与负荷侧时，才能发挥作用，而电源与负荷可以通过就地消纳的形式，促进区域碳减排。此时，特高压交流工程对区域碳减排的贡献受到影响，负荷区域就地消纳的清洁能源越多，特高压交流工程减碳效益越有限。
3.4.2 联网作用下分摊结果
假设该省“北电南送”由特高压直流工程承担，负荷地区由特高压交流工程进行疏解，利用时序生产模拟模型进行模拟计算，特高压交直流工程输电量如表7所示，电源侧与负荷侧模拟结果不变。
表7 特高压直流工程输送电量
Table 7 Transmission capacity of UHV DC project
仍以不外送为例，通过对比2025年与2030年的电源地区清洁电量变化、特高压交流工程对输送电量的提升能力、负荷增长情况，对各个参与主体的减碳效益进行分摊计算。各联盟详细描述如表8所示。
表8联网作用下联盟主体组合情形
Table 8The combination of alliance entities under the role of networking
各情形主要参数变化量和消纳能力计算结果如表9所示。
表9联网作用下不同联盟消纳能力
Table 9Different alliance absorption capabilities under the influence of networking
利用Shapley值法计算得到电源侧、特高压交流工程、负荷侧在提升消纳清洁电量分别为46亿kW·h、163.5亿kW·h和60.5亿kW·h，对区域碳减排的贡献分别为60.56%、17.03%、22.41%，分别促进区域碳减排368万t、104万t、137万t。对外送100亿kW·h、外送150亿kW·h场景下各主体减碳收益进行计算，得到结果如图5所示。
图5联网作用下区域减碳效益分摊计算结果
Fig.5Calculation results of regional carbon reduction benefits allocation under the influence of networking
在联网作用下，特高压交流工程可明显促进特高压直流工程输电能力提升。然而，从特高压交流工程视角来看，不同于输电运行状况，由于特高压交直流工程共同发挥作用，在联网状况下单独计算特高压交流工程对区域减碳的贡献时，可以发现其作用弱于负荷增长。
04 结论
考虑特高压交流工程在促进区域碳减排方面的作用，本文提出了一种基于时序生产模拟的区域碳减排测算及分摊模型。利用潮流分析及模拟计算得到特高压交流工程运行中的清洁能源电量，结合碳排放因子与装机结构计算得到工程带来的区域减碳效益后，采取Shapley值法根据贡献值计算工程的减排效益，从而实现对单项工程碳减排效益的科学计算。
算例表明，特高压交流工程能够通过影响清洁能源消纳与终端电能替代等方面来减少碳排放，电源侧电量外送与负荷侧清洁能源就地消纳比例越高，特高压交流工程的减碳效益越不明显。对于区域减碳贡献来说，电源装机结构变化对区域碳减排的影响最大，各个场景下占比均达到55%以上。不同运行状况下特高压交流工程对区域碳减排的贡献不同，输电作用下特高压交流工程贡献占比在25%左右，负荷侧变化贡献占比20%左右；联网作用下特高压交流工程贡献占比17%左右，负荷侧变化占比22%左右，电源装机结构变化占比60%左右。由于实际运行数据所限，本文在现有交流工程的基础上，对联网作用下特高压直流工程运行数据进行模拟，利用实际数据明确联网作用下特高压交流工程乃至电网工程对区域碳减排的贡献是后续研究的重点。
