计及复合碳泄漏效应的电力系统双层规划

林雨洁; 张笑演; 熊厚博; 乔艺林; 石浩杰; 郭创新

doi:10.7500/AEPS20230622001

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

计及复合碳泄漏效应的电力系统双层规划

碳达峰·碳中和与电力能源转型 | 更新时间：2025-06-16

- 计及复合碳泄漏效应的电力系统双层规划
- Bi-level Planning of Power System Considering Hybrid Carbon Leakage Effect
- 电力系统自动化 2024年48卷第12期页码：1-13
- 作者机构：
  
  1.浙江大学电气工程学院，浙江省杭州市 310027
  2.国网浙江省电力有限公司嘉兴供电公司，浙江省嘉兴市 314000
- 作者简介：
  
  林雨洁(2000—)，女，硕士研究生，主要研究方向：综合能源系统低碳优化规划、调度技术。E-mail：yujie_lin@zju.edu.cn
  张笑演(1998—)，男，硕士研究生，主要研究方向：综合能源系统优化调度、规划技术。E-mail：22010015@zju.edu.cn
  熊厚博(1999—)，男，博士研究生，主要研究方向：可再生能源并网、综合能源系统优化调度。E-mail：houboxiong@zju.edu.cn
  郭创新（1969—），男，通信作者，博士，教授，主要研究方向：能源互联网运行与规划、风险调度、新能源接入。E-mail：guochuangxin@zju.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(U22B2098)
- DOI：10.7500/AEPS20230622001
  中图分类号：
- 收稿：2023-06-22，
  
  修回：2023-11-15，
  
  网络出版：2024-03-11，
  
  纸质出版：2024-06-25
- 稿件说明：
移动端阅览
林雨洁,张笑演,熊厚博等.计及复合碳泄漏效应的电力系统双层规划[J].电力系统自动化,2024,48(12):1-13.

LIN Yujie,ZHANG Xiaoyan,XIONG Houbo,et al.Bi-level Planning of Power System Considering Hybrid Carbon Leakage Effect[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(12):1-13.
林雨洁,张笑演,熊厚博等.计及复合碳泄漏效应的电力系统双层规划[J].电力系统自动化,2024,48(12):1-13. DOI： 10.7500/AEPS20230622001.

LIN Yujie,ZHANG Xiaoyan,XIONG Houbo,et al.Bi-level Planning of Power System Considering Hybrid Carbon Leakage Effect[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(12):1-13. DOI： 10.7500/AEPS20230622001.

摘要

“双碳”目标下，不对称碳监管政策在电力行业低碳转型路径中引发的强、弱复合碳泄漏效应需要引起关注。针对单边碳减排政策在电力系统中的影响，结合边际电价理论构建了考虑输电网级能源网架扩展与配电网级能源枢纽负荷行为的电力系统双层规划模型。首先，在上层能源网架规划中分析线路扩展带来的弱碳泄漏效应，通过拉格朗日乘子求解电网边际电价，在此基础上计及强碳泄漏效应影响下的负荷转移行为，建立下层能源枢纽经济规划模型；其次，分析碳泄漏的成因并提出缓和手段，建立对应模型；然后，提出电力系统双层低碳规划的求解流程，并设计提升双层规划收敛性的二分启发式方法；最后，在改进的IEEE 12节点系统与改进的IEEE 236节点系统中进行仿真，分析碳价格与碳泄漏缓和手段对碳泄漏效应的影响，算例结果验证了碳泄漏的形成渠道与影响。分析免费碳配额或碳排放关税对碳泄漏效应的缓和作用与风险，同时，研究双层规划模型收敛性，可为电力系统低碳转型路径中开展合理碳监管提供参考。

Abstract

Under the goals of carbon emission peak and carbon neutrality

the strong and weak hybrid carbon leakage effect caused by asymmetric carbon regulation policies in the low-carbon transition path of power industry needs to be paid attention to. Aiming at the influence of unilateral carbon emission reduction policy in power system

a bi-level planning model of power systems considering the energy network expansion at transmission network level and the load behavior of energy hubs at distribution network level is constructed based on marginal electricity price theory. Firstly

the weak carbon leakage effect caused by line expansion is analyzed in the upper energy network planning

and the marginal electricity price of power grid is solved by Lagrange multiplier. On this basis

the economic planning model of the lower energy hub is established considering the load transfer behavior under the influence of strong carbon leakage effect. Secondly

the causes of carbon leakage are analyzed

mitigation measures are proposed

and the corresponding models are established. Then

the solution flow of the bi-level low-carbon planning for power systems is proposed

and a binary heuristic method is designed to improve the convergence of bi-level planning. Finally

the simulation is carried out in the modified IEEE 12-bus system and the modified IEEE 236-bus system to analyze the influence of carbon price and carbon leakage mitigation measures on carbon leakage effect. The case results verify the formation channel and influence of carbon leakage. The mitigating effect and risk of free carbon quota or carbon emission tariff on carbon leakage effect are analyzed

and the convergence of bi-level planning model is studied

which can provide reference for rational carbon regulation in the low-carbon transition path of power systems.

关键词

Keywords

references

卓振宇，张宁，康重庆，等 . 面向双碳目标的电力系统规划方案量化归因分析方法［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 2 ）： 1 - 14 .

ZHUO Zhenyu ， ZHANG Ning ， KANG Chongqing ， et al . Quantitative attribution analysis method of power system planning scheme for carbon emission peak and carbon neutrality goals ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 2 ）： 1 - 14 .

张笑演，熊厚博，王楚通，等 . 基于最优出力区间和碳交易的园区综合能源系统灵活经济调度［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 16 ）： 72 - 83 .

ZHANG Xiaoyan ， XIONG Houbo ， WANG Chutong ， et al . Flexible economic dispatching of park-level integrated energy system based on optimal power output interval and carbon trading ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 16 ）： 72 - 83 .

LIU T ， GUAN X Y ， WEI Y G ， et al . Impact of economic policy uncertainty on the volatility of China’s emission trading scheme pilots ［J］. Energy Economics ， 2023 ， 121 ： 106626 .

夏西强，李梦雅，路梦圆 . 碳减排政策对授权再制造影响的对比研究［J］. 系统工程理论与实践， 2023 ， 43 （ 5 ）： 1380 - 1395 .

XIA Xiqiang ， LI Mengya ， LU Mengyuan . Comparative study on the impact of carbon emission reduction policies on authorized remanufacturing ［J］. Systems Engineering-Theory & Practice ， 2023 ， 43 （ 5 ）： 1380 - 1395 .

HUANG W Q ， WANG Q F ， LI H ， et al . Review of recent progress of emission trading policy in China ［J］. Journal of Cleaner Production ， 2022 ， 349 ： 131480 .

彭静，王军，亓富军，等 . “双碳”目标下配电网多阶段扩展规划［J］. 电力系统保护与控制， 2022 ， 50 （ 7 ）： 153 - 161 .

PENG Jing ， WANG Jun ， QI Fujun ， et al . Multi-stage expansion planning of a distribution network with double-carbon policy ［J］. Power System Protection and Control ， 2022 ， 50 （ 7 ）： 153 - 161 .

TAO Y C ， QIU J ， LAI S Y ， et al . Carbon-oriented electricity network planning and transformation ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2021 ， 36 （ 2 ）： 1034 - 1048 .

周天睿，康重庆，徐乾耀，等 . 电力系统碳排放流分析理论初探［J］. 电力系统自动化， 2012 ， 36 （ 7 ）： 38 - 43 .

ZHOU Tianrui ， KANG Chongqing ， XU Qianyao ， et al . Preliminary theoretical investigation on power system carbon emission flow ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2012 ， 36 （ 7 ）： 38 - 43 .

周天睿，康重庆，徐乾耀，等 . 电力系统碳排放流的计算方法初探［J］. 电力系统自动化， 2012 ， 36 （ 11 ）： 44 - 49 .

ZHOU Tianrui ， KANG Chongqing ， XU Qianyao ， et al . Preliminary investigation on a method for carbon emission flow calculation of power system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2012 ， 36 （ 11 ）： 44 - 49 .

KANG C Q ， ZHOU T R ， CHEN Q X ， et al . Carbon emission flow in networks ［J］. Scientific Reports ， 2012 ， 2 ： 479 .

CHENG Y H ， ZHANG N ， WANG Y ， et al . Modeling carbon emission flow in multiple energy systems ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2019 ， 10 （ 4 ）： 3562 - 3574 .

张笑演，王橹裕，黄蕾，等 . 考虑扩展碳排放流和碳交易议价模型的园区综合能源优化调度［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 9 ）： 34 - 46 .

ZHANG Xiaoyan ， WANG Luyu ， HUANG Lei ， et al . Optimal dispatching of park-level integrated energy system considering augmented carbon emission flow and carbon trading bargain model ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 9 ）： 34 - 46 .

梁宁，方茜，徐慧慧，等 . 基于节点碳势需求响应的电力系统双层优化调度［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 9 ）： 44 - 53 .

LIANG Ning ， FANG Qian ， XU Huihui ， et al . Bi-level optimal dispatching of power system based on demand response considering nodal carbon intensity ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 9 ）： 44 - 53 .

CHENG Y H ， ZHANG N ， LU Z X ， et al . Planning multiple energy systems toward low-carbon society： a decentralized approach ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2019 ， 10 （ 5 ）： 4859 - 4869 .

陈丽霞，孙弢，周云，等 . 电力系统发电侧和负荷侧共同碳责任分摊方法［J］. 电力系统自动化， 2018 ， 42 （ 19 ）： 106 - 111 .

CHEN Lixia ， SUN Tao ， ZHOU Yun ， et al . Method of carbon obligation allocation between generation side and demand side in power system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2018 ， 42 （ 19 ）： 106 - 111 .

YU B Y ， ZHAO Q Y ， WEI Y M . Review of carbon leakage under regionally differentiated climate policies ［J］. The Science of the Total Environment ， 2021 ， 782 ： 146765 .

肖雁飞，万子捷，刘红光 . 我国区域产业转移中“碳排放转移”及“碳泄漏”实证研究——基于2002年、2007年区域间投入产出模型的分析［J］. 财经研究， 2014 ， 40 （ 2 ）： 75 - 84 .

XIAO Yanfei ， WAN Zijie ， LIU Hongguang . An empirical study of carbon emission transfer and carbon leakage in regional industrial transfer in China： analysis based on inter-regional input-output model in 2002 and 2007 ［J］. Journal of Finance and Economics ， 2014 ， 40 （ 2 ）： 75 - 84 .

HUANG X N ， TAN T ， TOKTAY L B . Carbon leakage： the impact of asymmetric regulation on carbon-emitting production ［J］. Production and Operations Management ， 2021 ， 30 （ 6 ）： 1886 - 1903 .

XU Q Y ， HOBBS B F . Economic efficiency of alternative border carbon adjustment schemes： a case study of California carbon pricing and the Western North American power market ［J］. Energy Policy ， 2021 ， 156 ： 112463 .

YANG S G ， ZHOU J L ， HU Z ， et al . Site selection decision framework for biomass pyrolysis project based on a mixed method under probabilistic linguistic environment and low carbon perspective： a case study in China ［J］. Energy ， 2023 ， 272 ： 127118 .

MELGAR-DOMINGUEZ O D ， POURAKBARI-KASMAEI M ， MANTOVANI J R S . Adaptive robust short-term planning of electrical distribution systems considering siting and sizing of renewable energy based DG units ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2019 ， 10 （ 1 ）： 158 - 169 .

曹逸滔，王丹，贾宏杰，等 . 考虑多能碳流约束的区域综合能源系统双层博弈扩展规划［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 7 ）： 12 - 22 .

CAO Yitao ， WANG Dan ， JIA Hongjie ， et al . Bilevel Nash-Stackelberg game expansion planning of regional integrated energy system considering multi-energy carbon flow constraints ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 7 ）： 12 - 22 .

房珂，周明，武昭原，等 . 面向低碳电力系统的长期储能优化规划与成本效益分析［J/OL］. 中国电机工程学报［ 2022-11-30 ］. https：//doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.221636 https://doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.221636 .

FANG Ke ， ZHOU Ming ， WU Zhaoyuan ， et al . Optimal planning and cost-benefit analysis of long-duration energy storage for low-carbon electric power system ［J/OL］. Proceedings of the CSEE ［ 2022-11-30 ］. https：//doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.221636 https://doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.221636 .

程耀华，张宁，康重庆，等 . 考虑需求侧管理的低碳电网规划［J］. 电力系统自动化， 2016 ， 40 （ 23 ）： 61 - 69 .

CHENG Yaohua ， ZHANG Ning ， KANG Chongqing ， et al . Low carbon transmission expansion planning considering demand side management ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2016 ， 40 （ 23 ）： 61 - 69 .

何宇斌，张伊宁，马光，等 . 输配一体化综合能源系统的运行多指标评估方法［J］. 电力自动化设备， 2019 ， 39 （ 8 ）： 120 - 127 .

HE Yubin ， ZHANG Yining ， MA Guang ， et al . Multi-index evaluation for integrated energy system operation connecting transmission and distribution levels ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2019 ， 39 （ 8 ）： 120 - 127 .

YAN M Y ， ZHANG N ， AI X M ， et al . Robust two-stage regional-district scheduling of multi-carrier energy systems with a large penetration of wind power ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2019 ， 10 （ 3 ）： 1227 - 1239 .

彭水军，张文城 . 国际贸易与气候变化问题：一个文献综述［J］. 世界经济， 2016 ， 39 （ 2 ）： 167 - 192 .

PENG Shuijun ， ZHANG Wencheng . International trade and climate change： a literature review ［J］. The Journal of World Economy ， 2016 ， 39 （ 2 ）： 167 - 192 .

CHENG Y H ， ZHANG N ， ZHANG B S ， et al . Low-carbon operation of multiple energy systems based on energy-carbon integrated prices ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2020 ， 11 （ 2 ）： 1307 - 1318 .

叶晨，牟玉亭，王蓓蓓，等 . 考虑动态碳交易曲线的电-碳市场出清模型及节点边际电价构成机理分析［J］. 电网技术， 2023 ， 47 （ 2 ）： 613 - 624 .

YE Chen ， MOU Yuting ， WANG Beibei ， et al . Mechanism of locational marginal prices and clearing model of electricity and carbon market considering dynamic carbon trading curve ［J］. Power System Technology ， 2023 ， 47 （ 2 ）： 613 - 624 .

姜明 . 美国应对碳泄漏的法律防范及中国借鉴［J］. 环境保护， 2013 ， 41 （ 23 ）： 74 - 75 .

JIANG Ming . Legal precautions against carbon leakage in the United States and reference from China ［J］. Environmental Protection ， 2013 ， 41 （ 23 ）： 74 - 75 .

鲁书伶，白彦锋 . 碳税国际实践及其对我国2030年前实现“碳达峰”目标的启示［J］. 国际税收， 2021 （ 12 ）： 21 - 28 .

LU Shuling ， BAI Yanfeng . International practices of carbon taxation and its enlightenment to achievement of carbon peak in 2030 ［J］. International Taxation in China ， 2021 （ 12 ）： 21 - 28 .

巫瑞，夏西强，曾庆丽 . 碳配额分配方式对碳减排影响对比分析［J］. 工业技术经济， 2023 ， 42 （ 2 ）： 37 - 47 .

WU Rui ， XIA Xiqiang ， ZENG Qingli . Comparative analysis of the effect of carbon quota allocation on carbon emission reduction ［J］. Journal of Industrial Technological Economics ， 2023 ， 42 （ 2 ）： 37 - 47 .

王蓓蓓，仇知，丛小涵，等 . 基于两阶段随机优化建模的新能源电网灵活性资源边际成本构成的机理分析［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 4 ）： 1348 - 1359 .

WANG Beibei ， QIU Zhi ， CONG Xiaohan ， et al . Mechanism analysis of flexible resources’ marginal price in new energy grid based on two-stage stochastic optimization modeling ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 4 ）： 1348 - 1359 .

陈哲 . 含高比例风电的电力系统备用优化与分布式调度研究［D］. 杭州：浙江大学， 2021 .

CHEN Zhe . Research on reserve optimization and distributed dispatching of power system with high wind power ［D］. Hangzhou ： Zhejiang University ， 2021 .

YANG Z F ， XIE K G ， YU J A ， et al . A general formulation of linear power flow models： basic theory and error analysis ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2019 ， 34 （ 2 ）： 1315 - 1324 .

向明旭，杨知方，余娟，等 . 配电网线性潮流模型通式及误差分析［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 6 ）： 2053 - 2064 .

XIANG Mingxu ， YANG Zhifang ， YU Juan ， et al . Linear power flow model in distribution network： unified expression and error analysis ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 6 ）： 2053 - 2064 .

陈红坤，王雪纯，陈磊 . 考虑灵活性供给约束的区域综合能源系统节点边际能价分解分析［J］. 电工技术学报， 2023 ， 38 （ 13 ）： 3576 - 3589 .

CHEN Hongkun ， WANG Xuechun ， CHEN Lei . Decomposition analysis on locational marginal energy prices in regional integrated energy system considering flexibility provision constraints ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2023 ， 38 （ 13 ）： 3576 - 3589 .

WOOD A ， WOLLENBERG B. Power generation， operation， and control ［M］. Hoboken， USA ： Wiley ， 2012 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

面向双碳目标的电力系统规划方案量化归因分析方法

多时段边际碳排放因子及其不确定性分析

电力碳减排与碳增汇路径优化的沙盘推演

计及碳排放流的电力系统低碳规划