基于企业能源计量的碳计量智能监测和动态核算研究

张路争，吴炎，张恒立，周浩

(1.江苏擎天工业互联网有限公司，南京 210009；
2.安徽南瑞中天电力电子有限公司，合肥 230088)

从2020年“双碳”目标的提出到2021年“1+N”顶层设计的颁布，“双碳”工作的思路愈发清晰。此前我国长期大力发展能源计量，开展能耗“双控”，初衷是从节约能源的角度对企业用能加以限制，但其未考虑可再生能源清洁、低碳特点以及其它碳减排技术等方法。2021年12月，中央经济工作会议首次提出“尽早实现能耗‘双控’向碳排放总量和强度‘双控’转变”。同月，国务院印发《计量发展规划(2021—2035年)》(国发〔2021〕37号)，明确提出加强碳排放关键计量测试技术研究和应用，健全碳计量标准装置，为温室气体排放可测量、可报告、可核查提供计量支撑[1]。由此可见，服务国家低碳发展战略，无论是能源计量还是碳计量，打造坚实的计量基础是准确测算能耗与碳排放量、开展“双控”并实现“双碳”目标的重要前提和技术支撑。

1.1 碳计量

碳计量即计算碳排放量，也可称作碳盘查和编制温室气体排放清单。碳计量的广义概念指在低碳发展环境中，能源使用和碳排放等过程涉及的使用、监测、核查、交易等活动与测量或量化有关的计量问题的统称[2]。

碳计量在我国低碳经济发展过程中发挥着“眼睛”和“尺子”的作用[3]。现有实际案例的碳计量方法主要有：物联网采集与监测、遥感监测和碳盘查软件。物联网采集与监测是本文重点研究的对象，该方法和技术可归纳为设备直接测定、设备采集和软件计算。烟气排放连续监测系统(CEMS)是较特殊的存在，本质上是碳监测。对于设备直接测定，张路争[4]认为以我国目前主要采用的碳排放核查体系(MRV)为基础的自动化、数字化在线碳排放量核算也是一种可行的设备直接测定方式，提出采用碳计量一体机实现企业碳排放数据实时可信的碳计量。对于设备采集和软件计算，林荣捷[5]描述了通过连接网络的数据采集仪器，将数据收集并实时上传到平台上，利用平台设计好的运算方式对采集到的数据进行计算分析，从该单位碳计量当中获取碳计量数据。康重庆[6]认为采用自下而上的方式更贴合碳领域的计量方式，提出以云端计算为核心的碳计量技术与碳表，基于本地数据测量和计算得到各环节碳排放信息。

1.2 企业能源计量转向碳计量改造设想

要想节约能源，就应该找到用能单位节能降耗的关键环节，因此必须有准确和必要的计量数据。国家层面相继出台了《重点用能单位能源计量审查规范》(JJF 1356—2012)、《用能单位能源计量器具配备和管理通则》(GB 17167—2006)等规范性文件，持续完善强化能源管理体系。

目前，市面上企业级能源计量及监测主要分为：以智能计量表计、数据采集网关、能源管理软件为核心组成的能源管理系统；
以智能计量表计、第三方系统、数据采集网关、能耗在线监测端设备、系统平台为核心组成的重点用能单位能耗在线监测系统。本文研究内容部分借鉴了重点用能单位能耗在线监测系统总体框架思路，重点以端设备为研究对象，进行碳计量终端及平台的改造、研发。本次改造目标是在不改变端设备硬件配置的前提下，打造碳排放智能监测和动态核算的碳计量终端及平台。

2.1 总体定位

碳计量终端是企业数字化碳管理的重要技术支撑，主要功能是实现企业组织层面的碳排放数据实时智能监测和动态核算，开展数字化碳盘查，为企业开展节能降碳、碳核查与认证等工作提供数据服务。终端同时适用排放因子法、物料平衡法、实测法三种核算形式，内嵌重点行业碳排放核算标准库，适用于发电、钢铁、水泥等重点排放行业，以及公共机构、建筑等典型应用场景。

碳计量终端系统平台是专门用于运维安装于企业侧碳计量终端的服务平台，其主要功能是实现碳排放核算模型的远程更新，特定场景下亦可为政府主管部门、第三方核查机构、技术服务公司提供辅助监测与分析功能。

2.2 碳计量终端

碳计量终端硬件配置、接口类型及数量、供电电源、安装结构、环境条件参数均可延用能耗在线监测端设备参数。碳计量终端的关键在于建立一套支持“边缘侧计算”的碳排放计量模型，模型当前包含我国发改委发布的24个行业方法学以及近年的发电行业修订版，长期来看还应包含区域、领域、行业、产品、碳减排等方法学。由于我国尚未建立起动态碳排放因子系统，因此碳计量终端完全可以边缘侧计算，不需要实时连接系统平台。碳计量终端系统架构图见图1。

图1 碳计量终端系统架构图

1)数据采集。运用物联网在线监测技术，对企业各类型碳排放源数据进行实时采集和监控。

2)核算方法配置。通过获取采集数据，建立碳排放源活动数据与核算方法关联关系，并根据行业对排放类别、排放源、气体种类、核算公式、公式对应数据项进行配置。

3)碳排放边界配置。根据核查认证以及关联核算需要，具有填写企业基本信息、配置核算单元、配置排放源、确定边界配置规范操作等功能。

4)数据填报。对于不具备在线采集条件的活动数据，提供手工填报数据的入口。

5)数据多维展示分析。根据不同的行业特性，对企业碳排放数据进行统计、分析与展示。

6)定额管理。实行碳排放总量、核算单元、排放源、重点排放设备排放计划管理。

7)碳盘查。支持生成月度、季度、年度《温室气体盘查报告书》。

8)系统配置。通过碳计量终端与系统平台连接，实现企业数据获取、数据上报、核算方法下发。

9)维护更新。通过互联网、局域网方式完成碳计量终端所需软件版本升级、参数配置等操作。

2.3 碳计量终端系统平台

碳计量终端系统平台最主要的功能是为碳计量终端提供适用的碳排放计量模型，配置可采用联网下发方式，也可采用U盘导入。碳排放核算方法以模型形式进行建库、维护、调用。碳计量终端首次配置时通过平台将核算模型与计量对象的活动数据建立起关联关系，下发至终端。当核算方法发生变化时，统一由平台在核算模型进行维护，维护后终端可进行更新。

平台在应用功能方面可按需设计综合态势看板、企业管理等功能页面。此外，需采用数据、代码加密技术，企业自愿选择是否将数据推送至平台进行分析诊断。

2.4 重点研究内容

本文针对企业碳排放实时监测、精准计量数智化程度低、碳盘查周期长的难点问题，基于企业能源计量，利用边缘计算、物联网等现代的信息技术，重点对碳排放核算模型以及以此为核心的碳计量终端进行研究和应用，提出了碳计量智能监测和动态核算的研究方向。

本次研究的测试对象为江苏省某纺织行业企业，主营印染加工纤维织物，产品有雪纺、棉布类、棉涤纺类等，对其进行排放边界的构建及数据采集单位的设计，准则参照《工业其他行业企业温室气体排放核算方法与报告指南(试行)》，该企业的主要排放设备为定型机(排放源为天然气、电力)、织机(排放源为电力)、染色机(排放源为电力、热力)、污水处理设施(排放源为厌氧过程)。

在企业现场安装一台碳计量终端，并在公有云部署系统平台，对碳计量终端及平台的实际运行情况进行30天的测试。

3.1 活动数据采集

天然气消耗：车间用气设备使用，监测方法采用天然气表，安装于天然气计量站，共计1块，具有RS485接口、MODBUS协议，通过RS485总线接入碳计量终端。

净购入电力：厂区用电设备使用，监测方法采用智能三相电表，安装于配电室，共计23块，具有RS485接口、MODBUS协议，通过RS485总线接入碳计量终端。

净购入热力：车间用汽设备使用，监测方法采用流量计，安装于室外管道、车间，共计4块，具有RS485接口、MODBUS协议，因传输距离原因，通过RS485总线转TCP接入碳计量终端。

污水中有机物总量：污水处理，监测方法采用流量计，安装于排污口，共计1块，具有RS485接口、MODBUS协议，通过RS485总线接入碳计量终端。

3.2 安装调试

在企业监控室机柜里安装一台碳计量终端，安装现场如图2所示。通过系统平台对自动采集的智能表计采集点进行核算方法配置。企业涉及但未进行配置的排放源由企业能源管理岗按天在系统中填报。

图2 碳计量终端安装

3.3 运行情况

碳计量终端安装调试后，可以处于本地化、边缘化24 h不间断运行。碳计量终端系统运行流程见图3。

图3 碳计量终端运行流程图

本次测试主要依靠企业内部管理制度规范以及碳计量终端内置的数据质量控制规则进行数据质量控制。一方面，建立活动数据来源一览表，包含测量设备名称及型号、安装位置、监测方法、测量频次、设备精度、校准频次、关联的排放源活动等。另一方面，建立活动数据质量分析表，对采集、处理、核算的数据设定阈值，并对数据缺失进行内部审定登记，保障采集数据的实时性、正确性和合理性。

测试完成后，结合客户给出的评价意见，总结出碳计量终端对企业碳管理具有碳排放“定量”、指标“定额”、异常“定位”成效。

(1)碳排放“定量”

企业碳排放活动数据能够按采集点位进行实时监测。从表1可以看出，企业能够对碳排放进行月度盘查，总排放量为5 258.66 tCO2。通过此方法改变以往完全依托人工线下对企业进行固定周期的碳盘查与核查的方式，实现了数字化、智能化。

表1 企业碳盘查

(2)指标“定额”

企业通过将月度碳排放指标进行拆解，按照总量、核算单元、碳排放源进行合理的目标拆解，使排放有计划、数据有比对、指标有预警，未出现超标。

(3)异常“定位”

企业通过将碳排放源及对应活动数据来源按照坐标位置、所属区域等多维度进行区分，使任意地方排放出现异常都能够快速定位。

从以上测试可以看出，在能源计量基础上开展碳计量智能监测和动态核算，碳计量终端可为数字化碳计量提供一条可行的路径。

在企业碳计量智能监测和动态核算实践过程中主要存在三个问题。首先，碳计量数智化的发展缺少落地的详细政策规划，目前仍停留在试点阶段。其次，目前能源等数据的自动采集在企业中仍有待大面积推广，数据采集的全厂-车间-设备的三级计量体系尚未建立，导致在实际的工业应用中大多采用自动采集+手工填报相结合的数据采集方式，无法实现全厂全量碳排放数据的实时核算与监测。最后，虽然碳计量终端可以自动进行碳排放核算并生成碳盘查报告，但此类结果数据仍需通过传统的第三方认证机构进行线下认证后才具备一定的公信力。政府主管部门、第三方核查机构亟需创新完善出一套数字化碳计量与数字化碳核查管理体系，建立一套相关标准对碳计量终端及其内置的核算方法进行计量检测，以实现从数据采集、碳排放核算到碳排放量认证的全流程自动化。

碳计量终端将传统能源计量技术与现代碳计量技术相结合，为政府主管部门、第三方核查机构、计量技术机构、研发服务公司、企业用户提供了一个碳排放智能监测和动态核算的路径。随着我国碳达峰、碳中和标准计量体系逐步建立健全，碳计量终端的产品研制和市场需求将迎来快速的发展，该技术还有望在企业的高耗能高排放工艺、产品碳足迹等方面发挥更大的数据量化和优化价值，提升碳排放计量的可行性、实时性、精确性、可信性，为碳达峰、碳中和提供更多支撑和助力。

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