泛在電力物聯(lián)網(wǎng)之“三站合一”模式探究

黃毅 張傳羽 劉天明

摘 要：目前變電站、充換電（儲(chǔ)能）站、數(shù)據(jù)中心站等分散建設(shè)，不利于資源集約高效利用，難以發(fā)展高度融合的能源CPSS系統(tǒng)[1]?；诋?dāng)今云計(jì)算和儲(chǔ)能技術(shù)，利用變電站站址資源及電力資源，對(duì)變電站、儲(chǔ)能站和數(shù)據(jù)中心站及其他功能模塊融合建設(shè)的模式（簡(jiǎn)稱“三站合一”）做了必要性分析與可行性論證，并對(duì)建設(shè)模式進(jìn)行了深入探究，為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：泛在電力物聯(lián)網(wǎng);三型兩網(wǎng);三站合一;變電站;儲(chǔ)能站;數(shù)據(jù)中心站

中圖分類號(hào)：TP39;TM715文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）01-00-04

0 引 言

2019年國(guó)家電網(wǎng)公司提出打造樞紐型、平臺(tái)型、共享型企業(yè)，建設(shè)運(yùn)營(yíng)好堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)和泛在電力物聯(lián)網(wǎng)（“三型兩網(wǎng)”）[2]。這對(duì)智能傳感、邊緣計(jì)算、雙向高速通信帶寬通道、大數(shù)據(jù)云平臺(tái)等方面提出了更高的要求。發(fā)展高度融合的電網(wǎng)物理與信息系統(tǒng)，推廣“三站合一”新模式是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。利用變電站在能源匯集傳輸和轉(zhuǎn)換利用中的樞紐作用，將變電站從傳統(tǒng)電力流節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉戳?、?shù)據(jù)流、業(yè)務(wù)流“三流合一”的樞紐，為未來(lái)區(qū)塊鏈、云計(jì)算、人工智能等在能源領(lǐng)域的應(yīng)用提供基礎(chǔ)設(shè)施，是實(shí)現(xiàn)“三型兩網(wǎng)”目標(biāo)的具體舉措之一。

1 “三站合一”的優(yōu)點(diǎn)

目前數(shù)量少且集中的數(shù)據(jù)中心站已無(wú)法滿足未來(lái)國(guó)網(wǎng)云的需求。分散建設(shè)數(shù)據(jù)中心站和儲(chǔ)能站會(huì)增加土地占用面積以及線路損耗。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心使用柴油發(fā)電機(jī)作后備電源會(huì)造成環(huán)境污染，與國(guó)家提出的建設(shè)綠色數(shù)據(jù)中心[3]思想相悖。另一方面，隨著全國(guó)變電站全戶內(nèi)改造和退役，變電站站址資源和電力資源成為新的價(jià)值挖掘點(diǎn)。以江蘇35 kV電網(wǎng)為例，至“十三五”期末，全省預(yù)計(jì)退役150座35 kV變電站，除部分變電站規(guī)劃改造為10 kV開關(guān)站外，其余變電站站址面積約300 000 m2，為利用變電站資源建設(shè)運(yùn)營(yíng)多種業(yè)務(wù)的新模式提供了可能?！叭竞弦弧钡闹饕獌?yōu)點(diǎn)如下。

（1）可靠、經(jīng)濟(jì)：數(shù)據(jù)中心就地利用變電站的電力資源以及儲(chǔ)能站提供的后備電源，提高運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

（2）提高電能利用率：基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，采集儲(chǔ)能站、變電站用電數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)區(qū)域用電趨勢(shì)，在儲(chǔ)能站和變電站之間開展電能峰谷調(diào)節(jié)，提高電能利用率。

（3）提高土地資源利用效率：隨著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的推進(jìn)以及全國(guó)禁燃油車計(jì)劃逐步實(shí)施，未來(lái)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與計(jì)算、電動(dòng)汽車充電方面的需求激增會(huì)導(dǎo)致城市土地資源征用緊張?！叭竞弦弧背浞滞诰蜃冸娬粳F(xiàn)有土地資源價(jià)值，以有效解決泛在電力物聯(lián)網(wǎng)“霧”節(jié)點(diǎn)和電動(dòng)汽車充換電等場(chǎng)地問題。

（4）構(gòu)建能源流樞紐：通過變電、儲(chǔ)能、光伏、充換電站等的物理及邏輯融合[4]，將傳統(tǒng)變電節(jié)點(diǎn)構(gòu)建為具備源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)等特征的能量雙向有序流動(dòng)的能源樞紐，協(xié)調(diào)全網(wǎng)統(tǒng)一潮流流向，執(zhí)行潮流紅綠燈控制，實(shí)現(xiàn)發(fā)電與用戶之間供需動(dòng)態(tài)平衡，支撐區(qū)域電網(wǎng)安全運(yùn)行。

（5）構(gòu)建信息流樞紐：通過分布式綠色數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)云霧協(xié)同、霧霧協(xié)同提供基礎(chǔ)設(shè)施[5]，實(shí)現(xiàn)發(fā)、變、配、用全網(wǎng)信息互聯(lián)。利用物聯(lián)網(wǎng)、可視化技術(shù)，通過APN、無(wú)線專網(wǎng)等安全通道逐步接入各種物聯(lián)感知設(shè)備，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到“多站合一”數(shù)據(jù)站，并經(jīng)本地處理后上傳至省公司級(jí)云數(shù)據(jù)中心，以便國(guó)網(wǎng)總部統(tǒng)一監(jiān)控管理。

（6）構(gòu)建業(yè)務(wù)流樞紐：通過多能流互聯(lián)、大數(shù)據(jù)共享、區(qū)塊鏈應(yīng)用，開展區(qū)域能源站冷熱電捆綁運(yùn)營(yíng)、充換電運(yùn)營(yíng)、售電交易、物聯(lián)網(wǎng)帶寬租賃、站內(nèi)用能管控等業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)營(yíng)、調(diào)、配、用貫通，構(gòu)建綜合能源一體化運(yùn)營(yíng)模式。

2 “三站合一”的建設(shè)模式

典型的“三站合一”系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示。光伏及儲(chǔ)能系統(tǒng)為數(shù)據(jù)中心站提供清潔可靠的能源，為充換電站提供后備電源，并用于削峰填谷;數(shù)據(jù)中心站對(duì)內(nèi)依托信息技術(shù)連接信息流、能量流、業(yè)務(wù)流，通過互聯(lián)互通實(shí)現(xiàn)能源和數(shù)據(jù)共建共享，對(duì)外提供租賃服務(wù)，拓展電網(wǎng)企業(yè)盈利模式;通過虛擬電廠對(duì)儲(chǔ)能、光伏系統(tǒng)進(jìn)行柔性控制，實(shí)現(xiàn)用電負(fù)荷、光伏發(fā)電等多對(duì)象的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)和統(tǒng)一調(diào)配[6]。

變電站因電壓等級(jí)及地理位置不同，其建設(shè)形式及占地面積存在差異。目前變電站主要建設(shè)形式包括獨(dú)立式、戶外敞開式、廂式、成套戶內(nèi)式。其中廂式和成套戶內(nèi)式的變電站集成度高，可再利用空間不大?！叭竞弦弧苯ㄔO(shè)可在獨(dú)立式變電站及戶外敞開式變電站挖掘站址資源價(jià)值，并結(jié)合具體業(yè)務(wù)需求靈活配置1+X（1：變電站;X：儲(chǔ)能站、數(shù)據(jù)中心站、充換電站、光伏電站、能源站、虛擬電廠等）的能源互聯(lián)網(wǎng)綜合服務(wù)站。對(duì)已有變電站從可利用電源容量、土地面積、空地面積、室內(nèi)面積、周邊資源情況、冷熱負(fù)荷需求等方面調(diào)研，為“三站合一”建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐;對(duì)新建變電站而言，設(shè)計(jì)階段要充分考慮多業(yè)務(wù)形態(tài)，進(jìn)行多業(yè)務(wù)專業(yè)化設(shè)計(jì)與一體化設(shè)計(jì)。具體建設(shè)可參考地下儲(chǔ)能站+地上數(shù)據(jù)中心+屋頂光伏電站的模式以節(jié)約土地資源，形成變電站小型生態(tài)系統(tǒng)，為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)打好基礎(chǔ)?！叭竞弦弧钡墓δ芡卣菇ㄔO(shè)要結(jié)合當(dāng)?shù)貥I(yè)務(wù)需求及站址資源優(yōu)化組合，具體見表1所列。

3 “三站合一”案例分析及拓展建議

3.1 揚(yáng)州越江變新建示范工程

“三站合一”可以結(jié)合各地區(qū)電網(wǎng)基礎(chǔ)和實(shí)際需求積極開展示范工程建設(shè)。位于揚(yáng)州儀征市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的220 kV越江變是“變電站+數(shù)據(jù)中心站+儲(chǔ)能站+充換電站+能源站”的“三站合一”示范工程，建設(shè)規(guī)劃如圖2所示。

3.1.1 建設(shè)規(guī)模

越江變遠(yuǎn)景規(guī)模3臺(tái)240 MVA主變，總體占地面積約12 600 m2;數(shù)據(jù)中心子站負(fù)荷容量約2 MW，占地面積約700 m2;儲(chǔ)能站規(guī)模24 MW/48 MW·h，占地面積約4 500 m2;能源站建設(shè)25 MW冷熱電三聯(lián)供[7]機(jī)組，占地面積約3 500 m2;越江變總體屋頂面積約6 300 m2，可安裝屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)約500 kW;充換電站擬建30個(gè)充電樁及相應(yīng)換電設(shè)備。變電站整體投資1.3億元，充換電站投資1億元。項(xiàng)目總投資約5億元，其中能源站+儲(chǔ)能站投資約3億元，年收益約0.5億元，靜態(tài)投資回收期約6年。

3.1.2 效益分析

（1）數(shù)據(jù)中心子站定位揚(yáng)州能源云數(shù)據(jù)站，用于存放、處理?yè)P(yáng)州能源數(shù)據(jù)，為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)及邊緣計(jì)算提供數(shù)據(jù)支撐，滿足電力行業(yè)在實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的基本需求。

（2）儲(chǔ)能站為電網(wǎng)提供調(diào)頻等輔助服務(wù)[8]，替代變電站直流系統(tǒng)蓄電池，替代數(shù)據(jù)中心須配備的與負(fù)荷等額的柴油發(fā)電機(jī)，為其提供UPS電源。

（3）供電公司運(yùn)檢車輛可以大范圍采用電動(dòng)汽車，充換電站為電動(dòng)汽車補(bǔ)給電能，進(jìn)而促進(jìn)社會(huì)電動(dòng)汽車行業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展;換電站的電池可以梯級(jí)利用為儲(chǔ)能站儲(chǔ)能[9]。

（4）屋頂光伏利用建筑屋頂面積及光照資源，緩解負(fù)荷用電需求。

（5）能源站可滿足數(shù)據(jù)中心及周邊用戶等約50 MW冷熱負(fù)荷需求。

越江變構(gòu)建了“源、荷、儲(chǔ)”的能源樞紐及數(shù)據(jù)中心交互節(jié)點(diǎn)，提升了儀征市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)供電設(shè)備利用率及綜合能源服務(wù)水平，并可繼續(xù)探索“大數(shù)據(jù)+增值服務(wù)”的發(fā)展模式。

3.2 南京江北儲(chǔ)能電站升級(jí)工程

“三站合一”建設(shè)可在現(xiàn)有站址基礎(chǔ)上挖掘資源，主動(dòng)升級(jí)，為用而建，以用促建。南京江北儲(chǔ)能電站基于電網(wǎng)側(cè)電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)對(duì)數(shù)據(jù)中心站的更大需求，因地制宜將現(xiàn)有“儲(chǔ)能站+變電站”升級(jí)為“儲(chǔ)能站+變電站+充電站+屋頂光伏+數(shù)據(jù)中心站”，進(jìn)行“三站合一”試點(diǎn)。

3.2.1 建設(shè)規(guī)模

該站位于南京江北新區(qū)直管區(qū)內(nèi)，交通便利。項(xiàng)目涵蓋集中式儲(chǔ)能、梯次儲(chǔ)能和移動(dòng)式儲(chǔ)能、儲(chǔ)能管控及展示中心等多個(gè)板塊。該站占地面積為27 337 m2，規(guī)劃建設(shè)215 000 kW儲(chǔ)能（包含移動(dòng)式儲(chǔ)能15 000 kW），本期建設(shè)規(guī)模為集中式儲(chǔ)能110 000 kW，梯級(jí)利用儲(chǔ)能20 000 kW。利用屋頂資源建設(shè)光伏容量約為100 kW;結(jié)合移動(dòng)式儲(chǔ)能的建設(shè)配置15臺(tái)直流充電樁;與展示中心合建數(shù)據(jù)中心，初期配備約400個(gè)機(jī)柜，構(gòu)建能源流/數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)“三流合一”。

3.2.2 設(shè)計(jì)依據(jù)

在溧水南門變物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)試點(diǎn)中，2條110 kV輸電線路、變電設(shè)備、2條10 kV饋線梳理出需安裝相關(guān)感知元件的專業(yè)設(shè)備有32類，共261個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（包括設(shè)備本體狀態(tài)、運(yùn)行環(huán)境、視頻圖像等）。按5 min一個(gè)測(cè)點(diǎn)計(jì)算，輸電、變電、配電采集數(shù)據(jù)量分別為577 MB/天，576 MB/天，25.9 GB/天。按存儲(chǔ)3年計(jì)算，數(shù)據(jù)量分別為631 GB，630 GB，28.4 TB，共29.6 TB。按照南京電網(wǎng)全域覆蓋電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的目標(biāo)估算（35 kV及以上輸電線路700條，35 kV及以上變電站300座，10/20 kV配電線路3 700條，存儲(chǔ)3年），輸電、變電、配電采集數(shù)據(jù)量分別達(dá)215.5 TB，184 TB，60.3 PB，共60.7 PB。參照江蘇省電力公司目前在用華為存儲(chǔ)設(shè)備，一面機(jī)柜可裝8臺(tái)。按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)存1份備2份，一臺(tái)設(shè)備60 TB測(cè)算，僅南京市電網(wǎng)側(cè)電力物聯(lián)網(wǎng)推廣就需389面機(jī)柜，負(fù)荷約2 000 kW。再考慮電力物聯(lián)網(wǎng)客戶服務(wù)系統(tǒng)、智慧能源服務(wù)平臺(tái)建設(shè)，數(shù)據(jù)中心的設(shè)施配置將成倍增長(zhǎng)。

3.2.3 效益分析

該工程與上述越江變相比無(wú)配置能源站，此外，收益也相仿。值得一提的是經(jīng)過統(tǒng)一規(guī)劃建筑、防雷、接地、道路、消防、站前區(qū)等公共資源可明顯節(jié)省占地面積。經(jīng)測(cè)算，該工程將數(shù)據(jù)中心與儲(chǔ)能控制樓融合建設(shè)可減少占地面積700 m2。

3.3 “三站合一”拓展建議

建設(shè)“三站合一”，建議形成“核心+樞紐+邊緣”互通互聯(lián)的三級(jí)數(shù)據(jù)中心架構(gòu)。樞紐型數(shù)據(jù)中心優(yōu)先選擇在新能源密集區(qū)域的變電站（110 kV，330 kV）周邊，連接邊緣數(shù)據(jù)中心、服務(wù)于核心數(shù)據(jù)中心;邊緣數(shù)據(jù)中心在網(wǎng)絡(luò)條件滿足的前提下，優(yōu)先選擇在10 kV，35 kV變電站進(jìn)行建設(shè)。大力建設(shè)自建自用的邊緣數(shù)據(jù)中心，為變電站運(yùn)營(yíng)提供支撐，同時(shí)考慮邊緣計(jì)算、區(qū)塊鏈的技術(shù)應(yīng)用。適度建設(shè)大型核心數(shù)據(jù)中心，并以對(duì)外服務(wù)為主。緊密連接國(guó)家電網(wǎng)公司主業(yè)建設(shè)“三站合一”，不斷研究商業(yè)模式，建立朋友圈、生態(tài)圈。促進(jìn)新興業(yè)務(wù)和電網(wǎng)業(yè)務(wù)互利共生、協(xié)同發(fā)展。

建設(shè)“三站合一”，建議優(yōu)先選址西部。東部地區(qū)人多地少，建立大規(guī)模數(shù)據(jù)中心費(fèi)用極高。西部地區(qū)（例如新疆、甘肅）地面資源豐富且廉價(jià)，適宜建立大規(guī)模數(shù)據(jù)中心。僅蘭州就建有27個(gè)大型數(shù)據(jù)中心，中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)電信都是萬(wàn)面機(jī)柜的規(guī)模。此外，甘肅新能源發(fā)電占比41%，政府鼓勵(lì)清潔能源的利用，電價(jià)低至8分錢，甚至曾出現(xiàn)過零費(fèi)用電價(jià)，新疆情況與甘肅類似。可以優(yōu)先在西部實(shí)施“三站合一”建設(shè)，就近消納清潔能源，緩解“三棄”現(xiàn)象，降低數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)成本[10]。通過充分利用棄風(fēng)棄電開展儲(chǔ)能電站業(yè)務(wù)，預(yù)計(jì)可利用棄風(fēng)電量20億千瓦時(shí)、棄光電量40億千瓦時(shí)，棄風(fēng)棄電利用率提升45%。利用電網(wǎng)通信通道向東部省份提供數(shù)據(jù)、計(jì)算服務(wù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文概括了“三站合一”模式與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的關(guān)系。梳理出“三站合一”的優(yōu)點(diǎn)及實(shí)施可能性，并闡述了具體建設(shè)模式。結(jié)合南瑞集團(tuán)參與建設(shè)的揚(yáng)州越江變“三站合一”新建工程、南京江北儲(chǔ)能電站“三站合一”升級(jí)工程，詳細(xì)分析了“三站合一”工程案例，分享了實(shí)際的工程數(shù)據(jù)，指出了實(shí)際工程帶來(lái)的初步效益。最后提出建設(shè)“核心+樞紐+邊緣”三級(jí)數(shù)據(jù)中心的建議，并根據(jù)地域特點(diǎn)提出優(yōu)先在西部建設(shè)“三站合一”的建議，為“三站合一”實(shí)際建設(shè)提供參考。

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