適應(yīng)多站融合的綜合能源服務(wù)系統(tǒng)運行模式研究

胡蘇凱，徐浩，嚴亞兵，余斌，歐陽帆，李輝，項鳳雛

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510062；2.國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院 湖南 長沙 410007；3.國網(wǎng)湖南省電力有限公司岳陽供電分公司，湖南岳陽 414000)

0 引言

“2030碳達峰、2060碳中和”的莊嚴承諾，體現(xiàn)了我國作為發(fā)展中大國的擔(dān)當(dāng)和自信，同時對我國能源供給重構(gòu)和消費升級提出了極高要求?！岸嗾救诤稀碧剿骷熬C合能源服務(wù)系統(tǒng)構(gòu)建，是適應(yīng)新發(fā)展階段、提升能源綜合利用效率、促進能源高質(zhì)量發(fā)展的有效舉措，在業(yè)內(nèi)形成了廣泛共識，已成為新一輪的科技攻關(guān)和技術(shù)革新重點[1－5]。具備清潔能源大規(guī)模接入和能量遠距離傳輸能力的電力網(wǎng)絡(luò)作為能源互聯(lián)互通和高效整合的堅實平臺，在這輪能源變革中將發(fā)揮巨大作用。

“多站融合”是對國家電網(wǎng)有限公司頂層設(shè)計“探索利用變電站資源建設(shè)運營充換電(儲能)站和數(shù)據(jù)中心站模式”的現(xiàn)實詮釋，已從最初變電站、儲能站、數(shù)據(jù)中心站的三站合一，發(fā)展為包含電動汽車充電站、光伏電站、5G通信基站、北斗地基加強站、環(huán)境監(jiān)測站等更為廣泛的“多站融合”。山東、廈門、重慶、甘肅等地均有“多站融合”試點站投運，而積極探索“多站融合”模式落地的地區(qū)更不在少數(shù)。盡管發(fā)展勢頭迅猛，目前對“多站融合”的研究與應(yīng)用多停留于物理層面的簡單融合，以各子站建設(shè)場地聚集為主要形式，融合后各子站的功能交互方式及商業(yè)運營途徑均不甚明朗，“多站融合”模式的可持續(xù)發(fā)展尚需更深入的研究攻關(guān)。

綜合能源服務(wù)系統(tǒng)是統(tǒng)籌管理，協(xié)調(diào)電、氣、熱、冷等各種能源消費及儲備的綜合性平臺，通過對各種能源特性的深刻把握，綜合考慮各種能源的儲備和消費，以達到降低全社會整體用能水平和確保用能安全的目的[6－10]。2020年冬季，受寒冷氣候、負荷增長等多方面因素影響，南方多省份出現(xiàn)供電嚴重短缺現(xiàn)象，造成較為明顯的社會影響。綜合能源服務(wù)系統(tǒng)建立后，通過對各種能源的社會消費預(yù)估，做好多種能源的協(xié)調(diào)互補供應(yīng)，相信對預(yù)防類似2020年冬季缺電現(xiàn)象發(fā)生是能起到一定積極作用的。當(dāng)然，除了特殊時期的能源應(yīng)急保供，綜合能源服務(wù)系統(tǒng)還可結(jié)合不同能源在時空分布、存儲、響應(yīng)速率等方面的差異，優(yōu)化安排各種能源的耗用情況，實現(xiàn)全社會節(jié)能降耗。

適應(yīng)“多站融合”的綜合能源服務(wù)系統(tǒng)，對電能的消費優(yōu)化更深入地挖掘，也對各能源之間的供給轉(zhuǎn)換和消費替代提出了更高要求。本文從“多站融合”和綜合能源服務(wù)系統(tǒng)兩個維度，嘗試對綜合能源服務(wù)系統(tǒng)的架構(gòu)、高級應(yīng)用開發(fā)、運營模式探析等進行前瞻性探析，以期為相關(guān)從業(yè)者和行業(yè)發(fā)展提供有益參考。

1 “多站融合”模式探析

“多站融合”智慧能源站以變電站土地(如屋頂、生活區(qū)等)、電力及通信資源，融合建設(shè)儲能站、數(shù)據(jù)中心站等其他功能子站，以期達到優(yōu)化資源整合、挖掘增值業(yè)務(wù)的目的。因此，智慧能源站雖以變電站為基礎(chǔ)，主要促進變電站與其他功能子站的業(yè)務(wù)融合，也應(yīng)挖掘其他功能子站之間的融合價值，實現(xiàn)“多站融合”效益最大化。 “多站融合”概念在提出伊始，主要指物理空間上的站址融合，并在站址融合的基礎(chǔ)上尋求各功能子站的業(yè)務(wù)融合和商業(yè)價值。但鑒于電力傳輸?shù)谋憷院蛯崟r性，“多站融合”實際上可突破站址空間限制，通過電力線路和通信網(wǎng)絡(luò)，將具有可控源荷儲等特性的電力設(shè)施融合到智慧能源站的整體控制體系內(nèi)，實現(xiàn)更廣泛的業(yè)務(wù)融合和更深度的價值挖掘。

僅從站址融合角度出發(fā)，智慧能源站中儲能站、電動汽車充電站、光伏電站、數(shù)據(jù)中心站存在豐富的電氣功能交互業(yè)務(wù)，基于不同優(yōu)化目標可對各功能子站的外特性做出不同的整合，這方面的研究成果已有很多[11－15]。而5G基站、北斗地基增強站、環(huán)境監(jiān)測站電氣功能較為單一，主要作為電力負荷，但可為其他子站性能優(yōu)化決策提供豐富的就近數(shù)據(jù)支撐。此外，若從功能融合的角度出發(fā)，除了上述功能子站外，“多站融合”還可突破站址限制，將分布式新能源電站、電動汽車集中充電站等一并包含，實現(xiàn)更廣泛的協(xié)同優(yōu)化。本文以站址融合為基礎(chǔ)，兼顧功能融合模式，尋求“多站融合”子站類型最多樣化、整體效益最大化，共計為智慧能源站挖掘了10類可融合的功能子站，各融合子站的功能特點、主要配置需求和融合方案梳理見表1。表中，電動汽車充電站和電動汽車集中充電站雖都是充電站，但所處位置不同，前者融合建設(shè)在智慧能源站內(nèi)，屬于站址融合范疇；后者為獨立建設(shè)的充電站，與智慧能源站相互獨立，通過電力線路連接，屬于功能融合范疇。

結(jié)合表1所示各子站特點，可挖掘出各功能子站融合方案如下:

1)站址融合方案

對于在運變電站，從安全性、可靠性、經(jīng)濟性等角度出發(fā)，可能只適合融合少量功能子站，且由于各已建變電站規(guī)模、布局、容量等均存在差異，無法統(tǒng)一描述。這里主要考慮新建標準化智慧能源站，按資源利用最大化目標融合各功能子站，而其中的局部融合方案可根據(jù)實際情況用來改造在運變電站。當(dāng)然需要說明的是，即便是新建智慧能源站，也往往受限于實際條件，無法融合所有的功能子站，比如過于偏遠的變電站不適合集成電動汽車充電站，毗鄰高樓大廈的變電站不適合建設(shè)光伏站、風(fēng)電站等。

基于表1所示各功能子站的配置需求，可考慮按如下方案融合建設(shè)各功能子站:在變電站一次主設(shè)備區(qū)或高壓室，規(guī)劃獨立的儲能子站區(qū)，方便變電站和儲能子站的獨立運維和檢修；數(shù)據(jù)中心站可采用集裝箱方式，就近布置在儲能區(qū)附近，或直接布置于辦公樓；利用變電站屋頂空間資源，建設(shè)5G通信基站、北斗地基加強站、環(huán)境監(jiān)測站、光伏站、風(fēng)電站；利用變電站生活區(qū)站址資源建設(shè)電動汽車充電站；新建多站融合變電站還可考慮建設(shè)地下電動汽車充電站，并作為停車場，面向社會有償開放。

表1 各功能子站特點梳理

2)功能融合方案

主要依據(jù)是電能傳輸?shù)膶崟r性和便利性，將周邊的光伏站、風(fēng)電站等新能源場站通過傳輸線接入變電站對應(yīng)電壓等級母線；在變電站周邊建設(shè)儲能站、電動汽車集中充電站等方便通過電力線連接的設(shè)施，接入變電站對應(yīng)電壓等級母線。

2 綜合能源服務(wù)系統(tǒng)運行原理及架構(gòu)

綜合能源服務(wù)系統(tǒng)集成各種能源的調(diào)度功能，綜合管理、引導(dǎo)電、氣、熱、冷等多種能源的供給和消費，促進全社會綜合用能清潔、高效、經(jīng)濟、安全。鑒于電能傳輸?shù)谋憷⑶鍧?、高效性，電能替代成為了能源消費大趨勢，因此，綜合能源服務(wù)系統(tǒng)雖然包含多種能源，但主要應(yīng)以電能的高效利用為主。主要考慮電、氣、熱、冷四種能源，梳理各種能源的消費流程和相互之間的轉(zhuǎn)換機制，如圖1所示。圖中包含三種終端能源，即風(fēng)電和光伏等新能源、其他形式的電源、氣，分別用深色方框標示，熱能和冷能暫作為過程性能源；包含四類能源用戶，即電能用戶、氣能用戶、熱能用戶和冷能用戶。三種終端能源之間由電網(wǎng)和冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)連成整體，同時結(jié)合電制熱、電制冷等系統(tǒng)，可實現(xiàn)電→熱/冷、熱→冷、氣→電/熱/冷等多種能源轉(zhuǎn)化。此外，在用戶層面，四種能源的使用具有廣泛的可替代性，例如電制熱和氣制熱均可用于食物催熟和取暖，進一步將四種能源的消費緊密結(jié)合在一起。由此可知，作為電網(wǎng)企業(yè)向能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要支撐，綜合能源服務(wù)系統(tǒng)構(gòu)建具有強烈的現(xiàn)實可行性和廣闊的應(yīng)用前景。

圖1 綜合能源服務(wù)系統(tǒng)示意圖

綜合能源系統(tǒng)接入多種能源子系統(tǒng)，可參考電網(wǎng)調(diào)度和監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建平臺架構(gòu)，相關(guān)技術(shù)也較為成熟，如圖2所示。圖中，綜合能源服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)從下往上依次包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層、應(yīng)用層四個層次。感知層通過在各能源場站、用戶站或用戶集中監(jiān)測點設(shè)置系統(tǒng)終端設(shè)備，采集能源場站狀態(tài)參數(shù)、剛性負荷能源消費特性、柔性負荷能源消費特性及調(diào)節(jié)特性等數(shù)據(jù)，并接收和執(zhí)行綜合能源服務(wù)系統(tǒng)主站下達的控制指令，實現(xiàn)能源、用戶的統(tǒng)一調(diào)度。網(wǎng)絡(luò)層是連接系統(tǒng)終端和系統(tǒng)主站的通信網(wǎng)絡(luò)，采用集中式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，系統(tǒng)主站與各系統(tǒng)終端直接通信；當(dāng)系統(tǒng)主站下轄系統(tǒng)終端數(shù)量超過其可接入數(shù)量時，可按片區(qū)設(shè)置系統(tǒng)子站，作為系統(tǒng)主站和系統(tǒng)終端之間的通信中繼。平臺層是將綜合能源服務(wù)系統(tǒng)需要用到的其他系統(tǒng)接入系統(tǒng)主站，提高系統(tǒng)主站應(yīng)用功能的靈活性和多樣性。

圖2 綜合能源服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)

3 高級應(yīng)用探析

從“多站融合”智慧能源站和綜合能源服務(wù)系統(tǒng)兩個層面來挖掘高級應(yīng)用功能，智慧能源站高級應(yīng)用功能可布置于站端監(jiān)控系統(tǒng)或綜合能源服務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用層。

3.1 “多站融合”層面

基于各功能子站特點，理論上講， “多站融合”存在如下高級應(yīng)用功能:

1)考慮源網(wǎng)荷儲協(xié)同的電網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化。以避免棄光、棄風(fēng)及優(yōu)化負荷水平為目標，綜合利用電源出力預(yù)測、負荷預(yù)測、多目標優(yōu)化等技術(shù)，以變電站電壓、頻率參數(shù)正常及儲能站充電功率和容量限值等為約束條件，合理安排儲能站可充/放電容量，實現(xiàn)電網(wǎng)的清潔、經(jīng)濟運行。

2)考慮數(shù)據(jù)中心站業(yè)務(wù)遷移的電網(wǎng)經(jīng)濟運行方案。在通信資源支持下，數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)及結(jié)果可在多個數(shù)據(jù)中心站中靈活分配。數(shù)據(jù)中心站耗電量與業(yè)務(wù)處理量成正比，且包含實時處理業(yè)務(wù)和非實時處理業(yè)務(wù)，因此能以滿足、提高各變電站負荷水平為目標，通過尋優(yōu)算法，合理安排數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)在各數(shù)據(jù)中心站及各時間段的最佳分配，提高電網(wǎng)運行經(jīng)濟性。

3)基于交通和環(huán)境數(shù)據(jù)支撐的電動汽車充電負荷預(yù)測。利用數(shù)據(jù)中心站、5G基站接入城市居民通勤數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)擬合技術(shù)，提煉電動汽車充電負荷與通勤數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性，預(yù)測電動汽車充電負荷時空分布特性，為電網(wǎng)調(diào)峰及備用容量儲備作支撐。

4)基于環(huán)境數(shù)據(jù)支撐的常規(guī)電力負荷預(yù)測。通過對歷史環(huán)境和常規(guī)電力負荷數(shù)據(jù)的深入挖掘探索，提煉出環(huán)境溫度與常規(guī)電力負荷消耗之間的關(guān)聯(lián)性，然后基于環(huán)境監(jiān)測站的預(yù)測數(shù)據(jù)，把握常規(guī)電力負荷的突發(fā)性變化，提高電網(wǎng)負荷調(diào)節(jié)的準確性。

5)基于5G基站業(yè)務(wù)量的電力負荷預(yù)測修正。5G基站通信業(yè)務(wù)量與轄區(qū)實時用戶數(shù)量存在一定關(guān)聯(lián)性，可與通勤數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)一起，更準確地量化通勤結(jié)束時刻到產(chǎn)生電力負荷之間的時間間隔，更精細地預(yù)測轄區(qū)電力負荷，豐富電力負荷預(yù)測資源、手段和成效。

6)基于V2G技術(shù)的電動汽車對電網(wǎng)的緊急支撐?；谄嚧蟛糠謺r間處于靜止?fàn)顟B(tài)，可考慮對電動汽車充電設(shè)備進行充放電改造，通過一定的電量折現(xiàn)激勵機制，在電網(wǎng)故障時，利用電動汽車剩余電量緊急支撐電網(wǎng)運行。

3.2 綜合能源服務(wù)系統(tǒng)層面

1)考慮電氣熱冷協(xié)同的能源調(diào)度優(yōu)化?；诟鞣N能源的響應(yīng)和存儲特性、運維和存儲成本、生產(chǎn)和傳輸成本等數(shù)據(jù)，結(jié)合各種能源之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系和效率，以滿足各種能源負荷需求為目標，以吸納風(fēng)電、光伏處理為最優(yōu)先級，以各種能源運行參數(shù)為約束條件(如電網(wǎng)電壓、頻率參數(shù)，熱網(wǎng)管道參數(shù)等)，優(yōu)化安排各能源的實時出力和儲備。

2)面向全社會用能節(jié)約的終端用能方式優(yōu)化?；诟鞣N能源生產(chǎn)、運維、存儲、傳輸成本，以全社會用能最經(jīng)濟、最高效為目標，各種能源運行參數(shù)為約束條件，合理確定各種能源的實時價格，對用戶用能方式選擇進行引導(dǎo)和優(yōu)化。

3)基于能源負荷預(yù)測的能源存儲容量優(yōu)化。利用各能源歷史數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、交通數(shù)據(jù)、行政信息等，在較長的時間尺度上預(yù)測各能源的消費情況及供給可行性，基于各能源之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系和替代關(guān)系，以滿足特殊情況下的能源供給和社會經(jīng)濟用能為目標，合理安排各能源的儲備情況。

4)基于能效分析的用戶節(jié)能支撐。通過對用戶能源消費特性的深度挖掘，細分用戶的能源負荷，基于各能源價格和可替代關(guān)系，合理安排用戶各能源負荷的使用情況，降低用戶能源消費成本。

4 商業(yè)運營模式探析

4.1 “多站融合”層面

基于各功能子站的融合方案，智慧能源站可包含如下商業(yè)運營模式，實現(xiàn)增值:①電網(wǎng)清潔、經(jīng)濟運行后產(chǎn)生的效益增加和成本節(jié)約；②5G基站、北斗地基加強站、環(huán)境監(jiān)測站、數(shù)據(jù)中心站的場地租賃及用電業(yè)務(wù)；③電動汽車充電站的停車場業(yè)務(wù)及充電業(yè)務(wù)；④利用通信資源，整合片區(qū)電動汽車充電站排隊情況，作為有償資源提供給用戶；若各充電站實時電價不一致，也可作為一種有償資源。

4.2 綜合能源服務(wù)系統(tǒng)層面

商業(yè)運營模式包括:全社會用能經(jīng)濟、高效后產(chǎn)生的效益增加和成本節(jié)約；基于能源消費預(yù)測的能源廠站儲能方案制定；基于能源數(shù)據(jù)支撐的用戶節(jié)能降耗方案制定；考慮能源消費成本和消費方式引導(dǎo)的各能源價格制定。

5 結(jié)語

“多站融合”對于豐富綜合能源服務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用功能和實施效果具有重要意義。本文將“多站融合”智慧能源站作為綜合能源服務(wù)系統(tǒng)感知層的獨立單元，詳細分析了“多站融合”智慧能源站功能子站類型及其融合方式，闡述了綜合能源服務(wù)系統(tǒng)中各能源之間的紐帶、轉(zhuǎn)換及替代關(guān)系，并對“多站融合”智慧能源站和綜合能源服務(wù)系統(tǒng)的高級應(yīng)用功能開發(fā)和商業(yè)運營模式進行了深入探討?！岸嗾救诤稀敝腔勰茉凑竞途C合能源服務(wù)系統(tǒng)當(dāng)前正處在探索建設(shè)階段，希望本文作出的思考能對相關(guān)工程和從業(yè)者提供有益參考。