泛在電力物聯網之“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（儲能）站、數據中心站等分散建設，不利于資源集約高效利用，難以發展高度融合的能源CPSS系統[1]。基于當今云計算和儲能技術，利用變電站站址資源及電力資源，對變電站、儲能站和數據中心站及其他功能模塊融合建設的模式（簡稱“三站合一”）做了必要性分析與可行性論證，并對建設模式進行了深入探究，為泛在電力物聯網的實際建設提供參考。

關鍵詞：泛在電力物聯網;三型兩網;三站合一;變電站;儲能站;數據中心站

中圖分類號：TP39;TM715文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）01-00-04

0 引 言

2019年國家電網公司提出打造樞紐型、平臺型、共享型企業，建設運營好堅強智能電網和泛在電力物聯網（“三型兩網”）[2]。這對智能傳感、邊緣計算、雙向高速通信帶寬通道、大數據云平臺等方面提出了更高的要求。發展高度融合的電網物理與信息系統，推廣“三站合一”新模式是未來發展趨勢。利用變電站在能源匯集傳輸和轉換利用中的樞紐作用，將變電站從傳統電力流節點轉變為能源流、數據流、業務流“三流合一”的樞紐，為未來區塊鏈、云計算、人工智能等在能源領域的應用提供基礎設施，是實現“三型兩網”目標的具體舉措之一。

1 “三站合一”的優點

目前數量少且集中的數據中心站已無法滿足未來國網云的需求。分散建設數據中心站和儲能站會增加土地占用面積以及線路損耗。傳統數據中心使用柴油發電機作后備電源會造成環境污染，與國家提出的建設綠色數據中心[3]思想相悖。另一方面，隨著全國變電站全戶內改造和退役，變電站站址資源和電力資源成為新的價值挖掘點。以江蘇35 kV電網為例，至“十三五”期末，全省預計退役150座35 kV變電站，除部分變電站規劃改造為10 kV開關站外，其余變電站站址面積約300 000 m2，為利用變電站資源建設運營多種業務的新模式提供了可能。“三站合一”的主要優點如下。

（1）可靠、經濟：數據中心就地利用變電站的電力資源以及儲能站提供的后備電源，提高運行的可靠性和經濟性。

（2）提高電能利用率：基于物聯網和大數據分析技術，采集儲能站、變電站用電數據，預測區域用電趨勢，在儲能站和變電站之間開展電能峰谷調節，提高電能利用率。

（3）提高土地資源利用效率：隨著泛在電力物聯網的推進以及全國禁燃油車計劃逐步實施，未來在數據存儲與計算、電動汽車充電方面的需求激增會導致城市土地資源征用緊張。“三站合一”充分挖掘變電站現有土地資源價值，以有效解決泛在電力物聯網“霧”節點和電動汽車充換電等場地問題。

（4）構建能源流樞紐：通過變電、儲能、光伏、充換電站等的物理及邏輯融合[4]，將傳統變電節點構建為具備源、網、荷、儲等特征的能量雙向有序流動的能源樞紐，協調全網統一潮流流向，執行潮流紅綠燈控制，實現發電與用戶之間供需動態平衡，支撐區域電網安全運行。

（5）構建信息流樞紐：通過分布式綠色數據中心的建設，為泛在電力物聯網云霧協同、霧霧協同提供基礎設施[5]，實現發、變、配、用全網信息互聯。利用物聯網、可視化技術，通過APN、無線專網等安全通道逐步接入各種物聯感知設備，將數據存儲到“多站合一”數據站，并經本地處理后上傳至省公司級云數據中心，以便國網總部統一監控管理。

（6）構建業務流樞紐：通過多能流互聯、大數據共享、區塊鏈應用，開展區域能源站冷熱電捆綁運營、充換電運營、售電交易、物聯網帶寬租賃、站內用能管控等業務，實現營、調、配、用貫通，構建綜合能源一體化運營模式。

2 “三站合一”的建設模式

典型的“三站合一”系統拓撲如圖1所示。光伏及儲能系統為數據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;數據中心站對內依托信息技術連接信息流、能量流、業務流，通過互聯互通實現能源和數據共建共享，對外提供租賃服務，拓展電網企業盈利模式;通過虛擬電廠對儲能、光伏系統進行柔性控制，實現用電負荷、光伏發電等多對象的精準預測和統一調配[6]。

變電站因電壓等級及地理位置不同，其建設形式及占地面積存在差異。目前變電站主要建設形式包括獨立式、戶外敞開式、廂式、成套戶內式。其中廂式和成套戶內式的變電站集成度高，可再利用空間不大。“三站合一”建設可在獨立式變電站及戶外敞開式變電站挖掘站址資源價值，并結合具體業務需求靈活配置1+X（1：變電站;X：儲能站、數據中心站、充換電站、光伏電站、能源站、虛擬電廠等）的能源互聯網綜合服務站。對已有變電站從可利用電源容量、土地面積、空地面積、室內面積、周邊資源情況、冷熱負荷需求等方面調研，為“三站合一”建設提供基礎數據支撐;對新建變電站而言，設計階段要充分考慮多業務形態，進行多業務專業化設計與一體化設計。具體建設可參考地下儲能站+地上數據中心+屋頂光伏電站的模式以節約土地資源，形成變電站小型生態系統，為泛在電力物聯網建設打好基礎。“三站合一”的功能拓展建設要結合當地業務需求及站址資源優化組合，具體見表1所列。

3 “三站合一”案例分析及拓展建議

3.1 揚州越江變新建示范工程

“三站合一”可以結合各地區電網基礎和實際需求積極開展示范工程建設。位于揚州儀征市經濟開發區的220 kV越江變是“變電站+數據中心站+儲能站+充換電站+能源站”的“三站合一”示范工程，建設規劃如圖2所示。

3.1.1 建設規模

越江變遠景規模3臺240 MVA主變，總體占地面積約12 600 m2;數據中心子站負荷容量約2 MW，占地面積約700 m2;儲能站規模24 MW/48 MW·h，占地面積約4 500 m2;能源站建設25 MW冷熱電三聯供[7]機組，占地面積約3 500 m2;越江變總體屋頂面積約6 300 m2，可安裝屋頂光伏發電系統約500 kW;充換電站擬建30個充電樁及相應換電設備。變電站整體投資1.3億元，充換電站投資1億元。項目總投資約5億元，其中能源站+儲能站投資約3億元，年收益約0.5億元，靜態投資回收期約6年。

3.1.2 效益分析

（1）數據中心子站定位揚州能源云數據站，用于存放、處理揚州能源數據，為泛在電力物聯網的建設及邊緣計算提供數據支撐，滿足電力行業在實時業務、應用智能、安全與隱私保護等方面的基本需求。

（2）儲能站為電網提供調頻等輔助服務[8]，替代變電站直流系統蓄電池，替代數據中心須配備的與負荷等額的柴油發電機，為其提供UPS電源。

（3）供電公司運檢車輛可以大范圍采用電動汽車，充換電站為電動汽車補給電能，進而促進社會電動汽車行業的長遠發展;換電站的電池可以梯級利用為儲能站儲能[9]。

（4）屋頂光伏利用建筑屋頂面積及光照資源，緩解負荷用電需求。

（5）能源站可滿足數據中心及周邊用戶等約50 MW冷熱負荷需求。

越江變構建了“源、荷、儲”的能源樞紐及數據中心交互節點，提升了儀征市經濟開發區供電設備利用率及綜合能源服務水平，并可繼續探索“大數據+增值服務”的發展模式。

3.2 南京江北儲能電站升級工程

“三站合一”建設可在現有站址基礎上挖掘資源，主動升級，為用而建，以用促建。南京江北儲能電站基于電網側電力物聯網建設對數據中心站的更大需求，因地制宜將現有“儲能站+變電站”升級為“儲能站+變電站+充電站+屋頂光伏+數據中心站”，進行“三站合一”試點。

3.2.1 建設規模

該站位于南京江北新區直管區內，交通便利。項目涵蓋集中式儲能、梯次儲能和移動式儲能、儲能管控及展示中心等多個板塊。該站占地面積為27 337 m2，規劃建設215 000 kW儲能（包含移動式儲能15 000 kW），本期建設規模為集中式儲能110 000 kW，梯級利用儲能20 000 kW。利用屋頂資源建設光伏容量約為100 kW;結合移動式儲能的建設配置15臺直流充電樁;與展示中心合建數據中心，初期配備約400個機柜，構建能源流/數據流轉化平臺，實現“三流合一”。

3.2.2 設計依據

在溧水南門變物聯網建設試點中，2條110 kV輸電線路、變電設備、2條10 kV饋線梳理出需安裝相關感知元件的專業設備有32類，共261個監測數據（包括設備本體狀態、運行環境、視頻圖像等）。按5 min一個測點計算，輸電、變電、配電采集數據量分別為577 MB/天，576 MB/天，25.9 GB/天。按存儲3年計算，數據量分別為631 GB，630 GB，28.4 TB，共29.6 TB。按照南京電網全域覆蓋電力物聯網建設的目標估算（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3年），輸電、變電、配電采集數據量分別達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設備，一面機柜可裝8臺。按國際標準存1份備2份，一臺設備60 TB測算，僅南京市電網側電力物聯網推廣就需389面機柜，負荷約2 000 kW。再考慮電力物聯網客戶服務系統、智慧能源服務平臺建設，數據中心的設施配置將成倍增長。

3.2.3 效益分析

該工程與上述越江變相比無配置能源站，此外，收益也相仿。值得一提的是經過統一規劃建筑、防雷、接地、道路、消防、站前區等公共資源可明顯節省占地面積。經測算，該工程將數據中心與儲能控制樓融合建設可減少占地面積700 m2。

3.3 “三站合一”拓展建議

建設“三站合一”，建議形成“核心+樞紐+邊緣”互通互聯的三級數據中心架構。樞紐型數據中心優先選擇在新能源密集區域的變電站（110 kV，330 kV）周邊，連接邊緣數據中心、服務于核心數據中心;邊緣數據中心在網絡條件滿足的前提下，優先選擇在10 kV，35 kV變電站進行建設。大力建設自建自用的邊緣數據中心，為變電站運營提供支撐，同時考慮邊緣計算、區塊鏈的技術應用。適度建設大型核心數據中心，并以對外服務為主。緊密連接國家電網公司主業建設“三站合一”，不斷研究商業模式，建立朋友圈、生態圈。促進新興業務和電網業務互利共生、協同發展。

建設“三站合一”，建議優先選址西部。東部地區人多地少，建立大規模數據中心費用極高。西部地區（例如新疆、甘肅）地面資源豐富且廉價，適宜建立大規模數據中心。僅蘭州就建有27個大型數據中心，中國移動、中國電信都是萬面機柜的規模。此外，甘肅新能源發電占比41%，政府鼓勵清潔能源的利用，電價低至8分錢，甚至曾出現過零費用電價，新疆情況與甘肅類似。可以優先在西部實施“三站合一”建設，就近消納清潔能源，緩解“三棄”現象，降低數據中心運營成本[10]。通過充分利用棄風棄電開展儲能電站業務，預計可利用棄風電量20億千瓦時、棄光電量40億千瓦時，棄風棄電利用率提升45%。利用電網通信通道向東部省份提供數據、計算服務。

4 結 語

本文概括了“三站合一”模式與泛在電力物聯網建設的關系。梳理出“三站合一”的優點及實施可能性，并闡述了具體建設模式。結合南瑞集團參與建設的揚州越江變“三站合一”新建工程、南京江北儲能電站“三站合一”升級工程，詳細分析了“三站合一”工程案例，分享了實際的工程數據，指出了實際工程帶來的初步效益。最后提出建設“核心+樞紐+邊緣”三級數據中心的建議，并根據地域特點提出優先在西部建設“三站合一”的建議，為“三站合一”實際建設提供參考。

參 考 文 獻

[1]楊德勝，孫飛，吳紅俠.面向全球能源互聯網的平行電網體系框架研究[J].微型電腦應用，2016，32（10）：54-58.

[2]韓曉平.關于國網革命的幾點看法[J].上海節能，2019（4）：241-244.

[3]佚名.綠色數據中心建設的創新之路：藍汛首鳴數據中心追求綠色建設[J].網絡安全和信息化，2019（5）：41.

[4]鐘迪，李啟明，周賢，等.多能互補能源綜合利用關鍵技術研究現狀及發展趨勢[J].熱力發電，2018，47（2）：1-5.

[5]傅質馨，李瀟逸，袁越.泛在電力物聯網關鍵技術探討[J].電力建設，2019，40（5）：1-12.

[6]周博，呂林，高紅均，等.考慮熱電聯合調度的虛擬電廠交易策略研究[J/OL].電測與儀表：1-7[2019-06-17].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/23.1202.th.20190114.1449.022.html.

[7]韓高巖，呂洪坤，蔡潔聰，等.燃氣冷熱電三聯供發展現狀及前景展望[J].浙江電力，2019，38（1）：18-24.

[8]黃欣，范偲偲.儲能技術大規模應用的可行性研究[J].寧夏電力，2017（6）：11-17.

[9]李亞鐸.淺議我國新能源汽車發展現狀和思路[J].山東工業技術，2019（10）：28.

[10]孟垂懿，蔡志遠，周正道，等.面向智能電網的清潔能源聯合供電系統設計[J].現代電子技術，2019，42（2）：103-106.