泛在电力物联网之“三站合一”模式探究

黄毅 张传羽 刘天明

摘 要：目前变电站、充换电（储能）站、数据中心站等分散建设，不利于资源集约高效利用，难以发展高度融合的能源CPSS系统[1]。基于当今云计算和储能技术，利用变电站站址资源及电力资源，对变电站、储能站和数据中心站及其他功能模块融合建设的模式（简称“三站合一”）做了必要性分析与可行性论证，并对建设模式进行了深入探究，为泛在电力物联网的实际建设提供参考。

关键词：泛在电力物联网;三型两网;三站合一;变电站;储能站;数据中心站

中图分类号：TP39;TM715文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）01-00-04

0 引 言

2019年国家电网公司提出打造枢纽型、平台型、共享型企业，建设运营好坚强智能电网和泛在电力物联网（“三型两网”）[2]。这对智能传感、边缘计算、双向高速通信带宽通道、大数据云平台等方面提出了更高的要求。发展高度融合的电网物理与信息系统，推广“三站合一”新模式是未来发展趋势。利用变电站在能源汇集传输和转换利用中的枢纽作用，将变电站从传统电力流节点转变为能源流、数据流、业务流“三流合一”的枢纽，为未来区块链、云计算、人工智能等在能源领域的应用提供基础设施，是实现“三型两网”目标的具体举措之一。

1 “三站合一”的优点

目前数量少且集中的数据中心站已无法满足未来国网云的需求。分散建设数据中心站和储能站会增加土地占用面积以及线路损耗。传统数据中心使用柴油发电机作后备电源会造成环境污染，与国家提出的建设绿色数据中心[3]思想相悖。另一方面，随着全国变电站全户内改造和退役，变电站站址资源和电力资源成为新的价值挖掘点。以江苏35 kV电网为例，至“十三五”期末，全省预计退役150座35 kV变电站，除部分变电站规划改造为10 kV开关站外，其余变电站站址面积约300 000 m2，为利用变电站资源建设运营多种业务的新模式提供了可能。“三站合一”的主要优点如下。

（1）可靠、经济：数据中心就地利用变电站的电力资源以及储能站提供的后备电源，提高运行的可靠性和经济性。

（2）提高电能利用率：基于物联网和大数据分析技术，采集储能站、变电站用电数据，预测区域用电趋势，在储能站和变电站之间开展电能峰谷调节，提高电能利用率。

（3）提高土地资源利用效率：随着泛在电力物联网的推进以及全国禁燃油车计划逐步实施，未来在数据存储与计算、电动汽车充电方面的需求激增会导致城市土地资源征用紧张。“三站合一”充分挖掘变电站现有土地资源价值，以有效解决泛在电力物联网“雾”节点和电动汽车充换电等场地问题。

（4）构建能源流枢纽：通过变电、储能、光伏、充换电站等的物理及逻辑融合[4]，将传统变电节点构建为具备源、网、荷、储等特征的能量双向有序流动的能源枢纽，协调全网统一潮流流向，执行潮流红绿灯控制，实现发电与用户之间供需动态平衡，支撑区域电网安全运行。

（5）构建信息流枢纽：通过分布式绿色数据中心的建设，为泛在电力物联网云雾协同、雾雾协同提供基础设施[5]，实现发、变、配、用全网信息互联。利用物联网、可视化技术，通过APN、无线专网等安全通道逐步接入各种物联感知设备，将数据存储到“多站合一”数据站，并经本地处理后上传至省公司级云数据中心，以便国网总部统一监控管理。

（6）构建业务流枢纽：通过多能流互联、大数据共享、区块链应用，开展区域能源站冷热电捆绑运营、充换电运营、售电交易、物联网带宽租赁、站内用能管控等业务，实现营、调、配、用贯通，构建综合能源一体化运营模式。

2 “三站合一”的建设模式

典型的“三站合一”系统拓扑如图1所示。光伏及储能系统为数据中心站提供清洁可靠的能源，为充换电站提供后备电源，并用于削峰填谷;数据中心站对内依托信息技术连接信息流、能量流、业务流，通过互联互通实现能源和数据共建共享，对外提供租赁服务，拓展电网企业盈利模式;通过虚拟电厂对储能、光伏系统进行柔性控制，实现用电负荷、光伏发电等多对象的精准预测和统一调配[6]。

变电站因电压等级及地理位置不同，其建设形式及占地面积存在差异。目前变电站主要建设形式包括独立式、户外敞开式、厢式、成套户内式。其中厢式和成套户内式的变电站集成度高，可再利用空间不大。“三站合一”建设可在独立式变电站及户外敞开式变电站挖掘站址资源价值，并结合具体业务需求灵活配置1+X（1：变电站;X：储能站、数据中心站、充换电站、光伏电站、能源站、虚拟电厂等）的能源互联网综合服务站。对已有变电站从可利用电源容量、土地面积、空地面积、室内面积、周边资源情况、冷热负荷需求等方面调研，为“三站合一”建设提供基础数据支撑;对新建变电站而言，设计阶段要充分考虑多业务形态，进行多业务专业化设计与一体化设计。具体建设可参考地下储能站+地上数据中心+屋顶光伏电站的模式以节约土地资源，形成变电站小型生态系统，为泛在电力物联网建设打好基础。“三站合一”的功能拓展建设要结合当地业务需求及站址资源优化组合，具体见表1所列。

3 “三站合一”案例分析及拓展建议

3.1 扬州越江变新建示范工程

“三站合一”可以结合各地区电网基础和实际需求积极开展示范工程建设。位于扬州仪征市经济开发区的220 kV越江变是“变电站+数据中心站+储能站+充换电站+能源站”的“三站合一”示范工程，建设规划如图2所示。

3.1.1 建设规模

越江变远景规模3台240 MVA主变，总体占地面积约12 600 m2;数据中心子站负荷容量约2 MW，占地面积约700 m2;储能站规模24 MW/48 MW·h，占地面積约4 500 m2;能源站建设25 MW冷热电三联供[7]机组，占地面积约3 500 m2;越江变总体屋顶面积约6 300 m2，可安装屋顶光伏发电系统约500 kW;充换电站拟建30个充电桩及相应换电设备。变电站整体投资1.3亿元，充换电站投资1亿元。项目总投资约5亿元，其中能源站+储能站投资约3亿元，年收益约0.5亿元，静态投资回收期约6年。

3.1.2 效益分析

（1）数据中心子站定位扬州能源云数据站，用于存放、处理扬州能源数据，为泛在电力物联网的建设及边缘计算提供数据支撑，满足电力行业在实时业务、应用智能、安全与隐私保护等方面的基本需求。

（2）储能站为电网提供调频等辅助服务[8]，替代变电站直流系统蓄电池，替代数据中心须配备的与负荷等额的柴油发电机，为其提供UPS电源。

（3）供电公司运检车辆可以大范围采用电动汽车，充换电站为电动汽车补给电能，进而促进社会电动汽车行业的长远发展;换电站的电池可以梯级利用为储能站储能[9]。

（4）屋顶光伏利用建筑屋顶面积及光照资源，缓解负荷用电需求。

（5）能源站可满足数据中心及周边用户等约50 MW冷热负荷需求。

越江变构建了“源、荷、储”的能源枢纽及数据中心交互节点，提升了仪征市经济开发区供电设备利用率及综合能源服务水平，并可继续探索“大数据+增值服务”的发展模式。

3.2 南京江北储能电站升级工程

“三站合一”建设可在现有站址基础上挖掘资源，主动升级，为用而建，以用促建。南京江北储能电站基于电网侧电力物联网建设对数据中心站的更大需求，因地制宜将现有“储能站+变电站”升级为“储能站+变电站+充电站+屋顶光伏+数据中心站”，进行“三站合一”试点。

3.2.1 建设规模

该站位于南京江北新区直管区内，交通便利。项目涵盖集中式储能、梯次储能和移动式储能、储能管控及展示中心等多个板块。该站占地面积为27 337 m2，规划建设215 000 kW储能（包含移动式储能15 000 kW），本期建设规模为集中式储能110 000 kW，梯级利用储能20 000 kW。利用屋顶资源建设光伏容量约为100 kW;结合移动式储能的建设配置15台直流充电桩;与展示中心合建数据中心，初期配备约400个机柜，构建能源流/数据流转化平台，实现“三流合一”。

3.2.2 设计依据

在溧水南門变物联网建设试点中，2条110 kV输电线路、变电设备、2条10 kV馈线梳理出需安装相关感知元件的专业设备有32类，共261个监测数据（包括设备本体状态、运行环境、视频图像等）。按5 min一个测点计算，输电、变电、配电采集数据量分别为577 MB/天，576 MB/天，25.9 GB/天。按存储3年计算，数据量分别为631 GB，630 GB，28.4 TB，共29.6 TB。按照南京电网全域覆盖电力物联网建设的目标估算（35 kV及以上输电线路700条，35 kV及以上变电站300座，10/20 kV配电线路3 700条，存储3年），输电、变电、配电采集数据量分别达215.5 TB，184 TB，60.3 PB，共60.7 PB。参照江苏省电力公司目前在用华为存储设备，一面机柜可装8台。按国际标准存1份备2份，一台设备60 TB测算，仅南京市电网侧电力物联网推广就需389面机柜，负荷约2 000 kW。再考虑电力物联网客户服务系统、智慧能源服务平台建设，数据中心的设施配置将成倍增长。

3.2.3 效益分析

该工程与上述越江变相比无配置能源站，此外，收益也相仿。值得一提的是经过统一规划建筑、防雷、接地、道路、消防、站前区等公共资源可明显节省占地面积。经测算，该工程将数据中心与储能控制楼融合建设可减少占地面积700 m2。

3.3 “三站合一”拓展建议

建设“三站合一”，建议形成“核心+枢纽+边缘”互通互联的三级数据中心架构。枢纽型数据中心优先选择在新能源密集区域的变电站（110 kV，330 kV）周边，连接边缘数据中心、服务于核心数据中心;边缘数据中心在网络条件满足的前提下，优先选择在10 kV，35 kV变电站进行建设。大力建设自建自用的边缘数据中心，为变电站运营提供支撑，同时考虑边缘计算、区块链的技术应用。适度建设大型核心数据中心，并以对外服务为主。紧密连接国家电网公司主业建设“三站合一”，不断研究商业模式，建立朋友圈、生态圈。促进新兴业务和电网业务互利共生、协同发展。

建设“三站合一”，建议优先选址西部。东部地区人多地少，建立大规模数据中心费用极高。西部地区（例如新疆、甘肃）地面资源丰富且廉价，适宜建立大规模数据中心。仅兰州就建有27个大型数据中心，中国移动、中国电信都是万面机柜的规模。此外，甘肃新能源发电占比41%，政府鼓励清洁能源的利用，电价低至8分钱，甚至曾出现过零费用电价，新疆情况与甘肃类似。可以优先在西部实施“三站合一”建设，就近消纳清洁能源，缓解“三弃”现象，降低数据中心运营成本[10]。通过充分利用弃风弃电开展储能电站业务，预计可利用弃风电量20亿千瓦时、弃光电量40亿千瓦时，弃风弃电利用率提升45%。利用电网通信通道向东部省份提供数据、计算服务。

4 结 语

本文概括了“三站合一”模式与泛在电力物联网建设的关系。梳理出“三站合一”的优点及实施可能性，并阐述了具体建设模式。结合南瑞集团参与建设的扬州越江变“三站合一”新建工程、南京江北储能电站“三站合一”升级工程，详细分析了“三站合一”工程案例，分享了实际的工程数据，指出了实际工程带来的初步效益。最后提出建设“核心+枢纽+边缘”三级数据中心的建议，并根据地域特点提出优先在西部建设“三站合一”的建议，为“三站合一”实际建设提供参考。

参 考 文 献

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[4]钟迪，李启明，周贤，等.多能互补能源综合利用关键技术研究现状及发展趋势[J].热力发电，2018，47（2）：1-5.

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