基于变电站资源建设充换电（储能）站和数据中心站多功能优化配置方法

刘新萌 时荣超 吕风波 鞠 力 杨 帆

基于变电站资源建设充换电（储能）站和数据中心站多功能优化配置方法

刘新萌1时荣超2吕风波1鞠 力1杨 帆1

（1. 北京电力经济技术研究院有限公司，北京 100055；2. 清华四川能源互联网研究院，成都 610213）

本文研究基于变电站资源建设储能站、充换电站和数据中心站多功能优化配置方法，综合分析了储能电站、充换电站和数据中心站在大型城市电网中的需求，给出了基于变电站资源建设储能站、充换电站和数据中心站的实用化配置技术规则，并研究了储能电站、充换电站、数据中心站选址和定容的规划配置方法。

变电站；储能；充换电站；数据中心；优化配置

0 引言

2020年，国家电网有限公司明确树立了“建设具有中国特色国际领先的能源互联网企业”的战略目标，以能源为载体进行数据互通，推动电网由传统的枢纽型向共享型发展，为公司注入新的发展动能。随着工商业电价不断下降，公司经营面临较大压力，如何运用好变电站站址资源，在土地、管道类资源要素日趋紧张的背景下[1]，以变电站为载体，充分利用变电站电力及通信基础设施，整合电力和数据资源，研究集成储能电站、充换电站及数据中心“三站合一”的多功能优化配置方法至关重要[2]。

国外在电网“多站融合”方面的研究主要侧重在电网侧储能与变电站的融合。文献[3]探讨了储能规划对于电力市场运行（包括储能运行）的影响，将储能系统的规划问题和包含光伏、储能的电力系统运行问题作为整体来建模，考虑整个系统运行对储能规划的影响。国外关于数据中心的规划主要聚焦在其供电变电站的特殊设计上，ABB公司针对数据中心规划，提出了其变电站应满足高可靠性、供电连续性以及安全性等特征，来满足数据中心供电的特殊需求。2019年以来国内河南、湖南和江苏等地分别开展了电网侧储能工程的建设。江苏、上海等地同时开展了“多站融合”的示范工程建设。

本文主要研究利用变电站资源探索多站融合建设的新模式，分析储能电站、数据中心站和充换电站的需求，研究各站多功能优化配置方法，进而提出各站实用化配置技术原则。

1 配置技术规则

1.1 总体规则

因地制宜，以变电站基础资源和实际需求为导向，根据不同电压等级、不同区域发展水平，采用差异化的建设模式，优化容量及规模配置，合理满足各类内外部需求。

做好容量及规模预测，合理预测数据及电动汽车增长情况，满足区域内能源互联网数据存储及处理需求。

遵循资产全寿命周期成本最优的原则，分析资产寿命周期成本，对配置方案进行多方比选，满足整体资产成本最优的要求。

1.2 储能电站配置技术规则

充分考虑变电站的负荷特性曲线以及储能设施布局布置特点，合理利用现有变电站场站资源，充分发挥储能系统利用效率。

与220kV及110kV变电站融合的储能电池选型、系统配置及设备选择应满足系统/变电站对于调峰/调频的应用近、远期要求。

储能设备功率配置宜不小于220kV变电站主变容量的5%，或有效降低220kV变电站最高负载率不小于5%；储能设备功率配置宜不小于110kV变电站主变容量的10%，或有效降低110kV变电站最高负载率不小于10%；储能功率配置应满足系统调频需求。

1.3 充换电站配置技术原则

充电站总体规模和布局应符合城镇规划、环境保护的要求，宜选择靠近城市道路、交通便利或交通繁忙的变电站建设，应与变电站选址、配电网规划建设密切结合。

充换电站规模应以变电站可利用的土地资源、车位等资源为边界条件，宜结合服务电动汽车类型、保有量、充电需求、车辆日均行驶里程和单位能耗水平等综合确定。

可结合不同规模需求建设小型充电站、中型充电站和大型充电站，宜采取快充、慢充相配合的建设模式，充电桩形式可以采用一机一充模式，也可以采用一机多充模式，满足不同类型充电需求。

1.4 数据中心配置技术规则

数据中心站建设规模需遵循因地制宜、需求引导基本原则，根据实际需求及变电站物理条件确定数据中心站的建设规模、单机柜容量及制冷方式等。

数据中心应充分考虑对外、对内业务需求，满足能源互联网数据存储及处理能力，应遵循近期建设规模与远期发展规划协调一致的原则。

根据变电站站址资源和数据计算存储需求，宜按照不同电压等级、容量规模变电站特点，差异化建设小型数据中心、中型数据中心、大型数据中心和超大型数据中心。

2 储能电站需求分析及优化配置方法

2.1 储能电站需求分析

大型城市电网面临峰谷差加大、局部重过载、高可靠性供电保障及高比例清洁能源接入等新挑 战[4]。储能技术为解决大型城市电网面临的问题提供创新解决思路和手段，电网侧储能技术在减少局部电网峰谷差，缓解局部重过载，保证供电可靠性，增加电网调频能力，促进新能源消纳等方面都能起到重要作用[5-6]。

储能与变电站融合建设是储能在电网中发挥其作用的重要模式及未来发展趋势。储能系统是多站融合建设中的重要能量缓冲环节[7]，既可以实现峰谷套利，也可实现清洁发电就地消纳，同时为与变电站一体化建设的数据中心、变电站站用电系统提供应急备用电源，因此，有必要在多站融合建设中增加储能模块。

2.2 储能电站配置思路及优化配置方法

1）配置思路

应从选址和定容两个方面研究储能电站规划配置方案，考虑区域地理情况、电网现状和储能应用场景，提出电网侧储能选址定容方法。

储能电站优化配置技术路线如图1所示，首先，根据地区电网结构和未来网架规划，分析储能可能的接入位置。其次，针对储能在电力系统中的不同应用需求，研究各类场景中储能的配置模型，研究不同场景的储能规划方法，从调频、削峰填谷及可靠性等方面制定需求分析的原则、目标，构建合理的分析模型，提出储能系统需求分析模型和方法，最终确定储能系统的优化配置方法。

图1 储能电站优化配置技术路线

2）优化配置方法

（1）选址优化配置方法

储能电站寻址的首要任务是研究储能接入。首先，从地区电网拓扑结构和未来规划蓝图出发，分析网络结构中的薄弱点和电源布局；其次，考虑节点负荷和潮流分布，研究储能可能的接入位置。

确定接入位置后，需分析储能电站接入后对电网的影响。最终，根据上述储能接入对电网的影响，综合考虑储能电站规模及地理条件，研究不同接入位置对电网的性能改善成效，提出电网侧储能电站的优化选址方法。

（2）储能电站定容优化配置方法

对于电网中不满足-1安全性准则的重过载变电站，可通过在变电站配置电网侧储能，削减峰值负荷，确保满足主变-1校验。以电化学储能初始投资成本最小为目标函数，对变电站储能功率和电量配置进行优化，以最小经济代价满足变电站安全运行要求。

①目标函数

在变电站配置储能最主要目的是削峰填谷，储能通过在高峰时段放电，低谷时段充电，降低变电站峰值负荷，保证变电站的安全运行。本文以配置储能初始投资成本最小为目标函数，即

②约束条件

结合储能当前实际运行方式，在正常运行状态下，储能电站通过接收调度遥控指令，参与电网负荷调节，实现削峰填谷功能。因此本文假设储能电站在一天内完成一次完整的充放电周期。约束条件主要有变电站满足主变-1约束、充放电周期内能量守恒、储能功率和荷电状态约束。

③求解方法

储能优化配置模型为含约束条件的非线性规划问题，考虑采用遗传算法进行求解，每个个体表示储能接入的功率。利用遗传算法求解模型，其流程步骤如图2所示。

图2 模型求解流程图

（3）优化配置方法评价

本配置方法提出应从系统可靠性、调峰和传输瓶颈出发，研究储能空间布局对电网的影响，结合地理位置信息的约束，给出电网侧储能电站的最优选址方案。此后，研究不同场景的储能规划方法，构建合理的储能系统需求分析模型，采用遗传算法对模型进行求解，得到最终的优化配置方法。

3 充换电站需求分析及优化配置方法

3.1 充换电站需求分析

电动汽车保有量快速增长，市场规模不断扩大。而充电基础设施建设滞后成为制约电动汽车发展的重要因素，需要建设配套完善的充电设施来满足充电需求[8]。

充电站选址布局规律与路网及城市功能密切相关，符合变电站按照负荷密度布点规律[9]。将充换电站与变电站的供配电系统进行一体化设计，可提高土地利用率，缓解充换电设施选址困难的问题，缩短了设计、施工周期，有效推进电动汽车充换电服务网络的完善。

3.2 充换电站配置思路及优化配置方法

1）配置思路

分析节假日、工作日交通流量分布不同及电网负荷不同对电动汽车充电站规划的影响，综合考虑交通流量、综合建设成本、用户排队等待时间忍耐度等因素，建立多场景的电动汽车充电网络规划模型，对电动汽车充电服务网络进行合理规划。充换电站优化配置技术路线如图3所示。

图3 充换电站优化配置技术路线

首先，调研节假日和工作日交通流量分布，分析不同场景下节点电网负荷特性。其次，建立多场景定容模型，综合考虑不同场景下用户充电排队等待时间、配电网安全运行等因素，以电动汽车充电站年综合成本最小为优化目标，对电动汽车充电站容量进行优化配置。最后，结合不同场景下电动汽车沿路网到充电站时间和充电时间，确定用户在各个充电站平均排队时间，得到各充电站的服务范围。

2）优化配置方法

（1）选址优化配置方法

电动汽车充电站的选址问题主要需要从用户和交通两个方面综合规划，充电站在交通路网中需要尽可能大地覆盖交通流量，因此充电站选址是典型的位置分配问题，而解决该问题最常见的方法是P-中值模型和最大覆盖选址模型。

建立P-中值模型的目的是尽可能保持所有车辆的行驶距离最短；而最大覆盖选址模型是为了保证充电站能够截住最多的车流，是从用户角度进行考虑分析的。二者均为电动汽车充电站选址的目的，所以本文结合2个模型建立了交通满意度模型，定义为交通满意度，则

其中

通过对P-中值模型和最大覆盖选址模型的分析可知，在交通网路中，需要尽可能保持较小的网络需求权重距离和尽可能大的网络需求满意度，因此以最小满意度为优化目标进行求解，具体模型为

（2）充换电站定容优化配置方法

电动汽车充电站定容规划时既要考虑充电站的建设运行成本、充电站网损成本，还要考虑电动汽车用户的需求。本文以充电站总成本最小化为优化目标，电动汽车用户排队等待时间忍耐极限为约束条件，对电动汽车充电站容量进行优化。

①定容优化目标函数

以电动汽车充电站年综合成本为优化目标，得到电动汽车充电站容量的最优配比。充电桩数量体现了该充电站的规模、容量及投资。综上可得年固定投资成本和年运行成本都是充电桩数量的函数。

年综合成本为

②约束条件

本文从电动汽车充电用户心理和电网安全两个角度考虑，对电动汽车充电站容量优化过程进行约束，得到待规划区域电动汽车充电站容量最优匹配结果。考虑包括电动汽车充电用户排队等待时间约束及电网约束。

（3）优化配置方法评价

本配置方法提出建立多场景交通满意度模型，以交通满意度最大为目标进行优化，确定电动汽车充电站最优站址，综合考虑不同场景下用户充电等待时间、电网安全运行等因素，以电动汽车充电站年综合成本最小为优化目标，对电动汽车充电站容量进行优化配置，得到最终的优化配置方法。

4 数据中心需求分析及优化配置方法

4.1 数据中心需求分析

数据中心建设逐步向规模化和边缘计算两个方向靠近，在需求量大的区域一般进行大型、超大型数据中心建设，通过规模化效益降低成本和单位能耗，在末端需求量小的区域进行微型、小型数据中心建设，满足边缘计算的需求[10]。

数据中心是能源互联互通的纽带，也是公司建设能源互联网企业的手段。这种模式下，数据中心站距离电源近，储能系统灵活、可控地为数据中心提供持续、可靠的后备电源，在电网发生大扰动和故障时，仍能保证电网的安全运行。利用变电站内站址资源融合建设数据中心，站内一体化统筹设计，实现建筑融合，减少部分设施建设，降低投资费用。

4.2 数据中心配置思路及优化配置方法

1）配置思路

数据中心数据需求分析范围按照内部需求和外部需求进行测算，基于上述需求范围确定数据中心内部需求指标，研究各项指标取值，根据数据中心总的数据需求和应用需求估算机架规模，结合占地面积来确定数据中心规模。数据中心优化配置技术路线如图4所示。

图4 数据中心优化配置技术路线

首先，从内部需求和外部需求分析数据中心需求，其中内部需求按照“源、网、荷”分别进行估算，外部需求数据通过结合调研和查阅资料来初步了解潜在租赁需求，确定外部数据需求。其次，估算出整体内部数据需求。最后，根据数据中心存储需求、计算需求以及外部租赁需求，计算数据中心所需机架规模以及占地面积，得到数据中心优化配置方法。

2）优化配置方法

（1）数据中心外部需求分析

调研了解外部哪些用户对数据中心有数据需求和服务需求，分析这些数据需求和服务需求的合理性，以及用户服务需求的可满足程度，进一步沟通了解潜在租赁需求，提出外部数据需求。

（2）数据中心内部需求分析

①机架规模估算方法

根据上述分析得到数据中心总的数据需求和应用需求，按照式（6）估算所需机架规模，即

式中：N为所需机架估算数量；c为总的存储需求，含备份和冗余；d为单个存储器最大存储容量；f为计算服务器需求数量；为单个机架可放置设备数量。

②占地面积估算方法

数据中心占地面积可用式（7）计算，即

式中：data为数据中心占地面积估算值；N为机架估算数量；d为单位机架平均占地面积（含设备通道）。

（3）优化配置方法评价

本配置方法首先从内部需求和外部需求分析数据中心需求，并根据数据中心存储需求、计算需求以及外部租赁需求，计算数据中心所需机架规模以及占地面积，得到数据中心最终的优化配置方法。

5 结论

本文基于国家电网有限公司战略目标，研究利用变电站资源探索多站融合建设的新模式，分别就储能电站、充换电站和数据中心站在大型城市电网中的需求进行分析，根据给出的基于变电站资源建设充换电（储能）站和数据中心站的实用化配置技术规则，从选址和定容等方面分析了储能电站规划配置方案，提出配置优化函数及求解方法。

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[10] 李军, 赵小飞, 孙祥栋. 泛在引擎成就能源大数据价值[N]. 中国能源报, 2019-08-26(1-2).

Multi-function optimal configuration method of building charging station and data center station based on substation resources

LIU Xinmeng1SHI Rongchao2LYU Fengbo1JU Li1YANG Fan1

(1. Beijing Electric Power Economic Research Institute, Beijing 100055; 2. Tsinghua Sichuan Energy Internet Research Institute, Chengdu 610213)

This paper analyzed the multi-functional optimal configuration of energy storage system, charging and swapping station, data center when building a new substation. The demands of energy storage system, charging and swapping station and data center in large-scale urban power grid are analyzed. The location and capacity configuration method of energy storage system, charging and swapping station and data center are studied. Finally, practical technical configuration principles of energy storage system, charging and swapping station, data center when building a new substation are proposed.

substation；energy storage system；charging and swapping station；data center；optimal configuration

国网北京市电力公司科技项目（520234190001）

2020-05-25

2020-06-29

刘新萌（1991—），女，北京市人，硕士，工程师，主要从事电气设计工作。