适应多站融合的综合能源服务系统运行模式研究

胡苏凯，徐浩，严亚兵，余斌，欧阳帆，李辉，项凤雏

(1.广东电网有限责任公司，广东 广州 510062；2.国网湖南省电力有限公司电力科学研究院 湖南 长沙 410007；3.国网湖南省电力有限公司岳阳供电分公司，湖南岳阳 414000)

0 引言

“2030碳达峰、2060碳中和”的庄严承诺，体现了我国作为发展中大国的担当和自信，同时对我国能源供给重构和消费升级提出了极高要求。“多站融合”探索及综合能源服务系统构建，是适应新发展阶段、提升能源综合利用效率、促进能源高质量发展的有效举措，在业内形成了广泛共识，已成为新一轮的科技攻关和技术革新重点[1－5]。具备清洁能源大规模接入和能量远距离传输能力的电力网络作为能源互联互通和高效整合的坚实平台，在这轮能源变革中将发挥巨大作用。

“多站融合”是对国家电网有限公司顶层设计“探索利用变电站资源建设运营充换电(储能)站和数据中心站模式”的现实诠释，已从最初变电站、储能站、数据中心站的三站合一，发展为包含电动汽车充电站、光伏电站、5G通信基站、北斗地基加强站、环境监测站等更为广泛的“多站融合”。山东、厦门、重庆、甘肃等地均有“多站融合”试点站投运，而积极探索“多站融合”模式落地的地区更不在少数。尽管发展势头迅猛，目前对“多站融合”的研究与应用多停留于物理层面的简单融合，以各子站建设场地聚集为主要形式，融合后各子站的功能交互方式及商业运营途径均不甚明朗，“多站融合”模式的可持续发展尚需更深入的研究攻关。

综合能源服务系统是统筹管理，协调电、气、热、冷等各种能源消费及储备的综合性平台，通过对各种能源特性的深刻把握，综合考虑各种能源的储备和消费，以达到降低全社会整体用能水平和确保用能安全的目的[6－10]。2020年冬季，受寒冷气候、负荷增长等多方面因素影响，南方多省份出现供电严重短缺现象，造成较为明显的社会影响。综合能源服务系统建立后，通过对各种能源的社会消费预估，做好多种能源的协调互补供应，相信对预防类似2020年冬季缺电现象发生是能起到一定积极作用的。当然，除了特殊时期的能源应急保供，综合能源服务系统还可结合不同能源在时空分布、存储、响应速率等方面的差异，优化安排各种能源的耗用情况，实现全社会节能降耗。

适应“多站融合”的综合能源服务系统，对电能的消费优化更深入地挖掘，也对各能源之间的供给转换和消费替代提出了更高要求。本文从“多站融合”和综合能源服务系统两个维度，尝试对综合能源服务系统的架构、高级应用开发、运营模式探析等进行前瞻性探析，以期为相关从业者和行业发展提供有益参考。

1 “多站融合”模式探析

“多站融合”智慧能源站以变电站土地(如屋顶、生活区等)、电力及通信资源，融合建设储能站、数据中心站等其他功能子站，以期达到优化资源整合、挖掘增值业务的目的。因此，智慧能源站虽以变电站为基础，主要促进变电站与其他功能子站的业务融合，也应挖掘其他功能子站之间的融合价值，实现“多站融合”效益最大化。 “多站融合”概念在提出伊始，主要指物理空间上的站址融合，并在站址融合的基础上寻求各功能子站的业务融合和商业价值。但鉴于电力传输的便利性和实时性，“多站融合”实际上可突破站址空间限制，通过电力线路和通信网络，将具有可控源荷储等特性的电力设施融合到智慧能源站的整体控制体系内，实现更广泛的业务融合和更深度的价值挖掘。

仅从站址融合角度出发，智慧能源站中储能站、电动汽车充电站、光伏电站、数据中心站存在丰富的电气功能交互业务，基于不同优化目标可对各功能子站的外特性做出不同的整合，这方面的研究成果已有很多[11－15]。而5G基站、北斗地基增强站、环境监测站电气功能较为单一，主要作为电力负荷，但可为其他子站性能优化决策提供丰富的就近数据支撑。此外，若从功能融合的角度出发，除了上述功能子站外，“多站融合”还可突破站址限制，将分布式新能源电站、电动汽车集中充电站等一并包含，实现更广泛的协同优化。本文以站址融合为基础，兼顾功能融合模式，寻求“多站融合”子站类型最多样化、整体效益最大化，共计为智慧能源站挖掘了10类可融合的功能子站，各融合子站的功能特点、主要配置需求和融合方案梳理见表1。表中，电动汽车充电站和电动汽车集中充电站虽都是充电站，但所处位置不同，前者融合建设在智慧能源站内，属于站址融合范畴；后者为独立建设的充电站，与智慧能源站相互独立，通过电力线路连接，属于功能融合范畴。

结合表1所示各子站特点，可挖掘出各功能子站融合方案如下:

1)站址融合方案

对于在运变电站，从安全性、可靠性、经济性等角度出发，可能只适合融合少量功能子站，且由于各已建变电站规模、布局、容量等均存在差异，无法统一描述。这里主要考虑新建标准化智慧能源站，按资源利用最大化目标融合各功能子站，而其中的局部融合方案可根据实际情况用来改造在运变电站。当然需要说明的是，即便是新建智慧能源站，也往往受限于实际条件，无法融合所有的功能子站，比如过于偏远的变电站不适合集成电动汽车充电站，毗邻高楼大厦的变电站不适合建设光伏站、风电站等。

基于表1所示各功能子站的配置需求，可考虑按如下方案融合建设各功能子站:在变电站一次主设备区或高压室，规划独立的储能子站区，方便变电站和储能子站的独立运维和检修；数据中心站可采用集装箱方式，就近布置在储能区附近，或直接布置于办公楼；利用变电站屋顶空间资源，建设5G通信基站、北斗地基加强站、环境监测站、光伏站、风电站；利用变电站生活区站址资源建设电动汽车充电站；新建多站融合变电站还可考虑建设地下电动汽车充电站，并作为停车场，面向社会有偿开放。

表1 各功能子站特点梳理

2)功能融合方案

主要依据是电能传输的实时性和便利性，将周边的光伏站、风电站等新能源场站通过传输线接入变电站对应电压等级母线；在变电站周边建设储能站、电动汽车集中充电站等方便通过电力线连接的设施，接入变电站对应电压等级母线。

2 综合能源服务系统运行原理及架构

综合能源服务系统集成各种能源的调度功能，综合管理、引导电、气、热、冷等多种能源的供给和消费，促进全社会综合用能清洁、高效、经济、安全。鉴于电能传输的便利、清洁、高效性，电能替代成为了能源消费大趋势，因此，综合能源服务系统虽然包含多种能源，但主要应以电能的高效利用为主。主要考虑电、气、热、冷四种能源，梳理各种能源的消费流程和相互之间的转换机制，如图1所示。图中包含三种终端能源，即风电和光伏等新能源、其他形式的电源、气，分别用深色方框标示，热能和冷能暂作为过程性能源；包含四类能源用户，即电能用户、气能用户、热能用户和冷能用户。三种终端能源之间由电网和冷热电联产系统连成整体，同时结合电制热、电制冷等系统，可实现电→热/冷、热→冷、气→电/热/冷等多种能源转化。此外，在用户层面，四种能源的使用具有广泛的可替代性，例如电制热和气制热均可用于食物催熟和取暖，进一步将四种能源的消费紧密结合在一起。由此可知，作为电网企业向能源互联网企业转型升级的重要支撑，综合能源服务系统构建具有强烈的现实可行性和广阔的应用前景。

图1 综合能源服务系统示意图

综合能源系统接入多种能源子系统，可参考电网调度和监控系统构建平台架构，相关技术也较为成熟，如图2所示。图中，综合能源服务系统架构从下往上依次包括感知层、网络层、平台层、应用层四个层次。感知层通过在各能源场站、用户站或用户集中监测点设置系统终端设备，采集能源场站状态参数、刚性负荷能源消费特性、柔性负荷能源消费特性及调节特性等数据，并接收和执行综合能源服务系统主站下达的控制指令，实现能源、用户的统一调度。网络层是连接系统终端和系统主站的通信网络，采用集中式网络架构，系统主站与各系统终端直接通信；当系统主站下辖系统终端数量超过其可接入数量时，可按片区设置系统子站，作为系统主站和系统终端之间的通信中继。平台层是将综合能源服务系统需要用到的其他系统接入系统主站，提高系统主站应用功能的灵活性和多样性。

图2 综合能源服务系统架构

3 高级应用探析

从“多站融合”智慧能源站和综合能源服务系统两个层面来挖掘高级应用功能，智慧能源站高级应用功能可布置于站端监控系统或综合能源服务系统的应用层。

3.1 “多站融合”层面

基于各功能子站特点，理论上讲， “多站融合”存在如下高级应用功能:

1)考虑源网荷储协同的电网调度优化。以避免弃光、弃风及优化负荷水平为目标，综合利用电源出力预测、负荷预测、多目标优化等技术，以变电站电压、频率参数正常及储能站充电功率和容量限值等为约束条件，合理安排储能站可充/放电容量，实现电网的清洁、经济运行。

2)考虑数据中心站业务迁移的电网经济运行方案。在通信资源支持下，数据处理业务及结果可在多个数据中心站中灵活分配。数据中心站耗电量与业务处理量成正比，且包含实时处理业务和非实时处理业务，因此能以满足、提高各变电站负荷水平为目标，通过寻优算法，合理安排数据处理业务在各数据中心站及各时间段的最佳分配，提高电网运行经济性。

3)基于交通和环境数据支撑的电动汽车充电负荷预测。利用数据中心站、5G基站接入城市居民通勤数据和气象数据，通过统计分析、数据拟合技术，提炼电动汽车充电负荷与通勤数据、环境数据的关联性，预测电动汽车充电负荷时空分布特性，为电网调峰及备用容量储备作支撑。

4)基于环境数据支撑的常规电力负荷预测。通过对历史环境和常规电力负荷数据的深入挖掘探索，提炼出环境温度与常规电力负荷消耗之间的关联性，然后基于环境监测站的预测数据，把握常规电力负荷的突发性变化，提高电网负荷调节的准确性。

5)基于5G基站业务量的电力负荷预测修正。5G基站通信业务量与辖区实时用户数量存在一定关联性，可与通勤数据、气象数据一起，更准确地量化通勤结束时刻到产生电力负荷之间的时间间隔，更精细地预测辖区电力负荷，丰富电力负荷预测资源、手段和成效。

6)基于V2G技术的电动汽车对电网的紧急支撑。基于汽车大部分时间处于静止状态，可考虑对电动汽车充电设备进行充放电改造，通过一定的电量折现激励机制，在电网故障时，利用电动汽车剩余电量紧急支撑电网运行。

3.2 综合能源服务系统层面

1)考虑电气热冷协同的能源调度优化。基于各种能源的响应和存储特性、运维和存储成本、生产和传输成本等数据，结合各种能源之间的转化关系和效率，以满足各种能源负荷需求为目标，以吸纳风电、光伏处理为最优先级，以各种能源运行参数为约束条件(如电网电压、频率参数，热网管道参数等)，优化安排各能源的实时出力和储备。

2)面向全社会用能节约的终端用能方式优化。基于各种能源生产、运维、存储、传输成本，以全社会用能最经济、最高效为目标，各种能源运行参数为约束条件，合理确定各种能源的实时价格，对用户用能方式选择进行引导和优化。

3)基于能源负荷预测的能源存储容量优化。利用各能源历史数据、环境数据、交通数据、行政信息等，在较长的时间尺度上预测各能源的消费情况及供给可行性，基于各能源之间的转换关系和替代关系，以满足特殊情况下的能源供给和社会经济用能为目标，合理安排各能源的储备情况。

4)基于能效分析的用户节能支撑。通过对用户能源消费特性的深度挖掘，细分用户的能源负荷，基于各能源价格和可替代关系，合理安排用户各能源负荷的使用情况，降低用户能源消费成本。

4 商业运营模式探析

4.1 “多站融合”层面

基于各功能子站的融合方案，智慧能源站可包含如下商业运营模式，实现增值:①电网清洁、经济运行后产生的效益增加和成本节约；②5G基站、北斗地基加强站、环境监测站、数据中心站的场地租赁及用电业务；③电动汽车充电站的停车场业务及充电业务；④利用通信资源，整合片区电动汽车充电站排队情况，作为有偿资源提供给用户；若各充电站实时电价不一致，也可作为一种有偿资源。

4.2 综合能源服务系统层面

商业运营模式包括:全社会用能经济、高效后产生的效益增加和成本节约；基于能源消费预测的能源厂站储能方案制定；基于能源数据支撑的用户节能降耗方案制定；考虑能源消费成本和消费方式引导的各能源价格制定。

5 结语

“多站融合”对于丰富综合能源服务系统的应用功能和实施效果具有重要意义。本文将“多站融合”智慧能源站作为综合能源服务系统感知层的独立单元，详细分析了“多站融合”智慧能源站功能子站类型及其融合方式，阐述了综合能源服务系统中各能源之间的纽带、转换及替代关系，并对“多站融合”智慧能源站和综合能源服务系统的高级应用功能开发和商业运营模式进行了深入探讨。“多站融合”智慧能源站和综合能源服务系统当前正处在探索建设阶段，希望本文作出的思考能对相关工程和从业者提供有益参考。