劉新萌 時榮超 呂風(fēng)波 鞠 力 楊 帆

基于變電站資源建設(shè)充換電（儲能）站和數(shù)據(jù)中心站多功能優(yōu)化配置方法

劉新萌1時榮超2呂風(fēng)波1鞠 力1楊 帆1

（1. 北京電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司，北京 100055；2. 清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院，成都 610213）

本文研究基于變電站資源建設(shè)儲能站、充換電站和數(shù)據(jù)中心站多功能優(yōu)化配置方法，綜合分析了儲能電站、充換電站和數(shù)據(jù)中心站在大型城市電網(wǎng)中的需求，給出了基于變電站資源建設(shè)儲能站、充換電站和數(shù)據(jù)中心站的實用化配置技術(shù)規(guī)則，并研究了儲能電站、充換電站、數(shù)據(jù)中心站選址和定容的規(guī)劃配置方法。

變電站；儲能；充換電站；數(shù)據(jù)中心；優(yōu)化配置

0 引言

2020年，國家電網(wǎng)有限公司明確樹立了“建設(shè)具有中國特色國際領(lǐng)先的能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)”的戰(zhàn)略目標(biāo)，以能源為載體進(jìn)行數(shù)據(jù)互通，推動電網(wǎng)由傳統(tǒng)的樞紐型向共享型發(fā)展，為公司注入新的發(fā)展動能。隨著工商業(yè)電價不斷下降，公司經(jīng)營面臨較大壓力，如何運用好變電站站址資源，在土地、管道類資源要素日趨緊張的背景下[1]，以變電站為載體，充分利用變電站電力及通信基礎(chǔ)設(shè)施，整合電力和數(shù)據(jù)資源，研究集成儲能電站、充換電站及數(shù)據(jù)中心“三站合一”的多功能優(yōu)化配置方法至關(guān)重要[2]。

國外在電網(wǎng)“多站融合”方面的研究主要側(cè)重在電網(wǎng)側(cè)儲能與變電站的融合。文獻(xiàn)[3]探討了儲能規(guī)劃對于電力市場運行（包括儲能運行）的影響，將儲能系統(tǒng)的規(guī)劃問題和包含光伏、儲能的電力系統(tǒng)運行問題作為整體來建模，考慮整個系統(tǒng)運行對儲能規(guī)劃的影響。國外關(guān)于數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃主要聚焦在其供電變電站的特殊設(shè)計上，ABB公司針對數(shù)據(jù)中心規(guī)劃，提出了其變電站應(yīng)滿足高可靠性、供電連續(xù)性以及安全性等特征，來滿足數(shù)據(jù)中心供電的特殊需求。2019年以來國內(nèi)河南、湖南和江蘇等地分別開展了電網(wǎng)側(cè)儲能工程的建設(shè)。江蘇、上海等地同時開展了“多站融合”的示范工程建設(shè)。

本文主要研究利用變電站資源探索多站融合建設(shè)的新模式，分析儲能電站、數(shù)據(jù)中心站和充換電站的需求，研究各站多功能優(yōu)化配置方法，進(jìn)而提出各站實用化配置技術(shù)原則。

1 配置技術(shù)規(guī)則

1.1 總體規(guī)則

因地制宜，以變電站基礎(chǔ)資源和實際需求為導(dǎo)向，根據(jù)不同電壓等級、不同區(qū)域發(fā)展水平，采用差異化的建設(shè)模式，優(yōu)化容量及規(guī)模配置，合理滿足各類內(nèi)外部需求。

做好容量及規(guī)模預(yù)測，合理預(yù)測數(shù)據(jù)及電動汽車增長情況，滿足區(qū)域內(nèi)能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲及處理需求。

遵循資產(chǎn)全壽命周期成本最優(yōu)的原則，分析資產(chǎn)壽命周期成本，對配置方案進(jìn)行多方比選，滿足整體資產(chǎn)成本最優(yōu)的要求。

1.2 儲能電站配置技術(shù)規(guī)則

充分考慮變電站的負(fù)荷特性曲線以及儲能設(shè)施布局布置特點，合理利用現(xiàn)有變電站場站資源，充分發(fā)揮儲能系統(tǒng)利用效率。

與220kV及110kV變電站融合的儲能電池選型、系統(tǒng)配置及設(shè)備選擇應(yīng)滿足系統(tǒng)/變電站對于調(diào)峰/調(diào)頻的應(yīng)用近、遠(yuǎn)期要求。

儲能設(shè)備功率配置宜不小于220kV變電站主變?nèi)萘康?%，或有效降低220kV變電站最高負(fù)載率不小于5%；儲能設(shè)備功率配置宜不小于110kV變電站主變?nèi)萘康?0%，或有效降低110kV變電站最高負(fù)載率不小于10%；儲能功率配置應(yīng)滿足系統(tǒng)調(diào)頻需求。

1.3 充換電站配置技術(shù)原則

充電站總體規(guī)模和布局應(yīng)符合城鎮(zhèn)規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)的要求，宜選擇靠近城市道路、交通便利或交通繁忙的變電站建設(shè)，應(yīng)與變電站選址、配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)密切結(jié)合。

充換電站規(guī)模應(yīng)以變電站可利用的土地資源、車位等資源為邊界條件，宜結(jié)合服務(wù)電動汽車類型、保有量、充電需求、車輛日均行駛里程和單位能耗水平等綜合確定。

可結(jié)合不同規(guī)模需求建設(shè)小型充電站、中型充電站和大型充電站，宜采取快充、慢充相配合的建設(shè)模式，充電樁形式可以采用一機一充模式，也可以采用一機多充模式，滿足不同類型充電需求。

1.4 數(shù)據(jù)中心配置技術(shù)規(guī)則

數(shù)據(jù)中心站建設(shè)規(guī)模需遵循因地制宜、需求引導(dǎo)基本原則，根據(jù)實際需求及變電站物理條件確定數(shù)據(jù)中心站的建設(shè)規(guī)模、單機柜容量及制冷方式等。

數(shù)據(jù)中心應(yīng)充分考慮對外、對內(nèi)業(yè)務(wù)需求，滿足能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲及處理能力，應(yīng)遵循近期建設(shè)規(guī)模與遠(yuǎn)期發(fā)展規(guī)劃協(xié)調(diào)一致的原則。

根據(jù)變電站站址資源和數(shù)據(jù)計算存儲需求，宜按照不同電壓等級、容量規(guī)模變電站特點，差異化建設(shè)小型數(shù)據(jù)中心、中型數(shù)據(jù)中心、大型數(shù)據(jù)中心和超大型數(shù)據(jù)中心。

2 儲能電站需求分析及優(yōu)化配置方法

2.1 儲能電站需求分析

大型城市電網(wǎng)面臨峰谷差加大、局部重過載、高可靠性供電保障及高比例清潔能源接入等新挑 戰(zhàn)[4]。儲能技術(shù)為解決大型城市電網(wǎng)面臨的問題提供創(chuàng)新解決思路和手段，電網(wǎng)側(cè)儲能技術(shù)在減少局部電網(wǎng)峰谷差，緩解局部重過載，保證供電可靠性，增加電網(wǎng)調(diào)頻能力，促進(jìn)新能源消納等方面都能起到重要作用[5-6]。

儲能與變電站融合建設(shè)是儲能在電網(wǎng)中發(fā)揮其作用的重要模式及未來發(fā)展趨勢。儲能系統(tǒng)是多站融合建設(shè)中的重要能量緩沖環(huán)節(jié)[7]，既可以實現(xiàn)峰谷套利，也可實現(xiàn)清潔發(fā)電就地消納，同時為與變電站一體化建設(shè)的數(shù)據(jù)中心、變電站站用電系統(tǒng)提供應(yīng)急備用電源，因此，有必要在多站融合建設(shè)中增加儲能模塊。

2.2 儲能電站配置思路及優(yōu)化配置方法

1）配置思路

應(yīng)從選址和定容兩個方面研究儲能電站規(guī)劃配置方案，考慮區(qū)域地理情況、電網(wǎng)現(xiàn)狀和儲能應(yīng)用場景，提出電網(wǎng)側(cè)儲能選址定容方法。

儲能電站優(yōu)化配置技術(shù)路線如圖1所示，首先，根據(jù)地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和未來網(wǎng)架規(guī)劃，分析儲能可能的接入位置。其次，針對儲能在電力系統(tǒng)中的不同應(yīng)用需求，研究各類場景中儲能的配置模型，研究不同場景的儲能規(guī)劃方法，從調(diào)頻、削峰填谷及可靠性等方面制定需求分析的原則、目標(biāo)，構(gòu)建合理的分析模型，提出儲能系統(tǒng)需求分析模型和方法，最終確定儲能系統(tǒng)的優(yōu)化配置方法。

圖1 儲能電站優(yōu)化配置技術(shù)路線

2）優(yōu)化配置方法

（1）選址優(yōu)化配置方法

儲能電站尋址的首要任務(wù)是研究儲能接入。首先，從地區(qū)電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和未來規(guī)劃藍(lán)圖出發(fā)，分析網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的薄弱點和電源布局；其次，考慮節(jié)點負(fù)荷和潮流分布，研究儲能可能的接入位置。

確定接入位置后，需分析儲能電站接入后對電網(wǎng)的影響。最終，根據(jù)上述儲能接入對電網(wǎng)的影響，綜合考慮儲能電站規(guī)模及地理條件，研究不同接入位置對電網(wǎng)的性能改善成效，提出電網(wǎng)側(cè)儲能電站的優(yōu)化選址方法。

（2）儲能電站定容優(yōu)化配置方法

對于電網(wǎng)中不滿足-1安全性準(zhǔn)則的重過載變電站，可通過在變電站配置電網(wǎng)側(cè)儲能，削減峰值負(fù)荷，確保滿足主變-1校驗。以電化學(xué)儲能初始投資成本最小為目標(biāo)函數(shù)，對變電站儲能功率和電量配置進(jìn)行優(yōu)化，以最小經(jīng)濟(jì)代價滿足變電站安全運行要求。

①目標(biāo)函數(shù)

在變電站配置儲能最主要目的是削峰填谷，儲能通過在高峰時段放電，低谷時段充電，降低變電站峰值負(fù)荷，保證變電站的安全運行。本文以配置儲能初始投資成本最小為目標(biāo)函數(shù)，即

②約束條件

結(jié)合儲能當(dāng)前實際運行方式，在正常運行狀態(tài)下，儲能電站通過接收調(diào)度遙控指令，參與電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)節(jié)，實現(xiàn)削峰填谷功能。因此本文假設(shè)儲能電站在一天內(nèi)完成一次完整的充放電周期。約束條件主要有變電站滿足主變-1約束、充放電周期內(nèi)能量守恒、儲能功率和荷電狀態(tài)約束。

③求解方法

儲能優(yōu)化配置模型為含約束條件的非線性規(guī)劃問題，考慮采用遺傳算法進(jìn)行求解，每個個體表示儲能接入的功率。利用遺傳算法求解模型，其流程步驟如圖2所示。

圖2 模型求解流程圖

（3）優(yōu)化配置方法評價

本配置方法提出應(yīng)從系統(tǒng)可靠性、調(diào)峰和傳輸瓶頸出發(fā)，研究儲能空間布局對電網(wǎng)的影響，結(jié)合地理位置信息的約束，給出電網(wǎng)側(cè)儲能電站的最優(yōu)選址方案。此后，研究不同場景的儲能規(guī)劃方法，構(gòu)建合理的儲能系統(tǒng)需求分析模型，采用遺傳算法對模型進(jìn)行求解，得到最終的優(yōu)化配置方法。

3 充換電站需求分析及優(yōu)化配置方法

3.1 充換電站需求分析

電動汽車保有量快速增長，市場規(guī)模不斷擴(kuò)大。而充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后成為制約電動汽車發(fā)展的重要因素，需要建設(shè)配套完善的充電設(shè)施來滿足充電需求[8]。

充電站選址布局規(guī)律與路網(wǎng)及城市功能密切相關(guān)，符合變電站按照負(fù)荷密度布點規(guī)律[9]。將充換電站與變電站的供配電系統(tǒng)進(jìn)行一體化設(shè)計，可提高土地利用率，緩解充換電設(shè)施選址困難的問題，縮短了設(shè)計、施工周期，有效推進(jìn)電動汽車充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的完善。

3.2 充換電站配置思路及優(yōu)化配置方法

1）配置思路

分析節(jié)假日、工作日交通流量分布不同及電網(wǎng)負(fù)荷不同對電動汽車充電站規(guī)劃的影響，綜合考慮交通流量、綜合建設(shè)成本、用戶排隊等待時間忍耐度等因素，建立多場景的電動汽車充電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃模型，對電動汽車充電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行合理規(guī)劃。充換電站優(yōu)化配置技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 充換電站優(yōu)化配置技術(shù)路線

首先，調(diào)研節(jié)假日和工作日交通流量分布，分析不同場景下節(jié)點電網(wǎng)負(fù)荷特性。其次，建立多場景定容模型，綜合考慮不同場景下用戶充電排隊等待時間、配電網(wǎng)安全運行等因素，以電動汽車充電站年綜合成本最小為優(yōu)化目標(biāo)，對電動汽車充電站容量進(jìn)行優(yōu)化配置。最后，結(jié)合不同場景下電動汽車沿路網(wǎng)到充電站時間和充電時間，確定用戶在各個充電站平均排隊時間，得到各充電站的服務(wù)范圍。

2）優(yōu)化配置方法

（1）選址優(yōu)化配置方法

電動汽車充電站的選址問題主要需要從用戶和交通兩個方面綜合規(guī)劃，充電站在交通路網(wǎng)中需要盡可能大地覆蓋交通流量，因此充電站選址是典型的位置分配問題，而解決該問題最常見的方法是P-中值模型和最大覆蓋選址模型。

建立P-中值模型的目的是盡可能保持所有車輛的行駛距離最短；而最大覆蓋選址模型是為了保證充電站能夠截住最多的車流，是從用戶角度進(jìn)行考慮分析的。二者均為電動汽車充電站選址的目的，所以本文結(jié)合2個模型建立了交通滿意度模型，定義為交通滿意度，則

其中

通過對P-中值模型和最大覆蓋選址模型的分析可知，在交通網(wǎng)路中，需要盡可能保持較小的網(wǎng)絡(luò)需求權(quán)重距離和盡可能大的網(wǎng)絡(luò)需求滿意度，因此以最小滿意度為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行求解，具體模型為

（2）充換電站定容優(yōu)化配置方法

電動汽車充電站定容規(guī)劃時既要考慮充電站的建設(shè)運行成本、充電站網(wǎng)損成本，還要考慮電動汽車用戶的需求。本文以充電站總成本最小化為優(yōu)化目標(biāo)，電動汽車用戶排隊等待時間忍耐極限為約束條件，對電動汽車充電站容量進(jìn)行優(yōu)化。

①定容優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

以電動汽車充電站年綜合成本為優(yōu)化目標(biāo)，得到電動汽車充電站容量的最優(yōu)配比。充電樁數(shù)量體現(xiàn)了該充電站的規(guī)模、容量及投資。綜上可得年固定投資成本和年運行成本都是充電樁數(shù)量的函數(shù)。

年綜合成本為

②約束條件

本文從電動汽車充電用戶心理和電網(wǎng)安全兩個角度考慮，對電動汽車充電站容量優(yōu)化過程進(jìn)行約束，得到待規(guī)劃區(qū)域電動汽車充電站容量最優(yōu)匹配結(jié)果?？紤]包括電動汽車充電用戶排隊等待時間約束及電網(wǎng)約束。

（3）優(yōu)化配置方法評價

本配置方法提出建立多場景交通滿意度模型，以交通滿意度最大為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，確定電動汽車充電站最優(yōu)站址，綜合考慮不同場景下用戶充電等待時間、電網(wǎng)安全運行等因素，以電動汽車充電站年綜合成本最小為優(yōu)化目標(biāo)，對電動汽車充電站容量進(jìn)行優(yōu)化配置，得到最終的優(yōu)化配置方法。

4 數(shù)據(jù)中心需求分析及優(yōu)化配置方法

4.1 數(shù)據(jù)中心需求分析

數(shù)據(jù)中心建設(shè)逐步向規(guī)模化和邊緣計算兩個方向靠近，在需求量大的區(qū)域一般進(jìn)行大型、超大型數(shù)據(jù)中心建設(shè)，通過規(guī)?；б娼档统杀竞蛦挝荒芎?，在末端需求量小的區(qū)域進(jìn)行微型、小型數(shù)據(jù)中心建設(shè)，滿足邊緣計算的需求[10]。

數(shù)據(jù)中心是能源互聯(lián)互通的紐帶，也是公司建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的手段。這種模式下，數(shù)據(jù)中心站距離電源近，儲能系統(tǒng)靈活、可控地為數(shù)據(jù)中心提供持續(xù)、可靠的后備電源，在電網(wǎng)發(fā)生大擾動和故障時，仍能保證電網(wǎng)的安全運行。利用變電站內(nèi)站址資源融合建設(shè)數(shù)據(jù)中心，站內(nèi)一體化統(tǒng)籌設(shè)計，實現(xiàn)建筑融合，減少部分設(shè)施建設(shè)，降低投資費用。

4.2 數(shù)據(jù)中心配置思路及優(yōu)化配置方法

1）配置思路

數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)需求分析范圍按照內(nèi)部需求和外部需求進(jìn)行測算，基于上述需求范圍確定數(shù)據(jù)中心內(nèi)部需求指標(biāo)，研究各項指標(biāo)取值，根據(jù)數(shù)據(jù)中心總的數(shù)據(jù)需求和應(yīng)用需求估算機架規(guī)模，結(jié)合占地面積來確定數(shù)據(jù)中心規(guī)模。數(shù)據(jù)中心優(yōu)化配置技術(shù)路線如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)中心優(yōu)化配置技術(shù)路線

首先，從內(nèi)部需求和外部需求分析數(shù)據(jù)中心需求，其中內(nèi)部需求按照“源、網(wǎng)、荷”分別進(jìn)行估算，外部需求數(shù)據(jù)通過結(jié)合調(diào)研和查閱資料來初步了解潛在租賃需求，確定外部數(shù)據(jù)需求。其次，估算出整體內(nèi)部數(shù)據(jù)需求。最后，根據(jù)數(shù)據(jù)中心存儲需求、計算需求以及外部租賃需求，計算數(shù)據(jù)中心所需機架規(guī)模以及占地面積，得到數(shù)據(jù)中心優(yōu)化配置方法。

2）優(yōu)化配置方法

（1）數(shù)據(jù)中心外部需求分析

調(diào)研了解外部哪些用戶對數(shù)據(jù)中心有數(shù)據(jù)需求和服務(wù)需求，分析這些數(shù)據(jù)需求和服務(wù)需求的合理性，以及用戶服務(wù)需求的可滿足程度，進(jìn)一步溝通了解潛在租賃需求，提出外部數(shù)據(jù)需求。

（2）數(shù)據(jù)中心內(nèi)部需求分析

①機架規(guī)模估算方法

根據(jù)上述分析得到數(shù)據(jù)中心總的數(shù)據(jù)需求和應(yīng)用需求，按照式（6）估算所需機架規(guī)模，即

式中：N為所需機架估算數(shù)量；c為總的存儲需求，含備份和冗余；d為單個存儲器最大存儲容量；f為計算服務(wù)器需求數(shù)量；為單個機架可放置設(shè)備數(shù)量。

②占地面積估算方法

數(shù)據(jù)中心占地面積可用式（7）計算，即

式中：data為數(shù)據(jù)中心占地面積估算值；N為機架估算數(shù)量；d為單位機架平均占地面積（含設(shè)備通道）。

（3）優(yōu)化配置方法評價

本配置方法首先從內(nèi)部需求和外部需求分析數(shù)據(jù)中心需求，并根據(jù)數(shù)據(jù)中心存儲需求、計算需求以及外部租賃需求，計算數(shù)據(jù)中心所需機架規(guī)模以及占地面積，得到數(shù)據(jù)中心最終的優(yōu)化配置方法。

5 結(jié)論

本文基于國家電網(wǎng)有限公司戰(zhàn)略目標(biāo)，研究利用變電站資源探索多站融合建設(shè)的新模式，分別就儲能電站、充換電站和數(shù)據(jù)中心站在大型城市電網(wǎng)中的需求進(jìn)行分析，根據(jù)給出的基于變電站資源建設(shè)充換電（儲能）站和數(shù)據(jù)中心站的實用化配置技術(shù)規(guī)則，從選址和定容等方面分析了儲能電站規(guī)劃配置方案，提出配置優(yōu)化函數(shù)及求解方法。

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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

國網(wǎng)北京市電力公司科技項目（520234190001）

2020-05-25

2020-06-29

劉新萌（1991—），女，北京市人，碩士，工程師，主要從事電氣設(shè)計工作。