三站合一建设方案研究

邹其峰 刘金虎

北京智芯微电子科技有限公司

0 引言

21世纪开始的新一轮能源转型，为人类社会开启了新的再电气化发展阶段。目前,第三次工业革命正在世界范围内发生,而能源互联网是第三次工业革命的核心之一,是未来能源行业发展的方向[1]。构建一个完善的能源互联网是电网企业目前亟须解决的问题[2]。

目前，国家电网有限公司面临着三个挑战。其一是电网形态发生巨大变化，电网越来越复杂，接入设备类型和数量越来越多，对供电可靠性要求更高[3]。其二是在电力市场开放的大背景下，电网业务竞争日趋激烈[4]。其三是社会经济形态在互联网经济、数字经济的影响下，已发生巨大变化，通过平台对接供需双方、打造多边市场，给传统电力行业带来多重挑战。建设能源互联网，通过构建电力物联网，增强电网感知、通信、计算和分析能力，利用互联网思维变革经营模式，是解决当前三大问题的正确途径[5]。

作为电力物联网建设的重要环节，构建变电站、储能站、数据中心站三站合一的新型变电站，有利于提升数据感知、分析运算效率，进一步强化物联网与智能电网的融合发展，推动能源互联网的建设进程。

1 三站合一整体框架

本方案是以现有变电站为基础，融合建设储能站和数据中心，实现三站合一目标。三站合一可以实现各站之间的优势互补：变电站可以为储能站、数据中心站提供现成的土地、电能、人力以及完善的网络，还能减少电能传输消耗；储能站可以解决变电站调峰调频、新能源消纳问题,也能作为数据中心站的备用电源；数据中心站可以对变电站和储能站进行各项数据采集、发送，还能为电网提供边缘计算服务，此外还可以作为智慧城市的节点向外界提供数据存储、边缘计算服务，增加盈利。图一为三站合一整体框架。

图1 三站合一整体框架

2 三站合一建设

2.1 变电站

变电站是输送电能过程中用于改变电压的场所，三站合一选取的变电站是靠近用户侧的降压变电站。根据三站合一的建设目标，主要讨论10 kv、110 kv以及220 kv这三个电压等级的变电站。

变电站的位置分布主要和负荷有关，选址时的一个重要原则就是靠近负荷中心[6]。当负荷容量在3～5 MW 时，会在负荷5～15 km 范围内建设10 kv变电站；当负荷容量在10～50 MW 时，会在负荷50～150 km范围内建设110 kv变电站；当负荷容量在50～200 MW 时，会在负荷150～300 km 范围内建设220 kv 变电站。在面积上，10 kv变电站一般为200 m2左右；110 kv室外变电站一般为4 000 m2左右，室内变电站一般为2 000 m2左右；220 kv 变电站一般为20 000 m2左右。因此，10 kv 变电站数量最多，面积最小，最接近城市中心；110 kv变电站数量较少，面积适中，处于城市中间位置；220 kv 变电站数量最少，面积最大，位于城市边缘。

图2 10 kv变电站改造方案

由于10 kv 变电站数量众多且位于城市中心，是天然的边缘计算节点，有利于数据中心的建设。加上站内空间小且无法扩建，不能满足储能站建设要求，同时对于储能并无太大需求，因此对于10 kv 变电站选择只增建数据中心站而不建设储能站。10 kv 变电站改造方案如图二所示。现有10 kv 变电站在主变室面积上都有较大冗余，一般来说可以腾出20～30 m2左右的空间，利用这些空间我们可以建设一个由5 台机柜组成的微型数据中心。改造后的10 kv 变电站在原有功能外还可以提供数据服务，对内可以满足支撑综合能源服务终端监测、电力智能巡检等需求；对外可以为智慧医疗、智慧交通、智慧安防等互联网业务提供数据转存服务。

对于重要的金融区、工业园区、科技园等，一般都会配备110 kv变电站为其供电，在站内融合建设数据中心有利于拓展对外业务。加之110 kv 变电站确实需要储能来调节供电质量，因此110 kv变电站改造选择同时增建数据中心站和储能站。110 kv变电站改造方案如图三所示。室内110 kv 变电站多为智能变电站，站内一般并无太多空间，可以腾出200 m2用于建设一个由30～50 台机柜组成的小型数据中心。由于110 kv 变电站所处位置土地价格相对便宜，可以扩建原有变电站，为储能站建设提供空间。室外110 kv变电站多为传统变电站，经过变电站智能改造后设备体积大大缩小[7]，可以腾出较多空间。加之改造后不需要人员值守，过去的人员宿舍、办公区等都可以用于建设数据中心站和储能站，无需额外扩建。改造后的110 kv变电站对内可以实现调峰调频、消纳新能源、支撑区域性电力物联网数据处理、作为电力调度的备用节点、作为电力通信的备用汇聚节点等；对外可为政府、企业提供智慧城市、工业互联网、互联网业务、IDC 租用、云服务等基础设施服务。

图3 110 kv变电站改造方案

220 kv和110 kv变电站一样，选择同时增建储能站和数据中心站。220 kv变电站面积较大，拥有足够的空间建造大型储能站和数据中心站，无需额外扩建。但因为其所处位置，220 kv变电站三站合一之后主要提供对内服务：利用大型储能站进行新能源接入、削峰填谷，弥补用电高峰时的电力不足；利用数据中心站汇集下级10 kv、110 kv 变电站数据中心的数据，进行数据分析挖掘，有效推进能源流、业务流、数据流三流合一。

图4 220 kv变电站改造方案

2.2 储能站

储能站可以将用电低谷时的多余电能存储起来等到用电高峰时再释放出去，达到缓解用电压力的作用。此外，由于风能、太阳能的不稳定性，通过储能站可以高效利用这些新能源，促进新能源消纳[8]。对于在变电站基础上融合建设储能站的三站合一方案，首先需要解决的问题就是融建储能站的规模。一般110 kv 变电站覆盖范围内的负荷容量为10～50 MW,假设用电高峰时负荷超载10%，持续两个小时，那么该变电站用电高峰时的功率缺口为1～5 MW，调峰时长为2 h，因此需要融建的储能站容量为2～10 MWh。40 in 的锂电池储能集装箱容量为1 MWh，一共需要2～10 个，占地80～400 m2。因此，针对110 kv 变电站负荷情况需配合建设容量为10 MWh、占地400 m2的储能站。

2.3 数据中心站

依托变电站和储能站建设，按照物联网终端覆盖面及承载业务规模，建设“数据中心站”，通过部署服务器、存储设备、网络设备、安全设备及基础环境设施，提供一体化数据中心业务输出能力。全面接入所覆盖区域内的各类物联网数据，改变各业务数据多系统采集方式和存储模式，实现多源数据一次采集和融合共享，同时提供本地化的轻量级计算支撑，快捷响应本地的服务需求，主要为电网业务、能源互联网业务和新型互联网业务提供全面的支撑服务。具体建设方案见表一。

表1 数据中心站建设表

3 结束语

本文给出了三站合一建设的整体框架，从变电站选址、配套储能站容量确定以及数据中心站建设阐述了三站合一具体建设模式。通过三站的有机结合，充分发挥变电站、储能站和数据中心站各自资源、技术、功能优势，实现资源共享、平台共享，对实际工程建设具有一定参考价值。