適應多站融合的綜合能源服務系統運行模式研究

胡蘇凱，徐浩，嚴亞兵，余斌，歐陽帆，李輝，項鳳雛

(1.廣東電網有限責任公司，廣東 廣州 510062；2.國網湖南省電力有限公司電力科學研究院 湖南 長沙 410007；3.國網湖南省電力有限公司岳陽供電分公司，湖南岳陽 414000)

0 引言

“2030碳達峰、2060碳中和”的莊嚴承諾，體現了我國作為發展中大國的擔當和自信，同時對我國能源供給重構和消費升級提出了極高要求。“多站融合”探索及綜合能源服務系統構建，是適應新發展階段、提升能源綜合利用效率、促進能源高質量發展的有效舉措，在業內形成了廣泛共識，已成為新一輪的科技攻關和技術革新重點[1－5]。具備清潔能源大規模接入和能量遠距離傳輸能力的電力網絡作為能源互聯互通和高效整合的堅實平臺，在這輪能源變革中將發揮巨大作用。

“多站融合”是對國家電網有限公司頂層設計“探索利用變電站資源建設運營充換電(儲能)站和數據中心站模式”的現實詮釋，已從最初變電站、儲能站、數據中心站的三站合一，發展為包含電動汽車充電站、光伏電站、5G通信基站、北斗地基加強站、環境監測站等更為廣泛的“多站融合”。山東、廈門、重慶、甘肅等地均有“多站融合”試點站投運，而積極探索“多站融合”模式落地的地區更不在少數。盡管發展勢頭迅猛，目前對“多站融合”的研究與應用多停留于物理層面的簡單融合，以各子站建設場地聚集為主要形式，融合后各子站的功能交互方式及商業運營途徑均不甚明朗，“多站融合”模式的可持續發展尚需更深入的研究攻關。

綜合能源服務系統是統籌管理，協調電、氣、熱、冷等各種能源消費及儲備的綜合性平臺，通過對各種能源特性的深刻把握，綜合考慮各種能源的儲備和消費，以達到降低全社會整體用能水平和確保用能安全的目的[6－10]。2020年冬季，受寒冷氣候、負荷增長等多方面因素影響，南方多省份出現供電嚴重短缺現象，造成較為明顯的社會影響。綜合能源服務系統建立后，通過對各種能源的社會消費預估，做好多種能源的協調互補供應，相信對預防類似2020年冬季缺電現象發生是能起到一定積極作用的。當然，除了特殊時期的能源應急保供，綜合能源服務系統還可結合不同能源在時空分布、存儲、響應速率等方面的差異，優化安排各種能源的耗用情況，實現全社會節能降耗。

適應“多站融合”的綜合能源服務系統，對電能的消費優化更深入地挖掘，也對各能源之間的供給轉換和消費替代提出了更高要求。本文從“多站融合”和綜合能源服務系統兩個維度，嘗試對綜合能源服務系統的架構、高級應用開發、運營模式探析等進行前瞻性探析，以期為相關從業者和行業發展提供有益參考。

1 “多站融合”模式探析

“多站融合”智慧能源站以變電站土地(如屋頂、生活區等)、電力及通信資源，融合建設儲能站、數據中心站等其他功能子站，以期達到優化資源整合、挖掘增值業務的目的。因此，智慧能源站雖以變電站為基礎，主要促進變電站與其他功能子站的業務融合，也應挖掘其他功能子站之間的融合價值，實現“多站融合”效益最大化。 “多站融合”概念在提出伊始，主要指物理空間上的站址融合，并在站址融合的基礎上尋求各功能子站的業務融合和商業價值。但鑒于電力傳輸的便利性和實時性，“多站融合”實際上可突破站址空間限制，通過電力線路和通信網絡，將具有可控源荷儲等特性的電力設施融合到智慧能源站的整體控制體系內，實現更廣泛的業務融合和更深度的價值挖掘。

僅從站址融合角度出發，智慧能源站中儲能站、電動汽車充電站、光伏電站、數據中心站存在豐富的電氣功能交互業務，基于不同優化目標可對各功能子站的外特性做出不同的整合，這方面的研究成果已有很多[11－15]。而5G基站、北斗地基增強站、環境監測站電氣功能較為單一，主要作為電力負荷，但可為其他子站性能優化決策提供豐富的就近數據支撐。此外，若從功能融合的角度出發，除了上述功能子站外，“多站融合”還可突破站址限制，將分布式新能源電站、電動汽車集中充電站等一并包含，實現更廣泛的協同優化。本文以站址融合為基礎，兼顧功能融合模式，尋求“多站融合”子站類型最多樣化、整體效益最大化，共計為智慧能源站挖掘了10類可融合的功能子站，各融合子站的功能特點、主要配置需求和融合方案梳理見表1。表中，電動汽車充電站和電動汽車集中充電站雖都是充電站，但所處位置不同，前者融合建設在智慧能源站內，屬于站址融合范疇；后者為獨立建設的充電站，與智慧能源站相互獨立，通過電力線路連接，屬于功能融合范疇。

結合表1所示各子站特點，可挖掘出各功能子站融合方案如下:

1)站址融合方案

對于在運變電站，從安全性、可靠性、經濟性等角度出發，可能只適合融合少量功能子站，且由于各已建變電站規模、布局、容量等均存在差異，無法統一描述。這里主要考慮新建標準化智慧能源站，按資源利用最大化目標融合各功能子站，而其中的局部融合方案可根據實際情況用來改造在運變電站。當然需要說明的是，即便是新建智慧能源站，也往往受限于實際條件，無法融合所有的功能子站，比如過于偏遠的變電站不適合集成電動汽車充電站，毗鄰高樓大廈的變電站不適合建設光伏站、風電站等。

基于表1所示各功能子站的配置需求，可考慮按如下方案融合建設各功能子站:在變電站一次主設備區或高壓室，規劃獨立的儲能子站區，方便變電站和儲能子站的獨立運維和檢修；數據中心站可采用集裝箱方式，就近布置在儲能區附近，或直接布置于辦公樓；利用變電站屋頂空間資源，建設5G通信基站、北斗地基加強站、環境監測站、光伏站、風電站；利用變電站生活區站址資源建設電動汽車充電站；新建多站融合變電站還可考慮建設地下電動汽車充電站，并作為停車場，面向社會有償開放。

表1 各功能子站特點梳理

2)功能融合方案

主要依據是電能傳輸的實時性和便利性，將周邊的光伏站、風電站等新能源場站通過傳輸線接入變電站對應電壓等級母線；在變電站周邊建設儲能站、電動汽車集中充電站等方便通過電力線連接的設施，接入變電站對應電壓等級母線。

2 綜合能源服務系統運行原理及架構

綜合能源服務系統集成各種能源的調度功能，綜合管理、引導電、氣、熱、冷等多種能源的供給和消費，促進全社會綜合用能清潔、高效、經濟、安全。鑒于電能傳輸的便利、清潔、高效性，電能替代成為了能源消費大趨勢，因此，綜合能源服務系統雖然包含多種能源，但主要應以電能的高效利用為主。主要考慮電、氣、熱、冷四種能源，梳理各種能源的消費流程和相互之間的轉換機制，如圖1所示。圖中包含三種終端能源，即風電和光伏等新能源、其他形式的電源、氣，分別用深色方框標示，熱能和冷能暫作為過程性能源；包含四類能源用戶，即電能用戶、氣能用戶、熱能用戶和冷能用戶。三種終端能源之間由電網和冷熱電聯產系統連成整體，同時結合電制熱、電制冷等系統，可實現電→熱/冷、熱→冷、氣→電/熱/冷等多種能源轉化。此外，在用戶層面，四種能源的使用具有廣泛的可替代性，例如電制熱和氣制熱均可用于食物催熟和取暖，進一步將四種能源的消費緊密結合在一起。由此可知，作為電網企業向能源互聯網企業轉型升級的重要支撐，綜合能源服務系統構建具有強烈的現實可行性和廣闊的應用前景。

圖1 綜合能源服務系統示意圖

綜合能源系統接入多種能源子系統，可參考電網調度和監控系統構建平臺架構，相關技術也較為成熟，如圖2所示。圖中，綜合能源服務系統架構從下往上依次包括感知層、網絡層、平臺層、應用層四個層次。感知層通過在各能源場站、用戶站或用戶集中監測點設置系統終端設備，采集能源場站狀態參數、剛性負荷能源消費特性、柔性負荷能源消費特性及調節特性等數據，并接收和執行綜合能源服務系統主站下達的控制指令，實現能源、用戶的統一調度。網絡層是連接系統終端和系統主站的通信網絡，采用集中式網絡架構，系統主站與各系統終端直接通信；當系統主站下轄系統終端數量超過其可接入數量時，可按片區設置系統子站，作為系統主站和系統終端之間的通信中繼。平臺層是將綜合能源服務系統需要用到的其他系統接入系統主站，提高系統主站應用功能的靈活性和多樣性。

圖2 綜合能源服務系統架構

3 高級應用探析

從“多站融合”智慧能源站和綜合能源服務系統兩個層面來挖掘高級應用功能，智慧能源站高級應用功能可布置于站端監控系統或綜合能源服務系統的應用層。

3.1 “多站融合”層面

基于各功能子站特點，理論上講， “多站融合”存在如下高級應用功能:

1)考慮源網荷儲協同的電網調度優化。以避免棄光、棄風及優化負荷水平為目標，綜合利用電源出力預測、負荷預測、多目標優化等技術，以變電站電壓、頻率參數正常及儲能站充電功率和容量限值等為約束條件，合理安排儲能站可充/放電容量，實現電網的清潔、經濟運行。

2)考慮數據中心站業務遷移的電網經濟運行方案。在通信資源支持下，數據處理業務及結果可在多個數據中心站中靈活分配。數據中心站耗電量與業務處理量成正比，且包含實時處理業務和非實時處理業務，因此能以滿足、提高各變電站負荷水平為目標，通過尋優算法，合理安排數據處理業務在各數據中心站及各時間段的最佳分配，提高電網運行經濟性。

3)基于交通和環境數據支撐的電動汽車充電負荷預測。利用數據中心站、5G基站接入城市居民通勤數據和氣象數據，通過統計分析、數據擬合技術，提煉電動汽車充電負荷與通勤數據、環境數據的關聯性，預測電動汽車充電負荷時空分布特性，為電網調峰及備用容量儲備作支撐。

4)基于環境數據支撐的常規電力負荷預測。通過對歷史環境和常規電力負荷數據的深入挖掘探索，提煉出環境溫度與常規電力負荷消耗之間的關聯性，然后基于環境監測站的預測數據，把握常規電力負荷的突發性變化，提高電網負荷調節的準確性。

5)基于5G基站業務量的電力負荷預測修正。5G基站通信業務量與轄區實時用戶數量存在一定關聯性，可與通勤數據、氣象數據一起，更準確地量化通勤結束時刻到產生電力負荷之間的時間間隔，更精細地預測轄區電力負荷，豐富電力負荷預測資源、手段和成效。

6)基于V2G技術的電動汽車對電網的緊急支撐?；谄嚧蟛糠謺r間處于靜止狀態，可考慮對電動汽車充電設備進行充放電改造，通過一定的電量折現激勵機制，在電網故障時，利用電動汽車剩余電量緊急支撐電網運行。

3.2 綜合能源服務系統層面

1)考慮電氣熱冷協同的能源調度優化?；诟鞣N能源的響應和存儲特性、運維和存儲成本、生產和傳輸成本等數據，結合各種能源之間的轉化關系和效率，以滿足各種能源負荷需求為目標，以吸納風電、光伏處理為最優先級，以各種能源運行參數為約束條件(如電網電壓、頻率參數，熱網管道參數等)，優化安排各能源的實時出力和儲備。

2)面向全社會用能節約的終端用能方式優化?；诟鞣N能源生產、運維、存儲、傳輸成本，以全社會用能最經濟、最高效為目標，各種能源運行參數為約束條件，合理確定各種能源的實時價格，對用戶用能方式選擇進行引導和優化。

3)基于能源負荷預測的能源存儲容量優化。利用各能源歷史數據、環境數據、交通數據、行政信息等，在較長的時間尺度上預測各能源的消費情況及供給可行性，基于各能源之間的轉換關系和替代關系，以滿足特殊情況下的能源供給和社會經濟用能為目標，合理安排各能源的儲備情況。

4)基于能效分析的用戶節能支撐。通過對用戶能源消費特性的深度挖掘，細分用戶的能源負荷，基于各能源價格和可替代關系，合理安排用戶各能源負荷的使用情況，降低用戶能源消費成本。

4 商業運營模式探析

4.1 “多站融合”層面

基于各功能子站的融合方案，智慧能源站可包含如下商業運營模式，實現增值:①電網清潔、經濟運行后產生的效益增加和成本節約；②5G基站、北斗地基加強站、環境監測站、數據中心站的場地租賃及用電業務；③電動汽車充電站的停車場業務及充電業務；④利用通信資源，整合片區電動汽車充電站排隊情況，作為有償資源提供給用戶；若各充電站實時電價不一致，也可作為一種有償資源。

4.2 綜合能源服務系統層面

商業運營模式包括:全社會用能經濟、高效后產生的效益增加和成本節約；基于能源消費預測的能源廠站儲能方案制定；基于能源數據支撐的用戶節能降耗方案制定；考慮能源消費成本和消費方式引導的各能源價格制定。

5 結語

“多站融合”對于豐富綜合能源服務系統的應用功能和實施效果具有重要意義。本文將“多站融合”智慧能源站作為綜合能源服務系統感知層的獨立單元，詳細分析了“多站融合”智慧能源站功能子站類型及其融合方式，闡述了綜合能源服務系統中各能源之間的紐帶、轉換及替代關系，并對“多站融合”智慧能源站和綜合能源服務系統的高級應用功能開發和商業運營模式進行了深入探討?！岸嗾救诤稀敝腔勰茉凑竞途C合能源服務系統當前正處在探索建設階段，希望本文作出的思考能對相關工程和從業者提供有益參考。