基于變電站的充換電站和數(shù)據(jù)中心站多功能優(yōu)化配置方法研究

0國(guó)外電網(wǎng)“多站融合”的研究2020年，國(guó)家核心技術(shù)聯(lián)合會(huì)明確提出了“中國(guó)特色國(guó)際領(lǐng)導(dǎo)者的能源互聯(lián)網(wǎng)公司”的戰(zhàn)略目標(biāo)，實(shí)施了能源作為載體的數(shù)據(jù)交流，促進(jìn)了傳統(tǒng)樞紐模式向共享模式的轉(zhuǎn)變，為公司注入了新的發(fā)展動(dòng)力。隨著工商業(yè)電價(jià)不斷下降，公司經(jīng)營(yíng)面臨較大壓力，如何運(yùn)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國(guó)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(chǔ)能與變電站的融合。文獻(xiàn)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(chǔ)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(shí)用化配置技術(shù)原則。1配置技術(shù)規(guī)則1.1異化建設(shè)模式因地制宜，以變電站基礎(chǔ)資源和實(shí)際需求為導(dǎo)向，根據(jù)不同電壓等級(jí)、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(cè)，合理預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)及電動(dòng)汽車增長(zhǎng)情況，滿足區(qū)域內(nèi)能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(duì)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系統(tǒng)/變電站對(duì)調(diào)峰/調(diào)充分考慮變電站的負(fù)荷特性曲線以及儲(chǔ)能設(shè)施布局布置特點(diǎn)，合理利用現(xiàn)有變電站場(chǎng)站資源，充分發(fā)揮儲(chǔ)能系統(tǒng)利用效率。與220kV及110kV變電站融合的儲(chǔ)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(duì)于調(diào)峰/調(diào)頻的應(yīng)用近、遠(yuǎn)期要求。儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)能功率配置應(yīng)滿足系統(tǒng)調(diào)頻需求。1.3變電站配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)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(dòng)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(jī)一充模式，也可以采用一機(jī)多充模式，滿足不同類型充電需求。1.4數(shù)據(jù)中心建設(shè)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(shí)際需求及變電站物理?xiàng)l件確定數(shù)據(jù)中心站的建設(shè)規(guī)模、單機(jī)柜容量及制冷方式等。數(shù)據(jù)中心應(yīng)充分考慮對(duì)外、對(duì)內(nèi)業(yè)務(wù)需求，滿足能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jì)算存儲(chǔ)需求，宜按照不同電壓等級(jí)、容量規(guī)模變電站特點(diǎn)，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對(duì)能源能力的需求分析和配置方法的優(yōu)化2.1儲(chǔ)能融合發(fā)展模式及未來(lái)趨勢(shì)大型城市電網(wǎng)面臨峰谷差加大、局部重過(guò)載、高可靠性供電保障及高比例清潔能源接入等新挑戰(zhàn)儲(chǔ)能與變電站融合建設(shè)是儲(chǔ)能在電網(wǎng)中發(fā)揮其作用的重要模式及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。儲(chǔ)能系統(tǒng)是多站融合建設(shè)中的重要能量緩沖環(huán)節(jié)2.2儲(chǔ)能電站配置思路及優(yōu)化配置方案應(yīng)從選址和定容兩個(gè)方面研究?jī)?chǔ)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(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景，提出電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能選址定容方法。儲(chǔ)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(lái)網(wǎng)架規(guī)劃，分析儲(chǔ)能可能的接入位置。其次，針對(duì)儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)中的不同應(yīng)用需求，研究各類場(chǎng)景中儲(chǔ)能的配置模型，研究不同場(chǎng)景的儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)需求分析模型和方法，最終確定儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化配置方法。23優(yōu)化配置方法(1）儲(chǔ)能接入位置儲(chǔ)能電站尋址的首要任務(wù)是研究?jī)?chǔ)能接入。首先，從地區(qū)電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和未來(lái)規(guī)劃藍(lán)圖出發(fā)，分析網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的薄弱點(diǎn)和電源布局；其次，考慮節(jié)點(diǎn)負(fù)荷和潮流分布，研究?jī)?chǔ)能可能的接入位置。確定接入位置后，需分析儲(chǔ)能電站接入后對(duì)電網(wǎng)的影響。最終，根據(jù)上述儲(chǔ)能接入對(duì)電網(wǎng)的影響，綜合考慮儲(chǔ)能電站規(guī)模及地理?xiàng)l件，研究不同接入位置對(duì)電網(wǎng)的性能改善成效，提出電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站的優(yōu)化選址方法。(2）配置側(cè)儲(chǔ)能，n-1校驗(yàn)對(duì)于電網(wǎng)中不滿足N-1安全性準(zhǔn)則的重過(guò)載變電站，可通過(guò)在變電站配置電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能，削減峰值負(fù)荷，確保滿足主變N-1校驗(yàn)。以電化學(xué)儲(chǔ)能初始投資成本最小為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)變電站儲(chǔ)能功率和電量配置進(jìn)行優(yōu)化，以最小經(jīng)濟(jì)代價(jià)滿足變電站安全運(yùn)行要求。(1)保證變電站安全運(yùn)行在變電站配置儲(chǔ)能最主要目的是削峰填谷，儲(chǔ)能通過(guò)在高峰時(shí)段放電，低谷時(shí)段充電，降低變電站峰值負(fù)荷，保證變電站的安全運(yùn)行。本文以配置儲(chǔ)能初始投資成本最小為目標(biāo)函數(shù)，即式中：P(2)電動(dòng)汽車充放電周期結(jié)合儲(chǔ)能當(dāng)前實(shí)際運(yùn)行方式，在正常運(yùn)行狀態(tài)下，儲(chǔ)能電站通過(guò)接收調(diào)度遙控指令，參與電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)削峰填谷功能。因此本文假設(shè)儲(chǔ)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N-1約束、充放電周期內(nèi)能量守恒、儲(chǔ)能功率和荷電狀態(tài)約束。(3)儲(chǔ)能接入功率儲(chǔ)能優(yōu)化配置模型為含約束條件的非線性規(guī)劃問(wèn)題，考慮采用遺傳算法進(jìn)行求解，每個(gè)個(gè)體表示儲(chǔ)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。(3）電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站的最優(yōu)選址方案本配置方法提出應(yīng)從系統(tǒng)可靠性、調(diào)峰和傳輸瓶頸出發(fā)，研究?jī)?chǔ)能空間布局對(duì)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(chǔ)能電站的最優(yōu)選址方案。此后，研究不同場(chǎng)景的儲(chǔ)能規(guī)劃方法，構(gòu)建合理的儲(chǔ)能系統(tǒng)需求分析模型，采用遺傳算法對(duì)模型進(jìn)行求解，得到最終的優(yōu)化配置方法。3分析當(dāng)前區(qū)塊交換的需求，優(yōu)化配置方法3.1完善設(shè)施，滿足變電站用量需求電動(dòng)汽車保有量快速增長(zhǎng)，市場(chǎng)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(dòng)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(lái)滿足充電需求充電站選址布局規(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(diǎn)規(guī)律3.2充換電站配置思路分析節(jié)假日、工作日交通流量分布不同及電網(wǎng)負(fù)荷不同對(duì)電動(dòng)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(duì)等待時(shí)間忍耐度等因素，建立多場(chǎng)景的電動(dòng)汽車充電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃模型，對(duì)電動(dòng)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。首先，調(diào)研節(jié)假日和工作日交通流量分布，分析不同場(chǎng)景下節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)負(fù)荷特性。其次，建立多場(chǎng)景定容模型，綜合考慮不同場(chǎng)景下用戶充電排隊(duì)等待時(shí)間、配電網(wǎng)安全運(yùn)行等因素，以電動(dòng)汽車充電站年綜合成本最小為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)電動(dòng)汽車充電站容量進(jìn)行優(yōu)化配置。最后，結(jié)合不同場(chǎng)景下電動(dòng)汽車沿路網(wǎng)到充電站時(shí)間和充電時(shí)間，確定用戶在各個(gè)充電站平均排隊(duì)時(shí)間，得到各充電站的服務(wù)范圍。23優(yōu)化配置方法(1）選址模型的建立電動(dòng)汽車充電站的選址問(wèn)題主要需要從用戶和交通兩個(gè)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(wèn)題，而解決該問(wèn)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(dòng)汽車充電站選址的目的，所以本文結(jié)合2個(gè)模型建立了交通滿意度模型，定義其中通過(guò)對(duì)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，具體模型為式中：η(2）電動(dòng)汽車用戶需求電動(dòng)汽車充電站定容規(guī)劃時(shí)既要考慮充電站的建設(shè)運(yùn)行成本、充電站網(wǎng)損成本，還要考慮電動(dòng)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(dòng)汽車用戶排隊(duì)等待時(shí)間忍耐極限為約束條件，對(duì)電動(dòng)汽車充電站容量進(jìn)行優(yōu)化。(1)充電樁數(shù)量的影響以電動(dòng)汽車充電站年綜合成本為優(yōu)化目標(biāo)，得到電動(dòng)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(yùn)行成本都是充電樁數(shù)量的函數(shù)。年綜合成本為式中：C(2)電動(dòng)汽車充電站容量最優(yōu)匹配結(jié)果本文從電動(dòng)汽車充電用戶心理和電網(wǎng)安全兩個(gè)角度考慮，對(duì)電動(dòng)汽車充電站容量?jī)?yōu)化過(guò)程進(jìn)行約束，得到待規(guī)劃區(qū)域電動(dòng)汽車充電站容量最優(yōu)匹配結(jié)果?？紤]包括電動(dòng)汽車充電用戶排隊(duì)等待時(shí)間約束及電網(wǎng)約束。(3）優(yōu)化配置方法本配置方法提出建立多場(chǎng)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(dòng)汽車充電站最優(yōu)站址，綜合考慮不同場(chǎng)景下用戶充電等待時(shí)間、電網(wǎng)安全運(yùn)行等因素，以電動(dòng)汽車充電站年綜合成本最小為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)電動(dòng)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)分析與構(gòu)建方法的要求4.1建設(shè)微型、小型數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)中心建設(shè)逐步向規(guī)?；瓦吘売?jì)算兩個(gè)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(guò)規(guī)?；б娼档统杀竞蛦挝荒芎模谀┒诵枨罅啃〉膮^(qū)域進(jìn)行微型、小型數(shù)據(jù)中心建設(shè)，滿足邊緣計(jì)算的需求數(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(chǔ)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(dòng)和故障時(shí)，仍能保證電網(wǎng)的安全運(yùn)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(jì)，實(shí)現(xiàn)建筑融合，減少部分設(shè)施建設(shè)，降低投資費(fèi)用。4.2數(shù)據(jù)中心配置思路數(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(cè)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(xiàng)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(jī)架規(guī)模，結(jié)合占地面積來(lái)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。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(guò)結(jié)合調(diào)研和查閱資料來(lái)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(chǔ)需求、計(jì)算需求以及外部租賃需求，計(jì)算數(shù)據(jù)中心所需機(jī)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。23優(yōu)化配置方法(1）內(nèi)容分析，提出最符合服務(wù)訴求的數(shù)據(jù)需求，以及其他數(shù)據(jù)需求調(diào)研了解外部哪些用戶對(duì)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)分析與端點(diǎn)的內(nèi)部需求分析(1)飛機(jī)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(jī)架規(guī)模，即式中：N(2)區(qū)域體積計(jì)算方法數(shù)據(jù)中心占地面積可用式（7）計(jì)算，即式中：S(3）優(yōu)化配置方法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(chǔ)需求、計(jì)算需