冀北电力正在构建变电站+储能站+数据中心三站合一的泛在电力物联网

核心提示 河北省张北县不仅有着丰富的风力和光伏资源，还是拥有60万台服务器的阿里巴巴数据中心的落地之处。2012年6月，阿里巴巴数据中心落户张北。7年来，随着云计算产业的蓬勃发展，电力能耗也与日俱增，如何为这样世界级的数据中心保障电力供应、提高能效水平？国网冀北电力有限公司进行了多方探索。

河北省张北县地处京津冀经济圈与晋冀蒙经济圈交汇处，全境属于坝上高原。这里不仅有丰富的风力和光伏资源，还是拥有60万台服务器的世界级数据中心——阿里巴巴数据中心的落地之处。

2012年6月，阿里巴巴数据中心落户张北县，7年多时间里，张北云计算产业实现了从无到有、从有到强的跨越式发展。2018年“双十一”期间，阿里巴巴数据中心承担着全国商家85%的交易任务。与此同时，在大数据的运用上，张北还实现了智慧民生、智慧城管，建起了“扶贫云”，实现了农村电商全覆盖。如今，世纪互联、通产伟博、航信金云、浪潮等17个大数据项目已签约落地。随着云计算产业的蓬勃发展，电力能耗也在与日俱增，如何为这样世界级的数据中心保障电力供应、提高能效水平？国网冀北电力有限公司在电力技术创新、智能电网建设等方面进行了大量探索。

“云”集张北 耗能激增

与传统能耗单元不同，数据中心必须24小时连轴转，昼夜不停的运行方式必然导致大能耗、高放热。而且，数据中心对环境要求极高，通常依靠空调、冷水机等设备来降温，冷却部分的用能占到辅助设施用能60%以上。

“PUE，也就是能耗比，是衡量数据中心能效水平的评价指标。该指标基准值为2，数值越接近1意味着能源利用率越高。目前阿里张北数据中心的设计PUE均低于1.25，最低可达1.13，远远低于国内数据中心PUE 2.5的平均水平……以制冷为例，我们充分利用张北干净的风和清凉的水来为数据中心降温，全年只有两周的时间需要开启传统的压缩机空调制冷，仅制冷能耗就能降低近60%。这也是在中国，第一次能真正做到用自然风直接为数据中心降温。”阿里巴巴首席技术官陈键锋就阿里数据中心落户张北的原因进行说明。

此外，张家口作为国务院批复的全国可再生能源示范区，风能和太阳能资源丰富，仅张北县2018年风、光发电量就超过62亿千瓦时，到2020年发电量将达到100亿千瓦时。阿里张北数据中心全部建成后，服务器规模将达到150万台，年耗电量预计60亿千瓦时。从供求关系而言，数据中心落户张北完全符合国家绿色电力就地消纳的要求。据测算，目前阿里数据中心使用绿色电力占总能耗约40%，实现了产业的良性循环，有效推动了大数据和新能源联动发展。

大数据产业云集张北，带来巨大经济刺激的同时，也面临着电力消耗的持续攀升，随之而来的是供电负荷迅猛增长。2018年，仅阿里数据中心的用电负荷便达180兆瓦，占张北220千伏变电站负载的80%；全年用电量高达3.2亿千瓦时，占张北县总用电量的31%。如此高的能耗，给张北电网带来了巨大冲击，对供电可靠性提出了更高要求。

同时，风电、光伏为直流发电，虽年发电量高，但需将直流电通过逆变器变成交流电再上网，客户侧再将交流电变成直流电进行使用，过程中存在能耗损失。2012年时，国内乃至世界尚无变电技术，既可直接满足配电网的复杂需求，又可直接应用光伏的直流电。阿里数据中心虽对绿色能源有一定需求，但对电力可靠性的需求更高，目前新能源发电尚存在不稳定的问题，且当前“光伏+储能”造价成本太高，并不具备经济性。

面对供给与需求的矛盾，国网冀北电力依托张家口丰富的可再生能源，积极构建“变电站+储能站+数据中心”三站合一的泛在电力物联网建设模式，积极推动数据中心集群建设与电力基础设施紧凑布局，对资源高效集约利用的新模式展开探索。

柔性变电技术引领

“源-网-荷”协调发展

2016年5月，国网冀北电力结合大数据产业发展规划，未雨绸缪，协同阿里巴巴集团、亿利集团，以配电网技术创新引领“源-网-荷”协调发展，在全球首次提出柔性变电技术设想。2017年9月，10千伏交直流配电网及柔性变电站示范工程开始现场勘测、定位，将柔性变电设想变为现实。一年后，该项目正式投入商业运行。

该工程建设包含10千伏光伏直流升压站一座、10千伏柔性变电站一座。其中，10千伏柔性变电站的核心设备电力电子变压器具有4个交直流端口，在配电网中如同一个“纵横交错江河中的码头”。示范工程在低压侧能够提供直流750伏（含240伏）、交流380伏等3种灵活的供电方式，可实现多种能源、多元负荷和储能的即插即用和灵活接入；打造了灵活开放的能源互联网平台，通过接入张北县德胜村2.5兆瓦光伏扶贫发电，满足了阿里张北数据中心绿色用能需求，实现了发电、电网、客户等多利益主体的共赢。

“常规的数据中心使用的是双路交流电。阿里从2011年起就开始使用一路高压直流电。高压直流的优势在于没有中间的逆变环节，可以减少能效损耗。柔变项目正好匹配我们的业务需求，最大的好处是就近消纳了光伏发电的直流电。”阿里张北数据中心运维主管胡国良说。

10千伏交直流配电网及柔性变电站示范工程集技术创新、新兴产业多元供电服务、光伏扶贫、清洁能源消纳功能于一体，为应对配电网电源清洁化、多元化，网络电力电子化、信息化以及负荷特性复杂化、互动化的发展需求，提供了重要解决方案。

“我们成功攻克了成套设计、‘源-网-荷’控制保护等一系列技术难题，最终打造出一个灵活开放的平台，实现了发电、电网、客户的共赢。现在的柔性变电站装备可实现多种能源、多元负荷和储能即插即用，为阿里和其他客户提供丰富的自主选择权。”国网冀北电力科信部智能处处长徐彭亮介绍道。

简而言之，基于柔性变电站的交直流配电网减少了转换过程，缩小了设备体积，降低了能耗折损，保证了数据中心的用电可靠性。电网本身由于接入客户众多而存在诸多干扰因素，经过这套装置，电网的干扰不会传导给客户，同时，数据中心产生的干扰通过这套装置被有效地隔离，也不会传导至电网。

“现在阿里可以通过直流升压的方式，将光伏发电输送至数据中心，接入系统作为备用，不但实现了绿色能源的就近消纳，余量还可上网。可以说这套设备还在一定程度为阿里节省了成本。”胡国良说道。

智能电网+特高压电网+清洁能源

满足大数据产业负荷需求

为满足大数据产业不断增长的负荷需求，国网冀北电力加大电网基础设施建设力度，构建“智能电网+特高压电网+清洁能源”的能源体系。2016年，国网冀北电力发布《全球能源互联网张家口创新示范区发展白皮书》，重点推进五项示范工程，大数据产业集中的张北基本上都在规划中。目前，国网冀北电力正在紧锣密鼓建设张北500千伏柔性直流输电示范项目，为云计算产业基地提供更强大的电力支撑；同时，在阿里其他园区周边建成3座110千伏变电站和1座220千伏变电站。这些项目在为“中国数坝”发展提供充足、可靠电能的同时，还能有效满足张家口可再生能源示范区清洁能源送出需求和北京负荷中心、特别是冬奥延庆赛区清洁电能使用需求。

为结合国家可再生能源示范区建设，让大数据产业发展享有成体系的扶持和优惠政策，2018年，在张家口市政府的倡导下，国网冀北电力勇开先河，提出“政府+电网+发电企业+用户侧”四方交易机制，将各大数据中心纳入可再生能源电力交易系统，通过市场化交易可享受0.37元/度的优惠电价，极大程度降低了数据中心的用电成本。该交易机制在国内尚属首例，标志着张家口开启了国内可再生能源电力市场化交易的先河，同时打破了清洁能源应用成本居高不下的瓶颈。

“作为‘中国数坝’的大本营，未来几年，张北将着力延长产业链条，前端发展云研发、云制造，后端发展云服务，让‘冷数据’产生‘热效应’。‘中国数坝’的未来，将是世界级超大规模数据中心产业集群，将是大数据与实体经济、与乡村振兴、与服务民生、与社会治理高度融合的‘云上张北’，也将是‘数字中国’在中国北方贫困地区的一个最好缩影。”张北县县长李鹏举对今后张北大数据产业发展前景笃定且自信。

未来已来。国网冀北电力将在新能源、智能配用电等领域，加快形成一批具有自主知识产权、达到国际先进水平的科研成果，突破泛在电力物联网发展技术瓶颈，为绿色数据产业发展和能源互联网建设提供更强大的支撑。