安科瑞 陳聰

【摘要】為緩解電力負荷時(shí)段性峰谷不平衡的壓力,開(kāi)發(fā)了一種應用于智能電網(wǎng)的智能儲能管理系統。系統在電力負荷較輕及電價(jià)較低時(shí)自動(dòng)儲能,在電力負荷高峰及電價(jià)較高時(shí),將所儲電能供給用戶(hù)或反售電網(wǎng)。系統由控制器、儲能器件、逆變器、通信模塊等組成,采用Modbus協(xié)議與上位機通信,采用C語(yǔ)言編寫(xiě)控制器程序,VB開(kāi)發(fā)上位機軟件,實(shí)現了系統仿真。該系統有利于電力負荷削峰平谷以及節約電力用戶(hù)的電費開(kāi)支。

【關(guān)鍵詞】智能電網(wǎng)；智能儲能系統；電力線(xiàn)載波技術(shù)；單片機；Modbus協(xié)議

0引言

智能電網(wǎng)能實(shí)現發(fā)電、輸電、供電、客戶(hù)售電、用電、電網(wǎng)分級調度、綜合服務(wù)等電力產(chǎn)業(yè)全流程的智能化、信息化、分級化互動(dòng)管理。我國將在2020年*面建成統一的堅強智能電網(wǎng),目前正處在智能電網(wǎng)*面建設階段。根據電力負荷實(shí)施不同電價(jià)是智能電網(wǎng)的特點(diǎn)之一,它通過(guò)電價(jià)調節,促使用戶(hù)優(yōu)化用電方案,錯開(kāi)峰值電價(jià),一定程度地減少電網(wǎng)負荷峰谷差,提高電網(wǎng)系統的能源效率。但這種手段并不能從本質(zhì)上解決用電峰谷問(wèn)題,用戶(hù)是不可能在負荷高峰時(shí)段(例如18:00~23:00)避開(kāi)用電,此時(shí)電費的高價(jià)位反而加重了用戶(hù)的負擔?；诖?我們設計了一種基于智能電網(wǎng)終端的智能儲能系統,在一定程度上解決了這一問(wèn)題。

1. 智能儲能管理系統功能與系統結構

1.1系統功能

智能儲能控制器能自動(dòng)識別電力負荷的峰谷,在電力系統的負荷谷底,以較低的實(shí)時(shí)電價(jià)將電能儲存在家庭儲能器件(蓄電池組等)中;在電力系統的負荷峰值,實(shí)時(shí)電價(jià)較高時(shí),切斷(或減少)電網(wǎng)供電,將儲能器件中的電能逆變后給家用電器供電。智能儲能管理系統根據負載功率大小與儲存的電能自動(dòng)運算出*佳用電方案供用戶(hù)選擇,甚至將富裕的電能反售給電網(wǎng),用戶(hù)可現場(chǎng)或遠程選擇或設置用電方案。智能儲能控制器能對負荷削峰填谷,提高系統可靠性和穩定性,減少系統備用需求及停電損失,使原來(lái)幾乎完*剛性的系統變得柔性起來(lái),電網(wǎng)運行的安全性、可靠性、經(jīng)濟性、靈活性也會(huì )因此得到大幅度的提高。同時(shí),系統又能使用戶(hù)在實(shí)時(shí)電價(jià)高的用電峰值階段斷開(kāi)(或減少)高價(jià)電的消費,減少電費支出。

1.2智能儲能管理系統結構

智能儲能管理系統結構如圖1所示,系統由控制器、儲能器件、逆變器、電力線(xiàn)載波通信模塊、集中器等組成。

圖1智能儲能管理系統結構

控制器是核心器件,主要功能是接收人工指令、顯示狀態(tài)信息、接收和處理管理主機信息、對儲能器件充放電控制、并網(wǎng)開(kāi)關(guān)控制、用電負荷檢測等。儲能器件可選用鉛酸蓄電池組串或*級電容組串,主要功能是儲存電能。逆變器將儲能器件儲存的直流電逆變成220V交流電供家庭交流負載使用或反售電網(wǎng)。雙向電能表具有雙向計量功能,電流流入時(shí),電能表正向計量,電流流出則反向計量。管理主機與集中器為遠程通信,采用光纖通信方式,每棟住宅樓安裝一個(gè)集中器,集中器與用戶(hù)的通信采用寬帶電力線(xiàn)載波方式,通過(guò)電力線(xiàn)載波通信模塊實(shí)現信號的調制與解調。電力線(xiàn)載波模塊與電能表及控制器則采用RS-485工業(yè)總線(xiàn)方式通信。系統的工作過(guò)程為:當管理主機通過(guò)網(wǎng)絡(luò )將實(shí)時(shí)電價(jià)等信息廣播給各用戶(hù)時(shí),控制器接收實(shí)時(shí)電價(jià)信息后進(jìn)行對比檢測與判斷,如為谷底電價(jià)(電價(jià)較低),則為儲能元件儲能,此時(shí)并網(wǎng)控制開(kāi)關(guān)打開(kāi),負載也由電網(wǎng)供電,電能表正向計量;如為峰值電價(jià)(電價(jià)較高),則控制器根據用戶(hù)的當前用電功率與儲能元件的荷電狀態(tài)自動(dòng)控制電能的接入。儲能器件的直流電能經(jīng)逆變器逆變*交流電后給家庭負載供電,當儲能器件電能消耗達到設定的底線(xiàn)時(shí),控制器切斷儲能器件輸出,逆變器停止工作,并網(wǎng)開(kāi)關(guān)再次閉合,切換成外網(wǎng)供電。如檢測出家庭負載未用電或用電負載很輕時(shí),控制器閉合并網(wǎng)控制開(kāi)關(guān),開(kāi)啟逆變器,儲能器件的直流電逆變*交流電后通過(guò)雙向電能表反售電網(wǎng),直到蓄電池電能消耗達到設定的底線(xiàn)或本次峰值電價(jià)結束。

1. 智能儲能控制器硬件設計

智能儲能控制器由單片機、顯示模塊、鍵盤(pán)、LED指示、時(shí)鐘電路、存儲器、通信模塊以及蓄電池充放電控制電路組成。其硬件結構如圖2所示。

圖2智能儲能控制器硬件結構

智能儲能控制器的單片機選用宏晶科技生產(chǎn)的STC12C5A60S2,此單片機指令代碼完*兼容傳統8051,但速度快8~12倍。內部集成MAX810專(zhuān)用復位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉換,60kBFlashROM,滿(mǎn)足本設計中程序容量、運行速度及模擬信號處理等要求。顯示模塊選用ZLE12864A單色液晶顯示屏,時(shí)鐘芯片選用DS1302萬(wàn)年歷專(zhuān)用芯片,存儲器選用24C64芯片,RS-232/485轉換選用SN75LBC184芯片,電力線(xiàn)載波通信選用北京福星曉程科技公司生產(chǎn)的PL2102。

2.1蓄電池充放電控制電路設計

蓄電池需要進(jìn)行過(guò)充與過(guò)放保護,因此需設置充放電控制電路。如圖2所示,Q1為蓄電池充電控制開(kāi)關(guān)管,Q2為蓄電池放電控制開(kāi)關(guān)管,R5、R6為蓄電池電壓檢測電阻,R0為負載檢測電阻,JK1為并網(wǎng)控制開(kāi)關(guān)。蓄電池充電過(guò)程如下。P2.6輸出高電平,Q1導通,28V電源對蓄電池充電,蓄電池電壓通過(guò)R5、R6分壓后反饋致單片機A/D輸入端P1.0。隨著(zhù)充電的進(jìn)行,蓄電池電壓與P1.0反饋電壓均逐漸*大。當P1.0檢測電壓達到設定的充電上限值時(shí),說(shuō)明充電達到飽和,P2.6輸出切換成低電平,Q1截止,斷開(kāi)充電,實(shí)現蓄電池過(guò)充保護。蓄電池放電過(guò)程如下。P2.7輸出高電平,Q2導通,蓄電池直流電通過(guò)Q2輸至逆變器,逆變器啟動(dòng),蓄電池直流電經(jīng)逆變成220V交流后輸出。此時(shí)如家庭負載有用電,R0上有電流通過(guò),形成電壓降,經(jīng)放大整流后在單片機A/D輸入端P1.1得到檢測信號,P2.5輸出低電平,并網(wǎng)開(kāi)關(guān)JK1斷開(kāi),負載用電由蓄電池提供。如家庭負載未用電(或負載很輕),R0上則沒(méi)有電流(或電流很小),P1.1檢測信號未達到門(mén)限值,P2.5則輸出高電平,JK1導通,蓄電池電能反售電網(wǎng)。隨著(zhù)蓄電池放電的進(jìn)行,蓄電池電壓與P1.0檢測電壓均逐漸下降,當電壓下降到設定的放電下限值時(shí),P2.7輸出低電平,Q2截止,蓄電池停止放電,實(shí)現蓄電池過(guò)放保護。

2.2電力線(xiàn)載波通信模塊設計

電力線(xiàn)載波通信選擇PL2102。PL2102是專(zhuān)為電力線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )設計的半雙工異步調制解調器,它僅由單一的+5V電源供電,以及一個(gè)外部的接口電路與電力線(xiàn)耦合。PL2102內置了四種常用的功能電路:32BSRAM、電壓監測、看門(mén)狗定時(shí)器及復位電路。它們通過(guò)標準的I2C接口與外部的微處理器相聯(lián)。PL2102是特別針對中國電力網(wǎng)惡劣的信道環(huán)境所研制開(kāi)發(fā)的低壓電力線(xiàn)載波通信芯片,采用了直接序列擴頻、數字信號處理、直接數字頻率合成等新技術(shù),以及大規模數字/模擬混合0.5μmCMOS工藝制作,具有較強的抗干擾、抗衰落性能。信號接收過(guò)程為:電力線(xiàn)上的載波信號經(jīng)T31、C33耦合,進(jìn)入PL2102B/C的模擬信號輸入端SIGin,在內部進(jìn)行載波解調;通過(guò)I2C總線(xiàn)SDA/SCL與AT89C51交換數據,AT89C51將接收的數據通過(guò)串口轉發(fā)至控制器和雙向電能表。信號發(fā)送過(guò)程為:控制器或電能表數據通過(guò)串口發(fā)至AT89C51,I2C總線(xiàn)SDA/SCL傳入PL2102后進(jìn)行載波調制,PSKO為調制后的信號輸出端,輸出信號經(jīng)Q31、Q32、Q33、Q34組成OTL驅動(dòng)放大后,經(jīng)C31、T31耦合輸出至電網(wǎng)。電力線(xiàn)載波通信模塊電路如圖3所示：

圖3電力線(xiàn)通信接口電路

2.3顯示模塊與存儲器

顯示模塊選用深圳卓立恩科技有限公司生產(chǎn)的ZLE12864A模塊。ZLE12864A模塊工作電壓為5V,顯示內容為128(列)×64(行),顯示模式為FSNT正顯,與單片機連接采用8位并行輸出方式,通過(guò)字符取模軟件生成漢字代碼。顯示屏上方固定顯示時(shí)間,中下部為信息發(fā)布區,分屏顯示即時(shí)電價(jià)、操表、剩余電量等信息。存儲器選擇24C64EEPROM。24C64為I2C總線(xiàn)的EEPROM，具有較強的抗干擾能力，功耗低，可斷電保存數據200年以上，擦寫(xiě)次數*少10萬(wàn)次。

3.智能儲能控制器軟件設計

根據系統組成,智能儲能控制器、電力線(xiàn)載波通信模塊、上位機管理均需編制軟件。智能儲能控制器軟件以及電力線(xiàn)載波通信模塊采用單片機C語(yǔ)言編制,上位機管理軟件采用VisualBasic編制,通過(guò)虛擬串口VSPDxp5實(shí)現管理主機與下位機系統調試。

3.1智能儲能控制器主程序設計

智能儲能控制器軟件由主程序、時(shí)鐘程序、鍵盤(pán)程序、顯示程序、通信程序等組成。由于采用C語(yǔ)言編寫(xiě),因此將各種功能模塊編寫(xiě)成各類(lèi)功能函數,由主函數調用并反復循環(huán)。主程序流程圖如圖4所示。其流程為:①開(kāi)機或復位后首先進(jìn)行初始化設置;②調用時(shí)鐘函數,取出時(shí)間信息;③調用顯示函數將各類(lèi)信息顯示在液晶屏上;④查詢(xún)是否有按鍵,如有按鍵則調用按鍵處理函數,得出鍵位碼,鍵位碼使相關(guān)函數響應;⑤檢測電價(jià)狀態(tài)標志位,如為電價(jià)谷值,則用戶(hù)負載由電網(wǎng)供電,同時(shí)啟動(dòng)蓄電池充電函數;如為電價(jià)峰值,啟動(dòng)蓄電池放電函數。當蓄電池電量不足時(shí),繼續采用電網(wǎng)供電;蓄電池電量充足時(shí),采用蓄電池供電或將電能反售電網(wǎng)。

圖4主程序流程圖

3.2智能儲能控制器通信程序設計

系統的通信包括采集器與管理主機的光纖通信、采集器與電力線(xiàn)載波模塊的電力線(xiàn)通信以及電力線(xiàn)載波模塊與儲能控制器和電能表的RS-485工業(yè)總線(xiàn)通信。管理主機與采集器的通信按國家電力行業(yè)標準要求采用DL645-2007協(xié)議,電力線(xiàn)載波模塊與智能儲能控制器約定雙方按Modbus協(xié)議編寫(xiě)通信程序。接收采用被動(dòng)中斷方式,發(fā)送采用主動(dòng)查詢(xún)方式。智能儲能控制器數據發(fā)送工作過(guò)程為:①把要發(fā)送的數據進(jìn)行CRC運算;②發(fā)送本機地址碼;③發(fā)送功能碼;④發(fā)送數據長(cháng)度值;⑤依次發(fā)送數據;⑥發(fā)送CRC校驗碼。智能儲能控制器接收采用中斷方式接收電力載波模塊的請求幀。其數據接收過(guò)程為:①響應串行中斷,接收地址碼,判斷地址碼是否與本機地址相同,如不同則退出中斷;②接收功能碼,判斷功能碼,根據功能碼值進(jìn)行相應處理;③按幀依次接收數據;④接收CRC校驗碼;⑤把所接收的數據進(jìn)行CRC運算(接收的校驗碼不參與);⑥把接收的CRC校驗碼與運算所得的CRC碼進(jìn)行比較,相符則說(shuō)明接收正確,返回接收正確功能碼,不符說(shuō)明接收不正確,返回接收錯誤功能碼。

4.Acrel-2000ES儲能柜能量管理系統

4.1系統概述

安科瑞儲能能量管理系統Acrel-2000ES，專(zhuān)門(mén)針對工商業(yè)儲能柜、儲能集裝箱研發(fā)的一款儲能EMS，具有完善的儲能監控與管理功能,涵蓋了儲能系統設備(PCS、BMS、電表、消防、空調等)的詳細信息,實(shí)現了數據采集、數據處理、數據存儲、數據查詢(xún)與分析、可視化監控、報警管理、統計報表等功能。在*級應用上支持能量調度,具備計劃曲線(xiàn)、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。

4.2系統結構

Acrel-2000ES，可通過(guò)直采或者通過(guò)通訊管理或串口服務(wù)器將儲能柜或者儲能集裝箱內部的設備接入系統。

4.3系統功能

4.3.1實(shí)時(shí)監測

系統人機界面友好，能夠顯示儲能柜的運行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監測PCS、BMS以及環(huán)境參數信息，如電參量、溫度、濕度等。實(shí)時(shí)顯示有關(guān)故障、告警、收益等信息。

4.3.2設備監控

系統能夠實(shí)時(shí)監測PCS、BMS、電表、空調、消防、除濕機等設備的運行狀態(tài)及運行模式。

PCS監控：滿(mǎn)足儲能變流器的參數與限值設置；運行模式設置；實(shí)現儲能變流器交直流側電壓、電流、功率及充放電量參數的采集與展示；實(shí)現PCS通訊狀態(tài)、啟停狀態(tài)、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、異常告警等狀態(tài)監測。

BMS監控：滿(mǎn)足電池管理系統的參數與限值設置；實(shí)現儲能電池的電芯、電池簇的溫度、電壓、電流的監測；實(shí)現電池充放電狀態(tài)、電壓、電流及溫度異常狀態(tài)的告警。

空調監控：滿(mǎn)足環(huán)境溫度的監測，可根據設置的閾值進(jìn)行空調溫度的聯(lián)動(dòng)調節，并實(shí)時(shí)監測空調的運行狀態(tài)及溫濕度數據，以曲線(xiàn)形式進(jìn)行展示。

UPS監控：滿(mǎn)足UPS的運行狀態(tài)及相關(guān)電參量監測。

4.3.3曲線(xiàn)報表

系統能夠對PCS充放電功率曲線(xiàn)、SOC變換曲線(xiàn)、及電壓、電流、溫度等歷史曲線(xiàn)的查詢(xún)與展示。

4.3.4策略配置

滿(mǎn)足儲能系統設備參數的配置、電價(jià)參數與時(shí)段的設置、控制策略的選擇。目前支持的控制策略包含計劃曲線(xiàn)、削峰填谷、需量控制等。

4.3.5實(shí)時(shí)報警

儲能能量管理系統具有實(shí)時(shí)告警功能，系統能夠對儲能充放電越限、溫度越限、設備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。

4.3.6事件查詢(xún)統計

儲能能量管理系統能夠對遙信變位，溫濕度、電壓越限等事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶(hù)對系統事件和報警進(jìn)行歷史追溯，查詢(xún)統計、事故分析。

4.3.7遙控操作

可以通過(guò)每個(gè)設備下面的紅色按鈕對PCS、風(fēng)機、除濕機、空調控制器、照明等設備進(jìn)行相應的控制，但是當設備未通信上時(shí)，控制按鈕會(huì )顯示無(wú)效狀態(tài)。

4.3.8用戶(hù)權限管理

儲能能量管理系統為保障系統安全穩定運行，設置了用戶(hù)權限管理功能。通過(guò)用戶(hù)權限管理能夠防止未經(jīng)授權的操作（如遙控的操作，數據庫修改等）?？梢远x不同級別用戶(hù)的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

5.結束語(yǔ)

綜上所述，光伏儲能系統能夠平滑功率波動(dòng)、提高電網(wǎng)的穩定性和可靠性，同時(shí)實(shí)現供需平衡和調峰填谷。然而，光伏儲能系統的應用還面臨一些挑戰，如成本高、技術(shù)難題等。因此，未來(lái)需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)控制策略，以提高光伏儲能系統的效率和經(jīng)濟性。同時(shí)，政策支持和市場(chǎng)推動(dòng)也是推動(dòng)光伏儲能系統發(fā)展的重要因素。相信通過(guò)不斷的努力和創(chuàng )新，光伏儲能系統將在清潔能源領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用，實(shí)現可持續能源的可靠供應。

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