安科瑞 陳聰

【摘要】：在分析儲能電站電氣結構和通信架構的基礎上，根據需求設計了一種用戶(hù)側儲能電站能量管理系統。介紹了這一系統的軟件架構、應用功能模塊、服務(wù)功能模塊和通用功能模塊，并論述了削峰填谷、負荷跟隨、功率分配、動(dòng)態(tài)需量、電池保護等這一系統的能量管理策略。

【關(guān)鍵詞】：電站；能量；管理；設計

1.設計背景

儲能技術(shù)對新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要影響，應用儲能技術(shù)可以有效解決新能源發(fā)電的波動(dòng)性和隨機性，從而使低密度、間歇性的可再生能源得以*效應用。儲能系統是電力系統的重要組成及關(guān)鍵支撐，目前已廣泛應用于電力系統中的多個(gè)環(huán)節，主要包括發(fā)電側、電網(wǎng)側、用戶(hù)側。筆者設計了一種用戶(hù)側儲能電站能量管理系統，可以實(shí)現對整個(gè)儲能系統運行狀態(tài)及運行數據的實(shí)時(shí)監測，確保系統安全運行、穩定可靠，同時(shí)能夠有效實(shí)現削峰填谷、需求側響應、動(dòng)態(tài)需量控制，從而提高用戶(hù)的電能質(zhì)量，降低用戶(hù)的用電成本。

2.設計需求

用戶(hù)側儲能電站能量管理系統實(shí)時(shí)采集儲能電站的狀態(tài)信息、保護信息、開(kāi)關(guān)信息、電氣信息，通過(guò)能量管理策略對儲能電站進(jìn)行管控，以保證儲能電站安全、穩定、有效運行。用戶(hù)側儲能電站能量管理系統的設計需滿(mǎn)足三個(gè)方面的要求。

（１）儲能電站監控設備多，設備信息量大。儲能電站除了常規的供配電設備，如并網(wǎng)開(kāi)關(guān)、箱變測控、微機保護、電表、空調、消防等需要監控外，還需要對儲能雙向變流器、電池管理系統的數據進(jìn)行采集。由多個(gè)電池單體并聯(lián)組成一個(gè)電池模組，多個(gè)電池模組串聯(lián)組成一個(gè)電池簇，多個(gè)電池簇并聯(lián)形成電池堆。對于１ＭＷ儲能電站，系統除采集電池堆和各電池簇電流、電壓、溫度、狀態(tài)、報警、保護、剩余電量等信息外，還要采集８０００～１００００個(gè)單體電池信息，主要包括各單體電池的電壓、溫度、剩余電量、健康度等。系統的數據量大，接入設備多，對于性能和通信網(wǎng)絡(luò )的組建具有較*的要求。

（２）系統的響應速度要求快，控制策略復雜。儲能電站雙向變流器的啟動(dòng)、停止與各個(gè)工況的切換需要在幾百毫秒甚至幾十毫秒內做出響應，監控系統從通信指令下發(fā)到儲能雙向變流器執行指令返回，時(shí)間很短。能量管理策略需要通過(guò)實(shí)時(shí)采集的數據信息做出判斷，并及時(shí)進(jìn)行響應。

（３）儲能電站分層保護。儲能電站的保護主要分為三層。一層為配電保護，是對變壓器和饋線(xiàn)進(jìn)行的保護。二層為儲能雙向變流器保護，是對儲能各子系統進(jìn)行的保護。三層為電池管理系統保護，在電池過(guò)充、過(guò)放、過(guò)溫等情況下斷開(kāi)主回路，以保護電池安全。

3.儲能電站概況

3.1電氣結構

以上海海立電器西廠(chǎng)項目為例，海立電器西廠(chǎng)安裝一套１ＭＷ、３．５ＭＷｈ磷酸鐵鋰儲能電站，共預留兩個(gè)１０ｋＶ／４００Ｖ配電站，每段４００Ｖ母線(xiàn)預留儲能子系統接入。每個(gè)配電站１０ｋＶ側采用雙電源獨立供電，供電方式為電網(wǎng)接入。儲能電站采用儲能子系統配置方案，共分為兩個(gè)儲能子系統，每個(gè)儲能子系統的容量為０．５ＭＷ、１.７５ＭＷｈ。儲能子系統采用１１．８ｍ×２．１３ｍ×２．１８ｍ集裝箱集成方式，通過(guò)低壓配電房?jì)蓚€(gè)儲能并網(wǎng)柜４００Ｖ低壓接入。海立電器西廠(chǎng)儲能電站電氣結構如圖１所示。

儲能子系統包含電池及電池架、電池管理系統、儲能雙向變流器、溫控系統、動(dòng)環(huán)監控系統、二次系統配電、電池組匯流、照明系統等部分，其架構如圖２所示。

圖１儲能電站電氣結構

圖２儲能子系統架構

3.2通信架構

以海立電器西廠(chǎng)項目為例，儲能電站通信架構分為四層：運維平臺、監控與策略層、通信組網(wǎng)層、設備層。運維平臺指分布式公司綜合能源管理平臺，負責收集、處理、分析各儲能電站和光伏電站的信息與數據。監控與策略層由通信前置機、本地監控工作站、視頻監控工作站、數據服務(wù)器、打印機組成，負責本地實(shí)時(shí)數據監控和存儲、歷史信息查詢(xún)、故障記錄與推演、電價(jià)收益、能量管理策略執行、報表打印等功能。通信組網(wǎng)層由光電交換機、通信管理機、輸入輸出模塊、視頻刻錄機、無(wú)線(xiàn)路由器等組成，負責設備層數據信息的集成與傳輸。設備層由各通信設備組成，主要包括并網(wǎng)電表、進(jìn)線(xiàn)電表、并網(wǎng)開(kāi)關(guān)、箱變測控、微機保護、空調、消防、門(mén)禁、水浸、攝像頭等設備。

海立電器西廠(chǎng)儲能電站通信架構如圖３所示。

圖３儲能電站通信架構

每個(gè)儲能子系統共安裝兩個(gè)攝像頭，通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)連接至視頻刻錄機的有源以太網(wǎng)接口。視頻刻錄機采集、存儲攝像頭的視頻數據，并將視頻數據傳輸至視頻監控系統。通信管理機主要接入四路ＲＳ４８５串行通信總線(xiàn)信號，包括儲能子系統中門(mén)禁、消防、水浸三個(gè)干接點(diǎn)信號，以及并網(wǎng)開(kāi)關(guān)信號、空調信號、不間斷電源信號。通信管理機接入光電交換機，通過(guò)ＩＥＣ８７０－５－１０４通信協(xié)議將數據轉發(fā)至本地監控工作站。箱變測控可采集微機保護的ＲＳ４８５串行通信總線(xiàn)信號，并通過(guò)ＩＥＣ８７０－５－１０４通信協(xié)議將數據整合轉發(fā)至本地監控工作站。通信前置機負責采集能量管理策略所需的儲能雙向變流器、電池管理系統、電表數據，并通過(guò)策略運行的結果控制儲能子系統的充放電，同時(shí)將數據通過(guò)ＩＥＣ８７０－５－１０４通信協(xié)議轉發(fā)至本地監控工作站。本地監控工作站負責實(shí)時(shí)數據、設備監控畫(huà)面和曲線(xiàn)的顯示，歷史數據的查詢(xún)、報表打印等功能，并將數據定時(shí)存儲于數據服務(wù)器。本地監控工作站通過(guò)消息隊列遙測傳輸協(xié)議將所有數據發(fā)送至運維平臺。海立電器西廠(chǎng)儲能電站儲能子系統內部通信架構如圖４所示。通過(guò)２５０ｋＷ儲能雙向變流器，控制由六個(gè)電池簇并聯(lián)形成的電池堆進(jìn)行充放電。一個(gè)電池模組由１２個(gè)單體電池并聯(lián)組成，１７個(gè)電池模組串聯(lián)形成一個(gè)電池簇。每個(gè)電池模組都配備電池監控單元，負責每個(gè)電池單體的監控信息采集、內阻檢測、電池一致性管理等。電池控制管理模塊負責電池簇信息的采集，包括總電壓和電流，對電池簇出現的異常進(jìn)行報警與保護。電池管理系統負責實(shí)時(shí)數據計算、性能分析、故障報警信號處理與存儲。電池監控單元將所有信息通過(guò)控制器局域網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)發(fā)送至電池控制管理模塊。電池管理系統、儲能雙向變流器通過(guò)控制器局域網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)與各個(gè)電池控制管理模塊進(jìn)行交互控制。電池管理系統、儲能雙向變流器將數據通過(guò)Ｍｏｄｂｕｓ－傳輸控制協(xié)議供通信前置機請求。

圖４儲能電站儲能子系統內部通信架構

4.系統設計

用戶(hù)側儲能電站能量管理系統采用客戶(hù)機／服務(wù)器架構及分層思路設計，基于面向服務(wù)架構設計模式進(jìn)行設計。系統特點(diǎn)是根據系統內部功能模塊自身特點(diǎn)封裝成獨立運行的服務(wù)，使模塊之間依賴(lài)關(guān)系變得松散耦合，從而降低系統設計難度，方便新模塊嵌入，提*系統的可維護性、可擴展性及穩定性。系統按照層次功能進(jìn)行組織，表示層建立在業(yè)務(wù)邏輯層之上，業(yè)務(wù)邏輯層提供相應的功能接口供表示層使用。用戶(hù)側儲能電站能量管理系統架構如圖５所示，主要分為四層：數據層、基礎服務(wù)層、業(yè)務(wù)邏輯層、表示層。

數據層負責與歷史庫和實(shí)時(shí)庫進(jìn)行交互，提供相應的數據庫接口，供業(yè)務(wù)邏輯層訪(fǎng)問(wèn)使用?；A服務(wù)層提供公共服務(wù)功能，同時(shí)開(kāi)放訪(fǎng)問(wèn)接口，以便業(yè)務(wù)邏輯層及表示層各應用模塊調用?；A服務(wù)層主要包括消息總線(xiàn)、權限管理、日志模塊、服務(wù)總線(xiàn)。

業(yè)務(wù)邏輯層負責數據交互及整個(gè)系統的協(xié)調運行，包含收益計算服務(wù)、預測服務(wù)、能量管理服務(wù)、協(xié)議通信服務(wù)、數據轉發(fā)服務(wù)、故障記錄與反演等服務(wù)模塊。每個(gè)服務(wù)模塊獨立運行，互不干擾，運行產(chǎn)生的處理結果供表示層及數據層使用。表示層負責人機交互，提供可視化界面，以便用戶(hù)操作和使用。表示層包括實(shí)時(shí)監控、數據查詢(xún)、統計報表、輔助圖表設置、參數配置等功能。

5.系統功能

用戶(hù)側儲能電站能量管理系統主要包括通用功能模塊、服務(wù)功能模塊、應用功能模塊三部分，三者之間相互支持與配合，提供系統對儲能設備的實(shí)時(shí)監控、調度管理、故障報警等功能。用戶(hù)側儲能電站能量管理系統功能如圖６所示。

圖５用戶(hù)側儲能電站能量管理系統架構

圖６用戶(hù)側儲能電站能量管理系統功能

5.1應用功能模塊

（１）實(shí)時(shí)監控。用戶(hù)可以查看界面所顯示的儲能設備各類(lèi)實(shí)時(shí)數據，包括遙測、遙信、遙脈等。界面可以分為顯示儲能電站接線(xiàn)圖的主界面和顯示各設備詳細數據信息的二級界面。系統可以循環(huán)顯示報警和故障事件，包括遙測數據越限、遙信變位、通信狀態(tài)、設備運行狀況等。

（２）數據查詢(xún)。包括實(shí)時(shí)數據查詢(xún)、歷史數據查詢(xún)、歷史事件查詢(xún)等功能，可以隨時(shí)查看設備運行情況及發(fā)生的故障、產(chǎn)生的報警等事件信息。其中，實(shí)時(shí)數據查詢(xún)界面可查看所有設備的實(shí)時(shí)數據信息，歷史數據查詢(xún)界面可選擇任意時(shí)間點(diǎn)查看所選的數據信息，同時(shí)可將數據導入電子表格。在歷史事件查詢(xún)界面中，可以選擇儲能設備類(lèi)型，也可以輸入相應時(shí)間段對報警及故障信息、操作事件進(jìn)行歷史查詢(xún)，從而對事件進(jìn)行追憶，進(jìn)一步分析儲能設備故障的原因。

（３）統計報表。包括日報表、月報表、年報表，用戶(hù)可保存自定義報表模板，供下次使用。報表的數據可以在線(xiàn)查看，也可以導入電子表格。

（４）控制命令下發(fā)。包括對可控設備遙調和遙控的操作。遙調指可調數值的下發(fā)，包括設定值和保護值。遙控指控制開(kāi)關(guān)、斷路器、刀開(kāi)關(guān)的分合。對可控設備遙調、遙控操作需嚴格執行用戶(hù)的權限管理，同時(shí)記錄相應的操作事件。

（５）參數配置。包括系統參數設置、計算量設置、越限參數設置、通信參數設置、廠(chǎng)站參數設置、能量管理設置等。

（６）輔助圖表設置。包括當前電價(jià)設置、歷史充放電量設置、當日天氣設置、實(shí)時(shí)發(fā)電量設置、歷史累計發(fā)電量設置、節能減排設置、收益設置等。

5.2服務(wù)功能模塊

（１）預測服務(wù)。分為２ｈ超短期預測和２４ｈ短期預測，采用反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，以發(fā)電設備和用電設備的１２ｄ歷史數據為輸入，結合天氣情況給出相應的預測數據。

（２）轉發(fā)服務(wù)。提供相應的數據轉發(fā)接口，實(shí)現與分布式公司綜合能源管理平臺的對接。５ｍｉｎ定時(shí)將本地所有實(shí)時(shí)數據通過(guò)消息隊列遙測傳輸協(xié)議發(fā)布至分布式公司綜合能源管理平臺，供分布式公司綜合能源管理平臺查詢(xún)與分析。

（３）能量管理服務(wù)。根據用戶(hù)的用能需求，可定制多種運行策略。目前系統能量管理策略有削峰填谷、負荷跟隨、功率分配、動(dòng)態(tài)需量、電池保護。

（４）協(xié)議通信服務(wù)。實(shí)現通信多通道建立和管理，包括數據采集、處理、下發(fā)，并支持電力行業(yè)通用標準規約，如Ｍｏｄｂｕｓ傳輸控制協(xié)議、ＩＥＣ８７０－５－１０４通信協(xié)議等。

（５）收益計算服務(wù)?？膳渲孟募竞头窍募倦妰r(jià)，依據時(shí)段電價(jià)，實(shí)現發(fā)電側設備及用電側設備的收益計算，并統計系統總收益。

（６）故障記錄與反演。通過(guò)觸發(fā)事件記錄，如遙測越限、遙信變位，保存設定時(shí)間范圍內的實(shí)時(shí)穩態(tài)數據斷面，如事故*１０ｓ與事故后１０ｓ。用戶(hù)可以進(jìn)行推演查詢(xún)，觀(guān)察設備故障的原因。

5.3通用功能模塊

（１）服務(wù)總線(xiàn)?？蓪Ψ?wù)總線(xiàn)上新的服務(wù)進(jìn)行封裝和注冊，同時(shí)可對服務(wù)進(jìn)行監控與管理。當服務(wù)出現故障或不在線(xiàn)時(shí)，服務(wù)總線(xiàn)可對服務(wù)進(jìn)行重置，確保系統安全有效運行。

（２）消息總線(xiàn)?；谑录南⒖偩€(xiàn)可按照發(fā)布與訂閱模式發(fā)送及接收服務(wù)功能模塊的消息，并以接口的形式提供給應用功能模塊。消息總線(xiàn)可以傳輸遙測數據、遙信變位、控制指令等各類(lèi)事件。

（３）日志模塊。負責各功能模塊運行日志的顯示與記錄，可以查詢(xún)任意時(shí)間范圍內的日志信息，以便系統管理員分析故障原因。

（４）權限管理。根據用戶(hù)的不同職能，分配相關(guān)的系統權限。系統的權限主體按照層次劃分包括角色、用戶(hù)、組三種。登錄系統時(shí)，所有人員需進(jìn)行身份認證，不同的人員操作權限不同。

６系統策略

用戶(hù)側儲能電站能量管理系統策略主要包括削峰填谷、負荷跟隨、功率分配、動(dòng)態(tài)需量、電池保護。

（１）削峰填谷。根據當地夏季和非夏季峰平谷電價(jià)，結合儲能雙向變流器自身充放電能力進(jìn)行設置。處于電價(jià)低谷，電池充電，處于電價(jià)高峰，電池放電，從而利用峰谷電價(jià)實(shí)現峰谷獲利。在電池性能允許的情況下，為盡快收回成本，也可平價(jià)充電，即非夏季采用兩充兩放，夏季采用三充三放。

（２）負荷跟隨。負荷跟隨指儲能系統放電功率跟隨儲能系統負載功率變化而變化。此外，可以獲取儲能并網(wǎng)電表的有功功率，計算得到負載功率而進(jìn)行負荷跟隨。負荷跟隨時(shí)，需要保證負載功率采集速率及儲能雙向變流器響應的實(shí)時(shí)性，控制周期為毫秒級。

（３）功率分配。根據儲能子系統當前的充放電能力及儲能系統功率需求，確定每個(gè)儲能子系統所分配的功率。功率分配可保證每個(gè)儲能子系統平均出力，協(xié)調運行，同時(shí)使每個(gè)儲能子系統保持剩余電量一致，從而提高儲能系統效率，延長(cháng)儲能系統使用壽命。

（４）動(dòng)態(tài)需量。每１５ｍｉｎ動(dòng)態(tài)監測儲能系統進(jìn)線(xiàn)功率，以*大值為計算動(dòng)態(tài)需量。通過(guò)動(dòng)態(tài)需量策略，可以確保儲能系統充電使用電量不超過(guò)需量值。動(dòng)態(tài)需量每月２５日１０時(shí)進(jìn)行重置。

（５）電池保護。根據電池剩余電量狀態(tài)進(jìn)行判斷，避免電池過(guò)充及過(guò)放。當剩余電量較低時(shí)，限制儲能子系統的放電功率。當剩余電量較高時(shí)，限制儲能子系統的充電功率。通過(guò)電池保護策略，使各儲能子系統的電量保持在同一水平，延長(cháng)儲能子系統的使用壽命，保證儲能電站長(cháng)期穩定運行。

6.Acrel-2000ES儲能能量管理系統

6.1平臺概述

安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統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。在高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、備用電源等控制功能。既可以用于儲能一體柜,也可以用于儲能集裝箱,是專(zhuān)門(mén)用于設備管理的一套軟件系統平臺。

6.2系統結構圖

6.3系統功能

6.3.1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。

6.3.2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。

6.3.2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。

6.3.3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。

6.3.4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。

6.3.5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。

6.3.6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)。

6.3.7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。

6.4相關(guān)平臺部署硬件選型清單

7.結論

筆者設計了一種用戶(hù)側儲能電站能量管理系統，具備實(shí)時(shí)監控、收益計算、數據查詢(xún)、統計報表、控制命令下發(fā)等功能，采用削峰填谷、負荷跟隨、動(dòng)態(tài)需量、電池保護等策略，目前已在多個(gè)儲能電站安全穩定運行。海立電器西廠(chǎng)項目用戶(hù)側儲能電站能量管理系統運行界面如圖７所示。這一系統已達到行業(yè)內相關(guān)標準和技術(shù)要求，提高了儲能電站的運行效率和管理能力，取得了很好的經(jīng)濟收益和社會(huì )效益。

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