淺談用戶側儲能電站能量管理系統(tǒng)的設計

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(jù)需求設計了一種用戶側儲能電站能量管理系統(tǒng)。介紹了這一系統(tǒng)的軟件架構、應用功能模塊、服務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、動態(tài)需量、電池保護等這一系統(tǒng)的能量管理策略。

【關鍵詞】：電站；能量；管理；設計

1.設計背景

儲能技術對新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要影響，應用儲能技術可以有效解決新能源發(fā)電的波動性和隨機性，從而使低密度、間歇性的可再生能源得以*效應用。儲能系統(tǒng)是電力系統(tǒng)的重要組成及關鍵支撐，目前已廣泛應用于電力系統(tǒng)中的多個環(huán)節(jié)，主要包括發(fā)電側、電網(wǎng)側、用戶側。筆者設計了一種用戶側儲能電站能量管理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對整個儲能系統(tǒng)運行狀態(tài)及運行數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，確保系統(tǒng)安全運行、穩(wěn)定可靠，同時能夠有效實現(xiàn)削峰填谷、需求側響應、動態(tài)需量控制，從而提高用戶的電能質(zhì)量，降低用戶的用電成本。

2.設計需求

用戶側儲能電站能量管理系統(tǒng)實時采集儲能電站的狀態(tài)信息、保護信息、開關信息、電氣信息，通過能量管理策略對儲能電站進行管控，以保證儲能電站安全、穩(wěn)定、有效運行。用戶側儲能電站能量管理系統(tǒng)的設計需滿足三個方面的要求。

（１）儲能電站監(jiān)控設備多，設備信息量大。儲能電站除了常規(guī)的供配電設備，如并網(wǎng)開關、箱變測控、微機保護、電表、空調(diào)、消防等需要監(jiān)控外，還需要對儲能雙向變流器、電池管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行采集。由多個電池單體并聯(lián)組成一個電池模組，多個電池模組串聯(lián)組成一個電池簇，多個電池簇并聯(lián)形成電池堆。對于１ＭＷ儲能電站，系統(tǒng)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(tǒng)的數(shù)據(jù)量大，接入設備多，對于性能和通信網(wǎng)絡的組建具有較*的要求。

（２）系統(tǒng)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、停止與各個工況的切換需要在幾百毫秒甚至幾十毫秒內(nèi)做出響應，監(jiān)控系統(tǒng)從通信指令下發(fā)到儲能雙向變流器執(zhí)行指令返回，時間很短。能量管理策略需要通過實時采集的數(shù)據(jù)信息做出判斷，并及時進行響應。

（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，是對變壓器和饋線進行的保護。二層為儲能雙向變流器保護，是對儲能各子系統(tǒng)進行的保護。三層為電池管理系統(tǒng)保護，在電池過充、過放、過溫等情況下斷開主回路，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項目為例，海立電器西廠安裝一套１ＭＷ、３．５ＭＷｈ磷酸鐵鋰儲能電站，共預留兩個１０ｋＶ／４００Ｖ配電站，每段４００Ｖ母線預留儲能子系統(tǒng)接入。每個配電站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(tǒng)配置方案，共分為兩個儲能子系統(tǒng)，每個儲能子系統(tǒng)的容量為０．５ＭＷ、１.７５ＭＷｈ。儲能子系統(tǒng)采用１１．８ｍ×２．１３ｍ×２．１８ｍ集裝箱集成方式，通過低壓配電房兩個儲能并網(wǎng)柜４００Ｖ低壓接入。海立電器西廠儲能電站電氣結構如圖１所示。

儲能子系統(tǒng)包含電池及電池架、電池管理系統(tǒng)、儲能雙向變流器、溫控系統(tǒng)、動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)、二次系統(tǒng)配電、電池組匯流、照明系統(tǒng)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(tǒng)架構

3.2通信架構

以海立電器西廠項目為例，儲能電站通信架構分為四層：運維平臺、監(jiān)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(shù)據(jù)。監(jiān)控與策略層由通信前置機、本地監(jiān)控工作站、視頻監(jiān)控工作站、數(shù)據(jù)服務器、打印機組成，負責本地實時數(shù)據(jù)監(jiān)控和存儲、歷史信息查詢、故障記錄與推演、電價收益、能量管理策略執(zhí)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、無線路由器等組成，負責設備層數(shù)據(jù)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、進線電表、并網(wǎng)開關、箱變測控、微機保護、空調(diào)、消防、門禁、水浸、攝像頭等設備。

海立電器西廠儲能電站通信架構如圖３所示。

圖３儲能電站通信架構

每個儲能子系統(tǒng)共安裝兩個攝像頭，通過網(wǎng)線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(shù)據(jù)，并將視頻數(shù)據(jù)傳輸至視頻監(jiān)控系統(tǒng)。通信管理機主要接入四路ＲＳ４８５串行通信總線信號，包括儲能子系統(tǒng)中門禁、消防、水浸三個干接點信號，以及并網(wǎng)開關信號、空調(diào)信號、不間斷電源信號。通信管理機接入光電交換機，通過ＩＥＣ８７０－５－１０４通信協(xié)議將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至本地監(jiān)控工作站。箱變測控可采集微機保護的ＲＳ４８５串行通信總線信號，并通過ＩＥＣ８７０－５－１０４通信協(xié)議將數(shù)據(jù)整合轉(zhuǎn)發(fā)至本地監(jiān)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(tǒng)、電表數(shù)據(jù)，并通過策略運行的結果控制儲能子系統(tǒng)的充放電，同時將數(shù)據(jù)通過ＩＥＣ８７０－５－１０４通信協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)至本地監(jiān)控工作站。本地監(jiān)控工作站負責實時數(shù)據(jù)、設備監(jiān)控畫面和曲線的顯示，歷史數(shù)據(jù)的查詢、報表打印等功能，并將數(shù)據(jù)定時存儲于數(shù)據(jù)服務器。本地監(jiān)控工作站通過消息隊列遙測傳輸協(xié)議將所有數(shù)據(jù)發(fā)送至運維平臺。海立電器西廠儲能電站儲能子系統(tǒng)內(nèi)部通信架構如圖４所示。通過２５０ｋＷ儲能雙向變流器，控制由六個電池簇并聯(lián)形成的電池堆進行充放電。一個電池模組由１２個單體電池并聯(lián)組成，１７個電池模組串聯(lián)形成一個電池簇。每個電池模組都配備電池監(jiān)控單元，負責每個電池單體的監(jiān)控信息采集、內(nèi)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(xiàn)的異常進行報警與保護。電池管理系統(tǒng)負責實時數(shù)據(jù)計算、性能分析、故障報警信號處理與存儲。電池監(jiān)控單元將所有信息通過控制器局域網(wǎng)絡總線發(fā)送至電池控制管理模塊。電池管理系統(tǒng)、儲能雙向變流器通過控制器局域網(wǎng)絡總線與各個電池控制管理模塊進行交互控制。電池管理系統(tǒng)、儲能雙向變流器將數(shù)據(jù)通過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(tǒng)內(nèi)部通信架構

4.系統(tǒng)設計

用戶側儲能電站能量管理系統(tǒng)采用客戶機／服務器架構及分層思路設計，基于面向服務架構設計模式進行設計。系統(tǒng)特點是根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部功能模塊自身特點封裝成獨立運行的服務，使模塊之間依賴關系變得松散耦合，從而降低系統(tǒng)設計難度，方便新模塊嵌入，提*系統(tǒng)的可維護性、可擴展性及穩(wěn)定性。系統(tǒng)按照層次功能進行組織，表示層建立在業(yè)務邏輯層之上，業(yè)務邏輯層提供相應的功能接口供表示層使用。用戶側儲能電站能量管理系統(tǒng)架構如圖５所示，主要分為四層：數(shù)據(jù)層、基礎服務層、業(yè)務邏輯層、表示層。

數(shù)據(jù)層負責與歷史庫和實時庫進行交互，提供相應的數(shù)據(jù)庫接口，供業(yè)務邏輯層訪問使用?；A服務層提供公共服務功能，同時開放訪問接口，以便業(yè)務邏輯層及表示層各應用模塊調(diào)用?；A服務層主要包括消息總線、權限管理、日志模塊、服務總線。

業(yè)務邏輯層負責數(shù)據(jù)交互及整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行，包含收益計算服務、預測服務、能量管理服務、協(xié)議通信服務、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務、故障記錄與反演等服務模塊。每個服務模塊獨立運行，互不干擾，運行產(chǎn)生的處理結果供表示層及數(shù)據(jù)層使用。表示層負責人機交互，提供可視化界面，以便用戶操作和使用。表示層包括實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計報表、輔助圖表設置、參數(shù)配置等功能。

5.系統(tǒng)功能

用戶側儲能電站能量管理系統(tǒng)主要包括通用功能模塊、服務功能模塊、應用功能模塊三部分，三者之間相互支持與配合，提供系統(tǒng)對儲能設備的實時監(jiān)控、調(diào)度管理、故障報警等功能。用戶側儲能電站能量管理系統(tǒng)功能如圖６所示。

圖５用戶側儲能電站能量管理系統(tǒng)架構

圖６用戶側儲能電站能量管理系統(tǒng)功能

5.1應用功能模塊

（１）實時監(jiān)控。用戶可以查看界面所顯示的儲能設備各類實時數(shù)據(jù)，包括遙測、遙信、遙脈等。界面可以分為顯示儲能電站接線圖的主界面和顯示各設備詳細數(shù)據(jù)信息的二級界面。系統(tǒng)可以循環(huán)顯示報警和故障事件，包括遙測數(shù)據(jù)越限、遙信變位、通信狀態(tài)、設備運行狀況等。

（２）數(shù)據(jù)查詢。包括實時數(shù)據(jù)查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢、歷史事件查詢等功能，可以隨時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，實時數(shù)據(jù)查詢界面可查看所有設備的實時數(shù)據(jù)信息，歷史數(shù)據(jù)查詢界面可選擇任意時間點查看所選的數(shù)據(jù)信息，同時可將數(shù)據(jù)導入電子表格。在歷史事件查詢界面中，可以選擇儲能設備類型，也可以輸入相應時間段對報警及故障信息、操作事件進行歷史查詢，從而對事件進行追憶，進一步分析儲能設備故障的原因。

（３）統(tǒng)計報表。包括日報表、月報表、年報表，用戶可保存自定義報表模板，供下次使用。報表的數(shù)據(jù)可以在線查看，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(diào)和遙控的操作。遙調(diào)指可調(diào)數(shù)值的下發(fā)，包括設定值和保護值。遙控指控制開關、斷路器、刀開關的分合。對可控設備遙調(diào)、遙控操作需嚴格執(zhí)行用戶的權限管理，同時記錄相應的操作事件。

（５）參數(shù)配置。包括系統(tǒng)參數(shù)設置、計算量設置、越限參數(shù)設置、通信參數(shù)設置、廠站參數(shù)設置、能量管理設置等。

（６）輔助圖表設置。包括當前電價設置、歷史充放電量設置、當日天氣設置、實時發(fā)電量設置、歷史累計發(fā)電量設置、節(jié)能減排設置、收益設置等。

5.2服務功能模塊

（１）預測服務。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，以發(fā)電設備和用電設備的１２ｄ歷史數(shù)據(jù)為輸入，結合天氣情況給出相應的預測數(shù)據(jù)。

（２）轉(zhuǎn)發(fā)服務。提供相應的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)接口，實現(xiàn)與分布式公司綜合能源管理平臺的對接。５ｍｉｎ定時將本地所有實時數(shù)據(jù)通過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與分析。

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

（４）協(xié)議通信服務。實現(xiàn)通信多通道建立和管理，包括數(shù)據(jù)采集、處理、下發(fā)，并支持電力行業(yè)通用標準規(guī)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。可配置夏季和非夏季電價，依據(jù)時段電價，實現(xiàn)發(fā)電側設備及用電側設備的收益計算，并統(tǒng)計系統(tǒng)總收益。

（６）故障記錄與反演。通過觸發(fā)事件記錄，如遙測越限、遙信變位，保存設定時間范圍內(nèi)的實時穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)斷面，如事故*１０ｓ與事故后１０ｓ。用戶可以進行推演查詢，觀察設備故障的原因。

5.3通用功能模塊

（１）服務總線?？蓪Ψ湛偩€上新的服務進行封裝和注冊，同時可對服務進行監(jiān)控與管理。當服務出現(xiàn)故障或不在線時，服務總線可對服務進行重置，確保系統(tǒng)安全有效運行。

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

（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?nèi)我鈺r間范圍內(nèi)的日志信息，以便系統(tǒng)管理員分析故障原因。

（４）權限管理。根據(jù)用戶的不同職能，分配相關的系統(tǒng)權限。系統(tǒng)的權限主體按照層次劃分包括角色、用戶、組三種。登錄系統(tǒng)時，所有人員需進行身份認證，不同的人員操作權限不同。

６系統(tǒng)策略

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

（１）削峰填谷。根據(jù)當?shù)叵募竞头窍募痉迤焦入妰r，結合儲能雙向變流器自身充放電能力進行設置。處于電價低谷，電池充電，處于電價高峰，電池放電，從而利用峰谷電價實現(xiàn)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(tǒng)放電功率跟隨儲能系統(tǒng)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行負荷跟隨。負荷跟隨時，需要保證負載功率采集速率及儲能雙向變流器響應的實時性，控制周期為毫秒級。

（３）功率分配。根據(jù)儲能子系統(tǒng)當前的充放電能力及儲能系統(tǒng)功率需求，確定每個儲能子系統(tǒng)所分配的功率。功率分配可保證每個儲能子系統(tǒng)平均出力，協(xié)調(diào)運行，同時使每個儲能子系統(tǒng)保持剩余電量一致，從而提高儲能系統(tǒng)效率，延長儲能系統(tǒng)使用壽命。

（４）動態(tài)需量。每１５ｍｉｎ動態(tài)監(jiān)測儲能系統(tǒng)進線功率，以*大值為計算動態(tài)需量。通過動態(tài)需量策略，可以確保儲能系統(tǒng)充電使用電量不超過需量值。動態(tài)需量每月２５日１０時進行重置。

（５）電池保護。根據(jù)電池剩余電量狀態(tài)進行判斷，避免電池過充及過放。當剩余電量較低時，限制儲能子系統(tǒng)的放電功率。當剩余電量較高時，限制儲能子系統(tǒng)的充電功率。通過電池保護策略，使各儲能子系統(tǒng)的電量保持在同一水平，延長儲能子系統(tǒng)的使用壽命，保證儲能電站長期穩(wěn)定運行。

6.Acrel-2000ES儲能能量管理系統(tǒng)

6.1平臺概述

安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統(tǒng)具有完善的儲能監(jiān)控與管理功能,涵蓋了儲能系統(tǒng)設備(PCS、BMS、電表、消防、空調(diào)等)的詳細信息,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報警管理、統(tǒng)計報表等功能。在高級應用上支持能量調(diào)度,具備計劃曲線、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,是專門用于設備管理的一套軟件系統(tǒng)平臺。

6.2系統(tǒng)結構圖

6.3系統(tǒng)功能

6.3.1實時監(jiān)測

系統(tǒng)人機界面友好，能夠顯示儲能柜的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測PCS、BMS以及環(huán)境參數(shù)信息，如電參量、溫度、濕度等。實時顯示有關故障、告警、收益等信息。

6.3.2設備監(jiān)控

系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測PCS、BMS、電表、空調(diào)、消防、除濕機等設備的運行狀態(tài)及運行模式。

PCS監(jiān)控：滿足儲能變流器的參數(shù)與限值設置；運行模式設置；實現(xiàn)儲能變流器交直流側電壓、電流、功率及充放電量參數(shù)的采集與展示；實現(xiàn)PCS通訊狀態(tài)、啟停狀態(tài)、開關狀態(tài)、異常告警等狀態(tài)監(jiān)測。

BMS監(jiān)控：滿足電池管理系統(tǒng)的參數(shù)與限值設置；實現(xiàn)儲能電池的電芯、電池簇的溫度、電壓、電流的監(jiān)測；實現(xiàn)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(diào)監(jiān)控：滿足環(huán)境溫度的監(jiān)測，可根據(jù)設置的閾值進行空調(diào)溫度的聯(lián)動調(diào)節(jié)，并實時監(jiān)測空調(diào)的運行狀態(tài)及溫濕度數(shù)據(jù)，以曲線形式進行展示。

UPS監(jiān)控：滿足UPS的運行狀態(tài)及相關電參量監(jiān)測。

6.3.2曲線報表

系統(tǒng)能夠?qū)CS充放電功率曲線、SOC變換曲線、及電壓、電流、溫度等歷史曲線的查詢與展示。

6.3.3策略配置

滿足儲能系統(tǒng)設備參數(shù)的配置、電價參數(shù)與時段的設置、控制策略的選擇。目前支持的控制策略包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制等。

6.3.4實時報警

儲能能量管理系統(tǒng)具有實時告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)δ艹浞烹娫较?、溫度越限、設備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。

6.3.5事件查詢統(tǒng)計

儲能能量管理系統(tǒng)能夠?qū)b信變位，溫濕度、電壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

6.3.6遙控操作

可以通過每個設備下面的紅色按鈕對PCS、風機、除濕機、空調(diào)控制器、照明等設備進行相應的控制，但是當設備未通信上時，控制按鈕會顯示無效狀態(tài)。

6.3.7用戶權限管理

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

6.4相關平臺部署硬件選型清單

7.結論

筆者設計了一種用戶側儲能電站能量管理系統(tǒng)，具備實時監(jiān)控、收益計算、數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計報表、控制命令下發(fā)等功能，采用削峰填谷、負荷跟隨、動態(tài)需量、電池保護等策略，目前已在多個儲能電站安全穩(wěn)定運行。海立電器西廠項目用戶側儲能電站能量管理系統(tǒng)運行界面如圖７所示。這一系統(tǒng)已達到行業(yè)內(nèi)相關標準和技術要求，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)濟收益和社會效益。

參考文獻

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