淺談用戶側儲能電站能量管理係統的設計

hth下载地址 陳聰

【摘要】：在分析儲(chu) 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側(ce) 儲(chu) 能電站能量管理係統。介紹了這一係統的軟件架構、應用功能模塊、服務功能模塊和通用功能模塊，並論述了削峰填穀、負荷跟隨、功率分配、動態需量、電池保護等這一係統的能量管理策略。

【關(guan) 鍵詞】：電站；能量；管理；設計

1.設計背景

儲(chu) 能技術對新能源產(chan) 業(ye) 的發展具有重要影響，應用儲(chu) 能技術可以有效解決(jue) 新能源發電的波動性和隨機性，從(cong) 而使低密度、間歇性的可再生能源得以*效應用。儲(chu) 能係統是電力係統的重要組成及關(guan) 鍵支撐，目前已廣泛應用於(yu) 電力係統中的多個(ge) 環節，主要包括發電側(ce) 、電網側(ce) 、用戶側(ce) 。筆者設計了一種用戶側(ce) 儲(chu) 能電站能量管理係統，可以實現對整個(ge) 儲(chu) 能係統運行狀態及運行數據的實時監測，確保係統安全運行、穩定可靠，同時能夠有效實現削峰填穀、需求側(ce) 響應、動態需量控製，從(cong) 而提高用戶的電能質量，降低用戶的用電成本。

2.設計需求

用戶側(ce) 儲(chu) 能電站能量管理係統實時采集儲(chu) 能電站的狀態信息、保護信息、開關(guan) 信息、電氣信息，通過能量管理策略對儲(chu) 能電站進行管控，以保證儲(chu) 能電站安全、穩定、有效運行。用戶側(ce) 儲(chu) 能電站能量管理係統的設計需滿足三個(ge) 方麵的要求。

（１）儲(chu) 能電站監控設備多，設備信息量大。儲(chu) 能電站除了常規的供配電設備，如並網開關(guan) 、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(chu) 能雙向變流器、電池管理係統的數據進行采集。由多個(ge) 電池單體(ti) 並聯組成一個(ge) 電池模組，多個(ge) 電池模組串聯組成一個(ge) 電池簇，多個(ge) 電池簇並聯形成電池堆。對於(yu) １ＭＷ儲(chu) 能電站，係統除采集電池堆和各電池簇電流、電壓、溫度、狀態、報警、保護、剩餘(yu) 電量等信息外，還要采集８０００～１００００個(ge) 單體(ti) 電池信息，主要包括各單體(ti) 電池的電壓、溫度、剩餘(yu) 電量、健康度等。係統的數據量大，接入設備多，對於(yu) 性能和通信網絡的組建具有較*的要求。

（２）係統的響應速度要求快，控製策略複雜。儲(chu) 能電站雙向變流器的啟動、停止與(yu) 各個(ge) 工況的切換需要在幾百毫秒甚至幾十毫秒內(nei) 做出響應，監控係統從(cong) 通信指令下發到儲(chu) 能雙向變流器執行指令返回，時間很短。能量管理策略需要通過實時采集的數據信息做出判斷，並及時進行響應。

（３）儲(chu) 能電站分層保護。儲(chu) 能電站的保護主要分為(wei) 三層。一層為(wei) 配電保護，是對變壓器和饋線進行的保護。二層為(wei) 儲(chu) 能雙向變流器保護，是對儲(chu) 能各子係統進行的保護。三層為(wei) 電池管理係統保護，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(chu) 能電站概況

3.1電氣結構

以上海海立電器西廠項目為(wei) 例，海立電器西廠安裝一套１ＭＷ、３．５ＭＷｈ磷酸鐵鋰儲(chu) 能電站，共預留兩(liang) 個(ge) １０ｋＶ／４００Ｖ配電站，每段４００Ｖ母線預留儲(chu) 能子係統接入。每個(ge) 配電站１０ｋＶ側(ce) 采用雙電源獨立供電，供電方式為(wei) 電網接入。儲(chu) 能電站采用儲(chu) 能子係統配置方案，共分為(wei) 兩(liang) 個(ge) 儲(chu) 能子係統，每個(ge) 儲(chu) 能子係統的容量為(wei) ０．５ＭＷ、１.７５ＭＷｈ。儲(chu) 能子係統采用１１．８ｍ×２．１３ｍ×２．１８ｍ集裝箱集成方式，通過低壓配電房兩(liang) 個(ge) 儲(chu) 能並網櫃４００Ｖ低壓接入。海立電器西廠儲(chu) 能電站電氣結構如圖１所示。

儲(chu) 能子係統包含電池及電池架、電池管理係統、儲(chu) 能雙向變流器、溫控係統、動環監控係統、二次係統配電、電池組匯流、照明係統等部分，其架構如圖２所示。

圖１儲(chu) 能電站電氣結構

圖２儲(chu) 能子係統架構

3.2通信架構

以海立電器西廠項目為(wei) 例，儲(chu) 能電站通信架構分為(wei) 四層：運維平台、監控與(yu) 策略層、通信組網層、設備層。運維平台指分布式公司綜合能源管理平台，負責收集、處理、分析各儲(chu) 能電站和光伏電站的信息與(yu) 數據。監控與(yu) 策略層由通信前置機、本地監控工作站、視頻監控工作站、數據服務器、打印機組成，負責本地實時數據監控和存儲(chu) 、曆史信息查詢、故障記錄與(yu) 推演、電價(jia) 收益、能量管理策略執行、報表打印等功能。通信組網層由光電交換機、通信管理機、輸入輸出模塊、視頻刻錄機、無線路由器等組成，負責設備層數據信息的集成與(yu) 傳(chuan) 輸。設備層由各通信設備組成，主要包括並網電表、進線電表、並網開關(guan) 、箱變測控、微機保護、空調、消防、門禁、水浸、攝像頭等設備。

海立電器西廠儲(chu) 能電站通信架構如圖３所示。

圖３儲(chu) 能電站通信架構

每個(ge) 儲(chu) 能子係統共安裝兩(liang) 個(ge) 攝像頭，通過網線連接至視頻刻錄機的有源以太網接口。視頻刻錄機采集、存儲(chu) 攝像頭的視頻數據，並將視頻數據傳(chuan) 輸至視頻監控係統。通信管理機主要接入四路ＲＳ４８５串行通信總線信號，包括儲(chu) 能子係統中門禁、消防、水浸三個(ge) 幹接點信號，以及並網開關(guan) 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ＩＥＣ８７０－５－１０４通信協議將數據轉發至本地監控工作站。箱變測控可采集微機保護的ＲＳ４８５串行通信總線信號，並通過ＩＥＣ８７０－５－１０４通信協議將數據整合轉發至本地監控工作站。通信前置機負責采集能量管理策略所需的儲(chu) 能雙向變流器、電池管理係統、電表數據，並通過策略運行的結果控製儲(chu) 能子係統的充放電，同時將數據通過ＩＥＣ８７０－５－１０４通信協議轉發至本地監控工作站。本地監控工作站負責實時數據、設備監控畫麵和曲線的顯示，曆史數據的查詢、報表打印等功能，並將數據定時存儲(chu) 於(yu) 數據服務器。本地監控工作站通過消息隊列遙測傳(chuan) 輸協議將所有數據發送至運維平台。海立電器西廠儲(chu) 能電站儲(chu) 能子係統內(nei) 部通信架構如圖４所示。通過２５０ｋＷ儲(chu) 能雙向變流器，控製由六個(ge) 電池簇並聯形成的電池堆進行充放電。一個(ge) 電池模組由１２個(ge) 單體(ti) 電池並聯組成，１７個(ge) 電池模組串聯形成一個(ge) 電池簇。每個(ge) 電池模組都配備電池監控單元，負責每個(ge) 電池單體(ti) 的監控信息采集、內(nei) 阻檢測、電池一致性管理等。電池控製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行報警與(yu) 保護。電池管理係統負責實時數據計算、性能分析、故障報警信號處理與(yu) 存儲(chu) 。電池監控單元將所有信息通過控製器局域網絡總線發送至電池控製管理模塊。電池管理係統、儲(chu) 能雙向變流器通過控製器局域網絡總線與(yu) 各個(ge) 電池控製管理模塊進行交互控製。電池管理係統、儲(chu) 能雙向變流器將數據通過Ｍｏｄｂｕｓ－傳(chuan) 輸控製協議供通信前置機請求。

圖４儲(chu) 能電站儲(chu) 能子係統內(nei) 部通信架構

4.係統設計

用戶側(ce) 儲(chu) 能電站能量管理係統采用客戶機／服務器架構及分層思路設計，基於(yu) 麵向服務架構設計模式進行設計。係統特點是根據係統內(nei) 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(guan) 係變得鬆散耦合，從(cong) 而降低係統設計難度，方便新模塊嵌入，提*係統的可維護性、可擴展性及穩定性。係統按照層次功能進行組織，表示層建立在業(ye) 務邏輯層之上，業(ye) 務邏輯層提供相應的功能接口供表示層使用。用戶側(ce) 儲(chu) 能電站能量管理係統架構如圖５所示，主要分為(wei) 四層：數據層、基礎服務層、業(ye) 務邏輯層、表示層。

數據層負責與(yu) 曆史庫和實時庫進行交互，提供相應的數據庫接口，供業(ye) 務邏輯層訪問使用。基礎服務層提供公共服務功能，同時開放訪問接口，以便業(ye) 務邏輯層及表示層各應用模塊調用。基礎服務層主要包括消息總線、權限管理、日誌模塊、服務總線。

業(ye) 務邏輯層負責數據交互及整個(ge) 係統的協調運行，包含收益計算服務、預測服務、能量管理服務、協議通信服務、數據轉發服務、故障記錄與(yu) 反演等服務模塊。每個(ge) 服務模塊獨立運行，互不幹擾，運行產(chan) 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，提供可視化界麵，以便用戶操作和使用。表示層包括實時監控、數據查詢、統計報表、輔助圖表設置、參數配置等功能。

5.係統功能

用戶側(ce) 儲(chu) 能電站能量管理係統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(yu) 配合，提供係統對儲(chu) 能設備的實時監控、調度管理、故障報警等功能。用戶側(ce) 儲(chu) 能電站能量管理係統功能如圖６所示。

圖５用戶側(ce) 儲(chu) 能電站能量管理係統架構

圖６用戶側(ce) 儲(chu) 能電站能量管理係統功能

5.1應用功能模塊

（１）實時監控。用戶可以查看界麵所顯示的儲(chu) 能設備各類實時數據，包括遙測、遙信、遙脈等。界麵可以分為(wei) 顯示儲(chu) 能電站接線圖的主界麵和顯示各設備詳細數據信息的二級界麵。係統可以循環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、設備運行狀況等。

（２）數據查詢。包括實時數據查詢、曆史數據查詢、曆史事件查詢等功能，可以隨時查看設備運行情況及發生的故障、產(chan) 生的報警等事件信息。其中，實時數據查詢界麵可查看所有設備的實時數據信息，曆史數據查詢界麵可選擇任意時間點查看所選的數據信息，同時可將數據導入電子表格。在曆史事件查詢界麵中，可以選擇儲(chu) 能設備類型，也可以輸入相應時間段對報警及故障信息、操作事件進行曆史查詢，從(cong) 而對事件進行追憶，進一步分析儲(chu) 能設備故障的原因。

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

（４）控製命令下發。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，包括設定值和保護值。遙控指控製開關(guan) 、斷路器、刀開關(guan) 的分合。對可控設備遙調、遙控操作需嚴(yan) 格執行用戶的權限管理，同時記錄相應的操作事件。

（５）參數配置。包括係統參數設置、計算量設置、越限參數設置、通信參數設置、廠站參數設置、能量管理設置等。

（６）輔助圖表設置。包括當前電價(jia) 設置、曆史充放電量設置、當日天氣設置、實時發電量設置、曆史累計發電量設置、節能減排設置、收益設置等。

5.2服務功能模塊

（１）預測服務。分為(wei) ２ｈ超短期預測和２４ｈ短期預測，采用反向傳(chuan) 播神經網絡，以發電設備和用電設備的１２ｄ曆史數據為(wei) 輸入，結合天氣情況給出相應的預測數據。

（２）轉發服務。提供相應的數據轉發接口，實現與(yu) 分布式公司綜合能源管理平台的對接。５ｍｉｎ定時將本地所有實時數據通過消息隊列遙測傳(chuan) 輸協議發布至分布式公司綜合能源管理平台，供分布式公司綜合能源管理平台查詢與(yu) 分析。

（３）能量管理服務。根據用戶的用能需求，可定製多種運行策略。目前係統能量管理策略有削峰填穀、負荷跟隨、功率分配、動態需量、電池保護。

（４）協議通信服務。實現通信多通道建立和管理，包括數據采集、處理、下發，並支持電力行業(ye) 通用標準規約，如Ｍｏｄｂｕｓ傳(chuan) 輸控製協議、ＩＥＣ８７０－５－１０４通信協議等。

（５）收益計算服務。可配置夏季和非夏季電價(jia) ，依據時段電價(jia) ，實現發電側(ce) 設備及用電側(ce) 設備的收益計算，並統計係統總收益。

（６）故障記錄與(yu) 反演。通過觸發事件記錄，如遙測越限、遙信變位，保存設定時間範圍內(nei) 的實時穩態數據斷麵，如事故*１０ｓ與(yu) 事故後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。可對服務總線上新的服務進行封裝和注冊(ce) ，同時可對服務進行監控與(yu) 管理。當服務出現故障或不在線時，服務總線可對服務進行重置，確保係統安全有效運行。

（２）消息總線。基於(yu) 事件的消息總線可按照發布與(yu) 訂閱模式發送及接收服務功能模塊的消息，並以接口的形式提供給應用功能模塊。消息總線可以傳(chuan) 輸遙測數據、遙信變位、控製指令等各類事件。

（３）日誌模塊。負責各功能模塊運行日誌的顯示與(yu) 記錄，可以查詢任意時間範圍內(nei) 的日誌信息，以便係統管理員分析故障原因。

（４）權限管理。根據用戶的不同職能，分配相關(guan) 的係統權限。係統的權限主體(ti) 按照層次劃分包括角色、用戶、組三種。登錄係統時，所有人員需進行身份認證，不同的人員操作權限不同。

６係統策略

用戶側(ce) 儲(chu) 能電站能量管理係統策略主要包括削峰填穀、負荷跟隨、功率分配、動態需量、電池保護。

（１）削峰填穀。根據當地夏季和非夏季峰平穀電價(jia) ，結合儲(chu) 能雙向變流器自身充放電能力進行設置。處於(yu) 電價(jia) 低穀，電池充電，處於(yu) 電價(jia) 高峰，電池放電，從(cong) 而利用峰穀電價(jia) 實現峰穀獲利。在電池性能允許的情況下，為(wei) 盡快收回成本，也可平價(jia) 充電，即非夏季采用兩(liang) 充兩(liang) 放，夏季采用三充三放。

（２）負荷跟隨。負荷跟隨指儲(chu) 能係統放電功率跟隨儲(chu) 能係統負載功率變化而變化。此外，可以獲取儲(chu) 能並網電表的有功功率，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(chu) 能雙向變流器響應的實時性，控製周期為(wei) 毫秒級。

（３）功率分配。根據儲(chu) 能子係統當前的充放電能力及儲(chu) 能係統功率需求，確定每個(ge) 儲(chu) 能子係統所分配的功率。功率分配可保證每個(ge) 儲(chu) 能子係統平均出力，協調運行，同時使每個(ge) 儲(chu) 能子係統保持剩餘(yu) 電量一致，從(cong) 而提高儲(chu) 能係統效率，延長儲(chu) 能係統使用壽命。

（４）動態需量。每１５ｍｉｎ動態監測儲(chu) 能係統進線功率，以*大值為(wei) 計算動態需量。通過動態需量策略，可以確保儲(chu) 能係統充電使用電量不超過需量值。動態需量每月２５日１０時進行重置。

（５）電池保護。根據電池剩餘(yu) 電量狀態進行判斷，避免電池過充及過放。當剩餘(yu) 電量較低時，限製儲(chu) 能子係統的放電功率。當剩餘(yu) 電量較高時，限製儲(chu) 能子係統的充電功率。通過電池保護策略，使各儲(chu) 能子係統的電量保持在同一水平，延長儲(chu) 能子係統的使用壽命，保證儲(chu) 能電站長期穩定運行。

6.Acrel-2000ES儲(chu) 能能量管理係統

6.1平台概述

hth下载地址Acrel-2000ES儲(chu) 能能量管理係統具有完善的儲(chu) 能監控與(yu) 管理功能,涵蓋了儲(chu) 能係統設備(PCS、BMS、電表、消防、空調等)的詳細信息,實現了數據采集、數據處理、數據存儲(chu) 、數據查詢與(yu) 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、削峰填穀、需量控製、備用電源等控製功能。既可以用於(yu) 儲(chu) 能一體(ti) 櫃,也可以用於(yu) 儲(chu) 能集裝箱,是專(zhuan) 門用於(yu) 設備管理的一套軟件係統平台。

6.2係統結構圖

6.3係統功能

6.3.1實時監測

係統人機界麵友好，能夠顯示儲(chu) 能櫃的運行狀態，實時監測PCS、BMS以及環境參數信息，如電參量、溫度、濕度等。實時顯示有關(guan) 故障、告警、收益等信息。

6.3.2設備監控

係統能夠實時監測PCS、BMS、電表、空調、消防、除濕機等設備的運行狀態及運行模式。

PCS監控：滿足儲(chu) 能變流器的參數與(yu) 限值設置；運行模式設置；實現儲(chu) 能變流器交直流側(ce) 電壓、電流、功率及充放電量參數的采集與(yu) 展示；實現PCS通訊狀態、啟停狀態、開關(guan) 狀態、異常告警等狀態監測。

BMS監控：滿足電池管理係統的參數與(yu) 限值設置；實現儲(chu) 能電池的電芯、電池簇的溫度、電壓、電流的監測；實現電池充放電狀態、電壓、電流及溫度異常狀態的告警。

空調監控：滿足環境溫度的監測，可根據設置的閾值進行空調溫度的聯動調節，並實時監測空調的運行狀態及溫濕度數據，以曲線形式進行展示。

UPS監控：滿足UPS的運行狀態及相關(guan) 電參量監測。

6.3.2曲線報表

係統能夠對PCS充放電功率曲線、SOC變換曲線、及電壓、電流、溫度等曆史曲線的查詢與(yu) 展示。

6.3.3策略配置

滿足儲(chu) 能係統設備參數的配置、電價(jia) 參數與(yu) 時段的設置、控製策略的選擇。目前支持的控製策略包含計劃曲線、削峰填穀、需量控製等。

6.3.4實時報警

儲(chu) 能能量管理係統具有實時告警功能，係統能夠對儲(chu) 能充放電越限、溫度越限、設備故障或通信故障等事件發出告警。

6.3.5事件查詢統計

儲(chu) 能能量管理係統能夠對遙信變位，溫濕度、電壓越限等事件記錄進行存儲(chu) 和管理，方便用戶對係統事件和報警進行曆史追溯，查詢統計、事故分析。

6.3.6遙控操作

可以通過每個(ge) 設備下麵的紅色按鈕對PCS、風機、除濕機、空調控製器、照明等設備進行相應的控製，但是當設備未通信上時，控製按鈕會(hui) 顯示無效狀態。

6.3.7用戶權限管理

儲(chu) 能能量管理係統為(wei) 保障係統安全穩定運行，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授權的操作（如遙控的操作，數據庫修改等）。可以定義(yi) 不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為(wei) 係統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

6.4相關平台部署硬件選型清單

7.結論

筆者設計了一種用戶側(ce) 儲(chu) 能電站能量管理係統，具備實時監控、收益計算、數據查詢、統計報表、控製命令下發等功能，采用削峰填穀、負荷跟隨、動態需量、電池保護等策略，目前已在多個(ge) 儲(chu) 能電站安全穩定運行。海立電器西廠項目用戶側(ce) 儲(chu) 能電站能量管理係統運行界麵如圖７所示。這一係統已達到行業(ye) 內(nei) 相關(guan) 標準和技術要求，提高了儲(chu) 能電站的運行效率和管理能力，取得了很好的經濟收益和社會(hui) 效益。

參考文獻

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