用戶側(cè)儲能電站能量管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊 杰

上海電氣分布式能源科技有限公司 上海 200070

1 設(shè)計(jì)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(yīng)用儲能技術(shù)可以有效解決新能源發(fā)電的波動性和隨機(jī)性,從而使低密度、間歇性的可再生能源得以高效應(yīng)用[1]。儲能系統(tǒng)是電力系統(tǒng)的重要組成及關(guān)鍵支撐,目前已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的多個(gè)環(huán)節(jié),主要包括發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)[2]。筆者設(shè)計(jì)了一種用戶側(cè)儲能電站能量管理系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)對整個(gè)儲能系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測,確保系統(tǒng)安全運(yùn)行、穩(wěn)定可靠,同時(shí)能夠有效實(shí)現(xiàn)削峰填谷、需求側(cè)響應(yīng)、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(shè)計(jì)需求

用戶側(cè)儲能電站能量管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集儲能電站的狀態(tài)信息、保護(hù)信息、開關(guān)信息、電氣信息,通過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(wěn)定、有效運(yùn)行。用戶側(cè)儲能電站能量管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需滿足三個(gè)方面的要求[3]。

(1) 儲能電站監(jiān)控設(shè)備多,設(shè)備信息量大。儲能電站除了常規(guī)的供配電設(shè)備,如并網(wǎng)開關(guān)、箱變測控、微機(jī)保護(hù)、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(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1 MW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(bào)警、保護(hù)、剩余電量等信息外,還要采集8 000～10 000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(tǒng)的數(shù)據(jù)量大,接入設(shè)備多,對于性能和通信網(wǎng)絡(luò)的組建具有較高的要求[4]。

(2) 系統(tǒng)的響應(yīng)速度要求快,控制策略復(fù)雜。儲能電站雙向變流器的啟動、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(nèi)做出響應(yīng),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(shí)間很短。能量管理策略需要通過實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)信息做出判斷,并及時(shí)進(jìn)行響應(yīng)[5]。

(3) 儲能電站分層保護(hù)。儲能電站的保護(hù)主要分為三層。第一層為配電保護(hù),是對變壓器和饋線進(jìn)行的保護(hù)。第二層為儲能雙向變流器保護(hù),是對儲能各子系統(tǒng)進(jìn)行的保護(hù)。第三層為電池管理系統(tǒng)保護(hù),在電池過充、過放、過溫等情況下斷開主回路,以保護(hù)電池安全[6]。

3 儲能電站概況

3.1 電氣結(jié)構(gòu)

以上海海立電器西廠項(xiàng)目為例,海立電器西廠安裝一套1 MW、3.5 MWh磷酸鐵鋰儲能電站,共預(yù)留兩個(gè)10 kV/400 V配電站,每段400 V母線預(yù)留儲能子系統(tǒng)接入。每個(gè)配電站10 kV側(cè)采用雙電源獨(dú)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(gè)儲能子系統(tǒng),每個(gè)儲能子系統(tǒng)的容量為0.5 MW、1.75 MWh。儲能子系統(tǒng)采用11.8 m×2.13 m×2.18 m集裝箱集成方式,通過低壓配電房兩個(gè)儲能并網(wǎng)柜400 V低壓接入。海立電器西廠儲能電站電氣結(jié)構(gòu)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(gòu)如圖2所示。

圖1 儲能電站電氣結(jié)構(gòu)

3.2 通信架構(gòu)

以海立電器西廠項(xiàng)目為例,儲能電站通信架構(gòu)分為四層:運(yùn)維平臺、監(jiān)控與策略層、通信組網(wǎng)層、設(shè)備層。運(yùn)維平臺指分布式公司綜合能源管理平臺,負(fù)責(zé)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(jī)、本地監(jiān)控工作站、視頻監(jiān)控工作站、數(shù)據(jù)服務(wù)器、打印機(jī)組成,負(fù)責(zé)本地實(shí)時(shí)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(jià)收益、能量管理策略執(zhí)行、報(bào)表打印等功能。通信組網(wǎng)層由光電交換機(jī)、通信管理機(jī)、輸入輸出模塊、視頻刻錄機(jī)、無線路由器等組成,負(fù)責(zé)設(shè)備層數(shù)據(jù)信息的集成與傳輸。設(shè)備層由各通信設(shè)備組成,主要包括并網(wǎng)電表、進(jìn)線電表、并網(wǎng)開關(guān)、箱變測控、微機(jī)保護(hù)、空調(diào)、消防、門禁、水浸、攝像頭等設(shè)備。

圖2 儲能子系統(tǒng)架構(gòu)

海立電器西廠儲能電站通信架構(gòu)如圖3所示。

圖3 儲能電站通信架構(gòu)

每個(gè)儲能子系統(tǒng)共安裝兩個(gè)攝像頭,通過網(wǎng)線連接至視頻刻錄機(jī)的有源以太網(wǎng)接口。視頻刻錄機(jī)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(jī)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(gè)干接點(diǎn)信號,以及并網(wǎng)開關(guān)信號、空調(diào)信號、不間斷電源信號。通信管理機(jī)接入光電交換機(jī),通過IEC 870-5-104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(jī)保護(hù)的RS485串行通信總線信號,并通過IEC 870-5-104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(jī)負(fù)責(zé)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(yùn)行的結(jié)果控制儲能子系統(tǒng)的充放電,同時(shí)將數(shù)據(jù)通過IEC 870-5-104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(fù)責(zé)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、設(shè)備監(jiān)控畫面和曲線的顯示,歷史數(shù)據(jù)的查詢、報(bào)表打印等功能,并將數(shù)據(jù)定時(shí)存儲于數(shù)據(jù)服務(wù)器。本地監(jiān)控工作站通過消息隊(duì)列遙測傳輸協(xié)議將所有數(shù)據(jù)發(fā)送至運(yùn)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(gòu)如圖4所示。通過250 kW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(jiān)控單元,負(fù)責(zé)每個(gè)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(fù)責(zé)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(jìn)行報(bào)警與保護(hù)。電池管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算、性能分析、故障報(bào)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(luò)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(luò)總線與各個(gè)電池控制管理模塊進(jìn)行交互控制。電池管理系統(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(jī)請求。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

用戶側(cè)儲能電站能量管理系統(tǒng)采用客戶機(jī)/服務(wù)器架構(gòu)及分層思路設(shè)計(jì),基于面向服務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)模式進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)特點(diǎn)是根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部功能模塊自身特點(diǎn)封裝成獨(dú)立運(yùn)行的服務(wù),使模塊之間依賴關(guān)系變得松散耦合,從而降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度,方便新模塊嵌入,提高系統(tǒng)的可維護(hù)性、可擴(kuò)展性及穩(wěn)定性[8]。系統(tǒng)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(yīng)的功能接口供表示層使用。

用戶側(cè)儲能電站能量管理系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示,主要分為四層:數(shù)據(jù)層、基礎(chǔ)服務(wù)層、業(yè)務(wù)邏輯層、表示層[9]。

數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)與歷史庫和實(shí)時(shí)庫進(jìn)行交互,提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫接口,供業(yè)務(wù)邏輯層訪問使用。

基礎(chǔ)服務(wù)層提供公共服務(wù)功能,同時(shí)開放訪問接口,以便業(yè)務(wù)邏輯層及表示層各應(yīng)用模塊調(diào)用。基礎(chǔ)服務(wù)層主要包括消息總線、權(quán)限管理、日志模塊、服務(wù)總線。

業(yè)務(wù)邏輯層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)交互及整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行,包含收益計(jì)算服務(wù)、預(yù)測服務(wù)、能量管理服務(wù)、協(xié)議通信服務(wù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(dú)立運(yùn)行,互不干擾,運(yùn)行產(chǎn)生的處理結(jié)果供表示層及數(shù)據(jù)層使用。

表示層負(fù)責(zé)人機(jī)交互,提供可視化界面,以便用戶操作和使用。表示層包括實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、輔助圖表設(shè)置、參數(shù)配置等功能。

5 系統(tǒng)功能

用戶側(cè)儲能電站能量管理系統(tǒng)主要包括通用功能模塊、服務(wù)功能模塊、應(yīng)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(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控、調(diào)度管理、故障報(bào)警等功能[10]。用戶側(cè)儲能電站能量管理系統(tǒng)功能如圖6所示。

圖5 用戶側(cè)儲能電站能量管理系統(tǒng)架構(gòu)

圖6 用戶側(cè)儲能電站能量管理系統(tǒng)功能

5.1 應(yīng)用功能模塊

(1) 實(shí)時(shí)監(jiān)控。用戶可以查看界面所顯示的儲能設(shè)備各類實(shí)時(shí)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(shè)備詳細(xì)數(shù)據(jù)信息的二級界面。系統(tǒng)可以循環(huán)顯示報(bào)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(shè)備運(yùn)行狀況等。

(2) 數(shù)據(jù)查詢。包括實(shí)時(shí)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(shí)查看設(shè)備運(yùn)行情況及發(fā)生的故障、產(chǎn)生的報(bào)警等事件信息。其中,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢界面可查看所有設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息,歷史數(shù)據(jù)查詢界面可選擇任意時(shí)間點(diǎn)查看所選的數(shù)據(jù)信息,同時(shí)可將數(shù)據(jù)導(dǎo)入電子表格。在歷史事件查詢界面中,可以選擇儲能設(shè)備類型,也可以輸入相應(yīng)時(shí)間段對報(bào)警及故障信息、操作事件進(jìn)行歷史查詢,從而對事件進(jìn)行追憶,進(jìn)一步分析儲能設(shè)備故障的原因。

(3) 統(tǒng)計(jì)報(bào)表。包括日報(bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表,用戶可保存自定義報(bào)表模板,供下次使用。報(bào)表的數(shù)據(jù)可以在線查看,也可以導(dǎo)入電子表格。

(4) 控制命令下發(fā)。包括對可控設(shè)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(shè)定值和保護(hù)值。遙控指控制開關(guān)、斷路器、刀開關(guān)的分合。對可控設(shè)備遙調(diào)、遙控操作需嚴(yán)格執(zhí)行用戶的權(quán)限管理,同時(shí)記錄相應(yīng)的操作事件。

(5) 參數(shù)配置。包括系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、計(jì)算量設(shè)置、越限參數(shù)設(shè)置、通信參數(shù)設(shè)置、廠站參數(shù)設(shè)置、能量管理設(shè)置等。

(6) 輔助圖表設(shè)置。包括當(dāng)前電價(jià)設(shè)置、歷史充放電量設(shè)置、當(dāng)日天氣設(shè)置、實(shí)時(shí)發(fā)電量設(shè)置、歷史累計(jì)發(fā)電量設(shè)置、節(jié)能減排設(shè)置、收益設(shè)置等。

5.2 服務(wù)功能模塊

(1) 預(yù)測服務(wù)。分為2 h超短期預(yù)測和24 h短期預(yù)測,采用反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),以發(fā)電設(shè)備和用電設(shè)備的12 d歷史數(shù)據(jù)為輸入,結(jié)合天氣情況給出相應(yīng)的預(yù)測數(shù)據(jù)。

(2) 轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)。提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)接口,實(shí)現(xiàn)與分布式公司綜合能源管理平臺的對接。5 min定時(shí)將本地所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過消息隊(duì)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(wù)。根據(jù)用戶的用能需求,可定制多種運(yùn)行策略。目前系統(tǒng)能量管理策略有削峰填谷、負(fù)荷跟隨、功率分配、動態(tài)需量、電池保護(hù)。

(4) 協(xié)議通信服務(wù)。實(shí)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)約,如Modbus傳輸控制協(xié)議、IEC 870-5-104通信協(xié)議等。

(5) 收益計(jì)算服務(wù)?？膳渲孟募竞头窍募倦妰r(jià),依據(jù)時(shí)段電價(jià),實(shí)現(xiàn)發(fā)電側(cè)設(shè)備及用電側(cè)設(shè)備的收益計(jì)算,并統(tǒng)計(jì)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(shè)定時(shí)間范圍內(nèi)的實(shí)時(shí)穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)斷面,如事故前10 s與事故后10 s。用戶可以進(jìn)行推演查詢,觀察設(shè)備故障的原因。

5.3 通用功能模塊

(1) 服務(wù)總線?？蓪Ψ?wù)總線上新的服務(wù)進(jìn)行封裝和注冊,同時(shí)可對服務(wù)進(jìn)行監(jiān)控與管理。當(dāng)服務(wù)出現(xiàn)故障或不在線時(shí),服務(wù)總線可對服務(wù)進(jìn)行重置,確保系統(tǒng)安全有效運(yùn)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(wù)功能模塊的消息,并以接口的形式提供給應(yīng)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(fù)責(zé)各功能模塊運(yùn)行日志的顯示與記錄,可以查詢?nèi)我鈺r(shí)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(quán)限管理。根據(jù)用戶的不同職能,分配相關(guān)的系統(tǒng)權(quán)限。系統(tǒng)的權(quán)限主體按照層次劃分包括角色、用戶、組三種。登錄系統(tǒng)時(shí),所有人員需進(jìn)行身份認(rèn)證,不同的人員操作權(quán)限不同。

6 系統(tǒng)策略

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

(1) 削峰填谷。根據(jù)當(dāng)?shù)叵募竞头窍募痉迤焦入妰r(jià),結(jié)合儲能雙向變流器自身充放電能力進(jìn)行設(shè)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(xiàn)峰谷獲利[7]。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(fù)荷跟隨。負(fù)荷跟隨指儲能系統(tǒng)放電功率跟隨儲能系統(tǒng)負(fù)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(jì)算得到負(fù)載功率而進(jìn)行負(fù)荷跟隨。負(fù)荷跟隨時(shí),需要保證負(fù)載功率采集速率及儲能雙向變流器響應(yīng)的實(shí)時(shí)性,控制周期為毫秒級。

(3) 功率分配。根據(jù)儲能子系統(tǒng)當(dāng)前的充放電能力及儲能系統(tǒng)功率需求,確定每個(gè)儲能子系統(tǒng)所分配的功率。功率分配可保證每個(gè)儲能子系統(tǒng)平均出力,協(xié)調(diào)運(yùn)行,同時(shí)使每個(gè)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15 min動態(tài)監(jiān)測儲能系統(tǒng)進(jìn)線功率,以最大值為計(jì)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(shí)進(jìn)行重置。

(5) 電池保護(hù)。根據(jù)電池剩余電量狀態(tài)進(jìn)行判斷,避免電池過充及過放。當(dāng)剩余電量較低時(shí),限制儲能子系統(tǒng)的放電功率。當(dāng)剩余電量較高時(shí),限制儲能子系統(tǒng)的充電功率。通過電池保護(hù)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(yùn)行。

7 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)了一種用戶側(cè)儲能電站能量管理系統(tǒng),具備實(shí)時(shí)監(jiān)控、收益計(jì)算、數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、控制命令下發(fā)等功能,采用削峰填谷、負(fù)荷跟隨、動態(tài)需量、電池保護(hù)等策略,目前已在多個(gè)儲能電站安全穩(wěn)定運(yùn)行。海立電器西廠項(xiàng)目用戶側(cè)儲能電站能量管理系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖7所示。這一系統(tǒng)已達(dá)到行業(yè)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求,提高了儲能電站的運(yùn)行效率和管理能力,取得了很好的經(jīng)濟(jì)收益和社會效益。

圖7 用戶側(cè)儲能電站能量管理系統(tǒng)運(yùn)行界面