基于能量云管理平臺的分布式儲能系統技術應用研究

畢 偉

（廣州市電力工程設計院有限公司，廣州 510220）

在大力推行供給側結構性改革和新電改的行業背景下，電力作為特殊商品，開展有效、合理、規范用能工作，提高需求側用電能效管理水平，以輔助實現節能的目的。通過用電能效管理和監控的信息化、可視化，提高資源配置效率，以互聯網、云計算管理手段，盤活需求側閑置電力資源，開展科學規范的需求側管理工作，對于深入挖掘用戶側資產利用效率以及用電節能潛力是非常有必要的。

基于能量云管理平臺的分布式儲能系統，即融合了當前互聯網信息化技術、云計算技術和分布式儲能技術，通過采用電池能量交換系統和電池能量管控云平臺等能源互聯網的核心裝備，將海量的碎片化閑置電池儲能資源盤活為電網可以調度利用的大規模分布式儲能系統，實現基于“虛擬電廠”的配電網儲能系統。

1 分布式儲能應用于需求側管理意義

在電能產生和消耗的過程中，由于新能源發電（太陽能、風能）的間隙性和負荷的隨機性等原因，造成電能供求之間在時間和空間上不平衡，特別是以太陽能發電為主的分布式電源在需求側大量的接入，將加劇配電網中電壓的波動，給配電網用戶的電能質量、安全運行以及供電可靠性帶來較大影響。

電網企業為最大限度滿足電網的遠期適應性，在電網的規劃、設計、運行和調度時，按照滿足年最高峰負荷時的安全需求原則考慮。研究表明，高峰負荷持續的時間相對整個電網運行周期而言并不長，據統計我國95%以上的高峰負荷年累計持續運行時間僅占幾十個小時，然而年最大負荷利用小時數卻有幾千小時，顯然為滿足高峰時段負荷而擴建增容乃至投入巨資改造電網是很不經濟的。

分布式儲能靠近用戶側，有電池儲能、相變儲能、蓄冷蓄熱儲能、飛輪儲能、抽水儲能、超級電容儲能及壓縮空氣儲能等眾多方式，其中，電池儲能方式在千瓦時級至兆瓦時級儲能有著其他儲能方式不可比擬的優勢。目前用戶側存在數億kWh的分散閑置電池儲能資源，如通信基站電池、各種不間斷電源（UPS）電池、梯次利用電池等，海量分布式儲能設備的廣域協調，利用其可調度儲能容量產生聚集效應實現電網與用戶之間電力交換和互動響應，能夠提供遠距離、大容量的能量調度能力，可為電力需求側管理工作提供巨大的潛力支撐。由于儲能設備具備電源和負荷的雙重特性，設想在用戶側負荷附近都裝設儲能設備，根據峰平谷電價機制，在高峰時段的用戶用電成本升高。因此，為節省電費成本，用戶會選擇主動放棄使用電網電能，改用儲能電能，利用儲能電源特性促使電網負荷下降。反之在低谷期時段，電價隨之降低，用戶側的儲能裝置轉為從電網側吸收電能，利用儲能負荷特性促使電網負荷上升。

綜上所述，在需求側建設儲能系統，可有效減少電力負荷的峰谷差，平抑分布式電力隨機性和間隙性帶來的電力波動，提高電力系統資產利用率水平，優化電網資源配置。由此可見，利用分布式儲能裝置實現需求側管理的做法十分必要。

2 基于能量云管理平臺的分布式儲能的技術應用可行性分析

2.1 應用條件

1）信息資源保障

電網企業作為能量云管理平臺的運營主體有著先天優勢，其線上已具備完善的的運營業務系統，包括計量自動化系統、營銷管理信息系統、配網生產管理系統、GIS系統、調度自動化系統、配網自動化系統以及充電樁管理平臺，能夠覆蓋各種運營業務的全量數據，為分布式儲能云管理平臺的運營提供全信息資源保障和數據支撐。

2）設備技術支撐

目前市面上已經出現針對鉛酸蓄電池的 BMS產品及類似產品，部分產品已充分考慮了電池組中各單體充放電過程中的不可避免差異性，在均衡一致性管理功能中得到改善并開發應用實踐示范項目，不僅支持全新電池，還可適用于退役電池組，應用領域更為廣泛。其中有種基于電池網絡拓撲動態重構技術的鉛酸電池能量交換機代表了世界鉛酸電池管控技術的最前沿。該款產品也已在圣陽電源的CNAS電池測試中心完成測試，電池管控能力比傳統技術有顯著提升，運行穩定可靠，具備了規模部署的條件。

3）儲能市場廣闊

鉛碳產品+儲能應用+再生鉛的模式，以及動力電池梯次利用的模式，均可作為儲能行業循環經濟利用的典范，尤其是電池梯次利用技術開發將為分布式儲能提供巨大的電池市場。目前，電動汽車退役動力電池暫未形成市場規模效應和完善的價格機制。調研發現，現有價格已經與鉛酸蓄電池市場價非常接近，隨著國家的大力支持電動汽車產業發展，未來梯次利用動力電池市場將十分廣闊，成本有望進一步下降。

2.2 建設條件

現階段城市化高速發展時期，電網建設的土地征地難題，已經是阻礙電網工程建設的普遍問題，分布式儲能位于用戶端，或利用用戶自身現有的儲能資源進行技術改造，有效回避了征地環節。另外，分布式儲能具有容量小型分散化的特點，現有國家或行業儲能標準對小型的儲能系統并未有嚴苛的安裝條件限制，隨著電池技術的不斷革新，未來即插即用可以實現雙向互動的分布式儲能，將會被應用在社會中的各個角落。

3 系統架構設計

3.1 系統物理架構

基于能量云管理平臺的分布式儲能系統架構圖如圖1所示。

基于能量云管理平臺的分布式儲能系統由以下幾部分組成：需求側端儲能設備監控與數據采集層、網絡傳輸鏈路層、能量云管理服務層和用戶服務層。

需求側端儲能設備監控與數據采集層由電池管理系統或能量交換機中的測控及保護裝置、數據采集裝置、通信裝置（具備規約轉化及集線功能）等構成，是將電池信息及能量采集數據傳輸至后臺云端的發起層。

圖1 基于能量云管理平臺的分布式儲能系統架構圖

網絡傳輸鏈路層是作為提供用戶設備信息通向云端的鏈路，可采用有線傳輸和無線傳輸方案，推薦采用4G/3G無線傳輸方案，運維方式通用，投資較小，利于降低成本。

能量云管理服務層由傳輸層、數據存儲層、應用層組成。傳輸層設置二次安防，保證遠程通信數據傳輸的安全性和可靠性；數據存儲層基于關系型數據庫管理系統應用軟件完成海量分布式數據存儲，提供對分布式儲能設備大規模數據的存儲預處理；應用層包括監控中心、控制策略、通知中心等核心業務實現。

用戶服務層為各種分布式儲能用戶群提供服務和訪問接口，支持Web客戶端、智能手機及平板電腦客戶端應用，但需要對用戶服務和用戶權限進行管理。

3.2 系統物理架構

能量云平臺控制系統主要功能為監控用戶側儲能設備或系統運行狀態、執行需求響應業務，同時管理用戶側檔案信息數據和業務數據，以及利用門戶系統提供信息訪問服務。系統設計時需要利用平臺化、模塊化思想，保證系統的兼容性與可擴展性。基于能量云管理平臺的分布式儲能系統功能架構圖如圖2所示。

能量云平臺控制系統具備實現分布式儲能集群管理及其接入過程中能量交換的多目標優化控制、保護與監視、通信、數據測量采集、歷史數據存儲分析、經濟性計算等功能。

圖2 能量云平臺控制系統功能架構圖

1）控制功能

潮流控制、有功功率控制、電壓/無功調節、并離網切換、儲能系統協調控制功能。用戶可以通過云平臺控制電池系統充放電，設置充電電流，無需運維人員到現場操作。

2）保護與監視

讀取設備各種信息，實時監視系統運行情況，進行綜合判斷，協調系統運行。可獲取的信息包括整個電池系統的狀態、電壓、電流、功率和單體電池的狀態、電壓、SOC等數據。

3）歷史數據獲取

云平臺能存儲采集到的電池系統以及單體電池的各種狀態和數據。用戶可以指定目標和時間區間以原始數據、直方圖、曲線等方式獲取這些歷史數據，可以在客戶端中通過圖形界面獲得直觀的數據。用戶也可以對數據進行再處理，進行數據分析、模式提取，為各項評估和科學決策提供數據支持。

4）其他功能

（1）經濟和環境效益報告功能。能夠根據存儲的數據計算出削峰填谷等帶來的經濟效益，讓用戶了解到投資的經濟和環境回報，隨時掌握系統的經濟性情況。

（2）設備使用環境報告。實時地報告設備工作環境，如市電是否正常，儲能設備續航時間等信息，讓用戶隨時隨地掌握設備的環境狀況。

（3）日志功能。可以將系統主要信息和操作信息保存。

除具備以上功能外，能量云平臺控制系統為用戶提供虛擬機全生命周期管理，提供基于手持設備APP的遠程應用，提供自動化運維及自動報警，提供多種云存儲方式，讓用戶簡化能量存儲設備的維護及擴展，專注于核心業務。

4 案例應用

近日，廣州供電局攜手鐵塔公司聯手打造國內第一個通信基站閑散電池盤活利用的配電網儲能示范項目，項目選擇56個直供電移動基站，其中8個基站作為能量雙向交互試點，利用每座基站閑置的備用儲能資源，組成大規模的分布式電池系統，儲能系統建設規模為268.8kW/2.11MWh，在能源互聯網大數據及云平臺的基礎上，通過現代化通信手段，實現對每座分布式基站儲能系統的監控和管理，通過對每個分散點的儲能資源統籌計算，實現需求側負荷與儲能系統的之間快速互動響應，優化能源在需求側得到合理配置。能量雙向交互試點基站系統構成示意圖如圖3所示。

本項目是在共享經濟模式下對分布式儲能項目建設新模式和新方法的探索和嘗試。項目由鐵塔公司提供儲能系統建設場地以及儲能電池，由供電企業提供電池管理系統、功率轉換系統以及能量云平臺控制系統建設，共同構造成分布式儲能系統。電網企業負責儲能系統的日常調度和管理工作，負責向鐵塔公司的基站電池工作狀態提供監控和預警服務，鐵塔公司則負責電池系統的日常運維工作。對供電企業而言：①降低儲能項目建設成本，以本項目為例，56個基站的儲能電池盤活后的電量資源約為2MWh，單位建設成本折算為1.5元/Wh，僅為鋰電儲能新建站的單位建設成本的60%；②解決了城市配電網中儲能建設征地問題，節省土地資源，社會效益顯著；③盤活社會上閑置儲能資源，掌控社會儲能容量的調度能力，能夠緩解電網企業高峰供電壓力，開展需求側管理，間接減少電網基建投資。對鐵塔公司而言：①有儲能電池的在線監測系統，能夠實時精準的掌握應急電源的工作狀況，提升應急系統供電可靠性；②降低人力成本，通過能量云平臺控制系統，使得基站電池做到真正的免維護，估算運維成本單站每年節約6200元，本項目56個站每年可節約27.9萬元；③還可享受電網企業根據削峰填谷的需求側響應即得收益所讓渡的電費電價優惠。

圖3 能量雙向交互試點基站系統構成示意圖

5 結論

本文提出了基于能量云管理平臺的分布式儲能系統在電力需求側管理中的應用模式，即通過搭建能量云平臺控制系統，利用信息化互聯網等手段，實現對某一區域內分布式儲能進行廣域調度和集群管理。通過前文介紹和應用案例，該技術應用可以實現電網企業和用戶之間能量雙向交互，使傳統的剛性電網轉變成柔性電網，以低成本高效率地方式完成電網中能源的優化配置工作，不但帶給電網企業有效實現需求側管理的社會效益，也帶給用戶節電節費的經濟效益。然而，如何引導社會中閑散的儲能資源完成規模化應用和實現集群化管理，在建設、運營和盈利模式上需要進一步探索和研究工作。

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