一種用于監控江蘇省儲能電站的儲能數據中心系統研發

李劍，祝永晉，馬吉科

（江蘇方天電力技術有限公司，南京210000）

0 引言

國內目前已有部分針對儲能監控系統的研究，文獻[1]設計了一種MW 級鈉流電池儲能監控系統，主要用于跟蹤計劃發電、平滑風光功率輸出、削峰填谷和參與系統調頻。文獻[2]設計了一種鋰電池儲能監測系統，實現對儲能雙向變流器（PCS）和電池管理系統（BMS）的監測，并研究了一種電池核電狀態（SOC）的估算方法，將其應用到鋰電池儲能監測系統中。目前江蘇省缺少對所有儲能電站進行監控的系統。

江蘇省儲能電站的儲能電池主要為磷酸鐵鋰電池、鈉硫電池、鉛炭電池、鉛酸電池、三元鋰等，均為電化學儲能電池[3]。目前江蘇省儲能監控方面還存在如下缺口：

（1）缺乏對儲能電站關鍵設備信息的采集；

（2）缺乏對江蘇省儲能電站全網運行情況的統一監視，無法掌握全省儲能電站總規模、年累計充放電量、裝機容量及運行狀態等信息；

（3）缺少儲能電站指標分析，對于儲能電站的可用系數、儲能損耗率等沒有有效的分析；

（4）缺少對儲能電站關鍵設備的監測功能，缺少PCS、BMS 等關鍵設備的詳細數據采集和精細粒度在線監測[4][5]。

針對上述問題，本文從電網調度的需求出發，參照國家及省級有關標準和要求，研發適用于江蘇省電網規模和新能源并網特征的儲能數據中心系統，該系統將儲能電站的全量數據采集過來之后，對數據進行充分利用，通過可視化界面展示全省電化學儲能電站的概覽、運行情況、指標分析結果等信息。

1 系統總體方案及拓撲結構設計

儲能數據中心系統主要對江蘇省儲能電站進行監控及指標分析，包括儲能電站全網數據接入、全網運行監測；儲能電站運行監測及指標分析；關鍵設備監控等。

1.1 系統拓撲結構設計

儲能數據中心由儲能采集服務、儲能信息上報服務及分析服務組成，其系統拓撲結構如圖1 所示。

（1）儲能采集服務：儲能數據采集由安裝在電站側的儲能采集裝置來完成，該裝置負責采集PCS、BMS 等設備的全量數據。

（2）儲能信息上報服務：負責收集采集到的全量數據，收集到的數據傳輸到儲能數據中心。

（3）分析服務：對上報的數據進行數據整合及分析，通過儲能數據中心的可視化界面實現電站監測、PCS 監測，實現儲能電站指標分析、儲能運行指標分析等功能。

圖1 系統拓撲結構

1.2 系統技術架構

儲能數據中心主要由數據接入服務、非結構化臨時存儲服務、大數據計算服務、歸檔歷史存儲服務、應用數據庫和應用服務構成。技術架構圖如圖2 所示。

圖2 技術架構

（1）數據接入服務：采集儲能電站運行信息數據文件，存入非結構化臨時存儲服務；并根據規約解析成結構化數據發送數據總線。

（2）非結構化臨時存儲服務：用于存儲并保留30天的原始數據文件。

（3）大數據計算集群：接收數據總線中的采集數據或主動抓取原始數據文件計算分析，保存過程數據，發布結果至“應用數據庫”，定期歸檔歷史至“歸檔歷史存儲服務”。

（4）歸檔歷史存儲集群：存儲并保留5 年運行數據以及分析結果，并提供秒級數據查詢功能。

（5）應用數據庫：存儲分析結果、熱點數據，并提供高速查詢功能。

（6）應用服務集群：儲能數據中心各項應用，可以通過服務總線查詢分析結果、熱點數據、部分過程數據以及歷史數據。

2 系統功能設計

按照頁面劃分，將儲能數據中心頁面劃分為六個頁面，如圖3 所示。

圖3 儲能數據中心顯示頁面

按照功能劃分，儲能數據中心主要分為數據采集和數據分析兩大模塊。采集是指通過在電站安裝的采集裝置進行全量數據采集；數據分析是指對采集的數據進行整合分析，分析全網儲能運行情況。儲能數據中心系統結構功能圖如圖3 所示。

2.1 數據采集模塊

數據采集模塊主要實現儲能電站關鍵設備的數據采集。在儲能信息子站中安裝信息采集裝置，該裝置主要負責收集PCS 變流器、BMS 電池系統等站內關鍵設備的信息。數據經整理后歸檔到裝置內的數據庫系統中，并根據具體要求及時向上級管理系統或其他系統轉發。數據采集模塊具體采集流程如圖5 所示。

圖4 系統功能結構圖

圖5 數據采集模塊采集流程

數據采集模塊的數據采集工作主要由“儲能信息子站”來完成，采集后的數據經由“信息子站上報服務”最終上報至主站系統。采集數據及上報流程如下：

（1）在儲能電站安全生產II 區部署一臺“儲能信息子站”裝置，用于采集并保存儲能電站關鍵設備數據。

（2）在符合電站I 區、II 區邊界防護要求的前提下，通過安全I 區、II 區邊界防火墻采集關鍵設備數據。

（3）根據采集配置信息，經過匯集模塊匯聚數據，將數據保存至內置數據庫中。

（4）匯集模塊同時經過正反向隔離裝置將數據上報至“信息子站上報服務”，“信息子站上報服務”再與“主站”進行網絡通信，最終上報數據給主站。主站也可以根據特殊要求推送指令至儲能信息子站，反向抓取指定周期、指定時間間隔的設備完整運行信息。

2.2 儲能全網運行監測模塊

該模塊主要監測江蘇全網儲能運行情況、通過指定的指標對儲能全網運行情況進行評價。

儲能全網運行情況監控包含如下功能：

（1）儲能全網信息展示：基于采集到的儲能全量數據，計算儲能總規模。在“全省儲能總覽”頁面展示全網儲能總規模、電網側/用戶側各電站的裝機容量分布情況、儲能電站地理位置分布圖。

（2）儲能全網可充放電量展示：基于采集到的數據，統計全網儲能電站的可充放電量，并在“全省儲能總覽”頁面展示。

儲能全網運行評價包含如下功能：

（1）根據采集到的儲能全量數據，對全網的日充放電量、年累計充放電量進行統計，統計每日SOC 數據。將統計的數據結果展示在前臺頁面。

（2）通過指定的指標（綜合效率、損耗率、站用電率、運行功率、可用系數）對全網儲能電站進行評價。

（3）儲能全網日充放電量、月充放電量統計，形成日充/放電趨勢曲線。將全網每日充放電情況展示在前臺頁面。

2.3 儲能電站運行監測模塊

該模塊主要監測江蘇省內各儲能電站的運行情況，并建立儲能電站評價指標對儲能電站進行評價。

儲能電站運行情況監控包含如下功能：

（1）各儲能電站主要信息展示：基于采集到的儲能全量數據，在前臺頁面展示儲能電站的檔案信息，包括：所屬地區、電站狀態、電站類型、裝機容量、投運日期、變流器廠家、型號及個數、電池廠家、電池型號及類型、電站占地面積及地理位置。

（2）儲能電站充放電量展示：基于采集到的數據，統計各儲能電站的月充放電量、年累計充放電量、充放電功率等信息。

（3）儲能電站拓撲圖展示：根據接入的數據信息以及儲能電站的內部結構關系，繪制儲能電站內部結構拓撲圖并在前臺頁面展示儲能電站內部各個組件的結構關系。

（4）儲能電站3D 視圖展示：根據接入的儲能電站結構數據建立3D 模型，通過鳥瞰圖展示電站的整體結構和各個設備分布情況。

儲能電站運行評價即通過指定的指標（電站綜合效率、儲能損耗率、可用系數、停運系數）對江蘇省各儲能電站進行評價，評價結果在前臺界面進行展示。

2.4 儲能電站關鍵設備運行監測模塊

該模塊主要監測儲能電站關鍵設備（PCS、儲能電池）狀態進行監測，并通過指定的指標對電池運行進行評價。

儲能電站PCS 運行監測包含如下功能：

（1）儲能電站PCS 基本信息展示：通過接入的PCS設備信息，在界面展示PCS 設備的基本信息，包括名稱、電流變比、功率、設備型號、廠家、交流側電流/電壓等信息。

（2）儲能電站PCS 運行情況監測：基于采集到的數據統計PCS 電壓/電流日數據，形成每日電壓/電流分析曲線，在界面展示當前PCS 電壓/電流實時狀態。

（3）儲能電站PCS 單元結構展示：基于接入的PCS結構信息，分析各個升壓變電池儲能單元結構以及所屬電池簇結構關系，形成拓撲圖，并可展示電流、電壓數據以及充放電情況，以及電池簇電流、電壓、SOC 當前狀態。

儲能電站電池運行監測包含如下功能：

（1）儲能電池運行狀態監視：基于采集到的儲能電站電池信息，在界面展示電池堆實時電壓、電流、SOC、SOH 實時數據；計算電芯平均電壓、平均溫度并在界面進行展示。

（2）電池堆歷史數據統計與查詢：統計電池堆及所屬電芯的日數據、月數據，包括電壓、電流、SOC、SOH，電芯的平均電壓和平均溫度，可通過時間軸拖拽查詢歷史數據。

（3）電池簇能效分析：提供查詢各個電池簇電壓極差值、電壓標準差系數、電池簇溫度極差值的功能，以曲線圖表形式展示實時數據。

儲能電站電池運行評價即通過指定的指標（各型號電池電池組損耗率、等效循環系數、充放電功率、時長、溫度），通過繪制各型號電池損耗率對比曲線、等效循環系數對比曲線、充電溫度與時長對比曲線、放電溫度與時長對比曲線、各類型電池充電功率與時長對比曲線、各類型電池放電功率與時長對比曲線）對電池運行狀態進行評價，評價結果在前臺界面進行展示。

3 結語

儲能數據中心系統用于監控江蘇省全網儲能運行情況及關鍵設備運行情況。系統首頁如圖6 所示，該系統通過在儲能電站側安裝采集裝置采集儲能全網信息（包括關鍵設備PCS 等信息），并對采集到的數據進行整合、分析后，實現全網儲能電站運行情況及評價、儲能電站關鍵設備（PCS、電池簇、電池堆）運行情況及評價功能。目前該系統已投入使用，通過該系統可掌握全省儲能運行狀態，提高調度管控水平。

圖6 儲能數據中心系統首頁