用戶側儲能電站能量管理系統的設計

楊 杰

上海電氣分布式能源科技有限公司 上海 200070

1 設計背景

儲能技術對新能源產業的發展具有重要影響,應用儲能技術可以有效解決新能源發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高效應用[1]。儲能系統是電力系統的重要組成及關鍵支撐,目前已廣泛應用于電力系統中的多個環節,主要包括發電側、電網側、用戶側[2]。筆者設計了一種用戶側儲能電站能量管理系統,可以實現對整個儲能系統運行狀態及運行數據的實時監測,確保系統安全運行、穩定可靠,同時能夠有效實現削峰填谷、需求側響應、動態需量控制,從而提高用戶的電能質量,降低用戶的用電成本。

2 設計需求

用戶側儲能電站能量管理系統實時采集儲能電站的狀態信息、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、穩定、有效運行。用戶側儲能電站能量管理系統的設計需滿足三個方面的要求[3]。

(1) 儲能電站監控設備多,設備信息量大。儲能電站除了常規的供配電設備,如并網開關、箱變測控、微機保護、電表、空調、消防等需要監控外,還需要對儲能雙向變流器、電池管理系統的數據進行采集。由多個電池單體并聯組成一個電池模組,多個電池模組串聯組成一個電池簇,多個電池簇并聯形成電池堆。對于1 MW儲能電站,系統除采集電池堆和各電池簇電流、電壓、溫度、狀態、報警、保護、剩余電量等信息外,還要采集8 000～10 000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。系統的數據量大,接入設備多,對于性能和通信網絡的組建具有較高的要求[4]。

(2) 系統的響應速度要求快,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做出響應,監控系統從通信指令下發到儲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,并及時進行響應[5]。

(3) 儲能電站分層保護。儲能電站的保護主要分為三層。第一層為配電保護,是對變壓器和饋線進行的保護。第二層為儲能雙向變流器保護,是對儲能各子系統進行的保護。第三層為電池管理系統保護,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[6]。

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1 MW、3.5 MWh磷酸鐵鋰儲能電站,共預留兩個10 kV/400 V配電站,每段400 V母線預留儲能子系統接入。每個配電站10 kV側采用雙電源獨立供電,供電方式為電網接入。儲能電站采用儲能子系統配置方案,共分為兩個儲能子系統,每個儲能子系統的容量為0.5 MW、1.75 MWh。儲能子系統采用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儲能并網柜400 V低壓接入。海立電器西廠儲能電站電氣結構如圖1所示。

儲能子系統包含電池及電池架、電池管理系統、儲能雙向變流器、溫控系統、動環監控系統、二次系統配電、電池組匯流、照明系統等部分,其架構如圖2所示。

圖1 儲能電站電氣結構

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、監控與策略層、通信組網層、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據。監控與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、歷史信息查詢、故障記錄與推演、電價收益、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傳輸。設備層由各通信設備組成,主要包括并網電表、進線電表、并網開關、箱變測控、微機保護、空調、消防、門禁、水浸、攝像頭等設備。

圖2 儲能子系統架構

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

每個儲能子系統共安裝兩個攝像頭,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、存儲攝像頭的視頻數據,并將視頻數據傳輸至視頻監控系統。通信管理機主要接入四路RS485串行通信總線信號,包括儲能子系統中門禁、消防、水浸三個干接點信號,以及并網開關信號、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IEC 870-5-104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,并通過IEC 870-5-104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能雙向變流器、電池管理系統、電表數據,并通過策略運行的結果控制儲能子系統的充放電,同時將數據通過IEC 870-5-104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、設備監控畫面和曲線的顯示,歷史數據的查詢、報表打印等功能,并將數據定時存儲于數據服務器。本地監控工作站通過消息隊列遙測傳輸協議將所有數據發送至運維平臺。

海立電器西廠儲能電站儲能子系統內部通信架構如圖4所示。通過250 kW儲能雙向變流器,控制由六個電池簇并聯形成的電池堆進行充放電。一個電池模組由12個單體電池并聯組成,17個電池模組串聯形成一個電池簇。每個電池模組都配備電池監控單元,負責每個電池單體的監控信息采集、內阻檢測、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,對電池簇出現的異常進行報警與保護。電池管理系統負責實時數據計算、性能分析、故障報警信號處理與存儲。電池監控單元將所有信息通過控制器局域網絡總線發送至電池控制管理模塊。電池管理系統、儲能雙向變流器通過控制器局域網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、儲能雙向變流器將數據通過Modbus-傳輸控制協議供通信前置機請求。

4 系統設計

用戶側儲能電站能量管理系統采用客戶機/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。系統特點是根據系統內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,從而降低系統設計難度,方便新模塊嵌入,提高系統的可維護性、可擴展性及穩定性[8]。系統按照層次功能進行組織,表示層建立在業務邏輯層之上,業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架構如圖5所示,主要分為四層:數據層、基礎服務層、業務邏輯層、表示層[9]。

數據層負責與歷史庫和實時庫進行交互,提供相應的數據庫接口,供業務邏輯層訪問使用。

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、日志模塊、服務總線。

業務邏輯層負責數據交互及整個系統的協調運行,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、故障記錄與反演等服務模塊。每個服務模塊獨立運行,互不干擾,運行產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,提供可視化界面,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 系統功能

用戶側儲能電站能量管理系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配合,提供系統對儲能設備的實時監控、調度管理、故障報警等功能[10]。用戶側儲能電站能量管理系統功能如圖6所示。

圖5 用戶側儲能電站能量管理系統架構

圖6 用戶側儲能電站能量管理系統功能

5.1 應用功能模塊

(1) 實時監控。用戶可以查看界面所顯示的儲能設備各類實時數據,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據信息的二級界面。系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、歷史數據查詢、歷史事件查詢等功能,可以隨時查看設備運行情況及發生的故障、產生的報警等事件信息。其中,實時數據查詢界面可查看所有設備的實時數據信息,歷史數據查詢界面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。報表的數據可以在線查看,也可以導入電子表格。

(4) 控制命令下發。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。遙控指控制開關、斷路器、刀開關的分合。對可控設備遙調、遙控操作需嚴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。包括系統參數設置、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。包括當前電價設置、歷史充放電量設置、當日天氣設置、實時發電量設置、歷史累計發電量設置、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2 h超短期預測和24 h短期預測,采用反向傳播神經網絡,以發電設備和用電設備的12 d歷史數據為輸入,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,實現與分布式公司綜合能源管理平臺的對接。5 min定時將本地所有實時數據通過消息隊列遙測傳輸協議發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。根據用戶的用能需求,可定制多種運行策略。目前系統能量管理策略有削峰填谷、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,并支持電力行業通用標準規約,如Modbus傳輸控制協議、IEC 870-5-104通信協議等。

(5) 收益計算服務?？膳渲孟募竞头窍募倦妰r,依據時段電價,實現發電側設備及用電側設備的收益計算,并統計系統總收益。

(6) 故障記錄與反演。通過觸發事件記錄,如遙測越限、遙信變位,保存設定時間范圍內的實時穩態數據斷面,如事故前10 s與事故后10 s。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控與管理。當服務出現故障或不在線時,服務總線可對服務進行重置,確保系統安全有效運行。

(2) 消息總線。基于事件的消息總線可按照發布與訂閱模式發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據、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,可以查詢任意時間范圍內的日志信息,以便系統管理員分析故障原因。

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

6 系統策略

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

(1) 削峰填谷。根據當地夏季和非夏季峰平谷電價,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放電功率跟隨儲能系統負載功率變化而變化。此外,可以獲取儲能并網電表的有功功率,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。根據儲能子系統當前的充放電能力及儲能系統功率需求,確定每個儲能子系統所分配的功率。功率分配可保證每個儲能子系統平均出力,協調運行,同時使每個儲能子系統保持剩余電量一致,從而提高儲能系統效率,延長儲能系統使用壽命。

(4) 動態需量。每15 min動態監測儲能系統進線功率,以最大值為計算動態需量。通過動態需量策略,可以確保儲能系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。根據電池剩余電量狀態進行判斷,避免電池過充及過放。當剩余電量較低時,限制儲能子系統的放電功率。當剩余電量較高時,限制儲能子系統的充電功率。通過電池保護策略,使各儲能子系統的電量保持在同一水平,延長儲能子系統的使用壽命,保證儲能電站長期穩定運行。

7 結束語

筆者設計了一種用戶側儲能電站能量管理系統,具備實時監控、收益計算、數據查詢、統計報表、控制命令下發等功能,采用削峰填谷、負荷跟隨、動態需量、電池保護等策略,目前已在多個儲能電站安全穩定運行。海立電器西廠項目用戶側儲能電站能量管理系統運行界面如圖7所示。這一系統已達到行業內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,取得了很好的經濟收益和社會效益。

圖7 用戶側儲能電站能量管理系統運行界面