儲能電站電池管理系統的通信網絡設計

楊 浩，邱勁洪，李 明，汪大全，潘仁秋

（南京南瑞繼保工程技術有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引 言

近年來，我國的新能源裝機增速，持續保持快速增長態勢。隨著“碳達峰”“碳中和”愿景目標的提出，我國的新能源產業將得到更加快速有序的發展。根據規劃，到2035年我國新能源裝機將超過火電成為全國第一大電源。由于新能源發電具有波動性和不可預測性，給電網的調控運行和安全控制等諸多方面帶來了不利影響，極大地限制了新能源的有效利用[1,2]。而大規模儲能的發展是新能源充分開發利用的最佳技術支撐，能有效解決電網運行安全、新能源消納以及電力電量平衡等方面存在的突出問題[3]。隨著新能源占比的不斷提升，儲能成為了電網的剛性需求。

與其他儲能方式相比，最適合于系統調峰、大型應急電源以及可再生能源并入等大規模儲能電站應用的是電化學儲能[4,5]。儲能電池是電化學儲能電站中的能量存儲介質，電池管理系統對儲能電池進行監控和管理，其設計的可靠性、適應性以及智能化將直接關系到整個儲能系統的安全高效運行。

現有的儲能電站BMS主要是沿用電動汽車中的車載BMS技術，儲能電池數量和容量都相對較小，電動汽車BMS的通信方式相對落后，很大程度上并不吻合與適應于電站的應用[6-8]。受限于電池本身的物理屬性，少數電池單體的組合并不能滿足大功率和大容量儲能的需求，因此與電動汽車相比，儲能電站系統中含有的串并聯單體電池數量更多，結構復雜程度更高，大大提高了對BMS處理能力包括通信能力的要求[9,10]。鑒于此，本文結合BMS的分層管理結構，提出了更符合變電站綜合自動化通信要求的，適用于儲能電站的BMS通信架構設計方案。

磷酸鐵鋰電池是最常見的儲能電池類型之一，也是目前和將來短期內在發電側和電網側儲能應用最廣的電池類型[11,12]。與其他電化學儲能介質相比，磷酸鐵鋰電池的功率密度相對較高，并具有安全性較高、使用壽命較長以及成本較低等優點。本文所闡述的儲能電站電池管理系統所涉及的電池類型均為磷酸鐵鋰電池。

1 電池儲能電站的組成

以發電側儲能電站為例，電池儲能電站的電氣主接線示意如圖1所示。儲能電站以一定功率和容量的基本儲能單元作為最小集成部分，而整個儲能系統正是通過多個基本儲能單元匯流組成。基本儲能單元的數量由項目整體的儲能功率和容量需求以及基本儲能單元的參數配置決定，將其分配至數個儲能集電線路間隔，以手拉手方式并入站內10 kV或35 kV母線。

基本儲能單元的功率和容量參數因項目需求而異。如圖1所示，基本儲能單元通常是根據其參數要求，由1個變流升壓艙（或變流升壓集裝箱）搭配1個（或數個）儲能電池艙（或儲能電池集裝箱）組成。儲能電池作為能量存儲介質，經過一定的組合和匯流接入儲能變流器（Power Conversion System ，PCS），PCS將電池輸出的直流電逆變為交流電，再接入升壓變壓器的低壓側。若干個基本儲能單元（圖1中以4個基本儲能單元示意）在升壓變高壓側通過手拉手方式匯流，再通過儲能集電間隔進線斷路器并入電站母線[13-15]。

圖1 儲能電站電氣主接線

此外，儲能電站的二次設備還包括能量管理系統主機、自動發電控制系統（Automatic Generation Control，AGC）、儲能協調控制裝置、升壓變測控及保護裝置、規約轉換裝置、站控層或控制層交換機等。這些二次設備可以安裝于主控室，也可以就地安裝于二次艙，根據實際儲能項目的特點而定。

2 儲能電站BMS與電動汽車BMS在通信網絡架構設計上的特點比較

電池管理系統位于儲能單元的電池艙內，一般采用3層架構，即電池模組管理單元（Battery Module Management Unit，BMU）、電池簇管理單元（Battery Cluster Management Unit，BCMU）以及電池堆管理單元（Battery Stack Management Unit，BSMU），它們分別對應管理儲能電池系統從低到高的3個層次，即電池模組（若干電池單體串并聯構成一個電池模組）、電池簇（若干電池模組串聯構成一個電池簇）及電池堆（若干電池簇并聯構成一個電池堆）。

BMS向上與PCS控制裝置以及站控層EMS接口，向下對電池的各個層級進行分層、分級與統一管理，根據各層級特性對電池（單體、模組、簇、堆）的電壓、電流、溫度及電荷狀態（State Of Charge，SOC）、健康狀態（State Of Health，SOH）等運行狀態進行實時檢測分析，實現檢測、控制、保護等有效管理，確保電池系統的安全穩定運行。

儲能電站BMS在架構設計方法上源于電動汽車BMS的主從式主流架構，兩者之間一脈相承。因此在當前儲能電站的BMS設計中，有不少設計方案直接沿用了電動汽車BMS中CAN總線通信結構。

CAN總線通信技術在通信范圍和節點有限的場合中，具有突出的可靠性、實時性以及靈活性。它在汽車控制領域中獲得了廣泛的應用，而且目前的應用范圍已不再局限于汽車工業，在不少規模不大的工業控制領域中也有所應用。然而，與變電站綜合自動化系統中常用的以太網通信方式相比較，這種傳統BMS的CAN總線通信方式應用于變電站場合仍然存在著諸多弊端。

儲能電站內儲能電池的電芯數目龐大，通信數據量也非常大，受傳輸數據限制，傳統CAN總線面臨巨大困難。CAN最多可以傳輸8個字節的數據幀，而以太網最多可以傳輸1 500個字節的數據幀。可見CAN比較適合傳輸短的數據命令和狀態，工業上對于小數據量節點控制也更傾向于用CAN來互聯。但如果是儲能電站這種多節點互聯且傳輸數據量很大的應用場合，采用以太網來傳輸更具優勢。

與電動汽車控制相比，變電站通信對于通信速率的要求要高得多。當通信距離小于40 m時，CAN通信的最高速率只能達到1 Mb/s，而現在百兆以太網已經基本普及，千兆以太網也正在逐步進入控制領域，CAN通信已無法適應變電站通信的高速率要求。

采用CAN總線方式，單體電壓、溫度以及控制信號等電池關鍵信息的采集和傳輸僅由單一通道完成，有較大的安全隱患。CAN總線通信不易形成冗余鏈路，一旦出現問題就可能使得整個系統崩潰，而且在CAN總線上查找故障點非常困難，需要一個一個地去排查，當電池數量龐大時，這個故障排查工作尤其繁瑣。而用工業以太網作為通信手段則可以避免類似問題，采用工業以太網交換機布設冗余鏈路的網絡，一旦某個鏈路出現問題，則可以在20 ms內自愈恢復并及時告警提示維護。

CAN總線與儲能站內的站控層以及與PCS之間往往不能直接通信，需要配置通信規約轉換裝置，增加了通信中間環節，使得通信可靠性繼續降低。而基于以太網組網的BMS支持IEC61850和103等多種變電站綜合自動化系統常見通信規約，可以與儲能監控系統、變電站站控層緊密結合，實現無縫對接。如站控層采用IEC61850通信方式，可考慮儲能電站全站采用IEC61850通信，省去中間規約轉換環節，且全站的智能化程度更高。

此外，儲能電站存在擴建的可能性，CAN總線由于受到通信距離和通信節點的限制，擴建比較困難，而以太網通信具有高擴展性和高擴充性，非常適應于彈性布線，也便于擴建。在儲能電站應用中，存在著功率更大、電壓更高以及類型更復雜的電力電子設備及電氣設備，CAN通信更容易受到外部干擾造成通信中斷，電磁兼容設計面臨更大的困難。

本文提出的儲能電站BMS通信架構以以太網通信為主體，并在局部采用GOOSE（Generic Object Oriented Substation Event，面向通用對象的變電站事件）通信傳輸方式。考慮到發電側或者電網側的應用場合，儲能電站BMS以太網通信充分支持IEC61850、網口103等變電站常用站控層通信協議，并兼容Modbus TCP等常見協議，采用RJ45或光纖以太網通信口。

儲能電站BMS的通信架構如圖2所示，采用3級網絡結構，即BMU和BCMU之間的通信網絡（I級）、BCMU與BSMU之間的通信網絡（II級）、BSMU與PCS（III級）及EMS之間的通信網絡（III級）。在這個通信架構中，I級網絡采用菊花鏈雙以太網方式，II級網絡采用變電站綜合自動化系統中常見的雙以太網局域網的方式，III級網絡采用GOOSE或TCP點對點直連的方式。以下將對各個層級的組網方式分別闡述。

圖2 基于以太網通信的儲能電站BMS通信架構

3 BMS的I級通信網絡

BMS的I級通信網絡指同一電池簇中BMU之間以及BMU和本電池簇BCMU（位于高壓箱內）之間構成的通信網絡。BMU對應儲能電池系統中的一個或多個電池模組，主要功能是監測電池單體電壓和溫度等信息，執行均衡管理與熱管理等功能，并與電池簇管理單元通信。BCMU的作用是對本電池簇內的所有BMU進行管理，一般放置在電池簇的高壓控制箱內，主要負責監測電池簇的總電壓和總電流。計算電池簇SOC/SOH等狀態，執行均衡策略判斷和電池故障診斷功能，實現電池簇的上下電管理、預充管理以及換流抑制管理，并可根據電池故障信息實現電池簇的就地保護和繼電器控制等功能。BCMU具有與BMU和BSMU的數據通信功能。

儲能電站BMS的I級通信網絡位于電池簇內部，因為BMU數量較多，因此I級通信線的數量眾多，且電池簇內空間有限，不太適宜采用利用以太網交換機進行組網的方式，而最適合采用一種菊花鏈雙以太網的通信組網方式。如圖3所示，這種具有手拉手特點的雙網通信方式以最簡潔的方式實現眾多BMU到本電池簇內BCMU之間的物理鏈路連接，又保證了一定的通信可靠性。在有一個網口或一根網線故障情況下仍能保證所有BMU通信正常。這種菊花鏈式的高速環網的通信速率可達1 Mb/s，且地址自適應，即插即用，在電池模組數量較大的儲能電站電池應用場合，其組網和維護工作都比傳統的CAN總線方式快捷很多。

圖3 菊花鏈雙以太網

4 BMS的II級通信網絡

BMS的II級通信網絡指同一電池堆中BSMU和下級各電池簇中BCMU構成的通信網絡。為了提高通信的可靠性，在儲能電站BMS的II級通信網絡中采用基于間隔層交換機（位于電池艙的控制柜內）的雙以太網星形組網的方式。這種組網方式可以不經規約轉換直接接入儲能監控系統以及變電站監控系統的站控層網絡。

基于BMS的II級通信組網，電池管理系統主機匯總本電池堆中各電池簇管理單元的電池信息及故障診斷信息，計算電池堆的SOC/SOH等狀態，對電池簇管理單元進行通信和控制。BSMU根據電池狀態，對電池堆或電池簇執行告警和保護功能，采用帶電動操作機構的斷路器執行電池堆或電池簇的接入和退出操作，保證電池系統的安全。

5 BMS的III級通信網絡

BMS的III級通信網絡指BMS與EMS之間以及BMS與PCS之間的通信網絡。在III級網絡中，EMS通過站控層雙網以太網交換機（布置在變流升壓艙或二次艙內）與II級網絡間隔層交換機（布置在電池艙內）級聯，或者直接連接在II級網絡的間隔層交換機上。

而在傳統的BMS設計中，BMS與EMS之間的通信仍采用CAN總線或RS485串口總線方式。這種通信方式的改進，除了前文中已多次論及的優點之外，可以讓EMS直接從BCMU獲取電池簇的信息，無需通過BSMU中轉后去和BCMU通信，更為簡潔快速。

BMS上送給EMS的信息包括單體電池電壓、端電壓、充放電電流、SOC、模塊箱溫度及電池充放電控制相關參數等電池信息與告警信號等，EMS下達電池運行參數保護定值和報警定值設置等必要控制信號至BMS。

BMS和PCS之間的通信，通過BSMU和PCS之間的點對點直連方式實現，可以采用GOOSE直連方式，也可以采用TCP直連方式。由于BSMU和PCS往往布置在不同的艙體（BSMU在電池艙，PCS在變流升壓艙），兩者之間有一定的距離，顯然這種情況下如果用傳統的設計，BSMU與PCS之間采用CAN或RS485通信方式，則會由于通信距離得不到保證而影響到通信的可靠性。采用GOOSE或TCP通信可以保證更遠的通信距離，尤其是GOOSE通信，傳輸介質基于光纖以太網或雙絞線．具有較強的抗干擾能力，通信速率可達到10 Mb/s、100 Mb/s乃至1 000 Mb/s，通信延時不超過20 ms，在智能化變電站的應用已經非常成熟。

采用GOOSE或TCP通信方式時，BSMU和PCS之間既能支持變電站常用的IEC61850等規約，也可以支持傳統上經常應用的Modbus TCP規約。BSMU向PCS發送電池狀態量及告警信號等，包括電池組可充電電量、電池組可放電電量以及電池組狀態，PCS接到BMS告警信號后應進行相應的保護動作。

6 結 論

本文結合儲能電站的結構和特點，比較和分析了現有電動汽車BMS通信設計方法應用于儲能電站BMS的弊端，提出了一種以雙以太網通信為主體，局部采用GOOSE通信的儲能電站BMS通信網絡架構，并分別從3個通信網絡的層次上闡述了這種儲能電站BMS的設計特點。目前，國內已有不少儲能電站工程的電池儲能系統開始采用和變電站統一的以太網通信網絡，并已成功投運。如同變電站綜合自動化本身的發展歷程一樣，儲能電站對BMS的技術發展提出的更高的要求，將推動BMS由單純滿足電動汽車控制應用需求，逐步向滿足儲能電站應用需求過渡。