智能社區電池儲能監控系統設計與開發

白紀軍

(上海芮舟信息科技有限公司，上海 201899)

儲能系統監控是整個儲能系統的高級控制中心，負責監控儲能系統中各個儲能設備的運行狀態，保證儲能系統處于最優的工作狀態。儲能系統監控是聯系電網調度和儲能系統的橋梁，一方面儲能監控系統要接收電網調度指令，可與負荷預測系統相互配合，實現各種儲能控制策略，另一方面要把電網調度指令按事先設計好的算法，分配至各個儲能支路，提高設備的運行壽命，同時監控整個儲能系統的運行狀態并分析運行數據，確保儲能系統處于良好的工作狀態[1-3]。

隨著儲能電站數量的不斷增加和儲能設備的成熟，未來的儲能電站都將會向智能化、無人值守的方向發展。一座儲能電站對電網所起的作用非常有限，如何把各個分散的儲能電站集中起來控制并統一調度，從而更大限度地發揮每個儲能系統的性能，體現儲能電站的整體優勢，這更加凸顯出儲能系統監控平臺在儲能系統中的協調控制作用。

1 智能社區電池儲能監控系統的總體設計方案

1.1 電池儲能監控系統需求分析

電池儲能監控系統(SEMS)是儲能系統的重要組成部分，負責監視儲能逆變器(PCS)和電池管理系統(BMS)的運行情況，通過儲能監控平臺可以實時了解電網側、電池側的運行情況，并把信息進行分類、處理，以不同的形式進行顯示，方便以直觀方式讓運行維護人員實時了解系統的運行狀態，作出最優的充放電策略；同時對重要數據進行分類整理、存儲，方便運行維護人員對系統各部分進行研究評估。智能社區電池儲能監控及子系統的層次結構如圖1所示。

圖1 智能社區電池儲能監控及子系統的層次結構

為實現對電池儲能系統及儲能并網裝置的狀態監控及數據采集，需要各系統間進行有效配合與通信，同時監測系統可就地上傳相關信息到儲能監控系統。

1.2 電池儲能監控系統的總體設計

1.2.1 設計目標

電池儲能監控系統軟件的設計目標，是依托社區低碳能源管理系統的集成關鍵技術研究與應用項目，設計一套智能社區電池儲能監控系統，實現對智能社區內一套100 kW/200 kWh的鋰電池儲能系統的儲能綜合管理。

1.2.2 設計原則

電池儲能監控系統在設計時考慮了以下原則。

(1)迭代式的系統設計原則。

(2)原來的成熟技術與當前先進技術相結合的原則。

(3)儲能控制系統的可擴展性原則。

1.2.3 電池儲能監控系統的模塊化設計

電池儲能監控系統在設計過程中，采用模塊化設計思想，可使軟件的整體結構更加清晰且功能明確，方便系統開發人員的分工協作，系統的測試與維護也比較簡單。電池儲能監控系統的部分功能模塊及各模塊間的層次關系如圖2所示。

圖2 智能社區電池儲能監控系統模塊圖

(1)通信接口：采用RJ45網絡口連接，采用TPC/IP協議交換數據。

(2)數據采集：通過發送召測命令，輪流收集各子系統的運行數據，并做相應的分類處理，根據上級系統請求，發送相應格式的數據。

(3)數據處理：根據系統對數據的需求，做相應的偏移量、換算、移位等數據操作處理，轉換為系統所需要的數據類型。

(4)數據顯示：以曲線、列表、柱狀圖等方式顯示系統運行的實時數據以及某一時間段數據的變化趨勢。

(5)數據存儲：把數據進行分類，分別存儲到不同的數據庫與表中。

(6)數據查詢：以列表或曲線的方式返回查詢的數據。

(7)遙控命令：對每個子系統儲能并網裝置的啟動、停機與復位等進行遙控命令。

(8)事件與報警：顯示并記錄系統運行報警與事件。

(9)用戶管理：包括用戶的添加、刪除、修改等功能。

(10)用戶報表：對歷史數據進行分類處理，以報表的形式顯示和存儲。

2 電池儲能監控系統的軟件開發

2.1 電池儲能監控系統的數據庫及功能

電池儲能監控系統采用數據庫的方式存儲數據，可方便數據的存儲和管理，MySQL數據庫有功能完善的數據庫管理系統，能有效組織和管理大量存儲在數據庫中的數據。數據庫的設計是管理系統開發的一個重要步驟，是實現歷史數據查詢和歷史事件分析功能模塊的基礎[4-5]。

PCS有歷史數據表，也可用來保存PCS運行的實時運行數據。PCS的歷史數據與事件的查詢過程基本相似，設置好查詢條件后，軟件根據查詢條件生成數據庫查詢語句，打開數據庫鏈接，查詢所有符合條件的歷史數據，把返回的結果進行相應的處理，然后生成報表或曲線顯示在用戶界面，歷史數據查詢流程如圖3所示。

圖3 PCS歷史數據查詢流程圖

由圖3可知，在進行PCS歷史數據查詢時，事件結構內部采用一個平鋪式順序結構來保證執行順序：第一步根據用戶輸出的查詢條件，判斷所要查詢的數據庫和數據表，把日期格式轉換為查詢條件字符串；第二步打開數據庫，查詢符合條件的歷史數據，把變體類型數據轉換成字符串格式，以表格形式顯示在用戶界面，同時把變體類型數據創建波形數據，輸出給波形圖表，在軟件界面上顯示為歷史曲線。

2.2 數據采集模塊功能開發

通信服務器會對所有接入系統的智能終端統一管理，客戶端軟件在通信鏈路方面的設計比較簡單，只需要建立和維持與通信服務器之間的一個鏈接就可以。召測命令，即事先寫入到一個數組常量中去，通過數據索引，依次得到數組內的每一條命令，根據數組的大小，也就是數組內命令的條數，通過每次調用增加索引值來實現這一功能，讀取召測命令軟件實現的程序由3條報文組成，在無用戶界面操作的情況下，系統會依次執行這3條命令。

可以通過輸入不同的設備地址、功能碼和寄存器地址來動態生成召測命令，但每一次都要計算校驗碼，這會增加計算量。當通信協議確定下來后，召測報文就不會改變，這與參數設置是不同的，因為在參數設置時，每次用戶輸入的參數是不一樣的，事先不可能把所有可能的情況都事先算好，從系統執行效率方面考慮，數據召測命令才采用這種事先計算好每條命令的校驗碼，生成一個數組常量，這樣軟件每次執行到這一步的工作就是取出事先計算好的召測命令，而不用再花費時間和系統資源去生成指令了。

2.3 數據顯示模塊功能開發

對收到的用戶數據簇，首先檢查校驗結果，如果校驗錯誤，則丟棄本數據包，讀取下一組數據；如果校驗正確，則根據設備地址、功能碼和字節長度，區分不同設備的數據，并根據通信協議的約定，進行系數和偏移量的處理，得到最終顯示給用戶的數據，并以不同形式顯示出來，如曲線圖、柱狀圖、表格等直觀的形式來展現。

電池儲能監控系統的主要用戶界面顯示了功能模塊，如儲能系統圖、實時曲線、告警信息、PCS控制、歷史數據、告警查詢等。

電池儲能監控系統前面板顯示的實時運行數據的來源分為2個部分：儲能并網裝置的數據主要為上邊交流側部分，主要參數是與電網相關的運行數據，如三相電壓、三相電流、交流功率等；下半部分主要為從電池管理系統上傳的數據，顯示的主要是與電池相關的運行數據，如直流功率、直流電壓、直流電流、電池荷電狀態(SOC)、單體電壓最大值及位置、單體電壓最小值及位置、單體溫度最大值及位置、單體溫度最小值及位置等。

2.4 系統運行控制功能開發

電池儲能監控系統的運行可以實現運行人員的手動控制。儲能管理系統主要的控制單元是儲能并網裝置，對儲能系統的控制也就是控制儲能并網裝置的運行，電池管理系統也需要有相應的指令信號才能啟動電池，因為電池系統內斷路器、開關等裝置在電池啟動時需要打開，才能保證電池組正常工作。在系統設計時，為使電池儲能監控系統更簡單實用，這部分的控制功能是遠程監控系統通過控制儲能并網裝置實現的，由儲能并網裝置發送啟動指令給電池儲能監控系統，完成整個系統的啟動。

電池儲能監控系統的4個運行狀態以及相互之間的轉換關系見圖4。為使電池儲能監控系統保持最低的能量消耗，系統會關閉風扇等設備，當系統處在就緒或是運行狀態時，設備啟動。

圖4 電池儲能監控系統狀態轉換

在軟件實現方面，主要采用事件結構來實現這部分的功能。每一功能按鈕對應一個事件分支，為防止誤操作，在遙控命令發出前，有些事件分支會提醒操作人員是否要進行該操作，有些遙控命令報文格式是固定的，如啟動、停止、復位等命令，可以事先計算好校驗碼，直接把命令報文寫在程序中。

3 結語

電池儲能監控系統依據統一規范的系統集成模式和標準規范體系，可實現智能電網與傳統社區的智能化融合，充分展現智能電網的最新研究成果和經濟高效、節能環保的內涵，加強對用戶用電的監管力度，引導終端用戶優化用電結構，倡導科學合理的用電模式，滿足社會對用電服務的多元化需求，擴大電力消費占終端能源消費的比重，最終達到提高經濟效益的目的。