儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制器關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)研究

趙 錦，郭寅遠(yuǎn)，許夢(mèng)陽，鄭 蓬，陳 卓，賀 春

（1.國網(wǎng)綜合能源服務(wù)集團(tuán)有限公司，北京 100052；2.許昌開普檢測(cè)研究院股份有限公司，河南 許昌 461000）

隨著新能源風(fēng)電、光伏發(fā)電等間歇性、波動(dòng)性電源接入電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，以及分布式電源在配網(wǎng)應(yīng)用規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)系統(tǒng)的能量供需平衡及調(diào)節(jié)能力將面臨巨大挑戰(zhàn)。儲(chǔ)能技術(shù)具備功率精準(zhǔn)控制能力及快速響應(yīng)特性[1]，為電力系統(tǒng)提供一種高效解決功率不平衡的方法，可極大地增加電網(wǎng)運(yùn)行控制的主動(dòng)性。

儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制器是一種具備檢測(cè)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓、頻率和功率，可接受調(diào)度和電化學(xué)儲(chǔ)能電站監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)控指令，控制多臺(tái)儲(chǔ)能變流器，實(shí)現(xiàn)整站一次調(diào)頻、動(dòng)態(tài)無功調(diào)壓等控制功能的裝置[2]。

作為儲(chǔ)能系統(tǒng)的指揮中樞，協(xié)調(diào)控制器是儲(chǔ)能電站的核心設(shè)備，肩負(fù)著電站一、二設(shè)備功率協(xié)調(diào)控制和信息交互等作用。針對(duì)協(xié)調(diào)控制器試驗(yàn)手段不充分的情況，為加快協(xié)調(diào)控制器的工程應(yīng)用進(jìn)程，有必要對(duì)一次調(diào)頻、無功調(diào)壓及主備切換等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究。本文搭建了基于網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的協(xié)調(diào)控制器試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)協(xié)調(diào)控制器的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了閉環(huán)測(cè)試，為儲(chǔ)能新設(shè)備在工程現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試與應(yīng)用提供技術(shù)手段。

1 平臺(tái)介紹

1.1 協(xié)調(diào)控制器網(wǎng)路構(gòu)架

面向新型電力系統(tǒng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)依據(jù)NB/T 42090—2016《電化學(xué)儲(chǔ)能電站監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》[3]等相關(guān)技術(shù)要求，站內(nèi)系統(tǒng)由站控層、間隔層2部分組成，并采用分層、分布和開放式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。

系統(tǒng)平臺(tái)搭建EMS（能量管理系統(tǒng)）服務(wù)器采用主備冗余配置，用以接收ⅠEC104模擬主站下發(fā)的遙控及遙調(diào)指令。電池管理系統(tǒng)、功率變換系統(tǒng)單獨(dú)組網(wǎng)，并以儲(chǔ)能單元為單元接入站控層網(wǎng)絡(luò)；從接入能力和可靠性角度出發(fā)，協(xié)調(diào)控制器配置1主1備2從模式，通過ⅠEC61850-GOOSE、MMS（制造報(bào)文規(guī)范）分別接入PCS（儲(chǔ)能變流器）控制層和站控層網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)控制器的主從配置及接入不僅解決了儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)針對(duì)單臺(tái)PCS的控制策略存在的控制時(shí)間周期長、無法集中控制等問題[4]，而且也將站內(nèi)核心控制功能的控制時(shí)間周期縮短至毫秒級(jí)，大大提高了統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制效率，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架圖

1.2 試驗(yàn)平臺(tái)硬件構(gòu)架

針對(duì)儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制器一次調(diào)頻等關(guān)鍵技術(shù)搭建了測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，平臺(tái)包括主機(jī)、交換機(jī)、協(xié)調(diào)控制器、繼保測(cè)試儀、網(wǎng)絡(luò)抓包與分析工具及時(shí)間同步系統(tǒng)測(cè)試儀等。其中，主機(jī)為平臺(tái)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、仿真調(diào)度指令及模擬PCS接入等；網(wǎng)絡(luò)抓包與分析工具抓取網(wǎng)絡(luò)報(bào)文與錄波時(shí)標(biāo)，測(cè)試出口控制動(dòng)作時(shí)間；繼保測(cè)試儀輸出電壓、頻率及開出等信號(hào)，測(cè)試協(xié)調(diào)控制器的一次調(diào)頻等項(xiàng)目的測(cè)量精度和動(dòng)作時(shí)間；時(shí)間同步系統(tǒng)測(cè)試儀用于給整個(gè)測(cè)試平臺(tái)提供時(shí)間同步源；交換機(jī)用于連接局域網(wǎng)多臺(tái)設(shè)備使其網(wǎng)絡(luò)互通；協(xié)調(diào)控制器為被測(cè)設(shè)備。

圖2 測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

1.3 試驗(yàn)平臺(tái)軟件支撐

PCS模擬器用于測(cè)試協(xié)調(diào)控制器PCS的接入能力。模擬量包括PCS工作狀態(tài)、有功功率、無功功率、額定輸出功率、最大充電功率、最大放電功率及電池系統(tǒng)SOC（電池剩余電量）等。

從協(xié)調(diào)控制器通過間隔層交換機(jī)接入多臺(tái)PCS快速功率仿真裝置，并通過系統(tǒng)集成工具把各ⅠED（智能電子設(shè)備）的ⅠCD（能力描述文件）文件集成并進(jìn)行實(shí)例化，包括ⅠED名、信息點(diǎn)描述等形成SCD（變電站配置描述）模型文件供建立通信應(yīng)用。模擬裝置所需的PCS工作狀態(tài)、有功功率、無功功率及電池系統(tǒng)SOC等模擬量的采集與上送采用61850 GOOSE服務(wù)實(shí)現(xiàn)。

采用GOOSE服務(wù)傳輸特點(diǎn)[5]如下。

（1）可靠性。GOOSE具有信號(hào)重發(fā)機(jī)制，能夠確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。GOOSE信號(hào)可在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行一定次數(shù)的重發(fā)并以一定時(shí)間間隔進(jìn)行定時(shí)重發(fā)，當(dāng)在GOOSE控制功能塊監(jiān)視下的數(shù)據(jù)集合發(fā)生數(shù)據(jù)變化時(shí)可以強(qiáng)制打斷上述2種階段的數(shù)據(jù)發(fā)送，隨后重新進(jìn)入重發(fā)階段，既保證突發(fā)數(shù)據(jù)的優(yōu)先性，又獲得了數(shù)據(jù)的可靠性。

（2）實(shí)時(shí)性。GOOSE信號(hào)傳輸采用的是OSⅠ（開放式系統(tǒng)互聯(lián)）模型，但只用到OSⅠ網(wǎng)絡(luò)參考模型中的4層，即應(yīng)用層、表示層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，是從應(yīng)用層經(jīng)過表示層ASN.1編碼后，直接映射到底層的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，而不經(jīng)TCP/ⅠP協(xié)議，即不經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層。這種映射方式避免了通信堆棧造成的傳輸延時(shí)，從而保證了報(bào)文傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。傳輸過程如圖3所示。

圖3 GOOSE傳輸過程圖

EMS（能量管理系統(tǒng)）向主協(xié)調(diào)控制器下發(fā)的功率控制指令可通過GOOSE報(bào)文分配給PCS模擬裝置，同時(shí)PCS模擬裝置將提取到的各模擬量信息以GOOSE報(bào)文上送，其每幀傳輸?shù)牟蓸又禂?shù)量可根據(jù)具體的選型確定，保證信息傳送的快速性及可靠性。

2 協(xié)調(diào)控制器關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)

2.1 一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)間試驗(yàn)

協(xié)調(diào)控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并網(wǎng)點(diǎn)頻率，主動(dòng)實(shí)施一次調(diào)頻功能，在儲(chǔ)能電站可調(diào)容量允許的范圍內(nèi)實(shí)施調(diào)頻功率分配[6-7]。一次調(diào)頻試驗(yàn)在滿足特性曲線的同時(shí)，要滿足動(dòng)作時(shí)間不超過100 ms的要求。

儲(chǔ)能系統(tǒng)參與電網(wǎng)一次調(diào)頻特性曲線如圖4所示。動(dòng)作時(shí)間測(cè)試環(huán)境如圖2所示，測(cè)試步驟如下。

圖4 一次調(diào)頻特性曲線

①測(cè)試平臺(tái)完成測(cè)試接線，測(cè)試平臺(tái)所有設(shè)備統(tǒng)一接入時(shí)間同步系統(tǒng)；②配置PCS模擬器發(fā)送128個(gè)PCS的GOOSE；③通過繼保測(cè)試儀輸出三相電壓輸出端口與被測(cè)裝置電壓采集端口連接，調(diào)整繼保測(cè)試儀電壓頻率值，電壓值固定為57.74 V，調(diào)整頻率值觸發(fā)一次調(diào)頻動(dòng)作；④網(wǎng)絡(luò)抓包與分析工具監(jiān)聽被測(cè)裝置發(fā)出的報(bào)文，記錄系統(tǒng)頻率變化時(shí)間與變位報(bào)文時(shí)刻的時(shí)間差來測(cè)試一次調(diào)頻的動(dòng)作時(shí)間。

為了測(cè)試的實(shí)時(shí)及準(zhǔn)確性，繼保測(cè)試儀采用時(shí)間整分觸發(fā)的方式。

繼保測(cè)試儀狀態(tài)序列在20 s整秒頻率由50 Hz變化到50.2 Hz，GOOSE輸出時(shí)間如圖5所示，對(duì)應(yīng)的一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)間為17.379 ms，滿足裝置從測(cè)量的頻率變化進(jìn)入動(dòng)作區(qū)到裝置下行有功控制命令報(bào)文出口時(shí)間不大于100 ms的要求。

圖5 一次調(diào)頻GOOSE輸出時(shí)間截圖

同樣可測(cè)試頻率由50 Hz變化到49.8 Hz一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)間為16.426 ms，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

2.2 無功調(diào)壓動(dòng)作時(shí)間試驗(yàn)

協(xié)調(diào)控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并網(wǎng)點(diǎn)電壓，主動(dòng)實(shí)施無功調(diào)壓功能，在儲(chǔ)能電站可調(diào)容量允許的范圍內(nèi)實(shí)施調(diào)壓無功分配。無功調(diào)壓試驗(yàn)在滿足特性曲線的同時(shí)，要滿足動(dòng)作時(shí)間不超過100 ms的要求。

儲(chǔ)能系統(tǒng)參與電網(wǎng)無功調(diào)壓特性曲線如圖6所示。

圖6 無功調(diào)壓特性曲線

動(dòng)作時(shí)間測(cè)試環(huán)境如圖2所示，測(cè)試步驟如下。

①通過繼保測(cè)試儀輸出三相電壓輸出端口與被測(cè)裝置電壓采集端口連接，調(diào)整繼保測(cè)試儀電壓頻率值，頻率固定為50 Hz，調(diào)整電壓值觸發(fā)無功調(diào)壓動(dòng)作；②網(wǎng)絡(luò)抓包與分析工具監(jiān)聽被測(cè)裝置發(fā)出的報(bào)文，記錄系統(tǒng)頻率變化時(shí)間與變位報(bào)文時(shí)刻的時(shí)間差來測(cè)試無功調(diào)壓的動(dòng)作時(shí)間。

在時(shí)間整分觸發(fā)的前提下，繼保測(cè)試儀狀態(tài)序列在20 s整秒電壓由57.74 V變化到63.51 V，GOOSE輸出時(shí)間如圖7所示，對(duì)應(yīng)的無功調(diào)壓動(dòng)作時(shí)間為8.384 ms，滿足裝置從測(cè)量的電壓變化進(jìn)入動(dòng)作區(qū)到裝置下行無功控制命令報(bào)文出口時(shí)間不大于100 ms的要求。

圖7 無功調(diào)壓GOOSE輸出時(shí)間截圖

同樣可測(cè)試電壓由57.74 V變化到51.96 V無功調(diào)壓動(dòng)作時(shí)間為9.072 ms，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

2.3 主備切換時(shí)間試驗(yàn)

從儲(chǔ)能電站可靠性角度，協(xié)調(diào)控制器為主備雙套運(yùn)行機(jī)制，為保證主備機(jī)可靠切換，協(xié)調(diào)控制器應(yīng)具備運(yùn)行、備用、檢修和失電故障4種工作狀態(tài)。只有主機(jī)和備機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)才能進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)主備切換，主機(jī)正常運(yùn)行時(shí)備機(jī)運(yùn)行狀態(tài)為GOOSE靜默，實(shí)時(shí)監(jiān)視主機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，切換為主機(jī)后發(fā)送一致的GOOSE，同一時(shí)刻只有1臺(tái)為主機(jī)。

2.3.1 檢修-主備切換時(shí)間試驗(yàn)

檢修狀態(tài)為裝置投入檢修壓板，備機(jī)切換為主機(jī)，切換過程中不出現(xiàn)雙主機(jī)，主備切換時(shí)間不大于100 ms。

測(cè)試環(huán)境如圖2所示，測(cè)試步驟如下：①將主協(xié)調(diào)控制器檢修壓板開入串聯(lián)接入繼保測(cè)試儀開出信號(hào)；②通過繼保測(cè)試儀輸出兩路并聯(lián)三相電壓輸出端口與被測(cè)裝置主機(jī)和備機(jī)的電壓采集端口連接，頻率穩(wěn)定在50 Hz，開出信號(hào)為分位；③15 s整秒時(shí)刻開出變?yōu)楹衔唬|發(fā)裝置檢修；④網(wǎng)絡(luò)抓包與分析工具監(jiān)聽被測(cè)裝置發(fā)出的報(bào)文，記錄開出變位時(shí)刻與備機(jī)發(fā)出GOOSE報(bào)文時(shí)刻的時(shí)間差。

繼保測(cè)試儀狀態(tài)序列維持15 s開出信號(hào)變位，備機(jī)GOOSE輸出時(shí)間如圖8所示，因此檢修狀態(tài)對(duì)應(yīng)的主備切換動(dòng)作時(shí)間為15.404 ms，滿足主備切換時(shí)間不大于100 ms的要求。同時(shí)，主機(jī)停止發(fā)送GOOSE，滿足切換過程中不出現(xiàn)雙主機(jī)的要求。

圖8 備機(jī)GOOSE輸出時(shí)間截圖

2.3.2 失電故障-主備切換時(shí)間試驗(yàn)

失電故障為關(guān)閉主機(jī)電源，備機(jī)切換為主機(jī)，切換過程中不出現(xiàn)雙主機(jī)，主備切換時(shí)間不大于100 ms。

測(cè)試環(huán)境如圖2所示，測(cè)試步驟如下：①將主協(xié)調(diào)控制器220 V DC電源串聯(lián)接入繼保測(cè)試儀開出信號(hào)；②通過繼保測(cè)試儀輸出兩路并聯(lián)三相電壓輸出端口與被測(cè)裝置主機(jī)和備機(jī)的電壓采集端口連接，頻率穩(wěn)定在50 Hz，開出信號(hào)為合位；③130 s整秒時(shí)刻開出信號(hào)為分位，觸發(fā)主機(jī)斷電；④網(wǎng)絡(luò)抓包與分析工具監(jiān)聽被測(cè)裝置發(fā)出的報(bào)文，記錄備機(jī)閉鎖開入信號(hào)由0到1的SOE變位時(shí)刻與備機(jī)發(fā)出GOOSE報(bào)文時(shí)刻的時(shí)間差。

繼保測(cè)試儀狀態(tài)序列維持130 s開出信號(hào)變位，對(duì)應(yīng)SOE事件如圖9所示，GOOSE輸出時(shí)間如圖10所示，因此，失電狀態(tài)對(duì)應(yīng)的主備切換動(dòng)作時(shí)間為4.363ms，滿足主備切換時(shí)間不大于100 ms。同時(shí)，主機(jī)停止發(fā)送GOOSE，滿足切換過程中不出現(xiàn)雙主機(jī)的要求。

圖9 SOE事件信息截圖

圖10 備機(jī)GOOSE輸出時(shí)間截圖

3 結(jié)論

協(xié)調(diào)控制器作為儲(chǔ)能系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，承擔(dān)協(xié)調(diào)控制等諸多功能。為充分驗(yàn)證其關(guān)鍵技術(shù)的性能，本文搭建了基于網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的協(xié)調(diào)控制器閉環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)，詳盡描述平臺(tái)硬件及軟件關(guān)鍵元素，并對(duì)其功能特性進(jìn)行分析。同時(shí)，對(duì)儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制器的一次調(diào)頻、無功調(diào)壓及主備切換等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)方法詳實(shí)、科學(xué)合理，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了協(xié)調(diào)控制器的各項(xiàng)功能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，為儲(chǔ)能電站的建設(shè)、設(shè)計(jì)及協(xié)調(diào)控制提供工程經(jīng)驗(yàn)。