一种用于监控江苏省储能电站的储能数据中心系统研发

李剑，祝永晋，马吉科

（江苏方天电力技术有限公司，南京210000）

0 引言

国内目前已有部分针对储能监控系统的研究，文献[1]设计了一种MW 级钠流电池储能监控系统，主要用于跟踪计划发电、平滑风光功率输出、削峰填谷和参与系统调频。文献[2]设计了一种锂电池储能监测系统，实现对储能双向变流器（PCS）和电池管理系统（BMS）的监测，并研究了一种电池核电状态（SOC）的估算方法，将其应用到锂电池储能监测系统中。目前江苏省缺少对所有储能电站进行监控的系统。

江苏省储能电站的储能电池主要为磷酸铁锂电池、钠硫电池、铅炭电池、铅酸电池、三元锂等，均为电化学储能电池[3]。目前江苏省储能监控方面还存在如下缺口：

（1）缺乏对储能电站关键设备信息的采集；

（2）缺乏对江苏省储能电站全网运行情况的统一监视，无法掌握全省储能电站总规模、年累计充放电量、装机容量及运行状态等信息；

（3）缺少储能电站指标分析，对于储能电站的可用系数、储能损耗率等没有有效的分析；

（4）缺少对储能电站关键设备的监测功能，缺少PCS、BMS 等关键设备的详细数据采集和精细粒度在线监测[4][5]。

针对上述问题，本文从电网调度的需求出发，参照国家及省级有关标准和要求，研发适用于江苏省电网规模和新能源并网特征的储能数据中心系统，该系统将储能电站的全量数据采集过来之后，对数据进行充分利用，通过可视化界面展示全省电化学储能电站的概览、运行情况、指标分析结果等信息。

1 系统总体方案及拓扑结构设计

储能数据中心系统主要对江苏省储能电站进行监控及指标分析，包括储能电站全网数据接入、全网运行监测；储能电站运行监测及指标分析；关键设备监控等。

1.1 系统拓扑结构设计

储能数据中心由储能采集服务、储能信息上报服务及分析服务组成，其系统拓扑结构如图1 所示。

（1）储能采集服务：储能数据采集由安装在电站侧的储能采集装置来完成，该装置负责采集PCS、BMS 等设备的全量数据。

（2）储能信息上报服务：负责收集采集到的全量数据，收集到的数据传输到储能数据中心。

（3）分析服务：对上报的数据进行数据整合及分析，通过储能数据中心的可视化界面实现电站监测、PCS 监测，实现储能电站指标分析、储能运行指标分析等功能。

图1 系统拓扑结构

1.2 系统技术架构

储能数据中心主要由数据接入服务、非结构化临时存储服务、大数据计算服务、归档历史存储服务、应用数据库和应用服务构成。技术架构图如图2 所示。

图2 技术架构

（1）数据接入服务：采集储能电站运行信息数据文件，存入非结构化临时存储服务；并根据规约解析成结构化数据发送数据总线。

（2）非结构化临时存储服务：用于存储并保留30天的原始数据文件。

（3）大数据计算集群：接收数据总线中的采集数据或主动抓取原始数据文件计算分析，保存过程数据，发布结果至“应用数据库”，定期归档历史至“归档历史存储服务”。

（4）归档历史存储集群：存储并保留5 年运行数据以及分析结果，并提供秒级数据查询功能。

（5）应用数据库：存储分析结果、热点数据，并提供高速查询功能。

（6）应用服务集群：储能数据中心各项应用，可以通过服务总线查询分析结果、热点数据、部分过程数据以及历史数据。

2 系统功能设计

按照页面划分，将储能数据中心页面划分为六个页面，如图3 所示。

图3 储能数据中心显示页面

按照功能划分，储能数据中心主要分为数据采集和数据分析两大模块。采集是指通过在电站安装的采集装置进行全量数据采集；数据分析是指对采集的数据进行整合分析，分析全网储能运行情况。储能数据中心系统结构功能图如图3 所示。

2.1 数据采集模块

数据采集模块主要实现储能电站关键设备的数据采集。在储能信息子站中安装信息采集装置，该装置主要负责收集PCS 变流器、BMS 电池系统等站内关键设备的信息。数据经整理后归档到装置内的数据库系统中，并根据具体要求及时向上级管理系统或其他系统转发。数据采集模块具体采集流程如图5 所示。

图4 系统功能结构图

图5 数据采集模块采集流程

数据采集模块的数据采集工作主要由“储能信息子站”来完成，采集后的数据经由“信息子站上报服务”最终上报至主站系统。采集数据及上报流程如下：

（1）在储能电站安全生产II 区部署一台“储能信息子站”装置，用于采集并保存储能电站关键设备数据。

（2）在符合电站I 区、II 区边界防护要求的前提下，通过安全I 区、II 区边界防火墙采集关键设备数据。

（3）根据采集配置信息，经过汇集模块汇聚数据，将数据保存至内置数据库中。

（4）汇集模块同时经过正反向隔离装置将数据上报至“信息子站上报服务”，“信息子站上报服务”再与“主站”进行网络通信，最终上报数据给主站。主站也可以根据特殊要求推送指令至储能信息子站，反向抓取指定周期、指定时间间隔的设备完整运行信息。

2.2 储能全网运行监测模块

该模块主要监测江苏全网储能运行情况、通过指定的指标对储能全网运行情况进行评价。

储能全网运行情况监控包含如下功能：

（1）储能全网信息展示：基于采集到的储能全量数据，计算储能总规模。在“全省储能总览”页面展示全网储能总规模、电网侧/用户侧各电站的装机容量分布情况、储能电站地理位置分布图。

（2）储能全网可充放电量展示：基于采集到的数据，统计全网储能电站的可充放电量，并在“全省储能总览”页面展示。

储能全网运行评价包含如下功能：

（1）根据采集到的储能全量数据，对全网的日充放电量、年累计充放电量进行统计，统计每日SOC 数据。将统计的数据结果展示在前台页面。

（2）通过指定的指标（综合效率、损耗率、站用电率、运行功率、可用系数）对全网储能电站进行评价。

（3）储能全网日充放电量、月充放电量统计，形成日充/放电趋势曲线。将全网每日充放电情况展示在前台页面。

2.3 储能电站运行监测模块

该模块主要监测江苏省内各储能电站的运行情况，并建立储能电站评价指标对储能电站进行评价。

储能电站运行情况监控包含如下功能：

（1）各储能电站主要信息展示：基于采集到的储能全量数据，在前台页面展示储能电站的档案信息，包括：所属地区、电站状态、电站类型、装机容量、投运日期、变流器厂家、型号及个数、电池厂家、电池型号及类型、电站占地面积及地理位置。

（2）储能电站充放电量展示：基于采集到的数据，统计各储能电站的月充放电量、年累计充放电量、充放电功率等信息。

（3）储能电站拓扑图展示：根据接入的数据信息以及储能电站的内部结构关系，绘制储能电站内部结构拓扑图并在前台页面展示储能电站内部各个组件的结构关系。

（4）储能电站3D 视图展示：根据接入的储能电站结构数据建立3D 模型，通过鸟瞰图展示电站的整体结构和各个设备分布情况。

储能电站运行评价即通过指定的指标（电站综合效率、储能损耗率、可用系数、停运系数）对江苏省各储能电站进行评价，评价结果在前台界面进行展示。

2.4 储能电站关键设备运行监测模块

该模块主要监测储能电站关键设备（PCS、储能电池）状态进行监测，并通过指定的指标对电池运行进行评价。

储能电站PCS 运行监测包含如下功能：

（1）储能电站PCS 基本信息展示：通过接入的PCS设备信息，在界面展示PCS 设备的基本信息，包括名称、电流变比、功率、设备型号、厂家、交流侧电流/电压等信息。

（2）储能电站PCS 运行情况监测：基于采集到的数据统计PCS 电压/电流日数据，形成每日电压/电流分析曲线，在界面展示当前PCS 电压/电流实时状态。

（3）储能电站PCS 单元结构展示：基于接入的PCS结构信息，分析各个升压变电池储能单元结构以及所属电池簇结构关系，形成拓扑图，并可展示电流、电压数据以及充放电情况，以及电池簇电流、电压、SOC 当前状态。

储能电站电池运行监测包含如下功能：

（1）储能电池运行状态监视：基于采集到的储能电站电池信息，在界面展示电池堆实时电压、电流、SOC、SOH 实时数据；计算电芯平均电压、平均温度并在界面进行展示。

（2）电池堆历史数据统计与查询：统计电池堆及所属电芯的日数据、月数据，包括电压、电流、SOC、SOH，电芯的平均电压和平均温度，可通过时间轴拖拽查询历史数据。

（3）电池簇能效分析：提供查询各个电池簇电压极差值、电压标准差系数、电池簇温度极差值的功能，以曲线图表形式展示实时数据。

储能电站电池运行评价即通过指定的指标（各型号电池电池组损耗率、等效循环系数、充放电功率、时长、温度），通过绘制各型号电池损耗率对比曲线、等效循环系数对比曲线、充电温度与时长对比曲线、放电温度与时长对比曲线、各类型电池充电功率与时长对比曲线、各类型电池放电功率与时长对比曲线）对电池运行状态进行评价，评价结果在前台界面进行展示。

3 结语

储能数据中心系统用于监控江苏省全网储能运行情况及关键设备运行情况。系统首页如图6 所示，该系统通过在储能电站侧安装采集装置采集储能全网信息（包括关键设备PCS 等信息），并对采集到的数据进行整合、分析后，实现全网储能电站运行情况及评价、储能电站关键设备（PCS、电池簇、电池堆）运行情况及评价功能。目前该系统已投入使用，通过该系统可掌握全省储能运行状态，提高调度管控水平。

图6 储能数据中心系统首页