用户侧储能电站能量管理系统的设计

杨 杰

上海电气分布式能源科技有限公司 上海 200070

1 设计背景

储能技术对新能源产业的发展具有重要影响,应用储能技术可以有效解决新能源发电的波动性和随机性,从而使低密度、间歇性的可再生能源得以高效应用[1]。储能系统是电力系统的重要组成及关键支撑,目前已广泛应用于电力系统中的多个环节,主要包括发电侧、电网侧、用户侧[2]。笔者设计了一种用户侧储能电站能量管理系统,可以实现对整个储能系统运行状态及运行数据的实时监测,确保系统安全运行、稳定可靠,同时能够有效实现削峰填谷、需求侧响应、动态需量控制,从而提高用户的电能质量,降低用户的用电成本。

2 设计需求

用户侧储能电站能量管理系统实时采集储能电站的状态信息、保护信息、开关信息、电气信息,通过能量管理策略对储能电站进行管控,以保证储能电站安全、稳定、有效运行。用户侧储能电站能量管理系统的设计需满足三个方面的要求[3]。

(1) 储能电站监控设备多,设备信息量大。储能电站除了常规的供配电设备,如并网开关、箱变测控、微机保护、电表、空调、消防等需要监控外,还需要对储能双向变流器、电池管理系统的数据进行采集。由多个电池单体并联组成一个电池模组,多个电池模组串联组成一个电池簇,多个电池簇并联形成电池堆。对于1 MW储能电站,系统除采集电池堆和各电池簇电流、电压、温度、状态、报警、保护、剩余电量等信息外,还要采集8 000～10 000个单体电池信息,主要包括各单体电池的电压、温度、剩余电量、健康度等。系统的数据量大,接入设备多,对于性能和通信网络的组建具有较高的要求[4]。

(2) 系统的响应速度要求快,控制策略复杂。储能电站双向变流器的启动、停止与各个工况的切换需要在几百毫秒甚至几十毫秒内做出响应,监控系统从通信指令下发到储能双向变流器执行指令返回,时间很短。能量管理策略需要通过实时采集的数据信息做出判断,并及时进行响应[5]。

(3) 储能电站分层保护。储能电站的保护主要分为三层。第一层为配电保护,是对变压器和馈线进行的保护。第二层为储能双向变流器保护,是对储能各子系统进行的保护。第三层为电池管理系统保护,在电池过充、过放、过温等情况下断开主回路,以保护电池安全[6]。

3 储能电站概况

3.1 电气结构

以上海海立电器西厂项目为例,海立电器西厂安装一套1 MW、3.5 MWh磷酸铁锂储能电站,共预留两个10 kV/400 V配电站,每段400 V母线预留储能子系统接入。每个配电站10 kV侧采用双电源独立供电,供电方式为电网接入。储能电站采用储能子系统配置方案,共分为两个储能子系统,每个储能子系统的容量为0.5 MW、1.75 MWh。储能子系统采用11.8 m×2.13 m×2.18 m集装箱集成方式,通过低压配电房两个储能并网柜400 V低压接入。海立电器西厂储能电站电气结构如图1所示。

储能子系统包含电池及电池架、电池管理系统、储能双向变流器、温控系统、动环监控系统、二次系统配电、电池组汇流、照明系统等部分,其架构如图2所示。

图1 储能电站电气结构

3.2 通信架构

以海立电器西厂项目为例,储能电站通信架构分为四层:运维平台、监控与策略层、通信组网层、设备层。运维平台指分布式公司综合能源管理平台,负责收集、处理、分析各储能电站和光伏电站的信息与数据。监控与策略层由通信前置机、本地监控工作站、视频监控工作站、数据服务器、打印机组成,负责本地实时数据监控和存储、历史信息查询、故障记录与推演、电价收益、能量管理策略执行、报表打印等功能。通信组网层由光电交换机、通信管理机、输入输出模块、视频刻录机、无线路由器等组成,负责设备层数据信息的集成与传输。设备层由各通信设备组成,主要包括并网电表、进线电表、并网开关、箱变测控、微机保护、空调、消防、门禁、水浸、摄像头等设备。

图2 储能子系统架构

海立电器西厂储能电站通信架构如图3所示。

图3 储能电站通信架构

每个储能子系统共安装两个摄像头,通过网线连接至视频刻录机的有源以太网接口。视频刻录机采集、存储摄像头的视频数据,并将视频数据传输至视频监控系统。通信管理机主要接入四路RS485串行通信总线信号,包括储能子系统中门禁、消防、水浸三个干接点信号,以及并网开关信号、空调信号、不间断电源信号。通信管理机接入光电交换机,通过IEC 870-5-104通信协议将数据转发至本地监控工作站。箱变测控可采集微机保护的RS485串行通信总线信号,并通过IEC 870-5-104通信协议将数据整合转发至本地监控工作站。通信前置机负责采集能量管理策略所需的储能双向变流器、电池管理系统、电表数据,并通过策略运行的结果控制储能子系统的充放电,同时将数据通过IEC 870-5-104通信协议转发至本地监控工作站。本地监控工作站负责实时数据、设备监控画面和曲线的显示,历史数据的查询、报表打印等功能,并将数据定时存储于数据服务器。本地监控工作站通过消息队列遥测传输协议将所有数据发送至运维平台。

海立电器西厂储能电站储能子系统内部通信架构如图4所示。通过250 kW储能双向变流器,控制由六个电池簇并联形成的电池堆进行充放电。一个电池模组由12个单体电池并联组成,17个电池模组串联形成一个电池簇。每个电池模组都配备电池监控单元,负责每个电池单体的监控信息采集、内阻检测、电池一致性管理等。电池控制管理模块负责电池簇信息的采集,包括总电压和电流,对电池簇出现的异常进行报警与保护。电池管理系统负责实时数据计算、性能分析、故障报警信号处理与存储。电池监控单元将所有信息通过控制器局域网络总线发送至电池控制管理模块。电池管理系统、储能双向变流器通过控制器局域网络总线与各个电池控制管理模块进行交互控制。电池管理系统、储能双向变流器将数据通过Modbus-传输控制协议供通信前置机请求。

4 系统设计

用户侧储能电站能量管理系统采用客户机/服务器架构及分层思路设计,基于面向服务架构设计模式进行设计。系统特点是根据系统内部功能模块自身特点封装成独立运行的服务,使模块之间依赖关系变得松散耦合,从而降低系统设计难度,方便新模块嵌入,提高系统的可维护性、可扩展性及稳定性[8]。系统按照层次功能进行组织,表示层建立在业务逻辑层之上,业务逻辑层提供相应的功能接口供表示层使用。

用户侧储能电站能量管理系统架构如图5所示,主要分为四层:数据层、基础服务层、业务逻辑层、表示层[9]。

数据层负责与历史库和实时库进行交互,提供相应的数据库接口,供业务逻辑层访问使用。

基础服务层提供公共服务功能,同时开放访问接口,以便业务逻辑层及表示层各应用模块调用。基础服务层主要包括消息总线、权限管理、日志模块、服务总线。

业务逻辑层负责数据交互及整个系统的协调运行,包含收益计算服务、预测服务、能量管理服务、协议通信服务、数据转发服务、故障记录与反演等服务模块。每个服务模块独立运行,互不干扰,运行产生的处理结果供表示层及数据层使用。

表示层负责人机交互,提供可视化界面,以便用户操作和使用。表示层包括实时监控、数据查询、统计报表、辅助图表设置、参数配置等功能。

5 系统功能

用户侧储能电站能量管理系统主要包括通用功能模块、服务功能模块、应用功能模块三部分,三者之间相互支持与配合,提供系统对储能设备的实时监控、调度管理、故障报警等功能[10]。用户侧储能电站能量管理系统功能如图6所示。

图5 用户侧储能电站能量管理系统架构

图6 用户侧储能电站能量管理系统功能

5.1 应用功能模块

(1) 实时监控。用户可以查看界面所显示的储能设备各类实时数据,包括遥测、遥信、遥脉等。界面可以分为显示储能电站接线图的主界面和显示各设备详细数据信息的二级界面。系统可以循环显示报警和故障事件,包括遥测数据越限、遥信变位、通信状态、设备运行状况等。

(2) 数据查询。包括实时数据查询、历史数据查询、历史事件查询等功能,可以随时查看设备运行情况及发生的故障、产生的报警等事件信息。其中,实时数据查询界面可查看所有设备的实时数据信息,历史数据查询界面可选择任意时间点查看所选的数据信息,同时可将数据导入电子表格。在历史事件查询界面中,可以选择储能设备类型,也可以输入相应时间段对报警及故障信息、操作事件进行历史查询,从而对事件进行追忆,进一步分析储能设备故障的原因。

(3) 统计报表。包括日报表、月报表、年报表,用户可保存自定义报表模板,供下次使用。报表的数据可以在线查看,也可以导入电子表格。

(4) 控制命令下发。包括对可控设备遥调和遥控的操作。遥调指可调数值的下发,包括设定值和保护值。遥控指控制开关、断路器、刀开关的分合。对可控设备遥调、遥控操作需严格执行用户的权限管理,同时记录相应的操作事件。

(5) 参数配置。包括系统参数设置、计算量设置、越限参数设置、通信参数设置、厂站参数设置、能量管理设置等。

(6) 辅助图表设置。包括当前电价设置、历史充放电量设置、当日天气设置、实时发电量设置、历史累计发电量设置、节能减排设置、收益设置等。

5.2 服务功能模块

(1) 预测服务。分为2 h超短期预测和24 h短期预测,采用反向传播神经网络,以发电设备和用电设备的12 d历史数据为输入,结合天气情况给出相应的预测数据。

(2) 转发服务。提供相应的数据转发接口,实现与分布式公司综合能源管理平台的对接。5 min定时将本地所有实时数据通过消息队列遥测传输协议发布至分布式公司综合能源管理平台,供分布式公司综合能源管理平台查询与分析。

(3) 能量管理服务。根据用户的用能需求,可定制多种运行策略。目前系统能量管理策略有削峰填谷、负荷跟随、功率分配、动态需量、电池保护。

(4) 协议通信服务。实现通信多通道建立和管理,包括数据采集、处理、下发,并支持电力行业通用标准规约,如Modbus传输控制协议、IEC 870-5-104通信协议等。

(5) 收益计算服务。可配置夏季和非夏季电价,依据时段电价,实现发电侧设备及用电侧设备的收益计算,并统计系统总收益。

(6) 故障记录与反演。通过触发事件记录,如遥测越限、遥信变位,保存设定时间范围内的实时稳态数据断面,如事故前10 s与事故后10 s。用户可以进行推演查询,观察设备故障的原因。

5.3 通用功能模块

(1) 服务总线。可对服务总线上新的服务进行封装和注册,同时可对服务进行监控与管理。当服务出现故障或不在线时,服务总线可对服务进行重置,确保系统安全有效运行。

(2) 消息总线。基于事件的消息总线可按照发布与订阅模式发送及接收服务功能模块的消息,并以接口的形式提供给应用功能模块。消息总线可以传输遥测数据、遥信变位、控制指令等各类事件。

(3) 日志模块。负责各功能模块运行日志的显示与记录,可以查询任意时间范围内的日志信息,以便系统管理员分析故障原因。

(4) 权限管理。根据用户的不同职能,分配相关的系统权限。系统的权限主体按照层次划分包括角色、用户、组三种。登录系统时,所有人员需进行身份认证,不同的人员操作权限不同。

6 系统策略

用户侧储能电站能量管理系统策略主要包括削峰填谷、负荷跟随、功率分配、动态需量、电池保护。

(1) 削峰填谷。根据当地夏季和非夏季峰平谷电价,结合储能双向变流器自身充放电能力进行设置。处于电价低谷,电池充电,处于电价高峰,电池放电,从而利用峰谷电价实现峰谷获利[7]。在电池性能允许的情况下,为尽快收回成本,也可平价充电,即非夏季采用两充两放,夏季采用三充三放。

(2) 负荷跟随。负荷跟随指储能系统放电功率跟随储能系统负载功率变化而变化。此外,可以获取储能并网电表的有功功率,计算得到负载功率而进行负荷跟随。负荷跟随时,需要保证负载功率采集速率及储能双向变流器响应的实时性,控制周期为毫秒级。

(3) 功率分配。根据储能子系统当前的充放电能力及储能系统功率需求,确定每个储能子系统所分配的功率。功率分配可保证每个储能子系统平均出力,协调运行,同时使每个储能子系统保持剩余电量一致,从而提高储能系统效率,延长储能系统使用寿命。

(4) 动态需量。每15 min动态监测储能系统进线功率,以最大值为计算动态需量。通过动态需量策略,可以确保储能系统充电使用电量不超过需量值。动态需量每月25日10时进行重置。

(5) 电池保护。根据电池剩余电量状态进行判断,避免电池过充及过放。当剩余电量较低时,限制储能子系统的放电功率。当剩余电量较高时,限制储能子系统的充电功率。通过电池保护策略,使各储能子系统的电量保持在同一水平,延长储能子系统的使用寿命,保证储能电站长期稳定运行。

7 结束语

笔者设计了一种用户侧储能电站能量管理系统,具备实时监控、收益计算、数据查询、统计报表、控制命令下发等功能,采用削峰填谷、负荷跟随、动态需量、电池保护等策略,目前已在多个储能电站安全稳定运行。海立电器西厂项目用户侧储能电站能量管理系统运行界面如图7所示。这一系统已达到行业内相关标准和技术要求,提高了储能电站的运行效率和管理能力,取得了很好的经济收益和社会效益。

图7 用户侧储能电站能量管理系统运行界面