基于调峰调频的电池储能云平台应用与研究

邹伦森，彭鹏，刘邦金

（1. 广州调峰调频科技发展有限公司，广东 广州 510000 2. 南方电网调峰调频发电有限公司，广东 广州 510000）

1 概述

电池储能聚合智能管理平台，解决电池储能、光储充、充放电桩，光伏等系统的数据接入、信息通信及协调控制等技术问题[1-9]。主要内容包括研究海量数据分布式实时存储计算技术，研究调峰调频应用场景下电池储能的聚合管理和控制策略。随着能源政策不断完善、电改的逐步深入，储能在推动能源变革和能源互联网发展中的多元化作用将全面体现。尤其是在电力现货市场逐步建立和完善的前提下，用户侧工/商/居民储能、电动汽车移动储能等用户侧分布式储能资源的多重化价值将显现，收益空间进一步扩大。以“互联网+”为手段，以智能化为基础，通过提升分布式储能设施的信息化管控水平，实现网络化运营管理，将促进分布式储能资源开放共享和高效利用。

2 研究内容及目标

研究的主要内容是通过调峰的电池储能智能管理平台，实现充电运营管理子系统、储能监控管理子系统、电动汽车动力电池监控子系统、智能调度子系统在平台上的接入和使用[10-12]。

目标是实现一个基于调频调峰的电池储能智能管理平台，接入管理分布式储能电站、光储充一体储能系统和双向 V2G 充电桩，能够实现 V2G 双向充放电，实现能量的分配和调度。通过在每个节点部署一个智能本地控制终端，实现信息流在节点和平台间的双向通信。智能本地控制终端除满足安全的双向通信外，还需具备 IEC 61850、AGC 等通讯控制能力，以及实现充电桩、储能电站标准化接入流程，快速管理分布式系统，实现跨虚拟片区的能量调度。

3 系统架构

项目总体架构以安全接入多种异构系统、实现多系统聚合调度为目标，在满足电力二次安全防护管理规定的基础上，实现布置分散的电池储能、充电桩、光伏、光储充等系统的接入与管控，具备调度 OCS 控制系统与云平台进行交互的能力。

分布式站点数据主要来源于各站点生产监控系统，通过专网将数据传输至电池储能聚合智能管理平台。站点数据通过专网到达安全接入区后，再通过正、反向隔离装置分别和控制一区服务器，管理三区服务器进行通信。管理三区通过内外网交换平台与阿里云服务器进行通信。

4 云平台架构介绍

基于云平台构建接入安全、响应灵活的电池储能智能管理通信网络，实现海量数据采集与处理、能量双向流动的监控，满足布置分散的电池储能系统、充电桩、光伏系统的接入与管控需求。因此，项目总体架构按照系统分散布置、终端安全接入、云平台处理的原则来设计，采用 CANBus/RS485 等方式把电池储能系统、充电桩、光伏系统接入控制终端，再使控制终端通过专有网络接入云平台，而云平台具备安全防护、数据处理中台和多场景应用管理的功能，从底层到顶层支撑分布式部署的电池储能系统、充电桩、光伏系统的接入与管控（见图 1）。

图1 系统总体架构图

电力监控系统的安全直接影响电网的安全[13-15]，所以项目系统安全接入设计如下：研制具有可信芯片的控制终端，强化硬件接口防护，增加接口访问身份认证机制；开发基于可信芯片的操作系统安全应用，能够验证应用的来源和完整性（包括加载固定地址、文件内容校验、升级失败回滚等），避免运行恶意程序；对终端应用和移动端应用与后台服务器通讯接口都采用基于证书的安全加密方法，确保数据在网络传输过程中不会被劫持或监听，确保应用安全；所有应用代码和可执行程序都采用代码混淆方式，避免逆向工程；增加数据采集、存储、使用环节管控，确保数据安全；在终端和服务器间，应采用证书秘钥等机制加强升级认证。

5 云平台技术实现

5.1 总体架构

项目总体架构以安全接入多种异构系统，实现多系统聚合调度为目标，在满足电力二次安全防护管理规定的基础上，实现布置分散的电池储能、充电桩、光伏、光储充等系统的接入与管控，具备调度 OCS 控制系统与云平台进行交互的能力。分布式站点数据主要来源于各站点生产监控系统，由控制终端和安全加密装置通过专网将数据传输至电池储能聚合智能管理平台。站点数据通过专网到达安全接入区后，再通过正、反向隔离装置分别和控制I 区服务器、管理 Ⅲ 区服务器进行通信。管理 Ⅲ 区通过内外网交换平台与阿里云服务器进行通信。

5.2 安全防护方案设计

（1）应对电池储能聚合智能管理平台上下游环境的安全风险进行总体分析，而且主要从分布式站点接入和平台综合防护能力两方面进行安全防护建设。

（2）分布式站点数据主要来源于各站点生产监控网，通过专网传输至电池储能聚合智能管理平台。由各站点部署安全加密装置实现对传输数据的加密。

（3）分布式站点数据通过专网到达安全接入区后，通过安全加密网关对加密数据进行解密。数据解密后由安全接入区服务器通过正反向隔离装置分别和生产控制 I 区服务器、管理 Ⅲ 区服务器进行通信。

（4）生产控制区（I 区）边界部署纵向加密装置通过调度数据网和各级调度 OCS 进行通信。

（5）管理区（ Ⅲ 区）边界部署防火墙通过综合数据网和调度私有云平台进行通信，实现访问控制和边界隔离。

（6）管理区（Ⅲ 区）通过内外网交换平台与双调租赁阿里云服务器进行通信，实现数据的安全传输。

（7）重要的服务器和通信网关使用国家指定部门认证的安全加固操作系统，并采用加密、认证和访问控制等安全防护措施。

5.3 硬件配置原则

（1）系统结构配置充分体现分层分布和开放性、可移植性和可扩充性。在满足运行可靠和各功能的前提下，尽量优化硬件配置，以实现简单、可靠，便于维护。

（2）电池储能聚合智能管理平台作为本项目的控制核心，重点强化其配置和功能以及数据的处理、存储能力、分析能力。

（3）电池储能聚合智能管理平台及其终端设备之间的通信采用数字化、网络化通信，并以专线网络为主要的网络形式，增加信息交换量，增强通信能力。

5.4 安全接入区

在安全接入区与生产控制大区的网络边界部署电力专用安全隔离装置，实现数据传输和物理隔离。在安全接入区与专用通信网络的边界采用加密认证措施，为运行维护单位安全接入区和业务终端的纵向数据通信提供认证与加密服务，实现数据传输的机密性、完整性和抗抵赖性保护。

5.5 储能聚合平台生产控制区（I 区）

搭建在南网双调机房内，按生产控制 I 区安全管理，主要实现对接入的储能电站和充电桩进行实时监测和聚合控制功能。要求数据实时性高，但是目前仅仅下发远程控制指令。通过调度数据网，接入总调/中调/低调 OCS，接收调度指令，并且将聚合控制指令发送到安全接入区。由安全接入区服务器处理聚合控制指令，下发到储能电站或充电桩。

5.6 储能聚合平台管理区（Ⅲ 区）

按生产控制 Ⅲ 区安全管理，主要实现将安全接入区接收到的数据，通过综合数据网，转发到总调私有云平台（总调云平台 Ⅲ 区），并且在总调私有云平台实现高级数据分析应用。目前实现的另外一条数据通路为：管理区（Ⅲ 区）将安全接入区接收到的数据，通过内外网交换平台，转发到DMZ 区。然后，DMZ 服务器将数据上传到双调租赁阿里云。

5.7 双调阿里云平台

双调阿里云平台对实时数据进行解析、存储、计算和分析。聚合控制云、充放电运营管理云、储能监控管理云、电池监测管理云、智能分析云、新能源监测云都部署在该平台。该平台可以通过因特网接入第三方储能系统数据，提供系统监测、数据分析和远程控制等功能。后期，可通过内外网交换平台，储能聚合平台管理区（Ⅲ 区）将第三方储能系统数据发送到总调云平台。

5.8 总调私有云平台

总调私有云平台对实时数据进行解析、存储、计算和分析。聚合控制云、充放电运营管理云、储能监控管理云、电池监测管理云、智能分析云、新能源监测云都部署在该平台。总调私有云平台可以通过 DMZ 技术对互联网开放 web 或 app 应用，同时该平台可以保证数据安全。

6 云平台的实现

6.1 正反向隔离

安全接入区服务器向生产控制区（I 区）服务器和管理区（Ⅲ 区）服务器，通过反向隔离传输E 文件，主要用于传输系统数据。生产控制区（I区）服务器和管理区（Ⅲ 区）服务器向安全接入区，通过正向隔离传输 E 文件，主要传输控制命令等数据。

6.2 DMZ 数据传输

内外网交互平台客户端 IDC 服务部署在管理区（Ⅲ 区）服务器，内外网交互平台服务端 DMZ 服务部署在堡垒机位于 10.152.7.105 服务器。两台服务器均部署内外网交互平台的客户端和服务端，能够实现反向通讯。管理区（Ⅲ 区）服务器通过 IDC客户端将数据发往 DMZ 堡垒机。堡垒机接收到数据后与阿里云进行通讯。

6.3 生产控制区（I 区）服务部署

生产控制区（I 区）服务器 192.168.1.1 部署储能系统数据解析程序。该程序扫描反向隔离指定的文件夹，将反向隔离传输的数据文件解析，访问数据库进行原始数据存储。程序及运行指令如下：生产控制区（I 区）三台服务器部署 CDH 集群，用于管理 spark，hbase 服务等，实现数据分布式存储以及数据计算等功能。集群的运行情况可在可视化页面进行监控和运维。另外，安装关系型数据和缓存数据库，用于管理系统静态数据和临时访问数据。

6.4 双调阿里云服务部署

阿里云服务器部署 CDH 集群，用于管理 Spark，YARN，HDFS，Hbase 服务，实现数据接入、解析、存储、计算、分析等功能。Spark 是专为大规模数据处理而设计的快速通用的计算引擎。Spark是一种通用并行框架，拥有 Hadoop MapReduce 所具有的优点，但不同于 MapReduce 的是 Job 中间输出结果可以保存在内存中，从而不再需要读写HDFS，因此 Spark 能更好地适用于数据挖掘与机器学习等需要迭代的 MapReduce 算法。项目中使用 spark 程序解析原始数据，并对原始数据进行数据分析，为数据的展示提供基础服务。YARN （Yet Another Resource Negotiator，另一种资源协调者）是一种新的 Hadoop 资源管理器。它是一个通用资源管理系统，可为上层应用提供统一的资源管理和调度，它的引入为集群在利用率、资源统一管理和数据共享等方面带来了巨大好处。HDFS 是基于Hadoop 设计的分布式文件系统。它是一个高度容错性的系统，能提供高吞吐量的数据访问，适用于大规模数据集上的应用。HBase 是一个分布式的、面向列的数据库，适合于非结构化数据存储的数据库。项目中使用 Hbase 存储各异构项目的系统历史数据，方便扩容，有利于大量系统数据存储。除大数据群集框架外，阿里云部署 Mysql 和 Redis 数据库。Mysql 数据库用于存储各站地系统的静态信息、配置信息、数据计算结果以及云平台用户信息等数据。Redis 数据库主要用于存取各站地系统的配置信息，更新系统数据等。阿里云提供 web 服务，用于展示接入云平台的站地数据。实现聚合控制云、充放电运营管理云、储能监控管理云、电池监测管理云、智能分析云、新能源监测云的功能展示。

6.5 宝清调频电站数据接入

宝清二期数据从控制终端发出，经过安全加密装置，由专有网络传输，发往安全接入区。安全接入区数据通过正反向隔离设备发往生产控制区（I区）和管理区（Ⅲ 区）。生产控制区（I 区）可直接对数据进行处理、展示，并可以对宝清调频电站下发控制。控制命令由 web 用户触发。web 服务端将命令下发到正向隔离指定位置，经过正向隔离到达安全接入区服务器，再由安全接入区服务器将数据发送到终端。然后，终端对站地下发指令，以达到远程控制的目的。管理区（Ⅲ 区）接收到数据后，通过内外网交互平台将数据发送到阿里云。在阿里云平台实现对电站的实时监控、告警等功能。

7 结束语

本项目旨在开发电池储能聚合智能管理平台，解决了电池储能、光储充、充放电桩，光伏等系统的数据接入、信息通信及协调控制等核心技术问题[16-18]。主要内容包括研究海量数据分布式实时存储计算技术，研究调峰调频应用场景下电池储能的聚合管理和控制策略，在以上成果的基础上，开发电池储能聚合智能管理云平台。本项目的实现对储能行业的规模化发展有很积极的意义。