智能社区电池储能监控系统设计与开发

白纪军

(上海芮舟信息科技有限公司，上海 201899)

储能系统监控是整个储能系统的高级控制中心，负责监控储能系统中各个储能设备的运行状态，保证储能系统处于最优的工作状态。储能系统监控是联系电网调度和储能系统的桥梁，一方面储能监控系统要接收电网调度指令，可与负荷预测系统相互配合，实现各种储能控制策略，另一方面要把电网调度指令按事先设计好的算法，分配至各个储能支路，提高设备的运行寿命，同时监控整个储能系统的运行状态并分析运行数据，确保储能系统处于良好的工作状态[1-3]。

随着储能电站数量的不断增加和储能设备的成熟，未来的储能电站都将会向智能化、无人值守的方向发展。一座储能电站对电网所起的作用非常有限，如何把各个分散的储能电站集中起来控制并统一调度，从而更大限度地发挥每个储能系统的性能，体现储能电站的整体优势，这更加凸显出储能系统监控平台在储能系统中的协调控制作用。

1 智能社区电池储能监控系统的总体设计方案

1.1 电池储能监控系统需求分析

电池储能监控系统(SEMS)是储能系统的重要组成部分，负责监视储能逆变器(PCS)和电池管理系统(BMS)的运行情况，通过储能监控平台可以实时了解电网侧、电池侧的运行情况，并把信息进行分类、处理，以不同的形式进行显示，方便以直观方式让运行维护人员实时了解系统的运行状态，作出最优的充放电策略；同时对重要数据进行分类整理、存储，方便运行维护人员对系统各部分进行研究评估。智能社区电池储能监控及子系统的层次结构如图1所示。

图1 智能社区电池储能监控及子系统的层次结构

为实现对电池储能系统及储能并网装置的状态监控及数据采集，需要各系统间进行有效配合与通信，同时监测系统可就地上传相关信息到储能监控系统。

1.2 电池储能监控系统的总体设计

1.2.1 设计目标

电池储能监控系统软件的设计目标，是依托社区低碳能源管理系统的集成关键技术研究与应用项目，设计一套智能社区电池储能监控系统，实现对智能社区内一套100 kW/200 kWh的锂电池储能系统的储能综合管理。

1.2.2 设计原则

电池储能监控系统在设计时考虑了以下原则。

(1)迭代式的系统设计原则。

(2)原来的成熟技术与当前先进技术相结合的原则。

(3)储能控制系统的可扩展性原则。

1.2.3 电池储能监控系统的模块化设计

电池储能监控系统在设计过程中，采用模块化设计思想，可使软件的整体结构更加清晰且功能明确，方便系统开发人员的分工协作，系统的测试与维护也比较简单。电池储能监控系统的部分功能模块及各模块间的层次关系如图2所示。

图2 智能社区电池储能监控系统模块图

(1)通信接口：采用RJ45网络口连接，采用TPC/IP协议交换数据。

(2)数据采集：通过发送召测命令，轮流收集各子系统的运行数据，并做相应的分类处理，根据上级系统请求，发送相应格式的数据。

(3)数据处理：根据系统对数据的需求，做相应的偏移量、换算、移位等数据操作处理，转换为系统所需要的数据类型。

(4)数据显示：以曲线、列表、柱状图等方式显示系统运行的实时数据以及某一时间段数据的变化趋势。

(5)数据存储：把数据进行分类，分别存储到不同的数据库与表中。

(6)数据查询：以列表或曲线的方式返回查询的数据。

(7)遥控命令：对每个子系统储能并网装置的启动、停机与复位等进行遥控命令。

(8)事件与报警：显示并记录系统运行报警与事件。

(9)用户管理：包括用户的添加、删除、修改等功能。

(10)用户报表：对历史数据进行分类处理，以报表的形式显示和存储。

2 电池储能监控系统的软件开发

2.1 电池储能监控系统的数据库及功能

电池储能监控系统采用数据库的方式存储数据，可方便数据的存储和管理，MySQL数据库有功能完善的数据库管理系统，能有效组织和管理大量存储在数据库中的数据。数据库的设计是管理系统开发的一个重要步骤，是实现历史数据查询和历史事件分析功能模块的基础[4-5]。

PCS有历史数据表，也可用来保存PCS运行的实时运行数据。PCS的历史数据与事件的查询过程基本相似，设置好查询条件后，软件根据查询条件生成数据库查询语句，打开数据库链接，查询所有符合条件的历史数据，把返回的结果进行相应的处理，然后生成报表或曲线显示在用户界面，历史数据查询流程如图3所示。

图3 PCS历史数据查询流程图

由图3可知，在进行PCS历史数据查询时，事件结构内部采用一个平铺式顺序结构来保证执行顺序：第一步根据用户输出的查询条件，判断所要查询的数据库和数据表，把日期格式转换为查询条件字符串；第二步打开数据库，查询符合条件的历史数据，把变体类型数据转换成字符串格式，以表格形式显示在用户界面，同时把变体类型数据创建波形数据，输出给波形图表，在软件界面上显示为历史曲线。

2.2 数据采集模块功能开发

通信服务器会对所有接入系统的智能终端统一管理，客户端软件在通信链路方面的设计比较简单，只需要建立和维持与通信服务器之间的一个链接就可以。召测命令，即事先写入到一个数组常量中去，通过数据索引，依次得到数组内的每一条命令，根据数组的大小，也就是数组内命令的条数，通过每次调用增加索引值来实现这一功能，读取召测命令软件实现的程序由3条报文组成，在无用户界面操作的情况下，系统会依次执行这3条命令。

可以通过输入不同的设备地址、功能码和寄存器地址来动态生成召测命令，但每一次都要计算校验码，这会增加计算量。当通信协议确定下来后，召测报文就不会改变，这与参数设置是不同的，因为在参数设置时，每次用户输入的参数是不一样的，事先不可能把所有可能的情况都事先算好，从系统执行效率方面考虑，数据召测命令才采用这种事先计算好每条命令的校验码，生成一个数组常量，这样软件每次执行到这一步的工作就是取出事先计算好的召测命令，而不用再花费时间和系统资源去生成指令了。

2.3 数据显示模块功能开发

对收到的用户数据簇，首先检查校验结果，如果校验错误，则丢弃本数据包，读取下一组数据；如果校验正确，则根据设备地址、功能码和字节长度，区分不同设备的数据，并根据通信协议的约定，进行系数和偏移量的处理，得到最终显示给用户的数据，并以不同形式显示出来，如曲线图、柱状图、表格等直观的形式来展现。

电池储能监控系统的主要用户界面显示了功能模块，如储能系统图、实时曲线、告警信息、PCS控制、历史数据、告警查询等。

电池储能监控系统前面板显示的实时运行数据的来源分为2个部分：储能并网装置的数据主要为上边交流侧部分，主要参数是与电网相关的运行数据，如三相电压、三相电流、交流功率等；下半部分主要为从电池管理系统上传的数据，显示的主要是与电池相关的运行数据，如直流功率、直流电压、直流电流、电池荷电状态(SOC)、单体电压最大值及位置、单体电压最小值及位置、单体温度最大值及位置、单体温度最小值及位置等。

2.4 系统运行控制功能开发

电池储能监控系统的运行可以实现运行人员的手动控制。储能管理系统主要的控制单元是储能并网装置，对储能系统的控制也就是控制储能并网装置的运行，电池管理系统也需要有相应的指令信号才能启动电池，因为电池系统内断路器、开关等装置在电池启动时需要打开，才能保证电池组正常工作。在系统设计时，为使电池储能监控系统更简单实用，这部分的控制功能是远程监控系统通过控制储能并网装置实现的，由储能并网装置发送启动指令给电池储能监控系统，完成整个系统的启动。

电池储能监控系统的4个运行状态以及相互之间的转换关系见图4。为使电池储能监控系统保持最低的能量消耗，系统会关闭风扇等设备，当系统处在就绪或是运行状态时，设备启动。

图4 电池储能监控系统状态转换

在软件实现方面，主要采用事件结构来实现这部分的功能。每一功能按钮对应一个事件分支，为防止误操作，在遥控命令发出前，有些事件分支会提醒操作人员是否要进行该操作，有些遥控命令报文格式是固定的，如启动、停止、复位等命令，可以事先计算好校验码，直接把命令报文写在程序中。

3 结语

电池储能监控系统依据统一规范的系统集成模式和标准规范体系，可实现智能电网与传统社区的智能化融合，充分展现智能电网的最新研究成果和经济高效、节能环保的内涵，加强对用户用电的监管力度，引导终端用户优化用电结构，倡导科学合理的用电模式，满足社会对用电服务的多元化需求，扩大电力消费占终端能源消费的比重，最终达到提高经济效益的目的。