信息化技术在分布式储能系统控制和管理中的应用

范 玮

(中煤科工清洁能源股份有限公司，北京 100013)

0 引 言

储能系统是智能电网系统、可再生能源高占比能源系统、能源互联网系统的重要组成部分和关键支撑技术[1]。随着风能、太阳能等新能源的快速发展，储能系统在智能电网中扮演着平衡能源供需、提供持续可靠电能和调节功率波动的重要角色，已成为分布式发电系统中不可或缺的关键组成部分[2]。储能系统管理是对储能系统进行科学、有效及综合的管理，其贯穿储能系统的规划、建设、运营和维护的各个阶段，有利于实现储能系统的高效运行和利用。储能系统管理可以确保储能系统实现满足电力需求、提高能源利用效率、降低能源成本和减少碳排放等目标。

分布式储能系统是储能系统的主要类型，通常由多个小型储能设备组成[3]，包括锂离子电池储能设备、钠硫电池储能设备和液流电池储能设备等。即分布式储能为容量小且普遍靠近于负荷段的储能配置形式，其功率一般介于几千瓦至几兆瓦之间，持续放电实际较短。每个小型储能设备由电池组、逆变器、BMS、储能控制器、监测和测量设备以及传感器与保护装置等组成。小型储能设备分布在不同的地点，例如住宅、商业建筑和工业厂房等。分布式储能系统的设备分布具有类型各异、规模不同、布置分散、数量众多的特点，因此对于分布式储能系统中的储能设备的监控和管理而言面临着巨大的挑战，通过信息化技术的利用则可显著提高效率。

分布式储能系统的信息化技术是指利用工业以太网和CAN总线交互技术并对分布式储能系统中各个储能设备的关键参数和状态进行实时在线数据监测[4]，通过对电池状态、电网连接、充放电、温度及故障检测与报警等关键参数的实时监测数据进行在线分析，及时了解系统运行情况，发现系统运行中异常或潜在的问题，采取措施进行调整和修复，并预测可能存在的隐患，为系统运行提供更精确的调整和优化。

1 分布式储能系统信息化管理

1.1 管理需求

分布式储能系统的主要业务需求通常包括管理跨区域的就地储能系统、不同条件下能量储存与释放、能量存储和平衡、峰值削减和负荷平滑、用户用能的相互隔离、支持微电网等，具体需求如下：

(1)管理跨区域的就地储能系统；

(2)针对各地储能系统实施不同的策略模式，如峰谷模式、需量模式、平滑模式等，即分布式储能系统可以在峰值电力需求时释放储存的能量，减轻电网的负荷压力，平滑电力需求曲线[5]；

(3)具有相关性的独立储能站可实现集中虚拟储能站，统一管理、集中调配，即分布式储能系统可储存多余的电能，并在需要时释放，以平衡供需之间的差异，提供持续和稳定的能源供应；

(4)可实现用户间相互隔离，即用户在自己的权限范围内监控自己的储能站；

(5)微电网的支持，即分布式储能系统在微电网发挥关键作用，实现能源的分散和可再生能源的集成，提供可靠的电力供应[6]。

1.2 能量管理拓扑系统

分布式储能的硬件拓扑结构通常以能量管理系统作为储能系统的核心，并通过与其他设备的接入而实现对储能系统的控制和管理[7]。分布式储能系统的能量管理拓扑系统如图1所示。

图1 分布式储能系统的能量管理拓扑系统

能量管理拓扑系统由能量管理系统、电池管理系统、空调系统、集装箱内相关设备组成,分述如下:

(1)能量管理系统。属于整个分布式储能系统的核心，主要用于监测、控制和管理储能系统的运行，还可用于接收上级调度指令，并将控制指令下发至储能逆变器进行功率控制。

(2)电池管理系统。用于监测和管理储能系统中的电池组，主要在电池堆里涵括电池管理、电池控制单元。

(3)储能逆变器。用于将储存的电能转换为交流电能供给用户终端或电网，通过控制信号调节储能逆变器的功率输出以调控储能系统的充放电过程，从而满足用户需求或实现电网调度。

(4)集装箱内相关设备。除了上述硬件外，还有一些与储能系统相关的设备，如消防、门禁、水浸等设备。此类设备可以通过传感器实时监测集装箱内的状态，并通过能量管理系统进行监控和报警，保障储能系统的安全性和可靠性[8]。

1.3 分布式储能系统的功能

分布式储能系统以服务器为控制核心，实时采集储能电池状态、充放电功率、电网电压和频率、负载需求、电池管理系统、储能逆变器、环境等相关信息。系统包括以下功能：

(1)安装消防传感器、门禁传感器、水浸传感器等，系统实时监控可能的火灾、入侵或漏水事件，确保储能系统的安全性和可靠性。

(2)储能云平台是1个集中式的数据存储和处理中心，用于管理、存储和分析分布式储能系统中的大量数据，提供数据的集中存储、数据处理和分析、远程监控和控制等功能。

(3)用户终端使用分布式云平台的如电脑、手机、平板等终端用户设备，用户通过终端设备与与云平台进行交互、访问数据、查看分析结果等。

储能云平台功能示意如图2所示。

图2 储能云平台功能示意

2 储能信息化系统管理的实现方式

2.1 分布式储能信息化总体架构

分布式储能信息化架构如图3所示。分布式储能信息化平台的主要功能包括监控分布式储能设备或系统的运行状态、执行需求响应业务、管理储能档案信息数据和业务数据。此外，该系统还利用门户系统提供信息访问服务。在系统设计时，需要采用平台化和模块化思维，以确保系统具备兼容性和可扩展性的特点。

图3 分布式储能信息化架构

分布式储能信息化平台是由设备层、通讯层、控制层及平台服务层组合而成，通过各层级的组合实现信息化平台的业务需求。

设备层是分布式储能系统的基础，是实现分布式储能系统功能和运行的关键部分。各种组成系统的具体设备和部件包括储能电站及配套、储能场站、光储充电站、以及各储能电站配到的传感器、储能逆变器、换流器、电表等。

通讯层是为了确保系统中的各个组件能够相互通信、协调工作，并实现整体的优化和管理。通讯层通常包括通讯协议、数采仪、控制指令传递、网络拓扑与路由等。

微电网控制层是分布式储能系统中的核心层级,负责协调和控制各设备的运行,并用于实现对系统的整体调度和控制。微电网控制层主要实现能量管理与调度、频率和电压控制、运行模式切换、故障监测和管理及数据采集与分析[9]。通过对能量、频率、电压等参数的监测和控制,实现对系统的整体调度和优化。该控制层具备智能化和自适应能力,根据实际需求和运行情况,灵活调整和控制储能系统的运行,实现能源的高效利用与系统的稳定性。

平台服务层具有用于提供系统管理、数据处理和应用服务等功能，具体应包括储能调度与能量管理、预测与优化、响应市场需求、远程监测和运维、用户接口与服务、数据安全等。

2.2 信息平台接入系统

在分布式储能信息系统中，需要接入电池管理系统(BMS)、能量管理系统(EMS)、储能逆变器(PCS)以及其他电气设备[10]。储能系统工作模式如图4所示，电池组将状态信息传递给BMS，BMS与EMS和PCS进行数据共享。EMS根据优化和调度决策向PCS和BMS发送控制指令，以完成对单体电池/电池组的充放电等操作。

2.2.1储能电池管理系统

储能电池管理系统(BMS)是用于监控和管理电池的关键系统，负责实时采集电池的电压、电流和温度等数据，并进行远程监控。BMS具备能量均衡功能，调整电池组内各电池模块的状态及提高系统的放电时间。BMS分为电池模块采集管理系统(BGMS)、节点电池管理系统2个主要模块，前者负责数据采集、能量均衡和通信功能，后者主要用于计算SOC、产生报警数据和控制充放电策略。

通过优化BMS功能和性能，实现对电池的全面监控和精确管理，提高系统的安全性和稳定性[11]。远程监控和数据分析可进一步优化电池的使用效率和寿命，提升电站的运行效果。

2.2.2能量管理系统

能量管理系统(EMS)用于对能源系统的监测、控制和优化，是整个储能系统中极为重要的核心，主要包括数据采集和监测、能量调度与优化、能源控制与自动化、故障诊断与维护和数据分析与决策支持等模块。EMS的主要目标为最大限度地提高能源效率、降低能源消耗和运营成本，同时确保能源供应的稳定性和可靠性。

2.2.3储能逆变器

储能逆变器(PCS)为在储能系统与电网之间实现电能双向流动的核心部件，用作控制电池的充电和放电过程并进行直流的交换。PCS的设计和性能对储能系统的效率、可靠性和稳定性至关重要，在储能系统中起到能量转换和功率控制的关键作用，确保储能系统能高效地存储和释放电能，从而满足电网调度和负载需求。

2.3 分布式储能能量管理系统功能

分布式储能能量管理系统功能主要包括数据采集与监测、远程监控与远程操作、能量管理与优化、数据分析与预测、能源交易、故障诊断与预警。

2.3.1数据采集与监测

实时采集和监测储能系统关键参数，如电池输出功率、储能系统的充放电状态、电池健康状况等。通过传感器和监测设备可获取系统运行数据，并将其传输至数据中心或远程监控平台。

2.3.2远程监控与远程操作

相关运维人员可以通过网络连接到储能系统，实时监测系统的运行状态，同时进行远程调试和故障处理，即可对系统进行远程监控与操作，从而大幅提升运维效率和响应速度。

2.3.3能量管理与优化

分布式储能能量管理系统通过分析能源需求和生产情况，实现能量储存的优化，提高能量利用效率并降低能源成本。同时，针对能量管理系统监测和响应负荷的变化，通过有效的能量调度以实现负荷平衡[12]。根据不同时间段和负荷需求，灵活调度分布式储能系统的能量输出，从而满足供电需求并降低负荷峰值。

2.3.4数据分析与预测

分布式储能能量管理系统可以进行数据分析和预测，根据历史数据和算法模型，预测未来的能源需求和生产情况[13]。通过数据分析和预测，优化储能系统的能量调度和管理策略，以提高系统的经济性和可持续发展。

2.3.5能源交易

分布式储能能量管理系统可以使储能系统参与能源市场的能量交易，即可根据市场价格和需求，参与电力交易并进行能量买卖，以实现经济效益和能源市场的参与。

2.3.6故障诊断与预警

信息化技术可用于对系统的故障诊断和预警，通过实时分析系统数据，识别潜在的故障风险并及时发出报警。故障诊断与预警有助于提前采取措施以防止故障的发生，或及时处理故障以减少系统停机时间。

2.4 系统平台界面设计

储能能力管理系统主页主要展示包括分布式储能站点、储能逆变器、电池管理系统、空调等主要信息，还应展示电池管理系统中的荷电状态。

分布式储能能量管理系统主页界面如图5所示，储能BMS界面如图6所示。

图5 分布式储能能量管理系统主页

图6 分布式储能BMS页面展示

3 实施案例

分布式储能技术的出现为新能源发展提供强有力的支持，储能也在向着智能化集成化的方向发展[14]。在当前的电力系统中，新型储能已具备一定规模并在不断拓展应用领域，已成为电力系统规划、运行中不可或缺的元素[15]。因此，完善系统规划和加强管理新型储能为目前确保电力系统的稳定性、可持续性和灵活性的关键任务，因而针对信息化技术在分布式储能系统控制和管理中的应用案例进行详细阐述，可为能源管理者能够更好地掌握储能系统的运行情况并做出相应的调整和优化提供方法。

目前，江苏电网中的分布式储能系统累计几十余处，规模达到百兆瓦级，呈现分散接入、无序自主运行的态势，且呈愈演愈烈的趋势，不仅未能起到很好的电网支撑作用，反而对电网造成一定程度的冲击[16]，急需将信息化建设用于分布式储能的管理。目前，该分布式储能信息化平台系统已在张家港微电网项目、上海浦东等地实际使用，并在实际使用中根据具体项目情况对系统进行定制化业务功能上的调整。

4 结 论

(1)信息化技术在分布式储能系统的控制和管理中发挥着重要的作用，即分布式储能系统通过应用信息化技术可实现更高的自动化程度、智能化水平和运维效率。

(2)结合分布式储能能量管理系统的需求、硬件拓扑结构、网络拓扑结构以及其信息系统实现方式等，通过分布式储能信息化总体架构、信息平台接入系统、主要功能及平台界面设计，指出信息平台接入系统包括电池管理系统(BMS)、能量管理系统(EMS)、储能逆变器(PCS)与其他电气设备在储能系统中均发挥不同的作用，彼此相互写作，实现对分布式储能系统的监控、优化和控制，因而分布式储能信息化系统具有较高的可靠性和稳定性，能够适应较为复杂的工业环境。

(3)随着信息化技术的广泛应用，也带来网络安全和数据隐私等方面的巨大挑战，因而为了确保分布式储能信息化系统建设的安全性和数据的机密性，须对储能信息化系统采取恰当的安全措施和隐私保护措施。