一種用于監(jiān)控江蘇省儲能電站的儲能數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)研發(fā)

李劍，祝永晉，馬吉科

（江蘇方天電力技術(shù)有限公司，南京210000）

0 引言

國內(nèi)目前已有部分針對儲能監(jiān)控系統(tǒng)的研究，文獻[1]設(shè)計了一種MW 級鈉流電池儲能監(jiān)控系統(tǒng)，主要用于跟蹤計劃發(fā)電、平滑風光功率輸出、削峰填谷和參與系統(tǒng)調(diào)頻。文獻[2]設(shè)計了一種鋰電池儲能監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對儲能雙向變流器（PCS）和電池管理系統(tǒng)（BMS）的監(jiān)測，并研究了一種電池核電狀態(tài)（SOC）的估算方法，將其應(yīng)用到鋰電池儲能監(jiān)測系統(tǒng)中。目前江蘇省缺少對所有儲能電站進行監(jiān)控的系統(tǒng)。

江蘇省儲能電站的儲能電池主要為磷酸鐵鋰電池、鈉硫電池、鉛炭電池、鉛酸電池、三元鋰等，均為電化學儲能電池[3]。目前江蘇省儲能監(jiān)控方面還存在如下缺口：

（1）缺乏對儲能電站關(guān)鍵設(shè)備信息的采集；

（2）缺乏對江蘇省儲能電站全網(wǎng)運行情況的統(tǒng)一監(jiān)視，無法掌握全省儲能電站總規(guī)模、年累計充放電量、裝機容量及運行狀態(tài)等信息；

（3）缺少儲能電站指標分析，對于儲能電站的可用系數(shù)、儲能損耗率等沒有有效的分析；

（4）缺少對儲能電站關(guān)鍵設(shè)備的監(jiān)測功能，缺少PCS、BMS 等關(guān)鍵設(shè)備的詳細數(shù)據(jù)采集和精細粒度在線監(jiān)測[4][5]。

針對上述問題，本文從電網(wǎng)調(diào)度的需求出發(fā)，參照國家及省級有關(guān)標準和要求，研發(fā)適用于江蘇省電網(wǎng)規(guī)模和新能源并網(wǎng)特征的儲能數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)，該系統(tǒng)將儲能電站的全量數(shù)據(jù)采集過來之后，對數(shù)據(jù)進行充分利用，通過可視化界面展示全省電化學儲能電站的概覽、運行情況、指標分析結(jié)果等信息。

1 系統(tǒng)總體方案及拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計

儲能數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)主要對江蘇省儲能電站進行監(jiān)控及指標分析，包括儲能電站全網(wǎng)數(shù)據(jù)接入、全網(wǎng)運行監(jiān)測；儲能電站運行監(jiān)測及指標分析；關(guān)鍵設(shè)備監(jiān)控等。

1.1 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計

儲能數(shù)據(jù)中心由儲能采集服務(wù)、儲能信息上報服務(wù)及分析服務(wù)組成，其系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

（1）儲能采集服務(wù)：儲能數(shù)據(jù)采集由安裝在電站側(cè)的儲能采集裝置來完成，該裝置負責采集PCS、BMS 等設(shè)備的全量數(shù)據(jù)。

（2）儲能信息上報服務(wù)：負責收集采集到的全量數(shù)據(jù)，收集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻δ軘?shù)據(jù)中心。

（3）分析服務(wù)：對上報的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)整合及分析，通過儲能數(shù)據(jù)中心的可視化界面實現(xiàn)電站監(jiān)測、PCS 監(jiān)測，實現(xiàn)儲能電站指標分析、儲能運行指標分析等功能。

圖1 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

儲能數(shù)據(jù)中心主要由數(shù)據(jù)接入服務(wù)、非結(jié)構(gòu)化臨時存儲服務(wù)、大數(shù)據(jù)計算服務(wù)、歸檔歷史存儲服務(wù)、應(yīng)用數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用服務(wù)構(gòu)成。技術(shù)架構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 技術(shù)架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)接入服務(wù)：采集儲能電站運行信息數(shù)據(jù)文件，存入非結(jié)構(gòu)化臨時存儲服務(wù)；并根據(jù)規(guī)約解析成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)總線。

（2）非結(jié)構(gòu)化臨時存儲服務(wù)：用于存儲并保留30天的原始數(shù)據(jù)文件。

（3）大數(shù)據(jù)計算集群：接收數(shù)據(jù)總線中的采集數(shù)據(jù)或主動抓取原始數(shù)據(jù)文件計算分析，保存過程數(shù)據(jù)，發(fā)布結(jié)果至“應(yīng)用數(shù)據(jù)庫”，定期歸檔歷史至“歸檔歷史存儲服務(wù)”。

（4）歸檔歷史存儲集群：存儲并保留5 年運行數(shù)據(jù)以及分析結(jié)果，并提供秒級數(shù)據(jù)查詢功能。

（5）應(yīng)用數(shù)據(jù)庫：存儲分析結(jié)果、熱點數(shù)據(jù)，并提供高速查詢功能。

（6）應(yīng)用服務(wù)集群：儲能數(shù)據(jù)中心各項應(yīng)用，可以通過服務(wù)總線查詢分析結(jié)果、熱點數(shù)據(jù)、部分過程數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

按照頁面劃分，將儲能數(shù)據(jù)中心頁面劃分為六個頁面，如圖3 所示。

圖3 儲能數(shù)據(jù)中心顯示頁面

按照功能劃分，儲能數(shù)據(jù)中心主要分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析兩大模塊。采集是指通過在電站安裝的采集裝置進行全量數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)分析是指對采集的數(shù)據(jù)進行整合分析，分析全網(wǎng)儲能運行情況。儲能數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能圖如圖3 所示。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要實現(xiàn)儲能電站關(guān)鍵設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。在儲能信息子站中安裝信息采集裝置，該裝置主要負責收集PCS 變流器、BMS 電池系統(tǒng)等站內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備的信息。數(shù)據(jù)經(jīng)整理后歸檔到裝置內(nèi)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，并根據(jù)具體要求及時向上級管理系統(tǒng)或其他系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)。數(shù)據(jù)采集模塊具體采集流程如圖5 所示。

圖4 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

圖5 數(shù)據(jù)采集模塊采集流程

數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)采集工作主要由“儲能信息子站”來完成，采集后的數(shù)據(jù)經(jīng)由“信息子站上報服務(wù)”最終上報至主站系統(tǒng)。采集數(shù)據(jù)及上報流程如下：

（1）在儲能電站安全生產(chǎn)II 區(qū)部署一臺“儲能信息子站”裝置，用于采集并保存儲能電站關(guān)鍵設(shè)備數(shù)據(jù)。

（2）在符合電站I 區(qū)、II 區(qū)邊界防護要求的前提下，通過安全I 區(qū)、II 區(qū)邊界防火墻采集關(guān)鍵設(shè)備數(shù)據(jù)。

（3）根據(jù)采集配置信息，經(jīng)過匯集模塊匯聚數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)保存至內(nèi)置數(shù)據(jù)庫中。

（4）匯集模塊同時經(jīng)過正反向隔離裝置將數(shù)據(jù)上報至“信息子站上報服務(wù)”，“信息子站上報服務(wù)”再與“主站”進行網(wǎng)絡(luò)通信，最終上報數(shù)據(jù)給主站。主站也可以根據(jù)特殊要求推送指令至儲能信息子站，反向抓取指定周期、指定時間間隔的設(shè)備完整運行信息。

2.2 儲能全網(wǎng)運行監(jiān)測模塊

該模塊主要監(jiān)測江蘇全網(wǎng)儲能運行情況、通過指定的指標對儲能全網(wǎng)運行情況進行評價。

儲能全網(wǎng)運行情況監(jiān)控包含如下功能：

（1）儲能全網(wǎng)信息展示：基于采集到的儲能全量數(shù)據(jù)，計算儲能總規(guī)模。在“全省儲能總覽”頁面展示全網(wǎng)儲能總規(guī)模、電網(wǎng)側(cè)/用戶側(cè)各電站的裝機容量分布情況、儲能電站地理位置分布圖。

（2）儲能全網(wǎng)可充放電量展示：基于采集到的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計全網(wǎng)儲能電站的可充放電量，并在“全省儲能總覽”頁面展示。

儲能全網(wǎng)運行評價包含如下功能：

（1）根據(jù)采集到的儲能全量數(shù)據(jù)，對全網(wǎng)的日充放電量、年累計充放電量進行統(tǒng)計，統(tǒng)計每日SOC 數(shù)據(jù)。將統(tǒng)計的數(shù)據(jù)結(jié)果展示在前臺頁面。

（2）通過指定的指標（綜合效率、損耗率、站用電率、運行功率、可用系數(shù)）對全網(wǎng)儲能電站進行評價。

（3）儲能全網(wǎng)日充放電量、月充放電量統(tǒng)計，形成日充/放電趨勢曲線。將全網(wǎng)每日充放電情況展示在前臺頁面。

2.3 儲能電站運行監(jiān)測模塊

該模塊主要監(jiān)測江蘇省內(nèi)各儲能電站的運行情況，并建立儲能電站評價指標對儲能電站進行評價。

儲能電站運行情況監(jiān)控包含如下功能：

（1）各儲能電站主要信息展示：基于采集到的儲能全量數(shù)據(jù)，在前臺頁面展示儲能電站的檔案信息，包括：所屬地區(qū)、電站狀態(tài)、電站類型、裝機容量、投運日期、變流器廠家、型號及個數(shù)、電池廠家、電池型號及類型、電站占地面積及地理位置。

（2）儲能電站充放電量展示：基于采集到的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計各儲能電站的月充放電量、年累計充放電量、充放電功率等信息。

（3）儲能電站拓撲圖展示：根據(jù)接入的數(shù)據(jù)信息以及儲能電站的內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系，繪制儲能電站內(nèi)部結(jié)構(gòu)拓撲圖并在前臺頁面展示儲能電站內(nèi)部各個組件的結(jié)構(gòu)關(guān)系。

（4）儲能電站3D 視圖展示：根據(jù)接入的儲能電站結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)建立3D 模型，通過鳥瞰圖展示電站的整體結(jié)構(gòu)和各個設(shè)備分布情況。

儲能電站運行評價即通過指定的指標（電站綜合效率、儲能損耗率、可用系數(shù)、停運系數(shù)）對江蘇省各儲能電站進行評價，評價結(jié)果在前臺界面進行展示。

2.4 儲能電站關(guān)鍵設(shè)備運行監(jiān)測模塊

該模塊主要監(jiān)測儲能電站關(guān)鍵設(shè)備（PCS、儲能電池）狀態(tài)進行監(jiān)測，并通過指定的指標對電池運行進行評價。

儲能電站PCS 運行監(jiān)測包含如下功能：

（1）儲能電站PCS 基本信息展示：通過接入的PCS設(shè)備信息，在界面展示PCS 設(shè)備的基本信息，包括名稱、電流變比、功率、設(shè)備型號、廠家、交流側(cè)電流/電壓等信息。

（2）儲能電站PCS 運行情況監(jiān)測：基于采集到的數(shù)據(jù)統(tǒng)計PCS 電壓/電流日數(shù)據(jù)，形成每日電壓/電流分析曲線，在界面展示當前PCS 電壓/電流實時狀態(tài)。

（3）儲能電站PCS 單元結(jié)構(gòu)展示：基于接入的PCS結(jié)構(gòu)信息，分析各個升壓變電池儲能單元結(jié)構(gòu)以及所屬電池簇結(jié)構(gòu)關(guān)系，形成拓撲圖，并可展示電流、電壓數(shù)據(jù)以及充放電情況，以及電池簇電流、電壓、SOC 當前狀態(tài)。

儲能電站電池運行監(jiān)測包含如下功能：

（1）儲能電池運行狀態(tài)監(jiān)視：基于采集到的儲能電站電池信息，在界面展示電池堆實時電壓、電流、SOC、SOH 實時數(shù)據(jù)；計算電芯平均電壓、平均溫度并在界面進行展示。

（2）電池堆歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計與查詢：統(tǒng)計電池堆及所屬電芯的日數(shù)據(jù)、月數(shù)據(jù)，包括電壓、電流、SOC、SOH，電芯的平均電壓和平均溫度，可通過時間軸拖拽查詢歷史數(shù)據(jù)。

（3）電池簇能效分析：提供查詢各個電池簇電壓極差值、電壓標準差系數(shù)、電池簇溫度極差值的功能，以曲線圖表形式展示實時數(shù)據(jù)。

儲能電站電池運行評價即通過指定的指標（各型號電池電池組損耗率、等效循環(huán)系數(shù)、充放電功率、時長、溫度），通過繪制各型號電池損耗率對比曲線、等效循環(huán)系數(shù)對比曲線、充電溫度與時長對比曲線、放電溫度與時長對比曲線、各類型電池充電功率與時長對比曲線、各類型電池放電功率與時長對比曲線）對電池運行狀態(tài)進行評價，評價結(jié)果在前臺界面進行展示。

3 結(jié)語

儲能數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)用于監(jiān)控江蘇省全網(wǎng)儲能運行情況及關(guān)鍵設(shè)備運行情況。系統(tǒng)首頁如圖6 所示，該系統(tǒng)通過在儲能電站側(cè)安裝采集裝置采集儲能全網(wǎng)信息（包括關(guān)鍵設(shè)備PCS 等信息），并對采集到的數(shù)據(jù)進行整合、分析后，實現(xiàn)全網(wǎng)儲能電站運行情況及評價、儲能電站關(guān)鍵設(shè)備（PCS、電池簇、電池堆）運行情況及評價功能。目前該系統(tǒng)已投入使用，通過該系統(tǒng)可掌握全省儲能運行狀態(tài)，提高調(diào)度管控水平。

圖6 儲能數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)首頁