電池儲(chǔ)能的監(jiān)控管理技術(shù)研究

薛 鐘, 董 貝, 丁 毅, 張 堯

(國電南京自動(dòng)化股份有限公司, 江蘇 南京 210003)

0 引 言

電池儲(chǔ)能方案多是以大量鉛酸電池、鎳氫電池等構(gòu)建電池儲(chǔ)能倉,倉中按照不同類別擺放電池。但是電池儲(chǔ)能倉倉內(nèi)空間狹小、化學(xué)氣味濃重和溫度、濕度、光線環(huán)境惡劣,因此不適合人工進(jìn)去操作[1-5]。當(dāng)前的電池儲(chǔ)能解決方案主要缺少可視化的電池儲(chǔ)能監(jiān)控設(shè)備,如果人不進(jìn)入倉內(nèi),無法獲知電池實(shí)時(shí)電壓和溫度等關(guān)鍵信息;缺少人機(jī)遙控進(jìn)行電池保護(hù)操作的手段,電池的接入、接出和切換都必須人工操作;缺少獲得電池長期的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的手段,無法分析電池性能和用電趨勢;不支持通過IEC 61850規(guī)約和監(jiān)控后臺(tái)通信連接;不支持和儲(chǔ)能變流器(PCS)協(xié)同進(jìn)行電力轉(zhuǎn)換[6-10]。

本文提出了一種電池儲(chǔ)能監(jiān)控系統(tǒng),支持可視化操作、遙控電池保護(hù)操作、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、IEC 61850后臺(tái)監(jiān)控和PCS協(xié)同操作,實(shí)時(shí)監(jiān)控電池電壓和溫度。

1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)主要由電池箱管理單元(Battery Box Management Unit,BMU)、電池簇管理單元(Battery Cluster Management Unit,BCMU)、電池倉信息管理單元(Battery Info Management Unit,BIMU)和外部通信單元構(gòu)成。BMU是系統(tǒng)最小的管理單元,系統(tǒng)通常將12塊儲(chǔ)能電池放在獨(dú)立的電池箱體中,BMU用于監(jiān)控12塊單體電池的電壓、溫度和告警等信息。1個(gè)電池箱包含12塊電池是系統(tǒng)的出廠默認(rèn)值,可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行配置和調(diào)整[11-14]。BCMU是系統(tǒng)用于管理電池箱的管理單元,系統(tǒng)通常將20個(gè)BMU放置于1個(gè)電池簇箱體里,并對20個(gè)BMU產(chǎn)生的信息進(jìn)行監(jiān)視、控制和上送。1個(gè)電池簇包含20個(gè)電池箱是本系統(tǒng)的出廠默認(rèn)值,根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行配置和調(diào)整。BIMU主要有如下作用:

(1) 提供可視化人機(jī)交互界面,便于現(xiàn)場人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控電池簇、電池箱和電池信息。

(2) 提供不同人員角色的權(quán)限管理,提高BIMU的安全性和可靠性。

(3) 進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)判別,給出異常告警,并且提供可視化界面進(jìn)行電池簇和電池箱的接入、接出和切換等保護(hù)操作。

(4) 提供CAN通信接口、RS-485通信接口、以太網(wǎng)接口和各個(gè)單元進(jìn)行交互。

(5) 提供SQLite數(shù)據(jù)庫用于持久化儲(chǔ)能電池?cái)?shù)據(jù),便于后續(xù)分析和展示。

外部通信單元不是系統(tǒng)子模塊,但是和系統(tǒng)產(chǎn)生信息交互較多的2個(gè)通信單元分別是IEC 61850后臺(tái)和PCS儲(chǔ)能變流器。

系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 模塊設(shè)計(jì)

2.1 BIMU

BIMU是使用QT基于嵌入Linux環(huán)境進(jìn)行開發(fā)的嵌入式平板裝置。外殼采用鋁合金材料,具備高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的散熱性能,同時(shí)表面采用金屬拉絲工藝,美觀大氣,堅(jiān)固耐用。BIMU硬件參數(shù)如表1所示。

BIMU軟件架構(gòu)由電池管理界面模塊(BMSGUI) 、電池通信模塊(BMSCOMM)、電池管理數(shù)據(jù)庫模塊(BMSDB)、IEC 61850模塊(BMS61850) 構(gòu)成。

電池管理界面模塊(BMSGUI)主要支持電池監(jiān)控管理的應(yīng)用功能和提供對應(yīng)的人機(jī)界面進(jìn)行操作。電池監(jiān)控管理的應(yīng)用功能包括信息實(shí)時(shí)采

表1 BIMU硬件參數(shù)

集、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算和判別、電池狀態(tài)告警保護(hù)、設(shè)置定值、電池?cái)?shù)據(jù)儲(chǔ)存、電池歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、B碼對時(shí)、故障錄波和人員權(quán)限管理[15-16]。該模塊使用嵌入式QT語言進(jìn)行設(shè)計(jì)和編寫。其中信息實(shí)時(shí)采集是指對于電池簇信息和告警、電池箱信息和告警、電池電壓和溫度等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集,主要是用于BMSGUI電池倉、電池簇和電池箱等界面的展示。數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算和判別是指針對實(shí)時(shí)采集上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法判別,針對可能出現(xiàn)異常,做出告警操作或者保護(hù)操作。設(shè)置定值是指對電池倉、電池簇和電池箱的參數(shù)設(shè)置取值范圍,支持動(dòng)態(tài)調(diào)整取值的上、下限。電池?cái)?shù)據(jù)儲(chǔ)存是指將BIMU收到的CAN報(bào)文、RS-485報(bào)文、61850報(bào)文、電池的溫度電壓信息和系統(tǒng)的操作記錄持久化到SQLite數(shù)據(jù)庫中,并提供接口支持增、刪、改、查。電池歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)是指根據(jù)電池?cái)?shù)據(jù)儲(chǔ)存記錄進(jìn)行分析和展示。B碼對時(shí)是指通過B碼對時(shí)接口進(jìn)行BIMU的時(shí)間校準(zhǔn)。故障錄波是指當(dāng)某塊電池發(fā)生異常告警時(shí),自動(dòng)進(jìn)行一段時(shí)間的錄波操作,并保存為標(biāo)準(zhǔn)的Comtrade文件格式。人員權(quán)限管理是指針對不同操作人員提供不同的權(quán)限和密碼,避免誤操作的現(xiàn)象發(fā)生。

電池通信模塊(BMSCOMM)主要有5個(gè)功能:創(chuàng)建并實(shí)時(shí)刷新共享內(nèi)存SharedMemory;通過共享內(nèi)存和BMSGUI進(jìn)行周期性數(shù)據(jù)交互;通過CAN通信協(xié)議和BCMU進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互;通過RS-485協(xié)議和PCS進(jìn)行數(shù)據(jù)交互;通過Socket通知BMSGUI實(shí)時(shí)變位告警。該模塊使用嵌入式QT語言進(jìn)行設(shè)計(jì)和編寫。

電池管理數(shù)據(jù)庫模塊(BMSDB)主要是為BMSGUI和BMSCOMM提供增、刪、改、查和批量事務(wù)操作等SQLite數(shù)據(jù)庫的接口。該模塊使用嵌入式QT語言進(jìn)行設(shè)計(jì)和編寫。

IEC 61850模塊(BMS61850)主要是支持通過MMS和GOOSE通信協(xié)議和外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。該模塊使用C語言進(jìn)行設(shè)計(jì)和編寫。

BIMU的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

BIMU代碼結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 BCMU

BCMU是使用C語言、基于單片機(jī)開發(fā)的針對電池簇箱體的管理單元,主要功能:采集電池簇箱體上的信息點(diǎn);通過CAN通信匯總BMU上送的CAN報(bào)文;經(jīng)過分析功能收集的信息,重新組織CAN報(bào)文,上送給BIMU。

BCMU上送BIMU的CAN報(bào)文總共有29種,每種報(bào)文的觸發(fā)條件和發(fā)送頻率不盡相同。BCMU CAN報(bào)文如圖4所示。

BCMU設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖5所示。

2.3 BMU

BMU是使用C語言基于單片機(jī)開發(fā)的針對電池箱箱體和單體電池的管理單元,主要功能:采集電池箱箱體上的信息點(diǎn);采集電池箱內(nèi)單體電池上的信息點(diǎn);將所有采集到信息點(diǎn)匯總整理成CAN報(bào)文,上送給BCMU。

需要由BMU上送到BCMU的CAN報(bào)文總共有11種,每種報(bào)文的觸發(fā)條件和發(fā)送頻率不盡相同。BMU CAN報(bào)文如圖6所示。

BMU設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖7所示。

2.4 外部通信單元

外部通信單元主要是指IEC 61850后臺(tái)EMS和PCS 2部分。這2個(gè)部分不是本系統(tǒng)的內(nèi)部組成部分,但是與本系統(tǒng)通信交互最密切的2個(gè)部分。因此,只做數(shù)據(jù)交互部分的介紹和展示。BIMU和IEC 61850后臺(tái)EMS是通過IEC 61850-MMS通信協(xié)議進(jìn)行交互,支持IEC 61850后臺(tái)EMS對電池簇和電池箱進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制。BIMU和PCS儲(chǔ)能變流器主要是通過RS-485通信協(xié)議進(jìn)行交互,支持PCS和BIMU協(xié)同配合對電池進(jìn)行充放電操作[17-23]。

外部通信單元的架構(gòu)示意圖如圖8所示。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)已經(jīng)在秦皇島電網(wǎng)三期儲(chǔ)能項(xiàng)目和國電南自廠區(qū)電池儲(chǔ)能項(xiàng)目進(jìn)行掛網(wǎng)運(yùn)行。以實(shí)際測試時(shí)系統(tǒng)電池倉、電池簇、電池箱和變位事件的真實(shí)界面為例進(jìn)行展示。

電池倉界面示意如圖9所示。電池倉界面最上方是公司標(biāo)識(shí)和功能菜單。電池倉界面左上側(cè)為電池倉參數(shù)名稱和參數(shù)值,如果有參數(shù)值異常,名稱會(huì)變?yōu)榧t色字體。電池倉界面右上側(cè)為電池倉告警名稱和告警狀態(tài),如果有告警狀態(tài)異常,名稱會(huì)變?yōu)榧t色字體。電池倉下面圖標(biāo)為倉內(nèi)所有的電池簇,如果電池簇內(nèi)部有異常參數(shù)和告警,電池簇圖標(biāo)變?yōu)榧t色。電池倉界面最下方是通信異常狀態(tài)、參數(shù)異常數(shù)量、告警異常數(shù)量、時(shí)間和日期。

電池簇界面示意如圖10所示。電池簇界面最上方是公司標(biāo)識(shí)、電池簇名稱和功能菜單。界面左上側(cè)為電池簇參數(shù)名稱和參數(shù)值,如果有參數(shù)值異常,名稱會(huì)變?yōu)榧t色字體。電池簇界面右上側(cè)為電池簇告警名稱和告警狀態(tài),如果有告警狀態(tài)異常,名稱會(huì)變?yōu)榧t色字體。電池簇下面圖標(biāo)為本簇內(nèi)所有的電池箱,如果電池箱內(nèi)部有異常參數(shù)和告警,電池箱圖標(biāo)會(huì)變?yōu)榧t色。界面最下方是通信異常狀態(tài)、參數(shù)異常數(shù)量、告警異常數(shù)量、時(shí)間和日期。

電池箱界面示意如圖11所示。電池箱界面最上方是公司標(biāo)識(shí)、電池箱路徑和功能菜單。界面上側(cè)為電池箱參數(shù)名稱和參數(shù)值,如果有參數(shù)值異常,名稱會(huì)變?yōu)榧t色字體。電池箱界面下側(cè)為本箱內(nèi)的所有電池的電壓和溫度。界面最下方是通信異常狀態(tài)、參數(shù)異常數(shù)量、告警異常數(shù)量、時(shí)間和日期。

電池變位事件界面示意如圖12所示。

4 結(jié) 語

本文從系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、詳細(xì)模塊設(shè)計(jì)和系統(tǒng)應(yīng)用方面介紹了電池儲(chǔ)能監(jiān)控管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和整體架構(gòu)。系統(tǒng)提供可視化的電池儲(chǔ)能監(jiān)控設(shè)備,通過液晶界面在電池倉外獲知電池實(shí)時(shí)的電壓和溫度等關(guān)鍵信息;提供界面遙控電池保護(hù)操作的手段,電池的接入、接出和切換都不需要人工操作,降低人工操作的風(fēng)險(xiǎn)和提高了操作效率;獲得電池長期的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的手段,可以定期分析電池性能和用電趨勢;支持通過IEC 61850規(guī)約和監(jiān)控后臺(tái)EMS通信連接,支持EMS對電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的遠(yuǎn)程遙控;支持電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和PCS協(xié)同進(jìn)行電力轉(zhuǎn)換。實(shí)際運(yùn)行和測試結(jié)果表明了此方案的可行性、正確性和易用性。

實(shí)踐證明,本系統(tǒng)將極大提高電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的研發(fā)和測試效率、縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)人力成本、增加產(chǎn)品競爭力和提高客戶滿意度。