信息化技術在分布式儲能系統(tǒng)控制和管理中的應用

范 瑋

(中煤科工清潔能源股份有限公司，北京 100013)

0 引 言

儲能系統(tǒng)是智能電網(wǎng)系統(tǒng)、可再生能源高占比能源系統(tǒng)、能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分和關鍵支撐技術[1]。隨著風能、太陽能等新能源的快速發(fā)展，儲能系統(tǒng)在智能電網(wǎng)中扮演著平衡能源供需、提供持續(xù)可靠電能和調節(jié)功率波動的重要角色，已成為分布式發(fā)電系統(tǒng)中不可或缺的關鍵組成部分[2]。儲能系統(tǒng)管理是對儲能系統(tǒng)進行科學、有效及綜合的管理，其貫穿儲能系統(tǒng)的規(guī)劃、建設、運營和維護的各個階段，有利于實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的高效運行和利用。儲能系統(tǒng)管理可以確保儲能系統(tǒng)實現(xiàn)滿足電力需求、提高能源利用效率、降低能源成本和減少碳排放等目標。

分布式儲能系統(tǒng)是儲能系統(tǒng)的主要類型，通常由多個小型儲能設備組成[3]，包括鋰離子電池儲能設備、鈉硫電池儲能設備和液流電池儲能設備等。即分布式儲能為容量小且普遍靠近于負荷段的儲能配置形式，其功率一般介于幾千瓦至幾兆瓦之間，持續(xù)放電實際較短。每個小型儲能設備由電池組、逆變器、BMS、儲能控制器、監(jiān)測和測量設備以及傳感器與保護裝置等組成。小型儲能設備分布在不同的地點，例如住宅、商業(yè)建筑和工業(yè)廠房等。分布式儲能系統(tǒng)的設備分布具有類型各異、規(guī)模不同、布置分散、數(shù)量眾多的特點，因此對于分布式儲能系統(tǒng)中的儲能設備的監(jiān)控和管理而言面臨著巨大的挑戰(zhàn)，通過信息化技術的利用則可顯著提高效率。

分布式儲能系統(tǒng)的信息化技術是指利用工業(yè)以太網(wǎng)和CAN總線交互技術并對分布式儲能系統(tǒng)中各個儲能設備的關鍵參數(shù)和狀態(tài)進行實時在線數(shù)據(jù)監(jiān)測[4]，通過對電池狀態(tài)、電網(wǎng)連接、充放電、溫度及故障檢測與報警等關鍵參數(shù)的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行在線分析，及時了解系統(tǒng)運行情況，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行中異常或潛在的問題，采取措施進行調整和修復，并預測可能存在的隱患，為系統(tǒng)運行提供更精確的調整和優(yōu)化。

1 分布式儲能系統(tǒng)信息化管理

1.1 管理需求

分布式儲能系統(tǒng)的主要業(yè)務需求通常包括管理跨區(qū)域的就地儲能系統(tǒng)、不同條件下能量儲存與釋放、能量存儲和平衡、峰值削減和負荷平滑、用戶用能的相互隔離、支持微電網(wǎng)等，具體需求如下：

(1)管理跨區(qū)域的就地儲能系統(tǒng)；

(2)針對各地儲能系統(tǒng)實施不同的策略模式，如峰谷模式、需量模式、平滑模式等，即分布式儲能系統(tǒng)可以在峰值電力需求時釋放儲存的能量，減輕電網(wǎng)的負荷壓力，平滑電力需求曲線[5]；

(3)具有相關性的獨立儲能站可實現(xiàn)集中虛擬儲能站，統(tǒng)一管理、集中調配，即分布式儲能系統(tǒng)可儲存多余的電能，并在需要時釋放，以平衡供需之間的差異，提供持續(xù)和穩(wěn)定的能源供應；

(4)可實現(xiàn)用戶間相互隔離，即用戶在自己的權限范圍內監(jiān)控自己的儲能站；

(5)微電網(wǎng)的支持，即分布式儲能系統(tǒng)在微電網(wǎng)發(fā)揮關鍵作用，實現(xiàn)能源的分散和可再生能源的集成，提供可靠的電力供應[6]。

1.2 能量管理拓撲系統(tǒng)

分布式儲能的硬件拓撲結構通常以能量管理系統(tǒng)作為儲能系統(tǒng)的核心，并通過與其他設備的接入而實現(xiàn)對儲能系統(tǒng)的控制和管理[7]。分布式儲能系統(tǒng)的能量管理拓撲系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 分布式儲能系統(tǒng)的能量管理拓撲系統(tǒng)

能量管理拓撲系統(tǒng)由能量管理系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、空調系統(tǒng)、集裝箱內相關設備組成,分述如下:

(1)能量管理系統(tǒng)。屬于整個分布式儲能系統(tǒng)的核心，主要用于監(jiān)測、控制和管理儲能系統(tǒng)的運行，還可用于接收上級調度指令，并將控制指令下發(fā)至儲能逆變器進行功率控制。

(2)電池管理系統(tǒng)。用于監(jiān)測和管理儲能系統(tǒng)中的電池組，主要在電池堆里涵括電池管理、電池控制單元。

(3)儲能逆變器。用于將儲存的電能轉換為交流電能供給用戶終端或電網(wǎng)，通過控制信號調節(jié)儲能逆變器的功率輸出以調控儲能系統(tǒng)的充放電過程，從而滿足用戶需求或實現(xiàn)電網(wǎng)調度。

(4)集裝箱內相關設備。除了上述硬件外，還有一些與儲能系統(tǒng)相關的設備，如消防、門禁、水浸等設備。此類設備可以通過傳感器實時監(jiān)測集裝箱內的狀態(tài)，并通過能量管理系統(tǒng)進行監(jiān)控和報警，保障儲能系統(tǒng)的安全性和可靠性[8]。

1.3 分布式儲能系統(tǒng)的功能

分布式儲能系統(tǒng)以服務器為控制核心，實時采集儲能電池狀態(tài)、充放電功率、電網(wǎng)電壓和頻率、負載需求、電池管理系統(tǒng)、儲能逆變器、環(huán)境等相關信息。系統(tǒng)包括以下功能：

(1)安裝消防傳感器、門禁傳感器、水浸傳感器等，系統(tǒng)實時監(jiān)控可能的火災、入侵或漏水事件，確保儲能系統(tǒng)的安全性和可靠性。

(2)儲能云平臺是1個集中式的數(shù)據(jù)存儲和處理中心，用于管理、存儲和分析分布式儲能系統(tǒng)中的大量數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)的集中存儲、數(shù)據(jù)處理和分析、遠程監(jiān)控和控制等功能。

(3)用戶終端使用分布式云平臺的如電腦、手機、平板等終端用戶設備，用戶通過終端設備與與云平臺進行交互、訪問數(shù)據(jù)、查看分析結果等。

儲能云平臺功能示意如圖2所示。

圖2 儲能云平臺功能示意

2 儲能信息化系統(tǒng)管理的實現(xiàn)方式

2.1 分布式儲能信息化總體架構

分布式儲能信息化架構如圖3所示。分布式儲能信息化平臺的主要功能包括監(jiān)控分布式儲能設備或系統(tǒng)的運行狀態(tài)、執(zhí)行需求響應業(yè)務、管理儲能檔案信息數(shù)據(jù)和業(yè)務數(shù)據(jù)。此外，該系統(tǒng)還利用門戶系統(tǒng)提供信息訪問服務。在系統(tǒng)設計時，需要采用平臺化和模塊化思維，以確保系統(tǒng)具備兼容性和可擴展性的特點。

圖3 分布式儲能信息化架構

分布式儲能信息化平臺是由設備層、通訊層、控制層及平臺服務層組合而成，通過各層級的組合實現(xiàn)信息化平臺的業(yè)務需求。

設備層是分布式儲能系統(tǒng)的基礎，是實現(xiàn)分布式儲能系統(tǒng)功能和運行的關鍵部分。各種組成系統(tǒng)的具體設備和部件包括儲能電站及配套、儲能場站、光儲充電站、以及各儲能電站配到的傳感器、儲能逆變器、換流器、電表等。

通訊層是為了確保系統(tǒng)中的各個組件能夠相互通信、協(xié)調工作，并實現(xiàn)整體的優(yōu)化和管理。通訊層通常包括通訊協(xié)議、數(shù)采儀、控制指令傳遞、網(wǎng)絡拓撲與路由等。

微電網(wǎng)控制層是分布式儲能系統(tǒng)中的核心層級,負責協(xié)調和控制各設備的運行,并用于實現(xiàn)對系統(tǒng)的整體調度和控制。微電網(wǎng)控制層主要實現(xiàn)能量管理與調度、頻率和電壓控制、運行模式切換、故障監(jiān)測和管理及數(shù)據(jù)采集與分析[9]。通過對能量、頻率、電壓等參數(shù)的監(jiān)測和控制,實現(xiàn)對系統(tǒng)的整體調度和優(yōu)化。該控制層具備智能化和自適應能力,根據(jù)實際需求和運行情況,靈活調整和控制儲能系統(tǒng)的運行,實現(xiàn)能源的高效利用與系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

平臺服務層具有用于提供系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)處理和應用服務等功能，具體應包括儲能調度與能量管理、預測與優(yōu)化、響應市場需求、遠程監(jiān)測和運維、用戶接口與服務、數(shù)據(jù)安全等。

2.2 信息平臺接入系統(tǒng)

在分布式儲能信息系統(tǒng)中，需要接入電池管理系統(tǒng)(BMS)、能量管理系統(tǒng)(EMS)、儲能逆變器(PCS)以及其他電氣設備[10]。儲能系統(tǒng)工作模式如圖4所示，電池組將狀態(tài)信息傳遞給BMS，BMS與EMS和PCS進行數(shù)據(jù)共享。EMS根據(jù)優(yōu)化和調度決策向PCS和BMS發(fā)送控制指令，以完成對單體電池/電池組的充放電等操作。

2.2.1儲能電池管理系統(tǒng)

儲能電池管理系統(tǒng)(BMS)是用于監(jiān)控和管理電池的關鍵系統(tǒng)，負責實時采集電池的電壓、電流和溫度等數(shù)據(jù)，并進行遠程監(jiān)控。BMS具備能量均衡功能，調整電池組內各電池模塊的狀態(tài)及提高系統(tǒng)的放電時間。BMS分為電池模塊采集管理系統(tǒng)(BGMS)、節(jié)點電池管理系統(tǒng)2個主要模塊，前者負責數(shù)據(jù)采集、能量均衡和通信功能，后者主要用于計算SOC、產生報警數(shù)據(jù)和控制充放電策略。

通過優(yōu)化BMS功能和性能，實現(xiàn)對電池的全面監(jiān)控和精確管理，提高系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性[11]。遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析可進一步優(yōu)化電池的使用效率和壽命，提升電站的運行效果。

2.2.2能量管理系統(tǒng)

能量管理系統(tǒng)(EMS)用于對能源系統(tǒng)的監(jiān)測、控制和優(yōu)化，是整個儲能系統(tǒng)中極為重要的核心，主要包括數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測、能量調度與優(yōu)化、能源控制與自動化、故障診斷與維護和數(shù)據(jù)分析與決策支持等模塊。EMS的主要目標為最大限度地提高能源效率、降低能源消耗和運營成本，同時確保能源供應的穩(wěn)定性和可靠性。

2.2.3儲能逆變器

儲能逆變器(PCS)為在儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)之間實現(xiàn)電能雙向流動的核心部件，用作控制電池的充電和放電過程并進行直流的交換。PCS的設計和性能對儲能系統(tǒng)的效率、可靠性和穩(wěn)定性至關重要，在儲能系統(tǒng)中起到能量轉換和功率控制的關鍵作用，確保儲能系統(tǒng)能高效地存儲和釋放電能，從而滿足電網(wǎng)調度和負載需求。

2.3 分布式儲能能量管理系統(tǒng)功能

分布式儲能能量管理系統(tǒng)功能主要包括數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測、遠程監(jiān)控與遠程操作、能量管理與優(yōu)化、數(shù)據(jù)分析與預測、能源交易、故障診斷與預警。

2.3.1數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測

實時采集和監(jiān)測儲能系統(tǒng)關鍵參數(shù)，如電池輸出功率、儲能系統(tǒng)的充放電狀態(tài)、電池健康狀況等。通過傳感器和監(jiān)測設備可獲取系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，并將其傳輸至數(shù)據(jù)中心或遠程監(jiān)控平臺。

2.3.2遠程監(jiān)控與遠程操作

相關運維人員可以通過網(wǎng)絡連接到儲能系統(tǒng)，實時監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)，同時進行遠程調試和故障處理，即可對系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控與操作，從而大幅提升運維效率和響應速度。

2.3.3能量管理與優(yōu)化

分布式儲能能量管理系統(tǒng)通過分析能源需求和生產情況，實現(xiàn)能量儲存的優(yōu)化，提高能量利用效率并降低能源成本。同時，針對能量管理系統(tǒng)監(jiān)測和響應負荷的變化，通過有效的能量調度以實現(xiàn)負荷平衡[12]。根據(jù)不同時間段和負荷需求，靈活調度分布式儲能系統(tǒng)的能量輸出，從而滿足供電需求并降低負荷峰值。

2.3.4數(shù)據(jù)分析與預測

分布式儲能能量管理系統(tǒng)可以進行數(shù)據(jù)分析和預測，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和算法模型，預測未來的能源需求和生產情況[13]。通過數(shù)據(jù)分析和預測，優(yōu)化儲能系統(tǒng)的能量調度和管理策略，以提高系統(tǒng)的經濟性和可持續(xù)發(fā)展。

2.3.5能源交易

分布式儲能能量管理系統(tǒng)可以使儲能系統(tǒng)參與能源市場的能量交易，即可根據(jù)市場價格和需求，參與電力交易并進行能量買賣，以實現(xiàn)經濟效益和能源市場的參與。

2.3.6故障診斷與預警

信息化技術可用于對系統(tǒng)的故障診斷和預警，通過實時分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)，識別潛在的故障風險并及時發(fā)出報警。故障診斷與預警有助于提前采取措施以防止故障的發(fā)生，或及時處理故障以減少系統(tǒng)停機時間。

2.4 系統(tǒng)平臺界面設計

儲能能力管理系統(tǒng)主頁主要展示包括分布式儲能站點、儲能逆變器、電池管理系統(tǒng)、空調等主要信息，還應展示電池管理系統(tǒng)中的荷電狀態(tài)。

分布式儲能能量管理系統(tǒng)主頁界面如圖5所示，儲能BMS界面如圖6所示。

圖5 分布式儲能能量管理系統(tǒng)主頁

圖6 分布式儲能BMS頁面展示

3 實施案例

分布式儲能技術的出現(xiàn)為新能源發(fā)展提供強有力的支持，儲能也在向著智能化集成化的方向發(fā)展[14]。在當前的電力系統(tǒng)中，新型儲能已具備一定規(guī)模并在不斷拓展應用領域，已成為電力系統(tǒng)規(guī)劃、運行中不可或缺的元素[15]。因此，完善系統(tǒng)規(guī)劃和加強管理新型儲能為目前確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可持續(xù)性和靈活性的關鍵任務，因而針對信息化技術在分布式儲能系統(tǒng)控制和管理中的應用案例進行詳細闡述，可為能源管理者能夠更好地掌握儲能系統(tǒng)的運行情況并做出相應的調整和優(yōu)化提供方法。

目前，江蘇電網(wǎng)中的分布式儲能系統(tǒng)累計幾十余處，規(guī)模達到百兆瓦級，呈現(xiàn)分散接入、無序自主運行的態(tài)勢，且呈愈演愈烈的趨勢，不僅未能起到很好的電網(wǎng)支撐作用，反而對電網(wǎng)造成一定程度的沖擊[16]，急需將信息化建設用于分布式儲能的管理。目前，該分布式儲能信息化平臺系統(tǒng)已在張家港微電網(wǎng)項目、上海浦東等地實際使用，并在實際使用中根據(jù)具體項目情況對系統(tǒng)進行定制化業(yè)務功能上的調整。

4 結 論

(1)信息化技術在分布式儲能系統(tǒng)的控制和管理中發(fā)揮著重要的作用，即分布式儲能系統(tǒng)通過應用信息化技術可實現(xiàn)更高的自動化程度、智能化水平和運維效率。

(2)結合分布式儲能能量管理系統(tǒng)的需求、硬件拓撲結構、網(wǎng)絡拓撲結構以及其信息系統(tǒng)實現(xiàn)方式等，通過分布式儲能信息化總體架構、信息平臺接入系統(tǒng)、主要功能及平臺界面設計，指出信息平臺接入系統(tǒng)包括電池管理系統(tǒng)(BMS)、能量管理系統(tǒng)(EMS)、儲能逆變器(PCS)與其他電氣設備在儲能系統(tǒng)中均發(fā)揮不同的作用，彼此相互寫作，實現(xiàn)對分布式儲能系統(tǒng)的監(jiān)控、優(yōu)化和控制，因而分布式儲能信息化系統(tǒng)具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，能夠適應較為復雜的工業(yè)環(huán)境。

(3)隨著信息化技術的廣泛應用，也帶來網(wǎng)絡安全和數(shù)據(jù)隱私等方面的巨大挑戰(zhàn)，因而為了確保分布式儲能信息化系統(tǒng)建設的安全性和數(shù)據(jù)的機密性，須對儲能信息化系統(tǒng)采取恰當?shù)陌踩胧┖碗[私保護措施。