安科瑞 陳聰

0.引言

分布式光儲電站目前已成為工業(yè)園區(qū)、智能樓宇場景下的重要組成部分。光伏和風電的間歇性和波動性制約著新能源的大規(guī)模應用，而儲能系統(tǒng)具有調(diào)峰、調(diào)頻、平滑輸出的功能，光儲結(jié)合使分布式電站裝機量逐年增加。

分布式光儲電站的能量管理系統(tǒng)（EMS）是其電站運行*備的核心系統(tǒng)，EMS是基于SCADA系統(tǒng)的數(shù)字化信息，實現(xiàn)自動發(fā)電控制、網(wǎng)絡分析等功能，促進了光儲電站數(shù)字化、自動化。

本文EMS指對區(qū)域內(nèi)電源、配電、負荷的綜合管理與調(diào)度，實現(xiàn)內(nèi)部優(yōu)化運行、對外部電力系統(tǒng)友好接入并提供支持服務。EMS可向上接入更大規(guī)模、更*層級的EMS，也可向下調(diào)度多個發(fā)電設備控制器及負荷管理器。

大部分現(xiàn)存研究只對EMS進行了簡單功能介紹。林青瑜提出的光儲一體化電站關鍵技術設計，對能量管理系統(tǒng)及策略進行了簡單說明。*建東提出的面向智能臺區(qū)的風光儲充能量管理策略，但沒有對管理系統(tǒng)功能進行詳細介紹。李軍微等提出的10kW／20kW·h鋰電池能量管理系統(tǒng)的設計，將BMS融入到EMS軟件中，模塊劃分不太合理。

本文進一步闡述分布式光儲能量管理系統(tǒng)的定義、組成、各部件的功能、EMS作用邊界及在光儲電站中的位置，*后分析分布式能量管理策略。

1.分布式光儲電站

1.1光儲電站通信系統(tǒng)

光儲電站通信系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

光儲電站包括光伏組件、光伏逆變器、電池及BMS、儲能PCS、SCADA、EMS等。光儲系統(tǒng)的實時控制設備分為兩層，底層是本地控制器，主要完成電池儲能系統(tǒng)（BESS）內(nèi)部儲能變流器、能量存儲單元等底層部件的協(xié)同與控制；頂層為EMS，獨立于BESS之外依據(jù)儲能場景的經(jīng)濟模型、歷史及預測數(shù)據(jù)、電力電價政策等外部信息，對BESS的運行模式、功率-時間曲線進行優(yōu)化調(diào)度。

1.2光儲電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光儲電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

U1、U2為光儲系統(tǒng)兩個連接點電壓。其中（PS、QS）向電網(wǎng)送入功率，負載（PL、QL）從電網(wǎng)吸收功率，儲能系統(tǒng)（PB、QB）既可以向電風輸送功率，也可以從電網(wǎng)吸收功率。PCC連接點U2的表達式：

U2=−U1

[R(−PS+PL±PB)+]（1）

光伏輸出功率發(fā)生波動或負載切入切出時都會影響系統(tǒng)PCC點母線電壓的穩(wěn)定，當其波動范圍超過±10%，就會損壞負載。此時本地控制器或EMS控制器對儲能系統(tǒng)進行PQ控制，來維持微網(wǎng)注入有功功率的恒定，從而維持U2的恒定。當儲能系統(tǒng)超出其調(diào)節(jié)范圍，可再生電源造成PCC點電壓波動大于±10%，或配電網(wǎng)發(fā)生短路故障時，斷開并網(wǎng)開關，微網(wǎng)運行于離網(wǎng)模式。此時系統(tǒng)中至少有一個儲能系統(tǒng)采取U/f控制，為系統(tǒng)提供頻率和電壓支撐。孤島模式下，當光伏出力大于負載時，光伏給儲能系統(tǒng)充電；當光伏出力小于負載時，光伏和儲能聯(lián)合為負載供電。

2.能量管理系統(tǒng)設計

2.1總體架構(gòu)

EMS的總體架構(gòu)由兩大部分組成，分別是支撐平臺與應用軟件，如圖3所示。

圖1光儲電站通信系統(tǒng)

圖2光儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2支撐平臺

支撐平臺是EMS的載體與軟件功能實現(xiàn)的基礎，主要包括量測終端、傳輸信道、控制器、數(shù)據(jù)庫等。

2.3量測組件

量測組件實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集。現(xiàn)場電能表、攝像頭、測量設備等產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)通過本地控制器或轉(zhuǎn)為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)向上傳輸，為EMS決策提供數(shù)據(jù)支撐。該過程包括信息量測、數(shù)據(jù)處理/轉(zhuǎn)換、指令發(fā)送等。

2.4傳輸信道

EMS控制系統(tǒng)通過RS485通訊，接入不同類型的設備，如光伏逆變器、匯流箱、電表、環(huán)境監(jiān)測儀等。不同類型的設備接入本地控制器不同端口。

對于有遠程監(jiān)控的分布式場景，通過4G/5G網(wǎng)絡接入監(jiān)控云平臺。

2.5控制器

EMS控制器采用Cotex-A8核心板，運行Linux系統(tǒng)，通信接口豐富，內(nèi)置多種能量管理功能模塊，可應用于不同場景。硬件框圖如圖4所示。

EMS控制器可接入設備包括本地控制器、光伏逆變器、儲能/風電變流器、電表等。ETH2可通過交換機、路由器等設備連接至后臺主站；ETH1用于下層設備；干接點輸入接口，內(nèi)部電壓DC24V，漏電保護信號、電網(wǎng)逆流反饋信號、并網(wǎng)斷路器反饋信號的輸入；DO采用繼電器輸出接口；模擬量輸入精度4mA~20mA/0V~10V1%。

2.6數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫將物理模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學模型，為EMS各功能的實現(xiàn)提供所需數(shù)據(jù)源。包括實時數(shù)據(jù)庫、預測與計劃數(shù)據(jù)庫、基本數(shù)據(jù)庫、臨時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫等。

3.應用軟件

EMS主要的三大功能：數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控、能量管理和網(wǎng)絡分析。EMS*應用由算法服務器和實時控制器兩組硬件平臺聯(lián)合實現(xiàn)。EMS算法服務器主要完成能量管理軟件研究模式算法及網(wǎng)絡分析軟件算法的運行；實時控制器主要完成能量管理軟件實時模式算法運行，綜合實時系統(tǒng)狀態(tài)及安全約束條件，產(chǎn)生*終的光儲控制指令。

3.1數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控

SCADA是EMS的基本功能。SCADA具有光儲電站數(shù)據(jù)采集功能，EMS通過它向電力系統(tǒng)發(fā)送控制指令，網(wǎng)絡分析軟件向它返回量測質(zhì)量信息。能量管理軟件利用所采集信息，包括來自SCADA的系統(tǒng)功率、頻率以及網(wǎng)損修正系統(tǒng)和安全限制值，形成發(fā)電計劃與預測結(jié)果，進行調(diào)度決策，提*系統(tǒng)運行質(zhì)量和改善運行經(jīng)濟性。網(wǎng)絡分析軟件利用電力系統(tǒng)的*面信息，包括實測量與開關狀態(tài)以及來自能量管理軟件的預測結(jié)果與發(fā)電計劃，進行量測質(zhì)量信息分析。

集中顯示系統(tǒng)的重要的運行參數(shù)和運行狀態(tài)，分組顯示不同設備的信息?；诘乩韴D的總體信息監(jiān)視，提供電站監(jiān)視分析功能。

系統(tǒng)監(jiān)控功能，包括多臺PCS的遙測、遙控、遙調(diào)；多臺分布式發(fā)電設備的遙測、遙控、遙調(diào)；環(huán)境監(jiān)測儀設備信息讀?。浑姳碓O備的信息讀??；外部設備控制、干接點預留等；本地數(shù)據(jù)顯示、控制；電池信息顯示；遠程監(jiān)控；實時監(jiān)測電網(wǎng)數(shù)據(jù)。

光伏信息監(jiān)視：逆變器采集的數(shù)據(jù)包括遙測量和遙信量，其中，遙測量采集：額定輸出功率、日發(fā)電量、總發(fā)電量、交流三相電壓電流、電網(wǎng)頻率、逆變器效率等值；遙信量采集：逆變器相關狀態(tài)量、相關故障代碼等。

BMS信息監(jiān)視：包括電池數(shù)目/標稱容量、總電壓、電流、單體***低電壓、SOC、SOH、電池溫度、每組電池電壓平均值、電壓/電流/溫度報警信息、工作狀態(tài)。

PCS信息監(jiān)視：包括充放電信息、溫度、頻率、交流/直流斷路器狀態(tài)、工作狀態(tài)、直流電壓/電流/功率、逆變?nèi)嘟涣麟妷?電流/功率、直流報警故障信息。

SCADA還監(jiān)控變壓器溫控、環(huán)境檢測儀、UPS、電表、溫濕度等信息。

3.2能量管理

以SCADA為數(shù)據(jù)來源的能量管理功能集中了EMS的主要核心算法，是更*層的應用功能。

能量管理功能包括微電網(wǎng)電壓與頻率調(diào)節(jié)，功率因數(shù)調(diào)節(jié)；電網(wǎng)調(diào)度；儲能調(diào)節(jié)；負荷控制；預留負荷預測接口和資源。具有分時段模式設備功能；裝置具備對時功能，采用光或電B碼對時，誤差不大于1ms；裝置具備人機交互功以能，可就地查看運行報告、故障報告等；系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化功能，包括安全監(jiān)控、調(diào)度管理與計劃等；分時電價功能；數(shù)據(jù)實

時監(jiān)控；自動運行控制；電池組均衡管理；電力數(shù)據(jù)、缺陷統(tǒng)計報表。

EMS控制器用于儲能系統(tǒng)不同場合的實時控制策略，可接入云端對分散布局的儲能系統(tǒng)遠程集中運維。簡單功能的管理系統(tǒng)可通過EMS的Web頁面實現(xiàn)監(jiān)控，為客戶提供低成本解決方案。

能量管理模塊具有參數(shù)設備功能，參數(shù)信息如表1所示。

表1參數(shù)設置

3.3網(wǎng)絡分析

網(wǎng)絡分析功能具有故障模型、*優(yōu)調(diào)度模型，具有系統(tǒng)的潮流分析、安全約束、短路計算等模塊，由EMS算法服務器實現(xiàn)。

4.本地控制器

本地控制器是發(fā)電設備不可少的控制設備，是EMS工作的必要設備，有些情況下可擴展為EMS的硬件支撐設備。

4.1軟件架構(gòu)

本地控制器軟件分括驅(qū)動層、服務層、應用層，如圖5所示。

驅(qū)動層統(tǒng)一了設備數(shù)據(jù)的存儲、讀取規(guī)范、封裝IO、串口及網(wǎng)絡調(diào)用等接口，封裝了常用函數(shù)。

服務層主要包括線程管理、基礎通信、采集、參數(shù)配置、日志、WebServer等模塊，實現(xiàn)控制器管理，負責相關數(shù)據(jù)采集和計算，并控制相關設備。

應用層主要實現(xiàn)具體應用需求，包含自檢啟停、模式切換、控制聯(lián)動、故障告警、協(xié)同保護和用戶管理等。

4.2功能設計

監(jiān)控信息包括概要信息、儲能變流器等設備信息、BSC信息、測控信息、ATS信息、詳細信息、運行參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)、通訊參數(shù)、子設備參數(shù)、保護參數(shù)、運行事件記錄、故障告警記錄、版本信息、固件升級、備份&恢復、Modbus點表、CAN點表。

本地控制器能通過CAN、RS485或工業(yè)以太網(wǎng)采集BMS狀態(tài)信息。BMS系統(tǒng)信息包括模擬量、狀態(tài)量、統(tǒng)計量。電池管理通信采取身份認證、訪問控制、加密或完整性保護等防護措施中至少一種，訪問控制采取IP訪問控制或時間訪問控制等措施中至少一種。電池管理通信加密滿足國標，密鑰加密存儲，支持更新。

本地控制器需要對儲能變流器的數(shù)據(jù)進行采集，具體采集包括模擬量、狀態(tài)量，通過CAN、RS485或工業(yè)以太網(wǎng)進行采集和控制。

采信信息包括啟動停止狀態(tài)、有功功率輸出設定、儲能電池串組退出、充放電電壓上下限、充放電電流上下限及充電**SOC等的設定。

采集儲能消防系統(tǒng)的故障信息，通過CAN、RS485或工業(yè)以太網(wǎng)通信，通過Modbus協(xié)議上傳詳細工作狀態(tài)、遠程聯(lián)動等實時通信，支持設置消防系統(tǒng)的工作狀態(tài)如報警動作值、動作溫度等，支持數(shù)字量輸出接口與消防系統(tǒng)聯(lián)動控制。

5.EMS與其它系統(tǒng)關系

5.1EMS與本地控制器

本地控制器主要功能：1.實現(xiàn)BESS內(nèi)部環(huán)境、底層設備的信息采集及記錄；2.向SCADA系統(tǒng)、EMS控制系統(tǒng)上傳BESS內(nèi)部數(shù)據(jù)、接受調(diào)度指令；3.依據(jù)系統(tǒng)實時狀態(tài)和外部指令，統(tǒng)一協(xié)調(diào)BESS內(nèi)部設備工作達到控制目標；4.采取自主措施實現(xiàn)緊急狀態(tài)下的故障保護、故障記錄及診斷等功能。

本地控制器也隨應用需求而變化。有的BESS中內(nèi)部包含若干獨立的PCS+電池單元，本地控制器根據(jù)SOC參數(shù)協(xié)調(diào)PCS功率分配，以實現(xiàn)長期運行。本地控制器的應用層隨具體系統(tǒng)配置與應用功能靈活設計，在小型化儲能應用中，可以擴大本地控制器范圍，將部分EMS的功能融入其中，如分時電價、削峰填谷等，通過距離功能模塊滿足不同客戶不同場景的應用要求。

5.2EMS與SCADA系統(tǒng)

SCADA系統(tǒng)將電力系統(tǒng)設備相關信息和數(shù)控實時采集、集中顯示，使得調(diào)度運維人員能夠及時掌握系統(tǒng)運行狀況，并對運行過程發(fā)出人工干預指令、修改運行參數(shù)。

而EMS是基于SCADA系統(tǒng)所提供的數(shù)字化信息，進一步實現(xiàn)自動發(fā)電控制、網(wǎng)絡分析功能，提*電力系統(tǒng)數(shù)字化、自動化水平，為調(diào)度人員提供基于大數(shù)據(jù)、*算法的輔助決策工具，增強對電力系統(tǒng)的分析判斷。

5.3EMS與BMS

PCS與BMS等設備具有多個接口，可直接與EMS或SCADA通訊。在要求PCS的EMS調(diào)度響應能力更快時，由EMS直接調(diào)度。BMS電池數(shù)據(jù)體量較大時直接上傳到SCADA。

6.控制策略

控制策略依據(jù)能量系統(tǒng)的復雜性和客戶需求的經(jīng)濟性而不同。EMS管理對象或管理范圍，廣義上包括BESS、新能源發(fā)電單元、常規(guī)發(fā)電機組、輸配電設備及用電負荷在內(nèi)的所有與能量產(chǎn)生、傳輸?shù)认嚓P設備或相對獨立區(qū)域。

6.1離并網(wǎng)模式

EMS基于電池特性和耐久性模型，結(jié)合用戶用電行為，通過多層神經(jīng)網(wǎng)絡算法自動優(yōu)化系統(tǒng)運行策略，滿足用戶需求前提下，使系統(tǒng)盡可能運行在**效率點和*佳環(huán)境溫度，提升系統(tǒng)效率，延長電池壽命。

穩(wěn)態(tài)情況下，光儲電站并網(wǎng)運行，儲能系統(tǒng)配合光伏電源工作，參與新能源消納，為負載提供*質(zhì)量電能。當檢測到配電網(wǎng)或PCC點的頻率和電壓越限*，斷開并網(wǎng)，控制模式切為孤島運行模式。離網(wǎng)系統(tǒng)中，儲能系統(tǒng)用來組網(wǎng)，為負載提供穩(wěn)定電壓，保證正常運行。

6.2控制策略

6.2.1恒功率充放電

EMS控制器按計劃表設定功率對儲能變流器下發(fā)指令，儲能變流器采用恒定功率對電池進行充電或放電。

6.2.2削峰填谷

根據(jù)用戶用電規(guī)律，設置峰谷值，降低負荷*峰，填補負荷低谷，使發(fā)電、用電趨于平衡。該模式下，光伏系統(tǒng)*大化出力，若觸發(fā)防逆流功能，則限制光伏出力。當電網(wǎng)功率大于峰值時，儲能系統(tǒng)放電，小于谷值時，儲能系統(tǒng)充電。

6.2.3自發(fā)自用

自發(fā)自用模式即PCC功率控制模式，用戶設置PCC點功率，系統(tǒng)控制其穩(wěn)定在設置值。當光伏系統(tǒng)輸出功率大于負載功率，儲能系統(tǒng)充電；輸出小于負載時，儲能系統(tǒng)放電。

6.2.4需量控制

光伏系統(tǒng)*大化出力時，若負荷仍超過設置的需求量功率，則EMS控制器控制儲能系統(tǒng)出力，平抑超出功率。系統(tǒng)響應需求側(cè)指令控制儲能系統(tǒng)充放電，并獲取經(jīng)濟補貼。

6.2.5防逆流控制

EMS控制光伏發(fā)電優(yōu)先供給負載，多余電能充入儲能，當儲能系統(tǒng)和負荷不能消納時，限制光伏發(fā)電，避免光伏發(fā)電饋入電網(wǎng)。

6.2.6一次調(diào)頻、動態(tài)調(diào)壓

接收調(diào)度和電化學儲能電站監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)控指令，控制多臺儲能變流器，實現(xiàn)一次調(diào)頻、動態(tài)調(diào)壓等。

7.安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統(tǒng)概述

7.1概述

安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統(tǒng)，專門針對工商業(yè)儲能柜、儲能集裝箱研發(fā)的一款儲能EMS，具有完善的儲能監(jiān)控與管理功能,涵蓋了儲能系統(tǒng)設備(PCS、BMS、電表、消防、空調(diào)等)的詳細信息,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報警管理、統(tǒng)計報表等功能。在*應用上支持能量調(diào)度,具備計劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。

7.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Acrel-2000ES，可通過直采或者通過通訊管理或串口服務器將儲能柜或者儲能集裝箱內(nèi)部的設備接入系統(tǒng)。

7.3接入設備

Acrel-2000ES，具備多種接口，多種協(xié)議對接的能力，支持多種設備接入。

7.4系統(tǒng)功能

7.4.1實時監(jiān)測

系統(tǒng)人機界面友好，能夠顯示儲能柜的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測PCS、BMS以及環(huán)境參數(shù)信息，如電參量、溫度、濕度等。實時顯示有關故障、告警、收益等信息。

7.4.2設備監(jiān)控

系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測PCS、BMS、電表、空調(diào)、消防、除濕機等設備的運行狀態(tài)及運行模式。

PCS監(jiān)控：滿足儲能變流器的參數(shù)與限值設置；運行模式設置；實現(xiàn)儲能變流器交直流側(cè)電壓、電流、功率及充放電量參數(shù)的采集與展示；實現(xiàn)PCS通訊狀態(tài)、啟停狀態(tài)、開關狀態(tài)、異常告警等狀態(tài)監(jiān)測。

BMS監(jiān)控：滿足電池管理系統(tǒng)的參數(shù)與限值設置；實現(xiàn)儲能電池的電芯、電池簇的溫度、

電壓、電流的監(jiān)測；實現(xiàn)電池充放電狀態(tài)、電壓、電流及溫度異常狀態(tài)的告警。

空調(diào)監(jiān)控：滿足環(huán)境溫度的監(jiān)測，可根據(jù)設置的閾值進行空調(diào)溫度的聯(lián)動調(diào)節(jié)，并實時監(jiān)測空調(diào)的運行狀態(tài)及溫濕度數(shù)據(jù)，以曲線形式進行展示。

UPS監(jiān)控：滿足UPS的運行狀態(tài)及相關電參量監(jiān)測。

7.4.3曲線報表

系統(tǒng)能夠?qū)CS充放電功率曲線、SOC變換曲線、及電壓、電流、溫度等歷史曲線的查詢與展示。

7.4.4策略配置

滿足儲能系統(tǒng)設備參數(shù)的配置、電價參數(shù)與時段的設置、控制策略的選擇。目前支持的控制策略包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制等。

7.4.5實時報警

儲能能量管理系統(tǒng)具有實時告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)δ艹浞烹娫较?、溫度越限、設備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。

7.4.6事件查詢統(tǒng)計

儲能能量管理系統(tǒng)能夠?qū)b信變位，溫濕度、電壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

7.4.7遙控操作

可以通過每個設備下面的紅色按鈕對PCS、風機、除濕機、空調(diào)控制器、照明等設備進行相應的控制，但是當設備未通信上時，控制按鈕會顯示無效狀態(tài)。

7.4.8用戶權限管理

儲能能量管理系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經(jīng)授權的操作（如遙控的操作，數(shù)據(jù)庫修改等）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

7.4.9安科瑞配套產(chǎn)品

8.結(jié)語

分布式光儲電站離用戶較近，可以有效減輕電網(wǎng)負擔，減少遠距離電能傳輸損耗，促進節(jié)能減排，EMS系統(tǒng)應用廣泛。本文對EMS的總體結(jié)構(gòu)、支撐平臺設計、應用軟件進行介紹與設計，闡述了其與其它系統(tǒng)的關系。各系統(tǒng)配合實現(xiàn)分布式光儲系統(tǒng)能量管理，使光伏電站穩(wěn)定運行。EMS支持光儲電站恒功率充放電、削峰填谷、自發(fā)自用、需量控制、防逆流控制、一次調(diào)頻、動態(tài)調(diào)壓等。EMS的體系架構(gòu)正在由封閉式、集中式向開放式、分布式體系架構(gòu)發(fā)展，隨著光儲業(yè)務的大規(guī)模應用實踐，可移植、可伸縮、模塊化、規(guī)范化和標準化逐漸成為EMS的主要發(fā)展方向。

參考文獻：

[1]王兵.分布式光儲能量管理系統(tǒng)及其控制策略.

[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.5版.