安科瑞 劉邁

　　摘要：文章從儲能EMS系統(tǒng)架構(gòu)和實現(xiàn)功能出發(fā)，分析了新型電力系統(tǒng)儲能EMS的設(shè)計，并探討了新型電力系統(tǒng)儲能EMS在廣西儲能項目中的應用，旨在提升儲能在新型電力系統(tǒng)中的管理效率，保障儲能電站的安全管理。

　　關(guān)鍵詞：獨立儲能；EMS；新型電力系統(tǒng)；電站管理

　　1.背景

　　新型電力系統(tǒng)是以確保能源電力安全為基本前提，以滿足經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展的電力需求為首要目標，以高比例新能源供給消納體系建設(shè)為主線任務，以源網(wǎng)荷儲多向協(xié)同、靈活互動為有力支撐，以堅強、智能、柔性電網(wǎng)為平臺，以技術(shù)創(chuàng)新和體制機制創(chuàng)新為基礎(chǔ)能保障的新時代電力系統(tǒng)，是新型能源體系的重要組成部分和實現(xiàn)“雙碳"目標的關(guān)鍵載體。

　　新型電力系統(tǒng)發(fā)展過程中，以壓縮空氣儲能、電化學儲能等日內(nèi)調(diào)節(jié)為主的新型儲能技術(shù)，依托“新能源+儲能"電站、電網(wǎng)側(cè)獨立儲能、用戶側(cè)儲能削峰填谷、共享儲能等模式，滿足了新型電力系統(tǒng)日內(nèi)調(diào)節(jié)需求。據(jù)國家能源局2024年1月25日新聞發(fā)布會相關(guān)內(nèi)容顯示，截2023年底，全國已建成投運新型儲能項目累計裝機規(guī)模達3139萬kW/6687萬kW·h，從投資規(guī)模來看，“十四五"以來，新增新型儲能裝機直接推動投資經(jīng)濟超1000億元，帶動產(chǎn)業(yè)鏈上下游進一步拓展，成為我國經(jīng)濟發(fā)展“新動能"。

　　能量管理系統(tǒng)（EMS）是電化學儲能電站的決策設(shè)備，與BMS、PCS統(tǒng)稱為“3S"系統(tǒng)，是儲能電站監(jiān)控系統(tǒng)站控層的設(shè)備。EMS通過計算機、網(wǎng)絡和通信技術(shù)，實現(xiàn)電站內(nèi)儲能系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等設(shè)備的信息采集、監(jiān)視、控制等功能。

　　不同應用場景、建設(shè)規(guī)模的儲能電站EMS功能差別較大。用戶側(cè)儲能電站以峰谷電價差套利為主，不接受電網(wǎng)的調(diào)度管理，EMS通過配置單臺服務器即可實現(xiàn)監(jiān)控和執(zhí)行充放電策略等功能。新能源側(cè)和電網(wǎng)側(cè)大中型儲能電站面臨監(jiān)控數(shù)據(jù)信息量大、調(diào)度管理系統(tǒng)復雜程度多樣化需求，EMS一般需具備場站設(shè)備監(jiān)控、調(diào)度控制、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、電力交易等功能。

　　2.儲能EMS系統(tǒng)架構(gòu)和實現(xiàn)功能

　　2.1EMS系統(tǒng)架構(gòu)

　　2.1.1用戶側(cè)工商業(yè)儲能

　　EMS常采用微電網(wǎng)管理架構(gòu)，將儲能、光伏、負荷以以太網(wǎng)、RS485、4G等方式，接入到能源管理系統(tǒng)主站。

　　2.1.2獨立儲能

　　獨立儲能EMS系統(tǒng)架構(gòu)更為復雜，不僅需要具備電網(wǎng)的調(diào)度接口，還需要滿足源網(wǎng)荷儲等多能互補的能量管理和監(jiān)控功能。獨立儲能EMS系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

　　2.2EMS功能實現(xiàn)

　　2.2.1用戶側(cè)工商業(yè)儲能

　　用戶側(cè)工商業(yè)儲能主要應用場景包括能量時移、需量管理、削峰填谷及參與電力交易，能夠幫助用戶節(jié)省電費，在平復用戶負荷波動的同時實現(xiàn)套利。其功能包括數(shù)據(jù)采集處理與存儲、系統(tǒng)監(jiān)視、能量管理、計量計費、統(tǒng)計分析、操作與控制。此外，還可以整合功率基礎(chǔ)分配、需求側(cè)響應、防逆流控制、削峰填谷等功能。

　　2.2.2獨立儲能

　　獨立儲能的應用場景包括現(xiàn)貨市場、調(diào)峰調(diào)頻輔助服務、能量轉(zhuǎn)移、無功支撐、新能源消納等，對應的功能層次也更多，基礎(chǔ)的獨立儲能功能包括數(shù)據(jù)可視化、運行監(jiān)控、報警、分時分區(qū)控制，進階的功能包括電力交易輔助決策、電站安全管理等。

圖1獨立儲能EMS系統(tǒng)架構(gòu)

3.新型電力系統(tǒng)儲能EMS設(shè)計

　　獨立儲能容量較大，其運行會給新型電力系統(tǒng)帶來較大的沖擊，同時由于獨立儲能所包含的電池數(shù)量眾多，控制難度大幅增加，對于電芯的安全運行要求也更為嚴苛。因此，文章以獨立儲能為研究對象，進行新型電力系統(tǒng)儲能EMS設(shè)計開發(fā)。

　　傳統(tǒng)的EMS存在無法適配電力市場體系改革的缺點，無法適配新型電力系統(tǒng)下復雜多場景的調(diào)度需求，也無法兼顧儲能電站日益增加的電站安全運維要求?？紤]到儲能電站屬于重資產(chǎn)投資，電站資產(chǎn)管理和全生命周期的資產(chǎn)價值計算若能納入到儲能EMS中，能使得儲能項目的資產(chǎn)評估和風險評估更加清晰。

　　基于此，文章在傳統(tǒng)儲能EMS基礎(chǔ)上，從三個角度對新型電力系統(tǒng)儲能EMS進行設(shè)計。

　　3.1儲能電站在不同電力市場規(guī)則和調(diào)度規(guī)則下的相應功能需求與適配性設(shè)計

　　通過研究不同區(qū)域和省份的電力市場規(guī)則和調(diào)度機制，總結(jié)各個市場調(diào)度對儲能子站的控制需求，將復雜的功率基準信號和輔助服務功率信號進行分解、疊加和計算，終轉(zhuǎn)換成標準控制指令，下發(fā)到儲能電站對應單元執(zhí)行，支持儲能電站在不同電力市場中運營。

　　在多堆的儲能電站場景，由于維護、分片調(diào)度等工況不同，各堆實時容量存在偏差。EMS功能上需考慮各堆充、放電功率分配功能，優(yōu)化各堆實時充、放電功率，使各堆電池循環(huán)次數(shù)趨于平衡，在單次循環(huán)中實現(xiàn)儲能電站充、放電量大化，提高儲能電站收益。根據(jù)儲能電站實際運營經(jīng)驗，EMS可考慮以下3種功率分配功能。

　?。?）手動分配。通過手動給定百分比的方式，實現(xiàn)各堆充、放電功率分配。

　　（2）平均分配。按電池堆數(shù)量、各堆實時平均分配充、放電功率。

　?。?）自動分配。根據(jù)各堆額定容量、SOC實時分配各堆放電功率，同時單堆所分配的功率大于堆額定功率時，設(shè)計再分配功能，實現(xiàn)儲能電站調(diào)度功率大化響應。

　　3.2電站健康管理需求和功能開發(fā)

　　通過將大數(shù)據(jù)技術(shù)應用到電池系統(tǒng)中，一站式對儲能電池進行數(shù)據(jù)收集、存儲、處理和分析。研究儲能電池和其他設(shè)備健康監(jiān)控技術(shù)，建立電池健康管理模型，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)實時監(jiān)測、預測和優(yōu)化調(diào)控，并采用人工智能深度學習算法，實現(xiàn)監(jiān)控和智能運維，定期進行電池安全AI健康評估，保障儲能安全。

　　3.2.1電池SOX狀態(tài)估計算法

　　基于深度學習的電池SOX狀態(tài)估計算法，預測電池荷電狀態(tài)SOC、健康狀態(tài)SOH，實現(xiàn)監(jiān)控和智能運維，保障電池安全和延長電池壽命。

　　3.2.2電池熱失控中長期預測算法

　　利用深度學習時序異常檢測算法，在多層次深度特征中捕獲熱失控表征量之間潛在的時序關(guān)聯(lián)，預測未來較長一段時間電芯熱失控風險。

　　3.2.3電芯故障異常檢測算法

　　采用深度學習時序異常檢測算法，對采集到的數(shù)據(jù)通過小波、傅里葉等數(shù)據(jù)變換，提取數(shù)據(jù)時域、頻域特征工程；探尋電池內(nèi)短路、析鋰等故障和表征量之間的關(guān)系，建立分析預測模型，研發(fā)高性能和高精度的故障預測算法。

　　3.3電站資產(chǎn)全生命周期價值評估

　　本研究考慮未來儲能項目市場環(huán)境，以保障電站投資收益為目標，基于電站采集數(shù)據(jù)對電站運行狀態(tài)進行評價，并結(jié)合收益和成本，創(chuàng)新性的建立融合多源數(shù)據(jù)的電站資產(chǎn)全生命周期價值評估方法，對中廣核新能源投資（深圳）有限公司現(xiàn)有及未來儲能項目的資產(chǎn)價值評估提供重要依據(jù)。

　　4.新型電力系統(tǒng)儲能EMS在廣西儲能項目中的應用情況

　　4.1多類型電站、多省份規(guī)則適配、調(diào)度響應和復雜AGC信號計算

　　儲能電站可選擇電站類型及參與的電力市場省份，根據(jù)省份配置市場選項供儲能電站選擇。根據(jù)儲能電站可參與的電力市場類型，如電能量市場和輔助服務市場，基于電站參數(shù)獲取智能交易策略，支持多個電力市場出力曲線疊加，生成策略生成申報功率建議和實時運行功率曲線，還可展示包括SOC情況和價格基準等重要的數(shù)據(jù)曲線。

　　4.2分區(qū)/塊調(diào)度、分時復用和一儲多用

　　可分區(qū)/分塊和分時配置電站在電力市場中運行的模式，查看各個區(qū)塊參與電力市場的情況?？蛇x擇手動配置和AI自動配置，支持點選各分區(qū)名稱查看各分區(qū)配置情況，支持編輯修改各PCS分區(qū)。

　　（1）電站概況。包括電站額定容量、電站額定功率、本日可用容量和本日可用功率。

　?。?）充放電情況。包括電站SOC、當前可放電量、實時有功/無功功率、本日充/放電量和累計充/放電量等數(shù)據(jù)。

　　（3）調(diào)頻里程。顯示調(diào)頻時刻里程。

　?。?）有功功率曲線。實際運行功率和本地計劃功率運行曲線。

　?。?）電站分區(qū)運行情況。顯示電站所配置各分區(qū)的運行模式、運行場景、受控PCS臺數(shù)、額定容量占比、

　　當前可用PCS臺數(shù)、可用容量占比、平均SOC、大可充/可放電量、有功/無功指令、實時有功/無功數(shù)據(jù)、AGC/AVC允許情況和AGC/AVC投入情況等。

　　4.3電池壽命RUL預測、安全故障和熱失控中長期預警

　　基于儲能電池和其他設(shè)備健康監(jiān)控技術(shù)，建立電池健康管理模型，實現(xiàn)對儲能系統(tǒng)的實時監(jiān)測、預測和優(yōu)化調(diào)控，實現(xiàn)高性和高可靠性的電池健康評估結(jié)果。

　?。?）電芯總覽。展示當前整站電池SOC和SOH情況及大/小SOC/SOH數(shù)據(jù)及所在位置。

　　（2）電芯電壓/溫度。展示各堆平均電壓（溫度）、電壓（溫度）大/小的電芯編號及電壓（溫度）。

　?。?）電芯狀態(tài)診斷。展示電芯SOH、RUL預測及電芯SOC預測，預測誤差小于±5%。

　?。?）電芯故障診斷。支持熱失控監(jiān)控、電芯內(nèi)短路等故障檢測和展示，實現(xiàn)熱失控前30min實現(xiàn)報警；檢出率>92%，誤報率<10%；電芯內(nèi)短路等故障檢出率>92%，誤報率<10%；支持故障日歷功能，統(tǒng)計和查看各月故障情況。

　　4.4電站功率分配

　　支持電站功率分配并優(yōu)化，使得每個電池堆根據(jù)擬充放電功率進行輸出后，終的SOC一致。電站功率分配情況總覽支持展示當前電站各儲能單元功率分配情況、當前狀態(tài)、總功率、分配數(shù)量及分配方式。支持功率分配方式選擇：自動分配、手動分配及平均分配。

　　4.5儲能電站運行狀態(tài)及資產(chǎn)評估

　　基于電站采集數(shù)據(jù)對電站運行狀態(tài)進行評價，結(jié)合收益和成本建立融合多源數(shù)據(jù)的

　　電站資產(chǎn)全生命周期價值評估方法，對儲能電站資產(chǎn)價值評估提供重要依據(jù)。

　?。?）電站基本信息：包括電站總投資金額、電站狀態(tài)、規(guī)模、項目地址及電站投運時間等。

　　（2）電站運行情況：包括電站投運總天數(shù)、電站累計充/放電時長、電站累計充/放電量、參與電能量市場、輔助服務市場、調(diào)度響應次數(shù)、電站容量租賃情況、當前電站電池狀態(tài)等。

　?。?）充放電概況：充放電量和充放電時長的展示。

　　考慮電池SOH、電站RTE、儲能損耗率、實際可放電功率、實際可放電量、可用系數(shù)等多種指標，建立儲能電站運行狀態(tài)評價算法，實現(xiàn)電站運行狀態(tài)的評價。

　　5.安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統(tǒng)概述

　　5.1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(shè)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。

　　5.2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(shè)備接入系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：

5.3接入設(shè)備

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

　　5.4系統(tǒng)功能

　　5.4.1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(guān)故障、告警、收益等信息。

5.4.2設(shè)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(shè)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(shè)置；運行模式設(shè)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(guān)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(shè)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(shè)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(guān)電參量監(jiān)測。

　　5.4.3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。

5.4.4策略配置

　　滿足儲能系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)的配置、電價參數(shù)與時段的設(shè)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。

5.4.5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艹浞烹娫较蕖囟仍较?、設(shè)備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。

5.4.6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。

5.4.7遙控操作

　　可以通過每個設(shè)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(shè)備進行相應的控制，但是當設(shè)備未通信上時，控制按鈕會顯示無效狀態(tài)。

5.4.8用戶權(quán)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(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)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(quán)限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

5.4.9安科瑞配套產(chǎn)品

　　6.結(jié)束語

　　文章在新型電力系統(tǒng)下獨立儲能快速發(fā)展的背景下，對獨立儲能EMS的系統(tǒng)平臺進行了設(shè)計搭建，并通過廣西獨立儲能項目的實踐應用，驗證了平臺的可行性。

　　參考文獻

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　　[2]鄭瑞春，王煥忠，孫中興，等.基于新型電力系統(tǒng)的電網(wǎng)儲能控制方法研究[J].自動化技術(shù)與應用，2023，42（12）：29-33.

　　[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應用手冊.2022.05