安科瑞 劉秋霞
【摘要】為緩解電力負荷時段性峰谷不平衡的壓力,開發了一種應用于智能電網的智能儲能管理系統。系統在電力負荷較輕及電價較低時自動儲能,在電力負荷高峰及電價較高時,將所儲電能供給用戶或反售電網。系統由控制器、儲能器件、逆變器、通信模塊等組成,采用Modbus協議與上位機通信,采用C語言編寫控制器程序,VB開發上位機軟件,實現了系統仿真。該系統有利于電力負荷削峰平谷以及節約電力用戶的電費開支。
【關鍵詞】智能電網；智能儲能系統；電力線載波技術；單片機；Modbus協議
0引言
智能電網能實現發電、輸電、供電、客戶售電、用電、電網分級調度、綜合服務等電力產業全流程的智能化、信息化、分級化互動管理。我國將在2020年*面建成統一的堅強智能電網,目前正處在智能電網*面建設階段。根據電力負荷實施不同電價是智能電網的特點之一,它通過電價調節,促使用戶優化用電方案,錯開峰值電價,一定程度地減少電網負荷峰谷差,提高電網系統的能源效率。但這種手段并不能從本質上解決用電峰谷問題,用戶是不可能在負荷高峰時段(例如18:00~23:00)避開用電,此時電費的高價位反而加重了用戶的負擔。基于此,我們設計了一種基于智能電網終端的智能儲能系統,在一定程度上解決了這一問題。
智能儲能管理系統功能與系統結構
1.1系統功能
智能儲能控制器能自動識別電力負荷的峰谷,在電力系統的負荷谷底,以較低的實時電價將電能儲存在家庭儲能器件(蓄電池組等)中;在電力系統的負荷峰值,實時電價較高時,切斷(或減少)電網供電,將儲能器件中的電能逆變后給家用電器供電。智能儲能管理系統根據負載功率大小與儲存的電能自動運算出*佳用電方案供用戶選擇,甚至將富裕的電能反售給電網,用戶可現場或遠程選擇或設置用電方案。智能儲能控制器能對負荷削峰填谷,提高系統可靠性和穩定性,減少系統備用需求及停電損失,使原來幾乎完*剛性的系統變得柔性起來,電網運行的安全性、可靠性、經濟性、靈活性也會因此得到大幅度的提高。同時,系統又能使用戶在實時電價高的用電峰值階段斷開(或減少)高價電的消費,減少電費支出。
1.2智能儲能管理系統結構
智能儲能管理系統結構如圖1所示,系統由控制器、儲能器件、逆變器、電力線載波通信模塊、集中器等組成。
圖1智能儲能管理系統結構
控制器是核心器件,主要功能是接收人工指令、顯示狀態信息、接收和處理管理主機信息、對儲能器件充放電控制、并網開關控制、用電負荷檢測等。儲能器件可選用鉛酸蓄電池組串或*級電容組串,主要功能是儲存電能。逆變器將儲能器件儲存的直流電逆變成220V交流電供家庭交流負載使用或反售電網。雙向電能表具有雙向計量功能,電流流入時,電能表正向計量,電流流出則反向計量。管理主機與集中器為遠程通信,采用光纖通信方式,每棟住宅樓安裝一個集中器,集中器與用戶的通信采用寬帶電力線載波方式,通過電力線載波通信模塊實現信號的調制與解調。電力線載波模塊與電能表及控制器則采用RS-485工業總線方式通信。系統的工作過程為:當管理主機通過網絡將實時電價等信息廣播給各用戶時,控制器接收實時電價信息后進行對比檢測與判斷,如為谷底電價(電價較低),則為儲能元件儲能,此時并網控制開關打開,負載也由電網供電,電能表正向計量;如為峰值電價(電價較高),則控制器根據用戶的當前用電功率與儲能元件的荷電狀態自動控制電能的接入。儲能器件的直流電能經逆變器逆變*交流電后給家庭負載供電,當儲能器件電能消耗達到設定的底線時,控制器切斷儲能器件輸出,逆變器停止工作,并網開關再次閉合,切換成外網供電。如檢測出家庭負載未用電或用電負載很輕時,控制器閉合并網控制開關,開啟逆變器,儲能器件的直流電逆變*交流電后通過雙向電能表反售電網,直到蓄電池電能消耗達到設定的底線或本次峰值電價結束。
智能儲能控制器硬件設計
智能儲能控制器由單片機、顯示模塊、鍵盤、LED指示、時鐘電路、存儲器、通信模塊以及蓄電池充放電控制電路組成。其硬件結構如圖2所示。
圖2智能儲能控制器硬件結構
智能儲能控制器的單片機選用宏晶科技生產的STC12C5A60S2,此單片機指令代碼完*兼容傳統8051,但速度快8~12倍。內部集成MAX810專用復位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉換,60kBFlashROM,滿足本設計中程序容量、運行速度及模擬信號處理等要求。顯示模塊選用ZLE12864A單色液晶顯示屏,時鐘芯片選用DS1302萬年歷專用芯片,存儲器選用24C64芯片,RS-232/485轉換選用SN75LBC184芯片,電力線載波通信選用北京福星曉程科技公司生產的PL2102。
2.1蓄電池充放電控制電路設計
蓄電池需要進行過充與過放保護,因此需設置充放電控制電路。如圖2所示,Q1為蓄電池充電控制開關管,Q2為蓄電池放電控制開關管,R5、R6為蓄電池電壓檢測電阻,R0為負載檢測電阻,JK1為并網控制開關。蓄電池充電過程如下。P2.6輸出高電平,Q1導通,28V電源對蓄電池充電,蓄電池電壓通過R5、R6分壓后反饋致單片機A/D輸入端P1.0。隨著充電的進行,蓄電池電壓與P1.0反饋電壓均逐漸*大。當P1.0檢測電壓達到設定的充電上限值時,說明充電達到飽和,P2.6輸出切換成低電平,Q1截止,斷開充電,實現蓄電池過充保護。蓄電池放電過程如下。P2.7輸出高電平,Q2導通,蓄電池直流電通過Q2輸至逆變器,逆變器啟動,蓄電池直流電經逆變成220V交流后輸出。此時如家庭負載有用電,R0上有電流通過,形成電壓降,經放大整流后在單片機A/D輸入端P1.1得到檢測信號,P2.5輸出低電平,并網開關JK1斷開,負載用電由蓄電池提供。如家庭負載未用電(或負載很輕),R0上則沒有電流(或電流很小),P1.1檢測信號未達到門限值,P2.5則輸出高電平,JK1導通,蓄電池電能反售電網。隨著蓄電池放電的進行,蓄電池電壓與P1.0檢測電壓均逐漸下降,當電壓下降到設定的放電下限值時,P2.7輸出低電平,Q2截止,蓄電池停止放電,實現蓄電池過放保護。
2.2電力線載波通信模塊設計
電力線載波通信選擇PL2102。PL2102是專為電力線通信網絡設計的半雙工異步調制解調器,它僅由單一的+5V電源供電,以及一個外部的接口電路與電力線耦合。PL2102內置了四種常用的功能電路:32BSRAM、電壓監測、看門狗定時器及復位電路。它們通過標準的I2C接口與外部的微處理器相聯。PL2102是特別針對中國電力網惡劣的信道環境所研制開發的低壓電力線載波通信芯片,采用了直接序列擴頻、數字信號處理、直接數字頻率合成等新技術,以及大規模數字/模擬混合0.5μmCMOS工藝制作,具有較強的抗干擾、抗衰落性能。信號接收過程為:電力線上的載波信號經T31、C33耦合,進入PL2102B/C的模擬信號輸入端SIGin,在內部進行載波解調;通過I2C總線SDA/SCL與AT89C51交換數據,AT89C51將接收的數據通過串口轉發至控制器和雙向電能表。信號發送過程為:控制器或電能表數據通過串口發至AT89C51,I2C總線SDA/SCL傳入PL2102后進行載波調制,PSKO為調制后的信號輸出端,輸出信號經Q31、Q32、Q33、Q34組成OTL驅動放大后,經C31、T31耦合輸出至電網。電力線載波通信模塊電路如圖3所示：
圖3電力線通信接口電路
2.3顯示模塊與存儲器
顯示模塊選用深圳卓立恩科技有限公司生產的ZLE12864A模塊。ZLE12864A模塊工作電壓為5V,顯示內容為128(列)×64(行),顯示模式為FSNT正顯,與單片機連接采用8位并行輸出方式,通過字符取模軟件生成漢字代碼。顯示屏上方固定顯示時間,中下部為信息發布區,分屏顯示即時電價、操表、剩余電量等信息。存儲器選擇24C64EEPROM。24C64為I2C總線的EEPROM，具有較強的抗干擾能力，功耗低，可斷電保存數據200年以上，擦寫次數*少10萬次。
3.智能儲能控制器軟件設計
根據系統組成,智能儲能控制器、電力線載波通信模塊、上位機管理均需編制軟件。智能儲能控制器軟件以及電力線載波通信模塊采用單片機C語言編制,上位機管理軟件采用VisualBasic編制,通過虛擬串口VSPDxp5實現管理主機與下位機系統調試。
3.1智能儲能控制器主程序設計
智能儲能控制器軟件由主程序、時鐘程序、鍵盤程序、顯示程序、通信程序等組成。由于采用C語言編寫,因此將各種功能模塊編寫成各類功能函數,由主函數調用并反復循環。主程序流程圖如圖4所示。其流程為:①開機或復位后首先進行初始化設置;②調用時鐘函數,取出時間信息;③調用顯示函數將各類信息顯示在液晶屏上;④查詢是否有按鍵,如有按鍵則調用按鍵處理函數,得出鍵位碼,鍵位碼使相關函數響應;⑤檢測電價狀態標志位,如為電價谷值,則用戶負載由電網供電,同時啟動蓄電池充電函數;如為電價峰值,啟動蓄電池放電函數。當蓄電池電量不足時,繼續采用電網供電;蓄電池電量充足時,采用蓄電池供電或將電能反售電網。
圖4主程序流程圖
3.2智能儲能控制器通信程序設計
系統的通信包括采集器與管理主機的光纖通信、采集器與電力線載波模塊的電力線通信以及電力線載波模塊與儲能控制器和電能表的RS-485工業總線通信。管理主機與采集器的通信按國家電力行業標準要求采用DL645-2007協議,電力線載波模塊與智能儲能控制器約定雙方按Modbus協議編寫通信程序。接收采用被動中斷方式,發送采用主動查詢方式。智能儲能控制器數據發送工作過程為:①把要發送的數據進行CRC運算;②發送本機地址碼;③發送功能碼;④發送數據長度值;⑤依次發送數據;⑥發送CRC校驗碼。智能儲能控制器接收采用中斷方式接收電力載波模塊的請求幀。其數據接收過程為:①響應串行中斷,接收地址碼,判斷地址碼是否與本機地址相同,如不同則退出中斷;②接收功能碼,判斷功能碼,根據功能碼值進行相應處理;③按幀依次接收數據;④接收CRC校驗碼;⑤把所接收的數據進行CRC運算(接收的校驗碼不參與);⑥把接收的CRC校驗碼與運算所得的CRC碼進行比較,相符則說明接收正確,返回接收正確功能碼,不符說明接收不正確,返回接收錯誤功能碼。
4.Acrel-2000ES儲能柜能量管理系統
4.1系統概述
安科瑞儲能能量管理系統Acrel-2000ES，專門針對工商業儲能柜、儲能集裝箱研發的一款儲能EMS，具有完善的儲能監控與管理功能,涵蓋了儲能系統設備(PCS、BMS、電表、消防、空調等)的詳細信息,實現了數據采集、數據處理、數據存儲、數據查詢與分析、可視化監控、報警管理、統計報表等功能。在*級應用上支持能量調度,具備計劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。
4.2系統結構
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部的設備接入系統。
4.3系統功能
4.3.1實時監測
系統人機界面友好，能夠顯示儲能柜的運行狀態，實時監測PCS、BMS以及環境參數信息，如電參量、溫度、濕度等。實時顯示有關故障、告警、收益等信息。
4.3.2設備監控
系統能夠實時監測PCS、BMS、電表、空調、消防、除濕機等設備的運行狀態及運行模式。
PCS監控：滿足儲能變流器的參數與限值設置；運行模式設置；實現儲能變流器交直流側電壓、電流、功率及充放電量參數的采集與展示；實現PCS通訊狀態、啟停狀態、開關狀態、異常告警等狀態監測。
BMS監控：滿足電池管理系統的參數與限值設置；實現儲能電池的電芯、電池簇的溫度、電壓、電流的監測；實現電池充放電狀態、電壓、電流及溫度異常狀態的告警。
空調監控：滿足環境溫度的監測，可根據設置的閾值進行空調溫度的聯動調節，并實時監測空調的運行狀態及溫濕度數據，以曲線形式進行展示。
UPS監控：滿足UPS的運行狀態及相關電參量監測。
4.3.3曲線報表
系統能夠對PCS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。
4.3.4策略配置
滿足儲能系統設備參數的配置、電價參數與時段的設置、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。
4.3.5實時報警
儲能能量管理系統具有實時告警功能，系統能夠對儲能充放電越限、溫度越限、設備故障或通信故障等事件發出告警。
4.3.6事件查詢統計
儲能能量管理系統能夠對遙信變位，溫濕度、電壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。
4.3.7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。
4.3.8用戶權限管理
儲能能量管理系統為保障系統安全穩定運行，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授權的操作（如遙控的操作，數據庫修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。
5.結束語
綜上所述，光伏儲能系統能夠平滑功率波動、提高電網的穩定性和可靠性，同時實現供需平衡和調峰填谷。然而，光伏儲能系統的應用還面臨一些挑戰，如成本高、技術難題等。因此，未來需要進一步研究和改進控制策略，以提高光伏儲能系統的效率和經濟性。同時，政策支持和市場推動也是推動光伏儲能系統發展的重要因素。相信通過不斷的努力和創新，光伏儲能系統將在清潔能源領域發揮更加重要的作用，實現可持續能源的可靠供應。
參考文獻
張文亮,劉壯志,王*俊,等.智能電網的研究進展及發展趨勢[J].電網技術,2009,33(13):1-11.
常康,薛峰,楊衛東.中國智能電網基本特征及其技術進展評述[J].電力系統自動化,2009,33(17):10-15.
劉東旗,王連成,龐金海,等.智能電網自動需求響應技術系統的研究[J].自動化儀表,2013,34(11):76-79.
企業微電網設計與應用手冊2022.05版.
[5] 田擁軍.智能電網終端智能儲能管理系統設計
