电网侧储能电站监控系统体系架构及关键技术

第48卷 第10期 电力系统保护与控制 Vol.48 No.10 2020年5月16日 Power System Protection and Control May 16, 2020 DOI: 10.19783/j.cnki.pspc.190807 电网侧储能电站监控系统体系架构及关键技术 彭志强1，卜强生1，袁宇波1，郑明忠1，张琦兵2，陈 兵3 (1.国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，江苏 南京 211103；2.国网江苏省电力有限公司， 江苏 南京 210024；3.国网江苏省电力有限公司镇江供电分公司，江苏 镇江 212000) 摘要：储能电站监控系统是储能电站的核心部分，实现了对储能站内电池、电池管理系统、变流器、配电等设备的信息采集、处理、监视、控制、运行管理等功能。储能监控系统的体系架构直接影响储能电站对电网支撑作用的功效。首先总结了当前主流的三种储能监控系统架构技术特点。接着从层次架构、应用功能、性能指标、设备数量、信息交互、运维便捷等方面进行了全方位比对分析。针对储能监控存在的问题，提出储能电站协制解决方案。对其中涉及的关键技术进行了分析，包含主备协调器切换机制、信息建模、一次调频及动态无功调节等。最后在实验室搭建了储能协制测试环境，经实验验证了储能协制的可行性。 关键词：储能电站；监控系统；协制；功率控制；一次调频；动态无功调节 Architecture and key technologies of a monitoring and control system for an energy storage power station PENG Zhiqiang1, BU Qiangsheng1, YUAN Yubo1, ZHENG Mingzhong1, ZHANG Qibing2, CHEN Bing3 (1. State Grid Jiangsu Electric Power Company Limited Research Institute, Nanjing 211103, China; 2. State Grid Jiangsu Electric Power Company Limited, Nanjing 210024, China; 3. Zhenjiang Power Supply Branch, State Grid Jiangsu Electric Power Company Limited, Zhenjiang 212000, China) Abstract: The monitoring and control system is the core part of an energy storage power station. It carries out the functions of information collection, information processing, monitoring, control and operation management of the battery, battery management system, power conversion system and distribution equipment. The architecture of the monitoring and control system directly affects the supporting effect of the energy storage power station on the power grid. First, it summarizes the technical characteristics of the three mainstream energy storage monitoring system architectures. Then, a comprehensive comparative analysis is made from the aspects of hierarchical structure, application functions, performance indicators, number of devices, information exchange, convenient operation and maintenance, etc. Considering the problems existing in energy storage monitoring, a coordinated control solution for energy storage power station is proposed. The key technologies involved are analyzed, including the switching mechanism of the main and standby coordinators, information modeling, primary frequency modulation and dynamic reactive power regulation. Finally, a test environment of energy storage coordination control is built in the laboratory, and the feasibility of this technical scheme is verified by experiment. This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51707090) and Science and Technology Project of State Grid Jiangsu Electric Power Co., Ltd. (No. J2019086). Key words: energy storage power station; monitoring and control system; coordination control; power control; primary frequency modulation; dynamic reactive power regulation 0 引言 储能是打造能源综合服务的关键支撑技术，也 基金项目：国家自然科学基金项目资助(51707090)；国网江苏省电力有限公司科技项目资助(J2019086) 是构建广域泛在、友好互动、开放共享能源互联网的重要组成部分[1]。随着百兆瓦级电网侧储能电站在江苏、河南及湖南等网省公司并网投运，可以预见后续将会有更多的电网侧储能电站投资建设及投入商业运营。储能监控系统是储能电站的核心部分，实现了对储能站内电池、电池管理系统(BMS)、变Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.- 62 - 电力系统保护与控制 流器(PCS)、配电等设备的信息采集、处理、监视、控制、运行管理等功能。储能电站监控系统遵循“分[2-3]布式采集、集中监控”的原则，但对于储能监控体系架构、设备部署、功能配置、信息交互等方面存在不统一的现象。目前已投运的储能电站监控系统信息交互私有性强，存在使用串口MODBUS、非标准规约及使用规约转换器的情况，应用功能与性能指标具有一定的差异性，在实际运行中暴露了一些问题，影响储能电站安全可靠运行，未充分发挥储能电站对电网支撑的功效。 能源行业标准NB/T 42090《电化学储能电站监[4-6]控系统技术规范》对储能监控系统总体结构进行了规定，由于储能电站在电网侧应用场景及应用需求的不同和技术的快速迭代[7-9]，储能电站监控系统架构也呈现多种多样的态势。为了持续提升储能电站安全性、可靠性与运维便利性，提高应用效能，降低全寿命周期成本[10-13]，同时指导后续储能电站监控系统建设，对储能电站监控系统当前采用的系统架构技术特点进行了分析，并对各技术方案进行了对比分析，结合对比分析提出一种储能电站监控系统的优化架构，并分析了新的体系架构下关键技术。 1 系统架构分析 储能电站监控系统体系架构遵循“纵向分层、横向分区”的原则，纵向由站控层、间隔层及网络设备组成，横向安全分区包括安全Ⅰ区与安全Ⅱ区。其中站控层设备有监控主机、数据服务器、操作员工作站、数据通信网关机及网络安全监测装置等，间隔层设备有就地监控装置、测控装置、BMS、PCS及源网荷互动终端等，站控层网采用双星形网络。目前国内主流储能监控系统架构主要有如下三种方案。 1.1 方案1 方案1系统架构如图1所示，采用“集中监控+就地监控兼规约转换器+监控与功率控制一体化+PCS实现一次调频及源网荷储互动功能”的方式，具体实现方式如下。 图1 方案1系统架构 Fig. 1 System architecture of the first scheme (1) 储能电站监控主机实现全站一、二次设备集中监视与控制，同时实现AGC与AVC功能； (2) 就地监控装置采集储能系统储能元件、变流器的运行状态及运行数据，实现就地监控功能，同时兼规约转换器，PCS、BMS经规约转换器与监控主机进行通信； (3) 一次调频功能由PCS就地实现； (4) 源网荷互动终端采用硬接点控制各PCS，同时通过串口终端与监控主机进行通信。 1.2 方案2 方案2系统架构如图2所示，采用“集中监控+站控监控与就地监控信息分流+监控与功率控制一体化+监控信息直采+PCS实现一次调频及源网荷储互动功能”的方式，具体实现方式如下。 (1) 储能电站监控主机实现全站一、二次设备的监视与控制，同时实现AGC与AVC功能； (2) 就地监控装置不承担规约转换的职能，站控监控通过IEC61850与PCS、BMS直接通信，对BMS只采集重要量测、告警及控制信息； (3) 就地监控通过IEC61850采集本间隔PCS信息，同时通过IEC61850采集本间隔BMS的全部信息，就地监控与站控监控信息分流，同时提供服务Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.彭志强，等 电网侧储能电站监控系统体系架构及关键技术 - 63 - 接口向站控监控共享信息； (4) 一次调频功能由PCS就地实现； (5) 源网荷互动终端采用硬接点控制各PCS，同时通过串口终端与监控主机进行通信。 图2 方案2系统架构 Fig. 2 System architecture of the second scheme 1.3 方案3 方案3系统架构如图3所示，采用“集中监控+功率控制装置化+控制专网+监控信息直采”的方式，具体实现方式如下。 (1) 储能电站监控主机实现全站一、二次设备的监视与控制； (2) PCS控制器实现AGC与AVC功能，并实现一次调频、源网荷储互动等暂态控制功能，接收监控主机或网关机的调节目标指令，与PCS采用GOOSE单独组网，为PCS功率控制命令的唯一来源，具有电压、电流、频率自主采集能力； (3) PCS、BMS与监控主机通过IEC61850网络直接通信； (4) 源网荷互动终端采用硬接点控制，PCS控制器驱动PCS动作，同时通过串口终端与监控主机进行通信。 图3 方案3系统架构 Fig. 3 System architecture of the third scheme Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.- - 电力系统保护与控制 2 比对分析 储能监控系统架构比对分析情况如表1所示，分别从层次架构、集中监控、稳态控制、暂态控制、及信息交互等方面进行了比对分析，其中暂态控制包括一次调频、动态无功调节及源网荷储互动等功能。 表1 储能监控系统架构比对分析 Table 1 Comparison and analysis of energy storage monitoring system architecture 对比项目 方案1 方案2 方案3 表2 储能监控系统架构优缺点比较 Table 2 Comparison of advantages and disadvantages of energy storage monitoring system architecture 方案 主要优点 存在问题 目前储能监控系统采信息交互环节多，通信响应速用的主流技术，兼容性度慢，标准化程度低，间隔层方案1 强，设备改造小。 功能扩展性差，一次调频性能差，网荷终端硬接线多，不具备动态无功调节功能。 信息分流，站控层网络间隔层功能扩展性差，一次调压力小，控制速度较频性能差，就地监控采用服务方案2 快，采用标准化通信器，占地大，工作环境要求高，规约。 网荷终端硬接线多，不具备动态无功调节功能。 一次调频性能好，间隔增加控制专网，组网复杂，投层功能易扩展，网荷终资较大，采用GOOSE通信，方案3 端引线少，具备动态无配置虚端子，运维复杂。 功调节功能，可替代SVG作用。 两层一网：站控两层一网：站控层两层两网：站控层层与间隔层及与间隔层及站控层与间隔层，站控层层次架构 站控层网，采用网，其中站控层网网及控制专网，控规约转换器。 含IEC61850及服制专网采用务总线。 GOOSE通信。 监控主机实现监控主机及就地监监控主机实现集中集中监控 集中监控功能。 控实现集中监控监控功能。 功能。 监控主机实现监控主机实现稳态PCS控制器实现稳稳态控制功能，控制功能，控制命令态控制功能，接收稳态控制 控制命令经就直接下发至PCS。 监控主机或网关机地监控装置下发至PCS。 的调节目标值，由PCS控制器计算分发至PCS。 PCS实现一次PCS实现一次调频PCS控制器实现一调频及源网荷及源网荷储互动功次调频、源网荷储暂态控制 储互动功能，不能，不具备动态无互动及动态无功调具备动态无功功调节。 调节。 非标准化，站内 标准化，采用 通信含多种协 信息交互 议，包括 IEC61850、 IEC104、 MODBUS等。 标准化，采用节功能。 3 储能协制 针对上述分析的三种储能监控系统架构技术特点，充分发挥储能电站接入电网的支撑作用，提出储能电站协制解决方案，下面从系统架构、主备切换机制及信息建模等三方面进行分析。 3.1 系统架构 储能电站协制系统架构如图4所示，采用“监控主机实现稳态控制+协制器实现暂态控制(一次调频+源网荷储互动+动态无功调节)+控制命令经协制器分发+全站共网划分VLAN+信息直采”的模式，具体实现方式如下。 (1) 储能电站监控主机实现全站一、二次设备的监视与控制，并实现稳态控制功能，包括AGC与AVC功能，将控制命令转发至协制器，由协制器统一对PCS进行控制。 (2) 协制器实现一次调频、源网荷储互动及动态无功调节等暂态控制功能，采集频率信息，通过站控层网络以GOOSE与PCS进行通信，实现毫秒级快速控制。 (3) 协制器为双套配置，互为主备，主备支持自动切换与手动切换，同一时刻只有为“主”的协制器进行PCS调节控制。 (4) 全站使用统一的网络进行传输，网络中MMS、GOOSE共网，通过VLAN划分和优先级设置，保证GOOSE的快速通信。 (5) 协制器具备控制优先级判断机制，控制调节优先级为：一次调频>AGC，动态无功调节>AVC。 IEC61850 MMS。 IEC61850 MMS与GOOSE。 综合三种方案对比分析优缺点如表2所示。方案1为已投运储能电站监控系统架构，不适应当前自动化发展方向，在调试及运行中也暴露了许多问题，在后续新建储能电站中应避免使用该系统架构。方案2采用标准化技术，与当前变电站自动化的发展相适应，但对储能电站暂态控制性能仍有提升空间。方案3储能电站暂态控制性能高，可充分发挥储能电站对大电网的支撑作用，但需新增PCS控制器，增加成本且运维复杂。 Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.彭志强，等 电网侧储能电站监控系统体系架构及关键技术 - 65 - (6) 协制器是PCS调节控制命令的唯一来源，采用GOOSE协议进行调节控制，简化PCS对控制命令的判断处理逻辑。 (7) 源网荷储互动终端通过两付硬接点直接把动作命令发给两台协制器，由主协制器统一调节PCS进行放电出力，源网荷储的充放电策略由协制器实现，同时源网荷互动终端通过串口终端与监控主机进行通信。 (8) 协制器具备一次调频在线监测功能，协制器通过数据通信网关机与主站进行信息交互，实现一次调频信息上送，一次调频在线测试和一次调频参数扫描。 图4 储能协制系统架构 Fig. 4 Architecture of energy storage coordination control system 3.2 主备切换机制 为提高储能电站功率控制可靠性，协制器为主备双套配置，为保证主备可靠切换，设计协制器具备运行、备用、检修、故障四种工作状态，其中运行状态为“主”，同一时刻只有一台为“主”的协制器进行PCS调节控制；备用状态为“备”，监视“主”协制器状态，具备手动或自动切换为“主”的功能；检修为装置投入检修硬压板，不具备手动或自动切换为“主”的功能；故障为装置由于自身故障或外部异常导致不能正常运行，不具备手动或自动切换为“主”的功能。 协制器主备模式人工切换流程如图5所示，由监控主机根据协制器的工作状态，只有当两台装置在主备工作状态下才能进行切换，切换过程由监控主机发起顺序控制，先将装置A“运行”切换为“备用”，再将装置B“备用”切换为“运行”，完成主备切换。 协制器主备模式根据装置的工作状态能够自动切换，当“主”协制器为故障状态或检修状态时，且“备”协制器运行正常才进入自动切换，自动切换逻辑如图6、图7所示。 3.3 信息建模 储能电站协制信息交互采用IEC61850[14-15]，为规范协制信息交互方式，实现储能电站功率控制相关设备互操作及功率控制快速控制的目标，需规范协制信息建模。 图5 主备手动切换流程 Fig. 5 Manual handover process for master and standby Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.- 66 - 电力系统保护与控制 节指令； (3) PCS至协制器上行数据：额定功率、SOC、PCS工作状态、有功、无功、最大充电有功、最大放电有功； (4) 协制器至监控主机上行数据：自检、测量、暂态控制反馈信息等； (5) 监控主机至PCS下行命令：PCS启停命令、运行模式设定、定值修改； (6) PCS至监控主机上行数据：PCS监视类信息。 图6 “运行”态切换逻辑 Fig. 6 Running state switching logic 图8 协制信息流 Fig. 8 Coordinated control information flow 图7 “备用”态切换逻辑 Fig. 7 Standby state switching logic 储能协制信息流如图8所示，监控主机实现稳态控制，协制器实现暂态控制，信息通过IEC61850实现直采。其中稳态控制与暂态控制信息流如下。 稳态控制信息流：调度主站—>数据通信网关机—>监控主机—>协制器—>PCS—>电池。 暂态控制信息流：硬接线直接采集电流电压或接收负荷终端命令—>协制器—>PCS—>电池。 如图8所示，功率控制相关的设备之间交互信息主要内容如下。 (1) 监控主机至协制器下行命令：AGC、AVC调节指令、主备切换、定值修改； (2) 协制至PCS下行命令：有功、无功调分析协制器信息流，遵循IEC61850信息建模原则，具备建模要求如下。 (1) 服务器建模：服务器描述了一个设备外部可见的行为，每个服务器至少应有一个访问点(AccessPoint)。访问点体现通信服务，与具体物理网络无关。一个访问点可以支持多个物网口。无论物理网口是否合一， GOOSE服务应分访问点建模。其中MMS服务访问点为S1，GOOSE服务访问点为G1。 (2) LD建模：遵循国网企标Q/GDW1396，根据协制信息交互内容，按以下类型进行LD划分。 a) 公用LD，inst名为“LD0”； b) 测量LD，inst名为“MEAS”； c) 控制LD，inst名为“CTRL”； d) GOOSE访问点LD，inst名为“PIGO”。 (3) LN建模：需要通信的每个最小功能单元建模为一个LN对象，属于同一功能对象的数据和数据属性应放在同一个LN对象中。 (4) 数据集：遵循国网企标Q/GDW1396，根据协制信息交互内容，按以下类型进行数据集划分。 a) 遥测(dsAin) b) 遥信(dsDin) Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.彭志强，等 电网侧储能电站监控系统体系架构及关键技术 - 67 - c) 故障信号(dsAlarm) d) 告警信号(dsWarning) e) 通信工况(dsCommState) f ) 装置参数(dsParameter) g) 动作事件(dsTripInfo) h) GOOSE输出信号(dsGOOSE)：个有功或无功作为一个数据集，128个PCS共需要四个数据集。 (5) 报告控制块：协制器预配置下列报告控制块，前面为描述，括号中为名称。 a) 遥测(urcbAin) b) 遥信(brcbDin) c) 故障信号(brcbAlarm) d) 告警信号(brcbWarning) e) 通信工况(brcbCommState) f ) 动作事件(brcbTripInfo) 4 测试技术 针对储能协制解决方案搭建了测试环境，测试系统架构如图9所示，其中被测对象包括储能监控主机、协制器、数据通信网关机、PCS及BMS，测试设备包括模拟主站、IEC61850客户端、雪崩测试仪、录波及报文分析一体装置、模拟量输出源、PCS模拟器及时间同步测试仪等。其中模拟主站仿真调度主站前置功能[16]，用于验证主子站信息交互能力；IEC61850客户端用于测试协制器、PCS及BMS信息模型的正确性及IEC61850通信能力；雪崩测试仪模拟极端条件下大量遥测遥信上送，用于测试储能监控主机处理能力；录波及报文分析一体装置抓取网络报文与录波时标，测试功率控制时间响应；模拟量输出源输出标准的电压、电流，测试协制器的测量精度、一次调频及动态无功调节等项目；PCS模拟器用于测试协制器接入PCS的能力；时间同步测试仪用于给整个测试系统提供时间同步源。 测试项目除了常规的储能监控SCADA功能，重点是储能功率控制功能及性能测试，包括稳态控制及暂态控制的测试。鉴于测试项目众多，下面重点介绍暂态控制功能测试，包括一次调频测试及动态无功调节测试。 图9 测试系统架构 Fig. 9 Architecture of test system 4.1 一次调频测试 一次调频测试主要包括计算精度测试及响应时间测试两部分[17-20]。 储能电站一次调频的计算公式如下。 当母线实际频率比系统额定频率低时，输出功率表达式为 Pf=Pmax(fNfrfdeath) (1) fNdn当母线实际频率比系统额定频率高时，输出功率公式为 Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.- 68 - 电力系统保护与控制 Pf=Pmax(frfNfdeath) (2) fNdn值；Q实测为当前并网点无功功率计算值；X为系统阻抗计算值。 测试环境如图9所示，设置系统额定线电压二次值为57.7 V，电压响应死区为0.05Un，单母线运行，挂接2台PCS，SOC分别为0.5和0.5，SOC运行上限取0.8，SOC运行下限取0.2，设置每台PCS最大充放电功率500 kW，测试步骤如下。 (1) 通过模拟量输出源给协制器施加额定三相平衡电压，此时装置动态无功调节功能不动作。 (2) 调整模拟量输出源电压有效值，使协制器动态无功调节功能动作，分析设备发出的GOOSE控制命令，验证其动态无功调节输出数值的计算准确性及时间性能，时间性能计算采用GOOSE控制信号发出的时标减去电压变化发生的时标，检查是否满足10 ms要求。选取不同的动作电压值测试并记录测试结果，测试结果如表4所示，测试数据表明各项性能指标满足动态无功调节技术要求。 表4 储能电站动态无功调节测试结果 Table 4 Test results of dynamic reactive power regulation for energy storage power plants 序号 1 2 3 4 5 6 电压值/V 61 62 63 53.00 52.00 51.00 响应时间/ms 7 5 4 9 8 6 式中：Pf为一次调频计算输出功率；Pmax为PCS最大放电功率×母线PCS数量；Pmin为PCS最大充电功率×母线PCS数量；fN为系统额定频率；fr为母线实际频率；fdeath为频率响应死区；dn为频率响应调差率。 测试环境如图9所示，设置系统额定频率为50 Hz，频率响应死区为0.033 3 Hz，频率响应调差率为0.01，一次调频功率限幅为0.8Pmax，单母线运行，挂接2台PCS，SOC分别为0.5和0.5，SOC运行上限取0.8，SOC运行下限取0.2，设置每台PCS最大充放电功率500 kW，测试步骤如下。 (1) 通过模拟量输出源给协制器施加正常频率的三相平衡电压，此时装置一次调频功能不动作。 (2) 调整模拟量输出源电压频率值，使协制器一次调频功能动作，分析协制器发出的GOOSE控制命令，验证其一次调频功率输出数值的计算准确性及时间性能，其中时间性能计算采用GOOSE控制信号发出的时标减去频率变化发生的时标。选取不同的动作频率值测试并记录测试结果，测试结果如表3所示，测试数据表明各项性能指标满足一次调频技术要求。 表3 储能电站一次调频测试结果 Table 3 Test results of primary frequency modulation for energy storage power plants 序号 1 2 3 4 5 6 频率值/Hz 49.616 67 49.716 67 49.816 67 50.233 33 50.333 33 50.433 33 计算值/MW 实际调节值/MW 响应时间/ms 0.8 0.7 0.5 -0.2 -0.4 -0.6 0.8 0.7 0.5 -0.2 -0.4 -0.6 33.5 32.1 32.8 33.4 32.8 32.6 5 结论 储能监控系统是储能电站的核心设备，承载着站内一、二次设备监视控制、功率调节及信息交互的作用。本文总结了当前主流的储能电站监控系统架构技术特点，并进行了比对分析，根据比对分析情况给出了各系统架构的优缺点，提出了“监控主机实现稳态控制+协制器实现暂态控制(一次调频+源网荷储互动+动态无功调节)+控制命令经协制器分发+全站共网划分VLAN+信息直采”优化方案，并对优化方案中主备切换机制及信息建模关键技术进行了重点分析，最后经实验测试验证了协制方案的可行性。储能技术正在蓬勃发展，电网侧储能电站建设将进入高峰期，本文探讨的储能监控系统架构关键技术可为储能电站建设、设计及运维提供参考。 4.2 动态无功调节测试 动态无功调节测试主要包括计算精度测试及响应时间测试两部分。 储能电站动态无功调节的计算公式为 U(UU实测)Q实测UsetQsetsetset+ (3) XU实式中：Qset为计算出的补偿无功功率；Uset为并网电压定值；U实测为当前母线三相电压有效值的平均Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. 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