安科瑞 陳聰

【摘要】為緩解電力負(fù)荷時段性峰谷不平衡的壓力,開發(fā)了一種應(yīng)用于智能電網(wǎng)的智能儲能管理系統(tǒng)。系統(tǒng)在電力負(fù)荷較輕及電價較低時自動儲能,在電力負(fù)荷高峰及電價較高時,將所儲電能供給用戶或反售電網(wǎng)。系統(tǒng)由控制器、儲能器件、逆變器、通信模塊等組成,采用Modbus協(xié)議與上位機(jī)通信,采用C語言編寫控制器程序,VB開發(fā)上位機(jī)軟件,實現(xiàn)了系統(tǒng)仿真。該系統(tǒng)有利于電力負(fù)荷削峰平谷以及節(jié)約電力用戶的電費開支。

【關(guān)鍵詞】智能電網(wǎng)；智能儲能系統(tǒng)；電力線載波技術(shù)；單片機(jī)；Modbus協(xié)議

0引言

智能電網(wǎng)能實現(xiàn)發(fā)電、輸電、供電、客戶售電、用電、電網(wǎng)分級調(diào)度、綜合服務(wù)等電力產(chǎn)業(yè)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(tǒng)一的堅強(qiáng)智能電網(wǎng),目前正處在智能電網(wǎng)*面建設(shè)階段。根據(jù)電力負(fù)荷實施不同電價是智能電網(wǎng)的特點之一,它通過電價調(diào)節(jié),促使用戶優(yōu)化用電方案,錯開峰值電價,一定程度地減少電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差,提高電網(wǎng)系統(tǒng)的能源效率。但這種手段并不能從本質(zhì)上解決用電峰谷問題,用戶是不可能在負(fù)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(fù)擔(dān)。基于此,我們設(shè)計了一種基于智能電網(wǎng)終端的智能儲能系統(tǒng),在一定程度上解決了這一問題。

1. 智能儲能管理系統(tǒng)功能與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1系統(tǒng)功能

智能儲能控制器能自動識別電力負(fù)荷的峰谷,在電力系統(tǒng)的負(fù)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(tǒng)的負(fù)荷峰值,實時電價較高時,切斷(或減少)電網(wǎng)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(tǒng)根據(jù)負(fù)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(wǎng),用戶可現(xiàn)場或遠(yuǎn)程選擇或設(shè)置用電方案。智能儲能控制器能對負(fù)荷削峰填谷,提高系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性,減少系統(tǒng)備用需求及停電損失,使原來幾乎完*剛性的系統(tǒng)變得柔性起來,電網(wǎng)運行的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、靈活性也會因此得到大幅度的提高。同時,系統(tǒng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能儲能管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,系統(tǒng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制器是核心器件,主要功能是接收人工指令、顯示狀態(tài)信息、接收和處理管理主機(jī)信息、對儲能器件充放電控制、并網(wǎng)開關(guān)控制、用電負(fù)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(fù)載使用或反售電網(wǎng)。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(jī)與集中器為遠(yuǎn)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(xiàn)信號的調(diào)制與解調(diào)。電力線載波模塊與電能表及控制器則采用RS-485工業(yè)總線方式通信。系統(tǒng)的工作過程為:當(dāng)管理主機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)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(jìn)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(wǎng)控制開關(guān)打開,負(fù)載也由電網(wǎng)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(jù)用戶的當(dāng)前用電功率與儲能元件的荷電狀態(tài)自動控制電能的接入。儲能器件的直流電能經(jīng)逆變器逆變*交流電后給家庭負(fù)載供電,當(dāng)儲能器件電能消耗達(dá)到設(shè)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(wǎng)開關(guān)再次閉合,切換成外網(wǎng)供電。如檢測出家庭負(fù)載未用電或用電負(fù)載很輕時,控制器閉合并網(wǎng)控制開關(guān),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(wǎng),直到蓄電池電能消耗達(dá)到設(shè)定的底線或本次峰值電價結(jié)束。

1. 智能儲能控制器硬件設(shè)計

智能儲能控制器由單片機(jī)、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(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2智能儲能控制器硬件結(jié)構(gòu)

智能儲能控制器的單片機(jī)選用宏晶科技生產(chǎn)的STC12C5A60S2,此單片機(jī)指令代碼完*兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8~12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換,60kBFlashROM,滿足本設(shè)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(zhuǎn)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(chǎn)的PL2102。

2.1蓄電池充放電控制電路設(shè)計

蓄電池需要進(jìn)行過充與過放保護(hù),因此需設(shè)置充放電控制電路。如圖2所示,Q1為蓄電池充電控制開關(guān)管,Q2為蓄電池放電控制開關(guān)管,R5、R6為蓄電池電壓檢測電阻,R0為負(fù)載檢測電阻,JK1為并網(wǎng)控制開關(guān)。蓄電池充電過程如下。P2.6輸出高電平,Q1導(dǎo)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(jī)A/D輸入端P1.0。隨著充電的進(jìn)行,蓄電池電壓與P1.0反饋電壓均逐漸*大。當(dāng)P1.0檢測電壓達(dá)到設(shè)定的充電上限值時,說明充電達(dá)到飽和,P2.6輸出切換成低電平,Q1截止,斷開充電,實現(xiàn)蓄電池過充保護(hù)。蓄電池放電過程如下。P2.7輸出高電平,Q2導(dǎo)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(jīng)逆變成220V交流后輸出。此時如家庭負(fù)載有用電,R0上有電流通過,形成電壓降,經(jīng)放大整流后在單片機(jī)A/D輸入端P1.1得到檢測信號,P2.5輸出低電平,并網(wǎng)開關(guān)JK1斷開,負(fù)載用電由蓄電池提供。如家庭負(fù)載未用電(或負(fù)載很輕),R0上則沒有電流(或電流很小),P1.1檢測信號未達(dá)到門限值,P2.5則輸出高電平,JK1導(dǎo)通,蓄電池電能反售電網(wǎng)。隨著蓄電池放電的進(jìn)行,蓄電池電壓與P1.0檢測電壓均逐漸下降,當(dāng)電壓下降到設(shè)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(xiàn)蓄電池過放保護(hù)。

2.2電力線載波通信模塊設(shè)計

電力線載波通信選擇PL2102。PL2102是專為電力線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的半雙工異步調(diào)制解調(diào)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(nèi)置了四種常用的功能電路:32BSRAM、電壓監(jiān)測、看門狗定時器及復(fù)位電路。它們通過標(biāo)準(zhǔn)的I2C接口與外部的微處理器相聯(lián)。PL2102是特別針對中國電力網(wǎng)惡劣的信道環(huán)境所研制開發(fā)的低壓電力線載波通信芯片,采用了直接序列擴(kuò)頻、數(shù)字信號處理、直接數(shù)字頻率合成等新技術(shù),以及大規(guī)模數(shù)字/模擬混合0.5μmCMOS工藝制作,具有較強(qiáng)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(jīng)T31、C33耦合,進(jìn)入PL2102B/C的模擬信號輸入端SIGin,在內(nèi)部進(jìn)行載波解調(diào);通過I2C總線SDA/SCL與AT89C51交換數(shù)據(jù),AT89C51將接收的數(shù)據(jù)通過串口轉(zhuǎn)發(fā)至控制器和雙向電能表。信號發(fā)送過程為:控制器或電能表數(shù)據(jù)通過串口發(fā)至AT89C51,I2C總線SDA/SCL傳入PL2102后進(jìn)行載波調(diào)制,PSKO為調(diào)制后的信號輸出端,輸出信號經(jīng)Q31、Q32、Q33、Q34組成OTL驅(qū)動放大后,經(jīng)C31、T31耦合輸出至電網(wǎng)。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(chǎn)的ZLE12864A模塊。ZLE12864A模塊工作電壓為5V,顯示內(nèi)容為128(列)×64(行),顯示模式為FSNT正顯,與單片機(jī)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(fā)布區(qū),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(qiáng)的抗干擾能力，功耗低，可斷電保存數(shù)據(jù)200年以上，擦寫次數(shù)*少10萬次。

3.智能儲能控制器軟件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)組成,智能儲能控制器、電力線載波通信模塊、上位機(jī)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(jī)C語言編制,上位機(jī)管理軟件采用VisualBasic編制,通過虛擬串口VSPDxp5實現(xiàn)管理主機(jī)與下位機(jī)系統(tǒng)調(diào)試。

3.1智能儲能控制器主程序設(shè)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(shù),由主函數(shù)調(diào)用并反復(fù)循環(huán)。主程序流程圖如圖4所示。其流程為:①開機(jī)或復(fù)位后首先進(jìn)行初始化設(shè)置;②調(diào)用時鐘函數(shù),取出時間信息;③調(diào)用顯示函數(shù)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(diào)用按鍵處理函數(shù),得出鍵位碼,鍵位碼使相關(guān)函數(shù)響應(yīng);⑤檢測電價狀態(tài)標(biāo)志位,如為電價谷值,則用戶負(fù)載由電網(wǎng)供電,同時啟動蓄電池充電函數(shù);如為電價峰值,啟動蓄電池放電函數(shù)。當(dāng)蓄電池電量不足時,繼續(xù)采用電網(wǎng)供電;蓄電池電量充足時,采用蓄電池供電或?qū)㈦娔芊词垭娋W(wǎng)。

圖4主程序流程圖

3.2智能儲能控制器通信程序設(shè)計

系統(tǒng)的通信包括采集器與管理主機(jī)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(yè)總線通信。管理主機(jī)與采集器的通信按國家電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求采用DL645-2007協(xié)議,電力線載波模塊與智能儲能控制器約定雙方按Modbus協(xié)議編寫通信程序。接收采用被動中斷方式,發(fā)送采用主動查詢方式。智能儲能控制器數(shù)據(jù)發(fā)送工作過程為:①把要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC運算;②發(fā)送本機(jī)地址碼;③發(fā)送功能碼;④發(fā)送數(shù)據(jù)長度值;⑤依次發(fā)送數(shù)據(jù);⑥發(fā)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(shù)據(jù)接收過程為:①響應(yīng)串行中斷,接收地址碼,判斷地址碼是否與本機(jī)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(jù)功能碼值進(jìn)行相應(yīng)處理;③按幀依次接收數(shù)據(jù);④接收CRC校驗碼;⑤把所接收的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)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(tǒng)

4.1系統(tǒng)概述

安科瑞儲能能量管理系統(tǒng)Acrel-2000ES，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(xì)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*級應(yīng)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。

4.2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(wù)器將儲能柜或者儲能集裝箱內(nèi)部的設(shè)備接入系統(tǒng)。

4.3系統(tǒng)功能

4.3.1實時監(jiān)測

系統(tǒng)人機(jī)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。

4.3.2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(jī)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(jìn)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(jìn)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。

4.3.3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。

4.3.4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。

4.3.5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囟仍较蕖⒃O(shè)備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。

4.3.6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(jìn)行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

4.3.7遙控操作

可以通過每個設(shè)備下面的紅色按鈕對PCS、風(fēng)機(jī)、除濕機(jī)、空調(diào)控制器、照明等設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制，但是當(dāng)設(shè)備未通信上時，控制按鈕會顯示無效狀態(tài)。

4.3.8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）。可以定義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(hù)、管理提供可靠的安全保障。

5.結(jié)束語

綜上所述，光伏儲能系統(tǒng)能夠平滑功率波動、提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時實現(xiàn)供需平衡和調(diào)峰填谷。然而，光伏儲能系統(tǒng)的應(yīng)用還面臨一些挑戰(zhàn)，如成本高、技術(shù)難題等。因此，未來需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)控制策略，以提高光伏儲能系統(tǒng)的效率和經(jīng)濟(jì)性。同時，政策支持和市場推動也是推動光伏儲能系統(tǒng)發(fā)展的重要因素。相信通過不斷的努力和創(chuàng)新，光伏儲能系統(tǒng)將在清潔能源領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用，實現(xiàn)可持續(xù)能源的可靠供應(yīng)。

參考文獻(xiàn)

1. 張文亮,劉壯志,王*俊,等.智能電網(wǎng)的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢[J].電網(wǎng)技術(shù),2009,33(13):1-11.

2. 常康,薛峰,楊衛(wèi)東.中國智能電網(wǎng)基本特征及其技術(shù)進(jìn)展評述[J].電力系統(tǒng)自動化,2009,33(17):10-15.

3. 劉東旗,王連成,龐金海,等.智能電網(wǎng)自動需求響應(yīng)技術(shù)系統(tǒng)的研究[J].自動化儀表,2013,34(11):76-79.

4. 企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2022.05版.

[5] 田擁軍.智能電網(wǎng)終端智能儲能管理系統(tǒng)設(shè)計