安科瑞 陳聰

摘要：為提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，面向工商業(yè)用電用戶，研究了一種儲(chǔ)能系統(tǒng)容量規(guī)劃方法。采用聚類(lèi)分析方法對(duì)工商業(yè)用戶的用電特征進(jìn)行辨識(shí)，根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)的供電模式構(gòu)建儲(chǔ)能系統(tǒng)容量規(guī)劃的目標(biāo)，并在主、備用電池容量規(guī)劃的約束條件下優(yōu)化目標(biāo)，根據(jù)計(jì)算的目標(biāo)結(jié)果得到容量規(guī)劃方案。為檢測(cè)模型的容量規(guī)劃效果，根據(jù)某地工商業(yè)用戶群體的日負(fù)荷特征進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，容量規(guī)劃后，實(shí)驗(yàn)組峰谷之間的差值比對(duì)照組高31.93%，表明所設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量規(guī)劃方法優(yōu)化程度更顯著，提高了儲(chǔ)存電能的利用效率以及工商業(yè)用戶的用電經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：工商業(yè)用電；用電管理；能量?jī)?chǔ)存；儲(chǔ)能系統(tǒng)；儲(chǔ)能系統(tǒng)容量規(guī)劃；容量配置

0.引言

經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展與進(jìn)步，使我國(guó)進(jìn)入了數(shù)字化時(shí)代，許多行業(yè)順應(yīng)時(shí)代發(fā)展，進(jìn)行了智能化的變革與更新。我國(guó)電力系統(tǒng)的發(fā)電也應(yīng)用了智能化信息技術(shù)，不同地區(qū)的電網(wǎng)集團(tuán)智能化收集到了不同的用電信息，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的管理。由于不同用電區(qū)域或團(tuán)體都有各自的用電特征需求，為了進(jìn)一步分析和管理相應(yīng)區(qū)域的用電情況，面向不同的團(tuán)體設(shè)立了其相對(duì)應(yīng)的電能量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)[4]。但由于目前對(duì)不同區(qū)域用電數(shù)據(jù)信息的分析能力不夠具體和完善，不能準(zhǔn)確進(jìn)行儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量規(guī)劃配置，不利于電量的按需分配和節(jié)約環(huán)保性。基于以上背景，本文研究了一種面向工商業(yè)用電能量管理的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量規(guī)劃分配方法，優(yōu)化電力能量的調(diào)控與分配，希望可以提高電力分配的按需分配性以及用戶用電的經(jīng)濟(jì)性，優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行效率，提升電力行業(yè)長(zhǎng)期發(fā)展的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

1. 工商業(yè)用電儲(chǔ)能特征辨識(shí)

電能量供應(yīng)與需求的平衡可以實(shí)現(xiàn)能量資源轉(zhuǎn)化的目標(biāo)。需求響應(yīng)是我國(guó)現(xiàn)階段電力運(yùn)行中非常重要的一種電力配置方法。對(duì)于電能管理的大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)，一般采用抽水蓄能、電池儲(chǔ)能、壓縮空氣法儲(chǔ)能等方法。在面向工商業(yè)用戶的電能管理下，根據(jù)便捷性、容量易調(diào)節(jié)性、不限制區(qū)域等優(yōu)點(diǎn)，選擇一種基于電池的儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行容量規(guī)劃的研究。

采用聚類(lèi)分析方法，對(duì)工商業(yè)用戶的用電特征進(jìn)行辨識(shí)。可以針對(duì)不同的用電特征、工商用戶的負(fù)荷模式進(jìn)行劃分，為儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量規(guī)劃提供基礎(chǔ)參考。基于Calinski-Harabasz中的有效性指標(biāo)進(jìn)行聚類(lèi)劃分。

儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要功能包括：能量管理，將用電信息通過(guò)儲(chǔ)能裝置的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)與電網(wǎng)連接，提供功率調(diào)節(jié)和保護(hù)功能，儲(chǔ)能裝置可通過(guò)數(shù)據(jù)通信技術(shù)與電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交換，并可根據(jù)電網(wǎng)的負(fù)荷變化情況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)運(yùn)行模式、優(yōu)化運(yùn)行策略；以電力電子技術(shù)為核心的儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)功率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和能量調(diào)度；儲(chǔ)能裝置在關(guān)鍵時(shí)刻可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)電網(wǎng)電壓、電流以及用電負(fù)荷等進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。該儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇了基于Solaris技術(shù)和國(guó)際電工委員會(huì)（InternationalElectricalCommission，IEC）標(biāo)準(zhǔn)、RS485總線進(jìn)行通信接口與不間斷電源（UninterruptiblePowerSupply，UPS）總線以及近場(chǎng)通信（NearFieldCommunication，NFC）技術(shù)進(jìn)行通信連接，對(duì)電網(wǎng)接入功率進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，控制UPS功率實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、靈活調(diào)控。儲(chǔ)能電站控制模塊使用單片機(jī)為系統(tǒng)提供電力交易控制功能，可為電站提供電力交易指令、智能電力交易控制命令、綜合電氣控制命令等服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電源進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。儲(chǔ)能電站運(yùn)行參數(shù)根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)整，控制儲(chǔ)能系統(tǒng)能量達(dá)到使用效果，提高用戶用電效率和安全水平。

2.儲(chǔ)能系統(tǒng)容量規(guī)劃構(gòu)建

2.1目標(biāo)確定

本文根據(jù)工商業(yè)用戶電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的供電方式，研究電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的規(guī)劃方法，供電方式示意如圖1所示。在實(shí)際的用電負(fù)荷規(guī)劃中，備用電池可以解決規(guī)劃模型中用電負(fù)荷的不確定性問(wèn)題，因此現(xiàn)基于備用電池研究?jī)?chǔ)能系統(tǒng)的容量規(guī)劃方案。

圖1工商業(yè)用戶電力儲(chǔ)能系統(tǒng)供電方式

電池為系統(tǒng)中提供儲(chǔ)能服務(wù)的主要來(lái)源，電池模塊和充放電控制器與逆變器連接，將蓄電池組所產(chǎn)生的電能通過(guò)逆變裝置轉(zhuǎn)換為電力，并通過(guò)蓄電池向電網(wǎng)提供給用戶。電池的能量越大，其能量密度或功率密度就越高，電池的技術(shù)要求也就越高。本系統(tǒng)電池采用方形電池組，其外殼使用的是環(huán)保材料并具有良好的耐腐蝕性，使電池組具有更高的安全性。

儲(chǔ)能應(yīng)用能夠滿足快速響應(yīng)市場(chǎng)變化的要求，在大范圍電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，可以立即起到穩(wěn)定電力系統(tǒng)的作用，為用戶提供更多的靈活性與便利性，并在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)為設(shè)備提供更多的電源。儲(chǔ)能電站能使用戶快速響應(yīng)市場(chǎng)信號(hào)以維持電網(wǎng)穩(wěn)定，電力系統(tǒng)和電網(wǎng)之間的相互聯(lián)系更加緊密。儲(chǔ)能電站通過(guò)使用“電池—儲(chǔ)能—充放電”循環(huán)機(jī)制實(shí)現(xiàn)“電—儲(chǔ)—用”一體化運(yùn)行。電池經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜處理后被儲(chǔ)存起來(lái)或充電，從而實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)市場(chǎng)信號(hào)和電網(wǎng)穩(wěn)定工作。

2.2儲(chǔ)能優(yōu)化

用戶用電數(shù)據(jù)采集后，通過(guò)數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)用戶的用電行為進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，通過(guò)對(duì)用戶用電數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，將電網(wǎng)與用戶進(jìn)行交互，了解用戶在用電方面是否存在違規(guī)用電、電表使用狀態(tài)與計(jì)量不準(zhǔn)確、功率不匹配等問(wèn)題。將用戶端的用電數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，對(duì)用戶在用電方面存在的問(wèn)題進(jìn)行預(yù)警提示。

儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電是一個(gè)長(zhǎng)期的運(yùn)行狀態(tài)，因此會(huì)出現(xiàn)電池的老化情況，在電池不斷老化的過(guò)程中，電池的可用容量會(huì)逐漸降低，使設(shè)計(jì)的電池容量值與實(shí)際容量不同，造成規(guī)劃不準(zhǔn)確的情況。因此，需要將電池老化的相關(guān)特征加入電池規(guī)劃的約束條件中。

儲(chǔ)能電站能提供給客戶的另外一項(xiàng)重要功能是利用其*特的管理功能，為用戶提供智能管理，幫助客戶在緊急情況下做出正確的決策，同時(shí)也可以減少因電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生故障而造成的經(jīng)濟(jì)損失。由于電網(wǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)，儲(chǔ)能電站的調(diào)峰和調(diào)頻能力比其他方式更加突出。隨著電源結(jié)構(gòu)復(fù)雜化和分布式電源規(guī)模增加，其調(diào)峰能力可能會(huì)逐步增加。

3.實(shí)驗(yàn)與檢測(cè)

為檢測(cè)本文設(shè)計(jì)面向工商業(yè)用電能量管理的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量規(guī)劃的應(yīng)用效果，對(duì)某城市的工商業(yè)用戶進(jìn)行儲(chǔ)能系統(tǒng)容量規(guī)劃仿真試驗(yàn)。繪制該地區(qū)工商業(yè)用戶24h的負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線，如圖2所示。

基于圖2所示的負(fù)荷曲線，現(xiàn)調(diào)查相關(guān)用戶對(duì)應(yīng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的具體參數(shù)，如表1所示。

系統(tǒng)根據(jù)每路電流信號(hào)計(jì)算出每路需要補(bǔ)償?shù)牧縼?lái)計(jì)算出每個(gè)電池的容量，以達(dá)到利用每個(gè)電池的目的。采用具有更高精度的電流傳感器來(lái)檢測(cè)每路的電流數(shù)據(jù)，在進(jìn)行電流補(bǔ)償時(shí)采用3階自適應(yīng)濾波算法。多路電流信號(hào)通過(guò)通信接口進(jìn)行發(fā)送傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速率為100Mb/s。采用多路信號(hào)同時(shí)傳送給控制器并進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算輸出，可大大減少通信量并且提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。

系統(tǒng)采用2級(jí)控制體系實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)參數(shù)整定，其中主控制系統(tǒng)由主控制器完成各傳感器信號(hào)的采集與存儲(chǔ)；而各個(gè)傳感器作為采樣單元負(fù)責(zé)測(cè)量數(shù)據(jù)并輸出給各個(gè)控制器。對(duì)電池的充電容量、放電深度、放電次數(shù)進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上提出了一種基于狀態(tài)觀測(cè)器的電流補(bǔ)償方法，并應(yīng)用了功率跟蹤算法對(duì)蓄電池進(jìn)行充電和放電管理。將各蓄電池的輸出功率與其初始值進(jìn)行對(duì)比，并以此作為判定的基礎(chǔ)。利用多組不同的電流傳感器對(duì)各電池的運(yùn)行狀況和各電池的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)時(shí)分析充電容量、放電深度、放電次數(shù)，從而達(dá)到對(duì)電池進(jìn)行智能充放電的控制。

利用硬件在環(huán)仿真模擬了各種電流傳感器及不同容量的電池性能。（1）采用高精度、高分辨率的傳感器和采集器，保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性；（2）數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要包括無(wú)線通信模塊，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳、下載功能，與上位機(jī)通信；（3）數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)中采用2種類(lèi)型的數(shù)據(jù)采集終端，一是基于Modbus遠(yuǎn)程終端單元（RemoteTerminalUnit，RTU）的無(wú)線通信模塊；二是基于無(wú)線控制單元或智能手機(jī)端的無(wú)線通信器。

采用先進(jìn)的智能控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的實(shí)時(shí)監(jiān)控與自動(dòng)充放電，具有安全可靠、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、效率高、等優(yōu)點(diǎn)，是解決新能源并網(wǎng)中的不穩(wěn)定因素的理想方式。本文利用智能手機(jī)與儲(chǔ)能系統(tǒng)相連，對(duì)蓄電池實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控；通過(guò)數(shù)據(jù)分析將實(shí)時(shí)監(jiān)控到的數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳至云服務(wù)器進(jìn)行分析。

目前，該項(xiàng)目已經(jīng)成功應(yīng)用于某鋼鐵企業(yè)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以有效提升該系統(tǒng)的運(yùn)行效率、提高用電設(shè)備的運(yùn)行可靠性和電能質(zhì)量改善能力，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)和負(fù)荷設(shè)備之間的協(xié)調(diào)控制，使能源綜合利用更加便捷，還有效降低了用戶成本，減少了資源浪費(fèi)及環(huán)境污染，同時(shí)也為企業(yè)提供了更多、更有效的用電服務(wù)。

1. Acrel-2000ES儲(chǔ)能柜能量管理系統(tǒng)

4.1系統(tǒng)概述

安科瑞儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)Acrel-2000ES，專(zhuān)門(mén)針對(duì)工商業(yè)儲(chǔ)能柜、儲(chǔ)能集裝箱研發(fā)的一款儲(chǔ)能EMS，具有完善的儲(chǔ)能監(jiān)控與管理功能,涵蓋了儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備(PCS、BMS、電表、消防、空調(diào)等)的詳細(xì)信息,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報(bào)警管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等功能。在應(yīng)用上支持能量調(diào)度,具備計(jì)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(guò)直采或者通過(guò)通訊管理或串口服務(wù)器將儲(chǔ)能柜或者儲(chǔ)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：4.3系統(tǒng)功能

4.3.1實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)人機(jī)界面友好，能夠顯示儲(chǔ)能柜的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)PCS、BMS以及環(huán)境參數(shù)信息，如電參量、溫度、濕度等。實(shí)時(shí)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(shí)監(jiān)測(cè)PCS、BMS、電表、空調(diào)、消防、除濕機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行模式。

PCS監(jiān)控：滿足儲(chǔ)能變流器的參數(shù)與限值設(shè)置；運(yùn)行模式設(shè)置；實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)PCS通訊狀態(tài)、啟停狀態(tài)、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、異常告警等狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

BMS監(jiān)控：滿足電池管理系統(tǒng)的參數(shù)與限值設(shè)置；實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池的電芯、電池簇的溫度、電壓、電流的監(jiān)測(cè)；實(shí)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(cè)，可根據(jù)設(shè)置的閾值進(jìn)行空調(diào)溫度的聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空調(diào)的運(yùn)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(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)電參量監(jiān)測(cè)。

4.3.3曲線報(bào)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(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)的配置、電價(jià)參數(shù)與時(shí)段的設(shè)置、控制策略的選擇。目前支持的控制策略包含計(jì)劃曲線、削峰填谷、需量控制等。

4.3.5實(shí)時(shí)報(bào)警

儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)?chǔ)能充放電越限、溫度越限、設(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(jì)

儲(chǔ)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(chǔ)和管理，方便用戶對(duì)系統(tǒng)事件和報(bào)警進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析。

4.3.7遙控操作

可以通過(guò)每個(gè)設(shè)備下面的紅色按鈕對(duì)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(shí)，控制按鈕會(huì)顯示無(wú)效狀態(tài)。

4.3.8用戶權(quán)限管理

儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過(guò)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(kù)修改等）。可以定義不同級(jí)別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、管理提供可靠的安全保障。

1. 結(jié)論

在互聯(lián)網(wǎng)大時(shí)代，我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展持續(xù)增長(zhǎng)，智能化已經(jīng)遍布到各個(gè)行業(yè)中。電力儲(chǔ)能容量的優(yōu)化分配通過(guò)分析對(duì)應(yīng)團(tuán)體的用電行為及特征按需供電，可以提高電力資源的利用率，使電力資源可以實(shí)現(xiàn)*大轉(zhuǎn)化，提高我國(guó)電力工程行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

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