薛 钟, 董 贝, 丁 毅, 张 尧

(国电南京自动化股份有限公司, 江苏 南京 210003)

0 引 言

电池储能方案多是以大量铅酸电池、镍氢电池等构建电池储能仓,仓中按照不同类别摆放电池。但是电池储能仓仓内空间狭小、化学气味浓重和温度、湿度、光线环境恶劣,因此不适合人工进去操作[1-5]。当前的电池储能解决方案主要缺少可视化的电池储能监控设备,如果人不进入仓内,无法获知电池实时电压和温度等关键信息;缺少人机遥控进行电池保护操作的手段,电池的接入、接出和切换都必须人工操作;缺少获得电池长期的监控数据的手段,无法分析电池性能和用电趋势;不支持通过IEC 61850规约和监控后台通信连接;不支持和储能变流器(PCS)协同进行电力转换[6-10]。

本文提出了一种电池储能监控系统,支持可视化操作、遥控电池保护操作、数据存储、IEC 61850后台监控和PCS协同操作,实时监控电池电压和温度。

1 架构设计

系统架构设计主要由电池箱管理单元(Battery Box Management Unit,BMU)、电池簇管理单元(Battery Cluster Management Unit,BCMU)、电池仓信息管理单元(Battery Info Management Unit,BIMU)和外部通信单元构成。BMU是系统最小的管理单元,系统通常将12块储能电池放在独立的电池箱体中,BMU用于监控12块单体电池的电压、温度和告警等信息。1个电池箱包含12块电池是系统的出厂默认值,可以根据实际情况进行配置和调整[11-14]。BCMU是系统用于管理电池箱的管理单元,系统通常将20个BMU放置于1个电池簇箱体里,并对20个BMU产生的信息进行监视、控制和上送。1个电池簇包含20个电池箱是本系统的出厂默认值,根据实际情况进行配置和调整。BIMU主要有如下作用:

(1) 提供可视化人机交互界面,便于现场人员进行实时监控电池簇、电池箱和电池信息。

(2) 提供不同人员角色的权限管理,提高BIMU的安全性和可靠性。

(3) 进行实时数据判别,给出异常告警,并且提供可视化界面进行电池簇和电池箱的接入、接出和切换等保护操作。

(4) 提供CAN通信接口、RS-485通信接口、以太网接口和各个单元进行交互。

(5) 提供SQLite数据库用于持久化储能电池数据,便于后续分析和展示。

外部通信单元不是系统子模块,但是和系统产生信息交互较多的2个通信单元分别是IEC 61850后台和PCS储能变流器。

系统整体架构设计如图1所示。

2 模块设计

2.1 BIMU

BIMU是使用QT基于嵌入Linux环境进行开发的嵌入式平板装置。外壳采用铝合金材料,具备高强度的结构和优良的散热性能,同时表面采用金属拉丝工艺,美观大气,坚固耐用。BIMU硬件参数如表1所示。

BIMU软件架构由电池管理界面模块(BMSGUI) 、电池通信模块(BMSCOMM)、电池管理数据库模块(BMSDB)、IEC 61850模块(BMS61850) 构成。

电池管理界面模块(BMSGUI)主要支持电池监控管理的应用功能和提供对应的人机界面进行操作。电池监控管理的应用功能包括信息实时采

表1 BIMU硬件参数

集、数据实时计算和判别、电池状态告警保护、设置定值、电池数据储存、电池历史数据统计、B码对时、故障录波和人员权限管理[15-16]。该模块使用嵌入式QT语言进行设计和编写。其中信息实时采集是指对于电池簇信息和告警、电池箱信息和告警、电池电压和温度等数据的实时采集,主要是用于BMSGUI电池仓、电池簇和电池箱等界面的展示。数据实时计算和判别是指针对实时采集上来的数据进行算法判别,针对可能出现异常,做出告警操作或者保护操作。设置定值是指对电池仓、电池簇和电池箱的参数设置取值范围,支持动态调整取值的上、下限。电池数据储存是指将BIMU收到的CAN报文、RS-485报文、61850报文、电池的温度电压信息和系统的操作记录持久化到SQLite数据库中,并提供接口支持增、删、改、查。电池历史数据统计是指根据电池数据储存记录进行分析和展示。B码对时是指通过B码对时接口进行BIMU的时间校准。故障录波是指当某块电池发生异常告警时,自动进行一段时间的录波操作,并保存为标准的Comtrade文件格式。人员权限管理是指针对不同操作人员提供不同的权限和密码,避免误操作的现象发生。

电池通信模块(BMSCOMM)主要有5个功能:创建并实时刷新共享内存SharedMemory;通过共享内存和BMSGUI进行周期性数据交互;通过CAN通信协议和BCMU进行实时数据交互;通过RS-485协议和PCS进行数据交互;通过Socket通知BMSGUI实时变位告警。该模块使用嵌入式QT语言进行设计和编写。

电池管理数据库模块(BMSDB)主要是为BMSGUI和BMSCOMM提供增、删、改、查和批量事务操作等SQLite数据库的接口。该模块使用嵌入式QT语言进行设计和编写。

IEC 61850模块(BMS61850)主要是支持通过MMS和GOOSE通信协议和外部设备进行数据交互。该模块使用C语言进行设计和编写。

BIMU的整体架构设计如图2所示。

BIMU代码结构如图3所示。

2.2 BCMU

BCMU是使用C语言、基于单片机开发的针对电池簇箱体的管理单元,主要功能:采集电池簇箱体上的信息点;通过CAN通信汇总BMU上送的CAN报文;经过分析功能收集的信息,重新组织CAN报文,上送给BIMU。

BCMU上送BIMU的CAN报文总共有29种,每种报文的触发条件和发送频率不尽相同。BCMU CAN报文如图4所示。

BCMU设计架构如图5所示。

2.3 BMU

BMU是使用C语言基于单片机开发的针对电池箱箱体和单体电池的管理单元,主要功能:采集电池箱箱体上的信息点;采集电池箱内单体电池上的信息点;将所有采集到信息点汇总整理成CAN报文,上送给BCMU。

需要由BMU上送到BCMU的CAN报文总共有11种,每种报文的触发条件和发送频率不尽相同。BMU CAN报文如图6所示。

BMU设计架构如图7所示。

2.4 外部通信单元

外部通信单元主要是指IEC 61850后台EMS和PCS 2部分。这2个部分不是本系统的内部组成部分,但是与本系统通信交互最密切的2个部分。因此,只做数据交互部分的介绍和展示。BIMU和IEC 61850后台EMS是通过IEC 61850-MMS通信协议进行交互,支持IEC 61850后台EMS对电池簇和电池箱进行远程监视和控制。BIMU和PCS储能变流器主要是通过RS-485通信协议进行交互,支持PCS和BIMU协同配合对电池进行充放电操作[17-23]。

外部通信单元的架构示意图如图8所示。

3 系统应用

系统已经在秦皇岛电网三期储能项目和国电南自厂区电池储能项目进行挂网运行。以实际测试时系统电池仓、电池簇、电池箱和变位事件的真实界面为例进行展示。

电池仓界面示意如图9所示。电池仓界面最上方是公司标识和功能菜单。电池仓界面左上侧为电池仓参数名称和参数值,如果有参数值异常,名称会变为红色字体。电池仓界面右上侧为电池仓告警名称和告警状态,如果有告警状态异常,名称会变为红色字体。电池仓下面图标为仓内所有的电池簇,如果电池簇内部有异常参数和告警,电池簇图标变为红色。电池仓界面最下方是通信异常状态、参数异常数量、告警异常数量、时间和日期。

电池簇界面示意如图10所示。电池簇界面最上方是公司标识、电池簇名称和功能菜单。界面左上侧为电池簇参数名称和参数值,如果有参数值异常,名称会变为红色字体。电池簇界面右上侧为电池簇告警名称和告警状态,如果有告警状态异常,名称会变为红色字体。电池簇下面图标为本簇内所有的电池箱,如果电池箱内部有异常参数和告警,电池箱图标会变为红色。界面最下方是通信异常状态、参数异常数量、告警异常数量、时间和日期。

电池箱界面示意如图11所示。电池箱界面最上方是公司标识、电池箱路径和功能菜单。界面上侧为电池箱参数名称和参数值,如果有参数值异常,名称会变为红色字体。电池箱界面下侧为本箱内的所有电池的电压和温度。界面最下方是通信异常状态、参数异常数量、告警异常数量、时间和日期。

电池变位事件界面示意如图12所示。

4 结 语

本文从系统架构设计、详细模块设计和系统应用方面介绍了电池储能监控管理系统的设计思想和整体架构。系统提供可视化的电池储能监控设备,通过液晶界面在电池仓外获知电池实时的电压和温度等关键信息;提供界面遥控电池保护操作的手段,电池的接入、接出和切换都不需要人工操作,降低人工操作的风险和提高了操作效率;获得电池长期的监控数据的手段,可以定期分析电池性能和用电趋势;支持通过IEC 61850规约和监控后台EMS通信连接,支持EMS对电池储能系统的远程遥控;支持电池储能系统和PCS协同进行电力转换。实际运行和测试结果表明了此方案的可行性、正确性和易用性。

实践证明,本系统将极大提高电池储能系统的研发和测试效率、缩短开发周期、降低开发人力成本、增加产品竞争力和提高客户满意度。