大规模蓄能电站的集控技术分析

大规模蓄能电站的集控技术分析

苏武

中国水利水电的报工程局有限公司  610066

摘要：单个电池储能电站的装机容量在不断增加。大规模储能电站一般都是由大量标准化的小容量储能系统组成，因此，对这些小容量储能单元进行有效的调控和管理，对于储能电站的综合性能至关重要。本项目以大规模储能电站为对象，通过对系统功能需求的分析，提出一种基于 EtherCAT的集中控制体系结构，并对集中控制层、单元控制层、被控设备层三个层次分别进行优化，同时进行通信容量计算。为大型储能电站快速、可靠地参与电网多轮运行提供技术借鉴。

关键词:电池储能电站；集群控制；EtherCAT;电力系统快速调节

引言

大规模蓄能电站的集控技术是指对电站中的多个电池模块进行集中监控和控制，以实现电池的管理、保护和最大化利用。集控技术包括硬件和软件两个部分。硬件部分主要包括电池模块、电池簇、储能变流器、变压器、汇流柜、配电箱、火灾报警系统、烟温传感器、消防系统等设备。其中，电池模块是储能系统的核心部分，通常由多个电池单体组成。电池簇则是由多个电池模块组成的，通过簇间互联系统实现电池模块之间的电气连接。储能变流器则是实现交直流转换的关键设备，将电池产生的直流电转换为符合电网要求的交流电。变压器则是将储能变流器输出的交流电升压或降压，以满足电网电压要求。汇流柜、配电箱等设备则是用于电池模块和储能变流器之间的电气连接和分配。软件部分主要包括电池管理系统（BMS）、储能系统监控系统、储能系统控制系统等。其中，BMS是电池管理系统，用于对电池模块进行监测、测量、控制和保护。储能系统监控系统则是用于对整个储能系统进行实时监控，包括电池模块、储能变流器、变压器、汇流柜等设备的运行状态、电气参数等。储能系统控制系统则是用于对储能系统进行集中控制，包括电池模块的充放电控制、储能变流器的控制、变压器的控制等。

1、集控平台

大规模蓄能电站集控平台需支持多个储能系统单元的聚集操作与优化管理，以实现对每一个单体的监控与优化，以兼顾集群整体性能的提高与对单个单体的差别化优化管理。以电池储能系统设备级分析与控制所要求的数据采集与处理密度大、集群层面优化管理所要求的数据密度小的特性为基础，本文按照分层原则，对集控架构进行了设计。具体地说，各个储能单元都是相对独立的受控对象，它们包括了电池系统、储能逆流器（Power Conversion System, PCS）及动力环境设备等，构成了受控设备层。每个能量存储装置都有一个具有强大的数据处理与分析能力的局部装置控制器，它对被控装置的数据进行处理与分析，构成装置控制层；整个储能电站都要配置一个集控管理系统，组成一个集控管理层，汇总分析各储能单元的数据和信息，并与上级监控系统或调度中心展开交互。

该架构能够有效适配电池储能系统的设备特点和集群集结方式，按照控制、管理及优化等不同时间尺度进行数据处理和控制管理的分级分类。其中，单元控制层与集控管理层之间交互的单元数量多、数据量大，对集控的性能和可靠性要求高，本文选择实时控制能力强的EtherCAT组网。

2、系统设计

围绕集控系统架构及三个功能层的功能定位，进行层间数据交互分析设计，包括Ether CAT协议选用、单元控制器设计以及通信设计和通信能力测算。

2.1Ether CAT协议

为满足大规模电力电子设备的大规模数据收集与传输的需要，需要有强大的数据容量。与此同时，随着储能电站参与电网调控，对其通讯的快速性也提出了更高的要求。为此，本课题拟采用 EtherCAT总线作为集控管理层和集控层的通讯协议，来实现大量的储能单元和集控平台的相互联系。EtherCAT是德国倍福自动控制公司在2003年推出的一项国际标准，并于2014年10月被正式纳入了我国的通用标准。这个协议有如下的主要特性:

1)快速性: EtherCAT协议中，只允许主站进行帧的传输，而子站则可以进行帧的传输。在 EtherCAT中，一个 EtherCAT的报文由主站发送，经过各子站的传送，再由各子站采集、释放有关的数据，最终返回主站，这样一个 EtherCAT的报文就能实现对多个从站的读写。这种结构与单主站，多节点的大规模储能电站的结构非常吻合。同时， EtherCAT消息还可以实现对任何数据的实时存取。比如，针对每个储能单元需要实时响应的开关数量，采用短周期更新策略，对对实时性要求较低的参数，采用长周期的传输更新策略，以降低传输负荷。由于这样的工作方式， EtherCAT数据帧的传输延时几乎完全由硬件传输延时所决定，协议本身能够保证实时操作，避免不可预测的延迟，适合在需要高实时性的情况下使用。

2)可靠性: 所述数据帧自身含有诸如工作计数（working counter）之类的信息，可以用来检查所述数据框架的运行是否正常。同时，为了应对具有较高实时性的数据传输需求，本项目提出了一种基于 Cache模式和双同步控制器（SM）的新方案。在这个模式中， EtherCAT会打开三个缓存区，当主站和从站都要读取和写入信息的时候，这些信息只会被相应的缓存区所占用，只有当所有的缓存区都被填满了之后，它们才会被交换，从而保证了在高速数据传输中的可靠性。在拓扑结构上，此协议还支持冗余连接，并且还具备全双工通讯的特征。即使整个连接拓扑结构发生了故障，比如单个节点断开等，数据也可以返回到主站，从而大大提升了整个通信系统的运行可靠性。

2.2单元控制器

单元控制器是储能受控设备层和集控管理层之间数据交互的载体，它可以向上接入集控网络，向下与各个储能单元进行连接，它主要包含了数据采集、数据处理和规约转换等功能。本文的单元控制器对RS485通信模块、 CAN通信模块、 I/O输入输出模块、 AD采样模块和 EtherCAT通信板等主要功能模块进行了配置，从而实现了对储能单元中电气、电池和动力环境等参数的采集、处理和传输。与此同时，考虑到单元控制器与上、下层的通信方式存在差异，在设计上，使用了对下层以RS485通信和 CAN通信为主要手段，对上层则是通过 EtherCAT通信板来完成协议转换。

2.3通信设计

集控管理层上位机需要对EtherCAT从站设备的描述文件进行配置，即集控管理层识别单元控制器的设置以实现通信对接。

1)配置索引。在配置文件中，主要需要配置数据结构定义、对象字典定义、过程数据对象（process data object, PDO）映射几个部分。PDO指派目标词典中的两个指标，分别对应接收与发送两个指标，即接收与发送两个指标。针对每一种指标，将两个 PDO项指标对应到一个指标上，以区别数字指标和模拟指标。在完成对象字典定义和 PDO映射的配置文件编写之后，还需要对索引撰写定义各自对应数据结构，确定数据类型、大小等参数。

2)通信程序。在 ESI结束后，要对控制单元进行相应的数据结构，对象词典的内容进行修改。增加对应的参数数目项，新增的结构体， PDO映射还需要在 PC的配置程序中保持一致。在程序中，只需要增加相应的结构，所加的参数个数就可以得到相应的索引个数，并且给每个数字指定一个地址，直接指向一个配置文件。在数据映射过程中，将各变量映射到一个概要词典中，并将所获取的数值分配到各构造体中。

3、结论

针对大规模蓄能电站中多个储能装置的集散式运行和管理的需要，以 EtherCAT为基础，研究和开发了一套集群控制体系结构和系统。在新型电力系统的持续演化和发展过程中，大型储能电站参与到电力系统快速调频调压、应急支撑、自动发电控制/自动电压控制，辅助新能源场站和常规火电机组的性能提升等应用中，其运行的快速、准确和可靠将会变得更加重要，本文的研究为其提供了技术参考。

参考文献

［1］曹雅丽．推进“双碳”战略目标加速构建新型电力系统［N］．中国工业报，2021-11-26(1)．

［2］康重庆，杜尔顺，郭鸿业，等．新型电力系统的六要素分析［J］．电网技术，2023，47(5):1741-1750