安科瑞 陳聰

【摘要】為緩解電力負(fù)荷時(shí)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(chǔ)能管理系統(tǒng)。系統(tǒng)在電力負(fù)荷較輕及電價(jià)較低時(shí)自動(dòng)儲(chǔ)能,在電力負(fù)荷高峰及電價(jià)較高時(shí),將所儲(chǔ)電能供給用戶或反售電網(wǎng)。系統(tǒng)由控制器、儲(chǔ)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(shí)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(fèi)開支。

【關(guān)鍵詞】智能電網(wǎng)；智能儲(chǔ)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(shí)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(dòng)管理。我國將在2020年*面建成統(tǒng)一的堅(jiān)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(shí)施不同電價(jià)是智能電網(wǎng)的特點(diǎn)之一,它通過電價(jià)調(diào)節(jié),促使用戶優(yōu)化用電方案,錯(cuò)開峰值電價(jià),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(shí)段(例如18:00~23:00)避開用電,此時(shí)電費(fèi)的高價(jià)位反而加重了用戶的負(fù)擔(dān)。基于此,我們設(shè)計(jì)了一種基于智能電網(wǎng)終端的智能儲(chǔ)能系統(tǒng),在一定程度上解決了這一問題。

1. 智能儲(chǔ)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(chǔ)能控制器能自動(dòng)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(shí)時(shí)電價(jià)將電能儲(chǔ)存在家庭儲(chǔ)能器件(蓄電池組等)中;在電力系統(tǒng)的負(fù)荷峰值,實(shí)時(shí)電價(jià)較高時(shí),切斷(或減少)電網(wǎng)供電,將儲(chǔ)能器件中的電能逆變后給家用電器供電。智能儲(chǔ)能管理系統(tǒng)根據(jù)負(fù)載功率大小與儲(chǔ)存的電能自動(dòng)運(yùn)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(chǔ)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(yùn)行的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、靈活性也會(huì)因此得到大幅度的提高。同時(shí),系統(tǒng)又能使用戶在實(shí)時(shí)電價(jià)高的用電峰值階段斷開(或減少)高價(jià)電的消費(fèi),減少電費(fèi)支出。

1.2智能儲(chǔ)能管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能儲(chǔ)能管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,系統(tǒng)由控制器、儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)存電能。逆變器將儲(chǔ)能器件儲(chǔ)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(jì)量功能,電流流入時(shí),電能表正向計(jì)量,電流流出則反向計(jì)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(gè)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(shí)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(shí)時(shí)電價(jià)等信息廣播給各用戶時(shí),控制器接收實(shí)時(shí)電價(jià)信息后進(jìn)行對比檢測與判斷,如為谷底電價(jià)(電價(jià)較低),則為儲(chǔ)能元件儲(chǔ)能,此時(shí)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(jì)量;如為峰值電價(jià)(電價(jià)較高),則控制器根據(jù)用戶的當(dāng)前用電功率與儲(chǔ)能元件的荷電狀態(tài)自動(dòng)控制電能的接入。儲(chǔ)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(chǔ)能器件電能消耗達(dá)到設(shè)定的底線時(shí),控制器切斷儲(chǔ)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(shí),控制器閉合并網(wǎng)控制開關(guān),開啟逆變器,儲(chǔ)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(jià)結(jié)束。

1. 智能儲(chǔ)能控制器硬件設(shè)計(jì)

智能儲(chǔ)能控制器由單片機(jī)、顯示模塊、鍵盤、LED指示、時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)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(chǔ)能控制器硬件結(jié)構(gòu)

智能儲(chǔ)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(jì)中程序容量、運(yùn)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(shí)鐘芯片選用DS1302萬年歷專用芯片,存儲(chǔ)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(jì)

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(shí),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(shí)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(dòng),蓄電池直流電經(jīng)逆變成220V交流后輸出。此時(shí)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(shí),P2.7輸出低電平,Q2截止,蓄電池停止放電,實(shí)現(xiàn)蓄電池過放保護(hù)。

2.2電力線載波通信模塊設(shè)計(jì)

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(jì)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(gè)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(shí)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(dòng)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(chǔ)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(shí)間,中下部為信息發(fā)布區(qū),分屏顯示即時(shí)電價(jià)、操表、剩余電量等信息。存儲(chǔ)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(chǔ)能控制器軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)組成,智能儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)管理主機(jī)與下位機(jī)系統(tǒng)調(diào)試。

3.1智能儲(chǔ)能控制器主程序設(shè)計(jì)

智能儲(chǔ)能控制器軟件由主程序、時(shí)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(shí)鐘函數(shù),取出時(shí)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(jià)狀態(tài)標(biāo)志位,如為電價(jià)谷值,則用戶負(fù)載由電網(wǎng)供電,同時(shí)啟動(dòng)蓄電池充電函數(shù);如為電價(jià)峰值,啟動(dòng)蓄電池放電函數(shù)。當(dāng)蓄電池電量不足時(shí),繼續(xù)采用電網(wǎng)供電;蓄電池電量充足時(shí),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(chǔ)能控制器通信程序設(shè)計(jì)

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(chǔ)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(chǔ)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(dòng)中斷方式,發(fā)送采用主動(dòng)查詢方式。智能儲(chǔ)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(yùn)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(yàn)碼。智能儲(chǔ)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(yàn)碼;⑤把所接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC運(yùn)算(接收的校驗(yàn)碼不參與);⑥把接收的CRC校驗(yàn)碼與運(yùn)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(cuò)誤功能碼。

4.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，專門針對工商業(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*級應(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，可通過直采或者通過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)。

4.3系統(tǒng)功能

4.3.1實(shí)時(shí)監(jiān)測

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(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；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，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。

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

可以通過每個(gè)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(shí)，控制按鈕會(huì)顯示無效狀態(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(yùn)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(chǔ)能系統(tǒng)能夠平滑功率波動(dòng)、提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)供需平衡和調(diào)峰填谷。然而，光伏儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)的效率和經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，政策支持和市場推動(dòng)也是推動(dòng)光伏儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)將在清潔能源領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源的可靠供應(yīng)。

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