CN110676889B - 一种用于储能联合火电调频的能量管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于储能联合火电调频的能量管理系统，包括能量管理系统和数据采集与监控系统；能量管理系统由硬件平台、操作系统平台、通用中间件层、统一支撑平台层和应用软件层构成，数据采集与监控系统由运行人员控制层、控制层、就地层组成。在储能联合火电调频中实现数据采集与处理、储能系统能量分配、储能电池维护管理、人机交互，用于协调控制多台PCS，实现快速调频功能，调频控制装置接收外部功率指令和机组指令，计算总的储能功率指令，控制储能系统整体输出，保证整体输出功率的实时性与准确性，储能协调控制装置还可以根据各电池组的SOC状态以及电池检修情况进行功率分配，使各电池组的性能状态达到均衡。
Description
技术领域
本发明涉及一种能量管理系统，具体为一种用于储能联合火电调频的能量管理系统，属于能源管理技术领域。
背景技术
对于电网来说，能量供需不平衡和系统突发事件是电力系统运行的固有特性。在传统能源结构中，电网短时间内的能量不平衡是由传统机组(在我国主要是火电和水电)通过响应AGC信号来进行调节的。而随着新能源的并网，风光的波动性和随机性使得电网短时间内的能量不平衡加剧，传统能源(特别是火电)由于调频速度慢，在响应信号时具有滞后性，因此不能满足新增的需求。
储能(特别是电化学储能)由于调频速度快，容量可调，因此成为非常好的调频资源。根据California电力市场的电源特点，平均来看，储能调频效果是水电机组的1.7倍，燃气机组的2.5倍，燃煤机组的20倍以上。
在没有储能的情况下，发电机组通过自身调节去跟踪电网调度中心给出的AGC调度指令，存在反向出力、出力不精准、调节延迟等问题；而加入储能系统后，储能系统联合发电机组共同参与AGC调频，通过储能跟踪AGC调度指令，实现快速折返、精确输出以及瞬间调节，弥补发电机组的响应偏差。
随着电池储能系统的发展和在火电调频项目中的应用及示范项目建设，电池储能系统的内部构架、集成设计和安全保障有了行业规范。但电池储能系统的自身控制和与火电机组的联动协调尚未有清晰的界定，导致储能系统在实际运行中存在功能缺失或冗余、可靠性降低、效率下降、调频性能下降等问题。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种用于储能联合火电调频的能量管理系统。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种用于储能联合火电调频的能量管理系统，包括能量管理系统和数据采集与监控系统；所述能量管理系统由硬件平台、操作系统平台、通用中间件层、统一支撑平台层和应用软件层构成，所述硬件平台位于最底层，且所述硬件平台可采用32位或64位的RISC体系结构的计算机或CISC体系结构的计算机，所述操作系统平台构筑在硬件平台之上，所述操作系统可采用UNIX、LINUX或MicrosoftWindows系统，所述通用中间件层构筑在操作系统平台之上，所述通用中间件层使得储能调频控制监控系统能够运行在多种操作系统和硬件平台上，所述统一支撑平台层构筑在通用中间件层之上，且所述统一支撑平台层为各类电力系统应用软件的开发和运行提供统一的支撑平台，且所述统一支撑平台层包括数据库管理、网络管理、系统管理、平台接口等多个子系统，所述应用软件层构筑在统一支撑平台层之上，且所述应用软件层实现SCADA、控制和操作、统计计算、AGC指标分析、AGC性能评价等各类电力系统应用软件，所述数据采集与监控系统由运行人员控制层、控制层、就地层组成，所述运行人员控制层为全站设备监视、测量、控制、管理的中心，布置在集装箱内的服务器柜内，配置两台服务器，在数据采集与监控系统站控层配置两套冗余的远动工作站，所述远动工作站信息采用双通道向调度传送信息直采直送，并与调度主站端的通信采用点对点和数据网两种方式，所述控制层按照不同的工作类型和电气间隔单元，以相对独立的方式分散在各个工作场所，所述就地层为数据采集与监控系统按间隔设置冗余的就地I/O单元，采集电气设备的相关信息并上传至控制层，同时执行其控制层的指令，完成对应设备的操作控制；
所述能量管理系统包括以下功能：
(2)、数据采集、处理
一方面通过专用协议与储能调频控制装置进行通讯，采集控制装置数据，并进行实时的监控操作；另一方面，采集储能系统和机组运行状态数据，实现储能调频多维度指标分析；
(2)、实时数据管理
面向对象的分布式实时数据库管理系统；
(3)、历史数据库管理
采用实时库与历史库相统一管理的模式，以满足实时应用对数据库实时性、一致性、完整性和开放性的特殊要求；
(4)、储能电池维护管理
自动分时分批整定电池SOC，保证电池信息的正确可靠，自动识别设备就地维护状态，在部分设备维护时保证整个储能系统正常运行；
(6)、人机交互
提供方便、直观和快速的操作方法，具有多窗口显示、菜单驱动，操作简单、屏幕显示信息准确等特点；
(6)、报表功能
报表工具具有“报表模板制作”和“报表浏览”两大功能，用于实现报表模板的制作、管理、浏览、定时打印等；
(7)、运行监控
实时监视储能调频系统的运行状态、机组AGC模式和运行状态、AGC指令与机组实际出力、储能系统充放电速率和SOC状态、各类设备运行和告警信息，并进行控制模式、控制算法切换等操作；
(8)、储能系统能量分配
根据AGC指令，基于系统工况自动进行计算，得到实时的储能出力要求，将出力指令实时下发，控制储能系统出力，使系统处于经济的运行状态。
作为本发明再进一步的方案：所述能量管理系统的数据采集、处理功能主要采集数据包括：
1)储能系统
监控的具体范围包括PCS、BMS、PCS本地控制装置等。采集的信息包括运行状态、电气信息、运行参数、保护信息等；
2)电厂RTU
采集的信息包括调度AGC指令,通过PLC AGC调频系统给出；
3)电厂DCS
发电机输出功率、一次调频指令标志等，通过PLC AGC调频系统给出；
4)环境监控
监控的具体范围包括箱内环境，采集的信息包括温度、湿度、烟雾报警等；
作为本发明再进一步的方案：所述能量管理系统的实时数据管理功能采用面向对象的数据模型，支持类之间的继承、聚集关系以及对象标识等面向对象的特性，能够构造复杂的结构模型，支持用户自定义数据类型和方法。
作为本发明再进一步的方案：所述能量管理系统的历史数据库管理功能采用历史库模式定义工具使历史库与实时库模式定义的一致性。
作为本发明再进一步的方案：所述历史数据库管理采用商用关系数据库。
作为本发明再进一步的方案：所述历史数据库管理为分布式系统，其主要功能是对海量数据进行采集、处理、压缩、存储、计算查询、统计，时序数据库由若干个数据客户端和若干个数据服务器组成，数据客户端向开发人员提供数据存储和查询的接口；数据服务器是实时历史库系统的核心，且数据服务器端采取了多线程设计，分别完成数据收发，数据处理，数据压缩等功能。
作为本发明再进一步的方案：所述能量管理系统的人机交互功能对一些操作作了人性化的设计，并提供统计功能，积分值、平均值、最大值、最小值、极值时间等多曲线、多坐标轴同屏显示；可导出EXCEL兼容的CSV格式，也将当前曲线以图片格式导出；采用曲线拟合和平滑算法处理各个数据点。
作为本发明再进一步的方案：所述能量管理系统的报表功能的模板制作用于编辑生成各种不同类型不同样式的运行日志(日报)、月统计报表(月报)、年统计报表(年报)和各种管理报表，报表浏览根据设置的报表时间，从数据库中自动取得的历史数据和实时数据。
作为本发明再进一步的方案：所述能量管理系统的储能系统能量分配功能可以记录AGC指令和机组出力、储能出力的数据，计算调节速率指标K1，调节精度指标K2，响应时间指标K3。
作为本发明再进一步的方案：所述数据采集与监控系统按双重化和互为备用的原则配置，分层控制，硬件积木化、软件模块化。
本发明的有益效果是：该用于储能联合火电调频的能量管理系统设计合理，可以在储能联合火电调频中实现数据采集与处理、储能系统能量分配、储能电池维护管理、人机交互，用于协调控制多台PCS，实现快速调频功能等。调频控制装置接收外部功率指令和机组指令，计算总的储能功率指令，控制储能系统整体输出，保证整体输出功率的实时性与准确性，储能协调控制装置还可以根据各电池组的SOC状态以及电池检修情况进行功率分配，使各电池组的性能状态达到均衡。
附图说明
图1为本发明接线方式示意图；
图2为本发明数据采集与监控系统示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1～2，一种用于储能联合火电调频的能量管理系统，包括能量管理系统和数据采集与监控系统；所述能量管理系统由硬件平台、操作系统平台、通用中间件层、统一支撑平台层和应用软件层构成，所述硬件平台位于最底层，且所述硬件平台可采用32位或64位的RISC体系结构的计算机或CISC体系结构的计算机，所述操作系统平台构筑在硬件平台之上，所述操作系统可采用UNIX、LINUX或Microsoft Windows系统，所述通用中间件层构筑在操作系统平台之上，所述通用中间件层使得储能调频控制监控系统能够运行在多种操作系统和硬件平台上，所述统一支撑平台层构筑在通用中间件层之上，且所述统一支撑平台层为各类电力系统应用软件的开发和运行提供统一的支撑平台，且所述统一支撑平台层包括数据库管理、网络管理、系统管理、平台接口等多个子系统，所述应用软件层构筑在统一支撑平台层之上，且所述应用软件层实现SCADA、控制和操作、统计计算、AGC指标分析、AGC性能评价等各类电力系统应用软件，所述数据采集与监控系统由运行人员控制层、控制层、就地层组成，所述运行人员控制层为全站设备监视、测量、控制、管理的中心，布置在集装箱内的服务器柜内，配置两台服务器，在数据采集与监控系统站控层配置两套冗余的远动工作站，实现远动数据处理、接收、发送、通信功能，所述远动工作站信息采用双通道向调度传送信息直采直送，并与调度主站端的通信采用点对点和数据网两种方式，所述控制层按照不同的工作类型和电气间隔单元，以相对独立的方式分散在各个工作场所，控制层接收就地层采集的现场相关信息，通过网络传送给站级计算机，同时还能接收运行人员控制控层的操作控制命令，对换流站设备进行控制、调节，所述就地层为数据采集与监控系统按间隔设置冗余的就地I/O单元，采集电气设备的相关信息并上传至控制层，同时执行其控制层的指令，完成对应设备的操作控制；
所述能量管理系统包括以下功能：
(3)、数据采集、处理
一方面通过专用协议与储能调频控制装置进行通讯，采集控制装置数据，并进行实时的监控操作；另一方面，采集储能系统和机组运行状态数据，实现储能调频多维度指标分析；
(2)、实时数据管理
面向对象的分布式实时数据库管理系统；
(3)、历史数据库管理
采用实时库与历史库相统一管理的模式，以满足实时应用对数据库实时性、一致性、完整性和开放性的特殊要求；
(4)、储能电池维护管理
自动分时分批整定电池SOC，保证电池信息的正确可靠，自动识别设备就地维护状态，在部分设备维护时保证整个储能系统正常运行；
(7)、人机交互
提供方便、直观和快速的操作方法，具有多窗口显示、菜单驱动，操作简单、屏幕显示信息准确等特点；
(6)、报表功能
报表工具具有“报表模板制作”和“报表浏览”两大功能，用于实现报表模板的制作、管理、浏览、定时打印等；
(7)运行监控
实时监视储能调频系统的运行状态、机组AGC模式和运行状态、AGC指令与机组实际出力、储能系统充放电速率和SOC状态、各类设备运行和告警信息，并进行控制模式、控制算法切换等操作；
(8)储能系统能量分配
根据AGC指令，基于系统工况自动进行计算，得到实时的储能出力要求，将出力指令实时下发，控制储能系统出力，使系统处于经济的运行状态。
进一步的，在本发明实施例中，所述能量管理系统的数据采集、处理功能主要采集数据包括：
1)储能系统
监控的具体范围包括PCS、BMS、PCS本地控制装置等。采集的信息包括运行状态、电气信息、运行参数、保护信息等；
2)电厂RTU
采集的信息包括调度AGC指令,通过PLC AGC调频系统给出；
3)电厂DCS
发电机输出功率、一次调频指令标志等，通过PLC AGC调频系统给出；
4)环境监控
监控的具体范围包括箱内环境，采集的信息包括温度、湿度、烟雾报警等；
进一步的，在本发明实施例中，所述能量管理系统的实时数据管理功能采用面向对象的数据模型，支持类之间的继承、聚集关系以及对象标识等面向对象的特性，能够构造复杂的结构模型，支持用户自定义数据类型和方法，不仅易于描述电力系统及其拓扑关系，更能直接定义CIM中的类，不需要任何映射，是最容易接纳标准，并适应其版本变化的数据模型，可以免去模型转换和数据映射的麻烦，既可以遵循IEC 61970国际标准，又能保持实时库的高访问效率，具有开放性和实时性的完美统一。
进一步的，在本发明实施例中，所述能量管理系统的历史数据库管理功能采用历史库模式定义工具使历史库与实时库模式定义的一致性，通过通用、统一访问接口，可实现跨实时、历史的透明数据访问，从而将实时库和历史库很好地融合为一个整体。
进一步的，在本发明实施例中，所述历史数据库管理采用商用关系数据库，具有安全性高、处理速度快、保存容量大、具有标准开放的SQL数据访问接口等特点，提供对大量历史信息的存储、处理和检索的平台。
进一步的，在本发明实施例中，所述历史数据库管理为分布式系统，其主要功能是对海量数据进行采集、处理、压缩、存储、计算查询、统计，时序数据库由若干个数据客户端和若干个数据服务器组成，数据客户端向开发人员提供数据存储和查询的接口；数据服务器是实时历史库系统的核心，且数据服务器端采取了多线程设计，分别完成数据收发，数据处理，数据压缩等功能，完成时序数据的压缩存储和查询功能，能够保证数据处理的高效，且实现了并行处理。
进一步的，在本发明实施例中，所述能量管理系统的人机交互功能对一些操作作了人性化的设计，以便用户可以更好、更方便的使用，并提供统计功能，积分值、平均值、最大值、最小值、极值时间等多曲线、多坐标轴同屏显示；可导出EXCEL兼容的CSV格式，也将当前曲线以图片格式导出；采用曲线拟合和平滑算法处理各个数据点，使曲线显示平滑没有毛刺。
进一步的，在本发明实施例中，所述能量管理系统的报表功能的模板制作用于编辑生成各种不同类型不同样式的运行日志(日报)、月统计报表(月报)、年统计报表(年报)和各种管理报表，报表浏览根据设置的报表时间，从数据库中自动取得的历史数据和实时数据，使用户不需要知道数据来源于历史库还是实时库，直接生成最终报表，生成的报表可以保存为Excel文件或文本文件，用于WEB发布或归档。
进一步的，在本发明实施例中，所述能量管理系统的储能系统能量分配功能可以记录AGC指令和机组出力、储能出力的数据，计算调节速率指标K1，调节精度指标K2，响应时间指标K3，能够计算机组AGC性能考核指标Kp,建立机组调频性能多维度评价指标。
进一步的，在本发明实施例中，所述数据采集与监控系统按双重化和互为备用的原则配置，分层控制，硬件积木化、软件模块化，具有良好的开放性和兼容性，满足换流站对监控系统的可靠性、实用性、安全性和可扩充性的要求，同时具有与站内其它智能化设备接口及处理的能力。
工作原理：在使用该用于储能联合火电调频的能量管理系统时，对上控制装置一方面与EMS系统进行通讯，上送数据及状态信息，另一方面与调度控制系统通讯，接收功率指令，并获取机组的当前运行功率指令，完成相关控制策略，对下协调控制装置采用快速光纤网络与PCS进行通讯，协调控制PCS运行状态，并将功率指令分配给各台PCS，PCS与协调控制装置间通讯采用组网形式，单台协调控制装置最大支持控制32台PCS，功率指令传输毫秒级延时，协调控制装置保证接收到外部功率指令后，控制PCS总输出准确跟踪功率指令，实现电厂对电网调度AGC指令的响应。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种用于储能联合火电调频的能量管理系统，包括能量管理系统和数据采集与监控系统；其特征在于：所述能量管理系统由硬件平台、操作系统平台、通用中间件层、统一支撑平台层和应用软件层构成；
所述硬件平台位于最底层，且所述硬件平台可采用32位或64位的RISC体系结构的计算机或CISC体系结构的计算机；
所述操作系统平台构筑在硬件平台之上，所述操作系统可采用UNIX、LINUX或Microsoft Windows系统；
所述通用中间件层构筑在操作系统平台之上，所述通用中间件层使得储能调频控制监控系统能够运行在多种操作系统和硬件平台上；
所述统一支撑平台层构筑在通用中间件层之上，且所述统一支撑平台层为各类电力系统应用软件的开发和运行提供统一的支撑平台，且所述统一支撑平台层包括数据库管理、网络管理、系统管理以及平台接口多个子系统；
所述应用软件层构筑在统一支撑平台层之上，且所述应用软件层实现SCADA、控制和操作、统计计算、AGC指标分析以及AGC性能评价各类电力系统应用软件；
所述数据采集与监控系统由运行人员控制层、控制层、就地层组成，所述运行人员控制层为全站设备监视、测量、控制以及管理的中心，布置在集装箱内的服务器柜内，配置两台服务器，在数据采集与监控系统站控层配置两套冗余的远动工作站，所述远动工作站信息采用双通道向调度传送信息直采直送，并与调度主站端的通信采用点对点和数据网两种方式，所述控制层按照不同的工作类型和电气间隔单元，以相对独立的方式分散在各个工作场所，所述就地层为数据采集与监控系统按间隔设置冗余的就地I/O单元，采集电气设备的相关信息并上传至控制层，同时执行其控制层的指令，完成对应设备的操作控制；
所述能量管理系统包括以下功能：
(1)、数据采集、处理
一方面通过专用协议与储能调频控制装置进行通讯，采集控制装置数据，并进行实时的监控操作；另一方面，采集储能系统和机组运行状态数据，实现储能调频多维度指标分析；
(2)、实时数据管理
面向对象的分布式实时数据库管理系统；
(3)、历史数据库管理
采用实时库与历史库相统一管理的模式，以满足实时应用对数据库实时性、一致性、完整性和开放性的特殊要求；
(4)、储能电池维护管理
自动分时分批整定电池SOC，保证电池信息的正确可靠，自动识别设备就地维护状态，在部分设备维护时保证整个储能系统正常运行；
(5)、人机交互
提供方便、直观和快速的操作方法，具有多窗口显示、菜单驱动，操作简单以及屏幕显示信息准确特点；
(6)、报表功能
报表工具具有“报表模板制作”和“报表浏览”两大功能，用于实现报表模板的制作、管理、浏览以及定时打印；
(7)运行监控
实时监视储能调频系统的运行状态、机组AGC模式和运行状态、AGC指令与机组实际出力、储能系统充放电速率和SOC状态以及各类设备运行和告警信息，并进行控制模式以及控制算法切换操作；
(8)储能系统能量分配
根据AGC指令，基于系统工况自动进行计算，得到实时的储能出力要求，将出力指令实时下发，控制储能系统出力，使系统处于经济的运行状态。
2.根据权利要求1所述的一种用于储能联合火电调频的能量管理系统，其特征在于：所述能量管理系统的数据采集、处理功能主要采集数据包括：
1)储能系统
监控的具体范围包括PCS、BMS以及PCS本地控制装置，采集的信息包括运行状态、电气信息、运行参数以及保护信息；
2)电厂RTU
采集的信息包括调度AGC指令,通过PLC AGC调频系统给出；
3)电厂DCS
发电机输出功率以及一次调频指令标志，通过PLC AGC调频系统给出；
4)环境监控
监控的具体范围包括箱内环境，采集的信息包括温度、湿度以及烟雾报警。
3.根据权利要求1所述的一种用于储能联合火电调频的能量管理系统，其特征在于：所述能量管理系统的实时数据管理功能采用面向对象的数据模型，支持类之间的继承、聚集关系以及对象标识面向对象的特性，能够构造复杂的结构模型，支持用户自定义数据类型和方法。
4.根据权利要求1所述的一种用于储能联合火电调频的能量管理系统，其特征在于：所述能量管理系统的历史数据库管理功能采用历史库模式定义工具使历史库与实时库模式定义的一致性。
5.根据权利要求4所述的一种用于储能联合火电调频的能量管理系统，其特征在于：所述历史数据库管理采用商用关系数据库。
6.根据权利要求4所述的一种用于储能联合火电调频的能量管理系统，其特征在于：所述历史数据库管理为分布式系统，其是对海量数据进行采集、处理、压缩、存储、计算查询以及统计，时序数据库由若干个数据客户端和若干个数据服务器组成，数据客户端向开发人员提供数据存储和查询的接口；数据服务器是实时历史库系统的核心，且数据服务器端采取了多线程设计，分别完成数据收发，数据处理，数据压缩功能。
7.根据权利要求1所述的一种用于储能联合火电调频的能量管理系统，其特征在于：所述能量管理系统的人机交互功能对一些操作作了人性化的设计，并提供统计功能，积分值、平均值、最大值、最小值以及极值时间多曲线、多坐标轴同屏显示；可导出EXCEL兼容的CSV格式，也将当前曲线以图片格式导出；采用曲线拟合和平滑算法处理各个数据点。
8.根据权利要求1所述的一种用于储能联合火电调频的能量管理系统，其特征在于：所述能量管理系统的报表功能的模板制作用于编辑生成各种不同类型不同样式的运行日志、月统计报表、年统计报表和各种管理报表，报表浏览根据设置的报表时间，从数据库中自动取得的历史数据和实时数据。
9.根据权利要求1所述的一种用于储能联合火电调频的能量管理系统，其特征在于：所述能量管理系统的储能系统能量分配功能可以记录AGC指令、机组出力以及储能出力的数据，计算调节速率指标K1、调节精度指标K2以及响应时间指标K3。
10.根据权利要求1所述的一种用于储能联合火电调频的能量管理系统，其特征在于：所述数据采集与监控系统按双重化和互为备用的原则配置，分层控制，硬件积木化以及软件模块化。
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Denomination of invention: An Energy Management System for Frequency Modulation of Energy Storage Combined Thermal Power Plants Effective date of registration: 20221018 Granted publication date: 20210511 Pledgee: Industrial Bank Co.,Ltd. Shanghai Zhangyang Sub branch Pledgor: Aopu (Shanghai) new energy Co.,Ltd. Registration number: Y2022310000288 |
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Denomination of invention: An Energy Management System for Energy Storage Combined with Thermal Power Frequency Modulation Effective date of registration: 20231030 Granted publication date: 20210511 Pledgee: Industrial Bank Co.,Ltd. Shanghai Zhangyang Sub branch Pledgor: Aopu (Shanghai) new energy Co.,Ltd. Registration number: Y2023310000698 |