浅谈工商业用电能量管理储能系统的设计和运用

摘要：为提高电网运行的稳定性，面向工商业用电用户，研究了一种储能系统容量规划方法。采用聚类分析方法对工商业用户的用电特征进行辨识，根据储能系统的供电模式构建储能系统容量规划的目标，并在主、备用电池容量规划的约束条件下优化目标，根据计算的目标结果得到容量规划方案。为检测模型的容量规划效果，根据某地工商业用户群体的日负荷特征进行了仿真实验，结果显示，容量规划后，实验组峰谷之间的差值比对照组高31.93%，表明所设计的储能系统容量规划方法优化程度更显著，提高了储存电能的利用效率以及工商业用户的用电经济性。

关键词：工商业用电；用电管理；能量储存；储能系统；储能系统容量规划；容量配置

0.引言

经济不断发展与进步，使我国进入了数字化时代，许多行业顺应时代发展，进行了智能化的变革与更新。我国电力系统的发电也应用了智能化信息技术，不同地区的电网集团智能化收集到了不同的用电信息，并对其进行相应的管理。由于不同用电区域或团体都有各自的用电特征需求，为了进一步分析和管理相应区域的用电情况，面向不同的团体设立了其相对应的电能量储能系统[4]。但由于目前对不同区域用电数据信息的分析能力不够具体和完善，不能准确进行储能系统的容量规划配置，不利于电量的按需分配和节约环保性。基于以上背景，本文研究了一种面向工商业用电能量管理的储能系统容量规划分配方法，优化电力能量的调控与分配，希望可以提高电力分配的按需分配性以及用户用电的经济性，优化电网运行效率，提升电力行业长期发展的稳定性，实现其经济效益与社会效益。

1. 工商业用电储能特征辨识

电能量供应与需求的平衡可以实现能量资源转化的目标。需求响应是我国现阶段电力运行中非常重要的一种电力配置方法。对于电能管理的大容量储能系统，一般采用抽水蓄能、电池储能、压缩空气法储能等方法。在面向工商业用户的电能管理下，根据便捷性、容量易调节性、不限制区域等优点，选择一种基于电池的储能系统进行容量规划的研究。

采用聚类分析方法，对工商业用户的用电特征进行辨识。可以针对不同的用电特征、工商用户的负荷模式进行划分，为储能系统的容量规划提供基础参考。基于Calinski-Harabasz中的有效性指标进行聚类划分。

储能系统的主要功能包括：能量管理，将用电信息通过储能装置的电化学储能技术与电网连接，提供功率调节和保护功能，储能装置可通过数据通信技术与电网进行实时信息交换，并可根据电网的负荷变化情况实时调节运行模式、优化运行策略；以电力电子技术为核心的储能技术应用，可实现功率实时监测和能量调度；储能装置在关键时刻可以根据实际情况对电网电压、电流以及用电负荷等进行实时调整。该储能系统设计中选择了基于Solaris技术和国际电工委员会（InternationalElectricalCommission，IEC）标准、RS485总线进行通信接口与不间断电源（UninterruptiblePowerSupply，UPS）总线以及近场通信（NearFieldCommunication，NFC）技术进行通信连接，对电网接入功率进行优化调整，控制UPS功率实现实时、灵活调控。储能电站控制模块使用单片机为系统提供电力交易控制功能，可为电站提供电力交易指令、智能电力交易控制命令、综合电气控制命令等服务，实现对电网电源进行实时调节。储能电站运行参数根据电网负荷进行实时优化调整，控制储能系统能量达到使用效果，提高用户用电效率和安全水平。

2.储能系统容量规划构建

2.1目标确定

本文根据工商业用户电力储能系统的供电方式，研究电力储能系统的规划方法，供电方式示意如图1所示。在实际的用电负荷规划中，备用电池可以解决规划模型中用电负荷的不确定性问题，因此现基于备用电池研究储能系统的容量规划方案。

图1工商业用户电力储能系统供电方式

电池为系统中提供储能服务的主要来源，电池模块和充放电控制器与逆变器连接，将蓄电池组所产生的电能通过逆变装置转换为电力，并通过蓄电池向电网提供给用户。电池的能量越大，其能量密度或功率密度就越高，电池的技术要求也就越高。本系统电池采用方形电池组，其外壳使用的是环保材料并具有良好的耐腐蚀性，使电池组具有更高的安全性。

储能应用能够满足快速响应市场变化的要求，在大范围电网出现故障时，可以立即起到稳定电力系统的作用，为用户提供更多的灵活性与便利性，并在电网出现故障时为设备提供更多的电源。储能电站能使用户快速响应市场信号以维持电网稳定，电力系统和电网之间的相互联系更加紧密。储能电站通过使用“电池—储能—充放电”循环机制实现“电—储—用”一体化运行。电池经过一系列复杂处理后被储存起来或充电，从而实现快速响应市场信号和电网稳定工作。

2.2储能优化

用户用电数据采集后，通过数据分析软件对用户的用电行为进行实时分析，通过对用户用电数据进行统计分析，将电网与用户进行交互，了解用户在用电方面是否存在违规用电、电表使用状态与计量不准确、功率不匹配等问题。将用户端的用电数据进行智能分析，对用户在用电方面存在的问题进行预警提示。

储能系统充放电是一个长期的运行状态，因此会出现电池的老化情况，在电池不断老化的过程中，电池的可用容量会逐渐降低，使设计的电池容量值与实际容量不同，造成规划不准确的情况。因此，需要将电池老化的相关特征加入电池规划的约束条件中。

储能电站能提供给客户的另外一项重要功能是利用其独特的管理功能，为用户提供智能管理，帮助客户在紧急情况下做出正确的决策，同时也可以减少因电网系统发生故障而造成的经济损失。由于电网的运行特点，储能电站的调峰和调频能力比其他方式更加突出。随着电源结构复杂化和分布式电源规模增加，其调峰能力可能会逐步增加。

3.实验与检测

为检测本文设计面向工商业用电能量管理的储能系统容量规划的应用效果，对某城市的工商业用户进行储能系统容量规划仿真试验。绘制该地区工商业用户24h的负荷预测曲线，如图2所示。

基于图2所示的负荷曲线，现调查相关用户对应储能系统的具体参数，如表1所示。

系统根据每路电流信号计算出每路需要补偿的量来计算出每个电池的容量，以达到利用每个电池的目的。采用具有更高精度的电流传感器来检测每路的电流数据，在进行电流补偿时采用3阶自适应滤波算法。多路电流信号通过通信接口进行发送传输，数据传输速率为100Mb/s。采用多路信号同时传送给控制器并进行实时计算输出，可大大减少通信量并且提高系统响应速度。

系统采用2级控制体系实现各环节参数整定，其中主控制系统由主控制器完成各传感器信号的采集与存储；而各个传感器作为采样单元负责测量数据并输出给各个控制器。对电池的充电容量、放电深度、放电次数进行了分析，在此基础上提出了一种基于状态观测器的电流补偿方法，并应用了功率跟踪算法对蓄电池进行充电和放电管理。将各蓄电池的输出功率与其初始值进行对比，并以此作为判定的基础。利用多组不同的电流传感器对各电池的运行状况和各电池的温度进行实时监控，实时分析充电容量、放电深度、放电次数，从而达到对电池进行智能充放电的控制。

利用硬件在环仿真模拟了各种电流传感器及不同容量的电池性能。（1）采用高精度、高分辨率的传感器和采集器，保证采集数据的准确性和完整性；（2）数据采集设备主要包括无线通信模块，可实现数据的上传、下载功能，与上位机通信；（3）数据采集终端设计。本设计中采用2种类型的数据采集终端，一是基于Modbus远程终端单元（RemoteTerminalUnit，RTU）的无线通信模块；二是基于无线控制单元或智能手机端的无线通信器。

采用先进的智能控制技术可实现对蓄电池的实时监控与自动充放电，具有安全可靠、经济环保、效率高、等优点，是解决新能源并网中的不稳定因素的理想方式。本文利用智能手机与储能系统相连，对蓄电池实现实时监控；通过数据分析将实时监控到的数据自动上传至云服务器进行分析。

目前，该项目已经成功应用于某钢铁企业，储能系统可以有效提升该系统的运行效率、提高用电设备的运行可靠性和电能质量改善能力，实现储能系统和负荷设备之间的协调控制，使能源综合利用更加便捷，还有效降低了用户成本，减少了资源浪费及环境污染，同时也为企业提供了更多、更有效的用电服务。

1. Acrel-2000ES储能柜能量管理系统

4.1系统概述

安科瑞储能能量管理系统Acrel-2000ES，专门针对工商业储能柜、储能集装箱研发的一款储能EMS，具有完善的储能监控与管理功能,涵盖了储能系统设备(PCS、BMS、电表、消防、空调等)的详细信息,实现了数据采集、数据处理、数据存储、数据查询与分析、可视化监控、报警管理、统计报表等功能。在应用上支持能量调度,具备计划曲线、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。

4.2系统结构

Acrel-2000ES，可通过直采或者通过通讯管理或串口服务器将储能柜或者储能集装箱内部的设备接入系统。系统结构如下：4.3系统功能

4.3.1实时监测

系统人机界面友好，能够显示储能柜的运行状态，实时监测PCS、BMS以及环境参数信息，如电参量、温度、湿度等。实时显示有关故障、告警、收益等信息。

4.3.2设备监控

系统能够实时监测PCS、BMS、电表、空调、消防、除湿机等设备的运行状态及运行模式。

PCS监控：满足储能变流器的参数与限值设置；运行模式设置；实现储能变流器交直流侧电压、电流、功率及充放电量参数的采集与展示；实现PCS通讯状态、启停状态、开关状态、异常告警等状态监测。

BMS监控：满足电池管理系统的参数与限值设置；实现储能电池的电芯、电池簇的温度、电压、电流的监测；实现电池充放电状态、电压、电流及温度异常状态的告警。

空调监控：满足环境温度的监测，可根据设置的阈值进行空调温度的联动调节，并实时监测空调的运行状态及温湿度数据，以曲线形式进行展示。

UPS监控：满足UPS的运行状态及相关电参量监测。

4.3.3曲线报表

系统能够对PCS充放电功率曲线、SOC变换曲线、及电压、电流、温度等历史曲线的查询与展示。

4.3.4策略配置

满足储能系统设备参数的配置、电价参数与时段的设置、控制策略的选择。目前支持的控制策略包含计划曲线、削峰填谷、需量控制等。

4.3.5实时报警

储能能量管理系统具有实时告警功能，系统能够对储能充放电越限、温度越限、设备故障或通信故障等事件发出告警。

4.3.6事件查询统计

储能能量管理系统能够对遥信变位，温湿度、电压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

4.3.7遥控操作

可以通过每个设备下面的红色按钮对PCS、风机、除湿机、空调控制器、照明等设备进行相应的控制，但是当设备未通信上时，控制按钮会显示无效状态。

4.3.8用户权限管理

储能能量管理系统为保障系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控的操作，数据库修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

1. 结论

在互联网大时代，我国的国民经济发展持续增长，智能化已经遍布到各个行业中。电力储能容量的优化分配通过分析对应团体的用电行为及特征按需供电，可以提高电力资源的利用率，使电力资源可以实现*大转化，提高我国电力工程行业的经济效益与社会效益。