1、第 24 卷 第 7 期 2023 年 7 月 电 气 技 术 Electrical Engineering Vol.24 No.7Jul.2023 GW 级储能电站能量管理系统关键技术 试验研究 许梦阳 郑 蓬 贺 春（许昌开普检测研究院股份有限公司，河南 许昌 461000）摘要 GW 级储能电站的建设是推动电力系统向适应大规模高比例新能源方向演进的重要措施，能量管理系统作为储能系统集成的关键部分，其先进性、可靠性和可扩展性直接影响储能电站的集成效果和运营收益。为研究未来 GW 级储能电站的技术集成路线，本文提出一种 GW 级储能电站能量管理系统试验验证体系，结合数据存储、鲁棒性测试、雪崩
2、、电网控制类闭环验证等技术，通过构建 GW 级储能电站能量管理系统综合试验验证平台，对系统的超大规模接入能力、极端故障处理能力、数据存储能力、运行控制能力等关键指标开展试验研究。结果表明，所提试验验证技术能够有效解决 GW 级储能电站的系统集成验证难点，可为后续工程应用提供试验支撑。关键词：GW 级；能量管理系统；超大规模接入；雪崩；验证体系 Experimental research on key technologies for energy management system of gigawatt-scale energy storage power station XU Mengya
3、ng ZHENG Peng HE Chun(Xuchang KETOP Testing Research Institute Co.,Ltd,Xuchang,Henan 461000)Abstract The construction of gigawatt-scale energy storage power station is an important measure to promote the evolution of power system to adapt to large-scale and high proportion of new energy.The energy m
4、anagement system is the key integration part of the energy storage system,and its progressiveness,reliability and scalability directly affect the integration effect and operating income of the energy storage station.In order to study the technology integration route of the future gigawatt-scale ener
5、gy storage power station,this paper proposes a test and verification system for the energy management system of the gigawatt-scale energy storage power station.Combining data storage,robustness testing,avalanche,closed-loop verification of power grid control and other technologies,a comprehensive te
6、st and verification platform is built for the energy management system of the gigawatt-scale energy storage power station.The key indicators such as large-scale access capability,extreme fault handling capability,data storage capability,operation control capability are tested.The results show that t
7、he proposed technology can effectively solve the difficulties of system integration verification of the gigawatt-scale energy storage power station,and can provide test support for subsequent engineering applications.Keywords：gigawatt-scale;energy management system;large-scale access capability;aval
8、anche;verification system 0 引言 近年来，各行各业对电力的需求日渐增长，经济社会发展与环境保护之间的矛盾日趋紧张，加快构建现代能源体系，推动生产生活方式向低碳化、智能化转变已成为保障经济社会高质量发展的重要举措1。由于新能源发电单机容量小、数量多、布点分散，且受季节、天气等外部环境的影响，具有2023 年 7 月 许梦阳等 GW 级储能电站能量管理系统关键技术试验研究 57 显著的间歇性、波动性、随机性特征2，大规模并网后给电网的电力电量平衡、安全稳定控制等方面带来了一定挑战。因此，建立超大规模储能电站实现能量转移、促进可再生能源消纳，为新能源大规模开发、高比例并网
9、提供了保障2-4。目前，“新能源+储能”项目在全国范围内快速铺开，国内已陆续建成数十兆瓦/百兆瓦级储能电站典型示范工程，覆盖了山西、山东、宁夏、青海、内蒙古等多个地区，GW 级储能电站示范工程也将陆续建成并投运3。为此，本文提出 GW 级储能电站能量管理系统（energy management system,EMS）试验验证体系，通过构建 GW 级储能电站能量管理系统综合试验验证平台，开展对系统的超大规模接入能力、极端故障处理能力、数据存储能力、运行控制能力等关键指标的试验验证，以期为 GW 级储能电站的发展建设提供技术支持。1 GW 级储能电站能量管理系统试验验证分析 相对于传统 MW 级储
10、能电站，GW 级储能电站单站规模庞大，数据繁多，站控层能量管理系统不仅要采集站内的海量数据进行站内管控，还要实时接受网调或省调的统一调度指令，为区域电网提供电力配置服务。因此，GW 级储能电站面临的主要问题有：1）站内能量管理系统承载的数据量几何性增加，数据规模显著扩大，数据类型结构多样，不仅需要采集常规站内数据（如线路的电压、电流数据，还有断路器、隔离开关等位置信号），还需要对电池管理系统（battery management system,BMS）、储能变流器（power conversion system,PCS）数据进行实时采集和处理，且对各类数据进行查询与处理的频度及性能要求也不尽相
11、同4-6。其中，电池管理系统采集的信息包括电池模块的电压、温度、电池能量，电池簇和电池堆的可充可放电量、累积充放电电量，各种故障告警和保护动作信号等。储能变流器采集的信息包括运行模式（并网、离网）、运行状态（充电、放电、待机）等开关量信息，直流及交流侧电压、电流、功率等模拟量信息，IGBT 模块温度等非电量信息，保护动作信号等运行信息7。2）站内系统控制策略复杂，监控系统根据功能定位宜支持削峰填谷、离网运行、系统调频、电压支撑、电能质量治理、平滑功率输出、跟踪计划出力等应用模式8，通过各控制策略的算法计算和组合使用，实现动态需求控制，提高电能质量。3）系统响应速率要求高，按照 NB/T 420
12、90 2016电化学储能电站监控系统技术规范9及国网时代储能发展有限公司关于 GW 级储能能量管理系统专项检测方案的要求，系统实时指标要求越来越高，功率响应时间已达到 ms 级。系统实时指标见表 1。表 1 系统实时指标 主站系统指标项目 指标要求遥测信息响应时间（从 I/O 输入端至站控层显示屏）2s 遥信变化响应时间（从 I/O 输入端至站控层显示屏）1s 控制命令从生成到输出的时间 1s 有功控制响应时间 200ms无功控制响应时间 200ms 4）系统分层保护机制明显。储能电站不仅要实现对变压器和馈线的配电保护，还需完成对储能变流器及电池管理系统的保护，在电池过温、过放、过充等情况下能
13、及时断开主回路，防止电池损坏10。针对 GW 级储能电站能量管理系统的以上特点，构建 GW 级储能电站和调度体系的仿真环境，建立完善的试验验证体系，利用专业测试方法对其关键项目开展针对性试验验证。2 试验验证体系及平台 2.1 试验验证体系 储能电站能量管理系统试验验证体系共分为三部分：试验验证环境、试验验证应用、理论基础。储能电站能量管理系统试验验证体系如图 1 所示。图 1 储能电站能量管理系统试验验证体系 58 电 气 技 术 第 24 卷 第 7 期 储能电站能量管理系统试验验证平台为整个试验的环境基础，在搭建过程中要合理整合资源，开放接口，方便被测对象的“即插即用”；试验验证技术的理
14、论基础包括仿真技术、面向对象的设计技术、软件测试技术和质量评估等方法11-14；试验验证应用是开展检测的核心对象。在理论支撑与环境支撑都具备的情况下，可对 GW 级储能电站能量管理系统的应用功能开展试验验证。2.2 试验验证平台 GW 级储能电站能量管理系统架构如图 2 所示，平台设计可分为四层：数据层、支撑平台层、数据采集与监控（supervisory control and data acquisition,SCADA）基础平台层和业务表示层15。数据层负责数据库建模，保存系统运行过程中频繁变化更新的数据，完成与实时库和历史库的查询交互。数据库除了提供原始数据访问接口，还提供参数模板接口函
15、数，只要读写数据类型实现相应的序列化方法即可。主要功能包括数据同步读取（单条、多条）、数据写入（单条、多条、同步、异步）。图 2 GW 级储能电站能量管理系统架构 支撑平台层包括系统管理平台、系统模型平台、系统图形平台、权限平台、系统通信平台、报表服务平台。支撑平台层提供工具、服务和组件供应用二次开发，其中工具和服务通过配置完成业务定制，组件提供访问接口供业务开发，不需要业务开发对其内部服务依赖的数据结构进行修改。SCADA 基础平台层基于支撑平台层，定义编码、设备、量测等基础 SCADA 模型，并在此模型上提供四遥处理服务、告警服务、拓扑着色、能量管理服务、预测服务、故障记录与反演等基础SC
16、ADA 服务，以及数据适配器等基础 SCADA 人机交互组件。业务表示层提供可视化的人机交互界面，包括实时监控、统计报表、参数配置、数据查询等功能，方便用户操作。3 GW 级储能电站能量管理系统关键技术 面向新型电力系统的储能系统建设依据 NB/T 420902016电化学储能电站监控系统技术规范等相关技术要求，站内系统由站控层、间隔层和储能单元层三部分组成，并采用分层、分布、开放式网络结构实现互联。GW 级储能电站能量管理系统网络结构如图 3 所示，站控层包括计算机网络连接的系统主机/操作员站、历史数据服务器、远动工作站、应用服务器（由主机兼任）、工程师站等设备，为站内运行提供人机界面，实现间隔层设备的控制管理，形成全站的监控和管理中心，并可与各级监控中心通信16；间隔层包括站用变保护测控装置、协调控制器等其他装置；储能单元层包括储能变流器、电池管理系统，并单独组网以储能单元为单位接入系统网络，整站采用双网冗余布置。2023 年 7 月 许梦阳等 GW 级储能电站能量管理系统关键技术试验研究 59 图 3 GW 级储能电站能量管理系统网络结构 分析 GW 级储能电站能量管理系统的技术