基于能量云管理平台的分布式储能系统技术应用研究

广州市电力工程设计院有限公司的研究人员毕伟，在2018年第4期《电气技术》杂志上撰文，为引导需求侧优化用能管理水平、参与电网高峰负荷削减，实现能源利用效率的整体提升，本文简述了分布式储能技术在电力需求侧管理中应用建设的背景、意义。

从技术应用条件、建设模式上分析了在电力需求侧管理中应用分布式储能技术的可行性。探索基于能量云管理平台的分布式储能系统，提出了系统的层次结构并描述了各层之间的关系。详细设计了系统的物理架构、功能架构，并分析了系统关键技术。

本设计方案已应用于广州市通信基站闲散储能示范项目的研发建设，为广州电力需求侧管理工作提供了技术支撑。未来，将对为能效管理与需求响应业务在南网范围内的推广实施奠定技术基础。

在大力推行供给侧结构性改革和新电改的行业背景下，电力作为特殊商品，开展有效、合理、规范用能工作，提高需求侧用电能效管理水平，以辅助实现节能的目的。通过用电能效管理和监控的信息化、可视化，提高资源配置效率，以互联网、云计算管理手段，盘活需求侧闲置电力资源，开展科学规范的需求侧管理工作，对于深入挖掘用户侧资产利用效率以及用电节能潜力是非常有必要的。

基于能量云管理平台的分布式储能系统，即融合了当前互联网信息化技术、云计算技术和分布式储能技术，通过采用电池能量交换系统和电池能量管控云平台等能源互联网的核心装备，将海量的碎片化闲置电池储能资源盘活为电网可以调度利用的大规模分布式储能系统，实现基于“虚拟电厂”的配电网储能系统。

1 分布式储能应用于需求侧管理意义

在电能产生和消耗的过程中，由于新能源发电（太阳能、风能）的间隙性和负荷的随机性等原因，造成电能供求之间在时间和空间上不平衡，特别是以太阳能发电为主的分布式电源在需求侧大量的接入，将加剧配电网中电压的波动，给配电网用户的电能质量、安全运行以及供电可靠性带来较大影响。

电网企业为最大限度满足电网的远期适应性，在电网的规划、设计、运行和调度时，按照满足年最高峰负荷时的安全需求原则考虑。研究表明，高峰负荷持续的时间相对整个电网运行周期而言并不长，据统计我国95%以上的高峰负荷年累计持续运行时间仅占几十个小时，然而年最大负荷利用小时数却有几千小时，显然为满足高峰时段负荷而扩建增容乃至投入巨资改造电网是很不经济的。

分布式储能靠近用户侧，有电池储能、相变储能、蓄冷蓄热储能、飞轮储能、抽水储能、超级电容储能及压缩空气储能等众多方式，其中，电池储能方式在千瓦时级至兆瓦时级储能有着其他储能方式不可比拟的优势。

目前用户侧存在数亿kWh的分散闲置电池储能资源，如通信基站电池、各种不间断电源（UPS）电池、梯次利用电池等，海量分布式储能设备的广域协调，利用其可调度储能容量产生聚集效应实现电网与用户之间电力交换和互动响应，能够提供远距离、大容量的能量调度能力，可为电力需求侧管理工作提供巨大的潜力支撑。由于储能设备具备电源和负荷的双重特性，设想在用户侧负荷附近都装设储能设备，根据峰平谷电价机制，在高峰时段的用户用电成本升高。

因此，为节省电费成本，用户会选择主动放弃使用电网电能，改用储能电能，利用储能电源特性促使电网负荷下降。反之在低谷期时段，电价随之降低，用户侧的储能装置转为从电网侧吸收电能，利用储能负荷特性促使电网负荷上升。

综上所述，在需求侧建设储能系统，可有效减少电力负荷的峰谷差，平抑分布式电力随机性和间隙性带来的电力波动，提高电力系统资产利用率水平，优化电网资源配置。由此可见，利用分布式储能装置实现需求侧管理的做法十分必要。

2 基于能量云管理平台的分布式储能的技术应用可行性分析

2.1 应用条件

1）信息资源保障

电网企业作为能量云管理平台的运营主体有着先天优势，其线上已具备完善的的运营业务系统，包括计量自动化系统、营销管理信息系统、配网生产管理系统、GIS系统、调度自动化系统、配网自动化系统以及充电桩管理平台，能够覆盖各种运营业务的全量数据，为分布式储能云管理平台的运营提供全信息资源保障和数据支撑。

2）设备技术支撑

目前市面上已经出现针对铅酸蓄电池的BMS产品及类似产品，部分产品已充分考虑了电池组中各单体充放电过程中的不可避免差异性，在均衡一致性管理功能中得到改善并开发应用实践示范项目，不仅支持全新电池，还可适用于退役电池组，应用领域更为广泛。其中有种基于电池网络拓扑动态重构技术的铅酸电池能量交换机代表了世界铅酸电池管控技术的最前沿。

该款产品也已在圣阳电源的CNAS电池测试中心完成测试，电池管控能力比传统技术有显著提升，运行稳定可靠，具备了规模部署的条件。

3）储能市场广阔

铅碳产品+储能应用+再生铅的模式，以及动力电池梯次利用的模式，均可作为储能行业循环经济利用的典范，尤其是电池梯次利用技术开发将为分布式储能提供巨大的电池市场。目前，电动汽车退役动力电池暂未形成市场规模效应和完善的价格机制。

调研发现，现有价格已经与铅酸蓄电池市场价非常接近，随着国家的大力支持电动汽车产业发展，未来梯次利用动力电池市场将十分广阔，成本有望进一步下降。

2.2 建设条件

现阶段城市化高速发展时期，电网建设的土地征地难题，已经是阻碍电网工程建设的普遍问题，分布式储能位于用户端，或利用用户自身现有的储能资源进行技术改造，有效回避了征地环节。另外，分布式储能具有容量小型分散化的特点，现有国家或行业储能标准对小型的储能系统并未有严苛的安装条件限制，随着电池技术的不断革新，未来即插即用可以实现双向互动的分布式储能，将会被应用在社会中的各个角落。

3 系统架构设计

3.1 系统物理架构

基于能量云管理平台的分布式储能系统架构图如图1所示。

基于能量云管理平台的分布式储能系统由以下几部分组成：需求侧端储能设备监控与数据采集层、网络传输链路层、能量云管理服务层和用户服务层。

需求侧端储能设备监控与数据采集层由电池管理系统或能量交换机中的测控及保护装置、数据采集装置、通信装置（具备规约转化及集线功能）等构成，是将电池信息及能量采集数据传输至后台云端的发起层。

图1 基于能量云管理平台的分布式储能系统架构图

网络传输链路层是作为提供用户设备信息通向云端的链路，可采用有线传输和无线传输方案，推荐采用4G/3G无线传输方案，运维方式通用，投资较小，利于降低成本。

能量云管理服务层由传输层、数据存储层、应用层组成。传输层设置二次安防，保证远程通信数据传输的安全性和可靠性；数据存储层基于关系型数据库管理系统应用软件完成海量分布式数据存储，提供对分布式储能设备大规模数据的存储预处理；应用层包括监控中心、控制策略、通知中心等核心业务实现。

用户服务层为各种分布式储能用户群提供服务和访问接口，支持Web客户端、智能手机及平板电脑客户端应用，但需要对用户服务和用户权限进行管理。

3.2 系统物理架构

能量云平台控制系统主要功能为监控用户侧储能设备或系统运行状态、执行需求响应业务，同时管理用户侧档案信息数据和业务数据，以及利用门户系统提供信息访问服务。系统设计时需要利用平台化、模块化思想，保证系统的兼容性与可扩展性。基于能量云管理平台的分布式储能系统功能架构图如图2所示。

能量云平台控制系统具备实现分布式储能集群管理及其接入过程中能量交换的多目标优化控制、保护与监视、通信、数据测量采集、历史数据存储分析、经济性计算等功能。

图2 能量云平台控制系统功能架构图

1）控制功能

潮流控制、有功功率控制、电压/无功调节、并离网切换、储能系统协调控制功能。用户可以通过云平台控制电池系统充放电，设置充电电流，无需运维人员到现场操作。

2）保护与监视

读取设备各种信息，实时监视系统运行情况，进行综合判断，协调系统运行。可获取的信息包括整个电池系统的状态、电压、电流、功率和单体电池的状态、电压、SOC等数据。

3）历史数据获取

云平台能存储采集到的电池系统以及单体电池的各种状态和数据。用户可以指定目标和时间区间以原始数据、直方图、曲线等方式获取这些历史数据，可以在客户端中通过图形界面获得直观的数据。用户也可以对数据进行再处理，进行数据分析、模式提取，为各项评估和科学决策提供数据支持。

4）其他功能

（1）经济和环境效益报告功能。能够根据存储的数据计算出削峰填谷等带来的经济效益，让用户了解到投资的经济和环境回报，随时掌握系统的经济性情况。

（2）设备使用环境报告。实时地报告设备工作环境，如市电是否正常，储能设备续航时间等信息，让用户随时随地掌握设备的环境状况。

（3）日志功能。可以将系统主要信息和操作信息保存。

除具备以上功能外，能量云平台控制系统为用户提供虚拟机全生命周期管理，提供基于手持设备APP的远程应用，提供自动化运维及自动报警，提供多种云存储方式，让用户简化能量存储设备的维护及扩展，专注于核心业务。

4 案例应用

近日，广州供电局携手铁塔公司联手打造国内第一个通信基站闲散电池盘活利用的配电网储能示范项目，项目选择56个直供电移动基站，其中8个基站作为能量双向交互试点，利用每座基站闲置的备用储能资源，组成大规模的分布式电池系统。

储能系统建设规模为268.8kW/2.11MWh，在能源互联网大数据及云平台的基础上，通过现代化通信手段，实现对每座分布式基站储能系统的监控和管理，通过对每个分散点的储能资源统筹计算，实现需求侧负荷与储能系统的之间快速互动响应，优化能源在需求侧得到合理配置。能量双向交互试点基站系统构成示意图如图3所示。

本项目是在共享经济模式下对分布式储能项目建设新模式和新方法的探索和尝试。项目由铁塔公司提供储能系统建设场地以及储能电池，由供电企业提供电池管理系统、功率转换系统以及能量云平台控制系统建设，共同构造成分布式储能系统。电网企业负责储能系统的日常调度和管理工作，负责向铁塔公司的基站电池工作状态提供监控和预警服务，铁塔公司则负责电池系统的日常运维工作。

图3 能量双向交互试点基站系统构成示意图

对供电企业而言：①降低储能项目建设成本，以本项目为例，56个基站的储能电池盘活后的电量资源约为2MWh，单位建设成本折算为1.5元/Wh，仅为锂电储能新建站的单位建设成本的60%；②解决了城市配电网中储能建设征地问题，节省土地资源，社会效益显著；③盘活社会上闲置储能资源，掌控社会储能容量的调度能力，能够缓解电网企业高峰供电压力，开展需求侧管理，间接减少电网基建投资。

对铁塔公司而言：①有储能电池的在线监测系统，能够实时精准的掌握应急电源的工作状况，提升应急系统供电可靠性；②降低人力成本，通过能量云平台控制系统，使得基站电池做到真正的免维护，估算运维成本单站每年节约6200元，本项目56个站每年可节约27.9万元；③还可享受电网企业根据削峰填谷的需求侧响应即得收益所让渡的电费电价优惠。

5 结论

本文提出了基于能量云管理平台的分布式储能系统在电力需求侧管理中的应用模式，即通过搭建能量云平台控制系统，利用信息化互联网等手段，实现对某一区域内分布式储能进行广域调度和集群管理。

通过前文介绍和应用案例，该技术应用可以实现电网企业和用户之间能量双向交互，使传统的刚性电网转变成柔性电网，以低成本高效率地方式完成电网中能源的优化配置工作，不但带给电网企业有效实现需求侧管理的社会效益，也带给用户节电节费的经济效益。

然而，如何引导社会中闲散的储能资源完成规模化应用和实现集群化管理，在建设、运营和盈利模式上需要进一步探索和研究工作。