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浅谈储能能量管理系统的功能及应用前景

2025年03月25日 10:12:06 人气: 74 来源: 安科瑞电气股份有限公司

 

一、引言

在全球能源转型的大背景下,太阳能、风能等可再生能源的装机容量不断攀升。然而,可再生能源的间歇性和波动性特点,给电网的稳定运行带来了巨大挑战。储能系统作为一种能够存储电能并在需要时释放的设备,有效地弥补了可再生能源的这一缺陷。而储能能量管理系统则是储能系统的“大脑”,负责对储能系统的充放电过程进行控制和管理,实现能源的利用和系统的稳定运行。

二、储能能量管理系统架构设计

(一)硬件架构

1.数据采集单元:主要由各类传感器组成,用于采集储能系统中电池组的电压、电流、温度,以及电网的电压、频率、功率等参数。这些传感器分布在电池管理系统(BMS)、逆变器、配电柜等设备中,实时获取准确的数据,为能量管理系统的决策提供依据。

2.处理单元:通常采用高性能的工业计算机或嵌入式控制器,具备强大的数据处理和运算能力。它接收来自数据采集单元的实时数据,并根据预设的算法和策略进行分析和处理,生成相应的控制指令。

3.通信网络:负责实现各单元之间的数据传输,包括有线通信(如以太网、RS485总线等)和无线通信(如Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等)。可靠的通信网络确保了数据的快速、准确传输,使能量管理系统能够实时掌握储能系统的运行状态,并及时下达控制指令。

(二)软件架构

1.数据处理层:对采集到的原始数据进行预处理,包括数据滤波、异常值检测与修正等。通过数据处理,提高数据的质量和可靠性,为后续的分析和决策提供准确的数据支持。

2.能量管理策略层:这是软件架构的核心部分,根据系统的运行目标(如削峰填谷、可再生能源消纳、提高电能质量等)制定相应的能量管理策略。常见的策略包括基于规则的控制策略、优化算法控制策略(如线性规划、动态规划等)和智能控制策略(如神经网络、模糊控制等)。

3.用户界面层:为用户提供直观的操作界面,包括系统运行状态监测、参数设置、历史数据查询与分析等功能。用户可以通过该界面实时了解储能系统的运行情况,并根据实际需求调整系统参数和控制策略。

三、储能能量管理系统主要功能

(一)充放电控制

1.充放电功率调节:根据电网的实时需求和储能系统的状态,控制储能系统的充放电功率。在电网负荷低谷期,以合适的功率对储能系统进行充电,储存多余的电能;在电网负荷高峰期,控制储能系统以设定的功率放电,为电网补充电能,实现削峰填谷的功能。

2.充放电模式选择:支持多种充放电模式,如恒流充电、恒压充电、恒功率放电等。根据电池的类型、状态和实际应用场景,选择*优的充放电模式,以延长电池的使用寿命,提高储能系统的性能。

(二)电池状态监测与管理

1.电池状态估计:通过对电池的电压、电流、温度等参数的监测和分析,实时估计电池的荷电状态(SOC)、健康状态(SOH)和剩余使用寿命(RUL)。准确的电池状态估计对于优化储能系统的运行策略、保障系统的安全稳定运行至关重要。

2.电池均衡管理:由于电池组中各单体电池在制造工艺、使用环境等方面存在差异,长时间使用后会出现不一致性问题,影响电池组的整体性能和寿命。能量管理系统通过电池均衡管理功能,对电池组中的单体电池进行充放电均衡,减小单体电池之间的差异,提高电池组的一致性和可靠性。

(三)能量优化调度

1.可再生能源消纳优化:在含有可再生能源发电的系统中,储能能量管理系统根据可再生能源的发电预测和实时功率输出,合理安排储能系统的充放电计划,*大限度地消纳可再生能源,减少弃风、弃光现象的发生。

2.多能源协同优化:对于包含多种能源形式(如电力、热力、天然气等)的综合能源系统,能量管理系统通过对不同能源之间的耦合关系进行分析,实现多能源的协同优化调度,提高整个能源系统的综合利用效率和经济效益。

(四)系统安全保护

1.过充过放保护:实时监测电池的电压和SOC,当电池电压或SOC达到设定的上限或下限*,及时采取措施停止充电或放电,防止电池过充过放,避免电池损坏甚至引发安全事故。

2.过温保护:对电池的温度进行实时监测,当电池温度过高时,启动散热系统或调整充放电功率,降低电池温度,确保电池在安全的温度范围内运行。

3.故障诊断与报警:对储能系统的各个设备和部件进行实时监测,一旦发现故障,能够迅速进行诊断和定位,并及时发出报警信号,通知运维人员进行处理,保障系统的安全可靠运行。

四、储能能量管理系统关键技术

(一)电池模型与算法

1.电池等效电路模型:建立准确的电池等效电路模型,能够更准确地描述电池的电气特性和动态响应。通过对模型参数的辨识和优化,提高电池状态估计的准确性。常见的电池等效电路模型有Rint模型、Thevenin模型、PNGV模型等。

2.智能算法在电池管理中的应用:利用神经网络、支持向量机等智能算法对电池的SOC、SOH等状态进行预测和估计。这些算法具有强大的非线性映射能力和自学习能力,能够有效提高电池状态估计的精度和可靠性。

(二)实时数据采集与处理技术

1.高速数据采集设备:采用高速、高精度的数据采集卡和传感器,实现对储能系统中各种参数的快速、准确采集。确保数据采集的频率和精度满足能量管理系统实时控制的需求。

2.大数据处理技术:面对储能系统运行过程中产生的海量数据,运用大数据处理技术进行存储、分析和挖掘。通过对历史数据的分析,提取有价值的信息,为能量管理策略的优化和系统的性能评估提供支持。

(三)通信与网络技术

1.工业以太网通信技术:在储能系统内部,广泛采用工业以太网作为主要的通信方式,实现各设备之间的高速、可靠数据传输。工业以太网具有通信速率高、实时性好、抗干扰能力强等优点,能够满足储能能量管理系统对数据传输的严格要求。

2.无线通信技术的应用:在一些分布式储能系统或对灵活性要求较高的场景中,无线通信技术(如4G、5G、LoRa等)发挥着重要作用。无线通信技术能够实现设备的远程监控和数据传输,降低布线成本,提高系统的部署灵活性。

五、储能能量管理系统应用实例

(一)电网侧储能应用

在某地区电网的一座变电站中,安装了一套大规模的储能系统,并配备了先进的储能能量管理系统。该系统通过实时监测电网的负荷变化和运行状态,在负荷低谷期利用廉价的电能对储能系统进行充电,在负荷高峰期将储存的电能释放到电网中,有效缓解了电网的供电压力,降低了峰谷电价差带来的成本。同时,当电网出现故障或电能质量问题时,储能系统能够快速响应,提供紧急功率支持,保障电网的稳定运行。

(二)可再生能源发电配套储能应用

在一个大型风电场中,为了解决风电的间歇性和波动性问题,提高风电的并网稳定性和消纳能力,配套建设了储能系统及能量管理系统。能量管理系统根据风速预测和风机的实时发电功率,动态调整储能系统的充放电策略。当风速较大、风电出力过剩时,将多余的电能储存起来;当风速较低或电网需求较大时,控制储能系统放电,补充风电出力的不足。通过这种方式,有效提高了风电场的发电效率和可靠性,减少了弃风现象的发生。

(三)用户侧储能应用

某商业综合体为了降低用电成本,提高能源利用效率,在其配电系统中安装了用户侧储能系统,并采用了储能能量管理系统。该系统通过对商业综合体的用电负荷进行实时监测和分析,利用峰谷电价差,在夜间低谷电价时段对储能系统充电,在白天高峰电价时段利用储能系统放电,为商业综合体内部的设备供电。同时,能量管理系统还具备应急电源功能,在电网停电时,能够迅速切换至储能供电模式,保障商业综合体的正常运营。

六、储能能量管理系统发展趋势

(一)智能化与自适应控制

随着人工智能、机器学习等技术的不断发展,未来的储能能量管理系统将更加智能化和自适应。系统能够根据实时的运行数据和环境变化,自动调整能量管理策略,实现更加准确的控制。例如,通过深度学习算法对大量的历史数据进行学习,预测电网负荷和可再生能源发电的变化趋势,提前优化储能系统的充放电计划。

(二)与分布式能源系统的深度融合

分布式能源系统(如分布式光伏、小型风力发电、微电网等)的快速发展,对储能能量管理系统提出了更高的要求。未来的储能能量管理系统将不仅仅局限于对储能系统本身的控制,还将与分布式能源系统中的各种能源设备进行深度融合,实现多能源的协同优化和智能调控,构建更加可靠的分布式能源网络。

(三)云平台与大数据应用

借助云计算和大数据技术,储能能量管理系统将实现数据的云端存储和分析。通过建立储能云平台,将分散在各地的储能系统连接起来,实现数据的集中管理和共享。利用大数据分析技术,对海量的储能运行数据进行挖掘和分析,为储能系统的优化设计、性能评估、故障预测等提供有力支持,同时也为电力市场的交易决策提供数据依据。

七、Acrel-2000MG充电站微电网能量管理系统

1平台概述

Acrel-2000MG微电网能量管理系统,是我司根据新型电力系统下微电网监控系统与微电网能量管理系统的要求,总结国内外的研究和生产的经验,专门研制出的企业微电网能量管理系统。本系统满足光伏系统、风力发电、储能系统以及充电站的接入,*进行数据采集分析,直接监视光伏、风能、储能系统、充电站运行状态及健康状况,是一个集监控系统、能量管理为一体的管理系统。该系统在安全稳定的基础上以经济优化运行为目标,促进可再生能源应用,提高电网运行稳定性、补偿负荷波动;有效实现用户侧的需求管理、消除昼夜峰谷差、平滑负荷,提高电力设备运行效率、降低供电成本。为企业微电网能量管理提供安全、可靠、经济运行提供了全新的解决方案。

微电网能量管理系统应采用分层分布式结构,整个能量管理系统在物理上分为三个层:设备层、网络通信层和站控层。站级通信网络采用标准以太网及TCP/IP通信协议,物理媒介可以为光纤、网线、屏蔽双绞线等。系统支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

2平台适用场合

系统可应用于城市、高速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再生能源系统监控和能量管理需求。

3系统架构

本平台采用分层分布式结构进行设计,即站控层、网络层和设备层,详细拓扑结构如下:

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图1典型微电网能量管理系统组网方式

八、充电站微电网能量管理系统解决方案

1实时监测

微电网能量管理系统人机界面友好,应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运行状态,实时监测光伏、风电、储能、充电站等各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息,动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。其中,各子系统回路电参量主要有:相电压、线电压、三相电流、有功/无功功率、视在功率、功率因数、频率、有功/无功电度、频率和正向有功电能累计值;状态参数主要有:开关状态、断路器故障脱扣告警等。

系统应可以对分布式电源、储能系统进行发电管理,使管理人员实时掌握发电单元的出力信息、收益信息、储能荷电状态及发电单元与储能单元运行功率设置等。

系统应可以对储能系统进行状态管理,能够根据储能系统的荷电状态进行及时告警,并支持定期的电池维护。

微电网能量管理系统的监控系统界面包括系统主界面,包含微电网光伏、风电、储能、充电站及总体负荷组成情况,包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求,也可将充电,储能及光伏系统信息进行显示。

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图1系统主界面

子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电站信息、通讯状况及一些统计列表等。

1.1光伏界面

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图2光伏系统界面

本界面用来展示对光伏系统信息,主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析;同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

1.2储能界面

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图3储能系统界面

本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。

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图4储能系统PCS参数设置界面

本界面主要用来展示对PCS的参数进行设置,包括开关机、运行模式、功率设定以及电压、电流的限值。

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图5储能系统BMS参数设置界面

本界面用来展示对BMS的参数进行设置,主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。

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图6储能系统PCS电网侧数据界面

本界面用来展示对PCS电网侧数据,主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。

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图7储能系统PCS交流侧数据界面

本界面用来展示对PCS交流侧数据,主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警。

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图8储能系统PCS直流侧数据界面

本界面用来展示对PCS直流侧数据,主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。

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图9储能系统PCS状态界面

本界面用来展示对PCS状态信息,主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。

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图10储能电池状态界面

本界面用来展示对BMS状态信息,主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等,同时展示当前储能电池的SOC信息。

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图11储能电池簇运行数据界面

本界面用来展示对电池簇信息,主要包括储能各模组的电芯电压与温度,并展示当前电芯的电压、温度值及所对应的位置。

1.3风电界面

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图12风电系统界面

本界面用来展示对风电系统信息,主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析;同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

1.4充电站界面

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图13充电站界面

本界面用来展示对充电站系统信息,主要包括充电站用电总功率、交直流充电站的功率、电量、电量费用,变化曲线、各个充电站的运行数据等。

1.5视频监控界面

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图14微电网视频监控界面

本界面主要展示系统所接入的视频画面,且通过不同的配置,实现预览、回放、管理与控制等。

1.6发电预测

系统应可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据,对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测,并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划,便于用户对该系统新能源发电的集中管控。

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图15光伏预测界面

1.7策略配置

系统应可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息,进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、防逆流、有序充电、动态扩容等。

具体策略根据项目实际情况(如储能柜数量、负载功率、光伏系统能力等)进行接口适配和策略调整,同时支持定制化需求。

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图16策略配置界面

1.8运行报表

应能查询各子系统、回路或设备*时间的运行参数,报表中显示电参量信息应包括:各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能、尖峰平谷时段电量等。

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图17运行报表

1.9实时报警

应具有实时报警功能,系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等遥信变位,及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警,应能实时显示告警事件或跳闸事件,包括保护事件名称、保护动作时刻;并应能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。

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图18实时告警

1.10历史事件查询

应能够对遥信变位,保护动作、事故跳闸,以及电压、电流、功率、功率因数、电芯温度(锂离子电池)、压力(液流电池)、光照、风速、气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。

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图19历史事件查询

1.11电能质量监测

应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测,使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况,以便及时发现和消除供电不稳定因素。

1)在供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度*和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度*和正序/负序/零序电流值;

2)谐波分析功能:系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率;应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.5~63.5次间谐波电压含有率、0.5~63.5次间谐波电流含有率;

3)电压波动与闪变:系统应能显示A/B/C三相电压波动值、A/B/C三相电压短闪变值、A/B/C三相电压长闪变值;应能提供A/B/C三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线;应能显示电压偏差与频率偏差;

4)功率与电能计量:系统应能显示A/B/C三相有功功率、无功功率和视在功率;应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视在功率和总功率因素;应能提供有功负荷曲线,包括日有功负荷曲线(折线型)和年有功负荷曲线(折线型);

5)电压暂态监测:在电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时,系统应能产生告警,事件能以弹窗、闪烁、声音、短信、电话等形式通知相关人员;系统应能查看相应暂态事件发生前后的波形。

6)电能质量数据统计:系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据,包括均值、*值、*值、95%概率值、方均根值。

7)事件记录查看功能:事件记录应包含事件名称、状态(动作或返回)、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。

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图20微电网系统电能质量界面

1.12遥控功能

应可以对整个微电网系统范围内的设备进行远程遥控操作。系统维护人员可以通过管理系统的主界面完成遥控操作,并遵循遥控预置、遥控返校、遥控执行的操作顺序,可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。

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图21遥控功能

1.13曲线查询

应可在曲线查询界面,可以直接查看各电参量曲线,包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC、SOH、充放电量变化等曲线。

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图22曲线查询

1.14统计报表

具备定时抄表汇总统计功能,用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的发电、用电、充放电情况,即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。对微电网与外部系统间电能量交换进行统计分析;对系统运行的节能、收益等分析;具备对微电网供电可靠性分析,包括年停电时间、年停电次数等分析;具备对并网型微电网的并网点进行电能质量分析。

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图23统计报表

1.15网络拓扑图

系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态,能够完整的显示整个系统网络结构;可在线诊断设备通信状态,发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。

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图24微电网系统拓扑界面

本界面主要展示微电网系统拓扑,包括系统的组成内容、电网连接方式、断路器、表计等信息。

1.16通信管理

可以对整个微电网系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。系统维护人员可以通过管理系统的主程序右键打开通信管理程序,然后选择通信控制启动所有端口或某个端口,快速查看某设备的通信和数据情况。通信应支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

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图25通信管理

1.17用户权限管理

应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作(如遥控操作,运行参数修改等)。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。

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图26用户权限

1.18故障录波

应可以在系统发生故障时,自动准确地记录故障前、后过程的各相关电气量的变化情况,通过对这些电气量的分析、比较,对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平有着重要作用。其中故障录波共可记录16条,每条录波可触发6段录波,每次录波可记录故障前8个周波、故障后4个周波波形,总录波时间共计46s。每个采样点录波至少包含12个模拟量、10个开关量波形。

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图27故障录波

1.19事故追忆

可以自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时扫描数据,包括开关位置、保护动作状态、遥测量等,形成事故分析的数据基础。

用户可自定义事故追忆的启动事件,当每个事件发生时,存储事故前面10个扫描周期及事故后10个扫描周期的有关点数据。启动事件和监视的数据点可由用户随意修改。

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九、硬件及其配套产品

序号

设备

型号

图片

说明

1

能量管理系统

Acrel-2000MG

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内部设备的数据采集与监控,由通信管理机、工业平板电脑、串口服务器、遥信模块及相关通信辅件组成。

数据采集、上传及转发至服务器及协同控制装置

策略控制:计划曲线、需量控制、削峰填谷、备用电源等

2

显示器

25.1英寸液晶显示器

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系统软件显示载体

3

UPS电源

UPS2000-A-2-KTTS

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为监控主机提供后备电源

4

打印机

HP108AA4

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用以打印操作记录,参数修改记录、参数越限、复限,系统事故,设备故障,保护运行等记录,以召唤打印为主要方式

5

音箱

R19U

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播放报警事件信息

6

工业网络交换机

D-LINKDES-1016A16

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提供16口百兆工业网络交换机解决了通信实时性、网络安全性、本质安全与安全防爆技术等技术问题

7

GPS时钟

ATS1200GB

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利用gps同步卫星信号,接收1pps和串口时间信息,将本地的时钟和gps卫星上面的时间进行同步

8

交流计量电表

AMC96L-E4/KC

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电力参数测量(如单相或者三相的电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率,频率、功率因数等)、复费率电能计量、

四象限电能计量、谐波分析以及电能监测和考核管理。多种外围接口功能:带有RS485/MODBUS-RTU协议:带开关量输入和继电器输出可实现断路器开关的"遜信“和“遥控”的功能

9

直流计量电表

PZ96L-DE

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可测量直流系统中的电压、电流、功率、正向与反向电能。可带RS485通讯接口、模拟量数据转换、开关量输入/输出等功能

10

电能质量监测

APView500

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实时监测电压偏差、频率俯差、三相电压不平衡、电压波动和闪变、诺波等电能质量,记录各类电能质量事件,定位扰动源。

11

防孤岛装置

AM5SE-IS

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防孤岛保护装置,当外部电网停电后断开和电网连接

12

箱变测控装置

AM6-PWC

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置针对光伏、风能、储能升压变不同要求研发的集保护,测控,通讯一体化装置,具备保护、通信管理机功能、环网交换机功能的测控装置

13

通信管理机

ANet-2E851

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能够根据不同的采集规的进行水表、气表、电表、微机保护等设备终端的数据果集汇总:

提供规约转换、透明转发、数据加密压缩、数据转换、边缘计算等多项功能:实时多任务并行处理数据采集和数据转发,可多路上送平台据:

14

串口服务器

Aport

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功能:转换“辅助系统"的状态数据,反馈到能量管理系统中。

1)空调的开关,调温,及完*断电(二次开关实现)

2)上传配电柜各个空开信号

3)上传UPS内部电量信息等

4)接入电表、BSMU等设备

15

遥信模块

ARTU-K16

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1)反馈各个设备状态,将相关数据到串口服务器:

读消防VO信号,并转发给到上层(关机、事件上报等)

2)采集水浸传感器信息,并转发3)给到上层(水浸信号事件上报)

4)读取门禁程传感器信息,并转发

十、结束语

储能能量管理系统作为储能系统的核心组成部分,在提高能源利用效率、保障电网稳定运行、促进可再生能源发展等方面发挥着不可替代的作用。通过不断优化系统架构、完善功能设计、创新关键技术,储能能量管理系统在各个领域的应用取得了显著成效。然而,随着能源行业的快速发展和技术的不断进步,储能能量管理系统仍面临着诸多挑战和机遇。未来,需要进一步加强技术研发和创新,推动储能能量管理系统向智能化、集成化、云平台化方向发展,为实现全球能源的可持续发展做出更大贡献。

【参考文献】

【1】安科瑞高校综合能效解决方案2022.5版

【2】安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版

 

 

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