多功能储能本地控制器设计

多功能储能本地控制器设计

吴进进

江苏天合储能有限公司 213031

1 背景

 传统储能系统注重功能实现，PCS、BMS、 消防、热管理等部件只做浅层次的集成，很少考虑精细化管理。针对储能系统日趋严苛的运营要求，设计一款多功能储能本地控制器，实现对储能系统内各个部件联合控制，实现最优的效率和最佳的性能。

2 硬件配置

储能本地控制器硬件采用IMX6UL 800MHz处理器，配置512MB DDR3内存和4GB eMMC闪存，预装嵌入式Linux操作系统，确保系统运行速率和数据存储需求。

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硬件接口配置：

1)TF卡槽：1路，支持32G SD卡拓展

2)输入DI信号：8路，干接点4路，湿接点4路

3)输出DO信号：8路，4路带载能力4A/25VDC；4路带载能力0.25A/24VDC

4)以太网接口：2路，自适应 10/100 Mbps 端口（RJ45 接头）

5)CAN接口：3路，带隔离

6)RS485接口：4路，带隔离

7)MiniPCIe接口: 1路，支持4G、WIFI、BT模块

8)ADC采样接口: 4路，0~20mA、0~10V，精度±1%

9)超级电容: 掉电续航5s

3 软件架构

储能本地控制器软件架构分为硬件层、服务层、应用层。其中硬件层主要包括各类硬件接口的驱动程序，服务层主要包括日志、配置、存储、规约等基础服务，应用层则包括本地诊断、通讯规约转换、BMS上位机、本地控制、本地EMS等应用。

软件架构图

4软件功能模块

多功能储能本地控制器基于日志服务、数据存储、策略配置、控制联动、定时服务、加密等本地服务功能，实现了多个高级应用。

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4.1BMS上位机

储能本地控制器实现了BMS上位机功能，具体包括阈值设置、数据监控、数据存储、故障报警、保护动作等。

（1）阈值设置：设置电池保护阈值，包括单体过压值、单体欠压值、单体过温值、单体欠温值、充电过流值、放电过流值、充电过压值、放电过压值、簇温差值、簇压差等值。

（2）数据监控：实时检测电池充放电状态，监控电池堆级、簇级、电芯级数据，包括充放电电压、电流、SOC、SOH、充放电量、充放电功率极值、充放电电流最大值等。

（3）数据存储：支持电芯级数据存储，能够保留1年的电芯数据，采集数据包括电芯电压、NTC温度、SOC、充放电电压电流等。

（4）故障报警：实时检测BMS系统上报的故障和告警信息，包括单体过压、单体欠压、单体过温、单体欠温、充放电过流、充放电过压、簇间压差过大、簇间温差过大等故障。

（5）保护动作：当检测到严重故障时，能够控制PCS紧急停机，避免引起更大事故；当检测到一般告警时，控制告警黄灯亮起，同时上报告警给EMS系统。

4.2本地控制

储能控制器能够实现储能系统的本地控制，协调储能系统各个部件高效工作，其主要工作状态包括上电自检、停机、启动、运行、待机、故障停机。

（1）自检： 储能本地控制器协同内部各主要设备完成系统上电自检。

（2）停机：储能本地控制器等待外部启动指令，并实时检测电网电压、内部环境及各设备工作状况，此时PCS交流侧接触器断开。

（3）启动：储能本地控制器收到启动命令，依次完成电池电压输出、PCS运行模式设置、PCS启动运行、上报运行状态与信息等。

（4）运行：储能本地控制器实现指令下发、运行环境和状态检测、数据采集和记录、数据上传等功能。储能本地控制器实时依据电池状态、环境温度，及时干预PCS功率。

（5）待机：储能系统暂时不需要传输功率，但又要具备较快的响应速度时，切换到该状态。PCS交流侧接触器闭合，可以更快响应EMS的调度要求。

（6）故障停机：当系统发生电池三级故障、PCS硬件故障、火灾事故时，断开PCS交流侧接触器，同时断开BMS的直流高压接触器，使电池堆与PCS直流侧断开。

4.3本地诊断服务

本地诊断服务主要包括：温场图分析、电池簇诊断、频次统计、温控分析、绝缘检测预警等功能，通过这些高级诊断技术，可以及时预警出电池舱潜在问题，降低故障发生的风险。

（1）温场图分析

采集电芯温度数据，以温场图的形式展现整舱和Rack级温度监测数据。默认展示全舱的温度监测情况，亦可单独查看单簇的温度数据。对比电池舱中，不同簇间的温度差异；同一个簇内，不同位置电芯的温度差异，辅助预警、定位问题电芯，分析温差过大的原因。

（2）电池簇诊断

采集簇级最高电压、最低电压、压差、SOC曲线，基于电压阈值标注异常电压时刻，支持查看某时刻的电压散点图，辅助分析问题电芯及可能存在的问题原因。通过曲线是否超过阈值或散点图的离散程度，辅助分析簇内异常，或通过数据发现可指导设计改善的点。

（3）频次统计

以天为单位，统计一天内每次循环最先达到充电末端或放电末端的电芯，统计电芯出现的频次，通过频次高低，辅助判断电芯是否存在异常。

（4）温控分析

采集电池舱内各簇的最高温度、最低温度、温差、舱最高温度、舱最低温度、舱温差、SOC、液冷机运行状态等信息，以组合曲线的方式分不同维度展示。

4.4通讯规约

    储能电站设计环节，会对通讯规约有要求，适配更多的规约能大幅提升储能系统的适配性。本地控制器主要融合三种主流的通讯规约：MODBUS TCP、IEC104 、IEC61850。

（1）MODBUS在工业领域广泛使用，其规定了ASCII、RTU、TCP三种类型的报文。MODBUS TCP通常采用网络介质传输，适用于数据量大、实时性高的场景。

（2）IEC104规约是一个广泛应用于电力、城市轨道交通等行业的国际标准。储能系统中，IEC104规约主要用于储能EMS采集电池舱、PCS、测控装置的数据，以及储能EMS与远程调度主站进行通讯。

（3）IEC61850标准是电力系统自动化领域的全球通用标准。IEC61850规定了三种通信服务：MMS、GOOSE、SMV，储能领域主要涉及MMS和GOOSE服务。

4.5 EMS功能

本地控制器还具备部分EMS控制功能，具体包括：功率控制、分时功率、区间运行、需量控制等功能，优化设备的运行效率，提高电芯的寿命。

（1）功率控制：控制储能单元按照云端下发或者EMS设置输出功率，包括有功功率目标值、无功功率目标值、功率因素目标值等。

（2）分时功率储能单元按照指定时间段和指定功率自动运行，相关要素包括：开始时间、结束时间、充放电功率（负值：表示充电状态  正值：表示放电状态）

（3）区间运行：对储能系统SOC设定一二级保护， 使储能系统在设定的SOC范围内运行；当电池长时间馈电时，触发自动补电功能；进而智能延长储能电池寿命。

（4）需量控制：设置允许的最大需量值， 通过采集并网点实时功率值， 控制并网点的实时功率不超过预设允许的最大需量值。