趙 錦，郭寅遠，許夢陽，鄭 蓬，陳 卓，賀 春

（1.國網(wǎng)綜合能源服務集團有限公司，北京 100052；2.許昌開普檢測研究院股份有限公司，河南 許昌 461000）

隨著新能源風電、光伏發(fā)電等間歇性、波動性電源接入電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，以及分布式電源在配網(wǎng)應用規(guī)模的不斷擴大，電網(wǎng)系統(tǒng)的能量供需平衡及調節(jié)能力將面臨巨大挑戰(zhàn)。儲能技術具備功率精準控制能力及快速響應特性[1]，為電力系統(tǒng)提供一種高效解決功率不平衡的方法，可極大地增加電網(wǎng)運行控制的主動性。

儲能協(xié)調控制器是一種具備檢測并網(wǎng)點的電壓、頻率和功率，可接受調度和電化學儲能電站監(jiān)控系統(tǒng)的調控指令，控制多臺儲能變流器，實現(xiàn)整站一次調頻、動態(tài)無功調壓等控制功能的裝置[2]。

作為儲能系統(tǒng)的指揮中樞，協(xié)調控制器是儲能電站的核心設備，肩負著電站一、二設備功率協(xié)調控制和信息交互等作用。針對協(xié)調控制器試驗手段不充分的情況，為加快協(xié)調控制器的工程應用進程，有必要對一次調頻、無功調壓及主備切換等關鍵技術進行試驗研究。本文搭建了基于網(wǎng)絡構架的協(xié)調控制器試驗平臺，對協(xié)調控制器的關鍵技術進行了閉環(huán)測試，為儲能新設備在工程現(xiàn)場調試與應用提供技術手段。

1 平臺介紹

1.1 協(xié)調控制器網(wǎng)路構架

面向新型電力系統(tǒng)的儲能系統(tǒng)建設依據(jù)NB/T 42090—2016《電化學儲能電站監(jiān)控系統(tǒng)技術規(guī)范》[3]等相關技術要求，站內系統(tǒng)由站控層、間隔層2部分組成，并采用分層、分布和開放式網(wǎng)絡結構實現(xiàn)互聯(lián)。

系統(tǒng)平臺搭建EMS（能量管理系統(tǒng)）服務器采用主備冗余配置，用以接收ⅠEC104模擬主站下發(fā)的遙控及遙調指令。電池管理系統(tǒng)、功率變換系統(tǒng)單獨組網(wǎng)，并以儲能單元為單元接入站控層網(wǎng)絡；從接入能力和可靠性角度出發(fā)，協(xié)調控制器配置1主1備2從模式，通過ⅠEC61850-GOOSE、MMS（制造報文規(guī)范）分別接入PCS（儲能變流器）控制層和站控層網(wǎng)絡，協(xié)調控制器的主從配置及接入不僅解決了儲能系統(tǒng)內針對單臺PCS的控制策略存在的控制時間周期長、無法集中控制等問題[4]，而且也將站內核心控制功能的控制時間周期縮短至毫秒級，大大提高了統(tǒng)一協(xié)調控制效率，系統(tǒng)網(wǎng)絡結構如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡構架圖

1.2 試驗平臺硬件構架

針對儲能協(xié)調控制器一次調頻等關鍵技術搭建了測試平臺，測試平臺結構圖如圖2所示，平臺包括主機、交換機、協(xié)調控制器、繼保測試儀、網(wǎng)絡抓包與分析工具及時間同步系統(tǒng)測試儀等。其中，主機為平臺設備的遠程控制、仿真調度指令及模擬PCS接入等；網(wǎng)絡抓包與分析工具抓取網(wǎng)絡報文與錄波時標，測試出口控制動作時間；繼保測試儀輸出電壓、頻率及開出等信號，測試協(xié)調控制器的一次調頻等項目的測量精度和動作時間；時間同步系統(tǒng)測試儀用于給整個測試平臺提供時間同步源；交換機用于連接局域網(wǎng)多臺設備使其網(wǎng)絡互通；協(xié)調控制器為被測設備。

圖2 測試平臺結構圖

1.3 試驗平臺軟件支撐

PCS模擬器用于測試協(xié)調控制器PCS的接入能力。模擬量包括PCS工作狀態(tài)、有功功率、無功功率、額定輸出功率、最大充電功率、最大放電功率及電池系統(tǒng)SOC（電池剩余電量）等。

從協(xié)調控制器通過間隔層交換機接入多臺PCS快速功率仿真裝置，并通過系統(tǒng)集成工具把各ⅠED（智能電子設備）的ⅠCD（能力描述文件）文件集成并進行實例化，包括ⅠED名、信息點描述等形成SCD（變電站配置描述）模型文件供建立通信應用。模擬裝置所需的PCS工作狀態(tài)、有功功率、無功功率及電池系統(tǒng)SOC等模擬量的采集與上送采用61850 GOOSE服務實現(xiàn)。

采用GOOSE服務傳輸特點[5]如下。

（1）可靠性。GOOSE具有信號重發(fā)機制，能夠確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。GOOSE信號可在較短時間內對信號進行一定次數(shù)的重發(fā)并以一定時間間隔進行定時重發(fā)，當在GOOSE控制功能塊監(jiān)視下的數(shù)據(jù)集合發(fā)生數(shù)據(jù)變化時可以強制打斷上述2種階段的數(shù)據(jù)發(fā)送，隨后重新進入重發(fā)階段，既保證突發(fā)數(shù)據(jù)的優(yōu)先性，又獲得了數(shù)據(jù)的可靠性。

（2）實時性。GOOSE信號傳輸采用的是OSⅠ（開放式系統(tǒng)互聯(lián)）模型，但只用到OSⅠ網(wǎng)絡參考模型中的4層，即應用層、表示層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，是從應用層經過表示層ASN.1編碼后，直接映射到底層的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，而不經TCP/ⅠP協(xié)議，即不經網(wǎng)絡層和傳輸層。這種映射方式避免了通信堆棧造成的傳輸延時，從而保證了報文傳輸?shù)膶崟r性。傳輸過程如圖3所示。

圖3 GOOSE傳輸過程圖

EMS（能量管理系統(tǒng)）向主協(xié)調控制器下發(fā)的功率控制指令可通過GOOSE報文分配給PCS模擬裝置，同時PCS模擬裝置將提取到的各模擬量信息以GOOSE報文上送，其每幀傳輸?shù)牟蓸又禂?shù)量可根據(jù)具體的選型確定，保證信息傳送的快速性及可靠性。

2 協(xié)調控制器關鍵技術試驗

2.1 一次調頻動作時間試驗

協(xié)調控制器實時監(jiān)測并網(wǎng)點頻率，主動實施一次調頻功能，在儲能電站可調容量允許的范圍內實施調頻功率分配[6-7]。一次調頻試驗在滿足特性曲線的同時，要滿足動作時間不超過100 ms的要求。

儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)一次調頻特性曲線如圖4所示。動作時間測試環(huán)境如圖2所示，測試步驟如下。

圖4 一次調頻特性曲線

①測試平臺完成測試接線，測試平臺所有設備統(tǒng)一接入時間同步系統(tǒng)；②配置PCS模擬器發(fā)送128個PCS的GOOSE；③通過繼保測試儀輸出三相電壓輸出端口與被測裝置電壓采集端口連接，調整繼保測試儀電壓頻率值，電壓值固定為57.74 V，調整頻率值觸發(fā)一次調頻動作；④網(wǎng)絡抓包與分析工具監(jiān)聽被測裝置發(fā)出的報文，記錄系統(tǒng)頻率變化時間與變位報文時刻的時間差來測試一次調頻的動作時間。

為了測試的實時及準確性，繼保測試儀采用時間整分觸發(fā)的方式。

繼保測試儀狀態(tài)序列在20 s整秒頻率由50 Hz變化到50.2 Hz，GOOSE輸出時間如圖5所示，對應的一次調頻動作時間為17.379 ms，滿足裝置從測量的頻率變化進入動作區(qū)到裝置下行有功控制命令報文出口時間不大于100 ms的要求。

圖5 一次調頻GOOSE輸出時間截圖

同樣可測試頻率由50 Hz變化到49.8 Hz一次調頻動作時間為16.426 ms，滿足技術指標要求。

2.2 無功調壓動作時間試驗

協(xié)調控制器實時監(jiān)測并網(wǎng)點電壓，主動實施無功調壓功能，在儲能電站可調容量允許的范圍內實施調壓無功分配。無功調壓試驗在滿足特性曲線的同時，要滿足動作時間不超過100 ms的要求。

儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)無功調壓特性曲線如圖6所示。

圖6 無功調壓特性曲線

動作時間測試環(huán)境如圖2所示，測試步驟如下。

①通過繼保測試儀輸出三相電壓輸出端口與被測裝置電壓采集端口連接，調整繼保測試儀電壓頻率值，頻率固定為50 Hz，調整電壓值觸發(fā)無功調壓動作；②網(wǎng)絡抓包與分析工具監(jiān)聽被測裝置發(fā)出的報文，記錄系統(tǒng)頻率變化時間與變位報文時刻的時間差來測試無功調壓的動作時間。

在時間整分觸發(fā)的前提下，繼保測試儀狀態(tài)序列在20 s整秒電壓由57.74 V變化到63.51 V，GOOSE輸出時間如圖7所示，對應的無功調壓動作時間為8.384 ms，滿足裝置從測量的電壓變化進入動作區(qū)到裝置下行無功控制命令報文出口時間不大于100 ms的要求。

圖7 無功調壓GOOSE輸出時間截圖

同樣可測試電壓由57.74 V變化到51.96 V無功調壓動作時間為9.072 ms，滿足技術指標要求。

2.3 主備切換時間試驗

從儲能電站可靠性角度，協(xié)調控制器為主備雙套運行機制，為保證主備機可靠切換，協(xié)調控制器應具備運行、備用、檢修和失電故障4種工作狀態(tài)。只有主機和備機在運行狀態(tài)才能進行手動或自動主備切換，主機正常運行時備機運行狀態(tài)為GOOSE靜默，實時監(jiān)視主機的運行狀態(tài)，切換為主機后發(fā)送一致的GOOSE，同一時刻只有1臺為主機。

2.3.1 檢修-主備切換時間試驗

檢修狀態(tài)為裝置投入檢修壓板，備機切換為主機，切換過程中不出現(xiàn)雙主機，主備切換時間不大于100 ms。

測試環(huán)境如圖2所示，測試步驟如下：①將主協(xié)調控制器檢修壓板開入串聯(lián)接入繼保測試儀開出信號；②通過繼保測試儀輸出兩路并聯(lián)三相電壓輸出端口與被測裝置主機和備機的電壓采集端口連接，頻率穩(wěn)定在50 Hz，開出信號為分位；③15 s整秒時刻開出變?yōu)楹衔?，觸發(fā)裝置檢修；④網(wǎng)絡抓包與分析工具監(jiān)聽被測裝置發(fā)出的報文，記錄開出變位時刻與備機發(fā)出GOOSE報文時刻的時間差。

繼保測試儀狀態(tài)序列維持15 s開出信號變位，備機GOOSE輸出時間如圖8所示，因此檢修狀態(tài)對應的主備切換動作時間為15.404 ms，滿足主備切換時間不大于100 ms的要求。同時，主機停止發(fā)送GOOSE，滿足切換過程中不出現(xiàn)雙主機的要求。

圖8 備機GOOSE輸出時間截圖

2.3.2 失電故障-主備切換時間試驗

失電故障為關閉主機電源，備機切換為主機，切換過程中不出現(xiàn)雙主機，主備切換時間不大于100 ms。

測試環(huán)境如圖2所示，測試步驟如下：①將主協(xié)調控制器220 V DC電源串聯(lián)接入繼保測試儀開出信號；②通過繼保測試儀輸出兩路并聯(lián)三相電壓輸出端口與被測裝置主機和備機的電壓采集端口連接，頻率穩(wěn)定在50 Hz，開出信號為合位；③130 s整秒時刻開出信號為分位，觸發(fā)主機斷電；④網(wǎng)絡抓包與分析工具監(jiān)聽被測裝置發(fā)出的報文，記錄備機閉鎖開入信號由0到1的SOE變位時刻與備機發(fā)出GOOSE報文時刻的時間差。

繼保測試儀狀態(tài)序列維持130 s開出信號變位，對應SOE事件如圖9所示，GOOSE輸出時間如圖10所示，因此，失電狀態(tài)對應的主備切換動作時間為4.363ms，滿足主備切換時間不大于100 ms。同時，主機停止發(fā)送GOOSE，滿足切換過程中不出現(xiàn)雙主機的要求。

圖9 SOE事件信息截圖

圖10 備機GOOSE輸出時間截圖

3 結論

協(xié)調控制器作為儲能系統(tǒng)的中樞神經，承擔協(xié)調控制等諸多功能。為充分驗證其關鍵技術的性能，本文搭建了基于網(wǎng)絡構架的協(xié)調控制器閉環(huán)試驗平臺，詳盡描述平臺硬件及軟件關鍵元素，并對其功能特性進行分析。同時，對儲能協(xié)調控制器的一次調頻、無功調壓及主備切換等關鍵技術進行了試驗研究，試驗方法詳實、科學合理，試驗結果驗證了協(xié)調控制器的各項功能滿足相關標準的要求，為儲能電站的建設、設計及協(xié)調控制提供工程經驗。