基于調(diào)峰調(diào)頻的電池儲能云平臺應(yīng)用與研究

鄒倫森，彭鵬，劉邦金

（1. 廣州調(diào)峰調(diào)頻科技發(fā)展有限公司，廣東 廣州 510000 2. 南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司，廣東 廣州 510000）

1 概述

電池儲能聚合智能管理平臺，解決電池儲能、光儲充、充放電樁，光伏等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入、信息通信及協(xié)調(diào)控制等技術(shù)問題[1-9]。主要內(nèi)容包括研究海量數(shù)據(jù)分布式實時存儲計算技術(shù)，研究調(diào)峰調(diào)頻應(yīng)用場景下電池儲能的聚合管理和控制策略。隨著能源政策不斷完善、電改的逐步深入，儲能在推動能源變革和能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中的多元化作用將全面體現(xiàn)。尤其是在電力現(xiàn)貨市場逐步建立和完善的前提下，用戶側(cè)工/商/居民儲能、電動汽車移動儲能等用戶側(cè)分布式儲能資源的多重化價值將顯現(xiàn)，收益空間進一步擴大。以“互聯(lián)網(wǎng)+”為手段，以智能化為基礎(chǔ)，通過提升分布式儲能設(shè)施的信息化管控水平，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化運營管理，將促進分布式儲能資源開放共享和高效利用。

2 研究內(nèi)容及目標

研究的主要內(nèi)容是通過調(diào)峰的電池儲能智能管理平臺，實現(xiàn)充電運營管理子系統(tǒng)、儲能監(jiān)控管理子系統(tǒng)、電動汽車動力電池監(jiān)控子系統(tǒng)、智能調(diào)度子系統(tǒng)在平臺上的接入和使用[10-12]。

目標是實現(xiàn)一個基于調(diào)頻調(diào)峰的電池儲能智能管理平臺，接入管理分布式儲能電站、光儲充一體儲能系統(tǒng)和雙向 V2G 充電樁，能夠?qū)崿F(xiàn) V2G 雙向充放電，實現(xiàn)能量的分配和調(diào)度。通過在每個節(jié)點部署一個智能本地控制終端，實現(xiàn)信息流在節(jié)點和平臺間的雙向通信。智能本地控制終端除滿足安全的雙向通信外，還需具備 IEC 61850、AGC 等通訊控制能力，以及實現(xiàn)充電樁、儲能電站標準化接入流程，快速管理分布式系統(tǒng)，實現(xiàn)跨虛擬片區(qū)的能量調(diào)度。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

項目總體架構(gòu)以安全接入多種異構(gòu)系統(tǒng)、實現(xiàn)多系統(tǒng)聚合調(diào)度為目標，在滿足電力二次安全防護管理規(guī)定的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)布置分散的電池儲能、充電樁、光伏、光儲充等系統(tǒng)的接入與管控，具備調(diào)度 OCS 控制系統(tǒng)與云平臺進行交互的能力。

分布式站點數(shù)據(jù)主要來源于各站點生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，通過專網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至電池儲能聚合智能管理平臺。站點數(shù)據(jù)通過專網(wǎng)到達安全接入?yún)^(qū)后，再通過正、反向隔離裝置分別和控制一區(qū)服務(wù)器，管理三區(qū)服務(wù)器進行通信。管理三區(qū)通過內(nèi)外網(wǎng)交換平臺與阿里云服務(wù)器進行通信。

4 云平臺架構(gòu)介紹

基于云平臺構(gòu)建接入安全、響應(yīng)靈活的電池儲能智能管理通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)采集與處理、能量雙向流動的監(jiān)控，滿足布置分散的電池儲能系統(tǒng)、充電樁、光伏系統(tǒng)的接入與管控需求。因此，項目總體架構(gòu)按照系統(tǒng)分散布置、終端安全接入、云平臺處理的原則來設(shè)計，采用 CANBus/RS485 等方式把電池儲能系統(tǒng)、充電樁、光伏系統(tǒng)接入控制終端，再使控制終端通過專有網(wǎng)絡(luò)接入云平臺，而云平臺具備安全防護、數(shù)據(jù)處理中臺和多場景應(yīng)用管理的功能，從底層到頂層支撐分布式部署的電池儲能系統(tǒng)、充電樁、光伏系統(tǒng)的接入與管控（見圖 1）。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

電力監(jiān)控系統(tǒng)的安全直接影響電網(wǎng)的安全[13-15]，所以項目系統(tǒng)安全接入設(shè)計如下：研制具有可信芯片的控制終端，強化硬件接口防護，增加接口訪問身份認證機制；開發(fā)基于可信芯片的操作系統(tǒng)安全應(yīng)用，能夠驗證應(yīng)用的來源和完整性（包括加載固定地址、文件內(nèi)容校驗、升級失敗回滾等），避免運行惡意程序；對終端應(yīng)用和移動端應(yīng)用與后臺服務(wù)器通訊接口都采用基于證書的安全加密方法，確保數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中不會被劫持或監(jiān)聽，確保應(yīng)用安全；所有應(yīng)用代碼和可執(zhí)行程序都采用代碼混淆方式，避免逆向工程；增加數(shù)據(jù)采集、存儲、使用環(huán)節(jié)管控，確保數(shù)據(jù)安全；在終端和服務(wù)器間，應(yīng)采用證書秘鑰等機制加強升級認證。

5 云平臺技術(shù)實現(xiàn)

5.1 總體架構(gòu)

項目總體架構(gòu)以安全接入多種異構(gòu)系統(tǒng)，實現(xiàn)多系統(tǒng)聚合調(diào)度為目標，在滿足電力二次安全防護管理規(guī)定的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)布置分散的電池儲能、充電樁、光伏、光儲充等系統(tǒng)的接入與管控，具備調(diào)度 OCS 控制系統(tǒng)與云平臺進行交互的能力。分布式站點數(shù)據(jù)主要來源于各站點生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，由控制終端和安全加密裝置通過專網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至電池儲能聚合智能管理平臺。站點數(shù)據(jù)通過專網(wǎng)到達安全接入?yún)^(qū)后，再通過正、反向隔離裝置分別和控制I 區(qū)服務(wù)器、管理 Ⅲ 區(qū)服務(wù)器進行通信。管理 Ⅲ 區(qū)通過內(nèi)外網(wǎng)交換平臺與阿里云服務(wù)器進行通信。

5.2 安全防護方案設(shè)計

（1）應(yīng)對電池儲能聚合智能管理平臺上下游環(huán)境的安全風(fēng)險進行總體分析，而且主要從分布式站點接入和平臺綜合防護能力兩方面進行安全防護建設(shè)。

（2）分布式站點數(shù)據(jù)主要來源于各站點生產(chǎn)監(jiān)控網(wǎng)，通過專網(wǎng)傳輸至電池儲能聚合智能管理平臺。由各站點部署安全加密裝置實現(xiàn)對傳輸數(shù)據(jù)的加密。

（3）分布式站點數(shù)據(jù)通過專網(wǎng)到達安全接入?yún)^(qū)后，通過安全加密網(wǎng)關(guān)對加密數(shù)據(jù)進行解密。數(shù)據(jù)解密后由安全接入?yún)^(qū)服務(wù)器通過正反向隔離裝置分別和生產(chǎn)控制 I 區(qū)服務(wù)器、管理 Ⅲ 區(qū)服務(wù)器進行通信。

（4）生產(chǎn)控制區(qū)（I 區(qū)）邊界部署縱向加密裝置通過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)和各級調(diào)度 OCS 進行通信。

（5）管理區(qū)（ Ⅲ 區(qū)）邊界部署防火墻通過綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)和調(diào)度私有云平臺進行通信，實現(xiàn)訪問控制和邊界隔離。

（6）管理區(qū)（Ⅲ 區(qū)）通過內(nèi)外網(wǎng)交換平臺與雙調(diào)租賃阿里云服務(wù)器進行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全傳輸。

（7）重要的服務(wù)器和通信網(wǎng)關(guān)使用國家指定部門認證的安全加固操作系統(tǒng)，并采用加密、認證和訪問控制等安全防護措施。

5.3 硬件配置原則

（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置充分體現(xiàn)分層分布和開放性、可移植性和可擴充性。在滿足運行可靠和各功能的前提下，盡量優(yōu)化硬件配置，以實現(xiàn)簡單、可靠，便于維護。

（2）電池儲能聚合智能管理平臺作為本項目的控制核心，重點強化其配置和功能以及數(shù)據(jù)的處理、存儲能力、分析能力。

（3）電池儲能聚合智能管理平臺及其終端設(shè)備之間的通信采用數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化通信，并以專線網(wǎng)絡(luò)為主要的網(wǎng)絡(luò)形式，增加信息交換量，增強通信能力。

5.4 安全接入?yún)^(qū)

在安全接入?yún)^(qū)與生產(chǎn)控制大區(qū)的網(wǎng)絡(luò)邊界部署電力專用安全隔離裝置，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和物理隔離。在安全接入?yún)^(qū)與專用通信網(wǎng)絡(luò)的邊界采用加密認證措施，為運行維護單位安全接入?yún)^(qū)和業(yè)務(wù)終端的縱向數(shù)據(jù)通信提供認證與加密服務(wù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C密性、完整性和抗抵賴性保護。

5.5 儲能聚合平臺生產(chǎn)控制區(qū)（I 區(qū)）

搭建在南網(wǎng)雙調(diào)機房內(nèi)，按生產(chǎn)控制 I 區(qū)安全管理，主要實現(xiàn)對接入的儲能電站和充電樁進行實時監(jiān)測和聚合控制功能。要求數(shù)據(jù)實時性高，但是目前僅僅下發(fā)遠程控制指令。通過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)，接入總調(diào)/中調(diào)/低調(diào) OCS，接收調(diào)度指令，并且將聚合控制指令發(fā)送到安全接入?yún)^(qū)。由安全接入?yún)^(qū)服務(wù)器處理聚合控制指令，下發(fā)到儲能電站或充電樁。

5.6 儲能聚合平臺管理區(qū)（Ⅲ 區(qū)）

按生產(chǎn)控制 Ⅲ 區(qū)安全管理，主要實現(xiàn)將安全接入?yún)^(qū)接收到的數(shù)據(jù)，通過綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)，轉(zhuǎn)發(fā)到總調(diào)私有云平臺（總調(diào)云平臺 Ⅲ 區(qū)），并且在總調(diào)私有云平臺實現(xiàn)高級數(shù)據(jù)分析應(yīng)用。目前實現(xiàn)的另外一條數(shù)據(jù)通路為：管理區(qū)（Ⅲ 區(qū)）將安全接入?yún)^(qū)接收到的數(shù)據(jù)，通過內(nèi)外網(wǎng)交換平臺，轉(zhuǎn)發(fā)到DMZ 區(qū)。然后，DMZ 服務(wù)器將數(shù)據(jù)上傳到雙調(diào)租賃阿里云。

5.7 雙調(diào)阿里云平臺

雙調(diào)阿里云平臺對實時數(shù)據(jù)進行解析、存儲、計算和分析。聚合控制云、充放電運營管理云、儲能監(jiān)控管理云、電池監(jiān)測管理云、智能分析云、新能源監(jiān)測云都部署在該平臺。該平臺可以通過因特網(wǎng)接入第三方儲能系統(tǒng)數(shù)據(jù)，提供系統(tǒng)監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析和遠程控制等功能。后期，可通過內(nèi)外網(wǎng)交換平臺，儲能聚合平臺管理區(qū)（Ⅲ 區(qū)）將第三方儲能系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送到總調(diào)云平臺。

5.8 總調(diào)私有云平臺

總調(diào)私有云平臺對實時數(shù)據(jù)進行解析、存儲、計算和分析。聚合控制云、充放電運營管理云、儲能監(jiān)控管理云、電池監(jiān)測管理云、智能分析云、新能源監(jiān)測云都部署在該平臺。總調(diào)私有云平臺可以通過 DMZ 技術(shù)對互聯(lián)網(wǎng)開放 web 或 app 應(yīng)用，同時該平臺可以保證數(shù)據(jù)安全。

6 云平臺的實現(xiàn)

6.1 正反向隔離

安全接入?yún)^(qū)服務(wù)器向生產(chǎn)控制區(qū)（I 區(qū)）服務(wù)器和管理區(qū)（Ⅲ 區(qū)）服務(wù)器，通過反向隔離傳輸E 文件，主要用于傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)。生產(chǎn)控制區(qū)（I區(qū)）服務(wù)器和管理區(qū)（Ⅲ 區(qū)）服務(wù)器向安全接入?yún)^(qū)，通過正向隔離傳輸 E 文件，主要傳輸控制命令等數(shù)據(jù)。

6.2 DMZ 數(shù)據(jù)傳輸

內(nèi)外網(wǎng)交互平臺客戶端 IDC 服務(wù)部署在管理區(qū)（Ⅲ 區(qū)）服務(wù)器，內(nèi)外網(wǎng)交互平臺服務(wù)端 DMZ 服務(wù)部署在堡壘機位于 10.152.7.105 服務(wù)器。兩臺服務(wù)器均部署內(nèi)外網(wǎng)交互平臺的客戶端和服務(wù)端，能夠?qū)崿F(xiàn)反向通訊。管理區(qū)（Ⅲ 區(qū)）服務(wù)器通過 IDC客戶端將數(shù)據(jù)發(fā)往 DMZ 堡壘機。堡壘機接收到數(shù)據(jù)后與阿里云進行通訊。

6.3 生產(chǎn)控制區(qū)（I 區(qū)）服務(wù)部署

生產(chǎn)控制區(qū)（I 區(qū)）服務(wù)器 192.168.1.1 部署儲能系統(tǒng)數(shù)據(jù)解析程序。該程序掃描反向隔離指定的文件夾，將反向隔離傳輸?shù)臄?shù)據(jù)文件解析，訪問數(shù)據(jù)庫進行原始數(shù)據(jù)存儲。程序及運行指令如下：生產(chǎn)控制區(qū)（I 區(qū)）三臺服務(wù)器部署 CDH 集群，用于管理 spark，hbase 服務(wù)等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分布式存儲以及數(shù)據(jù)計算等功能。集群的運行情況可在可視化頁面進行監(jiān)控和運維。另外，安裝關(guān)系型數(shù)據(jù)和緩存數(shù)據(jù)庫，用于管理系統(tǒng)靜態(tài)數(shù)據(jù)和臨時訪問數(shù)據(jù)。

6.4 雙調(diào)阿里云服務(wù)部署

阿里云服務(wù)器部署 CDH 集群，用于管理 Spark，YARN，HDFS，Hbase 服務(wù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)接入、解析、存儲、計算、分析等功能。Spark 是專為大規(guī)模數(shù)據(jù)處理而設(shè)計的快速通用的計算引擎。Spark是一種通用并行框架，擁有 Hadoop MapReduce 所具有的優(yōu)點，但不同于 MapReduce 的是 Job 中間輸出結(jié)果可以保存在內(nèi)存中，從而不再需要讀寫HDFS，因此 Spark 能更好地適用于數(shù)據(jù)挖掘與機器學(xué)習(xí)等需要迭代的 MapReduce 算法。項目中使用 spark 程序解析原始數(shù)據(jù)，并對原始數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析，為數(shù)據(jù)的展示提供基礎(chǔ)服務(wù)。YARN （Yet Another Resource Negotiator，另一種資源協(xié)調(diào)者）是一種新的 Hadoop 資源管理器。它是一個通用資源管理系統(tǒng)，可為上層應(yīng)用提供統(tǒng)一的資源管理和調(diào)度，它的引入為集群在利用率、資源統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)共享等方面帶來了巨大好處。HDFS 是基于Hadoop 設(shè)計的分布式文件系統(tǒng)。它是一個高度容錯性的系統(tǒng)，能提供高吞吐量的數(shù)據(jù)訪問，適用于大規(guī)模數(shù)據(jù)集上的應(yīng)用。HBase 是一個分布式的、面向列的數(shù)據(jù)庫，適合于非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲的數(shù)據(jù)庫。項目中使用 Hbase 存儲各異構(gòu)項目的系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)，方便擴容，有利于大量系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲。除大數(shù)據(jù)群集框架外，阿里云部署 Mysql 和 Redis 數(shù)據(jù)庫。Mysql 數(shù)據(jù)庫用于存儲各站地系統(tǒng)的靜態(tài)信息、配置信息、數(shù)據(jù)計算結(jié)果以及云平臺用戶信息等數(shù)據(jù)。Redis 數(shù)據(jù)庫主要用于存取各站地系統(tǒng)的配置信息，更新系統(tǒng)數(shù)據(jù)等。阿里云提供 web 服務(wù)，用于展示接入云平臺的站地數(shù)據(jù)。實現(xiàn)聚合控制云、充放電運營管理云、儲能監(jiān)控管理云、電池監(jiān)測管理云、智能分析云、新能源監(jiān)測云的功能展示。

6.5 寶清調(diào)頻電站數(shù)據(jù)接入

寶清二期數(shù)據(jù)從控制終端發(fā)出，經(jīng)過安全加密裝置，由專有網(wǎng)絡(luò)傳輸，發(fā)往安全接入?yún)^(qū)。安全接入?yún)^(qū)數(shù)據(jù)通過正反向隔離設(shè)備發(fā)往生產(chǎn)控制區(qū)（I區(qū)）和管理區(qū)（Ⅲ 區(qū)）。生產(chǎn)控制區(qū)（I 區(qū)）可直接對數(shù)據(jù)進行處理、展示，并可以對寶清調(diào)頻電站下發(fā)控制。控制命令由 web 用戶觸發(fā)。web 服務(wù)端將命令下發(fā)到正向隔離指定位置，經(jīng)過正向隔離到達安全接入?yún)^(qū)服務(wù)器，再由安全接入?yún)^(qū)服務(wù)器將數(shù)據(jù)發(fā)送到終端。然后，終端對站地下發(fā)指令，以達到遠程控制的目的。管理區(qū)（Ⅲ 區(qū)）接收到數(shù)據(jù)后，通過內(nèi)外網(wǎng)交互平臺將數(shù)據(jù)發(fā)送到阿里云。在阿里云平臺實現(xiàn)對電站的實時監(jiān)控、告警等功能。

7 結(jié)束語

本項目旨在開發(fā)電池儲能聚合智能管理平臺，解決了電池儲能、光儲充、充放電樁，光伏等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入、信息通信及協(xié)調(diào)控制等核心技術(shù)問題[16-18]。主要內(nèi)容包括研究海量數(shù)據(jù)分布式實時存儲計算技術(shù)，研究調(diào)峰調(diào)頻應(yīng)用場景下電池儲能的聚合管理和控制策略，在以上成果的基礎(chǔ)上，開發(fā)電池儲能聚合智能管理云平臺。本項目的實現(xiàn)對儲能行業(yè)的規(guī)模化發(fā)展有很積極的意義。