浅析基于双碳目标的光储充一体化电站状态评估技术
摘要：全国碳市场拉开了我国能源结构加速转型的大幕，催生了光伏、储能和新能源汽车等一批绿色产业的兴起，同时随着利好政策扶植和消费者的青睐，光伏、储能和新能源汽车市场均加快发展。但传统的充电桩和光伏电站都是分开建设，且大多未同步配备储能系统，用电高峰时充电桩对电网冲击大、充电费用高，严重影响了新能源车主的用车体验，降低了充电桩的运营收益。光储充一体化电站的大规模推广和建设是解决当前局面的突破口。但光储充一体化建设，系统复杂度高，运维保养要求高，传统的定期巡检模式，难以应对大规模爆发式建设的光储充一体化电站，而基于双碳目标的光储充一体化电站状态评估技术是解决光储充大规模建设运维难题的关键。
关键词：光储充一体化电站；状态评估；双碳目标
0引言
光储充一体化电站能够利用储能系统在夜间进行储能，充电高峰期间通过储能电站和电网一同为充电站供电，既实现了削峰填谷，又能节省配电增容费用，解决了在有限的土地资源上同时发电和充电的难题，同时能有效解决新能源发电间歇性和不稳定等问题。以“光储
充”一体化电站为代表的“绿电”被视为推动交通运输领域从“低碳”向“脱碳”发展的重要措施，也正在从地区性示范运营走向大规模商用落地。与此同时，大规模的光储充一体化电站运维则成为一大难题。
1光伏发电系统状态评估
我国光照资源丰富，2021年我国新增光伏发电并网装机容量约5300万kW，截至2021年底，我国光伏发电并网总装机容量达到3.06亿kW。西北地区是我国光照资源丰富的地区，然而这些区域也是典型的风沙大、扬尘多的缺水地带。长时间运行后灰尘覆盖在光伏电池板表面形成积灰，积灰给光伏电站的运行带来多重危害：同等气象条件下发电量减少，降低光伏板使用寿命，侵蚀钢化玻璃表面。所以光伏板积灰状态的实时监测具有显著的安全、经济效益。尽管清洗可以有效地去除积灰，但是光伏板积灰到何种程度开始清洗仍无法定量确定。目前主要研究结果在于说明光伏板积灰密度与发电效率损失的关联度，光伏板积灰程度暂无有效的评估方法。针对光伏板积灰影响的状态监测与清洗周期优化问题，本文提出了积灰工况下光伏板发电效率在线计算方法，构建积灰对电功率损失率影响的动态特性预测模型，以年累计电量损失费与清洗维护费之和小化来确定光伏板佳清洗周期，在佳清洗时间点采用光伏板清洁机器人清洗。同时，实时监测光伏板的健康状态，实现光储充一体化电站光伏发电系统全面的自动化运维。依据国标GB/T39857-2021算法，光伏组件转换效率为：
光伏板清洗周期优化需要考虑两个方面：①清洗周期过大，过多的灰尘沉积大幅度降低了光伏板的总辐照度，造成了严重的发电量损失；②连续清洗，清洗过程中的经济成本可能比维持电池板表面清洁状态所节约的经济损失还要大。这时便存在一个合理的清洗周期，使得灰尘沉积和清洗过程产生的经济损失之。
清洗周期包括清洗时间和清洗间隔，清洗间隔内灰尘沉积，因积灰增长造成的光伏电站发电量损失称为电量损失费；清洗时间内积灰被清洗，光伏板清洗过程产生的费用称为清洗维护费。基于构建的积灰对电功率损失率影响的动态特性预测模型，从积灰造成电量损失费和清洗维护费两个方面来建立积灰经济损失评估方法，以年累计电量损失费与清洗维护费之和来确定清洗周期。分析光伏电站装机容量、并网电价和单位面积清洗费对清洗周期的影响，可以为光储充一体化系统中实施光伏板积灰状态监测与清洗周期优化提供依据。
把光伏组件里的每个单体对应看作是二极管，当存在物体的遮蔽后，会导致被影响的电池片所生成的电流比电路电流小，故障的电池片带负电压，将其他电池片发出的能量转换成热量消耗，即出现热斑现象。常见的热斑故障类型如图1所示。
在采用光伏清洁机器人全自动清洁的同时，通过在该机器人上内置红外热成像模块，实时监测光伏板上的热斑故障，避免热斑的扩散和恶化，提高光伏板的使用寿命。
2储能系统状态评估
当前我国电力系统中形成规模化试点的储能方式主要有锂电池、铅酸电池、钒液流电池。光储充一体化充电站虽然占地面积不大，但有两个方面要求：①储能系统应具备良好的倍率充放电和比能量性能，②充电电池输出电压大、容量高、无毒或少毒、工作温度范围广。这两个要求和磷酸铁锂的技术特点很吻合，即充放电倍率高、安全可靠、不会爆炸，在100%DOD和室温条件下，循环寿命大于7500次。
现有的电池健康状态判定方法主要是基于长循环周期的容量测试，该方法试验周期长且只能在实验室环境下进行。而采用多正弦叠加电流信号作为激励源的手段，能够在光储充一体化电站中实时监测储能系统的健康状态，大幅度降低测量成本，提高储能系统的工作效率和安全性。其测试原理如图2所示。
由图2可知，采用温度试验及直流内阻特性试验方法，结合内特性参数，提炼表征电池健康状态的阻抗特征频率点，提出不连续阻抗频率点的阻抗谱反演算法，实现从不连续特征频率点到全频阻抗谱的准确反演，研究光储充一体化电站磷酸铁锂模块中单体电池直流内阻与温度、荷电状态和倍率的关系，评估单体电池SOH，并补偿温度、SOC、倍率对SOH估计的影响，从而快速、有效地评估储能电池的健康状态。
3电桩状态评估
充电桩在长期的使用过程中，因为电能质量、零配件质量和不合理使用难免出现故障。充电桩一旦出现严重的故障，不仅影响新能源车主的充电体验，更容易引发自燃和爆炸等危险，严重威胁新能源车主的人身安全。新能源汽车充电桩健康状态综合评估作为一个系统工程，其指标体系建立过程是一个运用系统思想分析问题的过程，在建立体系和指标选取的过程中，应遵循一般性综合评价指标体系构造的基本准则。本文从充电桩电气性能和安全性能两个角度出发，构建如图3所示的新能源汽车充电桩健康状态综合评估指标体系。
利用数据挖掘技术及特征分析等方法，对充电桩在充电过程中收集到的数据进行分析判断，评估此充电桩的充电状态，预测出有可能发生的故障，并以界面展示的方式向监控人员提出辅助决策建议，使其及时对充电桩进行终端维护。
4 Acrel-2000MG充电站微电网能量管理系统
4.1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。
4.2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。
4.3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：
图1典型微电网能量管理系统组网方式
5充电站微电网能量管理系统解决方案
5.1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。
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。
5.1.1光伏界面
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。
5.1.2储能界面
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
5.1.3风电界面
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。
5.1.4充电站界面
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。
5.1.5视频监控界面
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。
5.1.6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。
图15光伏预测界面
5.1.7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。
图16策略配置界面
5.1.8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。
图17运行报表
5.1.9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。
图18实时告警
5.1.10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。
图19历史事件查询
5.1.11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。
图20微电网系统电能质量界面
5.1.12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。
图21遥控功能
5.1.13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。
图22曲线查询
5.1.14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。
图23统计报表
5.1.15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。
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。
5.1.16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。
图25通信管理
5.1.17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。
图26用户权限
5.1.18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vwin 量、10个开关量波形。
图27故障录波
5.1.19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。
| 序号 | 设备 | 型号 | 图片 | 说明 |
| 1 | 能量管理系统 | Acrel-2000MG |
|
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 |
 |
系统软件显示载体 |
| 3 | UPS电源 | UPS2000-A-2-KTTS |
 |
为监控主机提供后备电源 |
| 4 | 打印机 | HP108AA4 |
 |
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 |
 |
播放报警事件信息 |
| 6 | 工业网络交换机 | D-LINKDES-1016A16 |
 |
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 |
 |
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 |
 |
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 |
 |
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 |
 |
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 |
 |
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 |
 |
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 |
 |
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 |
 |
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，及完全断电(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 |
 |
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 |
6结束语
随着双碳目标的推进、新能源汽车保有量的增加，规模化的光储充一体化电站也应运而生，而由于积灰严重影响光伏板发电效率，储能系统长时间使用过程中存在衰减及其它健康问题，电动汽车充电过程中安全事故频发，采用基于双碳目标的光储充一体化电站状态评估技术可以有效解决光伏板发电效率低、储能系统管理不到位和充电安全问题，提高整体收益率。
参考文献
【1】郑瑞春，王焕忠，李钦豪，等.计及储能寿命特性与健康状态的多站融合光伏储能优化配置[J].广东电力，2021，34（10）：50-57.
【2】贺贤达，江冰，孙晓晓.基于物联网的光储能源运行状态监测系统[J].信息技术，2018，42（10）：99-102，106.
【3】修晓青，唐巍，李建林，等.计及电池健康状态的源储荷协同配置方法[J].高电压技术，2017，43（9）：3118-3126.
【4】付誉旸.光储联合发电系统的容量配置及功率控制策略研究[D].武汉：华中科技大学，2020.
【5】安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版.
【6】翁利国，练德强，徐铌，沈阳，王佳斌.基于双碳目标的光储充一体化电站状态评估技术.
作者介绍：闻什益 手机:13564425781（微信同号）
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