一种EMS-BMS分层解耦融合协同控制方法及系统与流程

本发明涉及储能能量管理领域，具体涉及一种ems-bms分层解耦融合协同控制方法及系统。

背景技术：

1、随着新能源大规模接入和电化学储能系统容量持续攀升，储能电站正朝大功率、多电堆及复杂辅助设备方向发展，ems（能量管理系统）与bms（电池管理系统）共同承担功率调度、状态监测及安全保护等控制功能。

2、现有主流储能系统多采用集中式或单层控制架构，ems统一完成功率计算与指令下发，bms仅执行基础保护逻辑，两者耦合度高、职责划分不清。

3、针对上述耦合问题，当前储能领域普遍采用ems统一管控、bms底层执行的控制模式，即由ems完成所有功率调度决策、状态判断及控制指令下发，bms仅承担过压、欠压、过流等基础保护功能。ems与bms之间采用通用通信协议进行数据交互，ems直接获取全部电池运行数据后统一进行优化计算，再将控制指令下发至bms执行。该方案架构简单、实现门槛低，在早期小规模储能系统中被广泛采用。

4、然而该方案在液流电池等复杂储能场景中存在缺陷，首先，系统包含多电堆模块、电解液循环泵及稳电压保护单元等多种设备，运行状态多变量耦合、控制频率高且安全约束多，通用ems平台统一控制导致通信负载剧增和处理延迟加大，难以满足毫秒级响应需求。其次，ems一旦发生通信异常或调度冲突，bms缺乏独立决策能力，易影响电堆安全保护功能，系统可靠性不足。此外，现有通用通信机制缺乏针对高频控制及安全隔离的专用设计，导致控制链路复杂、扩展困难且工程部署成本较高。

技术实现思路

1、针对现有ems-bms控制模式中 bms被动执行、ems调度指令缺少实时安全边界约束、通信异常时系统连续控制能力不足的问题，本发明提出一种ems-bms分层解耦融合协同控制方法及系统，通过bms主动计算当前安全调度功率并反馈功率约束区间，使ems在所述功率约束区间内生成约束后的功率指令；同时由bms 对ems下发的功率指令进行末端安全校核与限幅处理，并在通信异常时启动本地边缘调度子模块生成临时执行功率，从而形成安全能力反馈、约束调度、末端校核和异常自治相结合的闭环控制机制。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明提出一种ems-bms分层解耦融合协同控制方法，包括以下步骤：

4、s1、采集储能系统的运行状态数据；

5、s2、ems根据预设的经济运行目标和所述运行状态数据生成初始参考功率；

6、s3、bms根据所述运行状态数据，分别计算荷电状态约束、温度上限约束、电流约束和健康状态约束各自对应的功率值，取自对应的功率值中的最小值作为当前时刻储能系统允许的最大安全调度功率，并以最大安全调度功率构成的功率约束区间反馈至ems；

7、s4、所述ems以接收的功率约束区间作为硬约束，以所述初始参考功率为基准重新优化求解，得到约束后的功率指令并下发至bms；

8、s5、所述bms对约束后的功率指令进行安全校核与限幅处理，得到执行功率指令；

9、s6、利用心跳机制监测通信状态，当ems和bms通信正常时，储能系统按照所述执行功率指令执行；当ems和bms通信异常时，bms启动本地边缘调度子模块，所述本地边缘调度子模块用于生成临时执行功率，储能系统按照临时执行功率执行。

10、作为本发明进一步改进，所述s3中荷电状态约束对应的功率值为 ：

11、

12、所述温度上限约束对应的功率值为 ：

13、

14、所述电流约束对应的功率值为：

15、

16、所述健康状态约束对应的功率值为：

17、

18、式中：psoc为荷电状态约束对应的功率值；ptemp为温度上限约束对应的功率值；pcurrent为电流约束对应的功率值，psoh为健康状态约束对应的功率值；soc 为电池当前荷电状态，socmin为预设的最小荷电状态；ksoc和kt为预设的约束权重系数，取值范围为 0.1～1；tmax为储能系统允许的最高运行温度，t为当前检测温度；v为储能系统当前直流侧电压或电堆端电压，ilimit为最大允许充放电电流；soh为电池健康状态参数，prated为储能系统额定功率。

19、作为本发明进一步改进，所述s4中以所述初始参考功率为基准重新优化求解，得到约束后的功率指令，包括：

20、判断所述初始参考功率是否处于所述功率约束区间内；

21、若是，则将初始参考功率作为约束后的功率指令；

22、若否，则以所述初始参考功率与待输出功率指令之间的偏差最小为目标，并以所述功率约束区间作为硬约束进行限幅，得到约束后的功率指令；

23、将所述约束后的功率指令下发至bms。

24、作为本发明进一步改进，所述对约束后的功率指令进行安全校核与限幅处理，得到执行功率指令，包括：

25、bms 获取当前储能系统的本地运行状态数据，所述本地运行状态数据至少包括soc、温度、电压、电流、soh和故障状态中的一种或多种；

26、bms根据所述本地运行状态数据重新确定当前安全功率区间；

27、判断所述约束后的功率指令是否处于当前安全功率区间内；

28、若是，则将约束后的功率指令作为执行功率指令；

29、若否，则对所述约束后的功率指令进行限幅处理，使其落入当前安全功率区间，并将限幅后的功率作为执行功率指令；

30、当检测到储能系统存在过压、欠压、过流、过温或通信异常状态时，bms 对执行功率指令进行降额处理或切换至故障保护功率。

31、作为本发明进一步改进，所述s6中的心跳机制，包括：

32、所述ems与所述bms之间按照预设的心跳周期相互发送心跳报文；任一方在连续n个心跳周期内未接收到对方的心跳报文时，判定为通信异常；

33、所述心跳周期为50ms～100ms，n为预设的正整数；

34、所述通信异常至少包括通信延迟超过预设时延阈值、连续丢包数量超过预设丢包阈值、通信链路物理中断或ems失效中的至少一种。

35、作为本发明进一步改进，所述步骤s6中当所述ems和bms通信异常时，bms还执行故障保护：将所述临时执行功率钳制在预设的安全功率区间内，以维持储能系统输出功率始终处于安全范围。

36、作为本发明进一步改进，所述s6中本地边缘调度子模块用于生成临时执行功率，包括：

37、构建以本地输出功率决策变量为优化变量的目标函数，表达式如下：

38、

39、式中：为本地边缘调度子模块计算的本地输出功率；为本地目标跟踪功率；λ为爬坡率惩罚权重系数；为爬坡率；t为控制时间；

40、设定功率爬坡率约束条件，所述功率爬坡率约束条件为：

41、

42、式中：为最大允许功率爬坡率；

43、在所述约束条件下对所述目标函数进行优化求解，得到临时执行功率。

44、作为本发明进一步改进，当ems与bms之间的通信恢复为正常时，bms将所述临时执行功率与 ems最新下发的执行功率指令进行差值判断；

45、当所述差值小于预设切换阈值时，切换至ems控制；

46、当所述差值大于或等于预设切换阈值时，bms按照预设功率爬坡率逐步调整至ems最新下发的执行功率指令后，再切换至ems控制。

47、作为本发明进一步改进，所述本地边缘调度子模块的输入包括通信异常前ems下发的最近一次有效功率指令、储能系统当前输出功率、本地采集的 soc、温度、电压、电流、soh 以及故障状态中的一种或多种；

48、所述功率约束区间包括充电功率约束上限和放电功率约束上限。

49、本发明提出一种ems-bms分层解耦融合协同控制系统，应用于上述的方法，包括：

50、数据采集单元，用于采集储能系统的运行状态数据；

51、ems决策单元，用于根据预设的经济运行目标和所述运行状态数据生成初始参考功率；

52、bms评估单元，用于根据所述运行状态数据，分别计算荷电状态约束、温度上限约束、电流约束和健康状态约束各自对应的功率值，取自对应的功率值中的最小值作为当前时刻储能系统允许的最大安全调度功率，并以最大安全调度功率构成的功率约束区间反馈至所述ems决策单元；

53、所述ems决策单元，还用于接收的功率约束区间作为硬约束，以所述初始参考功率为基准重新优化求解，得到约束后的功率指令并下发至bms；

54、bms功率融合单元，用于对所述约束后的功率指令进行安全校核与限幅处理，得到执行功率指令；

55、心跳监测单元，用于监测ems与bms之间的通信状态；

56、边缘调度单元，用于当所述心跳监测单元判定通信异常时，生成临时执行功率；

57、切换执行单元，用于在通信正常时，控制储能系统按照所述执行功率指令执行；在通信异常时，切换至所述边缘调度单元，控制储能系统按照所述临时执行功率执行；

58、通信单元，所述通信单元包括主通信链路和备用通信链路；当所述心跳监测单元检测到主通信链路异常时，通信单元自动切换至备用通信链路，以维持 ems与bms之间的数据交互。

59、本发明相对于现有技术，取得了以下的技术效果：

60、本发明通过ems生成初始参考功率，由bms独立计算最大安全调度功率并反馈功率约束区间，实现了调度决策功能与安全评估功能在逻辑上的分离，使得bms具有独立评估并主动反馈约束的节点，进而从架构层面降低了功能耦合度；本发明形成了从能力评估、约束反馈、指令修正的闭环，ems的最终输出功率指令在生成过程中已被bms的安全边界所约束，从根本上杜绝了因调度指令超出设备耐受能力而触发的保护性跳闸或设备损伤，实现了调度目标与安全运行的协同统一。

61、本发明通过设置的心跳监测机制和本地边缘调度子模块，在通信正常时按照ems的优化指令执行，在通信异常时由bms自主生成临时执行功率接管控制，实现了双模式运行，保障了通信异常或上位机故障情况下储能系统仍能持续安全运行，避免了传统方案中因单一通信节点失效而导致的系统全停风险。

62、本发明通过bms主动计算最大安全调度功率并反馈功率约束区间，使ems的功率优化过程受到电池实时安全边界约束，减少因调度指令超出安全范围而导致的保护动作；通过bms对约束后的功率指令进行末端安全校核与限幅处理，避免因状态采样延迟或运行状态突变造成的过流、过温或过放风险；通过通信异常时启动本地边缘调度子模块，并结合最近一次有效功率指令、本地运行状态和功率爬坡率约束生成临时执行功率，使储能系统在通信中断或ems失效情况下仍能够保持连续、平滑且安全的功率输出。