基于RTDS的电池管理系统仿真测试平台搭建及应用

龚禹生，唐莎莎，李理，熊尚峰，吴晋波，李辉，唐倩韬

(1.国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南 长沙 410007；2.国网综合能源服务集团有限公司，北京 100052；3.湖南省湘电试验研究院有限公司，湖南长沙 410004)

0 引言

近年来电化学储能技术高速发展，在电源侧和电网侧用户均大规模配置储能系统，能够有效提升新能源消纳能力，提高系统调峰调频能力，支撑电网稳定运行。而电池管理系统 (Battery management system，BMS)的研究重点却暂时聚焦于电动汽车领域，对专门针对接入电网的大规模储能电站BMS研究较少[1-4]。随着“碳中和”概念的提出，储能电站建设脚步更加迅速，BMS检测技术也面临着新一轮的挑战[5-6]，虽然储能电站的BMS与电动汽车的BMS基本功能相似，均包含设备监控、电池保护、控制、SOC计算、电压均衡等功能，但储能电站的BMS所接电池容量远大于电动汽车容量，且还需要与储能变流器(power coversion system，PCS)、能量管理系统(energy management system，EMS)等多个系统连接，通信接口、线束连接等方式都不相同[7，15]。因此搭建具有开放性、灵活性、可扩展性的BMS硬件在环测试系统尤为重要[8]。采用真实电池测试时，使用、充放电过程会产生大量的热量，且真实电池不利于实时控制，难以对其进行故障模拟，如大电流过冲过放、高低温等，模拟仿真平台能够有效地解决以上问题。加拿大Manitoba直流研究中心开发的数字实时仿真系统 (real-time digital simulator，RTDS)能够实现电力系统仿真分析，其模型和仿真算法已经过多年验证[9-11]。本文以湖南地区某储能电站的BMS产品为例，介绍一种基于RTDS的储能电站电池管理系统测试方法，经过试验论证及分析，本文所提出的储能电站电池管理系统测试方法，能够完整验证BMS的性能指标，且测试平台具有可拓展性，便于后期开发使用。

1 储能站BMS架构

BMS的三级架构分为储能电站主控系统(BAMS)、电池组管理单元(BCU)和电池管理单元(BMU)[12-14]。BMU主要作用是实时监测单体电池的电压、温度，实时计算单体电池的SOC、SOH，且BMU具有主动、被动电压均衡功能，提高了电池组的一致性，有效延长了电池寿命。

BCU为电池组管理单元，采集电池的总电压、电流和温度，对电池组出现的异常进行报警和保护。BCU能根据安全处理规则的要求对电池组进行保护，确保电池系统的安全、稳定运行，当电池严重过压、欠压、过流等异常故障情况出现时，电池组控制管理单元能控制整组电池的开断，避免电池被过充、过放和过流[16]。

BAMS为储能电站主控系统，为储能BMS系统的三层构架中的最上层，主要负责对电池簇管理单元BCMU实时数据采集，实时计算、性能分析、报警处理、保护处理及记录存储，使得各组电池达到均等出力，确保系统达到最佳运行状态和最长运行时间。另外BAMS还负责与储能变流器(PCS)以及储能调度监控系统(EMS)进行通信，实现联动。电池组管理单元BCU提供准确有效的电池管理信息，是储能系统负荷控制策略的重要依据。BAMS通过电池均衡管理可极大地提高电池能量利用效率，优化负荷特性，同时，可最大程度地延长电池使用寿命，保障储能系统的稳定性、安全性及可靠性。

2 基于RTDS的仿真验证模型

电池管理系统测试平台闭环仿真结构如图1所示，RTDS的硬件主要为系统工作站、I/O板卡、RACK单元、处理器板卡(RPC、GPC)等，并提供了RSCAD的工作站软件，在其Draft模块中进行建模及编译，并在Runtime模块中仿真测试，控制I/O板卡输出相应控制变量，通过RTDS数模混合仿真模拟BMS运行的实际环境。

图1 电池管理系统测试平台闭环仿真结构

2.1 电压模拟

储能电站中锂电池单体的电压幅值为0～5 V，模拟电压可以通过RTDS的GTAO板卡上接口直接引出，电池组中单体电池都是采用串联的连接方式，因此通过连接线把RTDS中的GTAO板卡N-1号口的正极与N号口的接地点连接，形成等电位，用于模拟真实电池组的电压串联模式。

图2为RSCAD仿真系统中部分单体电池建模仿真，设定3.2 V的标准电压和单体电压调节幅值、总压调节幅值叠加后，在GTAO口输出相应单体电压目标值。

图2 RTDS电压部分仿真建模

2.2 电流模拟

储能电站中电流采集的方式分为分流器采集和霍尔传感器采集。本次使用的BMS设备为分流器采集，通过在回路中串联一个精确电阻，当大电流通过时，分流器的两端会产生一个毫伏级的直流电压量，然后通过Modbus/CAN等通信方式传入BCM中。本文采用模拟电压的方法，使用RTDS设定相应电压加到分流器中，模拟出相应电流。

2.3 温度模拟

BMU中温度测量均采用NTC热敏电阻，通过特定热敏电阻的热敏系数值，可以生成温度与电阻的表格，因此可以采用模拟电阻的方式来改变温度。热敏系数值计算公式为:

式中，T1为开尔文的第一个温度点；T2为开尔文的第二个温度点；R1为温度T1的热敏电阻，Ω；R2为温度T2的热敏电阻，Ω。

2.4 通信设置

BMS内部间信息交换采用CAN通信方式，而BMS与PCS、EMS告警信息交换方式为:利用上位机模拟PCS及EMS，通过通信方式与BMS进行信息交互，读取BMS上送至PCS的modbus报文、至EMS的IEC61850通信报文，检测上送信息的正确性。

1)CAN通信设置。CANalyst-II分析仪是带有USB2.0接口和2路CAN接口的CAN分析仪，具备CAN总线协议分析功能，利用相应的上位机软件，将CAN报文中收到的数据读取到PC上处理，以及发送命令或数据给CAN卡，从而间接实现上位机与BMS的CAN通信。CANalyst-II官方提供了开发用ControlCAN.dll，首先需要将库函数移植到系统工程中，将ControlCAN.dll拷贝到工程的lib文件夹下。在编程时，通过调用库函数来实现打开关闭设备、初始化、发送和接收等功能。

2)Modbus通信设置。在上位机上建立modbus通信点表，在上位机上启动client或者server服务，读取BMS上送的数据。

3)IEC61850通信设置。首先取得BMS的icd文件，在上位机上建立IEC61850的模拟器环境，启动上位机上的client服务，读取BMS上送的数据，对比BMS可视化界面显示数据与上位机上报文数据的一致性。

3 实验验证

3.1 电压采集功能验证

使用功率分析仪对各个单体电压两端进行测量，与上位机采集电压对比计算出误差值，其值见表1。

表1 电压精度测试结果

3.2 电压采集功能验证

连接高压箱中的分流器采样端口，通过设置RTDS的比值加入电流量，电流精度测试结果见表2。

表2 电流精度测试结果

3.3 SOC计算

荷电状态SOC(state of charge)在BMS中用于表示电池组剩余容量的参数，SOC的值用SOC表示:

式中，PL为剩余能量，kW·h；PN为额定能量，kW·h。

在BMS中设定参数，组端电压为51.2 V，额定电流为250 A，用RTDS加入模拟电压与电流，并通过RTDS中计时器与计算公式得出的结果进行对比，见表3。

表3 SOC测试结果

3.4 部分保护功能验证

通过RTDS模拟出温度、电压等不正常状态，并通过ICE61850通信至上位机，可以通过上位机查看到报警值和禁止冲、放电的信号。

4 结语

本文提出一种基于RTDS的储能电站电池管理系统测试方法，并基于RTDS搭建一套较为完善的仿真平台，有效解决了使用真实电池模组用于测试BMS所带来的安全性和效率性问题；经过试验可知，所提出的仿真平台能够模拟储能电站的电池的运行工况并验证BMS的性能，且平台易于扩展完善，接口丰富，能够实现多种型号BMS接入测试。