基于Simulink和低代码控制器的储能控制实验教学方法

随着储能技术成本的降低和各地储能激励政策的出台，储能技术已从工程示范阶段转入商业应用阶段，储能专业人才的需求呈现爆发式增长

。2020 年初，教育部、国家发改委和国家能源局联合印发《储能技术专业学科发展行动计划(2020—2024年)》，要求培养储能专业人才，增强产业关键核心技术攻关和自主创新能力，以产教融合发展推动储能产业高质量发展

。

理由是这样的，选择零售模式作为一个通道，供应链是绝对的核心。民生商品毛利较低，SKU庞大，品类分散，需要对供应链有强大的控制力。与此同时，一个高效的线下实体的供应链模式也绝非一夕之功，这也是众多电商发展线下产品选择高端商品的重要因素。相比民生产品，高端品类产商品的采购、售卖价格弹性空间大，而品类也少，相对好管理。

作为一个面向实际工程应用的学科，实验课程在储能专业学科体系中占据重要的地位，各高校一般采用自行设计的教学实验平台进行实验教学。各大高校对实验平台的设计进行了诸多探索，从原来的实物实验平台、全数字仿真实验平台，逐渐过渡到硬件在环的混合仿真实验平台。对于实物仿真实验平台，潘春鹏等

介绍了一种以小型永磁同步发电系统为基础设计的风力发电教学实验平台，学生可以直观地了解风电发电具体过程，但是存在依赖于固定的拓扑结构，以演示实验为主，缺乏扩展性、创新性等不足。对于全数字仿真实验平台，江岳文等

在多机实验平台网架的基础上，设计了一个风光氢燃储混合多能源系统实验平台；Hao 等

基于LabVIEW 和Matlab 设计了风力发电虚拟教学实验平台，该种实验平台不受设备、场地等限制，内容丰富形式多样且成本较低，可以让学生验证所学习的控制策略，但是存在难以训练学生实践动手能力、对实际的控制器缺乏直观认识的不足。近年来硬件在环的混合仿真实验平台逐渐成为研究的热点，张强等

采用模块化硬件拓扑和开放式软件架构，设计了光伏发电与储能一体化实验设备；孟超等

设计了一种由储能电池、光伏板和RTDS 数字仿真系统等设备组成的实验平台，由DSP 板、控制板、采集板和驱动板构成控制电路实现系统控制；田春筝等

基于RT-LAB 的数模混合仿真应用储能和光伏等装置搭建一个新的实验平台进行实验，需要学生将滤波算法嵌入PLC，构建基于PLC的能量管理系统；吴肖龙等

设计了一种燃料电池发电系统动态模拟教学实验平台，通过将温度传感器与PLC 控制器相连接控制电池温度在合理范围；刘平等

搭建了飞轮阵列储能实验系统，通过PLC控制飞轮对拖充放电验证了系统的有效性。该种实验平台利用HIL仿真技术，将实际控制器作为仿真环节重要设备，使输出结果更接近实际情况，更具有说服力，且混合仿真实验软硬件结合，提高了学生实践动手能力。但是目前还存在底层代码较为复杂的问题，对于控制策略的实现需要学生有一定的编程基础，编程能力的欠缺限制了学生对控制策略深层次的理解，提高了学生进行仿真实验的难度；且大多采用专用硬件，功能单一价格昂贵。关于市场上主流控制器对比结果如表1所示。

在地形、地质条件不利于布置开敞式溢洪道的坝址条件下，选择采用洞式溢洪洞方案。坪寨（坝高H=162 m）、九甸峡（H=137 m）、洪家渡（H=179.5 m）等工程处高山峡谷地区，溢洪道开挖会造成不稳定高边坡及较大幅度增加开挖工程量，采用的开敞式进口后接隧洞（洞式溢洪道）的泄洪方式，具有明流隧洞超泄能力大、适应高陡地形条件的特点。

本文针对现有实验平台存在的问题，引入了HIL 仿真技术，HIL 是通过实物控制器来控制被控对象仿真模型的仿真技术

，本文涉及的实验平台采用Simulink对储能等被控对象的仿真模型进行搭建，采用基于AOE 网络和事件驱动的低代码控制器进行控制

。对学生，低代码控制器的使用让学生几乎不用进行代码编写，只需要进行相关EXCEL配置文件的编写，即可完成控制器的配置，设计降低了对编程能力的要求，使学生在实验课程中着重于理解控制策略本身，同时通过HIL技术软硬件结合可以获得接近物理实际的仿真结果和实践动手经历；并以简化实际工程案例为教学内容，培养学生工程意识和多学科的知识应用能力；同时采用通用硬件，成本较低。对教学者，采用HIL技术可以降低发生实验安全事故的概率，可以设计更为贴近工程实际的教学实验，推动高校“新工科”建设

。

本文首先介绍储能实验教学的教学目的以及设计思路，之后介绍低代码控制器的使用原理，最后结合储能功率分配优化控制案例，运用基于Simulink和低代码控制器的HIL仿真技术进行阐述。

1 储能控制教学实验设计

1.1 实验教学目的

式中，

表示电池

的实际容量；∆

表示某功率下的充电或放电时间。

1.2 实验教学流程

储能控制实验教学的流程如图1所示，教师在实验开始之前编制实验指导书，向学生布置了解实验背景任务。实验进行中按照控制策略设计、被控对象模型搭建、控制策lve 实现和运行结果分析四部分进行引导教学，实验结束后鼓励学生发散思维，为有完备创新方案的团队提供实验机会。

构什么？几何图形是由点与线构成，对于线基于尺规可以构造直线与弧线.因为两点确定一条直线，所以构直线其实就是构造两点；因为弧线取决于圆心与半径，圆心与弧上任一点确定，其弧线也就确定，所以构造弧线也是构造两点.总而言之，可以明确构什么？就是构造点.

1.2.1 控制策略设计

测点配置用于配置控制器输入和输出信号点的参数，所述测点配置文件的编写是将描述一个测点所需要的属性列举出来，包括所有测点的序号、点号、名称、别名、是否离散、是否计算点、默认值和备注等。

企业购入专门用于赠送的商品，在购入时点已确认其用途用于非正常经营，应在购入时将发生的成本应直接计入相关“销售费用”账户，因此不需要在存货核算系统核算采购成本。但由于系统操作的限制，根据采购专用发票生成的会计凭证的借方科目“应交税费——应交增值税（进项税额）”不能做修改，需要在商品发出时做进项税额转出处理。

基于控制相关理论，将储能控制实验被控模型抽象化，根据控制目标设计控制策略，将控制流程分解为多个事件和动作按照一定的逻辑关系组合而成的事件驱动架构，之后将控制流程以流程图的形式表示，再转换为AOE 网络结构。AOE 网络是由节点和边组成的有向无环图，其中每个节点表示一个事件，每条边表示一个动作，边的方向表示节点所表示的事件之间的递进和迁移关系，这种关系由该条边所表示的动作决定

。AOE网络与流程图的对应关系如图2所示。将储能的控制策略以AOE网络的形式进行表达，可将晦涩难懂的控制策略转化为流程图的形式，使控制策略更加简练清晰、易于理解，有助于学生检查自己的设计是否有错误，同时也有助于启发学生对控制策略加以完善改进。

1.2.2 控制策略实现

本文引入低代码控制器对被控对象的Simulink仿真模型进行控制，在完成AOE网络的设计之后，编写控制器配置文件，对实现控制策略所需的变量、事件和动作进行定义，将配置文件上传至控制器完成控制器配置，进而完成HIL仿真实验。在配置文件编写过程中，可以让学生自主独立完成所有配置文件的编写，也可以选择老师编写一个作为范例，留下剩余文件供学生自主填写，使实验流程更加灵活多变。

采用Modbus 通信协议

，建立Simulink 仿真模型与低代码控制器的通信，其基本架构如图3所示。

通过Modbus 通信协议实现Simulink 仿真模型与低代码控制器通信的具体方法为：①搭建储能实验被控对象时控制部分采用S-function(System function，系统函数)模块替代；②在Matlab界面中输入“edit sfuntmpl.m”命令打开S-function的模板源文件，修改函数名为自定义(例如modbusCom)，依据储能实验情况修改模板代码中的输入输出变量数，添加Modbus函数调用、允许被控对象状态写入控制器、从控制器中读出控制信号等相关指令；③切换到Simulink 模型界面，双击S-function 模块打开参数编辑对话框，将其名称修改为前面自定义的函数名并点击编辑以连接此函数文件。

2 储能控制实验设备

2.1 实验设备介绍

3.1.1 储能功率分配模型建立

2.2 低代码控制器的使用

低代码控制器通过与被控对象进行通信，得到被控对象的测点信息，以此作为输入，执行控制策略并输出控制信息至被控对象，从而完成控制过程。在整个过程中采集点的信息和相关的控制策略均通过填写标准EXCEL配置文件的方式进行配置。配置文件分为三个部分：测点配置、AOE 配置和通信通道配置，下面对上述三个配置文件进行简要介绍。

2.2.1 测点配置文件

在五原盐碱地治理的过程中，各企业、院校、科研机构以土地流转的形式参与到盐碱地治理中，其中以硅谷肥业尤为突出，共计流转3000多亩土地，其中包括800多亩轻度盐碱土地、1000多亩中度盐碱土地、1200亩核心重度盐碱土地。硅谷公司采取多种肥料结合，多种施肥方案，多种作物种植等方式，针对流转区域进行改良，并取得显著成效。同时，硅谷肥业还在五原的丰裕办事处、新公中镇、复兴镇等实施惠农措施，并开展了多个盐碱治理示范园区。硅谷有机硅功能肥在五原县盐碱地改良治理的成功获得了农业农村部耕保中心和多个省、市、地区的农业技术及相关部门、科研机构的关注。

这类存在句的特点在于不存在任何存在动词；如例（7）中的左边几上/文王鼎匙著香盒，右边几上/汝窑美人觚，以及例（8）中的椅之两边/一对高几，几上/茗碗瓶花。这类句子在语法上仍然是合理的，因为其句子仅旨在描述客观现象的存在，而其存在方式并非重点（要么难以描述，要么约定习俗）。

2.2.2 AOE配置文件

AOE 配置是建立AOE 网络来实现所需的控制逻辑和功能，利用AOE 网络配置文件定义AOE 网络的基本信息、变量、事件和动作，从而描述构建的AOE 网络和设计的控制策略。AOE 配置可以分为AOE 网络定义、AOE 变量定义、AOE 事件定义、AOE 动作定义四个部分。各配置文件组成如表2所示。

2.2.3 通信配置文件

通信配置文件用于描述控制器与被控对象的通信方式，并依据测点配置文件中的测点属性，给出保存测点值的寄存器信息和地址。通信配置文件包括通信方式配置和测点寄存器配置两部分，支持Modbus、IEC104、MQTT、串口作为通信方式。通信方式配置包括端口号、波特率、校验位、数据位、停止位；测点寄存器配置用于给出存储测点数据的地址信息，包括序号、寄存器类型、起始地址、数据类型、新请求标志、轮询周期、点号。

3 教学案例实现

3.1 整体认知

在教学实验设计和实验设备介绍的基础上，以实际工程项目为基础，将该控制方法应用到实际教学当中，本文以储能功率分配优化控制为教学案例进行详细阐述，目前许多地区主要以火电机组进行调频，而储能电池的AGC 调频效果远好于火电机组，引入相对少量的储能系统，将有效地解决调频资源不足的问题。本案例中低代码控制器接收主控系统下发的遥调指令，根据8 个储能电池的SOC、充放电总里程等条件，通过优化求解下发出力指令，控制八个储能的出力，从而达到储能辅助调频的目的。此案例大致流程为：首先列写考虑储能SOC 均衡度

和储能功率跳变惩罚指标的目标函数；其次结合储能容量约束、SOC 约束、指令精确跟随约束建立优化模型；然后将优化模型线性化，将其转化为混合整数线性规划问题；最后以事件驱动逻辑建立AOE 网络，按照控制策略计算功率，并下发到对应测点，从而让学生对该案例有一个整体认知。

作者研制了一种低代码控制器设备，如图4所示，它采用事件驱动方式，通过将控制策略表达为AOE 网络式结构，基于此填写标准配置文件并导入控制器，从而实现无需编写代码的硬件在环仿真对象控制。该低代码控制器具备逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等现有可编程控制器功能，同时还支持方程组求解和优化模型求解功能，通过多个低代码控制器协同，基于边缘计算技术，可实现大规模分布式系统实时调控。

模型原理：以SOC 均衡度和功率变动惩罚最小为目标建立目标函数，考虑到方差优化的复杂性，尽量避免将二次式作为优化目标，以SOC 相对平均值的总偏差的绝对值和功率相对平均值的偏差绝对值作为目标函数。

储能控制教学实验设计面向国家“新工科”六问

，面向工程实际，为让同学们更深入了解储能学科的特点，引入自主设计制作的低代码控制器，以储能功率分配、削峰填谷、调频、备用电源等实际储能工程项目为基础，开展实验教学、逐步将相关实际工程成果融入到HIL仿真实验教学当中，理论联系实际，从实际实验深化知识理解。引入的主要用意在于：整体认知、重点强化、难点分析和深度启发

。

设

P

=

u

-

v

，其中

u

表示放电功率，

v

表示充电功率，在式(1)所述的含绝对值的混合整数规划问题可以通过线性化的方式转变为不含绝对值的混合整数线性规划问题，具体方法是将绝对值部分设为新的变量

α

和

β

，并加入约束：

表示电池满充电量，

表示调度总时间点数。目标函数转化为：

市委管文教的林副市长，他老婆下午去世。我和他哥们。这人，还瞒着。我去陪陪他，对了，今晚可能回不来了。他急匆匆地出门了。

3.1.2 控制策略AOE拓扑

1．1 主要试剂 长双歧杆菌：上海信谊药业有限公司惠赠，含活菌5×109 CFU／g。大肠杆菌精制内毒素（LPS Escherichia coli O55∶B5）购于Sigma公司。大鼠肿瘤坏死因子（TNF－α）、白介素10（IL－10）ELISA试剂盒，均购自上海沪峰化工有限公司。

储能电池采用PQ 控制策略逆变并网，其电路结构如图5所示。主电路主要由三相全桥电路和滤波器部分组成，控制部分主要由功率计算模块、PQ 控制模块和调制模块组成。功率计算模块通过采样逆变器侧三相电压和电流计算逆变器输出的有功功率和无功功率；锁相环通过获得网侧电压的相位，实现逆变器侧输出电流和网侧电压的同步；PQ 控制模块发出调制信号给调制模块，产生三相全桥逆变电路的驱动信号。在控制部分中，功率计算模块得到功率

、

，并与给定的参考功率

、

进行比较，经过PI调节器和PARK变换得到电流控制器参考值

i

、

i

，再与实际电流值

i

、

i

进行比较做差后，经PI控制器调节，发出调制信号给调制模块。

根据储能电池采用PQ 控制策略逆变并网的电路结构，可搭建单个储能仿真模型如图6所示。

这里的储能按照式(2)模型，在图6所示仿真模型中采用积分器模拟储能长时间运行对SOC 的影响，储能容量设置为1000 kWh，功率进行积分计算后与初始SOC 相减进行储能在运行过程中的仿真。这里的仿真仅涉及调度控制，故均采用数值模拟的方式进行。

完成储能电池模型搭建后，对其进行封装，并建立S-函数，储能模块的测量输出传入S-函数模块，S-模块的输出与储能模块的功率指令相连，在S-函数中的初始化部分建立与控制器的通信连接，并作为全局变量保存下来，实现与低代码控制器通信功能，S-函数中的输出部分通过连接获取控制器内的测点数值，接收主控系统下发的调遥，完成储能功率分配并下发，如图7所示。

《奋进中国梦·崛起新海丝》这幅作品采用装饰性绘画语言表现广西北部湾港欣欣向荣、热火朝天进行港口作业的场面。通过巨型集装箱起重机、大型货轮等组成雄伟的设计构成，以密集的线条和大块面的色彩形成强有力的对比，加入港口工作人员作为亮点，体现基层劳动者的辛勤劳动，创造了这个辉煌时代。作品赞美了广西为实现中国梦、建设21世纪海上丝绸之路而奋进崛起。

其次，英语教师教学方法不科学。许多初中英语教师机械地采用背诵英语单词，朗读英语文章的方式来进行阅读教学，过于关注英语阅读的语言，阅读教学过程带有一定的盲目性。同时，所采用的教学方法不够合理，很多学生对英语词汇的使用，并不能良好地进行把握。另外，学生的学习能力存在着差异性，每一名学生对文章的理解以及阅读的速度方面都不相同，一些英语教师会采用全新的词汇来进行孤立教学，很多初中生就不能够理解阅读内容，会对英语阅读失去信心。

根据建立的模型，设计基于AOE 网络和事件驱动的储能功率分配控制策略如图8所示。

将该策略内容利用AOE拓扑进行表示，如图9所示。包含4 个动作，动作1 是计算中间量，在Simulink通信事件节点触发后被执行，计算电池的健康度(state of health，SOH)，进而推算出电池当前实际容量；动作2为混合整数线性规划问题的优化求解，在节点2触发后被执行，通过低代码方式优化问题模型；动作3是下发优化策略，动作类型为设点；动作4 是下发默认策略，动作类型为设点。

3.2 重点强化

学生在教师完成模型建立与控制策略AOE 拓扑讲解之后，对测点配置、AOE 配置和通道配置三个重点内容进行强化训练，有助于学生了解该储能功率分配控制方法的原理，并进一步了解低代码控制器的使用方法。

植物中类胡萝卜素的代谢途径已经比较清晰，许多关键酶基因的功能也逐渐得到验证。近年来，对茶类胡萝卜素代谢途径以及相关基因的克隆及功能验证的研究已取得了一定进展。参考已知高等植物类胡萝卜素的生物合成途径，从已经确定的茶类胡萝卜素的组分构成，再结合目前从茶中分离到的类胡萝卜素代谢相关的基因片段，特提出茶类胡萝卜素的生物合成途径[19-22](图1)。主要的步骤均与植物质体中类胡萝卜素的合成途径相同，主要分为前体物质合成、类胡萝卜素合成途径和类胡萝卜素降解途径3大过程。

3.2.1 测点配置

本案例共有82个测点。其中测点1表示主控系统下发的遥控即EMS 模式；测点2 表示主控系统下发的遥调即系统有功指令；测点3-10 表示下发给PMS 的遥控；测点11～18 表示充放电总里程；测点19～26 表示SOC；测点27～34 表示功率；测点35～42表示工作状态；测点43～50表示下发给BAMS 的遥调即工作状态；测点51～58 表示额定里程；测点59～66表示容量；测点67～74表示最大充电功率；测点75～82表示最大放电功率。

3.2.2 AOE配置

AOE 配置是建立AOE 网络来实现所需的控制逻辑和功能，利用AOE 网络配置文件定义AOE 网络的基本信息、变量、事件和动作，从而描述构建的AOE 网络及设计的控制策略。文件配置按照标准化格式，以表格信息录入的方式来完成，不需要编写代码。

第1个节点是Simulink通信事件节点，为事件触发类型，当储能工作在EMS 控制模式时，该节点被触发，控制器控制储能进入AGC 模式，运算流程启动。

第2个节点表示中间变量计算完成的事件，当考虑SOH 因总充放电里程变化而减小时，计算并更新当前各储能的SOH 以及储能运行寿命损耗导致的实际容量减少等，当计算动作完成后，节点2触发，开始进行优化计算。

约束条件为：

第3个节点表示优化计算完成的事件，该节点类型为Switch，根据标志变量的值判断优化求解是否成功，节点事件触发时表示超时时间内(未超时)找到问题的最优解，节点动作1被执行；否则发生超时之后，节点动作2被执行。

第4 个节点表示优化问题已得到最优解的事件，该事件发生说明最优解被找到并下发，AOE策略结束。

使用彩色多普勒超声心动图诊断仪（PHILIPS iu22 S5-1）实施二维超声心动图检查。嘱患者采取左侧卧位，按照常规标准切面面对心脏一一进行详细的扫查。获取二维图，M型超声用于测量肺动脉和主动脉内径，每个瓣膜活动、开放幅度和形态，左室后壁厚度和运动情况及空间隔，左室的射血分数等，采用彩色多普勒血流显像直接来观察各瓣膜反流束的方向和大小，并按照返流的大小程度进行不同分级。

第5个节点表示优化问题没有找到最优解，这种情况发生说明发生以下两种情况：1.EMS下发的AGC指令不合理；2.储能可调度容量太小。

3.2.3 通信通道配置

手术前，两组患者血清 CRP、IL-6、TNF-α 及IL-8水平比较，差异无统计学意义(P＞0.05);术后第3天，2组患者血清 CRP、IL-6、TNF-α及 IL-8水平显著高于手术前，开腹组显著高于联合组，差异有统计学意义(P＜0.05)。见表3。

本案例中，控制器作为从站，具体的通道配置和寄存器配置如表4 和表5 所示。本案例中总共用到两种数据类型，TwoByteIntUnsigned 对应开关量，占据1 位寄存器；EightByteFloat 对应连续或者离散的数据变量，占据4位寄存器。根据数据类型完成对起始地址的分配，即可完成通道文件的配置。

3.3 难点分析

本案例的难点在于如何实现模型与控制器的通信，本案例通过Modbus 通信方式建立Simulink 模型与低代码控制器通信，本实验中的输入有66个，包括八个储能的充放电总里程、SOC、输出功率、工作状态、额定里程、额定容量、最大充电功率、最大放电功率，以及系统收到的是否调频指令与调频功率指令。输出有16个，为8个储能的启停指令与输出功率指令。通过设置输入输出值和HIL仿真步长，建立与控制器的通信。

3.4 深度启发

先运行低代码控制器，再运行Simulink 模型，进行HIL 仿真。利用低代码控制器进行优化求解，得到的控制结果如图10～12所示。

由图10 可以看出，储能实际输出总功率跟随指令功率变动，两者之间的误差较小。图11 展示了各个储能的功率变化曲线，可见各储能之间功率分配合理，当SOC 达到基本均衡后储能之间的出力曲线基本相近。图12(a)表示储能SOC 变化曲线，可见在控制器的作用下，仿真经过约5小时后储能SOC 达成均衡，式(7)目标函数中后一项权重增大，控制算法更倾向于实现功率一致，这样能够避免为实现SOC完全一致而导致的功率频繁跳变。图12(b)展示了运行过程中储能SOC标准差变化曲线，可见运行前标准差为38.73，仿真5 小时左右时标准差下降为3.09，各储能功率和SOC 曲线变化情况符合预期效果，实现了储能功率分配的控制目标，控制效果较好。相较于传统控制器，低代码控制器可以实现混合整数线性规划问题的优化求解，从而能有效实现储能出力对下发指令的跟踪，具有强大的功能。且该实验无需复杂编程，适合无编程基础人员学习。教师可引导学生们以该案例为基础，启发学生们将其拓展延伸到储能其他控制策略中，进一步巩固理论知识。

4 结 论

本文针对储能学科实验教学困境，提出基于Simulink 和低代码控制器的HIL 教学实验方法，从实验贴近工程实际出发设计实验，并具体介绍低代码控制器的使用原理，最后结合储能功率分配优化案例从整体认知、重点强化、难点分析和深度启发四个方面具体展开，得到如下结论。

（1）低代码控制器的使用降低了对学生编程能力的要求，只需进行EXCEL 配置文件的编写，即可完成控制器的配置，经过调研相比原来代码编写方式将节约学生40%的课后练习时间。同时结合Simulink仿真环境和输出曲线，能更透彻地理解控制原理，启发学生们在课堂学习基础上有新的拓展延伸。

（2）本文所提的控制算法，从储能参与AGC辅助调频服务的角度出发，考虑通过运行过程中实现SOC 均衡来最大化储能可调度容量，提出了采用指数函数作为代价函数权重的方法，在储能SOC 差距较大时以缩小SOC 为目标进行功率分配，当SOC达到基本均衡后以保持SOC曲线均衡度作为目标，并控制SOC偏差在5%范围内，实现了SOC快速均衡，同时避免了SOC过度均衡而导致功率跳变的情况。

（3）本文提出的教学实验设计思路可广泛应用在储能实验教学中，对复杂工业对象进行仿真控制，可以提升实验教学质量，加深学生对储能学科相关理论的理解。

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