储能仿真系统-需求和设计

lufylegend_fans2026-05-09 20:31

储能仿真系统-需求和设计

    • 写在前面
    • [1. 需求来源：我们要解决什么问题](#1. 需求来源：我们要解决什么问题)
      • [1.1 仿真范围（端到端）](#1.1 仿真范围（端到端）)
      • [1.2 可扩展与可配置](#1.2 可扩展与可配置)
      • [1.3 联调友好](#1.3 联调友好)
    • [2. 总体架构：三层分工](#2. 总体架构：三层分工)
      • [2.1 模拟层（`EssDeviceSimModel/`）](#2.1 模拟层（EssDeviceSimModel/）)
      • [2.2 接口与数据服务层](#2.2 接口与数据服务层)
      • [2.3 展示与交互层（`Display/`）](#2.3 展示与交互层（Display/）)
      • [2.4 基础设施](#2.4 基础设施)
    • [3. 数据流与线程模型（设计要点）](#3. 数据流与线程模型（设计要点）)
      • [3.1 仿真主循环](#3.1 仿真主循环)
      • [3.2 Modbus 侧](#3.2 Modbus 侧)
      • [3.3 PCS 功率爬坡](#3.3 PCS 功率爬坡)
      • [3.4 并发安全](#3.4 并发安全)
    • [4. 配置与点表设计](#4. 配置与点表设计)
      • [4.1 `appsettings.json`](#4.1 appsettings.json)
      • [4.2 CSV 点表](#4.2 CSV 点表)
    • [5. 健壮性与错误处理（设计目标）](#5. 健壮性与错误处理（设计目标）)
    • [6. 结语](#6. 结语)
    • 写在结尾

写在前面

本文对应 EssSimulator 的方案层描述：项目要达成什么目标、模块如何划分、数据如何流动。

1. 需求来源：我们要解决什么问题

1.1 仿真范围（端到端）

在方案层面，本系统面向 储能站（ESS）端到端 的可运行替身，典型包括：

  • 多套电池堆（Rack）及 BMS 语义下的簇/包/单体状态演化；
  • 多台 PCS：有功/无功指令、爬坡、并网/离网、直流/交流侧关键量、故障与保护检验；
  • 主断路器、变压器（含主变与单元变）、计划负载；
  • 对外提供 Modbus TCP（以及方案中预留的 IEC61850 等）接口，便于上位机/EMS/网关联调。

1.2 可扩展与可配置

  • 拓扑与通道数 由配置（如 Simulator.Devices）驱动，而非写死在代码里；
  • 点位与内部变量通过 CSV 映射到对象路径，新增寄存器或调整地址时尽量不改核心模型代码；
  • 参数化 PCS 物理限值、变压器阻抗与损耗、负载计划、仿真步长与加速倍率 等，便于不同站型复用同一程序骨架。

1.3 联调友好

  • 可无可视化运行（NoGui），便于 CI 或服务器侧长期挂起；
  • 提供控制台 GUI、命令（如 dpc / esscmd）、自动化脚本入口，缩短「改配置---观察现象」的反馈回路。

2. 总体架构：三层分工

2.1 模拟层（EssDeviceSimModel/）

职责：物理与状态行为。

  • EnergyStorageSystem：作为托管后台服务，按固定步长推进仿真时钟，编排 PCS、电池、断路器、变压器、负载之间的能量与电气量耦合。
  • 设备子模型：电池堆、PCS、断路器、变压器、计划负载等，各自封装状态更新与保护逻辑。

2.2 接口与数据服务层

职责：把内部对象暴露成外部世界能消费的协议与数据形态。

  • Modbus：从站模拟、按点表读写、worker 与控制线程分工（详见方案文档中的线程模型描述）。
  • EssSimModelApi/：BMS、PCS/EMU、电表等数据服务与映射，将模型输出整理为对外通道所需结构。
  • IEC61850（方案/相关工程）：对象模型、报告与事件方向的能力预留，与对象路径体系对齐。

2.3 展示与交互层（Display/）

职责：人机可读的状态与调试入口。

  • 主接线、电池堆/簇/单体视图、连接信息、日志等页面；
  • 命令解析与联调辅助（含基于 JSON 的自动化步骤）。

2.4 基础设施

CSV 解析、TCP 通讯抽象、对象路径解析与聚合、日志（log4net）等，为上述三层提供共用能力。

3. 数据流与线程模型（设计要点）

3.1 仿真主循环

  • 以配置的 仿真步长（真实休眠间隔 × 加速倍率）为 tick；
  • 典型耦合关系包括：交流侧电流采样与负载叠加 → 断路器逻辑 → 变压器一次侧电压与 PCS 并网条件 → 直流侧与电池堆的电压/电流互换等（具体以 EnergyStorageSystem 实现为准）。

3.2 Modbus 侧

  • 按模型类型或通道划分 worker，结合优先级队列调度下一次刷新，减少无效写；
  • 使用影子缓存（shadow）避免重复写、并在控制通道上记录外部写入的变化；
  • 控制线程周期性读取 FC=6 等控制点，解析后写回模拟器内部变量。

3.3 PCS 功率爬坡

  • 有/无功可分别由后台线程按阶段目标推进；
  • 新设定到达时可打断重算，以贴近真实 PCS 的非阶跃响应；
  • 爬坡参数支持全局默认 + 单台 PCS 覆盖，便于 A/B 对比同一策略下的执行差异。

3.4 并发安全

共享状态在关键路径上使用锁保护；线程优先级与睡眠策略用于在「实时感」与 CPU 占用之间折中。

4. 配置与点表设计

4.1 appsettings.json

集中承载：运行期（步长、加速、无头）、协议端口规划、设备清单、PCS/变压器/负载物理与计划参数等。

复制代码 
{
  "Simulator": {
    "Runtime": {
      "SimStepMs": 200,
      "Speedup": 1.0,
      "NoGui": false
    },
    "Protocol": {
      "BaseBmsModbusPort": 1501,
      "BmsPortStep": 1,
      "BaseEmuModbusPort": 1601,
      "EmuPortStep": 1,
      "EmModbusPort": 1500
    },
    "Devices": [
      {
        "Name": "Unit-1",
        "Pcs": [
          { "Name": "PCS-1A", "PcsRamp": { "Slope": 0.5, "IntervalMs": 100, "DelayMs": 0 } },
          { "Name": "PCS-1B", "PcsRamp": { "Slope": 0.5, "IntervalMs": 100, "DelayMs": 0 } }
        ],
        "Bms": [
          {
            "Name": "BMS-1A",
            "ClusterCount": 12,
            "PackCount": 4,
            "CellSeriesCount": 104,
            "CellParallelCount": 1,
            "CellNominalVoltage": 3.2,
            "CellNominalCapacity": 314,
            "CellInitialSoc": 0.55,
            "CellInitialSocRandomRange": 0.03,
            "PackInternalResistance": 0.05,
            "ClusterInternalResistance": 0.1,
            "RackInternalResistance": 0.02
          },
          {
            "Name": "BMS-1B",
            "ClusterCount": 12,
            "PackCount": 4,
            "CellSeriesCount": 104,
            "CellParallelCount": 1,
            "CellNominalVoltage": 3.2,
            "CellNominalCapacity": 314,
            "CellInitialSoc": 0.50,
            "CellInitialSocRandomRange": 0.03,
            "PackInternalResistance": 0.05,
            "ClusterInternalResistance": 0.1,
            "RackInternalResistance": 0.02
          }
        ]
      },
      {
        "Name": "Unit-2",
        "Pcs": [
          { "Name": "PCS-2A", "PcsRamp": { "Slope": 0.5, "IntervalMs": 100, "DelayMs": 0 } },
          { "Name": "PCS-2B", "PcsRamp": { "Slope": 0.5, "IntervalMs": 100, "DelayMs": 0 } }
        ],
        "Bms": [
          {
            "Name": "BMS-2A",
            "ClusterCount": 12,
            "PackCount": 4,
            "CellSeriesCount": 104,
            "CellParallelCount": 1,
            "CellNominalVoltage": 3.2,
            "CellNominalCapacity": 314,
            "CellInitialSoc": 0.60,
            "CellInitialSocRandomRange": 0.02,
            "PackInternalResistance": 0.05,
            "ClusterInternalResistance": 0.1,
            "RackInternalResistance": 0.02
          },
          {
            "Name": "BMS-2B",
            "ClusterCount": 12,
            "PackCount": 4,
            "CellSeriesCount": 104,
            "CellParallelCount": 1,
            "CellNominalVoltage": 3.2,
            "CellNominalCapacity": 314,
            "CellInitialSoc": 0.45,
            "CellInitialSocRandomRange": 0.02,
            "PackInternalResistance": 0.05,
            "ClusterInternalResistance": 0.1,
            "RackInternalResistance": 0.02
          }
        ]
      },
      {
        "Name": "Unit-3",
        "Pcs": [
          { "Name": "PCS-3A", "PcsRamp": { "Slope": 0.5, "IntervalMs": 100, "DelayMs": 0 } },
          { "Name": "PCS-3B", "PcsRamp": { "Slope": 0.5, "IntervalMs": 100, "DelayMs": 0 } }
        ],
        "Bms": [
          {
            "Name": "BMS-3A",
            "ClusterCount": 12,
            "PackCount": 4,
            "CellSeriesCount": 104,
            "CellParallelCount": 1,
            "CellNominalVoltage": 3.2,
            "CellNominalCapacity": 314,
            "CellInitialSoc": 0.60,
            "CellInitialSocRandomRange": 0.02,
            "PackInternalResistance": 0.05,
            "ClusterInternalResistance": 0.1,
            "RackInternalResistance": 0.02
          },
          {
            "Name": "BMS-3B",
            "ClusterCount": 12,
            "PackCount": 4,
            "CellSeriesCount": 104,
            "CellParallelCount": 1,
            "CellNominalVoltage": 3.2,
            "CellNominalCapacity": 314,
            "CellInitialSoc": 0.45,
            "CellInitialSocRandomRange": 0.02,
            "PackInternalResistance": 0.05,
            "ClusterInternalResistance": 0.1,
            "RackInternalResistance": 0.02
          }
        ]
      },
      {
        "Name": "Unit-4",
        "Pcs": [
          { "Name": "PCS-4A", "PcsRamp": { "Slope": 0.5, "IntervalMs": 100, "DelayMs": 0 } },
          { "Name": "PCS-4B", "PcsRamp": { "Slope": 0.5, "IntervalMs": 100, "DelayMs": 0 } }
        ],
        "Bms": [
          {
            "Name": "BMS-4A",
            "ClusterCount": 12,
            "PackCount": 4,
            "CellSeriesCount": 104,
            "CellParallelCount": 1,
            "CellNominalVoltage": 3.2,
            "CellNominalCapacity": 314,
            "CellInitialSoc": 0.60,
            "CellInitialSocRandomRange": 0.02,
            "PackInternalResistance": 0.05,
            "ClusterInternalResistance": 0.1,
            "RackInternalResistance": 0.02
          },
          {
            "Name": "BMS-4B",
            "ClusterCount": 12,
            "PackCount": 4,
            "CellSeriesCount": 104,
            "CellParallelCount": 1,
            "CellNominalVoltage": 3.2,
            "CellNominalCapacity": 314,
            "CellInitialSoc": 0.45,
            "CellInitialSocRandomRange": 0.02,
            "PackInternalResistance": 0.05,
            "ClusterInternalResistance": 0.1,
            "RackInternalResistance": 0.02
          }
        ]
      },
      {
        "Name": "Unit-5",
        "Pcs": [
          { "Name": "PCS-5A", "PcsRamp": { "Slope": 0.5, "IntervalMs": 100, "DelayMs": 0 } },
          { "Name": "PCS-5B", "PcsRamp": { "Slope": 0.5, "IntervalMs": 100, "DelayMs": 0 } }
        ],
        "Bms": [
          {
            "Name": "BMS-5A",
            "ClusterCount": 12,
            "PackCount": 4,
            "CellSeriesCount": 104,
            "CellParallelCount": 1,
            "CellNominalVoltage": 3.2,
            "CellNominalCapacity": 314,
            "CellInitialSoc": 0.60,
            "CellInitialSocRandomRange": 0.02,
            "PackInternalResistance": 0.05,
            "ClusterInternalResistance": 0.1,
            "RackInternalResistance": 0.02
          },
          {
            "Name": "BMS-5B",
            "ClusterCount": 12,
            "PackCount": 4,
            "CellSeriesCount": 104,
            "CellParallelCount": 1,
            "CellNominalVoltage": 3.2,
            "CellNominalCapacity": 314,
            "CellInitialSoc": 0.45,
            "CellInitialSocRandomRange": 0.02,
            "PackInternalResistance": 0.05,
            "ClusterInternalResistance": 0.1,
            "RackInternalResistance": 0.02
          }
        ]
      }
    ]
  },
  "Pcs": {
    "RatedPower": 2508,
    "MaxPower": 2508,
    "Efficiency": 0.99,
    "DcVoltageRangeMin": 1000,
    "DcVoltageRangeMax": 1500,
    "AcVoltageNominal": 690,
    "FrequencyNominal": 50,
    "MaxCurrent": 2200,
    "GridLossCoefficient": 0.11
  },
  "Transformer": {
    "RatedPower": 2500,
    "PrimaryVoltage": 220000,
    "SecondaryVoltage": 35000,
    "NoLoadLoss": 50,
    "LoadLoss": 200,
    "ImpedancePercent": 4,
    "ReactiveVoltageInfluenceCoefficient": 1.0,
    "NoLoadCurrentPercent": 2
  },
  "UnitTransformer": {
    "RatedPower": 2500,
    "PrimaryVoltage": 35000,
    "SecondaryVoltage": 690,
    "NoLoadLoss": 50,
    "LoadLoss": 200,
    "ImpedancePercent": 4,
    "ReactiveVoltageInfluenceCoefficient": 1.0,
    "NoLoadCurrentPercent": 2
  },
  "Load": {
    "ActivePowerPlan": -500,
    "ReactivePowerPlan": 0
  }
}

4.2 CSV 点表

字段通常涵盖：地址、功能码、参数名、缩放、数据类型与宽度、ModelSim 到内部路径的映射等。电表的点位表（.csv）示例如下：

复制代码 
FunctionCode,Address,Type,Size,ParamName,Scale,Description,ModelSim
4,0,int32,32,yc0,1000,A相电压,model=4|arg1=em.PhaseAVoltage|arg2= |arg3= |arg4=100
4,2,int32,32,yc1,1000,B相电压,model=4|arg1=em.PhaseBVoltage|arg2= |arg3= |arg4=100
4,4,int32,32,yc2,1000,C相电压,model=4|arg1=em.PhaseCVoltage|arg2= |arg3= |arg4=100
4,6,int32,32,yc3,1000,AB线电压,model=4|arg1=em.LineVoltageAB|arg2= |arg3= |arg4=100
4,8,int32,32,yc4,1000,BC线电压,model=4|arg1=em.LineVoltageBC|arg2= |arg3= |arg4=100
4,10,int32,32,yc5,1000,CA线电压,model=4|arg1=em.LineVoltageCA|arg2= |arg3= |arg4=100
4,12,int32,32,yc6,1000,A相电流,model=4|arg1=em.PhaseACurrent|arg2= |arg3= |arg4=100
4,14,int32,32,yc7,1000,B相电流,model=4|arg1=em.PhaseBCurrent|arg2= |arg3= |arg4=100
4,16,int32,32,yc8,1000,C相电流,model=4|arg1=em.PhaseCCurrent|arg2= |arg3= |arg4=100
4,18,int32,32,yc9,1000,A相有功功率,model=4|arg1=em.PhaseAActivePower|arg2= |arg3= |arg4=100
4,20,int32,32,yc10,1000,B相有功功率,model=4|arg1=em.PhaseBActivePower|arg2= |arg3= |arg4=100
4,22,int32,32,yc11,1000,C相有功功率,model=4|arg1=em.PhaseCActivePower|arg2= |arg3= |arg4=100
4,24,int32,32,yc12,1000,总有功功率,model=4|arg1=em.TotalActivePower|arg2= |arg3= |arg4=100
4,26,int32,32,yc13,1000,A相无功功率,model=4|arg1=em.PhaseAReactivePower|arg2= |arg3= |arg4=100
4,28,int32,32,yc14,1000,B相无功功率,model=4|arg1=em.PhaseBReactivePower|arg2= |arg3= |arg4=100
4,30,int32,32,yc15,1000,C相无功功率,model=4|arg1=em.PhaseCReactivePower|arg2= |arg3= |arg4=100
4,32,int32,32,yc16,1000,总无功功率,model=4|arg1=em.TotalReactivePower|arg2= |arg3= |arg4=100
4,34,int32,32,yc17,1000,总视在功率,model=4|arg1=em.TotalApparentPower|arg2= |arg3= |arg4=100
4,36,int32,32,yc18,1000,功率因数,model=4|arg1=em.PowerFactor|arg2= |arg3= |arg4=100
4,38,int32,32,yc19,1000,频率,model=4|arg1=em.Frequency|arg2= |arg3= |arg4=100
4,40,int32,32,yc20,1000,正向总有功电能,model=4|arg1=em.ForwardActiveEnergy|arg2= |arg3= |arg4=100
4,42,int32,32,yc21,1000,反向总有功电能,model=4|arg1=em.ReverseActiveEnergy|arg2= |arg3= |arg4=100

5. 健壮性与错误处理（设计目标）

  • 影子写与防抖，降低 Modbus 写风暴；
  • 分从站隔离失败影响，避免单点通讯异常拖垮整体；
  • PCS 过载、电压/温度/孤岛等条件进入故障态的可预期路径；
  • 指令限幅与并网前电网可用性检查，减少「非法设定导致状态发散」。

6. 结语

本系统的需求 是：用可配置、可协议化的方式，在桌面上复现 ESS 关键行为，并服务多团队联调。
设计上采用「模型 / 协议与映射 / 展示」分层、显式线程与数据流、对象路径 + CSV 解耦点表，从而在扩展性与可维护性之间取得工程上可落地的平衡。

写在结尾

下一篇《储能仿真系统-功能和用途》将面向使用者，整理具体能力与典型场景。天道酬请，与君共勉！

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