一、技术背景

新型储能系统凭借突破传统电力供需时空限制、精准控制与快速响应的特性，已成为应对新能源间歇性和波动性问题的关键技术。在构建以新能源为主体的新型电力系统背景下，新型储能被广泛应用于电源侧、电网侧和用户侧，实现削峰填谷、需求侧响应、辅助服务及可再生能源波动平抑等功能。

能量管理系统（EMS）作为储能系统的智能决策中枢，虽然在整体成本中占比不高，却是实现系统高效运行的核心组件。该系统通过集成负荷预测算法、优化调度模块以及数据采集和监控系统（SCADA），构建了储能系统的智能化控制架构。

其核心价值主要体现在两个方面：首先，通过制定最优控制策略，直接影响电池组的衰减速率和循环寿命，从而显著影响储能系统的全生命周期经济性；其次，作为系统安全运行的“神经中枢”，可实时监测运行状态，对异常工况进行快速诊断与保护，为设备安全和系统可靠性提供关键保障。

常见的EMS能量管理系统架构，可分为设备层、通讯层、信息层和应用层四个核心层级：

1. 设备层：作为系统基础，依赖各个能量监控与变换设备的支撑，包括储能变流器（PCS）、电池管理系统（BMS）、其他电力电子接口设备等。
2. 通讯层：包括通讯链路、通讯协议、数据传输等，是完成设备间数据交互的枢纽。
3. 信息层：主要包括数据缓存、数据库、服务器，是系统的数据中心。其中数据库系统负责数据处理和数据存储，记录实时数据和重要历史数据，并提供历史信息查询；
4. 应用层：表现形式包括APP、Web等，为管理人员提供可视化的监控与操作界面，具体功能涵盖能量变换决策、能源数据传输和采集、实时监测控制、运维管理分析、电能/电量可视分析、远程实时控制等。

EMS的具体功能大致可分为七部分，详细信息如下：

1. 系统概况：展示当前储能系统的运行概况，包括储能充放电量、实时功率、SOC、收益，能量图、多功率运行图等，作为监测的主页面；
2. 设备监控：按地址查看各类设备状况，包括但不限于PCS、BMS、空调、电表、智能断路器、消防主机、各类传感器等实时运行数据，并支持设备调控；
3. 运行收益：展示储能的收益和电量信息，是业主最关心的功能；
4. 故障告警：汇总各类设备的故障告警，按时间、状态、等级等进行查询；
5. 统计分析：查询设备的历史运行数据和相关报表，同时支持数据导出；
6. 能量管理：EMS的核心功能，配置储能的策略，包括手动和自动等模式，满足调试、检修、日常运行、保养等场景需求；
7. 系统管理：包括电站基本信息、设备管理、电价时段管理、操作日志、账号管理、语言切换等功能。

二、HIL测试的需求

电化学储能电站（ESS）普遍采用少人值守或无人值守模式，而能量管理系统（EMS）作为电站的“大脑”和运维人员的“眼睛”，其可靠性直接影响电站的安全运行和经济效益。2023年12月1日，《电化学储能电站监控系统技术规范》正式开始实施，EMS的功能要求更加严格，涵盖数据采集、电网调度、设备通信、安全控制等多个方面。

在工程实践中，仅依靠软件仿真或现场调试显然无法全面验证EMS的功能，传统的物理测试方法，面对EMS复杂的测试需求，同样显得捉襟见肘，面临成本、效率、安全性等一系列困难。

因此，硬件在环（HIL）测试成为确保EMS可靠运行的关键技术手段。其通过实时仿真技术构建高保真虚拟电网环境（集成在PCS模型中），同步整合高精度电池模型（嵌入BMS模型中）及实时通信协议栈，实现对EMS乃至整个储能系统的全生命周期测试覆盖。

具体而言，EMS HIL测试体系的核心价值主要体现在以下维度：

1. 海量数据处理验证：HIL测试模拟BMS和PCS海量数据输入，验证EMS采集、存储及容错能力，确保60万+数据点稳定处理并满足3个月存储要求；
2. 电网交互实时性保障：通过构建电网动态模型，测试EMS对AGC、AVC指令的响应（≤1秒）及多能源协调能力，确保调峰调频精准可靠；
3. 多设备通信兼容性验证：模拟IEC 61850、Modbus等协议及双网冗余场景，测试EMS通信解析能力与故障切换性能，保障高速可靠通信；
4. 安全功能完备性测试：注入过压、温度异常等故障，验证报警闭锁逻辑及自动切换机制，避免误操作引发安全事故；
5. 降低调试风险与成本：实验室全场景模拟提前暴露缺陷，减少现场整改成本，避免因EMS故障导致电站停运或收益损失。

三、EMS HIL测试系统

从技术规范层面划分，针对储能管理系统（EMS）的硬件在环（HIL）测试通常聚焦于信号级验证。

当涉及功率级HIL测试时，其测试范围则扩展至包含BMS、PCS在内的完整储能平台构成要素，这属于系统级验证的内容，我们将在后续推文中对此进行专项阐述，在本文中暂不展开讨论该部分技术细节。

信号级EMS HIL测试系统包括以下三部分：

1、上位机：

• 开发EMS被控对象实时仿真模型，包括：电网模型、PCS模型、BMS模型、负荷模型及各种通讯接口模型等；

• 通过试验管理软件PolarControl，搭建上位机界面，实现实时在线调参、波形显示和数据记录；

• 通过自动化测试软件PolarTest，开发测试用例，一键执行并输出测试报告。

2、实时仿真机：

运行EMS被控对象实时仿真模型，并通过其搭载的IO和通讯模块，实现与控制器的信号交互。

3、被测对象：

待测试的EMS控制器。

四、实时仿真机

实时仿真机，包括SSD、RAM和CPU，以及通过PCIe总线扩展的模拟IO模块、数字IO模块、通信IO模块以及FPGA IO模块，通过千兆以太网与上位机进行数据交互。

在HIL测试系统中，EMS数据采集终端支持多种通信接口（如RS485、以太网等）和协议（包括IEC 101/103/104、Modbus RTU/TCP、IEC 61850等，以及其他私有协议），以便与PCS、BMS、温控仪、电表等设备进行数据交互。

因此，实时仿真系统必须提供相应的通信接口和协议支持，确保测试环境能够准确模拟真实工作场景下的通信需求。其支持的协议如下：

• RS232/RS422/RS485

• Modbus RTU/TCP

• IEC 61850

• IEC101/103/104

• DNP

• TCP/IP

五、被控对象模型

EMS被控对象模型基于MATLAB软件的Simulink/Simscape库搭建，能够准确模拟储能系统各组件及电网的动态运行特性。模型包含PCS模型、BMS模型、负荷模型及各种通讯接口模型等。

微电网储能EMS的仿真模型及其在系统中的部署情况，如图所示：