UPS蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)在無人值守平臺的應(yīng)用

段平安 蔡濤 成明 郭建萍

1中海石油（中國）有限公司湛江分公司

2中海石油（中國）有限公司上海分公司

3渤海鉆探工程有限公司井下作業(yè)分公司鉆修工程作業(yè)部

油氣田智能化的基礎(chǔ)是在線式集中監(jiān)測、預(yù)測性報警、定期維修及巡檢，中心平臺建造時通常會配置功率管理系統(tǒng)（PMS）對供配電系統(tǒng)進行監(jiān)控和操作。電池監(jiān)控是供電監(jiān)控系統(tǒng)的核心[1]，不間斷電源（UPS）作為海上油氣田的關(guān)鍵電氣設(shè)備，其電池卻一直以來并沒有納入到PMS 系統(tǒng)進行實時監(jiān)測。因此，在現(xiàn)有的有人平臺無人化、智能化改造中，通過研究、設(shè)計和實施改造，配置一套適合現(xiàn)場使用的電池監(jiān)測系統(tǒng)非常有必要。

1 海洋采油UPS及電池

海上采油平臺UPS系統(tǒng)如圖1所示。它主要負責給采油平臺中央控制系統(tǒng)（CCS）、通信系統(tǒng)、核心設(shè)備電控系統(tǒng)等供電，是海上平臺最重要的供電系統(tǒng)。通常由平臺的燃氣發(fā)電機提供主電源和旁路電源，當平臺發(fā)生緊急關(guān)斷（ESD），失去主電和旁路電源時，UPS 瞬間能自動切換到電池供電，通過逆變送出220 V、110 V 交流電源供這些重要負荷使用。

圖1 海上平臺UPS系統(tǒng)Fig.1 Offshore platform UPS system

蓄電池是UPS 系統(tǒng)的重要組成部分[2]，一旦出現(xiàn)應(yīng)急情況，若UPS電池不能正常供電或供電時間不足，動力設(shè)備、高溫高壓工藝流程可能面臨失控，輕則設(shè)備損壞，重則人員受傷、平臺發(fā)生火災(zāi)，帶來災(zāi)難性的后果。采油平臺上UPS電池通常選擇高質(zhì)量的鉛酸電池和鎳鎘電池，因為海上的使用環(huán)境比較惡劣，實際5年以內(nèi)就會出現(xiàn)大批量電池容量不足問題，個別電池甚至3 年內(nèi)就出現(xiàn)故障。蓄電池作為UPS系統(tǒng)的最重要部件，它的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個UPS系統(tǒng)的可靠性；然而，根據(jù)實際經(jīng)驗，蓄電池卻是UPS系統(tǒng)中平均無故障時間最短的部件。據(jù)統(tǒng)計，85%的UPS系統(tǒng)的失效，是由于電池的故障導致的，所以維護UPS主要是檢測并維護蓄電池，延長其使用壽命。

采油平臺上維修人員對UPS蓄電池進行維修保護，檢測手段一般分為三種：

（1）使用萬用表量電壓來完成，每月1次，耗時較多，實際操作中經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)在浮充狀態(tài)下壞電池或落后電池與正常電池的電壓沒有太明顯區(qū)別[3]。

（2）用核對性放電方式（每年1次）對蓄電池進行容量檢測，并且做電池活化試驗。該方式的缺點是周期長，不能及時反映蓄電池容量的變化情況[4]，時效性太差；雖然是測試電池剩余容量的最有效方法，但不能作為日常維修保護手段使用。

（3）UPS 放電測試，每季度進行1 次，人為關(guān)斷UPS 交流輸入[5]，進行蓄電池逆變放電測試。該方式時效性稍好，但風險很大，稍有不慎可能會出現(xiàn)主電未及時恢復(fù)電池被放光,電池未帶上負荷而導致的設(shè)備關(guān)停。而部分UPS廠家為了防止此類事件，某些機型上集成了測試功能，可以實現(xiàn)蓄電池自動監(jiān)測與管理[6]，在主機面板上進行放電測試。

綜上所述，三種方式都需要維護人員實地操作，不能實時、在線完成操作，不適合采油平臺的智能化、無人化的發(fā)展新要求。采油平臺無人化后，每月只定檢1次，集中維護設(shè)備，平常不會有人進行設(shè)備巡檢，故障的電池通常在2 周內(nèi)失效；如不能及時發(fā)現(xiàn)會影響到其他電池的性能，甚至會因為內(nèi)部短路、過沖等造成爆炸和火災(zāi)。因此，迫切需要研究、補充一種可行的UPS蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過對各個蓄電池的檢測，及時發(fā)現(xiàn)異常問題，并在電腦界面上展示出來[7]，定性、定量、可視、及時地把蓄電池的狀態(tài)遠傳到值班的中心平臺上，對故障情況提供聲光警報，引起值班人員的注意，及時進行人工干預(yù)，安排人員上平臺進行檢修更換。

2 監(jiān)測功能需求

單純蓄電池電壓檢測不可靠，反饋的實際容量往往是失真的。根據(jù)實驗發(fā)現(xiàn)，當蓄電池的內(nèi)阻上升到一定程度后，電池就進入非穩(wěn)定狀態(tài)，很容易導致?lián)p壞。當內(nèi)阻上升到出廠值的130%以后，有效容量就降低到額定容量的80%，此時就該引起平臺維護人員的重視。

內(nèi)阻與容量有很好的相關(guān)性，因此監(jiān)測系統(tǒng)除了實時巡檢電池電壓和電流外，還需每天定時測量每塊電池的內(nèi)阻，記錄歷史數(shù)據(jù)，繪制曲線，揭示性能特性和老化趨勢。

監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)有事件記錄和報警設(shè)置，能顯示蓄電池報警狀態(tài)（浮充電壓高、浮充電壓低、過放和內(nèi)阻異常等信息），并提供聲光報警。

當平臺有人時，可以通過本地控制盤進行數(shù)據(jù)監(jiān)測；當平臺無人時，則可以在中心平臺上通過上位機進行數(shù)據(jù)監(jiān)測。通過數(shù)據(jù)的連續(xù)記錄，形成歷史曲線，并且通過調(diào)取歷史曲線能夠觀察蓄電池運行狀況是否良好，在數(shù)據(jù)對比過程中能夠及時發(fā)現(xiàn)問題，及早將問題解決，減少設(shè)備發(fā)生故障的可能性。

3 監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 檢測原理

檢測核心原理為電池內(nèi)阻的在線監(jiān)測。選擇交流法測量方法[8]，對單塊電池的內(nèi)阻在線監(jiān)測，向電池里面輸入疊加一個交流電流分量信號，測量這個信號帶來的電壓變化，即可通過計算，算出電池的交流內(nèi)阻。

3.2 系統(tǒng)組成

電池監(jiān)測系統(tǒng)由中心平臺監(jiān)控中心的遠程電腦（上位機）、就地安裝的蓄電池顯示控制屏（下位機）、布置在電池房的電池檢測模塊、總電流傳感器、通信轉(zhuǎn)換器模塊等組成（圖2）。

圖2 電池監(jiān)測系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of battery monitoring system

顯示控制屏負責電池組數(shù)據(jù)收集、調(diào)度、分析、統(tǒng)計、顯示、對外通信上位機。電池檢測模塊負責測試電池電壓、內(nèi)阻參數(shù)。遠程電腦負責遠程的監(jiān)測和報警。監(jiān)控系統(tǒng)為模塊化設(shè)計，拓展性良好，配備通信接口，通過交換機將多套監(jiān)控子系統(tǒng)進行組網(wǎng)，單個遠程電腦程序可集中管理多個平臺的蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)。

3.3 功能實現(xiàn)

首先進行電池分組，以某平臺UPS蓄電池組為例，其電池型號為SAFT SPH115，每組電池12 V，共分成19組，每組配置一個電池監(jiān)測模塊，如圖3所示。

通過集成電路板件監(jiān)測模塊監(jiān)測電壓和內(nèi)阻（圖4）。

監(jiān)測模塊連接到每組蓄電池兩端正負接線柱，接線示意圖見圖5。由于平臺電池間是CLASS1 DIVISION 2防爆區(qū)，正常情況下，本模塊雖不會產(chǎn)生火花和電弧，但為進一步提高安全程度，防止電氣設(shè)備產(chǎn)生危險溫度、電弧和電火花的可能性，選擇增安型（Exe）[9]的接線盒來安裝此模塊。

圖3 某平臺蓄電池分組圖Fig.3 Battery grouping diagram of a platform

圖4 集成電路板件監(jiān)測模塊Fig.4 Plate monitoring module of integrated circuit

圖5 監(jiān)測模塊接線圖Fig.5 Wiring diagram of monitoring module

監(jiān)測模塊帶有兩個RJ10 口，一個進，一個出，模塊之間互相串聯(lián)，收集的信息以MODBUS協(xié)議通過通信線傳至控制箱的通信轉(zhuǎn)換器模塊。監(jiān)測模塊MODBUS RTU 通信點表見圖6。通信轉(zhuǎn)化器將接受到的MODUBUS信號和總電流霍爾檢測的數(shù)據(jù)，一起通過RS485口傳到顯示控制屏上。顯示控制屏通過采樣和處理，提供人機交互，并通過一個RJ45 口，使用MODBUS/TCP 協(xié)議，將數(shù)據(jù)傳入上位機開發(fā)的管理程序中。

顯示控制屏選擇7 in 昆侖通態(tài)TPC7062Ti 屏，使用軟件MCGS 嵌入版進行組態(tài)，完成開機畫面、參數(shù)設(shè)置、手動采樣、主界面、電壓曲線、電流曲線、總電壓和電流等畫面組態(tài)及參數(shù)設(shè)置。典型組態(tài)畫面見圖7。

圖6 RTU通信點表Fig.6 RTU communication point table

圖7 觸摸屏組態(tài)Fig.7 Touch screen configuration

顯示控制屏有一個RJ45 口，使用MODBUS/TCP協(xié)議，通過網(wǎng)線連接到PMS系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)上，通過海底光纖傳輸?shù)街行钠脚_PMS系統(tǒng)電腦上。PMS系統(tǒng)電腦（上位機）使用組態(tài)王進行程序開發(fā)，讀取傳輸來的數(shù)據(jù)，各畫面與觸摸屏類似，其程序中設(shè)置如下報警：①充電電流上限，當電池組充電電流大于此值時告警；②放電電流上限，當電池組放電電流大于此值時告警；③單電池電壓上限，當電池在浮充狀態(tài)下，單電池電壓大于此值時告警；④單電池電壓下限，當電池在浮充狀態(tài)下，單電池電壓小于此值時告警；⑤終止放電電壓，當電池在放電狀態(tài)下，單電池電壓小于此值時告警；⑥出廠內(nèi)阻值，根據(jù)蓄電池出廠檢驗報告設(shè)定；⑦內(nèi)阻異常閾值，當內(nèi)阻變化率大于此值時告警。

程序運行后，需在系統(tǒng)設(shè)置頁面中將各報警定值人工進行輸入。當檢測到電池參數(shù)超限值時，就會在主畫面上顯示報警，并可以對過去一段時間電池的內(nèi)阻、電壓值數(shù)據(jù)進行保存，用EXCEL 文件可打開查看。設(shè)置頁面同樣可以對內(nèi)阻采樣時間、電池預(yù)警和采集電池數(shù)量進行相應(yīng)設(shè)置，也可以手動控制采集內(nèi)阻。在系統(tǒng)設(shè)置頁面中的“內(nèi)阻采樣時間”下的輸入框內(nèi)，可設(shè)置每天內(nèi)阻采樣的具體時間（圖8）。

圖8 報警設(shè)置畫面Fig.8 Picture of alarm setting

4 使用效果

平臺蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)試后投入運行。2019年3月，中心平臺值班人員巡檢時發(fā)現(xiàn)電池監(jiān)控系統(tǒng)報警，查看畫面發(fā)現(xiàn)組電壓異常，報警顯示浮充電壓高，迅速進入人工干預(yù)程序，斷開蓄電池回路。通過查看歷史曲線，發(fā)現(xiàn)蓄電池組電壓出現(xiàn)周期性波動，蓄電池組內(nèi)阻顯著上升（圖9），通過進一步排查發(fā)現(xiàn)，是UPS 整流模塊CT 出現(xiàn)故障，導致充電電壓異常上升。監(jiān)控系統(tǒng)及時報警，防止了過沖可能導致的電池損壞、甚至是爆炸，歷史數(shù)據(jù)的記錄給故障的判斷提供了很好的依據(jù)。

圖9 蓄電池組電壓異常畫面Fig.9 Picture of abnormal voltage for stor storage battery

5 結(jié)束語

平臺無人化后，最重要的就是確保設(shè)備可靠和平臺安全。根據(jù)實際應(yīng)用效果，UPS電池組在線監(jiān)測系統(tǒng)的投用確實可以預(yù)防電池故障，提醒維護人員進行預(yù)防性的維修保護，提高UPS可靠性，最大限度地延長電池壽命，避免狀況良好的電池被壞的電池影響。維護人員通過中心平臺的監(jiān)控畫面就可以實時掌控UPS電池的使用狀況，通過警報信息及時進行人工干預(yù)，將故障和事故消滅在萌芽階段。此項技術(shù)和這套設(shè)備不僅可用于海上采油平臺的無人化、智能化改造上，而且可在新平臺的設(shè)計、建造階段中進行推廣。