蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在海上平臺(tái)中的應(yīng)用

胡 盼，莫醒寶，李常春

（中海石油（中國(guó)）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057）

0 引言

海洋石油是高投入和高風(fēng)險(xiǎn)的行業(yè)，最大風(fēng)險(xiǎn)是火災(zāi)和爆炸。一旦發(fā)生火災(zāi)或爆炸事故，可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性后果。因此，把控可能導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸事故的隱患，顯得尤為重要。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)因電氣設(shè)備故障引起的火災(zāi)占總火災(zāi)事故的三成以上。從全國(guó)來看，電氣火災(zāi)中因電池故障導(dǎo)致的火災(zāi)也占很大比例。在海洋石油平臺(tái)上，電池是常見的和非常重要的電氣設(shè)備。在實(shí)際生產(chǎn)中，如何更好地使用和維護(hù)電池一直都是電氣人員研究的難題。

1 研究背景

UPS（Uninterruptible Power Supply，不間斷電源）屬于海洋石油平臺(tái)的關(guān)鍵設(shè)備，為平臺(tái)的中控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和水文氣象系統(tǒng)等提供源源不斷的電能。電池作為UPS 的備用電源，起到舉足輕重的作用。正常情況下，電網(wǎng)的電能經(jīng)過UPS 整流和逆變后輸送給設(shè)備。當(dāng)電網(wǎng)失電時(shí)，電池的直流電將通過UPS 逆變后供給設(shè)備。UPS 電池一旦發(fā)生故障，不僅可能會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)設(shè)備癱瘓，還有可能引發(fā)火災(zāi)事故。而且，近年海上石油平臺(tái)也發(fā)生過幾起電池故障導(dǎo)致的火災(zāi)險(xiǎn)情。

某平臺(tái)有2 臺(tái)30 kV·A 的UPS，每臺(tái)UPS 有20 個(gè)12 V、150 A·h 的鉛酸電池。以往，對(duì)UPS 電池的維護(hù)與數(shù)據(jù)測(cè)量完全依賴于一年一度的電池充放電維保項(xiàng)目。雖然該項(xiàng)目能比較直觀地反映出電池的優(yōu)劣，但是也存在諸多缺點(diǎn)。首先，在UPS電池充放電之前必須要斷開相應(yīng)的電池開關(guān)。此時(shí)，一旦發(fā)生停電，直接導(dǎo)致UPS 關(guān)停。其次，該項(xiàng)目間隔周期和測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)。該項(xiàng)目一年一次，如果電池剛好在一年以內(nèi)發(fā)生故障，也無法及時(shí)處理。同時(shí)，維保電池時(shí)需要拆開相應(yīng)的電池連接線，耗費(fèi)大量時(shí)間。最后，拆或裝電池連接線以及測(cè)量過程中存在電池短路造成人員受傷的風(fēng)險(xiǎn)。

通過安裝UPS 電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，較好地解決了上述問題。通過相關(guān)探測(cè)器以及監(jiān)控主機(jī)，能實(shí)時(shí)了解電池的電壓、內(nèi)阻、容量和溫度等參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電池內(nèi)部故障。

2 測(cè)量原理

2.1 蓄電池內(nèi)阻及等效模型

測(cè)量蓄電池內(nèi)阻首先應(yīng)了解電池等效電路模型（圖1），通過模型可以將復(fù)雜的電化學(xué)結(jié)構(gòu)等效為電參數(shù)元件，為測(cè)量方式提供簡(jiǎn)化計(jì)算方法。圖1 中，E 是電池理想電動(dòng)勢(shì)，與電池SOC 有固定關(guān)系。R1 是歐姆電阻，由電池內(nèi)部電極材料、電解液、隔膜內(nèi)阻及各零件的接觸電阻構(gòu)成。R1 用于判斷電池壽命，電池出現(xiàn)老化、電解液干涸表現(xiàn)為R1 增大。R2 是極化電阻，在化學(xué)反應(yīng)過程中由極化反應(yīng)引起的電阻。極化電阻與電池的電量有關(guān)，當(dāng)電池放電時(shí)，隨著電池電量減少，極化電阻將會(huì)明顯增加。C 是極化電容，由極化反應(yīng)引起的等效電容，與電池電量有關(guān)。

圖1 電池等效電路模型

電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的電池內(nèi)阻值為模型中的R1+R2。因電池放電過程處于直流狀態(tài)，真正對(duì)其產(chǎn)生影響的只有R1 和R2。電容C 對(duì)電池直流電阻無實(shí)際意義，把電容值排除也有利于降低電池內(nèi)阻值對(duì)測(cè)試頻率的影響度。有些電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)廠家采用的測(cè)量方法是將R1、R2、C 合并在一起，以阻抗的形式直接代表電池內(nèi)阻。由于阻抗隨測(cè)試頻率變化而變化，這樣會(huì)導(dǎo)致不同的設(shè)備廠家測(cè)試同一節(jié)電池得到不同的阻抗值。系統(tǒng)測(cè)量的內(nèi)阻值為直流電阻值，不隨測(cè)試頻率變化，因此可以與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試儀表直接對(duì)比數(shù)值準(zhǔn)確性。

2.2 接線方式

電池內(nèi)阻為毫歐級(jí)的阻值，通常測(cè)試線纜本身的電阻就會(huì)有1 mΩ，再疊加上電線端子的電阻，導(dǎo)致測(cè)量系統(tǒng)本身引入的電阻已經(jīng)超過了電池內(nèi)阻。使得測(cè)量系統(tǒng)對(duì)電池內(nèi)阻變化的敏感程度降低，無法有效判斷電池內(nèi)阻增大。由于線阻與現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量有很大關(guān)系，甚至?xí)S時(shí)間變化。因此軟件優(yōu)化的方式仍然無法解決測(cè)量精度低的問題。

電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中內(nèi)阻采集模塊與電池采用4 線法連接（圖2），4 線法即電池的正負(fù)極分別有兩根線與內(nèi)阻模塊連接，一根對(duì)電池進(jìn)行脈沖放電，另一根用于信號(hào)采集。測(cè)量系統(tǒng)只從激勵(lì)和采集線匯合處計(jì)算內(nèi)阻，避免線阻對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，降低了對(duì)線纜連接質(zhì)量的要求。

圖2 電池傳感器模塊連接

2.3 內(nèi)阻測(cè)量原理

內(nèi)阻采集模塊收到測(cè)量?jī)?nèi)阻的命令后，采用內(nèi)部算法控制電流的幅度和頻率，形成專有的放電波形對(duì)電池放電，放電電流為2～6 A，確保蓄電池的電壓響應(yīng)來自于蓄電池的真實(shí)能量層而不是表面能量層。模塊提供的脈沖電流放電會(huì)引起電池電壓的微小波動(dòng)，由采集線將微弱電壓信號(hào)采集到模塊中。通過內(nèi)部系統(tǒng)識(shí)別與放大處理后，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算。最終得出等效模型中R1、R2 和C 的數(shù)值。在數(shù)據(jù)處理過程中，獨(dú)特的濾波電路和軟件算法可以對(duì)有效信號(hào)進(jìn)行甄別，剔除電池充電設(shè)備或其他設(shè)備帶來的干擾信號(hào)，保證最終內(nèi)阻數(shù)值具有很高的重復(fù)精度。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)主要由電池內(nèi)阻采集模塊、電池電流采集模塊、主控模塊和監(jiān)控系統(tǒng)軟件組成。其中，電池內(nèi)阻采集模塊用于監(jiān)測(cè)電池電壓、內(nèi)阻和溫度，電池電流采集模塊用于監(jiān)測(cè)電池組電流，主控模塊負(fù)責(zé)匯總單體電池、電流數(shù)據(jù)，處理告警信息并上傳數(shù)據(jù)。監(jiān)控系統(tǒng)軟件可以方便工作人員在計(jì)算機(jī)上查看電池的各項(xiàng)數(shù)據(jù)（圖3）。

圖3 電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

（1）UPS 蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)為每節(jié)電池配備一個(gè)電池傳感器模塊（圖4），每組電池配備一個(gè)電流檢測(cè)模塊，通過通信線連接成環(huán)路到主控模塊（圖5）。主控模塊負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)和上傳數(shù)據(jù)，電池傳感器模塊負(fù)責(zé)電壓、溫度、內(nèi)阻采集，電流檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)電流的采集。同時(shí)系統(tǒng)可以通過以太網(wǎng)、RS485 接口連接至中控系統(tǒng)。

圖4 電池傳感器模塊

圖5 主控模塊

（2）電池監(jiān)測(cè)主控模塊是整個(gè)蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心組件。主要進(jìn)行蓄電池?cái)?shù)據(jù)的收集、告警判斷和處理上傳等工作。用戶可通過主控模塊在本地查詢電池的詳細(xì)數(shù)據(jù)和告警數(shù)據(jù)。

（3）電池傳感器模塊主要完成對(duì)蓄電池的電壓、溫度、內(nèi)阻參數(shù)測(cè)試工作。在接收到主控模塊發(fā)出的測(cè)試命令后，立即啟動(dòng)相應(yīng)測(cè)試，測(cè)試完成后以數(shù)據(jù)形式返回給主控模塊。測(cè)試回路與通信回路采用光電隔離，確保用戶系統(tǒng)安全。電池傳感器模塊由紋波電流供電，功耗極低（26 mA），對(duì)電池影響可忽略不計(jì)。

（4）蓄電池在線管理軟件是基于SQL 數(shù)據(jù)庫(kù)，針對(duì)蓄電池在線監(jiān)測(cè)產(chǎn)品研發(fā)的上位機(jī)軟件，可以輕松獲得單體蓄電池的電壓、電流運(yùn)行曲線，以及單體蓄電池的內(nèi)阻數(shù)據(jù)，為判斷蓄電池的狀態(tài)提供可靠依據(jù)。具有以下功能：①實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池組的電壓、電流；②實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池組中的單體蓄電池電壓、溫度，可以通過數(shù)據(jù)列表、曲線圖等多種方式顯示數(shù)據(jù)；③實(shí)時(shí)測(cè)量并記錄單體蓄電池的內(nèi)阻，給出蓄電池全部使用期間的內(nèi)阻曲線，便于用戶分析蓄電池的狀態(tài)變化情況；④在蓄電池充放電狀態(tài)下，記錄蓄電池的充放電過程，給出蓄電池的充放電曲線及參數(shù)，提供蓄電池電壓、電流、溫度和內(nèi)阻等參數(shù)的報(bào)警。

4 實(shí)現(xiàn)功能

（1）在線測(cè)量電池的單體電壓、單體內(nèi)阻、組壓、充電電壓和環(huán)境溫度（圖6）。一旦發(fā)現(xiàn)某個(gè)參數(shù)有異?；蚱渥兓厔?shì)有異常時(shí)立即告警，使得管理維護(hù)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題或潛在的隱患，及時(shí)進(jìn)行處理，保證系統(tǒng)的可靠性與安全性。單體電壓、組壓和單體電阻等參數(shù)超限時(shí)自動(dòng)告警，告警閥值可設(shè)置。告警發(fā)生時(shí)設(shè)備發(fā)出告警聲音，通過設(shè)備查詢具體告警內(nèi)容。

圖6 組電池曲線

（2）在線24 h 監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)蓄電池組無人值守，實(shí)時(shí)掌握電池狀況，減少人工維護(hù)量。可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化自動(dòng)集中實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程維護(hù)管理及故障預(yù)警通知。

5 海上電網(wǎng)UPS 蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

（1）安全優(yōu)勢(shì)。電池傳感器模塊內(nèi)置完善的過溫、過流保護(hù)措施。電路設(shè)計(jì)采用三重保護(hù)，模塊萬一失效，不會(huì)對(duì)電池和UPS 造成影響。電池傳感器模塊電池端和通信端接口采用電氣隔離，可達(dá)到3750 V 安全隔離電壓。電池連接采用隨時(shí)和電池分離的可拆卸式監(jiān)測(cè)端子。

（2）技術(shù)優(yōu)勢(shì)。電池內(nèi)阻測(cè)試采用中小信號(hào)交流法，測(cè)試頻率根據(jù)UPS 參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整，高抗擾性保證內(nèi)阻值不受UPS 紋波干擾。一次只測(cè)試一節(jié)電池內(nèi)阻（測(cè)試時(shí)間5 s），不給整組電池同時(shí)加激勵(lì)信號(hào)，避免干擾UPS 正常工作。產(chǎn)品生命周期經(jīng)過完善的物料、設(shè)計(jì)、測(cè)試、生產(chǎn)和失效分析流程，保證產(chǎn)品可靠性。采用最先進(jìn)的外置溫度探頭模式，采用半導(dǎo)體溫度傳感器，不存在熱電偶隨時(shí)間性能退化的問題。外置溫度探頭可靈活安裝在電池任何位置，最準(zhǔn)確地測(cè)量電池真實(shí)溫度。

（3）應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。在電池健康度分析方面積累了大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，有豐富的經(jīng)驗(yàn)可預(yù)警出有惡化趨勢(shì)的電池。產(chǎn)品可兼容各種UPS（工頻、高頻等），在不同工業(yè)場(chǎng)合下均能保證測(cè)試準(zhǔn)確。

（4）工程優(yōu)勢(shì)。產(chǎn)品安裝架構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，保證產(chǎn)品布線簡(jiǎn)潔，施工容易。歸一化的模塊布置給平臺(tái)維護(hù)人員帶來正規(guī)、整齊的感覺。操作電池階段只需安裝檢測(cè)墊片（不需布線），讓電池脫離UPS 時(shí)間最短，最大化降低施工階段帶來的風(fēng)險(xiǎn)。施工前結(jié)合平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)情況，制作3D 布線效果圖供客戶審核，保證施工效果和客戶預(yù)期一致。

6 結(jié)語

UPS 蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是對(duì)UPS 蓄電池的電池內(nèi)阻和端電壓狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析的電池故障在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。發(fā)現(xiàn)性能嚴(yán)重劣化故障電池，立即報(bào)警；跟蹤電池的性能均衡性，發(fā)現(xiàn)個(gè)別蓄電池早期失效的情況，失效提前預(yù)警，為電池“精細(xì)”維護(hù)提供依據(jù)。此次項(xiàng)目實(shí)施，可以有效地降低因電池故障導(dǎo)致的停電和著火等安全事故概率。能夠樹立良好的電池使用方式，延長(zhǎng)使用壽命，節(jié)約采購(gòu)成本，能為平臺(tái)建立完整的蓄電池運(yùn)維數(shù)據(jù)庫(kù)，為蓄電池的產(chǎn)品選擇提供依據(jù)，保障了電池組穩(wěn)定可靠，確保UPS 電源系統(tǒng)正常工作。同時(shí)，大大提高了電池維護(hù)效率，節(jié)省人員和時(shí)間的投入，使得UPS 電池維護(hù)需要的人數(shù)從3 人減少到1 人，維護(hù)時(shí)間從4 h 縮短到5 min，為平臺(tái)后期UPS 電池維護(hù)節(jié)約了成本。蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅可在UPS 蓄電池中使用，在變電站直流電源系統(tǒng)及需要配置蓄電池的場(chǎng)所均可使用，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。