UPS蓄电池监测系统在无人值守平台的应用

段平安 蔡涛 成明 郭建萍

1中海石油（中国）有限公司湛江分公司

2中海石油（中国）有限公司上海分公司

3渤海钻探工程有限公司井下作业分公司钻修工程作业部

油气田智能化的基础是在线式集中监测、预测性报警、定期维修及巡检，中心平台建造时通常会配置功率管理系统（PMS）对供配电系统进行监控和操作。电池监控是供电监控系统的核心[1]，不间断电源（UPS）作为海上油气田的关键电气设备，其电池却一直以来并没有纳入到PMS 系统进行实时监测。因此，在现有的有人平台无人化、智能化改造中，通过研究、设计和实施改造，配置一套适合现场使用的电池监测系统非常有必要。

1 海洋采油UPS及电池

海上采油平台UPS系统如图1所示。它主要负责给采油平台中央控制系统（CCS）、通信系统、核心设备电控系统等供电，是海上平台最重要的供电系统。通常由平台的燃气发电机提供主电源和旁路电源，当平台发生紧急关断（ESD），失去主电和旁路电源时，UPS 瞬间能自动切换到电池供电，通过逆变送出220 V、110 V 交流电源供这些重要负荷使用。

图1 海上平台UPS系统Fig.1 Offshore platform UPS system

蓄电池是UPS 系统的重要组成部分[2]，一旦出现应急情况，若UPS电池不能正常供电或供电时间不足，动力设备、高温高压工艺流程可能面临失控，轻则设备损坏，重则人员受伤、平台发生火灾，带来灾难性的后果。采油平台上UPS电池通常选择高质量的铅酸电池和镍镉电池，因为海上的使用环境比较恶劣，实际5年以内就会出现大批量电池容量不足问题，个别电池甚至3 年内就出现故障。蓄电池作为UPS系统的最重要部件，它的优劣直接关系到整个UPS系统的可靠性；然而，根据实际经验，蓄电池却是UPS系统中平均无故障时间最短的部件。据统计，85%的UPS系统的失效，是由于电池的故障导致的，所以维护UPS主要是检测并维护蓄电池，延长其使用寿命。

采油平台上维修人员对UPS蓄电池进行维修保护，检测手段一般分为三种：

（1）使用万用表量电压来完成，每月1次，耗时较多，实际操作中经常会发现在浮充状态下坏电池或落后电池与正常电池的电压没有太明显区别[3]。

（2）用核对性放电方式（每年1次）对蓄电池进行容量检测，并且做电池活化试验。该方式的缺点是周期长，不能及时反映蓄电池容量的变化情况[4]，时效性太差；虽然是测试电池剩余容量的最有效方法，但不能作为日常维修保护手段使用。

（3）UPS 放电测试，每季度进行1 次，人为关断UPS 交流输入[5]，进行蓄电池逆变放电测试。该方式时效性稍好，但风险很大，稍有不慎可能会出现主电未及时恢复电池被放光,电池未带上负荷而导致的设备关停。而部分UPS厂家为了防止此类事件，某些机型上集成了测试功能，可以实现蓄电池自动监测与管理[6]，在主机面板上进行放电测试。

综上所述，三种方式都需要维护人员实地操作，不能实时、在线完成操作，不适合采油平台的智能化、无人化的发展新要求。采油平台无人化后，每月只定检1次，集中维护设备，平常不会有人进行设备巡检，故障的电池通常在2 周内失效；如不能及时发现会影响到其他电池的性能，甚至会因为内部短路、过冲等造成爆炸和火灾。因此，迫切需要研究、补充一种可行的UPS蓄电池在线监测系统，通过对各个蓄电池的检测，及时发现异常问题，并在电脑界面上展示出来[7]，定性、定量、可视、及时地把蓄电池的状态远传到值班的中心平台上，对故障情况提供声光警报，引起值班人员的注意，及时进行人工干预，安排人员上平台进行检修更换。

2 监测功能需求

单纯蓄电池电压检测不可靠，反馈的实际容量往往是失真的。根据实验发现，当蓄电池的内阻上升到一定程度后，电池就进入非稳定状态，很容易导致损坏。当内阻上升到出厂值的130%以后，有效容量就降低到额定容量的80%，此时就该引起平台维护人员的重视。

内阻与容量有很好的相关性，因此监测系统除了实时巡检电池电压和电流外，还需每天定时测量每块电池的内阻，记录历史数据，绘制曲线，揭示性能特性和老化趋势。

监测系统应有事件记录和报警设置，能显示蓄电池报警状态（浮充电压高、浮充电压低、过放和内阻异常等信息），并提供声光报警。

当平台有人时，可以通过本地控制盘进行数据监测；当平台无人时，则可以在中心平台上通过上位机进行数据监测。通过数据的连续记录，形成历史曲线，并且通过调取历史曲线能够观察蓄电池运行状况是否良好，在数据对比过程中能够及时发现问题，及早将问题解决，减少设备发生故障的可能性。

3 监测系统的实现

3.1 检测原理

检测核心原理为电池内阻的在线监测。选择交流法测量方法[8]，对单块电池的内阻在线监测，向电池里面输入叠加一个交流电流分量信号，测量这个信号带来的电压变化，即可通过计算，算出电池的交流内阻。

3.2 系统组成

电池监测系统由中心平台监控中心的远程电脑（上位机）、就地安装的蓄电池显示控制屏（下位机）、布置在电池房的电池检测模块、总电流传感器、通信转换器模块等组成（图2）。

图2 电池监测系统组成Fig.2 Composition of battery monitoring system

显示控制屏负责电池组数据收集、调度、分析、统计、显示、对外通信上位机。电池检测模块负责测试电池电压、内阻参数。远程电脑负责远程的监测和报警。监控系统为模块化设计，拓展性良好，配备通信接口，通过交换机将多套监控子系统进行组网，单个远程电脑程序可集中管理多个平台的蓄电池监控系统。

3.3 功能实现

首先进行电池分组，以某平台UPS蓄电池组为例，其电池型号为SAFT SPH115，每组电池12 V，共分成19组，每组配置一个电池监测模块，如图3所示。

通过集成电路板件监测模块监测电压和内阻（图4）。

监测模块连接到每组蓄电池两端正负接线柱，接线示意图见图5。由于平台电池间是CLASS1 DIVISION 2防爆区，正常情况下，本模块虽不会产生火花和电弧，但为进一步提高安全程度，防止电气设备产生危险温度、电弧和电火花的可能性，选择增安型（Exe）[9]的接线盒来安装此模块。

图3 某平台蓄电池分组图Fig.3 Battery grouping diagram of a platform

图4 集成电路板件监测模块Fig.4 Plate monitoring module of integrated circuit

图5 监测模块接线图Fig.5 Wiring diagram of monitoring module

监测模块带有两个RJ10 口，一个进，一个出，模块之间互相串联，收集的信息以MODBUS协议通过通信线传至控制箱的通信转换器模块。监测模块MODBUS RTU 通信点表见图6。通信转化器将接受到的MODUBUS信号和总电流霍尔检测的数据，一起通过RS485口传到显示控制屏上。显示控制屏通过采样和处理，提供人机交互，并通过一个RJ45 口，使用MODBUS/TCP 协议，将数据传入上位机开发的管理程序中。

显示控制屏选择7 in 昆仑通态TPC7062Ti 屏，使用软件MCGS 嵌入版进行组态，完成开机画面、参数设置、手动采样、主界面、电压曲线、电流曲线、总电压和电流等画面组态及参数设置。典型组态画面见图7。

图6 RTU通信点表Fig.6 RTU communication point table

图7 触摸屏组态Fig.7 Touch screen configuration

显示控制屏有一个RJ45 口，使用MODBUS/TCP协议，通过网线连接到PMS系统网关上，通过海底光纤传输到中心平台PMS系统电脑上。PMS系统电脑（上位机）使用组态王进行程序开发，读取传输来的数据，各画面与触摸屏类似，其程序中设置如下报警：①充电电流上限，当电池组充电电流大于此值时告警；②放电电流上限，当电池组放电电流大于此值时告警；③单电池电压上限，当电池在浮充状态下，单电池电压大于此值时告警；④单电池电压下限，当电池在浮充状态下，单电池电压小于此值时告警；⑤终止放电电压，当电池在放电状态下，单电池电压小于此值时告警；⑥出厂内阻值，根据蓄电池出厂检验报告设定；⑦内阻异常阈值，当内阻变化率大于此值时告警。

程序运行后，需在系统设置页面中将各报警定值人工进行输入。当检测到电池参数超限值时，就会在主画面上显示报警，并可以对过去一段时间电池的内阻、电压值数据进行保存，用EXCEL 文件可打开查看。设置页面同样可以对内阻采样时间、电池预警和采集电池数量进行相应设置，也可以手动控制采集内阻。在系统设置页面中的“内阻采样时间”下的输入框内，可设置每天内阻采样的具体时间（图8）。

图8 报警设置画面Fig.8 Picture of alarm setting

4 使用效果

平台蓄电池监测系统调试后投入运行。2019年3月，中心平台值班人员巡检时发现电池监控系统报警，查看画面发现组电压异常，报警显示浮充电压高，迅速进入人工干预程序，断开蓄电池回路。通过查看历史曲线，发现蓄电池组电压出现周期性波动，蓄电池组内阻显著上升（图9），通过进一步排查发现，是UPS 整流模块CT 出现故障，导致充电电压异常上升。监控系统及时报警，防止了过冲可能导致的电池损坏、甚至是爆炸，历史数据的记录给故障的判断提供了很好的依据。

图9 蓄电池组电压异常画面Fig.9 Picture of abnormal voltage for stor storage battery

5 结束语

平台无人化后，最重要的就是确保设备可靠和平台安全。根据实际应用效果，UPS电池组在线监测系统的投用确实可以预防电池故障，提醒维护人员进行预防性的维修保护，提高UPS可靠性，最大限度地延长电池寿命，避免状况良好的电池被坏的电池影响。维护人员通过中心平台的监控画面就可以实时掌控UPS电池的使用状况，通过警报信息及时进行人工干预，将故障和事故消灭在萌芽阶段。此项技术和这套设备不仅可用于海上采油平台的无人化、智能化改造上，而且可在新平台的设计、建造阶段中进行推广。